ТЕПЛОТРУБНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ АЭРОДРОМНЫХ И ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
HEAT PIPE SYSTEM FOR THERMAL CONTROL OF AERODROME AND ROAD SURFACES

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано для предотвращения и удаления снежно-ледяных образований с поверхности аэродромных и дорожных покрытий в зимний период и предотвращения их размягчения в летний период.
Известно устройство для защиты покрытий аэродромов и автомобильных дорог от обледенения, содержащее трубчатый теплообменник, расположенный в полотне покрытия, водозаборные и нагнетательные скважины, насос, рекуперативный теплообменник-парогенератор, работающий на аммиаке (легкокипящей жидкости), соединенный системой трубопроводов с трубчатым теплообменником и скважинами [Патент РФ №1834947, МПК Е01С 11/24, 1993].
Недостатками известного устройства являются сложная конструкция, необходимость подачи электроэнергии для работы насоса и невозможность снижения температуры покрытия в летний период, что снижает эффективность и надежность его работы.
Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для предотвращения и удаления гололеда с поверхности аэродромных и дорожных покрытий, включающее теплопередающие (теплообменные) 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, в качестве которого использованы проложенные поблизости магистральные подающие и обратные теплопроводы [Патент РФ №2059028, МПК Е01С 11/24, 11/26, 1996].
Недостатками известного устройства являются необходимость наличия поблизости теплопроводов и невозможность снижения температуры покрытия в летний период, что снижает его эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплотрубной системы терморегулирования аэродромных и дорожных покрытий с использованием низкопотенциального тепла незамерзающего грунта и солнечной энергии.
Технический результат достигается в теплотрубной системе терморегулирования аэродромных и дорожных покрытий, включающей расположенные под покрытием верхние теплообменные элементы, каждый из которых выполнен из труб, соединенных между собой крестовидно и по периметру, внутренняя поверхность низа которых покрыта слоями фильтра, представляющими собой цилиндрические сегменты, а остальная внутренняя поверхность покрыта решеткой из полос фильтра, образующей ячейки, соединенной с цилиндрическими сегментами фильтра, расположенные ниже уровня промерзания грунта нижние теплообменные элементы, устройство каждого из которых зеркально отражает устройство верхних теплообменных элементов, причем низ средней трубы каждого верхнего теплообменного элемента соединен с верхом средней трубы соответствующего нижнего теплообменного элемента вертикальной тепловой трубой, внутренняя поверхность которой покрыта кольцевым фильтром, верхняя кромка которого соединена со цилиндрическими сегментами фильтра труб верхнего теплообменного элемента, нижняя кромка соединена с цилиндрическими сегментами фильтра труб нижнего теплообменного элемента, трубы, расположенные по периметру каждого верхнего теплообменного элемента, снабжены паровыми патрубками, соединенными трубопроводами, расположенными за пределами покрытия, через паровой коллектор и обратный клапан с регулировочным резервуаром, представляющим собой герметичный сосуд, поддон которого заполнен легкокипящей жидкостью, которой заполнены также цилиндрические сегменты фильтров, фильтры решеток и кольцевые фильтры всех теплообменных элементов и тепловых труб.
На фиг.1 представлен предлагаемый общий вид, на фиг.2, 3 - разрезы, на фиг.4-9 - узлы теплотрубной системы терморегулирования аэродромных и дорожных покрытий (ТТСТРАДП).
ТТСТРАДП содержит расположенные под покрытием 1 верхние теплообменные элементы 2, каждый из которых выполнен из труб 3, соединенных между собой крестовидно и по периметру, внутренняя поверхность низа которых покрыта слоями фильтра (пористого материала) 4, представляющими собой цилиндрические сегменты, а остальная внутренняя поверхность покрыта решеткой 5 из полос фильтра (пористого материала), образующей ячейки 6, соединенной с цилиндрическими сегментами фильтра 4, расположенные ниже уровня промерзания грунта 7 нижние теплообменные элементы 2а, представляющие собой зеркальное отражение верхних теплообменных элементов 2, каждый из которых выполнен из труб 3а, соединенных между собой крестовидно и по периметру, внутренняя поверхность верха которых покрыта цилиндрическими сегментами фильтра (пористого материала) 4а, а остальная внутренняя поверхность покрыта решеткой 5а из полос фильтра (пористого материала), образующей ячейки 6а, причем середина низа средней трубы 3 каждого верхнего теплообменного элемента 2 соединена с верхом середины средней трубы 3а соответствующего нижнего теплообменного элемента 2а вертикальной тепловой трубой 8, внутренняя поверхность которой покрыта кольцевым фильтром (пористым материалом) 9, верхняя кромка которого соединена с цилиндрическими сегментами фильтра 4 труб 3 верхнего теплообменного элемента 2, нижняя кромка соединена с цилиндрическими сегментами фильтра 4а труб 3а нижнего теплообменного элемента 2а, причем трубы 3, расположенные по периметру каждого верхнего теплообменного элемента 2, снабжены паровыми патрубками 10, соединенными трубопроводами, расположенными за пределами покрытия 1, через паровой коллектор 11 и обратный клапан 12 с регулировочным резервуаром 13, представляющим собой герметичный сосуд, поддон которого заполнен легкокипящей жидкостью, которой заполнены также цилиндрические сегменты фильтров 4 и 4а, фильтры решеток 5 и 5а и кольцевые фильтры 9 всех теплообменных элементов 2, 2а и тепловых труб 8.
В основу работы предлагаемой ТТСТРАДП положены: особенности температурного профиля по глубине грунта (в зимнее время на большей части территории России температура грунта ниже уровня промерзания выше нуля), зависимость температуры кипения жидкости от давления и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью [В.В.Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с.146; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М., 1990, с.22].
В качестве рабочей жидкости для ТТСТРАДП могут быть использованы аммиак, различные виды хладонов (рабочую жидкость выбирают в зависимости от географического расположения покрытия).
ТТСТРАДП работает следующим образом.
Перед началом работы контур ТТСТРАДП заполняется легкокипящей (рабочей) жидкостью таким образом, чтобы были заполнены поры цилиндрических сегментов фильтров 4 и 4а, полосы фильтров решеток 5 и 5а, кольцевые фильтры 9 всех теплообменных элементов 2, 2а, тепловых труб 8 и поддон регулировочного резервуара 13.
1
к
г
С наступлением зимнего времени производят регулировку обратного клапана 12 на давление P, величину которого выбирают такой, чтобы температура кипения (конденсации) рабочей жидкости была ниже, чем средняя температура грунта 7 в зимнее время на глубине заложения нижнего теплообменного элемента 2а, которую выбирают ниже глубины промерзания грунта 7 (t<t). В процессе работы трубы 3а нижних теплообменных элементов 2а ТТСТРАДП подвергаются тепловому воздействию грунта 7, в результате чего рабочая жидкость, находящаяся в порах полос фильтра решеток 5а нагревается, поступает в ячейки 6а, где происходит ее испарение (полосы фильтра решетки 5а предотвращают образование паровой пленки на внутренней поверхности трубы 3а и, таким образом, интенсифицируют процесс испарения), образуется пар. Полученный пар из всех труб 3а нижнего теплообменного элемента 2а направляется в тепловую трубу 8 и через ее паровое пространство поступает в верхний теплообменный элемент 2, который соприкасается с покрытием 1, охлаждаемым наружной холодной средой, где распределяется по всем его трубам 3. Пар, поступивший в трубы 3, охлаждается в ячейках 6 решеток 5 (полосы фильтра решетки 5 уменьшают толщину жидкостной пленки на внутренней поверхности трубы 3 и, таким образом, интенсифицируют процесс конденсации), конденсируется, отдавая тепло конденсации покрытию 1 за счет процесса теплообмена через стенки труб 3, в результате чего поверхность покрытия 1 нагревается, предотвращая образование на нем наледи. Образовавшийся конденсат (рабочая жидкость) всасывается порами полос фильтра решеток 5, соединенных с ними цилиндрических сегментов фильтра 4 всех труб 3 и кольцевого фитиля 9 тепловой трубы 8, по которому за счет капиллярных сил поступает в цилиндрические сегменты фитиля 4а всех труб 3а нижнего теплообменного элемента 2а, распределяется по всем полосам фитиля решеток 5а, после чего происходит его испарение на поверхности ячеек 6а за счет тепла незамерзшего грунта и вышеописанный цикл повторяется.
2
к
г
1
2
2
С наступлением летнего времени производят регулировку клапана 12 на давление Р, величину которого выбирают такой, чтобы температура кипения (конденсации) рабочей жидкости была выше, чем средняя температура грунта 7 в летнее время на глубине заложения нижнего теплообменного элемента 2а (t>t). В процессе работы за счет тепла солнечной энергии нагревается регулировочный резервуар 13, рабочая жидкость, находящаяся в его поддоне начинает испаряться, в результате чего в нем поднимается давление от P до Р, клапан 12 открывается и во всем контуре ТТСТРАДП происходит увеличение давления до значения Р, после чего клапан 12 закрывается. При этом трубы 3 верхних теплообменных элементов 2 ТТСТРАДП подвергаются тепловому воздействию со стороны покрытия 1, нагреваемого солнцем, в результате чего рабочая жидкость, находящаяся в порах решеток 5, нагревается, поступает в ячейки 6 между полосами фильтра, где происходит испарение рабочей жидкости и образуется пар, а покрытие 1 охлаждается. Полученный пар из всех труб 3 верхнего теплообменного элемента 2 направляется в тепловую трубу 8 и через ее паровое пространство поступает в нижний теплообменный элемент 2а, трубы 3а которого соприкасаются с грунтом 7, температура которого ниже температуры конденсации рабочей жидкости, где распределяется по всем его трубам 3а. Пар, поступивший в трубы 3а, охлаждается в ячейках 6а решеток 5а, конденсируется, отдавая тепло конденсации грунту 7. Образовавшийся конденсат (рабочая жидкость) всасывается порами полос фильтра решеток 5а, соединенных с ними цилиндрических сегментов фильтра 4а всех труб 3а и кольцевого фитиля 9 тепловой трубы 8, по которому за счет капиллярных сил поступает в цилиндрические сегменты фитиля 4 всех труб 3 верхнего теплообменного элемента 2, распределяется по всем полосам фитиля решеток 5, после чего происходит его испарение на поверхности ячеек 6 за счет тепла покрытия 1, в результате чего покрытие 1 охлаждается и вышеописанный цикл повторяется.
Таким образом, конструкция предлагаемой ТТСТРАДП позволяет использовать возобновляемую энергию в форме низкопотенциального тепла незамерзающего грунта и солнечной энергии для предотвращения и удаления снежно-ледяных образований с поверхности аэродромных и дорожных покрытий в зимний период и предотвращения их размягчения в летний период, что значительно повышает эффективность ее работы.