УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНА И ОБЛАКОВ Российский патент 1999 года по МПК A01G15/00 E01H13/00 

Изобретение относится к области гидрометеорологии, а более конкретно к объектам, предназначенным для воздействия на атмосферные образования с использованием процесса генерации коронного разряда проводом с малым радиусом кривизны поверхности, выполняющим функции электрода. При подаче тока высокого напряжения происходит поступление в окружающую среду электрически заряженных частиц, распространяемых, как правило, естественным или искусственно создаваемыми потоками воздуха. В окрестностях устройства образуется таким образом объемный заряд, чем и обеспечивается рассеивание туманов и облаков.

Анализ уровня техники в данной области на настоящее время показал, что для решения задачи уменьшения или, по возможности, исключения отрицательного влияния тумана и облачности на эксплуатацию наземного или воздушного транспорта, аэродромов, морских и речных судов, портов и т.п. предпочтительно использовать стационарные установки, не требующие как подвижные (см., например, авторское свидетельство СССР N 71260, МПК A 01 G 15/00, опубликованное 31.07.1948 г, патент США N 3456880, МПК A 01 G 15/00, опубликованный 22.07.1969 г.) кроме потребления электроэнергии побочных затрат, связанных с эксплуатацией транспортных средств (автомобилей, аэростатов и самолетов). Подвижные объекты к тому же могут быть задействованы только при определенных погодных условиях в зависимости от их технических характеристик и, таким образом, имеют ограничения по применению.

Известны лишенные указанных недостатков стационарные установки, располагаемые неподвижно над земной поверхностью, одна из которых (см. авторское свидетельство СССР N 29675, МПК A 01 G 15/00, опубликованное в 1948 г.) основана на осуществление ионизации струи воздуха, получаемой путем обдува ионизирующего электрода, а другая (см. опубликованную заявку ФРГ N 1005304, МПК E 01 H 13/00, 1967 г.) предназначена для разрушения тумана продуванием воздуха, забираемого из атмосферы через электрическое поле.

Устройства способствуют формированию направленного вверх потока электрически заряженных частиц, ускоряющих процессы выпадения осадков из облаков или осаждения туманов.

Однако в обоих случаях для создания струи воздуха потребуются специальные системы, усложняющие конструкцию устройств в целом, и дополнительные энергозатраты по обеспечению функционирования этих систем.

Известно устройство для воздействия на атмосферные образования, содержащее авиационный реактивный двигатель, в сопле которого размещены электроды, имеющие заостренную форму (см. авторское свидетельство СССР N 446955, МПК H 05 F 3/00, 1973 г.).

При подаче на электроды потенциала, равного не менее величины критического напряжения вокруг заострений электродов, возникает коронный разряд, инициирующий появление электрически заряженных частиц в пространстве, окружающем заострения. При работе двигателя истекающий из сопла высокоскоростной поток выносит электрические заряженные частицы в атмосферу.

К существенному недостатку устройства следует отнести значительное энергопотребление, обусловленное наличием в конструкции авиационного двигателя. Практическая целесообразность, экономичность предопределяют перспективность использования для воздействия на туманы и облака устройств, имеющих в своем составе только источник электрически заряженных частиц, распространяемых в атмосфере естественными воздушными потоками, и частично электродвижущими силами, возникающими в результате образования объемного заряда.

Известно устройство, предназначенное для повышения осадкообразующей способности облаков путем введения в них нескомпенсированного электрического заряда (см. Lukomcki H. Preliminarystudies on electrification of the atmosphere Acta Geophysika Polonica, 1960, V.YIII N 2 p. 94 - 106), включающее в себя подключенный к источнику тока столб, имеющий на верхнем конце одно или несколько заострений.

Вследствие ограниченной длины заострений относительно малой величины тока коронного разряда напряженность электрического поля, создаваемая объемным зарядом, будет недостаточна для сколько-нибудь существенного повышения подвижности электрически заряженных частиц в атмосфере, влияющей на эффективность использования устройства по прямому своему назначению.

Известно устройство для рассеивания туманов и облаков, содержащее большой протяженности (более 10 км) провод с малым радиусом кривизны поверхности, закрепленный на опорах в одну линию над поверхностью земли и подсоединенный к источнику тока (см. "Журнал геофизических исследований", Кембридж, Массачусетс, март 1962, т. 67, стр. 1073 -1082).

Некоторые характеристики устройства и полученные результаты проведенных экспериментальных исследований опубликованы и в отечественной технической литературе (см. Л.Г. Качурин "Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978, стр. 257 - 293).

Вследствие значительной протяженности коронирующий провод способен создать в близлежащем к нему пространстве по всей длине достаточно мощный объемный заряд, но распределение заряда на большой площади приводит к малой его плотности и соответственно напряженности возникающего в атмосфере электрического поля явно недостаточно, с учетом утечки электрически заряженных частиц через многочисленные опоры в землю, для эффективного воздействия на атмосферные образования.

Данное обстоятельство нашло подтверждение в процессе экспериментальных исследований, показавших воздействие электрически заряженных частиц только на 18% облаков в районе работы установки (см. В. Брэдли, Р. Семонин "Влияние пространственного заряда на электролизацию атмосферы, заряд облаков и выпадение осадков" Журнал геофизических исследований, изд. Артур Д. Литл, ИНК, Кембридж, Массачусетс, 1969, т. 74, N 8, апрель 15).

Одним из путей совершенствования стационарных установок для рассеивания туманов и облаков является применение коронирующих проводов, расположенных на местности рядами в ограниченной по размерам площади, что позволяет увеличить плотность распределяемых в атмосфере электрически заряженных частиц, а следовательно, и напряженность электрического поля, образуемого этими частицами объемного заряда и тем самым существенно повысить эффективность воздействия установки на атмосферные образования.

Известно устройство для рассеивания туманов и облаков, содержащее предназначенный для генерации коронного разряда провод, распределенный рядами по площади с помощью опор над поверхностью земли, источник питания провода постоянным током (см., например, опубликованный 30.04.95 патент Российской Федерации N 2034315, МПК 6 G 01 W 1/00).

В материалах заявки представлено два варианта распределения провода по площади с помощью опор с разностью высот от 1 до 400 м и опор одинаковой высоты.

В первом случае, несмотря на возможность значительного повышения эффективности использования установки, для рассеивания туманов и облаков практическая реализация данного объекта представляет собой сложнейшую техническую задачу, связанную с сооружением опор высотой, соразмерной с высотой телевизионных башен, что потребует колосальных материальных затрат и предопределяет для возникновения коронного разряда подвода к проводу повышенного напряжения. Наиболее экономически целесообразным для достижения ожидаемого технического результата является применение для распределения провода по площади опор с высотой, освоенной отечественной промышленностью, с чем и связано изготовление опытного устройства, в котором опоры имели высоту, равную всего 7 метрам.

Рассмотренное устройство в обоих вариантах его выполнения обладает существенным недостатком, заключающимся в наличии больших потерь электрически заряженных частиц, перетекающих по опорам в землю, особенно в период повышенной влажности атмосферы, когда опоры имеют потенциал, достаточно близкий к потенциалу земли.

Техническим результатом от использования предлагаемого устройства является повышение количества генерируемых коронирующим проводом электрически заряженных частиц за счет уменьшения потерь частиц, перетекающих по опорам в землю, и также сокращения по сравнению с прототипом (патент Российской Федерации N 2034315) числа опор, необходимых для распределения провода по площади над поверхностью земли.

Ожидаемый технический результат достигается в совокупности с известными из прототипа следующими отличительными признаками заявленного объекта: опоры выполнены в виде попарно и последовательно установленных на расстоянии друг против друга стоек с изоляторами и прикрепленных к изоляторам каждой пары стоек проводников с увеличенным сравнительно с проводом радиусом кривизны поверхности, при этом ряды провода смонтированы на проводниках с расположением относительно изоляторов на расстоянии, равном не менее наибольшей высоты между проводом и поверхностью земли, а источник питания провода постоянным током подсоединен к одному из проводников.

На чертеже представлена конструкция устройства для рассеивания тумана и облаков.

Устройство (см. чертеж) состоит из опор, с помощью которых провод 1, предназначенный для генерации коронного разряда, распределен по площади рядами над поверхностью земли, источника питания 2 провода 1 постоянным током.

Провод 1 представляет собой проволоку с малым радиусом кривизны поверхности, являющимся обязательным условием для появления вокруг провода коронного разряда (см., например, С.Г. Калашников "Электричество", "Наука", ГРФМЛ, М., 1977, стр. 374 - 376).

Опоры выполнены в виде попарно и последовательно установленных на расстоянии друг против друга стоек 3 с изоляторами 4 на их вершинах и прикрепленных к изоляторам каждой пары стоек проводников 5 с увеличенным сравнительно с проводом радиусом кривизны поверхности. Ряды провода смонтированы на проводниках с расположением относительно изоляторов на расстоянии B, равном не менее наибольшей высоты H между проводом и поверхностью земли. Это расстояние зависит от рельефа местности, на котором размещена установка, занимающая ограниченную по размерам площадь, равную, например, 150•100 м² и соответствующую опытному образцу устройства, описанного в материалах патента-прототипа.

Монтаж провода на проводниках допускает многовариантность применяемых средств. В частности, в предложенном варианте устройства проводники имеют скрутки 6, образующие кольца 7 с диаметром, превышающим диаметр провода 1.

Скрутки с кольцами выполнены на проводниках рядами с шагом между ними, равным шагу распределения провода над поверхностью земли.

Сам провод 1 может быть выполнен, например, из отрезков требуемой длины, незначительно превышающей расстояние между крайними опорами. Концы отрезков провода 1 прикреплены к кольцам 8, которые с помощью гибких тросов 9, пропущенных через их внутреннюю часть, подтянуты к дополнительным попарно установленным вблизи крайних стоек 3 опорам 10 с изоляторами 11.

Источник питания 2 провода 1 постоянным током подсоединен к одному из проводников 5, чем обеспечивается подача напряжения на каждый отрезок провода 1.

Такое подсоединение позволяет разместить источник питания в любом удобном для этого месте поверхности земли, причем при относительно большой протяженности провода, обуславливающей потери электроэнергии на омическое сопротивление с целью устойчивости возникновения коронного разряда по всей длине провода, достаточно просто использовать дополнительный источник питания на требуемом участке устройства.

Для натяжения проводников между изоляторами попарно расположенных стоек наиболее рационально применить известный узел (см. авторское свидетельство СССР N 460051, кл. A 47 H 1/19, опубликованное 17.02.75 г., на чертеже не показан), для чего при изготовлении в изоляторах выполняют отверстия с закрепленными в них трубками, имеющими внутреннюю резьбу. Узел включает в себя также подпятник, гайку и гайку-заглушку, последовательно в данном случае надетых на проводник с обоих концов, каждая из которых закреплена в подпятнике.

При сборке устройства на местности стойки устанавливают так, чтобы изоляторы находились на одинаковой высоте, при этом отверстия в них ориентируют друг против друга. При помощи ключа в трубки изоляторов ввинчиваются гайки, перемещающие подпятники в противоположные стороны до получения необходимого напряжения проводника, после чего вворачиваются гайки-заглушки. Для подсоединения к устройству источника питания постоянным током в одном из узлов со стороны подпятника выполняют проводник большей длины с выводом наружу изолятора со стороны расположения гайки.

Благодаря своим конструктивным особенностям предложенное устройство достаточно просто модернизировать с учетом имеющихся средств, материалов и условий эксплуатации.

Так, например, монтаж провода на проводниках и его натяжение может быть осуществлено с помощью грузов, подвешиваемых на кольцах 8. В этом случае не требуется устанавливать дополнительные опоры 10, но появляется дополнительная нагрузка на крайние проводники от силы веса грузов. Подбором масс грузов можно добиться оптимального соотношения между нагрузкой на последние ряды проводников и величиной усилия натяжения коронирующих проводов.

При использовании для провода и проводников соответствующего материала, например нержавеющей стали, допустимо их соединение между собой сваркой. Возможна установка на проводниках отдельно изготовленных колец, снабженных узлами фиксации.

При наличии достаточной длины он может быть целиком смонтирован на проводниках с образованием спирали путем его пропускания через смежные ряды колец с промежуточной укладкой вдоль крайних проводников между близлежащими парой колец.

Для работы устройства в режиме зажигания коронного разряда на провод подается от источника питания постоянным током напряжение, равное не менее критического, рассчитываемого (см., например, Н.А. Капцов "Электроника", ГИТТЛ, М., 1956 г., стр. 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 через проводники расчетного напряжения генерирование коронного разряда происходит только на проводе, выполненном с малым радиусом кривизны поверхности.

На проводниках, имеющих увеличенный сравнительно с проводом радиус кривизны поверхности в силу указанного обстоятельства, подаваемое напряжение не может вызвать появление коронного разряда.

По экспериментальным данным (см., например, "Журнал геофизических исследований", Кембридж, Массачусетс, март, 1962 г., т. 67, стр. 1073 - 1082), относящимся к фиксации появления коронного разряда на проволоке в зависимости от подаваемого высокого напряжения допустимо в качестве рекомендации применить проводники с радиусом кривизны поверхности, превышающим в 3 - 4 раза аналогичный параметр провода.

В этом случае имеющие место колебания величины напряжения гарантированно не приведут к зажиганию коронного разряда на проводниках.

При коронировании провода образующиеся и распространяемые ветром, а также восходящими потоками воздуха электрически заряженные частицы приведут к формированию в районе действия устройства объемного заряда с более высоким значением напряженности электрического поля, чем в прототипе, так как в отличие от него предложенное устройство благодаря новой совокупности существенных признаков, отраженной в формуле изобретения, обеспечивает повышение количества распространяемых в окружающем пространстве генерируемых коронирующим проводом электрически заряженных частиц за счет сокращения потерь частиц, перетекающих по опорам в землю, и уменьшения числа опор, требующихся в прототипе для распределения провода в ограниченной по размерам площади над поверхностью земли.

Установка рядов провода на проводниках, имеющих увеличенный радиус поверхности кривизны сравнительно с проводом и на расстоянии от изоляторов стоек, препятствует развитию короны в сторону последних, обеспечивая тем самым устойчивую генерацию электрически заряженных частиц в расчетном режиме горения короны между коронирующим проводом и заземленной поверхностью.

Естественно, чем больше расстояние от начала и конца расположения рядов коронирующего провода по длине проводников до изоляторов, тем меньше вероятность распространения короны на стойки и, естественно, меньше утечка заряженных частиц в землю.

Наиболее оптимальным следует считать расположение рядов провода относительно изоляторов на расстоянии, равном не менее наибольшей высоты между проводом и поверхностью земли, тогда процессы выноса электрически заряженных частиц, перемещающимися воздушными массами на всем протяжении провода, будут эквивалентными между коронирующим разрядом провода и поверхностью земли, а также между ним и стойками с изоляторами.

Среди разнообразных и сложных процессов, происходящих при воздействии на туманы и облачность электрически заряженными частицами, следует выделить следующие.

Это, прежде всего, процессы, сходные с протекаемыми в электрофильтрах (см. , например, "Элементарный учебник физики" под редакцией академика Г.С. Ландсберга, том II, М., "Наука", ГРФИЛ, 1985 г., стр. 215, рис. 156), заключающиеся в активном захватывании капельками мелкодисперсной влаги электрически заряженных частиц. Под действием электрического поля, создаваемого устройством и объемным зарядом, заряженные капельки двигаются к поверхности земли.

Размеры капелек, количество захватываемых ими частиц, а следовательно, и величина накопленных на них электрических зарядов неодинакова, вследствие чего скорости движения капелек существенно разнятся между собой, что и является причиной увеличения вероятности их столкновения, коагуляции и гравитационного выпадения на поверхности земли.

На процессы рассеивания тумана и облаков (укрупнение капель влаги до критического размера, при котором они под действием силы тяжести падают вниз), влияет захват ионами парообразной влаги (гидратация ионов), что приводит к снижению пересыщения парообразной влаги и смещению среднего радиуса капель влаги в сторону увеличения. В результате чего капельки с размером менее критических распадаются, а те, размер которых превышает критический - укрупняются, то есть крупные капли увеличиваются за счет мелких (см. "Химия нижней атмосферы", М., Мир, 1976 г., стр. 24, 41).

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

Определяющим фактором, усиливающим диапазон рассеивания туманов и облаков, несомненно является количество электрически заряженных частиц, распространяемых в атмосфере, и чем их больше, тем мощнее образуемый ими объемный заряд и возникающее электрическое поле и тем интенсивнее происходит взаимодействие электрически заряженных частиц с капельками тумана и облаков, что, собственно, и обеспечивает предложенное устройство за счет уменьшения потерь электрически заряженных частиц, практически предотвращая их перетекание по опорам в землю, и сокращения числа опор, необходимых для распределения провода, предназначенного для генерирования коронного разряда в ограниченной по размерам площади над поверхностью земли.

Устройство может быть использовано для создания благоприятных атмосферных условий для транспорта и сельского хозяйства. Установка опор в виде попарно и последовательно установленных на расстоянии друг от друга стоек с изоляторами и с прикрепленными к изоляторам проводниками уменьшает потерю частиц, перетекающих по опорам в землю. Это сокращает количество необходимых для распределения провода над поверхностью земли опор. 1 ил.

Устройство для рассеивания тумана и облаков, содержащее предназначенный для генерации коронного разряда провод, распределенный по площади рядами с помощью опор над поверхностью земли, источник питания провода постоянным током, отличающееся тем, что опоры выполнены в виде попарно и последовательно установленных на расстоянии друг против друга стоек с изоляторами и прикрепленных к изоляторам каждой пары стоек проводников с увеличенным сравнительно с проводом радиусом кривизны поверхности, при этом ряды провода смонтированы на проводниках с расположением относительно изоляторов на расстоянии, равном не менее наибольшей высоты между проводом и поверхностью земли, а источник питания провода постоянным током подсоединен к одному из проводников.