В расчетах используется максимальное выбранное значение из минимальных скоростей воздушного потока в тоннеле va для снижения концентрации СО при разных трафиках или для дымоудаления при пожаре, и соответствующее количество воздушного потока. По рекомендациям Permanent International Association of Road Congresses (Международная организация дорожных конгрессов, PIARC) для определения осевой реактивной силы (тяги) вентиляторов необходимо учесть все потери давления при движении воздуха в тоннеле. Определяются потери давления на входе в тоннель, Па:где zin — коэффициент потерь на входе; ρa — плотность воздуха, кг/м3. Потери давления от сопротивления трения о стены, Па:где lwf — коэффициент сопротивления трения о стены; L — длина тоннеля, м; D — гидравлический диаметр тоннеля, м. Потери давления на выходе из тоннеля, Па:где zout — коэффициент потерь на выходе. Потери давления от ветрового напора, Па:где vwind — скорость ветра за пределами тоннеля, м/с. Потери давления изза сужения поперечного сечения тоннеля транспортными средствами или изза т.н. «эффекта закупоривания», Па:где kfl и kfh — коэффициенты сужения сечения для легковых и грузовых транспортных средств соответственно; Fal и Fah — фронтальные площади легковых и грузовых транспортных средств соответственно, м2. Потери давления ΔPblock определяются только при расчете вентиляции для случаев дорожной пробки либо пожара, т.е. при vl = vh = 0.Воздействие движущихся транспортных средств на воздушный поток в тоннеле зависит от соотношения скоростей транспортных средств vl или vh (при однополосном движении в каждую сторону они принимаются одинаковыми) и скорости воздушного потока va. При встречном движении скорости транспортных средств и воздушного потока направлены в разные стороны. В этом случае транспортные средства оказывают аэродинамическое сопротивление потоку. Потери давления при аэродинамическом сопротивлении, создаваемом легковыми автомобилями, Па:где kwl — коэффициент аэродинамического сопротивления легкового автомобиля. Потери давления при аэродинамическом сопротивлении, создаваемом грузовыми транспортными средствами, Па:где kwh — коэффициент аэродинамического сопротивления грузового транспортного средства. Общие потери давления при противоположно направленном движении транспортных средств и воздушного потока в тоннеле, Па:ΔPdrag = ΔPdrag.l + ΔPdrag.h. (14) При однонаправленном движении транспортных средств и воздушного потока транспортное средство будет оказывать сопротивление воздушному потоку, если транспортное средство имеет меньшую скорость (va > vl) или (va > vh). И наоборот, если скорость транспорта больше скорости воздуха в тоннеле, то транспорт будет оказывать на воздух дополнительное проталкивающее воздействие, которое иногда называют поршневым эффектом. Потери давления при однонаправленном движении легковых автомобилей и воздушного потока, Па:При (va < vl) результат, полученный по формуле (15), будет отрицательным, что свидетельствует о наличии проталкивающего поршневого эффекта и, следовательно, о снижении суммарных потерь давления. Аналогичные потери давления для грузовых транспортных средств, Па:Общие потери давления при спутном движении транспортных средств и воздушного потока в тоннеле, Па:ΔPpist = ΔPpist.l + ΔPpist.h. (17)Потери давления, вызванные разностью атмосферных давлений на порталах тоннеля, Па:где g — гравитационное ускорение, 9,8065 м/с2; ΔH — разница высот между порталами тоннеля, м; ΔT — разность температур между средней температурой воздуха и температурой окружающей среды у нижнего портала, °С; ta — температура окружающей среды у нижнего портала, °C.На основании рассчитанных потерь давления определяются суммарные потери давления в тоннеле, Па:ΔPtotal = ΔPin + ΔPwf + ΔPout ++ ΔPwind + ΔPblock + ΔPdrag ++ ΔPpist + ΔPp. (19)Следует помнить, что в формулу (19) при нулевом трафике не входят ΔPdrag и ΔPpist, а при движении транспорта отсутствует ΔPblock. А при одностороннем движении в тоннеле в формуле (19) отсутствует одно из слагаемых: либо ΔPdrag, либо ΔPpist, а при двухстороннем они оба присутствуют. Также слагаемые ΔPwind, ΔPpist и ΔPp могут принимать отрицательные значения, что приводит к уменьшению суммарных потерь давления. Тогда общая тяга вентиляторов в тоннеле с учетом поправочных коэффициентов будет составлять, Н:где kv — поправочный скоростной коэффициент, учитывающий всевозможные неучтенные потери давления в тоннеле (kv < 1); обычно 0,8–0,9; kinst — поправочный монтажный коэффициент, учитывающий всевозможные погрешности и неточности при монтаже вентиляционного оборудования (kinst < 1); обычно 0,8–0,9.По найденной общей тяге в тоннеле (20) определяется количество струйных вентиляторов как ближайшее целое значение, не меньше рассчитанного по выражению в правой части неравенства:где Af — площадь выходного сечения струйного вентилятора [м2], в первом приближении выбирается по паспортным данным наиболее подходящего вентилятора; vf — скорость воздуха в выходном сечении струйного вентилятора, в первом приближении задается ориентировочно из опытных данных (для тоннельных струйных вентиляторов обычно 25–40 м/с). Исходя из полученных результатов, тяга (осевая реактивная сила) одного струйного вентилятора составляет, Н: При необходимости делается уточняющий перерасчет во втором (и возможно, в третьем) приближении по (21) и (22), выбрав иные значения Af и/или vf или изменив количество вентиляторов на позиции. После уточнения количества струйных вентиляторов Nf рассчитывается расстояние между ними (или вентустановками) по длине тоннеля, м:где nf — количество струйных вентиляторов на позиции (в одной вентиляционной установке).Таким образом, определяются все основные параметры для проектирования продольной тоннельной вентиляции с помощью струйных вентиляторов. В заключение, по рекомендациям PIARC, следует определить минимальное осевое расстояние между вентиляторами, выраженное через гидравлический диаметр, м:(Lf)min = 10D, (24)или же, если применяется отклонение лопаток, м:(Lf)min = (6–8)D, (25)и сравнить его с полученным в (23).Механическая мощность воздушного потока, выходящего из вентилятора, Вт: Для струйных вентиляторов угол между векторами тяги и скорости обычно равен нулю, а косинус — единице. Тогда электрическая мощность, потребляемая двигателем вентилятора, будет составлять:где η — коэффициент полезного действия вентилятора, который для струйных вентиляторов чаще всего находится в диапазоне от 0,60 до 0,80. Пример расчета Расчет и подбор струйных вентиляторов выполнены для двухполосного тоннеля с двусторонним движением (по одной полосе в каждую сторону) в загородной зоне по следующим исходным данным: L = 1000 м — длина тоннеля; At = 100 м2 — площадь поперечного сечения; D = 10 м — гидравлический диаметр; ΔH = 0 м — разница высот между порталами тоннеля; vwind = 5 м/с — скорость ветра за пределами тоннеля; 80/20 % — стандартное соотношение легковых/грузовых транспортных средств в тоннеле; va = 3 м/с — минимальная скорость воздушного потока для дымоудаления; ρa = 1,2 кг/м3 — плотность воздуха; kfl = 0,4 — коэффициент закупоривания тоннеля легковым транспортным средством; kfh = 1,0 — то же грузовым средством; Fal = 2 м2 — фронтальная площадь легкового транспортного средства; Fah = 7 м2 — то же грузового средства; kv = 0,85 — поправочный скоростной коэффициент; kinst = 0,85 — поправочный монтажный коэффициент. Неуказанные исходные данные выбираются из нормативных документов, каталогов или иных источников. Расчет минимального воздушного потока для снижения концентрации СО до допустимых величин в транспортной пробке в тоннеле проводится на основании максимально возможного количества машин в тоннеле (на двух полосах):Nlt(0) = 171; qcolg(0) = 101,3 г/ч;Nht(0) = 43; qcohg(0) = 57 г/ч. А при:kh = kcs = ks = km =1; ρCO = 1200 г/м3; [COоб] = 100 ppm = 0,000100;COоб/out = 0, и по формулам (1)–(4):Тогда общий поток воздуха по (5):Qa/co = 40 + 5,67 = 45,7 м3/с.А минимальная скорость воздушного потока в тоннеле составит: Аналогичные вычисления при замедленном (10 км/ч) и нормальном (60 км/ч) движении проведены при следующих исходных данных с получением соответствующих результатов:Nlt(10) = 69; qcolg(10) = 217,9 г/ч; Nht(10) = 17; qcohg(10) = 157,7 г/ч; [COоб] = 100 ppm = 0,000100,тогда va = 0,410 м/с, иNlt(60) = 31; qcolg(60) = 863,1 г/ч; Nht(60) = 8; qcohg(60) = 415,7 г/ч; [COоб] = 70 ppm = 0,000070,тогда va = 0,995 м/с. Итак, из четырех минимальных скоростей воздушного потока при разных трафиках и для дымоудаления максимальной оказалась va = 3 м/с (для дымоудаления), которая будет использована далее для определения потерь давления. Потери давления на входе в тоннель при zin = 0,5 по формуле (7):Потери давления от сопротивления трения о стены при lwf = 0,024 (для гладких бетонных стен) по формуле (8):Потери давления на выходе из тоннеля при zout = 1,0 по формуле (9):Потери давления от ветрового напора по формуле (10):Потери давления из-за эффекта закупоривания тоннеля проезжающими по нему транспортными средствами (11):При отсутствии движения транспортных средств потери давления от аэродинамического сопротивления ΔPdrag и от поршневого эффекта ΔPpist отсутствуют. При небольшом перепаде высот между порталами (ΔH → 0) потерями давления, вызванными разностью атмосферных давлений, можно пренебречь. Тогда суммарные потери давления в рассматриваемом тоннеле по формуле(19) составят величину:ΔPtotal = 2,7 + 13,0 + 5,4 + 15,0 ++ 16,5 = 52,6 Па. Общая тяга вентиляторов по (20):Количество струйных вентиляторов по (21) определяется после предварительного выбора типоразмера вентилятора и скорости выходящего воздуха. Если выбрать вентилятор типоразмера 1000 мм с площадью выходного сечения:и со скоростью воздуха в выходном сечении 30 м/с, то: Следовательно, выбираем Nf = 9. Тогда тяга одного струйного вентилятора (22):Итак, для вентиляции рассмотренного тоннеля требуется девять струйных вентиляторов с тягой 809 Н и скоростью воздуха 30 м/с. Если такого вентилятора в каталоге не имеется, а, например, имеются вентиляторы с меньшей тягой или иных типоразмеров, то следует рассмотреть следующие варианты: ❏ установка двух или более вентиляторов на одной позиции параллельно; ❏ выбор вентиляторов большего типоразмера, обладающих бо´льшей тягой; ❏ увеличение количества последовательно установленных вентиляторов. Расстояние между вентиляторами по длине тоннеля по (23) при установке на каждой позиции одного вентилятора: Проверка по (24) и (25) подтверждает возможность использования выбранных вентиляторов. А с помощью формул (26) и (27) можно оценить требуемую мощность электродвигателя для вентилятора, например, при КПД, равном 75 %:В заключение авторами выражается надежда на широкое распространение и положительные результаты применения предлагаемой методики для расчета продольных систем вентиляции тоннелей, что должно способствовать как повышению дорожной безопасности, так и улучшению качества отечественных автомобильных дорог. 1. СНиП 3204–97. Тоннели железнодорожные и автодорожные. 2. ГОСТ 12.1.005–88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. 3. Вишневский Е.П. Проектные решения и технические средства вентиляции тоннелей // Журнал С.О.К., №6/2008. 4. Вишневский Е.П. Вентиляция тоннелей: проектные решения технические средства // Мир дорог, №42/2009. 5. Прокофьев С.Ю. Проектирование систем вентиляции тоннелей за рубежом // Мир дорог, №45/2010. 6. Система вентиляции тоннелей. Выбор схемы вентиляции. Ч. 2. // Мир климата, №60/2010.