СИСТЕМА ОБОГРЕВА ДОРОЖНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2009 года по МПК E01C11/26 

Настоящее изобретение относится к системам для обогрева дорожного покрытия с целью предотвращения образования на нем снега, льда, ухудшающих состояние дорог и создающих дискомфорт для прохожих, а также накапливающим тепло солнечной радиации в летнее время для использования его при обогреве дороги зимой.

Известна установка для защиты дорог от обледенения зимой и от нагрева в летнее время, использующая низкопотенциальную теплоту водоемов. Сущность известной установки заключается в том, что имеются два сообщенных между собой теплообменника, между которыми циркулирует рассол, например, раствор хлористого кальция. Один из теплообменников представляет собой регистр труб, установленных в покрытии дороги, а другой расположен в водоеме, например в воде реки. За счет циркуляции рассола теплота в холодное время года или холод в теплое время года передается покрытию, температура которого становится приблизительно равной температуре воды водоема, что исключает образование на покрытии гололеда зимой или размягчение этого же покрытия летом (см. патент РФ №2060316).

Известная система применима только в местностях, имеющих подобные водоемы, и не может быть использована широко для указанных целей.

Известен также патент Японии 2005248673, раскрывающий систему, использующую солнечную энергию и включающую в себя один теплообменник, установленный в покрытии у земли на солнечной стороне и связанный магистралями с тепловым агентом с другим теплообменником, расположенным на участке, куда не поступает солнечный свет. Нагретый на солнечной стороне в первом теплообменнике агент циркулирует через второй теплообменник и нагревает покрытие, находящееся над ним в тени.

Известная система не рассматривает возможность накопления тепла летнего времени и не предусмотрена для функционирования в холодное время года.

Известен патент Китая №1542228, описывающий систему утилизации солнечной энергии для обогрева дорожного покрытия зимой. Система содержит разводку труб, установленную в полотне дороги, связанную с подземными породами. Летом тепло от солнечной радиации передается тепловым носителем, протекающим в разводке труб, горным подземным породам и аккумулируется, а зимой сохраненное тепло используется для нагрева теплового носителя, с помощью которого предотвращается образование льда на полотне дороги.

Известно устройство для защиты покрытий, в частности дорог от обледенения в зимнее время и от размягчения под действием высокой температуры и солнечной радиации в теплое время года. Устройство использует подземные водоносные горизонты в качестве аккумуляторов солнечной энергии, запасаемой в теплое время года. Известное устройство содержит водозаборную скважину с насосом и две так называемые «теплую» и «холодную» скважины. Имеется закольцованная магистраль, в которой содержится трубчатый регистр, расположенный в полотне дороги, и в этой магистрали находится тепловой незамерзающий агент. В летнее время года из водозаборной скважины насосом подается вода в «теплую» скважину, по пути к которой она протекает через теплообменник. По другой линии этого теплообменника циркулирует агент закольцованной магистрали, охлаждаемый водой и передающий свое тепло воде, идущей в «теплую» скважину. Таким образом, аккумулируется тепло от солнечной радиации и высокой температуры летнего времени. В зимнее время благодаря течению подземных вод тепло «теплой» скважины передается водозаборной скважине, из которой с помощью насоса теплая вода пропускается через указанный теплообменник и нагревает агент закольцованной магистрали, который, в свою очередь, нагревает полотно дороги, препятствуя его обледенению (см. патент РФ №2242556 от 27.11.02). Указанные последние две системы раскрывают системы, утилизирующие тепло солнечной энергии для использования в холодное время года. Однако обе эти системы связаны с происходящими процессами под землей, которые являются труднорегулируемыми, а системы - трудноэксплуатируемыми. Кроме того, они сложны и требуют больших затрат для их создания.

Авторами настоящей заявки создана система обогрева дорожного покрытия, содержащая разводку магистральных подающих и обратных трубопроводов, проложенных под дорожным покрытием, по которым протекает теплоноситель, источник тепла и насос, а также нагревательные блоки, установленные под обогреваемым дорожным покрытием по его площади, сообщенные с подающим и обратным трубопроводами, а также исполнительную и контрольно - регулировочную аппаратуру (см. заявку на изобретение РФ №2006138444/03 от 31.10.06).

Известная система хорошо функционирует при обогреве дорожного покрытия зимой, но она не предусматривает аккумулирование солнечной энергии летнего времени для использования ее в холодный период.

Задачей настоящего изобретения является создание системы обогрева дорожного покрытия, которая аккумулирует тепло солнечной радиации теплого времени года и использует накопленную тепловую энергию зимой для обогрева дороги. Другой задачей настоящего изобретения является создание системы, которая обеспечивает обогрев дороги, используя энергию стандартного источника тепла, например, магистралей городского теплоснабжения, и тепло, накопленное в летнее время года, тем самым обеспечивая процесс экономичного расходования энергии. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы для обогрева дорожного покрытия простой в изготовлении и удобной и надежной в эксплуатации.

Для решения указанных и других задач предлагается система обогрева дорожного покрытия, содержащая разводку магистральных подающих и обратных трубопроводов, проложенных под дорожным покрытием, по которым протекает теплоноситель, источник тепла и источник давления указанного теплоносителя, а также нагревательные блоки, установленные под обогреваемым дорожным покрытием по его площади, сообщенные с подающим и обратным трубопроводами, а также исполнительную и контрольно-регулировочную аппаратуру, при этом система снабжена подземным резервуаром с теплоаккумулирующим веществом и в нее введена дополнительная магистраль с теплообменником, вход которой соединен с обратным трубопроводом, а выход - с подающим трубопроводом, а теплообменник расположен в указанном резервуаре, причем система снабжена также дополнительными кранами, одна пара из которых установлена в дополнительной магистрали: один - до теплообменника, а другой - после теплообменника, а вторая пара дополнительных кранов установлена в подающем и обратном трубопроводах: один - до выхода дополнительной магистрали, а другой - после входа дополнительной магистрали, при этом насос (источник давления) установлен в обратном трубопроводе до установленного в нем крана.

Дополнительно система обогрева снабжена магистралью для нагрева дополнительного объекта, подсоединенной к подающим и обратным трубопроводам.

Теперь изобретение будет раскрыто в примерах предпочтительного осуществления со ссылкой на сопроводительный чертеж, где представлено схематическое выполнение одного предпочтительного варианта выполнения системы обогрева в соответствии с настоящим изобретением.

На чертеже представлено схематическое выполнение системы 1 обогрева дорожного покрытия, обеспечивающей обогрев значительной площади. Подающие и обратные (магистральные) трубопроводы 2 и 3 системы 1 проложены под покрытием, например, в бетонном основании под плитками покрытия. По подающему трубопроводу 2 теплоноситель идет к нагреваемым блокам 4, а по обратному трубопроводу 3 теплоноситель возвращается для получения тепла в тепловом пункте 5. В общем виде тепловой пункт 5 включает в себя теплообменное устройство 6, например, теплообменник, в котором по одной, нагревающей ветви 7 пропускается теплоагент с более высокой температурой, а другая ветвь выполнена из сообщающихся подающих 2 и обратных 3 трубопроводов. Подающие 2 и обратные 3 трубопроводы используются для доставки теплоносителя к нагревательным блокам 4, которые осуществляют непосредственный обогрев дорожного покрытия. Подающие 2 и обратные 3 трубопроводы выполнены сравнительно большого диаметра, порядка D1˜100-130 мм, что дает возможность существенно уменьшить гидравлическое сопротивление протяженных магистральных трубопроводов и тем самым снизить потребляемую мощность. Каждый из нагревательных блоков 4 включают в себя трубу 8, диаметром порядка D2˜15-30 мм, выполненную зигзагообразной для возможности схватывания большой площади обогрева и обеспечения равномерного обогрева всей площади дорожного покрытия. Площадь каждого нагревательного блока 4 может составлять S˜10-25 м². Нагревательные блоки 4 могут быть выполнены за одно целое с металлическими сетками (не показаны) и модульно устанавливаться в бетонном основании покрытия.

На практике существуют варианты, когда нецелесообразно с точки зрения экономической эффективности иметь только продольные, большой протяженности магистральные трубопроводы 2 и 3. Могут быть даже варианты, когда протяженность магистральных трубопроводов 2 и 3 незначительна. На участках, имеющих, кроме значительной продольной протяженности площади, и достаточную ширину, становится более эффективно использовать и дополнительные участки подающих 2 и обратных 3 трубопроводов. Такие дополнительные участки включают в себя попарно расположенные участки трубопроводов 9 и 10, каждый из которых сообщен, соответственно, с подающим 2 и обратным 3 трубопроводами. Диаметр участков трубопроводов 9 и 10 обычно составляет D3˜130-220 мм, что позволяет иметь на них минимальное гидравлическое сопротивление. За счет этого удается поддерживать практически неизменным давление вдоль трубопроводов 9 и 10 для обеспечения функционирования блоков 4 на одних и тех же параметрах, в то же время изменение давления по трубопроводам 2 и 3 является не существенным для эффективности работы этих блоков.

На обратном трубопроводе 3 установлен насос 11, создающий давление, обеспечивающее движение теплоносителя. На параллельных линиях ветви 7, соединенных, например, с магистралью городской системы обогрева помещений, устанавливаются температурные датчики 12 и регулировочный кран (типа регулятора расхода) 13, а в подающем 2 и обратном 3 трубопроводах устанавливаются температурные датчики 14. Регуляторы расхода и температурные датчики могут устанавливаться также на входе и выходе труб 8 каждого нагревательного блока 4. Указанные выше элементы системы достаточно хорошо решают задачу обогрева дорожного покрытия в зимнее время. Однако в летнее время они не задействованы и большую часть года «простаивают», и, кроме того, для такого периода времени надо осуществлять мероприятия по консервации системы - слив теплоагента, обесточивание электроагрегатов, и т.п. В то же время, в летнее время происходит нагрев дорожного покрытия, теплота которого не используется, но отрицательно действует на само покрытие. Для исключения этого недостатка для такой системы предусмотрен расположенный под землей резервуар 15, заполненный веществом, аккумулирующим тепло. Это может быть просто вода, в ней могут быть размещены химические элементы, известные как обладающие большой теплоемкостью и являющиеся хорошими теплоаккумуляторами. Для сохранения тепла резервуар покрыт теплоизоляцией 16. Размеры резервуара могут отличаться в зависимости от площади обогреваемого дорожного покрытия и от находящегося в нем вещества. Через резервуар 15 проходит закольцованная магистраль 17, входная линия 18 которой подсоединена к обратному трубопроводу 3, а выходная линия 19 - к подающему трубопроводу 2. В этой магистрали установлен теплообменник 20, размещенный в резервуаре 15 для обогрева находящегося там вещества. Во входной 18 и выходной 19 линиях магистрали установлены краны 21 и 22, аналогичным образом краны 23 и 24 установлены, соответственно, в подающем 2 и обратном 3 трубопроводах. В системе 1 предусмотрена также другая аппаратура, заслонки, задвижки и т.п., необходимые для обычного функционирования подобных систем, а также контрольно-измерительная аппаратура для регулирования процесса накопления тепла в резервуаре 15 и использования его для обогрева.

В летнее время года, когда тепло от солнечной радиации через дорожное покрытие передается теплоагенту, находящемуся в нагревательных блоках 4, краны 23 и 24 на подающем 2 и обратном 3 трубопроводах закрываются, а краны 21 и 22 на входной 18 и выходной 19 линиях открываются. Работающий насос 11 прогоняет теплоагент из трубопроводов 8 блоков 4 через закольцованную магистраль 17. Благодаря наличию теплообменника 20 осуществляется передача тепла веществу, находящемуся в резервуаре 15, и сохранение его за счет теплоаккумулирующих свойств этого вещества. Процесс передачи тепла регулируется соответствующей аппаратурой. При этом происходит измерение температуры как дорожного покрытия, так и вещества в резервуаре. При достижении заданных параметров процесс может изменяться, например, изменяться производительность насоса 11, и т.п. Кроме того, при достижении повышенной температуры в резервуаре относительно температуры теплоагента у дорожного покрытия осуществляется перекрытие кранов 21 и 22 и, соответственно, перекрываются входная 18 и выходная 19 линии. Теплоагент, в таком случае, может направляться по трубопроводам 2 и 3 в дополнительные обогреваемые объекты для передачи им тепла, например, по магистрали 25, тем самым повышая эффективность использования тепла солнечной радиации.

Обогрев дорожного покрытия в зимнее время осуществляется, исходя из поддержания его температуры, незначительно выше 0°С. Поддержание такой температуры обеспечивает надежное плавление снега и исключает образование льда. В то же время, при этом не затрачиваются излишние мощности для нецелесообразного поддержания повышенной температуры. В настоящей системе 1 предусмотрены температурные датчики (не показаны), которые измеряют температуру у поверхности покрытия и передают ее параметры на аппаратуру в тепловом пункте 5. Кроме того, измеряется температура в указанных трубопроводах теплообменного устройства 6. С учетом температуры теплоагента в ветви 7 и температуры дорожного покрытия осуществляется регулирование производительности насоса 11 и регуляторов расхода. Учитывается также работа аппаратуры, установленной непосредственно на трубах 8 нагревательных блоков 4. В этом режиме работы системы тепло вещества в резервуаре 15 не задействовается и краны 21 и 22 закрыты. В то же время, работа настоящей системы в зависимости от обстоятельств и заданных параметров может строится другим способом. При открытии кранов 21 и 22 и закрытии кранов 23 и 24 теплоагент системы будет проходить по закольцованной магистрали 17, нагреваться в теплообменнике 20 от теплоаккумулирующего вещества и передавать тепло дорожному покрытию. Возможно комбинированное функционирование с использованием тепла вещества резервуара 15, так и тепла теплового пункта 5, т.е. краны 21, 22, 23 и 24 открыты. Контроль и регулирование таких процессов осуществляется аналогично указанному выше способу. Резервуар 15 оборудуется обычными для такого устройства элементами: люки, приспособления для очистки стенок и утилизации находящегося в нем вещества и т.д. (не показаны).

Введение в систему резервуара 15 с теплоаккумулирующим веществом повышает экономичность системы благодаря использованию тепла солнечной радиации, которое в предыдущих решениях оказывало негативное влияние на дорожное покрытие. При этом в предложенной в настоящем изобретении схеме один, тот же самый насос, обеспечивает функционирование системы в любом варианте выполнения, что значительно упрощает модернизацию известной системы. Дополнительно положительную роль играет нахождение резервуара под землей, т.к. используется естественная изоляция земли.

Следует отметить, что в данном описании приведены примеры выполнения системы, которые не должны рассматриваться как ограничивающие притязания заявителей, т.к. с учетом приведенной формулы изобретения можно привести достаточное количество других вариантов настоящего изобретения, охватываемых этой формулой.

Заявляется система обогрева дорожного покрытия, содержащая разводку магистральных подающих и обратных трубопроводов, проложенных под дорожным покрытием, по которым протекает теплоноситель, источник тепла и насос, а также нагревательные блоки, установленные под обогреваемым дорожным покрытием по его площади, сообщенные с подающим и обратным трубопроводами, а также исполнительную и контрольно - регулировочную аппаратуру. Система снабжена подземным резервуаром с теплоаккумулирующим веществом, и в нее введена дополнительная магистраль с теплообменником, вход которой соединен с обратным трубопроводом, а выход - с подающим трубопроводом, а теплообменник расположен в указанном резервуаре, причем система снабжена также дополнительными кранами, одна пара из которых установлена в дополнительной магистрали, а вторая пара дополнительных кранов установлена в подающем и обратном трубопроводах, при этом насос установлен в обратном трубопроводе до установленного в нем крана. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система обогрева дорожного покрытия, содержащая разводку магистральных подающих и обратных трубопроводов, проложенных под дорожным покрытием, по которым протекает теплоноситель, источник тепла и насос, а также нагревательные блоки, установленные под обогреваемым дорожным покрытием по его площади, сообщенные с подающим и обратным трубопроводами, а также исполнительную и контрольно-регулировочную аппаратуру, при этом система снабжена подземным резервуаром с теплоаккумулирующим веществом, и в нее введена дополнительная магистраль с теплообменником, вход которой соединен с обратным трубопроводом, а выход - с подающим трубопроводом, а теплообменник расположен в указанном резервуаре, причем система снабжена также дополнительными кранами, одна пара из которых установлена в дополнительной магистрали, по одному крану до и после теплообменника, а другая пара дополнительных кранов установлена в подающем и обратном трубопроводах, по одному крану до выхода и после входа дополнительной магистрали, при этом насос установлен в обратном трубопроводе до установленного в нем дополнительного крана.2. Система обогрева по п.1, снабженная магистралью для нагрева дополнительного объекта, подсоединенной к подающему и обратному трубопроводам.