大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 ■ 韓佳宸 郭曉平 田夢(mèng)江

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口密度的增大，我國(guó)隧道交通發(fā)展迅速，隧道總長(zhǎng)度已列世界第一。隧道是一種較長(zhǎng)的封閉空間，具有結(jié)構(gòu)和設(shè)施復(fù)雜、環(huán)境密閉、出入口少、疏散路線長(zhǎng)、通風(fēng)照明條件差等特點(diǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)冬季北方地區(qū)隧道消防水防凍是一大難題。冬季北方地區(qū)的環(huán)境溫度一般在0 ℃以下，局部地區(qū)甚至低于-30 ℃。因此，公路隧道內(nèi)的消防水將長(zhǎng)時(shí)間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的防凍保護(hù)，否則，消防水冰凍后堵塞管道使消防系統(tǒng)陷于癱瘓或管道凍裂[1]。

1 研究目的和意義

目前，國(guó)內(nèi)外采用的隧道消防水防凍技術(shù)有兩種[2]：1)填充防凍液技術(shù)。此種技術(shù)初始投資少，但需要避免以下不足：①應(yīng)保證防凍液不具有助燃性和可燃性，且不具有毒性；②消防設(shè)備及設(shè)施應(yīng)考慮防凍液會(huì)影響水成膜泡沫等化學(xué)成分；③需要解決在降溫時(shí)填補(bǔ)防凍液的收縮量、升溫時(shí)吸納防凍液的膨脹量。2)電伴熱技術(shù)。此種技術(shù)的明顯缺點(diǎn)是綜合熱效率低，并且該技術(shù)前期資金投入大，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。

因此，公路隧道消防水防凍新途徑——陰燃防凍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。陰燃是低溫緩慢氧化燃燒，且用于陰燃的生物質(zhì)能不僅成本低廉、資源豐富，而且是綠色燃料。就能量轉(zhuǎn)換而言，陰燃防凍技術(shù)直接燃燒加熱其綜合熱效率可達(dá)80%～90%；而電加熱在經(jīng)歷了燃料燃燒釋放熱能→機(jī)械能→電能→輸送→熱能等一系列不同形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換和輸送后，從熱能開(kāi)始最終又回到熱能，其綜合能量利用效率不足30%。此外，由于燃燒溫度低，陰燃技術(shù)為利用低品位燃料提供了可能。

2 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)50年代，國(guó)外的陰燃研究興起。相對(duì)國(guó)外，國(guó)內(nèi)起步較晚。20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)的陰燃研究才剛剛起步，不過(guò)，實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬基本同步。如大連理工大學(xué)[3-7]深入地進(jìn)行了對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流陰燃傳播過(guò)程和炭粒、纖維質(zhì)燃料陰燃點(diǎn)燃過(guò)程的理論研究，并對(duì)纖維質(zhì)燃料在自然對(duì)流條件下豎直和水平陰燃進(jìn)行諸多實(shí)驗(yàn)；浙江大學(xué)進(jìn)行了鋸末強(qiáng)迫對(duì)流逆向陰燃過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，檢測(cè)了傳播速度、氣體產(chǎn)物成分及陰燃溫度[8]。

3 燃料選用

生物質(zhì)能是僅次于煤、石油、天然氣的第4大能源，能提供全球約14%的能量需求。我國(guó)是世界上歷史最悠久的農(nóng)業(yè)大國(guó)之一，其中，可再生的生物質(zhì)年產(chǎn)量大且穩(wěn)定，含硫、氮、灰分量低，燃燒后所產(chǎn)生的硫氧化物、氮氧化物和煙塵排放量少。因此，生物質(zhì)成為一種環(huán)境友好型的清潔能源。

農(nóng)作物秸稈是數(shù)量極大的可再生生物質(zhì)資源，且具備陰燃所需的主要物理因素，如單位質(zhì)量燃料的表面積大、滲透性高、保溫性能好等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的玉米秸稈產(chǎn)量約2億t，且價(jià)格低廉，防凍系統(tǒng)采用玉米秸稈作燃料有充沛的資源。固化成型技術(shù)可以將原始玉米秸稈壓縮成固體，生產(chǎn)的成型燃料多為棒狀，直徑為50～70 mm，使玉米秸稈的能量密度接近煤的水平，滿足隧道空間緊湊的要求。

鑒于以上分析，采用玉米秸稈作為實(shí)驗(yàn)燃料。

4 隧道陰燃防凍系統(tǒng)熱力平衡分析

圖1 防凍系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為垂直于隧道縱向的陰燃防凍系統(tǒng)截面示意圖，上側(cè)的水泥蓋板與下側(cè)的填充池之間通過(guò)水泥板隔開(kāi)，直徑為80 mm的消防水管外側(cè)為100 mm的水泥管，避免燃料與消防水管直接接觸，燒損消防水管?？紤]到隧道建設(shè)成本，將陰燃填充池截面積限制在0.1～0.2 m2內(nèi)，圖1所示的總面積為0.138 m2，符合要求。下文將沿隧道縱向取單位長(zhǎng)度進(jìn)行陰燃防凍系統(tǒng)的熱平衡分析。

4.1 理論依據(jù)

在防凍的過(guò)程中，陰燃燃燒所釋放的熱量，除了加熱消防水管周?chē)目諝?，還存在與外界換熱過(guò)程的損耗，這主要包括陰燃池與水泥隔板之間自然對(duì)流換熱、輻射換熱等，如圖1所示。

1) 冷空氣與水泥蓋外表的對(duì)流換熱量為：

式中，T1為水泥蓋外表面溫度；T0為室外溫度；S1為冷空氣與水泥蓋外表的對(duì)流換熱面積。h0為冷空氣與水泥蓋外表的對(duì)流換熱系數(shù)，其表達(dá)式見(jiàn)式(2)：

式中，v0為冷空氣風(fēng)速，取5 m/s。

2)水泥蓋導(dǎo)熱量為：

式中，T2為水泥蓋內(nèi)表面溫度；S2為水泥蓋換熱面積；λw為水泥導(dǎo)熱系數(shù)；hw為水泥蓋厚度。

3) 燃池表面與水泥蓋之間的自然對(duì)流換熱量為：

式中，ΔtGr為燃池表面與水泥蓋溫差；α為自然對(duì)流換熱系數(shù)，其表達(dá)式見(jiàn)式(5)：

式中，λm為導(dǎo)熱系數(shù)；L為特征尺寸，此處取 0.01 m；Nu=0.195Gr1/4，Gr=βgL3ΔtGr/v2，其中，β為膨脹系數(shù)，v為運(yùn)動(dòng)粘度。

4)燃池表面與水泥蓋之間的輻射換熱量為：

式中，Ts為陰燃池表面溫度；Ss為陰燃池表面面積；ε1為水泥表面黑度，ε2為燃池表面黑度，ε1、ε2都取0.9；σb為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

5)燃池表面與水泥蓋內(nèi)總換熱量為：

6)陰燃所需冷空氣的加熱量：

式中，Gair為1 kg玉米秸完全燃燒理論空氣量；Cpair為空氣比熱；Tflame為陰燃溫度。

7)需要燃燒的玉米秸稈為：

式中，QL為玉米秸的低位熱值。

8)所需總熱量：

由此，可得一個(gè)陰燃周期(100天)燃料體積為：

式中，ρfuel為玉米秸密度。

4.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，冬季陰燃所使用玉米秸稈燃料的體積為0.0889 m3，小于本裝置所設(shè)置填充池的體積0.135 m3，因此，此實(shí)驗(yàn)裝置是可行的。

表1 隧道陰燃熱平衡計(jì)算(沿隧道縱向單位長(zhǎng)度)

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)可行性的計(jì)算表明，理論上壓縮成型玉米秸稈作為燃料，使用陰燃的方式對(duì)于隧道消防水防凍是可行的。隧道冬季陰燃消防水防凍技術(shù)將很好地提高燃燒效率，降低成本進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。

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