УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОКРЫТИЯ СООРУЖЕНИЯ ОТ АТМОСФЕРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
APPARATUS FOR PROTECTION OF STRUCTURE COVERING AGAINST WEATHERING

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации мостов и может быть использовано для защиты покрытий мостов, эстакад и т.д., расположенных вблизи водоемов (морей, заливов, озер) и водотоков (рек, каналов), от обледенения в холодное время года и размягчения в теплое.
Погодно-климатические факторы (температура и влажность воздуха, снегопад, гололед) оказывают большое влияние на состояние покрытия автомобильных дорог, аэродромов, а также мостов. Например, в течение года в конструкции моста и его дорожного покрытия протекают сложные процессы: нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, которые приводят к колебаниям влажности и температуры, изменениям геометрических размеров элементов конструкции и существенно влияют на прочность, срок эксплуатации, приводят к снижению их транспортно-эксплуатационных качеств. Необходима защита от климатического воздействия среды - регулирование теплового режима сооружения: подогрев зимой и охлаждение летом. Техническим решением является использование теплового насоса. Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой за счет подвода внешней работы. Тепловой насос - это комплекс взаимосвязанных элементов: испарителя, компрессора (повышающего давление), конденсатора и дроссельного клапана (для расширения рабочего агента - хладагента) [Трубаев П.А., Гришко Б.М. Тепловые насосы. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2009. - 142 с.], [Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. - Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с.]. Источником низкопотенциального тепла для теплового насоса, служащего для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от обледенения, является вода водоема. Образование гололеда происходит в диапазоне температур минус 5÷0°С. Таким образом, для защиты покрытия от обледенения необходимо поддерживать температуру покрытия ~1°С.
Известно устройство для обогрева или охлаждения дорожного покрытия, характеризующееся тем, что содержит 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, а с противоположных сторон плиты расположены торцевые патрубки, связывающие между собой теплообменник, дроссельные элементы и источник принудительной циркуляции незамерзающего рабочего агента [Патент РФ №2287040, Е01С 11/26, 10.11.2006].
Устройство имеет недостатки: материалоемкость и трудоемкость изготовления и монтажа плиты, размещенной внутри дорожной насыпи под покрытием.
Известно устройство для предотвращения и удаления гололеда с поверхности аэродромных и дорожных покрытий, включающее теплопередающие элементы в виде заполненных легкокипящей жидкостью и расположенных под слоем покрытия герметичных труб, концевые участки которых выведены за пределы покрытия и соединены с источником тепла, причем в качестве источников тепла использованы магистральные теплоподающие и обратные трубопроводы, размещенные в железобетонных лотках [Патент РФ №2059028, Е01С 11/24, Е01С 11/26, 27.04.1996].
Устройство имеет следующие недостатки:
в качестве источников тепла использованы магистральные теплоподающие и обратные трубопроводы, т.е. тепловые сети, имеющие низкую экономичность и надежность, связанную с устаревшим оборудованием;
значительная протяженность магистральных трубопроводов в случае отдаленного расположения теплогенерирующего предприятия (котельной, ТЭЦ);
не предусмотрена возможность защиты покрытия от размягчения в летний период.
Известна система обогрева дорожного покрытия, содержащая разводку магистральных подающих и обратных трубопроводов, проложенных под дорожным покрытием, источник тепла, насос и нагревательные блоки, установленные под обогреваемым дорожным покрытием по его площади, а также исполнительную и контрольно-регулировочную аппаратуру, при этом система снабжена подземным резервуаром с теплоаккумулирующим веществом и в нее введена дополнительная магистраль с теплообменником, расположенным в указанном резервуаре [Патент РФ №2347032, Е01С 11/26, 10.10.2008].
Система имеет следующие недостатки:
сложность конструкции;
материалоемкость и трудоемкость изготовления и монтажа нагревательного блока и расположенного под землей резервуара;
часть оборудования (тепловой пункт и нагревающие ветви) в летнее время не эксплуатируется, т.к. служат для обогрева покрытия в зимнее время;
не указан источник получения электроэнергии для работы насоса;
высокие эксплуатационные затраты, связанные с тем, что источником тепла для теплового пункта является городская система обогрева помещений.
Наиболее близким по существенным признакам и достигаемому результату к заявленному изобретению является устройство для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от обледенения и сохранения его твердости в теплое время года, содержащее трубчатый регистр в покрытии, систему циркуляции по нему незамерзающей жидкости, теплообменник и осмотический подпитыватель в виде полупроницаемой мембраны, опущенные под сооружение в водоем ниже низшего годового горизонта воды в водоеме, соединенные с трубчатым регистром, подающим и обратным трубопроводами, последний из которых снабжен искусственным побудителем в виде насоса, байпасной линией с нормально открытым обратным клапаном [Патент РФ №2060316, Е01С 11/24, 20.05.1996 г.].
Основным недостатком установки является то, что количество теплоты, передаваемое покрытию сооружения, ограничено разностью температур покрытия и воды в водоеме. Температура незамерзающей жидкости, нагреваемой за счет воды водоема, не может быть выше температуры воды. В зимнее время это порядка 4°С. Незамерзающая жидкость, подогревая материал покрытия, не должна охлаждаться ниже 0÷1°С. Количества теплоты, выделяющегося при охлаждении незамерзающей жидкости не более чем на 4°С, недостаточно для получения высокой эффективности установки и требует большого расхода теплоносителя - незамерзающей жидкости.
max
н.ж.
н.ж.
н.ж.
<mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mtext>í</mtext><mtext>.æ</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mo>∼</mo><mn>3,8</mn><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>Д</mi><mi>ж</mi></mrow><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mtext>í</mtext><mtext>.æ</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mtext>í</mtext><mtext>.æ</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>∼</mo><mfrac><mrow><mn>2,4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>3,8</mn><mo>⋅</mo><mn>4</mn></mrow></mfrac><mo>∼</mo><mn>158</mn><mtext> кг/с</mtext></mrow>
Максимальное количество теплоты, которое может быть получено при охлаждении незамерзающей жидкости Q=с·Δt·G, где -
- теплоемкость незамерзающей жидкости. Δt=4°С, G, кг/с - расход незамерзающей жидкости. В действительности количество теплоты, переданное покрытию при охлаждении незамерзающей жидкости, будет значительно меньше из-за тепловых потерь. Для поддержания температуры 1°С покрытия моста размерами 689,56 м × 25,6 м при температуре наружного воздуха минус 14,6°С (средняя месячная температура самого холодного месяца для г.Уфа) по проведенным расчетам необходимо порядка Q~2,4 МВт. Таким образом, расход незамерзающей жидкости, необходимый для обогрева моста
.
Кроме того, в прототипе насос используется для интенсификации теплообмена. Однако при разнице температур нагретого и охлажденного теплоносителя в несколько градусов (не более 4° в зимнее время), разности удельных весов может оказаться недостаточно для обеспечения естественной циркуляции. В этом случае работа насоса потребуется постоянно. Для работы насоса необходимы затраты электроэнергии. Источник получения электрической энергии в прототипе не указан.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения устройства электроэнергией, повышение эффективности устройства для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от обледенения в холодное время года и сохранение его твердости в теплое время года.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности устройства для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, с помощью теплового насоса.
Задача решается за счет того, что устройство для защиты покрытия сооружения, содержащее теплообменник, опущенный под сооружение в водоем ниже низшего годового горизонта воды в водоеме, систему циркуляции по нему незамерзающей жидкости и трубчатый регистр в покрытии, в отличие от прототипа снабжено тепловым насосом, включающим в себя испаритель, трубная система которого соединена с теплообменником, опущенным в водоем, конденсатор, трубная система которого соединена с трубчатым регистром, компрессор и дроссельный клапан, при этом рабочим агентом теплового насоса является хладагент, теплоносителем, циркулирующим в трубчатом регистре в покрытии, - вода, а трубчатый регистр снабжен снизу теплоизолирующим слоем.
Кроме того, согласно изобретению в предлагаемом техническом решении компрессор связан с ветроустановкой, являющейся для него источником электрической энергии. Работа ветроустановки возможна за счет разности температур воздуха над поверхностью воды и на уровне сооружения, являющейся условием возникновения ветра.
Существо изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена схема устройства.
Устройство для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от атмосферного воздействия содержит трубчатый регистр 1 в покрытии сооружения, например моста 2, конденсатор 3, трубная система которого соединена с трубчатым регистром 1. Под сооружение в водоем 4 опущен теплообменник 5, соединенный с трубной системой испарителя 6. Конденсатор 3, испаритель 6, а также компрессор 7 и дроссельный клапан 8, соединенные между собой системой циркуляции хладагента 9, представляют собой тепловой насос. Расположение элементов теплового насоса относительно сооружения и водоема не оговаривается и зависит от конструкции. Однако конденсатор 3 должен располагаться вблизи трубчатого регистра 1, испаритель 6 - вблизи теплообменника 5 для того, чтобы избежать увеличения длины труб и теплопотерь.
Устройство работает следующим образом. Низкопотенциальный теплоноситель - незамерзающая жидкость, например рассол, проходя по теплообменнику 5, уложенному на дне водоема, например реки 4, нагревается. Затем поступает в испаритель 6, где отдает тепло хладагенту, например фреону. Проходя через испаритель 6, хладагент превращается из жидкого состояния в газообразное. Из испарителя 6 газообразный хладагент попадает в компрессор 7, где сжимается до состояния высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает в конденсатор 3. В конденсаторе 3 происходит теплообмен между горячим газом и высокопотенциальным теплоносителем - водой. Вода, нагреваясь в конденсаторе 3 за счет теплоты, выделяющейся при конденсации фреона, проходит по трубчатому регистру 1, отдавая тепло покрытию моста 2. Для исключения потерь тепла между трубчатым регистром 1 и нижележащим
слоем конструкции сооружения проложен слой тепловой изоляции (на чертеже не показан). При прохождении хладагента через предусмотренный дроссельный клапан 8 давление хладагента понижается, он переходит в жидкое состояние и снова попадает в испаритель 6.
Аналогично прототипу, существует возможность реверсной работы устройства: переключения с режима обогрева зимой на режим охлаждения летом.
Таким образом, применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет:
- использовать тепло воды водоема, аккумулированное с помощью незамерзающей жидкости, на испарение хладагента. Т.к. хладагент имеет очень низкую температуру кипения, в испарителе незамерзающая жидкость может охлаждаться ниже ~ минус 10°С (в зависимости от типа используемого хладагента и характеристик незамерзающей жидкости). Таким образом, количество теплоты, полученное незамерзающей жидкостью от воды водоема, увеличивается. Следовательно, увеличивается эффективность использования низкопотенциальной энергии.
Т.е. для того, чтобы передать хладагенту количество теплоты Q~2,4 МВт за счет охлаждения незамерзающей жидкости на Δt=4-(-10)=14°С, необходимо
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mtext>í</mtext><mtext>.æ</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mtext>í</mtext><mtext>.æ</mtext><mtext>.</mtext></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>∼</mo><mfrac><mrow><mn>2,4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>3,8</mn><mo>⋅</mo><mn>14</mn></mrow></mfrac><mo>∼</mo><mn>45</mn><mtext> кг/с</mtext></mrow>
- для обогрева покрытия сооружения вместо низкопотенциального теплоносителя - незамерзающей жидкости с максимальной температурой в зимний период 4°С использовать высокопотенциальный теплоноситель - воду с температурой порядка 30-40°С, нагретую за счет тепла, выделяющегося при фазовом превращении - конденсации хладагента, имеющего высокое давление и высокую температуру.
Таким образом, увеличивается количество теплоты, переданное покрытию сооружения. Следовательно, увеличивается эффективность устройства.
- решить проблему снабжения устройства электроэнергией за счет использования в качестве привода компрессора ветроустановки.
Предлагаемое устройство имеет экологическую направленность, поскольку в настоящее время повсеместно применяют противогололедные средства, оказывающие вредное влияние на окружающую среду, а также на конструкцию сооружения. Преимуществом использования теплового насоса является экологическая чистота системы.