УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАВЛЕНИЯ СНЕГА ТЕПЛОМ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
DEVICE TO MELT SNOW BY HEAT OF REFRIGERATING PLANT

Изобретение относится к устройствам для плавления снежной массы, собираемой с территории торговых центров, гостиниц и складских комплексов, оборудованных холодильными установками, и удаления талых вод в ливневый или канализационный коллекторы. Наибольший эффект это устройство дает при его использовании возле крупных торговых или офисных центров с большими парковочными площадями, типа супермаркетов типа Золотой Вавилон в Москве, Ашан, Леруа Мерлен и др.
В городах России с ее обильными снегопадами затраты коммунальных служб на уборку и вывоз снега составляет значительную долю городского бюджета. Перевозка снега на грузовом транспорте по городским улицам от места его уборки на специальные площадки сбора снега создает дополнительную нагрузку на городскую транспортную сеть. Затем весной эту большую массу собранного за зиму снега нужно несколько раз равномерно разгрести по мере естественного таяния, чтобы ускорить этот процесс.
Для решения задачи утилизации снега в крупных городах используют стационарные и передвижные снегоплавильные установки. Стационарные снегоплавильные установки размещают на окраинах города, куда снег свозится грузовым транспортом. Эти установки подключены к установленным рядом цистернам с дизельным топливом, если снег растапливают с помощью дизельных горелок, или к стационарным газовым сетям, если используются газовые горелки. В традиционных стационарных снегоплавильных пунктах снег сгружается в бункер через снегодробильное устройство, установленное над бункером, прямо из кузова грузовика, при этом на снежную массу воздействует открытое пламя от горелок, под воздействием которого снег плавится, и талая вода стекает из бункера в канализационный или ливневый коллектор. Такие снеготаялки издают большой шум при работе, потребляют много топлива и выбрасывают в атмосферу много вредных веществ. Как показала практика, после больших снегопадов машины могут долго простаивать на снегоплавильных пунктах в очереди на разгрузку. Известны также передвижные снеготаялки, они, как правило, меньшей производительности, но более компактные, и их можно ставить внутри города, там, где непосредственно убирают снег средствами малой механизации, которые можно устанавливать в местах плотной городской застройки или рядом с супермаркетами. Суточная аренда этих установок стоит достаточно дорого, поэтому их характеризует высокая производительность. Это также достигается за счет плавления сгружаемого в бункер снега в открытом пламени нескольких горелок, работающих на газовом или дизельном топливе. Поэтому при работе таких установок выделяется много вредных газов, и это загрязняет окружающее воздушное пространство.
Мобильные снегоплавильные устройства начали выпускать различные фирмы как за рубежом, так и в России. Например, в России одна из фирм, выпускающая это оборудование - компания «ВТК-Пром». Установки представляют собой передвижной снегоплавильный бункер, устанавливаемый рядом с местом уборки снега. Источником тепла в этих устройствах является теплогенератор. Поток горячего отработанного газа после сжигания топлива в теплогенераторе направляется непосредственно в трубы теплообменника, расположенного в снегоплавильном бункере, куда загружается снег. Снег, соприкасаясь со стенками горячих труб, начинает таять, и талая вода постепенно заполняет снегоплавильный бункер и затем уходит из бункера в канализационную систему.
3
3
3
3
Недостаток снегоплавильных установок, работающих на газовом или дизельном топливе - это их высокий уровень шума и большой объем выбрасываемых в атмосферу вредных продуктов сгорания топлива, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Если такая снеготаялка установлена в оживленном районе города возле супермаркета, то за несколько часов работы окружающее пространство будет загазовано, как крупная автомагистраль с плотным потоком грузового транспорта. В качестве примера можно привести две установки фирмы «ВТК-Пром». Одна из них - снеготаялка СПУ-2 производительностью 5 м/ч снежной массы при работе потребляет от 15 до 24 кг/ч жидкого топлива, при этом потребление электроэнергии для обеспечения ее работы составляет 2,2 кВт. Более мощная установка для плавления снега СПУ-5 имеет производительность 15 м/ч с расходом топлива от 22 до 49 кг/ч и потреблением электроэнергии 4,4 кВт. Таким образом, расход жидкого топлива на 1 м снежной массы составляет около 3 кг/м. Кроме того, недостатком таких снеготаялок является также и то, что для их обслуживания и эксплуатации, кроме уборщиков снега, требуется еще и квалифицированный механик со средней оплатой 150-200 руб./ч, который должен постоянно следить за работой системы подачи топлива в горелки и за работой дизель-генератора. Постоянно повышающиеся требования к среде нашей обитания, а также рост цен на топливо являются основной силой, заставляющей людей совершенствовать установки для принудительного таяния снега в части их экологической и энергетической эффективности.
Известен патент США (5199198, кл. Е01Н 5/10, опубл. 06.04.1993), в котором заявлены способ и устройство удаления снежно-ледяной массы, собранной с территории мегаполиса, заключающиеся в том, что снежно-ледяную массу ссыпают в приемный бункер устройства, дробят до требуемой крупности отдельных элементов снежно-ледяной массы и перемещают в камеру снеготаяния, в которую подают теплые сточные воды канализации для растапливания снежно-ледяной массы, после чего отводят талую воду в коллектор канализации. Устройство для удаления снежно-ледяной массы по этому способу содержит камеру снеготаяния, соединенную с трубопроводом подвода теплых вод и трубопроводом отвода талой воды, связанного с коллектором канализации. Данное устройство содержит также приемный бункер с приводными валами с дробящими элементами, установленный над камерой снеготаяния.
Аналогичное устройство для удаления снежно-ледяной массы, собираемой с территории мегаполиса, описание в российским патенте 2188890 с датой публикации 10.09.2002 г.(класс: Е01Н 5/10, Е03F 5/02) по заявке 2001127297/28 от 10.10.2001 г., патентообладатели: ОАО НИИСтройдормаш и ГУП «Мосводоканал».
Недостатками указанных устройств являются низкая энергетическая эффективность устройства, т.к. для дробления снега и кусков льда необходимо затрачивать дополнительную электроэнергию, которая приводит во вращение приводные валы устройства, расположенные над бункером. При этом устройство, в бункер которого подводятся теплые сточные воды канализации для растапливания снега, с точки зрения экологии и коммунального хозяйства не везде применимо. Оно должно быть удалено от мест скопления людей (запах канализационных стоков даже после предварительной очистки не очень приятный). Кроме того, подвод теплых сточных вод из очистных сооружений требует применения специальных коррозионностойких насосов, что ведет к увеличению стоимости устройства и стоимости его эксплуатации. Кроме того, такие снегоплавильные устройства могут располагаться только вблизи очистных сооружений, т.е. на окраинах городов. Поэтому собранный снег туда нужно привезти на грузовых машинах. Все это отрицательно влияет на экологию, увеличивает себестоимость работ по уборке снега и ограничивает возможности применения данного устройства.
В качестве прототипа предлагаемому техническому решению выбрано устройство - мобильная снеготаялка, описанная в российским патенте 2023786 с датой публикации 30.11.1994 г. (класс: Е01Н 5/10, Е01С 11/24) по заявке 4939409/11 от 27.05.1991 г.
В этом устройстве принудительное таяние снега достигается за счет использования тепла выхлопных газов двигателя (дизельного или бензинового) передвижной снеготаялки. Снеготаялка снабжена отапливаемым бункером, защитной решеткой-грязесборником, двухполостным теплообменником. Выхлопные газы работающего двигателя проходят по одной полости теплообменника, нагревая воду, проходящую по второй полости этого теплообменника из питающего бака. Этой нагретой водой осуществляется орошение снега, лежащего на защитной решетке в бункере. После теплообменника еще теплые выхлопные газы поступают в полость, образованную внутренней и наружной стенками бункера, и также нагревают их. Снег, загруженный грузчиками в бункер, при орошении его сверху теплой водой, а также соприкасаясь с внутренней стенкой бункера, нагретой выхлопными газами, начинает таять, при этом талая вода стекает вниз бункера, а оттуда - в канализационный коллектор.
В качестве недостатка прототипа можно указать на его экологическое и энергетическое несовершенство, поскольку для принудительного растапливания снега требуется постоянная работа двигателя, работающего на жидком топливе, хотя сама мобильная снеготаялка стоит на месте и гидравлически подключена к канализационному коллектору. А это значит, что на месте работы снеготаялки в атмосферу будут постоянно выбрасываться выхлопные газы. Кроме того, большая часть тепла жидкого топлива преобразуется в самом двигателе дизель-генератора, т.е. не оказывает большого положительного эффекта на растапливание снега. В самой конструкции бункера снеготаялки тоже есть существенный недостаток. Он выполнен с двойными стенками для прохода между ними потока выхлопных газов, что усложняет его конструкцию. Выхлопной газ отдает тепло обеим стенкам одинаково. И если снег в бункере, касаясь внутренней горячей стенки, начинает таять, то тепло от наружной стенки бункера просто уходит бесполезно в окружающее пространство. Таким образом, еще больше снижается тепловая эффективность данного устройства. Кроме того, шум от работающего двигателя дизель-генератора тоже отрицательно влияет на экологию окружающего пространства. Необходимо также помнить, что все устройства, работающие на жидком топливе, являются пожаровзрывоопасными объектами, которые периодически необходимо освидетельствовать в органах технического и пожарного надзора, что ведет к увеличению стоимости экспуатации этих устройств.
Одновременно, широко известны холодильные системы зданий, например супермаркетов или зданий крупных холодильников, оснащенных выносными конденсаторами, установленными на крыше или на земле вблизи здания. Данные конденсаторы предназначены для охлаждения и конденсации горячих газообразных паров, выходящих из компрессора. При этом горячий газообразный хладагент, нагретый до 80-100°С, охлаждаясь и конденсируясь, отдает теплоту конденсации окружающему воздуху. Такие холодильные системы описываются в книге Е.С.Курылева, Н.С.Герасимова. Холодильные установки, изд. «Машиностроение», Ленинград, 1970. стр.325, 326 и многих других.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно исключение вредного воздействия на окружающую среду при эксплуатации устройства, снижение энергетических затрат и повышения безопасности эксплуатации.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве для плавления снега с бункером плавления, связанным с коллектором канализации, двухполостным теплообменником и защитной решеткой, в качестве внешнего источника тепла используется утилизированное тепло компрессорно-конденсаторной холодильной установки, для чего в состав устройства введена нагревательная секция, установленная в нижней части бункера плавления снега, и трехходовой кран, при этом нагревательная секция объединена с одной из полостей двухполостного теплообменника в замкнутую магистраль с циркулирующим теплоносителем, вторая полость этого теплообменника связана с выходом конденсатора холодильной установки и одним из выходов трехходового крана, другой выход этого крана соединен с входом конденсатора, а вход трехходового крана соединен с выходом компрессора, бункер плавления снега выполнен теплоизолированным и предварительно наполнен водой, при этом защитная решетка выполнена съемной и установлена над нагревательной секцией ниже уровня воды в бункере, сливная магистраль, связанная с канализационным коллектором, выполнена теплоизолированной с запорным вентилем, в верхней части боковой поверхности емкости установлено переливное отверстие, соединенное теплоизолированным трубопроводом со сливным каналом после запорного вентиля.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность отличительных признаков, характеризующих данное техническое решение, авторам неизвестна, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «существенные отличия».
Технический результат при использовании предложенного устройства для плавления снега достигается за счет того, что, в отличие от существующих в настоящее время аналогичных устройств, оно обладает следующими положительными свойствами:
- для плавления снега в устройстве в качестве внешнего источника тепла используется утилизированное тепло холодильной установки, традиционно отдаваемое в окружающее пространство в воздушных или водяных конденсаторах. Учитывая тот факт, что холодильные мощности предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности, предприятий торговли, холодильных складов, распределительных терминалов постоянно растут и часто достигают нескольких мегаватт, утилизация сбрасываемого тепла холодильных установок является важной задачей в части энергосбережения и охраны окружающей среды, поскольку она позволяет экономить энергетические ресурсы;
- установка в нижней части бункера нагревательной секции, тепло в которую подается жидким теплоносителем от холодильной машины через двухконтурный теплообменник, позволяет исключить использование дизельного или газового топлива в качестве источника тепла для растапливания снега в таких устройствах, что снижает себестоимость установки и стоимость ее эксплуатации, выводит эти установки из класса пожаровзрывоопасных объектов и улучшает экологию окружающего пространства;
- установка съемной защитной решетки внутри бункера ниже уровня воды позволяет загружаемому снегу сразу попадать в теплую воду, что ведет к ускорению его таяния и, чем глубже будет бункер и чем ниже будет расположена защитная решетка, тем быстрее будет таять снег. Попадающие на эту решетку куски льда и плотного снега омываются теплой водой и начинают быстро таять. Периодически решетка вынимается из бункера и очищается от твердых посторонних предметов (листья и ветки деревьев, бытовой мусор, бумага и т.п.). В этом устройстве важным является то, то при такой конструкции отпадает необходимость в установке над бункером измельчителей льда и слежавшегося снега, представляющих собой достаточно энергоемкие и требующие постоянного обслуживания устройства. Это повышает энергетическую эффективность предлагаемого устройства;
- выполненное в верхней части боковой поверхности теплоизолированного бункера переливное отверстие, связанное теплоизолированным трубопроводом с теплоизолированным сливным каналом после запорного клапана, не допускает переполнения бункера водой в процессе таяния снега. При этом в канализацию сливается холодная вода, поскольку сливное отверстие расположено как раз в зоне таяния снега, а теплая вода поступает в эту зону из нижней части емкости, где расположена теплообменная секция. Это тоже оказывает влияние на экономию затрат, поскольку сразу после таяния снега талая вода с температурой, близкой к 1-2°С, сливается в канализацию, практически не перемешиваясь с теплой водой, находящейся под защитной решеткой. Поэтому оставшаяся в бункере теплая вода начинает растапливать очередную порцию снега, засыпанного в бункер;
- размещенный в днище бункера теплоизолированный сливной канал с запорным вентилем позволяет после уборки снега сливать всю воду в канализацию. После открытия запорного вентиля вода под действием статического напора вытекает из бункера, захватывая с днища загрязнения. Сняв защитную решетку, сверху при спуске воды можно почистить днище от загрязнений, например, жесткими щетками, так что все загрязнения сразу попадут в канализационную систему, что также способствует улучшению экологии окружающей среды;
- предварительное заполнение бункера водой и ее предварительный нагрев является важным признаком устройства, позволяющий ускорить начальный процесс таяния снежной массы;
- теплоизоляция стенок бункера, сливного канала и трубы, соединяющей переливное отверстие со сливным каналом, снижает потери тепла в окружающее пространство при его эксплуатации, т.е. температура воды в бункере будет понижаться в основном за счет попадания в бункер талого снега, а не за счет тепловых потерь через стенки бункера, что повышает, тем самым, производительность процесса растапливания снежной массы. Теплоизоляция сливного канала и трубы предохраняет эти элементы от возможного замерзания при каких-либо небольших перерывах в работе устройства, не требующих полного слива воды.
Дополнительными преимуществами предлагаемого решения являются:
- заполнение бункера водой в жаркое время года (при пиковых нагрузках на конденсатор) и подключение нагревательной секции через двухполостной теплообменник к холодильной установке позволяет снизить температуру работы воздушного конденсатора, что позволяет избегать работы холодильной установки с высокими температурами конденсации и низким КПД;
- в теплое и бесснежное время года данный бункер может быть использован при подогреве воды для технологических нужд здания, снижая затраты энергии на эти цели.
Практическую реализацию конструкции предложенного устройства для плавления снега, собираемого возле крупного супермаркета типа АШАН, рассмотрим на примере работы этого устройства от холодильной установки торгового центра. Холодильная установка обеспечивает работу всего комплекса торгового холодильного оборудования (прилавки, лари, стеллажи, холодильные камеры, цеха разделки и фасовки, торговые залы) и имеет холодопроизводительность 750 кВт. Тогда количество сбрасываемого тепла в конденсаторе будет составлять, согласно законам термодинамики, около 1000 кВт (к холодопроизводительности добавляется мощность электрического привода компрессора - около 250 кВт). Таким образом, при работе холодильной установки для ее нормальной эксплуатации в окружающий воздух должно сбрасываться через конденсатор около 1 МВт тепла на уровне 45-50°С Предлагаемое устройство позволяет полезно использовать это тепло, растапливая снег, собранный с прилегающей территории (автостоянки, тротуары), зоны выгрузки продукции.
На фиг.1 схематично изображено предложенное устройство для плавления снега утилизированным теплом холодильной установки, где цифрами обозначены:
1 - холодильная установка
2 - компрессор
3 - конденсатор холодильной установки
4 - трехходовой кран
5 - двухполостной теплообменник
6 - нагревательная секция
7 - циркуляционный насос
8 - теплоизолированный бункер
9 - съемная защитная решетка
10 - уровень воды
11 - теплоизолированный сливной канал
12 - запорный вентиль
13 - переливное отверстие
14 - теплоизолированная труба.
Внутри здания размещена холодильная установка 1 с компрессором 2. Снаружи здания (на крыше, на стене или на земле) установлен конденсатор холодильной установки 3, представляющий собой теплообменник для охлаждения сжатых компрессором паров хладагента окружающим воздухом. В нагнетательном трубопроводе на выходе компрессора 2 установлены последовательно трехходовой кран 4 и двухполостной теплообменник 5. Вход одной из полостей этого теплообменника 5 соединен с одним из выходов трехходового вентиля 4, а выход этой полости - с выходом конденсатора холодильной установки 3. Вход и выход другой полости теплообменника 5 образует с нагревательной секцией 6 и циркуляционным насосом 7 замкнутый гидравлический контур, причем нагревательная секция 6 установлена в нижней части теплоизолированного бункера 8. Другой выход трехходового крана 4 соединен с входом конденсатора 3, а вход этого крана связан с выходом компрессора 2. Над нагревательной секцией 6 установлена съемная защитная решетка 9. Теплоизолированный бункер 8 предварительно наполнен водой, причем уровень воды 10 находится над съемной защитной решеткой 9. В нижней части этого бункера расположен теплоизолированный сливной канал 11 с запорным вентилем 12, а в верхней части бункера на боковой поверхности размещено переливное отверстие 13, соединенное теплоизолированной трубой 14 со сливным каналом 11 после запорного вентиля 12. Сливной канал 11 соединен с канализационным коллектором здания или городской ливневой канализацией.
Устройство работает следующим образом.
При работе холодильной установки 1 компрессор 2 сжимает пары хладагента, которые при этом нагреваются до температуры около 100°С. После компрессора 2 пары хладагента, в зависимости от положения трехходового крана 4, поступают либо на вход конденсатора 3, где охлаждаются за счет организации циркуляции окружающего воздуха через его теплообменную поверхность, конденсируются и возвращаются в холодильную установку 1, либо на вход одной из полостей теплообменника 5. Первый режим используется в теплое время года и в зимний период, когда не требуется уборка снега. Когда выпадает снег и появляется необходимость его уборки, трехходовой кран 4 устанавливают в положение, изображенное на фиг.2. В этом положении горячие пары хладагента поступают из компрессора 2 в одну из полостей двухполостного теплообменника 5, где отдают свое тепло теплоносителю, циркулирующему через эту полость за счет работы насоса 7. Нагретый теплоноситель передает полученное тепло нагревательной секции 6, которая, в свою очередь, нагревает воду, предварительно залитую из водопровода в теплоизолированный бункер. Для более быстрого нагрева воды бункер может быть закрыт теплоизолированной крышкой, подъем или сдвиг которой может быть автоматизирован. После нагрева воды (температура может быть разная в зависимости от производительности холодильной установки, размеров бункера и типа теплоизоляции), но при выборе оптимальных параметров эта температура должна быть на уровне 30-35°С, крышка открывается, и осуществляется загрузка снежной массы, собранной с окружающей территории или крыши. Снег, попадая в теплую воду теплоизолированного бункера 8, начинает быстро таять, поднимая уровень воды 10 в бункере до высоты расположения переливного отверстия 13, и затем по теплоизолированной трубе 14 талая вода стекает в канализационный коллектор здания или ливневую канализацию. Съемная защитная решетка 9 защищает нагревательную секцию 6 от повреждения льдом или плотным снегом, а также от посторонних предметов, попадающих в бункер вместе со снегом. Теплоизолированный сливной канал 11 с запорным вентилем 12 предназначен для слива воды из бункера при его периодической чистке. При этом съемная защитная решетка 9 вынимается из бункера 8 и очищается от твердых посторонних предметов (листья и ветки деревьев, бумага, бытовой мусор). После уборки снега трехходовой кран устанавливают в положение, указанное на фиг.3, при котором все тепло холодильной установки передается от конденсатора 3 окружающему пространству, запорный вентиль 12 открывают, сливая всю воду из бункера в канализацию.
При необходимости получения теплой воды для технологических нужд режим работы данного устройства в положении трехходового крана согласно фиг.2 можно использовать в любое время года, предварительно промыв внутреннюю полость бункера и заполнив его водой из водопровода.
Таким образом, в предложенном устройстве процесс таяния снежной массы осуществляется без затрат какого-либо топлива, только за счет утилизации тепла холодильной установки, которое традиционно отдается окружающей среде. При постоянно растущих потребностях супермаркетов в холодильных установках и росте их мощностей процесс утилизации тепла этих установок в устройствах для плавления снега может дать существенную экономию на расходах, связанных с уборкой снега с крыш здания, а также прилегающей к зданию территории.
Такие установки могут быть изготовлены как стационарными, так и мобильными, перемещаемыми от одного здания к другому. Наличие на рынке гибких трубопроводов и герметичных быстроразъемных соединений позволяет практически использовать такую возможность. Для этого необходимо в существующие холодильные установки вмонтировать ответные штуцеры для подключения трубопроводов мобильного устройства для плавления снега. В летнее время в периоды пиковых тепловых нагрузок на конденсаторы при высокой температуре окружающего воздуха, когда конденсаторы холодильных установок работают на пределе своей производительности, такие бункеры, заполненные водой, могут снимать часть тепловой нагрузки, идущей на конденсатор, тем самым обеспечивать бесперебойную работу холодильной установки.
Дополнительным преимуществом изобретения является то, что в теплое и бесснежное время года данная емкость может быть использована при подогреве воды для технологических нужд здания, обеспечивая тем самым дополнительное переохлаждение хладагента и повышая полезную холодопроизводительность установки.