СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ СОСУЛЕК И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ДАННЫЙ СПОСОБ
METHOD TO DESTROY ICICLES AND DEVICE IMPLEMENTING THIS METHOD

Изобретение относится к разделу «Удовлетворение жизненных потребностей человека» и направлено, в основном, на решение проблем ЖКХ, возникающих с появлением сосулек на кровельных свесах домов.
Как известно в снежный период скаты крыш покрываются слоем снега. В периоды, когда температура наружного воздуха колеблется в районе 0°C, по наружному периметру скатов крыш (кровельных свесов) образуются сосульки. Если ничего не предпринимать для исключения роста сосулек, то масса сосулек увеличивается и сосульки превращаются в ледяные глыбы, которые под действием силы тяжести (эффект гравитации) обрушиваются вниз, представляя объективную опасность для людей, автомобилей и иных предметов, расположенных на прилегающей территории.
Существуют различные способы и устройства, предназначенные для исключения образования или уничтожения сосулек.
Одним из наиболее распространенных, применяемых по настоящее время в нашей стране, является способ, при котором используется гравитационная и мускульная силы, причем мускульную силу используют для разрушения образовавшихся сосулек подручными средствами (ломы, лопаты и пр.), а гравитационный эффект (силу тяжести) используют для последующего удаления сосулек с уровня крыши на уровень прилегающей территории.
Другие способы направлены на уменьшение амплитуды колебаний температур на поверхности крыши, водосборных и водосточных элементах кровли. Такое уменьшение можно обеспечить или за счет усиления тепловой изоляции чердачных помещений и самих крыш, или дополнительным подогревом тех участков крыш, на которых локализуются потоки снежной влаги и формируются сосульки.
Известные способы обладают следующими недостатками.
Реализация способа, направленного на уменьшения амплитуды колебаний температуры, потребует значительных капитальных затрат. Но главным недостатком является то, что такой способ борьбы с сосульками может применяться только при выделении внутреннего, т.е. от самого здания, тепла. При колебаниях температур около 0°C, вызванных изменениями только внешних, т.е. атмосферных явлений, например весенняя капель, такой способ борьбы с образованием сосулек полностью исключен.
Реализация способа за счет дополнительного подогрева, широко рекламируемого в настоящее время, например компаниями «Эликс», «Огни Петербурга» и др., кроме капитальных, потребует больших эксплуатационных издержек, определяемых необходимостью нагрева и перевод значительных снежных масс в жидкое агрегатное состояние.
Что касается первого способа, то, хотя он и привлекает доступностью и универсальностью, тем не менее, такой способ опасен для исполнителей (что подтверждается опытом последних лет), а его кажущаяся ″дешевизна″ вызывает большие сомнения, хотя бы потому, что за сезон приходится решать задачи борьбы с обледенением крыш неоднократно. Кроме того, механическая очистка кровель ломами и лопатами приводит к повреждению кровельного покрытия, что влечет за собой ремонт кровли, замену фрагментов водостоков, косметический ремонт помещений верхних этажей и т.д.
Тем не менее, за прототип принят первый способ уничтожения сосулек, как обладающий наибольшим числом совпадающих признаков.
Целью изобретения является создание безопасных условий и разработка недорогих и практически автономных, не требующих вмешательства человека и дополнительных эксплуатационных расходов, устройств.
Указанная цель достигается тем, что эффект гравитации используют циклически, для разрушения сосулек на ранней стадии их образования и для возвращения в положение готовности к повторному использованию механизма разрушения, представляющего собой коромысло, имеющее возможность поворачиваться вокруг горизонтальной оси; при этом плечо-противовес коромысла, расположенное ближе к стене здания, защищают от посторонних воздействий, сохраняя постоянным положение центра массы; причем на рабочем плече коромысла организуют образование сосулек; при этом выбором масс и положений центров масс обоих плеч устанавливают равновесие коромысла в начальном положении, при котором обеспечивают поступление снежной влаги на рабочее плечо и образование сосулек на внешней, относительно стены здания, кромке рабочего плеча; причем эффект гравитации, за счет изменение массы и положения центра массы рабочего плеча, используют для разворота и удара сосулек о неподвижную преграду с силой, необходимой для эффективного разрушения сосулек; при этом после разрушения сосулек действие гравитации на плечо-противовес используют для разворота и возвращения коромысла в начальное положение. Кроме того, для разрушения наледи, препятствующей работе коромысла в штатном режиме, предусмотрен аварийный принудительный поворот коромысла.
В устройстве указанная цель достигается тем, что в его состав входят коромысло и неподвижная преграда, установленные под крышей здания параллельно и согласованно по длине с опускным периметром участка крыши, выделенным для локализации поступления снежной влаги на рабочее плечо коромысла; при этом силы, действующие на плечи, имеют возможность разворачивать коромысло вокруг горизонтальной оси в противоположных направлениях; причем плечо, обращенное к стене здания, является противовесом и в процессе работы сохраняет положение центра массы, при этом противоположное рабочее плечо предназначено для образования и роста сосулек из поступившей снежной влаги; причем в начальном равновесном положении коромысла поверхность рабочего плеча выступает за границу опускного периметра выделенного участка крыши не менее чем на 0,25 длины плеча и имеет наклон 15…25° к горизонту в направлении ската крыши; при этом на плече-противовесе установлен груз с возможностью предварительного регулирования его положения по длине плеча, причем неподвижная преграда установлена в нижнем секторе поворота коромысла и представляет прочную планку одна из поверхностей которой служит поверхностью разрушения сосулек. Кроме того, на коромысле предусмотрена проушина или кольцо для крепления привода принудительного разворота коромысла в случае непредвиденного обледенения механизма разрушения, причем привод, в простейшем варианте представляет гибкий трос или прочную нить, протянутую к удобному, для воздействия на нее, месту, а в более сложном варианте - представляет электромеханическое или электромагнитное устройство, приводимое в действие с пульта управления.
На фиг.1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ разрушения сосулек и вариант крепления устройства к несущей конструкции здания. При этом фрагмент а) изображает устройство в плане, а фрагмент б) - поперечное сечение. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - крыша здания (кровельный свес); 2 - снежный покров; 3 плечо-противовес коромысла; 4 - ось вращения коромысла; 5 - рабочее плечо коромысла; 6 - монтажный кронштейн; 7 - шпильки крепления монтажного кронштейна к стене здания; 8 - неподвижная преграда; 9 - воронка для сбора осколков сосулек; 10 - узел крепления подвижного коромысла к одной из неподвижных опор монтажного кронштейна; 11 - направляющий буртик на крыше здания. Пунктирная линия a-b обозначает опускной периметр выделенного участка крыши.
пр
рб
пр
рб
Σ
пр
рб
пр
рб
На фиг.2 представлена схема взаимодействия элементов устройства для объяснения предлагаемого способа работы. Здесь приняты обозначения: М и М - моменты вращения, действующие на коромысло со стороны плеча-противовеса и рабочего плеча соответственно; h и h - плечи соответствующих моментов; M=М-М - результирующий момент, действующий на коромысло; ЦМ и ЦМ центры масс плеча-противовеса и рабочего плеча соответственно. Кроме коромысла на фрагментах фиг.2 представлена неподвижная преграда «НП». Фрагменты 1)…5) иллюстрируют изменение положения коромысла и действующие на коромысло моменты вращения в разных рабочих фазах.
пр
рб
На фиг.3 представлен характер изменения вращающих моментов за время полного цикла работы устройства. Линии М и М характеризуют изменение моментов, действующие на коромысло. Выделена «ЗОНА РАЗРУШЕНИЯ», в диапазоне которой (по углу разворота коромысла) происходит разрушение сосулек. Нижняя часть диаграммы представляет изменение положения коромысла в процессе работы через каждые 15° поворота коромысла с начального положения, условно принятого за 0°.
пр
пр
рб
Предлагаемое устройство представляет собой коромысло, два плеча которого 3 и 5 обеспечивают поворот коромысла вокруг неподвижной горизонтальной оси 4 в направлении зависящем от величины действующих на них гравитационных сил (сил тяжести). Плечо 3 служит противовесом - «плечо-противовес». Положение центра массы плеча-противовеса (ЦМ на фиг.2) по длине плеча в процессе работы остается постоянным и изменение момента вращения М зависит только от угла поворота коромысла. На рабочем плече 5, инициируют образование и рост сосулек из поступившей на него «снежной влаги». В большинстве случаев влага, поступающая на рабочее плечо, не является влагой в прямом смысле этого слова, а является взвесью снежинок и льдинок во влажном потоке - «снежна влага». Преграда 8 устанавливается неподвижно и параллельно оси 4, в нижнем секторе поворота коромысла. Поверхность соударения преграды 8 служит для разрушения образовавшихся по периметру внешней кромки рабочего плеча 5, сосулек в момент их соприкосновения с поверхностью преграды при развороте коромысла под действием вращательного момента М. Преграда 8 представляет прочную планку, при ударе о которую, в процессе разворота коромысла, происходит разрушение сосулек. Монтажный кронштейн 6 устанавливается на одной из несущих конструкций здания, например на стене, под опускным периметром участка крыши a-b (фиг.1a)), выделенным для локализации скопления и поступления снежной влаги на коромысло. Локализация скопления влаги обеспечивается направляющими буртиками 11. Длина периметра опускного участка, а значит и линейных размеров коромысла и неподвижной преграды, может изменяться от размера диаметра существующих водосборных воронок до ~1,5 м и зависит от общей площади крыши, приходящейся на конкретный участок, выделенный для локализации скопления влаги.
Устройство работает следующим образом.
пр
рб
В начальном положении коромысло находится в статическом равновесии М=М.
рб
Фрагмент 1) на фиг.2, представляет начало образования сосулек. С началом поступления влаги, к массе рабочего плеча прибавляются масса незамерзшей снежной влаги на поверхности плеча и масса образовавшихся «зародышей» сосулек. В результате увеличения общей массы рабочего плеча, коромысло, под действием М, стремится повернуться в сторону рабочего плеча.
рб
рб
Фрагмент 2) представляет положение коромысла, когда за счет значительного увеличения массы сосулек и, связанного с этим смещения центра массы плеча 5 от ЦМ к внешней кромке рабочего плеча момент вращения М значительно возрастает, угловое ускорение достигает значения, обеспечивающего силу удара сосульки о неподвижную преграду 8, необходимую для разрушения сосульки.
пр
рб
Σ
Фрагмент 3) представляет положение коромысла, в момент завершения разрушения сосульки после удара. Рабочее плечо освобождается от дополнительной массы. Центр массы плеча-противовеса (ЦМ) будет находиться дальше от оси вращения, чем центр массы рабочего плеча (ЦМ), сразу же появляется результирующий момент M, разворачивающий коромысло в обратном направлении.
пр
рб
Фрагмент 4) представляет положение коромысла, когда расстояние центра массы плеча-противовеса (ЦМ) до оси вращения коромысла максимально превышает расстояние центра массы на рабочем плече (ЦМ) и разворот коромысла в сторону плеча-противовеса происходит с максимальным угловым ускорением, позволяющим развернуть коромысло за начальное положение, после чего, за одно два затухающих колебания, коромысло возвращается к статическому равновесию.
Фрагмент 5) представляет положение коромысла после возвращения его в начальное положение, когда на рабочем плече отсутствуют присоединенные дополнительные массы, а само коромысло находится в статическом равновесии. Точно такое же положение коромысла, представлено слева от фрагмента 1) для демонстрации изменений, начинающихся с рабочим поворотом коромысла.
пр
рб
пр
Особенности изменения моментов вращения в процессе работы устройства представлены на фиг.3. Начало цикла соответствуют началу оси абсцисс. При этом моменты вращения М и М, действующие на соответствующие плечи коромысла, равны (находятся в одной точке на оси ординат). В нижней части диаграммы показано изменение положения плеч коромысла через 15° его поворота, условно принимая начальное положение рабочего плеча в горизонтальном положении (0°). Представленное взаимное положение плеч под тупым углом, обеспечивает более полное и эффективное использования явления гравитации. При таком взаимном расположении плеч, можно добиться статического равновесия коромысла, когда поверхность рабочего плеча направлена под углом 15…25° к горизонту. Для выполнения данного требования при монтаже устройства и оптимизации получаемого эффекта, на плече-противовесе 3 предусмотрен груз, перемещаемый по длине плеча. Изменение положения груза предоставляет возможность изменять (регулировать) и силу удара сосулек о неподвижную преграду 8, и максимальную величину (массу) разбиваемых сосулек. Чем меньше груз и его положение относительно оси коромысла, тем меньше масса (величина) сосульки, которая потребуется для штатного разворота коромысла. С другой стороны, чем больше М в момент освобождения рабочего плеча от сосулек, тем проще и быстрее коромысло вернется в начальное положение.
До получения опыта работы предлагаемых устройств, можно предположить возможность промерзание снежной влаги, на опускном участке и, обусловленной этим, возможности ледяного «прихватывания» коромысла. Такая ситуация теоретически возможна. Причем вероятность наступления такой нештатной ситуации появляется при резких, в основном по времени, уменьшениях температуры окружающей среды и настройке механизма разрушения на увеличенные размеры сосулек. Хотя при усилении мороза дальнейшее увеличении массы снежной влаги на поверхности плеча не происходит, однако образовавшийся лед может вызвать временное препятствие для разворота коромысла. С началом оттепели потребуется время на расплавление льда, что может вызвать увеличение размеров сосулек. Для исключения такой ситуации, необходимо предусмотреть наличие возможности принудительного разворота коромысла для разрушения наледи и «включения» в работу механизма разрушения до начала следующей оттепели. Принудительный разворот осуществляется благодаря введению проушины или кольца на коромысле, на которые оказывают соответствующее воздействие. При этом можно использовать ручной привод, например, трос или гибкую прочную нить, протянутую к удобному, для воздействия на нее человеком, месту, либо электромеханический или электромагнитный привод, включаемый по сигналу с пульта управления.
Возможностью регулировать максимальные размеры сосулек, в некоторых случаях можно использовать для исключения сборных воронок или специальных щитков, экранирующих падение осколков сосулек, поскольку устройство дает возможность обеспечивать максимальный размер сосульки 3…5 см., у которых осколки будут еще меньше. С одной стороны, падение мелких осколков не может нанести заметных травм человеку, находящемуся в зимней одежде, а с другой стороны, падение осколков локализовано расстоянием 10…20 см. от стены здания, где не предусмотрены пешеходные проходы и, как правило, не размещаются предметы, в том числе автомобили.