УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ НАЛЕДИ И СОСУЛЕК С КРОМКИ КРОВЛИ ЗДАНИЙ

Полезная модель относится к области строительства и эксплуатации зданий, в том числе к области жилищно-коммунального хозяйства, а именно к устройствам, предназначенным для периодического удаления наледи и сосулек на кромках кровли зданий. Их накопление представляет высокую опасность для здоровья людей и сохранности имущества.
Известно устройство для предотвращения образования сосулек на кромке скатной кровли (патент РФ № 172748, опубл. 21.07.2017), содержащее размещенный по периметру кровли капельник с нагревательным элементом. Капельник выполнен из согнутого листа металла или из соединенных между собой металлических листов. Нагревательный элемент расположен внутри капельника, вдоль его внешней кромки, выступающей за пределы кромки скатной кровли. Капельник установлен с внутренней стороны скатной кровли путем крепления его к стропильной системе таким образом, что он выступает из-под свеса кровли за ее пределы на 5-200 мм.
Недостатком устройств данного типа, основанных на применении нагревательных элементов разного рода, является их высокая энергоёмкость в районах с холодными климатом, а отсутствие гальванической развязки с питающей электрической сетью требует тщательного подхода к решению вопросов электрической и пожарной безопасности.
Наиболее близким по технической сущности является известное устройство крыши здания (патент РФ № 168523, опубл. 07.02.2017), содержащее кровлю с расположенным в ее нижней части водосточным желобом, листовое антиобледенительное покрытие и источник генерации колебаний, закрепленный на внутренней поверхности антиобледенительного покрытия. Антиобледенительное покрытие перекрывает пространство между верхней кромкой водосточного желоба и нижней кромкой кровли с напуском относительно нижней кромки кровли. Антиобледенительное покрытие соединено с кровлей с обеспечением подвижности относительно нижней кромки кровли посредством соединительных элементов, установленных вдоль нижней кромки кровли.
Недостатком известного устройства, является необходимость внесения изменений в конструкцию кровель уже существующих зданий, что влечёт за собой дополнительные материальные и временные затраты.
Задачей полезной модели является обеспечение безопасных условий для жизни и здоровья людей и сохранения имущества от воздействия падения большого скопления наледи с кромок кровли зданий.
Техническим результатом заявленной полезной модели является высокая энергетическая эффективность заявленного устройства, в том числе и в районах с холодными зимами.
Поставленная задача решается, и технический результат достигается путём разработки устройства периодического удаления сосулек и наледи, образующихся на кромках кровли зданий.
Общий вид устройства для удаления наледи и сосулек с кромки кровли зданий показан на фигуре 1. При отрицательных температурах вода, стекающая с кровли 1, замерзает на поверхности упругого элемента (УЭ) 3, образуя свисающую наледь и сосульки 6. Устройство состоит из УЭ 3, соединённого с кровлей 1 с помощью болтового или любого аналогичного соединения. Виброизолирующая прокладка 2 обеспечивает наличие зазора между УЭ 3 и кровлей 1. К УЭ 3 прикреплён сдвоенный ультразвуковой пьезопреобразователь (УЗПП) 4, получающий питание от источника питания (ИП) 5.
Электрическая схема устройства показана на фигуре 2. При необходимости удаления наледи, выключателем 7 подключают электрическую сеть к входному разъёму ИП XT1. Сетевое напряжение 220В выпрямляется с помощью двухполупериодного моста 11, входной фильтр, состоящий из конденсаторов 9, 10 препятствует проникновению помех из ИП в сеть, резистор 12 ограничивает пиковый ток при подаче напряжения сети, предохранитель 8 защищает питающую сеть в случае неисправности ИП. Запуск ИП обеспечивает резистор 13, открывающий транзисторный ключ 17. Управляющим элементом ИП является насыщающийся трансформатор 16 с тремя обмотками, из них две управляющие и одна силовая. Транзисторные ключи 17 и 20 открываются противофазно от положительных импульсов с управляющих обмоток. Для этого управляющие обмотки включены в базы ключей противофазно (начала обмоток обозначены точками), форсирующие цепочки 14,15 и 18,19 обеспечивают их ускоренное запирание. Переменное напряжение со средней точки ключей подаётся через разделительный трансформатор 27, дроссель 28 и разъём XT2 на параллельно соединённые УЗПП 30 и 31. Величина индуктивности дросселя подобрана так, чтобы компенсировать суммарную электрическую ёмкость УЗПП 30 и 31 на паспортной рабочей частоте пьезопреобразователей. Ток, потребляемый УЗПП 30 и 31, измеряется силовой обмоткой насыщающегося трансформатора 16, т.е., увеличение силы тока, проходящего через эту обмотку, ускоряет его вхождение в насыщение, следовательно, приводит к увеличению частоты коммутации ключей 17 и 20. Резистор 29 предотвращает выбросы напряжения на силовой обмотке трансформатора 16, обусловленные его паразитными параметрами, диоды 21 и 22 защищают силовые ключи от отрицательных выбросов напряжения, подаваемого на УЗПП 30 и 31, конденсаторы 23 и 24 образуют цепь блокировки ключей 17 и 20 по переменному току, резисторы 25 и 26 уравнивают рабочие напряжения конденсаторов 23 и 24. Т.к. одним из рабочих электродов каждого из пьезопреобразователей 30 и 31 является корпус, то в целях защиты людей от поражения электрическим током при обслуживании и ремонте устройства, он заземляется.
о
м
м
м
r
r
r
r
При выборе режима работы УЗПП предпочтение было отдано режиму последовательного резонанса тока возбуждения, поскольку он является самым простым и надёжным в реализации. Согласно исследованиям [1], мы можем представить поведение высокодобротного ультразвукового излучателя вблизи механического резонанса с помощью упрощённой электромеханической модели УЗПП, представленной на фигуре 3. Комплексное сопротивление Z ультразвукового излучателя состоит из параллельно включенной электрической ветви, представленной C - электрической ёмкостью пьезокерамики, и механической, выраженной с помощью цепочки LRC - эквивалентной индуктивностью, сопротивлением и ёмкостью колебательной системы УЗПП. Ранее упоминалось, что ветви комплексного сопротивления соединены параллельно, следовательно, его минимум будет наблюдаться в точке механического резонанса Z(F) при соответствующей частоте тока возбуждения F и комплексного электрического сопротивления УЗПП Z на частоте механического резонанса.
r
r
Следует напомнить, что частота коммутации ключей 17 и 20 зависит от тока, потребляемого УЗПП 30 и 31, проходящего через насыщающийся трансформатор 16. При постоянном выходном напряжении ИП, минимуму комплексного электрического сопротивления двух параллельно включённых УЗПП 30 и 31 будет соответствовать максимум потребляемого тока, проходящего через силовую обмотку управляющего насыщающегося трансформатора 16, отсюда частота коммутации ключей 17 и 20 будет стремиться к F УЗПП 30 и 31, которые, как правило, берутся из одной заводской партии и, следовательно, будут иметь максимально близкую частоту механического резонанса F.
Таким образом, реализуется положительная обратная связь по току нагрузки, ИП автоматически возбуждается на частоте механического резонанса системы УЗПП - УЭ - присоединённая наледь.
УЭ 3 деформируется под воздействием механических импульсов, генерируемых сдвоенным УЗПП 4, при этом происходит удаление наледи 6 с его поверхности и падение её на землю под воздействием сил тяжести. По завершению процесса удаления наледи 6, устройство обесточивают тем же выключателем 7, и процесс повторяется снова. Применение виброизолирующих прокладок 2 позволяет избежать потерь механической энергии в поверхности кровли.
Список источников:
1. http://www.mpi-ultrasonics.com/content/part-1.