СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ЛЬДА И НАЛЕДИ С РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF REMOVING ICE AND SLEET FROM VARIOUS SURFACES

Изобретение относится области чистки поверхностей от твердых природных материалов с помощью электрического поля, образованного высоким напряжением, в частности с использованием токов высокой частоты для нагрева тел.
В практическом применении изобретение относится к области коммунального ухода за дорожным покрытием и другими поверхностями в регионах страны, расположенных в северной климатической зоне, где в течение длительного периода проводятся работы по поддержанию дорог, тротуаров и зданий в эксплуатационном состоянии с целью снижения аварийности на автомагистралях, дорогах и улицах городов, для осуществления которых применяется электрический нагрев нижней кромки льда, сцепленной с поверхностью дорожного покрытия, с помощью нагрева электрическим полем с использованием СВЧ.
Для нашей страны зимний гололед и снежные заносы с наледью нередко становятся причиной серьезных проблем: многокилометровые «пробки» на автомагистралях и городских дорогах, ДТП, несчастные случаи на дорогах, травмы из-за падения людей во время гололеда, ограничение возможности проезда и др.
Действующие нормы зимнего содержания дорог и степени очистки покрытий от снега и льда зависят от интенсивности движения автомобильного транспорта и категории дороги. На покрытии дорог высших категорий (перроны, рулежные и взлетно-посадочные полосы аэропортов) не допускается наличие снега, снежного наката, льда, валов вдоль обочин. Требования к дорогам более низкой категории менее жесткие: поверхность их всегда должна быть очищена от снега и посыпана противогололедными реагентами. Основными мероприятиями зимней уборки в городах и поселках являются своевременное удаление снега-с тротуара, удаление сосулек и наледи на кровле и водосточных трубах, представляющих реальную опасность для горожан. Процесс очистки тротуаров от снега и наледи включает в себя либо механическое скалывание льда и удаление снежно-ледяных образований (наледей), либо обработку тротуарного покрытия противогололедными материалами.
Для удаления льда с полотна шоссейных дорог и тротуаров используется разнообразная специализированная снегоуборочная техника, включающая в себя набор разнообразных быстросъемных приспособлений. В ходе работы снегоуборочная техника сгребает снег, скалывает ледяной наст и грузит образующуюся смесь на грузовые автомобили для вывоза в места сбора (на свалки снега и снеготаялки для сплава в канализационную сеть). Для борьбы с наледью и снегом применяют тепловые машины и распределители соляных и химических реагентов. Для зимнего содержания тротуаров, дорог и аэродромов, очистки от снега и наледи используется разнообразная снегоуборочная техника, оснащаемая навесными рабочими органами: плужная, щеточная, роторная (с плужно-, шнеко- и фрезерно-роторным рабочими органами); скребковые транспортеры; вакуумная; тепловая; распределители противогололедных (технологических) материалов. В ряде случаев используют шасси автомобилей или тракторов, трансмиссия которых в первую очередь адаптирована для привода рабочего органа. Для высокого темпа работы или функционирования в сложных условиях применяются снегопогрузчики непрерывного действия, аэродромные уборочные комплексы для сезонных работ, высокопроизводительные снегоуборочные агрегаты на шасси грузовых автомобилей, оборудованные активным рабочим органом.
Известно, что все названные способы с использованием специализированного транспорта и навесных приспособлений весьма трудоемки и требуют привлечения в периоды снегопадов армию тружеников для ручного скалывания льда с тротуаров. Применение химических реагентов в большом городе чревато ухудшением экологической обстановки, увеличением респираторных заболеваний, гибелью животных и растений.
Аналогом данного изобретения можно принять навесной агрегат с тепловой «пушкой», монтируемой на шасси грузовых автомобилей и используемой для очистки ВПП и рулежных дорожек в аэропортах и на аэродромах. В снегоуборочной технике применяются тепловые пушки, но КПД таких тепловых систем весьма низок, так как основная тепловая энергия рассеивается, нагревая окружающий воздух. В тепловых «пушках» используется физический принцип теплопередачи от теплоносителя (горячей струи) к теплоприемнику (воде, находящейся в твердой фазе) только через теплопроводность.
Известно, что скорость теплопередачи для большинства веществ весьма низка и теплообмен определяется величиной температурного перепада - температурным градиентом. Эффект разрушительного воздействия тепловой струи на ледяную корку в современной снегоуборочной технике достигается высокой температурой струи. Чтобы лед начал разрушаться (перешел в полужидкое состояние), необходимо передать каждому грамму льда 427 калорий. И только в аэропортах, где затраты из-за задержки вылета авиалайнера и простоя авиатехники еще выше, приходится их применять.
Наиболее близким аналогом данного изобретения является представленный в RU 2303097 С2 (20.07.2007) способ удаления льда и наледи с различных поверхностей, основанный на применении СВЧ-излучения и включающий размещение навесного излучателя на передвижной установке, воздействие СВЧ-излучением на зону сцепления ледяной корки и поверхности, ослабление молекулярной связи между льдом и поверхностью, разрушение ослабленной корки с помощью механического воздействия и удаление льда с поверхности.
Недостатком известного способа является малая эффективность технологического процесса.
Техническим результатом, достигаемым при реализации данного изобретения, является оптимизация технологического процесса разрушения ледяного покрытия при минимальных энергозатратах, что позволяет использовать электроэнергию эффективно, не нанося экологического вреда.
Применение СВЧ-технологии нагрева при снегоуборочных работах перед другими известными способами обеспечивает более высокую скорость нагрева, экономию электроэнергии, сохранение и накопление тепловой энергии от нагрева в различные интервалы времени, разделенные периодами без нагрева, совмещение снегоуборочной техники с технологией СВЧ; выбор частотного диапазона СВЧ-излучения проводится с учетом взаимодействия с материалом, на котором образуется ледяная корка.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе удаления льда и наледи с различных поверхностей на основе применения СВЧ-излучения с использованием передвижной установки, включающей узлы подвески с энергоблоком и электрическими связями, устанавливают на передвижной установке навесной излучатель, подключают к энергоблоку питание СВЧ, приближают излучатель к обрабатываемой поверхности, включают генератор СВЧ-излучения, воздействуют СВЧ-излучением на зону сцепления ледяной корки и поверхности и разогревают направленным СВЧ-излучением, тем самым ослабляют молекулярную связь между льдом и обрабатываемой поверхностью, при этом теплый воздух от охлаждающей системы СВЧ-клистрона подают в зону воздействия СВЧ-излучения на поверхность, разрушают ослабленную корку с помощью механического воздействия или переводят лед в жидкую фазу и отсасывают жидкость с помощью насоса.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен снегоуборочный комбайн; на фиг.2 - передвижная установка для удаления сосулек с крыш; на фиг.3 - излучатель для удаления наледи с крышки люка; на фиг.4 - передвижная установка для удаления наледи с корпуса судна; на фиг.5 - передвижная портативная установка для удаления наледи с буровой установки.
На прилагаемых фиг.1-5 приведены следующие обозначения.
1. Снегоуборочный комбайн.
2. Передвижная установка.
3. Дорожное полотно.
4. Ледяная корка.
5. Узел подвески.
6. Навесной струг.
7.Гидроподъемник.
8. Навесная СВЧ-установка.
9. Генератор СВЧ-излучения.
10. Излучатель.
11. Лазерный прицел.
12. Оптический прибор.
13. Сосулька.
14. Водосточная труба.
15. Наледь.
16. Люк.
17. Крышка люка.
18. Зона лучевого воздействия.
19. Охлаждающее устройство.
20. Воздуховод.
21. Борт судна.
22. Буровая вышка.
23. Вентиль.
24. Гибкий волновод.
25. Насос.
26. Энергоблок.
27. Кабель.
28. Емкость.
29. Шланг с насадкой.
На фиг.1 изображен снегоуборочный комбайн с оборудованием для СВЧ-обработки, где снегоуборочный комбайн 1, энергоблок 26, кабель 27, узел подвески 5, гидроподъемник 7, генератор СВЧ-излучения 9, излучатель 10, охлаждающее устройство 19 с воздуховодом 20, емкость 28 для сбора воды с насосом 25 и шланг с насадкой 29.
На фиг.2 изображена передвижная установка 2, оснащенная устройством для удаления сосулек с крыш и наледей с водосточных труб, зданий, где генератор СВЧ-излучения 9, гидроподъемник 7, излучатель 10 - «пушка» с лазерным прицелом 11 и оптическим прибором 12 для контроля наводки «пушки» на зону воздействия.
На фиг.3 показан излучатель 10, по форме соответствующий обрабатываемому изделию - люку 16 с крышкой 17.
На фиг.4 изображена передвижная установка для удаления наледи с корпуса судна, где борт судна 21, наледь 15, передвижная установка 2, навесная СВЧ-установка 8, излучатель 10, зона лучевого воздействия 18, энергоблок 26, связанный кабелем 27 с генератором СВЧ-излучения 9.
На фиг.5 изображена передвижная портативная установка для удаления наледи и размораживания агрегатов буровой установки, где автономный энергоблок 26, генератор СВЧ-излучения 9, гибкий волновод 24, излучатель 10 в портативном исполнении.
На фиг.1 показан снегоуборочный комбайн 1 и ниже описан основной перечень процедур, характерных для всех вариантов применения этого способа. Оператор включает энергоблок 26, подключенный к навесной СВЧ-установке кабелем 27, с помощью гидроподъемника 7 подводит излучатель 10 навесной СВЧ-установки 8 к ледяной корке 4. Затем включает генератор СВЧ-излучения 9 и одновременно охлаждающее устройство 19. СВЧ-излучение воздействует на зону сцепления ледяной корки 4 и дорожного полотна 3, при этом разогревается дорожное полотно 3 в зоне лучевого воздействия 18. В результате поглощения лучевой энергии ослабляются межмолекулярные связи между ледяной коркой и дорожным полотном. Одновременно оператор продвигает снегоуборочный комбайн 1 вперед, скалывает и дробит навесным стругом 6 ослабленную ледяную корку 4 и удаляет ее с поверхности дорожного полотна 3. При необходимости растапливает ледяную корку и отсасывает с помощью насоса 25 и шланга с насадкой 29 растопленную массу льда и снега в емкость 28.
Варианты применения навесной СВЧ-установки показаны на фиг.1-5.
На фиг.2 показана установка для удаления сосулек с крыш и наледей с водосточных труб с применением СВЧ-излучения. Оператор наводит излучатель 10 - СВЧ «пушку» с лазерным прицелом 11, воздействуя на зону, где закрепилась сосулька 13 на кровле, контролирует наводку с помощью оптического прибора 12. Далее оператор включает навесную СВЧ-установку в импульсный режим и воздействует на зону крепления сосульки 13 к крыше или на наледь 15 водосточной трубы 14 до момента обрыва сосульки или обрушения наледи с водосточной трубы. Далее оператор выбирает следующую сосульку и повторяет процесс. После завершения работы установку выключают.
На фиг.3 показан локальный разогрев зоны примерзания крышки 17 к люку 16. Для этого используется излучатель 10 кольцевой формы по диаметру крышки люка. Оператор направляет СВЧ-излучение на зону примерзания. После чего разогретую крышку 17 легко снимают с люка 16. Кольцевая форма излучателя 10 уменьшает время необходимого воздействия и количество потребляемой энергии для этой процедуры.
На фиг.4 показана схема удаления наледи на корпусах судов. Передвижную установку 2 подводят к борту судна 21, к зоне лучевого воздействия 18, включают излучатель 10 и производят разогрев выбранной зоны на борту судна 21. Разогрев наледи 15 происходит за счет интенсивного поглощения СВЧ металлом обшивки. Разогрев ведут до обрушения наледи на разогреваемом участке борта судна.
На фиг.5 представлено применение способа для удаления наледи и размораживания агрегатов буровой установки. Процедура размораживания состоит в следующем: оператор подводит СВЧ-установку к месту работы, берет в руки излучатель 10, наводит его на размораживаемый агрегат, например вентиль 23, и включает генератор 9, СВЧ-излучение по гибкому волноводу 24 поступает в излучатель 10, воздействует на металл агрегата и разогревает вентиль. Оператор контролирует момент восстановления работоспособности агрегата визуально или другим доступным ему способом.
Разогрев агрегатов буровой установки и удаление наледей с помощью указанного способа обеспечивает безопасность при использовании на таком пожароопасном объекте как буровая вышка.
Энергоблок перечисленных выше установок, в зависимости от мощности применяемого генератора СВЧ-излучения, может быть выполнен как автономным, так и отбирать часть мощности от основного агрегата снегоуборочного комбайна.
Работы по уборке льда или удалению наледи в городских условиях с помощью указанного способа и устройства СВЧ-излучения позволяют решить некоторые из вышеперечисленных проблем в народном хозяйстве, так как по сравнению с тепловым воздействием, применяемым в снегоуборочной технике, СВЧ-излучение обладает существенным преимуществом ввиду практически мгновенного его действия и проникновения на всю глубину ледяной корки, что существенно снижает рассеивание тепловой энергии в окружающую среду.
Следует отметить, что в разработке навесных СВЧ-агрегатов может быть использована СВЧ-техника, применяемая в таких отраслях народного хозяйства, как сушка древесины, обработка продуктов питания. В сушке древесины применяются мощные СВЧ-приборы (более 40-60 кВт), в создании и производстве которых страна занимает передовые позиции. Многорезонаторные клистроны идеально подходят для использования в оборудовании для удаления льда и наледи на дорогах, тротуарах и элементах зданий. У клистронов продольный размер коллектора не связан с длиной волны, поэтому при мощностях до 10 кВт может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного охлаждения предпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух используется для дополнительного подогрева продукта. Широко используемые клистроны непрерывного действия имеют мощность 25-50 кВт при КПД 45-50% в диапазоне 2450 МГц, а применение многолучевых клистронов позволит значительно увеличить долговечность и выходную мощность в коротковолновом диапазоне (12,5 см), используемом для удаления влаги.
Технология уборки за счет введения в процесс очистки ото льда и наледей такой технологической процедуры, как предварительное воздействие СВЧ-излучения с целью ослабления сцепления ледяной корки и поверхности, на которой она образовалась, найдет широкое применение, а именно:
- в коммунальных хозяйствах позволит удалять сосульки с крыш дистанционным способом и очищать водосточные трубы ото льда ввиду повышенного поглощения СВЧ-излучения металлом кровли и водосточных труб;
- в авиационных частях и аэропортах северных регионов позволит снизить зависимость их работы от погодных условий;
- в судостроительной и судоремонтной промышленности позволит существенно экономить на процедуре очистки ото льда и наледей судов, а также разделения листов стали, смерзающихся при низких температурах;
- в нефтегазовой и горнодобывающей промышленности, где требуются эффективные способы и оборудование для удаления льда и оперативного размораживания механизмов, без применения открытого огня.