Моделирование теплообмена между пассажирскими помещениями и путевым отсеком на станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 628.8+622.4+625.042

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН)

Моделирование теплообмена между пассажирскими помещениями и путевым отсеком на станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем

Кияница Лаврентий Александрович

Аннотация

метрополитен теплообмен вагон платформа

В статье приведены найденные закономерности процесса теплообмена между путевым отсеком и посадочной платформой станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем. Показано, что теплообмен происходит путем теплопередачи через конструкцию разделительной стенки и посредством перетекания теплого воздуха из вагона и путевого отсека на пассажирскую платформу.

Ключевые слова: метрополитен, станция закрытого типа, посадочная платформа, теплообмен.

Abstract

The article presents the results of the process of heat exchange between the travel space and passenger platform underground station with double-track tunnel. It is shown that the heat transfer takes place by heat transfer through the construction of the separation wall and through the overflow of hot air out of the car and the travel space on the passenger platform

Keywords: underground, closed-end station, passenger platform, heat transfer.

Современные тенденции строительства метрополитенов заключаются в возведении станций закрытого типа и двухпутных тоннелей. Примером тому служат строительство участка двухпутного тоннеля Фрунзенском радиусе в Санкт-Петербурге и Кожуховской линии в Москве. Отличием станции закрытого типа от станций других типов является наличие перегородки, разделяющей пассажирские помещения метрополитена (в первую очередь пассажирскую платформу) и путевой отсек (см. рисунок 1). Посадка-высадка пассажиров осуществляется через проемы в путевом отсеке, которые открываются автоматически при стоянке поезда на станции.

Рисунок 1. Поперечный разрез станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем. Где 1 - путевой отсек, 2 - пассажирская платформа, 3 - разделительная стенка, 4 - проемы путевого отсека, 5 - метропоезд.

Путевой отсек является частью перегонного тоннеля, а требования по поддержанию температуры воздуха в тоннеле и на пассажирских помещениях станции различаются [1,2]. В таблице 1 приведены требования по поддержанию температуры воздуха на пассажирской платформе.

Таблица 1. Нормируемые значения температуры воздуха в тоннеле и на станции

¹ - в скобках приведено значение температуры для регионов с температурой наружного воздуха с обеспеченностью 0,95 [3] по параметрам А выше 24 °С .

Из-за того, что температуры в тоннеле и на станции отличны друг от друга, через разделительную стенку происходит теплообмен между воздухом в тоннеле и на станции. Тепловой поток в виде теплопоступлений или тепловых потерь следует учитывать в тепловом балансе путевого отсека и пассажирских помещений станции при определении расчетных вентиляционных расходов воздуха.

Теплообмен между путевым отсеком и пассажирской платформой осуществляется посредством двух механизмов: 1) теплопередача через конструкцию ограждающей стенки; 2) с перетеканием теплого воздуха через открытые двери поезда и ограждающей стенки путевого отсека при стоянке состава на станции.

Теплопередача через конструкцию ограждающей стенки включает в себя конвекцию и теплопроводность. Конвективный теплообмен происходит при обтекании тоннельным и станционным воздухом поверхности разделительной стенки. Теплопроводность - при прохождении теплового потока через саму конструкцию.

Термическое сопротивление разделительной стенки R, м²°С/Вт, в общем случае определяется по формуле [4]:

(1)

где б_по - коэффициент теплоотдачи от тоннельного воздуха к разделительной стенке, Вт/(м²°С); б_ст - коэффициент теплоотдачи от станционного воздуха к разделительной стенке, Вт/(м²°С), принимаем равным 8,7 Вт/(м²°С) согласно [5]; д_n - толщина n-ого слоя разделительной стенки, м; л_n - коэффициент теплопроводности n-ого слоя разделительной стенки, Вт/м²°С; n - количество слоев разделительной стенки.

Коэффициент теплоотдачи б_по, Вт/(м²°С), от тоннельного воздуха к разделительной стенке определяется по формуле [6]:

(2)

где е_с - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности, принят равным 2,2 [6]; с - плотность воздуха, кг/м³; d_э - эквивалентный диаметр путевого отсека, м; ? - скорость воздуха в путевом отсеке, м/с.

Удельный тепловой поток через разделительную стенку Q_R, Вт, определится по формуле:

(3)

где t_по - температура воздуха в путевом отсеке, °С; t_ст - температура воздуха на пассажирской платформе, °С; R - то же, что и в формуле (1).

Разделительная перегородка представляет собой остекленную конструкцию с раздвижными дверями (коэффициент теплопроводности стенки л=0.76 Вт/(м²°С) [5]). Для определения удельного теплового потока примем толщину перегородки 0,05 м. Зависимость удельного теплового потока при температуре воздуха в путевом отсеке t_по=33°C и на станции t_ст =28°С, и термического сопротивления разделительной перегородки см. рисунок 2.

Рисунок 2. Тепловой поток при t_по=33°C и t_ст =28°С и термическое сопротивление разделительной стенки в зависимости от скорости воздуха в путевом отсеке.

К примеру, при средней скорости воздуха в тоннеле ?=1 м/с величина удельного теплового потока составит 13,7 Вт/м². Площадь поверхности разделительной стенки для проектируемой станции метро «Гусинобродская» Новосибирского метрополитена составляет 780 м². В таком случае тепловой поток, направленный из путевого отсека на станцию, будет равен Q_R=10,7 кВт.

Для исследования переноса теплоты между путевым отсеком и пассажирской платформой создана модель, состоящая из четверти вагона, одного тамбура и участка пассажирской платформы. Модель реализована в программном пакете ANSYS Workbench и ANSYS Fluent с учетом рекомендаций [7]. Для расчета приняты следующие ГУ: 1) атмосферное давление на поверхностях вентиляционных отверстий вагонов P_in; 2) атмосферное давление на пассажирской платформе P_out; 3) удельные тепловыделения от людей q_f, Вт/м²; 4) условие периодичности задано на границах, где расчетная модель (1/4 вагона) переходит в следующую часть вагона; 5) начальная температуры принята равной t₀=28°C. Геометрия модели схематично показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Геометрические характеристики модели для определения закономерностей переноса теплоты через открытый тамбур путевого отсека: а) вид сбоку; б) вид сверху.

Величина теплового потока q_F, Вт/м², от пассажиров для задания в качестве ГУ определялась для различной плотности пассажиров в вагоне по формуле

(4)

где q_л - тепловой поток от одного человека при температуре окружающего воздуха t_по, Вт, определяется по табл. 7.IV [6]; n_сид - количество сидящих пассажиров, чел, берется из технических характеристик вагонов; p - заполнение вагона стоящими пассажирами, чел/м²; F_ст - площадь вагона, занятая стоящими пассажирами, м², берется из технических характеристик вагонов; F - фактическая площадь поверхностей в модели, на которой задается тепловой поток от пассажиров, м².

Проведен ряд расчетов при различном заполнение вагона стоящими пассажирами p=1…10, по результатам которых установлено, что через проем воздух движется в двух противоположенных направлениях. Теплый воздух перетекает из вагона на станцию через верхнюю часть проема, и компенсируется притоком холодного воздуха через нижнюю часть проема. Результаты расчетов показали, что перетекание теплого воздуха на станцию происходит через верхнюю треть проема (см. рисунок 4).

Рисунок 4. К определению области перетекания теплого воздуха из вагона и путевого отсека на пассажирскую платформу: а) схема воздухообмена через открытый тамбур; б) распределение температуры воздуха в поперечном сечении открытого тамбура.

Для определения теплового потока Q_?, Вт, при перетекании теплого воздуха из вагона и путевого отсека на пассажирскую платформу предложена следующая формула:

(6)

Где ?_?H - средняя скорость воздуха в верхней трети тамбура, м/с; H - высота проема, м; b - ширина проема, м; с - плотность воздуха, кг/м³; c - изобарная теплоемкость воздуха, Дж/кг·°С; t_по, t_ст - то же, что и в формуле (3); n_в - количество вагонов в поезде, шт; n_п - количество проемов в одном вагоне, шт.

Средняя скорость воздуха в верхней трети тамбура определена экспериментально в зависимости от разницы температур воздуха между путевым отсеком и пассажирской платформой (графическая зависимость - см. рисунок 5).

Рисунок 5. Зависимость скорости в верхней трети проема путевого отсека от разницы температур воздуха путевого отсека и пассажирской платформы.

Путем аппроксимации дискретной зависимости получена формула для определения скорости воздуха в верхней трети тамбура:

(7)

где Дt - разность температур воздуха в путевом отсеке и на пассажирской платформе, °С.

Зная тепловой поток от одного поезда при открытых тамбурах, время стоянки поездов и график движения, можно определить средние тепловыделения:

- за расчетный час:

(8)

где Q_? - тепловой поток через тамбур из путевого отсека и вагона на платформу, Вт; n_пар/ч - количество пар поездов за расчетный час, пар/ч; ф_ст - время стоянки поезда на станции, с;

- за расчетные сутки:

(9)

где Q_? - тепловой поток через тамбур из путевого отсека и вагона на платформу, Вт; n_{пар/сут} - количество пар поездов за сутки, пар/сут; ф_ст - время стоянки поезда на станции, с.

Выводы

1. Проведено численное моделирование процесса теплообмена между путевым отсеком и пассажирской платформой при открытых тамбурах путевого отсека во время стоянки поезда на станции.

2. Определены зависимости процесса теплообмена между путевым отсеком и пассажирской платформой через конструкцию разделительной стенки и при открытых тамбурах путевого отсека во время стоянки поезда на станции.

Библиографический список

1. СП 120.13330.2.12. Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 [Текст] : утв. Приказом Минрегион РФ 30.06.2012 : дата введ. 01.01.2013. -- М.: [б.и.], 2013. -- 260 c.

2. СП 2.5.2623-10 Санитарные правила эксплуатации метрополитенов. Изменения и дополнения N 1 к СП 2.5.1337-03 [Текст] : утв. Пост. Главного государственного санитарного врача РФ от 30.04.2010 : дата введ. 08.06.2010. -- М.: [б.и.], 2010. -- 15 с.

3. СП 131.13330.2.12. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* [Текст] : утв. Приказом Минрегион РФ 30.06.2012 : дата введ. 01.01.2013. -- М.: [б.и.], 2013. -- 113 c.

4. Каня Я.Н. Тепломассобмен: пособие [текст] / Я.Н. Каня, В.В. Бурцев. -- Новосибирск. -- 292 с.

5. СП 50.13330.2.12. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 [Текст] : утв. Приказом Минрегион РФ 30.06.2012 : дата введ. 01.01.2013. -- М.: [б.и.], 2013. -- 96 c.

6. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. Изд. 2-е, перераб. И доп. М., «Недра», 1975. 568 с.

7. Батурин О.В. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent. Учеб. Пособие / О.В. Батурин, Н.В. Батурин, В.Н. Матвеев -- Самара: Изд-во Самар.гос.аэрокосм.ун-та, 2009. -- 151 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru