RU2470125C2

RU2470125C2 - Device to remove icicles from building roof

Info

Publication number: RU2470125C2
Application number: RU2010148389/03A
Authority: RU
Inventors: Давид Михайлович Белый
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-12-20
Also published as: RU2010148389A

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention is attributed to the field of construction, specifically to a device for removal of icicles from a building roof. The device for removal of icicles comprises a heating element attached along the roof edge, for instance, to an inclined canopy, and such element is connected with terminals for connection of a source of an electric signal. The heating element is arranged in the form of an elastic insulated steel wire bent at a certain pitch distance with formation of narrow loops hanging down in parallel to the building wall, at the same time the section of the wire arranged on horizontal parts is removed and replaced with a welded plate from an alloy with an effect of thermomechanical shape memory, having several temperature thresholds of actuation in the range of temperatures of most active icicle formation and exceeding the upper border of this range four-five times.

EFFECT: increased operational reliability of a roof.

1 dwg

Description

Устройство относится к вопросам обслуживания жилищно-коммунального сектора хозяйства, а конкретно - к очистке крыш зданий от снега и льда.The device relates to the maintenance of the housing sector of the economy, and specifically to the cleaning of the roofs of buildings from snow and ice.

Известно устройство для удаления сосулек с карнизов крыш зданий, включающее механизм силового взаимодействия с сосульками, в виде перемещаемого вдоль кромки карниза подвижного рабочего органа с изогнутыми под карниз самоустанавливающимися плечевыми захватами, и привод, состоящий из рычага с верхней петлей, опорным прижимным плечом, боковыми уравновешивающими опорами-полозьями и страховочного каната /см. заявку РФ на изобретение №202103177/03, кл. E04D 13/076, 2002 [1]/.A device for removing icicles from eaves of roofs of buildings is known, including a mechanism of force interaction with icicles, in the form of a movable working body moved along the edge of the eaves with self-adjusting shoulder grips bent under the eaves, and a drive consisting of a lever with an upper loop, a supporting pressure arm, and side balancing support rails and safety rope / cm. RF application for the invention No. 202103177/03, cl. E04D 13/076,2002 [1] /.

Известно также устройство для удаления сосулек по периметру крыши здания, предусматривающее осуществление силового воздействия непосредственно на сосульки, либо на расположенные рядом участки крыши с помощью специального механизма в виде черенка с ручками, наконечника и ножа, в котором наконечник снабжен подкосом и якорем, закрепленным оттяжками к парапетному ограждению, нож выполнен консольно и закреплен на наконечнике, а якорь представляет собой согнутую полосу из водостойкого материала, расположенную на крыше, причем наконечник, подкос и консоль соединены между собой с возможностью изменения положения ножа /см. патент РФ на изобретение №2194137, кл. E04D 13/076, 2001 [2]/.There is also known a device for removing icicles along the perimeter of the roof of a building, providing for the effect of force directly on icicles, or on adjacent sections of the roof using a special mechanism in the form of a handle with handles, a tip and a knife, in which the tip is equipped with a brace and an anchor secured with braces to parapet fence, the knife is made cantilever and mounted on the tip, and the anchor is a bent strip of waterproof material located on the roof, and the tip, p odkos and console are interconnected with the possibility of changing the position of the knife / cm. RF patent for the invention No. 2194137, cl. E04D 13/076,2001 [2] /.

Недостатками известных устройств являются предельная сложность конструкции, опасность процесса работы вследствие необходимости подъема человека на крышу и его движения вдоль кромки крыши, значительная трудоемкость и низкая эффективность, ограниченные возможности применения, необходимость постоянного контроля за процессом образования сосулек, отсутствие возможности автоматизации процесса удаления сосулек.The disadvantages of the known devices are the extreme complexity of the design, the danger of the work process due to the need to lift a person to the roof and his movement along the edge of the roof, significant complexity and low efficiency, limited application, the need for constant monitoring of the process of formation of icicles, lack of automation of the process of removing icicles.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является антиобледенительное устройство для крыш, содержащее прикрепленный по кромке крыши на ее участке или по периметру с образованием замкнутого контура нагревательный элемент с вытяжными отверстиями, соединенными с транспортными воздуховодами, воздухозаборные концы которых размещены в вентиляционных каналах здания ниже вытяжных отверстий /см. патент РФ на изобретение №2340746, кл. E04D 13/076, 2006 [3]/, и принятое за прототип.The closest device of the same purpose to the claimed invention in combination of essential features is an anti-icing device for roofs, comprising a heating element attached along the edge of the roof on its section or around the perimeter with the formation of a closed loop, with exhaust openings connected to transport ducts, the intake ends of which are located in building ventilation ducts below exhaust openings / cm. RF patent for the invention No. 2340746, class E04D 13/076, 2006 [3] /, and adopted as a prototype.

Недостатками устройства-прототипа являются значительные энергозатраты на нагрев близлежащих участков крыши и элементов конструкции, сложность конструкции, ограниченные возможности применения устройства, отсутствие возможности автоматизации процесса удаления сосулек.The disadvantages of the prototype device are significant energy costs for heating nearby sections of the roof and structural elements, the complexity of the design, the limited possibilities of using the device, the lack of automation of the process of removing icicles.

Сущность изобретения заключается в создании предельно простого и эффективного устройства, предусматривающего раздельное формирование сосулек на специальной арматуре и дальнейшее их разрушение как путем нагрева непосредственно сосулек за счет пропускания через арматуру внутри тела сосулек электрического тока, так и путем одновременного разрыва того же тела сосульки за счет осуществления релейного изгиба арматуры при пропускании электрического тока через введенную в ее упругую цепь пластинку из сплава с термомеханической памятью формы.The essence of the invention is to create an extremely simple and effective device, providing for the separate formation of icicles on special fittings and their further destruction both by heating the icicles directly by passing electric current through the fittings inside the body, and by simultaneously breaking the same icicle body by bending of valves during electric current passing through an alloy plate with thermomechanical memory f introduced into its elastic circuit rmy.

Технический результат - упрощение конструкции устройства, значительное снижение энергозатрат, расширение возможностей применения устройства и обеспечение автоматизации процесса удаления сосулек.The technical result is a simplification of the design of the device, a significant reduction in energy consumption, expanding the capabilities of the device and providing automation of the process of removing icicles.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для удаления сосулек с крыши здания, содержащем прикрепленный вдоль края крыши на ее участке или по периметру с образованием замкнутого контура нагревательный элемент, соединенный с клеммами для подключения источника электрического сигнала, особенность заключается в том, что нагревательный элемент выполнен в виде упругого изолированного стального провода, закрепленного непосредственно по кромке крыши и согнутого через определенное шаговое расстояние с образованием вертикально свисающих вниз вдоль стены здания узких петель, при этом в каждой из горизонтальных частей провода, расположенных между петлями, участок провода удален и заменен приваренной узкой плоской пластинкой из слава с эффектом термомеханической памяти формы, характеризующегося несколькими порогами срабатывания как в диапазоне температур -5÷+5°C наиболее активного сосулькообразования, так и при температурах, примерно в четыре-пять раз превосходящих верхнюю границу вышеуказанного диапазона, а также принятием пластинкой в результате релейного изгиба при каждом срабатывании U-образной формы.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known device for removing icicles from the roof of a building, comprising a heating element connected to terminals for connecting an electric signal source, attached along the edge of the roof in its area or around the perimeter to form a closed loop, the feature is that the heating element is made in the form of an elastic insulated steel wire fixed directly along the edge of the roof and bent through a certain this step distance with the formation of narrow loops vertically hanging downward along the wall of the building, while in each of the horizontal parts of the wire located between the loops, the wire section is removed and replaced by a welded narrow flat plate of glory with the effect of a thermomechanical shape memory, characterized by several thresholds as in the temperature range of -5 ÷ + 5 ° C of the most active icicle formation, and at temperatures approximately four to five times higher than the upper limit of the above range, and also the adoption of a plate as a result of a relay bend at each actuation of a U-shape.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематично показано предлагаемое устройство на виде на здание спереди /с полными линиями - в исходном состоянии, пунктирными - после срабатывания/.The invention is illustrated by drawings, which schematically shows the proposed device in a front view of the building / with full lines in the initial state, dotted after operation /.

Устройство для удаления сосулек 1 с крыши 2 здания 3 содержит прикрепленный вдоль края крыши 2, например, к наклонному козырьку 4, на участке крыши 2 или по ее периметру с образованием замкнутого контура нагревательный элемент 5, соединенный с клеммами для подключения источника электрического сигнала /на рисунке клеммы и источник не показаны/. При этом нагревательный элемент 5 выполнен в виде упругого изолированного стального провода, закрепленного непосредственно по кромке крыши 2 и согнутого через определенное шаговое расстояние с образовавшем вертикально свисающих вниз вдоль стены здания 3 узких петель 6, при этом в каждой из горизонтальных частей провода 5, расположенных между петлями 6, участок провода удален и заменен приваренной узкой пластинкой 7 из сплава с эффектом термомеханической памяти формы. При этом данный сплав характеризуется несколькими порогами срабатывания как в диапазоне температур -5÷5°C наиболее активного сосулькообразования, так и при температурах, примерно в четыре-пять раз превышающих верхнюю границу вышеуказанного диапазона, то есть порядка 20-25°C, а также принятием пластинкой 7 в результате релейного изгиба при каждом срабатывании U-образной формы. Концы провода 5 спущены вниз по стене здания 3 и соединены с клеммами для подключения источника электрического сигнала. При этом клеммы с концами провода 5 во избежание вандализма, несанкционированного использования и т.п. закрываются специальной запирающейся крышкой, закрепляемой на стене здания в нижней части. В качестве источника может быть использовано либо сетевое переменное напряжение, либо специальный генератор постоянного тока, ускоряющий процесс нагрева. Концы провода 5 могут быть также выведены на специальный щиток в подъезде здания, в подвальное помещение, на цокольный этаж и т.п. Источник электрического сигнала может быть размещен на специальном транспортном средстве, что позволит мобильно и последовательно обслуживать многие здания. Петли 6 провода 5 являются направляющими для стекания с крыши 2 воды при таянии снега и льда, и, одновременно арматурой для образования на них сосулек 1 раздельно друг от друга на каждой петле 6. Выбор оптимального соотношения размеров между шаговым расстоянием между петлями 6, а также длиной и шириной последних обеспечивает с одной стороны надежное удержание сосулек 1 на петлях 6 в исходном состоянии устройства до срабатывания пластинок 7 и нагрева током петель 6, а с другой стороны - как раздельное образование сосулек 1 на петлях 6 без объединения сосулек 1 в единое тело, что затрудняет процесс их удаления, так и максимально эффективные условия для разрушения сосулек 1 при релейном изгибе петель 6 и их одновременном нагреве при пропускании по проводу 5 электрического тока. Из вышеуказанных соображений экспериментально была определена оптимальная ширина петли 6 порядка 1-2 см, длина и шаговое расстояние порядка 10-20 см. В качестве материала с эффектом термомеханической памяти /ПМФ/ использован сплав никелид титана TiNi /нитинол/, относящийся к классу интерметаллических соединений и широко применяемый на практике для подобных целей. Температурные пороги срабатывания данного сплава в диапазоне -5÷+5°C, а также +20-25°C довольно легко реализуются. Физический процесс изготовления сплавов с ПМФ уже в течение многих лет серийно отработан и описан в многочисленной литературе.A device for removing icicles 1 from a roof 2 of a building 3 comprises, attached along the edge of the roof 2, for example, to an inclined visor 4, on a portion of the roof 2 or along its perimeter to form a closed loop, a heating element 5 connected to the terminals for connecting an electric signal source terminal and source not shown /. At the same time, the heating element 5 is made in the form of an elastic insulated steel wire fixed directly along the edge of the roof 2 and bent through a certain walking distance with 3 narrow loops 6 vertically hanging downward along the wall of the building, while in each of the horizontal parts of the wire 5 located between loops 6, the wire section is removed and replaced by a welded narrow plate 7 of alloy with the effect of thermomechanical shape memory. Moreover, this alloy is characterized by several response thresholds both in the temperature range of -5 ÷ 5 ° C of the most active icicle formation, and at temperatures about four to five times higher than the upper limit of the above range, that is, about 20-25 ° C, and the adoption of the plate 7 as a result of a relay bend at each operation of the U-shaped. The ends of the wire 5 are lowered down the wall of the building 3 and are connected to the terminals for connecting an electric signal source. In this case, the terminals with the ends of the wire 5 to avoid vandalism, unauthorized use, etc. they are closed with a special lockable lid fixed on the wall of the building in the lower part. As a source, either AC line voltage or a special DC generator can be used to accelerate the heating process. The ends of the wire 5 can also be displayed on a special shield in the entrance of the building, in the basement, on the basement, etc. The source of the electric signal can be placed on a special vehicle, which will allow mobile and sequentially serve many buildings. The loops 6 of the wire 5 are guides for draining water from the roof 2 when the snow and ice melt, and at the same time the reinforcement for the formation of icicles 1 on them separately from each loop 6. Choosing the optimal size ratio between the step distance between the loops 6, and the length and width of the latter provides, on the one hand, reliable retention of icicles 1 on loops 6 in the initial state of the device until the plates 7 are activated and current is heated by loops 6, and on the other hand, as separate formation of icicles 1 on loops 6 without combined Ili icicles 1 into a single body, which complicates the process of their removal, as well as the most effective conditions for the destruction of icicles 1 during the relay bending of loops 6 and their simultaneous heating when an electric current is passed through wire 5. From the above considerations, the optimum loop width 6 was experimentally determined on the order of 1-2 cm, the length and step distance on the order of 10-20 cm. As a material with the effect of thermomechanical memory / PMF /, an alloy of titanium nickelide TiNi / nitinol / belonging to the class of intermetallic compounds was used and widely used in practice for such purposes. Temperature thresholds of operation of this alloy in the range of -5 ÷ + 5 ° C, as well as + 20-25 ° C, are quite easily implemented. The physical process of manufacturing alloys with PMF has already been serialized for many years and described in numerous literature.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.The work of the proposed device is as follows.

Сразу следует отметить, что предлагаемое устройство может работать как в автоматическом режиме полностью без участия человека только за счет изменения температуры окружающей среды, так и в принудительном режиме с периодической подачей электрического сигнала в цепь устройства. Сначала остановимся на автоматическом режиме. Как известно, диапазон температур окружающей среды примерно -5÷+5°C является наиболее опасным с точки зрения активного сосулькообразорания. Кроме того, в климатический период, соответствующий данным температурам, в течение суток температура воздуха в зоне сосулек 1 многократно изменяется: день, ночь, солнце, осадки, нагрев крыши, испарения и т.п. В конструкции устройства предусмотрены несколько температурных порогов срабатывания сплава пластинки 7 в вышеуказанном диапазоне /пусть это, например, температуры -2°C, +2°C. В исходном состоянии пластинка 7 в цепи провода 5 имеет плоскую форму, при этом геометрические контуры провода 5 и петель 6 показаны на рисунке сплошными линиями. Сосульки 1, как было сказано выше, сформированы на петлях 6 провода 5 и надежно удерживаются на последним. При повышении температуры окружающей среды до -2°C пластинки 7 релейно сработают и в результате изгиба скачком принимают U-образную форму, показанную на рисунке. Так как пластинки 7 включены как в электрическую, так и в последовательную упругую цепь провода 5 и петель 6, то такой изгиб, естественно, приведет к изменению положений горизонтальных участков провода 5 и к изгибным деформациям петель 6, расположенным внутри тела сосулек 1 /см. пунктирные линии на рисунке/. Такие деформации приведут к разрыву сосулек 1, их растрескиванию, распаду на мелкие осколки, осыпающиеся на землю без создания опасности для людей и объектов. Те пластинки 7, которые не сработают при -2°С, сработают при дальнейшем нагреве воздуха до 0°С и т.п. При дальнейшем нагреве до +3°С, +5°С и т.д. сосульки 1 уже не образуются. При изменении температуры среды в другую сторону и охлаждении воздуха опять до 0°С, -2°С и повторном образовании сосулек 1 на петлях 6, показанных пунктиром, пластинки 7 сработают повторно в другую сторону, то есть из изогнутого положения /пунктирные линии/ в исходное положение /сплошные линии/. При этом петли 6 сожмутся и повторно разрушат охватывающие их сосульки 1. Подчеркнем, что пластинки 7 включены в единую другую цепь последовательно, поэтому релейное срабатывание каждой пластинки вызывает изгибные деформации одновременно всех петель 6. Теперь остановимся на принудительном режиме работы устройства. К нему прибегают в сложных ситуациях: резкие понижения температуры окружающей среды, запущенный процесс сосулькообразования, то есть мощные сосульки 1, малые изменения температур в течение суток, необходимость быстрого удаления сосулек в чрезвычайной ситуации при низкой эффективности автоматического способа. В этом случае в провод 5 от источника подается электрический сигнал, проходящий через петли 6 внутри тела сосулек 1 и разогревающий сосульки. Так как температурные пороги срабатывания пластинок 7 выполнены и при температурах, в четыре-пять раз превышающих верхнюю границу вышеуказанного температурного диапазона /то есть порядка 20-25°С/, то при разогреве пластинки 7 до данной температуры /в течение времени порядка 10-20 сек/ последняя релейно срабатывает и петли 6 эффективно разрывают сосульки 1. Далее ток отключают, пластинка 7 быстро остается ниже 20-25°С/ для такого быстрого остывания должна быть разность температур с окружающей средой, поэтому температура нагрева и выбрана больше в четыре-пять раз/, и пластинка 7 срабатывает в обратную сторону, повторно механически воздействуя на сосульки 1. Такое повторное включение-выключение тока в течение нескольких минут позволит разрушить механическими воздействиями изнутри при одновременном разогреве также изнутри практически любую сосульку значительного размера. Естественно, что такое механическое воздействие и одновременный прогрев сосулек изнутри чрезвычайно эффективен, позволяет значительно сократить затраты электроэнергии, использовать для воздействия сравнительно малые токи. При этом постепенное таяние и раскрашивание сосулек в данном случае не опасно для расположенных внизу объектов, здесь не происходит резкое образование целых сосулек. U-образная форма изгиба пластинок 7 при срабатывании позволяет обеспечивать наибольшие изгибные деформации петель 6 при тех же геометрических параметрах конструкции, что особенно важно при автоматическом режиме. Устройство практически универсально, предельно просто по конструкции и полностью автоматизировано.It should be noted right away that the proposed device can operate both in automatic mode completely without human intervention only by changing the ambient temperature, and in forced mode with periodic supply of an electrical signal to the device circuit. First, let's focus on automatic mode. As is known, an ambient temperature range of approximately -5 ÷ + 5 ° C is the most dangerous from the point of view of active icicle formation. In addition, in the climatic period corresponding to these temperatures, during the day the air temperature in the zone of icicles 1 varies many times: day, night, sun, rainfall, heating of the roof, evaporation, etc. The design of the device provides several temperature thresholds for the operation of the alloy of the plate 7 in the above range / let it, for example, temperature -2 ° C, + 2 ° C. In the initial state, the plate 7 in the circuit of the wire 5 has a flat shape, while the geometric contours of the wire 5 and loops 6 are shown by solid lines in the figure. Icicles 1, as mentioned above, are formed on the loops 6 of the wire 5 and are securely held on the latter. When the ambient temperature rises to -2 ° C, the plates 7 will relayly operate and, as a result of bending, jump into the U-shape shown in the figure. Since the plates 7 are included both in the electric and in the sequential elastic chain of the wire 5 and loops 6, such a bend will naturally lead to a change in the positions of the horizontal sections of the wire 5 and to bending deformations of the loops 6 located inside the body of icicles 1 / cm. dashed lines in the figure. Such deformations will lead to the rupture of icicles 1, their cracking, decay into small fragments, crumbling to the ground without creating a danger to people and objects. Those plates 7 that do not work at -2 ° C will work when the air is further heated to 0 ° C, etc. With further heating to + 3 ° C, + 5 ° C, etc. icicles 1 are no longer formed. When the temperature of the medium changes in the other direction and the air is cooled again to 0 ° C, -2 ° C and the icicles 1 again form on the loops 6 shown by the dashed line, the plates 7 will work again in the other direction, i.e. from the bent position / dashed lines / in starting position / solid lines /. In this case, the loops 6 will compress and re-destroy the icicles surrounding them 1. We emphasize that the plates 7 are connected in a single other circuit in series, so the relay operation of each plate causes bending deformations of all the loops simultaneously 6. Now we will focus on the forced operation of the device. They resort to it in difficult situations: sharp drops in ambient temperature, the started process of icicle formation, that is, powerful icicles 1, small temperature changes during the day, the need for quick removal of icicles in an emergency with low efficiency of the automatic method. In this case, an electric signal is fed into the wire 5 from the source, passing through the loops 6 inside the body of the icicles 1 and warming the icicles. Since the temperature thresholds of operation of the plates 7 are satisfied at temperatures four to five times higher than the upper limit of the above temperature range (i.e., about 20-25 ° C), when the plate 7 is heated to a given temperature / over a period of time, about 10-20 sec / the latter is relay-activated and loops 6 efficiently break icicles 1. Next, the current is turned off, plate 7 quickly remains below 20-25 ° C / for such rapid cooling, there should be a temperature difference with the environment, therefore, the heating temperature is chosen more in h Four to five times /, and the plate 7 is triggered in the opposite direction, repeatedly mechanically acting on the icicles 1. Such repeated switching on / off the current for several minutes will allow to destroy virtually any icicle of considerable size from the inside while simultaneously heating from the inside. Naturally, such a mechanical effect and simultaneous heating of icicles from the inside is extremely effective, can significantly reduce energy costs, use relatively small currents for exposure. In this case, the gradual melting and coloring of icicles in this case is not dangerous for the objects located below, there is no sharp formation of whole icicles. The U-shaped shape of the bending of the plates 7 when triggered allows for the greatest bending deformation of the loops 6 with the same geometric design parameters, which is especially important in automatic mode. The device is almost universal, extremely simple in design and fully automated.

Claims

A device for removing icicles from the roof of a building, comprising a heating element attached around the entire edge of the roof, connected to terminals for connecting an electric signal source, characterized in that the heating element is made in the form of an elastic insulated steel wire fixed directly along the edge of the roof and bent through a certain step the distance with the formation of vertically hanging down narrow loops, while in each of the horizontal parts of the wire located between the loops, the gadfly is removed and replaced by a welded narrow and flat alloy plate with a thermomechanical shape memory effect, characterized by several response thresholds both in the temperature range of -5 ÷ + 5 ° C of the most active icicle formation, and at temperatures about four to five times higher than the upper limit the above range, as well as the adoption of the plate as a result of relay bending at each actuation of the U-shape.