Dispositivo mejorado de ventilación para un túnel.

Un ensamble de ventilador para su instalación en un túnel para proporcionar ventilación en el túnel,

el ensamblede ventilador que comprende:

un ventilador (2) para generar un flujo de ventilación (8): y

una tobera (7) que tiene un agujero pasante (31) acoplada al ventilador;

el ensamble que se dispone o puede disponerse de manera que un flujo de ventilación generado por elventilador atravesará el agujero pasante de la tobera antes de salir del ensamble para entrar a un túnel aser ventilado; y

caracterizado porque la tobera (7) que tiene el agujero pasante (31) se acopla al ventilador de manera queel ángulo entre la dirección del flujo que sale de la tobera y el eje de rotación del ventilador se encuentradentro del intervalo de 0° a 15°; y el área de la sección transversal del agujero pasante de la toberadisminuye en la dirección que se aleja del ventilador, con la relación del área de la sección transversal delventilador al área mínima de la sección transversal del agujero pasante de la tobera que se encuentra en elintervalo de 1.05 a 5.0, de manera que la tobera durante el funcionamiento actuará para acelerar un flujo deventilación procedente del ventilador a medida que pasa desde el rotor del ventilador (4) a través de latobera antes de la descarga dentro de un túnel a fin de aumentar la velocidad del flujo de ventilación a partirde una primera velocidad impartida al flujo en el ventilador por el ventilador hasta una segunda velocidadmás alta en la descarga de la tobera dentro del túnel.

Dispositivo mejorado de ventilación para un túnel

Antecedentes de la invención Esta invención se refiere a un dispositivo mejorado de ventilación para túneles. Los túneles pueden requerir ventilación por una variedad de razones - por ejemplo para garantizar una adecuada calidad del aire, para controlar la propagación del humo en caso de incendio, o para reducir las temperaturas a los límites aceptables. La función de la ventilación se refiere al tipo de túnel en cuestión - túneles vehiculares (de carretera, de ferrocarril y de metro) generalmente requieren una alta calidad del aire durante el funcionamiento normal y el control del humo en caso de incendio, mientras que los túneles de cable requieren refrigeración, control de humo y una cierta cantidad de intercambio de aire. Los túneles de minas y los túneles de estaciones también requieren una adecuada ventilación por requisitos fisiológicos, de refrigeración y de control de humo. Un número de sistemas de ventilación alternativos están disponibles para que los diseñadores logren estos requisitos. Para los túneles de carretera de corta y media distancia (dependiendo de la dirección nacional aplicable, hasta aproximadamente 3 km de longitud para túneles de tráfico unidireccional) , normalmente se encuentra que los sistemas de ventilación longitudinal proporcionan la solución más económica. En la versión más simple de un sistema de ventilación longitudinal que se emplea en algunos túneles de ferrocarril, se usa un conducto de ventilación de mediado de túnel para suministrar o extraer el aire, lo cual provoca que se genere un flujo longitudinal de aire a lo largo del túnel. Más típicamente, los sistemas de ventilación longitudinal comprenden turbinas o toberas de impulsión para empujar el flujo de aire del túnel en la dirección deseada.

Las toberas de impulsión introducen un chorro de aire en un túnel, a una alta velocidad de alrededor de 30m/s. Este chorro de aire imparte la mayor parte de su impulso al aire del túnel, y por lo tanto ayuda a conducir el aire del túnel en la dirección deseada. Una fracción del impulso del chorro de aire se pierde debido a la resistencia de rozamiento sobre las superficies del túnel, y debido a la resistencia de la forma en cualesquiera cuerpos voluminosos sobre los que incide el chorro. Marco Saccardo patentó un "Método y aparato mejorados para ventilar túneles" en la patente del Reino Unido número 2026, fechada en 1898. Esta patente original describe el uso de chorros de aire para ventilar los túneles ferroviarios.

Las toberas de impulsión convencionales suministran aire dentro de un túnel, usando el aire generado por los ventiladores dentro de una cámara de ventiladores. Esta cámara de ventiladores se construye convencionalmente por encima del pórtico o del conducto del túnel, donde el aire se aspira del exterior, y se suministra después dentro del túnel con un ángulo pequeño respecto al eje longitudinal del túnel (típicamente, en un ángulo de 30 grados o menos) . Un ángulo pequeño se selecciona normalmente, con el objetivo de alinear el chorro con el eje del túnel y por lo tanto maximizar el impulso potencial que puede generarse; para evitar chorros de alta velocidad que incomodan o ponen en peligro a los usuarios del túnel y para minimizar las pérdidas por fricción debido al flujo del chorro a lo largo del piso del túnel.

El impulso impartido por los chorros de aire que fluyen desde una tobera de impulsión al aire del túnel puede describirse mediante la siguiente ecuación de intercambio de cantidades de movimiento:

Ecuación 1

donde: T = Impulso impartido desde el chorro de aire al aire del túnel [Newton]

m = flujo másico del chorro de aire [kilogramos por segundo]

Vj = Velocidad del chorro de aire [metros por segundo]

fj = Eficiencia de la instalación [adimensional]

e = Angulo entre el chorro y el eje del túnel [radianes]

En la ecuación anterior, la eficiencia de la instalación f j puede ya sea reducir (fj < 1) o aumentar (fj > 1) el impulso, en dependencia de una función de un número de parámetros aerodinámicos. Los procesos irreversibles tales como la fricción del chorro a lo largo del sofito o del piso del túnel provocarán una reducción en la eficiencia de la instalación, típicamente hasta un valor por debajo de la unidad. Sin embargo, se ha informado por M. Tabarra y otros en "The revival of Saccardo ejectors - histor y , fundamentals, and applications" (10º Simposio Internacional sobre la aerodinámica y ventilación para túneles para vehículos, Boston, Estados Unidos, 1-3 de noviembre de 2000) que un perfil no uniforme de velocidad en el túnel puede conducir a un valor de la eficiencia de la instalación (denominada "coeficiente de intercambio de cantidad de movimiento' en el artículo anteriormente mencionado) por encima de la unidad.

En comparación con las turbinas, las toberas de impulsión tienen las ventajas de que no se requiere espacio para el equipo de ventilación dentro de los túneles; se requieren regímenes de mantenimiento más simples, ya que no es necesario el acceso a los túneles para llevar a cabo el mantenimiento en el sistema de ventilación; hay significativamente menos riesgo de daño del ventilador en caso de incendio dentro del túnel; está presente un nivel reducido del sonido en el túnel; y generalmente se requiere un número reducido de ventiladores en comparación con la opción de turbinas. Sin embargo, la opción de la ventilación por impulso requiere la construcción de cámaras de ventiladores en cada pórtico; genera altas velocidades de flujo de aire en la vecindad inmediata de la tobera; y puede requerir sistemas de control más complejos, por ejemplo ventiladores de velocidad variable con variadores de frecuencia.

Las turbinas se instalan generalmente en un nivel alto dentro de un túnel, fuera de la cubierta de tráfico. Las localizaciones típicas para la instalación de las turbinas son el sofito del túnel; dentro de nichos del túnel construidos específicamente para el alojamiento de las turbinas; y dentro de las esquinas entre las paredes del túnel y el sofito. La instalación de las turbinas a un nivel alto proporciona una holgura física para el movimiento por abajo de los vehículos y peatones, y permite además que los chorros de aire a alta velocidad procedentes de las turbinas (normalmente de 30 a 40 m/s) disminuyan hasta niveles aceptables (alrededor de 10 m/s) antes de entrar en la zona ocupada.

Con el objetivo de generar el impulso máximo potencial, se debe permitir que el chorro de aire que sale de una turbina disminuya a una distancia significativa aguas abajo, antes de encontrar un pórtico u otra turbina típicamente, se recomienda una separación de alrededor de diez diámetros hidráulicos del túnel. Dado que la mayoría de las instalaciones de turbinas requieren un funcionamiento bidireccional del sistema de ventilación, normalmente las turbinas no se instalan en la proximidad de los pórticos del túnel. En su lugar, se instalan profundo dentro de los túneles, lo cual eleva el costo del cableado.

El impulso generado por el aire que sale de una turbina al aire del túnel puede describirse mediante la siguiente ecuación de intercambio de cantidad de movimiento:

Ecuación 2

donde T = impulso impartido desde el chorro al aire del túnel [Newton] m = Flujo másico del chorro de aire [kilogramos por segundo] Vj = Velocidad del chorro de aire [metros por segundo] VT = Velocidad del aire del túnel [metros por segundo] fj = Rendimiento de la instalación [adimensional] e = Ángulo entre el chorro y el eje del túnel [radianes]

Al seleccionar el ángulo más adecuado entre el chorro y el eje longitudinal del túnel, se debe considerar un número de problemas. Dependiendo de la distancia entre la turbina y las superficies del túnel (incluyendo las paredes y el sofito) , un ángulo pequeño por debajo de aproximadamente 3 grados puede crear una zona de baja presión entre el chorro y una superficie del túnel, y provocar de esta manera que el chorro se adhiera a esa superficie - un fenómeno llamado 'efecto Coanda'.

V. V. Baturin en 'Fundamentals of Industrial Ventilation' (1972, Pergamon, Oxford, Reino Unido) reportó un intervalo de ángulos de dispersión de 25° a 27° para chorros libres que salen de toberas convergentes, y 29° para chorros libres que salen de tubos cilíndricos. La disminución de la velocidad del aire en la línea central puede estimarse a partir de una correlación propuesta por Baturin, que se basa en una revisión de los datos experimentales. Sin embargo, para los chorros que se unen a una superficie (efecto Coanda) , I.M.C. Farquharson en su artículo 'The ventilating... [Seguir leyendo]

1. Un ensamble de ventilador para su instalación en un túnel para proporcionar ventilación en el túnel, el ensamble

de ventilador que comprende: un ventilador (2) para generar un flujo de ventilación (8) : y una tobera (7) que tiene un agujero pasante (31) acoplada al ventilador; el ensamble que se dispone o puede disponerse de manera que un flujo de ventilación generado por el ventilador atravesará el agujero pasante de la tobera antes de salir del ensamble para entrar a un túnel a ser ventilado; y caracterizado porque la tobera (7) que tiene el agujero pasante (31) se acopla al ventilador de manera que el ángulo entre la dirección del flujo que sale de la tobera y el eje de rotación del ventilador se encuentra dentro del intervalo de 0° a 15°; y el área de la sección transversal del agujero pasante de la tobera disminuye en la dirección que se aleja del ventilador, con la relación del área de la sección transversal del ventilador al área mínima de la sección transversal del agujero pasante de la tobera que se encuentra en el intervalo de 1.05 a 5.0, de manera que la tobera durante el funcionamiento actuará para acelerar un flujo de ventilación procedente del ventilador a medida que pasa desde el rotor del ventilador (4) a través de la tobera antes de la descarga dentro de un túnel a fin de aumentar la velocidad del flujo de ventilación a partir de una primera velocidad impartida al flujo en el ventilador por el ventilador hasta una segunda velocidad más alta en la descarga de la tobera dentro del túnel.

2. El ensamble de ventilador de la reivindicación 1, en donde la tobera tiene una salida y una entrada, y la línea central (24) de la salida de la tobera no es coincidente con la línea central (25) de la entrada de la tobera.

3. El ensamble de ventilador de una de las reivindicaciones precedentes, en donde el ventilador es capaz de soplar

bidireccionalmente, la tobera se acopla en un lado del ventilador y el ensamble de ventilador comprende además: una segunda tobera que tiene un agujero pasante acoplada en el otro lado del ventilador de manera que el ángulo entre el flujo que sale de la tobera y el eje de rotación del ventilador se encuentra dentro del intervalo de 0° a 15°; en donde: el área de la sección transversal del agujero pasante de la segunda tobera disminuye en la dirección que se aleja del ventilador de manera que la tobera durante el funcionamiento actuará para acelerar un flujo de ventilación procedente del ventilador a medida que pasa desde el rotor del ventilador a través de la tobera antes de la descarga dentro de un túnel a fin de aumentar la velocidad del flujo de ventilación a partir de una primera velocidad impartida al flujo en el ventilador por el ventilador hasta una segunda velocidad más alta en la descarga de la tobera dentro del túnel; y el ensamble se dispone o puede disponerse de manera que: un flujo de ventilación generado por el ventilador en una dirección atravesará el agujero pasante de la primera tobera antes de salir del ensamble para entrar en un túnel a ser ventilado; y de manera que: un flujo de ventilación generado por el ventilador en la dirección opuesta atravesará el agujero pasante de la segunda tobera antes de salir del ensamble para entrar en un túnel a ser ventilado.

4. El ensamble de ventilador de la reivindicación 3, en donde se montan medios de derivación entre cada tobera y el ventilador para permitir un flujo de entrada al ventilador que no pasa por la tobera.

5. El ensamble de ventilador de una de las reivindicaciones anteriores en donde el ensamble de ventilador incluye medios para permitir la inyección de un agente de extinción de incendio dentro del flujo de ventilación aguas abajo del ventilador.

6. Un sistema de ventilación para un túnel que comprende: uno o más ensambles de ventilador instalados en un túnel y dispuestos para ser capaces de generar un flujo de ventilación a lo largo del túnel durante el funcionamiento; y en donde al menos uno de los ensambles de ventilador instalados en el túnel comprende un ensamble de ventilador como se reivindica en una de las reivindicaciones anteriores.

7. El sistema de ventilación para un túnel de la reivindicación 6 en donde el al menos un ensamble de ventilador se instala en el túnel de manera que el flujo desde la tobera se dirige hacia la línea central del túnel en un ángulo de hasta 15 grados con relación al eje longitudinal del túnel.

8. El sistema de ventilación para un túnel de la reivindicación 6 o 7 en donde dicho túnel tiene dos pórticos (9) , dicho sistema de ventilación para un túnel que comprende además dos ensambles de ventiladores como se reivindica en una de las reivindicaciones 1 a 5, uno de dichos ensambles de ventilador que se instala en cada pórtico del túnel.

9. Un método para ventilar un túnel, que comprende: generar un flujo de ventilación a lo largo de la longitud del túnel usando un ventilador instalado en el túnel;

pasar el flujo de ventilación procedente del ventilador a través del agujero pasante de una tobera que se acopla al ventilador y se monta de manera que el ángulo entre la dirección del flujo que sale de la tobera y el eje de rotación del ventilador se encuentra dentro del intervalo de 0° a 15°, caracterizado porque el agujero pasante de la tobera se conforma de manera que el área de la sección transversal del agujero pasante de la tobera disminuye en la dirección que se aleja del ventilador, con la relación del área de la sección transversal del ventilador al área mínima de la sección transversal del agujero pasante de la tobera que se encuentra en el intervalo de 1.05 a 5.0, de manera que la tobera durante el funcionamiento actuará para acelerar el flujo de ventilación procedente del ventilador a medida que pasa desde el rotor del ventilador a través de la tobera antes de la descarga dentro del túnel a fin de aumentar la velocidad del flujo de ventilación a partir de una primera velocidad impartida al flujo en el ventilador por el ventilador hasta una segunda velocidad más alta en la descarga de la tobera dentro del túnel.

10. El método de la reivindicación 9, que comprende inyectar un agente de extinción de incendio a través de la tobera dentro del flujo de ventilación aguas abajo del ventilador.

11. El método de la reivindicación 9 o 10, que comprende disponer el ventilador y la tobera en el túnel de manera que el flujo procedente de la tobera se dirige hacia la línea central del túnel en un ángulo de hasta 15 grados con relación al eje longitudinal del túnel.

12. Un método para modificar un ensamble de ventilador que comprende un ventilador dispuesto para proporcionar

un flujo de ventilación en un túnel, el método que comprende: acoplar al ventilador (2) una tobera (7) que tiene un agujero pasante (31) , de manera que: el ángulo (36) entre la dirección del flujo que sale de la tobera y el eje de rotación del ventilador se encuentra dentro del intervalo de 0° a 15°; el ensamble acoplado del ventilador y la tobera se dispone o puede disponerse de manera que un flujo de ventilación generado por el ventilador atravesará el agujero pasante de la tobera antes de salir del ensamble para entrar en el túnel a ser ventilado; de manera que el área de la sección transversal del agujero pasante de la tobera disminuye en la dirección que se aleja del ventilador de manera que la tobera durante el funcionamiento actuará para acelerar el flujo de ventilación procedente del ventilador a medida que pasa desde el rotor del ventilador a través de la tobera antes de la descarga dentro de un túnel a fin de aumentar la velocidad del flujo de ventilación a partir de una primera velocidad impartida al flujo en el ventilador por el ventilador hasta una segunda velocidad más alta en la descarga de la tobera dentro del túnel; y

caracterizado porque la relación del área de la sección transversal del ventilador al área mínima de la sección transversal del agujero pasante de la tobera se encuentra en el intervalo de 1.05 a 5.0, cuya área de la sección transversal disminuye en una dirección a lo largo del agujero pasante de manera que el flujo desde el rotor del ventilador a través de la tobera en esa dirección se acelerará por la tobera.

13. El método de la reivindicación 12, en donde la tobera incluye medios para permitir la inyección de un agente de extinción de incendio dentro del flujo de ventilación aguas abajo del ventilador.

14. El método de la reivindicación 12 o 13, en donde la tobera se acopla en un lado del ventilador y que comprende además acoplar al otro lado del ventilador una segunda tobera que tiene un agujero pasante que tiene un primer extremo cuya área de la sección transversal es mayor que el área de la sección transversal de su otro extremo.

15. El método de la reivindicación 14, que comprende montar medios de derivación entre cada tobera y el ventilador para permitir un flujo de entrada al ventilador que no pasa por la tobera.