RU2414558C2 - Surface heating device - Google Patents

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: surface heating device includes a layer of high heat capacity joined to system of heat supply, below which a heat protective layer is located, and a layer of alternating thermal conductivity is arranged above layer with high heat capacity. Composition of layer with alternating heat conductivity may include foamed polyurethane with open pores, and layer of high heat capacity may include particles of heat accumulating material with melting point from 30 to 60°C.

EFFECT: surface heating device uses accumulated heat only when snow is available on heated surface, consuming heat received from heating system in a sparing manner, taking significantly less energy to heat surface compared to available devices.

4 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам для обогрева поверхностей, в частности дорожного покрытия, лестниц, мостов и т.п., с целью предотвращения образования на них снега, льда, ухудшающих состояние таких поверхностей и создающих дискомфорт для пользователей.The present invention relates to devices for heating surfaces, in particular pavement, stairs, bridges, etc., in order to prevent the formation of snow, ice on them, worsening the condition of such surfaces and creating discomfort for users.

Известно устройство для обогрева или охлаждения дорожного покрытия, содержащее 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, с противоположных сторон плиты расположены торцевые патрубки, связывающие между собой теплообменник, дроссельные элементы и источник принудительной циркуляции незамерзающего рабочего агента (см. патент РФ №2287040).A device is known for heating or cooling a road surface, comprising a plate placed in a road embankment, the casing of which is sealed, has a heat insulating layer at the bottom and is divided by a horizontal partition into upper and lower cavities, in the latter of which throttle elements are placed, and in the upper one, a heat exchanger, with end pipes are located on opposite sides of the plate, connecting the heat exchanger, throttle elements and the source of forced circulation of the non-freezing working agent (see Pat. nt RF №2287040).

В указанном известном устройстве отдельная плита представляет собой законченный сборочный узел с трубопроводами и теплообменниками, что улучшает процесс монтажа и облегчает эксплуатацию всей системы.In the specified known device, a separate plate is a complete assembly with pipelines and heat exchangers, which improves the installation process and facilitates the operation of the entire system.

Однако конструкция плиты, разделенной на верхнюю и нижнюю полости, является достаточно сложной, а расположение в ней теплообменника приводит к увеличению габаритов и к сложной эксплуатации в случае нарушения работы теплообменника. However, the design of the plate, divided into upper and lower cavities, is quite complex, and the location of the heat exchanger in it leads to an increase in size and to difficult operation in case of malfunction of the heat exchanger.

Известно устройство для обогрева дорожных покрытий, содержащее узел плиты, включающий в себя внешнюю плитку и основание. Во внешней плитке уложены нагревательные элементы, представляющие собой электрические проводники. Крайние проводники имеют ответвления с разъемом. Узел плиты в таком виде формируется до его установки на дорожное покрытие. При установке на покрытие разъемы ответвлений крайних проводников соединяются с магистральными кабелями, размещенными продольно вдоль покрытия, сообщаясь с источником энергии (см. заявку Японии №2007-51483).A device for heating pavements is known, comprising a plate assembly including an external tile and a base. In the outer tile are laid heating elements, which are electrical conductors. The outermost conductors have branches with a connector. The plate assembly in this form is formed before it is installed on the road surface. When installed on the coating, the branch connectors of the extreme conductors are connected to the main cables placed longitudinally along the coating, communicating with the energy source (see Japan Application No. 2007-51483).

Известно также устройство плавления снега, имеющее корпусную оболочку, выполненную по форме чаши, водопроницаемый резиновый тонкий слой эластичной дорожной поверхности, поддерживаемый корпусной оболочкой, слой со смесью черной двуокиси кремния для инфракрасного излучения дальнего спектра, нагревательный элемент для нагрева черной двуокиси кремния и слой теплоизоляции для уменьшения оттока тепла в землю. Водопроницаемый резиновый тонкий слой эластичной дорожной поверхности выполнен из двух слоев путем образования тонкого цветного эластичного слоя на верхней поверхности и образования регенеративного тонкого резинового слоя, смешанного с черной двуокисью кремния на нижнем слое (см. заявку Японии №2006249770).It is also known a snow melting device having a shell made in the shape of a bowl, a permeable rubber thin layer of an elastic road surface supported by a shell, a layer with a mixture of black silicon dioxide for far infrared radiation, a heating element for heating black silicon dioxide and a layer of thermal insulation for reduce the outflow of heat to the ground. The water-permeable rubber thin layer of the elastic road surface is made of two layers by forming a thin color elastic layer on the upper surface and forming a regenerative thin rubber layer mixed with black silicon dioxide on the lower layer (see Japan Application No. 2006249770).

В вышеуказанных обоих известных решениях предусмотрена теплозащитная структура, которая уменьшает уход тепла через нижнюю часть плиты в землю, повышая эффективность работы системы обогрева.In the above-mentioned both known solutions, a heat-shielding structure is provided, which reduces heat loss through the bottom of the stove to the ground, increasing the efficiency of the heating system.

В то же время, образующееся в нагревательных элементах плиты тепло постоянно передается через верхнюю поверхность плиты независимо от окружающих условий. Однако, даже в зимних условиях обогрев поверхностей требуется обеспечивать, как правило, только в период выпадения снега, и поэтому в указанных решениях осуществляется неэкономное расходование энергии, или в них должна быть обеспечена система управления, каким-то образом реагирующая на выпадения осадков. Это усложняет устройство или приводит к его неэкономичности. Кроме того, в городских условиях, при дефиците энергии в дневное время желательно систему обогрева устроить таким образом, чтобы большая часть энергии для нее расходовалась в ночное время, а в дневное время использование энергии было бы минимальным.At the same time, the heat generated in the heating elements of the stove is constantly transmitted through the top surface of the stove, regardless of environmental conditions. However, even in winter conditions, surface heating is required to be provided, as a rule, only during the period of snowfall, and therefore in these decisions an uneconomical expenditure of energy is carried out, or a control system must be provided in them that somehow responds to precipitation. This complicates the device or leads to its uneconomical. In addition, in urban conditions, with a shortage of energy in the daytime, it is advisable to arrange a heating system so that most of the energy for it is spent at night, and in the daytime energy use would be minimal.

Наиболее близким решением, по мнению заявителя, является конструкция для плавления снега, содержащая слой сохранения тепла и хорошо проводящий тепло слой, напрямую соединенный с верхней частью слоя сохранения тепла. Слой сохранения тепла содержит первую часть бетона с относительно высокой прочностью и вторую часть бетона с относительно низкой прочностью. Микрокапсулы, в которые вложен материал сохранения тепла с точкой плавления от 0 до 5°C, смешаны со второй частью бетона. Хорошо проводящий тепло слой образован из материала с высокой тепловой проводимостью от 15 W/m K или выше (см. заявку Японии №2005207169). В известном изобретении микрокапсулы с материалом сохранения тепла нагреваются до температуры его плавления и, находясь в бетонном слое, передают тепло на обогрев дорожной поверхности. Обогрев дорожной поверхности происходит до фазового перехода материала в капсулах, после чего его опять следует нагревать. Причем нагрев материала капсул может производиться как в дневное, так и в ночное время, когда нет дефицита энергии. За счет этого появляется возможность равномерно распределять использование энергии по времени суток.The closest solution, according to the applicant, is a design for melting snow, containing a layer of heat storage and a heat-conducting layer that is directly connected to the upper part of the heat storage layer. The heat storage layer contains a first part of concrete with relatively high strength and a second part of concrete with relatively low strength. Microcapsules containing heat preservation material with a melting point of 0 to 5 ° C are mixed with the second part of the concrete. A well-conductive heat layer is formed of a material with high thermal conductivity of 15 W / m K or higher (see Japanese Application No. 2005207169). In the known invention, microcapsules with heat storage material are heated to its melting temperature and, being in the concrete layer, transfer heat to heat the road surface. Heating of the road surface occurs before the phase transition of the material in capsules, after which it should again be heated. Moreover, the material of the capsules can be heated both in the daytime and at night, when there is no energy deficit. Due to this, it becomes possible to evenly distribute the use of energy by time of day.

Однако это изобретение обладает недостатком, заключающимся в том, что передача тепла от материала в капсулах происходит беспрерывно после его нагрева, если температура дорожной поверхности опускается ниже точки плавления материала. При этом не играет роли наличие или отсутствие снега на обогреваемой поверхности. Таким образом, большая часть тепла, предназначенного для плавления снега, расходуется впустую. Кроме того, невысокая температура плавления материала сохранения тепла должна приводить к большому количеству материала для получения достаточно высокой теплоемкости, что повышает стоимость и габариты всей системы.However, this invention has the disadvantage that the transfer of heat from the material in the capsules occurs continuously after heating, if the temperature of the road surface drops below the melting point of the material. In this case, the presence or absence of snow on the heated surface does not matter. Thus, most of the heat intended for melting snow is wasted. In addition, the low melting point of the heat storage material should lead to a large amount of material to obtain a sufficiently high heat capacity, which increases the cost and dimensions of the entire system.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства обогрева поверхности, которое использует накопленное тепло только при наличии снега на обогреваемой поверхности, очень экономно расходуя полученное от системы нагрева тепло, потребляя значительно меньше энергии для обогрева поверхности по сравнению с известными устройствами.The objective of the present invention is to provide a surface heating device that uses the accumulated heat only when there is snow on the heated surface, spending the heat received from the heating system very economically, consuming significantly less energy to heat the surface compared to known devices.

Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства обогрева поверхности, которое позволяет потреблять энергию для накопления тепла в удобное для городских источников время, когда общее потребление энергии минимально. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства обогрева поверхности, имеющего небольшие габариты и использующего меньшее количество материала по сравнению с известными устройствами.Another objective of the present invention is to provide a surface heating device that can consume energy to store heat at a time convenient for urban sources, when the total energy consumption is minimal. Another objective of the present invention is to provide a surface heating device having small dimensions and using a smaller amount of material compared to known devices.

Для решения указанных задач согласно настоящему изобретению предлагается устройство обогрева поверхности, включающее в себя слой с высокой теплоемкостью, связанный с системой подвода тепла, ниже которого расположен теплозащитный слой, а выше слоя с высокой теплоемкостью размещен слой с переменной теплопроводностью. Дополнительно в устройство обогрева поверхности в состав слоя с переменной теплопроводностью входит вспененный полиуретан с открытыми порами. Кроме того, в устройстве обогрева поверхности сверху и снизу слоя с переменной теплопроводностью установлены металлические сетки.To solve these problems, according to the present invention, there is provided a surface heating device including a layer with a high heat capacity associated with a heat supply system, below which a heat-shielding layer is located, and a layer with variable thermal conductivity is placed above a layer with high heat capacity. Additionally, the open-cell foamed polyurethane is included in the surface heating device as a variable thermal conductive layer. In addition, metal grids are installed in the device for heating the surface above and below the layer with variable thermal conductivity.

Дополнительно, в устройстве обогрева поверхности слой с высокой теплоемкостью включает в себя частицы теплоаккумулирующего материала с точкой плавления от 30 до 60°С.Additionally, in a surface heating device, a layer with high heat capacity includes particles of heat-accumulating material with a melting point of 30 to 60 ° C.

Сущность настоящего изобретения будет более понятна при ознакомлении с последующим подробным описанием предпочтительных вариантов выполнения устройства с учетом сопроводительного чертежа, где представлено сечение участка дорожной поверхности в одном варианте выполнения заявляемого устройства.The essence of the present invention will be better understood when reading the following detailed description of preferred embodiments of the device, taking into account the accompanying drawing, which shows a section of a section of the road surface in one embodiment of the inventive device.

Устройство обогрева поверхности согласно настоящему изобретению содержит слой 1 с высокой теплоемкостью, который может быть выполнен в виде бетона с невысокой прочностью или другого какого-либо приемлемого материала с распределенным в нем теплоаккумулирующим материалом (ТАМ). Слой 1 может быть окружен слоем 2, выполненным, например, в виде бетона или какого-либо другого приемлемого материала с достаточно высокой прочностью, позволяющего выдерживать нагрузки от пешеходов или транспорта, в зависимости от случая использования устройства. В нижней части структуры устройства расположен теплозащитный слой 3, предотвращающий чрезмерную передачу тепла по направлению к земле. В верхней части указанной конструкции устройства установлен слой 4 с переменной в зависимости от окружающих условий теплопередачей (теплопроводностью). Этот слой 4 может быть выполнен, например, из вспененного полиуретана с открытыми порами, позволяющими прохождение воды, образующейся, например, при таянии снега, от наружной поверхности слоя 4 вниз к слою 2. В обычном, сухом состоянии этот слой 4 обладает хорошими теплозащитными качествами. Слой 4 может быть усилен, например, посредством установки с одной или с обеих его сторон жесткого элемента 5, например металлической сетки. Теплоаккумулирующий материал (ТАМ) может быть помещен в капсулы или оболочки 6 и в таком виде равномерно располагаться в слое 1. В предпочтительном варианте ТАМ является формоустойчивым (в этом случае герметичная оболочка не обязательна, и он распределяется в виде порошка). ТАМ может состоять из бутилкаучука - 30%, вулканизирующего агента в виде хинолового эфира - 1%, сажи 0,5% и остальное наполнитель - высокоочищенный парафин, например, марки В-2. Температура плавления ТАМ, которая определяется наполнителем, может находиться в диапазоне 30-60°С. Структура слоев устройства обогрева поверхности может отличаться от описанной, но в ней, согласно настоящему изобретению, должны присутствовать слой с переменной теплопроводностью, слой с высокой теплоемкостью и теплозащитный слой. Работу устройства обогрева поверхности согласно настоящему изобретению можно охарактеризовать следующим образом.The surface heating device according to the present invention contains a layer 1 with a high heat capacity, which can be made in the form of concrete with low strength or any other acceptable material with a heat storage material (TAM) distributed therein. Layer 1 can be surrounded by layer 2, made, for example, in the form of concrete or some other suitable material with a sufficiently high strength, which can withstand loads from pedestrians or vehicles, depending on the case of using the device. In the lower part of the structure of the device is a heat-protective layer 3, which prevents excessive heat transfer towards the ground. In the upper part of the indicated device design, a layer 4 is installed with a variable depending on the surrounding conditions of heat transfer (thermal conductivity). This layer 4 can be made, for example, of foamed polyurethane with open pores, allowing the passage of water generated, for example, by melting snow, from the outer surface of layer 4 down to layer 2. In the normal, dry state, this layer 4 has good heat-shielding qualities . Layer 4 can be reinforced, for example, by installing a rigid element 5, for example, a metal mesh, on one or both sides of it. The heat-accumulating material (TAM) can be placed in capsules or shells 6 and in this form can evenly be placed in layer 1. In the preferred embodiment, TAM is form-stable (in this case, the hermetic shell is not required, and it is distributed in the form of powder). TAM can consist of butyl rubber - 30%, a quinol ether vulcanizing agent - 1%, carbon black - 0.5%, and the rest of the filler is highly purified paraffin, for example, grade B-2. The melting point of TAM, which is determined by the filler, can be in the range of 30-60 ° C. The layer structure of the surface heating device may differ from that described, but according to the present invention, a layer with variable thermal conductivity, a layer with high heat capacity and a heat-protective layer must be present in it. The operation of the surface heating device according to the present invention can be characterized as follows.

В зимнее время года осуществляют подвод тепла известными из уровня техники способами к слою 1 с высокой теплоемкостью. Подвод тепла может осуществляться в любое время суток, в том числе и в ночное время, когда расход энергии минимальный, и выполняться, например, посредством теплоносителя, протекающего в расположенной под обогреваемой поверхностью разводке труб, связанной через теплообменник с тепловыми магистралями городских теплосетей. Нагрев теплоаккумулирующего материала может быть осуществлен, например, также посредством электронагревателей, питание которых обеспечивается от бытовой электросети переменного тока напряжением 220 В. Регулирование расхода тепла может производиться через терморегулятор, связанный с датчиком температуры. Подача тепла производится до обеспечения фазового перехода теплоаккумулирующего материала в жидкое состояние. Таким образом, в устройстве накапливается значительная тепловая энергия. В то же время, благодаря наличию сухого слоя 4 переменной теплопроводности накопленное тепло не расходуется и не уходит в окружающую внешнюю среду, а благодаря теплозащитному слою 3 - в землю. В случае выпадения снега, при его контакте с наружной поверхностью слоя 4 происходит его незначительное подтаивание. Образующаяся вода проникает через поры слоя 4, и изменяется теплопроводность слоя 4 за счет хорошей проводимости воды. В этом случае тепло, накопленное в слое 1 с высокой теплоемкостью, хорошо передается на наружную поверхность слоя 4 переменой теплопроводности, осуществляя плавления падающего снега. Габариты слоя 4, размер и количество его пор можно рассчитать с помощью известных зависимостей, используемых при расчетах теплопередач.In the winter season, heat is supplied by methods known in the art to layer 1 with high heat capacity. Heat can be supplied at any time of the day, including at night, when the energy consumption is minimal, and can be performed, for example, by means of a coolant flowing in the pipe routing located under the heated surface, connected through a heat exchanger to the heat mains of urban heating systems. Heating of the heat-accumulating material can be carried out, for example, also by means of electric heaters, the power of which is provided from a 220 V alternating current household electrical network. Heat consumption can be regulated through a temperature regulator connected to a temperature sensor. Heat is supplied until a phase transition of the heat storage material into a liquid state is achieved. Thus, significant thermal energy is accumulated in the device. At the same time, due to the presence of a dry layer 4 of variable thermal conductivity, the accumulated heat is not consumed and does not go into the surrounding environment, and due to the heat-protective layer 3 - to the ground. In the event of snowfall, when it comes in contact with the outer surface of layer 4, it slightly melts. The resulting water penetrates through the pores of the layer 4, and the thermal conductivity of the layer 4 changes due to the good conductivity of the water. In this case, the heat accumulated in the layer 1 with high heat capacity is well transferred to the outer surface of the layer 4 by a change in thermal conductivity, melting the falling snow. The dimensions of layer 4, the size and number of its pores can be calculated using known dependencies used in the calculation of heat transfer.

Из вышесказанного видно, что настоящее изобретение позволяет экономно использовать накопленное тепло, т.к. оно расходуется только в том случае, когда происходит наслоение снега на дорожной поверхности. В ином случае накопленное тепло практически не расходуется и не потребляется энергия на подвод тепла. Причем подача тепла к теплоаккумулирующему материалу может осуществляться в самое выгодное с точки зрения загрузки городских сетей время. Кроме того, использование теплоаккумулирующего материала с высокой точкой плавления позволяет уменьшить габариты устройства обогрева поверхности при той же теплоемкости по сравнению с известными решениями уровня техники.From the foregoing, it can be seen that the present invention allows the economical use of the stored heat, because it is consumed only when snow is deposited on the road surface. Otherwise, the accumulated heat is practically not consumed and energy is not consumed for supplying heat. Moreover, the heat supply to the heat-accumulating material can be carried out at the most favorable time from the point of view of loading urban networks. In addition, the use of heat-storage material with a high melting point can reduce the dimensions of the surface heating device at the same heat capacity in comparison with the known solutions of the prior art.

В данном описании раскрыты предпочтительные варианты выполнения устройства, но следует понимать, что, не отходя от сущности изобретения, можно предложить и другие модификации, которые находятся в рамках заявленного в предложенной формуле изобретения.In this description, preferred embodiments of the device are disclosed, but it should be understood that, without departing from the essence of the invention, other modifications can be proposed that are within the scope of the claimed invention.

Claims (4)

1. Устройство обогрева поверхности для предотвращения образования льда, включающее слой с высокой теплоемкостью, связанный с системой подвода тепла и включающий частицы теплоаккумулирующего материала, ниже слоя с высокой теплоемкостью расположен теплозащитный слой, а выше - слой с переменной в зависимости от окружающих условий теплопроводностью, контактирующий со снегом и выполненный с открытыми порами для прохождения воды от наружной поверхности слоя.1. A device for heating the surface to prevent ice formation, including a layer with high heat capacity associated with a heat supply system and including particles of heat storage material, a heat-protective layer is located below the layer with high heat capacity, and a contact layer with a variable thermal conductivity depending on environmental conditions and contacting with snow and made with open pores for the passage of water from the outer surface of the layer. 2. Устройство обогрева поверхности по п.1, в котором слой с переменной теплопроводностью выполнен из вспененного полиуретана.2. The surface heating device according to claim 1, wherein the variable thermal conductivity layer is made of foamed polyurethane. 3. Устройство обогрева поверхности по п.2, в котором сверху и/или снизу слоя с переменной теплопроводностью установлены металлические сетки.3. The surface heating device according to claim 2, in which metal grids are installed above and / or below the layer with variable thermal conductivity. 4. Устройство обогрева поверхности по любому из пп.1-3, в котором слой с высокой теплоемкостью включает в себя частицы теплоаккумулирующего материала с точкой плавления от 30 до 60°С. 4. The surface heating device according to any one of claims 1 to 3, in which the layer with high heat capacity includes particles of heat-accumulating material with a melting point from 30 to 60 ° C.

Images