СПОСОБ И СИСТЕМА УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОТКРЫТЫХ ПРОЕМОВ ДВУХПУТНЫХ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА Российский патент 2014 года по МПК E21F1/14 F24F9/00 

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 (α_р) - 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 $${\alpha }_0^{\circ }$$ ; 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 $${\alpha }_p^{\circ }$$ ; 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 α_р=(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 α_р 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 α_0(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°; α_р=30°; Lp=10 м; W2=8 м/с; Ln=20 м; W3=8 м/с; Lк=30 м; W4=12 м/с при V_П=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 α_р (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.

В 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.

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 $${\alpha }_0^{\circ }$$ , 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 $${\alpha }_p^{\circ }$$ , 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 α_р=(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 h_i, м, равной высоте открытого проема, и шириной b_i=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.