RU226210U1 - Комбинированный теплоаккумулирующий элемент - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к строительной промышленности, в частности, к строительству автомобильных дорог, и может быть использована в строительной индустрии для защиты грунтовых оснований при возведении промышленных объектов в криолитозоне. Полезная модель включает теплоизоляционную плиту, выполненную, например, из пенопласта, внутри которой размещен ряд герметичных труб, заполненных водой или водным раствором, выполняющих роль теплоаккумулирующего элемента. Внутри каждой трубы размещают дополнительную полую трубу, выполненную из упругого материала, например, армированной резины, с внутренним диаметром, равным 0,63 внутреннего диаметра герметичной трубы, и длиной, равной длине герметичной трубы. Причем, дополнительная труба имеет выход наружу с двух концов трубы, заполненной водой, которая закрывается с двух сторон заглушками с отверстием в центре, для установки дополнительной трубы. При замерзании вода расширяется, и дополнительная труба сжимается, выдавливая воздух наружу. При оттаивании льда упругий элемент принимает первоначальную форму дополнительной трубы, заполненной воздухом. Отсутствие свободного воздуха в основной трубе, как это принято в прототипе (не менее 10% по объему), позволяет обеспечить более высокое значение коэффициента теплопроводности льда в трубе. Кроме того, это позволяет использовать теплоаккумулирующий элемент под любым углом к изолируемой поверхности, так как свободное пространство в трубе для движения воды отсутствует.

Description

Полезная модель относится к строительной промышленности и предназначена для защиты грунтовых оснований автомобильных дорог в криолитозоне, а также может быть использована при строительстве других линейных и точечных объектов криолитозоны различного назначения, в том числе возводимых на предварительно замороженных дисперсных грунтах или породах. Комбинированный теплоаккумулирующий элемент, как часть теплозащитного элемента прототипа, может быть использован для защиты грунтовых оснований при оттаивании мерзлых дисперсных пород, прочностные характеристики которых существенно изменяются при оттаивании и промерзании.

Известен теплозащитный элемент (Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев дорожной одежды из пенополистирольных плит «Пеноплекс». М.: Минтранс РФ, 2000, с.25,26), выполненный из пенопласта марки «Пеноплекс» и состоящий только из теплоизоляционного слоя. Данный теплозащитный элемент используется в дорожных одеждах для снижения или предотвращения глубины оттаивания (промерзания) грунтов (пород) дорожного основания. Недостатком данного изобретения является постоянное термическое сопротивление теплозащитного элемента, как в теплый, так и холодный периоды года. С одной стороны, теплозащитный элемент выполняет полезную функцию – снижает глубину оттаивания грунтовых (породных) оснований в теплый период года. Но, с другой стороны, несет отрицательную функцию, поскольку препятствует охлаждению грунтовых оснований в зимний период. А, поскольку, в криолитозоне длительность холодного периода больше, чем теплого, то и комплексная эффективность подобного вида тепловой защиты грунтовых (породных) оснований снижается.

Известен комбинированный теплозащитный элемент для снижения глубины оттаивания (промерзания) грунтов (патент РФ № 2 241 798 опубликован 10.12.2004), включающий двухслойную конструкцию из материалов, коэффициенты теплопроводности и значения объемной влажности которых определены соотношениями, а толщины слоев соответствуют условию минимальной суммарной толщины двухслойного экрана и определяются приведенными зависимостями.

Недостатком данного изобретения является разделение теплоаккумулирующего и теплоизоляционного слоев и выполнение теплоаккумулирующего слоя в виде насыщенного водой торфяника, изменяющего свой объем при промерзании-оттаивании, и низкие прочностные характеристики теплоаккумулирующего слоя, что делает практически невозможным использования данного теплозащитного элемента в конструкциях дорожных одежд.

Известен теплозащитный элемент (прототип) для повышения повышение надежности тепловой защиты грунтовых (породных) оснований за счет изменения термического сопротивления теплозащитного элемента в течение годового цикла без изменения объема теплоаккумулирующего слоя и снижения его прочностных характеристик (патент РФ на полезную модель №212670 опубликован 02.08.2022г.). Теплозащитный элемент включает теплоизоляционный и теплоаккумулирующий элементы и отличается тем, что теплоизоляционный элемент выполнен из двух соединенных между собой элементов с выемками для размещения труб, а теплоаккумулирующий элемент расположен внутри теплоизоляционного элемента и выполнен в виде ряда герметичных труб, каждая из которых заполнена водой на величину не более 0,9 объема.

Недостатком данной полезной модели является то, что в теплоаккумулирующем элементе при замерзании воды в условиях герметичности трубы, происходит образование пористого льда, за счет воздуха, содержащегося в трубе (не менее 10%, согласно патенту). Расчеты показывают, что содержание 10% воздуха во льду снижает его коэффициент теплопроводности более чем на 30%. Соответственно и термическое сопротивление теплоаккумулирующего элемента увеличивается на такую же величину. То есть, в целом, эффективность теплозащитного элемента в зимний период снижается, и охлаждение грунтового основания происходит более низкими темпами.

Техническим результатом использования полезной модели является повышение надежности тепловой защиты грунтовых (породных) оснований за счет снижения термического сопротивления теплоаккумулирующего элемента в зимний период.

Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении, включающим комбинированный теплоаккумулирующий элемент, выполненный в виде герметичной трубы, отличающийся тем, что внутри трубы установлен открытый с торцов полый цилиндрический элемент из упругого материала с внутренним диаметром, равным 0,63 внутреннего диаметра герметичной трубы, и длиной, равной длине герметичной трубы, при этом с двух сторон герметичной трубы установлены заглушки с отверстием в центре для выхода полого цилиндрического элемента наружу, а свободный объем герметичной трубы полностью заполнен водой.

Вывод расчетной зависимости, включенной в формулу полезной модели. Поскольку при замерзании воды ее объём увеличивается на 10 % справедливо следующее равенство

(1)

Здесь приняты следующие обозначения: – объем воздуха в цилиндрическом элементе, на длине, равной длине трубы, в которой находится вода, м³ ; – объем воды в трубе, м³ . Используя известное выражение для объема цилиндра ( получим из (1) соотношение между внутренними диаметрами трубы и цилиндрического элемента, которое использовано в формуле полезной модели

(2)

Здесь приняты следующие обозначения: – внутренний диаметр цилиндрического элемента, м ; – внутренний диаметр трубы, м.

Полезная модель поясняется чертежом на фигуре 1 и фигуре 2, где представлен комбинированный теплоаккумулирующий элемент. На фигуре 1 показан элемент в теплый период года, когда в трубе находится вода. На фигуре 2 показан этот же элемент в зимний период года, когда вода в трубе замерзает.

Цифрами на фигурах, соответственно, обозначены: 1 - комбинированный теплоаккумулирующий элемент (труба с водой и полым цилиндрическим элементом из упругого материала); 2 – торцевая пробка-заглушка с отверстием для выхода цилиндрического элемента из трубы; 3 – вода в трубе; 4 –цилиндрический полый элемент (внутренняя труба из упругого материала) в теплый период года, когда в трубе находится вода; 5 – лед в трубе; 6 – цилиндрический полый элемент (внутренняя труба из упругого материала) в сжатом состоянии в зимний период года, когда вода в трубе замерзает.

Полезная модель реализуется следующим образом. В трубчатый теплоаккумулирующий элемент вставляют цилиндрический полый элемент (труба из упругого материала) с внутренним диаметром, равным 0,63 внутреннего диаметра трубы, выполненную, например, из армированной резины или упругого полиэтилена. И закрепляют в нижней части трубы с помощью пробки заглушки с радиальным отверстием в центре, равным внешнему диаметру цилиндрического элемента. Затем трубу наполняют водой и закрывают сверху второй пробкой-заглушкой с радиальным отверстием в центе, равным внешнему диаметру цилиндрического элемента. Получаем конструкцию, как показано на фигуре 1, вида «труба в трубе». Далее из подобных труб и теплоизоляционного каркаса формируют теплозащитный элемент, как указано в прототипе. В зимний период года вода замерзает и при расширении сжимает цилиндрический элемент, выдавливая из него воздух, что снижает давление на стенки и торцы трубы и повышает надежность эксплуатации всей конструкции. Вид элемента в зимний период представлен на фигуре 2. Материал внутреннего цилиндрического элемента подбирают таким образом, чтобы давление воды не нарушало его форму (элемент не сжимался), а при замерзании воды элемент сжимался, но не разрушался (фиг.2). После оттаивания воды элемент за счет упругих свойств материала снова примет цилиндрическую форму, возвращаясь в исходное состояние, как показано на фигуре 1. Такие циклы продолжаются весь срок работы теплозащитного элемента.

Теплозащитный элемент работает следующим образом. Рассмотрим простой пример. Имеется одиночный теплоаккумулирующий элемент в виде пластиковой трубы длиной 1,2 м и диаметром внутренним 0,1м. Для вставки используем армированный тонкий резиновый шланг, длиной, равной длине трубы (1,2 м), внутренний диаметр которого, согласно формуле, составляет 0,063 м. Далее, изготавливаем две пробки-заглушки с диаметром, равном внутреннему диаметру трубы и радиальным отверстием в центре, равном внешнему диаметру шланга. Герметично закрепляем шланг в нижней заглушке и вставляем в пробку-заглушку в трубу. Затем заполняем трубу водой и закрываем второй, аналогичной первой, заглушкой. Получаем конструкцию из двух цилиндров. Во внутреннем цилиндре находится воздух, а во внешнем вода. При замерзании воды в зимний период происходит ее расширение (увеличение объема на 10%). При этом упругий элемент сжимается, а в трубе образуется плотный лед с равномерной структурой. Теплопроводность такого льда в среднем на 30% выше, чем пористого льда, который образуется при замерзании воды в теплоаккумулирующем элементе прототипа. Соответственно и термическое сопротивление в нашем случае будет на 30% меньше, что позволит охлаждать грунт в зимний период более эффективно.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками ближайших аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышенную степень изменение термического сопротивления теплоаккумулирующего элемента в зимний период для обеспечения эффективного охлаждения грунтовых (породных) оснований.

Claims (1)

1. Комбинированный теплоаккумулирующий элемент, выполненный в виде герметичной трубы, отличающийся тем, что внутри трубы установлен открытый с торцов полый цилиндрический элемент из упругого материала с внутренним диаметром, равным 0,63 внутреннего диаметра герметичной трубы, и длиной, равной длине герметичной трубы, при этом с двух сторон герметичной трубы установлены заглушки с отверстием в центре для выхода полого цилиндрического элемента наружу, а свободный объем герметичной трубы полностью заполнен водой.