专利名称：融冰装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设在航道、码头和水电站的融冰装置。
背景技术：
航道、码头和水电站冬季结冰影响正常运行，甚至停止运营，比如中国北方辽河上的营口港、黑龙江和松花江上的各港口，每年封港期3个月至半年不等，即使开港，码头前沿冰使船舶靠泊困难，船舶靠泊使冰对码头和船形成撞击破坏。世界上许多国家都存在上述问题，有些国家为了冬季企业正常运行，不得不采取工程措施，比如北欧的芬兰和瑞典等国家的部分港口，冬季采取航道破冰、在港池内排放城市温热废水等工程措施来缩短封港期或维持冬季运营，中国北方部分水电站采取炸冰、抽取地下水等措施维持冬季运营。现有的航道、码头和水电站融冰方案缺陷明显，破冰船破冰和排放城市温排水融冰投资和运行成本较大，尤其是排放城市温排水，需要将分散的城市温排水集中起来，工程浩大，如果航道较长或无法解决城市温水来源，解决港口冬季运营就很困难；水电站炸冰和抽取地下水除了耗费资金，还对水电站周边环境造成一定影响和破坏，因此，航道、码头和水电站经济有效的融冰办法成了世界上许多国家都在探索的课题。现有技术，如中国专利申请200610151004. 5 “利用地下自然能源的路桥面冷却及融冰雪装置”和中国专利申请200810047366. 9“地温热管融冰法”，存在运行时需外加动力、 投资大、结构复杂、运行费用高等问题，难以在航道、码头和水电站融冰上得到普及和应用。
发明内容
为了克服上述缺陷和问题，本发明的目的是利用冬季河岸地表一定深度以下地温大于河中水温、冬季河流和港池内水温上冷下热可自然对流的规律，使航道和港池内上表层水温大于结冰点温度，从而达到水面无动力自然融冰或稍加动力不结冰或降低冰强度的目的。为达到上述目的，本发明的技术方案为航道、码头和水电站融冰装置包括岸边建筑物和岸边建筑物一侧的水，还设有半环形循环水道、地热层、水平防冻层、竖直防冻层，半环形循环水道由出水口、进水口、中段组成，竖直防冻层设在岸边建筑物靠水一侧外部，半环形循环水道设在竖直防冻层内侧 (靠岸边一侧)，出水口在半环形循环水道上部水面附近与中段紧密光滑连接，进水口在半环形循环水道下部水底附近与中段紧密光滑连接，地热层设在岸边建筑物靠岸边一侧和半环形循环水道附近，水平防冻层设在半环形循环水道上部，半环形循环水道上部设有水平隔热层，竖直防冻层和半环形循环水道之间的地热层中设有竖直隔热层，出水口和进水口的侧断面均为喇叭形状。在水平防冻层、竖直防冻层、水平隔热层、竖直隔热层的隔热保护下，半环形循环水道内的水温受地热层的影响，温度较外部水温高密度小，河中或港池中的水受外部气候影响温度低密度大，于是半环形循环水道内部低密度水流上升，外部高密度水下降，进入半环形循环水道，形成循环水流，带动融冰装置外部底层高温水上升，表层低温水下降，使航道和港池内上表层水温大于结冰点温度，从而达到在半环形循环水道出口处附近的水面不结冰的目的。如果在码头连续设置多处上述融冰装置，形成“码头融冰装置组”，就可以大面积解决码头前沿固定冰融冰问题，使船舶顺利靠泊码头；如果在航道上或水电站供水渠道上，连续或按一定的间隔设置上述融冰装置，形成“航道融冰装置组”或“水电站融冰装置组”，就可以大面积消除或减少航道上或水电站供水渠道上的固定冰，或至少使航道上或水电站供水渠道上的固定冰不能在岸边生根或不能连片生成，冰的整体连片强度下降，有利于船舶航行碎冰，减少冰对船舶运动产生的阻力，或利于人工破冰。有些港口，冬季气温很低，靠上述水自然循环的方式难以解决融冰问题时，此时， 可在上面所述融冰装置的半环形循环水道中增设一个循环水泵，循环水泵与半环形循环水道截断连接，使半环形循环水道中的水强制循环，达到半环形循环水道出口处附近的水面不结冰，或使冰的强度降低，便于人工或机械破冰。如果冬季气温特别低，在半环形循环水道内加一个泵强制循环也难以融冰，可采取将半环形循环水道周边土壤中的热量吸收到半环形循环水道水中的办法，从而提高码头或航道的融冰效果，具体做法是在半环形循环水道内部设制冷剂冷凝器，在地热层内设有制冷剂流动管道、制冷剂压缩机、地热循环管道，在地热循环管道中设有地热循环水泵，地热循环水泵与地热循环管道截断连接，在地热循环管道内部设制冷剂蒸发器，制冷剂流动管道在制冷剂冷凝器和压缩机之间双回路连通制冷剂冷凝器和压缩机，制冷剂流动管道在压缩机和制冷剂蒸发器之间双回路连通压缩机和制冷剂蒸发器，在制冷剂流动管道、制冷剂冷凝器、制冷剂蒸发器和压缩机内充满制冷剂。地热融冰装置融冰工作原理为地热循环管道内地热循环水泵使其内循环水循环，循环水不断将土壤低品位热能送到制冷剂蒸发器周围，在制冷剂蒸发器中的液态制冷剂吸收了制冷剂蒸发器周围的低品位热能后，蒸发成低温低压的汽态制冷剂，然后被制冷剂压缩机压缩成高温高压的汽态制冷剂后送入制冷剂冷凝器，在制冷剂冷凝器中高温高压的汽态制冷剂将热量传给半环形循环水道内的水后，冷凝成液态后重新回到制冷剂蒸发器中，半环形循环水道内的水在制冷剂冷凝器中吸收了热量温度升高后，被循环水泵送到半环形循环水道外河中或码头外水中，如此往复循环达到航道或码头融冰目的。制冷剂的种类很多，不同的制冷剂适合的工况不同，要选择适合于地热融冰的制冷剂，以保证在蒸发器中的制冷剂能在地热温度变动范围内有效地蒸发吸热，在冷凝器中的制冷剂在融冰水温变动范围内有效地冷凝放热，否则，将严重影响融冰装置的使用效果。水平防冻层、竖直防冻层、水平隔热层、竖直隔热层的厚度应结合当地冬季气温、 所使用的材料和水面高度等因素设计，一般而言，防冻层厚度应大于当地冻土深度，如营口地区的冻土深度在1. 1米，防冻层厚度应在1. 1米以上为好，但如果隔热层的隔热效果非常好，防冻层厚度可适当减薄，以配合水面高度，确定合适的融冰出水口位置。水平防冻层和竖直防冻层起防冻作用，也是融冰装置支撑结构。本发明的优点与积极效果为1.节省港口冬季融冰费用本发明所述融冰装置可以结合码头建设完成，投资省，冬季靠河或港池内的上下层水温差自动工作，不增加任何运行费用。即使增设水泵和地热融冰设施，增加一些投资和运行费用，但同港口冬季封港产生的负效益相比，也是值得的。2、节省航道或水电站冬季破冰费用在航道或水电站供水渠道中设置本发明所述融冰装置，冬季靠河或供水渠道或港池内的水温差自动工作，不用增加任何运行费用，可免除或减少航道或供水渠道冬季人工破冰融冰工作量，节省冬季融冰费用。即使增设水泵和地热融冰设施，增加一些投资和运行费用，但同冬季停止营运产生的负效益相比，也是值得的。3、减少城市排放温水管道建设投资城市温水收集和排放工程投资巨大，对城市地下工程设施影响很大，采用本发明融冰装置，不用城市排放温水融冰，节省了城市排放温水管道工程建设投资，对城市建设没有影响，尤其适用在没有城市温水排放水源的地方，可以利用本发明的融冰装置达到港池和航道融冰的目的，使港口冬季不封港，增加经济效益。
图1自然融冰装置结构断面图；图2强制循环融冰装置结构断面图；图3地热融冰装置结构断面图；图4码头融冰装置组平面布置图；图5航道或水电站供水渠道融冰装置组平面布置图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明图1为自然融冰装置结构断面图，融冰装置包括岸边建筑物和岸边建筑物一侧的水，还设有半环形循环水道1、地热层2、水平防冻层3、竖直防冻层4，半环形循环水道1由出水口 5、进水口 6、中段7组成，竖直防冻层4设在岸边建筑物靠水一侧外部，半环形循环水道1设在竖直防冻层4内侧，出水口 5在半环形循环水道1上部水面附近与中段7紧密光滑连接，进水口 6在半环形循环水道1下部水底附近与中段7紧密光滑连接，地热层2设在岸边建筑物靠岸边一侧和半环形循环水道1附近，水平防冻层3设在半环形循环水道1 上部；为加强防冻效果，可在半环形循环水道1上部设水平隔热层8，在竖直防冻层4和半环形循环水道1之间的地热层2中设竖直隔热层9 ；出水口 5和进水口 6的侧断面均为喇叭形状；为加强循环，可在半环形循环水道1的中段7中设循环水泵10，循环水泵10与半环形循环水道1的中段7截断连接。在水平防冻层3，竖直防冻层4、水平隔热层8、竖直隔热层9的隔热保护下，半环形循环水道1内的水温受地热层2的影响，温度较外部水温高密度小，河中或港池中的水受外部气候影响温度低密度大，于是半环形循环水道1内低密度水流上升，外部高密度水下降并由进水口 6进入半环形循环水道1，形成循环水流，带动融冰装置外部底层高温水上升，表层低温水下降，使航道和港池内上表层水温大于结冰点温度，从而达到在出水口 5附近的水面不结冰的目的。图2为强制循环融冰装置结构断面图，有些港口，冬季气温很低，靠上述水自然融冰方式难以解决问题，此时，可在图1所示自然融冰装置的半环形循环水道1内增设一个循环水泵10，循环水泵10与半环形循环水道1截断连接，使半环形循环水道1内的水强制循环，达到出水口 5处附近的水面不结冰，或使冰的强度降低，便于人工或机械破冰。图3为地热融冰装置结构断面图，如果冬季气温特别低，在半环形循环水道1内加一个循环水泵10强制循环也难以融冰，可采取将半环形循环水道1周边地热层2 土壤中的热量吸收到半环形循环水道1水中的办法，从而提高码头或航道的融冰效果，具体做法是 在半环形循环水道1的中段7内设制冷剂冷凝器11，在地热层2内设有制冷剂流动管道12、 制冷剂压缩机13、地热循环管道14，在地热循环管道14中设有地热循环水泵15，地热循环水泵15与地热循环管道14截断连接，在地热循环管道14内部设制冷剂蒸发器16，制冷剂流动管道12在制冷剂冷凝器11和压缩机13之间双回路连通制冷剂冷凝器11和压缩机 13，制冷剂流动管道12在压缩机13和制冷剂蒸发器16之间双回路连通压缩机13和制冷剂蒸发器16，在制冷剂流动管道、制冷剂冷凝器、制冷剂蒸发器和压缩机内充满制冷剂。地热融冰装置融冰工作原理为地热循环管道14上的地热循环水泵15使其内循环水循环，循环水不断将地热层土壤中低品位热能送到制冷剂蒸发器16周围，在制冷剂蒸发器16中的液态制冷剂吸收了制冷剂蒸发器16周围低品位热能后，蒸发成低温低压的汽态制冷剂，然后被制冷剂压缩机13压缩成高温高压的汽态制冷剂后经由制冷剂流动管道 12送入制冷剂冷凝器11，在制冷剂冷凝器11中高温高压的汽态制冷剂将热量传给半环形循环水道1内的水后，冷凝成液态后经由制冷剂流动管道12重新回到制冷剂蒸发器16中， 半环形循环水道1内的水在制冷剂冷凝器11中吸收了热量温度升高后，被水泵送到半环形循环水道1外河中或码头外水中，如此往复循环达到航道或码头或水电站供水渠道融冰目的。制冷剂的种类很多，不同的制冷剂适合的工况不同，要选择适合于地热融冰的制冷剂，以保证在蒸发器中的制冷剂能在地热温度变动范围内有效地蒸发吸热，在冷凝器中的制冷剂在融冰水温变动范围内有效地冷凝放热，否则，将严重影响融冰装置的使用效果。水平防冻层3、竖直防冻层4、水平隔热层8、竖直隔热层9的厚度应结合当地冬季气温、所使用的材料和水面高度等因素设计，一般而言，防冻层厚度应大于当地冻土深度， 如营口地区的冻土深度在1. 1米，防冻层厚度应在1. 1米以上为好，但如果隔热层的隔热效果非常好，防冻层厚度可适当减薄，以配合水面高度，确定合适的融冰出水口位置。水平防冻层和竖直防冻层起防冻作用，也是融冰装置支撑结构。图4为码头融冰装置组平面布置图，在码头连续设置多处融冰装置，形成“码头融冰装置组”，就可以大面积解决码头前沿固定冰融冰问题，使船舶顺利靠泊码头。图5为航道或水电站供水渠道融冰装置组平面布置图，在航道或水电站供水渠道上，连续或按一定的间隔设置融冰装置，形成“航道融冰装置组”或“水电站融冰装置组”，就可以大面积消除或减少航道上的固定冰，或至少使航道上或水电站供水渠道的固定冰不能在岸边生根或不能连片生成，冰的整体连片强度下降，有利于船舶航行破冰。实施例1 营口港老港区位于辽河下游，可靠泊3000-5000吨级船舶，每年11月底至次年3 月底为封港期，在此时期，港口停止作业，辽河两岸约几百家与港口航运有关的企业停业， 冬季直接经济损失近百亿元人民币。
3000-5000吨级船舶可以抵抗辽河口外海流冰，辽河冬季封港原因主要是航道和码头边的固定冰，为此，在航道两侧每20米各设置一处融冰装置，15公里航道共需1500座， 按每座5万元计算，一次性投资约7500万元；在码头上每5米处设置一个融冰装置，2500米岸线需500处，按每处需2万元计算，共需1000万元，航道和码头合计需8500万元，一次性投资仅是每年冬季直接经济损失近百亿元人民币的百分之一，经济上是可行的。从技术上看，营口冬季年平均气温在负10度左右，航道和码头前沿冰厚10-30厘米，最大40厘米，冰强度中等，因此采取自然融冰方式基本可以达到融冰效果，采取强制循环融冰方式融冰经济上也是可行的。具体设计可按半环形循环水道直径30厘米，在码头内从水下到水面设置，考虑2. 5米平均潮差因素，半环形循环水道出水口应设置在距离码头面下1. 3米处以下，隔热层厚度20厘米，水平隔热层在码头面下1. 1米处设置，航道上的融冰装置参照码头设计方案设计。实施例2:目前，辽河通航里程只有20公里，按辽宁省政府规划，辽河通航里程近期将延伸到海城牛庄，远期到沈阳和铁岭。如果在海城牛庄建港，应在航道和港口码头设计中考虑设置融冰装置。牛庄至辽河口航道里程约100公里，约需融冰装置10000个，每座5万元， 约需5亿元人民币；码头按营口老港区的融冰装置规模需1000万元，扣除辽河口处应由营口段承担的冬季融冰装置费用，因此，2亿元就可解决牛庄港的航道和港口码头冬季通航问题，这与牛庄港产生的巨大社会经济效益相比是微不足道的。按牛庄港实际情况，设计上可参照上述营口港融冰装置进行码头和航道融冰设计。实施例3 黑龙江是中国和俄罗斯两国界河，冬季融冰问题复杂一些，松花江虽然不是界河， 但出海口在俄罗斯，因此，冬季融冰也并非易事。先期可以在黑龙江和松花江上下游港口之间开展冬季融冰，可采取强制循环融冰装置融冰，必要时采用地热融冰装置融冰，融冰装置具体设计方案在参照营口港老港区融冰装置设计的基础上，应结合当地水文、地温、冰冻、 地质等条件进行设计。
权利要求
1.一种融冰装置，包括岸边建筑物和岸边建筑物一侧的水，其特征在于融冰装置还设有半环形循环水道(1)、地热层O)、水平防冻层(3)、竖直防冻层G)，半环形循环水道 (1)由出水口(5)、进水口(6)、中段(7)组成，竖直防冻层(4)设在岸边建筑物靠水一侧外部，半环形循环水道(1)设在竖直防冻层内侧，出水口( 在半环形循环水道(1)上部水面附近与中段(7)紧密光滑连接，进水口(6)在半环形循环水道(1)下部水底附近与中段(7)紧密光滑连接，地热层( 设在岸边建筑物靠岸边一侧和半环形循环水道(1)附近， 水平防冻层( 设在半环形循环水道(1)上部。
2.按权利要求1所述的融冰装置，其特征在于在岸边建筑物内、半环形循环水道(1) 上部设有水平隔热层(8)。
3.按权利要求1所述的融冰装置，其特征在于在岸边建筑物内、竖直防冻层(4)和半环形循环水道(1)之间的地热层O)中设有竖直隔热层(9)。
4.按权利要求1所述的融冰装置，其特征在于出水口(5)和进水口(6)的侧断面均为喇叭形状。
5.按权利要求1所述的融冰装置，其特征在于在半环形循环水道(1)的中段(7)中设有循环水泵(10)，循环水泵(10)与半环形循环水道(1)的中段(7)截断连接。
6.按权利要求1所述的融冰装置，其特征在于在半环形循环水道(1)的中段(7)内设制冷剂冷凝器(11)，在地热层⑵内设有制冷剂流动管道(12)、制冷剂压缩机(13)、地热循环管道(14)，在地热循环管道(14)中设有地热循环水泵(15)，地热循环水泵(1 与地热循环管道(14)截断连接，在地热循环管道(14)内部设制冷剂蒸发器(16)，制冷剂流动管道(1 在制冷剂冷凝器(11)和压缩机(1 之间双回路连通制冷剂冷凝器(11)和压缩机(13)，制冷剂流动管道(1 在压缩机(1 和制冷剂蒸发器(16)之间双回路连通压缩机(1 和制冷剂蒸发器(16)，在制冷剂流动管道、制冷剂冷凝器、制冷剂蒸发器和压缩机内充满制冷剂。
7.按权利要求1所述的融冰装置，其特征在于在码头内或航道岸边或水电站进水渠道岸边设置一个以上融冰装置，形成“码头融冰装置组”、“航道融冰装置组”、“水电站融冰装置组”。
全文摘要
航道、码头和水电站冬季结冰影响正常运行，有些冬季停业，有些采取破冰、炸冰、抽取地下水和城市温水排放等措施，耗费巨大人力物力，本发明融冰装置利用河岸地表一定深度以下地温大于河中水温、河流和港池内水温上冷下热可自然对流的规律，使码头边或航道岸边或水电站供水渠道岸边处的底层高温水与远离码头或航道岸边或水电站供水渠道岸边的表层低温水形成循环对流，使航道内或码头边或水电站供水渠道岸边上表层水温大于结冰点温度，从而达到水面不结冰或融冰的目的，可经济有效地解决航道、码头和水电站冬季冰冻问题。
文档编号E02B15/02GK102373694SQ20101025377
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者游勇 申请人:游勇