АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК E04D13/76 

Настоящее техническое решение относится к антиобледенительному нагревательному устройству для предотвращения образования льда или снега, в частности, в водосточных желобах, водосточных трубах и на крышах. Антиобледенительное устройство может также использоваться для обогрева тротуаров, дорог и других поверхностей, которые могут быть покрыты льдом или снегом в холодную погоду.

Известно, что антиобледенительные системы устанавливают на крышах зданий, в желобах и водосточных трубах для отвода воды с крыш и строительных конструкций, а также вдоль каналов и тротуаров. Как правило, антиобледенительные системы отопления основаны на нагреве жидкости, которая протекает по трубам, которые устанавливаются в местах, где требуется защита от наледи, или по электрическим нагревательным кабелям. Преимущество электрических кабелей заключается в большей гибкости и простоте монтажа. Трубы, несущие нагретую жидкость, как правило, требуют более высоких затрат на установку и менее легко приспосабливаются к геометрии различных конструкций по сравнению с электрическими нагревательными кабелями, которые легко устанавливать, а также подключать к устройству управления. Электрические нагревательные кабели обычно содержат электрические провода, встроенные в изолирующий материал, который способен нагреваться для поддержания тепла, генерируемого электрическим током (резистивные кабели).

Недостатком электрических нагревательных кабелей для противообледенительных систем является небольшая площадь поверхности для теплопередачи, поскольку наружная поверхность нагревательного кабеля имеет относительно небольшой диаметр по сравнению с водосточными трубами, желобами и другими элементами, в которых этот кабель может быть установлен.

Несмотря на то, что электрические резистивные кабели очень просты в установке, они имеют относительно низкую механическую прочность, внешние изоляционные слои таких кабелей подвержены воздействию окружающей среды, в частности, воздействию ультрафиолетовых лучей. Таким образом, срок службы и надежность электрических нагревательных кабелей, как правило, неудовлетворительны.

Недостатки известных антиобледенительных систем, основанных на электронагревательных кабелях, могут быть суммированы следующим образом: низкая энергоэффективность, небольшая площадь для передачи тепла, возможный перегрев кабеля, а также низкая механическая прочность и срок службы.

Задачей заявленного технического решения является создание антиобледенительного устройства отопления, который прост в установке и управлении, очень эффективен для таяния снега или льда, а также для предотвращения их появления на строительных конструкциях, в частности, на крышах, ендовах, в водосточных желобах и трубах, а также в других местах, где лед может образовываться на зданиях или искусственных сооружениях.

Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении энергоэффективности, эксплуатационной прочности и надежности нагревательного элемента, повышении антивандальной стойкости нагревательного элемента, появлении плавного температурного регулирования нагревательного элемента и увеличении срока службы.

Заявленный технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков, а именно антиобледенительное нагревательное устройство, содержащее электрический нагревательный кабель, включающий, по меньшей мере, один электрический провод, окруженный изолятором, согласно заявленному решению устройство дополнительно содержит металлическую трубу, имеющую внутреннюю полость, внутри которой установлен электрический нагревательный кабель.

В другом варианте осуществления устройства, электрический нагревательный кабель может представлять собой электрический резистивный нагревательный кабель или саморегулирующийся нагревательный кабель.

В другом варианте осуществления устройства, металлическая труба может содержать гофры, содержащие расположенные рядом радиально внешние кольцевые части и радиально внутренние кольцевые части, окружающие внутреннюю полость.

В другом варианте осуществления устройства, отношение Di/W внутреннего диаметра (Di) металлической трубы к максимальной толщине или диаметру (W) электрического нагревательного кабеля, может находиться в диапазоне от 1,1 до 3, предпочтительно в диапазоне от 1,2 до 2.

В другом варианте осуществления устройства, нагревательный кабель дополнительно может содержать терморегулирующий наполнитель, размещенный внутри полости между электрическим нагревательным кабелем и металлической трубой.

В других вариантах осуществления устройства, терморегулирующий наполнитель может содержать частицы кварца или полимерные частицы, или шарики.

В другом варианте осуществления устройства, металлическая труба может содержать отверстия, позволяющие проходить жидкости между внутренней и внешней частью металлической трубы.

В другом варианте осуществления устройства, отверстия могут быть расположены во внутренней кольцевой части гофров металлической трубы.

В другом варианте осуществления устройства, множество отверстий может быть распределено по окружности вокруг внутренней полости трубы.

В других вариантах осуществления устройства, металлическая труба может быть выполнена из медного или стального сплава.

В другом варианте осуществления устройства, металлическая труба может быть покрыта слоем полимера.

В другом варианте осуществления устройства, металлическая труба может быть окрашена в цвет.

Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где на:

Фиг. 1 представлен схематический вид водосточного желоба и водосточной трубы, в которых установлено заявленное антиобледенительное устройство;

Фиг. 2 представлен вид в перспективе сечения заявленного антиобледенительного устройства;

Фиг. 3 показан вид в перспективе сечения антиобледенительного устройства с отверстиями в трубе для прохода жидкости;

Фиг. 4 представлен схематичный вид в перспективе сечения антиобледенительного устройства с терморегулирующим наполнителем.

Как показано на чертежах, антиобледенительное устройство 1 в соответствии с вариантами осуществления содержит электрический нагревательный кабель 2 и металлическую трубу 3, электрический нагревательный кабель проходит во внутренней полости 7 металлической трубы 3.

Металлическая труба 3 полностью окружает электрический нагревательный кабель 2. Внутренняя полость 7 металлической трубы имеет диаметр Di, который больше максимального диаметра или ширины W электронагревательного кабеля 2, так что между электронагревательным кабелем и металлической трубой 3 образуется свободное пространство. Это пространство может быть заполнено воздухом, как показано в вариантах осуществления на фиг. 2 и 3, или может быть заполнено терморегулирующим наполнителем 4, как показано на фиг. 4.

Антиобледенительное устройство 1 можно легко установить в желоб 10а, например, в желоб на краю крыши здания или на крыше, уложив кабель в желоб, чтобы он лежал на дне желоба. Антиобледенительное устройство 1 также может быть легко установлено в водосточную трубу 10b, путем протягивания его через водосточную трубу. Антиобледенительное устройство 1 может быть закреплено, например, с некоторыми интервалами, с помощью заклепок, зажимов, винтов, сварки или клеевого соединения, или других крепежных средств для желоба, водосточной трубы или другой конструкции здания, вдоль которой он установлен. Антиобледенительное устройство также может быть закреплено на плоских конструкциях линейным способом или изогнуто в криволинейные формы, если это необходимо для регулировки в соответствии с желаемой геометрией конструкции, к которой он прикреплен, и площадью поверхности, подлежащей покрытию антиобледенительным устройством.

Электрический нагревательный кабель 2 может быть кабелем резистивного типа, который сам по себе хорошо известен для антиобледенительных систем в зданиях и других искусственных сооружениях, причем такие кабели обычно содержат один или несколько электропроводящих проводов 5a, 5b, окруженных по меньшей мере, изолятором 6. В другом варианте осуществления, нагревательный кабель может быть резистивным нагревательным кабелем. В другом варианте осуществления нагревательный кабель может представлять собой саморегулирующийся нагревательный кабель. В случае саморегулирующегося нагревательного кабеля, электропроводящие провода встроены в проводящий сердечник 11, например, из проводящей полимерной матрицы, которая окружена изолятором 6, причем такие электрические нагревательные кабели как таковые хорошо известны.

Электрические нагревательные кабели могут быть подключены к системе управления, которая регулирует ток на основе измерений температуры датчиками температуры, чтобы гарантировать, что температура в непосредственной близости от кабеля выше точки замерзания. В другом варианте нагревательный кабель может быть саморегулирующимся температурным кабелем, который не требует обратной связи от датчиков температуры. Автоматическое регулирование такого кабеля осуществляется с помощью свойств сопротивления материала матрицы, встроенного в сердечник, где повышение температуры увеличивает сопротивление, так что ток уменьшается, и выходная мощность остается на уровне, изначально заданном при изготовлении для поддержания температуры в непосредственной близости от кабеля выше точки замерзания, например, в диапазоне обычно от 1 до 5°С.

Такие электрические нагревательные кабели сами по себе хорошо известны и не нуждаются в дальнейшем описании.

Металлическая труба 3 в соответствии с другими вариантами осуществления заявленного устройства содержит гофры 8, каждое из которых образовано частью 8а внешнего кольца, смежной с частью 8b внутреннего кольца, причем часть внешнего кольца образует (если смотреть в продольном сечении вдоль оси А внутренняя полость 7) выступающая часть, направленная в радиальном направлении наружу, и внутренняя кольцевая часть, образующая желоб, направленный в радиальном направлении внутрь. Гофры 8 могут быть выполнены в виде колец, которые наложены друг на друга и окружают центральную продольную ось А металлической трубы, или, в варианте, могут быть выполнены в виде непрерывной спиральной резьбы.

В проиллюстрированных вариантах осуществления радиально внутренние части 8b и внешние 8а, образующие гофры 8, окружают внутреннюю полость на 360°. Однако в другом варианте (не показан) радиально внутренние и радиально внешние участки 8а, 8b, образующие гофры, могут только частично окружать внутреннюю полость 7, например, образуя секторы, соединенные плоскими частями.

Гофры 8 преимущественно обеспечивают повышенную механическую стойкость к разрушению трубы по сравнению с не гофрированной цилиндрической трубой, а также большую площадь поверхности для передачи тепла в окружающую среду. Гофры также предпочтительно позволяют сгибать устройство 1 в изогнутые произвольные формы без излома самой трубы.

Металлическая труба 3 преимущественно может быть изготовлена из медного сплава с учетом пластичности меди, позволяющей легко сгибать ее, чтобы следовать конфигурации полости, в которой она установлена, или обеспечивать извилистую форму для покрытия большей площади обогреваемой поверхности.

В другом варианте осуществления устройства, металлическая труба 3, однако, может быть изготовлена из других металлов, например, из стального сплава, который может быть оцинкован или иным образом обработан от коррозии.

Металлическая трубка 3 преимущественно обеспечивает лучшую теплопередачу между электрическим кабелем и окружающей средой, с одной стороны, за счет увеличения площади поверхности, а также распределения тепла вокруг кабеля из-за высокой проводимости металлического материала трубы. Кроме того, металлическая труба существенно защищает электрический кабель от внешних условий, включая защиту от ультрафиолетовых лучей солнечного света и механическую защиту от острых предметов. Труба также обеспечивает защиту от раздавливания кабеля, которое может повредить внешний слой изоляции и ухудшить работу кабеля. Металлическая труба 3, в другом варианте осуществления с гофрами 8 также преимущественно облегчает установку, позволяя металлической трубе пластично деформироваться и изгибаться в различные формы, но, тем не менее, обеспечивая высокую структурную жесткость.

Металлическая труба 3 в другом варианте осуществления, может быть окрашена в любой выбранный цвет для различных целей, например, для обеспечения легкого распознавания кабеля среди других кабелей. В другом варианте осуществления, металлическая труба 3 может быть покрыта слоем полимера для различных целей, например, для защиты металлической трубы от ударов и повреждений, и / или для изменения теплопроводности трубы, и / или для обеспечения выбранного цвета и / или для защиты от негативных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое излучение и химические вещества.

Наружный диаметр трубы D_o относительно наибольшей толщины или диаметра W электронагревательного кабеля 2 может преимущественно составлять от 1,2 до 2 (т.е. 1,2 < D_o /W <2). Это позволяет антиобледенительному устройству иметь такой наружный диаметр D_o, который позволяет легко устанавливать его в желобах, водосточных труб и других местах, не увеличивая сложность монтажа по сравнению с одним нагревательным кабелем, но при этом обеспечивая вышеупомянутые преимущества - лучшая распределенная передача тепла в окружающую среду по большой площади поверхности, механическая защита от внешней среды и объектов, а также защита от ультрафиолетового излучения, что увеличивает долговечность и срок службы нагревательного кабеля 1.

На фиг. 3 показана, в предпочтительном варианте осуществления устройства, металлическая труба 3, содержащая отверстия 9, расположенные с интервалами вдоль длины металлической трубы 3, посредством чего в этом варианте осуществления предусмотрены отверстия 9 в желобах, образованные внутренней кольцевой частью 8b гофров 8. Отверстия 9 могут преимущественно проходить на некоторый угол α дуги, а также может быть множество отверстий, распределенных по окружности вокруг металлической трубы, например, от 2 до 4 отверстий.

Отверстия 9 могут быть предусмотрены в каждой из последовательных частей 8b внутреннего кольца, однако отверстия могут быть расположены с интервалами в два или более гофрирования в зависимости от требований для конкретного применения степени нагрева. Гофры позволяют воде из окружающей среды проникать во внутреннюю полость 7 металлической трубы 3. Вода, поступающая от растаявшего льда или снега, или вода, текущая вокруг металлической трубы, которая не замерзла, поступающая в металлическую трубу 3, служит в качестве теплоносителя для распределения тепла в окружающую среду.

Отверстия 9 могут также иметь эффект улучшения деформации изгиба трубы для адаптации ее формы к желаемой геометрии конструкции, на которой она установлена.

В другом варианте осуществления, как показано на фиг.4, свободное пространство (то есть зазор) между электрическим нагревательным кабелем 2 и металлической трубой 3 может содержать терморегулирующий наполнитель 4, который может по существу полностью заполнять свободное внутреннее пространство, или только частично.

Терморегулирующий наполнитель 4 может содержать незакрепленные частицы материала, выбранного из-за его теплоемкости и/или проводящих свойств, чтобы регулировать передачу тепла между электрическим нагревательным кабелем 2 и металлической трубой 3, а также регулировать задержку тепла для более плавного изменения температуры в зависимости от величины электрического тока, протекающего в электрическом нагревательном кабеле 2.

Выбор терморегулирующего наполнителя 4 зависит от предполагаемого применения и от предполагаемой среды установки антиобледенительного устройства 1 в соответствии с вариантами осуществления. Для случаев, в которых требуется быстрая передача тепла между электрическим нагревательным кабелем 2 и металлической трубой 3, терморегулирующий наполнитель 4 может содержать, например, частицы кварца. Для случаев, в которых проводимость между электрическим нагревательным кабелем и металлической трубой 3 должна быть более медленная (плавное изменение температуры), или для увеличения теплоемкости антиобледенительного устройства 1, можно использовать наполнитель, содержащий, например, полимерные или керамические шарики. Много других возможных материалов, выбранных по их удельной теплопроводности и теплоемкости, могут быть использованы в качестве терморегулирующего наполнителя.

В другом варианте терморегулирующий наполнитель 4 может содержать частицы, шарики или твердые структуры в хаотичном или дискретном расположении во внутренней полости 7, при этом они не могут быть меньше, чем отверстия 9, предусмотренные в металлической трубе 3, чтобы пропускать воду через них. Таким образом, наполнитель в таком варианте может также служить для регулирования теплообмена в варианте, в котором вода из внешней среды может входить и выходить из внутренней полости 7 металлической трубы 3.

Экспериментальные исследования показали, что гофрированная металлическая труба с электрическим нагревательным кабелем, установленная в дренажной трубе 10b и желобе 10а, служила для образования во льду канала для талой воды с общей площадью потока, примерно в 10 раз превышающей площадь потока, создаваемого одним только электрическим нагревательным кабелем при той же мощности нагревания кабеля.

Результат экспериментальных исследований объясняется Законом Фурье, в соответствии с которым во всякой точке тела (вещества) в процессе теплопроводности присуща однозначная взаимосвязь между тепловым потоком и градиентом температуры:

, где

Q - тепловой поток, Вт;

grad (T) - градиент температурного поля (совокупности числовых значений температуры в разнообразных местах системы в выбранный момент времени), единицы измерения К/м;

S - площадь поверхности теплообмена, м²;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт / (м К).

Варианты осуществления технического решения, таким образом, увеличивают площадь поверхности нагревательного элемента и, таким образом, увеличивают тепловой поток.

Металлическая труба 3 обеспечивает большую долговечность, также улучшает защиту от вандализма, скрывает и предохраняет электрический нагревательный кабель от вандалов.

Температура в непосредственной близости от нагревательного кабеля также более плавно регулируется благодаря использованию металлической трубы, которая с запаздыванием получает тепло от нагревательного кабеля и передает его в окружающую среду.

Антиобледенительное устройство защиты крыши в соответствии с заявленным решением обеспечивает удаление снега и наледи при размещении в желобах, водосточных трубах и крышах домов. Зимой скопившийся снег и лед в желобах тают вокруг антиобледенительного устройства, предотвращающего обледенение, что создает канал для оттока талой воды. Ввиду плавного тепловыделения антиобледенительного устройства 1, в соответствии с вариантами осуществления, даже если электрический ток прерывается в течение короткого периода, накопленная тепловая энергия в устройстве 1 высвобождается еще в течение некоторого периода времени, таким образом предотвращая быстрое повторное замерзание воды вокруг кабеля, которое заблокирует канал для талой воды.

Изобретение относится к антиобледенительному нагревательному устройству для предотвращения образования льда или снега. Технический результат изобретения заключается в эксплуатационной прочности и надежности нагревательного элемента. Антиобледенительное устройство содержит электрический нагревательный кабель, металлическую трубу, внутри которой установлен электрический нагревательный кабель, терморегулирующий наполнитель, размещенный внутри полости между электрическим нагревательным кабелем и металлической трубой. Терморегулирующий наполнитель содержит частицы кварца, или полимерные частицы, или шарики. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Антиобледенительное устройство (1), содержащее электрический нагревательный кабель (2), отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит металлическую трубу (3), внутри которой установлен электрический нагревательный кабель (2), и содержится терморегулирующий наполнитель (4), размещенный внутри полости (7) между электрическим нагревательным кабелем (2) и металлической трубой (3), причем терморегулирующий наполнитель содержит частицы кварца, или полимерные частицы, или шарики.

2. Антиобледенительное устройство по п. 1, в котором электрический нагревательный кабель (2) является резистивным.

3. Антиобледенительное устройство по п. 1, в котором электрический нагревательный кабель (2) является саморегулирующимся.

4. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-3, в котором металлическая труба содержит гофры (8), включающие расположенные рядом радиально внешние кольцевые части (8а) и радиально внутренние кольцевые части (8b).

5. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-4, в котором отношение Di/W, внутреннего диаметра (Di) металлической трубы к максимальной толщине или диаметру (W) электрического нагревательного кабеля составляет от 1,2 до 2.

6. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-5, в котором металлическая труба (3) содержит отверстия (9), позволяющие проходить жидкости между внутренней и внешней частью металлической трубы.

7. Антиобледенительное устройство по п. 6, в котором отверстия расположены во внутренней кольцевой части (8b) гофров (8) металлической трубы.

8. Антиобледенительное устройство по п. 6, в котором множество отверстий распределено по окружности вокруг внутренней полости (7) трубы.

9. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-8, в котором металлическая труба выполнена из медного сплава.

10. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-8, в котором металлическая труба изготовлена из стального сплава.

11. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-10, в котором металлическая труба покрыта слоем полимера.

12. Антиобледенительное устройство по любому из пп. 1-11, в котором металлическая труба окрашена в цвет.