СПОСОБ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНОВ И ОБЛАКОВ Российский патент 1998 года по МПК A01G15/00 E01H13/00 

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и предназначено для ликвидации туманов и облаков над такими объектами как, например, аэродромы, морские и речные порты, шоссейные магистрали, предупреждения нежелательных осадков над сельскохозяйственными угодьями.

Уровень техники в отношении заявленного технического решения определен по классам МПК A 01 G 15/00, F 42 B 25/12, F 42 B 12/02, F 42 B 13/00, а также по имеющейся научно-технической литературе, включая статьи в соответствующих журналах.

В результате анализа доступной информации выявлены аналоги изобретения, свидетельствующие о следующих направлениях ведущихся разработок в рассматриваемой области, основанных на применении:
реагентов и средств их доставки;
электричества.

В качестве реагентов для воздействия на туманы или облака запатентованы различные составы и в их числе такие, как водный раствор хлористого кальция с загустителем (см. например, США, патент N2934275, МПК A 01 G 15/00, опубликован 06.06.1939) и многие др.

Рассеивание реагентов в туманах ми облаках может быть осуществлено самолетами, ракетами или снарядами (см. например, Российская Федерация, патент N2034444, 6 A 01 G 15/00, опубликован 10.05. 1995 г.).

Однако, применение реагентов влечет за собой затрату значительных материальных средств, обусловленных их производством, отчасти дефицитностью и эксплуатационными расходами по доставке реагентов непосредственно в облака. Кроме того, токсичность многих из реагентов самым пагубным образом влияет на экологию окружающей среды.

Известны способы, заключающиеся в введении с помощью аэростатов или самолета в облака вместо реагентов, коронирующих под действием подключаемого электрического тока проводов (см. например, СССР, авторское свидетельство N 71260, МПК A 01 G 15/00, опубликован 29.07.1969 г.).

К существенному недостатку, ставящего под сомнение применение данных технических решений, относится огромная их зависимость от погодных условий, в частности, от скорости ветра, ограничивающего возможность подъема аэростатов или взлет самолета в нужном месте и в требуемое время.

В связи с этим было обращено внимание на целесообразность стационарного размещения коронирующих проводов непосредственно у поверхности земли в зонах, где необходима постоянная защита от туманов или облаков.

Так, известен способ рассеивания туманов и облаков, заключающийся в генерации с помощью установленного над поверхностью земли провода, на который подают постоянный ток, вызывающий его коронирование и ген4ерацию в атмосферу электрически заряженных частиц (см. например, Журнал геофизических исследований, изд. Артур Д. литл. ИНК, Кембридж, Массачусетс, 1962 г. т. 67. N3, март, стр. 1073-1082).

При реализации способа использовался тонкий провод из нержавеющей стали большой протяженности, закрепленный над поверхностью земли на столбах, имеющих изоляторы. Для получения коронного разряда и генерации электрически заряженных частиц к одному из концов провода при свободном другом подавалось напряжение до 50 кВ от источника постоянного тока. Корона вокруг провода осуществляется электронными лавинами, движущимися во внешнее пространство. В области короны, наряду с электронными, образуются ионы вследствие разрушения нейтральных молекул воздуха.

Генерируемые коронирующими проводами электрически заряженные частицы по мере продвижения в атмосфере захватывают молекулы воды, в результате чего происходит процесс конденсации влаги (см. например, Д. Хирс, Г. Паунд "Испарение и конденсация", перевод с английского, М.1966 г. или "Физический энциклопедический словарь М. 1984 г. стр. 308).

Распространению электрически заряженных частиц в атмосфере способствуют естественные приземные конвективные потоки, что в конечном счете приводит к образованию пространственного объемного электрического заряда Q, который создает внутри тумана или облака электрическое поле.

В свою очередь искусственно созданное электрическое поле пространственного заряда E в дополнение к существующим естественным явлениям силой F= gE (где g-заряд капли) приводит в движение заряженные капли, численность которых доходит до 40% капель тумана или облака, (см. например, Красногорская Н.В. "электричество нижних слоев атмосферы и методы его измерения", Л.Гидрометеоиздат, 19720, 323 с.) друг относительно друга и относительно незаряженных капель, в результате чего происходит увеличение частоты столкновения капель и увеличение вероятности их коагуляции.

Растущие в процессе коагуляции капли, падая под действием гравитационных сил, захватывают на своем пути к поверхности земли большое количество заряженных и незаряженных капель.

Разрушение тумана или облака, таким образом, носит лавинный характер.

К недостатку рассмотренного способа следует отнести то обстоятельство, что коронирование провода при подаче на него напряжения постоянного тока зависит от влажности воздуха (см. например, А.И. Китайгородский, "Электроны", ГРФМЛ, Москва 1982 г. стр. 62) которая уменьшает величину сбрасываемого в атмосферу коронирующими проводами электрического заряда, влекущего за собой уменьшение электрического поля и, как следствие этого, снижение эффективности использования способа. Другой аналог-способ по патенту Ru N 2024315.

При значительной влажности воздуха, доходящей до 100% коронирующий заряд может вообще не возникнуть и для коронирования провода потребуется увеличение рабочих напряжений тока.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности рассеивания туманов и облаков путем исключения зависимости коронного разряда, а, следовательно, и процесса генерации коронирующим проводом электрически заряженных частиц от влажности воздуха и обеспечение устойчивого возникновения коронного разряда без расширения диапазона рабочих напряжений постоянного тока.

Поставленная цель достигается следующими отличительными от прототипа существенными признаками:
перед подачей постоянного тока производят подвод к проводу переменного тока и нагревают провод до температуры не менее 100 град. C, но ниже в 2-3 раза температуры плавления материала провода, а подачу постоянного тока осуществляют после нагрева провода, при этом температуру нагрева поддерживают переменным током в течение всего времени генерации электрически заряженных частиц.

Когда к одному из концов провода, закрепленного над поверхностью земли при свободном другом подают постоянный ток под напряжением в несколько тысяч вольт, силовые линии электрического поля сгущаются по мере приближения к проводу и при достижении через некоторое время напряженности поля возле проволоки достаточной для зажигания короны, вокруг проволоки возникает свечение, являющееся следствием генерации коронирующим проводом электрически заряженных частиц, причем сила тока в проводе составляет всего несколько миллиампер и может быть определена по зависимости (см. Н.А. Копцов "Электроника", ГИТЛ, М. 1956 г. стр. 372, формула 105, 10)

для провода, висящего над землей,
где:
r радиус провода,
H расстояние от оси провода до земли,
U напряжение на проводе,
U_k напряжение зажигания короны,
K подвижность ионов в атмосфере.

Как следует из приведенной характеристики существенных признаков заявленного объекта, достижение поставленной цели предусмотрено за счет нагрева провода, но вследствие незначительной величины постоянного тока в коронирующем проводе осуществить нагрев, используя постоянный ток в режиме коронного разряда, не представляется возможным.

Поэтому предлагается одновременно или перед подачей постоянного тока производитель подвод к проводу промышленного переменного тока и тем самым осуществить его нагрев до температуры не менее 100 град. C, но ниже в 2-3 раза температуры плавления материала провода с последующим поддержанием переменным током температуры в установленном диапазоне в течение всего времени генерации коронирующим проводом электрически заряженных частиц. Возможна и одновременная подача токов к проводу.

Нижний предел температуры провода не менее 100 град. C определен из условия кипения воды в зависимости от атмосферного давления, чтобы на происходящие процессы не оказывала влияние высота места расположения коронирующих проводов над уровнем моря.

Верхний предел температуры установлен исходя из сохранения прочностных характеристик материала провода с учетом коэффициента прочности равным 2 3.

При нагреве провода под действием переменного тока выделяющееся тепло уходит вследствие теплопередачи (в основном конвекции, а также излучения) через его поверхность. Количество теплоты в результате теплопередачи тем больше, чем значительнее разность температур провода и окружающей среды. Поэтому после подключения к проводу переменного тока, например, осветительной сети, температура провода постепенно повышается пока не сделается постоянной, а именно такой, что количество выделяющейся теплоты будет равно количеству теплоты передаваемому в окружающее пространство. Чем хуже проводит тепло окружающая среда, тем ближе эта окончательная температура к верхнему пределу указанного в формуле изобретения диапазона температур и, наоборот, чем лучше среда проводит тепло и интенсивнее происходит охлаждение, тем ближе к 100 град.C от верхнего предела температур нагревается проводник под действием переменного тока.

С другой стороны, уменьшение диаметра провода приводит к повышению сопротивления единицы его длины и, следовательно, тем больше по закону Джоуля-Ленца (Q= RI t, где Q выделившееся количество тепла в джоулях, R - сопротивление, I сила тока в амперах, t время в секундах) количество теплоты, выделяемое единицей длины провода, но чем тоньше проводник, тем меньше его поверхность и тем меньше теплопередача. Таким образом, температура проволоки при данном токе тем выше, чем меньшее ее диаметр, а это согласуется с необходимостью использования для возникновения коронного разряда провода с малым радиусом кривизны поверхности (см. например, Б.М.Яворский, А.А.Детлаф "Справочник по физике" ГРФМЛ, М. 1979 г. стр. 394).

Для предупреждения разрушения коронирующего провода его рабочая температура не может превышать определенного значения, зависящего от материала проволоки, а конкретно она должна быть ниже в 2 3 раза (коэффициент запаса прочности) температуры плавления материала провода. Откуда следует, что для провода определенной толщины, выполненного из конкретного материала существует некоторый предельный переменный ток, выше которого провод разрушится.

При использовании в заявленном объекте изобретения переменного тока осветительной сети, с указанной точки зрения практически провод может быть изготовлен из любого общепринятого электропроводного материала (например, нержавеющей стали, нихрома, и др.).

Передача внутренней энергии от нагретого коронирующего провода до температуры не менее 100 град.C к слоям окружающей среды каплевоздушной, смеси осуществляется главным образом за счет конвективного теплообмена.

Нагрев провода до температуры не менее 100 град.C приводит к испарению капелек воды и образованию вокруг него паровоздушной смеси. Вследствие того, что между нагретым проводом и примыкающий к нему слоями паровоздушной смеси температуры неодинаковые, возникает движение макроскопических частиц.

В результате повышения температуры плотность в этих слоях уменьшается. За счет этого выталкивающая сила, действующая на макроскопический объем со стороны окружающих слоев атмосферы становится больше силы тяжести этого объема, что приводит к выталкиванию слоев с большей температурой вместе с генерируемыми коронирующим проводом электрически заряженными частицами вверх, при этом на их место поступают слои влажного воздуха с меньшей температурой и, пока провод остается нагретым, процесс постоянно повторяется.

Исходя из того, что испарение признаков, использованных для характеристики изобретения, получение указанного технического результата обеспечивается в этом интервале.

Для реализации заявленного объекта изобретения достаточно, учитывая свойства конденсатора не пропускать через себя постоянный ток, разомкнуть конденсатором провод, аналогично известной электрической схеме (см. например, С.Г. Калашников "Электричество" ГРФМЛ, М. 1977 г. стр. 286, рис. 235).

В этом случае выполняются условия для нагрева провода промышленным током, который пропускается конденсатором от одного конца провода до другого, а после нагрева провода до достижения температуры в указанном интервале, что может быть проконтролировано известными устройствами (см. например, А.Т. Блажкин, В. А. Бессекерский и др. "Общая электроника", Энергоиздат, Л. 1986 г. стр. 219-248, Справочник "Испытательная техника" книга 2, М. Машиностроение, 1982 г. глава 24, стр. 455) осуществляется подключение к проводу постоянного тока под напряжением достаточным для возникновения коронного разряда, причем ток будет иметь место от источника до обкладок конденсатора, применительно к известной электросхеме, с обеих его внешних сторон, не преодолевая промежутка между ними, и тем самым выполняется другое условие уже для получения коронного разряда противоположные от источника постоянного тока концы провода остаются свободными. При необходимости регулирования напряжения постоянного тока в электросхему может быть введен реостат.

Совместное действие обоих токов в течение всего времени генерации электрически заряженных частиц не оказывает какого-либо заметного влияния на коронирование провода, так как промышленный ток подается под напряжением более чем в сто раз меньше напряжения постоянного тока.

Таким образом, исходя из изложенного, следует, что в своей совокупности существенных признаков отраженных в формуле изобретения, предложенное техническое решение обеспечивает достижение поставленной цели.

Кроме того, в случае нагрева коронирующего провода несколько выше 500 град.C (см. например, А.И. Китайгородский "Электроны" М. ГРФМЛ, 1982 г. стр. 78) как показывает теория и опыт, приводит к эмиссионному выходу электронов из провода и тем самым появляется сопутствующий дополнительный результат, увеличивающий еще в большей степени эффективность способа по образованию в атмосфере искусственно создаваемого пространственного электрического заряда.

Использование: прикладная метеорология, в способах ликвидации туманов и облаков над такими объектами как, например, аэродромы, морские и речные порты, шоссейные магистрали, предупреждения нежелательных осадков над сельскохозяйственными угодьями. Сущность изобретения: с помощью установленного над поверхностью земли провода, на который подают постоянный ток, вызывающий его коронирование, производят генерацию электрически заряженных частиц. Перед подачей постоянного тока осуществляют подвод к проводу переменного тока. С помощью этого тока нагревают провод до температуры не менее 100^oC, но ниже в 2 - 3 раза температуры плавления материала провода, а подачу постоянного тока производят после нагрева провода до температуры не менее 100^oC. Температуру нагрева поддерживают переменным током в течение всего времени генерации электрически заряженных частиц.

Способ рассеивания туманов и облаков, включающий генерацию электрически заряженных частиц с помощью установленного над поверхностью Земли провода, на который подают постоянный ток, вызывающий его коронирование, отличающийся тем, что перед подачей постоянного тока к проводу подводят переменный ток и нагревают провод до не менее 100^oС, но в 2 3 раза ниже температуры плавления материала провода, а подачу постоянного тока осуществляют после нагрева провода, при этом температуру нагрева поддерживают переменным током в течение всего времени генерации электрически заряженных частиц.