[发明专利]用于特长公路隧道闭式可控循环通风的节能量计算方法

权利要求书

1.一种用于特长公路隧道闭式可控循环通风的节能量计算方法，是用于特长公路隧道闭式可控循环通风系统的节能量计算；所述特长公路隧道闭式可控循环通风系统包括设置于隧道旁通隧洞且平行于隧道的循环风道，隧道入口至循环风道的引风段之间是上游隧道，循环风道的引射段至隧道出口之间是下游隧道，循环风道通过其两端的引风段和引射段与隧道连通，上游隧道与下游隧道之间是隧道短道；循环风道内设有除尘器；

其特征在于：包括如下步骤：

(一)确定闭式可控循环通风系统所消耗总功率的计算式如下：

式(1)中，P为闭式可控循环通风系统的消耗总功率，W；Q₂为循环风道引风段流经风流风量，m³/s；Q_r为可控循环通风系统中隧道入口吸入的外界新鲜风流风量，m³/s；R₂为分支“循环风道引风段”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₃为分支“隧道短道”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₄为分支“循环风道引射段”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₅为分支“循环风道”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(二)确定常规送排风竖井通风方式中，所消耗总功率计算式如下：

式(2)中，P_Typical为常规送排风竖井通风方式中的消耗总功率，W；Q_t(2)为排风竖井排放风流风量，m³/s；Q_t(3)为常规送排风竖井通风方式中隧道短道流经风流风量，m³/s；R_t(1)为分支“排风竖井上半部分至排风井口”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R_t(2)为分支“排风竖井下半部分”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R_t(3)为分支“隧道短道”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R_t(4)为分支“送风竖井下半部分”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R_t(6)为分支“送风井口至送风竖井下半部分起始点”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(三)相比常规送排风竖井通风方式，闭式可控循环通风系统的节能量计算方法如下：

(1)在常规送排风竖井通风方式与闭式可控循环通风系统中，为了保持风量平衡，采取排放风流风量等于送入风流风量，即：

Q_t(2)＝Q_t(4) (3)；

式(3)中，Q_t(4)为常规送排风竖井通风方式中送风竖井送入风流风量，m³/s；

并且有：

Q₂＝Q₄ (4)；

式(4)中，Q₄为闭式可控循环通风系统中循环风道引射段流经风流风量，m³/s；

还有：

Q_t(3)＝Q₃ (5)；

式(5)中，Q₃为闭式可控循环通风系统中隧道短道中并联风流风量，m³/s；

由于闭式可控循环通风系统与常规送排风竖井通风方式结构的相似性，并应用物理学中质量守恒基本原理，得到：

Q_t(r)＝Q_t(2)+Q_t(3)＝Q₂+Q₃＝Q_r (6)；

式(6)中，Q_t(r)为常规送排风竖井通风方式中隧道入口吸入的外界新鲜风流流量，m³/s；

由于闭式可控循环通风系统与常规送排风竖井通风方式结构的相似性，二者的对应之路的摩擦风阻系数近似相等，则有：

R_i＝R_t(i) (7)；

式(7)中，R_i为闭式可控循环通风系统中分支i的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸，i范围为1至11的自然数；R_t(i)为常规送排风竖井通风方式中分支t(i)的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸，i范围为1至11的自然数；

(2)将公式(2)减去公式(1)，得到闭式可控循环通风系统相比常规送排风竖井通风方式的能耗节省量，如式(8)所示：

ΔP＝P_Typical-P (8)；

式(8)中，ΔP为闭式可控循环通风系统相比常规送排风竖井通风方式的节能量，W；

(3)在公式(8)中，为了实现流体力学的力平衡，存在下式：

R₂≈R₄＞＞R₃≈0 (9)；

(4)由于闭式可控循环通风系统与常规送排风竖井通风方式结构的相似性，有如下变换关系式：

式(10)中，ω_t＝δ_t/δ₀为常规送排风竖井通风方式的排风有效风量系数，无量纲数；ω＝δ/δ₀为闭式可控循环通风系统的有效风量系数，无量纲数；η为除尘器烟尘净化效率，无量纲数；δ为闭式可控循环通风系统中循环风道引风段的空气烟尘浓度，m^-1；δ_t为常规送排风竖井通风方式中排风竖井排放风流的空气烟尘浓度，m^-1；δ₀为通风设计的烟尘容许浓度，m^-1；

(5)应用公式(7)和公式(9)，忽略公式(8)中的小量级项，并把公式(7)和公式(10)代入公式(8)，得到简化后的公式(8)，即闭式可控循环通风系统的节能量计算式如式(11)：

(6)设R_t(1)+R₂+R₄+R_t(6)＝R，再设R₂+R₅+R₄＝a·R，0a1和c＝ω/ω_t，并把这三个假设代入公式(11)，即得式(12)：

式(12)中，R为分支“排风竖井上半部分至排风井口”、分支“循环风道引风段”、分支“循环风道引射段”和分支“送风井口至送风竖井下半部分起始点”的摩擦风阻系数之和，即为常规送排风竖井通风方式中排风竖井与送风竖井两个分支的摩擦风阻系数之和，N·S²/m⁸；a为循环风道摩擦风阻系数的当量系数，无量纲数；c＝ω/ω_t为有效风量系数的二次比值，无量纲数；

公式(12)表明，在确定了常规送排风竖井通风方式的排风风流风量、主要分支摩擦风阻系数和有效风量系数的情况下，以及给定闭式可控循环通风系统的有效风量系数、除尘器烟尘净化效率和循环风道摩擦风阻系数的当量系数，就能计算出实施闭式可控循环通风系统而节省的通风功率消耗值；

步骤(三)中公式(10)的确定方法如下：

(Ⅰ)在闭式可控循环通风系统中，假设循环风道引风段和循环风道引射段风量相等且为Q₂，进入闭式可控循环通风系统的空气烟尘浓度即循环风道引风段的空气烟尘浓度为δ，则ω＝δ/δ₀，则除尘器处理的有效风量为ωQ₂；

(Ⅱ)综合前述，除尘器烟尘净化效率为η，则闭式可控循环通风系统中经过循环风道引射段提供的新鲜风流风量计算式如下：

ωQ₂η (20)；

(Ⅲ)在常规送排风竖井通风方式中，送风竖井送入风流风量和排风竖井排放风流风量为Q_t(2)，设排风竖井排放风流中空气烟尘浓度δ_t，且没有超过通风设计容许值δ₀；因此，排风竖井排放风流中有一部风量看作为新鲜空气，则排风有效风量系数ω_t＝δ_t/δ₀；

(Ⅳ)在常规送排风竖井通风方式中，根据前述，通过排风竖井排放风流中新鲜空气风量为(1-ω_t)Q_t(2)，由送风竖井送入风流风量中新鲜空气风量为Q_t(4)，Q_t(4)＝Q_t(2)，则有效的新鲜风量即为两者之差，表示为：

Q_t(2)-Q_t(2)(1-ω_t)＝ω_tQ_t(2) (21)；

(Ⅴ)对于闭式可控循环通风系统而言，要使送入隧道内的有效新鲜风流风量与常规送排风竖井通风方式的通风效果一样，则应该满足：公式(20)＝公式(21)，即：

ωQ₂η＝ω_tQ_t(2) (22)；

将公式(22)变形，即得公式(10)：