一种隧道除尘设备及其除尘方法与流程

1.本发明涉及空气净化设备领域，具体涉及一种隧道除尘设备及其除尘方法。


背景技术：

2.隧道扬尘是困扰隧道正常使用，影响列车安全行驶的重大问题，其中，铁路煤炭运输过程中的煤尘治理是长期困扰铁路部门的技术难题。在实际的隧道中，某些铁路线中投入运营的车辆车流密度大、载重量大、线路环境复杂、隧道多，运煤列车频繁穿越隧道时，在“活塞风”的作用下引起煤尘飘落；铁路隧道产生的大量煤粉尘的危害主要包括严重污染环境，严重威胁铁路工作人员职业健康，加速列车机械磨损，缩短设备使用寿命并且会降低工作环境的能见度，影响隧道内维护作业和铁路正常行驶。
3.因此，隧道的防尘和除尘问题十分突出，现无成熟的重载铁路隧道防尘除尘技术，特别是在目前倡导“青山绿水就是金山银山”的环保理念下，研究重载铁路隧道除尘技术具有很大应用市场和环保效益。现有技术中，国内外隧道内除尘技术主要有四类：喷淋技术、静电除尘、吸尘设备以及通风技术等措施。其中，关于喷淋技术，由于隧道大部分在华北山区，缺水严重，冬季也存在防冻问题，实现困难；关于静电除尘，由于产生静电的高压遇到大量粉尘会对铁路运营安全造成影响，而且隧道空间受限也不适合安装；关于通风技术，通风降尘会将大量的粉尘吹出隧道影响周边环境污染，也不适宜；因此，本技术针对吸尘技术，提供一种新的隧道除尘设备及其除尘方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种隧道除尘设备及其除尘方法,其根据列车穿出隧道时浑浊气体的流动方向，由收集件在隧道出口处对其进行收集并且清洁件可对其进行净化，再由输出件将洁净气体送入隧道内，利用洁净气体推动浑浊气体进入收集件，形成循环，结构简单，除尘效果好；设置于隧道外，不占用列车通行的轨道，从而解决了上述技术问题。
5.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种隧道除尘设备，其包括：清洁装置和检测装置，清洁装置包括清洁件、收集件、动力件和输出件；清洁件设置于隧道外部；收集件设置于隧道出口的上方，收集件与清洁件相连；收集件能将来自隧道的浑浊气体输送至清洁件，清洁件能净化浑浊气体；输出件的一端通过动力件与清洁件相连，另外一端延伸至隧道的内部且位于隧道的底部，输出件位于隧道内部的一端具有开口向上的出气口；检测装置能检测列车的经过并控制清洁件和动力件开启，使输出件将来自清洁件的洁净气体输送至隧道内部以推动隧道内的浑浊气体流动至隧道出口处，收集件对浑浊气体进行收集，形成循环。
6.目前分析和解决流体问题时，cfd流体力学仿真分析方法与理论分析方法、试验研究方法一样，有同等重要的角色。列车空气动力学数值模拟计算属于计算流体力学(cfd)范畴，即通过数值模拟计算方法求解列车流场流动模型，得出列车和隧道内流场的相关力学信息。针对列车过隧道时可压缩的基本控制方程、流场数值计算方法以及湍流模型。
7.列车通过隧道时所采用的三维可压缩粘性流应遵循物理学中的三大基本定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。质量守恒定律，单位时间内微元体中流体质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，即流场内的质量随时间的变化率与单位时间通过流场进出口的流体质量之和为零；动量守恒方程反映了流体流动过程中的动量守恒性质，在流体流程中的表现形式是微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和；能量守恒方程反映了流体流动过程中能量守恒的基本性质，即微元体内热力学能的增加率等于进入微元体的净热流量加上体积力与表面力对微元体做的功。
8.列车通过隧道的流体流动问题中，列车与隧道之间存在相对运动，进行数值模拟，根据列车通过隧道流场的实际情况，按照列车的车体外形尺寸，列车的运行速度，通过隧道的断面形状建立列车—隧道计算模型。选取基于有限体积法的商用流体分析软件(ansyscfx)进行数值仿真模拟，结合隧道进出口实际风速压力测试，修正计算模型。然后对列车通过隧道时气体流动特性进行研究，选取合理的方案。
9.根据上述研究方法，能够得出以下结果：限于隧道和列车壁面的影响，又因空气具有可压缩性，所以列车通过隧道引起的空气流动较明线上即列车处于隧道外时所引起的空气流动要复杂得多，这将导致隧道内空气压力产生变化。对于列车的头部和尾部、隧道的入口和出口等这些具有结构突变的几何或位置来说，其压力波动特性尤为复杂。高速列车车头形状具有较好的流线型，可将列车车头车尾的流动按势流理论处理，即分别将车头和车尾处的空气流动看成“源”和“汇”。
10.(1)当列车驶入隧道时，由于空气的压缩性及列车壁和隧道壁限制了空气侧向流和向上流的空间，列车前方的空气受到压缩，并随列车向前流动，造成列车前方的空气压力突然升高，产生压缩波。被列车挤压的另一部分空气则通过环状空间向列车后方流动，随着列车的进一步驶入隧道，列车所处的环状空间长度逐步增大，车前隧道空间的空气压力继续升高，压缩波的强度继续增大，直到列车全部进入隧道为止。当压缩波传播到隧道出口时，一部分以膨胀波形式反射回来，另一部分以微气压波形式传出隧道出口。
11.(2)当列车尾部进入隧道后，由于列车尾部产生的负压低于大气压力，原先经过环状空间流到隧道入口外的空气改变流向，流入列车后方的隧道空间，而且隧道的空气也流入该空间。
12.(3)当列车头部驶出隧道时，列车由狭小的隧道空间运动到开阔的明线空间上即列车处于隧道外时，列车周围空气流动的空间骤然增大，车头产生压缩波高于大气压强压，故压缩波会向四周扩散。
13.在优选的实现方式中，收集件设为集尘罩，集尘罩设有收集口，收集口向下设置。根据上述研究结果可知，当列车头部穿出隧道的出口时，列车由狭小的隧道空间运动到开阔的明线空间上，列车周围空气流动的空间骤然增大，车头产生压缩波高于大气压强压，故压缩波会向四周扩散，自隧道内流出隧道的出口的上方，集尘罩设置于隧道外部，不会对列车运行造成影响，安装简单、方便；并且来自隧道的空气混着扬尘，形成浑浊气体，浑浊气体流出出口后有呈向上攀升的趋势，因而可以沿列车运行前方的隧道出口上方设置集尘罩；集尘罩又设有收集口，该收集口向下设置，可以对浑浊气体起到聚拢与收集的作用，上述结构简单，顺应流体运动规律科学地进行设置，吸尘效果好。
14.在优选的实现方式中，集尘罩设有若干通气孔，通气孔分别通过输气管与清洁件
相连。由于运行于铁路的列车体积大，尤其是重载列车，其能带动大量浑浊气体运动，因而清洁件需要净化大量的浑浊气体，相应地，为了提高清洁件处理浑浊气体的效率，便在集尘罩设置若干通气孔，这些通气孔分别与清洁件进行连接，并向清洁件输送浑浊气体，这样便可以有效提高清洁件的工作效率，使得单位时间内有更多的浑浊气体被净化，使得本技术的除尘效果更好，工作效率更高。
15.在优选的实现方式中，集尘罩的下边缘设为弧形结构，弧形结构与隧道顶部的弧度相吻合。上述结构使集尘罩的收集口能够尽可能地与隧道出口相互配适，集尘罩的下边缘，即其收集口的位置与隧道顶部的弧度相吻合，当来自隧道内部的浑浊气体流出隧道出口时，收集口能够更多地对浑浊气体进行收集，尽可能地减少浑浊气体的逸散，提升集尘效果，从而提升本技术的除尘效果；并且，上述结构还能够对列车的通行进行避让，方便列车通行。
16.在优选的实现方式中，输出件设置为筒状结构，输出件的一端开放，另一端封闭；输出件开放的一端连接于动力件，输出件封闭的一端设有出气口。上述输出件一端经动力件与清洁件相连经除尘器，优选的，上述清洁件可以设置为除尘器，动力件可设置为离心风机，经除尘器处理过的洁净气体经过离心风机后由输出件向隧道内送入15米，输出件可以设置为隧道内侧的端口封闭的管道，并且在端部开设有出气口向上吹风，这样可以引导隧道内浑浊气体向隧道出口上方运动，为集尘罩收集浑浊气体做准备，提成除尘效率。
17.在优选的实现方式中，输出件设有若干个，若干个输出件相互平行设置且长度相等，更优选的，出气口沿输出件的延伸方向间隔设有若干个。上述输出件设置若干个，且出气口沿输出件的延伸方向间隔设有若干个，可以提升输出件向隧道内输送洁净气体的效率，使隧道内单位时间内具有更多的洁净气体对浑浊气体进行助推，提升除尘效率，形成正向循环；优选的，每个输出件的端部设有三个出气口，这样既能保证洁净气体的供应，又能保证输出件内部的压强，上述结构使得本技术的除尘效果更好。
18.在优选的实现方式中，输出件设置于地面以下，出气口能够使输出件的内部与外界相通。上述输出件可以采取预埋于地面以下的方式，这样延伸于隧道内的输出件可以避让列车运行，使得列车运行不受阻，不占用列车的运行时间，使得本装置使用更加方便，并且出气口向上设置，也顺应了列车穿出隧道出口时，列车尾部流体的流动规律，使洁净气体更好地助推浑浊气体，使其到达隧道的出口，从而提升本装置的除尘效果。
19.在优选的实现方式中，检测装置包括列车检测传感器和系统控制器，在实际应用本装置时，在隧道入口一定距离布置列车检测传感器感知列车，当列车即将通过上述入口时，系统控制器自动起动清洁件开始工作，集尘罩形成负压空间，开始抽入隧道内飘出的浑浊气体，然后使浑浊气体通过管道进入除尘器进行煤尘过滤，净化后的洁净气体再通过输出件送往隧道内形成风压，辅助导引隧道内的浑浊气体进入集尘罩，形成循环。等列车全部通过隧道后，除尘器和离心风机延迟工作一定时间后设备停机，并维持待机状态。
20.本发明采用上述结构的有益效果是：其根据列车穿出隧道时浑浊气体的流动方向，由收集件在隧道出口处对其进行收集并且清洁件可对其进行净化，再由输出件将洁净气体送入隧道内，利用洁净气体推动浑浊气体进入收集件，形成循环，结构简单，除尘效果好；设置于隧道外，不占用列车通行的轨道。
附图说明
21.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
22.图1为本发明的主视结构示意图。
23.图2为本发明的局部剖面示意图。
24.图3为本发明的工作系统流程图。
25.图中，
26.1、清洁件；2、收集件；201、收集口；202、通气孔；203、输气管；3、动力件；4、输出件；401、出气口；5、出口；6、列车检测传感器；7、系统控制器。
具体实施方式
27.为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
28.需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
29.如图1
‑
3所示，一种隧道除尘设备，其包括：清洁装置和检测装置，清洁装置包括清洁件1、收集件2、动力件3和输出件4；清洁件1设置于隧道外部；收集件2设置于隧道出口5的上方，收集件2与清洁件1相连；收集件2能将来自隧道的浑浊气体输送至清洁件1，清洁件1能净化上述浑浊气体；输出件4的一端通过动力件3与清洁件1相连，另外一端延伸至隧道的内部且位于隧道的底部，输出件4位于隧道内部的一端具有开口向上的出气口401；检测装置能检测列车的经过并控制清洁件1和动力件3开启，使输出件4将来自清洁件1的洁净气体输送至隧道内部以推动隧道内的浑浊气体流动至隧道出口5处，收集件2对浑浊气体进行收集，形成循环。
30.目前分析和解决流体问题时，cfd流体力学仿真分析方法与理论分析方法、试验研究方法一样，有同等重要的角色。列车空气动力学数值模拟计算属于计算流体力学(cfd)范畴，即通过数值模拟计算方法求解列车流场流动模型，得出列车和隧道内流场的相关力学信息。针对列车过隧道时可压缩的基本控制方程、流场数值计算方法以及湍流模型。
31.列车通过隧道时所采用的三维可压缩粘性流应遵循物理学中的三大基本定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。质量守恒定律，单位时间内微元体中流体质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，即流场内的质量随时间的变化率与单位时间通过流场进出口的流体质量之和为零；动量守恒方程反映了流体流动过程中的动量守恒性质，在流体流程中的表现形式是微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和；能量守恒方程反映了流体流动过程中能量守恒的基本性质，即微元体内热力学能的增加率等于进入微元体的净热流量加上体积力与表面力对微元体做的功。
32.列车通过隧道的流体流动问题中，列车与隧道之间存在相对运动，进行数值模拟，根据列车通过隧道流场的实际情况，按照列车的车体外形尺寸，列车的运行速度，通过隧道的断面形状建立列车—隧道计算模型。选取基于有限体积法的商用流体分析软件(ansyscfx)进行数值仿真模拟，结合隧道进出口实际风速压力测试，修正计算模型。然后对
列车通过隧道时气体流动特性进行研究，选取合理的方案。
33.根据上述研究方法，能够得出以下结果：限于隧道和列车壁面的影响，又因空气具有可压缩性，所以列车通过隧道引起的空气流动较明线上即列车处于隧道外时所引起的空气流动要复杂得多，这将导致隧道内空气压力产生变化。对于列车的头部和尾部、隧道的入口和出口等这些具有结构突变的几何或位置来说，其压力波动特性尤为复杂。高速列车车头形状具有较好的流线型，可将列车车头车尾的流动按势流理论处理，即分别将车头和车尾处的空气流动看成“源”和“汇”。
34.(1)当列车驶入隧道时，由于空气的压缩性及列车壁和隧道壁限制了空气侧向流和向上流的空间，列车前方的空气受到压缩，并随列车向前流动，造成列车前方的空气压力突然升高，产生压缩波。被列车挤压的另一部分空气则通过环状空间向列车后方流动，随着列车的进一步驶入隧道，列车所处的环状空间长度逐步增大，车前隧道空间的空气压力继续升高，压缩波的强度继续增大，直到列车全部进入隧道为止。当压缩波传播到隧道出口时，一部分以膨胀波形式反射回来，另一部分以微气压波形式传出隧道出口。
35.(2)当列车尾部进入隧道后，由于列车尾部产生的负压低于大气压力，原先经过环状空间流到隧道入口外的空气改变流向，流入列车后方的隧道空间，而且隧道的空气也流入该空间。
36.(3)当列车头部驶出隧道时，列车由狭小的隧道空间运动到开阔的明线空间上即列车处于隧道外时，列车周围空气流动的空间骤然增大，车头产生压缩波高于大气压强压，故压缩波会向四周扩散。
37.在优选的实现方式中，收集件2设为集尘罩，集尘罩设有收集口201，收集口201向下设置。根据上述研究结果可知，当列车头部穿出隧道的出口时，列车由狭小的隧道空间运动到开阔的明线空间上，列车周围空气流动的空间骤然增大，车头产生压缩波高于大气压强压，故压缩波会向四周扩散，自隧道内流出隧道出口的上方，集尘罩设置于隧道外部，不会对列车运行造成影响，安装简单、方便；并且来自隧道的空气混着扬尘，形成浑浊气体，浑浊气体流出出口后有呈向上攀升的趋势，因而可以沿列车运行前方的隧道出口上方设置集尘罩；集尘罩又设有收集口201，该收集口201向下设置，可以对浑浊气体起到聚拢与收集的作用，上述结构简单，顺应流体运动规律科学地进行设置，吸尘效果好。
38.在优选的实施方式中，如图1所示，集尘罩设有若干通气孔202，通气孔202分别通过输气管203与清洁件1相连。由于运行于铁路的列车体积大，尤其是重载列车，其能带动大量浑浊气体运动，因而清洁件1需要净化大量的浑浊气体，相应地，为了提高清洁件1处理浑浊气体的效率，便在集尘罩设置若干通气孔202，这些通气孔202分别与清洁件1进行连接，并向清洁件1输送浑浊气体，这样便可以有效提高清洁件1的工作效率，使得单位时间内有更多的浑浊气体被净化，使得本技术的除尘效果更好，工作效率更高。
39.在优选的实施方式中，如图1所示，集尘罩的下边缘设为弧形结构，弧形结构与隧道顶部的弧度相吻合。上述结构使集尘罩的收集口201能够尽可能地与隧道出口相互配适，集尘罩的下边缘，即其收集口201的位置与隧道顶部的弧度相吻合，当来自隧道内部的浑浊气体流出隧道出口时，收集口201能够更多地对浑浊气体进行收集，尽可能地减少浑浊气体的逸散，提升集尘效果，从而提升本技术的除尘效果；并且，上述结构还能够对列车的通行进行避让，方便列车通行。
40.在优选的实施方式中，如图2所示，输出件4设置为筒状结构，输出件4的一端开放，另一端封闭；输出件4开放的一端通过管道连接于动力件3，输出件4封闭的一端设有出气口401。上述输出件4一端经动力件3与清洁件1相连经除尘器，优选的，上述清洁件1可以设置为除尘器，动力件3可设置为离心风机，经除尘器处理过的洁净气体经过离心风机后由输出件4向隧道内送入15米，输出件4可以设置为隧道内侧的端口封闭的管道，并且在端部开设有出气口401向上吹风，这样可以引导隧道内浑浊气体向隧道出口上方运动，为集尘罩收集浑浊气体做准备，提成除尘效率。
41.优选的，输出件4设有若干个，若干个输出件4相互平行设置且长度相等，更优选的，出气口401沿输出件4的延伸方向间隔设有若干个。上述输出件4设置若干个，且出气口401沿输出件4的延伸方向间隔设有若干个，可以提升输出件4向隧道内输送洁净气体的效率，使隧道内单位时间内具有更多的洁净气体对浑浊气体进行助推，提升除尘效率，形成正向循环；优选的，每个输出件4的端部设有三个出气口401，这样既能保证洁净气体的供应，又能保证输出件4内部的压强，上述结构使得本技术的除尘效果更好。
42.在优选的实施方式中，如图1、2所示，输出件4设置于地面以下，出气口401能够使输出件4的内部与外界相通。上述输出件4可以采取预埋于地面以下的方式，这样延伸于隧道内的输出件4可以避让列车运行，使得列车运行不受阻，不占用列车的运行时间，使得本装置使用更加方便，并且出气口401向上设置，也顺应了列车穿出隧道出口时，列车尾部流体的流动规律，使洁净气体更好地助推浑浊气体，使其到达隧道的出口，从而提升本装置的除尘效果。
43.在优选的实施方式中，如图3所示，检测装置包括列车检测传感器6和系统控制器7，在实际应用本装置时，在隧道入口一定距离布置列车检测传感器6感知列车，当列车即将通过上述入口时，系统控制器7自动起动清洁件1开始工作，集尘罩形成负压空间，开始抽入隧道内飘出的浑浊气体，然后使浑浊气体通过管道进入除尘器进行煤尘过滤，净化后的洁净气体再通过输出件4送往隧道内形成风压，辅助导引隧道内的浑浊气体进入集尘罩，形成循环。等列车全部通过隧道后，除尘器和离心风机延迟工作一定时间后设备停机，并维持待机状态。
44.本发明所保护的技术方案，并不局限于上述实施例，应当指出，任意一个实施例的技术方案与其他一个或多个实施例中技术方案的结合，在本发明的保护范围内。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。