В зарубежной практике широко распространена вентиляция автомобильных тоннелей с использованием специальных струйных вентиляторов (зарубежное наименование вентиляторов — jet fans ). Основное назначение струйной вентиляции — это обеспечение необходимого качества воздуха в тоннеле и удаление продуктов горения в случае пожара.
Существуют две основные схемы вентиляции тоннелей: непосредственно струйными вентиляторами и комбинированная схема (см. рисунок).
Побудителями движения воздуха в первом случае являются струйные вентиляторы, установленные на некотором расстоянии друг за другом под сводом тоннеля (рис. а) или (при ограничении в габаритах) в специально спрофилированных нишах. Необходимость размещения вентиляторов под сводом тоннеля обусловлена стремлением избежать попадания посторонних предметов в проточную часть вентиляторов и ослабить воздействие волн сжатия/разрежения от проезжающих автомобилей.
При струйной вентиляции тоннелей воздух движется вдоль тоннеля без воздуховодов, воздуховодом является сам тоннель. Число и размер вентиляторов зависят от аэродинамического сопротивления тоннеля, взаимного расположения вентиляторов и т. д. При однонаправленной схеме организации потока концентрация вредных веществ увеличивается пропорционально расстоянию от входа тоннеля, что приводит к ограничению использования этой схемы вентиляции. На рисунке показаны струйные вентиляторы AXIJET (фирмы Flakt Woods ) в автомобильном тоннеле на Тайване.
Комбинированная схема включает в себя струйные и нагнетающие/отсасывающие вентиляторы (осевые или радиальные), которые соединены вертикальными стволами с атмосферой. При такой схеме вентиляции возможно проветривание тоннелей любой длины. Рассматриваются также замкнутые системы, в которых на некотором расстоянии по длине тоннеля установлено соответствующее оборудование для очистки воздуха от загрязнений, причем очищенный воздух подается обратно в тоннель.
Струйная вентиляция тоннелей имеет ряд очевидных преимуществ по сравнению с другими системами вентиляции:
• относительно малая стоимость оборудования и его монтажа, малые эксплуатационные затраты;
• быстрый монтаж и возможность изменения конфигурации системы вентиляции;
• высокая надежность оборудования;
• отсутствие воздуховодов, дополнительных помещений для установки вентиляторов и т. д.
Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для производства электроэнергии. Туннельная электростанция содержит воздушную турбину с электрогенератором, сообщенную с воздухозаборником, расположенным по периметру верхней части диаметрального среза туннеля, повторяющим форму верхней его части и отводящего воздуховода с системой воздушных клапанов. В качестве поршня использованы проезжающие транспортные средства. С левой и правой сторон туннеля установлена система роторных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, подключенных к нагрузке через систему управления, накапливающую и перераспределяющую получаемую электроэнергию. Изобретение направлено на создание устройства для производства электроэнергии путем искусственного создания перепада давления воздуха в воздушном туннеле и эффективного преобразования его различными способами в электроэнергию. 3 ил.
Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для производства электроэнергии.
Одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Использование энергии ветра не только помогает решить многие проблемы энергоснабжения и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций. Даже при подключении к сети централизованного электроснабжения, использование энергии ветра для ваших нужд тоже будет полезно, потому что сети получают электроэнергию сжигая уголь, мазут или газ, или даже на атомных станциях. Побочное получение энергии, не влияющее на основной процесс, позволит повысить КПД используемых устройств.
Известны своим практическим использованием устройства пропеллерного типа, повторяющие средневековую ветряную мельницу.
Недостатками пропеллерных устройств являются:
— необходимость увеличения диаметра пропеллера для увеличения мощности, отбираемой от ветрового потока;
— пропеллерные установки для эффективной работы по отъему энергии ветра должны обеспечивать постоянный разворот на направление ветра;
— использование на этих установках пропеллеров с механизмами изменения углов атаки лопастей делает их весьма дорогостоящими.
Наиболее близким по технической сущности является воздушно-поршневая электростанция (публикация в бюллетене «Изобретательство» №2009126243 от 2011.01.20), принцип работы которого основан на использовании поршневого эффекта.
Задачей изобретения является создание устройства для производства электроэнергии путем искусственного создания перепада давления воздуха в воздушном туннеле и эффективного преобразования его различными способами в электроэнергию.
Технический результат достигается в туннельной электростанции, состоящей из воздушной турбины с электрогенератором, сообщенной с воздухозаборником, расположенным по периметру верхней части диаметрального среза туннеля, повторяющим форму верхней его части и отводящего воздуховода с системой воздушных клапанов, а в качестве поршня использованы проезжающие транспортные средства, согласно изобретению с левой и правой сторон туннеля установлена система роторных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, подключенных к нагрузке через систему управления, накапливающую и перераспределяющую получаемую электроэнергию.
Туннельная электростанция состоит из электрогенератора, соединенного с воздушной турбиной, в свою очередь соединенной с воздухозаборником, расположенным по периметру верхней части диаметрального среза туннеля, повторяющим его форму. Отводящий от воздушной турбины воздуховод снабжен системой воздушных клапанов. С левой и правой сторон туннеля, в свободную область, между путевым покрытием (ж/д путь, асфальтовое покрытие и т.п.) и воздухозаборником установлена система роторных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, подключенных к нагрузке через систему управления. В качестве поршня туннельной электростанции выступают проезжающие транспортные средства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен возможный вариант построения системы туннельных электростанций, которые содержат:
На фиг.2 и фиг.3 представлен вариант устройства отдельной туннельной электростанции, где
Туннельная электростанция работает следующим образом: при движении поршня (3) по воздушному туннелю (1) повышается уровень давления воздуха перед его рабочей поверхностью, создается так называемый поршневой эффект. Набегающая волна захватывается воздухозаборником с отводящим воздуховодом (2), расположенным в туннеле по периметру верхней части диаметрального среза туннеля, повторяя его форму, раскручивает стоящие с левой и правой сторон системы роторных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения (4), получаемая электроэнергия через систему управления (6) направляется потребителям. При увеличении уровня давления в воздуховоде срабатывает впускной воздушный клапан (7) и воздух поступает на лопатки воздушной турбины, соединенной с электрогенератором (5), выработанная таким образом электроэнергия аналогичным образом через систему управления передается потребителям. Избыточное напряжение, при невостребовании потребителями, возвращается в энергосеть. Направление движения воздуха через воздушную турбину регулируется с помощью системы воздушных клапанов. При повышении давления, с приближением рабочей поверхности поршня к выпускным воздушным клапанам (8), клапаны срабатывают на закрытие, препятствуя поступлению воздуха на турбину. После прохождения поршня образуется область разреженного давления, и выпускные клапаны открываются по мере достижения уровня порогового значения давлений между впускными и выпускными клапанами. Тем самым создается возможность выравнивания давления на отдельном участке через отводящий воздуховод, содержащий в себе воздушную турбину с электрогенератором.
Туннельная электростанция найдет свое применения в системе туннелей метрополитена, авто- и железнодорожных туннелей, даже в шахтах лифтов, где под давлением поршня (электропоезда, автомобиля, кабины лифта и т.п.) происходит повышение давления воздуха, так называемый поршневой эффект, набегающая волна захватывается воздухозаборником с воздуховодом (2), вращает лопатки роторных ветрогенераторов и преобразует энергию воздушного потока в электроэнергию, необходимую потребителям.
Туннельная электростанция, содержащая воздушную турбину с электрогенератором, сообщенную с воздухозаборником, расположенным но периметру верхней части диаметрального среза туннеля, повторяющим форму верхней его части и отводящего воздуховода с системой воздушных клапанов, а в качестве поршня использованы проезжающие транспортные средства, отличающаяся тем, что с левой и правой стороны туннеля установлена система роторных ветрогенераторов с вертикальной осью вращения, подключенных к нагрузке через систему управления, накапливающую и перераспределяющую получаемую электроэнергию.
Битурбо, твинтурбо, твинскролл. Наверняка вы давно хотели разложить для себя по полочкам, что как работает и чем отличается. Мы подготовили для вас подробный рассказ о плюсах, минусах и надежности каждой из технологий.
Прогресс не стоит на месте, и каждое новое поколение автомобилей должно быть быстрее, экономичнее и мощнее. Часто для повышения мощности используются комбинированные системы наддува, да и «обычные» турбины вовсе не так просты, как кажется на первый взгляд. Каким же образом инженеры научили турбомоторы быть одновременно мощными, эластичными и экономичными? Какие технологии позволяют создавать массовые двигатели с удельной мощностью в 150 л.с. на литр и отличной тягой на низах, и тысячесильных монстров?
«Обычная» турбина
Как я уже писал, турбокомпрессор прост на первый взгляд, но является высокотехнологичным устройством, которое работает в очень жестких условиях. И любое его усложнение сильно сказывается на надежности. Для примера я постараюсь подробнее описать устройство типичного турбокомпрессора без особых усложнений.
Основной частью турбокомпрессора является средний корпус, в нем расположены подшипники скольжения, упорный подшипник и седло уплотнения с кольцами. В самом корпусе есть каналы для прохождения через него масла и охлаждающей жидкости. На совсем старых конструкциях обходились только маслом и для смазки и для охлаждения, но такие турбины не применяются на серийных машинах уже давно. Для предохранения среднего корпуса от воздействия горячих выхлопных газов служит жароотражатель.
В средний корпус устанавливается турбинный вал. Эта деталь не просто вал, конструктивно он соединен с турбинным колесом неразъемным соединением, чаще всего сваркой трением или выполнен из цельного куска металла. Иногда для создания крыльчатки используется керамика-прочности и коррозийной устойчивости лучших конструкционных сталей может не хватать. Сам вал имеет сложную форму, на нем есть утолщение для уплотнения и упорный выступ, а форма цилиндрической части рассчитана с учетом теплового расширения во время работы.
На турбинный вал надевается компрессорное колесо. Оно изготовлено обычно их алюминия и фиксируется на валу гайкой.
Конструкция из среднего корпуса, установленного в него турбинного вала и компрессорного колеса называется картриджем. После сборки этот узел тщательно балансируется, ведь работает он при очень высоких оборотах и малейший дисбаланс быстро выведет его из строя.
Еще турбине нужны две «улитки» — турбинная и компрессорная. Часто они индивидуальны для каждого производителя машин, тогда как центральная часть — картридж и размеры турбинного и компрессорного колеса являются признаками конкретной модели турбины и ее модификации.
Для предохранения от слишком высокого давления наддува используется клапан сброса давления газов, он же вастегейт. Обычно он является частью турбинной улитки и управляется вакуумом. Он закрыт при обычном режиме работы турбины и открывается в случае слишком высокого давления наддува или других проблем в работе мотора, сбрасывая скорость вращения турбины.
А теперь о том, как используют турбины и какие технологии применяют, чтобы достичь самых высоких показателей моторов.
Twin-turbo и Bi-turbo
Чем больше и мощнее мотор, тем больше воздуха нужно подавать в цилиндры. Для этого нужно сделать турбину больше или быстрее. А чем больше размер турбины, тем тяжелее ее крыльчатки и тем инерционнее она получается. При нажатии на педаль газа открывается дроссельная заслонка и больше горючей смеси попадает в цилиндры. Образуется больше выхлопных газов и они раскручивают турбину до более высокой частоты вращения, что, в свою очередь, увеличивает количество подаваемой горючей смеси в цилиндры. Чтобы сократить время раскрутки турбин и сопутствующую им «турбояму», изначально испробовали способы, которые называются твин-турбо и би-турбо.
Это две разные технологии, но маркетологи компаний-производителей внесли немало путаницы. Например, на Maserati Biturbo и Mercedes AMG Biturbo на самом деле используют технологию твин-турбо. Так в чем же разница? Изначально Twin Turbo («турбины-близнецы») называлась технология, при которой выхлопные газы разделялись на два равных потока и распределялись на две одинаковые турбины малого размера. Это позволяло получить лучшее время отклика, а иногда и упростить конструкцию мотора, используя недорогие турбокомпрессоры, что очень актуально для V образных двигателей с выхлопными коллекторами «вниз».
Фото:twin turbo Nissan
Обозначение Biturbo («двойная турбина») же относят к конструкциям, в которых применяются последовательно подключенные ко впуску две турбины-маленькую и большую. Маленькая хорошо работает на малой нагрузке, быстро раскручивается и обеспечивает тягу «на низах», а потом в действие вступает большая турбина, более эффективная на большой нагрузке. Маленькая турбина в этот момент отключается системой дроссельных заслонок.
Преимуществом такой схемы является большая эффективность одной большой турбины на большой нагрузке: она обеспечивает лучшее давление и меньший нагрев воздуха при большом ресурсе. А еще вместо маленького турбокомпрессора можно использовать механический или электронагнетатель. Они нагревают воздух меньше, чем турбокомпрессор, и не инерционны.
Но как же потери мощности, которые нужны для их раскрутки? Потери на их привод при малой нагрузке не так существенны. Но расплатой за улучшение характеристик турбин является усложнение впускной системы, приходится использовать много труб и дроссельные заслонки, переключающие потоки воздуха.
Обе технологии используются до сих пор всеми производителями, но все они значительно удорожают мотор, ведь дорогих турбокомпрессоров становится в два раза больше, а система управления ими — сложнее. Для сильно форсированных моторов альтернативы этим технологиям нет или почти нет. Но иногда можно просто улучшить конструкцию стандартной турбины.
Тонкое управление вастегейтом
Wastegate – это, дословно, «ворота для сброса», то есть перепускной клапан. На первых турбинах вастегейт работает очень просто: когда давление на впуске преодолевало натяжение пружины, он открывался, стравливал газы и давление падало. Позже систему усложнили: теперь его открытием руководила не только разница давлений, но и электроника, учитывающая множество параметров — обогащение смеси, режим движения, температуру, детонацию и умеющую избегать нежелательных режимов работы самой турбины. Но управлялся он точно так же — пневматикой. Когда нужно было сбросить давление, клапан просто открывался.
Получить качественный скачок характеристик позволяла плавная регулировка степени открытия перепускного клапана. В этом случае турбина может чаще работать с максимальной отдачей, даже при малых оборотах, а на средних нагрузках уже вступает в действие регулирование и в опасные режимы турбина не переходит.
К сожалению, такой способ сложнее. Для его реализации потребовалось разместить электропривод регулировки рядом с турбиной, что понизило ее надежность: электронике приходится работать в очень жестких условиях, при высокой температуре и высокой вибрации. Но улучшение характеристик стоит того и почти все современные турбины высокофорсированных небольших моторов имеют такую конструкцию.
Более эффективное турбинное колесо. Twinscroll
В поисках повышения эффективности одиночной турбины конструкторская мысль придумала способ, который позволял увеличить эффективность работы турбины и на малых и на больших нагрузках. Турбинное колесо, на которое воздействуют выхлопные газы, разделили на две части, отсюда и название технологии – twin scroll (“двойная улитка”), одна часть турбины более эффективна на большой нагрузке, а другая — на малой, но раскручивают они одно и то же компрессорное колесо на общем валу. Турбина получается не намного сложнее, но несколько эффективнее.
способ работы и устройство для вентиляции автодорожных тоннелей
Классы МПК:
E21F1/00 Вентиляция рудников или туннелей; распределение вентиляционных потоков B03C3/02 установки или устройства с внешним источником электрической энергии F02C3/00 Газотурбинные установки, отличающиеся использованием продуктов сгорания в качестве рабочего тела
Автор(ы):
Шелудько Леонид Павлович (RU)
Патентообладатель(и):
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (RU)
Приоритеты:
Способ работы и устройство для вентиляции автодорожных тоннелей относится к установкам для вентиляции автодорожных тоннелей с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии для энергоснабжения жилых зданий, социальных и промышленных объектов городов. Улучшение экономических показателей устройств для вентиляции в сочетании с их использованием для дополнительной выработки электрической и тепловой энергии достигается за счет того, что по трассе тоннелей на определенных расстояниях от входных и выходных порталов дополнительно размещают вытяжные вентиляционные шахты с блоками пылеочистки и газотурбинными мини-теплоэлектроцентралями. Подвод в тоннели большей части свежего атмосферного воздуха и удаление из тоннеля загрязненного воздуха производят за счет разрежения, создаваемого воздушными компрессорами дополнительных энергетических газотурбинных установок. Работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии. Теплоту отработавших продуктов сгорания утилизируют в котле-утилизаторе, вырабатывают тепловую энергию и используют ее для теплоснабжения зданий. Продукты сгорания после котла-утилизатора сбрасывают через дымовую трубу в атмосферу и рассеивают на высоте 60-80 метров вредные газовые составляющие продуктов сгорания. Одновременно с вентиляцией тоннелей производят выработку электрической и тепловой энергии и ее подачу к потребителям. Вредные газовые составляющие продуктов сгорания рассеиваются в атмосфере на высоте 60-80 метров. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Формула изобретения
1. Способ работы установки для вентиляции автодорожных тоннелей, содержащих входные и выходные порталы и вытяжные вентиляционные шахты, согласно которому атмосферный воздух подают в автодорожные тоннели струйными осевыми вентиляторами через входные и выходные порталы, отличающийся тем, что воздух, загрязненный в автодорожных тоннелях, удаляют из тоннеля через дополнительные вытяжные вентиляционные шахты с блоками пылеочистки, снабженными тканевыми фильтрами, производя в них тонкую очистку загрязненного воздуха от пыли и взвешенных частиц, используя при этом разрежение, создаваемое воздушными компрессорами дополнительных газотурбинных мини-теплоэлектроцентралей, воздух, частично очищенный в блоках пылеочистки, сжимают в воздушных компрессорах дополнительных газотурбинных мини-теплоэлектроцентралей, сжигают в нем топливо-природный газ, производя частичное доокисление оксидов углерода, продукты сгорания топлива расширяют в газовых турбинах и используют их полезную работу для выработки электроэнергии, теплоту отработавших продуктов сгорания утилизируют в котлах-утилизаторах и вырабатывают тепловую энергию, подогревая сетевую воду; охлажденные до 100-120°С продукты сгорания сбрасывают через дымовые трубы в атмосферу на высоте 60-80 м, рассеивая вредные газовые составляющие продуктов сгорания и обеспечивая с учетом фоновых загрязнений воздуха экологически приемлемую концентрацию вредных газов в притоннельных зонах; выработанную дополнительными газотурбинными мини-теплоэлектроцентралями электрическую и тепловую энергию направляют к потребителям.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в городах с высоким фоновым загрязнением воздуха в притоннельной зоне продукты сгорания топлива после котлов-утилизаторов с температурой 100-120°С дополнительно очищают в газоразрядных очистных комплексах, формируя слабоионизированную низкотемпературную плазму, затем производят плазмохимическое разрушение вредных газовых компонентов и осуществляют каталитическое разложение газообразных загрязнителей в платино-палладиевых катализаторах, после чего очищенные в композитном нанокатализаторе продукты сгорания сбрасывают в атмосферу через дымовые трубы высотой 60-80 м.
3. Устройство для реализации способа работы установки вентиляции автодорожных тоннелей по п.1, согласно которому автодорожный тоннель снабжают входными и выходными порталами со струйными осевыми вентиляторами, отличающееся тем, что по трассе автодорожных тоннелей, на определенных расстояниях от входных и выходных порталов, дополнительно размещают вытяжные вентиляционные шахты с блоками пылеочистки, содержащими батарейные циклоны, блоки пылеочистки связывают воздуховодами с дополнительными газотурбинными мини-теплоэлектроцентралями, содержащими воздушные компрессоры, камеры сгорания, газовые турбины, электрогенераторы, котлы-утилизаторы и дымовые трубы, в котлах-утилизаторах размещают теплообменные поверхности для нагрева сетевой воды; выхлопные патрубки газовых турбин связывают газоходами через котлы-утилизаторы и дымовые трубы с атмосферой, роторы газовых турбин соединяют общим валом с роторами электрогенераторов, клеммы электрогенераторов электрически связывают с внешними электрическими сетями, поверхности нагрева котлов-утилизаторов связывают трубопроводами сетевой воды с тепловыми сетями потребителей.
4. Устройство для реализации способа работы установки вентиляции автодорожных тоннелей по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в газоходе между котлами-утилизаторами и дымовыми трубами устанавливают последовательно: газоразрядный плазменно-каталитический блок, включающий плазменную газоразрядную ячейку, поглощающие фильтры с полиэфирным тканевым фильтрующим полотном и платино-палладиевые катализаторы, блок финишной очистки продуктов сгорания с композитным нанокатализатором.
Описание изобретения к патенту
Способ работы и устройство для вентиляции автодорожных тоннелей относится к сферам экологии и энергетики, а точнее к установкам для вентиляции автодорожных тоннелей с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии для энергоснабжения жилых зданий, социальных и промышленных объектов городов.
Вентиляционные системы тоннелей должны снабжаться устройствами пыле- и газоочистки, предотвращающими возможность ухудшения экологической обстановки в районе прохождения тоннеля.
Существующие системы вентиляции предусматривают вентиляцию автодорожных тоннелей путем принудительной подачи в них чистого наружного воздуха мощными осевыми вентиляторами, с последующим удалением загрязненного воздуха из тоннелей вентиляторами через порталы тоннеля или специальные вентиляционные шахты. Вентиляционные системы могут содержать до нескольких десятков приточных струйных осевых вентиляторов и промежуточные вентиляционные камеры с несколькими приточными и вытяжными вентиляторами производительностью, в зависимости от размеров тоннеля, превышающей 350 тыс м 3 /ч.
Поперечный или распределительный способ предусматривает принудительную подачу в тоннель наружного воздуха из приточного воздуховода через специальные отверстия, равномерно расположенные по его длине. Загрязненный воздух вытягивается через отверстия в вытяжном газоходе, причем приточные и вытяжные отверстия размещаются в шахматном порядке.
При полупоперечном способе, так же как и при поперечном способе, чистый наружный воздух подается в тоннель принудительно, а загрязненный воздух проходит по всему тоннелю и выходит наружу в атмосферу через порталы или через специальные вентиляционные шахты. Комбинированные системы вентиляции с шахтной вентиляцией применяют для тоннелей длиной 3-5 км.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ работы газоразрядного очистного комплекса ГРОК», предназначенного для очистки газовых выбросов автодорожных тоннелей от твердых частиц и вредных газообразных веществ органической природы: фенола, формальдегида, гексана, стирола, толуола, ксилола, акролеина, бутанола, жирных кислот, бенз(а)пирена, и токсичных веществ неорганической природы: сероводорода, оксида углерода, аммиака, диоксида серы, окислов азота и других токсикатов. Проект применения газоразрядного очистного комплекса «ГРОК» для Серебряноборских тоннелей Москвы разработан Проектным бюро 82 (Москва) mailto:buro@buroproject.ru, а его характеристики изложены в статье Лола Т.А. «Газоочистка, система газоочистки ГРОК, инженерные системы. Очистка газовых выбросов, участок тоннеля».
В блоке финишной очистки, содержащем низкотемпературный композитный нанокатализатор, производят нейтрализацию технологического озона и завершение конверсии остаточных концентраций токсичных компонентов. После финишного блока газоочистки очищенный воздух выбрасывают в атмосферу.
В соответствие с вышеуказанном проектом, по трассе Серебряноборских тоннелей расположены две вентиляционных камеры. Они служат для подачи в тоннели свежего воздуха. В каждой камере находятся три вентилятора с расходом воздуха по 600 тыс м 3 /ч. Один из них резервный. В камерах также устанавливаются по два вытяжных вентилятора. Выделяемые автотранспортом вредные выбросы и загрязненный воздух поступают в атмосферу через проемы (открытые участки тоннелей), порталы и две вытяжные вентиляционные камеры. Из вытяжных вентиляционных камер загрязненный воздух поступает в газоочистные системы (газоразрядные очистные комплексы «ГРОК») производительностью каждой 1200 тыс м 3 /ч.
Способ очистки автодорожных тоннелей от вредных газовых выбросов с применением газоразрядного очистного комплекса «ГРОК» и устройство для его реализации приняты за прототип предлагаемого изобретения.
В то же время для прототипа характерен ряд недостатков. В частности, не весь загрязненный в тоннеле воздух пропускают через газоразрядные очистные комплексы, размещенные в вытяжных вентиляционных камерах тоннеля. Его часть через открытые участки тоннеля поступает в атмосферу в приземном слое без предварительной очистки воздуха и приводит к высокой концентрации вредных газов на уровне дыхания. В способе и устройстве-прототипе фактически очищается от вредных примесей не более 70-80% загрязненного воздуха, отсасываемого из тоннелей. Во вторых, система вентиляции тоннелей, оснащенных газоразрядными очистными комплексами, очень затратна и достигает до 15% от общей стоимости сооружаемых тоннелей. В третьих, электрическая мощность, потребляемая осевыми вентиляторами и газоразрядными очистными комплексами автодорожных тоннелей, достигает нескольким тысяч киловатт и требует значительных затрат средств на их энергоснабжение.
Учитывая сложность и высокую стоимость очистных комплексов, становится особенно актуальной разработка нового типа экономичных и экологически эффективных установок для вентиляции автодорожных тоннелей большой протяженности.
Техническим результатом предлагаемого способа работы установки и устройства вентиляции автодорожных тоннелей является улучшение экономических показателей устройств их вентиляции в сочетании с их использованием для дополнительной выработки электрической и тепловой энергии.
Технический результат достигается за счет того, что в способе работы и устройстве установки для вентиляции автодорожных тоннелей применена комбинированная вентиляционно-энергетическая газотурбинная установка, обеспечивающая эффективную вентиляцию тоннелей с одновременной когенерационной выработкой электрической и тепловой энергии. В способе работы установки для вентиляции автодорожных тоннелей, содержащих входные и выходные порталы и вытяжные вентиляционные шахты, согласно которому атмосферный воздух подают в автодорожные тоннели струйными осевыми вентиляторами через входные и выходные порталы, причем воздух, загрязненный в автодорожных тоннелях, удаляют из тоннеля через дополнительные вытяжные вентиляционные шахты с блоками пылеочистки, снабженными тканевыми фильтрами, производя в них тонкую очистку загрязненного воздуха от пыли и взвешенных частиц, используя при этом разрежение, создаваемое воздушными компрессорами дополнительных газотурбинных мини-теплоэлектроцентралей (мини-ТЭЦ); воздух, частично очищенный в блоках пылеочистки, сжимают в воздушных компрессорах дополнительных газотурбинных мини-теплоэлектроцентралей, сжигают в нем топливо (природный газ), производя частичное доокисление оксидов углерода, продукты сгорания топлива расширяют в газовых турбинах, и используют их полезную работу для выработки электроэнергии, теплоту отработавших продуктов сгорания утилизируют в котлах-утилизаторах и вырабатывают тепловую энергию, подогревая сетевую воду; охлажденные до 100-120 градусов Цельсия продукты сгорания сбрасывают через дымовые трубы в атмосферу на высоте 60-80 метров, рассеивая вредные газовые составляющие продуктов сгорания и обеспечивая с учетом фоновых загрязнений воздуха экологически приемлемую концентрацию вредных газов в притоннельных зонах; выработанную дополнительными газотурбинными мини-теплоэлектроцентралями электрическую и тепловую энергию направляют к потребителям. В городах с высоким фоновым загрязнением воздуха в притоннельной зоне способ работы установки для вентиляции автодорожных тоннелей осуществляют в соответствии с п.1, причем продукты сгорания топлива после котлов-утилизаторов с температурой 100-120°С дополнительно очищают в газоразрядных очистных комплексах, формируя слабоионизированную низкотемпературную плазму, затем производят плазмохимическое разрушение вредных газовых компонентов и осуществляют каталитическое разложение газообразных загрязнителей в платано-палладиевых катализаторах, после чего очищенные в композитном нанокатализаторе продукты сгорания сбрасывают в атмосферу через дымовые трубы высотой 60-80 метров.
Устройство для реализации способа работы установки вентиляции автодорожных тоннелей, согласно которому автодорожный тоннель снабжают входными и выходными порталами со струйными осевыми вентиляторами, причем по трассе автодорожных тоннелей, на определенных расстояниях от входных и выходных порталов, дополнительно размещают вытяжные вентиляционные шахты с блоками пылеочистки, содержащими батарейные циклоны, блоки пылеочистки связывают воздуховодами с дополнительными газотурбинными мини-теплоэлектроцентралями (мини-ТЭЦ). содержащими воздушные компрессоры, камеры сгорания, газовые турбины, электрогенераторы, котлы-утилизаторы и дымовые трубы; в котлах-утилизаторах размещают теплообменные поверхности для нагрева сетевой воды; выхлопные патрубки газовых турбин связывают газоходами через котлы-утиличаторы и дымовые трубы с атмосферой, роторы газовых турбин соединяют общим валом с роторами электрогенераторов, клеммы электрогенераторов электрически связывают с внешними электрическими сетями, поверхности нагрева котлов-утилизаторов связывают трубопроводами сетевой воды с тепловыми сетями потребителей, а в газоходе между котлами-утилизаторами и дымовыми трубами устанавливают последовательно: газоразрядный плазменно-каталитический блок, включающий плазменную газоразрядную ячейку, поглощающие фильтры с полиэфирным тканевым фильтрующим полотном и платино-палладиевые катализаторы, блок финишной очистки продуктов сгорания с композитным нанокатализатором.
На фиг.1 приведена принципиальная схема установки для вентиляции автодорожных тоннелей для осуществления предлагаемого способа ее работы по п.1.
Принципиальная схема вентиляции автодорожных тоннелей по фиг.1 может быть применена при умеренной загрязненности воздуха в притоннельной территории города. Она включает: автодорожный тоннель 1, вытяжные вентиляционные шахты 2, вентиляционную шахту 3, блок пылеочистки 4, газотурбинную мини-теплоэлектроцентраль 5, блок струйных осевых вентиляторов 6, энергетическую газотурбинную установку 7, воздушный компрессор 8, газовую турбину 9, электрогенератор 10, котел-утилизатор 11, дымовую трубу 12.
Вентиляция автодорожного тоннеля в соответствии с принципиальной схемой, приведенной на фиг.1, работает следующим образом. Атмосферный воздух поступает в автодорожный тоннель 1 через входной и выходной порталы, а также через вентиляционную шахту 3, за счет разрежения, которое создают воздушные компрессоры энергетических газотурбинных установок 7, а также за счет нагнетания чистого атмосферного воздуха в тоннель 1 блоком осевых вентиляторов 6 через вентиляционную шахту 3. Воздушный компрессор 8 газотурбинной мини-теплоэлектроцентрали 5 всасывает из автодорожного тоннеля 1 через вытяжные вентиляционные шахты 2 загрязненный воздух, содержащий пыль, взвешенные частицы и вредные газы выхлопов автомобилей. Отсасываемый загрязненный воздух очищают от пыли и взвешенных частиц в блоке пылеочистки 4. Загрязненный воздух, частично очищенный в блоке пылеочистки 4, сжимают в воздушном компрессоре 8 энергетической газотурбинной установки 7 газотурбинных мини-ТЭЦ 5, сжигают в их камере сгорания топливо (природный газ) (при температурах 1600-1800°С) и производят частичное доокисление оксидов углерода, содержащихся в загрязненном воздухе. Затем продукты сгорания топлива расширяют в газовой турбине 9 энергетической газотурбинной установки 7 и используют их полезную работу для выработки электроэнергии в электрогенераторе 10. Теплоту отработавших в газовой турбине продуктов сгорания утилизируют в котле-утилизаторе 11, вырабатывая тепловую энергию и нагревая сетевую воду теплосети. Охлажденные в котле-утилизаторе 11 до температуры 100-120°С продукты сгорания топлива сбрасывают через дымовую трубу 12 в атмосферу и рассеивают содержащиеся в них вредные газовые составляющие продуктов сгорания на высоте 60-80 метров, обеспечивая экологически допустимую концентрацию вредных газов в притоннельной зоне города. Выработанную на газотурбинной мини-ТЭЦ 5 электрическую и тепловую энергию подают потребителям по соответствующим электрическим и тепловым сетям.
На фиг.2 приведена принципиальная схема установки для вентиляции автодорожных тоннелей для осуществления предлагаемого способа ее работы по п.1 и 3.
Принципиальная схема вентиляции автодорожных тоннелей по фиг.2 может быть применена в городах с высоким фоновым загрязнением атмосферного воздуха. Она включает: автодорожный тоннель 1, вытяжные вентиляционные шахты 2, вентиляционную шахту 3, блок пылеочистки 4, газотурбинную мини-теплоэлектроцентраль (мини-ТЭЦ) 5, блок осевых вентиляторов 6, энергетическую газотурбинную установку 7, воздушный компрессор 8, газовую турбину 9, электрогенератор 10, котел-утилизатор 11, газоразрядный очистной комплекс 12, дымовую трубу 13.
Совокупность признаков изобретения:
— по трассе тоннелей на определенных расстояниях от входных и выходных порталов дополнительно размещают вытяжные вентиляционные шахты с блоками пылеочистки и газотурбинными мини-теплоэлектроцентралями, содержащими воздушные компрессоры, камеры сгорания топлива, газовые турбины, электрогенераторы, котлы-утилизаторы и дымовые трубы;
— подвод в тоннели большей части свежего атмосферного воздуха и удаление из тоннеля загрязненного воздуха производят за счет разрежения, создаваемого воздушными компрессорами дополнительных энергетических газотурбинных установок;
— сжигают в сжатом воздухе топливо (природный газ) и осуществляют частичное доокисление оксидов углерода, находящихся в загрязненном воздухе;
— полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии;
— теплоту отработавших продуктов сгорания утилизируют в котле-утилизаторе, вырабатывают тепловую энергию и используют ее для теплоснабжения зданий;
— продукты сгорания после котла-утилизатора сбрасывают через дымовую трубу в атмосферу и рассеивают на высоте 60-80 метров вредные газовые составляющие продуктов сгорания;
— в притоннельной зоне городов с высоким фоновым загрязнением воздуха продукты сгорания топлива после котлов-утилизаторов дополнительно очищают в газоразрядных очистных комплексах;
позволяет повысить качество вентиляции тоннелей и снизить концентрацию вредных газов на притоннельной территории;
позволяет осуществить доокисление части оксидов углерода, находящихся в загрязненном воздухе;
позволяет одновременно с вентиляцией тоннелей производить выработку электрической и тепловой энергии и ее подачу к потребителям;
позволяет рассеивать в атмосфере на высоте 60-80 метров вредные газовые составляющие продуктов сгорания, обеспечивая приемлемую концентрацию вредных газов в притоннельных зонах;
позволяет в притоннельной зоне городов с высоким фоновым загрязнением воздуха производить тщательную очистку продуктов сгорания в газоразрядных очистных комплексах.
Главные факторы при предлагаемом техническом решении комбинированного способа вентиляции автодорожных тоннелей:
— из котлов-утилизаторов газотурбинных установок через дымовые трубы удаляется в атмосферу воздух, отсасываемый из тоннелей и продукты сгорания сжигаемого топлива. Это позволяет снизить концентрацию загрязняющих веществ на уровне дыхания человека в жилых массивах притоннельных территорий, по сравнению с известными по аналогам и прототипу способами работы систем вентиляции автодорожных тоннелей, где отсасываемый из тоннелей загрязненный воздух выбрасывается вентиляторами в приземную зону;
— к мини-ТЭЦ могут присоединяться тепловые сети небольшой протяженности, обеспечивающие теплоснабжение близлежащих жилых массивов. Высокоэкономичная комбинированная выработка на мини-ТЭЦ электрической и тепловой энергии позволит на прилегающих к тоннелям микрорайона города снизить тарифы на электрическую и тепловую энергию. Снижение величины тарифов будет связано не только с низкой себестоимостью их производства на мини-ТЭЦ, но также и вследствие значительного снижения потерь при транспорте энергоносителей, а также из-за меньших утечек сетевой воды и расхода электроэнергии на собственные нужды по сравнению с централизованным теплоснабжением потребителей из магистральных тепловых сетей;
— в городах с высоким фоновым загрязнением атмосферного воздуха можно осуществить частичное доокисление содержащихся в газо-воздушном потоке экологически вредных примесей оксидов углерода.
