Устройство для разрушения льда

 

Изобретение относится к устройствам для очистки поверхностей. Устройство включает разрушающий блок в виде двух электрических проводников в упругой оболочке, соединенных с источником электропитания. Проводники выполнены в виде биметаллических пластин, конструктивно разделенных опорными изоляторами с постоянным механическим контактом опорных кромок и расположенных симметрично плоскости опорных кромок, при этом активные слои биметаллических пластин направлены наружу. Изобретение направлено на увеличение удельных усилий, создаваемых единицей потребляемой электроэнергии на единицу площади, при обеспечении электробезопасности. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам непосредственного преобразования тепловой энергии в механическую работу и предназначено для очистки обледеневших поверхностей и полостей, а также для разрушения образований, возникающих в результате кристаллизации жидкостей, и может быть использовано на всех видах транспорта, в коммунальном хозяйстве и отраслях народного хозяйства, связанных с эксплуатацией трубопроводов.

Известно электровыталкивающее антиобледенительное устройство с выталкивающими элементами на печатных платах, патент США 5326051, кл. В 64 D 15/16, содержащее множество параллельно расположенных электрически изолированных друг от друга проводников, размещенных на двух одинаковых печатных платах. Печатные платы устанавливаются так, что проводники находятся точно один под другим, токи в проводниках соседних плат текут в противоположных направлениях. Возникающие при подаче тока электромагнитные поля создают импульс силы, отталкивающий проводники друг от друга и, тем самым, сбрасывающий лед с аэродинамической поверхности.

Недостатком устройства является малая удельная величина усилия, создаваемого на единицу площади аэродинамической поверхности, а следовательно, невозможность разрушить с его помощью уже сформировавшееся ледяное покрытие значительной толщины, что определяет необходимость непрерывной подачи тока и, следовательно, увеличивает энергозатраты.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является электрическое разделительное устройство по патенту США 4894569, кл. В 64 D 15/00, выполненное в виде двух электрических проводников в эластичных упаковках, изолированных друг от друга. Проводники объединены в общий блок при помощи упругой оплетки и присоединены к источнику питания. При прохождении тока в результате взаимодействия магнитных полей проводников упаковки отталкиваются с образованием зазора между ними.

Недостатком прототипа является то, что для получения перемещения упаковок, достаточного для разрушения ледяного покрытия, проводники должны быть подключены к сильноточному источнику, что ведет к значительному энергопотреблению, снижает электробезопасность устройства и существенно ограничивает область его применения.

Задачей изобретения является увеличение перемещений разрушающих элементов устройства при увеличении удельных усилий, создаваемых единицей потребляемой электроэнергии на единицу площади, при обеспечении необходимой электробезопасности.

Техническим эффектом явилось создание устройства для разрушения льда, обеспечивающее необходимое увеличение перемещений разрушающих элементов устройства при увеличении удельных усилий, создаваемых единицей потребляемой электроэнергии на единицу площади, при обеспечении необходимой электробезопасности.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве для разрушения льда, содержащем разрушающий блок в виде двух электрических проводников в упругой оболочке, соединенных с источником электропитания, каждый проводник выполнен в виде биметаллической пластины, биметаллические пластины конструктивно разделены опорными изоляторами с постоянным механическим контактом опорных кромок и расположены симметрично плоскости опорных кромок, при этом активные слои биметаллических пластин направлены наружу. Разрушающие блоки электрически объединены в гирлянду, расположенную на освобождаемой ото льда поверхности.

Идея изобретения заключается в том, что пара специально подобранных материалов со значительно различающимися коэффициентами линейного расширения (активный и пассивный) и высокими по сравнению с медью, традиционно используемой в качестве проводников, удельными сопротивлениями объединены в одну биметаллическую пластину, нагревание которой при пропускании электрического тока приводит к ее деформации и созданию усилия, используемых для разрушения ледяных образований.

На фиг. 1 изображен разрушающий блок устройства в пассивном (исходном) состоянии; на фиг.2 - разрушающий блок в активном состоянии при нагреве на 65^oС; на фиг.3 и 4 изображен вариант соединения разрушающих блоков в гирлянду и размещения на освобождаемой ото льда поверхности; на фиг.5 представлен пример использования разрушающих блоков для удаления ледяных сосулек с фронтона здания.

Устройство для разрушения льда содержит первый проводник 1, второй проводник 2, опорные изоляторы 3, упругую электроизолирующую оболочку 4, прописными буквами обозначены элементы, поясняющие работу устройства: А - активные слои биметаллических пластин, Б - пассивные слои биметаллических пластин, В - элементы рабочей поверхности, на которой установлено устройство для разрушения льда, Г - набор разрушающих блоков, собранных в гирлянду, Q_Σ - разрушающее усилие, L - плечо приложения разрушающего усилия, f_Σ - максимальное перемещение поверхности воздействия разрушающего блока.

Разрушающий блок содержит две биметаллические пластины 1 и 2 из материала, например, ТБ1613 по ГОСТ 10533, каждая из которых образована пассивным "Б" и активным "А" слоями, пластины разделены опорными изоляторами 3 и заключены в упругую тепло- и электроизолирующую оболочку 4. Биметаллические разрушающие блоки могут быть соединены последовательно в гирлянду "Г" различными способами, например так, как показано на фиг.3, 4, и располагаться на освобождаемой поверхности в специальных пазах корпуса "В". Разрушающее устройство подключается к источнику электропитания (не показано). Количество элементов гирлянды определяется площадью поверхности, освобождаемой от льда, а также параметрами источника питания.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения по цепочке из биметаллических пластин 1 и 2 протекает ток, вызывая эффективное нагревание биметаллических пластин 1 и 2 благодаря высокому удельному сопротивлению их слоев. Нагревание вызывает удлинение биметаллических пластин 1 и 2, причем для активных слоев "А" оно больше, чем для пассивных слоев "Б", что приводит к прогибу "f" в сторону активных слоев, расположенных на внешних поверхностях блока, то есть в противоположных направлениях. Наличие опорной поверхности очищаемого ото льда объекта непосредственно под разрушающим блоком определяет направление суммарных прогиба f_Σ пластин 1, 2 и усилия Q_Σ в сторону ледяного образования, отделяя или разрушая ледяное покрытие на освобождаемой поверхности. При отключении электропитания биметаллические пластины 1 и 2 остывают и разрушающий блок возвращается в исходное состояние.

Приведем расчет максимальной деформации биметаллической пластины из материала ТБ1613 ГОСТ 10533 и усилия, возникающего при этой деформации, используя методики [1] и [2].

Пусть l=50 мм - длина пластины; b=5 мм - ширина пластины; h=2 мм - толщина пластины; E₁=12500 кгс/мм² - модуль упругости активного слоя биметалла; Е₂=17500 кгс/мм² - модуль упругости пассивного слоя биметалла; σ_т = 50 кгс/мм² - предел текучести;
k=1,1 - коэффициент запаса прочности;
А=15,7•10^-6 С^-1 - удельный прогиб.

За расчетную схему принимаем свободно опертую балку, нагруженную в центре силой Q.

Из условия прочности находим σ_доп::
σ_доп = σ_т/k = 50/1.1 = 45.5 кг/мм²;
допустимый изгибающий момент:
M_доп = σ_доп•W,
где W - момент сопротивления,
W=b•h²/6=5•2²/6=3,33 мм²;
М_доп=45,5•3,33=151,7 кгс•мм.

При выбранной схеме нагружения балки:
М_доп=О_доп•1/4;
Q_доп=4М_доп/1=4•151,7/50=12,1 кгс.

Прогиб в середине пластины при х = 1/2 составит
f=Q_дoп•l³/(48J•E_пp),
где J - момент инерции сечения,
J=b•h³/12=5•2³/12=3,33 мм⁴;
Е_пр - приведенный модуль упругости:
Е_пр=(E₁+Е₂)/2=(12500+17500)/2=15000 кгс/мм²;
f=12,1•50³/(48•3,33•15000)=0,63 мм.

Температура, на которую необходимо нагреть биметаллическую пластину для получения прогиба f, может быть подсчитана по формуле
ΔT=f•h/(A•(1²+f²))=1,26•2/(15,7•10^-6(50²+0,63²))=64,16^oС.

Определим электрическую мощность, необходимую для нагрева биметаллической пластины на 64^oС. Плотность тока может быть определена по формуле [3] :

где ρ - удельное сопротивление проводника;
q - площадь сечения проводника;
k - коэффициент теплоотвода;
S - площадь боковой поверхности единицы длины проводника.

При этом мы полагаем, что:
k₀=1 - коэффициент сопротивления;
ρ = ρ₀, т.е. α=0 - температурный коэффициент сопротивления.

В нашем случае: ΔT=64^oС, ρ=11,3 мкОм•см, q=5•2=10 мм², k=10^-3 Вт/см², S= 2•(5+2)•1=14 мм². Подставляя приведенные значения, получаем δ=2,82 А/мм².

Сила тока при плотности тока δ=2,82 А/мм² и площади сечения проводника q=10 мм² составляет
I=δ•q=28,2 А.

Сопротивление биметаллической пластины:
R=ρ•l/q=5,65•10^-4 Ом.

Мощность:
Р=I²•R=0,45 Вт.

Таким образом, произведенные расчеты показали, что при нагревании, например, на 64^oС биметаллическая пластина из материала ТБ1613 ГОСТ 10533 длиной 50 мм, шириной 5 мм и толщиной 2 мм, концы которой зафиксированы, прогибается в средней части на 0,63 мм, при этом возникает сила 12,1 кгс. Применение в качестве разрушительного блока двух биметаллических пластин, разделенных опорными изоляторами, с постоянным механическим контактом опорных кромок, расположенных симметрично плоскости опорных кромок так, что активные слои биметаллических пластин направлены к наружной поверхности блока, позволяет суммировать усилия от деформации каждой пластины и вызываемые ими перемещения. Таким образом, с помощью разрушающего блока, изображенного на фиг.1, может быть получено усилие Q_Σ = 24.2 кгс и максимальное перемещение поверхности воздействия разрушающего блока f_Σ = 1.26
Оценим параметры ледяного образования, представленного на фиг.5, которое может быть устранено одним разрушающим блоком с биметаллическими пластинами толщиной, например, 1 мм с той же длиной и шириной. Для разрушающего блока с пластинами такой толщины усилие Q_Σ = 6.2 кгс, а максимальное перемещение поверхности воздействия разрушающего блока f_Σ = 2.6 мм.

Предположим, что усилие прикладывается к ледяному цилиндру (например, сосульке) на расстоянии 100 мм от точки его крепления, L=100 мм.

Допустимый изгибающий момент:
σ_доп=M/W,
где M = Q_Σ•L - момент силы, возникающей при максимальной деформации разрушающего блока;
W = π•d³/32 - момент сопротивления;
σ_доп=0,1 кгс/мм² - допустимый изгибающий момент льда.

σ_доп = Q_Σ•L•32/(π•d³),
мм.

Подсчитаем силу, возникающую между двумя проводниками с током при взаимодействии их магнитных полей (прототип), если геометрические размеры этих проводников совпадают с размерами биметаллических элементов, а электрическая мощность, затрачиваемая на создание магнитного поля, соответствует мощности, расходуемой на нагрев биметалла.

Сила электродинамического взаимодействия двух параллельных проводников одинаковой длины, расположенных друг напротив друга без сдвига, может быть подсчитана по формуле [3]:

где В=1,02•10^-8I₀ ²,
I₀ - сила тока в проводниках,

R₀=ρ_м•1/q=0,0178•0,05/10=8,9•10^-5 Ом

l - длина проводников, l=50 мм,
s - расстояние между проводниками, s=0,5 мм - определяется из условия обеспечения электроизоляции.

кгс.

Таким образом, сила, развиваемая при электромагнитном взаимодействии, почти в 1185 раз меньше силы, возникающей при деформации биметаллического проводника, при этом сила электромагнитного взаимодействия, как следует из выше приведенной формулы, уменьшается по мере отталкивания пропорционально увеличению расстояния между проводниками, принципиально снижая эффективность прототипа.

Источники информации
1. С.П.Тимошенко. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. М.: Наука, 1971.

2. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник в трех томах под ред. И.А.Бергера и Я.Г.Пановко. М., 1968.

3. А. М. Залесский. Электрические аппараты высокого напряжения. Л.: Госэнергоиздат, 1957.

Формула изобретения

1. Устройство для разрушения льда, включающее разрушающий блок в виде двух электрических проводников в упругой оболочке, соединенных с источником электропитания, отличающееся тем, что каждый проводник выполнен в виде биметаллической пластины, пластины конструктивно разделены опорными изоляторами с постоянным механическим контактом опорных кромок и расположены симметрично плоскости опорных кромок, при этом активные слои биметаллических пластин направлены наружу.

2. Устройство для разрушения льда по п.1, отличающееся тем, что разрушающие блоки электрически объединены в гирлянду, расположенную на освобождаемой ото льда поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5