RU2307905C2

RU2307905C2 - Icicle removal device

Info

Publication number: RU2307905C2
Application number: RU2005130620/03A
Authority: RU
Inventors: Борис Алексеевич Козлов (RU); Борис Алексеевич Козлов; Александр Яковлевич Паюров (RU); Александр Яковлевич Паюров; Виктор Семенович Трусов (RU); Виктор Семенович Трусов; Александр Евгеньевич Кущев (RU); Александр Евгеньевич Кущев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лазерные устройства и оборудование"
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2007-10-10
Also published as: RU2005130620A

Abstract

FIELD: special arrangements or devices in connection with roof coverings, particularly deicing devices for icicle removal from building roofs and power line cables with the use of laser emission.

SUBSTANCE: method involves directing laser beam having wave length of 9-11 μm in the form of sequence of pulses having 0.1-100.0 J energy. Pulse frequency is 0.01-30 kHz. Pulse duration is not more than 100 microseconds.

EFFECT: increased efficiency and rate of icicle removal.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам удаления льда с козырьков крыш зданий и сооружений, с проводов линий электропередач с помощью лазерного излучения.The invention relates to methods for removing ice from the roof visors of buildings and structures, from wires of power lines using laser radiation.

Удаление льда с различных поверхностей, в частности ледяных сосулек с крыш зданий и сооружений, представляет собой актуальную проблему, так как создает угрозу безопасности людей, особенно в крупных городах, где имеется большое количество высотных зданий и сооружений, и масса сосулек, свисающих с их крыш, может достигать значительной величины.Removing ice from various surfaces, in particular icicles from roofs of buildings and structures, is an urgent problem, as it poses a threat to the safety of people, especially in large cities where there are a large number of high-rise buildings and structures, and the mass of icicles hanging from their roofs , can reach a significant value.

Известно использование лазерного излучения для удаления льда с поверхностей самолетов [1, 2]. В [3] с этой целью используют лазерное излучение с длиной волны в диапазоне 10-11 мкм, соответствующем области поглощения излучения такими материалами как лед и вода, и плотностью мощности лазерного излучения 25 кВт/м². Механизм удаления льда - тепловой нагрев, фазовый переход лед-вода и испарение воды. Недостаток такого подхода - необходимость ввода в слой льда большой мощности лазерного излучения, что реально позволяет удалять слой льда только небольшой толщины.It is known to use laser radiation to remove ice from aircraft surfaces [1, 2]. In [3], laser radiation with a wavelength in the range of 10–11 μm corresponding to the radiation absorption region by materials such as ice and water and a laser radiation power density of 25 kW / m ^{2 is} used for this purpose. The mechanism for removing ice is thermal heating, an ice-water phase transition, and water evaporation. The disadvantage of this approach is the necessity of introducing a high power of laser radiation into the ice layer, which really allows you to remove the ice layer of only a small thickness.

В качестве прототипа заявляемого технического решения выбран способ удаления льда с помощью лазерного излучения [4]. Указанный способ заключается в воздействии на сосульки, свисающие, например, с проводов линий электропередач или крыш зданий, лазерным лучом с длиной волны 10,6 мкм, и последующим локальным расплавлением льда. Предпочтительным источником излучения, согласно указанного способа, является инфракрасное излучение СО₂ лазера.As a prototype of the claimed technical solution, a method of removing ice using laser radiation was selected [4]. The specified method consists in exposure to icicles hanging, for example, from the wires of power lines or roofs of buildings, with a laser beam with a wavelength of 10.6 microns, and subsequent local melting of ice. The preferred radiation source according to this method is infrared radiation from a CO ₂ laser.

Недостатком указанного способа является то, что удаление льда путем его расплавления требует больших затрат энергии и очень мощного лазера, Кроме того, расплавление сосулек, особенно с большим поперечным сечением, что характерно для областей примыкания сосулек, например, к козырьку крыши здания или проводу линии электропередачи занимает много времени. Это связано с тем, что глубина поглощения излучения с длиной волны 10,6 мкм для льда составляет десятые доли мм.The disadvantage of this method is that the removal of ice by melting it requires a large expenditure of energy and a very powerful laser. In addition, the melting of icicles, especially with a large cross section, which is typical for areas of contact of icicles, for example, to the visor of the roof of the building or the wire of the power line take a lot of time. This is due to the fact that the depth of absorption of radiation with a wavelength of 10.6 μm for ice is tenths of a millimeter.

Указанные недостатки снижают эффективность указанного способа и оперативность удаления ледяных сосулек.These disadvantages reduce the effectiveness of this method and the speed of removal of icicles.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности и оперативности удаления ледяных сосулек.The problem solved by the invention is to increase the efficiency and efficiency of removing icicles.

Указанная задача решается тем, что в способе удаления ледяных сосулек, заключающемся в направлении на сосульки лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 9-11 мкм, лазерное излучение формируют в виде последовательности импульсов с энергией в импульсе 0,1-100,0 Дж; частоту следования импульсов выбирают в интервале 0,01-30 кГц, а длительность импульсов выбирают не более 100 мкс.This problem is solved by the fact that in the method of removing icicles of ice, consisting in the direction of the icicles of laser radiation with a wavelength in the range of 9-11 μm, the laser radiation is formed in the form of a sequence of pulses with an energy of 0.1-100.0 J per pulse; the pulse repetition rate is selected in the range of 0.01-30 kHz, and the pulse duration is selected no more than 100 μs.

Практическая реализация заявляемого способа иллюстрируется на чертеже. На поверхность ледяной сосульки 1, свисающей, например, с крыши здания направляются импульсы сфокусированного лазерного излучения, генерируемого СО₂ лазером 2, с энергией в импульсе 0,1-100,0 Дж. Длительность импульсов выбирается с учетом скорости распространения тепловой энергии поглощенного излучения в прилегающем к зоне воздействия объеме льда и не должна превышать 100 мкс во избежание потерь и снижения эффективности предлагаемого способа. Расстояние между источником излучения и сосульками может варьироваться в пределах 2-200 м.The practical implementation of the proposed method is illustrated in the drawing. On the surface of an icicle 1, hanging, for example, from the roof of a building, pulses of focused laser radiation generated by CO ₂ laser 2 are sent with a pulse energy of 0.1-100.0 J. The pulse duration is selected taking into account the speed of propagation of thermal energy of the absorbed radiation in the volume of ice adjacent to the impact zone and should not exceed 100 μs to avoid losses and reduce the effectiveness of the proposed method. The distance between the radiation source and icicles can vary between 2-200 m.

Лазерные импульсы направляют в зону сосульки 3 (там, где присутствуют механические напряжения, обусловленные весом сосульки и ее ориентацией в вертикальном направлении) и соседнюю с ней зону 4. В результате действия первого лазерного импульса в сосульке в поперечном направлении распространяется упругая ударная волна, приводящая к появлению и распространению в толще льда микротрещин. К моменту прихода следующего импульса ударная волна, вызванная предыдущим импульсом, частично отражается от границы раздела лед-воздух и возвращается обратно. Таким образом, в области облучения сосульки происходит наложение упругих ударных волн, усиливающее процесс распространения трещин в поперечном сечении сосульки. Концентрация напряжений в этом сечении вследствие постоянного воздействия массы льда и фактического смещения (из-за появления микротрещин) площади поперечного сечения нарастает. Процесс принимает лавинообразный характер и, в конечном итоге, происходит отрыв сосульки и ее падение.Laser pulses are directed into the icicle zone 3 (where mechanical stresses are caused by the weight of the icicle and its vertical orientation) and the adjacent zone 4. As a result of the first laser pulse, an elastic shock wave propagates in the icicle in the transverse direction, leading to the appearance and spread of microcracks in the ice mass. By the time the next pulse arrives, the shock wave caused by the previous pulse partially reflects from the ice-air interface and returns. Thus, in the area of irradiation of the icicle, superposition of elastic shock waves occurs, which enhances the propagation of cracks in the icicle cross section. The stress concentration in this section due to the constant influence of the ice mass and the actual displacement (due to the appearance of microcracks) of the cross-sectional area increases. The process takes an avalanche-like character and, ultimately, the icicle breaks off and falls.

Следует отметить, что облучение может осуществляться в режиме одновременного сканирования лазерным лучом нескольких сосулек. При этом возможны различные режимы работы. В одном варианте частота следования импульсов постоянна во время каждого цикла сканирования (хода луча), но изменяется в следующем цикле; в результате резонируют только те сосульки, у которых частота механических колебаний совпадает с заданной частотой лазерных импульсов. Во втором варианте частота изменяется по определенному закону во время каждого цикла сканирования и может резонировать большее число сосулек.It should be noted that irradiation can be carried out in the mode of simultaneous scanning by a laser beam of several icicles. In this case, various modes of operation are possible. In one embodiment, the pulse repetition rate is constant during each scan cycle (beam path), but changes in the next cycle; as a result, only those icicles resonate in which the frequency of mechanical vibrations coincides with a given frequency of laser pulses. In the second embodiment, the frequency changes according to a certain law during each scanning cycle and a larger number of icicles can resonate.

Механизм удаления ледяных сосулек в заявляемом способе не связан с плавлением льда и, соответственно, требует меньше энергии, чем в способе -прототипе, а также позволяет более быстро удалять сосульки. Это время, по оценкам, не превышает несколько секунд.The mechanism of removing icicles in the present method is not associated with melting ice and, accordingly, requires less energy than in the prototype method, and also allows you to remove icicles more quickly. This time is estimated to not exceed a few seconds.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент США №4900891, НКИ 219/121.6, 1990 г.1. US patent No. 4900891, NKI 219 / 121.6, 1990

2. Патент США №5823474, НКИ 244/134Е, 1998 г.2. US patent No. 5823474, NKI 244 / 134E, 1998

3. Патент США №6206325, НКИ 244/134Е, 2001 г.3. US patent No. 6206325, NKI 244 / 134E, 2001

4. Патент Канады №2222881, МКИ H02G 7/16, 1998 г. (прототип).4. Canadian patent No. 2222881, MKI H02G 7/16, 1998 (prototype).

Claims

1. The method of removing ice icicles, which consists in the direction of the icicles of laser radiation with a wavelength in the range of 9-11 microns, characterized in that the laser radiation is formed as a sequence of pulses with an energy of 0.1-100.0 J per pulse.

2. The method of removing ice icicles according to claim 1, characterized in that the pulse repetition rate is selected in the range of 0.01-30 kHz.

3. The method of removing icicles according to claim 1, characterized in that the pulse duration is selected not more than 100 μs.