Управление тепловым режимом железнодорожных тоннелей, расположенных в суровых климатических условиях

© С.Г. Гсндлср, C.B. Синявина, 2015

УДК 622.4.012

С.Г. Гендлер, С.В. Синявина

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Отмечено, при выборе трассы строительства железнодорожных тоннелей в сложных климатических и горно-геологических условиях необходимо учитывать особенности его последующей эксплуатации, и в частности создание положительного теплового режима, предотвращающего образование наледей. Перечислены основные факторы, влияющие на формирование теплового режима. Б числе этих факторов выделены расходы воздуха, поступающие в тоннель при действии естественной тяги и поршневого эффекта от поездов, термодинамические параметры наружного воздуха, геотермические условия района расположения тоннеля. Показано, что из-за невозможности полного исключения поступления в тоннель холодного наружного воздуха при действии поршневого эффекта поддержание положительного теплового режима должно осуществляться на основе «компенсационного» принципа. Получены зависимости, позволяющие определять параметры калориферного оборудования в зависимости температуры наружного воздуха, его расходов при отсутствии и нахождении поезда в тоннеле, продолжительности периодов отсутствия и действия поршневого эффекта. Ключевые слова: железнодорожный тоннель, ствол, продольная схема, струйные вентиляторы, галерея, загрязняющиевещества, калорифер, подогрев воздуха.

В России железнодорожный транспорт занимает особое положение, так как значительная часть грузовых перевозок, особенно в северных и восточных регионах страны с суровым климатом, осуществляется по железным дорогам. Без строительства тоннелей организация безопасного движения в труднодоступных районах (реки, гористая местность и т.п.) была бы затруднена. При выборе трассы железных дорог определение места сооружения тоннеля, как правило, имеет

подчиненное значение. Вследствие этого перепады высот между порталами, достигающие 35-100 м, в сочетании с метеорологическими процессами, имеющими место у порталов, приводят к появлению естественной тяги, определяющей сложный характер воздухообмена в тоннелях [1]. Кроме того, на количество холодного наружного воздуха, поступающего в тоннель, значительное влияние оказывает поршневое действие поездов. Во-время их движения по тоннелям расход воздуха повышается в 3-4 раза, достигая 200-250 м3/с [1, 2].

Сочетание высоких дебитов подземных вод, низкой температуры наружного воздуха и значительных его количеств, поступающих в тоннели, приводит к образованию наледей. Наледи, образующиеся в тоннельных выработках, угрожают безопасности обслуживающего персонала (сосульки на своде), приводят к выходу из строя контактной электросети (обмерзание контактного провода), препятствуют движению транспортных средств (уменьшение габаритов тоннеля вследствие появления льдообразований на стенках тоннеля), способствуют разрушению обделки тоннеля [1, 2].

Подогрев наружного воздуха перед подачей в тоннель до положительной температуры является радикальным средством предотвращения образования наледей. Опыт решения похожих проблем на подземных горнодобывающих предприятиях показывает, что подогрев воздуха до +2 0С- +4 0С оказывается достаточным для борьбы с обмерзанием воздухопадающих выработок. Для железнодорожных тоннелей величина подогрева воздуха зависит от используемой схемы проветривания, определяющей место выпуска в тоннель теплого воздуха, его минимально-допустимого количества, установленного по фактору разбавления загрязняющих веществ, выделяющихся или из горного массива или от транспорта, температуры наружного воздуха, типа, интенсивности и скорости движения транспортных средств, а также влияния на характер воздухообмена естественной тяги [3, 4].

Процедура вычисления параметров системы подогрева воздуха в значительной степени определяется схемой проветривания тоннеля. Например, для условий второй очереди Байкальского тоннеля система подогрева воздуха спроектирована с учетом использования для движения воздуха естественной тяги и поршневого эффекта, т.е. продольной схемы вентиляции.

При этом, электрические калориферы и вентиляторы располагаются в вентиляционных зданиях у порталов с входящей вентиляционной струей.

Времени

Наружный воздух поступает в тоннель за счет действия естественной тяги ипоршневого эффекта подвижного состава (при его движении по тоннелю) или через отверстие в воротах и щели между полотнами ворот и поверхностями вентиляционного здания (при отсутствии в тоннеле поезда) или через полное сечение портала (при открытых воротах в случае движения поезда по тоннелю). При этом ствол на период зимнего периода исключается из схемы проветривания (рис. 1).

У портала холодный наружный воздух смешивается с воздухом, который за счет работы вентиляторов циркулирует между тоннелем и электрическими калориферами, размещенными в вентиляционных зданиях, сооруженных перед порталами (рис. 2).

Вследствие большого размера сечения в припортальной части тоннеля после смешения холодного и подогретого воздуха образуется неоднородное температурное поле, для которого характерно изменение температуры от температуры подогретого воздуха до температуры наружного воздуха. Выравнивание температуры воздуха по сечению до некоторой средней температуры 1ср. произойдет только на определенном расстоянии. Как правило, это расстояние превышает 10 гидравлических диаметров тоннеля, т.е. 90-100 м.

сбойки

Вентиляционное здание с воротами и системой тепло-вентиляции

Вентиляционное здание с воротами и системой тепловен-тиляции

Рис.1. Принципиальная схема поддержания теплового режима в зимний период

Рис. 2. Расчетная схема для определения мощности электрических калориферов

тот, От

0 С

1

1

ср

Т

Тп.Дн.п..

ср*п

Рис. 3. Расчетная схема к определению параметров системы подогрева воздуха, исключающей обмерзание поверхности обделки тоннеля на участке за местом установки калориферного оборудования

Величина энергетических затрат на подогрев воздуха будет определяться его количествами, поступающими в тоннель во время действия поршневого эффекта (0н.п) и в период между поездами (0н.е.), когда влиянием поршневого эффекта можно пренебречь, продолжительностью этих временных интервалов, а также температурой наружного воздуха (рис. 3.).

В период действия поршневого эффекта в связи со значительными количествами поступающего наружного воздуха при мощности калориферов, установленной по расходу воздуха в период между поездами, практически невозможно избежать понижения его температуры на входе в тоннель до отрицательного значения.

В этой связи, поддержание положительного теплового режима должно осуществляться на основе «компенсационного» принципа [1,2]. Он заключается в том, что за счёт более интенсивного подогрева воздуха во время между поездами температуру поверхности бетонной обделки повышают до такой величины, которая обеспечивает в конце действия периода поршневого эффекта, её положительное значение, т.е. Тп.пов> 0°С (обычно принимают Тп.пов = 2°С) (рис.4.).

Уравнение, реализующее условие обеспечения положительной температуры поверхности тоннельной обделки при завершении действия поршневого эффекта, запишется в виде.

Т 0 С

1 пов./

1 ср. пов

Тп.п

->4-

^порш*

т

мин

т

от

Рис. 4. Характер изменения температуры поверхности тоннельной обделки (Тпов.) в периоды отсутствия и действия поршневого эффекта, предотвращающий обмерзание ее поверхности

«п-

где ап - коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности бетонной обделки во время действия поршневого эффекта; К^т, Ктп - коэффициенты нестационарного теплообмена, определённые при сумме времён действия и отсутствия поршневого эффекта, и времени действия поршневого эффекта [3].

^ср.от.. Икал./ ср^е ^ср.п.. Икал./ ср^п

:ср.

где ве = рнРн.е. и Сп= p„Q„.п - массовые расходы воздуха в периоды отсутствия и нахождения поезда в тоннеле, кг/с; ср -удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг .°С), Икал -мощность калориферных установок, кВт.

Поставив формулы (2) и (3) уравнение (1), решим его относительно мощность калориферных установок Икал. Получим:

N -_

О,

___1

у

где У = (ктп - к^тот +хп))АТп)/ап, Атп= Тп/(Тп+Тот).

Таким образом, использование зависимости (4) дает возможность установить мощность калориферов для подогрева наружного воздуха, обеспечивающих в тоннеле в зимний период времени положительный тепловой режим, что предотвращает возможность образования наледей на его обделке.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гендлер С.Г., Фомин В.Х., Шабалин В.Н. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации железнодорожных тоннелей в суровых климатических условиях. Подземное пространство мира, № 1-2, 2003, — С. 43 - 48.

2. Гендлер С.Г. Защита транспортных тоннелей от образования наледей. Сборник трудов «Наука в С. — Петербургском гос. горном ин-те (техническом университете)», Вып.2, СПб., 1998 г., С. 149-154.

3. Гендлер С.Г., Соколов В.А. Выбор режимов эксплуатации для поддержания необходимого качества воздуха в Северо-Муйском железнодорожном тоннеле. Материалы 11-того международного симпозиума по аэродинамике и вентиляции транспортных тоннелей. 2003. Люцерн. Швейцария, — С. 289-308.

4. Гендлер С.Г., Соколов В.А. Результаты натурных испытаний вентиляции при эксплуатации Северо-Муйского тоннеля Материалы 12-того международного симпозиума по аэродинамике и вентиляции транспортных тоннелей. 2006. Порторож. Словения.с. 451 -461. ДШЭ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Гендлер Семён Григорьевич — доктор технических наук, профессор, sgendler@mail.ru,

Синявина С.В. — аспирант, ssv.1207@yandex.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.4.012

CONTROL OF THE HEAT REGIME OF RAILWAY TUNNELS LOCATED IN SEVERE CLIMATIC CONDITIONS

Gendler S.G., Doctor of Technical Sciences, professor, sgendler@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,

Sinjavina S.V., postgraduate student, ssv.1207@yandex.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia.

It is noted, at a choice of the route of construction of railway tunnels in extreme climatic and mining-and-geological conditions it is necessary to consider features of its subsequent operation, and in particular creation of the positive thermal mode preventing formation of the naled. The major factors influencing formation of the thermal mode are listed. Among these factors the air amount interring to a tunnel at action of natural draft and piston effect from trains, thermodynamic parameters of external air, and geothermal conditions of the region of an arrangement of a tunnel are allocated. It is shown that because of impossibility of a complete elimination of receipt in a tunnel of cold external air at action of piston effect maintenance of the positive thermal mode has to be carried out on the basis of the «compensation» principle. The dependences allowing determining parameters of the calorifer equipment in dependence of temperature of external air, its expenses at absence and finding of the train in a tunnel, duration of the periods of absence and action of piston effect are received.

Key words: railway tunnel, shaft, longitudinal scheme, jet fans, gallery, polluting substances, heater, heating of air.

REFERENCES

1. Gendler S.G., Fomin V.H., Shabalin V.N. Problemy obespechenija bezopasnoj jek-spluatacii zheleznodorozhnyh tonnelej v surovyh klimaticheskih uslovijah (Problems of ensuring safe operation of railway tunnels in severe climatic conditions). Podzemnoe prostranstvo mira, No 1-2, 2003. pp. 43 - 48.

2. Gendler S.G. Zashhita transportnyh tonnelej ot obrazovanija naledej (Protection of transport tunnels against formation of the naledy). Sbornik trudov «Nauka v S.-Peterburg-skom gos. gornom in-te (tehnicheskom universitete)», Vyp.2, SPb., 1998, pp. 149-154.

3. Gendler S.G., Sokolov V.A. Vybor rezhimov jekspluatacii dlja podderzhanija neob-hodimogo kachestva vozduha v Severo-Mujskom zheleznodorozhnom tonnele (The choice of operation regimes for an air quality maintenance system in the Northern Mujsky Railway Tunnel). Materialy 11-togo mezhdunarodnogo simpoziuma po ajerodinamike i ventiljacii transportnyh tonnelej. 2003. Ljucern. Shvejcarija, pp. 289-308.

4. Gendler S.G., Sokolov V.A. Rezul'taty naturnyh ispytanij ventiljacii pri jekspluatacii Severo-Mujskogo tonnelja (The results of ventilation tests during practical use of the Severomujsky railway tunnel) Materialy 12-togo mezhdunarodnogo simpoziuma po ajerodinamike i ventiljacii transportnyh tonnelej. 2006. Portorozh. Slovenija. pp. 451 - 461.