УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Предлагаемая полезная модель относится к строительству и касается выполнения теплозащитных мероприятий, направленных на регулирование теплового потока на поверхности грунтов, сооружений, оборудования в зависимости от температуры окружающей среды.
В настоящее время существуют проблемы охлаждения различных поверхностей, в том числе поверхности грунтов, стен зданий, стенок инженерных сооружений и пр. Как правило, для охлаждения применяются тепловые машины различной конструкции, требующие подведения источника энергии и радиаторов охлаждения. К таким устройствам можно отнести, например, холодильные машины. Такие устройства позволяют охладить поверхности до температур ниже температуры окружающей среды. Также для охлаждения применяются различного рода жидкостные и воздушные системы охлаждения, снабженные радиаторами охлаждения, и циркуляционными насосами, где в качестве хладагента выступает воздух или жидкость. Такие устройства позволяют охлаждать поверхность до температуры не ниже температуры окружающей среды. Еще одной разновидностью охлаждающих машин являются тепловые насосы, работающие на принципе естественной конвекции. К таким можно отнести сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ), где в качестве хладагента используется аммиак, углекислота (в случае парожидкостных устройств) или керосин и т.п. В данном случае работа устройства аналогична ниппелю для теплового потока, а именно при снижении температуры окружающей среды ниже температуры охлаждаемого массива грунта осуществляется передача тепла из грунта в окружающую среду, за счет чего возникает охлаждение грунта. При повышении температуры окружающей среды выше температуры грунта, циркуляция хладагента в устройстве прекращается, теплопередача прекращается, что препятствует нагреву грунта.
Для прекращения деградации многолетнемерзлых грунтов широко применяются солнцеосадкозащитные навесы профессора В.Г. Кондратьева. Известные навесы предназначены для дополнительного охлаждения массива грунтов, который достигается главным образом за счет того, что летом под них не проникают осадки и солнечные лучи («Инженерная геология», №4/2015, с. 57).
Известен солнцеосадкозащитный навес для понижения температуры мерзлых грунтов («Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов» №2(22), 2016, с. 70) в виде деревянного каркаса из столбов, брусьев и досок, настила из профилированных металлических листов на обрешетке из досок и слое синтетической ткани.
Недостатком известного навеса является отсутствие возможности регулирования суммарного коэффициента теплопередачи через конструкцию в зависимости от температуры окружающей среды, снижение теплового потока от грунта в окружающую среду за счет уменьшения скорости ветра и снегозанесения под экраном, а также отсутствие мобильности данного устройства, поскольку оно выполнено на фундаменте из брусьев и имеет достаточно большие размеры для транспортировки.
Известен солнцеосадкозащитный навес (патент №2209270, РФ) из преимущественно оцинкованного профилированного настила и морозостойкого теплоизоляционного материала, причем солнцеосадкозащитный навес размещен вокруг опоры в зоне радиусом не меньше глубины сезонного оттаивания грунта и имеет высоту не меньше максимальной толщины снежного покрова, но не меньше 0,5 м, причем верхняя поверхность навеса окрашены в светоотражающий свет.
Недостатком известного устройство является отсутствие возможности регулирования суммарного коэффициента теплопередачи через конструкцию в зависимости от температуры окружающей среды.
Данный недостаток обусловлен отсутствием подвижных частей устройства, что приводит к необходимости определения некоторой оптимальной средней высоты экрана. Таким образом, уменьшение высоты установки экрана приводит к риску снегозанесения сооружения и формирования теплоизолирующей воздушной прослойки под экраном, что препятствует охлаждению грунта, а увеличение высоты установки экрана приводит к уменьшению степени затенения грунта.
Известны солнцеосадкозащитные навесы из панелей-сэндвичей на откосах насыпи («Транспорт Российской федерации», №6 (25) 2009, с. 53-54).
Однако известное устройство имеет ряд недостатков, таких как отсутствие мобильности, отсутствие подвижных частей, что снижает эффективность охлаждения, поскольку в зимний период препятствует оттоку тепла от грунта из-за воздушной прослойки под экраном и снижением скорости ветра под экраном, а следовательно, конвективной составляющей теплообмена, а также риск снегозанесения конструкции с образованием воздушного мешка под экраном, что также приводит к снижению эффективности охлаждения. Кроме того, большая высота экрана снижает степень затенения грунта под экраном и увеличивает влияние прямой и рассеянной радиации на грунт основания.
Также общим недостатком для всех аналогов и прототипа является невозможность использования известных конструкций навесов при необходимости теплорегулирования сооружений или оборудования, изменение теплопередачи в зависимости от температуры окружающей среды и отсутствие мобильности конструкции.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является регулирования теплопередачи через новую конструкцию устройства в зависимости от температуры окружающей среды и возможность мобильности заявляемой установки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность изменения величины теплового потока в зависимости от температуры окружающей среды с той разницей, что изменение величины теплового потока достигается не за счет конвекции как в СОУ, а за счет линейного теплового расширения отдельных элементов предлагаемой конструкции, что приводит к изменению общего коэффициента теплопередачи через тело конструкции за счет временного образования солнцезащитного экрана, в результате чего достигается понижение температуры грунта, сооружений или оборудования.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для регулирования теплопередачи выполнено в виде нижней пластины, сопряженной с поверхностью, и верхней пластины, плотно прижатой к нижней пластине, пластины совмещены между собой и жестко закреплены по двум коротким противоположным краям, при чем нижняя пластина выполнена из материала имеющего большую изгибную жесткость и меньший коэффициент теплового расширения, верхняя пластина выполнена из материала имеющего меньшую изгибную жесткость и больший коэффициент теплового расширения, по отношению к нижней пластине, при этом верхняя пластина покрыта с внешней стороны слоем фторопласта светлых тонов, а нижняя пластина крепится к поверхности при помощи крепежных элементов.
Поставленная техническая проблема решается за счет новой конструкции устройства для регулирования теплопередачи. Новая конструкция заявляемого устройства образует солнцезащитный экран только при достижении определенной температуры. Данный эффект возникает благодаря двум обстоятельствам. Во-первых: благодаря тому, что верхняя пластина имеет значительно больший коэффициент линейного теплового расширения, чем нижняя пластина, поэтому возникает разница в удлинении между верхней и нижней пластинами. Во-вторых: благодаря тому, что изгибная жесткость верхней пластины значительно меньше, чем изгибная жесткость нижней пластины, а пластины жестко закреплены между собой на противоположных краях, разница в удлинении компенсируется за счет изгиба верхней пластины и формирования арки относительно нижней пластины. Таким образом, сформированная арка создает затенение нижней пластины и уменьшает нагрев за счет солнечной радиации, а также создает воздушную прослойку между верхней и нижней пластинами, что уменьшает кондуктивную теплопередачу между верхней нагретой пластиной и нижней пластиной, а также небольшая высота арки уменьшает скорость ветра между верхней и нижней пластинами пластиной, что уменьшает конвективную теплопередачу от воздуха к нижней пластине. При этом суммарный общий коэффициент теплопередачи всей конструкции уменьшается. С другой стороны, при снижении температуры ниже определенной, высота арки уменьшается до нуля за счет разницы коэффициентов линейного теплового расширения между верхней пластиной и нижней пластиной. При этом обеспечивается надежный тепловой контакт между верхней пластиной и нижней пластиной по всей площади, что, благодаря высокому коэффициенту теплопроводности материала пластин, приводит к повышению кондуктивной теплопередачи за счет уменьшения воздушной прослойки между верхней пластиной и нижней. При этом суммарный общий коэффициент теплопередачи всей конструкции увеличивается. Кроме того, выполненный внешний слой верхней пластины из фторопласта светлых тонов позволяет снизить степень занесения конструкции снегом, листьями или мусором, препятствующим осуществлению теплообмена на верхней поверхности, а светлые тона слоя фторопласта уменьшают степень нагрева за счет радиации.
Под определенной (заданной) температурой подразумевается температура, при которой начинает формироваться арка между верхней и нижней пластинами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично изображено устройство для регулирования теплопередачи через поверхность при температуре равной заданной или ниже. На фиг. 2 схематично изображено устройство для регулирования теплопередачи через поверхность при температуре выше заданной.
Устройство для регулирования теплопередачи состоит из нижней пластины 1, сопряженной с поверхностью и верхней пластины 2. Верхняя пластина 2 плотно прижата к нижней пластине 1. Нижняя пластина 1 и верхняя пластина 2 совмещены между собой и жестко закреплены по двум коротким противоположным краям. Нижняя пластина 1 выполнена из материала имеющего большую изгибную жесткость и меньший коэффициент теплового расширения, верхняя пластина 2 выполнена из материала имеющего меньшую изгибную жесткость и больший коэффициент теплового расширения, по отношению к нижней пластине 1. Верхняя пластина 2 покрыта с внешней стороны слоем фторопласта светлых тонов 3, а нижнюю пластину 1 крепят к поверхности при помощи крепежных элементов 4.
Устройство для регулирования теплопередачи изготавливают следующим образом, нижнюю пластину 1 и верхнюю пластину 2 получают путем нарезки одинаковых прямоугольных листов необходимого размера. Причем нижнюю пластину 1 вырезают из материала имеющего большую изгибную жесткость и меньший коэффициент теплового расширения, а верхнюю пластину 2 вырезают из материала имеющего меньшую изгибную жесткость и больший коэффициент теплового расширения, по отношению к нижней пластине 1. После этого верхнюю пластину 2 покрывают с внешней стороны слоем фторопласта светлых тонов 3. Сформированные нижнюю пластину 1 и верхнюю пластину 2 устанавливают последовательно одна на другую таким образом, чтобы они были параллельно друг другу. После укладки их плотно прижимают друг к другу без воздушного зазора, и закрепляют жестко по двум коротким противоположным краям. Впоследствии арка будет формироваться при определенных температурах.
Готовое устройство для регулирования теплопередачи устанавливают на исходную поверхность, например грунта, сооружения или оборудования, при этом нижнюю пластину 1 крепят к поверхности при помощи крепежных элементов 4.
Полученное устройство для регулирования теплопередачи представляет собой единую конструкцию с высокими показателями теплопередачи при температурах, ниже заданной и низкими показателями теплопередачи при температурах выше заданных, а также имеет возможность мобильности за счет использования крепежных элементов вместо фундаментов и малых габаритов устройства.
Пример реализации заявляемой полезной модели.
Для понижения температуры, например, грунтов насыпи железнодорожного полотна изготавливаются пластины размерами 100 см длиной и 20 см шириной. Нижняя пластина вырезается, например, из керамогранита толщиной 5 мм, верхняя, например, из полиэтилена толщиной 5 мм. Сверху на пластину из полиэтилена прикрепляют лист фторопласта толщиной 1 мм длиной 100 см и шириной 20 см таким образом, что лист фторопласта закрывает собой пластину из полиэтилена полностью. Верхнюю пластину из полиэтилена с фторопластовым слоем совмещает с нижней пластиной из керамогранита и жестко закрепляют вдоль коротких противоположных сторон в 20 см сверху с помощью болтов длиной 10 см через сквозные отверстия в пластинах, а снизу затягивают гайками через гровер-шайбы. Таким образом, болт на 40 см выступает ниже пластины из керамогранита. Впоследствии он играет роль крепежа к грунту или к иной поверхности и укорачивается при необходимости. Засверливание сквозных отверстий и закрепление пластин между собой с помощью болтов осуществляют при температуре пластин в 0°. Готовую конструкцию втыкают выступающими частями болтов в откос насыпи железнодорожного полотна, либо другой поверхности. При нагреве верхней пластины выше нуля градусов за счет воздуха, солнечной радиации или любых иных природных или техногенных факторов, верхняя полиэтиленовая пластина увеличивается в длине относительно нижней пластины из керамогранита и поскольку жестко закреплена с последней, выгибается вверх, образуя арку, тем самым создавая солнцезащитный экран. Таким образом, теплопередача от верхней пластины к нижней уменьшается, за счет отсутствия непосредственного контакта между пластинами, а также за счет возникновения прослойки воздуха между пластинами, которая является теплоизолятором, а также за счет уменьшения солнечной радиации благодаря созданному изгибом верхней пластины солнцезащитному экрану. При этом тепловой поток от атмосферы к поверхности грунта уменьшается. Материалы и размеры пластин подбираются таким образом, что толщина воздушного зазора при формировании арки не позволяет осуществлять эффективный обдув верхней поверхности нижней пластины за счет высокого аэродинамического сопротивления сечения конструкции. При этом свободные торцы позволяют подниматься перегретому воздуху из под верхней пластины с небольшой скоростью замещая его более холодными слоями. Материалы и размеры пластин подбираются таким образом, что высота арки небольшая (до 10 см), что позволяет эффективно снизить воздействие прямой и рассеянной солнечной радиации на верхнюю часть нижней пластины, которая сопряжена с грунтом, а следовательно уменьшить нагрев грунта. Слой из фторопласта в данном случае играет роль отражателя для увеличения альбедо поверхности панели и уменьшения влияния солнечной радиации на нагрев верхней пластины. При остывании верхней пластины до температуры 0° и ниже за счет температуры окружающего воздуха или иных факторов, верхняя полиэтиленовая пластина уменьшается в длине до длины нижней пластины из керамогранита и поскольку жестко закреплена с последней, то плотно прижимается к ней, образуя надежный тепловой контакт между верхней и нижней пластинами. Таким образом, теплопередача от нижней пластины к верхней увеличивается, поскольку исчезает воздушная прослойка между пластинами и возникает надежный тепловой контакт. При этом тепловой поток от грунта в атмосферу увеличивается. Поскольку солцезащитный экран исчезает за счет исчезновения арки из верхней пластины, то исключается формирование воздушного мешка между пластинами при снегозанесении. Слой из фторопласта в данном случае играет роль поверхности с низким коэффициентом трения скольжения, что снижает снегозанесение панели особенно при ее наклонном монтаже на откосе насыпи и как следствие обеспечивает более высокую степень охлаждения грунта за счет уменьшения теплового сопротивления из-за уменьшения слоя снега на поверхности и из-за его более позднего формирования и из-за его более раннего схода в весенний период. Данная конструкция мобильна и может быть перенесена в любой момент на другой участок или на другую поверхность.