/
Author: Фомичев В.И.
Tags: отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в зданиях подземное строительство земляные работы фундаменты строительство тоннелей отдельные виды строительства вентиляция кондиционирование строительное проектирование тоннели подземные сооружения
ISBN: 5-274-01275-2
Year: 1991
Text
ББК 38.78
Ф 76
УДК 697.92:624.19
Рецензент: Новгородский политехнический институт
(А. А. Шайдоров)
Фомичев В. И.
Ф 76 Вентиляция тоннелей и подземных сооружений. Л.: Строй-
издат, Ленингр. отд-ние, 1991.— 200 с., ил.
ISBN 5-274-01275-2
Дана класснфнкацня схем аеитиляции тоннелей, приведены аэродинамические
характеристики воздуховодов н средств проветриаання строящихся и эксплуати-
руемых тоннелей; изложены рекомендации по выбору инженерного оборудования.
Представлены саедения о влиянии природных н техногенных факторов на вентиля-
цию тоннелей.
Книга предназначена для инженерно-технических работников проектных и
строительных организаций.
А 3309000000—191 17й О1
Ф "047(61 )-91 176~91
Производственное издание
Фомичев Владислав Иванович
ВЕНТИЛЯЦИЯ ТОННЕЛЕЙ
И ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Зав. редакцией Н. Н. Днепрова
Редактор Я. В. Зарицкий
Внешнее оформление худ. А. А. Власова
Технический редактор Е. В. Полиектова
Корректоры Ю. М. Зислин и Н. С. Ни бульи и ко ва
ИБ Х9 5546
Сдано в набор 06.02.91. Подписано в печать 08.08.91. Формат 60х90’/1б. Бумага офсетная. Гарнитура
«Литературная». Печать офсетная. Фотонабор. Усл. леч. л. 12,5- Уч.-изд. л. 12,81. Усл. кр.-отт. 12,75
Изд. Хе 2719Л. Тираж 4000 экз. Заказ № 244. Цена 1 р. 30 к.
Стройиздат, Ленинградское отделение
199053, наб. Макарова, 10
ПО-3 Ленуприздата, 191104, Ленинград, Литейный пр., 55
ISBN 5-274-01275-2 , > © Фомичев В. И., 1991
библиотека!
института горнего до/.--
Г:Л д ’.4 ГС'.Г-
Памяти своего учителя — заслуженного
деятеля науки и техники РСФСР, лауре-
ата Государственной премии СССР,
доктора технических наук, профессора
Владимира Борисовича Комарова —
посвящает автор эту книгу.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Интенсивное развитие автомобильного транспорта привело
к расширению строительства автомобильных дорог и дорожных
сооружений. Составной частью транспортных магистралей явля-
ются тоннели различного назначения. Они строятся на железных
и автомобильных дорогах, в крупных городах с интенсивными
грузопотоками, в комплексах гидроэлектростанций для пропуска
воды и на предприятиях горнодобывающей промышленности для
вывоза горной массы.
При использовании транспорта с двигателями внутреннего
сгорания (ДВС) в тоннелях и подземных сооружениях возникают
специфические атмосферные условия, требующие постоянной по-
дачи свежего воздуха. От правильной и бесперебойной работы
вентиляционных систем зависит здоровье находящихся там людей
и безопасность эксплуатации транспорта. Недостаточное внимание
и неквалифицированная эксплуатация систем вентиляции тонне-
лей могут привести к принятию неправильных решений в проектах
строительства и эксплуатации тоннелей.
Настоящая работа ставит своей целью, используя богатый
опыт проветривания подземных выработок на горных предприя-
тиях, а также исследования, проведенные кафедрой рудничной
вентиляции и охраны труда «Ленинградского горного института
имени Г. В. Плеханова в последние годы, расширить круг знаний
в этой области и помочь специалистам проектных и строительных
организаций принимать обоснованные решения при выборе систем
вентиляции тоннелей в период их строительства и эксплуатации,
а также при обучении студентов соответствующих специальностей.
В книге дан обзор строительства и эксплуатации автодорожных
тоннелей как за рубежом, так и в Советском Союзе и систематизи-
рованы основные способы и схемы вентиляции. Представлены
сведения о количестве и составе выхлопных газов при работе ДВС
и приведена их токсическая оценка, что является исходным фак-
тором для принятия решений о требующемся количестве воздуха
и рациональном его распределении по системе подземных соору-
жений. Описаны способы расчета необходимого расхода воздуха
3
и предложена новая оригинальная методика его расчета, учиты-
вающая особенности движения транспорта в тоннеле.
Рассмотрены главные факторы, влияющие на режим и распре-
деление воздуха по системе тоннельных выработок, а также
технические средства, обеспечивающие подачу требуемого количе-
ства воздуха и его равномерное распределение по местам потреб-
ления. Результаты исследований влияния естественных факторов
показали, что необходимо вносить существенные поправки, учиты-
вающие действие этих факторов уже на стадии проектирования, и
компенсировать их в процессе эксплуатации вентиляционных си-
стем. Кратко изложены основные характеристики всего техниче-
ского оборудования тоннелей и рекомендованы меры по уменьше-
нию шумности вентиляторных установок.
Лабораторные и натурные исследования позволили автору
выявить ряд факторов, способствующих более устойчивому ре-
жиму работы систем вентиляции автодорожных тоннелей, и наме-
тить дальнейшие пути исследований и проработок в данном
направлении.
В книге использован опыт проектирования и строительства
крупнейших автодорожных тоннелей в нашей стране—Гимрин-
ского и Рокского на Кавказе и тоннелей на защитной дамбе в
Финском заливе.
В книге в основном использована система единиц СИ. Однако
при ссылках на ранее опубликованные материалы значения неко-
торых параметров пришлось бы пересчитать, что могло бы при-
вести к их несоответствию. Поэтому использованы также старые
системы измерения.
Автор приносит благодарность доцентам А. Н. Веденину,
В. А. Чиркову, канд. техн, наук В. А. Рогалеву, инж. С. А. Пав-
лову за помощь при сборе материалов, а также научному руково-
дителю проблемы проветривания выработок больших объемов
проф. доктору техн, наук И. И. Медведеву. Параграф 5 шестой
главы написан совместно с доц. канд. техн, наук Л. В. Дени-
совой.
Глава первая
СТРОИТЕЛЬСТВО И ВЕНТИЛЯЦИЯ
АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
1. Основные понятия и определения
Тоннель — это подземное сооружение, предназначенное для
движения транспорта, водосброса и водоснабжения, для проклад-
ки городских коммунальных сетей при размещении складов и
предприятий. Тоннель представляет собой горизонтальную или
с небольшим уклоном горную выработку большой длины по срав-
4
нению с размерами поперечного его сечения; он имеет два выхода
на дневную поверхность. Горные выработки с одним выходом на
поверхность, служащие для разработки месторождений, называют
штольнями. В практике строительства тоннелей штольнями также
называют выработки, проходимые параллельно тоннелю и выпол-
няющие вспомогательные функции: разведочные, дренажные и
вентиляционные.
Все известные классификации тоннелей, исходящие из их
местоположения, назначения и других признаков, условны, а по-
тому при определении нужно уточнять и сопутствующие факторы.
Например, подводный тоннель, получивший свое название по
географическому признаку, может быть и городским по местопо-
ложению внутри города, и автодорожным по назначению. К транс-
портным обычно относят тоннели на автомобильных и железных
дорогах, метрополитенов, транспортные развязки внутри городов
и пешеходные развязки в системе городских коммуникаций. Транс-
портные тоннели являются весьма сложными инженерными соору-
жениями, насыщенными многочисленным оборудованием, меха-
низмами и средствами автоматики, а потому требуют постоянного
и тщательного обслуживания.
Тоннели, по которым подается вода для приведения в действие
турбин гидроэлектростанций, водоснабжения, дренажа или для
мелиорации, называются гидротехническими. Они могут быть без-
напорными, когда вода движется по ним самотеком, не заполняя
всего сечения тоннеля, и напорными, когда она движется
действием давления, создаваемого насосами. Подводящие и водо-
сбросные тоннели гидроэлектростанций называют деривационными
(от латинского слова «деривация» — отвод, отведение).
Тоннели, сооружаемые в городах для прокладки инженерных
сетей, называют коммунальными. В настоящее время проявляется
тенденция к увеличению размеров коммунальных тоннелей и раз-
мещению в них все большего комплекса оборудования. В некото-
рых случаях эти тоннели служат для сброса ливневых и естествен-
ных вод.
В тоннелях специального назначения размещают склады, анга-
ры, гаражи, винные погреба и производственные предприятия.
Поскольку они имеют большие поперечные сечения и относительно
небольшую длину, их правильнее называть камерами.
Тоннели, находящиеся в гористой местности, называют гор-
ными. В зависимости от расположения тоннеля по трассе он может
пересекать водораздельный хребет — это перевальный тоннель,
или прокладываться вдоль склонов гор — косогорный, или пере-
секать отдельные горы — мысовой тоннель. Для преодоления
водных препятствий (рек, каналов, заливов) прокладываются
подводные тоннели. Как правило, их конструкция лишь частично
находится в воде. Положение тоннеля по отношению к дну водоема
может быть и таким, что вся его конструкция полностью уложена
5
в грунт. При расчете нагрузок в подводных тоннелях определя-
ющим фактором является действие воды.
При строительстве тоннелей применяются различные способы
возведения и сооружения конструкций, которые не рекомендуется
использовать для названия самих тоннелей. Можно выделить
следующие способы проходки тоннелей, связанные с механизацией
работ:
щитовой — наиболее механизированный способ проходки с
помощью специального агрегата для разрушения горных пород;
имеется тенденция внедрения этого способа для разработки все
более крепких пород с использованием комплекса погрузочно-
транспортных машин и механизацией устройства временного и
постоянного крепления (крепей);
буровзрывной — самый универсальный, но менее механизиро-
ванный способ, дающий возможность проходить выработку на
полное сечение или отдельными частями; при полной механизации
погрузочно-транспортных и крепежных работ он имеет высокие
технико-экономические показатели;
специальный, предусматривающий физико-химическое воздей-
ствие на массив горных пород замораживания, химического его
укрепления, вдавливания специфических конструкций или кессо-
нов; этот способ применяется в сложных гидрогеологических
условиях.
Тоннели сооружаются и открытым способом путем устройства
котлована, возведения конструкций и засыпки их извлеченными
породами. Известен также опыт опускания секций под воду в пред-
варительно подготовленную траншею и последующего их соеди-
нения и уплотнения (Канонерский автодорожный тоннель в Ленин-
граде).
Тоннель любого назначения представляет собой искусственно
сооруженную подземную выработку, соединяющуюся с атмосфе-
рой. По принципу воздухообмена между тоннелем и атмосферой
различают тоннели с естественным или с искусственно создава-
емым и организуемым воздухообменом— искусственной вентиля-
цией. Бесперебойный воздухообмен в тоннеле гарантирует безопас-
ность нахождения людей в нем — как кратковременного, так и
длительного, а также другие оптимальные условия применительно
к назначению данного тоннеля.
При любом способе проходки тоннелей неизбежно выделение
газов и других вредных компонентов. Кроме того, потребление
кислорода из воздуха в ограниченном объеме тоннеля людьми,
расходование его на технологические и окислительные процессы
приводят к постепенному уменьшению содержания кислорода, что
небезопасно для работающих. Поэтому организованный искус-
ственный или естественный воздухообмен при прокладке тоннеля
является обязательным для создания безопасных и нор-
мальных условий в нем. Уже накоплен достаточный опыт искус-
ственной вентиляции как в горнодобывающей промышленности,
6
Рис. 1. Схема основных выработок тоннеля
1— вертикальный ствол; 2—устье ствола;
3—вентиляционный канал; 4—вентилятор-
ная установка; 5—надшахтное здание; 6—
вентиляционная штольня; 7 — зумпф; 8—во-
доотливная канавка; 9 — сбойка; 10— транс-
портный тоннель (отсек); // — обделка (крепь)
тоннеля; 12— калотта; 13—штросса; 14 —
передовая (разведочная) штольня; 15— пеше-
ходный тротуар; 16— дорожное полотно
так и в других отраслях, где ведется строительство подземных
сооружений.
Вентиляция имеет первостепенное значение для безопасности
эксплуатации метрополитенов, авто- и железнодорожных, а также
специальных тоннелей. Методы расчета количества воздуха, спо-
собы и средства вентиляции, а также воздействие естественных
факторов на вентиляцию основаны на многолетнем опыте, накоп-
ленном в горнодобывающей промышленности. Большой теорети-
ческий вклад в развитие науки о вентиляции подземных выработок
внесли видные отечественные ученые—акад. А. А. Скочинский,
проф. В. Б. Комаров, акад. АН УССР А. Н. Щербань и другие
деятели русской и советской науки. Их работы широко использу-
ются как в нашей стране, так и за рубежом, в том числе и в области
вентиляции тоннелей.
Очень важное значение вентиляция приобретает при эксплуата-
ции метрополитенов, длинных железнодорожных и автодорожных
тоннелей. Если проблема вентиляции метрополитенов освещена
в достаточно большом числе работ [11, 62 и др.], то многие во-
просы вентиляции железнодорожных и особенно автодорожных
тоннелей еще недостаточно разработаны. Весьма существенно
это сказалось при проектировании и строительстве тоннелей БАМа
(Северо-Байкальского и Северо-Муйского) и тоннелей на Кавказе
(Рокский и Ирганайский автодорожные). Некоторые вопросы
вентиляции тоннелей регламентированы СНиП П-44—78, но без
указания методов расчета или нормативов, которыми следует
пользоваться.
Тоннель в процессе строительства и эксплуатации представ-
ляет собой обширный комплекс различных устройств, сооружений
и конструкций. Все они имеют специфические названия, заимство-
ванные из горного дела (частично иностранного происхождения),
и требуют правильного истолкования в специальной литературе.
Основные термины, используемые в данной монографии, по-
ясняются на схеме, приведенной на рис. 1. Горизонтальные выра-
ботки— это тоннель и штольня с различными формами попереч-
7
ного сечения, оборудованные крепью или обделкой для придания
устойчивости кровле, стенкам и почве выработок. В качестве ;
крепления (крепи) используют монолитный или армированный
сеткой бетон, укладываемый с помощью опалубки; набрызгбетон,
наносимый специальными машинами; тюбинги; блоки; металличе-
скую крепь или штанги, вводимые в пробуренные шпуры и закреп-
ляемые в них. Формы поперечного сечения этих выработок могут
быть самыми разнообразными, что также должно учитываться
в расчетах по вентиляции. В сечении тоннеля может быть отгоро-
жен канал с всасывающими или выхлопными окнами, оснащен-
ными регуляторами расхода воздуха или без них.
Система выработок тоннеля может быть соединена с поверх-
ностью вертикальным (шахтой) илн наклонным стволом. Стволы
служат постоянными выработками для вентиляции. Тогда венти-
ляторную установку располагают рядом со стволом, устье которого
закрыто, а вентилятор соединяют со стволом каналом. Если вен-
тиляторы устанавливают на порталах, то их размещают в спе-
циально сооружаемых в массиве горных пород вентиляционных
камерах.
Часть тоннеля, выделенная для движения автомобилей, назы-
вается транспортным отсеком. В нем они могут двигаться в двух
направлениях. При интенсивном потоке автомобилей в тоннеле
предусматривают два раздельных транспортных отсека, в которых
они двигаются в одном направлении в два или три ряда. Для сбора
воды под стволом устраивают зумпф, а в транспортном отсеке —
водоотливную канавку, перекрытие которой поднимают над уров-
нем дороги и используют в качестве пешеходной дорожки.
При строительстве тоннеля, штольни или ствола тупиковая
часть выработки называется забоем. При больших размерах
поперечного сечения тоннеля или транспортного отсека он может
проходиться с выемкой верхней сводчатой части (калотты)
опережающим забоем н нижней части (штроссы), вынима-
емой отстающим забоем. В сложных геологических условиях
в сечении тоннеля проходят сквозную разведочную штольню, а за-
тем сечение расширяют до нужных размеров.
В особенно неустойчивых и нарушенных породах штольни
проходят по контуру тоннеля (от пяти до девяти штолен), а затем
вынимают ядро тоннеля под закрепленным сводом. Торцы тоннеля
закрепляют подпорными конструкциями, образующими портал.
Порталом также называют и всю строительную площадку на
дневной поверхности; обычно тоннели строят с двух противополож-
ных порталов.
В процессе строительства и эксплуатации оборудуют временные
вентиляторные установки главного проветривания, действующие
в течение всего строительного периода, и вспомогательные, обслу-
живающие отдельные забои. Для удаления воды используют вре-
менные и постоянные насосные установки. Для обеспечения безо-
пасных условий строительства и эксплуатации тоннеля монтируют
ч
освещение, сигнализацию, связь, устройства противопожарной
защиты. Установка и эксплуатация всего этого оборудования
должны осуществляться и руководиться лицами, имеющими право
на ведение подземных работ.
Профиль тоннеля как в плане, так и в разрезе определяется
сравнением вариантов с учетом конкретного его местоположения.
В плане автодорожные тоннели приближаются к прямолинейным,
так как это наилучшим образом обеспечивает безопасность дви-
жения в ограниченном подземном пространстве. Небольшие ра-
диусы скругления не имеют значения для режима движения
воздуха. Профиль тоннеля в разрезе может быть одно- и двускат-
ным. Максимальный уклон автодороги не должен превышать 4 %
по условиям движения и обычно принимается не менее 4—5 %
для нормального водостока. Для вентиляции имеют значение
абсолютные отметки противоположных порталов, которые могут
сильно влиять на режим движения воздуха под воздействием
естественных факторов; это обстоятельство весьма важно для
горных тоннелей и должно обязательно учитываться при
их проектировании.
2. Краткий обзор строительства
и вентиляции автодорожных тоннелей
Строительство транспортных, гидротехнических и других тон-
нелей во всем мире приобрело весьма значительные масштабы,
что в зарубежной технической литературе характеризуется как
«тоннельный бум». Так, в Западной Европе с 1964 по 1980 г. вве-
дено в эксплуатацию более 100 км автодорожных тоннелей; про-
тяженность почти каждого из них превышает 5 км [43]. В США
до 2000 г. предполагается построить 3200 км транспортных и гид-
ротехнических тоннелей [47]. В Японии завершено строительство
«тоннеля века» Сейкан между островами Хонсю и Хоккайдо, под
дном пролива Цигару (Сангарского) длиной 53,85 км, строившего-
ся почти 19 лет.
Для автодорожных тоннелей характерно увеличение их длины
и площади поперечного сечення. Так, Большой Сен-Бернарский
тоннель между Швейцарией и Италией, построенный в 1964 г.,
имеет длину 5,828 км и поперечное сечение в пределах 53—61 м2,
а длина Зелисбергского (Швейцария), сданного в эксплуатацию
в 1979 г., равна 9,29 км при сечении от 88 до 125 м2. Тоннель
Стрейт-Крик (США) при длине 2,72 км имеет поперечное сечение
221 м .
Самым длинным тоннелем в Западной Европе является Сен-
Готардский автодорожный — его длина 16,32 км при отметках
порталов 1081 и 1175 м (рис. 2). Вся система вентиляции в нем
состоит из двух участков, примыкающих к северному и южному
парталам. На северном участке пройдены один наклонный и два
9
Рис. 2. Сечения некоторых зарубежных тоннелей
/ — Сен-Готардский; II — Арльбергский; III — Фрежюсскнй; IV — Монбланскнй
вертикальных ствола, делящие его на три отрезка длиной 2X2558-)-
+ 3194 м. На южном участке пройден один наклонный ствол, ко-
торый делит его на два отрезка длиной 5658 и 2354 м. Большая
длина воздушных каналов и значительное аэродинамическое со-
противление их компенсируются большим сечением каналов. Осе-
вые вентиляторы установлены над проезжей частью в расширен-
ных выработках в местах сопряжения с вентиляционными ство-
лами.
В Австрии в 1978 г. завершено строительство одного (юж-
ного) тоннеля под Арльбергским перевалом, длиной 13,98 км, с
отметками порталов 1254 и 1188 м, поперечным сечением 90—
103 м2 (рис. 2). Для вентиляции пройдены два ствола глубиной
744 и 226 м, подающие до 2100 м3/с воздуха, что потребовало
привода вентиляторных установок мощностью 15 000 кВт. Парал-
лельно проложен второй (северный) тоннель.
Между Францией и Италией построен Фрежюсский тоннель
длиной 12,29 км с отметками порталов 1228 и 1297 м, поперечным
сечением 90 м2. Над проезжей его частью расположены два ка-
нала: нагнетательный (Юм2) и отсасывающий (8 м2), осуществля-
ющие комбинированную схему движения воздуха с повышенным
расходом свежего (1500 м3/с) и отсасывающего (1200 м3/с) возду-
ха (рис. 2). При указанных сечениях каналов этот избыток воздуха
создает вдоль транспортного отсека скорость движения воздуха,
равную 300: (90— 18) = 4,16 м/с в сторону действия естественной
тяги. Для вентиляции пройдены два наклонных ствола на расстоя-
нии одной трети длины тоннеля от портала. Сечение ствола раз-
делено на два отсека: 20 м2 для нагнетания свежего воздуха
и 16 м2 для отсасывания отработанного. Всего установлены
шесть вентиляторных установок: по одной на порталах и по две
на каждом стволе, общей мощностью 15000 кВт. Такая сим-
метричная по конструкции схема очень маневренна—например,
при небольшой интенсивности движения можно проветривать
весь тоннель только нагнетательными вентиляторами через каналы
в центральной его части с выводом отработанного воздуха через
порталы.
Монбланскнй тоннель, соединяющий Францию с Италией,
имеет длину 11,6 км, отметки порталов 1274 и 1381 м (разница
107 м), сечение проезжей части 46 м2, каналов — 22 м2 (рис. 2).
Продольная схема вентиляции с использованием естественной
тяги была отключена из-за ненадежной противопожарной безопас-
ности. Схема поперечной (см. § 3) вентиляции при заданной
интенсивности движения связана с большими капитальными и
эксплуатационными расходами. Поэтому была применена комби-
нированная схема вентиляции. Свежий воздух подавался по на-
гнетательному каналу и поступал через отверстия, расположен-
ные через 10 м, в транспортный отсек. Вытяжные окиа размещены
через 300 м и соединены с отсасывающим каналом. Для пассажи-
ров на случай аварии через каждые 100 м устроены специальные
кабины с кондиционированным воздухом.
Еще сложнее система вентиляции в упоминавшемся выше
Зелисбергском тоннеле длиной 9,29 км, с разной формой и попереч-
ным сечением (от 88 до 125 м2), с одинаковыми отметками
порталов (разница 1 м). Здесь осуществлена поперечная схема
вентиляции при наличии ствола глубиной 270 м и вентиляционной
штольни длиной 650 м. Из основного воздушного канала воздух
поступает по вспомогательным каналам и через каждые 8 м пода-
ется в транспортный отсек. Вытяжные окна расположены через
16 м в перекрытии над прбезжей частью. Вспомогательные каналы
и вытяжные окна оснащены дроссельными заслонками, позволя-
ющими поддерживать равномерность нагнетания и отсоса воздуха.
Скорость воздуха в каналах достигает 27—28 м/с, а в вентиля-
ционном стволе 34—36 м/с. Общая мощность 20 вентиляторных
установок равна 20270 кВт, а расход электроэнергии на вен-
тиляцию, освещение и вспомогательные устройства составляет
12 млн кВт • ч в год.
В автодорожном тоннеле Абердин (Гонконг), пущенном в
1972 г., длиной около 4 км, в двух отсеках круглого сечения каналы
для нагнетания свежего воздуха расположены как над проезжей
частью, так и под ней. Примененная здесь продольно-поперечная
схема (см.§ 3) вентиляции позволяет только одной вентиляторной
установкой с тремя осевыми вентиляторами, размещенными вер-
тикально, обеспечивать три режима проветривания в зависимости
от интенсивности движения автомобилей: одним вентилятором
через нижний канал, двумя параллельными вентиляторами через
верхний канал и тремя вентиляторами через оба канала (рис. 3).
Введенный в 1982 г. на этой автостраде второй тоннель Кросс-
Харбор (подводный), оборудованный вентиляторами фирмы
«Аэрекс» (Англия), рекламируется как «лучший, новейший» тон-
10
11
Рис. 3. Сечение Пфендер-
ского тоннеля (Австрия)
Рис. 4. Устройство венти-
ляторной установки (а)
и сечение каналов (б)
подводного тоннеля Кросс-
Харбор
нельный комплекс в мире с автоматическими системами управле-
ния вентиляторами и автоматической системой газовой защиты.
Сведения о наиболее крупных автодорожных тоннелях и неко-
торые данные о системах проветривания приведены в табл. 1.
Анализируя особенности строительства и систем вентиляции за-
рубежных тоннелей, необходимо отметить:
тщательную и длительную подготовку и разведку трассы тон-
неля, предусматривающую проходку передовой сквозной или опе-
режающей штольни в сечении тоннеля либо отнесение ее на
25—30 м от оси тоннеля и использование штольни в процессе
проходки как вентиляционной, дренажной и транспортной, а при
эксплуатации тоннеля — как вентиляционной;
высокую механизацию всех проходческих операций, обеспечи-
вающую большие скорости прохождения выработок;
применение в качестве крепи монолитного бетона или на-
брызгбетона с последующей обделкой поверхности для уменьше-
ния аэродинамического сопротивления трению; использование при
неустойчивых породах многоштольневого способа проходки и за-
крепления массива анкерами, смолами и другими средствами;
рациональное расположение каналов и транспортного отсека
для перемещения воздуха, обеспечивающее несколько вентиля-
ционных режимов с разной его подачей;
12
CO
§
co
CM
s
ж
x
CM
8
CM
I
£
ZU
i
=1
8
S
*
<y
Q
e
3 в
X
CM CM
«Ф CO
lA co
13
учет системами эксплуатационной вентиляции факторов есте- j
ственного воздействия на режим движения воздуха — теплового 1
напора, ветровой нагрузки; разности барометрических давлений. •
Опыт строительства и вентиляции зарубежных тоннелей может ;
быть использован при проектировании и разработке вентиляцион- ’
ных систем длинных автодорожных тоннелей в нашей стране. .
Первые автодорожные тоннели в Советском Союзе были построены '
на горных дорогах Кавказа вдоль побережья Черного моря.
При малой длине и относительно небольшом грузопотоке эти
тоннели проветривались под воздействием естественных факторов.
В 1964 г. вступил в строй Сусамырский автодорожный тоннель
с искусственной системой вентиляции, длиной 2,5 км, на автодороге
Фрунзе—Ош, имеющий важное хозяйственное значение для Кир- '
гизии.
В центре Тбилиси действует Метехский автодорожный тон- !
нель, состоящий из двух транспортных отсеков сечением 54 м2,
длиной 880 и 915 м, с односторонним движением по двум полосам
в каждом отсеке. Тоннель этот вентилируется вытяжным способом <
по продольно-поперечной схеме вентиляторами ВОМД-24.
В 1983 г. сдан в эксплуатацию подводный тоннель на Канонер-
ский остров (Ленинград), сооруженный методом опускания от-
дельных секций в траншею на дне Финского залива. В том же году
закончено строительство Рикотского тоннеля на автостраде Тби-
лиси—Кутаиси. В этом тоннеле в связи с высокой интенсивностью
движения запроектирована поперечная схема вентиляции.
В Советском Союзе сооружаются крупные автодорожные тон-
нели. Так, на защитной дамбе в Финском заливе над судопропуск-
ными каналами строятся два автодорожных тоннеля, состоящие
из двух транспортных отсеков по три полосы движения в каждом
(рис. 4). Запроектированная в техническом проекте поперечная
схема вентиляции в дальнейшем была заменена продольно-
поперечной, учитывающей технические и естественные факторы,
влияющие на вентиляцию тоннеля.
В 1983 г. произошла сбойка тоннеля на Рокском перевале
Главного Кавказского хребта. Тем самым осуществилась мечта
горцев Кавказа о дороге, которая связывала бы Северный и
Южный Кавказ круглогодично. Транспортный отсек сечением
около 80 м2 рассчитан на двустороннее движение. Параллельно
транспортному тоннелю пройдена вентиляционная штольня. Пара-
метры вентиляционной системы в настоящее время уточняются
дополнительными исследованиями метеорологических и техниче-
ских условий на северном и южном порталах тоннеля. Длина
тоннеля 3,6 км, высотные отметки — около 2,2 км.
В составе Ирганайской ГЭС строится автодорожный тоннель
под Гимринским хребтом. Тоннель длиной более 4,2 км располага-
ется на автодороге, связывающей Дагестан с Северной Осетией.
Началось строительство крупнейшего в стране автодорожного
тоннеля на дороге Душанбе—Ходжент под горой Уштур («Верб-
люд»), Длина тоннеля 5 км, сечение транспортного отсека 75 м2,
а параллельной штольни — 35 м2.
Опыт эксплуатации систем вентиляции некоторых из упомя-
нутых тоннелей описан в седьмой главе.
3. Системы вентиляции автодорожных
тоннелей
В литературных источниках по проектированию и строитель-
ству тоннелей приводятся названия систем вентиляции, которые
связывают со способами ведения горных работ, механизации и
другими признаками, например «шахтная система вентиляции»,
«поперечная система в тоннелях, пройденных щитовым спосо-
бом» и т. д. [11, 43, 47, 32]. Чтобы избежать путаницы в термино-
логии, следует исходить из признаков, связанных с самой системой
вентиляции. Для этого можно использовать богатый опыт, накоп-
ленный в области рудничной вентиляции.
Воздух в тоннеле может двигаться вследствие создания либо
избыточного давления — нагнетательный (или приточный) способ
создания давления, или разрежения — всасывающий (или вы-
тяжной) способ создания разности давлений. Однако способ
подачи воздуха не может служить классифицирующим признаком,
так как он не определяет схему вентиляции и направление удаля-
емых вредных компонентов (веществ) от транспортного потока.
Классифицирующим признаком может быть соотношение на-
правлений подачи свежего и загазованного воздуха в совокупности
с направлением транспортного потока [54]. На основании этого
признака может быть предложена классификация схем проветри-
вания автодорожных тоннелей, приведенная на рис. 5. Исходя
из опыта эксплуатации отечественных и зарубежных систем вен-
тиляции тоннелей, рассмотрим главные преимущества и недостат-
ки всех схем вентиляции.
Продольная схема вентиляции. В этой схеме воздуховодом
служит тоннель, что и определяет затраты на сооружение всего
комплекса тоннеля. Если движение в тоннеле двустороннее, то
подземные работы могут быть ограничены проходкой одной вы-
работки, поперечное сечение которой полностью используется
для пропуска транспорта в соответствии с его габаритами. Если
транспортные потоки разделены, то сооружают два отсека, по ко-
торым воздух движется в том же направлении, что и транспорт.
Продольная схема применяется в двух основных вариантах.
Система «сакардо» использует скоростной напор движущегося
воздушного потока и эжектирующий эффект, возникающий около
основного ядра воздушного потока. Такая система широко при-
менялась в железнодорожных тоннелях, а в 20—30-х годах и в ряде
автодорожных тоннелей. Нагнетательная вентиляторная установ-
ка подавала воздух в кольцеобразный канал, при этом угол выхода
14
15
Рис. 5. Классификация схем вентиляции автодорожных тоннелей
струи воздуха рассчитывался так, чтобы в конце ядра струи
полностью заполнялось поперечное сечение транспортного отсека
(рис. 6). ’
В железнодорожных тоннелях вентиляторные установки рас-;
полагают на обоих порталах, а сечение тоннеля на входе закры-
вают мягкими шторами [11].
Продольная схема вентиляции для автодорожных тоннелей*
с вентиляторными установками инжекторного типа применяется
при разделении направлений движения по отдельным отсекам.
В этом случае вентиляторные установки размещают на двух пор-
талах тоннеля. В подводных тоннелях рампы располагают ниже
поверхности земли, что намного уменьшает влияние ветровых»
потоков на систему вентиляции, а расположение самого тоннеля»
на равнине (берег залива или реки) не способствует возникнове-i
нию гравитационных напоров. »
Вторым вариантом продольной схемы является установка’
струйных вентиляторов по длине транспортного тоннеля. Эта.
система, впервые примененная в тоннеле Бенилюкс (Голландия,;
1907 г.), получила широкое распространение в европейских стра-;Рис. 6.
нах и Японии. При этой схеме сечение, занимаемое вентилято-;
рами, невелико, что позволяет эффективно использовать сечение/ —
транспортного отсека.
Схема установки вентиляторов при инжекторной схеме вентиляции под-
водного тоннеля
воздухозаборные жалюзи; 2 — вентилятор; 3— водосборник; 4 — погружная секция
тоннеля; 5 — рампа тоннеля
Заказ 244
ЯНСГИ -ута i
* CG АН
Рис. 7. Поперечное сечение двух транспортных отсеков с односторонним движением!
в каждом I
1 — струйные вентиляторы (бустеры); 2— звукопоглощающее покрытие; 3— осветитель-?
ная арматура; 4 — ниша для сигнального устройства; 5 — водопроводная магистраль;
6 — электрические кабели; 7— аварийный проход ;
На рис. 7 приведено поперечное сечение подводного автодо-
рожного тоннеля Лим-фьорд (Дания, 1969 г.). Главное достоин-
ство продольной схемы — сравнительная простота конструкций
вентиляторных каналов и минимальная их длина; это обусловли-
вает наименьшие капитальные затраты при строительстве и не-,
большие эксплуатационные расходы. Система может эффективно'
использовать эжектирующий эффект движения автомобилей и
ветровой напор. Струйная система обеспечивает хорошее регу-;
лирование расхода воздуха, что весьма важно для экономий
электроэнергии, так как интенсивность движения в течение суток
всегда неравномерна. {
При продольной схеме легко осуществлять контроль загазо-f
ванности или задымленности тоннеля. Система контроля может?,
быть автоматически связана с системой регулирования расхода;
воздуха, а также с системой регулирования движения транспорта.;
Главным недочетом описываемой схемы считают недостаточ-?
ную безопасность при возникновении пожара внутри тоннеля;
Случаи пожаров в тоннелях пока не освещены в технической
литературе, а специальные исследования проводились только в
отношении железнодорожных тоннелей (в Японии после пожара?
в тоннеле Хокурику). (
Некоторые авторы считают, что эжектирующий эффект и ветроу
вой напор следует рассматривать как недостатки данной cxe-f
мы [32], однако при правильном расчете напора вентиляторов:?
возникающие давления могут быть компенсированы. При совре-г
менном уровне автоматизации естественные силы могут быть?
использованы и для изменения направления воздушной струи,?
т. е. осуществляется автоматическая реверсивная система. Для со-!
здания таких систем необходимы исследования по воздействию’
естественных факторов в конкретных условиях эксплуатации авто-’
дорожных тоннелей.
Разработан проект и ведется строительство тоннелей под
Ла-Маншем между Францией и Англией, в которых для поддер-
жания нормального воздушного режима и меньших расходов на
вентиляцию автомобили будут перевозиться на железнодорожных
платформах. Утвержден еще более грандиозный проект Сен-
Готардского (49,2 км) и Лечбергского (28,4 км) тоннелей в составе
Трансальпийской железнодорожной магистрали.
Широкое распространение за рубежом получила струйная
вентиляция с подвеской вентиляторов под кровлей тоннеля.
Для этой цели выпускаются специальные вентиляторы, эффективно
использующие дальнобойность струи, с шумоглушителями, напри-
мер фирмы «Аэрекс» (Англия). В Советском Союзе специальные
струйные вентиляторы не выпускаются, а опыт применения венти-
ляторов местного проветривания ограничен тоннелями длиной
800 м на Токтогульской и Миатлинской ГЭС.
Поперечная схема вентиляции. Эта схема в условиях авто-
дорожных тоннелей имеет ряд преимуществ. Она обеспечивает
равномерное удаление всех вредных компонентов по всей длине
транспортного отсека. При этом скорость движения воздуха неве-
лика и не оказывает никакого воздействия на безопасность дви-
жения. В случае аварийной ситуации подъезд к любой точке
тоннеля возможен с двух сторон, так как распространения дыма
и газов, образующихся при пожаре, по длине тоннеля не должно
происходить.
Поперечная схема широко применялась в 50—60-х годах. Эта
схема осуществляется в двух основных вариантах: с каналами
по всей длине тоннеля и с каналами в части тоннеля (рис. 8).
В очень длинных тоннелях (более 10—15 км) приходится, помимо
каналов, проходить параллельный вентиляционный тоннель.
По направлению потока воздуха в сечении тоннеля схемы
могут быть с горизонтальными, восходящими, нисходящими и
диагональными потоками. Как правило, каналы размещают в зави-
симости от формы сечения тоннеля. При восходящих и диагональ-
ных потоках используется сила нагретых выхлопных газов, а при
горизонтальных нагретые газы будут собираться под кровлей
тоннеля, образуя слоевые скопления. Как правильно отмечает
проф. В. П. Волков, не опровергнута возможность использования
нисходящей схемы движения воздуха, при которой можно ожидать
уменьшения концентрации СО и дыма в зоне дыхания человека,
что способствует лучшей видимости в тоннеле [11].
Рис. 8. Схема расположения транзитных каналов
А, Б, В и Г—отдельные проветриваемые секции; Р— регуляторы или дополнительные
вентиляторы
18
2*
19
Следует учитывать, что каналы при любом размещении должны |
быть герметичны, чтобы утечки воздуха из них были минимальны. |
Утечки воздуха в подземных бетонных каналах не изучались, по- |
этому необоснованный выбор их величины может привести к зна- г
чительным погрешностям при расчете количества воздуха и к на- \
рушению режима работы всей системы. Для равномерной раздачи >
воздуха по всей длине тоннеля предусматривают впускные и вса- [
сывающие окна, расположенные на различных расстояниях друг ;
от друга. Размеры их по мере удаления от вентиляторов увеличи-
ваются, и их сечение должно быть рассчитано в зависимости от
режима работы вентилятора. Если система предусматривает ие- ?
сколько режимов проветривания, то отверстия должны иметь регу- f
ляторы с переменным сопротивлением — жалюзийного типа или ’
окна с передвигающейся (подвижной) шторой. J
Однако поперечной схеме присущ и ряд недостатков. Устрой- <
ство дополнительных каналов приводит к большим капитальным ;
затратам при строительстве. Вентиляторы, работающие на всасы- |
вающий канал, протягивают нагретый выхлопными газами воздух,
в связи с чем к ним предъявляются более жесткие требования, j?
Так, фирма «Аэрекс» (Англия) выпускает вентиляторы, работа- |
ющие при температуре до 200 °C.
При поперечной схеме трудно осуществлять контроль загазо- •
ваииости в транспортном отсеке, так как нужно устанавливать ’
датчики либо у каждого всасывающего окна, либо у всасывающего г
вентилятора. Опыт эксплуатации таких схем за рубежом показал, ?
что всасывающие каналы по мере эксплуатации загрязняются i
(пылью, бумагой, растительными остатками и т. д.), а потому ?
требуют систематической механической уборки. Не совсем мотиви-
рованно считают, что ветровой и гравитационный напоры не дей- i
ствуют на эту схему. Сама схема основана на равенстве давления >
воздуха по длине транспортного отсека. Под действием ветра, *
естественной тяги или эжектирующего эффекта от движения s
автомобилей может быть создана разность давлений по длине •
тоннеля, что приведет к продольному перемещению воздуха и :
нарушит всю систему его движения и распределения.
Комбинированная схема вентиляции. Эта схема имеет наиболь- ;
шее количество вариантов и сочетает элементы продольной и (
поперечной схем со всеми их преимуществами и недостатками. ?
По конструкции такая схема может быть более простой, чем по- J
перечная, но может быть и аналогичной. |
В тоннелях длиной до 5 км надежную и устойчивую вентиляцию £
обеспечивает продольно-поперечная схема. В длинных тоннелях (
(более 10 км) предпочтение отдают секционной (блоковой) схеме ;
вентиляции, при которой отдельные участки (блоки) тоннеля (
вентилируют независимо друг от друга (рис. 9). Поперечная схема 5
с увеличенными расходами приточного воздуха создает движение |
воздуха и вдоль транспортного отсека, что особенно выгодно при ;
одностороннем потоке автотранспорта. В зарубежной практике
Рис. 9. Блоковая (секционная) схема вентиляции
I — нагнетательно-вытяжные шахты; 2 — инжекторный узел
даже при наличии двух дополнительных каналов применяют про-
дольно-поперечную схему вентиляции.
В зависимости от комбинации способов подачи воздуха все
схемы легко регулируют воздухообмен в широком диапазоне.
Большинство вариантов комбинированных схем оснащаются
высоконадежной системой газового контроля.
Для подводного тоннеля Темза—Дартфорд английская фирма
«Аэрекс» сконструировала комбинированную систему вентилятор-
ных установок — стационарных иа берегу реки, работающих по
продольно-поперечной схеме, и подвесных струйных, действующих
по продольной схеме, причем они могут работать совместно и
раздельно.
Выбор схемы вентиляции зависит не только от горнотехниче-
ских факторов, определяющих конструкцию тоннеля, но и от
условий местности, определяющих интенсивность воздействия
естественных факторов. Поэтому в ходе изыскательских работ
следует изучать и метеорологические условия, которые могут
повлиять на выбор схемы.
Необходимо отметить, что наличие двух транспортных отсеков
и общего портала может оказать воздействие иа работу вентиля-
ционной системы. Так, при выбросе загрязненного воздуха он может
подхватываться потоком транспорта и попадать в параллельный
отсек; это должно быть учтено конструкцией портала или устрой-
ством специальных аэродинамических заградительных конст-
рукций.
20
21
Глава вторая
Т абл ица 3
Режим работы двигателя Концентрация
ОКИСИ углерода, % Об. угле- водородов, мг/л окислов азота, мг/л
Холостой ход 4—8 2—6 —
На постоянных средних 2—4 8—12 —
оборотах
Средняя нагрузка 0—1 0,8— 1,5 2,5—4,0
Полная нагрузка 2—4 0,3—0,8 4—8
Согласно современным представлениям в результате сложных
1ногообразных фотохимических реакций в атмосфере продукты
|дикалы и др.
Г Рассмотрим вкратце основные свойства выхлопных газов и
/фотооксидантов.
t Окись углерода, или угарный газ (СО). Он является начальным
ВЫБРОСЫ ВРЕДНЫХ КОМПОНЕНТОВ |
АВТОТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ f
1. Общая характеристика выхлопных газов |
и их гигиеническая оценка j
>
Автотранспортные средства с двигателями внутреннего сгора- (
ния (ДВС) все больше применяются как в народном хозяйстве,'
так и в повседневной жизни. В настоящее время автомобильный j
транспорт оказывает значительное влияние на формирование i
санитарных условий в крупных городах и населенных пунктах. ___--------------------------
Присутствие токсичных компонентов в отработанных газах ДВС (выхлопа образуют фотооксиданты, обладающие сильными окисли-
обусловлено сгоранием топлива, конструктивными и регулировоч- тельными свойствами; кроме того, они токсичны. К ним относятся
ными факторами, а также зависит от условий эксплуатации озон, органические перекиси, пероксиацилнитраты, свободные ра-
двигателя и его технического состояния. ’
Все применяемые ДВС по принципу действия, используемому
топливу и конструкции можно разделить на два типа: бензиновые ||
(карбюраторные с искровым зажиганием) и дизельные (с высокой |, _ ,
степенью сжатия и относительно низкой температурой самовос- (продуктом окисления углерода, не имеет цвета, вкуса и запаха,
пламенения топлива); эти два типа двигателей существенно отли-(горит синим пламенем, плохо растворяется в воде, чуть легче
чаются и составом отработанных выхлопных газов. (воздуха (0,92 по отношению к нормальному воздуху, массу еди-
Средний состав отработанных газов приведен в табл. 2 [66]. |ницы объема которого принимают за единицу). Обладает четко
Состав их во многом зависит от режима работы двигателя. При дви- (выраженными токсическими свойствами, причем тяжесть отравле-
жении автомобиля по городским улицам его двигатель работает |ния зависит от'продолжительности вдыхания и концентрации СО
в следующем режиме: на холостом ходу и на средних оборотах |в воздухе. Степень влияния СО на человека иллюстрируется
вращения —35% времени, на постоянных оборотах вращения — |рис. 10. Необходимо отметить, что норма содержания СО, устанав-
29 %, с ускорением — 22 %, с замедлением — 14 % [66]. вливаемая для пребывания в течение до 30 мин, составляет 0,12 %.
Из табл. 3 видно, как изменяются средние концентрации не- »В случае остановки транспорта, а также при ремонтных работах
которых вредных веществ при различных режимах работы карбю- ’
раторного двигателя
{воздуха (0,92 по отношению к нормальному воздуху, массу еди-
ницы объема которого принимают за единицу). Обладает четко
8'Рис. 10. Степень влияния СО в атмосфер-
[ном воздухе на человека в зависимости от
( длительности воздействия
1.1 — граница зоны воздействия; 2 — зона не-
I опасного воздействия; 3 — зоне легкого отрав-
леиия; 4 — зона тяжелого отравления; 5 —
;; Опасная для жизни зона; 6—граница зоны
{ смертельного отравления
Т абл иц а 2!
Компоненты Содержание (% об.) в выхлопе двигателей Примечание
бензиновых | дизельных
Азот 74—77 76—78 Нетоксичный
Кислород 0,3-8 2—18
Водяной пар 3,0—5,5 0,5-4
Двуокись углерода 5,0—12 1-10
Окись углерода 0,5—10 0,01—0,5 Токсичный
Окислы азота 0—0,8 0,0002—0,5
Углеводороды 0,2—3 0,009—0,5
Альдегиды 0-0,2 0,001—0,009
Сажа 0-0,4 г/м3 0,1-1 г/м3
Бензопирен 10—20 у/м3 До 10 у/м3 Канцерогенный
22
в тоннеле должны приниматься специальные меры по предупреж»
дению отравления людей. f
Первоначальными признаками отравления являются голова
кружение, шум в ушах, головная боль. При более длительно!!:
воздействии нарушается координация движений (что особенн]
опасно для водителей), наступает тошнота, рвота и притупляете!
созиаиие. (
Следует также учитывать, что СО имеет тенденцию поднимать)
ся в верхнюю область замкнутого объема, а в тоннеле имеет значе)
ние и температура выхлопных газов. Как показали исследования)
проведенные ЛГИ в Метехском тоннеле при различных температу»
рах наружного воздуха (от —5 до -(-28°C), при интенсивной,
движении автотранспорта СО почти равномерно перемешиваете!'
по всему объему. В то же время при резком увеличении интервал];
движения возможна стратификация (разделение) воздушно^
потока из-за различной плотности газов; это надо учитывать пр(,
выполнении некоторых работ в тоннеле — замене ламп освещений
ремонте кабелей и т. п. j-
По данным М. И. Мамацишвили, концентрация СО, равна^
3 мг/м3, не оказывает никакого воздействия на человека при дли!
тельном вдыхании, а вдыхание воздуха с концентрацией 6 мг/м3 Сб
уже через 25 мин изменяет световую и цветовую чувствительност!
глаз. [
Окись углерода образуется в ДВС (дизелях) в ходе холодно)
пламенных реакций, при сгорании топливовоздушных смесей (
некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссо;
циации двуокиси углерода при высокой температуре. В процесс]!
дальнейшего сгорания при наличии кислорода возможно горенж
окиси углерода по цепному механизму, который установлен н<
основе работ академиков Н. Н. Семенова, Я. Б. Зельдовича
В. Н. Кондратьева и который может быть представлен следующим?1
элементарными стадиями (реакциями):
1. Зарождение цепей: Н2О-|-СО = Н2-|-СО2;
Н2 + О2 = 2ОН.
2. Продолжение цепей: ОН + СО = СО24-Н.
3. Разветвление цепей: OH-(-CO = CO2-i-H;
О + Н2 = ОН-]-Н.
4. Обрыв цепей на стенках: 2Н-(-стенкн = Н2.
5. Обрыв цепей в объеме: СО-(-О = СО2.
ИЛИ увеличения концентрации СОг (см3/моль-с) определяется
уравнением
-d [СО] dT=7,10 • 10'2 ехр (-32 ООО/ЯТ) [СО] [ОН],
где [СО] и [ОН] — концентрация СО и ОН; R — универсальная газовая постоян-
ная; Т — температура, °К.
При скорости вращения коленчатого вала п = 1500 об/мин
процесс расширения в четырехтактном двигателе длится около
20 мс. За это время температура изменяется на 1200°К, т. е. ско-
рость ее изменения составляет примерно 60°К/мс. Следует заме-
тить, что в отношении безопасности для людей решающее значение
имеет концентрация СО в выхлопных газах, а для проветривания
определяющее значение имеет массовый выброс СО в единицу
времени (мг/с).
Окислы азота. Из всех окислов азота в выхлопных газах и
в воздухе автомагистралей встречаются лишь NO и NO2. Уста-
новлено, что при максимальных температурах цикла в дизелях
и карбюраторных двигателях (1800—2800 °К) из окислов азота
образуется только NO [8]. При других режимах горения в бензи-
новых двигателях содержание NO составляет 99 % количества
всех окислов азота (NOX), а в отработанных газах дизелей —
более 90%. В выпускной системе двигателя, при наличии кисло-
рода и после выхода отработанных газов в атмосферу, NO окисля-
ется до NO2.
Окислы азота отличаются бурым цветом и характерным не-
приятным запахом. Порог обонятельного ощущения двуокиси
азота составляет 0,2 мг/м3, а при концентрации 1 мг/м3 ее запах
становится весьма ощутимым. Двуокись азота NO2 имеет относи-
тельную плотность 1,59, легко растворяется в воде. Все окислы
; азота ядовиты, вызывают раздражение слизистых оболочек дыха-
. тельных путей и глаз, а в тяжелых случаях — отеки легких. Кон-
центрация 0,15 мг/м3 при 20-минутном вдыхании приводит к угне-
; тению электрической активности головного мозга при тестовом
j испытании, т. е. является пороговой концентрацией воздействия
। на люден. Предельно допускаемая концентрация (ПДК) NO2
, в атмосферном воздухе населенных мест установлена (как макси-
мальная разовая, так и среднесуточная) 0,085 мг/м3.
, Основной причиной образования окислов азота при сгорании
топлива является окисление азота кислородом воздуха. В реакции
Скорость процесса определяет наиболее медленная реакция 2^ образования NO может участвовать как азот, содержащийся
Таким образом, окисление СО зависит от концентрации водорода В топливе, так и азот атмосферного воздуха. Если учесть, что в неф-
и гидроокисла в продуктах сгорания. Так как при нормально^ тепродуктах содержится мало азота (0,3—0,6 % по массе чистого
эксплуатации дизелей концентрация СО в отработанных газа^ азота), то вполне вероятно, что наибольшую массу NO образуют
невелика (0,1—0,2%), то главное внимание в последние годы реакции окисления азота из воздуха [21 ]. Для расчета образова-
уделялось анализу механизма образования и сгорания окиш( ния NO используют цепной или бимолекулярный механизм хими-
углерода в карбюраторных двигателях. Скорость уменьшений веских реакций. В первом случае реакции идут по уравнениям
24
25
Na + O^NO + N — 47 ккал;
N + O24tNO + O + 4 ккал;
Таблица 4
; Название Масса Температура Объем, требуемый
Формула относительно воспламеие- для сгорания одиого объема
воздуха иия, °C воздуха | кислорода
Предельные (насыщенные) углеводороды
.Метан СН4 0,55 645 9,52 2,0
[этан С2Н6 1,05 520 16,67 3,5
Пропан С3Н8 1,56 510 23,80 5,0
Бутан С4Ню 2,09 490 30,95 6,5
[Пентан с6н12 2,48 460 38,11 8,0
Тексан СбН|4 2,79 400 45,26 9,5
[Ацетилен Непредельные (ненасыщенные) углеводороды
С2Н2 0,89 335 11,90 2,5
[Этилен С2Н4 0,98 540 14,29 3,0
[Пропилен СзН6 1,48 455 21,43 4,5
Бутилен С4Н8 2,01 445 28,58 6,0
Амилен СбНю 2,65 400 35,71 7,5
во втором случае
N 2 + О2 2 NO.
Теоретические обоснования и лабораторные исследования по-
казывают, что использование топлива, не содержащего азота
(например, Н2, бутана, пропана), приводит к образованию окислов
азота в отработанных газах ДВС, т. е. токсичность двигателей
по данному фактору определяется самим способом сжигания
топлива.
Углеводороды (С„Нт). В отработанных газах ДВС содержится
свыше двухсот различных углеводородов. В то же время теорети-
ческие расчеты реакции горения топлива, исходя из условий
равновесия, показывают, что углеводороды в них не должны со-
держаться. При неполной нагрузке двигателя эффективность его-!
рания снижается и увеличивается количество углеводородов в от- ,уСТаНовлены следующие ПДК в атмосферном воздухе населенных
работанных газах. Основной причиной этого является торможение^е^т;
бутан — максимальная разовая 200 мг/м3;
пентан — максимальная разовая 100 мг/м3, среднесуточная —
25 мг/м3;
гексан — максимальная разовая 60 мг/м3;
этилен — максимальная разовая и среднесуточная 3 мг/м3;
пропилен — максимальная разовая и среднесуточная 3 мг/м3;
бутилен — максимальная разовая и среднесуточная 3 мг/м3;
амилен (смесь изомеров) — максимальная разовая и средне-
суточная 1,5 мг/м3.
Альдегиды. Основными представителями альдегидов, поступа-
дегидрогенизации (отщепления атомов водорода), происходящее]
в топливе как по всему объему камеры сгорания, так и в зоне]
соприкосновения фронта пламени с ее стенками. i
Фотографирование процесса сгорания в четырехтактном бензи-]-
новом двигателе через кварцевое окно в головке цилиндра позво-у
лило определить толщину зоны гашения: 0,05—0,38 мм [21]. Зона}
эта служит одной из причин появления углеводородов^ выхлопных},
газах. Специальным зондом с клапаном из указанной зоны брали!,
пробы и определяли содержание углеводородов в выхлопных],
газах. Было установлено, что количество углеводородов в присте | представителями альдегидов, поступа-
ночной зоне в шесть раз больше, чем в выхлопных газах (ooj (ощих в атмосферный воздух с выбросами автомобилей, являются
Углеводороды могут образовываться в переобогащенных зонах'формальдегид и акролеин.
где происходит пиролиз (разложение). Если при расширении в| формальдегид (НСОН) — бесцветный газ с резким спе-
цилиндре двигателя доступ кислорода в эти зоны будет ограничен,^ифическим запахом> легко растворим в воде, чуть тяжелее возду-
то углеводороды попадут в отработанные газы. Ь (плотность 1,04). Обладает раздражающим и общетоксическим
Свойства некоторых предельных и непредельных углеводородов|ффектоМ1 действует прежде всего на центральную нервную систе-
приведены в табл. 4. _ ИУ. а также поражает внутренние органы и инактивирует ояд
Действие различных углеводородов на человеческий организм^ерментов запах формальдегида ощущается человеком пои кон-
проявляется при довольно высоких концентрациях их в воздухе.|ентрации 997—о,09 мг/м3
Так, запах этилена, пропилена и бутилена ощущается человеком]; Акролеин (СН2СНСОН) - прозрачная, легко испаря-
при содержании их в пределах 15—20 мг/м . Световая чувстви^щаяся ЖИДКОсть (плотность пара 1,9) с резким запахом. Запах
тельность глаза снижается при концентрации тех же веществй,0 ощущается человеком при концентрации 0 07 мг/м3. Порог
11 мг/м3. Порог обонятельного ощущения гексана 190 мг/м рефлекторного действия, установленный методом электроэнцефа-
При концентрации 90 мг/м3 20-минутная ингаляция гексана ведеТрГрафии равен о,05 мг/м3. V
к угнетению электрической активности головного мозга. | Санитарными нормами в атмосферном воздухе населенных
Для углеводородов, отнесенных к четвертому классу опасности1?унктов установлены ПДК: для формальдегида — максимальная
разовая 0,035, среднесуточная 0,03 мг/м3; для акролеина — мак-
27
26
симальная разовая и среднесуточная 0,03 мг/м3. Оба альдегида
относятся ко второму классу опасности.
Сажа. При сгорании углеводородных топлив в ДВС в отрабо-
танных газах содержится твердый углеродный продукт в дисперс-
ном состоянии — сажа. Другие твердые углеродистые соединения
(пироуглерод и нитевидный углерод) в отработанных газах обычно
не содержатся, так как они образуются на твердых поверхностях
[21]. Частицы сажи — набор кристаллитов, которые состоят из
отдельных пластинок графитовых шестиугольников. Сажевые
частицы имеют размеры 50—500 А, а сажевые образования
0,4—5 мкм. В частице сажи диаметром 200 А содержится около
1500 пластинок. Кроме углерода, сажа содержит 1—3 % по массе
водорода, который может быть химически или физически связан
с углеродом.
Образование сажи представляет собой объемный процесс тер-
мического разложения углеводородов в паровой фазе при не-
достатке кислорода; это разложение может быть представлено
в виде реакции
к емыми на ее поверхности. Санитарными нормами установлены
следующие значения ПДК сажи в атмосферном воздухе:
0,15 мг/м3— максимальная разовая, 0,05 мг/м3— среднесуточная.
Г Бензо (а) пнрен (С20Н12). В нормальных атмосферных усло-
I ' виях 3,4-бензопнрен кристаллический продукт, плохо растворимый
[ в воде, обладающий четко выраженными канцерогенными свой-
| ствамн. Так, акад. АМН Л. М. Шабад указывает, что основной
причиной увеличения заболеваний раком (второе место после
I опухолей желудочно-кишечного тракта) является рост загрязне-
I ния атмосферы промышленными и транспортными выбросами.
L При освещении ультрафиолетовыми лучами в органических
|.... растворителях бензопирен флуоресцирует, на чем базируется наи-
Г! более распространенный метод его анализа.
Среднесуточная санитарная норма содержания 3,4-бензопнре-
L на в атмосферном воздухе установлена 0,1 мкг/100 м3; он отнесен
I к первому классу опасности.
L Свинец. Он поступает с выбросами автомобилей в атмосферный
I воздух в виде аэрозолей окислов и неорганических солей. При дли-
К тельном контакте со свинцом у работающих возникают головные
L боли и головокружения, они становятся очень раздражительными.
F Соединения свинца действуют как протоплазматический яд, на-
рушая деятельность ферментов, в крови снижается количество
L гемоглобина и разрушаются эритроциты.
L Поданным зарубежных исследователей, концентрация свинца
р в крови выше у людей, проживающих возле крупных автострад,
у лиц, входящих в профессиональный контакт с этим ядом,—
Г инспекторов Госавтоинспекции, автомехаников, водителей автомо-
билей. Среднесуточная санитарная норма содержания свинца и его
Г соединений установлена в 0,0003 мг/м3; они отнесены к первому
р классу опасности.
< Сернистый ангидрид (SO2). Это бесцветный газ с резким
неприятным запахом, кислого вкуса, хорошо растворяется в воде.
Запах этого газа ощущается при концентрации в атмосфере
; 6’1О~7 мг/м3. Он весьма токсичен, раздражающе действует на
к слизистые оболочки глаз (вызывает слезотечение), разъедает
| кожу и легочные ткани. Вдыхание воздуха, содержащего 40—
[ 60 мг/м3 SO2, в течение нескольких минут может привести к отрав-
/. лению, а концентрация 120 мг/м3— к смертельному исходу через
к 5 мин.
Содержание SO2 в отработанных газах дизелей составляет
0,003—0,05 % (85—1420 мг/м3). Санитарные нормы содержания
! SO2 в атмосферном воздухе населенных пунктов следующие:
/ 0,5 мг/м3— максимальная разовая, 0,05 мг/м — среднесуточная.
Фотооксиданты. Это смеси продуктов фотохимических реакций,
.стимулируемых солнечной радиацией (озон, двуокись азота, фор-
--------------------- т вИдимоствмальдегид и др.); они являются установленным в последнее время
гВущественно ухудшае целовек;’-отрицательным фактором внешней среды. Смесь этих веществ
Чазов ВреДное возде^ЛИами гппбиоу'с суммарной концентраций 0,85, выраженной в долях от порого-
29
CnHm^tnC4-0,5mH2.
Некоторые исследователи считают, что единственной причиной I
дымления является механическое воздействие ударной волны, I
прерывающей слой топлива на стенках камеры сгорания и вызы- 1
вающей его крекинг (расщепление). Образование углерода, вы- |
деляемого в виде сажи, происходит также при неравномерном I
распределении топлива в камере сгорания. При этом в определен-
ных ее зонах может образовываться смесь с недостатком кислоро-
да, что приводит к крекингу топлива и появлению свободного
углерода.
Образование сажи можно предотвратить, оказывая тормозящее
воздействие на предпламенные процессы, путем введения мет алло-'
органических присадок или посредством повышения однородности
смеси. Установлено, что концентрация сажи тем больше, чем выше
отношение С/Н в топливе. При расширении газов в цилиндре
дизельного двигателя к частицам сажи поступает кислород, что
благоприятствует ее выгоранию. Поэтому выделение сажи с отра-
ботанными газами дизельных двигателей зависит как от образова-
ния, так и от выгорания сажи.
Углерод, составляющий преобладающую массу сажи в выхлоп-
ных газах, непосредственной опасности для человека не представ-
ляет. Весьма значительное отрицательное воздействие сажи ска-
зывается в ухудшении видимости и возрастании загрязненности
воздуха. При определенных климатических условиях (темпера-
туре, влажности воздуха) сажевые частицы становятся центрами
коагуляции паров воды, что '""«ы'
в зоне выброса выхлопных газов, вреднис -----------
сажи вызывается не углеродом, а другими веществами, сорбиру
28
вых величин для каждого ингредиента, не вызывает нарушений
в организме человека. При суммарной концентрации в десять раз
большей [21,66] она уже приобретает слабо выраженную биологи-
ческую активность.
Установлено, что в приземном слое атмосферы концентрация
озона составляет 0,01—0,04 мг/м3. Повышенное его содержание
в воздухе снижает сопротивляемость организма. Человек начинает
ощущать острый характерный запах озона при концентрации его
0,02—0,04 мг/м3. При концентрации 0,2—1,0 мг/м3 озои раздра-
жающе действует на слизистые оболочки глаз. При гигиенической
оценке озона необходимо учитывать наличие других веществ, для
которых он является промежуточным продуктом фотохимических
реакций в атмосфере.
В США установлен национальный норматив для оксидантов
в атмосферном воздухе—максимальная среднечасовая концен-
трация в 0,16 мг/м3, а в Японии 0,12 мг/м3. Санитарными нормами
СН 245—71 для озона установлены: максимальная разовая кон-
центрация 0,16 мг/м3, среднесуточная 0,03 мг/м3; он отнесен к пер-
вому классу опасности.
Оценивая токсичность компонентов выхлопных газов, надо
принимать во внимание, что в производственных помещениях
(гаражах, ангарах и т. п.) и в подземных выработках (тоннелях,
камерах, рудниках) эти выбросы совместно воздействуют на че-
ловека из-за относительно небольших объемов воздуха. Поэтому
в горнодобывающей промышленности Правилами безопасности
при расчете вентиляции предусматривается в качестве токсичного
компонента принимать так называемую условную окись углерода.
При такой оценке токсичности компонента производят пересчет
массы другого вредного вещества с переводным коэффициентом
по отношению к основному компоненту. Так, 1 л двуокиси азота
принимают эквивалентным 6,5 л окиси углерода, 1 л сернистого
газа — 2,5 л окиси углерода [35]. Такой подход к оценке токсич-
ности нескольких компонентов более правилен и гигиенически
обоснован.
Выброс отдельных токсичных компонентов зависит также от
режима эксплуатации двигателя. Так, суммарную токсичность,
приведенную к условной окиси углерода для СО и NO, в зависи-
мости от коэффициента избытка воздуха, можно представить
графиком на рис. 11. Как видно из этого графика, при работе
на богатых смесях (коэффициент избытка воздуха а=0,75 — 0,85)
выхлопные газы содержат значительное количество окиси угле-
рода. По мере обеднения смеси концентрация СО в выхлопе сни-
жается, но при этом возрастает содержание окислов азота, дости-
гая максимума при а = 1,02-4-1,08 [4, 41 ]. Дальнейшее обеднение
смеси ведет к уменьшению концентрации окислов азота, однако
режим работы двигателя становится неустойчивым, и он глохнет.
Помимо токсичных компонентов, выхлопные газы содержат
и нетоксичные. Выброс этих веществ из конкретного двигателя
зо
Рис. 11. Удельная токсичность выхлопных
газов в зависимости от коэффициента
избытка воздуха
I — для угарного газа.-2 — для окислов азота;
3 — суммарная токсичность, приведенная к NO,
зависит от режима его работы. Для исправных отрегулированных
двигателей с нормальным износом среднее процентное содержание
нетоксичных компонентов приведено в табл. 5. Из данных табл. 5
следует обратить внимание на содержание кислорода и водяного
пара, которые в специфических условиях вентиляции автодорож-
ных тоннелей могут оказывать значительное влияние на движение
транспорта: первый — в высокогорных тоннелях, второй — при не-
благоприятных климатических факторах, приводящих к образова-
нию смогов и туманов. Более подробно влияние этих факторов
будет освещено ниже.
Кроме выхлопных газов, ДВС выбрасывают другие газы и
пары. В дизельных двигателях уплотнения в цилиндрах далеко
не абсолютны, а потому некоторая часть газов из рабочей полости
цилиндров прорывается в картер. Во избежание чрезмерного
повышения давления в картере избыточные (так называемые
картерные) газы выбрасываются в атмосферу, перепускаются
в систему всасывания либо отводятся в систему выпуска газов.
Так как вход в кольцевой зазор между поршнем и зеркалом
находится за пределами зоны горения топлива, то газы, прорыва-
ющиеся в картер, имеют состав, близкий к составу топливной
Таблица 5
Компоненты Концентрация (% об.) при режиме работы двигателя
холостом ходе и средней частоте вращения полной нагрузке при частоте вращения
средней большой
БД ДД БД ДД БД ДД
Двуокись углерода 6,5-8 3,5 7-11 5,5 12—13 7
Водяной пар 7-10 3,5 9-11 5,0 10—11 5
Кислород 1-1,5 16 0,5—2 12,0 0,1—0,4 10
Водород 0,5—4 — 0,2-1 0,1 0,1-0,2
Азот 71 77 74 77 76 77
БД — бензиновые двигателя; ДД — дизельные двигатели.
31
смеси; это значит, что в бензиновых двигателях в картер прорыва-
ется главным образом несгоревшая смесь, а в дизелях — чистый
воздух.
Исследованиями показано, что картерные газы карбюраторных
двигателей состоят из несгоревшей горючей смеси и продуктов
сгорания в соотношении 4:1. Выделение вредных газов дизелями
будет значительно меньше, чем карбюраторными двигателями.
Однако можно предположить, что в картерных газах будет повы-
шенная концентрация акролеина, обусловленная возгонкой и окис-
лением горючего смазочного масла. Количество картерных газов
колеблется в весьма широких пределах и возрастает по мере
износа деталей картера. Среднее соотношение расходов картерных
газов и отработанных газов составляет примерно 1:30 [41].
Кроме картерных газов, определенную роль в загрязнении
атмосферы вредными веществами могут играть следующие вы-
деления:
газы, образующиеся в результате испарения топлива, смазоч-
ного масла, тормозной и охлаждающей жидкостей;
газы, прорывающиеся в атмосферу из-за неисправностей си-
стемы выпуска или непосредственно из камеры сгорания;
газы и пары, образующиеся из-за обгорания на горячих поверх-
ностях двигателя подтеков топлива и масла, красок, консервиру-
ющих смазок и других материалов.
Наиболее часты прорывы газов через неплотности в системе
выпуска двигателя. Вероятность таких прорывов больше, если
двигатель работает с противодавлением на выпуске, создаваемым
каким-либо устройством — газовой турбиной, жидкостным или
каталитическим катализатором, а также глушителем шума.
Картерные и другие газы чаще всего содержат углеводороды
и альдегиды. Санитарные нормы содержания паров нефтяного
бензина установлены следующие: 5 мг/м3— максимальная разо-
вая и 1,5 мг/м3—среднесуточная, а для сланцевого бензина —
0,05 мг/м3.
2. Токсическая оценка двигателей
внутреннего сгорания
Степень вредности воздействия на организм человека токсич-
ных компонентов принято определять путем сопоставления пре-
дельно допускаемой санитарными нормами концентрации в атмо-
сферном воздухе с аналогичной концентрацией вещества, приня-
того за эталон. Обычно за эталон принимают окись углерода,
действие которой на организм человека изучено наиболее полно.
Если за основу сравнения принять предельно допустимые концен-
трации в соответствии с санитарными нормами СН 245—71, то
относительную токсичность, учитывая класс опасности, можно
представить данными табл. 6.
32
Табл ица 6
Компоненты Класс опасно- сти Относительная токсичность по содержанию в атмосфере
максималь- ная разовая средне- суточная
Окись углерода 4 1 1
Гексаи 4 0,16 —
Бутилен 4 0,33 1
Этилен 3 0.33 1
Двуокись серы 3 2 20
Окнслы азота 2 11 35
Формальдегид 2 28 1000
Акролеин 2 33 100
Так как токсичные компоненты от выхлопов автомобилей в
условиях ограниченного пространства выделяются одновременно,
то следует учитывать эффект их суммарного воздействия на че-
ловека. Расчет его обычно производят по формуле
С,/ПДК. + С2/ПДК2+ - +С„/ПДКЯ<1,
где Ci, Сг,.... С„—фактические концентрации вредных веществ в атмосферном
воздухе, мг/м3; ПДКь ПДКа,.... ПДКл— предельно допустимые концентрации
соответствующих веществ, мг/м3.
Санитарными нормами установлены группы веществ, облада-
ющих эффектом суммации. По отношению к выхлопным газам
можно выделить следующие группы: а) озон, двуокись азота и
формальдегид; б) окись углерода, двуокись азота, формальдегид
и гексан; в) сернистый ангидрид и двуокись азота; г) этилен, про-
пилен, бутилен и амилен.
Для ограничения содержания окиси углерода в выхлопных
газах введен ГОСТ 17.2.2.03—77, предусматривающий максималь-
но допускаемые концентрации СО (табл. 7).
Оценивая токсичность выхлопных газов, интересно сравнить
бензиновые, дизельные и другие двигатели. В связи с этим
в табл. 8 приведены данные о различных силовых установках,
испытанных по так называемому калифорнийскому 13-фазному
испытательному циклу [66].
Как видно из данных табл. 8, дизельные двигатели имеют
более низкие показатели по основным токсичным компонентам
выхлопных газов и даже могут конкурировать с силовыми уста-
новками, проектируемыми для применения в будущем. Сравнение
проведено на основании удельной токсичности /-го компонента
(г/л. с. -ч), определяемой по формуле
Ф— I'^o.rCfYi/'Yo.r^e,
где Уо.г— объем отработанных газов, г/ч; С(— концентрация вредного вещества
в них; yi— плотность i-го компонента, кг/м3; у0.г— плотность отработанных газов,
кг/м3; N'— мощность двигателя, л. с.
3 Заказ 244 33
Таблица 7
Режим работы двигателя Предельное содержание СО (% об.) для автомобилей, изготовленных
до 1978 г. | до 1980 г. после 1980 г.
На минимальных 3,5 2,0 1,5
оборотах холостого
хода
При 0,6пИ(>„ 2,0 1,5 1,0
Таблица Й
Тип двигателя Выброс в целом, г/л • с ч о.
со | С„Щ 1
С искровым зажи: а- 28 2 16
нисм на бензине
С искровым зажига- 26 3 13
ннем на сжиженном газе
Дизельный с непосред- 3,6 2,2 8,6
ственным впрыском
Дизельный предкамер- 1,7 0.2 5,8
иый
Паровой двигатель 4.2 0,25 3
Газовая тур(5ииа 4,4 0,9 2
Двигатель Сгнрлннга 2,8 0,15 1,8
При оценке автомобиля в отношении токсичности следует
учитывать не только степень токсичности отработанных газов, но
и степень отравления окружающего воздуха. Тогда относительную
концентрацию /-го компонента в воздухе можно выразить тчк:
X, = M,/C,V,
(1)
где /И(— количество (-го компонента (токсичного), выделяемого на участке дороги
длиной I в течение времени /; V — объем, в котором распространяется вредное
вещество.
После приведения всех вредных веществ к СО формулу (1)
можно записать так:
мс0/v с™
Если представить объем V в виде условного воздушного объема
участка улицы (дороги) площадью Fy, ограниченной зданиями
(стенками в тоннеле), и заменить Vy—FYl, неравенство (2) можно
преобразовать:
или МС0/1^Р^° V/V,.
(3)
Если обозначить количество выбрасываемых вредных веществ
34
Gco (кг/ч), приведенных к СО при скорости движения автомо-
биля и (км/ч), получим отношение
MC0// = GC0/u,
а заменив
Gto=gfotf, и T=Nr/u-птр,
где gco — удельное выделение вредных веществ двигателем; Ne— мощность, раз-
виваемая им на данном режиме; Т — тяговое усилие; т]тр— механический КПД
трансмиссии,
можно записать:
Afco// = gcor-l/thp,
и, с учетом (3), будем иметь:
§1‘°Г-1/Пгр<^Ссо-У/И5.
В правой части неравенства находятся величины, связанные
со степенью проветривания данного участка улицы (дороги),
а в левой части — величины, зависящие только от качества авто-
мобиля и режимов его работы (Г) и двигателя (gco). Таким об-
разом, произведение gtQT • 1/т}тр является фактором, определя-
ющим способность автомобиля к загрязнению атмосферы, и пред-
ставляет собой приведенное к СО количество токсичных веществ,
выделенных им при прохождении единицы пути. Если обозначить
его z и определить как токсичность автомобиля, то
z = Мс0//= 0со/ц.
Между этим выражением и расходом топлива имеется аналогия,
хотя расход его на единицу пути является условным показателем.
Заменив тяговое усилие выражением механических сил, определим
все факторы, от которых зависит степень загрязнения автомобилем
окружающего воздуха токсичными веществами.
Поскольку токсичность двигателя находится в зависимости от
режима его работы, а соотношение между компонентами на разных
режимах различно, то возможна оценка по суммарному индексу
токсичности [41], за который принимают отношение
где Св.г— концентрация токсичного компонента в выхлопных газах, мг/м3;
СПдх— концентрация этого же компонента, регламентируемая санитарными нор-
мами, мг/м3.
При нескольких измеряемых компонентах индекс токсичности
S Л7.
1 = 1
•Г 35
О
<0
X
х
ч
о
я
2
сч
счсч счю сч
О
я
X
X
ч
о
га
Н
Нагрузка Среднее содержание компонентов, г/м’ Средний индекс токсичности
. дизеля- 1 I I I I I П ГТ
О
О •— со 0> сО
СЧ C4OJ »О
Ф —’ счсо со
£3388
СО Ю О о> со
СО СО со СО 00
со Ю Ь- СП —<
— — — сч
22^83
СО Ю СЧ СО СО
00 со со <0 Ф
•-сч соо>ол
© о о о •*«
cS о? 00 2 5
со сч" оГ а)
— со СО о> ь-
s£ss£
— — еч сч
36
Т аблица Ц
Компоненты Выброс, г/кг топлива
бензином ' дизельным топливом
Окись углерода 378 20,81
Углеводороды 21,2 4,16
Окнслы азота 14,5 18,01
Сернистый ангидрид 1,86 7,80
Альдегиды 0,93 0,78
Сажа 1.0 5
Свинец (при исполь- зовании этилированного бензина) 0,5 —
Так как часть токсичных компонентов не измеряется из-за
отсутствия методики определения их концентрации, суммарный
индекс токсичности всегда будет меньше действительного на ве-
личину количеств неучтенных газов.
В табл. 9 приведены значения концентрации пяти компонентов
выхлопных газов дизельных двигателей в зависимости от их на-
грузки и индексы токсичности, вычисленные на основании Сани-
тарных норм для воздуха рабочих зон производственных помеще-
ний. Из данных таблицы видно, что главным токсичным компонен-
том в выхлопных газах дизелей являются NOX (окислы азота),
доля которых от суммарного индекса токсичности составляет
66—90,5%.
В табл. 10 представлены усредненные данные замеров ЛГИ
суммарной токсичности карбюраторных двигателей автомобилей
ЗИЛ-130 мощностью 150 л. с., по четырем компонентам в зависи-
мости от числа оборотов двигателя по отношению к максимальным
(/1»акс=3200 об/мин), выполненных для трех автомобилей, экс-
плуатировавшихся различные сроки.
Как видно из данных табл. 9 и 10, относительная токсичность
бензиновых двигателей в несколько раз превышает токсичность
дизелей, причем с увеличением объема выхлопных газов токсич-
ность возрастает в несколько раз.
Обобщая результаты исследований токсичности автомобиль-
ных двигателей, приведем данные (табл. 11) о выбросах токсичных
компонентов на основании статистической обработки выбросов
различных автомобилей при разных режимах их движения по
данным [66].
3. Выбросы дыма, тепла и водяных паров
Газовые компоненты отработанных газов, образующиеся в ре-
зультате сгорания моторного топлива, за исключением окислов
азота, теоретически прозрачны и бесцветны. Наличие в выхлопных
37
газах углерода в виде мелких частиц сажи размером в несколько
десятков микрометров, а также мельчайших капелек топлива
и воды окрашивает и делает непрозрачными отработанные газы.
Оптическая плотность дыма и оттенки его цвета — белый, сизый,
бурый, черно-коричневый — не определяются однозначно содер-
жанием в отработанных газах сажи. Цвет дыма зависит также
от крупности агрегатов сажи, примесей окислов азота, наличия
паров топлива и воды. В связи с этим дымность характеризуется
относительными величинами, основанными на том или ином спо-
собе измерения. Способность агрегатов сажи к поглощению и рас-
сеиванию света зависит не только от их размеров, но и от их
количества. Поэтому между массой сажи в отработанных газах, их
задымленностью и окраской имеются зависимости различного
характера.
Все методы оценки степени дымности выхлопных газов осно-
ваны на оптическом измерении их прозрачности или на определе-
нии содержания в них частиц сажи, осаждающейся на поверхности
фильтровальной бумаги, через которую пропускаются отработан-
ные газы. Оптическая прозрачность столба воздуха определяется
методом Картриджа, а интенсивность почернения фильтра
в отраженном свете — методом Боша.
Дым оме р Картриджа имеет шкалу, разделенную на
100 ед., по которой каждое деление соответствует ослаблению
светового потока на 1 %. Контроль показаний осуществляют
эталонным фильтром, соответствующим задымленности £)н=50 ед.
Аналогичная оценка принимается и в методе Боша, однако срав-
нение результатов измерений свидетельствует о существенных
отличиях содержания сажи в отбираемых пробах.
На рис. 12 приведены результаты измерений методами Кар-
триджа и Боша, пересчитанные в единицы массы сажи в выхлоп-
ных газах (мг/л). Как видно из этого графика, при дымности
0 = 50% по шкале. Картриджа получаем содержание сажи
0,15 мг/л, а по шкале Боша — 0,55 мг/л, т. е. разницу в 3,6 ра-
за [66].
В лаборатории автоматизации Научно-экономического центра
Института тракторо- и автомобилестроения создан опытный обра-
зец сажемера 20/200-ЛАНЭ, применяемого в комплекте с филь-
трами из ультратонких волокон ацетилцеллюлозы типа ФПА-15
и БФ диаметром 2 см. В результате исследований была получена
аналитическая зависимость степени черноты фильтра от концен-
трации сажи в выхлопных газах:
е=ЛГ(1 - ю-0652’-1'/""),
где е — степень черноты фильтра, покрытого сажей, в условных единицах черноты
(УЕЧ); М— масштаб измерительного прибора (микроамперметра); </с—концен-
трация сажи в выхлопных газах, мг/л; V — объем пробы выхлопных газов, см3;
F — площадь фильтра, см2; d — диаметр сажевого образования; см; р — плотность
сажевых образований, мг/см3.
38
Рис. 12. Зависимое ь содержания сажи в выхлопных газах по степени их дымности
по шкалам Боша и Картриджа
/ — кривая но шкале Картриджа; 2 — кривая корреляции но обеим шкалам; 3 — кривая
но шкале Боша
Рис. 13. Расчетные и экспериментальные зависимости t = [(q}
На рис. 13 приведены значения степени черноты фильтра в
УЕЧ для частиц сажи диаметром 1,0; 0,75 и 0,5 мкм. Там же
нанесена по точкам экспериментальная кривая, учитывающая
привес несажевой фазы (^с+^ж)- Как считают авторы сажемера,
концентрацией бесцветной доли несажевой фазы можно пре-
небречь (особенно при большой дымности).
Аналогичная зависимость получена и И. Заксе [67], оценива-
ющим плотность дыма в процентах:
KR
100(1-1/10”^);
где М — плотность дизельного дыма, %; R — концентрация сажи в объеме
отбираемой пробы; К — отношение объема отбираемой пробы к площади фильтра;
k — коэффициент пропорциональности, зависящий от размера сажевых частиц.
Были проведены исследования по влиянию массы углерода,
содержащегося в топливе, на степень дымности газов. Их ре-
зультаты представлены на графике (рнс. 14) в осях: дымность
по шкале Боша—отношение углерода в массе отработанных
газов к массе углерода в топливе [66]. При допустимой степени
дымности, равной 30 % по шкале Боша, относительное содержание
несгоревшего углерода в отработанных газах составит 0,3 % массы
углерода, поступившего с топливом; это значит, что три несгорев-
ших атома углерода на 1000 атомов, сгоревших в цилиндре дви-
гателя, образуют дымность порядка 30 %. Такое небольшое коли-
чество несгоревших углеводородов не оказывает влияния на теп-
ловой КПД двигателя, но способствует значительной задымлен-
ности выхлопных газов.
39
Рис. 14. Относительное содержа-
ние углерода в отработанных га-
зах в зависимости от степени
дымности
В зарубежных странах предъявляются различные требования
к допустимой степени дымности выхлопных газов. По немецким
нормам, степень дымности по шкале Боша зависит от мощности
двигателя — 65 % при мощности до 50 л. с. и 45 % при мощности
до 250 л. с. Согласно английским нормам, она устанавливается
в зависимости от количества отработанных газов, выбрасываемых
в единицу времени,— до 0,15 г/м3 • с, что соответствует 35 % дым-
ности по шкале Картриджа. Шведскими нормами допустимой
считается дымность до 35 % независимо от мощности двигателя.
Замеры самыми различными методами показывают, что даже
в очень черном дыме содержание сажи не превышает 1 % от коли-
чества сжигаемого топлива; это соответствует 0,5 г сажи на 1 м3
выхлопных газов. Как правило, дымности выхлопов сопутствует
запах н раздражающее действие на слизистые оболочки глаз
и дыхательных путей. К сожалению, методов ни качественной,
ни количественной объективной оценки этих факторов до настоя-
щего времени нет. За рубежом существуют методы субъективной
оценки (например, органолептический). Так, в Англии запахи
дыма оцениваются двумя показателями: характером по 4-балль-
ной шкале и интенсивностью по 12-балльной шкале. Согласно
этой методике, интенсивность запаха выхлопных газов следующая:
Двухтактный двигатель при режиме:
холостого хода.................................3,6
разгона .......................................4,1
частичной нагрузки ............................3,0
полной нагрузки ...............................3,5
Четырехтактный двигатель без наддува с полной на-
грузкой .........................................3,3
Необходимо отметить, что каждому типу автомобиля присущи
четко выраженные признаки. Так, для потока автомобилей
БелАЗ-240, перевозивших горную массу по Миатлинскому тоннелю
(Ирганайская ГЭС), был характерен буро-коричневый дым и от-
сутствие видимости в 4—5 м, а также резкий запах сернистого
40
газа. Дым от городского потока в Метехском тоннеле (Тбилиси)
имеет сизо-серый оттенок и типичный запах ароматических угле-
водородов и бензина.
Как показано в табл. 2, в выхлопных газах содержатся пары
воды. Хотя они не представляют никакой опасности для людей, но
имеют значение при вентиляции тоннелей и других замкнутых
пространств, так как способствуют образованию тумана, а при от-
рицательных температурах— и наледей. На туманообразованне
оказывает также влияние и тепло, выделяемое двигателем авто-
мобиля.
Выброс паров воды зависит от содержания водорода в топливе
относительной массесамоготоплива; эта зависимость оценивается
коэффициентом
Kh=Gh/Gt.
где &н— масса водорода в топливе, кг; От— масса расходуемого топлива, кг.
Для расчетов выбросов паров воды значения коэффициента К»
можно принимать равными 0,15 для бензина и 0,14 для дизельного
топлива. Тогда массу паров воды (кг/ч) в выхлопных газах для
нормальных и бедных смесей можно определить по формуле
<ЗтН,о = 9K„GT;
для богатых смесей это значение надо умножить на а — коэффи-
циент избытка воздуха (а< 1).
Выделение тепла зависит от расхода топлива и его теплотвор-
ной способности. Частично тепло расходуется на нагрев конструк-
ций автомобиля (двигатель, радиатор, система выпуска) и на ме-
ханическую работу, которая по закону сохранения энергии в ко-
нечном счете переходит в тепловую. Поэтому расчет тепла (ккал/ч),
выделяемого автомобилем, для нормальных и богатых смесей
определяется так:
Qt=Gt7’,
где Т — теплотворная способность топлива, ккал/кг; для бедных смесей значение
Q, следует умножить на а.
При расчетах микроклиматических параметров можно прини-
мать: QT= 10 500 ккал/кг для бензина, QT=l0 200 ккал/кг для
дизельного топлива. Если принять нормативный расход топлива
для данного типа автомобиля (в л/100 км), то можно рассчитать
выбросы паров воды и тепла основными марками автомобилей
при скорости их движения и ==60 км/ч. Результаты расчетов при-
ведены в табл. 12.
Как видно из табл. 12, выброс тепла и влаги автомобилями
с наиболее мощными двигателями весьма значителен, что может
повлиять на температуру и влажность в тоннеле, а также ухудшить
безопасность движения.
41
Таблица 12
Марка автомобиля ' 1 Рас ход ТОПЛИВ!) я , кг/100 км[ Выброс тепла Выброс влаги
ккал / 100 км - 10~3 ккал/ч • 10 3 <г/1О0 к.ч кг/ч г/ МИН
ЗИЛ-130 24,1 253,2 151,8 32,5 19,5 325,3
ЗИЛ-130В 30,6 321,3 192,8 41,3 24,8 413,2
ЗИЛ-ММЗ-555 25,9 272,0 163,2 34,9 20,9 348,2
ГАЗ-51 16,5 173,2 103,9 22,2 13,3 221,5
Г АЗ-52-01 14,3 150,1 90.0 19,3 11.6 193,3
ГАЗ-53А 19,4 203,7 122,2 26,2 15,7 261,6
ГАЗ-53Ф 18,7 196,3 117,8 25,2 15,1 251,6
Урал-ЗИС-355 21,6 226,8 136.1 29,2 17.5 291,5
Урал-377 33,1 347,5 208,5 44,0 26,4 439,9
У АЗ-451 9,8 102,9 61.7 1,3,:! 7,9 131,6
ЕрАЗ-762 9,5 99,7 59,8 12,8 / J 128,3
МАЗ-500 20,0 204,0 122,4 27,0 16.2 269.9
МАЗ-504 25,1 256,0 153,6 33,9 20,3 338,2
КрАЗ-257 32.0 32(5,4 195,8 43,2 25,9 431.5
КамАЗ-5410 21.4 218,3 130,9 28,9 17,3 288,3
РАФ-2203 8,7 92,4 55.4 11,7 7.0 116,/
УАЗ-452В 10,6 111,3 66,8 13.3 8,6 143,3
ПАЗ-672 16,1 169,0 101,4 21,7 13,0 216,6
ЛАЗ-697 28,8 302,4 181,4 38,8 23,3 388,2
Икарус-250 25,8 263,2 157,9 34.8 20.9 348,2
УАЗ-469 10,2 107,1 64.3 13,7 8,2 136,7
ГАЗ-24 6,7 70,3 42,2 9,0 5,4 90.0
ВАЗ-21011 4,3 45,1 27,1 5,8 3.5 58.4
АЗЛК-2140 4,9 51 5 30,9 6,6 Ч 65.0
ЗАЗ-968 4,1 43,1 25.9 5,5 3,3 55,0
* Эксплуатационный pat-ход топлива по экономическим характеристикам автомобиля
при скорости 1=60 км/ч.
4. Методы расчета выброса
окиси углерода
Несмотря на большое количество исследований и опублико-
ванных работ, общепринятой методики расчета выброса oi-иси
углерода (или других вредностей) еше нет. Однако следует
признать, что предлагаемые в последнее время методы расчета
более точны и лучше нахчно обоснованы. При проектировании
первых автодорожных тоннелей применяли расчетною формо-
лу [32]
g.=(l-+-l4,9a)ft„
где gm— количество выхлопных газов, кг/ч: а — коэффициент избытка воздуха
в горючей смеси; Ь-,— расход топлива, кг/ч
Однако эта формула дает очень приблизительные результаты,
намного преувеличенные. Как показано выше, на массовый вы-
42
брос вредных компонентов оказывает влияние ряд факторов, ко-
торые и надо оценивать при расчете выбросов.
В США, Японии. ФРГ и Франции разработаны специальные
испытательные циклы, моделирующие средние режимы движения
автомобилей, при которых необходимо определять массу выбросов
вредных компонентов. Масса компонентов, выбрасываемых двига-
телем в период испытательного цикла, хорошо коррелируется
с работой двигателя, с пробегом автомобиля или с циклом в целом.
В настоящее время используются три метода оценки токсичности
выбросов по испытательным циклам: американском), японском)'
и европейскому. Эти циклы разработаны на основании изучения
режимов работы двигателей при движении в больших городах.
Так как режимы движения в городах США, Японии и Европы
различны, то продолжительность и режимы работы двигателей
несопоставимы. Различны и ограничения токсичных выбросов.
Американский (калифорнийский) испытатель-
ный цикл CVS предусматривает испытания в течение 23 мин —
времени, соответствующем)' пробегу автомобиля 12 км пути в усло-
виях городского движения. Отработанные газы отбираются из
выхлопной трубы в пробонаборнпки и разбавляются воздухом
в отношении 1 : 8, что отвечает концентрации вредностей в атмо-
сферном воздухе. С 1975 г. применяется новый цикл CVS—СН,
который повторяет цикл CVS и после 10-минутной остановки —
шесть циклов продолжительностью 505 с. Выброс замеряют в
граммах на единиц)' пути (г/км).
Европейский испытательный цикл предусматри-
вает три типа проверок: на тормозном стенде, холостом ходу, уров-
ня и выброса картерных газов. Испытательный цикл на стенде
(рис. 15) повторяют четыре раза, что соответствует пробегу
4,052 км пути в условиях городского движения. При испытаниях
скорости достигают 15, 30 и 50 км/ч на первой, второй и третьей
скоростях движения. Полученные значения выбросов СО опреде-
лены на всех режимах в мг/c, при этом объемная концентрация
не должна превышать 4,5 % на любом режиме [66].
Министерством автомобильной промышленности (ныне Минавто-
сельхозмаш) СССР принят отраслевой стандарт ОСТ 37.0017054 —
74, согласно которому установлен следующий ездовой цикл: хо-
лостой ход — 30,8%; принудительный холостой ход— 18,5%;
разгон — 21,5 %; установившееся движение — 29,2 % от времени
движения 195 с.
Теоретически можно вычислить массовый выброс окиси Угле-
рода по расходу' топлива, который, в свою очередь, определяется
режимом движения автомобиля. Рассчитанный выброс будет кор-
релироваться с фактическим выбросом в зависимости от точности
регулировки топливной аппаратуры, угла Установки зажигания,
износа деталей и некоторых других менее важных факторов [18].
На основании реакции горения топлива количество (выброс|
угарного газа можно рассчитать следующим образом:
43
Afc0 =2(1 — а/I-|-/г) • 0,2IgB,
(4)
где а — коэффициент избытка воздуха; к — коэффициент, показывающий, во
сколько раз количество молей окиси углерода больше количества молей водорода;
значение к для бензина обычно принимают равным 0,45; g,— количество воздуха,
необходимое для сгорания 1 кг топлива.
Коэффициент избытка воздуха определяют по формуле
a=G,/14,9GT,
(5)
где G.— количество воздуха, израсходованное при сгорании 1 кг топлива, кг;
G,— количество сгоревшего топлива, кг.
Количество воздуха для сгорания топлива подсчитывают по
выражению
go=2/(O,21 • 12)(1 +ЗН/С) ;
Рис. 15. Европейский испытательный цикл
5 — момент включения передач /, 2, 3
44
здесь С — массовая доля углерода в топливе (С=0,855); Н — массовая доля
водорода (Н = 0,145).
Различные авторы в зависимости от важности факторов, влия-
ющих на выброс СО, вводят разные коэффициенты, выведенные
ими эмпирически, и получают расчетные формулы. Так, Л. В. Ма-
ковский [27] предлагает следующую формулу (г/с):
тсо =1(1 -I- 14,9a)G,CcoC|C2]/360,
(6)
где Сс0 — содержание СО в выхлопных газах, % ; С| — коэффициент, учитывающий
влияние высоты иад уровнем моря; Сз— коэффициент, учитывающий уклон дороги.
Значение а=0,4 рекомендуется принимать для карбюраторных
двигателей, а = 3 — для дизельных. Усредненный расход топлива
для различных типов автомобилей должен быть следующим: гру-
зовых— 5,2 кг/ч; автобусов — 3,4 кг/ч, легковых—1,4 кг/ч.
Выбросы, рассчитанные по (6), составляют:
для грузовых автомобилей................... 858,6 мг/с
» автобусов...............................561,4 »
» легковых автомобилей................... 262,7 »
» автобусов (дизельных) ..................215,9 »
» грузовых (дизельных)................... 330,1 »
При расчете выброса СО в помещениях предприятий по обслу-
живанию автомобилей, согласно СНиП П-93—74, нужно исходить
из типа двигателя и рабочего объема цилиндров [42]. Расчеты
производятся по следующим формулам:
для карбюраторных двигателей (г/см)
тс0 = 15(0,6+ 0,8 Ии) Сс0/600;
для дизельных двигателей (г/с)
тсо = (160 + 13,5 Ии) Сс0 /600,
где Ии— объем цилиндров, л.
Эти формулы применяются для расчетов при разогреве двига-
теля, маневрировании и выезде из гаража.
Проф. И. Л. Варшавский на основе дорожных испытаний
предлагает расчетную формулу, учитывающую скорость движения
автомобиля:
тсо = I37(a—0,028)(G,/H)Cco, (7)
где И — скорость автомобиля, км/ч; Gv— расход топлива при данной скорости,
кг/ч; Сс0— содержание СО в выхлопных газах, %.
НИИавтопром рекомендует определять выброс СО исходя из
контрольного расхода топлива и образования окиси углерода:
378 г при сжигании бензина и 21 г при сгорании дизельного топлива
45
на 1 кг [44). Расчетные формулы, предложенные институтом,
имеют вид (г/ч):
для карбюраторных двигателей
тсо=0,378Б7б/1/„; (8)
для дизельных двигателей
тго = 0,21Дт,/К,; (9)
здесь Б и Д — контрольные расходы бензина н дизельного топлива, кг/ч; ув и у^—
плотность бензина и дизельного топлива, кг/ч (-уб = 0,72; -^=0,8).
Более детальную методику расчета выбросов СО по расходу
топлива с учетом режимов, рекомендованных Минавтопромом
СССР, разработала Научно-исследовательская лаборатория ток-
сичности двигателей при филиале Научно-исследовательского и
конструкторского технологического института тракторных и ком-
байновых двигателей — ЛТД ФНИКТИД [48]. В основу методики
расчета положена формула, полученная исходя из реакции горения
топлива (4) [кг/ч]:
т'° =4,17(1 — a) G, (Ю)
С учетом режимов работы на холостом ходу, принудительном
холостом ходу (эти режимы по расход/ топлива равнозначны),
режимов разгона и /становившегося движения (10) приобретает
вид (кг/ч):
т1'° =4,17(0,5Gr, <(1—a, P4-0,25GT Р(1 -a,.) + 0,25GT .(1 -аД,
где С,, Отр и G,, — расход топлива на холостом ход/, при разгоне и /становив-
шемся режиме движения, кг/ч; ачч, аг, и — коэффициенты избытка воздхха
при тех же режимах.
Расчеты по этой формуле дают наиболее точные результаты;
они позволяют определять массовые выбросы для определенного
парка автомашин (для города в целом, отраслевых предприятий,
автопредпрнятий, обслуживающих город, и т. и.) и имеют важное
значение для предотвращения загрязнения окружающей среды.
Той же лабораторией разработана методика расчета выбросов
СО при установившихся (постоянных) режимах движения на
основе токсических характеристик. Универсальные токсические
характеристики получают в результате стендовых испытаний при
различных нагрузках и числах оборотов двигателя. На рис. 16
приведена токсическая характеристика двигателя ЗИЛ-130 по
окиси углерода.
Для определения выбросов вредных веществ необходимо знать
общий объем выхлопных газов (мд/ч):
Q„r=(KurtT|l -60)/(2- 10J);
46
Рис 16. Универ .-альиая шкеичсская х.ф'тт.-рн. гика двиглеля ЗИЛ-130 по окиси
j 1 jcp'i "I
здесь V, •• рабочий объем пилипадюв, л; п • число оборотов двигателя, об/мин;
qv - 1.о;>ффииие5и наполнении цилиндров (i| । — 0,8ч-0,9).
Масса выброса (кг/ч) рассчитывается по выражению
г ‘(.""(/„р/игч moi, (11)
где ЛГ ° - -молекулярный вес СО; С0— ч);>цен|рация СО по универсальной
характеристике.
Для определения еонаенграцни гю .ниверсальной характе-
ристике надо знать чосл.) оборотов коленчатого вала и затрачи-
ваемую моишоет!.. i , с./, вычисляемою но формуле
би/ш-'Л-' Д
-~27(i + ,,дб 1д; '
здесь 6л — масса а ы о мобил я вмеые с i р\ юм, ы ; / — коэффициент сопротивления
качению колес, г — 1 клон дороги («плюс» - при подъеме, «минус.» — при спуске);
k -- коэффициент оби-ка -мост и автомобиля, /’ - м-ие.тево сечение автомобиля, м2;
Г|тр- механически)! КПД трансмиссии (шасси)
47
Число оборотов (об/мин) коленчатого вала находим по ско-
рости автомобиля:
ггдВ=2,65(И/о)/гк,
где <о— передаточное число трансмиссии; г«— радиус качения колеса.
При расчетах нужно учитывать, что автомобиль развивает
требуемую скорость на прямой передаче при мощности Л^-<ДОмакс-
При недостатке текущей мощности автомобиль может достичь
требуемой скорости на промежуточных передачах; это условие
следует проверять по тягово-скоростным характеристикам автомо-
билей [8, 44]. Текущий крутящий момент (кГ^м) определяет-
ся так:
A4Hp=(W, • 716,2)/л.1В.
Значение среднего эффективного давления Ре заменяют отно-
сительным крутящим моментом:
Ре= МКр/Ми.,к, .
где Ммакс— максимальный крутящий момеит для данного типа двигателя.
Расчет по приведенной методике осуществляется по токсиче-
ским характеристикам для нового обкатанного двигателя с нор-
мальной установкой зажигания и отрегулированным карбюра-
тором. В процессе эксплуатации показатели содержания СО
в выхлопных газах могут быть выше на 20—40%.
При наличии комплекта приборов можно произвести некоторые
замеры и рассчитать выброс угарного газа для данного автомо-
биля. При замерах и расчетах нужно учитывать ряд параметров,
связанных с физическими и химическими свойствами отработанных
газов. Требуемое количество воздуха для полного сгорания топ-
лива можно принимать по данным табл. 13 [41].
Расход воздуха (нм3/ч) при работе двигателя определяют
по формуле
Q в — 0,06Йпр2 V „И да,
где Лпр—коэффициент приведения к нормальным атмосферным условиям; г —
коэффициент тактностн; — рабочий объем цилиндров (литраж), л; плв— число
оборотов двигателя, об/мин.
Коэффициент приведения к нормальным условиям находим
по выражению
Лпр^О.ЗбЭР/Г,
где Р — давление воздуха, мм рт. ст.; Т — температура всасываемого в двигатель
воздуха, °К.
Для двухтактных двигателей коэффициент тактности z=l,
48
Т аблица 13
Вид топлива Содержание элементов в массовых долях Необходимое количество воздуха на 1 кг топлива
с Н O + S + N КМОЛЬ КГ
Бензин 0,855 0,144 0,001 0,518 14,98
Дизельное топливо 0,860 0,(35 0,005 0,506 14,03
Моторное топливо 0,860 0,130 0,010 0,500 14,46
Мазут 0,870 0,115 0,015 0,485 14,03
а для четырехтактных z = 0,5. Значение коэффициента избытка
воздуха определяем по (5).
В ходе выполнения научно-исследовательских работ по венти-
ляции тоннелей кафедрой рудничной вентиляции и охраны труда
Ленинградского горного института (ЛГИ) проводились измерения
токсичности некоторых типов автомобилей в условиях эксплуата-
ции на холостом ходу п при движении. Результаты расчетов по
приведенным выше методикам представлены в табл. 14, а необ-
ходимые для расчетов технические данные автомобилей— в при-
ложении 1. Значения выбросов СО даны для скорости ц = 60 км/ч
и работы двигателя на холостом ходу. Газовые пробы отбирались
в резиновые камеры или стеклянные ампулы и анализировались
газовым хроматографом ЛХМ-8МД либо в лабораториях военизи-
рованных горноспасательных частей (ВГСЧ). Измерения произво-
дились также переносными газоанализаторами «Инфралит» и
ГХ-4. Расход выхлопных газов определялся путем измерения
их скорости на выходе из выхлопной трубы трубкой Пито и при-
ведения плотности газов к нормальным условиям.
Анализ данных табл. 14 показывает, что при стендовых испы-
таниях обкатанного исправного двигателя при различных нагруз-
ках полученные значения выбросов существенно отличаются в
меньшую сторону (графа 5) по сравнению с выбросами эксплуати-
рующихся автомобилей (графы 4 и 6) и даже с предлагаемыми
расчетными данными (графы 2 и 3).
На основании результатов исследований в реальных условиях
(ЛТД ФНИКТИД), дорожных испытаний (проф. И. Л. Варшав-
ский), рекомендаций НИИавтопрома и исследований ЛГИ опре-
делены средние показатели выбросов СО, приведенные в графе 7.
Поскольку движение в тоннеле можно считать установившимся,
т. е. с постоянной скоростью, то массовые выбросы можно рассчи-
тывать по внешней скоростной характеристие, определяя расход
топлива на установленной скорости. Используя универсальные
токсические характеристики для определения концентрации СО
в отработанных газах, нужно учитывать техническое состояние
парка автомобилей и вводить поправочный коэффициент 1,4—1,5.
Для расчетов выбросов при остановке автомобиля (на холостом
ходу) можно использовать среднестатистические данные по авто-
мобилям парков Москвы и Ленинграда (графа 9).
4 Заказ 244 49
— © © © СО-
Tf’ сч’ ф’ 00* 00*
© Ф 00 00 ©
00 — со Ь. Ф
ф © ф- © —
— о8 со 03
Ь- 00 © © со
сч ,оо , © ©ф сч
со л ©ф ——
СЧ* —* со Tt Tt сч*
©СЧООЮСЧ*1©
©^©^© ©.© © © СО СО ©
сч” со сч” оо" сч’ © ©’ со со’ сч’
Г- © © 00 00 — Tf сч со со
©
Ф сч ь- сч
I сч’ со’ сч’ со’
I сч © со
сч — сч сч
°Ч °Ч Я. X.
СО Ф ©
©’ — Г-.’
00 Ф —
© © 00 — © СО © г-. © —
© ф’ —’ г-.’ ©’ 00* ©’ оо’ СО’ ю’
ф © ф — ь. Ф ^< © ©
©ФФФ© со со сч
СЧ- © со ©- 00 — © ©
I I I Ф * - СЧ* 3*’ I со’ СЧ* 00 со’
I I © СЧ СЧ — со1— СЧ 00 Ф
© © Tf Tf Tf СО СЧ СЧ СЧ
50
Методика расчета выбросов других газов (мг/с) до настоящего
времени не разработана, однако ЛТД рекомендует формулы
приближенных расчетов окислов азота и углеводородов для бен-
зиновых двигателей:
Gno=0,05tco, Gch=0,18tco,
где тсо — выброс угарного газа в выхлопных газах, мг/с.
Вычисления по этим формулам дают удовлетворительные ре-
зультаты при расчетах воздухообмена, однако основной выброс
окислов азота, как показано выше, связан с двигателями, рабо-
тающими на дизельном топливе. Согласно статистическим данным,
парк автомобилей с дизельными двигателями составляет 6—8%
от общего их числа. В перспективе удельный вес таких машин
возрастет до 10—12 %, что в первую очередь скажется на пробле-
мах, связанных с охраной воздушного бассейна.
5. Гигиеническая оценка выбросов
по другим критериям
В процессе сгорания топлива интенсивно потребляется кисло-
род. Концентрация его в отработанных газах приведена в табл. 2.
При оценке состава атмосферы в тоннеле необходимо обращать
внимание на концентрацию в ней кислорода, который жизненно
важен для человека, ибо при уменьшении его содержания само-
чувствие может ухудшиться.
Чем выше над уровнем моря, тем меньше атмосферное давле-
ние. Давление кислорода (парциальное) соответствует его объем-
ному содержанию в воздухе. Если принять за нормальное давление
760 мм рт. ст., то при содержании кислорода 20,9 % его парциаль-
ное давление будет уменьшаться следующим образом:
Высота, м .... 0 100 200 500 800
Давление атмосферы,
мм рт. ст.............. 76 0 7 54 7 4 2 716 6 99
Давление кислорода,
мм рт. ст .... 158,8 157,5 155 149,9 146
1000 1500 2000
674 635 595
140 132 125
Относительное уменьшение парциального давления кислорода
составляет 17 % на высоте 1500 м и 21 % на высоте 2000 м. Важным
следствием этого обстоятельства является, во-первых, увеличение
выбросов СО двигателями и, во-вторых, ухудшение самочувствия
человека, находящегося в таких атмосферных условиях. Тоннели
являются типичными дорожными объектами в горах. Так, Рокский
автомобильный тоннель находится на высоте более 2200 м над
уровнем моря, а Гимринский — 1200 м. Вследствие этого значения
выбросов СО следует умножить на коэффициент увеличения ток-
сичности (£т> 1 1
4*
51
Рис. 17. Зависимость коэффициента токсичности от высоты над уровнем моря *
при температурах воздуха
/ — при 0°С; 2— при Ц-15°С; 3 — при Ц-25 °C; 4 — при 4-35 °C; 5 — при -|-45 °C;
6— по экспериментальным данным
На рис. 17 показаны изменения коэффициента kT с возрастанием
геодезической высоты над уровнем моря при различных темпера-
турах окружающего воздуха. В первхю очередь повышение вы-
бросов СО связано с уменьшением парциального давления (и со-
держания по массе) кислорода [16].
Не менее важным является уменьшение относительного содер-
жания (объемной концентрации) кислорода. Замеры, выполнен-
ные сотрудниками ЛГИ в Метехском автодорожном тоннеле при
высокой-интенсивности движения (920—960 ед./ч в одном направ-
лении), давали наименьшее значение содержания кислорода
(18,9—19,4%) в конце вентиляционного пути; это уменьшает
объемную концентрацию на 7,3—9,5%. Таким образом, общее
снижение содержания кислорода за счет парциального давления
и выгорания его в тоннеле может на высоте 2 км и больше до- ;
стигнуть 24—25 %, что сказывается на самочувствии водителей.
Если к тому же учесть, что они поднимаются на высоту 2—2,5 км
по горной дороге за несколько минут и их организм не успевает
приспособиться к резкому сокращению содержания Оз, движение
по тоннелю становится небезопасным.
Правилами безопасности установлено, что в воздухе подземных
выработок должно содержаться не менее 20 % кислорода [45].
52
Г лава третья
РАСЧЕТ РАСХОДА ВОЗДУХА
ДЛЯ ВЕНТИЛЯЦИИ ТОННЕЛЕЙ
1. Основные требования к воздухообмену
в автодорожных тоннелях
Тоннели должны удовлетворять всем требованиям безопасно-
сти и безотказности движения транспорта. При обязательном
выполнении этих требований эксплуатация тоннелей должна быть
экономичной, а обслуживающему персоналу должны быть созданы
нормальные условия труда.
В процессе проектирования тоннелей определяются их техни-
ческие параметры: поперечное сечение, количество полос движе-
ния, тип крепления и т. д. Все эти параметры разрабатываются
с учетом системы вентиляции, так как наибольшая часть эксплуа-
тационных расходов на длительный период приходится именно
на эту систему. Уже при разработке задания и технико-экономиче-
ского обоснования (ТЭО) надо учитывать географическое поло-
жение тоннеля в отношении годового хода температур воздуха,
направления ветров, интенсивность движения транспорта и его
пиковые нагрузки.
В соответствии с требованиями Строительных норм и правил
[46] автодорожные тоннели длиной менее 150 м могут проветри-
ваться естественным способом, длиной 150—400 м — с естествен-
ным побуждением при обосновании расчетами, а длиной свыше
400 м — с механической вентиляцией, подкрепленной расчетами
воздухообмена и выбором вентиляторов.
Схема, способ вентиляции и режимы работы вентиляторов
должны учитывать: продольный профиль тоннеля и поперечное
его сечение; число полос движения; количество и тип проходящих
автомобилей; создаваемый ими эжекционно-поршневой эффект;
тепломассообменные процессы, происходящие внутри тоннеля;
количество и состав вредных веществ (компонентов), выделяемых
автомобилями; гравитационный и ветровой напоры; возможные
режимы вентиляции при авариях и пожарах.
Количество воздуха, которое необходимо подавать в тоннель
для обеспечения разбавления и эффективного удаления вредных
веществ, выделяемых транспортными средствами в наиболее не-
благоприятном режиме работы, до уровня предельно допустимой
концентрации, а также исходя из тепловыделений, надо вычислять
расчетом. Определяющим из перечисленных факторов следует
считать тот, который требует наибольшего расхода воздуха.
В соответствии со СНиП П-44—78 [46] расчет воздухообмена
по содержанию вредных веществ в атмосфере транспортной зоны
тоннеля, отнесенному к его внутреннему объему, нужно вести
53
только по окиси углерода, выделяемой с выхлопными газами
карбюраторных и дизельных двигателей, концентрация которых
не должна превышать следующих значений: при нахождении
транспорта в тоннеле до 15 мин — 150 и 50 мг/м3, а при нахожде-
нии от 15 до 30 мин — 100 и 50 мг/м3 в автодорожных и железно-
дорожных тоннелях соответственно. Время нахождения автомоби-
лей в тоннеле надо определять в зависимости от расчетной скорости
их движения в нем.
Значения предельно допустимых концентраций (ПДК) пол-
ностью соответствуют данным оценки воздействия окиси углерода
гигиенистами, приведенным иа рис. 10. Одиако нужно заметить,
что и другие вредные компоненты (вещества) выхлопных газов
следовало бы учесть, как это сделано в СНиП, что особенно важно
для тоннелей в высокогорье и жарком климате. Отсутствие мето-
дики расчета выбросов других вредных веществ ие должно стать
фактором, не учитываемым требованиями санитарно-гигиениче-
ского и нормативного характера. Расчет воздухообмена по тепло-
выделениям надо производить, учитывая среднесуточную интен-
сивность движения транспортных средств, а также эффект накоп-
ления и отдачи тепла грунтами, окружающими тоннель [39, 50].
При расчетах температура воздуха, удаляемого из тоииеля,
не должна превышать -|-35 °C. При обоснованной расчетами необ-
ходимости температуру воздуха свыше -(-35 °C допускается при-
нимать только по согласованию проекта вентиляции с органами
санитарно-эпидемиологической службы. Расчетную температуру
наружного воздуха и теплосодержание, соответствующее относи-
тельной влажности при этой температуре, надо принимать по
данным местных метеостанций или в соответствии с главой СНиП
по строительной климатологии и геофизике с учетом особенностей
микроклимата района расположения тоииеля.
При расчетах воздухообмена с механической системой венти-
ляции требуется учитывать скорость воздушного потока. Скорость
движения воздуха по транспортному отсеку без учета влияния
эжекционно-поршневого эффекта не должна превышать 6 м/с,
а в исключительных случаях (при технико-экономическом обосно-
вании) — 10 м/с.
Приемные устройства вентиляторных устаиовок для свежего
воздуха рекомендуется размещать в местах наименьшего его
загрязнения на высоте ие менее 2 м от поверхности земли до всасы-
вающего окна.
В высокогорье следует учитывать рельеф местности во избежа-
ние заноса снегом вентиляционных сооружений. Устройство для
выброса воздуха, удаляемого из тоннеля наружу и содержащего
вредные вещества, и их рассеивание надо предусматривать и
обосновывать расчетом так, чтобы концентрация их в атмосферном
воздухе у ближайших жилых и общественных зданий, а также
у массивов зеленых насаждений ие превышала ПДК, регламен-
тированных санитарными нормами проектирования промышлен-
54
иых предприятий для атмосферы населенных пунктов и нормами
для зеленых насаждений.
В автодорожных тоннелях необходимо проектировать подачу
чистого воздуха в расположенные по длине тоннеля камеры и
ниши, содержание вредных веществ в атмосфере которых ие долж-
но превышать ПДК по ГОСТ 12.1.005—76 «Воздух рабочей зоны»
(дляокиси углерода ПДК = 20 мг/м3). При этом расстояние между
нишами и камерами по длине тоннеля СНиП не регламентировано.
Такие же нормативы должны соблюдаться и при ремонтных ра-
ботах, выполняемых в часы минимальной интенсивности движения
автотранспорта.
Управление вентиляторными установками может быть дистан-
ционным (из пункта управления) и местным (из вентиляционных
камер). Рекомендуется, исходя из технико-экономического обосно-
вания, автоматическое управление вентиляторными агрегатами
с использованием датчиков контроля концентрации вредных ве-
ществ и температуры воздуха в тоннеле. На его въездных порталах
устанавливаются светофоры и другие указатели, регулирующие
порядок движения. Рекомендуется также система блокировки
контроля концентрации вредных веществ, а также система кон-
троля видимости. В зарубежной практике применяются счетчики
количества траиспортиых средств, находящихся в тоннеле, системы
телевидения, громкоговорящей и телефонной связи транспортной
зоны с пультом управления.
Продольные и продольно-поперечные системы вентиляции
должны иметь возможность реверсирования вентиляционной струи
для эффективного предотвращения задымления в тоннеле в ава-
рийных ситуациях (пожар и пр.). Автодорожные тоннели обслу-
живаются военизированными горноспасательными частями (ВГСЧ),
которые вызываются при возникновении аварий.
При проектировании тоннелей устанавливается порядок дви-
жения £ транспортном отсеке (одно- и двустороннее) и число
рядов в каждом направлении в зависимости от категории дороги,
иа которой сооружается тоннель. При одностороннем потоке может
быть предусмотрено двух- и трехрядиое движение транспорта.
Скорость назначается исходя из категории дороги и технической
оснащенности тоннеля; она может быть ограничена для транспорт-
ных средств, габариты которых приближаются к размерам по-
перечного сечения тониеля.
Скорость (см. табл. 15) определяет время нахождения авто-
мобиля внутри тоииеля в зависимости от его длины и поэтому
должна приниматься максимально возможной по условиям безопас-
ности движения. При движении с установленной скоростью води-
тели должны соблюдать интервал (дистанцию) безопасности (м),
который слагается из пути (времени) реакции водителя и тормоз-
ного пути при данной скорости [33]:
/без = V/p-Г/т.
55
Т аблица 15
Скорость движения Тормозной путь (м) на асфальте Дистанция безопасности (м) на асфальте
км/ч м/мин м/с сухом мокром сухом мокром
30 500 8,33 7,9 11,8 14,6 18,5
40 666 11,1 14,0 21,0 22,8 29,9
50 833 13,8 18,5 28,1 29,5 39,1
60 1000 16,6 23,6 35,4 36,8 48,8
70 1166 19,4 32,1 48,2 47,6 63,7
80 1333 22,2 41,6 62,9 59,4 80,6
90 1500 25,0 53,1 79,6 73,1 99,6
где и — скорость автомобиля; м/с; tf— время реакции водителя, с; /т— тормозной
путь в соответствии с правилами дорожного движения (ПДД).
Результаты расчетов дистанции безопасности при различных
дорожных условиях приведены в табл. 15.
Время реакции водителя принято по рекомендациям Госавто-
инспекции (ГАИ) равным 0,8 с [7]. Дистанция безопасности при
однорядном движении определит пропускную способность тоннеля
по установленной скорости движения. Пропускная способность
тоннеля по одному ряду (ед./ч) определяется как
N = 3600о/оез.
Расчеты по этой формуле показывают, что пропускная способность
тоннелей по условиям безопасности допускает большие грузо-
Рис. 18. Интенсивность движения в городском тоннеле в течение суток (в одном
направлении)
56
потоки в часы пик. При проектировании обычно задаются часовые
потоки в двух направлениях, тогда интервал движения в секундах
(въезда и выезда из тоннеля)
д/ = 3600/Л^;
здесь N — часовой поток автомобилей в средние, минимальные или максимальные
часы движения автомобилей.
Интенсивность движения меняется и в течение недели (рабочие
и выходные дни), что также необходимо учитывать при проектиро-
вании системы вентиляции тоннеля. На рис. 18 представлен график
интенсивности движения в Метехском тоннеле, расположенном в
центре Тбилиси, в течение суток по данным наблюдений ЛГИ.
При расчете воздухообмена в тоннеле нужно принимать во
внимание не только интенсивность транспортного потока, но и на-
бор типов (марок) автомобилей, движущихся в данном потоке.
Как видно из табл. 14, секундный выброс СО колеблется в больших
пределах, и поэтому средний выброс от потока автомобилей во
многом определяется их типами.
2. Теоретическая оценка ситуаций
при движении автомобилей в воздушном потоке
При вентиляции автодорожных тоннелей надо учитывать
не только подвижность среды (воздуха), в которой происходит
выброс вредного компонента, но и подвижность его источника
(автомобиля). При математическом описании физического процес-
са переноса вредных компонентов вентиляционной струей прихо-
дится принимать следующие допущения:
скорость воздуха на рассматриваемом участке тоннеля по-
стоянна и равномерна во времени;
интенсивность выброса источником постоянна;
скорость автомобиля постоянна;
перемешивание вредных компонентов в объеме движущегося
воздуха равномерно.
Естественно, что такая идеальная картина физических процес-
сов вентиляции отличается от реального процесса выноса вредных
компонентов воздушной струей. Поэтому при инженерных расчетах
надо оценивать несоответствие физической модели и реальных
условий и ввести соответствующие поправки. Влияние перечислен-
ных допущений может быть учтено натурными и лабораторными
исследованиями, а также введением в расчеты поправок.
Относительно физической сущности и анализа процессов вы-
носа вредных компонентов имеют значение следующие ситуации:
воздух и транспорт движутся навстречу друг другу — встречное
движение;
57
воздух и транспорт движутся в одном направлении — попутное
движение;
скорость транспорта при попутном движении больше или мень-
ше скорости воздушной струи.
Для анализа физической картины выноса вредных компонентов
воздушной струей введем безразмерные величины:
скорость
v = vB/V,
где и,— скорость движения воздуха, м/с;
концентрацию
С — Снакс/Спдк, (12)
где Сиаме— наибольшая суммарная концентрация вредного компонента в конце
вентиляционного пути;
л = £/(Ид<): (13)
здесь п — количество автомашин, находящихся в тоннеле; д< — интервал между
ними, с; L — длина тоннеля, м;
a=T/(SVCnJ«), (14)
где а — относительная загазованность объема тоннеля, зависящая от скорости
автомобиля и выброса вредного компонента.
Если после проезда автомобиля по тоннелю а<. I, то при любой
скорости его движения тоннель полностью проветрится при усло-
вии, что время проветривания меньше интервала до въезда следу-
ющей машины. Относительные концентрации в одном газовом
шлейфе при встречном и попутном движении будут различными:
С =а/(1 + и); (15)
С" = а/(1—и).
Необходимо отметить, что рассматриваются все случаи при
V> vB, т. е. и< 1.
Число наложений при встречном движении
N' = n(\-|- v)/v. (16)
Так как количество машин по (13) может быть дробным, а
число газовых шлейфов физически всегда целое число, то и значе-
ние N' следует округлять до ближайшего целого или представить
в виде
N' = n(\+v)/(u+l).
Максимальная концентрация вредного компонента в конце вен-
тиляционного пути при встречном движении, с учетом (15) и (12),
58
Рис. 19. Зависимость C=f(u) для встречного движения автомобилей и воздуха
Смвкг (П 'U + •) С""к'
откуда безразмерная концентрация
С=а(л/у + 1/(1 +0). (17)
Чтобы концентрация в конце вентиляционного пути не превы-
шала санитарных норм, требуется выполнить условие С=1.
Если число наложений округлять до целого, то в соответствии
с (16) получим:
C=(an)/v. (18)
Графики зависимостей C = f(v) по (16) и (17) построены
на рис. 19 при следующих условиях: /. = 480 м, т = 3000 мг/с,
л( = 20 с и СПдк= 150 мг/м3. Как видно из рисунка, обе зависимости
приближаются к прямым и находятся близко друг от друга. Линия
С=1 ограничивает диапазон уменьшения V (примерно 0,45—
0,5и), после которой концентрация превышает допустимую.
По аналогии, для попутного движения формула для безразмер-
ной концентрации будет иметь вид:
С=а(л/у-|-1/(1—у)).
При двустороннем движении в одном транспортном отсеке
газовые шлейфы будут суммироваться:
С=а (2л/у + 1/(1 +и)+ 1/(1 - у)).
Следует отметить, что при попутном движении нельзя допус-
кать, чтобы и=1 (т. е. У=ив), так как водитель будет двигаться
в газовом облаке и концентрация газов будет постепенно прибли-
59
жаться к концетрации вредных компонентов в выхлопных газах,
т. е. Сср->Свых, что недопустимо. Случаи, когда V<uB, будут
проанализированы при рассмотрении аварийных ситуаций в ше-
стой главе.
3. Методика расчета воздухообмена
при встречном движении воздуха
и транспорта
Рассмотрим физическую картину движения автомобиля н вы-
носа выхлопных газов при встречном движении воздушной струи
и машины, а также дадим математическое описание этой модели
с учетом допущений, изложенных выше. Характерной особенностью
такой картины будет постоянный вынос части выхлопных газов
с начального момента въезда автомобиля в тоннель (рис. 20).
Газовый шлейф распространяется по длине тоннеля и «растяги-
вается» встречным потоком воздуха.
Произведем оценку загазованности внутреннего объема тон-
неля на основе удельной загазованности на единицу
длины пути движения автомобиля. За все время движения его
по тоннелю (Г, с) будет выброшена следующая масса вредного
компонента (мг) — окиси углерода, условной окиси углерода,
сажи или другого:
G'=tT,
где т— массовый выброс вредного компонента, мг/с.
К моменту выезда из тоннеля масса вредного компонента
распределится равномерно по его длине, но часть будет находиться
за пределами выработки. Величина сноса (м) газового шлейфа
за пределы тоннеля будет зависеть от скорости воздушного потока;
ее можно подсчитать так:
(ck = UbT,
(19)
где V,— скорость воздушного потока, м/с.
Тогда удельная загазованность на единице длины (мг/м)
всего газового шлейфа
\Т —(тГ)/(£/ен)
Заменив Л = 7’Г, где V — скорость движения автомобиля, а /сн
по (19), получим формулу для загазованности (мг/м) при встреч-
ном движении
Лт' = т/(|/ + и).
(20)
60
Рис. 20. Схема сноса выхлопных газов при встречном движении
После выезда автомашины из тоннеля газовое облако будет
выноситься из него, и выработка полностью проветрится за время
(с), считая от момента въезда автомобиля:
t„ = T + L/v.
Если за это время другие автомобили не въехали в тоннель, то
необходимое количество воздуха можно рассчитать из условия
разбавления вредного компонента до требуемого санитарными
нормами (С„дк, мг/м3). Загазованность в единице объема (мг/м3)
C = AT/S;. (21)
здесь S — сечение тоннеля, м!.
При расчете минимального расхода воздуха можно принять
условие ССпдК; тогда, поделив обе части (20) на S, найдем
(мг/м3):
Сиди — т / (V H-v)S.
(22)
Произведя преобразования с учетом того, что vS—Q, полу-
чим расчетную формулу количества воздуха (м3/с), необходимого
для вентиляции тоннеля:
(?=(т-УСлд,5)/С„„; (23)
эта формула дает точное описание процесса выноса вредного ком-
понента, так как учитывает не только газовый шлейф внутри
тоннеля, но и систематический вынос выхлопных газов по мере
движения автомобиля.
Пример I. Определить загазованность в тоннеле при L=1000 т, т =
= 1200 мг/с, У=16,6 м/с, S = 20 м2. Если произвести расчет по (23), получим
отрицательное значение Q, это говорит о том, что и при отсутствии движения
воздуха (t>=0, Q=0) при данной скорости автомобиля тоннель будет загазован
ниже Спд,, на которое рассчитана формула (23), и а<1 по (14).
При и=0, когда все газы остаются в тоннеле, загазованность по (20) и (21)
С= 1200/(16,6-20)=3,6 мг/м3.
При любом значении 0 загазованность будет еще меньше.
Расчет воздухообмена по (23) дает возможность обосновать про-
ветривание тоннелей небольшой длины (150—400 м) за счет есте-
61
Рис. 21. Г рафик движения автомобилей и сноса газовых шлейфов по длине тоннеля
1 — направление движения воздуха; 2 — направление движения автомобилей; 3 — газовый
шлейф от автомобиля; — длина сноса газового облака
ственных факторов, если транспортные отсеки разделены для
пропуска встречных транспортных потоков. Для этого нужно знать
фактический интервал движения транспорта по данной дороге и
учитывать неравномерность его потока в течение суток (см. рис. 18).
Режим движения транспорта при интенсивном потоке опреде-
ляет загазованность тоннеля, так как происходит наложение
газовых шлейфов от автомобилей. Рассмотрим график движения
автомобилей и сноса выхлопных газов последовательно с интерва-
лом &t, соблюдая масштаб расстояний (за исключением /си) при
следующих параметрах: L = 800 м, Р=10 м/с, и = 5 м/с, \t =
= 20 с (рис. 21). Как видно из графика, на проезд по тоннелю
автомашина затрачивает L/V = 80 с, на снос шлейфа от первой
машины L/y=160 с, и через 240 с картина наложения стабили-
зируется: через каждые 20 с появляется в конце вентиляционного
пути новый шлейф и сплавляется от въехавшей автомашины за
240 с. Видно, что количество наложений в конце тоннеля будет
равно количеству машин, находящихся в нем, плюс количество
шлейфов от предыдущих машин:
п' = Д/(^д/) + £/(ид/). (24)
В случае, показанном на графике, N= 12. При расчетах может
получиться не целое число, а потому значение N лучше принимать
ближайшее к п целое число. Заменив значение /сн по (19), можно
вывести другое выражение для расчета числа наложений:
Г = (Д + /ся)/(ид/).
(25)
Максимальная загазованность (мг/м) будет в конце тоннеля
(вентиляционной струи), и ее можно рассчитать, умножив удель-
ную загазованность на единицу длины тоннеля на число наложе-
ний, а с учетом (20), (25) и сокращений получим:
ДТмакс = Лт'1У'=(т£)/(УиЛ/) . (26)
62
Разделив обе части (26) на S, приняв условие С<СПДК, и решая
равенство относительно Q (м3/с), найдем расчетную формулу:
(?=(тЛ)/(Ид/С„дк). (27)
Пример 2. Определить основные параметры воздухообмена, если выброс
условной окиси углерода составляет т=4125 мг/с, сечение тоннеля S=22 м2,
Спдк=150 мг/м3, а остальные данные соответствуют графику ьа рис. 21.
Необходимое количество воздуха рассчитаем по (27):
Q= (4125 • 800)/(10 • 20 • 150)= ПО м3/с.
Скорость движения воздуха и= 110/22 = 5 м/с. Величина сноса газового
облака за пределы тоннеля /,и = Ти = 400 м.
Загазованность от одного шлейфа
д т" = 4125 / (10-+5) = 275 мг/м.
Число наложений
(800+ 400)/(5 -20)= 12.
Загазованность от всех шлейфов
дт' = 275 • 12 = 3300 мг/м.
Содержание окисн углерода в конце вентиляционного пути
С = 3300/22 = 150 мг/м3,
что соответствует расчетной норме.
Расчетная формула действительна для любых реальных диа-
пазонов V и v, хотя видно, что чем больше значение V, тем меньше
потребуется воздуха для вентиляции тоннеля. По этой же формуле
можно определить и концентрацию вредного компонента на любом
участке тоннеля, решая (27) относительно С (мг/м3) на длине
Ц<Ь-.
Рис. 22. Распределение концентрации газа при встречном движении
/ — расчетная кривая; 2 — суммарная кривая по графику
63
Ci=(-tLi)/(V&tQ).
(28)
Как видно из (28), связь между С, и Li линейная, так как
принято предположение, что концентрация возрастает постепенно,
а не ступенчато. На рис. 22 построены графики возрастания
концентрации подлине тоннеля по (28) и пересчш энные концен-
трации с графика движения транспорта и воздуха (см. рис. 21).
Следует отметить, что при фактических замерах в различных
точках по длине тоннеля не обнаружено резких скачков концентра-
ции из-за значительной деформации воздушного потока под дей-
ствием движущегося транспорта.
4. Методика расчета количества воздуха
при попутном движении
При движении транспорта и воздуха в одном направлении
имеют значение абсолютные скорости автомобиля и воздушной
струи. Как показывает практика, исправный автотранспорт дви-
жется со скоростью 8—16 м/с, тогда как скорость движения
воздуха в транспортном отсеке не превышает 5—6 м/с. Таким
образом, типичным при попутном движении будет условие, когда
скорость автомобиля больше скорости воздуха (V>v). Случай,
когда V = v, нужно рассматривать как аварийный, и допускать
движение автотранспорта при равенстве скоростей нельзя во избе-
жание отравления водителя. При и> V ситуацию надо считать
аварийной (ненормальной); условия проветривания при этом
будут рассмотрены ниже.
При попутном движении воздуха и транспорта, когда v,
газовый выхлоп уплотняется и сносится в тоннель (рис. 23). Вся
масса (мг) вредного компонента, выброшенного с выхлопными
газами за время движения автомобиля по тоннелю,
О"=тГ;
при этом загазованность (мг/м) на единицу длины (рис. 23)
Лт'=(т7')/(С —/сн) = т(1/ —и).
Рис. 23, Схема сноса выхлопных газов при попутном движении
64
Время (с) проветривания тоннеля
t" = T+(L — lcll)/v = L/v.
Концентрация (мг/м3) газа в конце вентиляционного пути по
аналогии с (22) будет равна
C"=t/(V-o)S.
(29)
Из (29) видно, что чем больше значение v приближается
к V, тем больше уплотняется облако выхлопных газов н тем
больше становится их концентрация. Поэтому расход воздуха в
данном случае можно определить исходя из минимальной скорости
воздуха. Так, Правилами безопасности в угольных шахтах и
рудниках для выноса газов установлена минимальная скорость
0,25 и 0,15 м/с, а Правилами безопасности при строительстве
подземных гидротехнических сооружений — 0,10 м/с [10, 35, 34].
При этом расход (м3/с) воздуха определяют по формуле
Q — HhiihS,
Пример 3. Автомобиль Урал-377 отвозит породу по тоннелю длиной 680 м со
скоростью 40 км/ч. Сечение тоннеля 8 = 30 м2, интервал движения д/ = 60 мин,
т= 1580 мг/с. При о = 0 концентрация СО в тоннеле
С= 1580/(11,1 -30)=4,7 мг/м3.
Принимаем для проветривания минимальную скорость движения воздуха
о=0,25 м/с; тогда расход воздуха
<2 = 0,25-30=7,5 м3/с.
Концентрация газа в конце тоннеля
С=1580/[(11,1+0,25)-30)=4,6 мг/м3.
Время проветривания
/„ = 680/0,25 = 2720 с (45,3 мин).
Так как /„< д/, наложений шлейфов происходить не будет, а при интенсивном
движении — будет.
Для оценки ситуации рассмотрим график движения автомоби-
лей и выноса выхлопных газов при К=10 м/с, д/ = 20 с, v =
= 1,5 м/с. Как видно из графика (рис. 24), через 160 с после въезда
восьми машин газовая обстановка в тоннеле стабилизуется, и
дальнейшего увеличения загазованности в конце тоннеля проис-
ходить не будет. Количество машин в тоннеле определится по (24)
или (25). Из графика видно, что количество наложений в конце
тоннеля
п" = £/(пд/)-£/(Уд/),
(30)
или по аналогии с (25), округляя до ближайшего целого числа,
5
Заказ 244
65
Рнс. 24. График попутного движения автомобилей и сноса газовых шлейфов
1 — направление движения воздуха; 2 — направление движения автомобилей; 3 — газовый
шлейф от автомобиля; 1С»—длина сноса газового облака
W"=(L-U)/(oa/).
Загазованность на единице длины (мг/м' есть произведение
числа наложений на загазованность одного шлейфа:
ДТмакс = Лг"А/" = гГ</(1/ОЛ/) .
Таким образом, выведена расчетная формула, аналогичная (26),
и при условии С^Спдк получим формулу для расчета количества
воздуха, аналогичную (27), т. е. для проветривания тоннеля при
различных направлениях движения транспорта и воздуха по отно-
шению к друг другу требуется одинаковое количество воздуха.
Кажущееся несоответствие может быть легко опровергнуто
рассмотрением графика распределения концентрации по длине
тоннеля (рнс. 25) при тех же параметрах движения, что и при
встречном. Как видно нз графика, концентрации вредных веществ
намного отклоняются от расчетной кривой как в большую, так и
в меньшую сторону; эти неравномерности связаны с большей
концентрацией вредных компонентов в газовом шлейфе н сносом
выхлопных газов внутрь тоннеля.
66
Пример 4. Определить основные параметры воздухообмена, если выброс
условной окиси углерода составляет т = 4125 мг/с, сечение тоннеля S = 22 м2, длина
1 = 800 м, С„дк = 150 мг/м3, К=10 м/с, д/ = 20 с.
Расход воздуха
Q = (4125 • 800)/(10 • 20 • 150)= 110 м3/с.
Скорость движения воздуха
и = 110/22 = 5 м/с.
Величина сноса внутрь тоннеля
/с„ = 5 -80 = 400 м.
Число наложений
Л/" = (800 —400)/(5 • 20) = 4.
Загазованность одного шлейфа
Лт" = 4125/(10 —5) = 825 мг/м.
Загазованность иа единице длины в конце тоннеля
дт»акс=825 • 4 = 3300 мг/м.
Концентрация условной окиси углерода
С = 3300/22 = 150 мг/м3.
Из сравнения с примером при встречном движении видно, что загазованность
одного шлейфа при попутном движении в три раза больше:
Л т'7дт' = 825/275 = 3.
а число наложений в первом случае 12, также в трн раза большее, чем при попутном
движении, что делает концентрацию вредных веществ одинаковой, и, следова-
тельно, расчетные формулы для определения расхода воздуха будут одинаковы,
т. е. расчет воздуха в том и другом случае нужно вести по (27).
5. Расчет воздухообмена при двустороннем
и многорядном движении
При двустороннем движении происходит наложение выхлопных
газов от встречного и попутного потоков и снос всех вредных
веществ к концу вентиляционного пути. Очевидно, что суммарная
загазованность на единице длины (мг/м) пути будет представлять
суммарную загазованность от встречного и попутного потоков:
л тС)» = л т' N' + л т"Л"' .
Если условия движения встречных потоков одинаковы, то рас-
четная формула будет иметь вид (м3/с):
5*
67
Рнс. 26. Схема двустороннего движения автомобилей и сноса газовых шлейфов
/ — направление движения воздуха; 2 — направление движения автомобилей; 3 — шлейфы
от встречных автомобилей; 4— шлейфы от попутных автомобилей
<2= 2tL/(VMCпак)
Если условия движения различны, то
о— L ( т' I т" \
С„Дк V V'bt' V"M" ) ’
где т', V и л/'—параметры, характеризующие встречный поток автомобилей;
т", V" и апараметры, характеризующие попутный их поток.
График движения автомобилей и сноса газовых шлейфов
показан на рис. 26; при этом, чтобы сохранить масштабы, значение
интервала для каждого потока увеличено в два раза, т. е. д/' =
= 40 с. Как видно из рисунка, положение газовых шлейфов
стабилизируется через 40 с, и дальнейшего увеличения концентра-
ции происходить не будет. В тоннеле одновременно находятся
четыре машины — две встречные с движением воздуха и две попут-
ные с ним.
Пример 5. В тоннеле длиной £ = 800 м осуществляется двустороннее дви-
жение с одинаковым интервалом по каждому направлению д/ = 40 с; У=10 м/с,
т = 4125 мг/с, 5 = 22 м2. Определить основные параметры воздухообмена.
Необходимый расход воздуха
<2=(2 • 800 • 4125)/(10 • 40 • 150) = 110 м3/с.
Скорость воздуха в тоннеле
и = 110/22 = 5 м/с.
Величина сноса газового облака
1п =800/10- 5 = 400 м.
Загазованность шлейфа от встречных автомобилей
лт' = 4125/(10 + 5) = 275 мг/м.
68
Число наложений от встречного потока
п'=(800+400) /(40 -5)=6.
Загазованность шлейфа от попутных автомобилей.
дт" = 4125/10 — 5 = 825 мг/м.
Число наложений от попутных автомобилей
л"=(800-400)/(40 -5)=2.
Суммарная загазованность в конце вентиляционного пути
лтс)м=6 • 275 + 2 • 825 = 3300 мг/м.
Концентрация вредных компонентов
С=3300/22 = 150 мг/м3,
что соответствует санитарным нормам.
График распределения концентрации по длине тоннеля в соот-
ветствии с данными примера показан на рис. 27. Как видно из
графика, неравномерность распределения концентрации по длине
тоннеля при двустороннем движении еще больше, чем при попут-
ном; это подтверждает необходимость введения в расчетные фор-
мулы коэффициента неравномерности, учитывающего некоторое
увеличение расхода воздуха. Обоснование этого коэффициента
будет приведено после анализа газовой ситуации в действующих
тоннелях по результатам их обследования в шестой главе.
При интенсивных потоках автомобильного транспорта в тон-
нелях вводят двух- или трехрядное движение в одном направлении.
Рядность и скорость движения по полосам определяются катего-
рией дороги и устанавливаются техническим проектом. Так, в Ме-
техском городском тоннеле установлено двухрядное движение
по каждому отсеку с максимальной скоростью 80 км/ч. В подвод-
ных тоннелях защитной дамбы на Финском заливе будет осуще-
ствляться трехрядное движение с максимальной скоростью по
Рнс. 27. График распределения концентрации при двустороннем движении
/ — расчетная кривая; 2 — суммарная кривая по графику
69
третьему ряду 80 км/ч, по второму и третьему рядам — 60 км/ч.
Нетрудно представить, что суммарная загазованность будет скла-
дываться из выхлопных газов от транспорта, движущегося по
каждому ряду, сносимых ветиляционной струей в конце тоннеля.
При двухрядном движении расчет Q (м3/с) ведут по формуле
<3==7^_( „/.7 + (7 z„ ) ’ )
ь пдк \ V al Vai/
где т', V и л/'— параметры транспорта, движущегося по первому ряду; т", V"
и л/"—то же, движущегося по второму ряду.
При трехрядном движении по аналогии с (31) расчетная фор-
мула для расхода (м3/с) воздуха по тоннелю имеет вид:
г / / И tff \
<?='ё^Г\ ?'л7'“+ Г'аг + '
Следует учитывать, что продольный профиль тоннеля может
иметь уклон, подъем, а также горизонтальный участок. Поэтому
при расчете выброса по полосе нужно учитывать затрачиваемую
мощность, скорость автомобиля при движении на подъем в соот-
ветствии с методиками расчета выбросов вредных веществ [18, 44,
48, 66].
6. Расчет воздухообмена
при поперечной схеме вентиляции
тоннелей
В приведенных выше случаях рассматривались схемы, когда
снос вредных компонентов происходит вдоль тоннеля (продольные
и продольно-поперечные схемы вентиляции). При поперечной
схеме проветривания независимо от положения нагнетательного
и всасывающего каналов вынос вредностей происходит в направ-
лении, перпендикулярном (или близком к этому направлению)
направлению движения автомобилей.
При поперечных схемах возможны два основных варианта
выноса выхлопных газов (см. рис. 28). Первый вариант, когда
выхлопные и всасывающие окна расположены друг против друга
(схема а на рис. 28). В этом случае выхлопные газы под влиянием
движения автомобиля перемешиваются в объеме транспортной
зоны и всасываются через вытяжные отверстия. Давления воздуха
в транспортной зоне между сечениями выхлопных и всасывающих
окон должны быть равны, т. е. Р, = Р(+| = Р,+2 =.Р<+п', в про-
тивном случае будет происходить продольное перемещение воздуха
по транспортному отсеку между этими сечениями.
Если вблизи порталов продольное перемещение связано с по-
ступлением свежего воздуха от любого портала, то ближе к центру
70
Рис. 28. Схема сноса газовых выхлопов при поперечной схеме вентиляции
а—вариант соосного расположения выхлопных и всасывающих окон; б—вариант со
смещенными окнами
/ — нагнетательный канал; 2— транспортный отсек; 3 — всасывающий канал; 4—
автомобили
тоннеля начинает смещаться загазованный воздух. Так как рас-
ходы воздуха через выхлопное (нагнетательное) и всасывающее
окна происходят при одинаковых перепадах давления, то они
будут одинаковы, т. е. Q'h = Q'bc.
При смещении всасывающих окон (схема б на рис. 28) расхо-
ды воздуха в выхлопных и всасывающих окнах также равны: QH =
= Qbc. давления воздуха в транспортном отсеке между сечениями
тех или других окон также должны, быть равны во избежание
продольного смещения воздуха по транспортной зоне.
При поперечной системе вентиляции возникает сложная схема
движения воздуха, при которой проветриваются отдельные объ-
емы транспортной зоны. По схеме движения воздуха в транспорт-
ном отсеке она похожа на схемы проветривания камер при разра-
ботке рудных месторождений. Дадим математическое описание
процессов, происходящих при выносе выхлопных газов. Объем (м3)
транспортной зоны, который должен проветриваться каждой парой
окон,
W=Sli,
71
где S—сеченне транспортного отсека, м2; /(—расстояние между выхлопными
или всасывающими окнами.
Максимальное количество (мг) газа, которое может содер-
жаться в вентилируемом объеме при равномерном распределении,
Смаке — ^С„дк
Количество (мг) газа, выбрасываемого одной машиной при
прохождении участка Ц,
= (32)
здесь ti— время движения машины по участку /(, с.
Количество машин, которые создадут максимальную загазо-
ванность объема,
n=(lFCna«)/AG. (33)
Время (с) загазования этого объема будет зависеть от количе-
ства машин, которые пройдут по участку h, и от интервала между
ними:
/заг=(/(+л/)л. (34)
Так как в данный объем необходимо подавать столько воздуха,
чтобы концентрация не превысила допускаемых норм, т. е. время
загазования должно быть равно времени проветривания, то между
количеством вносимого вредного вещества и удалением его будет
нулевой баланс (при /заг = /п). Время (с) проветривания любого
объема
ta=W/Q-,
отсюда получаем условие для подачи необходимого расхода (м3/с)
воздуха:
Q = W/t3Br.
С учетом (32), (33) и (34), а также условия СМакс=СпДк,
производя сокращения, выведем расчетную формулу для Qi (м3/с):
Q/=(^)/[(^+a/)C пдк] >
Заменив ti—h/V, имеем формулу, где все параметры определе-
ны условиями движения транспорта (м3/с):
Qi=(т/<) /[(//+л <У)Сл«].
Так как при проектировании поперечной схемы тоннель делят
на равные участки /(, то для нагнетательного канала общее коли-
чество воздуха (м3/с):
72
Qh— S Qi*
/=i
где n — количество участков между выхлопными окнами, обслуживаемых данным
нагнетательным каналом.
Совершенно аналогично рассчитывается количество воздуха
для всасыващего канала; при этом должно соблюдаться условие
Qh== Q вс-
Количество воздуха, подаваемое вентилятором в нагнетатель-
ный канал и отсасываемое через вытяжные окна, рекомендуется
рассчитывать с учетом утечек воздуха по аналогии с трубопрово-
дом по длине каналов, чтобы исключить нулевой расход через
окна, наиболее удаленные от вентиляторов. Утечки воздуха зави-
сят от качества выполнения вентиляционных каналов, их длины
и депрессии, развиваемой вентилятором.
7. Расчет количества воздуха
при проходке тоннелей
и выбор способов вентиляции
При строительстве автодорожных тоннелей применяется комп-
лекс машин и механизмов для бурения шпуров и скважин, при
возведении временной и постоянной крепи (обделки), монтаже
оборудования и конструкций, вывозке породы, доставке материа-
лов и конструкций. Кроме вредных веществ, связанных с движе-
нием самосвалов, значительное их количество образуется при от-
бойке горной массы взрывчатыми веществами (ВВ), при ведении
электросварочных работ [10, 28]. В соответствии с этим необхо-
димое количество воздуха, подаваемое в тупиковую часть тоннеля
(забой), определяется в зависимости от следующих факторов
[34, 36]:
наибольшего числа людей, одновременно находящихся в тон-
неле;
газов от взрывных и электросварочных работ;
выноса пыли;
образования вредных и ядоритых веществ при эксплуатации
машин и механизмов с ДВС;
газов, выделяющихся из массива горных пород или подземных
вод,— метана, углекислого газа, сероводорода и др.
Из перечисленных факторов в расчет принимается наибольшее
количество воздуха. Самым сложным для расчета и организации
работ будет случай, связанный с выделением метана или других
горючих газов. При расчете надо использовать данные геолого-
разведочных изысканий и руководствоваться Правилами безопас-
ности в угольных и сланцевых шахтах [35, 38].
Рассмотрим подробно методику расчета количества воздуха
по перечисленным выше факторам.
73
Расчет количества (м3/мин) воздуха по наибольшему числу
одновременно работающих людей. Он ведется по формуле
Q = 6т,
где 6 м3/мии — норма подачи чистого воздуха на одного человека; т — наибольшее
количество людей, находящихся в тупиковой выработке.
Расчет количества воздуха по газам от взрывных работ.
Так как способы взрывных работ очень разнообразны, то в лите-
ратуре приводится много формул для расчета подачи воздуха в
тупиковый забой. Общим параметром всех этих методов является
газовость ВВ, т. е. количество ядовитых газов в пересчете на услов-
ную окись углерода. В расчетах можно принимать газовость
6=40 л/кг при взрывании пород крепостью по шкале М. М. Про-
тодьяконова / = 4ч-12. При большей их крепости рекомендуется
принимать следующие значения;
f................................14 16 18
b, л/кг ................. 50 60 65
Рекомендуется также максимальное время проветривания t =
= 30 мин, а для тоннелей большого сечения / = 60 мин. Так как
размеры сечений упомянутыми Правилами не оговорены то за
большие сечения можно принять превышающие 50—60 м\ Наи-
более проста формула статистического разжижения ядовитых га-
зов в продуктах взрыва (м3/мин):
Q=(100A6)/(lC),
где А — количество одновременно взрываемого ВВ, кг; b — газовость ВВ, л/кг;
t — время проветривания, мин; С — допускаемая концентрация условной окиси
углерода, %.
Допускаемая концентрация в данном случае 0,008% (100 мг/м3)
и разрешает допуск людей в забой при условии, что процесс про-
ветривания продолжается. Последняя формула предполагает, что
в определенном объеме происходит разжижение ядовитых газов
до требуемой концентрации без выноса их из зоны проветривания.
Предложен ряд формул, учитывающих способ подачи возду-
ха— нагнетательный или всасывающий. Для нагнетатель-
ного способа вентиляции рекомендуется формула В. Н. Воро-
нина (м3/мин):
Q = 2,25//^/(А V2b<p)/p2 ;
здесь V — объем загазованной после взрыва части тоннеля, м3; ср— коэффициент
обводненности забоя (0,8 — для сухих, 0,6 — для влажных и 0,3 — для водоносных
забоев); р — коэффициент утечек воздуха в трубопроводе.
Так как тупиковые тоннели могут быть протяженными, то
определяют критическую длину (м), на протяжении которой га-
74
зовая волна после взрывных работ разбавляется до санитарной
нормы:
13,1Д ,
где 1] — коэффициент доставки для воздухопровода длиной /кр; это величина,
обратная коэффициенту утечек р.
При использовании мягких трубопроводов диаметром </>0,6 м
или металлических трубопроводов значение £кр можно определить
графическим методом [45].
При строительстве тоннелей большого сечения (S> 50 м2)
для расчета количества (м3/мин) воздуха можно пользоваться
формулой
Q=0,258V//(2,38 lg А + 1).
При всасывающем способе проветривания количество
(м3/мин) воздуха для забоя выработки можно рассчитывать по
выражению
Q=2,13/1V4bS(15+4/5) ;
при этом наибольшее расстояние (м) от конца труб до забоя реко-
мендуется определять так:
/Tp=0,5<S'.
В строительстве тоннелей применяют также реверсивные вен-
тиляторы; тогда один и тот же трубопровод используют для
нагнетания воздуха после взрывных работ, а затем, после рас-
сеивания газового облака, переключают вентилятор на всасыва-
ние. В этом случае количество (м3/мин) воздуха
<?=0,15У3.„/Ц9,1 lg А +1),
где Уи,— объем между забоем и концом воздухопровода, м3; t„— время работы
вентилятора иа нагнетание, мин (принимают равным одной трети общего времени
проветривания).
Продолжительность (мин) проветривания на всасывающем
режиме после реверсирования вентилятора
/,е= V3.n/<?3.„ • А/^№&А +9,3);
при этом соблюдают условие /Обш=/н-Нвс^60 мин.
При расчетах объема проветривания тупиковой части тоннеля
большого сечения часто используют величину (м) зоны отброса
газов после взрывания шпуров, равную
1отбр20ДI(уnluin"V ) или 1отбр~-/4 /2 + 5,
75
где уп— плотность пород в естественном состоянии, т/м3; 1Ш„— длина шпуров, м;
S — сеченне забоя при проходке, м2.
Расчет количества воздуха по пылевому фактору. Основными
источниками поступления пыли в забой являются: бурение шпуров
и скважин, взрывные работы, работа породопогрузочных и транс-
портных машин.
Количество (м3/с) воздуха, которое необходимо подавать после
взрывных работ, по пылевому фактору
п по V С°
° 2,3 (*(+*2)/ g Сд-С„ ’
здесь V — объем зоны смешения (можно принимать зону отброса газов), м3;
fei и — коэффициенты, учитывающие седиментацию, налипание частиц и влаж-
ность воздуха, определяемые по графикам [16]; t — время проветривания, с;
Со, Сд и Сп— концентрация пыли: начальная в зоне оброса, допустимая и в посту-
пающем воздухе.
При постоянно действующих источниках поступления пыли
можно использовать формулу (м3/с)
^(С-Ся)±У&?(С-Сд)2+б,5<р,/а4 ]
W 3,24<р„/
где d — диаметр трубопровода, м; feT— коэффициент турбулентной диффузии
свободной струи; 1 — интенсивность пылевыделення, мг/с; <ри— коэффициент при-
ращения интенсивности пылевыделення:
m . ( 0,816 \ .
v 2-VXGT/d +0,417 /
здесь от, — коэффициент интенсивности производственных процессов в забое;
кс— коэффициент структуры свободной струи.
Интенсивность поступления пыли различна в зависимости от
характера производственных процессов [37]. Некоторые виды по-
ступления пыли можно рассчитать по известным методикам.
Так, интенсивность (мг/с) поступления пыли при погрузке различ-
ными погрузочными машинами определяют по формуле
/п = бпРРп,
где 6П— коэффициент, учитывающий эффективность орошения водой (для сухих
пород 6„ = 0,28; при орошении перед погрузкой 6л = 0,014; при орошении пыле-
смачиваюшими добавками 6„ = 0,009); р— производительность машины, т/ч; р„ —
удельное пылевыделеиие, зависящее от типа машины, г/т.
Значения удельного пылевыделення (г/т) для различных типов
погрузочных машин следующие:
С нагребающими лапами.............................6,7—22
Скреперная........................................5—7
Погрузочные машины типа ПМЛ или ЭПМ .... 7—9
Экскаватор с ковшом до 1 м'1......................3—5
Зачистка почвы вручную ...........................10—15
76
При бурении шпуров с промывкой интенсивность (мг/с) пыле-
выделения можно рассчитать по выражению
/ б = z[ Va d,,,,, Tn *i ktka,
здесь г — коэффициент размерности; /— коэффициент крепости пород; t>r>—ско-
рость бурения, мм/мин; d„,„ — диаметр шпура, мм; k\ — коэффициент возрастания
иитенсивиости пылевыделення при работе нескольких перфораторов, расположен-
иы х ближе 3 м друг от друга (Ar। = 1,7 для двух, k। =2,3 для трех, A। = 2,7 для четы-
рех); ki—коэффициент направления шпура (k2= 1,3 для восстающих шпуров,
*2=1 для горизонтальных, *2 = 0,7 для нисходящих шпуров); *з—коэффициент,
учитывающий массу и мощность бурового механизма: *з = 1,3 для ручных перфо-
раторов (18—25 кг), *з=1 для тяжелых ручных (25—45 кг), *3 = 0,7 для легких
колонковых (45—60 кг), *3 = 0,5 для тяжелых колонковых (более 60 кг) перфора-
торов.
Значения коэффициента размерности z в зависимости от спо-
собов и режимов бурения следующие:
Нормализованное бурение с осевой промывкой водой 155 • 10~8
То же, с пылесмачивающими добавками .... 93-Ю-8
Нормализованное бурение с боковой промывкой водой 93 • 10-8
То же, с пылесмачивающими добавками .... 57 • 10“8
Вращательное бурение с промывкой водой .... 16 • 10~8
Ударно-вращательное бурение с продувкой скважины
водовоздушиой смесью........................ I 0 - 1 0 ~8
При бурении с сухим пылеотсосом интенсивность (мг/с) пыле-
выделения рассчитывают по формуле
/б.е=4,7 • 10_6U6dJ,„Ylif*l*2*3*4₽n,
где *4—коэффициент, учитывающий обводненность пород (*4=1 при сухих
породах, *4 = 0,5 при влажных, *4 = 0,1 при обводненных породах); J3„— коэффи-
циент, учитывающий эффективность пылеулавливающих устройств (р„=1,0 —
— 0,01т)б„); т)б.п— КПД пылеуловителя, %.
Расчет количества воздуха по выхлопным газам ДВС. Требу-
емый расход (м3/мин) воздуха по выхлопным газам можно опре-
делить по формуле, рекомендованной Госгортехнадзором [23]:
Q = kNin; (35)
здесь *—коэффициент неравномерности, N— мощность двигателя, л. с; г —
число одновременно находящихся в выработке автомобилей с ДВС; п — норма
подачи воздуха на 1 л. с. двигателя (п = 5 м3/мии для дизельных двигателей).
Однако расчеты по (35) приводят к завышенным результатам.
Так, при использовании двух автомобилей марки МоВЗ и одной
погрузочной машины суммарная мощность составит около 650 л.с.,
что потребует по (35) подачи примерно 54 м3/с воздуха. Однако
опыт показывает, что нет необходимости подавать такое количе-
ство воздуха при таком количестве машин.
Согласно Правилам техники безопасности при строительстве
метрополитенов и тоннелей установлены максимальные расчетные
величины выброса условной окиси углерода на 1 л. с. номинальной
77
мощности [29]. Расчетный объем выхлопных газов составляет
для груженых машин 0,001 м3/с, для порожних — 0,0008 м3/с
при концентрации условной окиси углерода в выхлопных газах
груженых машин 2000 мг/м3, порожних 1600 мг/м3. Эти данные
позволяют определить удельный выброс (2 мг/с-л.с. для груже-
ных и 1,28 мг/с* л. с. для порожних машин) и секундный выброс
(т, мг/с) при известной мощности работающих машин.
Указанные величины выбросов используют для расчета воз-
духообмена, с учетом применения нейтрализаторов, как правило,
по статическим методикам, т. е. не учитывая снос газов при движе-
нии машины по тупиковой выработке. На рис. 29 показана схема
движения транспорта и схема сноса газовых шлейфов при нагнета-
тельной схеме проветривания. При такой схеме машины движутся
как по направлению воздушной струи, так и против нее. Кроме
того, при наличии погрузочной машины с ДВС или буровой каретки
и других механизмов возникает источник постоянного выделения
вредных веществ, и поэтому суммарная концентрация (мг/м)
на входном портале будет слагаться из трех источников:
Смахс^ Дт'п' -|- м" Fl" -|- Д TZ" ПгУ' (35 3 )
где дт', \т" и \т"'—загазованность шлейфа от встречных, попутных и стаци-
онарных машин, мг/м; п' и п"—число шлейфов от встречных и попутных машин
на входном портале; п„— число стационарно работающих или стоящих машин
в забое.
Значения загазованности определяются по приведенным выше
формулам при соответствующих условиях движения машины и
воздуха. Расход (м3/с) воздуха рассчитывается по формуле
Q-= [dH +-гЧ*- (36>
L Д < L. пдк \ У пор У гр / L. пдк J
где Тцор и тгР— выброс вредных веществ порожними и гружеными машинами, мг/с;
Угр и УПор— скорость движения с грузом и порожняком, м/с; тп— выброс вредных
веществ стационарным источником, мг/с; k„— коэффициент неравномерности рас-
пределения вредных веществ ио сечению и длине тоннеля.
Пример 6. Определить количество воздуха, подаваемого в тупиковый тон-
нель длиной 840 м, сечением 24 м2, при вывозке горной массы самосвалами со
скоростью Угр = 30 км/ч и УпоР = 35 км/ч, при выбросе условной окиси углерода
тгр= 110 мг/с и т„ор = 95 мг/с, наличии в забое стационарного источника с выбросом
Тст=80 мг/с при интервале движения д/=15 мин, норме содержания СрДк=
= 20 мг/м1 и коэффициенте неравномерности k„— 1,2. Определить другие пара-
метры воздухообмена.
Потребное количество воздуха рассчитаем по [36]:
QT>„ = [ 640 ./J10_+^5 \ + 80 1 . ,,2 = 6.06 м3/с.
L 900-20 К 8,33 9,72 / 20 J
Скорость движения воздуха (без учета утечек по длине трубопровода)
4 = 6,06/24 = 0,25 м/с.
. Постоянная загазованность от постоянного стационарного источника в забое
по всей длине тоннеля
78
Рис. 29. Схема движения автомобилей и сноса газовых облаков в тупиковой
выработке
1 — порожний автосамосвал; 2 — груженый автосамосвал; 3 — погрузочная машина;
4 — шлейф выхлопных газов от груженого автомобиля; 5 — шлейфы от предыдущих
автомобилей
дтст = 80/0,25 = 320 мг/м.
Загазованность шлейфа от встречных машин
дт' = 95/(9,724-0,25) = 9,5 мг/м.
Загазованность шлейфа от попутных машин
дт"= 110/(8,33—0,25)= 13,6 мг/м.
Количество наложений от попутных и встречных машин по (24) и (30):
П' 5=840 ( 9,72-900 + 0,25-900 ) ==3’8’
П = 840 ( 0,25 • 900 8,33 • 900 ) ’ 3’6’
Суммарная загазованность от всех источников на входном портале тоннеля
ЛТсум = 9,5 3,84- 13,6 • 3,6-|-320 = 405,06 мг/м.
Концентрация вредных веществ на входном портале
С»а«е=405,06/24=16,8 мг/м3.
Как видно из примера, при строительстве гидротехнического
тоннеля с применением дизельных самосвалов на Миатлинской
ГЭС потребное количество воздуха значительно меньше — в не-
сколько раз, чем по (36), для тех же условий. Необходимо отме-
тить, что количество воздуха, подсчитанное по (36), рассчитано
не для забоя Q3a6. а для всей выработки, т. е. <Этуп = <2заб + <2ут,
где Q YT утечки по длине трубопровода.
Расчет количества воздуха по выделению вредных веществ
при электросварочных работах. При электросварке в основном
выделяются окислы азота и аэрозоли. Количество их зависит от
марки электрода (и флюса на его поверхности), силы тока при
сварке. Суммарные выбросы зависят также от числа одновременно
79
Таблица 16
Виды сварочных работ Марка электрода Сила тока, А Аэрозоли NO,
интен- сивность, мг/с количе- ство иа I кг электро- дов, г/кг интен- сивность, мг/с коли- чество иа I кг электро- дов, мг/кг
Монтаж кронштей- МР-3 160 2,94 11,3 1,0 4500
нов под оборудование Монтаж металло- ОЭС-4 200 10,5 19,2 0,7 1370
конструкций Монтаж освещения МР-4 60 1,8 24,4 1,0 4500
работающих постов. Количественные характеристики вредных ве-
ществ при сварке приведены в табл. 16.
Расход (м3/с) воздуха определяется по формуле
Q=(Wk„)/(Cau-C0),
где W — интенсивность выделения вредных веществ, мг/с; k„— коэффициент
неравномерности их выделения (для сварочных работ k„= 1,2-5-1,6); Со—началь-
ная фоновая их концентрация, мг/м3.
Значение СпДк в соответствии с санитарными нормами реко-
мендуется принимать: для аэрозоля — 4 мг/м3, для окисла азо-
та — 5 мг/м3 [45].
После расчетов количества воздуха по всем факторам, исходя
из наибольшего количества воздуха, выбирают вентилятор.
Для этого принимают диаметр труб и определяют сопротивление
(кг-с2/м8) трубопровода:
₽=6,45a/Tp/d5,
где а — коэффициент его аэродинамического сопротивления; /тр—полная его
длина, м; d — диаметр, м.
Если считать трубопровод плотным, то потери (кг/м2) давления
при движении воздуха в нем
/7=/?(?2, (37)
где Q — производительность вентилятора, м3/с.
Потери давления при движении воздуха в трубопроводе, как
показывают расчеты, в 500 и более раз превосходят потери давле-
ния в тоннеле, а потому при расчете вентиляторной установки
потери при движении воздуха по выработке можно не учитывать.
Выражение (37) представляет собой аэродинамическую харак-
теристику плотного трубопровода в осях Н и Q в виде квадратичной
параболы. По мере удлинения тупиковой части тоннеля трубопро-
вод увеличивается, а его характеристики образуют семейство
80
кривых. Режим работы вентилятора определяется точкой пересече-
ния характеристики трубопровода и характеристики вентилятора
в осях И и Q. В каталогах и справочниках аэродинамические
характеристики вентиляторов приведены к нормальным атмосфер-
ным условиям: давление 760 мм рт. ст., температура / = 20°С
(Г = 293°К), плотность рн=0,122 кг-с2/м4. Действительные атмо-
сферные условия при строительстве тоннелей могут значительно
отличаться от указанных, особенно в зимний период. Изменение
плотности воздуха может быть учтено введением поправочного
коэффициента
Лр = [760(2734-/)]/(В -293),
где / — фактическая температура воздуха, °C; В—дсйс|вительное атмосферное
давление, мм рт. ст.
Поправка на плотность воздуха одинаковым образом входит
как в характеристику сети, так и в характеристику вентилятора.
Поэтому при нахождении режима работы вентилятора как точки
пересечения этих двух характеристик поправку можно не учиты-
вать, т. е. все расчеты вести для нормальных условий. Поправку
нужно обязательно вводить при определении мощности
(кВт) двигателя вентилятора в виде
Л/.,и > Л/маке/Ар:
здесь — максимальная мощность, потребляемая вентилятором при нормаль-
ных атмосферных условиях.
При расчетах напора вентилятора и расхода воздуха можно
принимать трубопровод плотным только для небольших длин
тупиковых выработок (150—200 м). При расчете длинных тупико-
вых выработок следует тщательно выбирать диаметр трубопровода
и обращать внимание на качество его сборки, ибо это определяет
плотность трубопровода, т. е. возможность утечек воздуха. Про-
мышленность выпускает мягкие трубы типа МУ из прорезиненной
ткани, металлические, текстовинитовые.
Мягкие трубы изготовлены из ткани «чефер» с двусторонним
покрытием полихлорвинилом или из капроновой ткани с односто-
ронним покрытием негорючей резиной. Эти трубы имеют диаметры
от 0,4 до 1 м, с звеньями длиной 10 и 20 м. Звенья соединяются
пружинящими стальными кольцами и накладками с легкосъем-
ными замками. Масса 1 м труб в зависимости от диаметра нахо-
дится в пределах от 1,3 до 2,3 кг, срок их службы — от 6 до 12 ме-
сяцев.
Металлические трубы изготавливают диаметром от 0,4 до 1,2 м
при длине звена от 3 до 6 м, толщиной стенки 2—3 мм. Звенья труб
соединяют между собой фланцевыми болтовыми соединениями
с резиновой прокладкой. Масса 1 м труб в зависимости от толщины
и диаметра находится в пределах от 24 до 70 кг, срок их службы —
от 24 до 36 месяцев.
6
Заказ 244
81
В последние годы отдельные предприятия выпускали тексто-
винитовые трубы, а также трубы из других пластических матери-
алов. Эти трубы не поддаются коррозии, сохраняют эластичность
при температуре от —20 до + 50 °C. Текстовинитовые трубы
имеют диаметры от 0,5 до 0,8 м, масса 1 м — от 3 до 4,7 кг. Тексто-
винитовые и пластиковые трубы соединяют муфтами или обечай-
ками с зажимными хомутами.
Для уменьшения воздухопроницаемости и аэродинамического
сопротивления внутрь жестких трубопроводов помещают трубы из
полиэтиленовой (или иной) пленки. С этой целью в действующий
трубопровод протягивают пленочную трубу несколько меньшего
диаметра, которая под действием напора вентилятора натягива-
ется и плотно прилегает к стейкам трубопровода, сглаживая их
и стыки. При тщательной сборке утечки воздуха можно практиче-
ски исключить, а сопротивление трубопровода уменьшить в два-три
раза. В зарубежной практике вентиляционные трубы из синтетиче-
ских материалов получили широкое распространение, причем их
применение дает существенный экономический эффект.
Коэффициент (кг"с2/м4) аэродинамического сопротивления
труб определяется по формуле
а = а/(3,7 + lg d)2, (38)
где а — коэффициент, зависящий от материала труб и тщательности навески
трубопровода, имеющий следующие значения:
0,0038 — для жестких трубопроводов с прямолинейной навеской;
0,0050 — то же, с волнистой навеской;
0,0030 —для гибких трубопроводов с прямолинейной навеской;
0,0045 — то же, с волнистой навеской;
0,0120 — то же, со складками.
В справочных таблицах обычно приводятся значения сопротив-
лений стометровых (/?юо) участков трубопроводов при хорошей
сборке новых труб (табл. 17).
Утечки воздуха в трубопроводах оценивают двумя показате-
лями: коэффициентом потерь (утечек), равным отно-
шению количества воздуха в начале трубопровода (дебита венти-
лятора при нагнетании) к количеству воздуха в конце трубопро-
вода, либо обратной ему величиной — коэффициентом до-
ставки, т. е. р = 1 /т]. Для металлических трубопроводов коэф-
фициент утечек
p=(l-H/3M (38а)
здесь ky—коэффициент удельной стыковой воздухопроницаемости; т — длина
звена, м; R — аэродинамическое сопротивление трубопровода, кг • с2/м4.
Значения йу принимают в пределах 0,0025—0,0030 при удов-
летворительном качестве сборки и 0,0010—0,0020 при хорошем
качестве сборки.
Значения коэффициента доставки т] для мягких трубопроводов
типа МУ приведены в табл. 18.
82
Т аблица 17
Типы труб Значения Rlw прн диаметре труб, мм
400 500 600 700 800 | 1000 1200
Металлические 22,8 5,8 2,5 1,1 0,60 0,30 0,16
Мягкие типа МУ 31,0 10,0 4,0 1,8 0,90 0,50 0,30
Текстовинитовые 10,8 3,3 1,2 0,5 0,25 0,13 0,09
Т абл ица 18
Длина трубо- провода, м Значения ц при Длина трубо- провода, м Значения i; при
длине звена 20 м и d = 600 мм длине звена 10 м и d = 600 мм длине звена 20 м и с/ — 600 мм длине звена 10 м и d = 600 мм
100 0,934 0,934 1200 0,568 0,310
200 0,877 0,885 1400 0,505 0,250
400 0,800 0,758 1600 0,455 0,211
600 0,741 0,649 1800 0,414 0,160
800 0,699 0,516 2000 0,380 0,140
1000 0,649 0,380
Таблица 19
Диаметр труб, мм Значения т) при длине трубопровода, м 100 | 200 | 400 | 600 | 800 | 1000
500 0,98 0,95 0,87 0,77 0,70 0,66
600 0,98 0,97 0,90 0,84 0,76 0,70
700 0,99 0,97 0,92 0,87 0,79 0,75
800 0,99 0,98 0,94 0,90 0,84 0,81
Значения коэффициента доставки т] для текстовинитовых труб
представлены в табл. 19.
Расчеты по приведенным выше формулам для трубопроводов
длиной до 600—800 м дают достаточную для практики точность.
Для более длинных трубопроводов, по рекомендациям некоторых
авторов [37], следует вводить поправочный коэффициент на из-
менение напора воздуха по длине трубопровода из-за утечек, на-
зываемый коэффициентом резервирования дав-
ления:
Ph=h/(RQo),
где h — давление в начале трубопровода, кг/м2; Q«—расход воздуха в конце
его, м3/с.
Многочисленными экспериментами и теоретическими исследо-
ваниями показано, что, принимая р = рА, как это сделал В. Н. Во-
ронин при использовании формулы (38а), погрешность возрастает
с увеличением длины трубопровода. Считая, что закон изменения
6*
83
Рис. 30. Зависимость р* от коэффициента утечек
1 — по В. Н. Воронину; 2 — по рекомендации МакНИИ; 3 — по В. С. Вепрову; 4 —
по формуле (39)
Рнс. 31. Зависимость коэффициента сужения струи е и коэффициента потерь £
от величины прнтечек воздуха
коэффициента доставки р нелинейный, и решая уравнение для
движения воздуха с учетом утечек по его длине, предлагаем
следующую формулу для определения коэффициента резерви-
рования:
р*= (р2— 1)/2 1п р. (39)
Сравнение различных рекомендаций по зависимостям рн —
= f(p) показано на рис. 30. Как видно из графика, при малых зна-
чениях утечек (гС 1,5) можно принимать значения рь = р, а при
больших значениях надо пользоваться (42а). Приведенные выше
формулы (38а) и (39) действительны для нагнетательного трубо-
провода. Во всасывающем трубопроводе возникают притечки
(подсосы) воздуха, создающие в каждой неплотности микровоз-
душную завесу, повышающую сопротивление трубопровода. Уве-
личение коэффициента аэродинамического сопротивления всасы-
вающего трубопровода можно определить по формуле
ла=0,0153^//)(р2/рЛ);
здесь £ — коэффициент потерь давления, определяемый через коэффициент суже-
ния струи е.
Очевидно, что величина коэффициента сужения струи зависит
от качества сборки трубопровода. Значения коэффициентов £ и е
в зависимости от коэффициента притечек р приведены на рис. 31.
84
Рнс. 32. Схема к расчету трубопровода
с различными диаметрами по длине
Напор вентилятора определяется через р*:
//=(4ap*//d+p/2)(4Q§/nd2)2- (40)
Если произвести расчет по приведенным формулам для трубо-
провода длиной 1000 м при диаметре труб 0,6 м и одинаковом
качестве сборки трубопроводов для нагнетательного и всасыва-
ющего режимов, то окажется, что во втором случае коэффициент
аэродинамического сопротивления увеличится на 10 %, а притечки
воздуха — на 56 % [31]. Для трубопроводов большей протяжен-
ности всасывающий способ вентиляции еще более нерационален.
Для трубопроводов длиной более 1000 м можно использовать
ступенчатое уменьшение диаметра трубопровода, что дает суще-
ственный выигрыш при распределении напора. Расчет ступенча-
того трубопровода производится в соответствии со схемой на
рис. 32 по следующим формулам:
т
р=е‘='
(41)
где т — число трубопроводов разного диаметра, соединенных в один; /,— длина
1-го участка; 0/— коэффициент, характеризующий его сопротивление:
3,---г-
0, = 1 aibi ;
(42)
здесь bi— коэффициент, характеризующий величину эквивалентного отверстия
неплотностей трубопроводов B —
Qi [м3/с] =Qi-tpr,
Р1 = е^‘‘;
(42а)
diQ?~ । е2Р//(
-----F-
Расчеты по этим формулам показывают, что для трех ступе-
ней — di —0,5 м, di=0,6 м, 4/3 = 0,8 м — при общей длине более
2000 м давление (напор) вентилятора снижается в 1,5 раза при
одинаковом качестве сборки трубопровода.
Очень часто на один трубопровод устанавливают несколько
вентиляторов: совместно в одной точке или рассредоточен но
по его длине. Первый способ установки легко поддается расчету
85
по приведенным выше формулам с помощью графических построе-
ний и характеристик принимаемых вентиляторов. По второму
способу — рассредоточенной установке — предложено несколько
вариантов, один из которых наиболее приемлем для длинных
тупиковых тоннелей.
Режим работы вентилятора, его КПД и мощность двигателя
определяются точкой пересечения аэродинамической характери-
стики вентилятора с характеристикой сопротивления трубопро-
вода, вычерченных в одном масштабе в осях И—Q. При работе
нескольких вентиляторов на нагнетание и рассредоточенной их
установке возможны три случая:
каждый последующий вентилятор установлен в точке, где
исчерпан напор предыдущего;
последующий вентилятор установлен с некоторым запасом
напора от предыдущего;
напор предыдущего вентилятора исчерпан раньше, чем по дли-
не трубопровода установлен последующий вентилятор.
В первом случае давление (кг/м*) в трубопроводе за каждым
i-м вентилятором
ft, = 32a./(nW)(Q?-Q?-i) • (43)
Для первого участка (рис. 33) на графике в осях Н—Q строят
параболу по формуле
ft(_i=(32ai_|/n2d5pi_1)Q2,
задаваясь произвольными значениями Q. Затем на оси Н ниже
оси абсцисс находят точку — h при значении Q = Qo и переносят
параболу в точку — h как в начало координат. Пересечение этой
параболы с характеристикой вентилятора в точке А определит
значенияЛ,_| и Q,_i (рис. 33). Длину (м) участкаh-\определяют
так:
б-, = 1/₽<-1 In Qi-i/Qo- (44)
По данным Л<_| и Q,_i вычисляют КПД и мощность двигателя
вентилятора. Затем аналогично находят значения Qi, hi и расстоя-
ние до следующего вентилятора Ц. Однако этот первый случай
при ошибках в расчете и несоответствии параметров вентилятора
®i-t Hi Qi*,
Рис. 33. Схема к расчету установки вентиляторов подлине трубопровода
86
расчетным может привести к подсосам (притечкам) в трубопровод.
Поэтому, исходя из практических соображений, второй случай
имеет ряд преимуществ. Для того чтобы создать некоторый запас
напора от каждого предыдущего вентилятора последующему, ве-
личину — h нужно уменьшить на 20—25 % и произвести графиче-
ские построения в соответствии со схемой рис. 34. Третьего случая
следует избегать, особенно при использовании самосвалов с ДВС
при вывозке горной массы, так как автомобиль может остановиться
возле нагнетательного трубопровода или под ним в зоне подсосов,
и загазованный воздух будет подаваться в забой.
Пример 7. Рассчитать параметры вентиляторов при проходке тоннеля дли-
ной вместе с тупиковой частью / = 2000 м, расходе воздуха Qo = 240 м3/мин, с ме-
таллическим трубопроводом d = 1,0 м, при прямолинейной навеске труб и удовлетво-
рительном качестве сборки трубопровода, длине звена т = 5 м.
По (38) определяем
а = 0,0038/(3,7 -0,82) = 2,92 • IO'4,
а по (42) р,=-1Д8-тУ 2,92-IO-4 А0^-2- = 5,67 • 10-4.
I ,u V о
Коэффициент доставки находим по (41):
р = ехр[(5,67 • 10~4) • 2000]=3,09.
Производительность вентилятора
Q„=4 •3-0,9=12,36 м3/с.
Утечки по длине трубопровода
q= 12,36-4 = 8,36 м3/с.
Коэффициент резервирования напора по (39)
р*=(3 - 0,92 — 1)/3,09 = 3,81.
Напор вентилятора определяем по (40)
Н = (а -'2,92- 10 4 • 3,81 - М )2 = 232,6 кг/м2.
Этим параметрам соответствует вентилятор типа ВЦПД-8 при 0=45°, мощ-
ностью W = 80 кВт. Однако КПД его равен примерно 0,5. Поэтому произведем
расчет для вентиляторов с рассредоточенной установкой. По (43) находим для
первого вентилятора
^ЗзЛ.'.Х'.бГш-4 (Q2-4».67Q2-26,7.
Задаваясь произвольными значениями Q, строим график (рис. 34), принимая
за начало координат —й = 26 на характеристике вентилятора ВМ-8м или другого
вентилятора (например, по наличию на складе); затем определяем значения
Q, = 7,6 м3/с, Hi = 260 кг/м2, т] = 0,72, 0 = 40°; длина первого участка по (44)
/, = I/(5,67 • 10~') 1п 7,6/4= 1132 м;
87
Рис. 34. Определение режима работы вентиляторов при рассредоточенной уста-
новке их по длине трубопровода
для второго участка
ft= 1.67Q2—96,5.
Вычисляем параметры второго вентилятора: Q2=13,5 м3/с; Нг—190 кг/м2,
г)=0,52; 0 = 40°; длина второго участка
/2= 1/(5,67 • Ю-4) 1п 13,6/7,6= 1015 м.
Два вентилятора ВМ-8м обеспечивают подачу требуемого количества воздуха;
коэффициент доставки для первого вентилятора по (41)
р = ехр [(5,67 • 10~4) -1132]= 1,89.
Количество воздуха в конце трубопровода
(2 = 7,6/1,82=4,02 м3/с.
Так как имеется небольшой резерв на длину трубопровода (1132 + 1015=
= 2147 м), то в забой будет поступать несколько большее количество воздуха, чем
расчетное.
8. Расчет воздухообмена по тепловым факторам
Одной из функций вентиляции является поддержание темпера-
туры воздуха в тоннеле не выше -|-35 °C в летний период [46].
Соблюдение этого требования в условиях умеренного климата
достигается средствами вентиляции относительно легко. Сложнее
при расположении тоннелей в жарких районах. При расчетах
воздухообмена нужно выделить три периода в соответствии с на-
правлением теплообмена между воздухом и поверхностью крепле-
ния тоннеля:
теплый период, в течение которого происходит отдача тепла
от воздуха тоннеля к массиву пород и креплению;
холодный период, в течение которого тепло возвращается от
массива и крепления;
переходный период (отдельные месяцы весны и осени), когда
теплообмен между воздухом и стенками тоннеля не происходит.
88
Для определения продолжительности каждого периода надо
знать среднемесячные температуры для данного района и темпера-
туры пород по длине тоннеля. На естественный теплообмен оказы-
вают влияние эксплуатационные факторы: выброс тепла потоком
автомобилей, излучение его осветительными установками, другие
источники тепловыделения (трансформаторы, вентиляторы ит. п.).
Учитывая перечисленные факторы, тепловой баланс можно
представить так (ккал/ч):
Тсум = Тв-|- Тнзв ± Т и ,
где Тсу»— абсолютные суммарные поступления тепла внутри тоннеля; Г,— тепло,
вносимое воздушной струей; Г„3и— избытки тепла от автомобилей, светильни-
ков и др.; Тм—поступление ( + ) нлн отдача ( —) тепла окружающему массиву
н креплению внутри тоннеля.
Вопросы тепломассообмена воздуха и окружающего массива
достаточно детально изучались А. Н. Щербанем, О. А. Кремне-
вым, Ю. Д. Дядькиным в связи с тепловым режимом шахт и руд-
ников. Разработанные ими методы расчета, применяемые в горной
теплофизике, могут быть успешно использованы и при расчете
теплового режима тоннеля.
При упрощенных расчетах для условий средней полосы Совет-
ского Союза теплопередачей массиву ( — Гм) в летний период
можно пренебречь. В этом случае расчет воздухообмена (м3/мин)
можно произвести по формуле
Q=r„3e/[C(/ ИСХ /о)у-60]; (45)
здесь Гнзв—тепловыделения от машины н других технических источников; С —
теплоемкость воздуха (С=0,237 ккал-ч/кг); /„„—температура воздуха на исхо-
дящей струе, °C; /„— средняя температура наиболее теплого месяца, °C; у —
плотность воздуха, кг/м3.
Тепловыделение от потока автомобилей можно подсчитать
через путевой расход топлива, считая, что все тепло (ккал/ч)
от сгорания его выделяется внури тоннеля:
Т'ви — 2 <7пЛ/б-I-2/?п л/д; (46)
здесь 2 <?п— суммарный путевой расход бензина всеми автомобилями с карбюра-
торными двигателями в тоннеле, кг/ч; 2 g"—суммарный путевой расход дизель-
ного топлива этими автомобилями в тоннеле, кг/ч; /б и /д— теплотворная способ-
ность бензина и дизельного топлива, ккал/кг (/в= 10 500; /д= 102 000).
Тепловыделение (ккал/ч) от освещения находим по формуле
Г'^вбОЛ/ос,,
где Wocb— суммарная мощность источников освещения, кВт.
При учете этих факторов tm6=T'4-Т", а остальные данные
в (45) известны. Несколько большей точности можно достигнуть,
используя совместное поступление тепла и влаги. Для этого при-
89
нимаем расход воздуха в тоннеле по выбросу СО и определяем
теплосодержание (ккал/кг) в конце воздушной струи:
/,он= /но.. -4- 7-.,.,оу/(С? • 3600) (47)
и влагосодержание (г/кг) в конце ее:
= 103)/(Q -3600), (48)
где /нач—теплосодержание в воздухе, поступающем в тоннель, определяется
по климатическим параметрам: средней температуре и средней влажности для
данного района; d„a4— влагосодержание в поступающем воздухе, определяется
по средним климатическим параметрам; W — суммарный выброс влаги потоком
автомобилей, кг/ч.
Значение W может быть определено по расходу топлива.
Пример 8. Для подводного тоннеля на защитной дамбе поток автомобилей
состоит из 2180 ед./ч грузовых и легковых разных марок и 150 ед./ч дизельных
автомобилей и автобусов. Длина тоннеля L= 1165 м; скорость движения V =
= 60 км/ч; мощность осветительных установок А/осв = 270 кВт; среднемесячная
температура июля +20,6 °C.
Определяем нормативный расход топлива для каждого типа автомобиля
и с учетом времени их движения по тоннелю исчисляем путевые расходы топлива
g'=69,63 кг/ч и £"=15 кг/ч; тепловыделение от автомобилей
Г =(69,63 • 10 500+15 • 10 200) = 880 650 ккал/ч;
тепловыделение от светильников
Г" = 860 - 270 = 232 200 ккал/ч;
необходимое количество воздуха для снижения температуры воздуха до норми-
руемой по (45):
75-5
Фактическое количество воздуха по СО, определенное исходя из этих же
условий движения, Q = 200 м3/с. Для средних климатических параметров /нач =
= 11,5 ккал/кг, d„a4=10,8 г/кг, СР=20,6°С; выброс влаги от автомобилей Ц7 =
= 153,7 кг/ч; по (47) и (48) находим теплосодержание в конце воздушной струи
, 1 1 е । 1-112- 850 -1,2 _. „ „е ,
/кон-11,5+ ..200.60.g0 13,35 ккал/кг
и влагосодержание
j ___io о I 153,7 • 1,2 • 103 ,, /
</кон-Ю,8+ 200.60.60 -11,05 г/кг.
По /-d-диаграмме определяем /Ион=+29°С.
Если расчеты по (45) или (47) и (48) приводят к значениям Q,
большим, чем вычисленные по выбросу СО или /Кон>+35°С,
то следует произвести более точный расчет по методу А. Н. Щер-
баня [64], так как указанные формулы не учитывают отвод тепла
через стенки тоннеля.
90
Расчеты теплового режима в тупиковых тоннелях с различными
способами проветривания подробно рассмотрены в работах лабо-
ратории вентиляции ЦНИИС (Москва) на основе теории тепло-
массопереноса в горных выработках глубоких шахт [13, 64].
В течение года среднемесячные температуры наружного воз-
духа изменяются в соответствии с климатическими условиями
данного района, и поэтому температура воздуха в тоннеле будет
изменяться согласно суточным и месячным колебаниям температур
наружного воздуха.
Г лава четвертая
АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
И РЕГУЛИРОВАНИЕ РАСХОДОВ ВОЗДУХА
1. Режим движения воздуха в тоннелях
Воздух по трубопроводу или выработке может двигаться не-
смешивающимися параллельными струйками. Такой режим явля-
ется ламинарным и обычен при малых скоростях движения возду-
ха. Движущееся транспортное средство нарушает ламинарный
режим, который через некоторое время может восстановиться.
Практически данный режим движения возможен в автодорожных
тоннелях, проветриваемых за счет естественных факторов. При уве-
личении скорости воздуха начинают образовываться вихри, и дви-
жение становится турбулентным, происходит перемешивание газов
в движущемся потоке.
Режим движения определяется числом Рейнольдса
Re = vd/v,
где v — усредненная скорость движения воздуха, м/с; d — характерный размер
воздуховода (приведенный диаметр выработки), м; v — кинематическая вязкость
воздуха, м/с2.
Гидравлический диаметр
d = 4S/P;
здесь S—площадь поперечного сечения тоннеля, м2; Р— его периметр, м.
При значениях числа Рейнольдса меньше 2300 режим движения
будет ламинарным, при больших его значениях начинается пере-
ходный, а затем и турбулентный режим. При искусственной
вентиляции и систематическом движении транспорта в тоннелях
обычно происходит турбулентное движение воздуха, благодаря
чему все выхлопные газы хорошо перемешиваются с ним. Прак-
91
тически значения числа Рейнольдса в автодорожных тоннелях
находятся в пределах от 10 000 до сотен тысяч.
Основным законом, описывающим движение воздуха, является
уравнение Бернулли [50]:
(Pl— P2) + (yiHi— Y2W2)+ (ki — fe2 ~~ \ —Лс = 0,
' 4g 4g /
rne(pi —p2) — разность давлений в начале н конце воздушного потока, создаваемая
механическим побудителем движения воздуха; (у|Н,—у2Н2)— разность давлений
столбов воздуха в начале и конце воздушного потока на порталах; (k\ -—1—
, \ 2g
, о2у2 \
— «2 2g / — разность скоростных напоров на входе и выходе воздушных пото-
ков; Лс— гидравлическое сопротивление движущемуся потоку, зависящее от пара-
метров воздуховода и аэродинамического сопротивления о его стенки.
Первые два слагаемых в скобках представляют собой измене-
ние потенциальной энергии потока, а третье— изменение его ки-
нетической энергии. Как видим, изменение полной энергии потока
между входным и выходным сечениями равно энергии, расходу-
емой на преодоление сопротивлений движению на этом участке.
Уравнение Бернулли является одним из основных уравнений гид-
равлики и аэродинамики, так как отражает математические зави-
симости закона сохранения энергии и объединяет все величины,
необходимые для решения любой аэродинамической задачи.
2. Сопротивление трения
Вследствие влияния вязкости текучего в потоке всегда возни-
кают силы трения. На границе потока со стенками воздуховода
возникают также дополнительные силы трения, ибо стенки никогда
не бывают идеально гладкими. Дополнительные силы трения могут
быть весьма различны по величине и зависят от размеров выступов
шероховатости на стенках воздуховода. При этом шероховатости
распределены как по периметру сечения воздуховода, так и по его
длине, т. е. по поверхности, и проявляются и оцениваются совмест-
но. Результирующая сила называется силой трения, а вызываемое
ею сопротивление — сопротивлением трения.
Несмотря на то, что в автодорожных тоннелях стенки стремятся
сделать как можно более гладкими, силы трения являются основ-
ными поглотителями энергии, затрачиваемой на передвижение
воздуха. Кроме того, в тоннеле всегда имеется дополнительная
арматура (светильники, кабели, трубы и т. п.), увеличивающие
силы сопротивления.
Из гидравлики известно, что сила трения, приходящаяся на
единицу площади стенок,
Т = р • (р«2/2),
92
где р — безразмерный коэффициент трения, зависящий от шероховатости стенок;
р — плотность текучего; и — средняя скорость движения.
Из уравнения Бернулли, полагая i>i = u2, k} = k2, H\ = Hz, при
y = const, получим выражение
Pi — pi = P/S\x dx,
которое после интегрирования и замены p{-—p2 = h примет вид:
h = 0/2p(PL/S);
здесь L — длина воздуховода; Р— его периметр; S — поперечное сечение.
Заменив Q = vS и p = y/g, будем иметь (кг/м2):
4=(pV/2g)(LP/S3)Q*.
Считая, что при движении воздуха по подземной выработке
р и у постоянны, их совокупное воздействие можно характеризо-
вать одной величиной а — коэффициентом аэродинамического со-
противления; тогда, подставив a = 0y/2g, получим выражение для
расчета депрессии (кг/м2):
h = a(LP/S2)Q'1. (49)
Соотношение между а, 0 и используемым в гидравлике коэф-
фициентом трения X при у=1,2 кг/м3 и g = 9,81 м/с2 будет сле-
дующим:
a = 0,06120 = 0,0153А„
Расчетная формула (49) — основная для всех расчетов, свя-
занных с движением воздуха по системе подземных выработок.
Для конкретного воздуховода выработки значения a, Р, L и S
являются определенными, а потому их можно представить так:
R = a(LP/S'). (50)
Величина R называется аэродинамическим сопротивлением
трения, ее размерность (кг-с2)/м8; тогда коэффициент аэроди-
намического сопротивления а имеет размерность (кг-с2)/м4.
С учетом (50) выражение (49) принимает вид (кг/м2):
Л = Л(?2. (51)
Выражение (51) показывает, что основное уравнение движе-
ния воздуха по выработке имеет вид квадратичной зависимости.
При переходе к ламинарному режиму движения воздуха показа-
тель степени находится в пределах 1 <п<2. Выполняя расчеты
93
депрессии в системе подземных выработок по (49) и (51), вводим
коэффициент запаса, так как режим движения воздуха может
иметь показатель степени меньше двух.
3. Коэффициент аэродинамического сопротивления
Все величины, входящие в (49) для расчета депрессии, в про-
цессе составления проекта тоннеля определяются техническими
и другими условиями, за исключением коэффициента аэродина-
мического сопротивления. В практике рудничной вентиляции зна-
чения коэффициента а находят экспериментальным путем, т. е.
непосредственно замерами всех входящих в него величин и после-
дующими вычислениями его значения. В последние годы предло-
жены различные эмпирические формулы для расчета коэффи-
циента а.
При расчете вентиляции правильный выбор коэффициента а
может определить эффективность всей системы вентиляции тон-
неля; это особенно важно для длинных тоннелей, в которые при-
ходится подавать значительное количество воздуха, где величина
потерь депрессии определяет типы и количество вентиляторов,
требуемых для подачи нужного количества воздуха.
При расчете значений коэффициента а для тоннелей надо
учитывать следующие обстоятельства:
значение коэффициента а уменьшается с увеличением площади
поперечного сечения выработки при постоянной шероховатости
стенок;
изменение скорости движения воздуха или числа Рейнольдса
приводит к изменению величины коэффициента а; начиная с числа
Re = 100 000(lgRe = 5) значение а можно считать постоянным.
Приведем основные расчетные формулы для определения коэф-
фициента а.
Для выработок круглого поперечного сечения, закрепленных
бетоном, бетонитом или кирпичом.
а =0,015/(1,74+ 2 lg D/du)1,
где D — приведенный диаметр выработки, м; </0— высота выступов шероховатости
крепи, м.
Для выработок некруглого поперечного сечения с аналогичным
креплением
а = 0,015/(1.74 + 16.3 1g 4,8 v
Величина выступов шероховатости во многом зависит от ка-
чества строительных работ; их средние значения приведены в
табл. 20 [45].
Практические замеры высоты выступов в крепи автодорожных
тоннелей, закрепленных бетоном, дали следующие показатели, м:
94
Канонерский подводный тоннель (Ленинград) . . , . 0,002—0,005
Метехский городской тоннель (Тбилиси)............... 0,0015—0,002
Рокский перевальный тоннель (Большой Кавказ) . 0,003—0,022
Некоторые участки тоннеля, проходящие в очень крепких
породах, оставляют без крепления (Арпа-Севанский, Миатлинский
тоннели). На таких участках значения коэффициента аэродинами-
ческого сопротивления имеют очень большой диапазон: а =
= 0,00124-0,0024. При креплении тоннеля ребристыми металличе-
скими или бетонными тюбингами коэффициент а определяется
по формуле Днепропетровского горного института [1]:
Л„(о, 151 +0,22 1g у 2
где S„ст— истинная площадь сечения, за вычетом площади армировки, м2; /рсв —
расстояние между ребрами тюбингов подлине тоннеля, м; Р„п— периметр тоннеля
с учетом ребер тюбингов, м; k№— масштабный коэффициент — = 1/(1,67ds)019;
d,— эквивалентный гидравлический диаметр тоииеля, м.
Значения коэффициентов а для вентиляционных скважин с
обсадными трубами приведены в табл. 21.
Искривление профиля скважины, смещения обсадных труб в
местах стыковки приводят к увеличению коэффициента а на 40—
45 %. По конструкции внутренняя поверхность тоннеля может быть
неоднородной — стенки и свод выполнены из одного материала,
а основание пути — из другого. Кроме того, в различных воздухо-
водах тоннеля могут размещаться кабели, светильники, трубы,
кронштейны и иные конструктивные элементы, создающие суще-
ственное аэродинамическое сопротивление, которое при равномер-
Таблица 20
Категория шерохова- сти Характеристика поверхности Средние значения Jo, и
1 Хорошо заглаженный бетон 0,0001—0,00025 с последующим железнением 2 То же, без железнеиия 0,00025—0,0005 3 Бетон, затертый проволоч- 0,0005—0,0010 ной щеткой 4 Относительно гладкая бетон- 0,001—0,0015 ная поверхность 5 Менее гладкая бетонная по- 0.0015—0,0020 верхиость 6 Шероховатая бетонная по- 0,0020—0,0040 верхиость 7 Бетой с выступами от опалубки 0,004—0,020 8 Кирпичная кладка 0,0013 9 Бутовая кладка 0,008 10 Грубая бутовая кладка 0,020
95
Т абл нца 21
Срок службы скважин, лет а • 10* при диаметре скважии, м
1,0 2,3 2,8 3,4 4,0
5 2,3 1,9 1,8 1,7 1,7
7 3,7 3,0 2,8 2,7 2,6
8—10 4,8 3,8 3,5 3,3 3,1
ном расположении элементов по длине тоннеля может рассматри-
ваться как линейное.
Методика определения коэффициентов сопротивления разрабо-
тана И. Е. Идельчиком [1, 22, 40]. Потери (кг/м2) напора от
трения на участке тоннеля длиной I согласно этой методике опре-
деляют по формулам
Лтр= U(t»»erY)/2g, Ur=S «Shct/St)2.
1= (
где Уист—средняя скорость движения воздуха по живому сечению без учета
Л
армировки,м/с; S & — суммарный коэффициент аэродинамического сопротивле-
(=1
иия за счет трения о стенки и армнровку тоннеля (Бтр + бар); SHCt— площадь тон-
неля за вычетом площади армировки, м , S,— площадь тоннеля без учета арми-
ровки, м2.
Коэффициент аэродинамического сопротивления тюбинговой
поверхности
^TC6=(65,4a//d<)(S,/S„CT)2;
здесь a — коэффициент аэродинамического сопротивления, определяемый по (52).
Лобовое сопротивление армировки определяют по формуле
180 f
g _ iZi (rfo/dJA s______________
где Sui— площадь миделева сечеиия данного элемента армировки в плоскости
поперечного сечеиия тоннеля, м2; R — внутренний его радиус, м2; у — расстояние
средней точки элемента армировки до цеитра сечения тоннеля, м; d0— толщина
или диаметр элемента армировки, м; 3 — относительный продольный калибр —
Д =/ар/do: /аР—расстояние между элементами армировки вдоль потока, м; ел
и ^—экспериментальные коэффициенты лобового сопротивления, зависящие от
продольного калибра (определяются по графику на рис. 35).
Коэффициент аэродинамического сопротивления всей армиров-
ки тоннеля длиной I определится по формуле
bp=65,4(aap//ds).
96
Рис. 35. Графики зависимостей: a) Cii=f(&) и б) т/=)(Д), характеризующие
лобовые сопротивления армировки тоннеля
Коэффициент аэродинамического сопротивления трения по-
верхности дороги внутри тоннеля
е __ а/ / Sr \ Рдрр
р 0,0153rf,\ S,„t / Рист ’
где Рдор— периметр дороги в поперечном сечении, м.
Если в воздушном канале имеются п кабелей, то коэффициент
аэродинамического сопротивления подсчитывается так:
здесь </„—диаметр кабеля, м; Рк—его периметр, м.
Суммарный коэффициент сопротивления трения на участке
длиной I при наличии всех элементов сопротивления
п
Общие потери (кг/м2) напора от всех элементов сопротивления
П о 9 2
h — V t / S"CT\
Л°" St ) 2g ’
Специальные исследования в тоннеле со сложными элементами
армировки (метрополитена) показали, что сопротивление тоннеля
с обделкой из ребристых тюбингов примерно в два раза больше,
чем из монолитного бетона или из сборных железобетоных бло-
ков [62]. Кабели, расположенные на кронштейнах вдоль тюбинго-
вой крепи, уменьшают сопротивление движению воздуха примерно
на 20%, а кабели, расположенные в каналах или транспортных
отсеках с условно гладкими поверхностями (бетон, блоки, кирпич),
увеличивают сопротивление движению воздуха от 5 до 25%.
Учитывая длительность службы тоннелей и зависимость за-
трат энергии от сопротивления движению воздуха N=f(h,r),
7
Заказ 244
97
за рубежом производят затяжку пространства между ребрами
при тюбинговой крепи или устраивают сплошную обшивку пласт-
массовыми плитами по всему периметру тоннеля, за исключением
проезжей части; это существенно уменьшает сопротивление тон-
неля и приводит к экономии электроэнергии.
4. Местные сопротивления
Воздуховоды в системе тоннельной вентиляции никогда не бы-
вают прямолинейными. По пути движения воздуха встречаются
повороты, расширения и сужения каналов и выработок, которые
вызывают дополнительные потери давления (напора или депрес-
сии), их обычно называют местными сопротивлениями.
Потери давления зависят от формы местного сопротивления,
не зависят от его размеров и прямо пропорциональны скоростному
напору воздуха. В общем виде потери (кг/м2) давления от местных
сопротивлений можно выразить формулой
h*.' = t(y2y/2g),
где £ — безразмерный коэффициент, зависящий от вида сопротивления, опреде-
ляемый опытным путем; и — скорость воздуха у местного сопротивления, м/с.
Если считать режим движения воздуха турбулентным, то
местное аэродинамическое сопротивление (кг-с2/м8) можно под-
считать так:
#„с=0,0612g /S2. (52а)
В автодорожных тоннелях имеется большое количество возду-
ховодов с поворотами, расширениями, разветвлениями и слия-
ниями воздушных струй. Приведем основные расчетные формулы
для наиболее часто встречающихся местных сопротивлений.
Потери (кг/м2) напора, связанные с поворотом потока, рас-
считывают по формуле
ftn = gn(u2Y/2g); (53)
здесь g„— коэффициент местного сопротивления поворота; его значения для раз-
личных случаев приведены в табл. 22.
Для других случаев поворотов струи в каналах с острыми
кромками рекомендуется принимать следующие значения коэффи-
циента ijn:
для поворотов с острыми незакругленными кромками
Угол поворота, град 120 100 90 80 60 40
Значение g„ . . . 2,4 1,50 1,35 0,95 0,55 0,30
98
Таблица 22
Характеристика
местного сопротивления
Коэффициент
сопротивления
5»
Схема
движения воздуха
Примечание
Поворот под углом 90° 0,4
с обеими острыми кром-
ками
Поворот под углом 90°
со скругленной только
внутренней кромкой
Еп=0,75 |
Л = 1/3* 1
5 =0,52 |
Л=2/ЗВ »
Поворот со скруглен- Л—1/3&1 Qg
ными обеими кромками
Л = 2/ЗМ 0 3
= 1 /1 о
Прн скорости «1
То же
Поворот под углом 90° 0.35—0,37
с непрофил ированными
лопатками, согнутыми по
поверхности кругового ци-
линдра
Двойной поворот в про- 2,4
тивоположном направле-
нии под углом 90° каж-
дый
Двойной поворот во 2,8
взаимно перпендикуляр-
ных плоскостях
Сопряжение под уг- 3,6
лом 90° с ответвлением
от проходящей струн
При скорости U2
Сопряжение под уг- 2,0
лом 90° при сходящихся
струях
То же
7*
99
Продолжение табл. 2'.'
Характеристика
местного сопротивления
Коэффициент
сопротивления
5»
Схема
движения воздуха
Примечание
То же, но кромки по- 1,0
воротов скошены под уг-
лом 45°
Сопряжение под уг- 2,6
лом 90° с присоединением
боковой струи к прохо-
дящей
Сопряжение под уг- 1,5
лом 60° с присоединением
боковой струи к прохо-
дящей
При скоро-
для поворотов с закругленными кромками для угла поворо-
та 90° (г — внутренний радиус закругления, b — ширина воздухо-
вода)
г/ь....................
Sr........................
0,25 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0 3,0
0,30 0,18 0,13 0,10 0,09 0,08 0,075
Для других углов поворота можно ориентировочно принимать
такое же снижение коэффициента £п. как и для прямого угла.
Как видно из приведенных данных, сопротивление поворота
резко уменьшается при наличии закруглений. Резко снижается
сопротивление и при увеличении радиуса закругления до размера
ширины канала, а при дальнейшем его увеличении сопротивление
изменяется мало. Установка вставок (лопаток) на поворотах
по профилю крыла или изогнутых пластин значительно уменьшает
местное сопротивление (например, при повороте под углом 90°
в пять-семь раз). На это необходимо обращать самое присталь-
ное внимание при составлении проектов систем вентиляции тон-
нелей.
При внезапном расширении воздушного потока (S2> Si) коэф-
фициент местного сопротивления рассчитывают по формуле
^=^..,(1+«/0,001),
где 5р.м— коэффициент местного сопротивления при внезапном расширении воз-
духовода с гладкими стенками.
Значения коэффициента |р с учетом шероховатости канала и
отнесения скорости v к узкому сечению приведены в табл. 23.
100
Таблица 23
Значения а Отношение Si/S?
0,2 | 0,4 | 0.6 | 0,8
0,0004 0,95 0,55 0,25 0,07
0,0016 1,77 1,01 0,47 0,13
0,0024 2,31 1,33 0,61 0,17
0,0030 2,72 1,56 0,72 0,20
Отношение S,/S,
0,8 | 0.6 | 0,4 | 0,2
0,0016 0,09 0,29 0,49 0,62
0,0024 0,1 1 0,37 0,62 0,79
0,0030 0,13 0,43 0,72 0,92
При внезапном сужении потока iSi> Ss) потери энергии
связаны с отрывом его от стенок в широкой части канала, местным
сужением на входе и последующим расширением в узком канале.
По аналогии с внезапным расширением значение коэффициента
местного сопротивления определяют по формуле
<я(14-а/0,0013).
Значения £с,л приведены в нижней части табл. 23 для наиболее
часто встречающихся случаев в практике вентиляции тоннелей.
В системах вентиляции тоннелей бывают также сложные случаи
местных сопротивлений: поворот и расширение, поворот и сужение
и т. д. Особенно большие потери возникают при подключении
вентиляторов к воздухоподающим или отсасывающим каналам,
так как скорость движения воздуха в этих местах максимальна.
Так, при работе вентилятора на всасывание при повороте струи
и одновременном сужении канала значения коэффициента £сл реко-
мендуется принимать по табл. 24.
При разработке проекта вентиляции и строительстве тоннеля
необходимо принимать всевозможные меры для снижения местных
сопротивлений. К таким мерам относятся: тщательное выполнение
сопряжений с устройством скругленных кромок и направляющих
лопаток; соблюдение плавных переходов от одного сечения возду-
Таблица 24
Характеристика местного сопротивления при отношении S2/Si
0,2 0.4 j 0,6 | 0,8 1,0
Поворот с обеими острыми 0,46 0,51 0,64 0,81 1,00
кромками Поворот с внутренней кром- кой, скошенной под углом 14° 0,19 0,21 0,26 0,33 0,42
Поворот со скругленной внут- ренней кромкой 0,09 0,10 0,11 0,13 0,20
101
ховода к другому (углы перехода в пределах 14—15°); обеспече-
ние плавных входов и выходов струи воздуха; уменьшение коэф-
фициента сопротивления трения всех воздушных каналов.
5. Схемы вентиляционных соединений
и методы их решения
До последнего времени вентиляционные сети тоннелей были
достаточно просты и имели минимальное количество распреде-
лительных и регулирующих устройств. В связи с удлинением
транспортных частей тоннеля, усложнением теплового режима,
хиеличением расходов воздуха вентиляционные сети как железно
дорожных, так и автодорожных тоннелей становятся все более
сложными; это обязывает проектировщиков более точно рассчи-
тывать все элементы системы вентиляции и источники тяги.
Наиболее простой является вентиляционная сеть, состоящая
из системы последовательно соединенных каналов. Потери депрес-
сии (кг/м2) в такой сети очевидны и представляют собой сумму
потерь в каждом элементе:
—Иг-р ... 4-/1л,
где /и, h2, ..../ы— потери давления в каждом элементе сети с учетом всех сопро-
тивлений на данном участке.
Потери определяются по формулам, приведенным выше, с уче-
том того, что режим движения воздуха во всех элементах турбу-
лентен, с показателем степени /1=2 по (51). При разделении
воздушных потоков и последующем их слиянии возникают парал-
лельные соединения (рис. 36); при этом различают простые,
Рис. 36. Схемы параллельных со-
единений
а — простое; б - с.южное; в — от-
крытое. Пунктиром соединены точки
выхода в атмосферу
102
сложные и открытые параллельные соединения. Под открытыми
понимаются такие, когда за точку схождения струй принимается
атмосфера. Для тоннелей необходимо учитывать, что соединять
точки сети, имеющие выход с атмосферу, можно только при усло-
вии, что давление воздуха в этих точках одинаково. Такое поло-
жение можно считать бесспорным, если каналы выходят на одном
портале тоннеля. При выходе каналов па разных порталах следует
принимать во внимание все поправки, связанные с физическим
состоянием атмосферы на разных порталах.
Так как разность давлений между точками А и В на рис. 36, а
будет для всех ветвей одинакова, то и потери давления во всех
ветвях будут одинаковы, т. е. hA^t_ B = hA.= Общее
сопротивление (кг/с/м'*) системы параллельных ветвей всегда
будет меньше, чем сумма сопротивлений каждой ветви; оно опре-
деляется по формуле
л/о 4- V г17Г। +1)‘I• (54)
Распределение воздуха по ветвям будет происходить по сле-
дующим зависимостям (м‘*/с):
qi = Qosiii/ (। /г2 Т п /гI +1), (55)
\<r./rl +^г ,/гЛ 4-1), (56)
<7s~/(x/Ti/гл -у-/7з/г2 4-1), (57)
тле fi, r.j и г>—сопротивления ветвей, кг • с2/м“; qi, q> и <73—расходы воздуха
в ветвях с соответствующими сопротивлениями, м’/с; R„,,v— общее сопротивление
системы параллельных ветвей, кг-с2/м“; общин расход воздуха, поступа-
ющего в сеть, м'/с.
В частном случае, когда сопротивления п элементов параллель-
ной системы одинаковы, общее ее сопротивление будет равно г^/п1,
т. е. в четыре, девять и т. д. раз меньше при двух или трех одина-
ковых ветвях.
Более сложны по распределению воздуха системы, в которых
параллельные ветви соединены между собой (рис. 37). Такие си-
стемы могут быть простыми диагональными системами (рис. 37, а)
или сложными диагональными соединениями (рис. 37,6). Есте-
ственное распределение воздуха в диагональном соединении будет
зависеть от сопротивлений г\ и г3, г2 и гА, прилегающих к точ-
кам С н D диагонали. Очень важным является то, что воздух в
диагонали CD может двигаться как от точки D к С, так и наоборот.
Если в прилегающих к диагонали элементах сети могут изме-
няться сопротивления (например, остановка нескольких автома-
шин), то такая схема неустойчива и должна быть исключена либо
обеспечена стабильность сопротивлений или автоматическое регу-
лирование расхода воздуха по элементам сети. Формул для расчета
сопротивления всей системы и воздухораспределения в ней нет.
ЮЗ
Определить направление воздуха в диагонали всегда можно, при-
равняв сопротивление диагонали Г5 = 0. Тогда простое диагональ-
ное соединение трансформируется в две последовательно соеди-
ненные ячейки из простых параллельных соединений. Установив
в них воздухораспределение по (55), можно определить направ-
ление воздуха в диагонали.
Еще большие трудности представляет расчет сложных диаго-
нальных соединений, так как точных расчетных формул для них
нет. В комбинированных соединениях, состоящих из наборов про-
стых соединений, можно расчленить систему на простые элементы
(рис. 38, а) и сначала рассчитать внутренние элементы, а затем —
остальные.
Пример 9. Вентилятор, установленный в штольне, подает воздух (<? =
= 40 м’/с), который через сбойки длиной 12 м выходит в тоннель. Штольня
имеет сечение S = 7,5 м2, Р = 11 м, а = 0,0024; у тоннеля $т = 35 м2, Р = 24 м, а —
= 0,0018. Тоннель н штольня пройдены на 600 м и сбиты сбойками через 200 м.
Сбойки такого же сечения, как и штольня (ос = 0,0038). Схема вентиляции и схема
вентиляционных соединений показаны на рис. 38. Схема представляет собой
комбинированное соединение; распределение воздуха в ней рассчитываем следу-
ющим образом.
Сначала находим общее сопротивление внутренней ячейки из двух параллель-
ных ветвей: первая ветвь сбойки 5—6, вторая состоит из последовательно соеди-
ненных элементов Гсу» = Т5-7 + r7_s + гв_й; затем определяем сопротивления отдель-
ных элементов.
Так как длины участков в штольне и тоннеле равны, то и сопротивления
участков соответствующих каналов будут равны. Сопротивление каждого участка
определяем по (50):
гл_5 =г5_7 =(0,0024 • 200 - 11)/7,53 = 0,0125;
г3_4=г.5_6=г7 „ =(0,0038 • 12 • 11)/7,53 = 0,0012;
r^f=r6~s =(0,0018 • 200 24)/353 = 0,0002;
гс) и = 0.0125 + 0,0012 +0,0002 = 0,0139.
Общее сопротивление внутренней ячейки рассчитываем по (54):
Гцар = 0,0012/ (<0?0012/0,0139 -+1 )2 = 0,0007.
Определяем суммарное сопротивление ветви, включающей внутреннюю ячейку
г(>« = 0,0125+0,0007+0.0002=0,0134, а затем распределение воздуха по (55):
=40/^/0,0012/0,0134 + 1 =30,7 м3/с.
104
Рис. 38. Схема вентиляции тоннеля
а—через сбойки; б—расчетная схема соединений; /?,. /?2 и Rs— регуляторы расхода
воздуха
Тогда расход воздуха будет
по ветви 3—5
q3_. =40-30,7 = 9,3 mj/c;
по ветви 5—6
q5. л =9,3/-/бЖ27адТ39 + 1 =7,2 mj/c;
по ветви 7—8
<77-8=9,3-7,2 = 2,1 м3/с.
Такое естественное распределение воздуха, как правило, на практике нера-
ционально, поэтому в ветвях н г^-е надо устанавливать дополнительные
сопротивления (регуляторы), расчет которых будет изложен ниже. Следует заме-
тить, что для определения напора вентилятора в рассмотренном примере нужно
учесть потерн на участках /—3 и 2—4, а также местные сопротивления поворотов
и расширения струй при выходе нх в тоннель. На практике встречаются и более
сложные случаи схем вентиляционных соединений (рис. 39).
Сложные схемы не поддаются расчету по формулам, приведен-
ным выше. Для их расчета разработано несколько приближенных
способов достаточно точных для инженерных расчетов вентиляци-
онных систем тоннелей. В практике рудничной вентиляции наи-
большее распространение получил метод М. М. Андрияшова, де-
тально разработанный С. Цоем и Е. И. Роговым [63]. Он основан
на том, что в любом замкнутом контуре, если условно придать
одному из направлений вентиляционной струи положительный
знак, например по часовой стрелке, а против часовой стрелки —
отрицательный, то сумма депрессий будет равна нулю:
105
Рис 39. Схема i, ом 0 и и и poti они <л о (и) и сто/мкио (г5) соединений
V /<-//= о. (58)
, = ।
Сумма дебитов воздуха в любой узловой точке сети также
равна нулю, т. е. количества входящего в узел и выходящего из
него воздуха всегда одинаковы:
S ^0 (59)
।
Если в данный контур включен вентилятор, создающий де-
прессию ft,., или в нем действует естественная тяга ft,., то
2'
Знак развиваемого вентилятором напора всегда противополо-
жен знаку потери депрессии в той ветви, в которой он установлен;
знак принимается положительным, если естественная тяга способ-
ствует движению воздуха, и отрицательным, если она противо-
действует работе вентиляторов.
При естественном распределении воздуха в соединении отно-
шения количеств воздуха, проходящего в разных его ветвях, друг
к другу зависят только от сопротивлений ветвей и не зависят от
общей депрессии или общего количества воздуха, проходящего
через соединение. Поэтому, если общее количество воздуха увели-
чится с Qo до Qi, т. е в Qi /Qo= т раз, iо в т раз также изменится
количество воздуха и в каждой ветви соединения. Если общая
депрессия изменится с ft() до ft|, то дебит всего соединения и каждой
его ветви изменится соответственно в д/fti/ft,, раз.
При изменении сопротивления или депрессии любой ветви
замкнутого элементарного контура вентиляционной системы, на-
рушающем равенство пулю депрессий контура (58), в нем изме-
няется воздухораспределение, что восстанавливает нарушенное
равенство. Изменение виздухораспределения в одном контуре
передается в смежные контуры с уменьшением величины изме-
нения.
Рассмотрим данные положения применительно к часто встреча-
ющемуся случаю вентиляции тоннелей -- схеме, показанной н<з
106
рис. 37, а. Обходим контур BCEDB по часовой стрелке; сумма
депрессий +( — /г/ли)==0. Депрессия вентилятора в контуре
с пунктиром.
/о — R Q и; + RHi'i Qiwi I R I' Q'i I ~
R \и Q!\n Е Rm I Qin I 4 R11 Qi1
Если расход воздуха от вентилятора увеличим в т раз, т. е.
Qi=Qom, то по (54) в числителе будет Qorn и, следовательно,
дебит qi увеличится в т раз. Если, изменив ^гол установки лопаток
рабочего колеса, увеличить депрессию с 30 до 50 кг/м2, расход
воздуха в системе возрастет в 1,41 раза. Указанные обстоятель-
ства имеют важное значение и при учете естественных сил: гра-
витационного и ветрового напоров.
Зависимости (58) и(59) при расчетах реализуются следующим
образом. В простом параллельном соединении (см. рис. 37) к
точке В подходит количество воздуха Qu, а распределение его
по ветвям R, и R, неизвестно. Предположим, что дебиты струй
равны между собой, т. е. r/i,,,, Если действительные дебиты
</i и </?, то
А'иД.-О. (60)
П|> + ' пр + А (61)
где \h — невязка депрессии, вызванная тем, что значения дебитов
и <7'2 <7*2 пр-
Уравнения (60) и (61) можно написать так:
£ R,q'f = о, (61а) ' X R,qElf -1 X R,qint,= ±\/т (62)
Вычитая из (61а) почленно (62), получим:
У) R,q! - R,q, „|,= ± л h. (63)
Действительное значение дебита можно представить как q,~
= <?iup+ Подставив это значение в (63), будем иметь:
2 А‘, (q, 4 \q,)2 -2 + аН,
раскрывая скобки и производя сложение, найдем:
X /<</ ир4' пр ( R, A q, X Ri‘/i пр~ л. Afi.
Величину R, xqf как величину второго порядка малости прини-
маем равной нулю, что приводит к приближенному, а не точному
решению:
3/?,</, ир A q, 4z A fi ==i 0;
107
Рис. 40. Схема к расчету диагонального соединения (и) и упрощенная схема
при г2 = 0 (б)
это уравнение является основным при решении задач данным
методом линеаризации.
Пример 10. В качестве числового примера решим простое диагональное
соединение (рис. 40). Известны сопротивления ветвей (кг-см2/м): /?|=0,075;
/?2 = 0,05; /?з = 0,05; R4 = 0,028; /+ = 0,073; общее количество воздуха, поступа-
ющего в сеть, Qo = 40 м3/с. Требуется рассчитать расходы воздуха по ветвям.
Примерное распределение воздуха установим, принимая сопротивление диаго-
нали /?2 = 0; тогда диагональное соединение превратится в два параллельных
соединения, и приближенные расходы воздуха определятся по (55) — (57):
Ч1=40/(70Д)7570705'-Т1)=17,9 м3/с;
<7з = 4О- 17,9 = 22,1 м3/с; qs = 4О/(7о7б737аО2|Г + 1) = 15,2 м’/с;
<74 = 4О—15,2 = 24,8 м’/с.
Как видно из значений расходов, воздух движется от С к В, а его расход
по диагонали равен <72 = 22,1 — 15,2 = 6,9 м3/'с. Обозначим через х <у, и ,\q2 поправки
дебита для всех ветвей сети и составим для ячеек 1 и 2, учитывая знаки движения
по часовой стрелке, линейные уравнения:
2/?|<7, л<7, 4-2/?з<7зЛ<7< — 2/?2</2(Л<?2 —л<7<)±лЛ = 0; .
2/?29г(л </2 — a<7i)4-2/?4<7M<72 + 2/?s<?5A<72±a/i=O.
Вычисляем значения '2RQ, \h = R2q и для удобства вычислений составляем
табл. 25.
Обходом по контурам / и 2 определяем невязки депрессий:
лЛ, =Л|—йз —Л2 = 24,0 — 24,4— 23,8 = —24,2: ,
лЙ2 = й24-Л4 —/15 = 23,8+ 17,2- 16,8= +24,2. ’
Подставляя в линейные уравнения числовые значения ‘2Rq и Лй, получаем
систему из двух уравнений:
2,68л <7i +2,21 к/, —6,9л<72 + 6,9л<?| — 24,2 = 0, ,
6,9л</2 —6,9л</| + 1,39 л<72 Т 22,2л <72+ 24,2 = 0. '
Номер ветви (рис. 40) <7 R 2Rq +/г '<?
1 17,9 0,075 2,68 24,0 + 1,16
2 6,9 0,50 6,9 23,8 -2,7
3 22 1 0,05 2,21 24,4 -1,16
4 24,8 0,028 1,39 17,2 - 1,54
5 15,2 0,073 2,22 16,8 + 1,54
108
После приведения поллбных членов вычиляем значения л<ц = —1,16 и л</2 =
= — 1,54. Согласно со схемой на рис. 40, а подставляем поправки в дебиты ветвей
и заполняем графу е/Исир с соответствующими знаками. Затем подсчитываем
значения депрессий по ветвям н обходом по часовой стрелке определяем невязки
депрессий:
\h' = /i,-/i3-/i2 = 27,2-21,9-8,82=-3,52; ,
л/1" = /124-Л< —/15 = 8,82 + 15,1 -20,4 = 3,52. }
Одинаковые значения невизок подi верждают правильность расчетов. Снова
подставляем в исходные линейные уравнения тиачеиия -'/С',,, 1|р. \ < и \н”-
2,86л<?1+2,09л<?1-4,2д^ + 4,2л1?1-3,52 = 0;
4,2\<;'_. — 4,2 \</' + 1,3 -р2,44 \</'_. + 3,52 = 0, I
После приведения подобных членов вычисляем -\<7(=О,25 и л</2=—0,31.
Вводим поправки и получаем исправленные значения расходов воздуха по ветвям
gl,,,,,,. которые вносим в таблицу. Для этих значении q, депрессии составляют:
/и =0,075 • 19,322 = 27,96; /12 = 0,5 3,642 = 6,62;
й, =0.05 • 20,692 = 21.4; Л, = 0,028 • 22,952= 14,74; }
/15 = 0,073 17,052 = 21,22.
Невязки депрессий при обходе контуров / и 2 следующие:
л/ц =27,96 - 21,4 - 6,62=-0,06; .
лЛ2 = 6,62+14,74-21,22=+0,14. '
Общая депрессия диагонального соединения /ф = й । + й, = 42,7; по параллель-
ной ветви Л" = /1|+ /15 = 42,62; по ходу движения воздуха в диагонали h'" =
= Лз +/»2 +/14 = 42,76. Отклонения полученных результатов не превышают
±0,2 кг/м2, что вполне приемлемо для инженерных расчетов.
При расчетах методом линеаризации (исключением малых
величин во второй степени) результаты, как правило, быстро
сходятся, а потому расчеты можно производить вручную. В более
сложных схемах (например, на рис. 39, б) расчет ведут следующим
образом. Всю схему делят на замкнутые контуры так, чтобы каж-
дая ветвь входила в один из контуров. Общее число расчетных
контуров М определяют по формуле
М = п — I + 1;
Таблица 25
Ч »|< и [> Пр '4' Ир
19,06 27 2 2,86 + 0,25 19,31
4,2 8,82 4,20 -0,56 3,64
20,94 21,9 2,09 -0,25 20,69
23,26 15,1 1,30 -0,31 22,95
16,74 20 4 2,44 + 0,31 17,05
109
1ДСС1> п - число ветвей; / - число \ i.ioii, 1 е. точек. в коюрых сходятся три
и более ветвей
Так, в систему соединений включены источники тяги (венти-
ляторы); они учитываются в данном контуре, и система линейных
и нелинейных уравнений для всех ее узлов и контуров имеет вид:
Q,=0.
। = ।
/—I j -i
(64)
где m - число источников thi и, i - номер uorin. / - номер источника гиги.
Замена квадратных уравнений линейными производится ме-
тодом Ньютона, сгилаено которому эквивалентная система
п
1 лч?.==0,
,, } (65)
V 2R,Q,ltSQl - V
। ле \ Q, искомое приращение для определения точного значения расхода по
/-й ветви; QIU приближенное >наченне расхода воздуха в i-и ветви; </|/i,(Q.h)J —
производная по Q от функции h,(Q}, вычисленная для Q —Ql(l; лЛ(1 — невязка
депрессии в контуре при Q, = Q,„
Система (65) получена, если исходная система (64) записана
для Q = Q,0, а затем - для точного значения расхода Q,; после
чего из уравнений для Q, надо вычесть соответствующие уравне-
ния для Ql0, отбросив при этом члены второго порядка малости,
содержащие aQ, =(Q, — Q,0)2-
Пример решения задачи такого типа приведен в пятой главе.
Сложность метода решения зависит от числа контуров (ячеек), и
при четырех-пяти контурах задача решается ручным счетом.
При использовании программы на ЭВМ типа ЕС-2031 возможно ее
решение для любой системы вентиляции автодорожных тоннелей.
6. Регулирование расхода воздуха
в сети
Все способы регулирования расхода воздуха в системах тон-
нельной вентиляции можно разделить на две группы: положитель-
ные и отрицательные.
При положительном регулировании либо увеличивают расход
воздуха главного вентилятора, либо включают для совместной
работы дополнительные вентиляторы, или устанавливают допол-
I 10
нительные венгиляюры в самой венi h.i>siu<<>hh<>и сети. При таком
регулировании увеличивается как общий расход воздуха, так и
парциальные расходы ь ветвях вентиляционной системы.
Отрицательное регулирование количества воздуха можно осу-
ществить с помощью вентиляционных окон, и.щетинчатых пово-
ротных регуляторов, дверных проемов и воздушных завес.
Расчет нотожнтельного регулирования ведется графоаналити-
ческим методом путем решения задачи па соимесгную paooiy
вентиля торов
При отрицательном per улировапии расчет пршнво.тят следу-
ющих! образом [45]. Задаются расходами в двух параллельных
струях Qt и Qi и определяют их отношение
иг - О,/О?
Затем вычисляют величину дош-лни > ельиы о сопротивления
в ветви, где расход воздуха можно у менынить:
(66)
При установке в качестве регулятора вентиляционного окна
следует учит ывать, что перемычка (перегородка), в конфой устра-
ивают окно, должна б<лт ь герме гпчной, i ак как неплотност и
намного уменьшают сопротивление перемычки, что приводит к
ошибкам при регулировании расхода Сечение окна де,тают пере-
менным (передвигающаяся штора, диафрагма и т. п.) с некоторым
запасом по- отношению к расчетной величине, Печение (м~) окна
определяют но формулам
для S1)h/SK<.;0,5
5..,-.$./((),65щ3,635, у R,Q S, (67)
для Soh/SK> 0,5
5,,, = .S’./(I Д-2.383,, у R , (68)
гд.’ - - ссчсн-ie кап.'ма. в контрим тсгзночден л tH'pcMi nihd с (jmiom, м2
Значение R„k вычисляют по ((>6). Расчет будет правильным,
если сопротивление перс мычки, в которой усiанивлено окно, будет
достаточно большим При -200 для 8,,к -'Д <0,5 и при
RWii/R,lk< 100 для 5<.t, 3’ц > 0,5 площадь (м3 живого сечения
окна находят но выражению
Пластинчатые поворотные регуляторы устанавливают у стенки
тоннеля или штольни, оставляя свободными сечения для проезда
транспорта, прохода люден и других целей. Пластины могут гю-
11
ворачиваться на некоторый угол по отношению к воздушному
потоку. Расчет ведется на максимальное значение их сопротивле-
ния, когда свободное сечение Зп между пластинами или пластиной
и боковой стенкой максимально. Дополнительное сопротивление
определяют по (66), после чего вычисляют максимальное значение
коэффициента местного сопротивления £макс в зависимости от типа
и схемы размещения пластин:
для одной пластины с острой кромкой, установленной у стенки
выработки,
Um = 5,5(S„/S„—I)2;
для двух пластин с острой кромкой, установленных друг против
друга,
U«. =26,3(Sk/S„-I)2.
Максимальное сопротивление (кг-с2/м4) одного регулятора
/?„.,=0,0612(^.,к1./52).
Число пластин при последовательной установке
Л — пл -
Оптимальное расстояние (м) между пластинами при Зп/Зк =
= 0,654-1
/=40(1-$„/$„).
Дверные проемы устанавливают в каналах и выработках, за-
крывать которые постоянно нельзя, чтобы оставался свободный
проезд для транспорта (Зд.п). Вначале определяют отношение
площади выработки Зв к площади дверного проема Зд.п. Затем
рассчитывают по (66) общее сопротивление всех дверных проемов
и общий коэффициент местного сопротивления всех дверных
проемов:
£<) Д II 1 6,3 /?|) ,1 и «Sn-
Коэффициент сопротивления дверного проема:
при Зд.п/Зв^С0,5
L, „ = 2,4(5'в/5д 0,65)2;
при Зд.п/Зв> 0,5
Ь „ = 2,89(S,/Sa I)2.
Требуемое число дверных проемов
112
Рис. 41. Значения поправочного
коэффициента А
п = 11ООЬ л „ (200 - А)] / [Lx „ (А - 100)|.
Поправочный коэффициент А находят по графику на рис. 41
в осях А и //7,, где I — расстояние между дверями; d3 — 4Sa/P —
эквивалентный диаметр выработки. Расстояние между дверными
проемами принимают (2,54-4,5)7,.
Воздушные завесы эффективны при регулировании в возду-
ховодах относительно небольшого сечения, так как нуждаются
в значительном расходе воздуха для образования завесы.
Следует заметить, что при установке регулятора сопротивление
(кг • с2/м4) системы параллельных выработок увеличится, ибо в со-
ответствии с (54) оно будет равно
«oap=(r1+/?.l)/i(V~r7+‘/?l7n +1 у ].
Для поддержания общего расхода воздуха в соединении надо
увеличить напор (кг/м2) вентилятора до
ha == ^?napQoj
в связи с этим отрицательное регулирование должно осуществлять-
ся совместно с источником тяги (вентилятором), как будет пока-
зано ниже.
/ В практике вентиляции тоннелей встречаются случаи, когда
количество параллельных струй гораздо больше двух. Расчет
распределения воздуха с использованием регуляторов можно вести
несколькими способами. Рассмотрим схему подачи воздуха по ка-
налу с постоянным сечением и равномерную раздачу его через
выхлопные отверстия (рис. 42). Чаще всего предусматривают
равномерное распределение воздуха, т. е. q\=qz—... =qn-
При этом расчетная схема (рис. 42,6) представляет схему после-
довательно-параллельных соединений (контуров). Потери депрес-
сии (кг/м2) на каждом участке
h< —- R, </,ч 4- RnaQi 4- Rv. ,
8
Заказ 244
113
*ок
nr-rrr WI; >>> »/im >» 1г
Рис. 42. Схема равномерной раздачи воздуха из нагнетательного канала
а - схема движения воздуха, 6 расчетная схема
где R,— сопротивление воздуховода на участке между окнами, кг-с2/м4, qs„ -
количество воздуха, проходящее по <-му участку воздуховода, mj/c; Rok— сопро-
тивление окна (регулятора) для пропуска воздуха qt, кг • с2/м4; —местное
сопротивление поворота в месте выпуска воздуха, кг-с2/м4.
Суммарная депрессия (кг/м2) всего воздуховода
йu = h, -f-h, у., ... -p/in,
где Л„— напор, развиваемый вентилятором, если считать воздуховод герметичным.
Сечение окна (или иного регулятора) рассчитывают по (67)
и (68) или характеристикам регуляторов в зависимости от их
конструкций.
Пример II. В схеме соединений, показанных на рис. 38, требуется установить
регуляторы окна в сбойках <3—4 и 5—6 так, чтобы расход воздуха в них был
одинаковым (q\ =q2 — q3), и определить напор вентилятора. Остальные данные —
из примера 9. Как видно из рис. 38,6, схема состоит из двух последовательно-
параллельных контуров. Определим потери напора на участке 5—7—8—6 с рас-
ходом воздуха <7 = 40/3=13,33 м3/с по (49):
й5_7 =(0,0024 -200-1I)/7.53 • 13,332 = 2,22;
потери напора на повороте по (53):
Л'„ = 0,4 • 13,332/7,5 • 1,2/(2-9,81) = 0,07;
потери напора на сбойке:
й7_я =(0,0038- 12- 11) /7,5'• 13,332 = 0,21;
потери напора на повороте из сбойки в штольню с расширением струи
(см. табл. 23):
/i'' = /i'„+l,9(I,772 • 1,2)/(2 • 9,81) = 0,43;
потери напора в тоннеле:
he-., =(0,0018 - 200 - 24)/35‘- 13,332 = 0,0,3,
114
суммарные потери:
/ц - л-s =2,96;
такие же потери в параллельной ветви 5—6. Сопротивление в ней состоит из
сопротивления трения и сопротивления окна тогда потери напора
/15-6=(/-5-6+/??к) • 13,33’,
откуда
Л'о'к = (2,96 - 0,21) /13,332 = 0,0154.
Сечение окна определяем по (67):
S?K = 7,5/(0,65 4-2,63'7,5 -0,124) = 2,4 м2; SoKSc6 = 0,32 <0,5.
Потери напора на участке 3—5—6—4.
кз—4~ кз~5 4* Лп 4- кз—6 4* Л» 4* v; /u_5 =0,0125 • 26,662=8,9;
по табл. 22.
й'„ = 3,6 -(1.772 • 1,2) / (2 • 9,81) = 0,68; /<5_6 =2,59;
/г6 ., =(0,0018 • 200 24)/35J 26,(i62 = 0,14;
Л'п' = й'„4-0,36=1,04; h3_4 = 13,36; R'„ = (13,36 —0,21) /13.332 = 0,074;
S'o, = 7,5/(0,654-2,63 - 7,5 - 0,27)= 1,24 м2;
Л, , =(0,0024 -200-11)/7.53 • 402 = 20,02;
/г4_ - =(0,0018 - 200 - 24)/352 - 402 = 0,32.
Напор вентилятора
he = hi~з 4~/b—з 4*Л,; 7 -(- + h" 4"Л 1-з 4~^л—6 4"кз-з 4~Л з—7 = 32,34 кг/м2.
Расчет выхлопных или всасывающих отверстий может быть
произведен по методике, используемой в промышленной вентиля-
ции для каналов с равномерной раздачей воздуха через окна [49].
Для нагнетательного канала площадь /-го выхлопного отверстия
(м2) определяют по формуле
/=,=//=,-1. (69)
где / — коэффициент уменьшения площади последующего отверстия по ходу
движения воздуха по каналу.
Коэффициент уменьшения площади рассчитывают по выра-
жению
/ = 1//Г=Т2[>-В(>-1)2] ; (70)
здесь И — коэффициент, учитывающий сужение струп:
А =И(Л->/£«); (71)
8
115
ц— коэффициент диафрагмирования (ц = 0,65); В — показатель, учитывающий
шероховатость канала, его длину, число отверстий и сечение канала:
В = I +UK/nd, + r\/(i— I)2; (72)
X— гидравлический коэффициент сопротивления трения; /к—длина всего нагне-
тательного канала, м; п — число выхлопных отверстий; ц — коэффициент потерь
(т]==0,4); di—эквивалентный диаметр канала, м:
d,= 2ab/(a + b), (73)
где а — ширина канала, м; b — высота канала, м.
Размер (м2) первого (считая от закрытого конца канала)
отверстия определяют, исходя из максимальной скорости выхода
воздуха из него;
В | = Q о/ tlV м ах с-
При таком распределении воздуха существует критическая
длина канала, при которой размер (м2) отверстия будет наиболь-
шим; поэтому необходимо определить его значение;
/,P=3rf,/x. (74)
При этом формула (72) справедлива при /</кр. Если же />/кр,
расчет нужно вести с последнего отверстия и сечение для него
найти по формуле
F„ = Q/nuua«c (75)
и затем для п — 1, п — 2 и до i— 1.
Напор (кг/м2) вентилятора (считая, что канал не имеет утечек)
исчисляют так:
h. = £a(yv2«/2g), (76)
где Е,„— коэффициент полного сопротивления:
^S./pV/Д (77)
Для вытяжного канала постоянного сечения размер (м2) вса-
сывающих окон
'7'-7л/7ГГ+#’-1'-'>1+'Я7<78>
Сечение (м2) первого (считая от закрытого конца) отверстия
определяют по минимальной скорости воздуха через всасывающее
отверстие:
F I == Q о/rt У М ин
116
Депрессия вентилятора (не считая притечек через неплотности)
рассчитывается по (76), где
Указанный метод расчета по (69) и (78) не учитывает потерь
напора из-за местных сопротивлений, поэтому размеры отверстий
могут быть несколько завышенными. Однако главный недостаток
всех перечисленных методов — то, что все воздуховоды принима-
ются герметичными, т. е. без утечек.
Пример 12. В сводовой части тоннеля имеется бетонный канал длиной
400 м, в котором устроены 10 выхлопных окон (п = 10); ширина канала А = 4 м,
высота й=1,2 м; для вентиляции тоннеля требуется подавать 36 м3/с воздуха;
определить размеры выхлопных отверстий и напор вентилятора.
Определяем эквивалентный диаметр по (73)
d, = (2 4 1,2)/(4 + 1,2)= 1,84,
скорость движения воздуха в начале канала
о„ = 36/(4 1,2) = 7,5 м/с;
для гладкого бетона
k = 0,0006/0,0153 = 0,039.
Критический размер канала по (74)
/ьр = (3 • 1,84)/0,039 =1,41.
При /> /кр расчет ведем с последнего отверстия, и его площадь определяем
по (75):
/„ = 36/(10 -6) = 0,6 м2.
Минимальную скорость о«ин = 6 м/с приняли, исходя из рекомендаций
СНиП П-44—78; по (71) находим:
А = 0,65/„/4,8 = 0,135;
по (72) вычисляем
S = 1 + (0,039 • 400) /(10 • 1,84) + 0,4/(< - I )2 = 1,84 + 0,4/(< - I )2;
по (70) определяем коэффициент уменьшения площади для п— 1=9-го от-
верстия:
(ю=1/з/ 1 —0,0812 102— 1,84 92 =0,87; /9 = 0,87 0,6 = 0,52.
Далее все вычисления производим аналогично, заполняя табл. 26 значе-
ний А, В, f и /, (м2).
Коэффициент полного сопротивления по (77)
= 4,82/(0,652 • 102 • 0,342)+ 1 =5,717.
Напор вентилятора по (76)
Л„ = 5,717 • (1,2 • 7,52)/(2 • 9,81)= 19,6 кг/м2.
117
1 1 _L 2 1 3 1 4 1 5 1
А 0,046 0,047 0,048 0,049 0,050
В 2,24 1,94 1,88 1,86 1,85
1 0,99 0,99 0,99 0,99 0,98
F, 0,34 0,35 0,35 0,36 0,37
Если скорость воздуха в ВЫХЛОПНЫХ отверстиях превышает
установленные нормы, то увеличивают сечение последнего отвер-
стия, производят повторный расчет и проверяют скорости воздуха
на выхлопе.
Указанный метод расчета не учитывает местных потерь напора
на поворотах воздуха в окна, поэтому напор вентилятора получа-
ется несколько ниже фактического, а размеры окон немного завы-
шенными. Конструктивно окна выполняются с подвижными што-
рами, чтобы сечение их можно было изменять па ±20 %. Анало-
гично рассчитываются вытяжные каналы с отверстиями разного
сечения.
Глава пятая
ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
АВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ
1. Вентиляторные установки главного
проветривания
Для эксплуатационной вентиляции автодорожных тоннелей
используют осевые и центробежные* вентиляторы, применяемые
в метрополитенах, горных выработках, или вентиляторы общепро-
мышленного назначения. Диапазон параметров этих вентиляторов
очень велик, а потому всегда имеется возможность подобрать
вентилятор по требуемому расходу воздуха и напору.
За рубежом выпускают вентиляторы, специально предназна-
ченные для проветривания автодорожных тоннелей. К ним отно-
сятся вентиляторы с вертикальной установкой осн вращения,
позволяющие работать в вертикальной шахте. Выпускают также
вентиляторы, рассчитанные на повышенный температурный режим
(вентилятор английской фирмы «Аэрекс» допускает температуру
* В вентнляторостроении, а также в некоторых зарубежных странах эти
вентиляторы называют радиальными, что больше соответствует физическим про-
цессам перемещения воздуха в нх рабочем колесе.
118
Таблица 26
6~ | 7 | 8 | 9 | 10
0,053 0,057 0,062 0,070 0,081
1,85 1,85 1,84 1,84 1,84
0,96 0,94 0,92 0,89 0,87
0,39 0,42 0,46 0,52 0,60
воздуха до-|-200°С) для работы на всасывающем канале при
поперечной схеме вентиляции. Для струйной системы вентиляции
изготавливают подвесные вентиляторы (Impulse fans) с конфузор-
ной и диффузорной насадками и шумоглушителями.
Конструктивно все вентиляторы можно разделить на две груп-
пы: центробежные (радиальные) и осевые. Для обеспечения
широких пределов по производительности вентиляторы проекти-
руют сериями, состоящими из нескольких разных по размерам, но
геометрически подобных машин. Основным параметром любого
вентилятора является размер рабочего колеса, диаметр которого
в дециметрах входит в обозначение данного вентилятора.
Центробежные вентиляторы общепромышленного назначения
делятся на три группы: низкого давления — до 100 кг/м2
(1000 Па), среднего давления — до 300 кг/м2 и высо-
кого давления — свыше 300 кг/м2. Важнейшим показателем
работы вентилятора является его КПД, который должен быть
не ниже 0,6—0,75.
Разработанные ЦАГИ современные вентиляторы серии Ц4-70
(Ц — центробежный, 4 — пятикратная величина коэффициента
полного давления) имеют максимальные КПД 0,81—0,84. Про-
изводительность их регулируется изменением числа оборотов ра-
бочего колеса, т. е. установкой двигателя с другим числом оборо-
тов или заменой шкивов при клиноременной передаче. Центро-
бежные вентиляторы не реверсируются, что вызывает необходи-
мость в системе обводных каналов для изменения направления
движения воздуха.
Осевые вентиляторы конструктивно проще, в связи с чем потери
мощности внутри них меньше, что предопределяет их более высо-
кий КПД. Металлоемкость осевых вентиляторов на единицу мощ-
ности меньше, чем центробежных. Производительность осевых
вентиляторов можно регулировать в широких пределах, изменяя
угол установки лопаток рабочего колеса. Изменение режима
работы вентилятора на сеть путем изменения сопротивления го-
раздо меньше влияет на нагрузку двигателей, чем у центробежных
вентиляторов. Осевые вентиляторы реверсивны, т. е. изменением
направления вращения рабочего колеса можно изменить направ-
ление движения воздуха в самой машине. Но поскольку при ра-
боте осевого вентилятора не используются центробежные силы, то
при прочих равных условиях они создают меньшее давление
(разрежение). Для его повышения приходится усложнять КОН-
119
струкцию вентиляторов, добавляя количество ступеней или увели-
чивая число оборотов рабочего колеса, что приводит к возрастанию
силовых нагрузок. Главным же недостатком осевых вентиляторов
по сравнению с центробежными является их чрезмерная шумность.
Тоннельная вентиляция метрополитенов предъявляет ряд спе-
цифических требований, исходя из которых и разработаны совре-
менные конструкции вентиляторов. Им присущи относительно
небольшие давления (30—60 кг/м2) и значительная производи-
тельность (30—80 м3/с). Так как в зимний и летний периоды на-
правление воздуха в тоннелях метрополитена меняется, вентиля-
торы должны работать с высокими КПД как в нормальном, так и
в реверсивном режиме. Для уменьшения капитальных затрат при
сооружении подземных камер размеры вентиляторов и вспомога-
тельные объемы при их обслуживании должны быть минималь-
ными. Конструктивная схема вентиляторов должна быть удобной
при обслуживании и ремонте. Габариты узлов должны позволять
их транспортировку по тоннелям и давать возможность устанав-
ливать два вентилятора в одной камере.
Таким требованиям в наибольшей мере отвечает осевой двух-
ступенчатый реверсивный вентилятор марки ВОМД-24 с одним
направляющим и одним спрямляющим аппаратом, разработанный
ЦАГИ совместно с Метрогипротрансом. Вентилятор имеет вы-
носной электродвигатель мощностью от 22 до 75 кВт, соединенный
текстропной передачей, сообщающей рабочему колесу скорость
вращения 320 об/мин (оптимальная скорость). Рабочее колесо
имеет 10 рабочих лопаток на первой и второй ступенях и 14 пово-
ротных лопаток в спрямляющем аппарате. Возможный угол пово-
рота лопаток рабочего колеса — от 15 до 45°.
При реверсировании вентилятор обеспечивает производитель-
ность до 80 % максимальной при данном угле установки лопаток
рабочего колеса. Поворот лопаток спрямляющего и направля-
ющего аппаратов может осуществляться дистанционно или вруч-
ную. При остановке лопатки спрямляющего и направляющего
аппаратов занимают среднее положение, выполняя роль заслонок,
что очень важно для уменьшения утечек воздуха через параллель-
но установленный вентилятор. Конструкция вентилятора преду-
сматривает установку коллекторов (длина вентилятора с ними
4,5 м) или диффузоров длиной 4,2 м (длина вентилятора с двумя
диффузорами 11,5 м). Масса вентилятора без электродвигателя
10,5 т, масса наибольшего неразбираемого узла 2,93 т.
Шахтные вентиляторные установки главного проветривания
имеют большой диапазон рабочих параметров. Так, данные табл. 27
о некоторых серийно выпускаемых центробежных вентиляторах
показывают, что они могут обеспечить расходы воздуха от 3 до
300 м3/с и развивают давление (напор) от 110 до 900 кг/м2.
Кроме приведенных в табл. 27, по специальным заказам вы-
пускаются более мощные вентиляторы с диаметром рабочих колес
40 и 47 дм. Как видно из таблицы, двустороннее всасывание
120
S »х X
го X X X X ь го к го
X колеса, £ о о к’ а X X f- га н го 5 о 03 из С ц го* X X X н X го 03 л
5 о X CJ и го
ГО Н сп СП СП X о ГО о о S. X ГО го Q- 03 »х 3 X 0 X л 5 § го ГО ГО о о £ X о н со
С £ £ го X & о о 1 кси мал § ГО сП X о £ <£> & X ГО X X СП X го X 5 о
S х <2 е( С X С Л\ с р- f- ГО го" о
са, дм >б/мин ческий в области го С =* го
го 5 ° X н
X го о X о R » = 5 Л X X го
tv н СП го X ГО 3 »х о X 03 го
СП X о С тр рабо S.2 “ 5 X га & * и р 1 \
го £ ГО S.5 а * Л X о <£> X g °" я У
я * "И t^uSr С
ь<: fT
121
воздуха в машину (индекс Д в марке вентилятора) резко повы-
шает производительность вентилятора, но намного усложняет
конструкцию вентиляционных каналов при работе его на всасы-
вание.
Технические характеристики серийных осевых шахтных венти-
ляторов главного проветривания приведены в табл. 28. Как видно
из нее, диапазон производительности составляет от 6 до 377 м3/с
при напоре до 460 кг/м2.
Как видно из габл. 27 и 28, геометрические параметры являются
важнейшими показателями любого вентилятора. В целом аэроди-
намические свойства вентилятора зависят от конфигурации про-
точной части, диаметра рабочего колеса, числа лопаток, установ-
ленных на нем, и других параметров, находящихся в определенном
соотношении друг с другом, и составляют аэродинамическую
схему вентилятора.
Вентиляторы разных размеров, выполненные по одной аэроди-
намической схеме, принято относить к одному типу. Так, вентиля-
торы ВОД-21, ВОД-ЗО и ВОД-40 выполнены по схеме К-84 (К —
крученые лопасти, 84 — коэффициент быстроходности), разрабо-
танной ЦАГИ.
Зависимость между производительностью, давлением, разви-
ваемым вентилятором, КПД и потребляемой мощностью при
определенных углах установки 0 лопаток рабочего колеса и на-
правляющего или спрямляющего аппарата 0Н а при постоянной
скорости вращения ротора называется аэродинамической харак-
теристикой вентилятора. Она может быть безразмерной — для
одного типа (одной аэродинамической схемы), но различных раз-
меров и с разными частотами вращения рабочего колеса. Эти
характеристики строятся в координатах, где по оси абсцисс откла-
дываются коэффициенты производительности, а по оси ординат —
коэффициенты давления и мощности. В нашей стране приняты
обозначения и значения этих коэффициентов, отличающиеся от
принятых в технической литературе [45]. В табл. 29 представлены
значения этих коэффициентов. В данной таблице ф = 2/7; Х =
= 2А; ф = Q; р — плотность воздуха, кг/м3; и — скорость враще-
ния лопаток рабочего колеса, м/с; Pv— полное давление, отсчи-
тываемое от абсолютного нуля, Па; Psa— статическое давление,
отсчитываемое от абсолютного нуля, Па; Pde— динамическое дав-
ление, отсчитываемое от абсолютного нуля: D — диаметр рабочего
колеса, м; ф, X и ср — коэффициенты давления, потребляемой
мощности и подачи.
Индивидуальная характеристика (размерная) определяет пе-
речисленные зависимости для конкретного вентилятора, у которого
можно изменить 0 или число оборотов рабочего колеса. В осях Н—Q
или N—Q наносят семейство кривых, представляющее область
промышленного использования вентиляторной установки, так, что-
бы КПД был, как правило, не ниже 0,6.
122
Таблица 29
Коэффициент
Применяемое обозначение
в технической литературе 1 рекомендовано с 1973 г.
Давления Н = Н/ри'2 'f = 2P../(lu2
Н„=Н„/[>и'2 tys = 2P,v/pu'2
Нл=Нл/ри2 ^d = 2Pdv/pu'2
Мощности N= 102№/ри3лО'!/4 K = ‘2MN/[>u2nD2/4
Подачи Q — Q/unD2/A q — Q/un.D2/b
Следует иметь в виду, что на индивидуальной характеристике
по оси И всегда стоит индекс, обозначающий, для какого давления
построены кривые производительности — полного или статиче-
ского. Распределение давления в сети в нагнетательном или
всасывающем воздуховоде устанавливается в соответствии с эпю-
рой, представленной на рис. 43. При этом принято, что воздуховод
плотный, без утечек, а сопротивление трению одинаково по всей
длине. Линии ББ на этом графике показывают уровень полного
давления, развиваемого вентилятором относительно атмосферного
давления ДА. Разность статических давлений в атмосфере (Д)
и воздуховоде (В) создает энергию для движения воздуха. Раз-
ность депрессий в сечениях // (точка Г) и Ш (точка Д) представ-
ляет собой потери депрессии Н = ьР"— \Р'" на участке между
этими сечениями. Полное давление в данном воздуховоде равно
потерям от входа в него до входа в вентилятор. Полное давление
в любой точке нагнетательного воздуховода (точка Е) равно
сумме статического и скоростного напоров (давлений) \Ра по отно-
шению к атмосферному давлению. Часть давления теряется на
входе за счет скоростного напора, равного hCK:=n2y/2g, где v —
скорость воздуха на выходе. Угол наклона линии ББ зависит от
сопротивления сети.
Расход воздуха при турбулентном режиме зависит от разности
давлений на участке сети Q — Д h/ R и не зависит от вида созда-
ваемого перепада давлений (нагнетания или всасывания); это
еще раз свидетельствует об отсутствии зависимости схемы венти-
ляции от способа подачи воздуха вентилятором. При нагнетатель-
ных схемах вентиляции воздух выходит через порталы тоннеля,
имеющего, как правило, большое сечение и, следовательно, не-
большую скорость движения воздуха на выходе. Поэтому потери
давления за счет скоростного напора малы, и при расчетах ими
можно пренебречь. Если сечению выходного портала придана
форма диффузора, то потери от динамического напора прибли-
жаются к нулю.
Полное давление, создаваемое вентилятором, равно разности
полных давлений после него и перед ним, т. е. разности ординат
точек Б в сечениях I и /V (см. рис. 43). Если отсчет вести от уровня
барометрического давления, то полное давление равно сумме
абсолютных значений полных давлений до и после вентилятора.
123
Рис. 43. Эпюра распределения давлений во всасывающем и нагнетательном
воздуховодах
00— абсолютное давление; АА — уровни атмосферного давления
Статическим давлением будет разность между полным давлением
и динамическим давлением на выходе:
Н„=Рп—u»y/2g,
где и,— средняя скорость воздуха на выходе из вентилятора; значение Н„ пред-
ставляется, как правило, на индивидуальных характеристиках вентиляторов.
В ряде зарубежных стран статическим давлением считают
разность между статическими давлениями до и после вентилятора,
т. е. Н'„—Рв—(— PbV), и представляют его на индивидуальных
характеристиках вентиляторов. Такое статическое давление боль-
ше Нс, на величину скоростного напора в воздуховоде перед вен-
тилятором. Когда отсутствует всасывающая сеть и скорость на
входе можно принять равной нулю, //сг^=//'т.
Регулирование производительности и напора осевых вентиля-
торов можно производить изменением числа оборотов и угла
установки лопаток рабочего колеса, отключением одной из рабо-
чих ступеней (ВОД-16 и др.), поворотом подвижных лопаток
направляющего аппарата. Центробежные вентиляторы регули-
руются изменением числа оборотов рабочего колеса и поворотом
лопаток осевого направляющего аппарата. Для тех и других
вентиляторов возможно дросселирование в вентиляционном канале.
Мощные центробежные вентиляторы оснащаются экономично
регулируемыми электроприводами—асинхронными вентильно-
машинными каскадами. Эти приводы характеризуются плавным
изменением частоты вращения, благодаря чему достигается боль-
шая глубина регулирования производительности вентилятора.
Для повышения экономичности работы установки целесообразно
124
применять комбинированные способы регулирования. Экономич-
ность регулирования оценивается его КПД — отношением мощ-
ности, потребляемой из электрической сети до момента регули-
рования, к мощности, которую приобретает вентилятор после
регулирования.
При клиноременной передаче регулирование легко осуще-
ствить изменением размеров шкивов, а изменение параметров
при новом числе оборотов двигателя п2 определяется из соотно-
шений
Q.-/Q, =Л2/Л|; Рп2/Рп1=(л2/Л|)2; Л/2/Л/1 = (n2/ni)3,
где Р„1 и /’„г—полные давления, развиваемые вентилятором до и после регули-
рования; и N'2— потребляемые мощности до и после регулирования.
Мощность (кВт), потребляемая двигателем из сети при при-
нятом режиме работы вентилятора,
M = (Q//rr) / ( 1 02Дст'Чда'Ппер) 1
здесь т]дв и т]|к.р— КПД: статический, двигателя и передачи от вентилятора
к двигателю.
В вентиляторах применяют асинхронные двигатели с коротко-
замкнутым ротором или синхронные двигатели мощностью свыше
200 кВт.
Реверсирование воздушной струи в установках с осевыми
вентиляторами осуществляется изменением направления враще-
ния ротора и поворотом лопаток промежуточного направляющего
и спрямляющего аппаратов на 180°. В центробежных вентиляторах
при изменении направления вращения рабочего колеса поток
воздуха не меняет направления, а потому произвести реверсиро-
вание в самой машине невозможно; для этого приходится приме-
нять систему обводных каналов (рис. 44).
Рис. 44. Схема реверсирования воздушной струи
/ — вентиляционный канал; 2—центробежный вентилятор; 3 — ляда, закрывающая об-
водный канал; 4 — ляда для забора воздуха; 5—ляда диффузора; 6 — обводный канал;
7 — диффузор вентилятора
/—прямое направление движения воздуха, // — реверсивное
125
При эксплуатации вентиляторных установок следует учиты-
вать, что из-за утечек воздуха ляды в обводном и вентиляционном
каналах при отрицательных температурах постепенно обмерзают
и требуют систематического осмотра и обслуживания.
Характеристики вентиляторов приводятся по результатам ис-
пытаний в стандартных условиях: р= 1,2 кг/м2, Д = 760 мм рт. ст.,
относительная влажность ф==50%. В реальных условиях экс-
плуатации температура, давление и влажность воздуха могут
существенно отличаться от стандартных. Удельную плотность
воздуха можно рассчитать по формулам (кг/м3):
р = 0.455Р / (1+ 273), р = G.465/3 / (/ + 273),
где Р — атмосферное давление, мм рт ст., / - температура воздуха, °C.
Первая формула дает более точные результаты до температу-
ры — 10 °C, а вторая — для более низких температур. Хотя эти
формулы не учитывают влияния относительной влажности, при
значениях ср = 60100 % погрешность при расчетах состав-
ляет ± 1 % •
Изменение параметров вентилятора производится путем изме-
нения плотности от до Р2 и происходит по зависимостям:
Qi/Q2=1; Р^/Р,,! =р.'/рг, i\'2/Ni =pj/pi.
При выборе вентилятора необходимо знать расчетные величины
подачи воздуха в систему Qc и требуемого напора Н». При опреде-
лении расхода воздуха через вентилятор следует учитывать утечки
через параллельный вентилятор, уплотнительные шлюзы, обвод-
ные каналы и другие конструктивные элементы. Таким образом,
Q в — Q т+Q >i;
гд1 QT— расход потребного количества воздуха для вентиляции тоннеля, м3/с;
QyT - утечки воздуха через все неплотности при подключении вентилятора, м3/с.
Надо отметить, что утечки воздуха в тоннельных вентиляторных
установках специально не изучались. Однако, поскольку их кон-
струкция аналогична главным вентиляторным установкам на шах-
тах и рудниках, можно воспользоваться материалами исследова-
ний и опытом эксплуатации подземных установок в аналогичных
условиях. Значение QyT зависит от тщательности монтажа венти-
ляторной установки и качества изготовления воздухоуплотнитель-
ных устройств — дверей, шлюзов и г. п.
Депрессия (кг/м2) вентилятора определяется по формуле
— -(- Ан у -|- h к,
где А,— потери напора в сети тоннельных выработок, кг/м2; А,,— потери напора
в вентиляторной установке, кг/м2; А,— потерн напора в подводящем канале, кг/м2.
126
Значение hB.y — Re yQ'l зависит от подачи воздуха и сопротив-
ления (кг-с2/м®) вентиляторной установки, рассчитываемого по
формуле
А‘в у = илО4;
здесь а - коэффициент, зависящий or типа вентилятора (для осевых вентиляторов
с плавным каналом а =0,05, для осевых с коленчатым каналом а =0,10, для
центробежных с двусторонним всасыванием и коленчатым диффузором а = 0,075,
а для таких же с пирамидальным диффузором u=0,055), L) - диаметр рабочего
колеса, м
При выборе точки режима работы вентилятора следует преду-
сматривать запас по напору и производительности не менее 10%,
причем КПД установки должен быть не ниже 0,6. Большое вни-
мание надо уделять конфигурации и размерам подводящих ка-
налов. Так как через канал проходит значительное количество
воздуха, то потери депрессии в нем могут достигать 20 % и больше
от всего напора вентилятора. Выбор места заложения здания
вентиляторной установки определяется рельефом площадки. Одна-
ко во всех случаях длина подводящего канала должна быть
минимальной, а геометрические формы в отношении аэродина-
мики — наиболее совершенными.
На рис. 45 приведена типовая схема подключения реверсивной
вентиляторной установки с центробежными вентиляторами. Угол
примыкания канала к вентиляционной штольне должен быть
острым (30—35°). чтобы уменьшить потери на входе в канал.
При реверсировании воздушной струи вентилятором обводные
каналы отсутствуют и схема подключения несколько упрощается.
На рис. 46 показана типовая схема подключения осевых
вентиляторов, работающих на всасывание. На рис. 45 и 46 пунк-
тирными стрелками обозначены утечки воздуха. Сопротивление
сети, на которое будет работать вентилятор, слагается из следу-
ющих элементов:
= + + А ,А,, (79)
Рис. 45. Типовая схема размещения и подключения центробежных вентиляторов
127
Таблица 30
Рис. 46. Типовая схема размещения и подключения осевых вентиляторов
где —сопротивление канала, кг • с2/м8; Rt—сопротивление вентиляционной
сети тоннеля; kyr— коэффициент утечек в вентиляторной установке.
Сопротивление /?к подсчитывается с учетом всех местных со-
противлений по (50) и (52а). Значение сопротивления /?с строят
на координатной сетке в соответствующем масштабе о осях Н—Q,
задаваясь произвольными значениями Н и Q, исходя из условия
движения воздуха по зависимости H = RCQ2. Пересечение пара-
болы и аэродинамической характеристики вентилятора и опреде-
ляет режим подачи воздуха и напора при данных технических
параметрах вентилятора 0 или 0„.а и п. Характеристика вентиля-
тора может быть представлена не только графически, но и в виде
уравнений:
для осевого вентилятора
H — a — bqn, (80)
здесь п — показатель степени, зависящий от типа вентилятора, числа оборотов
и угла установки лопаток рабочего колеса; л=14-3,
для центробежного вентилятора
Н = a + bq — cq2. (81)
Значения коэффициентов а, b и с при различных углах установ-
ки лопаток направляющего аппарата для вентилятора ВШЦ-16
при «=980 об/мин приведены в табл. 30.
Совместное решение системы уравнений (80) и (81) и зависи-
мости H = ReQl дает возможность аналитически определить режим
работы вентилятора на данную сеть. Для получения зависимо-
сти (80) или (81) составлена программа расчета на клавишной
ЭВМ «Электроника Б-31» по методу наименьших квадратов. Про-
грамма расчета приведена в приложении 2.
128
0Н а 1 -|0 1 _aJ 10 1 20 | 30 | 40 | 50 | 60
а 251 247 302 290 207 244 205 218
ь 9,63 10,45 6,9 7,4 16,35 14,8 20,5 20,5
с 0,298 0,327 0.287 0,300 0,572 0,575 0,850 1,130
q мДс 10-42 10-42 10 -40 12 - 40 10- 3(> 10—32 10- 26 10- 19
Пример 13. В соответствии с аэродинамической характеристикой вентиля-
тора ВОМД-24 с диффузором и его безразмерной характеристикой Н — a — bQ2
составить уравнение для угла установки лопаток рабочего колеса 0 = 30°. Урав-
нение в размерных величинах имеет вид И — a — bQ2.
Вычисляем значения а и b для данного угла установки 0 и определяем
переводные коэффициенты: d = 0,52l; 6 = 4,78; а= 197,2783d; b = 0,00596b. Конеч-
ное значение Q" = Q' 4-(л — |)л Q = 0,28, где Q' — начальное значение; \Q— вы-
бранный шаг для числа точек п, обрабатываемых методом наименьших квадратов.
Тогда /7 = 0.521 — 1,78 0,282 = 0,14, а И'— 102,78 —0,0284Q1—искомое уравнение
для угла установки 0 = 30° и п=320 об/мин.
Как видно из (79), сопротивление сети /?t. будет зависеть от
утечек на вентиляторной установке, так как вентилятор работает
по схеме с двумя параллельными путями движения воздуха: путь
по тоннельным каналам и путь утечек (см. рос. 47). Сопротивление
сети определяется по (54), а значение kr — Qr/Qa. Выполним
расчет для различных значений /?ут в зависимости от качества
уплотнений в вентиляторной установке, шлюзах, дверях и других
путей утечек для вентиляторов ВОМД-24 при 0 = 30°, п —
= 320 об/мин и уравнении //= 102,78 —0.0284Q2.
Результаты расчета сведены в табл. 31. Как видно из таблицы,
величина /?)Т, составляющая несколько единиц, приводит к незна-
чительному уменьшению иодачи воздуха и небольшому умень-
шению напора, что соответствует довольно высоким значениям
КПД вентилятора. Дальнейшее уменьшение R^ (увеличение уте-
чек QyT) приводит к резкому падению КПД, ухудшению экономи-
ческих показателей работы вентилятора и снижению QT. На осно-
вании накопленного опыта можно рекомендовать принимать при
проектировании системы вентиляции тоннелей коэффициент утечек
feyT = 0,10.
Рациональным в экономическом отношении будет такой венти-
лятор, для которого приведенные годовые затраты будут мини-
мальными; они исчисляются по выражению
С, — С<4- Аа С,, 4 С„о4-См -р Ь„С|,
где С,—стоимость электроэнергии, расходуемой вентиляторной установкой в
среднем за год, руб.; Л„ - юдовые амортизационные отчисления по хстаиовке.
Руб.; Ср-- годовые затраты на текущие ремонты, ревизию и наладку механизмов
и аппаратуры, руб ; С„<, — годовые затраты на обслуживание, руб.; См — годовая
стоимость всномогагельных материалов, руб, Е„ нормативный коэффициент
эффективности капитальных вложений (для подземного оборудования Е„ = 0,15);
С|—стоимость вентиляторной установки, руб.
9 Зака) 214 124
Рис. 47. Расчетная схема для опреде-
ления сопротивления сспи
Сопротивление, ki •с2/м“ Напор вентнля- тора /7И, кг • с2/ м2 По '1лч а во u v х п вен г иля тором Qa. м ‘/с 1 1 О 7l.i‘l '1 ви м\ ка в юн- тиль м ‘/с Vj ",,и В. - t 5,1 и , V, ’ / ( Ku-i',1 фИ ПИ'Ч. .не чгк 1г (
тоннеля путе й утечек общей сет и
0,223 45,27 45,00 1.5,00 0 < Н 1 0,00
1 16,0 0,0207 43,33 45,7. > 44,10 1 63 (101
| 4,0 0,0193 41,60 46,41 43,18 3,23 0,07
2,0 0,0182 40,15 46,96 42.47 4 49 0,09
J ь0 0,0169 38,21 47,68 41 48 6,20 0,13
0,0223 '[ 0,5 0,0152 35,83 48,55 40,08 8.17 0,17
0,2 0 0125 31,43 50,12 37.57 12,55 0,25
0,1 0,0102 27,16 51,60 35,04 16,50 0.32
0,05 0,0080 22,61 53.13 31,85 21,88 0,10
_ 0,022 0,0055 16,68 55,06 27,43 2’/ ,6' 0,50
Среднегодовая стоимость электроэнергии, расходуемой в сред
нем за Т лет одной вентиляторной установкой, определяется так:
С,—4-V ( +
т ft Л 102|1. д ‘
здесь ( — порядковый помер периода эксплуатации при неизменно,» режиме;
Т|,— КПД электропривода; т,—число лет работы у.-1эновкп k',
тариф единицы потребляемой электроэнергии, рхб./кВт •/\ N. — установонпая
мощность в i-м периоде, кВ • A; k"—тариф единицы остановленной мошпости,
руб./кВ • А.
К экономическим показателям работы вентиляторной усга
новки следует подходить весьма внимательно, так как оат^-ны на
вентиляцию составляют- до 80 % эксплуатационных расходов на
содержание тоннелей.
2. Совместная работа
нескольких вентиляторов
на общую сеть
Как видно из данных о зарубежных тоннелях (см. гл. 1). по-
требное количество воздуха для вентиляции транспортных отсеков
очень велико. Даже самые мощные вентиляторы не в состоянии
подать в тоннель необходимое количество воздуха. Поэтому
130
устанавливают несколько вентиляторов, работающих на общую
сеть. В практике подземной вентиляции такие задачи решаются
графоаналитическими методами. В системах тоннельной вентиля-
ции применяются специфические схемы установки и размещения
вентиляторов, которые не рассматриваются в рудничной венти-
ляции. В практике промышленной вентиляции очень часто потреб-
ное количество воздуха делят на производительность вентилятора
при принимаемых параметрах (0, п) и тем самым определяют
нужное количество вентиляторов, считая, что параллельная их
работа обеспечивает заданный режим вентиляции. Такой упро-
щенный подход приводит к существенным ошибкам и недо-
пустим для вентиляционных систем автодорожных тоннелей.
Рассмотрим наиболее важные случаи совместной работы венти-
ляторов на общую сеть.
Параллельная работа вентиляторов, установленных на общий
канал. При такой работе разность давлений между атмосферой
и давлением, создаваемым вентилятором, будет для обоих венти-
ляторов одинаковой {/ii = /гг)» подача воздуха может быть и раз-
личной (Qi^=Q2), а суммарный дебит будет равен Q|Q2 = фОбщ-
Для получения суммарной характеристики надо сложить количе-
ства воздуха индивидуальных характеристик при одних и тех же
депрессиях. Для этого на диаграмме (рис. 48) в осях Н—Q про-
водят ряд произвольных линий параллельно оси абсцисс, после
чего складывают отрезки между осью ординат и каждой характе-
ристикой, а затем соединяют концы суммарных отрезков. Общее
количество воздуха которое будут подавать оба вентилятора,
определится как абсцисса точки А пересечения суммарной харак-
теристики /-}--// с характеристикой сети.
Количество воздуха, подаваемое каждым вентилятором при их
совместной работе (парциальный дебит), будет равно абсциссам
точек В и С пересечения индивидуальных характеристик с прямой,
проведенной через точку А. Как видно из графика, парциальные
дебиты меньше индивидуальных, и, следовательно, общее коли-
чество воздуха, подаваемое параллельно работающими вентиля-
торами, меньше суммы их индивидуальных дебитов, которые
определяюкя ючками В' и С, г. е. Q । -f Q2= Q„6„, < Q',,., -|- Q"HJl;
это следует учитывать при регулировании расхода воздуха, по-
даваемого в тоннель, однако двигатель вентилятора должен соот-
ветствовать потребляемой мощности при индивидуальной работе.
При седлообразных характеристиках возможно появление не-
устойчивых режимов в области наибольших напоров, т. е. при
больших сопротивлениях сети, поэтому графическое построение
совместного режима работы обязательно. При двух одина-
ковых характеристиках построение суммарной кривой осуще-
ствляется аналогично, при этом чем меньше сопротивление сети,
тем выгоднее установка двух параллельных вентиляторов.
Последовательная работа вентиляторов на общую сеть. Если
два вентилятора установлены друг за другом вплотную, то коли-
9* 131
Рис. 48. Схема построения общей характеристики при параллельной работе двух
вентиляторов
Рис. 49. Схема построения общей характеристики при последовательной работе
двух вентиляторов
чество воздуха, проходящего через них, одинаково (Qi = Qa),
а общая депрессия равна сумме депрессий: /1обШ=/1| + hi- Для опре-
деления совместного режима работы необходимо сложить де-
прессии индивидуальных характеристик при одних и тех же коли-
чествах воздуха (рис. 49). Общее количество воздуха, которое
будут подавать оба вентилятора с характеристиками / и //, найдет-
ся как абсцисса точки А пересечения суммарной характеристики
7-|-// обоих вентиляторов с характеристикой сети Rc.
Общий дебит совместно работающих вентиляторов всегда
меньше суммы дебитов при индивидуальной работе на ту же сеть,
т. е. Q„6,u < Qh,w4~ Qhh.i- Если оба вентилятора одинаковы и рабочие
колеса вращаются с одинаковой скоростью, то их совместная
последовательная работа даст всегда некоторое приращение ко-
личества воздуха, величина которого зависит от формы характе-
ристики и, как правило, достигает 40 % и больше. Если вентиля-
торы неодинаковы, то может случиться, что меньший вентилятор
будет мешать работе большего, и совместный режим станет
невыгодным.
Совместный последовательный режим выгоден для осевых
вентиляторов, работающих на длинные каналы относительно ма-
лого сечения, например при поперечных схемах вентиляции.
Параллельно-последовательная работа вентиляторов, установ-
ленных на различных участках сети. При таком способе установки
вентиляторов возможно несколько вариантов схем нагнетатель-
ного и всасывающего проветривания. По схеме сети, представлен-
ной на рис. 50, а, два одинаковых вентилятора работают каждый
’на участках DE и EF и на общий участок сети FG. Для определения
совместного режима и индивидуальных режимов работы строят
аэродинамические характеристики вентиляторов I и II в осях Н—Q
(рис. 50,6). Затем строят характеристику R" участков DE и EF,
132
Рис. 50. Схема и график параллельной работы двух вентиляторов в разных местах
а— схема сети; б — схема построения общей характеристики
задаваясь произвольными значениями Q (сопротивления для
простоты построения приняты одинаковыми). Из характеристики
каждого вентилятора вычитают ординаты характеристики при
всех возможных подачах воздуха Q; тем самым вентиляторы как
бы перемещают в точку F с учетом затрат напора на участках
DE и EF и пблучают приведенные характеристики Г и 1Г. Венти-
ляторы в точке F работают в параллельном режиме.
Далее, как и выше, производят сложение абсцисс при разных Н
и находят совместную характеристику I'-\-1Г вентиляторов, рабо-
тающих в точке F. Количество воздуха определится абсциссой
точки А пересечения суммарной приведенной характеристики и
кривой сопротивления R" участка FG. Проведя линию, параллель-
ную оси Q, до пересечения с приведенной характеристикой, найдем
точку В, в которой финд + Фи'нд = Робш. так как вентиляторы одина-
ковы, а сеть симметрична. Восстановив перпендикуляр из точки В
до пересечения с действительными характеристиками I и II, полу-
чаем точку С действительных режимов вентиляторов в точках
сети D и Е с параметрами Н'а = Н" и Qh,u — Q"Hn.
При различных вентиляторах и разных сопротивлениях инди-
видуальных участков работы построение выполняется в том же
порядке, но чертеж значительно усложняется. Анализ режимов
в точке С позволяет судить о целесообразности применения дан-
ного вентилятора или данного режима работы вентилятора на
эту сеть.
Схема будет более сложной, если на общий канал подключить
три и большее количество вентиляторов. На схеме, показанной
на рис. 51, а, к общему каналу ABCD подключены три вентиля-
тора /, II и III с различными характеристиками. Необходимо
определить индивидуальные параметры работы каждого из них.
Строим в осях Н—Q характеристики вентиляторов I, II и III
133
(сплошные линии на рис. 51). Затем строим характеристику сети
г,+/?.на которую работает первый вентилятор. Из характеристики
вентилятора / вычитаем характеристику участка г। -(-7? и получаем
приведенную характеристику /' вентилятора /, переведенного в
точку В. Вычитая из характеристики вентилятора// сопротивление
участка г2, также переводим его в точку В с его характеристикой //'
Теперь в точке В работают два вентилятора в параллельном ре-
жиме. Складываем абсциссы характеристик /' и II' и получаем
суммарную характеристику IV совместно работающих вентилято-
ров / и II на сеть Гг + Вобщ-
Далее вычитаем из суммарной характеристики IV сопротив-
ление участка /? и переводим два вентилятора в точку С. Вычитая
из характеристики вентилятора /// сопротивление участка г3
(для упрощения рисунка приняли г3 = г2), получаем характери-
стику ///'. В точке С три вентилятора работают параллельно на
общую сеть /?обш- Строим суммарную характеристику IV-\-III'
всех трех вентиляторов. Пересечение этой характеристики с кри-
вой /?обЩ в точке Е и определяет подачу воздуха на участок CD,
равную фобщ.
Проведя линию, параллельную оси ординат, до пересечения
с приведенной характеристикой III' и восстановив перпендикуляр
до кривой ///, получаем точку К, определяющую параметры ре-
жима третьего вентилятора— подачу Q3 и напор /i3. Возвраща-
емся в точку В, для чего восстанавливаем перпендикуляр из точки
пересечения линии, проведенной через Е, с приведенной характе-
ристикой IV и получаем точку F. Восстанавливаем перпендикуляр
до пересечения с суммарной характеристикой //'-)-/' и находим
134
точку G, тем самым компенсируя потери напора двух вентиляторов
на участке ВС.
Через точку G проводим линию, параллельную оси абсцисс,
до пересечения с приведенными характеристиками I" и II". Из то-
чек пересечения восстанавливаем перпендикуляры и получаем
точки режимов работы L второго вентилятора с параметрами Q2
и hi и М первого вентилятора с параметрами Q, и /г,. Из построений
легко проверить, что Qi -|- Q2 + (?з = Qutm-
Анализируя график совместной работы, можно убедиться, что
лучше принять одинаковые вентиляторы с увеличением угла уста-
новки лопаток от третьего к первому вентилятору. Если сопротив-
ление участка велико, то может возникнуть неустойчивый
режим работы, так как точки пересечения суммарной характери-
стики и сопротивления общего участка! окажутся на участке
кривой левее значения 0,9Л„акс. Решение схем с общим количеством
вентиляторов осуществляется в аналогичном порядке с учетом
вида их совместной работы.
При продольной системе вентиляции и рассредоточенной уста-
новке вентиляторов без труб (так называемая струйная система
вентиляции) условия работы вентиляторов иные. Эта система
подробно изучалась в Оргэнергострос (руководитель работ—
канд. техн, наук Л. с. Барский); методика выбора вентиляторов
заключается в следующем. Определяется давление (кг/м2), со-
здаваемое вентилятором на выхлопе:
(82)
здесь А коэффнциеш использования струи (зависит от формы выходного конфу-
зора); выхлопное сечение вентилятора, м2; S — сечение тоннеля, м2; ив —
скорость воздуха на выходе из вентилятора, м/с; v — скорость воздуха в тоннеле,
м/с; р— нлотносп> воздуха, кг • с2/м4.
Потери депрессии (кг/м2) на преодоление сопротивления тон-
неля рассчитывают по формуле
где 2 5мг — сумма коэффициентов местных сопротивлений; А. — гидравлический
коэффициент трения; d - приведенный диаметр тоннеля, м; L — длина его, м.
Давление (кг/м2), создаваемое движущимся потоком автомо-
билей, находят по выражению
= ” |Л'в(О|1гт-|-о)2 + Л/гЙОц + о)2], (84)
где SM— мнделево сечение автомобиля, м2; д — коэффициент его лобового сопро-
тивления; N„ и N„ — количество одновременно находящихся в тоннеле машин,
движущихся навстречу потоку воздуха н попутно с ним.
135
’О1
I
Количество рядов (ступеней) вентиляторов с учетом естествен- I
ной тяги he i
Z=(/lI=fcAPa±ftt)/AP„ !
Пример 14. Определить необходимое количество вентиляторов типа СВМ-бм
для продольной системы вентиляции тоннеля длиной 6 = 600 м, сечением 5 = 5-1 м2 ;
(d = 7,2 м) при одностороннем движении автомашин со скоростью ПО км/ч
(16,7 м/с) при интенсивности 800 ед./ч и подаче воздуха QT = 80 mj/c. Среднее
миделево сечение автомобилей S„ = 3,l м2, плотность воздуха р = 0,122 кг-с2/м',
Х = 0,037 для бетона. Вентиляторы типа СВМ-бм имеют SB = 0,282 м2 и ив =
= 24,3 м/с.
Требуемая скорость воздуха по тоннелю без учета заполнения автомобилями
и=80/54 = 1,48 м/с. Считая рациональной попарную установку вентиляторов,
определяем давление, создаваемое парой вентиляторов при Л = 0,9, по (82):
\Р„ = 0,9- 0,122 482 = 0,64 кг/м2.
□ 4 I, • I о \ 1,4 о /
Сопротивление тоннеля по (83), принимая местное сопротивление на входе
и выходе ( = 1:
/1г = 0,122/2(2 + 0,037-600/7,2) • 1,482 = 0,41.
Количество машин, одновременно находящихся в тоннеле,
N„ = (600 800) / (60 • 1000) = 8.
Давление, создаваемое машинами, по (84):
дРа=А!^А ..0^1[8(16,7- 1,48)г| = 3,24 кг/м2.
Количество вентиляторов, при естественной тяге йе = 4, действующей навстречу
потоку воздуха,
z = (0,41-3,24 +4)/0,64 = 2.
Таким образом, по данной методике, четыре вентилятора
СВМ-бм совместно с эжекциопно-поршневым эффектом обеспечат
подачу воздуха в тоннель QT = 80 м’/с при противодействии есте-
ственной тяги /ге = 4 кг/м2.
Главные вентиляторные установки на автодорожных тоннелях
относятся к классу машин, предназначенных для длительной
безотказной работы. Отказ вентиляторной установки приводит
к невозможности эксплуатации тоннеля. Поэтому Правилами безо-
пасности при подземных горных работах предусматривается ре-
зервирование дублированием с замещением [26]. На основе ана-
лиза критериев и характеристик, применяемых для оценки надеж-
ности механических систем разных типов и назначений, и исходя
из особенностей эксплуатации вентиляторных установок главного
проветривания, следует считать, что необходимыми и достаточ-
ными критериями для оценки надежности этих машин являются:
вероятность безотказной работы, частота отказов, среднее время
безотказной работы с дисперсией времени «жизни», среднее время
восстановления.
136
Рис. 52. Схема расположении оборудования в камере главной вентиляторной
установки Ирганайского автодорожного тоннеля
/ — канал, 2 - вентиляционная шахта; ,3 — вентиляционная камера, 7 — вентиляторы
ВОМД-24, 5 - изолирующая перегородка; 6 — шлюз и . грех дверей; 7 — шумоглушители;
8 — вентиляционная штольня
Учитывая опыт эксплуатации главных вентиляторных устано-
вок на шахтах и рудниках, при проектировании вентиляции длин-
ных автодорожных тоннелей принята система резервирования,
аналогичная подземным вентиляторным установкам; это условие
определяет и конструкцию вентиляционных сооружений и камер.
На рис. 52 приведена схема размещения оборудования для
Ирганайского автодорожного тоннеля с вентиляторами ВОМД-24.
Вентиляторная установка состоит из двух независимых агрегатов,
в каждый из которых входит собственно вентилятор, электропри-
вод и пускорегулирующая аппаратура. При проектировании такой
установки предполагается, что один из вентиляторов работает
24 ч в сутки, а другой является резервным. По графику один раз
в месяц функции агрегатов меняются.
Схема работы вентиляторной установки в отношении надежно-
сти может быть описана следующим образом: во время отказа
основного элемента работающего вентилятора сразу же включа-
ется резервный, а основной начинает восстанавливаться. После
восстановления основной элемент становится резервным. Одновре-
менный отказ основного и резервного элементов наступает тогда,
когда на каком-нибудь цикле во время восстановления одного
элемента отказывает другой, или же в том случае, если второй
элемент, будучи включенным, немедленно после отказа первого
также отказывает.
Вероятность безотказной р,<оогы Ру(1) пары элементов до
момента t при законе pacnin деления времени восстановления t—х
оценивается на основе теории вероятности следующим обра-
зом [14]. Событие, заключающееся в безотказной работе пары
на участке (0,/), распадается на два несовместимых события:
1) первый отказ наступает после момента /; вероятность этого
137
события /31(/)/32(/) = P(t)< так как вероятность безотказной работы
элемента, находящегося в резерве, равна единице,
2) первый отказ наступает после момента t, но первый цикл
заканчивается после момента т. е. второй элемент в момент
отказа первого не находится в ремонте: после «лиаза первого
элемента второй включается немедленно, и работа ею бе'отказна
до момента это событие, в свою очередь, состоит и« грех незави-
симых событий:
отказа основного элемента в момент (I —х) , вероятность кото-
рого М(1 — х);
нахождения второго элемента и работоспособном состоянии
[резервный вентилятор не в ремонте в момент (/ — г)]; вероятность
этого события [1 —G(t— х)];
безотказной работы второго элемента в интервале it—x. I).
Вентилятор, находящийся в резерве в рассматриваемое время,
работал под нагрузкой до момента гр., где р - принятый режим
периодичности работы двух вентиляторов, а г щщблр.! :ся гак,
что t — гр,<ц. В связи с этим вероятнопь безотказной работы
резервного вентилятора в ишервале (/ - л,
Полная вероятность события 2 равна произведению вероятно-
стей этих трех событий:
ИЙ -- Л[1 — (ill ' - \
Поскольку хотя бы одно из двух несовместимых событий
(1,2) будет происходить в случае безотказной работы нары, ве-
роятность безотказной работы вентиляторной установки как сум-
мы событий будет:
РР(/) = Р(/) + Лб/--х)[1-0(/-х)|р(ги)- id)dl\.
(85)
это выражение можно упростить, исходя из специфичности дан-
ного класса машин.
Оценкой для закона распределения G(0 времени восстановле-
ния является коэффициент простоя
«г — 1/(1 -бГ Г1'I-) -
I де Г среднее время безо гва-шой рабош: Д. ерсдн<-е время восс i ановления.
Для оценки порядка величин G(/) вычислены коэффициенты
простоя для вентиляторов главного проветривания на основе
опыта эксплуатации. Результаты вычислений приведены в табл. 32.
138
Таблица 32
Наименован ие Т, мес '5 Т/Тр k„
узла чел,/'* | мес.
Подшипники 32 35 0,049 660 0,0015
» 25 27 0,038 665 0,0015
Муфты 26 36 0,056 520 0,0019
28 37 0,051 545 0,0018
Исходя из порядка величины ka, а следовательно, и GT(Z),
можно принять [1 —G(/)|=l. Подставляя в (85), получаем:
t
t—x
(86)
Если отказ произошел точно в рассматриваемый период /, т. е.
при х = 0, выражение (86) принимает вид:
Рв(/) = Р(0 + -М(/)Р(гц).
В том же случае, когда межремонтные периоды совпадают
с периодичностью работы, т. е. нет аварийных отказов / = зц, х = 0,
выражение (86) преобразуется:
/?,(/) = P(/) + Q(/)P(/). 4
Все перечисленные соображения для краткости резервирования
т—1 действительны для относительно коротких тоннелей (1 —
6 км). Для более длинных тоннелей следует учесть накопленный
опыт эксплуатации и разработать теоретические основы создания
резерва, исходя из методов теории надежности.
3. Вентиляционное оборудование
при строительстве тоннелей
Строительство автодорожных тоннелей ведут в самых различ-
ных геологических условиях, от которых зависит выбор технологии
проходки, типов механизмов и транспорта, а также вентиляцион-
ного оборудования. В отличие от проходки выработок в шахтах
и рудниках, в ходе строительства тоннелей обычно не встречаются
взрывчатые газы — метан, водород или другие, что значительно
расширяет диапазон способов проветривания тупиковых забоев,
а также возможности выбора вентиляционного оборудования.
Для местного проветривания могут применяться вентиляторы
в специальном (взрывобезопасные) и общепромышленном испол-
нении. Вентиляторы с пневматическим приводом при строительстве
тоннелей, как правило, не применяются.
139
Табл и ц а 33
Тип вентилятора Д и а м ет р рабочего колеса, дм Подача воз- духа, м3/м ин Давление, кг/м2 Мощ- ность электро- двигате- ля, кВт Число оборотов, м нн"1 Масса, кг
мин. макс. мин, макс.
ВМ-Зм 3 42 100 40 100 2,2 2900 45
ВМ-4м 4 50 155 70 150 4 2900 107
ВМ-5м 5 100 280 60 240 13 2950 250
ВМ-бм 6 140 480 75 340 24 2940 350
ВМ-8м 8 260 810 80 420 55 2960 650
ВМ-12м 12 600 1900 80 380 но 1470 1910
ВЦПД-8* 8 300 1320 250 900 125 2980 3064
В ЦО-О.б 6 50 402 260 600 50 2970 1328
ВЦ-7 7,5 96 660 140 900 75 3000 1400
ВЦП-16 * 16 900 2700 150 940 245 1470 10400
* С реверсивным устройством
Технические данные вентиляторов местного проветривания
приведены в табл. 33. Перечисленные в таблице вентиляторы
можно включать в трубопроводы длиной до 600—1000 м, а при
последовательном соединении осевых вентиляторов ВМ-8м и
ВМ-12м — до 1600 м. Вентиляторы ВМ-5м и большего размера
имеют регулируемый направляющий аппарат. Средний техниче-
ский ресурс двигателя до первого капитального ремонта— не ме-
нее 30 000 ч; вероятность безотказной работы /\=0,95 на 1000 ч
и /эу = 0,85 на 8000 ч работы. Центробежные вентиляторы, име-
ющие еще большие напоры, могут подключаться к еще более
длинным трубопроводам [31]. Вентиляторы ВЦПД-8 и ВЦП-16
оснащены реверсивными устройствами; вентилятор ВЦ-7 —
прямоточный. Поэтому они могут работать как на нагнетательный,
так и на всасывающий трубопровод. Приведенные параметры
серийных вентиляторов позволяют осуществить большой диапа-
зон способов и схем проветривания тупиковых тоннелей.
При строительстве тоннелей большого сечения используют
также вентиляторные установки, постоянно находящиеся иа пор-
тале в специальном здании или под навесом [34]. Такие установки
называют главными вентиляторными установками. Обычно в ка-
честве главных применяют вентиляторы общепромышленного
назначения серии Ц. Сложность вентиляции увеличивается при
использовании автомобилей с двигателями внутреннего сгорания
(ДВС), так как они загрязняют тоннель выхлопными газами
по всей его длине. Наиболее сложна система вентиляции при
проходке одиночного тоннеля большой протяженности.
На рис. 53 показана схема проходки одиночного тоннеля с
продольной перегородкой в сводовой части. Между перегородкой
и сводом образуется канал достаточно большого сечения для дви-
жения воздуха. Главный вентилятор может быть подключен к ка-
налу как на всасывание, так и на нагнетание. Важнейшим фак-
140
Рис. 53. Схема вентиляции с продольной перегородкой
а схема реверсирования главного вентилятора: б - схема размещения оборудования
/ (лавный вентнляюр; 2 ~ соединительный трубопровод. 3 - канал под сводом тон-
неля, 4 вспомогательный вентилятор
J — движение воздуха в нормальном режиме, // - движение воздуха после взрывных
работ
тором при такой схеме является обеспечение максимальной герме-
тичности перегородки. Расчет производительности вентилятора
осуществляется в следующем порядке. Количество воздуха для
забоя Qja6 определяется по методике, приведенной во второй
главе. Количество (м’’/мин) воздуха у вентилятора
Q в — ил,
где k„— коэффициент потерь воздуха через перемычку.
Значение коэффициента потерь может быть определено двумя
способами. Считая закон фильтрации воздуха через перемычку
квадратичным, ku находим по формуле
k„ -11,3ktS„ I f;
здесь —коэффициент воздухопроницаемости перегородки при квадратичном
законе фильтрации; S„— площадь перегородки, м2, Ri и Ri— аэродинамические
сопротивления I м каждого отсека по (50); L,,— длина перегородки, м.
Если считать закон фильтрации ламинарным, то /г,, можно
вычислить но выражению
*,.= I +(Ki+ /2|1)(?ЯЛ2,
где k, — коэффициент воздухопроницаемости перегородки, толщина которой равна
единице, при линейном законе фильтрации — ; (1 — толщина перегородки, м;
А - ширина (высота) ее, м.
141
Рис 54. Эпюра дав.1еиия двух нагнетательных вентиляторов на один трубопровод
Значение коэффициента k зависит от материала перегородки и
способов герметизации. Для бетонитовых плит с промазкой k =
= (2 4-30) • 10“6, для металлических листов с обмазкой латексом
£=(0,14-0,9) • 10~ь.
Депрессию (кг/м2) вентилятора рассчитываем так:
/i„ = [ai(P|Lll/S0 + a2(/J2Ll,/S2) + b,5(arp/,l,/j;p)|y ,.,4),,,
где <zi, аг и atp—коэффициенты аэродинамического сопротивления тоннеля под
перегородкой, сводовой части над перегородкой и трубопровода; Р\ и Рг—
периметры тоннеля под перегородкой и сводовой части над ней, м; Si и .$2 — сечения
этих каналов, м'2; d,p— диаметр соединительного трубопровода, м (утечками в дан-
ном трубопроводе пренебрегаем).
Если мощности одного вентилятора недостаточно на весь тру-
бопровод, устанавливают несколько вентиляторов. Типичный слу-
чай установки вентиляторов с эпюрами развиваемых давлений
представлен на рис. 54. Однако такой способ установки без
расчета расстояния между вентиляторами имеет существенный
недостаток. Перед вторым вентилятором образуется зона с дав-
лением меньше атмосферного, вследствие чего возникают притечки
(подсосы) в трубопровод, что загрязняет подаваемый в забой
воздух. Расстояние между вентиляторами должно быть таким,
чтобы исключался подсос (и рециркуляция) загрязненного воз-
духа. Порядок расчета следующий. Определяют необходимое
количество воздуха для забоя Q3ae и утечки из трубопровода в
зависимости от его размеров и конструкции.
Подача (м3/с) воздуха первым вентилятором, счи тая от начала
трубопровода (ем. схему расчета на рис. 55),
Q»i = Q -ф Q,। >Р;
здесь Q)rTp—общие утечки из трубопровода, м’/1'.
Депрессию этого вентилятора принимают не больше 0,3/гмакс
для всего трубопровода. Затем по значению и ЛВ| выбирают
тип вентилятора с таким расчетом, чтобы все вентиляторы были
однотипными. По характеристике вентилятора определяют точное
значение депрессии /г при подаче QU|. Место установки второго
вентилятора выбирают так, чтобы напор в этом месте был не менее
20 % депрессии первого вентилятора, на расстоянии (м)
/,=0,8/7и1//?,.Д;ф
142
1Оь" h ®ез
Pm fn i' |>;кче,у mi-liu установки ipcx вентиляторов
Подача ivr‘/c) воздуха вторым вентилятором
- Q»i~r Q.< >^,'1
По характеристике второго вентилятора определяют его де-
прессию при подаче воздуха QB2- Третий вентилятор устанавли-
вают в точке 5, где фактическая депрессия (кг/м2) составляет
ие менее напора второго вентилятора:
ж =Д2((’.2/;„1ДЛ»г)
Подача । м ’/с ( ындуха третьим вентилятором
(д
где /2 онре.илистая аналогично:
ю.гдо.Д!,., г/>„.)]/A\|,QiL>
По ею характсристим определяют депрессию й„з при пода-
че Qai. При после,л’в;г1ельной установке вентиляторов нужно учи-
тывать, что нашуж и \ течки резко возрастают, поэтому каскадная
установка ? ди >1яе>ся нс более чем е тремя вентиляторами.
Причиной \с’чниик( расеюяпие между вентиляторами целесооб-
разно ИрИН И .1.0 г; [till ,р.
Ьолее перснсм жат вен (илягоры с компенсационными шлю-
зовыми камерами. В .ином случае (рис. 56) расчет установки
вентиляторов произьи ;.лт следующим образом. Определяк/т коли-
чество воздуха для проветривания забоя Q,a0, затем утечки воз-
духа в гретым 1 рубинрово.че Q'" и подачу воздуха в шлюзовую
камеру третьим венч итятором Q„3= Q -j- Q'"; ио характеристике
чрубоировода и б1,.., вычисляюч hB\. Для второго вентилятора
Qb2--, а для первого 0ь1 — Qo2-}-Q'm.
Для уменьшения времени проветривания забоя после взрывных
рабо) можно wiaiioBUTb дополнительный нагнетательный венти-
ля гор с коротким Iрубои'роводом или с вентилятором и конфузо-
p'c.i, рабогаючш '.' )ак !и иiиля тор-эжектор. Наилучший эжекти-
143
Рис. 56 Схема проветривания е шлюзовыми камерами
рующий эффект достигается при площади выходного отверстия
конфузора (м2)
Sh = (0,3-С 0,5) S,
и длине (м)
/» = 0,5 cig 6/2(</в — </„),
где 6 — угол конусности (6=10-4-12°); и Щ—-диаметры вентилятора и конфу-
зора, м.
При большом поперечном сечении тоннеля (S> 50 м2) и значи-
тельном загромождении его сечения оборудованием (буровая
рама, механизмы для уборки породы и возведения крепле-
ния и т. п.) подвод вентиляционных труб к забою весьма затруд-
нителен. В этом случае вентиляцию можно осуществить вентиля-
торами-смесителями [6], устанавливаемыми под кровлей тоннеля
на расстоянии дальнобойности струи. При такой схеме вентиля-
ционные трубы прокладывают только от первого вентилятора
(рис. 57), а потому система называется беструбной.
Практика применения беструбного проветривания забоя тон-
неля показала достаточную работоспособность схемы, обеспечи-
вающей быстрый вынос вредных примесей из призабойной зоны.
Расход (м3/с) воздуха при беструбной вентиляции определяют
по формуле
QjB6 = (S///)[4,42 lg Cb/C + (0,27/,M)(n- 1) + 0,5],
где / —расстояние между вентиляторами-смесителями, м; t — время проветривания
тоннеля, мин; Со—начальная концентрация газов, %; С — допустимая концен-
трация газов, %; п — число вентиляторов-смесителей.
Значение Со зависит от газовости ВВ (Ь) и длины зоны отброса
газов (Со = АЬ/10/зо).
В некоторых случаях приходится вести строительство несколь-
кими забоями; причем тогда возникает необходимость совмеще-
ния нескольких систем вентиляции местного проветривания (СМП).
При этом нужно учитывать однотипность оборудования (венти-
ляторов, трубопроводов, пусковой аппаратуры).
144
100,0
Рис. 57. Схема беструбного проветривания с вентиляторами-смесителями
В качестве примера решения совместной работы нескольких
СМП рассмотрим данные рабочего проекта проведения Ирганай-
ского автодорожного тоннеля и параллельной разведочно-вентиля-
ционной штольни (рис. 58). На схеме показаны четыре этапа
работы, когда проходка ведется двумя или тремя забоями. Тон-
нель и штольня соединяются между собой сбойками, и на четвер-
том этапе строительства используются три вентилятора ВМ-8м
и два вентилятора ВМ-!2м.
Так как длинные автодорожные тоннели строятся в течение
нескольких лет, то при выборе системы вентиляции необходимо
учитывать и стоимостные параметры. В общие затраты па местное
проветривание Зм „ целесообразно включать стоимость вентилято-
ров 30, затраты на трубопровод 3,, на энергию З3, на силовое
оборудование 30:
Зм »=Зв4- Зт Ч- 3,-|- 3„.
Как показывает практика строительства, наибольшие расходы
связаны с капитальными и эксплуатационными затратами на
трубопроводы. При этом может оказаться, что срок строительства
больше срока службы трубопроводов. Поэтому длина трубопро-
вода / должна быть увеличена на величину изношенных заменя-
емых участков: такая длина называется заказной (13). Приведен-
ные затраты (руб.) на трубопровод определяют по формуле
зт=--л/КА,[/, ; (87)
здесь / — коэффициент, учитывающий затраты на транспортирование, хранение
и навеску трубопроводов (1=14-4-1.7 для металлических и / = 1,1 1,3 — для
мягких); К,-—стоимость 1 м2 трубопровода, руб.; id~- амортизационная изнаши-
ваемая длина трубопровода, м; elip—скорость проходки тоннеля, м/мес
Затраты на установку вентиляторов зависят от надежности
их работы, ибо от этого зависят потери, связанные с ликвидацией
аварий и снижением темпов проходки.
Приведенные расходы (руб.) на вентиляторы вычисляют по вы-
ражению
3„ = Кв(Ев-|- Е„)т(I/12v,,р),
10
Заказ 24-1
145
Рис. 58. Схема работы нескольких систем местного проветривания
где Кв— стоимость одного вентилятора, руб.; Е,— норма амортизационных от-
числений на капитальный ремонт вентилятора; т — среднее число вентиляторов
за все время строительства, включая резервирование вентиляторов.
Стоимость электроэнергии для всей длины I проводимого тон-
неля определяют по участкам. Для этого I разбивают на участки,
на которых вентиляторы работают определенное время. Мощность
(кВт) электродвигателя для каждого участка
N,= Q,h(/ (102т]ат]дВт]„);
здесь Q, — подача воздуха вентилятором, м'/с; Л,— полная депрессия на данном
участке, кг/м2; цв—КПД вентилятора; т]д,— КПД двигателя; т]„— КПД пе-
редачи.
Суммарные затраты (руб.) на электроэнергию
3, = К, 2 + /12н|||,)(СУДв« /cos <р).
I — I
где К,— стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, руб.; <V,1B—установленная мощность
электродвигателя, кВт; С — плата за 1 кВ А установленной мощности, руб.;
п — число электродвигателей.
Приведенные затраты (руб.) на силовое оборудование исчис-
ляют по формуле
Зо = [Кп(Оп+ Е„ + акК«)](М/12и||р),
где КпИ Кк—стоимость пускателя и кабеля, руб.; а„—амортизационные отчис-
ления для пускателей, руб.; — коэффициент, учитывающий срок службы
кабеля.
Оценка вариантов схем проветривания производится путем
определения общих затрат по рассматриваемым вариантам по (87).
Совокупность установок для проветривания тоннеля при строи-
тельстве представляет вентиляционную систему местного провет-
ривания (СМП); в эту систему входят: линии электропередачи
(ЛЭП); распределительный пункт наружный (РПН) и кабель
в тоннеле; фидерные автоматы (ФА); магнитный пускатель (МП)
и участок кабеля; вентилятор местного проветривания (ВМП);
трубопровод (Тр). Надежность каждой системы зависит от способа
подключения и резервирования.
146
Схема резерв а с мп Вероятность безотказной работы за месяц Во сколько раз надежность СМП меньше по сравнению со 1007.-ним резер- вом
-ГлэгП— "Рпн] —Ггё~1— ~м/П- 0,90 1,25
мн' —(фП— мпТ- -fswiK, тр Н 0,76 3,0
"РПН —|w~l— ’мгГк 4Wk.| 0,70 3,8
.JwwV- —{мТ}— [8мп\- ~тГТ- 0,6k 3,5
~|лз/т|— \рпн 1 тп- 0,59 5,1
—|/Ш I— &пн них [рТП 0,k7 6,6
Рис, 59. Характеристика надежности систем вентиляции местного проветривания
Схема резерва СМП и характеристика резерва надежности
представлены на рис, 59. Как видно из схемы, наибольшая надеж-
ность, т. е. безотказность работы за определенный период работы
СМП, достигается при раздельном питании и применении отдельно
регулирующей аппаратуры для каждого вентилятора местного
проветривания [24],
4. Средства и способы контроля
вентиляции
Управление вентиляторными установками может быть мест-
ным — из машинного зала и дистанционным — с подачей импульса
на пуск и остановку машины из машинного зала или с диспетчер-
ского пункта.
Дистанционное управление имеет ряд преимуществ: надеж-
ность в работе; централизованный контроль за работой установки;
меньшие расходы на обслуживающий персонал. Наиболее целе-
сообразнодистанционное управление главными вентиляторами из
общего диспетчерского пункта. При этом аппаратура управления
должна обеспечивать: пуск и остановку вентиляторов; реверсиро-
вание воздушной струн; контроль и регистрацию давления и про-
Ю* 147
изводительности; контроль температуры подшипников и системы
смазки; сигнализацию при отклонении производительности и дав-
ления от номинальных значений при перегреве подшипников;
автоматическую защиту двигателей; отключение вентилятора при
возникновении аварийных ситуаций и включение резервного вен-
тилятора; автоматическое повторное включение при кратковре-
менном (до 10 с) отключении напряжения.
Современные вентиляторные установки оснащаются регулиру-
емыми электроприводами — асинхронными вентильно-машинными
каскадами. Эти приводы плавно изменяют частоту вращения,
благодаря чему достигается большая глубина регулирования
производительности и давления вентиляторов. Еще более совер-
шенен регулируемый привод на базе машины двойного питания
(МДП). Его регулятор, построенный на основе функциональных
элементов математических аналоговых машин, регулирует возбуж-
дение МДП по заданному закону. МДП может работать с частотой
вращения ниже и выше синхронной, причем при частоте вращения
ниже синхронной мощность возвращается в сеть.
Постоянный контроль производительности и давления вентиля-
торов осуществляется дифференциальными манометрами (диф-
манометрами) . Наибольшее распространение получили кольцевые,
поплавковые и мембранные дифманометры, хотя применяются
приборы и другого типа. Эти приборы являются первичными,так
как непосредственно воспринимают импульс от измеряемой вели-
чины. Приборы могут иметь шкалу или быть самопишущими.
Для дистанционного контроля производительности и давления
вентиляторов служат вторичные приборы со шкалами, электриче-
ски связанные с первичными. Схема включения приборов для
контроля производительности и давления, позволяющая исполь-
зовать один комплект приборов обоих вентиляторов, приведена
на рис. 60. Тягомер Т измеряет статическое давление в канале
вентилятора. Расходомер Р измеряет перепад давлений в сече-
ниях 1 и 3. Воздухомерные трубки 4 и 5 введены в канал перед
рабочими колесами вентиляторов 6 и 7. Электромагнитный вен-
тиль 8 автоматически переключает расходомер на измерение
подачи работающего вентилятора.
Контроль расхода воздуха в транспортном отсеке, вентиляци-
онных каналах и других участках сети вентиляционной системы
тоннеля осуществляется ручными анемометрами типов АСО-3
и МС-13 (рис. 61). Первым можно измерять скорости воздуха
в пределах 0,2—5 м/с, а вторым — от 1 до 20 м/с. Такими анемо-
метрами определяют усредненную по времени и по поперечному
сечению канала скорость воздуха.
Следует заметить, что в тоннелях большого сечения замеры
нужно производить в течение 300—400 с. Подробная методика
замеров излагается в курсах «Рудничной аэрологии» [50].
Для контроля скорости в транспортном отсеке оборудуется замер-
ная станция, сечение которой тщательно измеряется; ее ра'.ме-
не
Рис. 60. Схема контроля производительности и давления главной вентиляторной
установки
1 — канал вентилятора; 2 -- воздухомерная трубка; 3 - - канал перед рабочим колесом;
4 и 5—воздухомерные трубки; 6 я /--вентиляторы; 8 — -электромагнитный вентиль
Рис. 61. Ручные анемометры
а — крыльчатый типа АСО-3; 6 — чашечный типа МС-13
щают на прямолинейном участке тоннеля на расстоянии не менее
10 диаметров тоннеля от порталов, каналов или выхлопных окон.
При поперечной системе вентиляции должны иметься устройства
для замера скорости движения воздуха во всех выхлопных и вса-
сывающих окнах.
Измерение депрессии в каналах, потерь ее в транспортных
отсеках и других участках вентиляционной сети производят мик-
романометрами типа ЦАГИ или ММН, воздухомерными трубками
Пито и набором резиновых шлангов, которыми соединяют воздухо-
мерные трубки и микроманометр [50]. Комплекс работ по опреде-
лению депрессии по всей вентиляционной сети называют депресси-
онной съемкой. Ее можно произвести депримометрами Комарова—
Гескина или баронивелиром БН-63. Для контроля загазованности
применяют ручные газоанализаторы. Концентрацию угарного газа
измеряют газоанализаторами типа ГХ-4 и «Инфралит III».
Газоанализатор ГХ-4 состоит из индикаторных трубок завод-
ского изготовления, в которых при пропускании порции анализи-
руемого воздуха в результате химической реакции изменяется
цвет реактива. По высоте столбика химической реакции опреде-
ляют концентрацию СО (% об.); диапазон измерений — от 0,001
до 0,2 %. Приборами ГХ-4 и ГХ-5 можно также измерять содержа-
ние SO2, H2S, NOX, СО2 и О2.
Газоанализатор «Инфралит III» выпускает немецкая фирма
«Юнкалор». Он действует по принципу поглощения инфракрасного
излучения. Результаты измерений (% об.) определяются по пока-
заниям магнитоэлектрических приборов или записываются на
лепту регистрирующего устройства. Диапазон измерений — от 0
до 0,05 % при ошибке менее 4,5 % диапазона измерений. Для пол-
ного анализа всех газов отбирают пробы воздуха в резиновые
камеры или стеклянные бюретки и передают их на анализ в лабо-
раторию военизированной горноспасательной части, обслужива-
ющей данный тоннель.
Для автоматического контроля содержания СО в транспортном
отсеке служат непрерывно действующие газоанализаторы типа
ГМК-3 или ГИАМ-5, имеющие два диапазона измерений: 0—100 и
0—400 мг/м3. Датчик для отбора проб воздуха должен устанав-
ливаться в 15—20 м от выходного сечения портала при продольной
и продольно-поперечной схемах вентиляции и нагнетательном
способе проветривания.
При поперечной схеме вентиляции датчик может быть установ-
лен во всасывающем канале около вентиляторной установки, одна-
ко он будет контролировать содержание СО во всем воздушном
потоке, тогда как в транспортном отсеке могут быть зоны с кон-
центрацией, превышающей нормы ПДК.
При всасывающем способе проветривания и продольно-попереч-
ной схеме вентиляции датчики рекомендуется устанавливать в
каналах вблизи вентиляторной установки. Автоматическим газо-
анализаторам присуща некоторая инерционность действия, что
150
должно учитываться системой регулирования движения транспор-
та по тоннелю. Система автоматического контроля, сблокирован-
ная с системой регулирования движения, называется системой
газовой защиты.
При продольно-поперечной схеме проветривания возможен
автоматический контроль скорости воздуха в транспортном отсеке
непрерывно действующими измерителями типа ИСВ-1 [45]. Диа-
пазон измеряемых скоростей 0,3—8 м/с. Сигнал от датчика
передается по телефонной паре проводов на расстояние до 8 км.
В качестве примера оснащения автодорожного тоннеля сред-
ствами автоматического контроля вентиляционной системы можно
привести тоннели на защитной дамбе в Финском заливе. Для по-
лучения объективной и достоверной информации о составе атмо-
сферы в транспортных отсеках и оперативного выбора эффектив-
ного режима вентиляции в различных ситуациях (в том числе
и аварийных) рабочим проектом в каждом тоннеле предусмотрена
установка:
датчиков (ГМК-1 или ГИАМ-5) на исходящих струях транс-
портных отсеков для непрерывного автоматического измерения
концентрации СО;
датчиков измерения скорости (ИСВ-1) на входном и выходном
порталах каждого транспортного отсека;
температурных датчиков (КСМ-2) и датчиков влажности
(ВВ-2) по всей длине тоннеля для контроля температуры и влаж-
ности воздуха;
фотодатчиков, работающих в области инфракрасного и ультра-
фиолетового излучений для обнаружения зон в транспортных
отсеках с пониженной видимостью из-за тумана или смога;
индуктивных датчиков на порталах и в середине тоннеля на
каждой из трех полос движения для подсчета общего количества
автомобилей, находящихся в отсеке в любой момент времени, и
обнаружения транспортной «пробки».
Для обработки информации и принятия эффективных мер, ис-
ключающих ошибки диспетчера, устанавливается программиру-
емый контроллер типа КМ2411. Он входит в состав локальной
информационно-управляющей системы (КТС ЛИУС-2) и пред-
ставляет собой микропрограммное управляющее устройство, ре-
шающее логические и цифровые задачи локального дискретного
управления объектом в соответствии с программой, составленной
по заданному алгоритму и хранящейся в его памяти. Такой модуль
автоматически управляет вентиляцией в реальном масштабе вре-
мени путем анализа поступающей иа вход контроллера информа-
ции о ходе процесса и о состоянии управляемого объекта. Контрол-
лер КМ2411 может дополняться блоками для аналого-цифрового
регулирования, телемеханического управления и устройством
отображения информации — дисплейным модулем.
Вся система информации и регулирования вентиляции сбло-
кирована с системой регулирования движения светофорами, све-
151
юными табло и представляет единую систему автоматического
контроля. Таким образом, информация о составе атмосферы в
тоннеле и параметрах вентиляции, а также о количестве транспорт-
ных единиц в отсеках по телемеханическим каналам связи посту-
пает в программируемый контроллер, на выходе которого в соот-
ветствии с заложенной программой вырабатывается управляющий
сигнал на включение или выключение вентиляторных установок
или изменение их производительности для обеспечения требуемой
подачи воздуха. Одновременно информация о параметрах атмо-
сферы в тоннелях может быть вызвана диспетчером на дисплей.
Аварийные значения параметров выводятся на дисплей автомати-
чески с одновременной сигнализацией диспетчеру.
5. Воздухоуплотнительные и регулирующие
устройства
Одной из главных задач проектирования и монтажа всей вен-
тиляционной сети тоннеля является создание воздухоплотной
(герметичной) системы с минимальными утечками. Практика
эксплуатации промышленных систем вентиляции показывает, что,
несмотря на тщательно выполненные проектировщиками расчеты,
правильный выбор вентиляторов, средств регулирования и рас-
пределения воздуха, система иногда оказывается неработоспособ-
ной из-за неучета утечек воздуха или некачественного монтажа
системы.
На рис, 62 представлена типичная схема подключения венти-
ляторной установки к подводящим каналам и шлюзовой системы
из трех перемычек с дверями. Утечки воздуха через любое соору-
жение будут зависеть от материала, его толщины, качества
изготовления и перепада давления на противоположных сторонах
устройства. Так, кладка стенки из силикатного кирпича толщиной
38 см в зависимости от перепада давления пропускает достаточно
большое количество воздуха (рис, 63, кривая 1) и не может счи-
таться воздухоплотной. Однако оштукатуривание ее с двух сторон
известково-цементным раствором значительно повышает ее плот-
ность. Применение специальных растворов или герметизирующих
мастик намного уменьшает утечки воздуха (м3/мин-м2) и явля-
ется эффективным средством уплотнения вентиляционных соору-
жений, В качестве герметизирующих покрытий используют сили-
катный и цементный растворы, хлоридно-глинистую пасту, латекс
и изолирующую мастику.
Цементным раствором можно покрывать кирпичные, блочные
и бетонитовые поверхности, а также противопожарные арки. Шту-
катурку цементным раствором не следует наносить в подзем-
ных сооружениях, испытывающих горное давление. Силикатный
раствор используют как для вновь возводимых устройств, так и
152
Рис. 62, Схема вентиляторной установки и подводящих выработок
/ — осевой вентилятор, 2 — фундамент; 3 — здание. 4 — подводящий канал; 5 — обводный
канал; 6 -- диффузор, 7 дшп атель, 3 и 9 клапаны для реверсирования струи;
10 - iiivMoi душители; II - возлухо шборныи киоск
при ремонте. Он состоит из жидкого стекла и известково-цементной
суспензии, которые при смешивании схватываются и создают
прочный воздухонепроницаемый и нерастворимый в воде состав.
Соотношение по массе компонентов примерно такое: цемент: из-
весть : песок : жидкое стекло : вода = 2,7 : 1,5: 0,4 : 0,55 : 1,7. Хло-
ридно-глинистая паста состоит из длительно невысыхающего в
подземных условиях водного раствора глины с добавками СаС1г
и NaCl; эту пасту не рекомендуется наносить при сильной
влажности или капеже.
Для гуммирования изолирующих перемычек в подземных усло-
виях применяют латекс марок Л-3, Л-4, Л-7. Мастика представляет
собой дисперсную смесь мелких частиц битума, воды и твердого
эмульгатора в следующем соотношении по массе — битум
БН-Ш : известь : инертная пыль : вода— 2 : 0,7 : 4 : 3,3, Влияние по-
крытия этими герметизаторами хорошо видно из зависимостей,
приведенных на рис. 63 (кривые 3, 4 и 5). Утечки воздуха можно
определить по нормам, установленным для аналогичных сооруже-
ний подземных шахт [24].
Рис. 63. Зависимость воздухопроница-
емости кирпичной кладки от перепада
давления
/ — без покрытия раствором; 2 — оштука-
туренной с двух сторон; 3 — покрытой
хлорндно-глниистой настой. 4 — покрытой
силикатным раствором; 5— покрытой изо-
лирующей мастикой
153
Нормальные утечки воздуха через изолирующие глухие пере-
мычки при перепаде давления 50 кг/м2 равны:
Нормы утечек, mj/mhh • м2 при
площади перемычки, м2 4 7 10 15
Бетонные, кирпичные, шлако-
блочные перемычки .... 10 13 16 19
При других перепадах давления утечки (м3/мин) можно под-
считать по формуле
Q)T== Q)t „777/50”.
Покрытия пастами и мастиками уменьшают утечки в 1,5 раза.
При наличии в перемычке дверей их нормы значительно увеличи-
ваются и для двустворчатых дверей площадью от 3,5 до 5,5 м2
составляют от 55 до 70 м3/мин. Нормы утечек (м3/мин) через шлюз
зависят от числа перемычек в нем и размеров дверей:
Q >1 ,»A ==z ^IlV'pQ >7 Н,
где Лоер— коэффициент, зависящий от числа перемычек в шлюзе (принимается
равным 0,76 при двух перемычках, 0,66 при трех и 0,57 при четырех); Q,IH— норма
утечек через одну перемычку при общем перепаде давлений на шлюз.
Так, для схемы установки вентиляторов, приведенной на
рис. 62, перепад давлений на шлюзе, состоящем из трех перемычек
с дверьми, можно принять равным напору, создаваемому работа-
ющим вентилятором.
Для шлюзовых устройств рекомендуются автоматические вен-
тиляционные двери, представляющие собой металлические конст-
рукции с проемом для проезда транспорта и калитки для прохода
людей (рис. 64). Двери открываются дистанционно или с местного
пульта с помощью электрического привода. По периметру конст-
рукций устанавливаются эластичные уплотнительные элементы
для уменьшения утечек.
Для регулирования расходов воздуха в вентиляционной сети
могут применяться различные регуляторы. Так, в сбойках между
тоннелем и вентиляционной штольней могут быть использованы
надежные окна с подвижной шторой, перемещающейся в горизон-
тальном направлении. Расчет таких окон производится по (67)
и (68). В таких регуляторах устанавливаются двери для прохода
людей или проезда транспорта, что уменьшает сопротивление
и увеличивает утечки.
В тоннельной вентиляции метрополитенов широко применяются
створчатые жалюзийные регуляторы и клапаны типа ВК. Конст-
рукция клапана типа ВК-7А представлена на рис. 65, а основные
технические данные регуляторов типа ВК приведены в табл. 34.
Клапаны типа ВК выполняются из листовой и профильной
стали и оснащаются электроприводом с дистанционным и местным
154
Рис. 64. Конструкция вентиляционной двери с электроприводом
I — ворота для проезда транспорта; 2 — дверь для прохода людей, 3 — редуктор с дви-
гателем; 4 — окно со шторой
управлением. Каждый редуктор привода клапана имеет электро-
подогреватель мощностью 0,25 кВт и напряжением 127 В. Такие
клапаны служат для систематического регулирования расхода
воздуха в сети при сезонном или более кратковременном его
распределении. Для обслуживания клапанов предназначены раз-
борные подмостки.
Приемные устройства (киоски) для наружного воздуха надо
располагать в местах наименьшего его загрязнения на высоте
не менее 2 м от поверхности земли до низа проемов. Выхлопные
отверстия для выброса воздуха, удаляемого из тоннеля, следует
размещать так, чтобы при рассеивании вредных веществ, обосно-
ванном расчетом, концентрация их в воздухе у ближайших жилых
и общественных зданий, а также у массивов зеленых насаждений
не превышала ПДК, регламентируемых санитарными нормами
проектирования промышленных предприятий для атмосферы насе-
ленных пунктов и нормами для зеленых насаждений. Это очень
важно не только для городской атмосферы, но и для вентиляции
самого тоннеля.
При наличии двух транспортных отсеков, заканчивающихся
в одной вертикальной плоскости, загрязненный воздух будет
подсасываться в параллельный отсек. При таком расположении
портала рационально возведение разделительной стенки высотой
не менее 2£>т (/>т— высота транспортного отсека), по форме учиты-
155
Рис 65- Конструкция вентиляционного клапана ВК-7А
/ — створки клапана, 2 - обрамление клапана; 3 — редуктор с электроприводом; 4 —
вал клапана; 5 -- тяга створок; 6 --- обделка тоннеля
Таблица 34
Т ип клапана Конструкция клапана Живое сечение, м'2 Масса, кг Тин электро- двигател я Мощ- ность. кВт Число оборотов, об/мин
В К-1А Одностворчатый 3,4 816
ВК.-2Б горизонтальн ый Одностворчатый 2,5 730
ВК-ЗА вертик ал ьный Трехстворчатый 13,0 1490
ВК.-4А ВК-5А вертикал ьный То же Двустворчат ын 6,5 8,4 1120 1135 > АО2-12-4 0,8 1400
ВК-6А вертикальный Трехстворчатый 8.2 1225
ВК-7А вертикальный Двустворчатый 7,5 1151
ВК-8А вертикальный То же !),5 1212
Рис. 66. Расположение всасывающего киоска на портале автодорожного тоннеля
вающей направление господствующих ветров. Стенка должна
архитектурно украшать портал рампы как один из элементов
художественного оформления въезда в тоннель.
Расположение киоска всасывающей шахты по отношению к
тоннелю применительно к рельефу Ирганайского автодорожного
тоннеля показано на рис. 66. Как видно из приведенных размеров
на местности, при такой схеме исключается засасывание отрабо-
танного воздуха всасывающим киоском, соединенным с нагнета-
тельным вентилятором.
Конструкция киосков проста, по внешнему виду она должна
вписываться в окружающую архитектуру. По аэродинамическим
характеристикам киоски должны иметь наименьшее сопротивле-
ние, а скорости воздуха в любых сечениях не должны превышать
5—6 м/с.
6. Электроснабжение, сигнализация и связь
Питание электроэнергией силовых и осветительных установок
должно осуществляться от общих энергосистем или местных
электростанций. При отсутствии вблизи тоннеля источников элек-
троэнергии необходимой мощности допускается проектировать
собственные электростанции, сооружаемые вблизи тоннеля. Элек-
троснабжение системы силовых и осветительных устройств следует
предусматривать переменным током напряжением 380/220 В от от-
дельных трансформаторов с заземленной нейтралью. В подземных
коммуникациях возможно использование трансформаторов с
иными параметрами, например 220/127 В, выпускаемых для горно-
добывающей промышленности. Трансформаторные подстанции или
распределительные пункты нужно рассчитывать на полную рабо-
чую мощность всех одновременно работающих потребителей.
Обеспечение электроэнергией вентиляторных установок в автодо-
рожных тоннелях, устройств противопожарного водоснабжения,
освещения ниш и камер проектируют по первой категории надеж-
157
ности электроснабжения в соответствии с Правилами устройства
электроустановок (ПУЭ).
Силовые электрические сети выполняются бронированными
кабелями без наружной джутовой оплетки, а для сетей освеще-
ния— проводами в трубах или бронированными кабелями. Сило-
вые и осветительные кабели прокладывают по одной стороне
тоннеля, кабели слабого тока — по другой. Кабели подвешивают
на кронштейнах, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга
по длине тоннеля. Расстояние в свету по вертикали между кабеля-
ми должно быть не менее: напряжением 6—10 кВ и группой
кабелей напряжением до 400 В, а также напряжением 6—10 кВ
и группой кабелей слабого тока или контрольных — 170 мм; между
кабелями напряжением до 400 В и группой кабелей слабого тока
или контрольных — 65 мм.
Переход кабелей с одной стороны тоннеля на другую осуще-
ствляется по его своду на кронштейнах со скобами для жесткого
крепления. В тоннелях длиной до 300 м допускается прокладка
кабелей по одной стороне. Для всех подземных выработок тоннеля
надо предусматривать стационарное электрическое освещение и
переносное освещение мест производства ремонтных работ. Об-
служивающий персонал при нахождении в подземных коммуни-
кациях должен пользоваться светильниками с автономным пи-
танием.
Освещенность на горизонтальной поверхности на уровне по-
крытия проезжей части тоннеля должна быть не менее приведенной
в табл. 35.
Отношение наибольшей площади покрытия проезжей части на
каждом участке автодорожного тоннеля к ее наименьшему значе-
нию (световые переходы) не должно превышать 3:1. Для освеще-
ния нужно применять светильники с защитным углом не менее 10°
с одной или несколькими газоразрядными люминесцентными лам-
пами, расположенными непрерывно вдоль оси проезда в своде
или в местах сопряжения стен со сводом.
Управлять режимом общего освещения можно автоматически
в зависимости от естественной освещенности или дистанционно
из диспетчерской. Для подключения ремонтных механизмов к сети
Таблица 35
Режим освещения Освещенность на расстоянии, м
от въездного портала с односторон- ним движением или от портала с встречным движением от выездного порiала с односторонним движет ем
0 25 50 75 100 и более 100 и более 75 50 25 0
Дневной 750 600 400 200 30 30 100 150 250 400
Ночной 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
158
напряжением 380/220 В устанавливают на расстоянии 120—150 м
друг от друга на высоте 500—700 мм ящики, а для переносного
освещения—розетки у камер и через 60 м по длине тоннеля.
При двухрядном движении ящики и розетки устанавливают по
одной стороне, а при трехрядном и более — по обеим сторонам
тоннеля.
Максимальное падение напряжения от шин подстанций до
потребителя не должно превышать в силовых сетях 8 %, а в осве-
тительных — 9 % номинального напряжения. Устройства тоннель-
ной сигнализации должны питаться переменным током промыш-
ленной частоты 50 Гц от трансформаторной подстанции, питающей
осветительную сеть тоннеля.
Оповестительная сигнализация должна быть звуковой и свето-
вой, а заградительная — световой. Для подачи звуковых сигналов
служат гудки с нормальной слышимостью на расстоянии до 150 м,
устанавливаемые по одной стороне тоннеля на высоте 2 м, в тон-
нелях длиной более 1000 м — громкоговорители, расстояние между
которыми определяется проектом, а у дежурного на вентиляторной
установке — звонок. На порталах тоннелей длиной более 300 м
оборудуется заградительная сигнализация, запрещающая въезд
транспортных средств при возникновении аварийной ситуации.
Кроме того, по длине тоннеля через каждые 60 м и у телефонных
аппаратов размещаются кнопки заградительной сигнализации.
Рекомендуется параллельное автоматическое включение запреща-
ющих сигналов от датчиков пожарной сигнализации и газового
контроля. На подходах к тоннелю должны быть предусмотрены
контрольно-габаритные устройства и плакаты, определяющие по-
рядок и особенности движения по тоннелю.
Автодорожные тоннели длиной более 300 м должны иметь
телефонную связь с диспетчерской. Телефонные аппараты устанав-
ливают у обоих порталов, а также в тоннеле на расстоянии не бо-
лее 150 м друг от друга.
Управление всеми работами и обслуживанием тоннеля должно
осуществляться эксплуатационным персоналом, штаты которого
рассчитываются по действующим нормативам. Так, для обслужи-
вания двух тоннелей на защитной дамбе в Финском заливе проек-
том предусматривается следующая численность персонала в рас-
чете на трехсменную работу: дежурных диспетчеров-инженеров-
механиков или инженеров-движенцев — шесть человек, инженер-
радист— один, техников-радистов — двое, монтеров-радистов —
двое, техников-электромехаников — четверо, инженер-сантех-
ник — один, техников — четверо, всего — двадцать человек.
159
7. Мероприятия по противопожарной защите
Действующими Строительными нормами и правилами
(СНиП П-44—78) определены противопожарные мероприятия в
автодорожных тоннелях длиной 300 м. При продольной и продоль-
но-поперечной схемах вентиляции на случай пожара должна
быть предусмотрена реверсия вентиляционной струи для удаления
дымовых газов; однако это эффективно только при нагнетательном
способе проветривания. При всасывающем способе дымовые газы
будут направлены обратно в транспортный отсек и тем самым
лишь ухудшат ситуацию в тоннеле. При продольной схеме венти-
ляции любое направление движения воздуха раздувает пожар,
а реверсия струи только задымит тоннель в обе стороны от очага
пожара и никаких ощутимых преимуществ не даст. Все это столь
очевидно, что п.6.12 СНиП следует пересмотреть и уточнить.
Других рекомендаций по противопожарной защите СНиП П-44—78
не содержит. В нашей стране длинных автодорожных тоннелей
сравнительно немного; в технической литературе не приводится
ни одного случая пожара в тоннеле.
Значительное количество работ по анализу аварийных ситуаций
выполнено в Японии (особенно после пожара в тоннеле Хокурику
в 1972 г.), США, Англии и ФРГ; некоторые их результаты опуб-
ликованы в печати. В нашей стране проблемы пожарной безопас-
ности изучает Ленинградское отделение Всесоюзного научно-
исследовательского института противопожарной обороны (ЛО
ВНИИПО), где для этого создана специализированная лабора-
тория. Большой опыт накоплен в горнодобывающей промышлен-
ности, где такие проблемы весьма актуальны.
Последствием пожара может явиться гибель людей и уничтоже-
ние материальных ценностей, а при интенсивном его развитии —
обрушение конструкций обделки и пород, что выведет тоннель
из строя на длительный срок, ибо восстановить его быстро невоз-
можно, что приведет, помимо прямых убытков, к косвенным из-за
нарушения движения на автодороге. В связи с тенденцией к уве-
личению протяженности тоннелей и интенсивности движения ве-
роятность возникновения аварийных ситуаций намного возрастает.
Некоторые данные о последствиях пожаров приведены в табл. 36.
Температурный режим в тоннеле при пожаре будет зависеть
от характера перевозимого груза, его массы, а при остановке
аварийного средства — от скорости воздушной струи в транспорт-
ном отсеке. Особенно опасны эфиры, спирты и нефтепродукты.
Как показала зарубежная практика тушения пожаров в тоннелях,
особенно тяжелая обстановка и последствия возникают при оста-
новке транспортного средства. В связи с этим в Японии были
осуществлены натурные испытания по проведению горящего со-
става через тоннель длиной 2,87 км. Температурный режим опре-
делялся как в горящем вагоне, так и в смежных, а также в тониеле
160
Т а б л и ц а 36
Название тоннеля Страна Длина, м Год ава- рии В рем я тушения Кол имеет во пострадает их Маюриальные но герн
Нагойя Япония 2000 2 суток 160 ва1онов
Кродэ Франция 226 1971 Более 2 суток 2 чел погибли 24 цистерны, 46 грузовых ва- гонов, обделка юннеля
Конжер США 484 1974 80 ч Пострад ади пожарные Весь состав, конструкции тоннеля
Окленд США 5800 1979 1 чел, погиб, 44 ранено 5 вагонов, кон- струкции тон- неля
Хокурику Япония 13800 1972 10 ч 30 чел. погиб- ли, 714 постра- дали 15 вагонов, весь состав, конст- рукции тоннеля
в местах подвески кабелей. Были предприняты два огневых опыта.
В обоих случаях горение не распространилось на другие вагоны,
а температура во всех вагонах, кроме следующего за горящим,
не повышалась. Температура в следующем за горящим вагоне
не превысила 4-34 °C, а в тоннеле поднялась не более чем на 15°.
Поэтому была принята рекомендация о выводе горящего состава
из тоннеля и недопустимости его остановки. Такой же рекоменда-
цией руководствуются на отечественных метрополитенах. При ре-
альных пожарах и остановке составов температура в тоннеле
повышалась до 1000°C, а при горении нефтепродуктов — до
1500 °C.
В Швейцарии была проведена серия опытов по сжиганию трех
порций бензина (100, 500 и 1000 л) в автодорожном тоннеле.
Наибольшие температуры отмечались в верхней точке тоннеля
при сжигании указанных количеств бензина: соответственно 330—
575, 850—880 и 990—1200 °C. На расстоянии 0,5 м от почвы темпе-
ратура в два и более раз была ниже приведенных значений. Были
также установлены расстояния оз очага пожара, при которых
воспламенялись соседние автомобили: 4 м при сжигании 500 л
и 11 м при сжигании 1000 л бензина; эти расстояния увеличива-
лись при усиленной подаче воздуха.
Опыты, проведенные в штольне Всесоюзным научно-исследо-
вательским институтом горноспасательного дела (ВНИИГД) при
сжигании древесины, показали, что при увеличении скорости
воздушного потока с 0,5 до 5 м/с температура в очаге пожара
возрастала с 1100 до 1450 °C [30]. Распределение температуры
по воздушной струе за очагом пожара в тоннеле определялось
по формуле
1 1 Заказ 24 4 161
Л = /ст + (/оЧ - tci)e Bl ,
где ter—температура стенок; tm—температура в очаге пожара;
В = а,тР/ОСр;
здесь а,— коэффициент теплопередачи; Р — периметр выработки, м; G — расход
воздуха, кг/мин; Ср— теплоемкость воздуха.
Для большей точности расчетов в приведенные формулы вводят
поправки на нестационарность теплообмена выделяющихся при
пожаре газов со стенками выработки.
Безопасная эвакуация людей при пожаре в транспортном тон-
неле достигается только при движении их навстречу свежей струе
воздуха. Подход и подъезд к очагу пожара и его тушение в тоннеле
возможны только со стороны свежей струи, в связи с чем она
должна быть устойчива по направлению. Подход к очагу пожара
с противоположной стороны невозможен даже с кислородно-изо-
лирующими противогазами из-за высокой температуры вблизи
очага. Надежное и быстрое реверсирование струи может потребо-
ваться как при эвакуации людей, так и в ходе тушения пожара.
В подземных выработках используется метод локализации и туше-
ния пожара при двукратном реверсировании воздушной среды
с установкой перед очагом пожара водяной завесы, а затем —
после реверсирования — такой же завесы с другой стороны очага.
Так как пожар может возникнуть в любом месте вентиляцион-
ной сети (в транспортном отсеке, каналах, вентиляторной уста-
новке и др.), то возможны несколько схем вентиляции при аварий-
ных режимах. Все варианты должны быть предусмотрены планом
ликвидации пожаров в данном тоннеле. Логичность той или иной
схемы должна учитывать возникающий тепловой напор, особенно
большой при значительной разности абсолютных отметок порталов.
В разных странах даются различные рекомендации по противо-
пожарной защите транспортных тоннелей. Так, в тоннелях метро-
политенов в нашей стране с 1981 г. предусматривается установка
пожарных гидрантов через каждые 90 м. С учетом отрицательных
температур воздуха, применение в автодорожных тоннелях водя-
ных трубопроводов зимой исключается. Хотя некоторыми прави-
лами [34] и предусматриваются меры по предохранению трубопро-
водов от замерзания, осуществить их очень трудно.
Исходя из результатов анализа температуры и опыта, накоп-
ленного в горнодобывающей промышленности, можно рекомендо-
вать следующие технические и организационные мероприятия для
автодорожных тоннелей:
установка датчиков для обнаружения очагов пожара, регистри-
рующих скорость изменения температуры (5—10°С/мин), через
каждые 5—6 м в сводовой части тоннеля;
установка первичных средств пожаротушения в специальных
нишах через каждые 100—300 м по длине тоннеля;
162
устройство центральной камеры (склада) на каждом портале
со средствами пожаротушения, обеспечивающими локализацию
пожара и тушение его до прибытия пожарных подразделений;
при наличии параллельной выработки должны устраиваться
соединительные сбойки через 250—600 м с герметичными противо-
пожарными дверьми для выхода людей;
по всему тоннелю должны быть установлены указатели запас-
ных выходов, средств пожаротушения, телефонов, извещателей
и других устройств.
В качестве организационных мероприятий должны предусма-
триваться:
составление плана предупреждения и ликвидации аварий с
согласованием его с пожарным подразделением, обслуживающим
тоннель;
обучение всего обслуживающего персонала основам противо-
пожарной безопасности и изучение системы мероприятий противо-
пожарной защиты данного тоннеля; назначение приказом по объ-
екту ответственного за противопожарную безопасность;
организация из обслуживающего персонала вспомогательной
горноспасательной команды с комплектом оборудования и аппара-
тов (респираторов Р-12, РВЛ-1, оживляющей аппаратуры, средств
оказания первой помощи и т. п.);
установление порядка выполнения ремонтных работ с исполь-
зованием открытого огня (сварки, пайки);
регламентирование порядка проезда транспортных средств
с горючими жидкостями, газами и иными пожароопасными гру-
зами, а также колонн автобусов и других транспортных средств
с людьми.
Мероприятия по противопожарной защите при строительстве
тоннелей более подробно освещены в действующих правилах
[34, 36]. Следует признать, что в целом вопросы противопожарной
защиты транспортных тоннелей разработаны еще недостаточно
и нуждаются в постановке научных исследований с учетом спе-
цифики тоннелей различного назначения.
11*
163
Г лава шестая
ВЛИЯНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ
И ТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ВЕНТИЛЯЦИЮ
ТОННЕЛЕЙ
1. Тепловой напор и атмосферное
давление
Воздействие естественных факторов на вентиляцию шахт и
рудников, расположенных в различных географических условиях,
изучено достаточно хорошо [50]. Некоторые вопросы этого воз-
действия изучались в тоннелях метрополитена [62], железнодо-
рожных и автомобильных тоннелях [15, 17, 32]. С 1976 г. кафедра
рудничиой вентиляции и охраны труда ЛГИ систематически про-
водит исследования воздействия естественных факторов в Миат-
линском, Метехском, Рокском и Канонерском автодорожных тон-
нелях, находящихся в различных географических регионах.
Возникновение сил, влияющих на вентиляцию в тоннелях,
обусловлено тремя факторами:
различными температурами воздуха снаружи и внутри тон-
неля — /iT;
движущимися массами атмосферного воздуха (ветром) в на-
правлении, близком к продольной оси тоннеля,— /гв;
различными барометрическими давлениями на одной и той же
геодезической высоте на противоположных порталах тоннеля — hs-
Все эти силы, возникающие под воздействием перечисленных
факторов, называют естественной тягой', суммарная ее величина
(кг/м2)
_-4-Д.-уУц ($8)
Очевидно, что каждый компонент, а следовательно, и суммар-
ная тяга не постоянны во времени как по величине, так и по на-
правлению. Используя естественные факторы, можно проветривать
тоннели небольшой длины, обосновав возможную естественную
тягу расчетами, а для длинных тоннелей величину необходимо
учитывать при выборе режима работы вентилятора.
Рассмотрим методику расчета и измерения теплового (гравита-
ционного) напора. Наиболее прост и достаточно точен гидро-
статический метод, согласно которому тепловой напор
(кг/м2) определяют по формуле
/1г = лН(у„ —ут),
где а// — разность высотных отметок порталов, м; у„— средняя плотность наруж-
ного воздуха, кг/м3; ут— средняя плотность воздуха внутри тоннеля, кг/м1.
164
Приведенная формула показывает, что в горизонтальном тон-
неле (&Н — 0) воздух под действием разности температур двигать-
ся не будет, а при разности температур снаружи и внутри тоннеля
будут возникать местные перемещения воздуха в припортальных
участках, направление которых будет зависеть от перепадов тем-
ператур воздуха.
Плотность воздуха находят по выражению
у, =0,461 (й /273 + 0;
здесь й — Пирометрическое давление в данной точке, мм pi.ci ; значение коэффи-
циента 0,461 рекомендуется принимать при температуре воздуха больше —7 °C,
а при более низких температурах 0,465
Произведя несколько измерений по длине тоннеля, определяют
среднюю величину (кг/м3)
Л
S у./л.
< = I
Барометрическое давление (мм рт. ст) в каждой точке может
быть измерено или подсчитано по формуле
й = й„ (89)
здесь Ви- барометрическое давление в начальной точке, мм рт. ст., \Н — пре-
вышение точки относительно начальной, м; R — газовая постоянная (/? = 29,27) .
Очень трудно при таком методе определить температуру на-
ружного столба воздуха на высоте л Н. Наиболее точно это можно
сделать с помощью геофизического зонда. Часто при расчетах
за среднее значение \Н принимают значение на портале тоннеля.
Непосредственно измерить величину теплового напора можно
следующим способом. В центре тоннеля устанавливают временную
перемычку из плотной прорезиненной ткани, полностью перекры-
вающую его сечение. Микроманометром ММН-1 (или другого
типа) и резиновой трубкой измеряют перепад давлений через
перемычку. Затем микробарометром МБ-1 (или БН-63) измеряют
атмосферное давление на каждом портале и приводят его к одной
высотной отметке по (89). При отсутствии ветра тепловой напор
hr=h tJM ж /и-
Как показали измерения в перевальных тоннелях, хорошие
результаты дает формула (кг/м2), рекомендованная для нагорных
рудников [3]:
/1г=\йут(П,-О)/(273 + /срт),
где /„— температура воздуха у нижнего портала, °C; /ер1— средняя температура
воздуха в тоннеле, °C.
165
Рис. 67. График функции ftT = f(t) для Рокского автодорожного тоннеля
Из многочисленных измерений в длинных тоннелях видно, что
средняя температура воздуха в центре тоннеля равна температуре
пород (обделки).
Проведя необходимые измерения, можно построить зависимость
величины теплового напора от наружных температур воздуха.
На рис. 67 приведена зависимость величины теплового напора йт
от температуры наружного воздуха для Рокского тоннеля. Перепад
высот между северным и южным порталами составляет 83 м.
По оси абсцисс откладываем значения расходов воздуха Q и
строим кривую сопротивления /?т=0,00582 кг/м (тоннель соединен
через штольню). По построенным зависимостям можно определить
расход воздуха по тоннелю при любой температуре наружного
воздуха. Так, при температуре —8 °C тепловой напор составляет
/гт = 5,5 кг/м2, и по тоннелю будет проходить QT = 30 м3/с воздуха
от северного портала к южному. При температуре 4-20 °C (рис. 67)
напор Лт=3 кг/м2, и по тоннелю будет двигаться QT = 22,7 м3/с
воздуха от южного портала к северному. Из графика видно, что
температура воздуха -|- 10 °C является переходной, определяющей
направление его движения.
Барометрический напор возникает в длинных тоннелях, пере-
секающих высокие горные хребты, на противоположных сторонах
которых метеорологические условия могут быть различны. Вели-
чину барометрического напора (кг/м2) определяют по формуле
Лб= 13,6лй,
где &В — разность барометрических давлений иа противоположных порталах,
замеренных одновременно, мм рт. ст.
Измерять барометрические давления рекомендуется только
точными приборами — микробарометром МБ-1 или микроманомет-
166
Т а б л и на 37
Дата |\ц ХИ 1 иозд\ ха, м ‘/с Общая депрессия h,, кг/м" Тем пера гура во щу ха ГС) на
южном порта. ie северном портале
2 февраля 4.87 — 0,14 + 0,8 + 0,4
2 февраля 1 1.7 -0,79 + 0.4 + 0,62
3 февраля 17.8 - 1.84 + 1.0 -0.8
4 февраля 1 1,74 + 0.8 -0,8 -з,о
18 еентября 30,3 + 5,34 + 15,0 + 12.4
19 сентября 3 1.4 1 -5,74 + 14,2 + И.2
22 сентября 31,8 - 5,88 + 8.4 + 5,2
Продолжение табл. 37
Дата Теп.ювон напор /б, KI / + Рас чет ный барометриче- ский па нор Ii'g, КГ/М' 111мереиныи барометриче- ский напор h'(l. к./м-' Отношение ~Г- 100 Лв О/ /о
2 февраля -2,7 + 2,84 3,37 18,7
2 февраля -2 44 + 1.65 1,95 18,1
3 февраля -2,82 + 0,98 1.15 17,3
4 февраля -3,4 + 4,2 5,14 22,4
18 сентября + 0.8 + 4,54 4,98 9,7
19 сентября + 0,5 -6,24 6,62 6,1
22 сентября -1,1 -4,87 5,37 12,3
ром МБ-63, прошедшими тарировку; при этом обязательно
введение всех поправок, указанных в паспорте прибора.
В табл. 37 приведены результаты измерений и расчетов общей
естественной тяги, теплового и барометрического напоров в летний
и зимний периоды 1983 г., выполненных сотрудниками ЛГИ в
Рокском тоннеле. Как видно из таблицы, направление движения
воздуха определяет алгебраическая сумма теплового и барометри-
ческого напоров, причем в трех случаях (2 февраля в 13 ч 30 мин,
3 февраля в 14 ч 20 мин и 22 сентября в 22 ч) воздух двигался
с севера на юг, в последнем случае за счет разности барометриче-
ских давлений, а в первых двух случаях за счет теплового напора.
Таким образом, наблюдения показали, что направление движения
воздуха определяет составляющая общей естественной тяги, ве-
личина которой больше по абсолютной величине. Направление
движения воздуха меняется не только в течение суток, но и в тече-
ние нескольких часов. Максимальная измеренная величина есте-
ственной тяги составляла 8 кг/м2, что приводит в движение
37 м3/с воздуха. Орография порталов Рокского тоннеля такова, что
ветер не может создать существенную нагрузку. Кроме того, за
весь период наблюдений скорость ветра ни разу не превышала
1 —1,5 м/с.
167
2. Ветровые нагрузки на тоннели
Направление и скорость ветра на поверхности зависят от
метеорологических условий данного района, а воздействие ветра —
от топографии местности, формы портала и прилегающих твердых
поверхностей. Ветер, дующий со скоростью о„, создает нагрузку
(кг/м!) на поверхность, перпендикулярную потоку,
/<(К^=иф/2.
Если предположить, что весь создаваемый напор тратится без
потерь на движение воздуха в тоннеле, а режим движения в нем
турбулентный, то расход воздуха (м'!/с)
Заменив Ry~aLP/S3 и подставив /iCK, получим:
ут= д/оф53/2а/_Р .
При стандартных условиях р = 0,122; тогда, извлекая корень
из численных значений, найдем:
Q,.= 0,247uBVW«^”- (9°)
Если ветер движется под углом |3 к оси тоннеля, то напор
Иск (кг/м2) значительно уменьшается. Для трубы с острыми кром-
ками
Л.11=СО52’Р(и2р/2) .
Однако для тоннеля, форма портала которого отличается от
трубы, поправка на cos2 р будет недостаточной. Эксперименты,
проведенные на модели, а также измерения в Метехском и Миат-
линском тоннелях показали, что необходимо вводить поправки иа
местное сопротивление входа воздуха в тоннель, зависящее от
формы портала. При разных направлениях ветра (90) будет
иметь вид (м3/с):
0,=(),247Аф cos2 рцвд/У/'с(Гр‘, (91 )
где £ф- коэффициент, зависящий от формы портала.
При входе в тоннель в виде перпендикулярной горизонту стены
п — 3, а А’ф = 0,765; при портале, имеющем ступенчатый световой
переход с тремя сечениями, л =2,5, а коэффициент Лф = 0,812.
Пример 15. Обосновать возможност ь вентиляции расположенного на склоне
речной долины тоннеля длиной 600 м, прямоугольного сечения (7,5ХЗ,5 м), за-
крепленного монолитным бетоном при а = о,ио20. напр.т’ к>ниях ветров от Одо 25°
и скоростях 2,5—3 м/с по отношению к оси тоннеля. Порталы выполнены в виде
глухих стен без переходов
16«
Рис. 68. Схема моделирования ветрового напора
1 -- вентилятор левого плеча; 2 - вентилятор правого плеча, 3 - центральная сбойка,
4 — транспортный отсек; 5— «ветровые» вентиляторы; b спрямляющая решетка; 7-
м од ел и автомобилей, 8 — регуляторы расхода воздуха
При благоприятных условиях
<?', = 0,247 -0,765 • 1 -ЗУТ8О87/ОЛ)ОГ-6ОО“22"=14,8 м ‘/с,
а скорость воздуха в тоннеле v' ==0,56 м/с.
При неблагоприятных условиях
Q;' = 0,247 • 0,765 0,9'* • 2.5-/Т8 087/07б02т600’=9,0 м/с.
а скорость воздуха в тоннеле и" = 0,34 м/с. Таким образом, по (91) можно обосно-
вать естественную вентиляцию тоннеля расчетом.
Воздействие вентиляторных установок может быть различным.
При продольной и продольно-поперечной схемах вентиляции вет-
ровой напор может увеличивать или замедлять скорость движения
воздуха, а в некоторых случаях и «опрокидывать» воздушную
струю.
Для проверки количественных параметров высказанных поло-
жений были проведены лабораторные эксперименты на модели.
Схема эксперимента показана на рис. 68, а результаты замеров
расходов воздуха — в табл. 38. Как видно из этой таблицы, ветро-
вой напор при скорости ветра до 2,3 м/с полностью тратится на
преодоление сопротивления в левом плече, так что общий расход
воздуха в модели почти не меняется. При скорости воздуха более
5 м/с воздух в левом плече меняет направление, и общий его расход
в модели возрастает в 1,27 раза, а при скорости 8,7 м/с — до
1,4 раза.
При поперечной схеме вентиляции напор ветра или другой
естественный напор (см. рис. 28) приведет к перемещению воздуха
вдоль транспортного отсека, т. е. изменит схему на комбинирован-
ную. Загазованность при этом будет возрастать по ходу продоль-
ного движения воздуха. Поэтому положение о том, что естествен-
ные факторы не влияют на поперечную схему вентиляции, не со-
всем правильно. Если сопротивление тоннеля велико (большая
длина, установлены лопатки по боковым стенкам и т. п.), есте-
ственная тяга, определяемая по (88), может оказаться недостаточ-
ной для преодоления сопротивления тоннеля Rr и местных сопро-
тивлений на выходе и входе воздуха из окон при поперечной
схеме, и направление воздуха не изменится. Для проверки устой-
169
Таблица 38
Подача воздуха вентилятором, мэ/с 10J Скорость ветра, м/с Расход воздуха в модели, м3/с 103
левое плечо правое плечо
левым | правым сеч. / | сеч. 11 сеч. /// сеч. IV
0 60,3 33,9 36,8 63,3
2,3 52,3 19,8 43,5 70,6
3,2 52,3 26,6 42,5 74,9
61,8 62,6 3,9 17,1 38,9 76,9 133,9
5,5 -28,5 -51,3 96,6 158,3
6,0 -31,8 -51,3 115,3 159,4
С8,7 -42,7 -68,4 126,4 73.9
чивости поперечной схемы необходимо произвести расчет с учетом
всех естественных факторов.
Воздействие ветрового напора на систему вентиляции можно
значительно ослабить путем установки различных защитных уст-
ройств на порталах тоннеля. Для определения их конструкций
и формы были проведены лабораторные исследования на модели.
В результате были установлены две формы конструкций ветро-
защитных устройств, показанных на рис. 69. Первое устройство
использует эффект гашения скорости за счет расширения струи
в последовательно установленных диффузорах. При трех последо-
вательных диффузорах скорость ветра гасится с 10—12 до 0,5—
0,6 м/с, что уже практически не влияет на режим движения возду-
ха в тоннеле. Диффузор, установленный сужением к тоннелю, мо-
жет усилить ветровой напор. Угол раскрытия диффузора перемен-
ный—от 15 до 35°. Вторая конструкция менее материалоемка
и устанавливается острым углом к преобладающему направле-
нию ветров. В одной из стенок устраивается транспортный проем
в соответствии с габаритами тоннеля. Высота конструкции на
15—20 % выше портала.
Рис. 69. Схема ветрозащитных устройств
а — диффузорного типа; б — заграждающего типа
/ — тоннель; 2—ветрозащитное устройство; 3— дорога; -/ — преобладающее направле
ние ветра
70
3. Воздействие потока автомобилей
на движение воздуха в тоннеле
При движении автомобиля внутри него создается повышенное
давление воздуха, а сзади — зона разрежения т. е. пониженное
давление. На создание этой разности давлений двигателем авто-
мобиля затрачивается мощность, зависящая от формы машины.
В замкнутом воздушном пространстве тоннеля перепад давлений
представляет собой эжекционно-поршневой эффект, передаваемый
воздушному потоку в виде некоторого импульса энергии. При по-
путном движении воздуха и автомобиля скорость воздушного
потока увеличивается, а при встречном — уменьшается. Эжекци-
онно-поршневой эффект действует в тоннеле постоянно, когда
в нем находится несколько автомобилей; при этом воздушный
поток движется в том же направлении, что и автомобили.
По нашим наблюдениям, эжекционно-поршневой эффект созда-
вал тягу, превышающую по величине напор вентилятора или
естественную тягу, двигавших воздух в противоположном направ-
лении.
Попытки дать количественную оценку эжекционно-поршне-
вого эффекта были предприняты, когда появились метрополитены
и железнодорожные тоннели [2, 25]. Для тоннелей метрополитена
с креплением из тюбингов (d = 5,6 м) разность давлений (кг/м2)
внутри и сзади поезда можно определить по эмпирической формуле
дР = 0,00073d,1,
где v«— скорость поезда, м/с.
Однако перепад давлений, выраженный таким способом, никак
не связывается с временем его существования, а потому энергию,
затраченную на перемещение воздуха за счет эжекционно-поршне-
вого эффекта, определить невозможно.
Для тоннелей метрополитенов предложена формула для рас-
чета скорости (м/с) циркуляционного потока от поршневого
действия поезда [62]:
u0=mu„(l — аи);
здесь т — коэффициент, зависящий от обтекаемости поезда; w — отношение ско-
рости потока воздуха к скорости поезда, определяемое по формуле Г. Н. Абрамо-
вича [2[:
,, , /Зт 1 — а3
( а’)у 1 +0,004n„SB/F,
где а3—коэффициент заполнения сечения тоннеля поездом; F,— эквивалентная
площадь поезда, м2; п,— число вагонов в поезде; Зв— площадь крыши, стенок
и дна вагона, м2.
171
Рис. 70. Схема расчета поршневого
эффекта
v скорость движения воздуха, увле-
каемого составом на входе в тоннель,
м/с, Of -- скорость движения воздуха в
тоннеле, м/с. - скорость движения
в<ндухл на выходе из тоннеля, м/с
Аэродинамический коэффициент ет полного сопротивления дли-
ны, приходящийся на один поезд,
г,= 11.5 + 4Х,(/„-/„)]/</„
где /м— расстояние между поездами, м; Л,--- длина поезда, м; d,~ эквивалентный
гидравлический диаметр тоннеля, м.
Более полная картина воздействия эжекционно-поршневого
эффекта от поезда описывается приведенными ниже уравнени-
ями (251.
Величина отставания (м) потока воздуха при эжекционно-
поршневом воздействии or заднего вагона поезда, вышедшего из
тоннеля (рис. 70, а),
здесь L длина тоннеля, м; скорость поезда, м/с; v - скорость воздуха, м/с.
Время (с) свободного движения воздуха
/к = /((/!,/А - 1 )/у,
где К =2Це,— I); е, - коэффициент сопрогнвлепия тоннеля:
Г, --=1,6+ Ц/.//+,
где |i - коэффициент гренки воздух,г о сгенки тоннеля, Аб — г идранлический
радиус поперечного сечения тонне.гя, м
Скорость (м/с) воздуха на выходе из тоннеля
Возможность вентиляции тоннеля за счет эжекционно-поршне-
вого эффекта определяется неравенствами (рис. 70, в) /к+/ 15 мин
и 15 м/с.
Физическая картина эффекта, создаваемого в автодорожном
тоннеле, аналогична, но при интенсивном движении его создают
сразу несколько автомобилей, находящихся в тоннеле. По данным
172
исследований ЛГИ в тоннелях и на аэродинамической модели,
расход (м3/с) воздуха в тоннеле с учетом эжекционно-поршневого
эффекта можно определить по следующим формулам (для про-
дольной и продольно-поперечной схем проветривания):
где Q,— расход воздуха но тоннелю с односторонним движением щ счет венти-
лятора или естественной тяги. м‘/с; Q расход воздуха <а счет зжекционно-
поршневого действия потока автомобилей, м’/с:
Q,„- ^vV^^rkrir:'72aLP ,
здесь S„ — среднее миде.тево сечение автомобиля, k коэффициент обтекаемости
автомобиля (для легковых автомобилей Ат— 0,020 03, для трутовых и автобусов
£ = 0, !5~-0,(>5); я число одновременно находящихся тт тоннеле автомобилей.
Значение Q,„ может оказаться больше Q, что приводит к «опро-
кидыванию» вентиляционного потока в направлении движения
автомобилей [61]. Эжекционно-поршневой эффект1 можно исполь-
зовать в отсеках с односторонним движением для создания устой-
чивого потока воздуха на некоторых участках длинных тоннелей
[55] пли для проветривания тоннелей длиной до 400 м. В зарубеж-
ных тоннелях этот эффем широко применяется в системе венти-
ляции со струйными вентиляторами (бустерами).
Движущийся ноток автомобилей оказывает сильное воздей-
ствие на структуру воздушного потока в тоннеле, а также на ха-
рактер распределения примесей в его атмосфере. На рис. 71 при-
ведена эпюра распределения скоростей воздуха в поперечном
сечении тоннеля в центре транспортного отсека при одностороннем
движении автомобилей с интервалом \/= 14-;- 15 с. Замеры ско-
рости производились четырьмя датчиками термоапемометра, уста-
новленными на шесте в отсеке сечением 34,12 м2. Как видно из
рисунка, поток автомобилей значительно деформирует профиль
скоростей воздушного потока. Инерционное движение воздуха
с большой скоростью в нижней части отсека сохраняется более
Рис. 71. Эпюры распрсдеденпя скорое»*! воздушного потока
а — на входе В(иду\а в отсек чере< л мни пос ie проема автомобиля, б после проезда
серии грузовых автомобилем, н - после проезда легковых автомобилей, г - через 5 мин
после проезда автомобили, д па выходе шипели
173
Рис. 72. Расположение точек замера скорости движения воздуха и концентра-
ции СО
5 мин (рис. 71, г), и только через длительный интервал времени
профиль скорости выравнивается. В конце отсека (при продольной
схеме вентиляции) начинает сказываться скопление более теплых
выхлопных газов (рис. 71,3), обладающих к тому же меньшей
вязкостью.
При двустороннем движении автомашин в одном отсеке проис-
ходит интенсивная турбулизация воздушного потока. На рис. 72
представлена схема расположения точек замеров концентра-
ции СО в поперечном сечении Миатлинского тоннеля при двусто-
роннем движении автосамосвалов БелАЗ-540, а в табл. 39 —
результаты замеров концеитраций в указанных точках.
По результатам этих измерений было определено значение
коэффициентов неравномерности распределения СО в поперечном
сечении тоннеля:
По исследованиям В. Н. Воронина, коэффициент неравномер-
ности распределения примесей можно определить по формуле [12]
Л„ = 0,005(Свых/С„Дк) + 0,84, (92)
учитывая при этом коэффициент стеснения струи выхлопа в сече-
нии тоннеля:
f = д/5т/ДвиГ .
где Доы«— диаметр выхлопной трубы, м.
Расчет по (92) можно вести при /<83, но не учитывая турбу-
лизацию воздушного потока движущимися автомобилями. Расче-
ты по приведенным формулам и анализ результатов исследований
позволяют рекомендовать при интенсивном движении автомоби-
174
Таблица 39
Номера точек замеров Скорость движения воздуха, м/с Кол ичество замеров Концентрация СО, %
максим аль- ная минималь- ная средняя
1 0,41 5/5 0,006 0,004 0,0052
2 0,48 4/5 0,010 0,006 0,0081
3 0,45 5/5 0,014 0,008 0,011
4 0,31 5/5 0,005 0,004 0,041
5 0,46 3/4 0,009 0,007 0,081
6 0,44 4/5 0,018 0,009 0,012
7 0,41 4/4 0,010 0,008 0,009
8 0,49 3/4 0,021 0,012 0,015
9 0,49 4/3 0,020 0,014 0,612
10 0,50 3/3 0,024 0,02! 0,0221
лей, когда интервал между ними меньше времени движения газо-
вого облака по всему тоннелю (д/</Пров), следующие значения
коэффициентов неравномерности распределения СО в поперечном
сечении тоннелей: при одностороннем движении ft„= 1,24- 1,4, при
двустороннем движении в одном отсеке k,,= 1,1 4- 1,3.
4. Анализ ситуации при аварийной
остановке транспорта
В автодорожных тоннелях могут возникнуть различные ава-
рийные ситуации, из которых наиболее частой является остановка
транспортного потока («пробка»), которая в отношении вентиля-
ции тоннеля относится к аварийным. Произведем расчеты для
оценки вероятной ситуации при продольной и продольно-попереч-
ной схемах вентиляции. Количество машин, находящихся в тоннеле
M — L/V\t, (93)
где V — установленная скорость автомобилей, м/с; — интервал между въездами
в тоннель, с.
Если концентрация СО в конце вентиляционного пути Сф
[мг/м3] и меньше допустимой (так как в противном случае зажегся
бы красный свет на въезде), то для поддержания санитарной
нормы имеется некоторый резерв (мг/м3)
л С — Сцдх Сф.
Остановившийся автомобиль выбрасывает меньше СО, ибо
объем выхлопных газов сокращается, хотя концентрация СО в них
и увеличивается (см. гл. 2). В самом неблагоприятном случае
МОЖНО принять, ЧТО выбросы на ХОЛОСТОМ ходу Тх.х (мг/м3) состав-
175
ляют 0,75 от выбросов т при движении со скоростью V; тогда
выбросы от N остановившихся машин в тоннеле уменьшаются
на (мг/с)
at = ,Vt<x = 0,75Wt,
а загазованность (мг/м3) в конце вентиляционного пути сни-
зится на
\С" = \т/0,
Таким образом, общий резерв ио загазованности (мг/м3) в
момент аварийной остановки
С,, „ — \ С' 4- х С" = |( С „ „ - (.,[,) + С,|, „ — 0.75W г/У,]
Любое повышение загазованности можно выразить через ко-
личество машин и средний выброс (мг/м3) одной машины:
а С -- mr/vS-r,
где г - скорость вшдуха в тоннеле, м/с
Из этого выражения число машин
m—sCQ,/t.
Подставляя Сс>м вместо аС, получим количество машин, кото-
рое может остановиться сзади аварийной машины, и доведем
значение СГ)М до СПДк-
Пример 16. В тоннеле L — 1165 м при д / = 1,1 с, V = 16,6 м/с средний выброс
т= 192,5 мг/с; интенсивное!ь движения 3,167 ед/ч; концентрация СО в конце
пути С,|, = 140 мг/м'.
Количеств машин, находящихся в тоннеле, по (93)
Л1 = 1165/16,6 1,1 = 64 ед.
Необходимое количество воздуха но (27)
Q= 1165 • 192,5/(16,6 1,1 • 140)== 106,1 м'/с.
Уменьшение выбросов при остановке машин
ат = 0,75 64 • 192,5 = 9216 мг/с.
Снижение концентрации
дС" = 4216/1 ()(>,! =86,8 мг/м1.
Суммарный резерв концентрации
Сс>в=(150 —140)4~(140 —86,8) = 63,1 мг/м3.
Количество въехавших машин, которые доведут концентрацию до С,,.-,,:
176
w = 6.3.1 106,1/(192,5 '0,75)--47 машин;
это произойдет через /—-47 • 1,1--51,7 е, т. е. меньше чем через 1 мин.
Данный расчет выполнен в предположении, что автомашины
остановились в конце тоннеля, где находится датчик контроля СО,
который практически мгновенно воспримет превышение концентра-
ции и включит красный сигнал. Таким образом, в тоннеле окажется
111 остановившихся машин с двигателями, работающими на хо-
лостом ходу; эти машины займут примерно (3-)-2) • 111 =555 м
длины тоннеля. При остановке машин в центре его повышенная
концентрация «сплавится* до датчика газа за несколько сотен
секунд и приведет к заполнению половины тоннеля автомобилями.
Концентрация газа при этом может превысить норму. Вентиляци-
онные маневры в данной ситуации помогут лишь в том случае,
если будет существенно увеличен дебит воздуха (на 30—40%).
Для принятия неотложных мер в таких ситуациях в зарубежных
тоннелях предусмотрен телеметрический контроль и громкоговоря-
щая связь.
5. Источники шума
и шумовые характеристики вентиляторов
Шум в тоннелях создастся автомобилями и вентиляторными
установками. Шумовые характеристики потока автомобилей в тон-
нелях не изучались, и эга проблема еще требует постановки науч-
ных исследований. Шум вентиляторных установок изучался как
на промышленных вентиляционных системах, так и на вентилято-
рах, установленных под землей.
В вентиляторных установках, служащих для проветривания
тоннелей, эксплуатируются в основном осевые вентиляторы К-06
типа ЦАГИ с рабочими колесами диаметром до 2,4 м, с приводами
мощностью 40—55 кВт.
Вентиляционные каналы установок выполнены, как правило,
из сборных железобетонных элементов, перекрытия каналов имеют
ребристую поверхность. На выходе некоторых вентиляторов уста-
новлены диффузоры для преобразования динамического давления
в статическое; кроме того, система каналов с клапанами позволяет
без изменения направления вращения вентилятора и угла уста-
новки лопаток колес на разных режимах работать с постоянной
и максимальной для данной конструкции производительностью.
В установках глубокого заложения длина вентиляционных
каналов до поверхности земли составляет обычно 80—120 м. На та-
ком большом расстоянии происходит значительное естественное
затухание шума. Тем не менее шум в районе жилых домов, распо-
ложенных поблизости от вентиляционных киосков, не отвечает тре-
бованиям санитарно-гигиенических норм, и установка шумоглуши-
телей становится обязательной.
177
12
Зль.п 244
Рис. 73. Спектры шума вентиляторов при мелком заложении тоннеля
Рис. 74. Спектр шума вентилятора ВОМД-24
При мелком заложении тоннелей вентиляторы размещаются
вблизи от поверхности и служат источниками повышенной шум-
ности для близлежащих районов. На рис. 73 представлены спектры
шума, измеренные вблизи вентиляторов (1), на поверхности зем-
ли (3) и в тоннеле (2).
Строящиеся метрополитены оборудуются двухступенчатыми
осевыми вентиляторами ВОМД-24. Спектр шума такого вентиля-
тора, измеренный на испытательном стенде при угле установки
лопаток рабочего колеса 45°, приведен на рис. 74.
При разработке новых типов вентиляторов наблюдается тен-
денция увеличения их производительности, а соответственно и
мощности приводных двигателей, что неизбежно повышает шум-
ность как в помещении вентиляторных установок, так и на окру-
жающей территории и проветриваемых рабочих местах.
Работа вентилятора сопровождается излучением шума как
механического, так и аэродинамического происхождения. При до-
статочно хорошей балансировке конструкции составляющей ме-
ханического шума при окружных скоростях более 25 м/с, как
правило, пренебрегают. Типичные спектры аэродинамического
шума центробежного и осевого вентиляторов показаны на
рис. 75 и 76.
Источниками сплошной части спектра шума центробежного
вентилятора служат вихревые системы и отдельные вихри, обра-
зующиеся в проточных каналах, главным образом при обтекании
лопаток рабочего колеса. Существенное влияние на уровень и ча-
178
Рис. 75. Типичный спектр шума центробежного вентилятора
стоту шума при этом оказывает начальная турбулентность на
входе в рабочее колесо. Источником дискретных составляющих
шума в вентиляторах без спрямляющих и направляющих аппа-
ратов является взаимодействие неравномерного по скорости в
выходном сечении рабочего колеса потока с языком отводного
канала («улитки»), т. е. шум от неоднородности потока.
Физическая природа образования сплошной части спектра
шума осевого вентилятора та же, что и в центробежном. Вихревой
шум вызывается пульсацией давления на лопатках. Дискретные
составляющие в спектре шума возникают при вытеснении неко-
торого объема воздуха вращающимися лопатками (так называ-
емый шум вращения) и при воздействии потока воздуха с на-
правляющими лопатками статора.
Рис. 76. Типичные спектры шума осевого вентилятора при Q — Q„OT (1), Q< Qvm (2)
и Q> Q„OT (3)
179
Т аб j и ц а 40
Тип вентилнгор.! Критерий аэродинамиче-
ского шума д на сjороне нагяетания вентилятора, Б на стороне всасывания
Осевые вентиляторы дивного проветривания 25 ,'Ю 25—30
Центробежные вен г ид яз оры главного проветривания 20--2.Т 15—20
Осевые вентиляторы местного проветривания 15--20 15-20
I (ентробежные вентиляторы местного проветривания 15— 18 10—13
Расчетная величина звуковой мощности аэродинамического
шума вентилятора [65], проникающего по воздуховодам и излуча-
емого в открытое пространство или горную выработку, определя-
ется по выражению
Op - L+ Щ Q4 25 1gй,
где L — критерий аэродинамического шума вентилятора, дЬ; // — полное давление,
создаваемое вентилятором, Па; Q — подача вентилятора для заданного давле-
ния Н, м3/с, б — поправка на режим работы вентилятора в зависимости от
величины отклонения его от максимального КПД (для осевых и центробежных
шахтных вентиляторов главного проветривания 6 — 2, для центробежных и осевых
вентиляторов местного проветривания 6=4). дБ
Суммарный критерий аэродинамического шума вентилятора
имеет физический смысл звуковой мощности вентилятора данного
типа при производительности 1 м3/с и полном давлении 10 Па,
отдаваемой им в воздуховод на входе или выходе вентилятора.
Средние значения критерия аэродинамического шума для шахтных
осевых и центробежных вентиляторов приведены в табл. 40.
Уровни звуковой мощности вентиляторов в октавных полосах
частот Lpi определяются по формуле
Б р; == Б р Б р,,
здесь дЛ,,— поправка, учитывающая распределение звуковой мощности вентиля-
тора по октавным полосам частот, дБ (табл. 41).
Для осевых и центробежных вентиляторов главного проветри-
вания получены [20] спектры звуковой мощности, излучаемой
вентилятором во входные и выходные патрубки. Для осевых
вентиляторов характерно то, что в области частот 125—1000 Гц
уровни звуковой мощности максимапьны и достигают 140—145 дБ.
Для центробежных вентиляторов максимальные уровни звуковой
мощности 135—145 дБ наблюдаются в диапазоне 45—200 Гц.
180
Т а б а ина 41
Тип. вентилятора Значения при средне (дБ) yjjiH вентиляторов геометрических частотах л аиного октавны проветривания
х полос, Гц
63 | 125 | 250 | 500 I 1000 | 2000 | 4000 | 8000
Осевые вентиляторы главного проветрива- ния 8 6 5 6 10 16 23 30
Центробежные вен- тиляторы главного про- ветривания 4 6 9 15 21 27 33 39
Современные конструкции вентиляторных установок главного
проветривания выполняются, как правило, так, что вентилятор
с приводным двигателем монтируется в отдельном помещении, где
постоянно находится обслуживающий персонал; это требует опре-
деления звуковой мощности, излучаемой корпусом вентилятора
и приводным двигателем. Причинами шума корпусов вентилято-
ров являются:
силы остаточной неуравновешенности рабочего колеса, пере-
даваемые на корпус через подшипники;
силы, возникающие от взаимодействия тел качения подшипни-
ков между собой и обоймами,
силы аэродинамического происхождения. Влияние этих сил
можно оценить следующим образом:
для сил от неуравновешенности рабочего колеса
Lpi •=/.» +23 lg о+ 20 IgD,
где LM— критерий механической шумности вентилятора, дБ; v — окружная ско-
рость его колеса, м/с; D — диаметр его колеса, м;
для сил от взаимодействия подшипников
LP2 = Z-m + 20 lg me,+ 40 lg (и,,
где m — масса ротора, кг; е, - величина смешения его центра, м; о>,— угловая
скорость, рад/с,
для аэродинамических сил
ор.-,—е р /?,
здесь R — звукоизоляция корпуса вентилятора, дБ; Lp— звуковая мощность аэро-
динамического шума вентилятора, дБ.
Уровни звукового давления электрических машин защищен-
ного или обдуваемого исполнения без специальных средств сни-
жения шума можно сравнить между собой по эмпирической зави-
симости
/.= 10lg№+20lgn/r + 4’;
181
Таблица 42
Т ип вентилятора Тил двигателя, мощность (кВт) и частота вращения (об / м и н) Уровни звуковой мощности приводных двигателей вентиляторов (дБ) при среднегеометрических частотах октавных полос. Гц
125 | 250 ] 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000
ВУПД-1,8 ДАМСО; 310; 885 102 100 100 98 92 89 80
ВУПД-2,4 ДАМСО; 670; 740 103 104 102 105 94 90 83
ВЦД-2,2 СДН; 800; 750 106 108 109 106 100 93 87
ВЦД-4,5 СДН; 1600; 300 104 104 103 96 90 83 80
ВРЦД-4,5 АТ20; 3500; 495 114 III 112 114 118 103 98
здесь N — номинальная мощность машин ы, кВт; п — частота вращения ротора,
об/мин; г — расстояние от корпуса машины до точки, в которой определяется
уровень звукового давления, м; k — коэффициент, учитывающий особенности
исполнения двигателя.
Октавные уровни звуковой мощности., излучаемые корпусами
приводных двигателей вентиляторов главного проветривания
шахт, приведены в табл. 42. Результаты измерений уровней ко-
лебательной скорости корпусов вентиляторов и их приводных
двигателей [20] показывают, что в диапазоне частот выше 250 Гц
уровни звуковой мощности в помещениях определяются только
электродвигателями. Уровни их звуковой мощности на частотах
выше 500 Гц могут достигать 114—118 дБ.
Вентиляторы местного проветривания также являются источ-
никами интенсивного шума. Расчетные значения уровней звуковой
мощности в октавных полосах частоты, полученные путем изме-
рения уровней звукового давления в горных выработках [20],
приведены в табл. 43.
Шум вентиляторных установок, расположенных вблизи жилых
домов, не всегда удовлетворяет санитарным требованиям. В част-
ности, при измерении шума на месте размещения вентиляторных
установок главного проветривания получены следующие резуль-
таты [65]:
у осевых вентиляторов уровни звукового давления на расстоя-
нии 25 м по оси воздуховода со стороны выброса воздуха в зависи-
Таблица 43
Тип вентилятора Уровни звуковой мощности вентиляторов местного проветрива- ния (дБ) при среднегеометрических частотах октавных полос, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
ВМ-5 98 107 118 121 121 117 109 105
СВМ-5 99 101 109 120 117 118 112 102
СВМ-6 123 111 НО 125 122 119 109 109
«Проходка-500» 107 109 116 121 116 111 103 96
ВМП-4 97 99 101 107 121 125 128 131
ВЦП-8 127 131 124 133 126 120 109 98
ВМ-12 131 139 141 132 123 114 103 93
182
мости от типа и производительности вентилятора достигают
85—60 дБ в диапазоне частот 250—1000 Гц, уровни звука —
70—75 дБА;
у центробежных вентиляторов уровни звукового давления на
расстоянии 25 м по оси воздуховода со стороны выброса воздуха
достигают 80—64 дБ в диапазоне частот 250—1000 Гц, уровни
звука — 80 дБА.
Исходя из особенностей распространения звука, излучаемого
вентиляторной установкой, можно ориентировочно определить
затухание звука sL при распространении его над поверхностью,
прилегающей к месту размещения вентилятора:
bL = k • 20 lg R /го + fR /lOOforo,
где R— расстояние от центра двигателя или отверстия вентиляционного канала
до расчетной точки, м; f—частота, Гц; fo = 63 Гц; То = 25 м; k — коэффициент,
учитывающий вид покрытия территории [53], где находится установка (fe=0,9 —
для асфальтового покрытия, Л=1,0 — для земляного, k= 1,1— для покрытий
травой и кустарником).
Ввиду того, что фактические шумовые характеристики на
рабочих местах при работе вентиляторов различного назначения
не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, необходимо
принимать меры по снижению шума. Снижение аэродинамического
шума вентиляторов, определяющего общую шумовую обстановку,
возможно как в источнике его образования, так и на пути распро-
странения в окружающее пространство.
Снижение шума в источнике его образования связано с улуч-
шением условий обтекания элементов вентилятора воздушными
потоками, а также с ослаблением воздействия отдельных элементов
друг на друга; это достигается профилированием лопаток, при-
менением подшипниковых опор обтекаемой формы, рациональным
выбором числа лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппа-
рата, их взаимным размещением, неравномерным по шагу распо-
ложением лопаток и пр. Попытки снижения шума вентиляторов
в источнике образования зачастую приводят к ухудшению технико-
экономических показателей их работы. Тем не менее это направле-
ние считается весьма перспективным.
Снижение шума вентиляторов на пути его распространения
достигается с помощью глушителей. Специфические условия их
эксплуатации обусловливают применение таких материалов и
конструкций, которые должны удовлетворять следующим основ-
ным требованиям:
иметь достаточно высокий коэффициент звукопоглощения в
широком диапазоне частот, в том числе и низких, характерных
для шума крупных вентиляторов;
не допускать выветривания звукопоглотителя под действием
высокоскоростных потоков воздуха;
обладать достаточно большой прочностью и долговечностью
18.4
в условиях повышенной влажности воздуха, наличия химически
активных веществ и значительных вибраций;
быть огнестойкими.
При установке шумоглушительных устройств необходимо, по-
мимо обеспечения соответствующих качеств звукопоглотителя,
строго соблюдать технологию монтажа. Шумоглушители вентиля-
торов местного проветривания должны, кроме всего перечислен-
ного, не превосходить определенные габаритные размеры и быть
удобными на монтаже и при демонтаже.
Для снижения шума вентиляторных установок применяют
звукопоглощающие конструкции двух типов: с использованием
пористых материалов и резонансного типа (без звукопоглотителя),
т. е. активные и реактивные шумоглушители.
Активные шумоглушители просты по устройству и конструктив-
но могут быть выполнены в виде каналов квадратного или круглого
сечения, облицованных изнутри звукопоглощающим веществом.
Для предотвращения выдувания поглотителя его покрывают пер-
форированным листом, металлической сеткой, тканью, пленкой и
другими материалами.
Снижение шума активными шумоглушителями определяется
по формулам:
для канала круглого сечения
д/. = 4,4(р(а)//d,
для канала квадратного сечения
\L — l,l(p(a)/5/ /S,
где — условный коэффициент звукопоглощения облицовки шумоглушителя,
зависящий от коэффициентов звукопоглощения абсорбента; I, d и Р — длина,
диаметр и периметр канала шумоглушителя, м, S — площадь поперечного сечеиия
канала, мг.
Значения »р(а) зависят от коэффициента звукопоглощения
материала:
а 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,0 1,0
4>(а) 0,1 0,2 0,35 0.5 0,65 0,0 1,2 1,6 2,0 4,0
Для повышения эффективности шумоглушителя и его долго-
вечности, выбирая для него тот или иной звукопоглощающий
материал, необходимо учитывать скорости воздушных или газовых
потоков, допустимые значения которых в зависимости от конструк-
ций из звукопоглощающих материалов следующие:
Маты из минеральной шерсти со связующим из 6 м/с
синтетической смолы без поверхностной защиты
Маты из минеральной шерсти или стекловолокна, 6—10 »
специально рекомендуемые для облицовк'.! каналов,
покрытые тканью
184
Металлическая сетка или перфорированный ма-
териал и маты из стекловолокна либо минеральной
шерсти со связующим из синтетической смолы
То же, но с прокладкой стеклоткани между за-
щитным покрытием и матами
Перфорированный металл, металлическая сетка,
стеклоткань и маты из перфорированного мате-
риала
10—20 »
20—30 »
30— 60 »
Общими недостатками активных шумоглушителей являются
большие аэродинамические потери иа трение, приводящие к суще-
ственному снижению мощности энергетической установки, обору-
дованной таким глушителем, а также уменьшение его акустической
эффективности из-за загрязнения звукопоглощающего материала.
В шумоглушителях реактивного типа звуковая энергия по-
глощается благодаря образованию «волновой пробки», затруд-
няющей прохождение звука на некоторых частотах из-за инертно-
сти массы в трубках или отверстиях, соединяющих ячейки шумо-
глушителя. Данный тип шумоглушителей применяется для подав-
ления шума с ярко выраженными дискретными составляющими,
а также для глушения шума в узких частотных полосах.
Одним из типов реактивного шумоглушителя является камер-
ный, схемы которого представлены на рис. 77. Он может состоять
из одной или нескольких камер, соединенных внешней или внут-
ренней трубой.
Величина снижения шума в однокамерном шумоглушителе
определяется по формуле
Рис. 77. Схема реактивных глуши-
телей
а и б — однокамерного и двухкамерного
расширительного; в — однокамерного
резонансного
I ‘2 ’ Закал 244
185
a L = 10 Ig [I 4-0,25(m — I/т)г sin KK;
здесь m = F2/Ft—отношение площади сечения камеры F2 к площади сечения
канала Ft', K = 2n.f/c — волновое число, 1/м; /к- длина камеры расширения, м.
Максимальное снижение достигается шумоглушителем на ча-
стоте, при которой четверть длины волны равна длине камеры
расширения, причем максимумы повторяются при нечетных числах
четвертей волны (пХ/4, где п — 1, 3, 5,
Характеристики камерного шумоглушителя можно улучшить
облицевав его внутренние поверхности звукопоглотителем; тогда
при поперечных его размерах, больших длины звуковой волны,
расчет величины снижения шума можно произвести по формуле
а/. = 10 Ig A /F,,
где Л — эквивалентная площадь поглощения внутренней облицовки; FK— площадь
выходного канала.
Для эффективного снижения шума в широком диапазоне
частот сочетают несколько камер различной длины, каждую из
которых настраивают на определенную полосу частот. Частотную
характеристику ослабления шума двухкамерным глушителем опре-
деляют по выражению
д/.= Ю lg(A2+B2),
A=cos К/м—(m —l)sin К(гл tg К!тР;
В =0,5[(m + l/m) sin К/гл-|-2щ(щ — I) tg KlTpX
Х(1/пг2 cos ^Z| cos Kl2 — sin Kit sin /</2)|;
здесь/, и /2—длины первой и второй камер, м; /гл = /,_|_/2—длина глушителя, м;
/тр—длина соединительной трубки, м.
Другим типом реактивного шумоглушителя является резонанс-
ный глушитель (см. рис. 77, в). Действие резонатора в канале
основано на том, что он отбирает у звукового поля достаточно
большую энергию в области частот, примыкающих к его собствен-
ным частотам. Наиболее часто резонансные глушители применя-
ются для ослабления низкочастотных составляющих шума. Резо-
наторы выполняются как в виде камер, так и в виде узких отрост-
ков, длина которых равна четверти длины волны.
Расчет однокамерного резонансного шумоглушителя произво-
дят по формулам:
ПрИ /к^^0,4Хрез
ПрИ /к> 0,4Хрез
186
где Хрез = С//рез—длина звуковой волны на резонансной частоте fpn, м;
V — объем резонансной камеры, м3: У = 0,785[О2—(dTp-|-2/i)2]/K; FTp—площадь
проходного сечения трубы, м2; С„— проводимость отверстий, соединяющих трубу
с резонансной камерой:
Со = (0,785а2тг„) / (Л -|- 0,78а/у);
здесь а — диаметр соединительного отверстия, м; h — глубина его, м; ло— число
отверстий; j — функция Фока, определяемая по графику на рис. 78 в зависимости
от заданного отношения a/t; t — шаг отверстий, м; f = —безразмерная
частота; j — среднегеометрическая частота в полосе, Гц;
= С /6,28<Со/К ;
С — скорость звука в воздухе или газовой среде, м/с.
Глава седьмая
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ
ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
1. Обследование систем вентиляции
автодорожных тоннелей
В ходе научно-исследовательских работ по вентиляции авто-
дорожных тоннелей были произведены обследования систем ис-
кусственной вентиляции ряда тоннелей. Наиболее полно эти иссле-
дования выполнены в Миатлинском, Метехском и Канонерском
тоннелях. Их результаты и анализ представляют несомненный
интерес для проектировщиков и строителей, так как достаточный
опыт эксплуатации систем тоннельной вентиляции еще не накоплен.
12’
187
Миатлинский тоннель расположен в Дагестанской АССР, выше
Чиркейской ГЭС; он служил для перевозки горной массы во время
строительства плотины Миатлинской ГЭС. Длина этого тоннеля
около 800 м, сечение 54—55 м2. Устья обоих порталов имеют
бетонную обделку, а тоннель упрочнен анкерной крепью с сеткой
только на отдельных участках по длине. По результатам замеров
коэффициент аэродинамического сопротивления составляет а =
— 0,0022 кг-с2/м4. Для проветривания принята продольная си-
стема вентиляции, состоящая из четырех вентиляторов СВМ-6,
подвешенных к стенам выработок на высоте 3,5 м и располага-
ющихся в шахматном порядке по отношению к оси тоннеля.
Поскольку сечение тоннеля достаточно велико, то скорость дви-
жения воздушной струи замерялась в шести точках по его попереч-
ному сечению.
На движение воздуха в тоннеле оказывает воздействие тепло-
вой напор и ветер. Так как измерить отдельно эти два естественных
источника тяги невозможно, то они объединены под общим поня-
тием «естественная тяга». За счет ее в тоннель поступало до 134 м3/с
воздуха, т. е. создавалась скорость до 2,51 м/с. По расчетам
величина естественной тяги в зимний период составляла 3—4 кг/м2,
а в летний не превышала 1,8—2 кг/м2. Если вентиляторы работали
совместно с естественной тягой, то количество воздуха увеличива-
лось на 29—30 м3/с. Если же они работали против движения
воздуха за счет естественной тяги, то они создавали дополнитель-
ное сопротивление (работали в режиме рециркуляции), и количе-
ство воздуха уменьшалось. В результате измерений можно сделать
вывод, что струйные вентиляторы должны быть реверсивными
и работать совместно с естественной тягой. Так как сопротивление
тоннеля /?т=0,000269 кг-с2/м4, то общий напор, развиваемый
четырьмя вентиляторами, составлял /гв = 0,000269 -302=0,24 кг/м2
что недостаточно для преодоления напора естественной тяги.
Концентрация СО за время наблюдения не превысила 0,0025 %
при наибольшей интенсивности движения самосвалов БелАЗ-540.
Однако водители, проезжавшие по тоннедю в течение смены
10—14 раз, жаловались на головную боль, что, по-видимому, было
следствием совместного воздействия СО, NOX и SO2 в выхлопных
газах.
Метехский автодорожный тоннель расположен в центре Тбили-
си вдоль р. Куры и является типичным для городских условий
транспортным тоннелем. Он состоит из двух транспортных отсеков
с двухрядным движением в одном направлении. Длина правого
отсека (ближнего к Куре) 885 м, левого — 910 м. Рампа одного
из порталов несколько углублена по отношению к поверхности
земли, и транспортные отсеки начинаются в одной плоскости.
На другом портале отсеки разнесены на 25 м друг от друга. В цент-
ре тоннеля отсеки расходятся так, что между ними уместилась
вентиляционная камера, оборудованная четырьмя вентиляторами
ВОМД-24 (два рабочих и два резервных). Камера имеет верти-
188
Рнс. 79. Схема движения воздуха в Метехском тоннеле при разных режимах:
/ — первый режим; // — второй режим; /// — третий режим; IV — четвертый режим;
V — направление преобладающих ветров; VI — направление движения автомобилей
/, 2, 3 и 4 — замерные станции в правом отсеке; /а, 2а, За и 4а— замерные станции
в левом отсеке
кальный канал, переходящий в горизонтальную выработку, прой-
денную в скальных породах берега реки. Вентиляторы в нормаль-
ном режиме работают на всасывание, свежий воздух поступает
к ним от порталов, а отработанный выбрасывается к реке. Расчет-
ное количество воздуха 50—60 м3/с (на каждый отсек) обеспечи-
вает разбавление выхлопных газов при высокой интенсивности
движения (см. рис. 18, 79 и 80).
Однако имеющаяся система вентиляции не учитывает двух
факторов: ветрового напора и эжекционно-поршневого эффекта
от потока автомобилей. Обследования вентиляционной системы
этого тоннеля в зимний и летний периоды показали следующее.
При данной схеме вентиляции и воздействии на нее естественных
и техногенных факторов возможны (в различные периоды) четыре
режима движения воздуха.
1-й режим. Механическая вентиляция включена. На поверх-
ности ветер неустойчив по направлению и скорость его не превы-
шает 0,2—0,3 м/с. Интенсивность движения — менее 1 маш/мин
(д/ = 60с). Направление движения воздуха соответствует проект-
ной схеме и показано на рис. 80 стрелками с кружками. Расход
воздуха на замерной станции 4а составляет Q = 28,1 м3/с, на стан-
189
ции la Q = 24,8 м3/с, а вентилятор подает 53,4 м3/с. Такое коли-
чество воздуха поступает и в правый отсек, при этом подача его
вентилятором равна 50,6 м3/с. Из-за незначительной интенсив-
ности движения концентрация СО не превышает 20—23 мг/м3.
2-й режим. Интенсивность движения возрастает до 25—
26 маш/мин, ветра почти нет (это бывает в 5—6 ч утра по мест-
ному времени). Направление движения воздуха на станциях 3, 4
и 1а, 2а меняется на противоположное. Подача воздуха вентиля-
торами в транспортные отсеки несколько уменьшается, увеличива-
ются внутренние утечки (через резервный вентилятор, двери и т. п.).
Скорость движения воздуха на станциях 4а, За и 1, 2 возрастает
до 2,22—2,76 м/с, а расход его составляет: Q7(I = 140,4 м3/с; Qia =
= 90,6 м3/с; Qi = 137 м3/с; Q2 = 91,2 м3/с. Следует заметить, что
при интенсивном движении автомобилей скорость воздуха имеет
продольные пульсации и неравномерна в поперечном сечении
(см. рис. 71); поэтому ошибки в измерениях неизбежны. Таким
образом, создаваемый эжекционно-поршневой напор больше напо-
ра вентилятора на участках встречного движения воздуха и транс-
порта, и струя «опрокидывается» в сторону транспортного потока.
3-й режим. Вентиляторы выключены. Ветра на поверхности
нет. Интенсивность движения с интервалом от 3,1 до 3,8 с в каждом
отсеке (полдень по местному времени). Воздух движется только
под воздействием эжекционно-поршневого эффекта, причем скоро-
сти его движения на всех замерных станциях составляют от 2,2 до
2,5 м/с при скорости автомобилей от 13,5 до 16,7 м/с. Данные о
скоростях и расходе воздуха, интенсивности движения и загазо-
ванности тоннеля приведены в табл. 44.
4-й режим. Вентиляторы выключены, интенсивность движе-
ния транспорта велика, ветер движется со скоростью более 2 м/с.
Такой режим движения воздуха бывает очень часто, ибо ветер
дует вдоль долины Куры почти по оси тоннеля или под небольшим
углом к ней, зачастую со стороны портала, изображенного на
рис. 79. Данные, характеризующие этот режим, приведены в
табл. 44. Из них видно, что скорость ветра менее 2 м/с мало влияет
на движение воздуха по транспортным отсекам и лишь скорости
3,5—3,7 м/с начинают оказывать существенное воздействие на
скорости воздуха в отсеках.
Главное воздействие ветра сказывается на концентрации СО
в конце вентиляционного пути. На рис. 80 показано нарастание
концентрации СО по длине левого и правого отсеков. Пунктирными
линиями обозначено нарастание концентрации (мг/м3), рассчи-
танное при продольной схеме вентиляции по формуле
C = iL/MVQ,
где т — средний выброс СО одним автомобилем, мг/с; л/— фактический интер-
вал движения в отсеке, с, V — скорость автомобилей, м/с; Q — расход воздуха,
измеренный по отсеку, м3/с.
190
”*0000 000
aoLOC4QoS°So8<30
— ь- ь- со со — со ш
ЬтлП'
со со со со
сП О СЧ — Щ Ш сч Ь» Ь» in in о о о о О_ 0000— — —
•чг ”Т сч’ ”Т сч* ”?’ ° сч’ СЧ* in iri ”*•’ ”Т in Irt IO СОТО co’ co’ co’
Щ0ОСЧСЧСЧ—' о о
^rinoiommio —
191
Средний выброс СО одним автомобилем рассчитывался в за-
висимости от фактического состава автомобилей за интервал
наблюдений по методике ФНИКТИД, изложенной во второй главе,
при установленной скорости автомашин. Сравнение расчетной и
фактической кривых свидетельствует о хорошем совпадении дан-
ных по левому отсеку и несовпадении концентраций в правом
отсеке. Это объясняется затягиванием выхлопных газов на выходе
из левого отсека в правый, что можно было наблюдать визуально
после проезда автомашин с дизельным (особенно с плохо отрегу-
лированным) двигателем. Отбор проб СО осуществлялся как пере-
носными газоанализаторами, так и набором проб воздуха и ана-
лизом их в лаборатории (см. табл. 44).
По результатам исследований можно сделать следующий вы-
вод: несмотря на то, что содержание СО не превышает установ-
ленных норм, однако вентиляторы не справляются с напором,
возникающим под действием естественных факторов и потока
автомобилей. Для повышения эффективности вентиляционной си-
стемы можно рекомендовать:
установить вертикальную разделительную стенку между отсе-
ками на портале, оформив ее в соответствии с национальными
архитектурными традициями;
«перевернуть» вентиляторы, установив их для работы на нагне-
тание; тогда в любом из четырех рассмотренных режимов они
будут улучшать проветривание отсеков и повышать противопо-
жарную безопасность, так как летом и осенью отсеки и особенно
вентиляционные камеры засыпаны сухими листьями, засасыва-
емыми потоком воздуха от вентиляторов.
Канонерский автодорожный тоннель является первым в нашей
стране подводным тоннелем. Он соединяет материковую часть
Ленинграда с Канонерским островом в дельте Невы. Тоннель
сдан в эксплуатацию в 1983 г., длина его 653 м, сечение 4,8X8 м;
он рассчитан на проезд до 200 автомобилей в час типа ЗИЛ-130
при движении по двум встречным полосам. Вентиляция в ием
осуществляется по продольно-поперечной схеме с использованием
общепромышленного вентиляционного оборудования. Воздух на-
гнетается по вспомогательному каналу рядом с транспортным
отсеком двумя вентиляторными установками, расположенными на
порталах.
Каждая установка оборудована двумя вентиляторами (Ц4-76
и Ц4-70 № 12,5). Одновременно могут работать по одному венти-
лятору на каждой установке или по два совместно. Общее коли-
чество подаваемого воздуха при работе четырех вентиляторов
QcyM = 61,l м3/с. Вентиляционный канал имеет патрубки через
каждые 10 м, выходящие в транспортный отсек, по которым
происходит раздача воздуха. Вследствие того, что утечки в кана-
лах не учитывались, а выхлопные окна имеют одинаковое сече-
ние, основная масса воздуха выходит в ближайшие к вентиляторам
окна, и центр тоннеля при интенсивном движении оказывается
192
загазованным. Ветровой напор при расчетах не учитывался; при
ветрах, дующих вдоль оси тоннеля, движение воздуха в нем
соответствует направлению ветрового потока.
2. Опыт моделирования систем
вентиляции
Из-за отсутствия достаточного опыта эксплуатации систем
тоннельной вентиляции в различных условиях при проектировании
и строительстве автодорожных тоннелей встречаются существен-
ные трудности. Это усугубляется еще и тем, что нет единой орга-
низации, координирующей научно-исследовательские и проектные
работы в данной области. На современной стадии развития
исследований тоннельной вентиляции важное значение имеет
физическое моделирование различных процессов и режимов дви-
жения воздуха.
Физическое моделирование на кафедре рудничной вентиляции
и охраны труда ЛГИ велось еще в 30—40-х годах, когда проф.
П. И. Мустель посредством гидромоделироваиия изучал проветри-
вание тупиковых выработок после взрывания шпуров. На основе
этих исследований им была выведена формула для определения
количества воздуха, которая служила в течение десяти лет надеж-
ным инструментом проектировщикам и практическим работникам.
В дальнейшем гидро моделирование широко применялось при
исследовании проветривания карьеров (проф. Н. 3. Битколов),
камер различной конфигурации в рудниках (проф. доктор техн,
наук И. И. Медведев, канд. техн, наук А. С. Барышев), тупиковых
тоннелей (доц. Ю. Б. Мостепанов). Затем П. И. Мустель осуще-
ствил и аэродинамическое моделирование для определения коэф-
фициентов аэродинамического сопротивления шахтных стволов в
масштабах 1 : 150 и 1 : 100, результаты которого используются
и в настоящее время.
Аэродинамическое моделирование успешно служило для изуче-
ния более сложных газодинамических процессов в горных выра-
ботках (кандидаты техн, наук В. И. Фомичев, В. А. Чирков,
А. П. Казаков) и пылединамических процессов при горных работах
(доц. М. И. Сметанин, канд. техн, наук А. И. Агошков).
С 1978 г. на кафедре рудничной вентиляции и охраны труда
ЛГИ ведутся работы по аэродинамическому моделированию си-
стем тоннельной вентиляции, входящие в общую проблему работ
кафедры «Проветривание выработок большого объема и большой
протяженности» (научный руководитель — И. И. Медведев).
По тематике этой проблемы кафедра провела три научно-техни-
ческие конференции, материалы которых опубликованы в печа-
ти [52, 53].
Аэродинамическое моделирование обладает рядом достоинств
и позволяет охватить более широкий диапазон вентиляционных
193
параметров. Относительная простота и непрерывность наблюдений
над ними, возможность измерения в любой точке модели, а в необ-
ходимых случаях и визуальное наблюдение являются главными
достоинствами этого вида физического моделирования.
Для оценки турбулентности потоков и распределения выхлоп-
ных газов от ДВС в моделях используется в качестве имитатора
углекислый газ. Для непрерывного и автоматического фиксирова-
ния концентрации газов в модели разработан газоизмерительный
стенд на основе газоанализатора ТП-2220, позволяющий после-
довательно записывать концентрации газов в четырех точках
модели на ленте самописца КСМ-2-024 [59] . В комплекте с мо-
делью выемочного участка стенд удостоен бронзовой медали ВДНХ,
При моделировании соблюдались следующие условия (крите-
рии) подобия. Геометрическое подобие выдерживалось с исполь-
зованием линейного масштаба как постоянство всех аналогичных
линейных элементов потока и ограничивающих (стесняющих)
их плоскостей. При масштабе моделирования 1 : 50 и длине модели
8.4 м моделировался участок тоннеля длиной 420 м.
Вторым важнейшим условием является соблюдение чисел Рей-
нольдса, т. е. ReM = ReH. В турбулентных потоках (при Re> 2300)
вязкое трение играет существенную роль в тонком слое, прилега-
ющем к твердой поверхности, ограничивающей поток. В осталь-
ной части потока оно ничтожно мало по сравнению с турбулентным
трением. Из выражения числа Рейнольдса следует, что при моде-
лировании движения воздуха в тоннеле скорость его в модели
увеличивается обратно пропорционально масштабу моделирования.
В последнее время рядом авторов (Джонс, Хинсли и др.) уста-
новлено, что сходимость натурных наблюдений с лабораторными
лучше достигается при равенстве средних скоростей в натуре и
модели. Проф. К. 3. Ушаков теоретически подтвердил это положе-
ние, показав, что соотношение //D = const (I — длина пути пере-
мещения; D — приведенный диаметр выработки). В этом случае
условие постоянства отношения сил турбулентного трення и сил
инерции в потоке Щр-у [i = const (fl — коэффициент трения) дает
право написать условие для коэффициентов трения в виде рн =
= рн(ам/щ,)2, так как влияние вязкости воздуха становится пре-
небрежительно малым [51 ]. Это условие соблюдается при больших
числах Рейнольдса, и становится возможным считать, что ам = г>„
и результаты по скорости воздуха можно переносить на натуру.
При моделировании в данных условиях числа Рейнольдса
составляли от 3- 103 до 6- 105, т. е. эксперименты производились
в области автомодельного режима. Распределение концентрации
СО2 как по длине модели, так и в поперечном сечении подтвердило
предположение о турбулентности потоков в модели, о пути пере-
мешивания примесей н соответствие коэффициентов трения в мо-
дели и натуре.
Отношение давления к силам скорости, выражаемое критерием
Эйлера в виде £ = /?/рд, при ncp==const также соблюдается.
194
Так как эксперимент можно продолжать неопределенно долгое
время, то соблюдается и критерий гомохронности в виде Но =
= (vT/1)и = (уТ/[)№. Для моделирования ветровых напоров в при-
портальных частях создавались воздушные потоки, имитирующие
ветер при скорости от 2 до 9 м/с. Возможность переключения
вентиляторов на нагнетание и на всасывание позволила изучить
влияние способа подачи воздуха при продольно-поперечной схеме
вентиляции и пути его распределения при воздействии естествен-
ных напоров различной интенсивности. Движущиеся транспортные
средства имитировались моделями автомобилей, выполненными в
соответствующем масштабе, которые с помощью шкива и канатика
перемещались внутри транспортного отсека со скоростью от 0,5 до
4 м/с с интервалом, отвечающим линейному масштабу моделиро-
вания. Некоторые результаты моделирования полностью подтвер-
дились контрольными исследованиями в Метехском и Канонерском
тоннелях.
Приложение 1. Основные технические данные автомобилей
Марка автомобил? Тип двигателя Мощность двига- теля, л. с Скорость враще- ния, об/мин Рабочий объем' цилиндров, л Контрольный рас- ход топлива, л/100 км Миделево сечение, м2 Коэффициент об- текаемости
ГАЗ-52-01 ГАЗ-52 75 2600 3,48 20 3,5 0,06
ГАЗ-53А ГАЗ-53 115 3200 4,25 26 3,5 0,07
ЗИЛ-130 ЗИЛ-130 150 3200 6,0 31 4,35 0,07
Урал-377 ЗИЛ-375 180 3200 6,5 40 5,3 0,085
УАЗ-451 УМЗ-451 72 4000 2,455 13,6 3,0 0,03
КамАЗ-5410 ЯМЗ-740 210 2600 10,85 30,5 5,4 0,07
МАЗ-500А ЯМЗ-236 180 2100 11,15 22 5,2 0,07
КрАЗ-257 ЯМЗ-238 240 2100 14,86 42 5,3 0,09
ЛАЗ-697 ЗИЛ-130 150 3200 6,0 35 6,1 0,014
ПАЗ-672 ЗМЗ-672 115 3200 4,25 22,5 5,5 0,03
УАЗ-452В УМЗ-451 72 4000 2,445 14,8 3,0 0,035
УАЗ-469 УМЗ-451 М 75 4000 2,445 13,8 3,0 0,04
РАФ-2203 3M3-2203 95 4500 2,445 12,2 2,9 0,03
Икарус-250 — 192 2100 10,35 28 6,5 0,03
ГАЗ-24 ГАЗ-24 96 4500 2,445 10,5 2,1 0,021
ВАЗ-21011 ВАЗ-21001 69 5600 1,3 7,8 1,85 0,025
Москвич-412 АЗЛК-412 75 5800 1,48 8,8 1,75 0,025
ЗАЗ-968 ЗАЗ-908 40 4300 1,197 6,6 1,7 0.03
195
Приложение 2. Программа определения коэффициентов а и b
для характеристик вентилятора ВОМД-24
на микрокалькуляторе «Электроника Б-31»
Адрес команды Нажимаемые клавиши Код операции Содержание операции
00 1. Подготовка микрокалькулятора к вводу программы Р РР Переход в режим «Работа» В/О Очистка программного счет- чика адресов Р РП Переход в режим «Программи- рование» 2. Ввод программы F2 22 Вызовиз регистра памяти 2
01 t 06 Пересылка Xi в регистр У
02 F4 42 Вызов Gi из регистра памяти 4
03 + 96 Вычисление Gi = S Xi
04 Р4 41 Запоминание Gi
05 F3 32 Вызов У, из регистра памяти 3
10 t 06 Пересылка У, в регистр У
11 F5 52 Вызов Gi из регистрапамяти 5 Л
12 + 96 Вычисление G2 = 2 У ( 1
13 Р5 51 Запоминание Gi
14 F2 22 Вызов Xi из регистра памяти 2
15 Fx2 55 Вычисление X?
20 I 06 Пересылка X2 в регистр У
21 F6 62 Вызов Gi, из регистра памя-
22 + 96 ти 6 п Вычисление Gii = 2 X?
23 Р6 61 Запоминание Gu
24 F2 22 Вызов X/ из регистра памяти 2
25 I 06 Пересылка X, в регистр У
30 F3 32 Вызов У, из регистра памяти 3
31 X 26 Вычисление Х<У<
32 t 06 Пересылка Х(У( в регистр У
33 F7 72 Вызов G|2 из регистра памя-
34 + 96 ти 7 п Вычисление Gu= 2 Х<У<
35 Р7 71 Запоминание G|2
40 С/П 78 Останов после вычисления
41 F4 42 G|G2, G3G< Вызов Gi из регистра памяти4
42 FX2 55 Вычисление G2
43 44 А 06 82 Пересылка G2 в регистр У Вызов п из регистра памяти 8
45 — 36 Вычисление G2/n
50 t 06 Пересылка G2/n в регистр У
51 F6 62 Вызов Gu из регистра памя-
ти 6
Аф
196
Продолжение прилож. 2
Адрес команды Нажимаемые клавиши Код операции Содержание операции
52 — 86 Вычисление G?/n —G,,
53 Р6 61 Запоминание G2/n —G,,
54 F4 42 ВызовО, из регистра памяти4
55 t 06 Пересылка G, в регистр У
60 F5 52 Вызов Gi из регистра памягиб
61 X 26 Вычисление G,G2
62 t 06 Пересылка G,G2 в регистр У
63 F8 82 Вызов п из регистра памяти 8
64 36 Вычисление G,G2/n
65 t 06 Пересылка G,G2/n в ре- гистр У
70 F7 72 Вызов G,2 из регистра памя- ти 7
71 — 86 Вычисление G,G2/n —G,2
72 t 06 Пересылка G,G2/n —G,2 в ре- гистр У
73 F6 62 Вызов G2/nGn из регистра памяти 6
74 V 36 Вычисление G,G2/n — G|2 G?/n —G,,
75 P7 71 Запоминание Ь
80 1 - 1 56 Смеиа знака
81 t 06 Пересылка —ft в регистр У
82 F4 42 ВызовС, из регистра памяти 4
83 X 26 Вычисление — ftG,
84 t 06 Пересылка —ftG, в регистр У
85 F5 52 Вызов G2 из регистра памяти 5
90 + 96 Вычисление —ftG, + G2
91 t 06 Пересылка — ftG,+G2 в ре- гистр У
92 F8 82 Вызов п из регистра памяти 8
93 — 36 Вычисление — ftG,-}-G2/n = a
94 P6 61 Запоминание а
95 С/П 78 Останов для индикации a 3. Переход в режим «Работа» Р РР Переход в режим «Работа» 4. Ввод исходных данных а) 0 04 Обнуление регистров памяти 4, 5, 6, 7 Р4 41 Р5 51 Р6 61 Р7 71 б) (л) Запись в регистр памяти 8 количества исходных точек Р8 81 — в) (Xi) Ввод координаты Л, i-й точки FX2 55 Вычисление X2 Р2 21 Запоминание (У() Ввод координаты У, l-й точки РЗ 31 Запоминание координаты У
197
Продолжение прилож. 2
Адрес команды Нажимаемые клавиши Код операции Содержание операции
В/О 48 Возврат из подпрограммы
С/П 78 Пуск
Пункт «в» повторяется л раз
5. Вычисление а и Ь
С/П 78 Пуск
В результате вычислений на индикаторе высвечивается значение а.
Значение b записано в регистре памяти 7 и вызывается нажатием
клавиши F7.
6. Вычисление Н
(X) Ввод коордииаты X, i-й точки
FX2 55 Вычисление
t 06 Пересылка X,2 в регистр У
F7 72 Вызов b из регистра памяти 7
X 26 Вычисление bXi
t 06 Пересылка ЬХ, в регистр У
F6 62 Вызов а из регистра памяти 6
+ 96 Вычисление bXi + a = H
составлены программы
Формулы, по которым
2 [У(Х,)-У,]2 = 2 (а —ЬХ,2—У,)2->-min;
это условие выполняется при
—п612)/(6] — пбц),
где
Gt=2 Xi-. Gi= 2 Yi, Glt=2 xl, G,2= 2 XtYt.
1 = 1 i-l 1=1 1 = 1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов Ф. А., Долинский В. А. и др. Аэродинамические сопротивления
горных выработок и тоннелей метрополитена. М.: Недра, 1964.
2. Абрамович Г. Н. К расчету воздушного сопротивления поезда иа открытой
трассе и в тоннеле. / М.: Труды ЦАГИ, вып. 400, 1939.
3. Алехичев С, П., Калабин Г, В. Естествеииая тяга и тепловой режим рудников.
Л.: Недра, 1975.
4. Андреев В. И., Морозов К. А., Черняк Б. Я. Распределение смеси по цилиндрам
и токсичность отработавших газов бензинового двигателя. / В ки.: Снижение
загрязнения воздуха в городах выхлопными газами автомобилей. М., 1971.
5 Арбузов Г. В. Вентиляция тоннелей метрополитена. М.: Трансжелдориздат,
1950.
6. Барский А. С., Резников М. А. Беструбное проветривание при строительстве
гидротехнических выработок большой протяженности. / Строительство,
1975, № 1.
7. Боровский Б. Е. Безопасность движения. Л.: Лениздат, 1973.
198
8. Бортницкий П. И. Тягово-скоростные качества автомобилей. М.: Машииостро,
ние, 1976.
9. Вахвахов Г. Г. Работа вентиляторов в сети. М, Стройиздат, 1975.
10. Величкин Е. А., Леней, П. Т. Строительство тоннелей и метрополитенов. М,:
Транспорт, 1971.
11. Волков В. П. Тоннели. М.: Транспорт, 1970.
12. Воронин В. И. Рудничная аэрогазодинамика, М,--Л.1 Углетехиздат, 1951.
13. Воропаев А. Ф Теория теплообмена рудничного воздуха и горных пород
в глубоких шахтах. М.; Недра, 1966.
14. Гнеденко Б. В., Беляев К) К., Соловьев В. Д. Магматические методы
в теории надежности. М.: Наука, 1965.
15. Гришаев В. В. Вентиляция тоннелей на железных дорогах. М : Трансжел-
дориздат, 1961.
16. Гун Я- Р. Исследование причин увеличения токсичности автомобилей в усло-
виях высокогорья и жаркого Клима! а. Автореф. дисс. на соискание уч. степени
каид. техн, наук М., 1979.
17. Дандуров А. Б. Горные автомобильные тоннели без искусственной вентиляции,
Автореф. дисс. иа соискание уч. степени каид. техи, наук. Тбилиси, 1950.
18. Двигатели внутреннего сюрания, Т I. М Машшз, 1957
19. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных
месторождений. М.: Недра, 1987.
20. Животовский А. А., Афанасьев В. Д. Защита от вибраций и шума на предприя-
тиях горнорудной промышленности. М.: Недра, 1982.
21. Звонов В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания, М.: Машино-
строение, 1981.
22. Идельчик И. Е, Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М.: Эиерго-
издат, 1960.
23. Инструкция по безопасному применению самоходного нерельсового оборудо-
вания в подземных рудниках М,: Недра, 1973
24. Инструкция по расчету количества воздуха, необходимого для проветривания
действующих угольных шахт. М.: Недра, 1975.
25. Кирин Б. Ф., Ушаков К- 3 Рудничная и промышленная аэрология. М.: Недра,
1983.
26. Ковалевская В. И. Оценка эксплуатационной надежности шахтных вентиля-
торов главного проветривания / Стандарты и качество, 1969, № 4.
27. Маковский Л. В. Городские подземные транспортные сооружения. М.'. Строй-
издат, 1979.
28. Маковский В. Л. Современное строительство тоннелей и метрополитенов
за рубежом. М,: Оргтрансстрой, 1970.
29. Методические указания по проектированию вентиляции при сооружении же-
лезнодорожных тоннелей и тоннелей метрополитенов. М.: ЦНИИС, 1969.
30. Осипов С. И.. Жадан В М. Вентиляция шахг при подземных пожарах. М.:
Недра, 1973,
31. Пак В. В., Иванов С К-, Верещагин В. И. Шахтные вентиляционные уста-
новки местного проветривания М : Недра. 1974
32. Поляков А. X. Проектирование вентиляции тоннелей. М,. Стройиздат, 1971.
33. Правила дорожного движения. М.: Транспорт, 1981.
34. Правила безопасности при ороительстве подземных гидротехнических соору-
жений, М.: Недра, 1978.
35. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М : Недра, 1984.
36. Правила техники безопасное i и и произволе i венной санитарии при строитель-
стве метрополитенов и тоннелей. М,: Оргтрансстрой, 1975.
37. Радченко Г. А. Обеспыливающее проныривание подземных выработок. Алма-
Ата: Наука. 1970.
38. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. М.: Недра, 1975,
39. Скочинский А. А., Комаров В. Б Рудничная вентиляции. М.: Углетехиздат,
1959.
40. Скочинский А. А., Ксенофонтова А. И., Идельчик И. Е. Аэродинамическое
сопротивление шахтных cibojioh и способы его снижения, М.: Углетехиздат,
1953.
190
41, Смайлис В. И. Малотоксичиые двигатели. Л.: Машиностроение, 1972.
42. СНиП П-93—74. Предприятия по обслуживанию автомобилей. Нормы проекти-
рования. М., 1975.
43. Современные методы сооружения в Европе автодорожных тоннелей большой
протяженности. / Обз. инф. М.. Оргтраисстрой, 1976.
44. Справочник НИИавтопрома. Ч. I и II. М., 1980.
45. Справочник по рудничной вентиляции. М.: Недра, 1988.
46. Строительные нормы и правила. СНиП П-44—78. М.; Стройиздат, 1978.
47. Строительство тоннелей в США. / Экспресс-инф. М.: Оргтраисстрой, 1977.
48. СухареваЛ. С. Инструкция действует. / Промышленный транспорт, 1978, X» 11.
49. Талиев В. Н. Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979.
50. Ушаков К- 3., Бурчаков А. С., Медведев И. И. Рудничная аэрология. М.:
Недра, 1978.
51. Ушаков К,- 3. Аэромеханика вентиляционных потоков в горных выработках.
М.: Недра, 1975.
52. Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработ-
ках больших объемов. / Тез. докл. второй науч.-техиич. конф. Таллинн, 1979.
53. Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработ-
ках больших объемов. / Тез. докл. Всес. иауч.-техиич. симпозиума в г. Кохтла-
Ярве. Л., 1983.
54. Фомичев В. И. Классификация схем систем веитиляцин автодорожных тон-
нелей. Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных
выработках больших объемов. / Тез. докл. Всес. иауч.-техиич. симпозиума
в г. Кохтла-Ярве. Л., 1983.
55. Фомичев В. И., Рогалев В. А. и др. Устройство для проветривания тоннелей. /
Авт. свид. X» 1122823, Бюл. изобр., 1984, № 41.
56. Фомичев В. И., Медведев И. И., Рогалев В. А. и др. Способ управления
вентиляцией автодорожных тоннелей с односторонним движением транспортных
средств. / Авт. свид. X» 1141204, Бюл. изобр., 1985, Xs 7.
57. Фомичев В. И., Рогалев В. А., Горшков Л. К,, и др. Способ управления вен-
тиляцией транспортных тоннелей с двусторонним движением. / Авт. свид.
X» 1312182, Бюл. изобр., 1987, X» 19.
58. Фомичев В. И., Медведев И. И., Рогалев В. А. и др. Устройство для проветри-
вания подземных тоннелей с односторонним движением. / Авт. свид. Х° 1446335.
Бюл. изобр., 1988, X» 47.
59. Фомичев В. И., Чирков В. А. Аэродинамическая модель выемочного участка
угольной шахты. / Проспект ВДНХ, Л., 1975.
60. Фомичев В. И. Проветривание выработок при работе транспортных машин. /
Горный журнал, 1986, Xs 11.
61. Фомичев В. И., Беллад В. Г., Рогалев В. А. и др. Результаты обследования
Тбилисского автодорожного тоннеля. Физико-технические проблемы управления
воздухообменом. / Тез. докл. Всес. науч.-техн, симпозиума в г. Кохтла-Ярве.
Л., 1983.
62. Цодиков В. Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов М.: Недра,
1975.
63. Цой С., Рогов Е. И. Основы теории вентиляционных сетей. Алма-Ата: Наука,
1965.
64. Щербань А. Н., Кремнев О. А., Журавленка В. Я- Справочное руководство
по тепловым расчетам шахт и проектированию установок для охлаждения
рудничного воздуха. М.: Недра, 1964.
65. Юдин Е. Я-, Терехин А. С. Борьба с шумом шахтных вентиляторных установок.
М.: Недра, 1973.
66. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. М.:
Транспорт, 1979.
67. Sachse J. Rauchdichte-Messgerat fur Dieselmotoren. / Kraftlahrzeugtechnik,
1964, Xs 9.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..................................................................... 3
Глава первая. Строительство и вентиляция автодорожных тоннелей ... 4
1. Основные понятия и определения........................................... 4
2. Краткий обзор строительства и вентиляции автодорожных тоннелей 9
3. Системы вентиляции автодорожных тоннелей................................ 15
Глава вторая. Выбросы вредных компонентов автотранспортными сред-
ствами ........................................................................ 22
1. Общая характеристика выхлопных газов и их гигиеническая оценка 22
2. Токсическая оценка двигателей внутреннего сгорания................. 32
3. Выбросы дыма, тепла и водяных паров................................ 37
4. Методы расчета выброса окиси углерода .................................. 42
5. Гигиеническая оценка выбросов ио другим критериям ...................... 51
Г лава третья. Расчет расхода воздуха для вентиляции тоннелей .... 53
I. Основные требования к воздухообмену в автодорожных тоннелях 53
2. Теоретическая оценка ситуаций при движении автомобилей в воздуш-
ном потоке....................................................... 57
3. Методика расчета воздухообмена при встречном движении воздуха
и транспорта .................................................... 60
4. Методика расчета количества воздуха при попутном движении 64
5. Расчет воздухообмена при двустороннем и многорядном движении 67
6. Расчет воздухообмена при поперечной схеме вентиляции тоннелей 70
7. Расчет количества воздуха при проходке тоннелей и выбор способов
вентиляции................................. ..................... 73
8. Расчет воздухообмена по тепловым факторам 88
Глава четвертая. Аэродинамическое сопротивление и регулирование рас-
ходов воздуха . . 91
1. Режим движения воздуха в тоннелях 91
2. Сопротивление трения.................................................... 92
3. Коэффициент аэродинамического сопротивления............................. 94
4. Местные сопротивления ... 98
5. Схемы вентиляционных соединений и методы их решения .... 102
6. Регулирование расхода воздуха в сети .... ПО
Глава пятая. Инженерное оборудование автодорожных тоннелей . . . 118
1. Вентиляторные установки главного проветривания......................... 118
2. Совместная работа нескольких вентиляторов на общую сеть . . . 130
3. Вентиляционное оборудование при строительстве тоннелей . . . 139
4. Средства и способы контроля вентиляции................................. 147
5. Воздухоуплотнительиые и регулирующие устройства........................ 152
6. Электроснабжение, сигнализация и связь................................ 157
7. Мероприятия по противопожарной защите.................................. 160
Глава шестая. Влияние естественных и технических факторов на вентиляцию
тоннелей...................................................................... 164
1. Тепловой напор и атмосферное давление.................................. 164
2, Ветровые нагрузки иа тоннели........................................... 168
3. Воздействие потока автомобилей на движение воздуха в тоннеле 171
4. Анализ ситуации при аварийной остановке транспорта 175
5. Источники шума и шумовые характеристики вентиляторов 177
Глава седьмая. Опыт эксплуатации и исследования тоннельной вентиляции 187
1. Обследование систем вентиляции автодорожных тоннелей 187
2. Опыт моделирования систем вентиляции................................... 193
Приложение 1. Основные технические данные автомобилей......................... 195
Приложение 2. Программа определения коэффициентов а и b для характе- ,
ристик вентилятора ВОМД-24 иа микрокалькуляторе «Электроника Б-31> 196
Список литературы ............................................................ 198