隧道冬季陰燃消防水防凍技術的研究

大連理工大學能源與動力學院 ■ 韓佳宸 郭曉平 田夢江

0 引言

隨著我國經濟的高速發展和人口密度的增大，我國隧道交通發展迅速，隧道總長度已列世界第一。隧道是一種較長的封閉空間，具有結構和設施復雜、環境密閉、出入口少、疏散路線長、通風照明條件差等特點。

長期以來，我國冬季北方地區隧道消防水防凍是一大難題。冬季北方地區的環境溫度一般在0 ℃以下，局部地區甚至低于-30 ℃。因此，公路隧道內的消防水將長時間處于相對靜止狀態，應進行相應的防凍保護，否則，消防水冰凍后堵塞管道使消防系統陷于癱瘓或管道凍裂[1]。

1 研究目的和意義

目前，國內外采用的隧道消防水防凍技術有兩種[2]：1)填充防凍液技術。此種技術初始投資少，但需要避免以下不足：①應保證防凍液不具有助燃性和可燃性，且不具有毒性；②消防設備及設施應考慮防凍液會影響水成膜泡沫等化學成分；③需要解決在降溫時填補防凍液的收縮量、升溫時吸納防凍液的膨脹量。2)電伴熱技術。此種技術的明顯缺點是綜合熱效率低，并且該技術前期資金投入大，運營費用高。

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

2 國內外研究概況及發展趨勢

20世紀50年代，國外的陰燃研究興起。相對國外，國內起步較晚。20世紀90年代中期，我國的陰燃研究才剛剛起步，不過，實驗、理論分析、數值模擬基本同步。如大連理工大學[3-7]深入地進行了對強迫對流陰燃傳播過程和炭粒、纖維質燃料陰燃點燃過程的理論研究，并對纖維質燃料在自然對流條件下豎直和水平陰燃進行諸多實驗；浙江大學進行了鋸末強迫對流逆向陰燃過程的實驗研究，檢測了傳播速度、氣體產物成分及陰燃溫度[8]。

3 燃料選用

生物質能是僅次于煤、石油、天然氣的第4大能源，能提供全球約14%的能量需求。我國是世界上歷史最悠久的農業大國之一，其中，可再生的生物質年產量大且穩定，含硫、氮、灰分量低，燃燒后所產生的硫氧化物、氮氧化物和煙塵排放量少。因此，生物質成為一種環境友好型的清潔能源。

農作物秸稈是數量極大的可再生生物質資源，且具備陰燃所需的主要物理因素，如單位質量燃料的表面積大、滲透性高、保溫性能好等。據統計，我國每年的玉米秸稈產量約2億t，且價格低廉，防凍系統采用玉米秸稈作燃料有充沛的資源。固化成型技術可以將原始玉米秸稈壓縮成固體，生產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驗燃料。

4 隧道陰燃防凍系統熱力平衡分析

圖1 防凍系統實驗裝置

圖1為垂直于隧道縱向的陰燃防凍系統截面示意圖，上側的水泥蓋板與下側的填充池之間通過水泥板隔開，直徑為80 mm的消防水管外側為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。考慮到隧道建設成本，將陰燃填充池截面積限制在0.1～0.2 m2內，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度進行陰燃防凍系統的熱平衡分析。

4.1 理論依據

在防凍的過程中，陰燃燃燒所釋放的熱量，除了加熱消防水管周圍的空氣，還存在與外界換熱過程的損耗，這主要包括陰燃池與水泥隔板之間自然對流換熱、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流換熱面積。h0為冷空氣與水泥蓋外表的對流換熱系數，其表達式見式(2)：

式中，v0為冷空氣風速，取5 m/s。

2)水泥蓋導熱量為：

式中，T2為水泥蓋內表面溫度；S2為水泥蓋換熱面積；λw為水泥導熱系數；hw為水泥蓋厚度。

3) 燃池表面與水泥蓋之間的自然對流換熱量為：

式中，ΔtGr為燃池表面與水泥蓋溫差；α為自然對流換熱系數，其表達式見式(5)：

式中，λm為導熱系數；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，v為運動粘度。

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。

5)燃池表面與水泥蓋內總換熱量為：

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，可得一個陰燃周期(100天)燃料體積為：

式中，ρfuel為玉米秸密度。

4.2 計算結果

計算結果見表1。經計算發現，冬季陰燃所使用玉米秸稈燃料的體積為0.0889 m3，小于本裝置所設置填充池的體積0.135 m3，因此，此實驗裝置是可行的。

表1 隧道陰燃熱平衡計算(沿隧道縱向單位長度)

5 結論

經過可行性的計算表明，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將很好地提高燃燒效率，降低成本進而達到節能的效果。

[1] 任衛英. 電伴熱保溫在公路隧道水消防系統中的應用[J].山西建筑 ， 2013， 39(20)： 177 － 178.

[2] 賀國強. 隧道消防管道保溫防凍措施方案比較[J]. 經營管理者 ， 2011， (15)： 363.

[3] 郭曉平， 解茂昭， 孫文策. 空隙率變化及填充床表面下沉對陰燃傳播的影響[J]. 燃燒科學與技術， 2001， 7(3)： 258－261.

[4] 郭曉平， 解茂昭， 孫文策. 水平碳粒床中陰燃過程的數值計算 [J]. 大連理工大學學報 ， 1998， 38(1)： 63 － 69.

[5] 孫文策， 解茂昭， 郭曉平， 等. 燃池內的陰燃過程的實驗分析研究 [J]. 工程熱物理學報 ， 2000， 21(3)： 393 － 396.

[6] 孫文策， 解茂昭， 徐敏. 纖維質顆粒燃料陰燃引燃過程的研究 [J]. 大連理工大學學報 ， 1998， 38(2)： 218 － 222.

[7] 田維治. 基于燃池利用供熱方式的研究[D]. 大連： 大連理工大學碩士學位論文， 2011.

[8] 蘇俊林， 戴文儀， 矯振偉. 玉米秸稈顆粒燃料的熱工特性[J].吉林大學學報 (工學版 )， 2010， 40(2)： 386 － 390.