[发明专利]特长公路隧道开式可控循环通风的最优循环比计算方法

权利要求书

1.一种特长公路隧道开式可控循环通风的最优循环比计算方法，是用于特长公路隧道开式可控循环通风系统的最优循环比计算；所述特长公路隧道开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；循环风道的引风段亦与隧道旁通隧洞中设有的排风竖井的进口连通，排风竖井中设有排风风机；循环风道的引射段亦与隧道旁通隧洞中设有的送风竖井的出口连通，送风竖井中设有送风风机；

其特征在于包括如下步骤：

(一)确定开式可控循环通风系统的节能系数计算式如下：

式(1)中，τ为开式可控循环通风系统的节能系数，无量纲数；k为循环率，无量纲数；η除尘器烟尘净化效率，无量纲数；a为循环风道摩擦风阻系数的当量系数，无量纲数；

(二)开式可控循环通风系统中，循环率对节能系数的一阶导数计算式如下：

式(2)中，为k对τ的一阶偏导数，无量纲数；

(三)开式可控循环通风系统中，循环率对节能系数的二阶导数计算式如下：

式(3)中，为k对τ的二阶偏导数，无量纲数；

整理公式(3)，得到式(4)：

在公式(4)中，当0≤a≤1、0.70≤η≤0.99时，取0k≤1，经过数值迭代工具计算表明，公式(4)小于0；

(四)确定节能系数最大值的最优循环比计算方法如下：

根据高等数学中的极值原理，当二阶导数小于0，令一阶导数等于0，即得因变量最大值的自变量表达式，即最优循环比计算式如下：

公式(5)表明，相比常规送排风竖井通风方式，存在循环比使开式可控循环通风系统获得最大节能量，该循环比与循环风道摩擦风阻系数的当量系数、除尘器烟尘净化效率相关，利用公式(5)能计算出不同除尘器烟尘净化效率和当量系数下最大节能系数所对应的循环比。

2.根据权利要求1所述特长公路隧道开式可控循环通风的最优循环比计算方法，其特征在于：步骤(一)中公式(1)的确定方法如下：

(Ⅰ)开式可控循环通风系统的有效风量计算方法如下：

在开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流风量相等且为Q₂；循环风道的循环率k为流经除尘器的未净化风流风量与循环风道引风段风流风量的比值，则有：流经除尘器的未净化风流风量为kQ₂，送风风机送入新鲜风流风量为(1-k)Q₂，且，排风风机排放风流风量为(1-k)Q₂；

在开式可控循环通风系统中，假设除尘器烟尘净化效率为η，并设循环风道引风段的空气烟尘浓度为δ，则除尘器有效风量系数为ω＝δ/δ₀，其中，δ为循环风道引风段的空气烟尘浓度，m^-1；δ₀为通风设计的烟尘容许浓度，m^-1；则经过除尘器净化后的新鲜空气风量为kωηQ₂；根据前述，送风风机送入新鲜空气风量为(1-k)Q₂，排风风机排放的新鲜空气风量为(1-ω)(1-k)Q₂；

则，得到开式可控循环通风系统中经过送风风机和排风风机提供的新鲜风流风量计算式如下：

kωηQ₂+(1-ω)kQ₂-Q₂(1-k)(1-ω)＝[ω-kω(1-η)]Q₂ (6)；

式(6)中，Q₂为循环风道引风段流经风流风量，m³/s；ω＝δ/δ₀为除尘器有效风量系数，无量纲数；δ₀为通风设计的烟尘容许浓度，m^-1；δ为流入除尘器未净化循环风流的烟尘浓度即循环风道引风段的空气烟尘浓度，m^-1；

(Ⅱ)开式可控循环通风系统的消耗总功率计算方法如下：

(1)由分支“循环风道引风段至排风竖井、排风井口”、分支“循环风道引风段”、分支“隧道入口至上游隧道、循环风道引风段”和分支“排风井口至隧道入口之间大气环境”组成的闭合回路，其中分支“排风井口至隧道入口之间大气环境”为伪分支，表示与大气相连，运用流体静力学中的风压平衡方程可得出分支“循环风道引风段至排风竖井、排风井口”上的排风风机风压计算式如式(7)：

式(7)中，h_fe为排风风机风压，Pa；Q_r为开式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；h_e为排风竖井升压力，Pa；h_j7为分支“隧道入口至上游隧道、循环风道引风段”中的射流风机群总升压力，Pa；h_t7为分支“隧道入口至上游隧道、循环风道引风段”中的单向交通隧道交通通风力，Pa；h_m7为分支“隧道入口至上游隧道、循环风道引风段”中的自然通风力，Pa；R₁为分支“循环风道引风段至排风竖井、排风井口”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₂为分支“循环风道引风段”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₇为分支“隧道入口至上游隧道、循环风道引风段”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(2)由分支“送风井口、送风竖井至循环风道引射段”、分支“循环风道引射段”、分支“循环风道引射段至下游隧道、隧道出口”和分支“隧道出口至送风井口之间大气环境”组成的闭合回路，其中分支“隧道出口至送风井口之间大气环境”为伪分支，表示与大气相连，运用流体静力学中的风压平衡方程可得出分支“送风井口、送风竖井至循环风道引射段”上的送风风机风压计算式如式(8)：

式(8)中，h_fs为送风风机风压，Pa；h_s为送风竖井升压力，Pa；h_j8为分支“循环风道引射段至下游隧道、隧道出口”中的射流风机群总升压力，Pa；h_t8为分支“循环风道引射段至下游隧道、隧道出口”中的单向交通隧道交通通风力，Pa；h_m8为分支“循环风道引射段至下游隧道、隧道出口”中的自然通风力，Pa；R₄为分支“循环风道引射段”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₆为分支“送风井口、送风竖井至循环风道引射段”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；R₈为分支“循环风道引射段至下游隧道、隧道出口”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(3)由分支“循环风道引风段至排风竖井、排风井口”、分支“循环风道”、分支“送风井口、送风竖井至循环风道引射段”和分支“送风井口至排风井口之间大气环境”组成的闭合回路，其中分支“送风井口至排风井口之间大气环境”为伪分支，表示与大气相连，运用流体静力学中的压力平衡方程可得出分支“循环风道”上的除尘器所配置吸风风机风压计算式如式(9)：

式(9)中，h_f-deduster为循环风道中除尘器所配置吸风风机风压，Pa；R₃为分支“隧道短道”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；Q₃为隧道短道中并联风流风量，m³/s；

(4)由分支“隧道入口至上游隧道、循环风道引风段”、分支“隧道短道”、分支“循环风道引射段至下游隧道、隧道出口”、分支“隧道出口至送风井口之间大气环境”、分支“送风井口至排风井口之间大气环境”和分支“排风井口至隧道入口之间大气环境”组成的闭合回路，运用流体静力学中的风压平衡方程可得式(10)：

h_s+h_e＝R₇Q_r²+R₃Q₃²+R₈Q_r²-h_j7-h_t7+h_m7-h_j8-h_t8+h_m8 (10)；

式(10)中，h_s为送风竖井升压力，Pa；h_e为排风竖井升压力，Pa；

(5)应用物理学中质量守恒基本原理，有：

式(11)中，Q₄为分支“循环风道引射段”风流风量，即循环风道引射段过流风量，m³/s；

并且有：

式(12)中，Q₅为分支“循环风道”风流风量，即循环风道流经除尘器风流风量，m³/s；Q₆为分支“送风井口、送风竖井至循环风道引射段”风流风量，即送风竖井送风风量，m³/s；

(6)根据流体力学与流体机械中功率等于静压力与体积流量的乘积，得到开式可控循环通风系统的消耗总功率计算式如下：

P＝h_fe(1-k)Q₂+h_fs(1-k)Q₂+h_f-dedusterkQ₂ (13)；

式(13)中，P为开式可控循环通风系统所消耗总功率，W；

将公式(7)至公式(10)代入公式(13)，并代入公式(11)和公式(12)，合并同类项，得到开式可控循环通风系统的消耗总功率如式(14)：

(Ⅲ)常规送排风竖井通风方式的消耗总功率与有效风量计算方法如下：

(1)由分支“排风竖井上半部分至排风井口”、分支“排风竖井下半部分”、分支“隧道入口至上游隧道、排风竖井下半部分”和分支“排风井口至隧道入口之间大气环境”组成的闭合回路，其中分支“排风井口至隧道入口之间大气环境”为伪分支，表示与大气相连，摩擦风阻系数为0，运用流体静力学中的风压平衡方程得出分支“排风竖井上半部分至排风井口”上的排风风机风压计算式如式(15)：

式(15)中，h_t(fe)为排风风机风压，Pa；Q_t(2)为排风竖井排放风流风量，m³/s；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；h_t(e)为排风竖井升压力，Pa；h_t(j7)为分支“隧道入口至上游隧道、排风竖井下半部分”中的射流风机群总升压力，Pa；h_t(t7)为分支“隧道入口至上游隧道、排风竖井下半部分”中的单向交通隧道交通通风力，Pa；h_t(m7)为分支“隧道入口至上游隧道、排风竖井下半部分”中的自然通风力，Pa；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(7)为分支“隧道入口至上游隧道、排风竖井下半部分”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(2)由分支“送风井口至送风竖井下半部分起始点”、分支“送风竖井下半部分”、分支“送风竖井下半部分、下游隧道至隧道出口”和分支“隧道出口至送风井口之间大气环境”组成的闭合回路，其中分支“隧道出口与送风井口之间大气环境”为伪分支，表示与大气相连，摩擦风阻系数为0，运用流体静力学中的风压平衡方程得出分支“送风井口至送风竖井下半部分起始点”上的送风风机风压计算式如式(16)：

式(16)中，h_t(fs)为送风风机风压，Pa；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；h_t(s)为送风竖井升压力，Pa；h_t(j8)为分支“送风竖井下半部分、下游隧道至隧道出口”中的射流风机群总升压力，Pa；h_t(t8)为分支“送风竖井下半部分、下游隧道至隧道出口”中的单向交通隧道交通通风力，Pa；h_t(m8)为分支“送风竖井下半部分、下游隧道至隧道出口”中的自然通风力，Pa；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；R_t(8)为分支“送风竖井下半部分、下游隧道至隧道出口”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(3)由分支“隧道入口至上游隧道、排风竖井下半部分”、分支“隧道短道”、分支“送风竖井下半部分、下游隧道至隧道出口”、分支“隧道出口至送风井口之间大气环境”、分支“送风井口至排风井口之间大气环境”和分支“排风井口至隧道入口之间大气环境”组成的闭合回路，运用流体静力学中的压力平衡方程可得式(17)：

式(17)中，h_t(s)为送风竖井升压力，Pa；h_t(e)为排风竖井升压力，Pa；R_t(3)为分支“隧道短道”的摩擦风阻系数，N·S²/m⁸；

(4)联合公式(15)、公式(16)和公式(17)，并根据质量守恒而存在的Q_t(r)＝Q_t(2)+Q_t(3)、Q_t(r)＝Q_t(3)+Q_t(4)和Q_t(2)＝Q_t(1)＝Q_t(4)＝Q_t(6)，其中，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，Q_t(1)为常规送排风竖井通风方式中排风竖井排放风流风量，Q_t(6)为常规送排风竖井通风方式中送风竖井送入风流风量，单位均为m³/s，从而得到常规送排风竖井通风方式的消耗总功率计算式如下：

式(18)中，P_Typical为常规送排风竖井通风方式中的所消耗总功率，W；

由于送风风流送入风量等于排风风流排放风量，公式(18)也能表达成式(19)：

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

(6)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量即送风竖井送入风流风量为Q_t(4)，一般Q_t(4)＝Q_t(2)，则有效的新鲜风量即为两者之差，能表示为式(20)：

Q_t(2)-Q_t(2)(1-ω_t)＝ω_tQ_t(2) (20)；

式(20)中，ω_t＝δ_t/δ₀为常规送排风竖井通风方式中的排风有效风量系数，无量纲数；δ_t为常规送排风竖井通风方式中排风竖井排放风流中的空气烟尘浓度，m^-1；

(Ⅳ)开式可控循环通风系统的节能系数计算方法如下：

(1)对于开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(6)，即：

[ω-kω(1-η)]Q₂＝ω_tQ_t(2) (21)；

(2)公式(19)减去公式(14)，得到开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(22)所示：

ΔP＝P_Typical-P (22)；

式(22)中，ΔP为开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(22)中，为了实现流体力学中的力平衡，一般存在下式：

R₁≈R₆＞＞R₂≈R₄＞＞R₃≈0 (23)；

(4)忽略公式(22)中的小量级项，并应用公式(21)，得到简化后的公式(22)，即为开式可控循环通风系统的节能量计算式(24)：

(5)设R₁+R₆＝R，再设R₅＝a·R(0a1)，并把两个假设代入公式(24)，即得式(25)：

(6)整理公式(25)，即得开式可控循环通风系统以节能系数为自变量的节能量计算式如下：

式(26)中，τ为开式可控循环通风系统的节能系数，无量纲数；

(7)将公式(25)代入公式(26)中，即得式(1)：