Изобретение относится к области строительства и эксплуатации аэродромов, автомобильных дорог и мостов и может быть использовано для защиты покрытий указанных инженерных сооружений от обледенения.
Предупреждение и своевременное удаление гололеда с покрытий аэродромов, в том числе с взлетно-посадочных полос (ВПП), автомобильных дорог, особенно участков с большими уклонами и поворотов, и мостов является одной из актуальных проблем зимнего содержания этих объектов.
Количество случаев образования гололеда в год на территории России может существенно отличаться, главным образом это число зависит от района расположения объекта. Например, на аэродромах и дорогах, расположенных в северных приморских районах, гололед образуется в среднем до 150 раз, в центральных районах - от 6 до 10 раз (в Московской области количество гололедов составляет 12-15 раз), в южных районах - 2 раза [1].
Обледенение резко (примерно в 4 раза) снижает сцепление самолетных и автомобильных колес с покрытиями взлетно-посадочных полос и дорог. В результате этого, торможение колесами становится неэффективным, самолет или автомобиль теряет управление со всеми вытекающими отсюда, как правило, тяжелыми последствиями.
Для борьбы с гололедом в настоящее время используют следующие способы и устройства их реализующие [1]:
1) абразивный, заключающийся в рассыпании и последующим закреплении песка, шлака, мраморной крошки и т.п. Разбрасыватели ЭД-403, ЭД-202, 1-РМГ-4, РУМ-5 и др.;
2) механический, заключающийся в рыхлении, скатывании и срезании льда. Льдо-снегоскалыватели КО-707, Д-447 и др.
3) химический, заключающийся в снижении температуры плавления льда при контакте с рядом реагентов, например НКММ, АНС, карбамид и т.п. Этот способ осуществляется путем распределения реагентов в виде водного раствора или измельченного порошкообразного вещества, с крупностью частиц до 1 мм, на поверхности аэродромных покрытий. Разбрасыватели ЭД-403, КО-104А, 1-РМГ-4, РУМ-16 и др.;
4) тепловой, заключающийся в подогреве аэродромных покрытий подвижными или стационарными отопительными установками: с помощью тепловых машин или центральных водяных и электрических систем отопления. В настоящее время данный способ преимущественно осуществляется с помощью тепловых машин, например ТМ-59 и КрАЗ-ТМ-76. Принцип действия этих машин основан на воздействии высоких температур выхлопных газов от авиадвигателя на поверхность гололеда и послойном его плавлении.
Каждый из указанных устройств имеет существенные недостатки. Например, наличие на взлетно-посадочной полосе песка и мелких камней приводит к попаданию их в двигатели самолетов и выходу из-за этого из строя.
Недостаток устройств, реализующий механический способ, состоит в том, что при их использовании не удается достигнуть полного удаления гололеда, так как между ледяной пленкой и покрытием аэродрома возникают достаточно большие силы сцепления (адгезии) до 1,5 МПа [1]. Поэтому данные устройства следует применять только для уменьшения толщины убираемого снежно-ледяного наката с последующим удалением остатков льда с помощью тепловых машин или химических средств.
Химические реагенты разрушают покрытия и приводят к повышенной коррозии техники, не говоря уже о появлении ряда трудноразрешимых экологических проблем. Расход реагентов, например АНС, в основном зависит от толщины гололедной пленки и температуры воздуха. Так, для удаления гололедной пленки толщиной 1 мм требуется от 40 до 150 г указанного реагента на каждый квадратный метр поверхности покрытия. При толщине ледяной пленки более 1 мм расход реагента на каждый дополнительный миллиметр увеличивается на 50% [1].
Средняя стоимость реагентов составляет около 8000 рублей за тонну. Таким образом, для однократного удаления гололеда при толщине пленки 2 мм, при температуре - 4°С, при размерах, например, ВПП 2500х50 м, затраты составят около 4 тыс. долл. США.
Тепловые устройства защиты аэродромных и дорожных покрытий от обледенения связаны также со значительными капитальными и эксплуатационными затратами. Стационарные системы подогрева покрытий включают теплообменники (трубчатые регистры или греющие электрические кабели), расположенные в полотне этих покрытий, и источники теплоты (в виде котельных с теплосетями или электростанции с кабельными сетями и понижающими трансформаторами). Такие системы гарантировано защищают покрытия от обледенения, однако высокая стоимость подобных устройств стала главным препятствием их широкого применения на практике, даже на аэродромах.
Из тепловых способов защиты покрытий от обледенения практическое широкое распространение получил способ, базирующийся на применении тепловых машин, хотя он также связан с достаточно большим расходом дорогостоящего топлива, составляющим 150-200 г авиационного керосина на один квадратный метр очищенной от гололеда поверхности [2]. Если учесть, что, например, поверхность взлетно-посадочной полосы аэродрома может составлять 125000 м2 (2500х50 м), а средне мировая цена на реактивное топливо равна около 170 долл. США за тонну, то затраты только на топливо при одноразовой очистке такой полосы достигнут более 3,7 тыс. долл.
Кроме того, известны технические решения [3-5], где в целях экономии дефицитного топлива и повышения эксплуатационной готовности аэродромов и автомобильных дорог, проблему предотвращения образования гололеда на их покрытиях предлагается решить за счет низкопотенциальной теплоты Земли и солнечной радиации.
За счет теплоты недр Земли, независимо от времени года, температура горных пород на глубине 60-80 м поддерживается около +8°С. При этом температура с увеличением глубины непрерывно повышается: в среднем на один градус через 33 м.
С учетом того, что гололед на покрытиях аэродрома образуется чаще всего при температурах атмосферного воздуха от 0 до минус 4°С, то достаточно подогреть поверхность ВПП до нулевой температуры, и образование на ней ледяной корки будет исключено. При более низких температурах можно допустить и более низкие (отрицательные) температуры покрытия аэродрома, но температура этих покрытий должна быть во всех случаях не ниже температуры атмосферного воздуха. В последнем случае образование ледяной корки не исключается, однако силы адгезии льда к поверхности покрытия будут близки к нулю, и образовавшийся при этом гололед может быть легко удален с помощью плужно-щеточных снегоочистителей или ветровых машин.
Из изложенного следует, что температурного потенциала глубинного тепла Земли порядка 8-10°С достаточно для решения задачи защиты покрытий аэродромов от обледенения. Однако, практическая реализация подобных технических решений [3], из-за низких значений коэффициентов теплопроводности горных пород, потребует бурения слишком большого числа скважин, что влечет за собой большие капитальные затраты. Так, например, предварительные расчеты показывают, что для решения поставленной задачи потребуется пробурить не менее тысячи скважин на одном аэродроме.
Эффективность подобной системы защиты аэродромных и дорожных покрытий от обледенения может быть существенно повышена при использовании подземных водоносных горизонтов в качестве аккумуляторов солнечной энергии, запасаемой в теплое время года, когда температура покрытий будет выше температуры воды в упомянутых водоносных горизонтах.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является устройство для защиты покрытий аэродромов, автомобильных дорог и мостов от обледенения, включающее трубчатый регистр, расположенный в полотне покрытия, рекуперативный теплообменник, водозаборную скважину, оснащенную погружным насосом и водоводами, “холодную” нагнетательную скважину, расположенную ниже по течению подземных вод относительно водозаборной скважины [4 ].
Существенным недостатком прототипа является то, что он при зарядке теплотой (летом) и разрядке (зимой) такого аккумулятора использует один и тот же объем водонасыщенного грунта - пространство водоносного горизонта, расположенное между водозаборной и нагнетательной скважинами. При таком решении необходимо летом подогревать воду, которая была охлаждена зимой. Кроме того, подземные воды, как и реки, непрерывно движутся. Хотя и скорость подземных вод небольшая, но учитывая, что цикл "заряд - разряд" данного теплового аккумулятора происходит только раз в году, то накопленная тепловая энергия, за время, до ее полезного использования, может существенно изменить свое месторасположение: уйти от водозаборной скважины, с неизбежными при этом теплопотерями.
Задачей изобретения является увеличение эффективности использования теплоты подземных водоносных горизонтов и солнечной энергии.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для защиты покрытий аэродромов, автомобильных дорог и мостов от обледенения, включающее трубчатый регистр, расположенный в полотне покрытия, рекуперативный теплообменник, водозаборную скважину, оснащенную погружным насосом и водоводами, “холодную” нагнетательную скважину, расположенную ниже по течению подземных вод относительно водозаборной скважины, согласно изобретению, снабжено “теплой” нагнетательной скважиной, расположенной на одной прямой линии с упомянутыми “холодной” нагнетательной и водозаборной скважинами и выше по течению подземных вод относительно водозаборной скважины на расстоянии, равном пути, проходимом подземными водами за полгода, а “холодная” нагнетательная скважина расположена относительно водозаборной скважины на расстоянии не менее суммы радиусов их влияния.
Дополнительная нагнетательная скважина предназначена только для закачки в водоносный пласт нагретой в теплое время года нагретой воды, поэтому ее условно можно назвать "теплой".
Известная из прототипа нагнетательная скважина в заявленном изобретении используется только для приема охлажденной воды в холодное время года, поэтому ее условно можно назвать "холодной".
При этом все скважины размещены на одной прямой линии, параллельной направлению движения подземных вод. "Теплая" нагнетательная скважина расположена первой по течению подземных вод, затем расположена водозаборная скважин и замыкает систему "холодная" нагнетательная скважина. "Теплая" нагнетательная скважина расположена от водозаборной на расстоянии, равном пути, проходимых этими водами за полгода, а "холодная" нагнетательная скважина расположена ниже, по течению подземных вод, относительно водозаборной скважины и на расстоянии, равном не менее суммы радиусов их влияния.
Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "изобретательский уровень".
Новые признаки в совокупности позволяют существенно повысить технико-экономические показатели устройств защиты покрытий аэродромов автомобильных дорог от обледенения за счет:
- повышения температуры водоносного горизонта, как подземного аккумулятора теплоты;
- повышения производительности по теплу и сокращения числа водозаборных скважин;
- уменьшения объема циркулирующей в устройстве жидкости, диаметров труб и мощности насоса в контурах циркуляции.
Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства (чертеж).
На чертеже представлены: покрытие ВПП 1, в котором установлен регистр с трубами 2, раздаточным 3 и приемным 4 коллекторами. К регистру подводится и отводится незамерзающая жидкость по трубопроводам 5 и 6 из колодца 7, где расположен рекуперативный теплообменник 8. Под колодцем расположена водозаборная скважина 9 с погружным насосом 10 и водоподъемным трубопроводом 11. Трубопровод 12 с нагнетательной скважиной 13 и оголовком 14 предназначены для удаления в зимнее время года охлажденной воды в водоносный горизонт 15.
Трубопровод 16 с нагнетательной скважиной 17 и оголовком 18 предназначены для подачи в теплое время года нагретой воды в водоносный горизонт. Для возможности переключения подачи воды в нагнетательные скважины предусмотрены задвижки 19 и 20.
Устройство работает следующим образом. В холодное время года вода из водоносного подземного горизонта 15 погружным насосом 10 водозаборной скважины 9 по водоводу 11 подается в теплообменник 8, где происходит подогрев подземной водой антифриза, например водного раствора хлористого кальция, который имеет свой замкнутый контур циркуляции: подающий трубопровод 5, раздаточный коллектор 3 трубчатого регистра, трубы 2 регистра, приемный коллектор 4, обратный трубопровод 6, насос 21, рекуперативный теплообменник 8. Охлажденная вода при закрытой задвижке 20 и открытой задвижке 19 поступает по трубопроводу 12 в нагнетательную скважину 13 и далее в подземный водоносный горизонт 15. Циркуляция отепленного антифриза по трубам 2 подогревает покрытие ВПП и исключает образование на нем гололеда.
В теплое время года вода из водоносного подземного горизонта 15 погружным насосом 10 водозаборной скважины 9 по водоводу 11 также подается в теплообменник 8, однако в данном случае происходит обратный процесс - подогрев подземной воды антифризом, который продолжает циркулировать по тому же замкнутому контуру: подающий трубопровод 5, раздаточный коллектор 3 трубчатого регистра, трубы 2 регистра, приемный коллектор 4, обратный трубопровод 6, насос 21, водо-водяной теплообменник 8. Нагретая вода при закрытой задвижке 19 и открытой задвижке 20 поступает по трубопроводу 16 в нагнетательную скважину 17 и далее в подземный водоносный горизонт 15. Циркуляция охлажденного антифриза по трубам 2 охлаждает покрытие ВПП и исключает его температурные деформации при нагреве. Подогретая солнечной энергией вода аккумулируется в водоносном горизонте между скважинами 9 и 17. При опасности возникновения гололеда на ВПП эта вода используется для подогрева покрытия аэродрома.
Как показывают расчеты, использование предлагаемого устройства с аккумулятором солнечной энергии позволит срок окупаемости системы защиты аэродромов от обледенения, где эти явления случаются не реже, чем 75 раз в году, уменьшить до одного года.
Кроме того, при этом обеспечивается термостатирование указанных покрытий и одновременное снижение в них температурных напряжений, что значительно увеличивает срок службы этих покрытий.
Список литературы
1. Горецкий Л.И., Могилевский Д.А. Эксплуатация аэродромов. - М.: Транспорт, 1975, 304 с.
2. Эксплуатация аэродромов: Справочник / Л.И.Горецкий, М.А.Печерский и др./ Под ред. Л.И.Горецкого. - М.: Транспорт, 1990, 287 с.
3. А.с. 1701772 СССР, МКИ Е 01 С 5/08. Устройство для защиты покрытий аэродромов и автомобильных дорог от обледенения / Седых Н.А. (СССР). - 4 с.: ил.
4. Патент СССР №1834947, МКИ Е 01 С 11/26. Устройство для защиты покрытий аэродромов и автомобильных дорог от обледенения / Седых Н.А. (СССР). - 4 с.: ил.
5. Европейский патент №0322489, кл. Е 01 С 11/26, 1987.
Изобретение относится к области строительства и эксплуатации аэродромов, автомобильных дорог и мостов и может быть использовано для защиты покрытий указанных инженерных сооружении от обледенения в холодное время года и от размягчения асфальтовых покрытий под действием высокой температуры и солнечной радиации в теплое время года. Устройство для защиты покрытий аэродромов, автомобильных дорог и мостов от обледенения включает трубчатый регистр, расположенный в полотне покрытия, рекуперативный теплообменник, водозаборную скважину, оснащенную погружным насосом и водоводами, “холодную” нагнетательную скважину, расположенную ниже по течению подземных вод относительно водозаборной скважины. Новым является то, чтоустройство снабжено “теплой” нагнетательной скважиной, расположенной на одной прямой линии с упомянутыми “холодной” нагнетательной и водозаборной скважинами и выше по течению подземных вод относительно водозаборной скважины на расстоянии, равном пути, проходимом подземными водами за полгода, а “холодная” нагнетательная скважина расположена относительно водозаборной скважины на расстоянии не менее суммы радиусов их влияния. Технический результат изобретения состоит в увеличении эффективности использования теплоты подземных водоносных горизонтов и солнечной энергии, а также в обеспечении бесперебойной эксплуатации инженерных сооружений в течение круглого года. 1 ил.
Устройство для защиты покрытий аэродромов, автомобильных дорог и мостов от обледенения, включающее трубчатый регистр, расположенный в полотне покрытия, рекуперативный теплообменник, водозаборную скважину, оснащенную погружным насосом и водоводами, “холодную” нагнетательную скважину, расположенную ниже по течению подземных вод относительно водозаборной скважины, отличающееся тем, чтоустройство снабжено “теплой” нагнетательной скважиной, расположенной на одной прямой линии с упомянутыми “холодной” нагнетательной и водозаборной скважинами и выше по течению подземных вод относительно водозаборной скважины на расстоянии, равном пути, проходимом подземными водами за полгода, а “холодная” нагнетательная скважина расположена относительно водозаборной скважины на расстоянии не менее суммы радиусов их влияния.
| Устройство для защиты покрытий аэродромов и автомобильных дорог от обледенения | 1990 |
|
SU1834947A3 |
