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

Изобретение относится к области техники, предназначенной для воздействия на атмосферные образования, а именно для устранения туманов и облачности над различными наземными объектами, к которым следует отнести аэродромы, морские порты, крупные автомагистрали, районы возделывания сельскохозяйственных культур, требующих в определенные периоды их возделывания защиты от избыточных осадков.

Основной задачей, решаемой при воздействии на атмосферные образования, является предотвращение возникновения аварийных ситуаций для различных транспортных средств в сложных метеорологических условиях, а также получение высоких урожаев.

Анализ уровня по опубликованным источникам показал различные подходы к решению указанной задачи, заключающиеся в основном в следующих направлениях проводимых разработок:
использование реагентов и средств их доставки для рассеивания тумана или облачности;
применение электричества;
тепловые методы;
методы акустического воздействия;
методы воздействия электромагнитным излучением в определенном частотном диапазоне и пр.

Наибольшее внимание в литературе уделяется методам с использованием реагентов и электрическим методам. В качестве реагентов, например, в США по кл. A 01 G 15/00 запатентованы такие вещества, как смесь из углеводов и хлора (патент N 2160900, 1939), водный раствор хлористого кальция, к которому добавлены загустители (патент N 29342745, 1960), твердых растворов йодистого серебра и йодистой меди (патент N 3877642, кл. A 01 G 15/00) и др. Для доставки реагентов и их распространения в тумане или облачности могут быть применены самолеты (патент США N 2815982, кл. A 01 G 15/00, 1957), ракеты (патенты РФ N 2945163, 2060002), снаряды (патент РФ N 2034444 кл. 6 A 01 G 15/00, 1995).

Несмотря на накопленный опыт практического использования реагентов (Бибилашвили и др. Руководство по организации и проведению противоградовых работ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981), их постоянное применение в той или иной степени приводит к ухудшению экологии окружающей среды и требует расхода значительных материальных ресурсов, обусловленных необходимостью производства реагентов в больших количествах, изготовлением и эксплуатацией средств доставки реагентов в атмосферные образования.

С точки зрения использования при воздействии на атмосферные образования экологически чистых процессов наиболее перспективным является применение электричества. Известны устройства, обеспечивающие введение в атмосферные образования провода малой кривизны, коронирующего под высоким напряжением, подаваемым к нему от источника тока (авторское свидетельство СССР N 71260, кл. A 01 G 15/00, 1948, патент США N 3456880, кл. A 01 G 15/00, 1969).

Основным недостатком перечисленных устройств является необходимость подъема проводов на высоту расположения облачности, что предопределяет большие затраты топливно-энергетических ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям.

Известны лишенные указанных недостатков стационарные устройства, располагаемые на земной поверхности, одно из которых реализует способ вызывания дождя (авторское свидетельство СССР N 29675, кл. A 01 G 15/00, 1948). Оно основано на применении ионизированной струи воздуха, получаемой путем обдува ионизирующего электрода, а другое (заявка ФРГ N 1005304, кл. E 01 H 13/00) предназначено для разрушения тумана продуванием воздуха, забираемого из атмосферы через электрическое поле.

Оба устройства способствуют распространению электрически заряженных частиц вверх, ускоряя тем самым процесс выпадания осадков из облачности или осаждения тумана.

Однако в рассматриваемых устройствах не представлены средства для получения самой струи воздуха, для чего, как очевидно, требуется создание специальных систем, усложняющих конструкцию устройств.

Известно устройство для рассеивания тумана или облаков, содержащее закрепленный на опорах с помощью изоляторов предназначенный для генерации коронного разряда провод с малым радиусом кривизны поверхности, подсоединенный к источнику высокого напряжения ("Журнал геофизических исследований". - Кембридж, Массачусетс, март 1962, т.67, с. 1073 - 1082).

Сведения от этом устройстве и некоторые результаты исследований нашли отражение и в отечественной технической литературе (Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные образования. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с. 287 - 193 - прототип).

Как следует из приведенных источников информации, определяющим фактором уноса электрически заряженных частиц из зоны коронного разряда, возникающего у провода, является ветер, восходящие потоки которого выносят частицы на высоту более 2 км, создавая пространственный заряд, воздействующий на атмосферные образования.

К недостатку подтвержденного экспериментального данного устройства относится то обстоятельство, что только доля электрически заряженных частиц сносится ветром и участвует в рассеивании тумана или облачности, в то время как значительная ее часть, особенно создаваемая в зоне, прилегающей непосредственно к опорам, уходит через опоры в землю.

Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства.

Поставленная цель достигается по сравнению с прототипом тем, что провод выполнен с участками увеличенного радиуса кривизны поверхности, которые распределены по его длине с шагом, равным расстоянию между опорами и расположены симметрично относительно опор, при этом крепление провода к изоляторам осуществлено на участках увеличенного радиуса кривизны поверхности.

В качестве частного признака, усиливающего достигаемый положительный эффект, предлагается выполнить участки провода увеличенного радиуса кривизны поверхности с протяженностью, равной не менее значения высоты крепления провода к изоляторам над заземленной поверхностью с каждой стороны опор.

Выявленные отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение эффективности работы устройства за счет снижения потерь электрически заряженных частиц путем уменьшения их перетекания в землю по опорам.

На чертеже представлена конструкция устройства для рассеивания туманов и облаков.

Устройство состоит из опор 1, на которых с помощью изоляторов 2 подвешен коронирующий провод 3, подсоединенный к источнику высокого напряжения 4. Коронирующий провод представляет собой проволоку или другую конструкцию с малым радиусом кривизны поверхности, которая выполнена с участками 5 увеличенного радиуса кривизны поверхности.

Коронирующий провод 3 может быть изготовлен за одно целое с участками малого радиуса кривизны и участками большого радиуса кривизны или, что проще по технологическим соображениям, составным. В последнем случае указанные участки монтируются по длине провода с помощью механического соединения, например представляющего собой обычную скрутку.

Участки 5 коронирующего провода 3 распределены по его длине с шагом, равным расстоянию между опорами 1 и симметрично расположены относительно опор 1, причем крепление к изоляторам 2 провода 3 осуществлено на этих участках 5.

Общая длина коронирующего провода 3 с малым радиусом кривизны поверхности выбирается точно такой же, как и в известном устройстве, и, следовательно, протяженность коронирующего провода 3 в целом будет больше на суммарную величину участков провода увеличенного радиуса кривизны поверхности 5.

Для работы устройства в требуемом режиме подаваемое напряжение от источника высокого напряжения рассчитывается исходя из обеспечения зажигания короны на коронирующем проводе с малым радиусом кривизны поверхности по (Капцов Н.А. Электроника. М.: ГИТТЛ, 1956, с. 367, 368) по формуле:
,
где
σ - плотность воздуха, отнесенная к плотности воздуха при нормальных условиях, как к единице;
r - радиус кривизны поверхности провода;
h - расстояние между проводом и заземленной поверхностью.

При подаче на провод расчетного напряжения коронирование возникает только там, где провод имеет малый радиус кривизны поверхности. На участках провода увеличенного радиуса кривизны поверхности подаваемое напряжение не может вызвать зажигания короны именно из-за превышения одного радиуса кривизны поверхности над другим.

Исходя из имеющихся экспериментальных данных ("Журнал геофизических исследований". - Кембридж, Массачусетс, март 1962, т. 67, с. 1073-1082), касающихся появления коронного разряда на проволоке в зависимости от подаваемого на нее высокого напряжения, в качестве рекомендации допустимо выполнение участков провод с увеличенным радиусом кривизны поверхности, превышающим в 3 - 4 раза радиус части провода с малым радиусом кривизны. В этом случае имеющие место колебания величины напряжения от источника питания не вызовут зажигание короны на участках провода с увеличенным радиусом кривизны поверхности.

При коронировании провода с малым радиусом кривизны поверхности образующиеся электрически заряженные частицы с помощью ветра и восходящих потоков воздуха, распространяясь в прилегающей к устройству зоне, создают искусственный объемный электрический заряд.

Несмотря на разнообразность и сложность происходящих в тумане и облаках процессов при воздействии на них электрически заряженными частицами, следует выделить как основные следующие.

Это прежде всего процессы, аналогичные происходящим в электрофильтрах (Элементарный учебник физики. Под ред. ак. Г.С.Ландсберга, т.п. - М.: Наука, 1985, с. 215, рис. 156) и заключающиеся в том, что электрически заряженные частицы активно захватываются капельками мелкодисперсной влаги. Под действием электрического поля, создаваемого устройством и объемным зарядом электрически заряженных частиц, заряженные капельки двигаются к поверхности земли. Размеры капелек, количество захватываемых ими частиц, а, следовательно, и величина накопленных на них зарядов различны, вследствие чего скорости движения капелек будут значительно отличаться друг от друга, что приводит к увеличению вероятности их столкновения, коагуляции и гравитационному выпадению.

Чем больше электрически заряженных частиц находится во взаимодействии с капельками, тем интенсивнее происходят эти процессы, влекущие за собой повышение интенсивности выпадения капелек из туманов и облаков.

Кроме того, на процессы рассеивания туманов и облаков (укрупнение капель влаги до критического размера, при котором они под действием силы тяжести падают вниз) влияют процессы, связанные с захватом ионами парообразной влаги (гидратация ионов), что приводит к понижению пересыщения парообразной влаги и смещению среднего радиуса капель влаги в сторону его увеличения. В результате чего капельки, имеющие размер менее критического, начинают распадаться, а те, размер которых превышает критический - укрупняться, то есть крупные капли будут увеличиваться за счет мелких (Химия нижней атмосферы. - М.: Мир, 1976, с. 25, 41).

Имеют место и другие факторы, способствующие разрушению туманов и облаков, такие, как, например, изменение коэффициента поверхностного натяжения на капельки влаги вследствие захвата ими электрически заряженных частиц, ионный ветер, возникающий в процессе коронирования провода и др.

В описании происходящие явления рассмотрены упрощенно, но несомненен тот факт, что определяющим условием, обеспечивающим динамику рассеивания туманов и облаков, является эффективная генерация в атмосферу электрически заряженных частиц, что и предусмотрено в заявленном устройстве.

В отличие от прототипа в предложенном устройстве при его функционировании благодаря новой совокупности существенных признаков, отраженной в формуле изобретения, происходит снижение безвозвратных потерь электрически заряженных частиц, перетекающих по опорам в землю.

Имея в виду, что опоры, особенно в период повышенной влажности атмосферы, имеют потенциал, близкий к потенциалу земли, в первом приближении можно для коронирующего провода (например, для короны между проводом и опорой) применить зависимость - интенсивность генерации электрически заряженных частиц примерно обратно пропорциональна квадрату расстояния от коронирующего провода до поверхности опор (Капцов Н.А. Электроника. М.: ГИТТЛ, 1956, с. 372), чем объясняются большие утечки зарядов в землю в известном устройстве, т. к. в нем коронирующие провода находятся от опор на расстоянии, равным размеру изоляторов, что во много раз меньше расчетного расстояния от проводов до заземленной поверхности.

Разнесение коронирующих проводов относительно опор с помощью участков, выполненных с увеличенным радиусом кривизны поверхности, приводит к увеличению расстояния между коронирующих проводов и опорой, практически исключая корону на опору, обеспечивает устойчивую генерацию электрически заряженных частиц в расчетном режиме горения короны между коронирующим проводом и заземленной поверхностью.

Естественно, чем больше расстояние от начала коронирующего провода до опор, тем меньше вероятность зажигания короны на опоры и соответственно меньше утечки заряженных частиц.

Наиболее оптимальным следует считать выполнение длины участка провода с увеличенным радиусом кривизны поверхности с протяженностью по обеим сторонам опор не менее высоты крепления провода к изоляторам над заземленной поверхностью, тогда процесс выноса электрически заряженных частиц проходящими воздушными массами как для короны между коронирующим проводом и заземленной поверхностью, так и для короны между коронирующим проводом и опорой будут эквивалентными.

В этом случае путь прохождения заряженными частицами от коронирующей части провода до опор под воздействием электрического поля становится равным пути от коронирующего провода до заземленной поверхности, что значительно увеличивает время нахождения электрически заряженных частиц в пространстве между проводом, опорами и заземленной поверхностью, вследствие чего увеличивается вероятность выноса воздушным потоком электрически заряженных частиц в прилегающее к устройству атмосферное пространство, а следовательно, повышается эффективность работы устройства.

Использование: прикладная метеорология, в частности для рассеивания туманов или облаков над различными наземными объектами, требующими защиты от проявления нежелательных погодных условий при их эксплуатации, например аэродромами, морскими портами, селькохозяйственными угодьями и т.п. Сущность изобретения: устройство содержит коронирующий провод, имеющий участки увеличенного радиуса кривизны поверхности, которые распределены по его длине с шагом, равным расстоянию между опорами, и расположены симметрично относительно опор. Крепление провода к изоляторам осуществлено на участках увеличенного радиуса кривизны поверхности. Участки провода увеличенного радиуса кривизны поверхности выполнены протяженностью, равной не менее высоты крепления провода к изоляторам над заземленной поверхностью с каждой стороны каждой опоры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для рассеивания туманов и облаков, содержащее закрепленный на опорах с помощью изоляторов, предназначенный для генерации коронного разряда провод с малым радиусом кривизны поверхности, подсоединенный к источнику высокого напряжения, отличающееся тем, что провод выполнен с участками увеличенного радиуса кривизны поверхности, которые распределены по его длине с шагом, равным расстоянию между опорами, и расположены симметрично относительно опор, при этом крепление провода к изоляторам осуществлено на участках увеличенного радиуса кривизны поверхности. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участки провода увеличенного радиуса кривизны поверхности выполнены с протяженностью, равной не менее высоты крепления провода к изоляторам над заземленной поверхностью с каждой стороны опор.