管道断面尺寸对真空管道交通建设成本与运营成本的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西京学院真空管道交通研究所 作者:张耀平

  影响真空管道交通建设成本与运营成本的因素很多,其中管道断面尺寸是最主要的影响因素。管道断面越小,显然建设成本越低。但小管道断面意味着阻塞比增加和空气阻力增大,对运营成本的影响并非显然。通过对真空管道中不同阻塞比、不同真空度时列车空气阻力的计算与比较,可知对于相同的空气阻力工况,减小断面所节省的抽真空能耗大于因提高真空度而增加的抽真空能耗。因此,当不考虑真空度提高所造成的维持真空成本的增加时,减小管道断面既是降低真空管道交通建设成本的有效途径,也是降低真空管道交通运营成本的有效途径。

  真空管道交通是一种清洁、低能耗,可望达到超高速且相对安全的交通模式,美国、瑞士和我国相关领域的科研人员已经开始了面向工程化的应用基础研究。其中成本是最受关注的问题之一。

  真空管道交通的成本构成主要有建设成本和运营成本两大类。建设成本要素有:支撑管道的基础(如路基、桥梁、墩台、隧道等),管道主体,导轨,车站,车辆,以及真空泵站、过渡舱、隔离门、检查口、逃逸/救援口、通讯与供电设施等。运营成本素主要有:车辆动力消耗,抽真空和维持真空的费用,日常检查维修成本,运行管理成本等。其中,管道断面对建设成本和运营成本均有影响,管道断面加大,不仅增加管道自身的材料用量和加工安装费用,也会相应增加管道基础设施的规格,提高费用。管道断面的大小还直接影响运营过程中抽真空、维持真空的费用。然而,管道断面缩小并非必然减少形成真空和维持真空的成本,因为管道断面减小意味着阻塞比增大,为平衡由此而增加的列车空气阻力,则必须降低管道中气压标准,即保持较高的真空度,这会相应地增加形成和维持真空的费用。

  本文就管道断面尺寸对真空管道交通建设与运营成本的影响进行研究。

  管道断面对真空管道交通建设成本的影响

  真空管道建设成本数学模型

  假设轨道和车辆规格已经确定,每公里真空管道线路的建设成本则为管道断面直径(内径)的函数:

管道断面尺寸对真空管道交通建设成本与运营成本的影响

结论

  真空管道交通系统的总成本主要由建设成本和运营管理成本两部分构成。管道断面尺寸对建设成本和运营管理成本均有影响,对建设成本的影响十分显然。断面越大,建设成本越高,而对运营成本的影响并非显然,这种不明确性主要体现在对抽真空能耗的影响上。管道断面越小,即管道内部容积越小,就确定的目标真空度而言,抽真空的能耗显然越低。但对于确定尺寸的车辆而言,减小管道断面意味着阻塞比增加,在真空度不变的情况下,车辆运行气动阻力会增加。为避免这种情况的发生,需要进一步提高真空度(降低管道内气体压强),而提高真空度会增加能耗,这跟减小断面降低抽真空能耗的目的相矛盾。

  本文的计算分析表明,管道断面减小所带来的抽真空能耗降低幅度大于阻塞比增加造成的抽真空能耗提高幅度,因此,减小管道断面不仅能降低真空管道交通建设成本,而且能降低运营管理成本。

  抽真空时间由(5)式计算,式中Vt 和dt 是管道直径的函数。从式(4)可以明显看出,管道容积Vt 与管道直径dt 的平方成正比。而管道内目标压强p1 与管道直径dt 之间是复杂的非线性关系。本文运用Fluent 软件,通过试取由目标压强确定的气体密度,对列车空气阻力Fg 进行数值计算。因此,本文结论是在数值分析基础上得出的,以后的研究工作应该作进一步的严格证明,或者寻找可能的解析表达式予以确认。

  另外,本文只考虑管道断面减小后需要提高真空度,从而增加抽真空的能耗。然而,真空度的提高对密封和真空维持会提出很高的技术要求,如果这一项的折算费用增加幅度高于因为断面减小带来的真空维持费用的节省幅度的话,则本文的管道断面减小能降运营费用的结论就不一定成立。

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