УСТРОЙСТВО ОБОГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ
SURFACE HEATING DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройствам для обогрева поверхностей, в частности дорожного покрытия, лестниц, мостов и т.п., с целью предотвращения образования на них снега, льда, ухудшающих состояние таких поверхностей и создающих дискомфорт для пользователей.
Известно устройство для обогрева или охлаждения дорожного покрытия, содержащее размещенную в дорожной насыпи плиту, корпус которой выполнен герметичным, имеет снизу теплоизолирующий слой и разделен горизонтальной перегородкой на верхнюю и нижнюю полости, в последней из которых размещены дроссельные элементы, а в верхней - теплообменник, с противоположных сторон плиты расположены торцевые патрубки, связывающие между собой теплообменник, дроссельные элементы и источник принудительной циркуляции незамерзающего рабочего агента (см. патент РФ №2287040).
В указанном известном устройстве отдельная плита представляет собой законченный сборочный узел с трубопроводами и теплообменниками, что улучшает процесс монтажа и облегчает эксплуатацию всей системы.
Однако конструкция плиты, разделенной на верхнюю и нижнюю полости, является достаточно сложной, а расположение в ней теплообменника приводит к увеличению габаритов и к сложной эксплуатации в случае нарушения работы теплообменника.
Известно устройство для обогрева дорожных покрытий, содержащее узел плиты, включающий в себя внешнюю плитку и основание. Во внешней плитке уложены нагревательные элементы, представляющие собой электрические проводники. Крайние проводники имеют ответвления с разъемом. Узел плиты в таком виде формируется до его установки на дорожное покрытие. При установке на покрытие разъемы ответвлений крайних проводников соединяются с магистральными кабелями, размещенными продольно вдоль покрытия, сообщаясь с источником энергии (см. заявку Японии №2007-51483).
Известно также устройство плавления снега, имеющее корпусную оболочку, выполненную по форме чаши, водопроницаемый резиновый тонкий слой эластичной дорожной поверхности, поддерживаемый корпусной оболочкой, слой со смесью черной двуокиси кремния для инфракрасного излучения дальнего спектра, нагревательный элемент для нагрева черной двуокиси кремния и слой теплоизоляции для уменьшения оттока тепла в землю. Водопроницаемый резиновый тонкий слой эластичной дорожной поверхности выполнен из двух слоев путем образования тонкого цветного эластичного слоя на верхней поверхности и образования регенеративного тонкого резинового слоя, смешанного с черной двуокисью кремния на нижнем слое (см. заявку Японии №2006249770).
В вышеуказанных обоих известных решениях предусмотрена теплозащитная структура, которая уменьшает уход тепла через нижнюю часть плиты в землю, повышая эффективность работы системы обогрева.
В то же время, образующееся в нагревательных элементах плиты тепло постоянно передается через верхнюю поверхность плиты независимо от окружающих условий. Однако, даже в зимних условиях обогрев поверхностей требуется обеспечивать, как правило, только в период выпадения снега, и поэтому в указанных решениях осуществляется неэкономное расходование энергии, или в них должна быть обеспечена система управления, каким-то образом реагирующая на выпадения осадков. Это усложняет устройство или приводит к его неэкономичности. Кроме того, в городских условиях, при дефиците энергии в дневное время желательно систему обогрева устроить таким образом, чтобы большая часть энергии для нее расходовалась в ночное время, а в дневное время использование энергии было бы минимальным.
Наиболее близким решением, по мнению заявителя, является конструкция для плавления снега, содержащая слой сохранения тепла и хорошо проводящий тепло слой, напрямую соединенный с верхней частью слоя сохранения тепла. Слой сохранения тепла содержит первую часть бетона с относительно высокой прочностью и вторую часть бетона с относительно низкой прочностью. Микрокапсулы, в которые вложен материал сохранения тепла с точкой плавления от 0 до 5°C, смешаны со второй частью бетона. Хорошо проводящий тепло слой образован из материала с высокой тепловой проводимостью от 15 W/m K или выше (см. заявку Японии №2005207169). В известном изобретении микрокапсулы с материалом сохранения тепла нагреваются до температуры его плавления и, находясь в бетонном слое, передают тепло на обогрев дорожной поверхности. Обогрев дорожной поверхности происходит до фазового перехода материала в капсулах, после чего его опять следует нагревать. Причем нагрев материала капсул может производиться как в дневное, так и в ночное время, когда нет дефицита энергии. За счет этого появляется возможность равномерно распределять использование энергии по времени суток.
Однако это изобретение обладает недостатком, заключающимся в том, что передача тепла от материала в капсулах происходит беспрерывно после его нагрева, если температура дорожной поверхности опускается ниже точки плавления материала. При этом не играет роли наличие или отсутствие снега на обогреваемой поверхности. Таким образом, большая часть тепла, предназначенного для плавления снега, расходуется впустую. Кроме того, невысокая температура плавления материала сохранения тепла должна приводить к большому количеству материала для получения достаточно высокой теплоемкости, что повышает стоимость и габариты всей системы.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства обогрева поверхности, которое использует накопленное тепло только при наличии снега на обогреваемой поверхности, очень экономно расходуя полученное от системы нагрева тепло, потребляя значительно меньше энергии для обогрева поверхности по сравнению с известными устройствами.
Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства обогрева поверхности, которое позволяет потреблять энергию для накопления тепла в удобное для городских источников время, когда общее потребление энергии минимально. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства обогрева поверхности, имеющего небольшие габариты и использующего меньшее количество материала по сравнению с известными устройствами.
Для решения указанных задач согласно настоящему изобретению предлагается устройство обогрева поверхности, включающее в себя слой с высокой теплоемкостью, связанный с системой подвода тепла, ниже которого расположен теплозащитный слой, а выше слоя с высокой теплоемкостью размещен слой с переменной теплопроводностью. Дополнительно в устройство обогрева поверхности в состав слоя с переменной теплопроводностью входит вспененный полиуретан с открытыми порами. Кроме того, в устройстве обогрева поверхности сверху и снизу слоя с переменной теплопроводностью установлены металлические сетки.
Дополнительно, в устройстве обогрева поверхности слой с высокой теплоемкостью включает в себя частицы теплоаккумулирующего материала с точкой плавления от 30 до 60°С.
Сущность настоящего изобретения будет более понятна при ознакомлении с последующим подробным описанием предпочтительных вариантов выполнения устройства с учетом сопроводительного чертежа, где представлено сечение участка дорожной поверхности в одном варианте выполнения заявляемого устройства.
Устройство обогрева поверхности согласно настоящему изобретению содержит слой 1 с высокой теплоемкостью, который может быть выполнен в виде бетона с невысокой прочностью или другого какого-либо приемлемого материала с распределенным в нем теплоаккумулирующим материалом (ТАМ). Слой 1 может быть окружен слоем 2, выполненным, например, в виде бетона или какого-либо другого приемлемого материала с достаточно высокой прочностью, позволяющего выдерживать нагрузки от пешеходов или транспорта, в зависимости от случая использования устройства. В нижней части структуры устройства расположен теплозащитный слой 3, предотвращающий чрезмерную передачу тепла по направлению к земле. В верхней части указанной конструкции устройства установлен слой 4 с переменной в зависимости от окружающих условий теплопередачей (теплопроводностью). Этот слой 4 может быть выполнен, например, из вспененного полиуретана с открытыми порами, позволяющими прохождение воды, образующейся, например, при таянии снега, от наружной поверхности слоя 4 вниз к слою 2. В обычном, сухом состоянии этот слой 4 обладает хорошими теплозащитными качествами. Слой 4 может быть усилен, например, посредством установки с одной или с обеих его сторон жесткого элемента 5, например металлической сетки. Теплоаккумулирующий материал (ТАМ) может быть помещен в капсулы или оболочки 6 и в таком виде равномерно располагаться в слое 1. В предпочтительном варианте ТАМ является формоустойчивым (в этом случае герметичная оболочка не обязательна, и он распределяется в виде порошка). ТАМ может состоять из бутилкаучука - 30%, вулканизирующего агента в виде хинолового эфира - 1%, сажи 0,5% и остальное наполнитель - высокоочищенный парафин, например, марки В-2. Температура плавления ТАМ, которая определяется наполнителем, может находиться в диапазоне 30-60°С. Структура слоев устройства обогрева поверхности может отличаться от описанной, но в ней, согласно настоящему изобретению, должны присутствовать слой с переменной теплопроводностью, слой с высокой теплоемкостью и теплозащитный слой. Работу устройства обогрева поверхности согласно настоящему изобретению можно охарактеризовать следующим образом.
В зимнее время года осуществляют подвод тепла известными из уровня техники способами к слою 1 с высокой теплоемкостью. Подвод тепла может осуществляться в любое время суток, в том числе и в ночное время, когда расход энергии минимальный, и выполняться, например, посредством теплоносителя, протекающего в расположенной под обогреваемой поверхностью разводке труб, связанной через теплообменник с тепловыми магистралями городских теплосетей. Нагрев теплоаккумулирующего материала может быть осуществлен, например, также посредством электронагревателей, питание которых обеспечивается от бытовой электросети переменного тока напряжением 220 В. Регулирование расхода тепла может производиться через терморегулятор, связанный с датчиком температуры. Подача тепла производится до обеспечения фазового перехода теплоаккумулирующего материала в жидкое состояние. Таким образом, в устройстве накапливается значительная тепловая энергия. В то же время, благодаря наличию сухого слоя 4 переменной теплопроводности накопленное тепло не расходуется и не уходит в окружающую внешнюю среду, а благодаря теплозащитному слою 3 - в землю. В случае выпадения снега, при его контакте с наружной поверхностью слоя 4 происходит его незначительное подтаивание. Образующаяся вода проникает через поры слоя 4, и изменяется теплопроводность слоя 4 за счет хорошей проводимости воды. В этом случае тепло, накопленное в слое 1 с высокой теплоемкостью, хорошо передается на наружную поверхность слоя 4 переменой теплопроводности, осуществляя плавления падающего снега. Габариты слоя 4, размер и количество его пор можно рассчитать с помощью известных зависимостей, используемых при расчетах теплопередач.
Из вышесказанного видно, что настоящее изобретение позволяет экономно использовать накопленное тепло, т.к. оно расходуется только в том случае, когда происходит наслоение снега на дорожной поверхности. В ином случае накопленное тепло практически не расходуется и не потребляется энергия на подвод тепла. Причем подача тепла к теплоаккумулирующему материалу может осуществляться в самое выгодное с точки зрения загрузки городских сетей время. Кроме того, использование теплоаккумулирующего материала с высокой точкой плавления позволяет уменьшить габариты устройства обогрева поверхности при той же теплоемкости по сравнению с известными решениями уровня техники.
В данном описании раскрыты предпочтительные варианты выполнения устройства, но следует понимать, что, не отходя от сущности изобретения, можно предложить и другие модификации, которые находятся в рамках заявленного в предложенной формуле изобретения.