RU2535862C1 - Устройство для защиты покрытия сооружения от атмосферных воздействий - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано для защиты покрытий мостов, эстакад и подобных сооружений, расположенных вблизи водоемов, от обледенения в холодное время года и размягчения в теплое. Технический результат: повышение эффективности устройства для защиты покрытия сооружения. Устройство содержит теплообменник, опущенный под сооружение в водоем ниже низшего годового горизонта воды в водоеме, систему циркуляции по нему незамерзающей жидкости и трубчатый регистр в покрытии. Устройство снабжено тепловым насосом, включающим испаритель, трубная система которого соединена с теплообменником, опущенным в водоем, конденсатор, трубная система которого соединена с трубчатым регистром, компрессор и дроссельный клапан. Рабочим агентом теплового насоса является хладагент, теплоносителем, циркулирующим в трубчатом регистре в покрытии, - вода. Трубчатый регистр снабжен снизу теплоизолирующим слоем. Источником электрической энергии для компрессора может служить ветрооустановка. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации мостов и может быть использовано для защиты покрытий мостов, эстакад и т.д., расположенных вблизи водоемов (морей, заливов, озер) и водотоков (рек, каналов), от обледенения в холодное время года и размягчения в теплое.

Погодно-климатические факторы (температура и влажность воздуха, снегопад, гололед) оказывают большое влияние на состояние покрытия автомобильных дорог, аэродромов, а также мостов. Например, в течение года в конструкции моста и его дорожного покрытия протекают сложные процессы: нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, которые приводят к колебаниям влажности и температуры, изменениям геометрических размеров элементов конструкции и существенно влияют на прочность, срок эксплуатации, приводят к снижению их транспортно-эксплуатационных качеств. Необходима защита от климатического воздействия среды - регулирование теплового режима сооружения: подогрев зимой и охлаждение летом. Техническим решением является использование теплового насоса. Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой за счет подвода внешней работы. Тепловой насос - это комплекс взаимосвязанных элементов: испарителя, компрессора (повышающего давление), конденсатора и дроссельного клапана (для расширения рабочего агента - хладагента) [Трубаев П.А., Гришко Б.М. Тепловые насосы. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2009. - 142 с.], [Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. - Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с.]. Источником низкопотенциального тепла для теплового насоса, служащего для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от обледенения, является вода водоема. Образование гололеда происходит в диапазоне температур минус 5÷0°С. Таким образом, для защиты покрытия от обледенения необходимо поддерживать температуру покрытия ~1°С.

Известно устройство для обогрева или охлаждения дорожного покрытия, характеризующееся тем, что содержит размещенную в дорожной насыпи плиту, корпус которой выполнен герметичным, имеет снизу теплоизолирующий слой и разделен горизонтальной перегородкой на верхнюю и нижнюю полости, в последней из которых размещены дроссельные элементы, а в верхней - теплообменник, а с противоположных сторон плиты расположены торцевые патрубки, связывающие между собой теплообменник, дроссельные элементы и источник принудительной циркуляции незамерзающего рабочего агента [Патент РФ №2287040, Е01С 11/26, 10.11.2006].

Устройство имеет недостатки: материалоемкость и трудоемкость изготовления и монтажа плиты, размещенной внутри дорожной насыпи под покрытием.

Известно устройство для предотвращения и удаления гололеда с поверхности аэродромных и дорожных покрытий, включающее теплопередающие 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, причем в качестве источников тепла использованы магистральные теплоподающие и обратные трубопроводы, размещенные в железобетонных лотках [Патент РФ №2059028, Е01С 11/24, Е01С 11/26, 27.04.1996].

Устройство имеет следующие недостатки:

в качестве источников тепла использованы магистральные теплоподающие и обратные трубопроводы, т.е. тепловые сети, имеющие низкую экономичность и надежность, связанную с устаревшим оборудованием;

значительная протяженность магистральных трубопроводов в случае отдаленного расположения теплогенерирующего предприятия (котельной, ТЭЦ);

не предусмотрена возможность защиты покрытия от размягчения в летний период.

Известна система обогрева дорожного покрытия, содержащая разводку магистральных подающих и обратных трубопроводов, проложенных под дорожным покрытием, источник тепла, насос и нагревательные блоки, установленные под обогреваемым дорожным покрытием по его площади, а также исполнительную и контрольно-регулировочную аппаратуру, при этом система снабжена подземным резервуаром с теплоаккумулирующим веществом и в нее введена дополнительная магистраль с теплообменником, расположенным в указанном резервуаре [Патент РФ №2347032, Е01С 11/26, 10.10.2008].

Система имеет следующие недостатки:

сложность конструкции;

материалоемкость и трудоемкость изготовления и монтажа нагревательного блока и расположенного под землей резервуара;

часть оборудования (тепловой пункт и нагревающие ветви) в летнее время не эксплуатируется, т.к. служат для обогрева покрытия в зимнее время;

не указан источник получения электроэнергии для работы насоса;

высокие эксплуатационные затраты, связанные с тем, что источником тепла для теплового пункта является городская система обогрева помещений.

Наиболее близким по существенным признакам и достигаемому результату к заявленному изобретению является устройство для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от обледенения и сохранения его твердости в теплое время года, содержащее трубчатый регистр в покрытии, систему циркуляции по нему незамерзающей жидкости, теплообменник и осмотический подпитыватель в виде полупроницаемой мембраны, опущенные под сооружение в водоем ниже низшего годового горизонта воды в водоеме, соединенные с трубчатым регистром, подающим и обратным трубопроводами, последний из которых снабжен искусственным побудителем в виде насоса, байпасной линией с нормально открытым обратным клапаном [Патент РФ №2060316, Е01С 11/24, 20.05.1996 г.].

Основным недостатком установки является то, что количество теплоты, передаваемое покрытию сооружения, ограничено разностью температур покрытия и воды в водоеме. Температура незамерзающей жидкости, нагреваемой за счет воды водоема, не может быть выше температуры воды. В зимнее время это порядка 4°С. Незамерзающая жидкость, подогревая материал покрытия, не должна охлаждаться ниже 0÷1°С. Количества теплоты, выделяющегося при охлаждении незамерзающей жидкости не более чем на 4°С, недостаточно для получения высокой эффективности установки и требует большого расхода теплоносителя - незамерзающей жидкости.

Максимальное количество теплоты, которое может быть получено при охлаждении незамерзающей жидкости Q_max=с_н.ж.·Δt·G_н.ж., где - $$c_{\text{í}\text{.æ}\text{.}}\sim \mathrm{3,8}\frac{кДж}{кг\cdot К}$$

- теплоемкость незамерзающей жидкости. Δt=4°С, G_н.ж., кг/с - расход незамерзающей жидкости. В действительности количество теплоты, переданное покрытию при охлаждении незамерзающей жидкости, будет значительно меньше из-за тепловых потерь. Для поддержания температуры 1°С покрытия моста размерами 689,56 м × 25,6 м при температуре наружного воздуха минус 14,6°С (средняя месячная температура самого холодного месяца для г.Уфа) по проведенным расчетам необходимо порядка Q~2,4 МВт. Таким образом, расход незамерзающей жидкости, необходимый для обогрева моста $$G_{\text{í}\text{.æ}\text{.}}=\frac{Q}{c_{\text{í}\text{.æ}\text{.}}\cdot \Delta t}\sim \frac{\mathrm{2,4}\cdot {10}^3}{\mathrm{3,8}\cdot 4}\sim 158\text{ кг/с}$$

.

Кроме того, в прототипе насос используется для интенсификации теплообмена. Однако при разнице температур нагретого и охлажденного теплоносителя в несколько градусов (не более 4° в зимнее время), разности удельных весов может оказаться недостаточно для обеспечения естественной циркуляции. В этом случае работа насоса потребуется постоянно. Для работы насоса необходимы затраты электроэнергии. Источник получения электрической энергии в прототипе не указан.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей за счет обеспечения устройства электроэнергией, повышение эффективности устройства для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от обледенения в холодное время года и сохранение его твердости в теплое время года.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности устройства для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, с помощью теплового насоса.

Задача решается за счет того, что устройство для защиты покрытия сооружения, содержащее теплообменник, опущенный под сооружение в водоем ниже низшего годового горизонта воды в водоеме, систему циркуляции по нему незамерзающей жидкости и трубчатый регистр в покрытии, в отличие от прототипа снабжено тепловым насосом, включающим в себя испаритель, трубная система которого соединена с теплообменником, опущенным в водоем, конденсатор, трубная система которого соединена с трубчатым регистром, компрессор и дроссельный клапан, при этом рабочим агентом теплового насоса является хладагент, теплоносителем, циркулирующим в трубчатом регистре в покрытии, - вода, а трубчатый регистр снабжен снизу теплоизолирующим слоем.

Кроме того, согласно изобретению в предлагаемом техническом решении компрессор связан с ветроустановкой, являющейся для него источником электрической энергии. Работа ветроустановки возможна за счет разности температур воздуха над поверхностью воды и на уровне сооружения, являющейся условием возникновения ветра.

Существо изобретения поясняется чертежом. На чертеже изображена схема устройства.

Устройство для защиты покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, от атмосферного воздействия содержит трубчатый регистр 1 в покрытии сооружения, например моста 2, конденсатор 3, трубная система которого соединена с трубчатым регистром 1. Под сооружение в водоем 4 опущен теплообменник 5, соединенный с трубной системой испарителя 6. Конденсатор 3, испаритель 6, а также компрессор 7 и дроссельный клапан 8, соединенные между собой системой циркуляции хладагента 9, представляют собой тепловой насос. Расположение элементов теплового насоса относительно сооружения и водоема не оговаривается и зависит от конструкции. Однако конденсатор 3 должен располагаться вблизи трубчатого регистра 1, испаритель 6 - вблизи теплообменника 5 для того, чтобы избежать увеличения длины труб и теплопотерь.

Устройство работает следующим образом. Низкопотенциальный теплоноситель - незамерзающая жидкость, например рассол, проходя по теплообменнику 5, уложенному на дне водоема, например реки 4, нагревается. Затем поступает в испаритель 6, где отдает тепло хладагенту, например фреону. Проходя через испаритель 6, хладагент превращается из жидкого состояния в газообразное. Из испарителя 6 газообразный хладагент попадает в компрессор 7, где сжимается до состояния высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает в конденсатор 3. В конденсаторе 3 происходит теплообмен между горячим газом и высокопотенциальным теплоносителем - водой. Вода, нагреваясь в конденсаторе 3 за счет теплоты, выделяющейся при конденсации фреона, проходит по трубчатому регистру 1, отдавая тепло покрытию моста 2. Для исключения потерь тепла между трубчатым регистром 1 и нижележащим

слоем конструкции сооружения проложен слой тепловой изоляции (на чертеже не показан). При прохождении хладагента через предусмотренный дроссельный клапан 8 давление хладагента понижается, он переходит в жидкое состояние и снова попадает в испаритель 6.

Аналогично прототипу, существует возможность реверсной работы устройства: переключения с режима обогрева зимой на режим охлаждения летом.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет:

- использовать тепло воды водоема, аккумулированное с помощью незамерзающей жидкости, на испарение хладагента. Т.к. хладагент имеет очень низкую температуру кипения, в испарителе незамерзающая жидкость может охлаждаться ниже ~ минус 10°С (в зависимости от типа используемого хладагента и характеристик незамерзающей жидкости). Таким образом, количество теплоты, полученное незамерзающей жидкостью от воды водоема, увеличивается. Следовательно, увеличивается эффективность использования низкопотенциальной энергии.

Т.е. для того, чтобы передать хладагенту количество теплоты Q~2,4 МВт за счет охлаждения незамерзающей жидкости на Δt=4-(-10)=14°С, необходимо

$$G_{\text{í}\text{.æ}\text{.}}=\frac{Q}{c_{\text{í}\text{.æ}\text{.}}\cdot \Delta t}\sim \frac{\mathrm{2,4}\cdot {10}^3}{\mathrm{3,8}\cdot 14}\sim 45\text{ кг/с}$$

- для обогрева покрытия сооружения вместо низкопотенциального теплоносителя - незамерзающей жидкости с максимальной температурой в зимний период 4°С использовать высокопотенциальный теплоноситель - воду с температурой порядка 30-40°С, нагретую за счет тепла, выделяющегося при фазовом превращении - конденсации хладагента, имеющего высокое давление и высокую температуру.

Таким образом, увеличивается количество теплоты, переданное покрытию сооружения. Следовательно, увеличивается эффективность устройства.

- решить проблему снабжения устройства электроэнергией за счет использования в качестве привода компрессора ветроустановки.

Предлагаемое устройство имеет экологическую направленность, поскольку в настоящее время повсеместно применяют противогололедные средства, оказывающие вредное влияние на окружающую среду, а также на конструкцию сооружения. Преимуществом использования теплового насоса является экологическая чистота системы.

Claims (2)

1. Устройство для защиты от атмосферных воздействий покрытия сооружения, расположенного вблизи водоема, содержащее теплообменник, опущенный под сооружение в водоем ниже низшего годового горизонта воды в водоеме, систему циркуляции по нему незамерзающей жидкости и трубчатый регистр в покрытии, отличающееся тем, что оно снабжено тепловым насосом, включающим в себя испаритель, трубная система которого соединена с теплообменником, опущенным в водоем, конденсатор, трубная система которого соединена с трубчатым регистром, компрессор и дроссельный клапан, при этом рабочим агентом теплового насоса является хладагент, теплоносителем, циркулирующим в трубчатом регистре в покрытии, - вода, а трубчатый регистр снабжен снизу теплоизолирующим слоем.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компрессор связан с ветроустановкой, являющейся для него источником электрической энергии.

Images