FI81419C

FI81419C - Method and apparatus for preventing the freezing of liquid medium in a liquid space such as in a pipe system

Info

Publication number: FI81419C
Application number: FI891067A
Authority: FI
Inventors: Mikko Niskala; Yrjoe Tuppurainen
Original assignee: Valtion Teknillinen
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1989-03-07
Publication date: 1990-10-10
Also published as: FI891067A0; FI81419B

Description

1 814191 81419

MENETELMÄ JA LAITTEISTO NESTETILASSA KUTEN PUTKISTOSSA OLEVAN NESTEMÄISEN AINEEN JÄÄTYMISEN ESTÄMISEKSIMETHOD AND APPARATUS TO PREVENT FREEZING OF LIQUID SUBSTANCE IN LIQUID CONDITIONS SUCH AS PIPING

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto nestetilassa kuten putkistossa olevan nestemäisen aineen kuten veden 5 jäätymisen estämiseksi erityisesti menetelmä ja laitteisto vesijohtojen jäätymisen estämiseksi. Nestetilalla tarkoitetaan tässä sitä nesteen täyttämää tilaa, jota rajaa esim. putkiston seinämät ja mahdollisesti venttiili tai venttiilit tai yhtä hyvin astian seinämät ja vapaa nestepinta.The invention relates to a method and an apparatus for preventing the freezing of a liquid substance such as water 5 in a liquid space such as piping, and in particular to a method and apparatus for preventing the freezing of water pipes. By liquid space is meant here the space filled with liquid, which is delimited by e.g. the walls of the piping and possibly the valve or valves or equally well the walls of the vessel and the free liquid surface.

10 Putkijohtojen jäätyminen aiheutuu tavallisesti siitä, että putkia ei ole eristetty riittävän hyvin tai työvirheestä, jolloin rakenteeseen on jäänyt aukko ja kylmä ilma pääsee kosketuksiin putkiston kanssa. Putkiston jäätymistä edesauttaa se, että neste on putkistossa liikkumattomana kuten on tilanne 15 esimerkiksi vesijohtoputkessa yön aikana. Jäätyminen on yleensä paikallinen ja nämä jäätymiselle alttiit putkiston osat pystytään yleensä helposti paikallistamaan.10 Freezing of pipelines is usually caused by insufficient insulation of the pipes or by a malfunction, leaving a gap in the structure and cold air coming into contact with the piping. The freezing of the piping is facilitated by the fact that the liquid is immobile in the piping, as is the case in, for example, a water main during the night. Freezing is usually local and these parts of the piping that are prone to freezing can usually be easily located.

Putkijohdot on perinteisesti suojattu pakkasta vastaan perustamalla ne maaperään routarajan alapuolelle. Perustamis-20 syvyyttä on voitu jonkinverran pienentää lämpöeristämällä putket tehokkaasti. Lämmittämällä putkijohtoja esimerkiksi sähkövastusperiaatteella toimivilla lämmityskaapeleilla voidaan putkien jäätyminen tehokkaasti estää. Kaapeli voidaan asentaa joko putken ulkopuolelle samaan lämpöeristyskouruun 25 putkijohdon kanssa, tai itse vesi- yms. putken sisälle, jolloin kaapelin lämmitysvaikutus saadaan mahdollisimman tehokkaasti hyväksikäytetyksi. Tällaisella kaapelilla voidaan paitsi estää jäätyminen myös sulattaa jo jäätymään päässyt putkijohto.Pipelines have traditionally been protected from frost by laying them in the ground below the frost boundary. The depth of the establishment-20 has been somewhat reduced by effectively insulating the pipes. By heating the pipelines, for example with heating cables operating on the principle of electrical resistance, the freezing of the pipes can be effectively prevented. The cable can be installed either outside the pipe in the same thermal insulation trough 25 as the pipeline, or inside the water or the like pipe itself, whereby the heating effect of the cable can be utilized as efficiently as possible. With such a cable, it is possible not only to prevent freezing but also to thaw an already frozen pipeline.

30 Sähkövastuskaapeleiden käyttö tulee kysymykseen lähinnä uudisrakennuskohteissa, sillä kaapeleiden veto jälkikäteen on hankala toimenpide ja johtaa useimmiten rakenteiden purkamiseen. Vesijohtoputket ovat yleensä dimensioiltaan pieniä, joten kaapeleiden asentaminen ainakaan pienimpiin putkiin ei 2 81419 ole mahdollista. Putken sisään asennetusta sähkökaapelista saattaa olla myös haittaa veden laadulle.30 The use of electric resistance cables comes into question mainly in new construction projects, as the retraction of cables afterwards is a cumbersome operation and most often leads to the demolition of structures. Water pipes are usually small in size, so it is not possible to install cables in at least the smallest pipes 2 81419. The electrical cable installed inside the pipe may also be detrimental to water quality.

Putkijohtojen korjaaminen aiheuttaa useimmiten rakenteellisia muutoksia, jolloin vanhoja rakenteita on purettava ja 5 korvattava uusilla. Putkijohtojen korjaustöiden suorittaminen käytössä olevissa rakennuksissa aiheuttaa useimmiten rakennusten toimintojen keskeytymisen. Korjaustyöt tulevat siten kohtuuttoman kalliiksi ja hankaliksi toteuttaa. Ainoaksi keinoksi jääkin usein veden juoksuttaminen pakkasten aikana.Repairing pipelines most often causes structural changes, requiring old structures to be dismantled and 5 replaced with new ones. Carrying out repair work on pipelines in existing buildings most often causes the buildings to stop operating. Repairs will thus become unreasonably expensive and cumbersome to carry out. Indeed, the only way is often to drain water during frosts.

10 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on saada aikaan erityisesti käytössä oleville putkijohdoille soveltuva menetelmä ja laitteisto, jonka avulla voidaan estää niiden jäätyminen.It is an object of the present invention to provide a method and apparatus which are particularly suitable for existing pipelines and which can be used to prevent them from freezing.

Tavoitteen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että nestemäistä ainetta liikutetaan 15 nestetilassa, joka sisältää jäätymiselle alttiin vyöhykkeen, yhden tai useamman välittömästi nesteeseen liittyvän liikuteltavan elimen avulla, joista ainakin yhtä liikutetaan toimilaitteen avulla. Laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, että laitteisto käsittää yhden tai useamman välittömästi 20 nesteeseen liittyvän liikuteltavan elimen ja ainakin yhden liikuteltavaan elimeen kytketyn toimilaitteen nesteen siirtämiseksi jäätymiselle alttiin vyöhykkeen ohi ja palauttamiseksi edelleen ohittamaan ko. vyöhyke.To achieve this, the method according to the invention is characterized in that the liquid substance is moved in a liquid space containing a zone prone to freezing by means of one or more movable members directly connected to the liquid, at least one of which is moved by means of an actuator. The apparatus, in turn, is characterized in that the apparatus comprises one or more movable members directly associated with the fluid and at least one actuator coupled to the movable member for transferring fluid past the frost-prone zone and returning it to bypass. zone.

Menetelmä soveltuu hyvin korjausrakentamiseen, kohteissa 25 joissa vähäisin ja rakenteita mahdollisimman paljon säästävin toimenpitein halutaan päästä tavoitteeseen. Keksinnönmukaisen menetelmän avulla voidaan putkien jäätyminen estää myös kohteissa, joihin muutoin olisi mahdotonta päästä käsiksi.The method is well suited for renovation construction, in sites 25 where the aim is to achieve the goal with the least and the most cost-effective measures. By means of the method according to the invention, the freezing of the pipes can also be prevented in objects which would otherwise be impossible to reach.

Keksinnön mukaista menetelmää ja laitteistoa käytettäessä 30 vältytään siis koko jäätymisongelmalta hyvin vähäisin kustannuksin. Järjestelmän asennus ja käyttökustannukset ovat minimaaliset verrattuna korjaustoimenpiteiden aiheuttamiin kustannuksiin.Thus, when using the method and apparatus according to the invention, the whole freezing problem is avoided at very low cost. System installation and operating costs are minimal compared to the cost of repairs.

Il 3 81419Il 3 81419

Keksinnön mukaisessa menetelmässä asennetaan putkiston yhteyteen nesteiden liikuttamiseen soveltuva laite esim. kalvopumppu, joka saa aikaan nesteen jatkuvan liiketilan, joten jään muodostuminen putkistoon estyy.In the method according to the invention, a device suitable for moving liquids, e.g. a diaphragm pump, is installed in connection with the piping, which creates a continuous movement space of the liquid, so that the formation of ice in the pipeline is prevented.

5 Keksintöä selostetaan nyt tarkemmin oheisiin piirustuksiin viittaamalla, jotka esittävät kahta suoritusesimerkkiä rakennuksen alapohjaan asennetusta vesijohdon jäätymisen estävästä laitteistosta, joissaThe invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, which show two exemplary embodiments of an anti-freeze device installed in the lower floor of a building, in which

Kuva 1 esittää laitteiston, jossa aiheutetaan edestakaisin 10 siirtyvä nestetila jaFigure 1 shows an apparatus in which a reciprocating liquid state 10 is caused

Kuva 2 esittää laitteiston, jossa aiheutetaan samaan suuntaan kiertävä nestetila.Figure 2 shows an apparatus in which a liquid state circulating in the same direction is caused.

Piirustusten mukaisissa tapauksissa on alapohjaa, joka on puurakenteinen, merkitty viitenumerolla 1. Alapohja on 15 eristetty kylmän ilman vaikutukselta eristettä 2 käyttäen. Kuvissa näkyy vesijohtoputken kohdalla eristeen murtumisesta johtuva aukko 4, josta kylmä ilma pääsee kosketukseen putken kanssa. Vesijohtoputki on siis tässä tapauksessa riittämättömän lämmöneristyksen vuoksi altis jäätymiselle.In the cases according to the drawings, the lower base, which has a wooden structure, is marked with the reference number 1. The lower base is insulated from the effect of cold air using insulation 2. The figures show an opening 4 at the water pipe due to the rupture of the insulation, from which cold air comes into contact with the pipe. The water pipe is therefore prone to freezing in this case due to insufficient thermal insulation.

20 Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siihen, että neste on kokoonpuristumatonta ainetta eli nesteen tilavuus pysyy koko ajan vakiona. Tämä merkitsee sitä, että jos nestetilan tilavuutta pienennetään tietyllä tilavuusosalla jossain putkiston kohdassa niin nestetilan tilavuuden on päästävä 25 kasvamaan saman tilavuusosan verran jossain toisessa putkiston kohdassa. Kun siten nestetilan tilavuutta pienennetään jossain putkiston kohdassa niin nestetila liikkuu kokonaisuutena siihen putkiston osan suuntaan, missä vastaava tilavuuden kasvu on mahdollista päästä tapahtumaan. Järjestämällä 30 johonkin putkiston osaan sellainen kohta, jossa nestetilan tilavuutta voidaan muuttaa, ja järjestämällä johonkin putkiston toiseen osaan sellainen kohta, jossa tilavuuskompensointi pääsee tapahtumaan, saadaan aikaan nesteen liike putkistossa.The method according to the invention is based on the fact that the liquid is an incompressible substance, i.e. the volume of the liquid remains constant at all times. This means that if the volume of the liquid space is reduced by a certain volume part at one point in the piping, then the volume of the liquid space must be allowed to increase by the same volume part at another point in the piping. Thus, when the volume of the liquid space is reduced at some point in the piping, the liquid space as a whole moves in the direction of the part of the pipeline where a corresponding increase in volume can take place. By providing a point in one part of the piping at which the volume of the liquid space can be changed, and by arranging a point in another part of the pipeline at which volume compensation can take place, the movement of the liquid in the piping is effected.

Kuvan 1 esittämässä tapauksessa nesteputki 3' rajaa suljetun 4 81419 nestetilan 3, kun runkojohdossa oleva venttiili 14 sekä venttiili 13 on suljettu. Menetelmän mukainen järjestelmä saadaan aikaan, kun nesteputken 3' toiseen päähän asennetaan toimilaitteen 8 avulla liikuteltava elin 6, joka voi olla 5 esimerkiksi kalvopumpun kalvo tai mäntäperiaatteella toimivan pumpun mäntä ja toiseen päähän liikuteltava elin 7 kuten kalvopaisunta-astian kalvo tai vastaavasti mäntäperiaatteella toimivan paisunta-astian mäntä.In the case shown in Fig. 1, the liquid pipe 3 'delimits the closed liquid space 3 81419 when the valve 14 in the main line and the valve 13 are closed. The system according to the method is obtained by installing at one end of the liquid pipe 3 'a movable member 6 by means of an actuator 8, which may be, for example, a diaphragm pump diaphragm or a piston-principle pump piston and piston.

Kalvopumpun käydessä neste siirtyy pumpun puristusvaiheessa 10 siihen suuntaan missä kalvopaisunta-astia sijaitsee ja vastaavasti pumpun imuvaiheessa päinvastaiseen suuntaan. Näin putkeen saadaan aikaan edestakainen nesteen liike näiden kahden putken kohdan välille. Suorittamalla asennus siten, että putken jäätymiselle altis kohta sijaitsee näiden kahden 15 kohdan välissä saadaan aikaan jatkuva edestakainen nesteliike jäätymiselle alttiina olevaan kohtaan. Toisin sanoen suljetuksi alueeksi rajattu nestetila 3, joka sisältää jäätymiselle alttiin vyöhykkeen siirtyy edestakaisin, kun ensimmäinen liikkuva elin 6 pyrkii pienetämään nestetilaa 3, jolloin 20 toinen liikuva elin 7 vastaavasti suurentaa nestetilaa 3 ja päinvastoin. Liikkeen aikana elin 6 ja elin 7 liikkuvat päinvastaisiin suuntiin, esim. elin 6 nesteputken 3' keskustaa kohden ja elin 7 poispäin nesteputkesta 3'.When the diaphragm pump is running, the liquid moves in the pump compression step 10 in the direction in which the diaphragm expansion vessel is located and in the pump suction step in the opposite direction, respectively. In this way, a reciprocating movement of the liquid between the two points of the tube is effected in the tube. By performing the installation so that the point of freezing of the pipe is located between the two points of 15, a continuous reciprocating movement of the liquid to the point of freezing is achieved. That is, the liquid space 3 delimited as a closed area, which includes the zone prone to freezing, moves back and forth as the first movable member 6 tends to reduce the liquid space 3, whereby the second movable member 7 increases the liquid space 3 and vice versa, respectively. During the movement, the member 6 and the member 7 move in opposite directions, e.g. the member 6 towards the center of the liquid tube 3 'and the member 7 away from the liquid tube 3'.

Nestetilaan 3 liittyvät elimet 6 ja 7 voidaan liittää käyttä-25 mällä sopivaa yhdyskappaletta 9 ja 10, joka voi olla letku tai putki. Lisätehon saamiseksi tätä liitoskappaletta voidaan lämmittää esimerkiksi lämpövastuksella 17, jolloin lämpöä siirtyy lämmittimestä 17 putkistoon liikkuvan nesteen mukana ja siten jäätymisen esto tehostuu.The members 6 and 7 associated with the liquid space 3 can be connected using a suitable connecting piece 9 and 10, which can be a hose or a pipe. In order to obtain additional power, this connecting piece can be heated, for example, by a heating element 17, whereby heat is transferred from the heater 17 to the piping with the moving liquid and thus the antifreeze is enhanced.

30 Järjestelmä käynnistetään seuraavasti: ensiksi runkojohdon venttiili 14 suljetaan, senjälkeen avataan kalvopumpun ja kalvopaisunta-astian liittymäventtiilit 15 ja 16 ja lopuksi käynnistetään kalvopumppu 11. Järjestelmän sammuttaminen suoritetaan päinvastaisin toimenpitein päinvastaisessa 35 järjestyksessä. On täysin mahdollista automatisoida koko toiminta siten, että esimerkiksi käynnistyminen tapahtuuThe system is started as follows: first, the main line valve 14 is closed, then the connection valves 15 and 16 of the diaphragm pump and diaphragm expansion vessel are opened, and finally the diaphragm pump 11 is started. The system is shut down in reverse order. It is entirely possible to automate the entire operation so that, for example, start-up takes place

IIII

5 81419 automaattisesti silloin kun lämpötila on annetun rajalämpöti-lan alapuolella, jolloin on olemassa jäätymisvaara, ja vastaavasti sulkeutuu automaattisesti silloin kun lämpötila nousee rajalämpötilan yläpuolelle. Samoin on mahdollista 5 automatisoida toiminta siten, että järjestelmä kytkeytyy päälle siinä tapauksessa että nesteen käytöstä aiheutuva luonnollinen nestevirtaus lakkaa.5 81419 automatically when the temperature is below a given limit temperature, in which case there is a risk of freezing, and correspondingly closes automatically when the temperature rises above the limit temperature. It is also possible to automate the operation so that the system is switched on in the event that the natural fluid flow caused by the use of the liquid ceases.

Suljetun nestetilan kyseessä ollen voidaan käyttää myös sellaista ratkaisua, jossa liikuteltavan elimen 7 sijasta 10 nesteputkeen 3· liitetään esim. pikaliittimellä nesteputki tai -letku 18, joka esim. toisesta päästään liitetään pumppuun 11 kuten on esitetty kuvassa 2, jolloin syntyy suljettu piiri. Tällöin nesteputkeen 3' voidaan toimilaitteen 8 ja liikuteltavan elimen 6 vaikutuksesta synnyttää samaan suuntaan kiertävä 15 nestetila 3, toisin sanoen jatkuva samansuuntainen nestevirtaus, jäätymiselle alttiissa kohdassa.In the case of a closed liquid space, it is also possible to use a solution in which, instead of the movable member 7, a liquid pipe or hose 18 is connected to the liquid pipe 3, e.g. with a quick connector, which is connected to the pump 11 at one end, as shown in Fig. 2. In this case, under the action of the actuator 8 and the movable member 6, a liquid space 3 rotating in the same direction, i.e. a continuous parallel flow of liquid, can be created in the liquid pipe 3 'at a point prone to freezing.

Edellä kuvattiin sellaisia kuvien 1 ja 2 mukaisia järjestelmiä, joissa käytettiin kahta liikuteltavaa elintä 6 ja 7 tai liikuteltavaa elintä 6 ja nesteputkea 18, jotka oli asennettu 20 jäätymiselle alttiina olevan osan eri puolille. Tällainen järjestely on tehtävä silloin, kun on kysymyksessä molemmista päistään venttiileillä suljettu nestettä täynnä oleva putki. Mikäli putki on vain toisesta päästään suljettu venttiilillä ja toinen pää on yhdistetty esimerkiksi nestesäiliöön saadaan 25 tarvittava nesteen liike aikaan käyttämällä vain yhtä liikuteltavaa elintä ja siihen kytkettyä toimilaitetta kuten esimerkiksi kalvopumppua.The systems according to Figures 1 and 2 using two movable members 6 and 7 or a movable member 6 and a liquid pipe 18 mounted on different sides of the part exposed to freezing 20 were described above. Such an arrangement must be made in the case of a liquid-filled pipe closed at both ends by valves. If the pipe is closed at only one end by a valve and the other end is connected to a liquid tank, for example, the necessary movement of the liquid is achieved by using only one movable member and an actuator connected to it, such as a diaphragm pump.

Kun kalvopumppu on käynnissä, neste siirtyy pumpun puristus-vaiheessa kohti säiliötä ja imuvaiheessa päinvastaiseen 30 suuntaan. Tässä tapauksessa nesteessä vaikuttaa hydrostaattinen paine, jonka suuruus riippuu putkiston ja säiliön pinnan välisestä korkeuserosta. Tällöin liikkuva elin joutuu tekemään työtä hydrostaattista painetta vastaan. Tätä vaikutusta voidaan pienentää siten, että liikkuva elin liitetään nesteti-35 laan letkun tai putken avulla siten, että korkeusero liikkuvan elimen ja nestesäiliön pinnan välillä on mahdollisimman pieni.When the diaphragm pump is running, the liquid moves in the compression phase of the pump towards the tank and in the suction phase in the opposite direction. In this case, the liquid is subjected to a hydrostatic pressure, the magnitude of which depends on the height difference between the piping and the surface of the tank. In this case, the moving member has to work against hydrostatic pressure. This effect can be reduced by connecting the movable member to the liquid-fluid by means of a hose or pipe so that the height difference between the movable member and the surface of the liquid container is as small as possible.

6 814196,81419

On selvää, että nesteliikkeen määrä riipuu siitä tilavuudesta mitä liikuteltavan elimen avulla voidaan muuttaa eli kalvopum-pun tilavuudesta ja sen lisäksi nestetilan kokonaistilavuudesta. Mikäli kalvopumpun tilavuus on suuri verrattuna putkessa 5 olevan nesteen tilavuuteen saadaan aikaan suuri edestakainen virtaus.It is clear that the amount of liquid movement depends on the volume that can be changed by means of the movable member, i.e. the volume of the diaphragm pump and also the total volume of the liquid space. If the volume of the diaphragm pump is large compared to the volume of the liquid in the pipe 5, a large reciprocating flow is obtained.

Keksintö ei ole rajoitettu selityksessä ja piirustuksissa esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa. Keksintö ei liity 10 pelkästään vesijohtojen jäätymisen estävään menetelmään ja laitteistoon, vaan sitä voidaan soveltaa myös muihin jäätymis-vaaran omaaviin putkijohtoihin tai jopa suurempiin säiliöihin.The invention is not limited to the embodiments shown in the description and the drawings, but can be modified within the scope of the appended claims. The invention relates not only to a method and apparatus for preventing the freezing of water pipes, but can also be applied to other pipelines or even larger tanks with a risk of freezing.

Claims

A method for preventing the freezing of a liquid substance such as water in a liquid space such as piping, characterized in that the liquid substance is moved in a liquid space containing a zone prone to freezing by means of one or more movable members directly connected to the liquid.

A method according to claim 1, characterized in that the liquid space is defined as a closed area containing a zone prone to freezing, for example by valves, and that at least two movable members are used, the members being arranged so that the first movable member moves in the first direction. causes movement of the second movable member in the second direction, which correspondingly increases the fluid space, and vice versa, whereby a fluid space reciprocating under the effect of the joint movement of the members is created in the closed area.

A method according to claim 1, characterized in that the liquid space is defined as a closed area containing a zone prone to freezing, for example by valves, and that the liquid pipe delimiting the liquid space is connected at both end regions a movable member connected to the actuator, by means of which a liquid state circulating in the same direction is created in the closed circuit.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the movable member is connected to the liquid pipe delimiting the liquid space by means of a connector such as a hose or pipe.

Method according to Claim 1, characterized in that a diaphragm pump is used as the actuator, the diaphragm of which acts as one movable member, and / or a piston pump whose piston acts as one of the movable members is used as the actuator. 8 81419

Method according to Claim 1, characterized in that the membrane or piston of the expansion vessel is used as the movable member.

Method according to Claim 1, characterized in that the liquid substance is heated, for example by means of a thermal resistance.

7 81419

Method according to Claim 1 or 5, characterized in that a means is provided for controlling the start and stop of the actuator automatically, for example according to temperature variations.

Apparatus for preventing freezing of a liquid substance (5) in a liquid space (3), such as water in a pipeline, characterized in that the apparatus comprises one or more movable members (6,7) directly connected to the liquid and at least one actuator (8) connected to the movable member (6). ) to move the liquid past the freezing zone and to return it to pass the zone.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the apparatus further comprises a liquid tube (18) connecting the end regions of the liquid tube (3 ·) delimiting the liquid space (3) and to which said movable member (6) provided with an actuator (8) is connected.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the apparatus comprises at least two movable members (6, 7) and at least one actuator (8) connected to the movable member (6) and optionally one or more connecting pieces (9, 10) connecting the fluid space (3) a delimiting fluid tube (3 ') and a movable member (6,7). Il 9 81419