СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ОТ АЭРОЗОЛЬНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ Российский патент 2003 года по МПК A01G15/00 

Предлагаемое изобретение относится к способам активного воздействия на атмосферные явления, связанные с температурными инверсиями.

Как известно, инверсия температуры в атмосфере - это повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного для тропосферы ее убывания. Различают приземные и приподнятые инверсии. Первые - когда температура воздуха повышается относительно земной поверхности, вторые - когда относительно слоя, несколько удаленного от нее. Инверсия температуры обычно характеризуется двумя параметрами: ΔT - интенсивность, ^oС; ΔН - мощность (в м или км). Повышение температуры воздуха в инверсионном слое (ΔТ) колеблется от долей градуса до 15...20^oС. Толщина приземных инверсий (ΔН) составляет десятки и сотни метров. Инверсии образуются в безветренную погоду в результате интенсивного излучения тепла земной поверхностью, что приводит к охлаждению ее самой и прилегающего слоя воздуха. Над крупными промышленными городами причиной инверсии могут быть значительные выбросы тепла от различных объектов. Инверсионные образования являются задерживающими слоями в атмосфере, так как они препятствуют вертикальному движению воздуха, вследствие чего под ними и в них накапливаются частицы водяного пара, естественная пыль, ядра конденсации и многочисленные аэрозольные ингредиенты техногенного происхождения, многие из которых являются вредными и даже опасными для человека.

В дальнейшем аэрозольные частицы, размер которых составляет от долей до четырех-восьми мкм, могут "скатываться" по краям своеобразного купола, висящего над промышленным городом, и увлекаться вновь на его улицы за счет климатического взаимодействия города с окрестностями. Градостроительные меры, препятствующие этому явлению, не всегда эффективны, а часто и невыполнимы. Отсюда актуальность разработки новых способов активного воздействия на процессы самоочищения атмосферы от аэрозольных частиц.

Для некоторых регионов России этот вопрос приобретает особенную остроту. Например, в зимнее время Западная и Восточная Сибирь часто находятся под влиянием сибирского антициклона, который устанавливается на долгое время и сопровождается безветрием, инверсионными условиями и туманами. В промышленных городах этих регионов (Омск, Новосибирск, Кемерово, Братск, Красноярск и другие) в условиях температурных инверсий выбросы аэрозольных частиц соединяются с туманами и образуют куполы (шапки) грязного смога, которые надолго застаиваются, продолжая насыщаться вредными выбросами и угрожать здоровью и даже жизни людей. При этом густой туман играет роль дополнительного задерживающего фильтра, ухудшающего экологическую обстановку в городе.

Повторяемость приземных инверсий для городов Сибири в среднем близка к 50%, а в зимнее время повторяемость дней с инверсионным распределением достигает 85. ..90%. Зимние инверсии часто наблюдаются несколько суток подряд. А в Забайкалье и Южной Якутии продолжительность непрерывных температурных инверсий зимой может достигать 72 суток и более. В качестве примера в таблице приведены параметры инверсий для ряда городов Сибири.

Формирование в городах максимальных концентраций аэрозольных частиц в воздушном бассейне определяется поступлением загрязняющих выбросов от их источников и метеоусловиями. По данным СибНИГМИ максимальные концентрации пыли за период 1990...1994 годов во всех городах Сибири в несколько раз превышали предельно допустимые концентрации (ПДК равна 0,5 мг/м³). Например, в г. Красноярске - в 17 раз, в г. Новосибирске - в 30 раз и т.д.

Известен способ воздействия на атмосферные явления по заявке 99107267/13 от 12.04.99 года, который принимается нами за прототип. По этому способу мощное акустическое излучение генерируется в процессе горения цилиндрических твердотопливных самодвижущихся элементов, траектория полета которых проходит в заданном направлении в атмосферном поле тумана, облака или вихря.

Генерируемые за счет вибрационного горения твердого топлива достаточно мощные колебания давления с частотой порядка десяти и более килогерц (в "коридоре" по ходу траектории полета элемента) воздействуют на микрочастицы влаги, заставляют их коагулировать (укрупняться) до больших размеров и выпадать на землю в виде осадков. Устройство самодвижущегося твердотопливного элемента по прототипу показано на фиг.1, где 1 - твердотопливный элемент, а 2 - стабилизатор. Это устройство рассчитано на воздействие применительно к атмосферным полям, находящимся на расстоянии от 1000 и более метров. Однако для обработки загрязненного купола над промышленным городом или грязевых туманов (смогов), как видно из таблицы 1, такой способ оказывается малоэффективным. Топливные элементы будут "проскакивать" через инверсионные слои атмосферы, оставляя в них лишь незначительную часть акустической энергии.

Технической задачей предлагаемого способа является воздействие на процессы самоочищения атмосферы от аэрозольных ингредиентов в пределах инверсионных слоев. Технический результат достигается за счет перераспределения генерируемой твердотопливным самодвижущимся элементом акустической энергии и выделения ее на высотах от земной поверхности до 300...500 м. При этом высокочастотные колебания давления от самодвижущегося твердотопливного элемента приведут к коагуляции мелкодисперсных аэрозольных частиц и выпадению их на земную поверхность в соответствии с законами акустики и газовой динамики.

По предлагаемому способу (см. фиг.2) на открытый торец твердотопливного элемента 1 приклеивают шайбу 3 из медленно сгорающего материала, например полимера с добавкой двуокиси титана. Шайба имеет центральное 4 и периферийные отверстия 5. После приклеивания центральное отверстие остается открытым, а периферийные закрываются топливом.

После воспламенения топлива со стороны канала давление в его полости и скорость горения топлива в целом будут определяться площадью центрального отверстия шайбы, которая работает как сопло - очко ракетного двигателя. При увеличении поверхности горения со стороны канала элемента газоприход возрастает, давление в полости канала увеличивается до уровня порядка 10 МПа, скорость горения топлива и интенсивность акустических колебаний, генерируемых самодвижущимся топливным элементом, достигают максимальных значений. В дальнейшем, по мере разгара канала топливного элемента дополнительные (периферийные) отверстия в шайбе 2 открываются и давление в канале снижается до уровня порядка 2 МПа. Элемент продолжает гореть уже в режиме, который характеризуется в сравнении со "стартовыми" условиями меньшими значениями по скорости горения топлива и интенсивности генерируемых им акустических колебаний. Этот режим необходим для обеспечения равномерного выгорания топлива без каких-либо остатков, сохранения целостности приклея шайбы и самого топливного элемента до конца его полета. Размеры отверстий и их расположение на шайбе позволяют в случае необходимости дополнительно регулировать перераспределение акустической энергии по высоте инверсионного слоя.

Предлагаемый способ воздействия на процессы самоочищения атмосферы от аэрозольных ингредиентов будет особенно эффективным в случаях.

1. При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ), в основном при температурных инверсиях, когда концентрация аэрозольных частиц достигает значений, в несколько раз превышающих предельно допустимые в воздушном бассейне города. Выбор точек пуска твердотопливных элементов осуществляется по ортогональной схеме - сетке с модулем, определяемым радиусом их акустического воздействия, с учетом накопления осадков для последующей утилизации вредных веществ в местах, безопасных для людей, животных, растительности и сооружений. Целесообразны также варианты пуска твердотопливных элементов на локальных площадках (металлургические и химические комбинаты, аэропорты, карьеры при взрывных способах разработки и т.п.) в определенном временном режиме.

2. При техногенных или природных чрезвычайных экологических ситуациях, связанных со взрывами, авариями, залповыми выбросами в атмосферу большого количества аэрозольных ингредиентов, угрожающих здоровью людей и окружающей среде в целом. Выбор точек пуска в этом случае производится на площади, подверженной соответствующему загрязнению, с проведением необходимых охранных и утилизационных мероприятий.

Физические предпосылки для воздействия на процессы самоочищения атмосферы от аэрозольных ингредиентов
В процессе исследований вибрационного горения ТРТ в камере ракетного двигателя нами были установлены некоторые весьма важные обстоятельства.

Первое. В момент развития высокочастотных регулярных колебаний давления наблюдается определенная концентрация конденсированных частиц, содержащихся в продуктах горения топлива, которая обеспечивает в ряде случаев визуализацию мод тангенциальных колебаний. В качестве примера на фигуре 3 приведен снимок продуктов горения баллиститного пороха Н при восьмилучевой форме канала заряда, полученный нами с помощью скоростной кинокамеры через оптически прозрачное стекло в головной крышке модельного двигателя М-14. Серия таких снимков зафиксирована для вибрационного горения топлива Н с частотой колебаний давлений 9...11 кГц и амплитудой около 1 МПа. Поражают упорядоченность расположения конденсированных частиц в акустическом поле (указано стрелкой) и их явное участие в перемещениях, обусловленных колебательным процессом.

Второе. Многолетняя практика устранения вибрационного горения ТРТ в двигателе (как нежелательного явления) показала, что одним из эффективных способов для этого является введение мелкодисперсных термостойких добавок в состав топлива, которые поглощают энергию колебаний. Теоретические разработки привели к понятию об оптимальном для каждой частоты диаметре конденсированной частицы, обеспечивающей максимально возможное поглощение акустической энергии [Федоров Б.Н., Ерохин Б.Т., Тишин А.П. Частное сообщение, 1969] :

где η - динамическая вязкость среды, в которой находятся частицы;
ω - круговая частота колебаний давления (Гц);
ρ_p - плотность частицы.

Результаты расчетов по этой формуле для твердых частиц окиси алюминия и для сравнения применительно к мелкодисперсным капелькам воды приведены в таблице 2.

Действительно частицы влаги в облаках и туманах имеют диаметр в пределах от 0,1 до 7,0 мкм [Качурин Л.Г.], а мелкодисперсные загрязняющие атмосферу ингредиенты - не более 3 мкм. По мере дальнейшей конденсации и коагуляции за счет столкновений друг с другом в акустическом поле они могут укрупняться и выпадать в виде осадков. Известен и объяснен положительный опыт акустического воздействия на туманы в целях их просветления с помощью звуковых сирен повышенной мощности [Качурин Л.Г. "Физические основы воздействия на атмосферные явления", 1990].

Летающее устройство с вибрационным горением ТРТ типа, представленного на фигуре 2 (представленной в заявке), будет обеспечивать определенное перемещение частиц влаги и загрязняющих атмосферу ингредиентов в акустическом поле по траектории полета устройства, способствовать их коагуляции, как показано на рисунке, и укрупнению до размеров, необходимых для выпадения в виде осадков. Вибрационное горение ТРТ должно осуществляться, как следует из таблицы и фактических размеров капелек в облаках и загрязняющих ингредиентов в атмосфере, с частотой колебаний давления не менее 5,0 кГц. Оптимальная частота будет составлять, по-видимому, 10...12 кГц.

Нельзя не обратить внимание на серьезные преимущества нового способа воздействия на атмосферные процессы - это экологическая безопасность, относительная дешевизна и отсутствие препятствий для увеличения мощности и дальности полета соответствующих устройств.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для активных воздействий на атмосферные явления. Воздействие осуществляют генерацией акустических колебаний повышенной интенсивности в инверсионном слое атмосферы от самодвижущегося твердотопливного элемента, горящего в вибрационном режиме и снабженного хвостовым стабилизатором полета. К торцу элемента приклеивают шайбу из медленно сгорающего материала с открытым центральным и закрытыми периферийными отверстиями, открывающимися по мере разгорания канала элемента. Твердотопливный элемент запускают в инверсионный слой атмосферы, обеспечивая шайбой требуемый режим горения топлива и многократное увеличение мощности акустического сигнала на заданном участке траектории полета элемента. Изобретение позволяет повысить мощность акустического воздействия для вызывания коагуляции и последующего выпадения мелкодисперсных аэрозольных частиц. 2 табл., 3 ил.

Способ воздействия на процессы самоочищения атмосферы от аэрозольных ингредиентов акустическими колебаниями повышенной интенсивности, генерируемыми самодвижущимся твердотопливным элементом, горящим в вибрационном режиме и снабженным хвостовым стабилизатором полета, отличающийся тем, что твердотопливный элемент выполнен в виде канала, к торцу которого приклеена шайба из медленносгорающего материала с открытым центральным и закрытыми периферийными отверстиями.