Способ и система универсальной защиты открытых проемов двухпутных тоннелей метрополитена
Иллюстрации
Показать всеВ способе решение задачи достигается за счет того, что создается комплексная защита открытого двухпутного проема путем создания двух завес шиберирующего типа (1 - холодная и 2 - теплая степени защиты) и одной завесы, формирующей настилающуюся струю теплого воздуха (3-я степень защиты), а также подогрев части проникшего холодного воздуха путем смешения с теплым воздухом за счет перетекания воздуха через отверстия в стене, разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель». Совместная работа всех степеней защиты обеспечивает защиту от продольного, поперечного и циклонного несанкционированного проникновения наружного холодного воздуха в тоннель, в том числе защиту от замораживания конструкций. Система предназначена для реализации способа, представляет собой щелевые элементы каналов-воздуховодов для формирования плоских струй воздуха. Радиальный вентилятор в корпусе, встроенный в конструкцию завесы и забирающий воздух для формирования принудительной струи первой степени защиты непосредственно перед собой из тоннеля. Размещенные над тоннелем венткамеру и форкамеру, соединенную по раздельным каналам-воздуховодам с щелевыми элементами второй и третьей степенями защиты. Вентканалы для формирования принудительных потоков теплого воздуха, специальные сквозные отверстия в перегородке между «теплым» и «холодным» тоннелями. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Реферат
1. Область техники
Изобретение относится к вентиляционным системам, обеспечивающим ограждение от доступа холодного воздуха путем применения комбинированных воздушных завес с одновременным перераспределением воздушных потоков для выравнивания температурных полей.
2. Предшествующий уровень техники
Известен способ ограничения передачи тепла сквозь проем формированием встречных потоков с созданием воздушной завесы перед проемом (Пат RU 2349843, МПК F24F 9/00, 2006).
Способ не обеспечивает эффективной защиты от замораживания и обледенения стенок тоннеля в условиях эксплуатационного оборота транспортных средств встречного направления в метрополитене.
Известен способ оптимизации параметров тепловой завесы с учетом угла выпуска воздуха по высоте проема в зависимости от температуры наружного воздуха и степени перекрытия проема транспортным средством (Пат.RU 2338963, МПК F24F 9/00, 2006).
Способ не обеспечивает компенсацию сложных тепловых полей в динамических условиях перемешивания воздушных потоков, обусловленных, в частности, температурными характеристиками обделки тоннеля.
Известна тепловая завеса для защиты от теплового воздействия окружающей среды подачей большого количества воздуха, несущего большой энергетический потенциал в защитную зону (Пат RU 2122686, МПК F24F 9/00, 1997).
Недостаток заключается в том, что при применении для тоннельного проема в метрополитене нарушается воздухообменный баланс.
Известна также принятая заявителем в качестве наиболее близкого технического решения, как в части способа, так и в части устройства, универсальная воздушная завеса, выполненная из нескольких степеней (уровней) защиты. Этот способ заключается в формировании принудительной воздушной завесы с несколькими степенями защиты, а система устройств формируется из завес с вентилятором (Пат.RU №2202077, МПК F24F 9/00, 2001).
Недостаток известного технического решения в том, что не может быть обеспечена эффективная защита от замораживания и обледенения за счет подогрева, на достаточном расстоянии от входа в проем, стенок тоннеля в условиях эксплуатационного оборота транспортных средств встречного направления в метрополитене. В частности, это происходит из-за отсутствия активного воздухооборота между тоннелями без выхода и засасывания воздуха в тоннель в процессе работы завесы.
3. Раскрытие изобретения
3.1. Результат решения технической задачи
Техническая задача - блокировать доступ холодного наружного воздуха для обеспечения защиты от замораживания и обледенения стенок двухпутного тоннеля и технологического оборудования вблизи открытых порталов метрополитена, путем многоуровневой воздушной завесы и организованного внутреннего воздухообмена между встречными тоннелями.
Технический результат - обеспечение в открытых порталах метрополитена необходимых климатических условий эксплуатации технологического оборудования и конструкций тоннелей метрополитена для их надежной работы и работоспособного состояния при отрицательных температурах наружного воздуха.
Решение технической задачи и технический результат достигаются за счет специальной организации воздушных потоков четырехуровневой универсальной воздушной завесой, обеспечивающей предотвращение проникновения большей части холодного наружного воздуха и подогрев части проникшего «холодного» воздуха путем смешения с «теплым» воздухом за счет перетекания воздуха из одного пространства («теплого» тоннеля) в другое («холодного» тоннеля) при открытом проеме.
3.2. Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен вид в плане тоннеля метрополитена с устройством комплекса защиты открытого портала; на фиг.2 - вид в плане - венткамера и вентканалы над тоннелем; на фиг.3 - продольный разрез 1-1 на фиг.1; на фиг.4 - поперечный разрез 2-2 на фиг.1.
Где 1 - «холодный» въездной тоннель; 2 - ось пути «холодного» (первого) тоннеля; 3 - «теплый» выездной тоннель; 4 - ось пути «теплого» (второго) тоннеля; 5 - щель, формирующая принудительную плоскую струю холодного воздуха; 6 - щель, формирующая принудительную плоскую струю теплого воздуха; 7 - забор холодного воздуха первой ступени защиты радиальным вентилятором в корпусе (радиальный вентилятор в корпусе на схеме не показан); 8 - плоская струя холодного воздуха; 9 - направление плоской струи теплого воздуха; 10 - направление настилающейся струи; 11 - специальные сквозные отверстия в перегородке между «холодным» (1) и «теплым» (3) тоннелями для естественного перепуска воздуха из одного тоннеля в другой; 12 - направление перетекающей струи; 13 - опуск из венткамеры; 14 - направление движения поезда; 15 - раздельные вентканалы; 16 - форкамера; 17 - главный вентилятор принудительного нагнетания теплого воздуха; 18 - направление потока воздуха от главного вентилятора принудительного нагнетания теплого воздуха; 19 - поток наружного холодного воздуха; 20 - отверстие для забора воздуха из тоннеля; 21 - верхняя щель завесы; 22 - возводимая стена, разделяющая «теплый» и «холодный» тоннели; α0 (αр) - угол направления холодной (теплой) плоской струи, град.; β - угол направления настилающейся струи, град; γ - угол струи перепуска, град.; Lp - расстояние формирования плоской струи второй степени от места формирования плоской струи первой ступени, м; Ln - расстояние формирования настилающейся струи от места формирования плоской струи первой степени защиты, м; Lк - расстояние места перепуска воздуха четвертой степени защиты от места формирования плоской струи первой ступени, м; l - расстояние места забора теплого воздуха от места формирования плоской струи первой ступени, м; Wi - интенсивность воздушных потоков соответствующей ступени защиты (i=1, 2, 3, 4), м/с.
3.3. Отличительные признаки
В отличие от известного технического решения в универсальном способе защиты открытых двухтоннельных проемов метрополитена защиту осуществляют четырьмя степенями защиты с использованием дополнительного эффекта (в частности, защита от замораживания) от их совместного действия и их комбинирования, при этом первую степень защиты формируют на выходе из тоннеля, выполняют с боковой двухсторонней подачей плоской струи холодного воздуха интенсивностью W1 м/с, под углом α 0 ∘ ; вторую степень защиты формируют на расстоянии Lp, м от плоской холодной струи, выполняют с трехсторонней подачей плоской струи теплого воздуха, интенсивностью W2 м/с, под углом α p ∘ ; третью степень защиты формируют на расстоянии Ln, м от плоской холодной струи, выполняют подачей теплого воздуха настилающейся теплой струей с интенсивностью W3 м/с, под углом β°; четвертую степень защиты формируют на расстоянии Lk от плоской холодной струи, выполняют естественным перепуском воздуха интенсивностью W4=f(Vcp) с углом разворота струи γ°, через отверстия (11) в стене (22), разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель»,
где Vcp - средняя скорость движущегося поезда.
В частном случае первую принудительную степень защиты формируют непосредственно перед собой на выходе из тоннеля, с локальным забором воздуха, с интенсивностью W1=(6-18) м/с, под углом α0=(20-40)°; вторую принудительную степень защиты формируют с боков и сверху на расстоянии Lp=(5-15) м, интенсивностью W2=(6-18) м/с, под углом αр=(20-40)°; третью степень защиты формируют на расстоянии Ln=(10-30) м, выполняют подачей настилающейся теплой струей вдоль стенок «холодного» тоннеля с интенсивностью W3=(6-18) м/с, под углом β=(0-10)°; четвертую степень защиты формируют на расстоянии Lk=(20-40) м, «поршневым» естественным перепуском воздуха интенсивностью W4=(2-24) м/с с углом разворота струи γ=(90-135)°, через отверстия (11) в стене (22), разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель» на расстоянии l=(150-200) м.
В отличие от известного технического решения система (устройство) для реализации способа включает: щелевые элементы каналов-воздуховодов (5, 6) для формирования плоских струй воздуха, радиальный вентилятор в корпусе (на схеме не показан), встроенный в конструкцию завесы и забирающий воздух для формирования принудительной струи первой степени защиты непосредственно перед собой из тоннеля, размещенные над тоннелем венткамеру и форкамеру (16), соединенную по раздельными каналам-воздуховодам с щелевыми элементами второй и третьей степенями защиты, вентканалы для формирования принудительных потоков теплого воздуха, специальные сквозные отверстия (11) в перегородке (22) длиной 1 между «теплым» и «холодным» тоннелями для перепуска воздуха из одного тоннеля в другой при возникновении поршневого технологического эффекта и смешивания теплого с частью холодного воздуха при движении поездов у проема.
3.4. Вариант осуществления изобретения
Решение задачи достигается за счет того, что создается комплексная защита открытого двухтоннельного проема путем создания двух завес шиберирующего типа (1-я завеса - холодная и 2-я завеса - теплая, соответственно 1-я и 2-я степени защиты), и одной завесы, формирующей настилающуюся струю теплого воздуха (3-я степень защиты), при этом проходит подогрев части проникшего холодного воздуха путем смешения с теплым воздухом за счет перетекания воздуха из одного пространства («теплого» тоннеля) в другое («холодного» тоннеля) (4-я степень защиты). Совместная работа всех степеней защиты обеспечивает защиту от продольного, поперечного и циклонного несанкционированного проникновения наружного холодного воздуха в тоннель, не присущую каждому из принятых степеней в отдельности, в частности защита от замораживания конструкций.
Основной элемент шиберирующих воздушных завес - плоская струя подогретого (9) или неподогретого воздуха (8), перекрывающая (шиберирующая) открытый проем. Воздухораспределитель воздушных завес выполняется в виде воздуховода равномерной раздачи воздуха (13), при постоянном статическом давлении. В 1-й степени защиты воздушная завеса с боковой двухсторонней раздачей и воздухораспределитель устанавливается вертикально. Во 2-й степени защиты воздушная завеса раздает воздух сбоку и сверху. Воздухораздающая щель направляет воздух не параллельно плоскости ворот, а под углом αр навстречу врывающемуся наружному воздуху.
Если струя направлена вдоль плоскости, а кромка насадки соприкасается с плоскостью, то струя будет настилаться на плоскость. Такие струи называются полуограниченными. Дальнобойность полуограниченной струи больше, чем свободной, поскольку размывание струи в этом случае происходит не по всему внешнему контуру, а только в той его части, которая взаимодействует с окружающим воздухом. Тормозящее действие плоскости, по которой течет струя, оказывается незначительным по сравнению с тормозящим действием окружающего воздуха. Пограничный слой со стороны плоскости имеет незначительную толщину, с внешней же стороны он быстро разрастается и оказывается примерно таким же, как у свободной струи. Это свойство используется в 3 степени защиты, в которой струя теплого воздуха (10), настилаясь на стенки тоннеля (1), прогревает их, тем самым исключая возможность обледенения стенок тоннеля вблизи портала.
В 4-й степени защиты используется поршневой эффект, создаваемый движущимся по тоннелю поездом. При выезде из тоннеля поезд «толкает» перед собой поток теплого воздуха, который оказывает давление на стенки тоннеля. В связи с этим предусматриваются специальные отверстия (11) в стенке (22), разделяющей въездной и выездной тоннели, через которые теплый воздух под напором выезжающего поезда будет перетекать в «холодный» тоннель (1). Теплый воздух смешивается с воздухом, проникшим с въезжающим поездом, и тем самым блокирует проникновение холода дальше по тоннелю.
При отсутствии воздействий поезда на воздушные потоки или движения поезда с малыми скоростями шиберирующая (W1, W2), настилающая (W3) и минимальная естественная защита перетеканием воздуха (W4) без поршневого эффекта достаточно обеспечивают блокировку холодного воздуха.
Система универсальной защиты открытых двухтоннельных проемов метрополитена является постоянно действующей.
На Фиг.1 и Фиг.2 показаны основные воздушные потоки реализации способа универсальной защиты открытых двухтоннельных проемов метрополитена и система его реализации.
Система функционирует в двухпутном тоннеле с перегородкой или сплошной стенкой между путями на расстоянии l, м, разделяющей тоннель на два. Один из тоннелей ("холодный") работает на въезд (путь I), а второй ("теплый") - на выезд (путь II).
Первая степень защиты выполнена принудительной с боковой двухсторонней подачей холодного воздуха в виде плоской шиберирующей струи неподогретого воздуха (8). Вторая степень защиты выполнена принудительной с трехсторонней подачей теплого воздуха плоской шиберирующей струей (9). Третья степень защиты выполнена принудительной с подачей теплого воздуха настилающейся струей (10) вдоль стенок «холодного» тоннеля (1). Четвертая степень защиты выполнена естественной с поршневым технологическим перепуском воздуха из одного тоннеля в другой через специальные отверстия (11) в стене (22), разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель», для обеспечения смешения теплого воздуха с частью прорвавшегося (при въезде поезда) холодного воздуха и блокирования распространения холода внутрь тоннеля.
Один из вариантов выполнения способа состоит в том, что плоскую струю первой ступени (8) формируют непосредственно перед собой на выходе из тоннеля, с локальным забором воздуха (7), с интенсивностью W1=6-18 м/с, при этом плоские струи первой и второй ступени формируют под углом α0(Р)=20-40°, а плоскую струю второй ступени формируют с боков и сверху на расстоянии Lp=5-15 м от плоской холодной струи, с интенсивностью потока воздуха W2=6-18 м/с, настилающуюся струю формируют на расстоянии Ln=10-30 м от плоской холодной струи, под углом β=0-10° с интенсивностью потока воздуха W3=6-18 м/с, а четвертую степень защиты формируют на расстоянии Lк=20-40 м от плоской холодной струи, с углом разворота струи воздуха, проходящего через отверстия (11) в стене (22), длиной l=150-200 м, под действием поршневого эффекта, γ=90-110 градусов.
Среднестатистическими оптимальными значениями для зимнего периода климатических условий средней полосы России являются следующие показатели:
W1=12 м/с; α0=30°; αр=30°; Lp=10 м; W2=8 м/с; Ln=20 м; W3=8 м/с; Lк=30 м; W4=12 м/с при VП=50 км/ч; l=200 м.
При приведенных показателях устанавливается стабильная температура в пристенной области тоннеля не ниже +5°C.
Изменение соотношений между показателями как в сторону снижения, так и в сторону увеличения абсолютных значений показателей снижает температуру в пристенной области ниже минимально допустимой, вплоть до отрицательных значений и замораживания, особенно для периода снижения внешних температур существенно ниже средней для рассматриваемого климатического района.
Система (устройство) защиты портала в холодный период года имеет четыре степени защиты. Первая - основана на боковой двухсторонней подаче воздуха. Забор воздуха происходит за счет работы радиального вентилятора, встроенного в конструкцию завесы, непосредственно перед собой из тоннеля. Корпусом конструкции является воздуховод равномерной раздачи с щелью, формирующей плоскую струю (Фиг.1). Плоская струя является воздушным шибером, заслоняющим открытый проем от проникновения холодного наружного воздуха (19).
Над тоннелем располагается венткамера и вентканалы (Фиг.2). За счет работы вентилятора (17) теплый воздух забирается на расстоянии l от портала из II пути и по вентканалу в строительном исполнении (над тоннелем) попадает в форкамеру (16). Из форкамеры воздух по раздельным вентканалам (15) подается непосредственно к каждой из щелей, которые осуществляют вторую и третью степень защиты.
Вторая степень защиты также основана на шиберирующем свойстве плоских струй (но уже теплого воздуха), истекающих из щели со скоростью W2. Воздуховыпускные щели расположены в строительных конструкциях с трех сторон (две сбоку и одна сверху) под углом αр (Фиг.1).
В третьей степени защиты происходит обдув стенок тоннеля I пути теплым воздухом за счет создания на выходе из щели настилающейся струи.
Под четвертой степенью защиты предусматривается перетекание теплого воздуха из II пути (3) на I путь (1) через специальные отверстия в стене (11). Перетекание воздуха происходит за счет поршневого эффекта, создаваемого поездом, движущимся по II пути (3). Таким образом происходит смешивание теплого воздуха и части холодного воздуха, прорвавшегося с въезжающим поездом.
4. Устройство для реализации способа. Промышленная применимость
В системе при реализации заявляемого способа для формирования завес может быть использовано устройство с центральным осевым вентилятором (17) типа ВОМ-18Р производительностью L1=210000 м3/ч, мощность электродвигателя Ni=45 кВт. Для формирования струй воздуха для первой и второй степени защиты установлены щелевые элементы (5, 6) высотой h1, м, равной высоте открытого проема, и шириной b1=0,2 м. Для осуществления третьей степени защиты, формирующей настилающуюся струю (10), установлены щели высотой h2, м, равной высоте тоннеля, и шириной b2=150 мм. Для доставки воздуха к местам формирования струй завесы второй и третьей степеней защиты используются каналы-воздуховоды (15) круглого сечения, диаметром от Дн=920 мм до Дн=1420 мм, которые впоследствии заливаются бетоном. Вентилятор (17) и каналы-воздуховоды (15) размещены над тоннелем в венткамере. Для реализации первой степени защиты используется радиальный вентилятор, встроенный в конструкцию завесы, забирающий воздух, для формирования принудительной струи, непосредственно перед собой из тоннеля. Производительность L2=210000 м3/ч, мощность электродвигателя N1=l 1 кВт. Специальные сквозные отверстия (11) в перегородке (22) между «теплым» (3) и «холодным» (1) тоннелями для перепуска воздуха из одного тоннеля в другой, при возникновении поршневого технологического эффекта и смешивания теплого с частью холодного воздуха, в количестве 8 шт., каждое шириной b3=0,4 м и высотой h3, равной высоте тоннеля, длина возводимой перегородки (22) l=200 м.
1. Способ универсальной защиты открытых двухпутных проемов метрополитена, включающий формирование принудительной воздушной завесы с несколькими степенями защиты, отличающийся тем, что защиту осуществляют четырьмя степенями защиты с использованием дополнительного эффекта от их совместного действия и их комбинирования, первую степень защиты формируют на выходе из тоннеля, выполняют с боковой двухсторонней подачей плоской струи холодного воздуха интенсивностью W1 м/с, под углом α 0 ∘ , вторую степень защиты формируют на расстоянии Lp, м от плоской холодной струи, выполняют с трехсторонней подачей плоской струи теплого воздуха, интенсивностью W2 м/с, под углом α p ∘ , третью степень защиты формируют на расстоянии Ln, м от плоской холодной струи, выполняют подачей теплого воздуха настилающейся теплой струей с интенсивностью W3 м/с, под углом β°, четвертую степень защиты формируют на расстоянии Lk, м от плоской холодной струи, выполняют естественным перепуском воздуха интенсивностью W4=f(Vcp) с углом разворота струи γ°, через отверстия в стене, разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель»,где Vcp - средняя скорость движущегося поезда.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую степень защиты формируют принудительно непосредственно перед собой на выходе из тоннеля, с локальным забором воздуха, с интенсивностью W1=(6-18) м/с, под углом α0=(20-40)°; вторую степень защиты формируют принудительно с боков и сверху тоннеля на расстоянии Lp=(5-15) м, интенсивностью W2=(6-18) м/с, под углом αр=(20-40)°; третью степень защиты формируют принудительно на расстоянии Ln=(10-30) м, выполняют подачей настилающейся теплой струей вдоль стенок «холодного» тоннеля с интенсивностью W3=(6-18) м/с, под углом β=(0-10)°; четвертую степень защиты формируют естественным перепуском воздуха на расстоянии Lk=(20-40) м, интенсивностью W4=(2-24) м/с, с углом разворота струи γ=(90-135)°, через отверстия в стене, разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель» на расстоянии l=(150-200) м.
3. Система устройств универсальной защиты открытых двухпутных проемов метрополитена, включающая систему устройств для формирования завес с главным вентилятором, отличающаяся тем, что система включает: щелевые элементы каналов-воздуховодов для формирования плоских струй воздуха, радиальный вентилятор в корпусе, встроенный в конструкцию завесы и забирающий воздух для формирования принудительной струи первой степени защиты непосредственно перед собой из тоннеля, размещенные над тоннелем венткамеру и форкамеру, соединенную по раздельным каналам-воздуховодам с щелевыми элементами второй и третьей степенями защиты, вентканалы для формирования принудительных потоков теплого воздуха, специальные сквозные отверстия в перегородке между «теплым» и «холодным» тоннелями для перепуска воздуха из одного тоннеля в другой при возникновении поршневого технологического эффекта и смешивания теплого с частью холодного воздуха при движении поездов у проема.
4. Система устройств по п.3, отличающаяся тем, что щелевые элементы выполнены высотой hi, м, равной высоте открытого проема, и шириной bi=0,2 м; форкамера соединена раздельными каналами-воздуховодами с щелевыми элементами, каналы-воздуховоды круглого сечения, диаметром от Дн=920 мм до Дн=1420 мм, которые впоследствии заливаются бетоном; радиальный вентилятор, встроенный в конструкцию завесы, забирающий воздух, для формирования принудительной струи, непосредственно перед собой из тоннеля, производительностью L2=210000 м3/ч, мощностью электродвигателя N1=11 кВт, сквозные отверстия выполнены прямоугольного сечения в количестве 8 шт, каждое шириной b3=0,4 м и высотой h3, равной высоте тоннеля, с углом разворота γ=(90-135)°, в перегородке, разделяющей двухпутный тоннель на «теплый тоннель» и «холодный тоннель», на расстоянии l=150 м.