CN207211127U - 一种帐篷式土体防冻装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种帐篷式土体防冻装置，该装置包括帐篷式空气罩（5），产生热空气的高温空气发生器（1）以及将热空气向空气罩（5）内部传送的高速送风机（3）；空气罩（5）包括收放式支撑架（54）和篷布（51），篷布（51）上设有可开闭的排气口。本申请防冻装置通过热空气与防冻对象间的热对流和热传导来加热防冻对象表面，加热效率高、防冻效果好、使用方便且可实现大面积连续区域的升温防冻；收放式的支撑架使得帐篷式空气罩的使用更为方便灵活。本实用新型进一步还包括温度控制器，其能根据罩内温度与预设维持温度范围的关系控制高温空气发生器和高速送风机的工作状态，进一步提升了防冻效果，同时也避免了热能和电能的浪费。

Description

一种帐篷式土体防冻装置

技术领域

本实用新型涉及土体表层冻结防控技术领域，尤其涉及一种帐篷式土体防冻装置。

背景技术

冻土在我国分布范围较广，尤其在东北和西北存在大面积的多年冻土和季节冻土，除此之外在一些高海拔山区也存在冻土。冻土是一类特殊土类，其性质与温度密切相关，温度降低含冰量增大，会阻塞土体中水分迁移孔道，使土体导热性及渗透性发生变化，又因为同质量冰体积大于水体积，造成土体发生冻胀；相反如果温度升高含冰量减小，土体又会融化并沉降。在时间背景下，土体温度随季节周期性变化，则冻土就会发生冻融循环，进而改变土体内部结构，使土体热物理性质及力学性质发生改变，最终发生土体破坏。

近年来，随着西部大开发的积极推进和“一带一路”的战略发展，长大隧道、高速铁路、高速公路及大型水利设施逐渐在西部山区和高寒地区投建实施。有时工期较紧，难免在冻结期施工，伴随而来的是如何保证在冻结期施工过程中土料及施工作业面（即土体防冻对象，简称防冻对象）不发生冻结。

目前，施工现场土料和施工作业面的防冻措施大多采用直接覆盖棉被、草帘或者土工布等方法，但由于这些措施不能对防冻对象进行主动加热，没法保证防冻对象确实没有冻结，特别是当防冻对象已经发生冻结时，其更是没法实现快速结冻，防冻效果差。另外，施工现场往往都是大量土料和大面积施工作业面，需要进行大规模大范围的防控，显然上述现有的防冻措施需要耗费大量的人力物力，工作效率低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种防冻效果好、使用方便的帐篷式土体防冻装置。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种帐篷式土体防冻装置，其特征在于，该装置包括放置在防冻对象上的帐篷式空气罩，产生热空气的高温空气发生器以及将所述热空气以一定速度和压力向所述空气罩内部传送的高速送风机；所述空气罩包括收放式支撑架和设在所述支撑架上的篷布，所述篷布上设有可开闭的排气口。

优选的，所述支撑架包括数根纵向分布且整体与所述空气罩外形相适应的收缩杆，设在所述收缩杆前后两端对其起支撑作用的气压缸和收放连杆；其中，所述气压缸和收放连杆的根部通过活动铰连接在一起，所述气压缸头部设在上方所述收缩杆端部，所述收放连杆头部设在底部两根所述收缩杆端部；所述篷布内侧具有供所述收缩杆、所述气压缸和所述收放连杆穿过的穿越通道。

优选的，所述支撑架还包括并排设在其中一根所述收放连杆外侧的引导连杆，所述引导连杆一端连接设在所述活动铰上的主动轮，另一端连接设在这根收放连杆头部的从动轮。

优选的，所述空气罩还包括数根横向均匀分布在所述篷布内侧的柔性张力条以及与之配套使用的拉扣；所述柔性张力条的两端开设有数个供所述拉扣穿入并实现固定的固定孔，所述篷布内侧具有供所述柔性张力条穿过的穿越通道。

优选的，该防冻装置还包括围设在所述空气罩底部的自重式压膜。

优选的，所述高温空气发生器出风口与所述高速送风机进风口之间由高温聚热防护罩实现连接。

优选的，所述高速送风机出风口与所述空气罩进风口之间由螺纹送风管实现连接。

优选的，该防冻装置还包括温度控制器和设在所述空气罩内用来测量罩内温度的温度传感器；所述温度控制器能够根据所述罩内温度与预设维持温度范围的关系控制所述高温空气发生器和所述高速送风机的工作状态，以进一步提升防冻效果同时避免防冻装置持续工作造成热能和电能的浪费。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

（1）本实用新型防冻装置中，高温空气发生器产生热空气，高速送风机将热空气以一定速度和压力向空气罩内部传送，实现点-线-面一体的热流扩散模式，防冻效果好且使用方便：弥散的热空气在防冻对象上方形成一层热空气隔离层，通过热空气与防冻对象间的热对流和热传导来加热防冻对象表面，使防冻对象温度处于冻结温度以上以此保证防冻对象不发生冻结，加热效率高、防冻效果好且可实现大面积连续区域的升温防冻。另外，本申请帐篷式空气罩的支撑架为收放式，使用更为方便灵活。

（2）本实用新型防冻装置能够实现大面积全范围的防冻，并能够灵活移动、拆装方便，对确保工程质量、缩短工程周期、降低工程造价具有重要的现实意义。

（3）本实用新型进一步设有温度控制器，其能根据当前的罩内温度自动化控制高温空气发生器和高速送风机的工作状态，进一步提升了防冻效果，同时也避免了防冻装置持续工作造成热能和电能的浪费。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型帐篷式土体防冻装置的结构示意图。

图2为本实用新型空气罩的结构示意图。

图3为本实用新型支撑架的结构示意图。

图4为本实用新型帐篷式土体防冻装置的现场试验数据对比图。

图中：1—高温空气发生器，2—高温聚热防护罩，3—高速送风机，4—螺纹送风管，5—空气罩，51—篷布，52—柔性张力条，53—拉扣，54—支撑架，541—收缩杆，542—气压缸，543—收放连杆，544—引导连杆，6—自重式压膜。

具体实施方式

参考图1，本申请帐篷式土体防冻装置具体包括顺序连通的高温空气发生器1、高速送风机3和帐篷式空气罩5。其中，高温空气发生器1用于产生热空气的高温空气，其动力能源可以为燃料或电能，具体可选择便携式燃油暖风机或其他加热的能源设备构成，热空气的温度范围在50-150℃之间；高速送风机3用于将热空气以一定速度和压力向空气罩5内部传送，其可以由220V或380V电力驱动的高速轴流式风机或离心式风机构成；传送热空气的速度和压力没有特殊限定，与高速轴流式风机或离心式风机本身所能实现的速度和压力相适应即可。本申请防冻装置还包括围设在空气罩5底部内侧的自重式压膜6，其可以由自重较大、柔性良好、抗老化的硅胶材料制成，使得充入热空气的空气罩5紧贴在防冻对象表面，隔绝罩内外环境。

空气罩5在使用时放置在防冻对象上，其整体形状可以像图1所示的半圆柱型也可以是矩形或者其它类似形状，在结构上它可以由收放式支撑架54和设在支撑架54上的篷布51构成，篷布51具体可由韧性好、耐磨损、不透水、不吸湿、散热性能较差的牛津布或尼龙布制成，篷布51上设有可开闭的排气口，用于热空气进入初始排出罩内的冷空气或者其它任何需要排出罩内空气的时候。

进一步地，空气罩5还包括数根横向（与空气罩5长度方向垂直）均匀分布在篷布51内侧的柔性张力条52以及与之配套使用的拉扣53；柔性张力条52的两端开设有数个供拉扣53穿入并实现固定的固定孔，其通过拉扣53与地面固定连接，篷布51内侧具有供柔性张力条52穿过的穿越通道。当热空气充满空气罩5时，调节柔性张力条52的长度，使其尽可能张紧；张力条52张拉越紧，空气罩膨起的拱高越低，内部热气流的流动越贴近地面，则热空气与被加热土体间的热对流和热传导越剧烈，可以更充分有效地加热冻结土料。

在实际应用中，高温空气发生器1出风口与高速送风机3进风口之间可由高温聚热防护罩2实现连接，高温聚热防护罩2为由玻璃纤维板或岩棉板等耐高温材料制成的半封闭或封闭型安全罩，其一端将高温空气发生器1出风口段罩住，另一端与高速送风机3进风口套接。

高速送风机3出风口与空气罩5进风口之间由螺纹送风管4实现连接，螺纹送风管4为一段柔性强的螺纹管，由耐高温、抗老化材料制成，其一端与高速送风机3出风口通过螺栓连接，另一端伸入空气罩5内部。当然，也可以用其它材料制成的送风管，只需将热空气传入空气罩内部即可。

使用时，先利用支撑架54将整个空气罩5撑起，然后开启防冻装置；开启初始，打开篷布51上的排气口进行冷空气排放，待排气口温度不再升高时说明空气罩5中的冷空气已排干净，封闭排气口；排气口封好后，拉紧柔性张力条52，压低空气罩5，当柔性张力条52两侧张拉到合适位置时，将其固定孔用拉扣53进行固定。

上述防冻装置运转过程中，在高速送风机3进风口产生强大的抽吸力，而在出风口形成较强的气压，从而可以将高温空气发生器1产生的热空气以一定的速度和压力由螺纹送风管4输送到空气罩5内部，就可以对空气罩5覆盖下的对象进行加热，对体积庞大的物料表层和面积宽广的施工作业面起到有效的冻结防控作用。

参考图2和图3，空气罩5中收放式支撑架54具体可以包括收缩杆541、设在收缩杆541前后两端对其起支撑作用的气压缸542和收放连杆543，篷布51内侧具有供收缩杆541、气压缸542和收放连杆543穿过的穿越通道。其中，五根收缩杆541纵向（与空气罩5长度方向一致）分布，两根在底部，其余三根在上方，其构成整体与空气罩5的半圆柱外形相适应；气压缸542和收放连杆543的根部通过活动铰连接在一起，三根气压缸542头部冲上，分别通过固定铰连接至上方三根收缩杆541端部，两根收放连杆543水平放置，其头部分别通过固定铰连接至底部两根收缩杆541端部。

使用时，先将合拢的收缩杆541拉开，然后固定其中一个收放连杆543，操作另一个收放连杆543转动180^o将空气罩5完全展开。在柔性张力条52逐渐收紧并张拉的过程中，其会对篷布51产生压力，该压力通过收缩杆541传递到空气罩5两端的气压缸542上，由气压缸542的压缩来平衡收缩杆541中的压力，进一步保证空气罩5在使用过程中的形态稳定性。

进一步地，支撑架54还可以包括并排设在其中一根收放连杆543外侧的引导连杆544，引导连杆544一端连接设在活动铰上的主动轮，另一端连接设在这根收放连杆543头部的从动轮。使用时，先将合拢的收缩杆541拉开，然后固定那个未设置引导连杆544的收放连杆543，转动主动轮使引导连杆544引导收放连杆543转动180^o，进而将空气罩5完全展开，操作更方便。

防冻装置使用过程中，空气罩5内的温度会随其表面热辐射的进行逐渐降低，而空气罩5内温度不宜过低，太低热空气与冻结土表层的对流加热和热传导加热效率较低，太高会使柔性张力条52发生变形，同时也会造成热能浪费，为了能够保证空气罩5内的气温处于一个相对稳定的状态，本申请防冻装置还可以设有自动温度控制装置，其具体包括温度控制器和设在空气罩5内用来测量罩内温度的温度传感器；温度控制器能够根据罩内温度与预设维持温度范围的关系控制高温空气发生器1和高速送风机3的工作状态。另外，为了便于查看罩内温度，还可以配置一个实时显示罩内温度的显示屏，该显示屏与温度控制器连接，同时也可以供设置维持温度范围等参数用。

在实际应用中，温度控制器可以为单独设置的设备也可以集成在高温空气发生器1或者高速送风机3上的部件，可以理解的是，高温空气发生器1和高速送风机3能够被温度控制器控制，控制命令的传输可以是有线信号也可以是无线信号。具体的控制方法见下。

基于上述公开的帐篷式土体防冻装置，其控制方法可以包括：（I）获取帐篷式空气罩5的罩内温度，罩内温度由设在空气罩5内的温度传感器测量所得；（II）根据罩内温度与预设维持温度范围的关系控制高温空气发生器1和高速送风机3的工作状态。

具体地，记T_c为当前的罩内温度，T_min为预设维持温度下限值，T_max为预设维持温度上限值，控制方法可以参考以下内容：

（1）获取当前的罩内温度T_c。

（2）判断T_c是否小于或等于T_min，如果是即T_c≤T_min时，则控制高速送风机3和高温空气发生器1均处于运行状态，并使高温空气发生器1满电压运行；否则进入步骤（3）。

（3）判断T_c是否大于或等于T_max，如果是即T_c≥T_max时，则控制高速送风机3和高温空气发生器1均处于休息状态；否则进入步骤（4）。

（4）当T_min<T_c<T_max时，控制高速送风机3和高温空气发生器1均处于运行状态，并且T_c相较T_min每升高D/10℃控制高温空气发生器1的电枢电压占空比降低10%，其中，D=T_max-T_min。

为了验证帐篷式土体防冻装置在工程施工现场的防冻结效能，本申请在“四川雅砻江两河口水电站”冬季施工时坝体心墙施工衔接面的冻结防控研究中进行现场示范性试验。试验时高温空气发生器1选择便携式燃油暖风机，高温聚热防护罩2采用耐高温的玻璃纤维板加工制成的一端敞口、另一端带有圆形孔口的半圆台状防护罩，高速送风机3由380V电力驱动的高速轴流式风机构成，送风管4采用矽胶高温螺纹管，敞篷式空气罩5用尼龙布制成，自重式压膜6由夹布硅胶制成。将该防冻装置各部分现场放置好后开启，每隔1min对控温下的心墙部位表层土体温度和未进行冻结防控心墙部位表层土体温度进行同步测量记录，结果如图4所示，其中A为本申请防冻装置下心墙表层土体温度曲线，B为未进行冻结防控心墙表层土体温度曲线。

由图4可以看出，试验期间，未进行冻结防控的坝体心墙部位表层土体的温度在夜间21:36时到次日11:10时均低于0℃，处于冻结状态，且在9:46时未进行冻结防控的坝体心墙温度最低，可到达到-3.5℃，随后随着太阳辐射的增强，心墙温度呈持续升高的状态。在防冻装置作用下的坝体心墙部位的表层土体温度始终保持在0℃以上，处于正温未冻结状态。由此证明本申请帐篷式土体防冻装置在坝体心墙冬季施工期的冻结防控方面具有优良的效能。

综上，本申请以上方案具有以下创新性和显著优点：

（1）使用方便、节省能源。使用时只需要按要求将各组成部分摆放连接，然后利用收放式支撑架打开空气罩即可；冻结防控中内设自动温度控制装置，避免防冻装置持续工作造成热能和电能的浪费。

（2）能够实现大面积降温。本申请属于气体加热方式，不同于其它热水循环、线圈发热等加热方式，气体加热的一个特点是给定一个固定空间，气体会在压强差异下，以弥散的方式充满整个空间。那么无论被加热目标体面积或体积大小，只需给定一个固定空间，该空间可以容纳被加热目标体，即可实现目标体的加热，从而达到降温目的，因此适用于土料或施工作业衔接面的大面积降温。

（3）降温高效防冻可靠。本申请通过柔性张力条来调节空气罩高度，使热空气贴近地面流动，加速热空气与土料间的对流换热和热传导作用，同时利用自动温度控制装置，保证被加热土体处于一个稳定高温环境中，从而实现土体高效可靠的降温。

（4）拆装方便，可移植性强。本申请各组成部分的连接方式不属于固定连接，高温空气发生器单独使用，不与其它部分相连，高温聚热防护罩、高速送风机、送风管和空气罩间的连接通过套接、简单螺栓连接、搭接完成，空气罩内部有收放式支撑架，收放灵活。当降温结束或防冻装置需要移动到下一个工点时，只要将各组成部分简单拆卸，然后移动到下一个目标点拼装就可以。

（5）热源耗散小，实用安全。本申请加热介质没有直接暴露在空气中，热气流被包裹于空气罩中，外有自重式压膜和拉扣使空气罩与地面贴合，使得热空气不易散失，热能利用充分。再有该防冻装置不属于电能加热，不存在漏电危险，并在热源发生端设置耐高温的聚热防护罩，即避免了热能的散失，又可以起到安全防护作用。

Claims (8)

1.一种帐篷式土体防冻装置，其特征在于，该装置包括放置在防冻对象上的帐篷式空气罩（5），产生热空气的高温空气发生器（1）以及将所述热空气以一定速度和压力向所述空气罩（5）内部传送的高速送风机（3）；所述空气罩（5）包括收放式支撑架（54）和设在所述支撑架（54）上的篷布（51），所述篷布（51）上设有可开闭的排气口。

2.如权利要求1所述的防冻装置，其特征在于，所述支撑架（54）包括数根纵向分布且整体与所述空气罩（5）外形相适应的收缩杆（541），设在所述收缩杆（541）前后两端对其起支撑作用的气压缸（542）和收放连杆（543）；其中，所述气压缸（542）和收放连杆（543）的根部通过活动铰连接在一起，所述气压缸（542）头部设在上方所述收缩杆（541）端部，所述收放连杆（543）头部设在底部两根所述收缩杆（541）端部；所述篷布（51）内侧具有供所述收缩杆（541）、所述气压缸（542）和所述收放连杆（543）穿过的穿越通道。

3.如权利要求2所述的防冻装置，其特征在于，所述支撑架（54）还包括并排设在其中一根所述收放连杆（543）外侧的引导连杆（544），所述引导连杆（544）一端连接设在所述活动铰上的主动轮，另一端连接设在这根收放连杆（543）头部的从动轮。

4.如权利要求1所述的防冻装置，其特征在于，所述空气罩（5）还包括数根横向均匀分布在所述篷布（51）内侧的柔性张力条（52）以及与之配套使用的拉扣（53）；所述柔性张力条（52）的两端开设有数个供所述拉扣（53）穿入并实现固定的固定孔，所述篷布（51）内侧具有供所述柔性张力条（52）穿过的穿越通道。

5.如权利要求1所述的防冻装置，其特征在于，该防冻装置还包括围设在所述空气罩（5）底部的自重式压膜（6）。

6.如权利要求1所述的防冻装置，其特征在于，所述高温空气发生器（1）出风口与所述高速送风机（3）进风口之间由高温聚热防护罩（2）实现连接。

7.如权利要求1所述的防冻装置，其特征在于，所述高速送风机（3）出风口与所述空气罩（5）进风口之间由螺纹送风管（4）实现连接。

8.如权利要求1至7任意一项所述的防冻装置，其特征在于，该防冻装置还包括温度控制器和设在所述空气罩（5）内用来测量罩内温度的温度传感器；所述温度控制器能够根据所述罩内温度与预设维持温度范围的关系控制所述高温空气发生器（1）和所述高速送风机（3）的工作状态，以进一步提升防冻效果同时避免防冻装置持续工作造成热能和电能的浪费。