隧道冬季阴燃消防水防冻技术的研究

大连理工大学能源与动力学院 ■ 韩佳宸 郭晓平 田梦江

0 引言

随着我国经济的高速发展和人口密度的增大，我国隧道交通发展迅速，隧道总长度已列世界第一。隧道是一种较长的封闭空间，具有结构和设施复杂、环境密闭、出入口少、疏散路线长、通风照明条件差等特点。

长期以来，我国冬季北方地区隧道消防水防冻是一大难题。冬季北方地区的环境温度一般在0 ℃以下，局部地区甚至低于-30 ℃。因此，公路隧道内的消防水将长时间处于相对静止状态，应进行相应的防冻保护，否则，消防水冰冻后堵塞管道使消防系统陷于瘫痪或管道冻裂[1]。

1 研究目的和意义

目前，国内外采用的隧道消防水防冻技术有两种[2]：1)填充防冻液技术。此种技术初始投资少，但需要避免以下不足：①应保证防冻液不具有助燃性和可燃性，且不具有毒性；②消防设备及设施应考虑防冻液会影响水成膜泡沫等化学成分；③需要解决在降温时填补防冻液的收缩量、升温时吸纳防冻液的膨胀量。2)电伴热技术。此种技术的明显缺点是综合热效率低，并且该技术前期资金投入大，运营费用高。

因此，公路隧道消防水防冻新途径——阴燃防冻技术应运而生。阴燃是低温缓慢氧化燃烧，且用于阴燃的生物质能不仅成本低廉、资源丰富，而且是绿色燃料。就能量转换而言，阴燃防冻技术直接燃烧加热其综合热效率可达80%～90%；而电加热在经历了燃料燃烧释放热能→机械能→电能→输送→热能等一系列不同形态的能量转换和输送后，从热能开始最终又回到热能，其综合能量利用效率不足30%。此外，由于燃烧温度低，阴燃技术为利用低品位燃料提供了可能。

2 国内外研究概况及发展趋势

20世纪50年代，国外的阴燃研究兴起。相对国外，国内起步较晚。20世纪90年代中期，我国的阴燃研究才刚刚起步，不过，实验、理论分析、数值模拟基本同步。如大连理工大学[3-7]深入地进行了对强迫对流阴燃传播过程和炭粒、纤维质燃料阴燃点燃过程的理论研究，并对纤维质燃料在自然对流条件下竖直和水平阴燃进行诸多实验；浙江大学进行了锯末强迫对流逆向阴燃过程的实验研究，检测了传播速度、气体产物成分及阴燃温度[8]。

3 燃料选用

生物质能是仅次于煤、石油、天然气的第4大能源，能提供全球约14%的能量需求。我国是世界上历史最悠久的农业大国之一，其中，可再生的生物质年产量大且稳定，含硫、氮、灰分量低，燃烧后所产生的硫氧化物、氮氧化物和烟尘排放量少。因此，生物质成为一种环境友好型的清洁能源。

农作物秸秆是数量极大的可再生生物质资源，且具备阴燃所需的主要物理因素，如单位质量燃料的表面积大、渗透性高、保温性能好等。据统计，我国每年的玉米秸秆产量约2亿t，且价格低廉，防冻系统采用玉米秸秆作燃料有充沛的资源。固化成型技术可以将原始玉米秸秆压缩成固体，生产的成型燃料多为棒状，直径为50～70 mm，使玉米秸秆的能量密度接近煤的水平，满足隧道空间紧凑的要求。

鉴于以上分析，采用玉米秸秆作为实验燃料。

4 隧道阴燃防冻系统热力平衡分析

图1 防冻系统实验装置

图1为垂直于隧道纵向的阴燃防冻系统截面示意图，上侧的水泥盖板与下侧的填充池之间通过水泥板隔开，直径为80 mm的消防水管外侧为100 mm的水泥管，避免燃料与消防水管直接接触，烧损消防水管。考虑到隧道建设成本，将阴燃填充池截面积限制在0.1～0.2 m2内，图1所示的总面积为0.138 m2，符合要求。下文将沿隧道纵向取单位长度进行阴燃防冻系统的热平衡分析。

4.1 理论依据

在防冻的过程中，阴燃燃烧所释放的热量，除了加热消防水管周围的空气，还存在与外界换热过程的损耗，这主要包括阴燃池与水泥隔板之间自然对流换热、辐射换热等，如图1所示。

1) 冷空气与水泥盖外表的对流换热量为：

式中，T1为水泥盖外表面温度；T0为室外温度；S1为冷空气与水泥盖外表的对流换热面积。h0为冷空气与水泥盖外表的对流换热系数，其表达式见式(2)：

式中，v0为冷空气风速，取5 m/s。

2)水泥盖导热量为：

式中，T2为水泥盖内表面温度；S2为水泥盖换热面积；λw为水泥导热系数；hw为水泥盖厚度。

3) 燃池表面与水泥盖之间的自然对流换热量为：

式中，ΔtGr为燃池表面与水泥盖温差；α为自然对流换热系数，其表达式见式(5)：

式中，λm为导热系数；L为特征尺寸，此处取 0.01 m；Nu=0.195Gr1/4，Gr=βgL3ΔtGr/v2，其中，β为膨胀系数，v为运动粘度。

4)燃池表面与水泥盖之间的辐射换热量为：

式中，Ts为阴燃池表面温度；Ss为阴燃池表面面积；ε1为水泥表面黑度，ε2为燃池表面黑度，ε1、ε2都取0.9；σb为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。

5)燃池表面与水泥盖内总换热量为：

6)阴燃所需冷空气的加热量：

式中，Gair为1 kg玉米秸完全燃烧理论空气量；Cpair为空气比热；Tflame为阴燃温度。

7)需要燃烧的玉米秸秆为：

式中，QL为玉米秸的低位热值。

8)所需总热量：

由此，可得一个阴燃周期(100天)燃料体积为：

式中，ρfuel为玉米秸密度。

4.2 计算结果

计算结果见表1。经计算发现，冬季阴燃所使用玉米秸秆燃料的体积为0.0889 m3，小于本装置所设置填充池的体积0.135 m3，因此，此实验装置是可行的。

表1 隧道阴燃热平衡计算(沿隧道纵向单位长度)

5 结论

经过可行性的计算表明，理论上压缩成型玉米秸秆作为燃料，使用阴燃的方式对于隧道消防水防冻是可行的。隧道冬季阴燃消防水防冻技术将很好地提高燃烧效率，降低成本进而达到节能的效果。

[1] 任卫英. 电伴热保温在公路隧道水消防系统中的应用[J].山西建筑 ， 2013， 39(20)： 177 － 178.

[2] 贺国强. 隧道消防管道保温防冻措施方案比较[J]. 经营管理者 ， 2011， (15)： 363.

[3] 郭晓平， 解茂昭， 孙文策. 空隙率变化及填充床表面下沉对阴燃传播的影响[J]. 燃烧科学与技术， 2001， 7(3)： 258－261.

[4] 郭晓平， 解茂昭， 孙文策. 水平碳粒床中阴燃过程的数值计算 [J]. 大连理工大学学报 ， 1998， 38(1)： 63 － 69.

[5] 孙文策， 解茂昭， 郭晓平， 等. 燃池内的阴燃过程的实验分析研究 [J]. 工程热物理学报 ， 2000， 21(3)： 393 － 396.

[6] 孙文策， 解茂昭， 徐敏. 纤维质颗粒燃料阴燃引燃过程的研究 [J]. 大连理工大学学报 ， 1998， 38(2)： 218 － 222.

[7] 田维治. 基于燃池利用供热方式的研究[D]. 大连： 大连理工大学硕士学位论文， 2011.

[8] 苏俊林， 戴文仪， 矫振伟. 玉米秸秆颗粒燃料的热工特性[J].吉林大学学报 (工学版 )， 2010， 40(2)： 386 － 390.