УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ Российский патент 2009 года по МПК E01H13/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для воздействия на аэрозольные облака, а именно для рассеивания тумана и подъем низкой облачности над различными наземными объектами, к которым следует отнести аэродромы, скоростные автодороги, морские порты и т.п., где для управления транспортными средствами необходимо выполнение требований по дальности видимости, а также открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий.

Известны способы рассеивания туманов, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ (реагентов).

В качестве реагентов предлагается использование такого вещества, как смесь из углеродов хлора (патент №2160900, опубликованный 06.06.1939 г.), йодистое серебро (патент №2527230, опубликованный 24.10.1950 г.), водный раствор хлористого кальция с загустителем (патент №2934275, опубликованный 26.04.1960 г.) и др. Доставка реагентов и их распространения в тумане или облачности осуществляется с самолетов (см., например, патент США №2815928, МПК A01G 15/00, опубликованный 10.12.1957 г.), с помощью ракет (см., например, авторское свидетельство СССР №576839, МПК A01G 15/00), снарядов (см., например, Российская Федерация, патент №2034444, МПК 6 A01G 15/00, опубликованный 10.05.1995 г.).

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

Известны способы электрического воздействия на аэрозольное облако, основанные на доставке в аэрозольное облако коронирующих проводов, соединенных с источником высокого напряжения (см., например, авторское свидетельство СССР №71260, МПК A01G 15/00, опубликованное 31.07.1948 г., патент США №3456880, МПК A01G 15/00, опубликованный 22.07.1969 г.).

Основным недостатком описываемого способа и известных устройств является необходимость подъема коронирующих проводов на высоту расположения облака, что предопределяет большие затраты ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям.

Известен способ, заключающийся в обдуве воздушным потоком, формируемым с помощью технических средств, коронирующих электродов, установленных у поверхности земли.

Технические решения, которые реализуют известный способ - это способ вызывания дождя (см. авторское свидетельство СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованное в 1948 г.), а также устройство для разрушения тумана (см. опубликованную заявку ФРГ №4005304, МПК E01H 13/00).

Описываемый способ способствует распространению ионизированного воздуха, т.е. электрически заряженных частиц вверх, ускоряя тем самым процесс выпадения осадков из облачности или осаждение тумана.

Известен способ рассеивания туманов и облаков, заключающийся в генерации электрических зарядов в атмосферу путем подключения к источнику высокого напряжения коронирующих проводов, закрепленных через изоляторы на опорах у поверхности земли (см. "Журнал геофизических исследований", Кембридж, Массачусета, март 1962 г., т.67, с.1073-1082). Сведения об этом способе отражены и в отечественной технической литературе (см. Л.Г.Качурин. "Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г., с.287-293).

Как следует из приведенных источников информации, определяющим фактором рассеивания тумана в известном способе является пространственный заряд, воздействующий на атмосферные образования.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство по патенту РФ №2101922 С1, кл. Е01Н 13/00, 20.01.1998, содержащее заземленную электропроводную сетку, установленную с зазором относительно подвешенных вдоль поверхности земли коронирующих проводов.

Данное техническое решение достаточно успешно решает задачу воздействия на аэрозольное облако. Процесс воздействия на аэрозольное облако включает три основных процесса. Первый - это инициирование процессов конденсации на мелкодисперсных аэрозолях, которые по своим размерам и лиофильности в естественных условиях не могли быть центрами конденсации. Второй - нагрев атмосферного пространства между коронирующими электродами и землей. Третий - это ионный ветер, направление которого от коронирующих электродов к земле. Эффективность всех этих процессов определяется устойчивостью горения коронного разряда и значением тока коронного разряда. Однако устойчивое формирование коронного разряда, обеспечивающее потоки ионного ветра, способствующие устойчивому воздействию на атмосферы, в широком диапазоне зазора между коронирующими проводами и заземленной сеткой, а также между коронирующими проводами и неровной поверхностью земли затруднительно. И при больших значениях зазора требуется повышенное значение подаваемого на коронирующие электроды напряжения (более 100 кВ при значениях зазора более 1 м). При повышенном напряжении в системе возникают непредвиденные пробои как системы изоляции, так и воздушного пространства между коронирующими электродами и заземленной сеткой. Если вопросы стойкости системы изоляции могут быть решены использованием более совершенных и более дорогих изоляторов, то пробой воздушного пространства определяется, кроме всех прочих факторов, еще и колебаниями проводов от ветрового и электрического возмущения. Что вынуждает работать на пониженном напряжении и снижает эффективность воздействия.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности воздействия на аэрозольное облако.

Для достижения заявленной цели в известном устройстве для воздействия на атмосферу, содержащем заземленную электропроводную сетку, установленную с зазором относительно подвешенных вдоль поверхности земли коронирующих проводов, размер зазора между электропроводной сеткой и коронирующими проводами ограничено значением, не превышающим значения 1 м;

коронирующие провода подвешены на высоте, превышающей значение зазора относительно электропроводной сетки не менее чем в 3 раза;

коронирующие провода установлены на попарно закрепленных на изоляторах друг напротив друга поддерживающих тросах и снабжены устройствами их натяжения, выполненными в виде свободно подвешенных грузов, соединенных с одним из концов коронирующих проводов, запасованных в попарно установленных соответственно на одном из поддерживающих и натянутом выше него дополнительном тросах блоках;

устройство снабжено силовым тросом, натянутым изолированно относительно земли с зазором выше дополнительного троса и перемычками, установленными между силовым и дополнительным тросом с шагом не более 3 м.

Сущность заявляемого способа следующая. Установление заземленной электропроводной сетки с зазором относительно коронирующих проводов формирует одинаковые условия для всех коронирующих проводов, что позволяет без пробоев установить масимально возможное напряжение горения короны и увеличить интенсивность генерации электрически заряженных частиц в атмосферу с единицы площади, занимаемой устройством. Увеличение интенсивности генерации электрически заряженных частиц позволит увеличить эффективность работы устройства и добиться цели предлагаемого изобретения.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 показан его вид сбоку.

Устройство включает две пары высоковольтных изоляторов 1, установленных на опорах 2. В верхней части изоляторов 1 установлены силовые кронштейны 3. Между каждой из пар высоковольтных изоляторов 1 путем крепления к нижней части кронштейнов 3 натянуты троса 4. Выше первого из пары тросов 4, также путем крепления к кронштейнам 3 натянуты дополнительный трос 5 и силовой трос 6, соединенный с дополнительным тросом 5 перемычками 7. Шаг перемычек определяется исходя из условий равномерности гарантированного зазора области коронного разряда. Исходя из опыта экспериментальных работ шаг устанавливается не более 3 м. На основном тросе 4 и дополнительном тросе 5 попарно установлены блоки, на основном тросе 4 - нижние блоки 8, на дополнительном тросе 5 - верхние блоки 9. Один из концов коронирующих проводов 10 закреплен на втором из пары тросов 4. Противоположный конец коронирующего провода соединен с натяжителем 11, огибающим нижний и верхний блоки, на котором подвешен груз натяжения 12. Учитывая, что коронирующие провода изготавливаются из проводов малого диаметра (<1 мм), сопротивление изгибу которых ничтожно, возможно осуществлять крепление груза натяжения непосредственно на коронирующий провод путем удлинения его и запасовки вокруг нижнего 8 и верхнего 9 блоков.

С зазором относительно коронирующих проводов 10 (см. фиг.2), над коронирующими проводами установлена электропроводная сетка 13 (на фиг.1 не показана), соединенная с контуром заземления 14. Конструктивное выполнение крепления электропроводной сетки 13 не влияет на эффективность работы установки. Величина зазора Д, значение которого определено не более 1 метра, выбрано исходя из условий максимальной эффективности коронного разряда, полученных на основании натурных экспериментов, проведенных авторами предлагаемого изобретения. На представленном рисунке крепление электропроводной сетки осуществлено на заземленных тросах 15, натянутых между дополнительными опорами 16 с помощью талрепов 17, прикрепленных к анкерным болтам 18 (элементы конструкции, отмеченные позициями 13-18 на фиг.1 не показаны).

Коронирующие провода 10 подсоединены к высоковольтному источнику питания (не показан). Заземление высоковольтного источника питания осуществлено на контур заземления 14, связанный с электропроводной сеткой. Высоты опор 2 и дополнительных опор 16 выбираются из условия, что высота подвеса коронирующих проводов 10 относительно земли не менее, чем в три раза превышает значение зазора между коронирующими проводами и электропроводной сеткой.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подаче высокого напряжения на коронирующие провода, между коронирующими электродами и заземленной сеткой формируется мощное электрическое поле и зажигается коронный разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания выбирают исходя из условий стойкости высоковольтных изоляторов и геометрических соотношений между коронирующим электродом и заземленной поверхностью, руководствуясь известными соотношениями для коронного разряда (см., например Н.А.Капцов. Электроника. Государственное издательство технико-технической литературы. Москва. 1956 г.).

Как показывает анализ литературных источников (см., например, Кулешов П.С.«Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и испарения воды http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2005/227.pdf, И.А.Рогов и др. «Моделирование процесса движения капли конденсата влажного воздуха в электрическом поле» http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_10_2005.htm) и результатов, проведенных авторами предполагаемого изобретения путем генерации коронного разряда можно сформировать ветровой поток от коронирующего электрода к электропроводной сетки скоростью порядка 1 м/с. Основным параметром, определяющим скорость ионного ветра, является напряженность электрического поля. Как показали результаты экспериментов, повышение напряженности электрического поля более целесообразно осуществлять путем уменьшения зазора между коронирующим электродом и заземленной поверхностью. Путем повышения рабочего напряжения в полевых условиях достаточно сложно добиться устойчивого горения коронного разряда без электрического пробоя воздушного пространства, так как технологически сложно поддерживать постоянный зазор между коронирующим электродом и заземленной поверхностью. Коронирующий провод находится под воздействием электрических и ветровых сил, что приводит к его колебаниям и, как следствие, к бесконтрольному изменению зазора. Вследствие чего создание устройств с рабочим напряжением более 100 кВ является сложной технологической задачей и повлечет к резкому увеличению его стоимости. Поэтому рекомендуемый зазор между коронирующими электродами и электропроводной сеткой менее 1 м. Величина высоты подвеса, установленная не менее, чем в три раза превышающая значение зазора между коронирующими проводами и электропроводной сеткой, исходя из результатов экспериментальных исследований с целью снижения токов утечки в землю. С целью снижения амплитуды колебания коронирующих проводов, с учетом того, что они подвешены также на упругих опорах (тросах 4), крепление коронирующих проводов выполнено с натяжением их грузами. Для этих целей в конструкцию устройства включены дополнительный 5 и силовой 6 троса, а также установленные попарно на основном и дополнительном тросе блоки 8 и 9. Силовой трос 6, соединенный с дополнительным тросом 5 перемычками 7, обеспечивает постоянство зазора между коронирующими проводами и заземленной сеткой по всей площади заявляемого устройства. Установка перемычек 7, связывающих силовой трос 6 с дополнительным тросом 5 с шагом менее 3 м, позволяет добиться равномерного зазора между коронирующими проводами и электропроводной сеткой на всей площади предлагаемого устройства.

При коронном разряде возникает ионный ветер, направленный от коронирующих проводов к заземленной сетке, то есть вверх. Кроме того, при генерации коронного разряда инициируются процессы конденсации паров воды на аэрозольных частицах, которые в естественных условиях не могли быть центрами конденсации. Высвобождаемая энергия конденсации нагревает окружающий воздух. Нагретый воздух стремится вверх и усиливает воздушный поток, сформированный ионным ветром. Нагрев воздушного пространства в области коронного разряда происходит также и вследствие прохождения электрического тока через воздушное пространство.

Сформированный воздушный поток вследствие коронного разряда и ионного ветра вынуждает подниматься воздушной массе по всей площади устройства вверх. Кроме того, выделяемое тепло в результате инициирования процессов конденсации коронным разрядом, а также тепловая энергия столкновения движущихся электрически заряженных частиц с различными молекулами, каплями, аэрозолями и пр. нагревает воздушную массу между коронирующими электродами и заземленной сеткой, что усиливает значение скорости восходящего потока. В результате влажный воздух, содержащий капельки тумана, устремляется сформированным предлагаемым устройством вверх, в более сухую область и замещается воздушными массами сверху, более сухими. Учитывая, что скорость формируемых потоков незначительна, а технологически предлагаемая конструкция устройства позволяет сформировать на большой площади восходящий воздушный поток, то замена воздушных слоев низкого уровня на воздушный слой более высокого уровня предлагаемой конструкцией может быть осуществлена с минимальными потерями.

Для качественной оценки энергетических затрат на рассеивание радиационного тумана положим, что возникновение тумана произошло в результате температурной инверсии и приземный слой атмосферы высотой 33 м имеет температуру 10°С, а примыкающий к нему по высоте верхний слой также на высоту 33 м имеет температуру 12°С (для упрощения качественных расчетов считаем, что в обоих слоях температура постоянна во всем объеме). Оценим энергетические затраты на замену воздушных слоев.

Пусть требуется рассеять туман на площади длиной 1000 м, шириной 300 м.

где m₁, m₂ - массы заменяемых слоев атмосферы;

g - ускорение свободного падения;

Н - высота перемещения центров масс слоев атмосферы;

ρ₁, ρ₂ - плотность слоев атмосферы при принятых значениях температуры;

V - объем перемещаемых слоев атмосферы.

Подставив в формулу 1 значение плотности воздушных слоев и значения принятых объемов,

V=1000·300·33=10⁷ м³; H=33 м;

получим:

А=28·10³ кДж, то есть, если необходимо выполнить эту работу за время 1000 с (~20 мин), потребуется установка с мощностью ~30 кВт.

Конечно, необходимо учитывать, что данные расчеты проведены с очень грубыми допущениями, но если сравнить полученный результат с энергетическими затратами на рассеивание тумана тепловыми методами, которые измеряются порядком ~10⁶ кВт (см., например, А.А.Палей. Исследование влияния коронного разряда на эволюцию воздушно-капельных дисперсий, дис. на соиск. уч. ст. к. ф.-м. н., М., 2002), то преимущество предлагаемой конструкции становятся очевидными.

Таким образом, предложенное решение, благодаря новым признакам в сочетании с известными, позволяет сформировать устойчивый восходящий воздушный поток, объединяющий как ионный ветер, так и восходящий поток от нагрева воздушной массы вследствие инициирования процессов конденсации и электрического нагрева, что позволит увеличить эффективность воздействия на аэрозольное облако и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области техники, предназначенной для воздействия на атмосферу в период образования тумана и низкой облачности на различных наземных объектах. Устройство содержит подсоединенные к высоковольтному источнику питания коронирующие провода, натянутые изолированно вдоль поверхности земли, над которыми с зазором, не превышающим 1 м, установлена заземленная электропроводная сетка. Ионный ветер и тепловые потоки, образуемые вследствие выделения скрытого тепла в процессе конденсации, инициированной коронным разрядом, и в результате прохождения тока через атмосферу в области коронного разряда, направлены все вверх и создают суммарный восходящий воздушный поток на всей площади предлагаемого устройства, размеры которого технологически ничем не ограничены. Достигается повышение эффективности устройства и удобство его монтажа на местности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для воздействия на атмосферу, содержащее заземленную электропроводную сетку, установленную с зазором относительно подвешенных вдоль поверхности земли коронирующих проводов, отличающееся тем, что размер зазора между электропроводной сеткой и коронирующими проводами не превышает значения 1 м.

2. Устройство для воздействия на атмосферу по п.1, отличающееся тем, что коронирующие провода подвешены на высоте, превышающей значение зазора относительно электропроводной сетки не менее чем в 3 раза.

3. Устройство для воздействия на атмосферу по п.1, отличающееся тем, что коронирующие провода установлены на попарно закрепленных на изоляторах напротив друг друга поддерживающих тросах и снабжены устройствами их натяжения, выполненными в виде свободно подвешенных грузов, соединенных с одним из концов коронирующих проводов, запасованных в попарно установленных соответственно на одном из поддерживающих в натянутом выше него дополнительном тросе блоках.

4. Устройство для воздействия на атмосферу по п.1, отличающееся тем, что снабжено силовым тросом, натянутым изолировано относительно земли с зазором выше дополнительного троса и перемычками, установленными между силовыми и дополнительным тросом с шагом не более 3 м.