УСТАНОВКА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Полезная модель относится к технологиям дорожно-строительных работ, в частности к оборудованию подготовки грунта к уплотнению при строительстве земляного полотна дорог, и может быть применена для снижения влажности грунта, размораживания дорожных оснований и грунта на месте его добычи, а также для отверждения свежеуложенного бетона.
Известно устройство для разогрева оснований и покрытий [Патент РФ RU 2098574, Е 04 D 15/06, Е 01 С, 23/14 опубл. 10.12.1997], содержащее тележку с платформой и закрепленную на платформе нагревательную установку, в состав которой входят N СВЧ генераторов (N - число, большее единицы), N излучателей, N волноводных линий передачи, входы которых соединены с выходами СВЧ генераторов, а выходы - входами излучателей, которые размещены в окне платформы в один ряд параллельно покрытию, жесткий и гибкий экраны, укрепленные по периметру платформы, тележка выполнена самоходной, излучатели выполнены в виде открытых концов волноводов линий передачи или электромагнитных рупоров и установлены в один ряд, перпендикулярный направлению перемещения тележки.
Использование данного устройства для снижения влажности грунта возможно, однако максимальное уплотнение грунта при строительстве земляного полотна дорог достигается при снижении его естественной влажности до оптимальной [Э.М.Добров и др., Глинистые грунты повышенной влажности в дорожном строительстве. М. «Транспорт», 1992 г., стр.3-5], которая обеспечивается удалением избыточной влаги из всего объема уплотняемого грунта на требуемую глубину (до 50 см) применением искусственной сушки, реализация которой в данном устройстве-аналоге осуществляется в виде СВЧ сушки, при этом происходит объемный нагрев грунта, за счет теплового расширения воды, создается избыточное давление уже при температуре грунта ниже 100°С, под влиянием избыточного давления происходит диффузия влаги на поверхность [Ю.В.Клоков Теория удаления влаги. «Хранение и переработка сельхозсырья», №1, 2002 г., стр.7], и удаление ее с поверхности происходит за счет испарения т.е. повышения температуры воды до температуры кипения и превращения ее в пар, что требует больших энергетических затрат и значительного времени. Следовательно, применение известного устройства-аналога для снижения влажности грунта неэффективно.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой установке является устройство для нагрева асфальтобетонного дорожного покрытия [Патент РФ RU 2100519,
Е 01 С 23/06, 23/14 опубл. 27.12.1997], принятое за прототип, содержащее раму, СВЧ генератор, горизонтально расположенный излучатель, жесткий защитный экран, линию передачи СВЧ энергии, вход которой соединен с выходом СВЧ генератора, а выход - с входом излучателя. Рама выполнена в виде металлической платформы с окнами, платформа устанавливается параллельно поверхности дорожного покрытия, на платформе вертикально в несколько рядов установлены волноводные линии передачи, нижние концы волноводов этих линий размещены в окнах платформы и выполняют функцию излучателей, боковые стенки волноводов в одном ряду плотно прилегают друг к другу. Причем СВЧ генераторы закреплены на верхних концах волноводов линий передач, жесткий экран крепится снизу к краям платформы и вокруг нее, вход каждой введенной линии передач соединен с входом одного излучателя, которые расположены параллельно нижней поверхности платформы. Устройство снабжено ходовой частью, на которой установлены дизельэлектростанция и механизм перемещения устройства из верхнего - транспортировочного положения в рабочее - нижнее, кроме того, конец выхлопной трубы дизеля введен под платформу. К нижнему краю жесткого экрана крепится гибкий экран из металлических цепей или усов на расстоянии друг от друга много меньше рабочей длины волны СВЧ генераторов, длина которых больше расстояния от нижнего края жесткого экрана до поверхности дорожного покрытия.
При использовании устройства-прототипа для снижения влажности грунта, ему присущи те же недостатки что и предыдущему устройству-аналогу: это большие энергетические затраты и низкая эффективность процесса.
Целью создания полезной модели является уменьшение энергетических затрат при снижении влажности грунта земляного полотна дорог и повышение эффективности процесса.
Технический результат от использования предлагаемой установки заключается в уменьшении энергетических затрат при снижении влажности грунта земляного полотна дорог за счет удаления влаги из грунта минуя фазовый переход воды из одного агрегатного состояния в другое, без превращения ее в пар, в повышении эффективности процесса за счет интенсивного равномерного удаления влаги с глубинных (до 50 см) и поверхностных слоев грунта.
Поставленная цель достигается тем, что установка для снижения влажности грунта земляного полотна дорог с использованием электрофизических методов содержит ходовую часть, раму с механизмом перемещения из верхнего - транспортного положения в рабочее - нижнее, СВЧ генераторы, горизонтально расположенные излучатели, жесткий и гибкий защитные экраны, линии передачи СВЧ энергии, входы которых соединены с
выходами СВЧ генераторов, а выходы - с входами излучателей, N акустических преобразователей, причем N - целое действительное число, округленное в сторону увеличения и определяемое по формуле:
N=S·I/Р,
где S - площадь поверхности грунта накрываемая излучателями,
I - минимально допустимая удельная мощность акустического излучения,
Р - акустическая мощность одного преобразователя,
вентилятор воздушный напорный, выходом соединенный с воздушным пространством между излучателями и поверхностью грунта, а также с входами акустических преобразователей, выходы которых соединены с воздушным пространством между излучателями и поверхностью грунта, а в жестком экране выполнены отверстия отвода влагонасыщенного воздуха, излучатели выполнены в виде волноводно-щелевых антенн.
Сущность полезной модели заключается в воздействии на грунт горячего проточного воздуха, СВЧ энергии и акустических волн. При помощи горячего проточного воздуха обеспечивается удаление поверхностной влаги с грунта. Под воздействием СВЧ энергии удаляется влага с требуемой глубины, происходит объемный нагрев грунта, в котором, за счет теплового расширения воды, создается избыточное давление уже даже при температуре грунта ниже 100°С. Под влиянием избыточного давления происходит диффузия влаги на поверхность (Ю.В.Клоков Теория удаления влаги. «Хранение и переработка сельхозсырья», №1, 2002 г., стр.7). Кроме этого, СВЧ энергия автоматически выравнивает влажность материала по объему, так как в поле СВЧ больше нагреваются участки, имеющие более высокую влажность (И.А.Рогов Современные методы и оборудование для сверхвысокочастотной обработки пищевых продуктов в промышленности. М., 1971 г., стр.26). При воздействии акустической волны на грунт, в нем распространяются акустические колебания, под влиянием которых, происходит уменьшение структурной вязкости коллоидного раствора воды (И.А.Рогов Физические методы обработки пищевых продуктов. «Пищевая промышленность» М., 1974 г. стр.507), что еще более облегчает выдавливание воды по капиллярам на поверхность грунта при помощи СВЧ энергии, и под воздействием акустического поля с интенсивностью звука не менее 145 дБ, происходит чисто механическое удаление влаги, без затрат энергии на нагрев материала и испарение влаги. Это происходит вследствие дробления капель и как бы «вытряхивания» жидкости из капилляров при возникновении у поверхности сильных акустических потоков. Мелкие капли уносятся сильным воздушным потоком. Кроме этого, под воздействием акустических колебаний процесс испарения жидкости с поверхности резко ускоряется, поскольку у влажной поверхности возникают
акустические потоки, вызывающие деформацию диффузионного пограничного слоя. При этом слой становится тоньше, градиент концентрации растет, что и приводит к ускорению удаления влаги с поверхности (Маленькая энциклопедия. Ультразвук. Под ред. И.П.Голяминой «Советская энциклопедия», М., 1979 г.), в 2-3 раза с поверхностного слоя материала в 3-6 см (И.А.Рогов Физические методы обработки пищевых продуктов. «Пищевая промышленность» М., 1974 г., стр.528). Таким образом, поверхностная влага удаляется проточным воздухом и непрерывно восполняется влагой поступающей из внутренних слоев грунта.
Отличительными признаками полезной модели являются: N акустических преобразователей, с формулой для определения числа N, вентилятор воздушный напорный выходом соединенный с воздушным пространством между излучателями и поверхностью грунта, а также с входами акустических преобразователей, выходы которых соединены с воздушным пространством между излучателями и поверхностью грунта, отверстия отвода влагонасыщенного воздуха в жестком экране, излучатели выполнены в виде волноводно-щелевых антенн.
Технический результат достигается благодаря применению акустических преобразователей, излучателей в виде волноводно-щелевых антенн, вентилятора воздушного напорного. Именно применение этих устройств позволяет обеспечить одновременное комбинированное воздействие на грунт акустического поля, СВЧ энергии и горячего проточного воздуха при этом, используются в полной мере особенности их воздействия на грунт, удается получить удаление большей части влаги из грунта без фазового перехода воды из одного агрегатного состояния в другое, т.е. без затрат энергии на парообразование. Это повышает эффективность снижения влажности грунта, обеспечивает снижение энергетических затрат и ускорение процесса удаления влаги с требуемого объема грунта.
На фиг.1 представлена установка для снижения влажности грунта земляного полотна дорог с использованием электрофизических методов (далее установка), в рабочем положении, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; цифрами обозначены:
1 - ходовая часть;
2 - рама с механизмом \tabперемещения;
3 - СВЧ генераторы;
4 - излучатели;
5 - жесткий экран;
6 - гибкий экран;
7 - линии передачи СВЧ энергии;
8 - акустические \tabпреобразователи;
9 - вентилятор воздушный напорный;
10 - воздушное \tabпространство между \tabизлучателями и грунтом;
11 - отверстия отвода влагонасыщенного
12 - источники питания \tabСВЧ генераторов;
воздуха (не показаны);
13 - система охлаждения СВЧ генераторов;
14 - пульт управления;
15 - контейнер;
16 - воздуховод.
Установка содержит ходовую часть 1, раму с механизмом перемещения 2, четыре СВЧ генератора 3, четыре излучателя 4, жесткий 5 и гибкий 6 экраны, четыре линии передачи СВЧ энергии 7, N акустических преобразователей 8, вентилятор напорный 9, воздушное пространство между излучателями и грунтом 10, отверстия 11 отвода влагонасыщенного воздуха, четыре источника питания 12 СВЧ генераторов 3, система охлаждения 13 СВЧ генераторов 3, пульт управления 14, контейнер 15.
На ходовой части 1 установки в контейнере 15 находятся источники питания 12 СВЧ генераторов 3, система охлаждения 13 СВЧ генераторов 3, пульт управления 14, причем их размещение произведено с учетом равномерного распределения нагрузки на шасси ходовой части 1, обеспечения ее максимальной устойчивости, удобства обслуживания и ремонта отдельных узлов.
На плоскости задней торцевой стенки контейнера 15 установлена рама с механизмом перемещения 2, позволяющем перемещать из верхнего - транспортного положения в рабочее - нижнее, смонтированные на ней элементы и устройства, непосредственно обеспечивающие реализацию процесса снижения влажности грунта земляного полотна дорог: СВЧ генераторы 3, излучатели 4, линии передачи СВЧ энергии 7, акустические преобразователи 8, вентилятор воздушный напорный 9.
СВЧ генераторы 3 размещены на вертикальных металлоконструкциях рамы с механизмом перемещения 2, чем обеспечиваются их близкое расположение и удобство подключения к излучателям 4, системе охлаждения 13 СВЧ генераторов 3 и источникам питания 12 СВЧ генераторов 3. СВЧ генераторы 3 подключаются к излучателям 4 линиями передачи СВЧ энергии 7, выполненными волноводными или коаксиальными, входы которых соединены с выходами СВЧ генераторов 3, а выходы - с входами излучателей 4.
Излучатели 4 размещены на горизонтальных металлических профилях рамы с механизмом перемещения 2 плоскостью излучения параллельно плоскости грунта, над его поверхностью, длинными сторонами излучатели 4 соединены между собой, сориентированы вперед параллельно направлению движения установки и образуют общую плоскость излучения. В рабочем положении между плоскостями излучения излучателей 4 и поверхностью грунта обеспечивается воздушное пространство 10, размеры которого выбраны из соображения пропускания необходимого объема воздуха обеспечивающего гарантированное удаление влаги с поверхности грунта. По периметру
общей плоскости излучения образованной излучателями 4 крепится жесткий 5 экран, к которому по всему периметру нижнего края крепится гибкий 6 экран. Излучатели 4 выполнены в виде волноводно-щелевых антенн, в которых размеры, форма, расположение и количество излучающих элементов рассчитаны с учетом обеспечения подвода и передачи максимального уровня мощности СВЧ энергии в грунт при равномерном распределении подводимой мощности по поверхности грунта, хорошего согласования входа излучателей 4 с выходами линий передачи СВЧ энергии 7 [В.А.Сосунов, А.А.Шибаев Направленные ответвители и их применение. Саратов, Приволжское книжное издательство, 1967 г., стр.87-107] и наилучшего направленного действия излучателей 4 [Г.Б.Белоцерковский Основы радиотехники и антенны. Часть II. Антенны. М. Советское радио, 1969 г., стр.198-202].
На горизонтальных металлических профилях рамы с механизмом перемещения 2 по одной из сторон по направлению движения установки размещены вентилятор воздушный напорный 9 и акустические преобразователи 8, а на противоположной по отношению к ним стороне в жестком 5 экране выполнены отверстия 11 отвода влагонасыщенного воздуха, причем вентилятор воздушный напорный 9, выходом соединен с воздушным пространством 10 между излучателями 4 и поверхностью грунта, а также с входами акустических преобразователей 8, выходы которых соединены с воздушным пространством 10 между излучателями 4 и поверхностью грунта, а входом с системой охлаждения 13 СВЧ генераторов 3 через воздуховод 16, конструктивно обеспечивающий соединение при транспортировочном и рабочем положении рамы с механизмом перемещения 2. Выходы акустических преобразователей 8 соединены с воздушным пространством 10 между излучателями 4 и поверхностью грунта.
В качестве ходовой части 1 может использоваться автоприцеп - трейлер для перевозки контейнеров.
Рама с механизмом перемещения 2 представляет собой конструкцию, выполненную из металлических профилей образующих две жестко соединенных взаимно перпендикулярных плоскости - вертикальную и горизонтальную, с возможностью перемещения сверху - вниз и, наоборот, на расстояние 0,5 м. В качестве механизма перемещения может использоваться электромеханический или гидравлический подъемники.
Для получения СВЧ энергии, в зависимости от глубины на которой необходимо снизить влажность грунта, могут быть использованы четыре СВЧ генератора 3, выполненные на магнетронах с частотами генерации 433 МГц, 460 МГц, 915 МГц мощностью 25 кВт, 50 кВт в комплекте с соответствующими четырьмя источниками питания 12 СВЧ генераторов 3, укомплектованными электронными схемами управления.
Линии передачи СВЧ энергии 7 выполняются на стандартных прямоугольных волноводах или коаксиальной линии с геометрическими размерами, соответствующими частотам генерации магнетрона, причем вход каждой линии передачи СВЧ энергии 7 соединен с выходом одного СВЧ генератора 3, а выход - с входом одного излучателя 4.
Излучатели 4 выполняются на прямоугольных волноводах с поперечными излучающими щелями, которые герметизированы диэлектрическим материалом с низкими потерями.
Жесткий 5 экран может быть выполнен из любого металла и для обеспечения хорошего контакта приваривается по периметру общей плоскости излучения образованной излучателями 4.
По всему периметру нижнего края жесткого 5 экрана крепится гибкий 6 экран, выполненный в виде металлических цепей и усов.
2
Акустические преобразователи 8 применяются серийно выпускаемые газоструйные сирены статические или динамические с частотой акустического преобразования не менее 22 кГц; их количество - число N определяется по формуле из расчета создания акустической волны с удельной мощностью акустического излучения (I) не менее 5 кВт/м, значение которой, выбрано с учетом затухания и рассеяния акустического излучения и обеспечения акустического давления на поверхности грунта 135-160 дБ;
Установка работает следующим образом.
Подается электроэнергия на пульт управления 14, источники питания 12 СВЧ генераторов 3, систему охлаждения 13 СВЧ генераторов 3, вентилятор воздушный напорный 9. Рама с механизмом перемещения 2 устанавливается в рабочее положение. Вентилятором воздушным напорным 9 через систему охлаждения 13 СВЧ генераторов 3 и воздуховод 16 подается воздух (при запуске установки холодный, после прогрева системы охлаждения 13 СВЧ генераторов 3 - горячий) в воздушное пространство 10 между излучателями 4 и поверхностью грунта, который потоком омывает поверхность грунта и удаляется через отверстия 11 отвода влагонасыщенного воздуха. Часть воздуха с вентилятора воздушного напорного 9 подается на акустические преобразователи 8, где формируется акустическая волна и направляется на поверхность грунта, проникает в поверхностный слой грунта и в комбинации с потоком проточного воздуха обеспечивает ускорение удаления влаги с поверхностного слоя грунта. После прогрева накала и подачи анодного питания СВЧ генераторы 3 начинают вырабатывать СВЧ энергию, которая по линиям передачи СВЧ энергии 7 поступает в излучатели 4, а из них с хорошей направленностью и равномерным распределением уровня излучения по площади излучается в направлении поверхности грунта, проникает вглубь его и поглощается.
Происходит объемный нагрев грунта, в котором, за счет теплового расширения воды, создается избыточное давление уже даже при температуре грунта ниже 100°С, благодаря которому осуществляется диффузия влаги на поверхность (Ю.В.Клоков Теория удаления влаги. «Хранение и переработка сельхозсырья», №1, 2002 г., стр.7). Таким образом, влага удаляется с поверхности грунта проточным воздухом и непрерывно восполняется влагой поступающей из внутренних слоев грунта. Процесс удаления влаги из объема грунта продолжается до достижения оптимальной влажности обеспечивающей получение максимального уплотнения грунта (для суглинков это 15%).В процессе достижения влажности грунта необходимого уровня установка перемещается вдоль участка грунта земляного полотна подготавливаемого к уплотнению. Установка оснащена элементами автоматики и контроля обеспечивающими непрерывный процесс удаления влаги из грунта в движении при соблюдении требований безопасности обслуживания.
Пример реализации установки.
Максимально используются серийно выпускаемые комплектующие и устройства: установка монтируется в стандартном морском 20 футовом контейнере, размещаемом на автоприцепе - контейнеровозе N 8357 грузоподъемностью 10 т. длиной 6,12 м, применяются СВЧ генераторы на магнетронах М-137 в комплекте с источником питания и электронной схемой управления, вентилятор высокого давления типа ВР6-13, акустические преобразователи типа УЗГ-4А.
2
Электрические и конструктивные характеристики установки: количество СВЧ генераторов - 4; рабочая частота СВЧ генератора - 460±1% МГц; выходная мощность СВЧ генератора - 50 кВт; сечение волноводов линии передачи СВЧ энергии - 457×228 мм; площадь поверхности грунта накрываемая 4-мя излучателями (S) - 3,5 м; расстояние между поверхностями грунта и излучателей - 0,1 м; акустическая мощность одного акустического преобразователя 8 кВт; частота акустического преобразователя - 45 кГц; число акустических преобразователей (N)=3; электропитание - дизельная электростанция мощностью 500 кВт.
Практическая промышленная применимость установки обеспечивается использованием промышленно выпускаемых узлов, в частности контейнеровоза, механической прочностью несущих металлоконструкций, выполнением биологической защиты по уровням электромагнитного и акустического излучений.
Установка может быть применена для снижения влажности и размораживания грунта непосредственно на месте строительства земляного полотна дорог или на местах его добычи, а также для отверждения свежеуложенного бетона при строительстве дорог и других строительных объектов.