Мы продолжаем рассказывать про историю подогрева дорог. Если в предыдущей части речь шла о химическом пути, то в этой речь пойдет о физическом пути.
Данный способ перешел из разряда фантазирования в разряд разрешаемых инженерно-изобретательских задач с появлением сетей центрального отопления. Речь идет о сетях районного (district) центрального отопления, а не отдельных зданий, для которых центральное отопление работало в тех или иных вариациях с античных времен, если не раньше. А вот проталины в снегу по ходу теплотрасс от районной котельной, которые в 1880-90-е годы появились в городах Старого и Нового Света и в 1902 году в Санкт-Петербурге, сами подсказывали, что делать дальше.
Проблема тут была лишь инженерного свойства: разводка теплоносителя по трубам в дорожном покрытии. Понятно, что греть снизу булыжную мостовую не имело смысла. Асфальт, пока еще природный (битум) в смеси с песком, эпизодически появлялся в качестве дорожного покрытия в европейских городах, в том числе в столице Российской империи, еще в первой половине XIX века. А в 1852 году было завершено строительство шоссе от Парижа до города Периньяна на границе с Испанией протяженностью более 700 км, сплошь залитого битумом из швейцарского месторождения в Валь-де-Травер.
В 1870 году бельгийский инженер Эдуард Десмедт получил патент US103581 на «Усовершенствования в укладке асфальтовых или бетонных тротуаров или дорог», а по сути на рецепт асфальтобетона современного типа, и на процедуру его укладки. Далее пошел поток американских и европейских патентов на совершенствование этого верхнего слоя «дорожных одежд», который не иссякает до сих пор. На рубеже XIX и XX веков замена асфальтом брусчатки на дорожном полотне городских улиц пошла ускоренными темпами, а когда к концу нулевых годов прошлого века число автомобилей стало исчисляться уже десятками тысяч и росло по экспоненте, началось ударное асфальтирование междугородних дорог, а затем и дорог местного значения.
В принципе были понятны и технические характеристики решетки из труб с теплоносителем в асфальтобетонном слое дорожного покрытия. Теория отопления домов, в том числе вмонтированными в пол дюймовыми трубами, была разработана профессором Артуром Баркером из Лондонского университетского колледжа и издана в его знаменитой книге «Теория и практика отопления и вентиляции» 1912 года, в толстенном фолианте из 752 страниц с таблицами, графиками и формулами для расчетов давления пара и воды в трубах системы отопления в зависимости от их диаметра и нужной температуры на выходе, а также в его британском патенте 1907 года №28477 на систему «низкотемпературного лучистого отопления», вмонтированную в пол помещения.
Оставалось лишь вынести эту систему из здания для начала хотя бы под тротуар у его фасада, отрегулировав в ней по формулам и таблицам оптимальный для таяния льда и снега уровень «лучистой энергии», а в качестве теплоносителя использовать ту же горячую воду из системы центрального отопления здания. И добавить в нее для надежности антифриз, чтобы трубы не лопнули при сбое в системе или при резком похолодании. Но этого никто не делал. Почему? Вероятно, потому что такая отопительная конструкция из стальных труб под асфальтом была жесткой, а асфальт под потоком транспорта, в том числе большегрузных автомобилей, что называется дышит. Гарантировать ее герметичность надолго никто не решился бы.
Замена стальным трубам появилась только в 1930-е годы в виде так называемого сшитого полиэтилена (PEX) с поперечными связями в его макромолекулах. У него были вполне подходящие для данной цели показателями гибкости и динамической прочности, и сейчас его широко используют в инженерных сетях трубопроводов. Потом появились другие разновидности полимеров и композитные материалы, еще больше подходящие для водяного подогрева дорожного покрытия. Но это было потом, в последней четвери прошлого века. А до Второй мировой войны никто так и не рискнул деньгами и авторитетом для внедрения подобного подогрева дорог.
Первая такая система довольно большой площади появилась в 1948 году в городке Кламат-Фоллс, штат Орегон. Городок был небольшой с населением 15 000 человек, что называется заштатный, но 5 мая 1945 года о нем узнал весь мир. На него упала 15-килограммовая фугасная бомба с японского воздушного шара и убила женщину и пятерых детей. Это были единственные жертвы среди мирного населения в континентальной части США от налетов воздушных шаров-беспилотников, которые японцы запускали с острова Хонсю с ноября 1944 года по конец апреля 1945 года и три сотни из которых долетели-таки до Америки. Какими бомбами ответили на это американцы ровно три месяца спустя, все знают. В 1948 году стальные трубы были уложены в цементобетонное покрытие дорожки длиной 135 м, ведущей к одной из геотермальной скважин Кламат-Фоллса. Обычно, цементобетон используют на аэродромах, а здешние горячие подземные воды были известны с начала прошлого века.
Система прослужила верой и правдой без единого ремонта почти полвека, и только после землетрясения 1993 года, разрушившего в Кламат-Фоллс несколько зданий, ее капитально отремонтировали, заменив старые железные трубы на трубы из PEX. Геотермальные воды к этому времени уже стали основным теплоносителем для водяных систем подогрева дорог во всем мире, так как бесплатное тепло из недр земной коры позволяет эксплуатировать их «на уровне операционной безубыточности или близком к ней». Не считая капитальных вложений на их строительство, разумеется.
Экономическую выгоду использования термальных вод для дорожного подогрева несколько портит то обстоятельство, что наружу вода температурой от 20 до 90 градусов Цельсия выходит или находится близко к поверхности земли в сейсмоопасных районах на стыке литосферных плит, она, собственно, и выходит наружу при подвижке плит. В других местах надо бурить для доступа к ней километровые скважины. Но раз люди здесь живут, то грех было не воспользоваться даровым теплом. Эталоном подогрева дорог термальными водами считается Исландия с 32 вулканами, 7 из которых извергались в прошлом веке, а 5 уже в нынешнем, причем один дважды.
Бурение скважин для централизованного теплоснабжения столицы Исландии Рейкьявика началось в 1928 году, сейчас их в городе и его окрестностях больше 70, и с 1972 года 97% его жителей получали воду из горячих источников. Кстати, здесь, в Рейкьявике и его пригородах, живет 55% всех исландцев. Начиная с 1980-х годов направлять эту воду в трубы под тротуарами и подъездными путями к гаражам стало для них обычным делом. А к началу нашего века на двух главных торговых улицах столицы уже нельзя было поскользнуться на утоптанном снеге или льду, потому что там их не было, а была весьма приличная слякоть, о которой не принято говорить, чтобы не обидеть исландцев. Да и отвод жидкой грязи в канализацию – другая область инженерно-изобретательской мысли.
На данный момент общая площадь подогреваемой УДС (улично-дорожной сети) в Исландии примерно 1,2 тыс. кв. м, то есть если взять среднюю ширину улицы или трассы в 12 м, то получится около 100 км прогреваемых дорог. Это абсолютный рекорд, в других странах, где есть дороги с подогревом, а такие государства можно посчитать на пальцах двух рук, их протяженность на порядок или даже два порядка меньше. Вот лишь один пример. В городе Холланд, штат Мичиган, (население 33 000 человек и 66 см осадков в виде снега в зимние месяцы) в 1988 году в деловом районе 8-й улицы был построен «самый большой „теплый пол“ в Америке», то есть была установлена система дорожного подогрева, в которой за неимением геотермальных источников в радиусе пары тысяч километров используется вода из системы охлаждения местной ТЭС, работающей на угле.
В 2015 году немецкий промышленный гигант Siemens получил от городских властей Холланда контракт на переоборудование местной электростанции из угольной в парогазовую и «проявил заинтересованность» к местному снегу, мол, не поменять ли водяной подогрев улиц в городе на электрический и расширить его зону, ведь даже на берлинской Курфюрстендамм (берлинском аналоге парижских Елисейских полей) около 600 кв м тротуара отапливается электричеством. Но воз, как говорится, и ныне там. По данным немецкого Федерального института дорожного хозяйства для нагрева зимой асфальта на Курфюрстендамм до плюс трех градусов по Цельсию требуется около 3000 киловатт-часов энергии на квадратный метр. В итоге, «самый большой теплый пол в Америке» так и остался с водяным подогревом и прежней площади — 46 000 кв. м, то есть около 3 км на 8-ой улице и прилегающих к ней переулках города Холланда.
В 1970-80-х годах обозначился крен в сторону теплообменников с замкнутыми системами циркуляции, а не проточных. В 1982 году инженеры компании «Даймлер-Бенц» разработали такую замкнутую систему обогрева дорог с помощью подземного тепла, исходя из того факта, что на глубине 90 м температура грунта никогда не падает ниже +9°С. Теплоносителем у них был жидкий натрий в герметических вертикальных трубах, покрытых изнутри пористым абсорбционным материалом. В нижней части такой трубы под влиянием геотепла натрий поднимался вверх, а под холодной проезжей частью отдавал свое тепло асфальтобетонному покрытию дороги и, конденсируясь в пористом внутреннем покрытии трубы, потихоньку стекал вниз. Никакой регулировки здесь не требовалось, такие циклы следовали один за другим самопроизвольно и только тогда, когда это было нужно, а весной, когда теплело, они сами прекращались. Система была не чисто теоретической, ее построили и протестировали в городке Боксберг в земле Баден-Вюртемберг. В этих краях в те годы много чего тестировалось и были построены целых три АЭС (ныне закрытые). Но данное изобретение продолжения не имело. Возможно, система работала недостаточно эффективно или срок ее окупаемости показался слишком долгим.
Более экономичный вариант предложил коллектив инженеров-дорожников Куйбышевского инженерно-строительного института им. Микояна и ученых Куйбышевского госуниверситета в 1989 году. Их авторское свидетельство в базах патентных данных ныне числится под именем патента SU1482990 на русском и английском языках. Источником тепла здесь выступал не натриевый геотермальный тепловой насос, а тепло бытовой канализации. Теплоноситель (какой именно, не уточняется, это мог быть тот же натрий или более дешевые варианты, например, спирт или аммиак) находится внутри труб Г-образной формы, покрытых изнутри пористым материалом. Нижний конец вертикальной части труб погружен в сточную воду в канализационной трубе и снабжен интенсификаторами теплообмена в виде дискретно расположенных по периметру утолщений. Верхний горизонтальный конец труб образует петли, которые отдают тепло асфальтобетону дорожного покрытия. Есть еще детали вроде клапана-ловушки неконденсирующихся газов, но в целом это была такая же автономно работающая система, которая сама включается зимой и отключается в теплые сезоны года. Понятно, что использоваться она могла только для подогрева проезжей части городских улиц, где обычно проходят трубы канализационных стоков. Зато была намного дешевле немецкой. Но, как и многие другие обещающие советские проекты конца 1980-х годов, на практике он тоже не был реализован.
Что касается электрического подогрева дорог, то лабораторная модель такой системы известна с 1859 года и описана в патентной заявке некоего мистера Симпсона из Вашингтона на изобретение «усовершенствованного электронагревательного аппарата, выделяющего тепло, достаточное для обогрева помещений, кипячения воды, приготовления пищи и т.д.», то есть, говоря попросту, электрической плиты. Заявку в патентное ведомство Симпсон подал 16 декабря 1857 года, а патент US25532 на кухонную электроплитку получил в сентябре 1859 года. Плита у него была, кстати, с закрытой спиралью. На чертеже в патенте она открытая, но автор изобретения предупреждает, что это сделано им намеренно, для наглядности.
Спираль лежит в канавках, вырезанных в тальковом сланце (мыльном или горшечном камне, из которого делали керамику еще в доисторические времена), и может прикрываться сверху плиткой из того же мыльного камня. Пусть кто-нибудь поспорит, что в электронагревательной системе Симпсона отсутствует хоть один из трех основных компонентов современных электрических систем снеготаяния: нагревательного кабеля, блока управления и устройства активации, как пишут сейчас в учебниках для студентов-дорожников, потом они сами пишут в своих диссертациях, когда они становятся инженерами, а также в технических справочниках и популярных энциклопедиях.
Единственное, что сдерживало масштабирование этой конструкции до дорожной системы плавления снега и льда, было ее питание от гальванической батареи. Да и герметичность ее была не гарантировала от попадания талой или конденсатной воды на спираль и короткого замыкания. Что касается питания, то эта проблема была решена в конце того же XIX века. А вот пригодной оплетки нагревательного элемента не было до 1930-х годов, когда, как уже сказано, был синтезирован полиэтилен с поперечными связями (PEX), а чуть позже другие полимеры с еще более подходящими свойствами для кабеля, укладываемого в асфальт.
Во второй половине 1950-х годов появились опытные участки асфальтобетонного покрытия, обогревавшиеся электрическим током низкого напряжения. На одном из них нагревательный кабель даже уложили в стальную бронированную трубу. А спустя десять лет в западноевропейских странах было уже около 172 000 кв. м обогреваемых дорог, что соответствует участку автомагистрали длиной около 11 км.
Но чуть раньше, в 1954 году, во французском городе Лилле на его главной торговой улице Нев на уровне уличных фонарей к фасадам домов были привинчены электрообогреватели с рефлекторами. Такие электрообогреватели с параболическими отражателями «лучистой энергии» появились в начале 1920-х годов (см., например, патент US1517759). Вообще-то они были рассчитаны на обогрев помещений, но тут их вывесили на улицу. Фотографии мужчин в рубашках с закатанными руками, пьющих посреди зимы пиво на уличных террасах кафе, и дамы в шортах, сидящей на улице в лонгшезе, обошли все мировые СМИ, а ролики, показанные в новостях по телевидению во многих странах, до сих пор циркулируют в соцсетях.
Улочка Нев на самом деле довольно узкая и длиной всего 170 м, и при ветре конечно же продувалась зимним холодом насквозь, так что рефлекторы долго на ней не провисели. Но этот забавный казус в истории дорожного подогрева, затеянный муниципалитетом Лилля с явной целью привлечения в город туристов в мертвый сезон, был предвестником новых технологий бесконтактного подогрева дорог электромагнитными волнами разных частот.
Если же вернуться к истокам электрического подогрева дорог, то в 1959 году в Ливерпуле электрический кабель уложили прямо поверх брусчатки на стометровом участке одной из главных улиц в центре города и залили 15-сантиметровым слоем асфальта. Могли бы сделать это на год раньше, но, как потом доложили инженеры-дорожники городскому Комитету по автомобильным дорогам и благоустройству, у них возникла проблема. Необходимо было в срочном порядке искать и испытывать специальный термостойкий кабель, чтобы он не пострадал при заливке горячим асфальтом и пешеходов не било током. К тому же, довольно дорого обходилось электричество. Но электрическая система обогрева дорог подкупала простотой укладки и обслуживания, и основной тренд в теории и практики дорожного электроподогрева теперь лежал в русле совершенствования нагревательного кабеля. Параллельно шла разработка специальной асфальтоукладочной техники, которая могла бы в ходе заливки дорожного полотна асфальтобетоном сразу формировать канавки для нагревательных элементов, а не делать их отдельно, фактически вручную.
В конце 1980-х в гонку дорожного электроподогрева включаются японские компании, а в 1990-е китайские и южнокорейские, и сейчас большинство патентов на электроподогрев дорог в оригинале написаны иероглифическим письмом. Вот, например, сравнительно ранний патент японского химического гиганта компании Teijin Ltd 1994 года (его американская версия — US5573687 1996 года) на «волокнистый электрический кабельный дорожный обогреватель, который имеет предел текучести при сжатии (Lc) не менее 1000 кг; а внешняя текстильная структура изготовлена из термопластичного синтетического волокна, имеющего температуру плавления не менее 200°C и тонкость одного волокна не менее 1000 денье, что позволяет при укладке дорожного полотна после укладки дорожных обогревателей использовать любые виды асфальтобетонного состава и любую процедуру укладки покрытия, в том числе при высокой температуре, что, в свою очередь, позволяет завершить укладку покрытия в течение короткого времени».
На этом, наверное, можно закончить историю технологий подогрева дорог, дальше начинается их настоящее. К обогреву дорог с помощью кабелей или электрических ковриков добавились новые технологии. Как показали опыты, покрытие из тонкого слоя бетона с добавлением графитовых и стальных волокон, подключенное к электричеству, может генерировать тепло для предотвращения образования льда. На практике эта технология впервые была реализована в Китае на двух парковочных пандусах длиной 41 м каждый. Расход электроэнергии в них был 200-300 Вт/кв. м, то есть на порядок меньше, чем на берлинской Курфюрстендамм.
Микроволновый нагрев для таяния снега и льда мало что дает. В его диапазоне (от 100 МГц до 100 ГГц) энергию будут поглощать молекулы жидкой воды (на СВЧ-частотах — ГГц ), но не кристаллы льда (они реагируют на частотах кГц — длинные радиоволны). Зато микроволновый подогрев может резко увеличить эффективность пескосолевых смесей, а точнее их современных аналогов. Индукционный нагрев был опробован на асфальтобетоне с волокнами стальной ваты. Попробовали добавлять в асфальтобетон и стальную стружку. Все это, кстати, китайские разработки, но пока с неясными перспективами.
Сейчас на слуху «солнечные дороги». Верхний слой их «дорожной одежды» представляет из себя изоляционный слой, на котором лежат солнечные панели, залитые прозрачным бетоном. Примерно по километру таких дорог, которые в будущем, как планируют их создатели, будут не только топить на себе снег и лед, но и освещать дороги в темное время суток и даже заряжать мчащиеся по ним электромобили, уже построили в Америке, Франции и КНР. Не станут ли они очередной лилльской улицей Нев, покажет время. Но если и станут, то для инженерно-изобретательской мысли это в порядке вещей, магистральный путь обозначен, и новые прорывные идеи на нем не замедлят появиться.
Полезное от Онлайн Патент:
Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?
Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?
Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале
vlad_bik
Краткая история в несколько частей)