Способ уменьшения сил адгезии замерзающей жидкости

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации и может быть использовано при обустройстве крыш зданий и сооружений. Достигаемый технический результат изобретения направлен на снижение эксплуатационных затрат при решении вопросов борьбы с обледенением крыш и образованием крупных сосулек, представляющих угрозу здоровью людей. Способ заключается в наблюдении за температурой контролируемой поверхности и при достижении на контролируемой поверхности температуры, соответствующей началу кристаллизации жидкости, производят воздействие на жидкость путем формирования на контролируемой поверхности деформаций, абсолютное значение которых не менее размера первичных центров кристаллизации замерзающей жидкости; величина формируемых деформаций составляет значение не менее 10 нм; частота деформации контролируемой поверхности составляет не менее 0,01 Гц; деформацию контролируемой поверхности осуществляют путем формирования в материале изделия упругих волн, амплитуда которых имеет значение не менее 10 нм, а частота не менее 0,01 Гц. Для реализации заявленного способа могут использоваться пьезокерамические излучатели из материала типа ЦТС-19, магнитострикционные преобразователи и различные электромагниты. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации зданий и сооружений и может быть использовано для предотвращения образования на кромках крыши наледи и сосулек.

В авторском свидетельстве №775268 по кл. Е 04 D 13/06, опубл. 30.10.80 г., бюл.№40 описано устройство для удаления сосулек со свесов кровли зданий, включающее систему блоков и двуплечие рычаги, шарнирно закрепленные на углах стен здания, к концам которых прикреплены тросы, натянутые вдоль кровли, причем короткие концы рычагов соединены дополнительными тросами с источником колебания, например дверями; к концам рычагов прикреплена проволока. За счет использования системы рычагов, блоков и тросов в известном устройстве механические усилия при открывании дверей передаются на сосульки, за счет чего и обеспечивается их удаление. Отрыв сосулек и сброс с крыши осуществляется за счет механической энергии. Вместе с тем, при отрыве сосулек от крыши неизбежны различного рода повреждения кровли крыши, что ограничивает использование известных устройств.

В патенте РФ на изобретение №2169245 по кл. 7 Е 04 D 13/00, опубл.20.06.2001 г., бюл.№17 описано устройство для удаления льда с крыш зданий и сооружений. Известное устройство включает источник механических импульсов с узлом крепления на здании или сооружении и упругий элемент, расположенный вдоль карниза крыши, связанный с источником механических импульсов. Дополнительно устройство снабжено подпружиненными в противоположном направлении действию механических импульсов штоками, с одной стороны связанными с упругим элементом, выполненным в виде линейного волновода, механически развязанного с карнизом крыши, а с другой стороны - с источником механических импульсов. Кроме того, в известном устройстве содержится ряд дополнительных признаков, улучшающих его технические и эксплуатационные характеристики. За счет подпружиненных штоков обеспечивается концентрация импульса силы от источника его возмущения на линейный волновод, увеличивая тем самым амплитуду силового возмущения, передаваемого на сосульки, чем обеспечивается отрыв их от крыши и сброс под действием собственной силы тяжести вниз на землю. В данном устройстве также при отрыве сосулек от крыши неизбежны различного рода повреждения кровли крыши.

Известны способы борьбы с обледенением, заключающиеся в создании промежуточного слоя специального вещества между льдом и защищаемой поверхностью. Так, в описании изобретения к патенту РФ №2086601 по кл. 6 С 09 К 3/18 представлено специальное покрытие, включающее в себя неполярные каучуки, которое может быть нанесено на поверхность, предотвращаемую от нарастания льда. Известное предложение может обеспечить эффективную защиту поверхности на длительный срок от нарастания льда. Аналогичным способом предлагают решать проблему и путем нанесения на поверхность крыши органосиликатных композиций (См. www.biohim.ru). Предложенные методы помогают решать поставленную задачу, однако для защиты крыши от наледи и сосулек, возникающих на ее нижних кромках, использование известного покрытия дорого и не всегда эффективно. Так, на отлогих крышах возможно смерзание льда по всей поверхности крыши, разрушение которого может произойти лишь при нарастании больших сосулек, угрожающих безопасности населения.

Наиболее близким техническим решением борьбы с наледью и с сосульками является метод снижения сил адгезии замерзающей воды с контролируемой поверхностью, заключающийся в наблюдении за температурой контролируемой поверхности и метеорологическими осадками, и при выпадении осадков при отрицательных температурах выключают систему электропитания смонтированного на поверхности кровли нагревателя. См. И.Демкин. Как растопить лед. Журнал "Загородная жизнь"., №8, 2002 г., а также информацию на сайте фирмы ENSTO, www.soldim.ru. Суть метода заключается в том, что путем нагрева поверхности крыши нагревательными элементами на пути стока воды до температуры, превышающей температуру ее замерзания (≥0°С), обеспечивают свободное стекание воды, что и исключает возможность образования сосулек.

Учитывая, что для свободного стекания воды требуется разогрев значительной массы поверхности кровли в условиях снежного покрова, данный метод требует значительных энергетических затрат, которые составляют для "средней крыши" центра г. Москвы с периметром здания около 170 м и высотой здания 28 м (5 этажей) расход электроэнергии за сезон составляет порядка 25 тыс. кВт·час. Условный удельный расход электроэнергии на 1 м периметра крыши составляет примерно 150 кВт·час за сезон.

Целью настоящего изобретения является снижение эксплуатационных затрат.

Для достижения заявленной цели предлагаемого изобретения в известном способе уменьшения сил адгезии замерзающей жидкости с контролируемой поверхностью изделия, заключающемся в наблюдении за температурой контролируемой поверхности, при достижении на контролируемой поверхности температуры, соответствующей началу кристаллизации жидкости, производят воздействие на жидкость путем формирования на контролируемой поверхности деформаций, абсолютное значение которых не менее размера первичных центров кристаллизации замерзающей жидкости:

величина формируемых деформаций составляет значение не менее 10 нм;

частота деформации контролируемой поверхности составляет не менее 0,01 Гц;

деформацию контролируемой поверхности осуществляют путем формирования в материале изделия упругих волн, амплитуда которых имеет значение не менее 10 нм, а частота не менее 0,01 Гц.

Как показал анализ формирования наледи на контролируемой поверхности, в начале процесса примерзания на поверхности формируются центры кристаллизации замерзающей жидкости. И сила сцепления наледи с поверхностью тем сильней, чем прочнее центры кристаллизации связаны с поверхностью. Таким образом, при постоянном смещении образуемых центров кристаллизации относительно кристаллизующихся структур замерзающей жидкости формирование кристаллической решетки замерзающей жидкости будет происходить без связи с контролируемой поверхностью, что позволяет практически исключить образование значимых адгезийных сил.

Известно, что наледь в основном образуется у нижней кромки крыши. Под воздействием солнечной радиации либо тепловых потоков из чердачного помещения под слоем снега, лежащего на крыше, появляются талые воды, которые скатываются вниз. При похолодании вначале замерзает вода у нижней кромки крыши. Выше к коньку вода защищена от заморозка слоем снега и стекает вниз. А так как внизу вода уже замерзла, у кромки образуется застойная зона, что и является причиной образования наледи и, как следствие, сосулек. Нанесенное у нижней кромки кровли противообледенительное покрытие позволяет значительно снизить нагрузки примерзания к кромке крыше льда. Деформация поверхности крыши периодическими нагрузками практически исключает возможность образования застойной зоны, что практически предотвратит вероятность образования крупных сосулек. В качестве противообледенительного покрытия могут быть использованы материалы типа "ПРОЛ" разработки фирмы "Северная пирамида", органосиликатные покрытия типа ОС 56-22 (www.biochim.ru), фторопласт, полиэтилен и прочие материалы, обладающие гидрофобнами свойствами и пониженным сцеплением со снегом и льдом. Исходя из теоретических рассуждений эффекта воздействия взаимных относительных перемещений, сделан вывод о том, что минимальные относительные перемещения, которые могут повлиять на эффект примерзания, имеют размер, сопоставимый с размером первичного центра кристаллизации замерзающей жидкости. Лабораторные эксперименты, проведенные авторами, показали, что эффект воздействия деформации подстилающей поверхности начинает проявляться при амплитудах колебаний 10 нм. Немаловажное значение также имеют и скорости их относительного движения, которые определяются динамикой процесса фазового превращения. Для замерзающей воды в пределах температурных диапазонов до -20°С нижний диапазон частот, который определяет минимальную скорость относительного движения, составляет 0,01 Гц.

Заявляемый способ может быть использован в различных отраслях промышленности и строительства, где имеет место контакт элементов конструкции с жидкостями в области температур их замерзания. Это и элементы конструкций морских и воздушных судов, различные виды строительных конструкций.

Наиболее актуально в настоящее время использование заявляемых решений для защиты крыш зданий от образования наледи и сосулек. Сосульки и наледь, образуемые на нижних кромках крыш, не только сокращают срок службы зданий, но и создают угрозу для жизнедеятельности людей, что в значительной степени волнует общественное мнение. Так, только по информации информационного агентства REGNUM за сезон 2004-2005 г. под рубрикой "Сосульки - убийцы" опубликовано более 30 различных сообщений о травмах людей от сосулек.

На чертеже представлена условная схема устройства крыши, реализующая заявленный способ. Обустройство крыши заключается в следующем: на нижнюю часть поверхность крыши, ограниченную пространством между нижней кромкой и водоотводящим лотком, нанесено противообледенительное покрытие 1. Как отмечено выше, в качестве противообледенительного покрытия 1 могут быть использованы известные по материалам открытой печати материалы типа "ПРОЛ" (патент Ф №2162872 от 10.02.01 г.), органосиликатные покрытия типа ОС 56-22 (www.biochim.ru) и пр. Вдоль нижней кромки к поверхности крыши крепятся устройства генерации колебаний поверхности крыши 2. В качестве подобного типа устройств могут быть использованы известные устройства. Например, пьезокерамические излучатели из материала типа ЦТС-19, магнитострикционный преобразователь типа преобразователя от ультразвукового противонакипного аппарата УПА-2М (http://www.irtrans.ru/upa.2m.hd) и различные электромагниты.

Управление подачей энергопитания может быть осуществлено по известной схеме, используемой для управления подачей энергии к кабелям обогрева, используемым в антиобледенительной системе на основе подогрева водоотводящих поверхностей крыши (см. www.soldim.ru). Если в известном способе, основанном на подогреве водоотводящих поверхностей, для оборудования "средней крыши" центра Москвы с периметром около 170 м и высотой здания 28 м (5 этажей) установочная мощность 30 кВт, полный расход электроэнергии за сезон составляет около 25 тыс. кВт·час. Условный удельный расход на 1 м периметра составляет примерно 150 кВт·час за сезон. Энергопотребление устройств генерации колебаний, рекомендуемых для реализации предлагаемого способа, незначительно. Например, для питания магнитострикционного преобразователя требуется порядка 10 вт, см http://www.irtrans.ru/upa.2m.hd. Такого же порядка энергопотребление и пьезокерамических материалов и электромагнитов.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать заключение о том, что, выявленные в сравнении с прототипом новые существенные признаки в совокупности с известными, позволяют снизить затраты электроэнергии на функционирование системы защиты крыш от наледи и сосулек, уменьшить эксплуатационные затраты и достичь цели предлагаемого изобретения.

1. Способ уменьшения сил адгезии замерзающей жидкости с контролируемой поверхностью изделия, заключающийся в наблюдении за температурой контролируемой поверхности, отличающийся тем, что при достижении на контролируемой поверхности температуры, соответствующей началу кристаллизации жидкости, производят воздействие на жидкость путем формирования на контролируемой поверхности деформаций, абсолютное значение которых не менее размера первичных центров кристаллизации замерзающей жидкости.

2. Способ уменьшения сил адгезии замерзающей жидкости с контролируемой поверхностью изделия по п.1, отличающийся тем, что величина формируемых деформаций составляет значение не менее 10 нм.

3. Способ уменьшения сил адгезии замерзающей жидкости с контролируемой поверхностью изделия по п.1, отличающийся тем, что частота деформации контролируемой поверхности составляет не менее 0,01 Гц.

4. Способ уменьшения сил адгезии замерзающей жидкости с контролируемой поверхностью изделия по п.1, отличающийся тем, что деформацию контролируемой поверхности осуществляют путем формирования в материале изделия упругих волн, амплитуда которых имеет значение не менее 10 нм, а частота не менее 0,01 Гц.