УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНА Российский патент 2014 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для рассеивания тумана над различными объектами, к которым следует отнести аэродромы, скоростные автодороги, морские порты и т.п., а также на открытых площадках для проведения различных спортивных и прочих зрелищных мероприятий.

Наибольшее распространение получили способы рассеивания туманов, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ, реагентов. Несмотря на накопленный опыт практического использования реагентов, (см., например, Бибилашвили и др. "Руководство по организации и проведению противоградовых работ". -Л.:Гидрометеоиздат, 1981 г.), эти методы не работают в условиях теплых туманов (туманов, возникающих при положительных температурах воздуха). Кроме тог, в литературе отмечается, что 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 область рассеивания тумана. См., например, патент США №2160900, опубликованный 06.06.1939 г., патент США 2934275, опубликованный 26.04. 1960 г., патент США №2527230, опубликованный 24.10.1950 г.

Для рассеивания теплых туманов над аэродромами в Англии успешно применялся термический метод под названием FIDO. Тепло выделялось при сжигании нефти или мазута в горелках, установленных на длинных трубопроводах вдоль взлетно-посадочной полосы. Тепловые потоки обеспечивали рассеивание тумана над аэродромом. См., например, http://www.youtube.com/watch?v=gAIjxaJ2_Ag. Данный метод не нашел широкого применения из-за высокой стоимости эксплуатации. Требовалось несколько сотен тысяч литров горючего для обеспечения рассеивания тумана в час. Более дешевым является способ теплового рассеивания тумана, который помимо теплового воздействия на туман, использовал кинетическую энергию тепловой струи. См., например, патент США №2969920, опубликованный 31.01.1961 г., патент США №3712542, опубликованный 15.03.1971 г. Однако данный метод также требовал больших эксплуатационных затрат и не нашел своего практического применения.

Надежды на рассеивания теплых туманов возлагаются на электрические методы воздействия на туман. Так, в патенте США №4671805, опубликованном 09 июня 1987 года, описан способ рассеивания тумана с помощью ионного облака. В отчете НАСА 3481 от 1981 г (см. http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19820008785_1982008785.pdf,) представлены материалы исследований по созданию ионных генераторов. Однако практического применения ионных генераторов для рассеивания тумана в опубликованных источниках не представлено.

Помимо использования ионного облака для рассеивания тумана, предлагаются способы рассеивания тумана, использующие также и кинетическую энергию возникающего при генерации коронного разряда ионного ветра. См., например, патент РФ №2124288 С1, кл. Е01Н 13/00, 19.12.1997 г., опубликованный 10.01.1999 г., бюл. №1. Известное устройство содержит подсоединенные к источнику тока провода с малым радиусом кривизны поверхности, закрепленные на изоляторах опор параллельно электропроводной сетке, смонтированной в вертикальной плоскости, проходящей через оси симметрии смежных опор. Известное техническое решение достаточно успешно решает задачу рассеивания тумана. См., например, https://www.youtube.com/watch?v=3HnMTvwBOXk, https://www.youtube.com/watch?v=PGGkdaVStXs. Генерируемый коронирующими проводами коронный разряд создает ионный ветер, который направлен от коронирующих проводов к заземленной сетке. Облако тумана, проходя через область коронного разряда, получает электрический заряд и ионным ветром, а также внешним ветровым потоком направляется на заземленную сетку. Проходя через ячейки заземленной сетки, электрически заряженные капли тумана сепарируются от ветрового потока и очищенный от тумана ветровой поток направляется в область защищаемого от тумана пространства.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению является устройство рассеивания тумана, описанное в заявке на предлагаемое изобретение №2012155104. Известное устройство содержит установленную на раме заземленную электропроводную сетку, поверх которой вдоль всей ее поверхности с определенным шагом смонтированы электропроводные стержни, с зазором относительно которых смонтированы соединенные с высоковольтным источником питания коронирующие электроды. Известное устройство формирует свободную от тумана струю воздуха, которая обеспечивает вытеснение тумана из контролируемого пространства. Параметры струи, и, следовательно, область пространства, на которой обеспечивается вытеснение тумана, определяются из общих уравнений аэродинамики, описывающих движение свободной изотермической струи. См., например, Ю.А. Шепелев. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. Стройиздат, 1978, стр.32-67. Вместе с тем, известное устройство хорошо обеспечивает выполнение задачи по вытеснению тумана из контролируемой области лишь в условиях безветрия. Устанавливая известное устройство под углом к горизонту в условиях безветрия можно вытеснить туман на контролируемой территории на высотах, значительно превышающих размер устройства рассеивания тумана. При наличии же естественных ветровых потоков выходящая из известного устройства рассеивания тумана струя подвергается воздействию внешнего ветрового потока и прижимается к земле, высота подъема струи снижается, что не позволяет обеспечить рассеивания тумана на высоте. Даже путем ориентации известного устройства параллельно поверхности земли, направляя выходящий очищенный от тумана поток вертикально вверх, не удается высоко поднять струю, т.к. скорость струи значительно меньше скорости ветрового потока. Струя естественным ветровым потоком прижимается к земле. Свободная от тумана струя воздуха, формируемая известным устройством, создается энергией ионного ветра, скорость которого незначительна. Реально достижимые значения начальной скорости струи свободного от тумана воздуха, формируемого известным устройством, составляют значение порядка 1 м/сек. Скорость же ветрового потока в тумане может достигать значений порядка 5 м/сек. Высота подъема вертикально направленной струи, как известно, определяется отношением скорости струи к скорости ветрового потока. См., например, http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800011422_1980011422.pdf, стр.31-35. Следовательно, в условиях ветрового потока известное устройство ограничено в возможностях рассеивания тумана на высоте. Данное обстоятельство вынуждает решать проблему рассеивания тумана на высоте путем увеличения габаритных устройств, что приводит к значительным финансовым затратам. Начальная высота коридора для посадки самолета по категории 1, например, составляет порядка 100 метров. Кроме того, при ориентации известного устройства горизонтально, собираемые на поверхности заземленной сетки и заземленных стержнях, капают вниз, попадают в разрядный промежуток и вызывают пробой разрядного промежутка, что снижает эффективность работы устройства. Таким образом, эффективность применения известного устройства в условиях ветровых потоков ограничена.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы устройства в условиях ветровых потоков.

Для достижения заявленной цели известное устройство для рассеивания тумана, содержащее заземленную решетчатую конструкцию, с зазором относительно которой установлены соединенные с высоковольтным источником питания коронирующие электроды, снабжено аэродинамическим отражателем, установленным вдоль заземленной решетчатой конструкции с противоположной относительно коронирующих электродов стороны;

аэродинамический отражатель выполнен в виде цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна заземленной решетчатой конструкции;

направляющая цилиндрической поверхности аэродинамического отражателя выполнена по кривой линии, угол наклона которой к заземленной решетчатой конструкции уменьшается по мере удаления его образующей от заземленной решетчатой конструкции;

аэродинамический отражатель установлен с возможностью регулирования длины и угла наклона его направляющей относительно заземленной конструкции;

аэродинамический отражатель выполнен в виде отдельных элементов с цилиндрической поверхностью, установленных с зазором относительно заземленной решетчатой конструкции, значение которого для каждого вышележащего элемента не превышает значения зазора нижележащего элемента.

Предлагаемое техническое решение позволяет использовать энергию набегающего ветрового потока для увеличения скорости формируемой устройством рассеивания тумана свободной от тумана струи воздушного потока, что обеспечивает увеличение высоты подъема струи и, соответственно, высоты очищаемого от тумана пространства контролируемой области. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет направить струю рассеивания тумана вверх практически при вертикальном расположении заземленной конструкции. Собираемые на заземленной конструкции капли тумана за счет сил смачивания будут удерживаться на поверхности заземленной конструкции и под действием силы тяжести стекать по ее поверхности вниз, исключая отрыв капель и попадание капель в разрядный промежуток.

На рис.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство включает установленную в корпусе 1 заземленную решетчатую конструкцию 2 с зазором Д, относительно которой электрически изолировано, например, на изоляторах 3 закреплены коронирующие электроды 4. Коронирующие электроды соединены с высоковольтным источником питания. На рис.1 высоковольтный источник питания не показан. Заземленная решетчатая конструкция 2 может быть выполнена либо в виде обычной строительной конструкции, состоящей из прямолинейных стержней, скрепленных с зазором друг относительно друга посредством узловых соединений, либо в виде обычной сетки, либо в виде решетчатого настила (см., например, http://www.zaosolid.ru/catalog/1/) и пр. Основное требование к конструкции - это обеспечение беспрепятственного прохождения через нее воздушного потока и наличие в конструкции различных электропроводных элементов, разделяющих воздушный поток на отдельные струи, максимально приближающих электрически заряженные капли к ее заземленной поверхности, в том числе и путем искривления и удлинения линии тока. Размер ячеек сетки, количество ее слоев либо размер поперечного сечения стержней, их форма, зазор между стержнями, количество рядов стержней, их расположение друг относительно друга в конструкции выбираются на стадии проектирования, исходя из требований создания максимально благоприятных условий устойчивой сепарации на ее заземленной поверхности электрически заряженных капель тумана при различной скорости набегающего ветрового потока. Коронирующие электроды 4 могут быть выполнены из тонкой проволоки (диаметром порядка 0,1-0,8 мм), либо в виде специальных устройств, конструкции которых достаточно полно описаны в литературе по электрофильтрам. См., например, Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоник. Электрооборудование и режимы питания электрофильтров. -М.: Энергия, 1971, стр.42-44. Вдоль заземленной решетчатой конструкции 2 с противоположной относительно коронирующих электродов 4 стороны установлен аэродинамический отражатель 5. Аэродинамический отражатель 5 может быть выполнен в виде вставляемых друг в друга отдельных сегментов, как показано на рис.1, либо виде сплошной оболочки (не показано). Для уменьшения массы конструкции аэродинамический отражатель 5 может быть выполнен в виде отдельных лопаток 6, закрепленных на каркасе 7, установленном под углом к заземленной решетчатой конструкции 2 с противоположной от коронирующих электродов 4 стороны, как показано на рис.2. (Нумерация позиций рис.1 и рис.2 совмещена.) При этом расстояние от каркаса 7 до заземленной решетчатой конструкции 2, 8, в верхней ее части минимально и увеличивается к низу. Поверхность аэродинамического отражателя выполнена в виде цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна заземленной решетчатой конструкции 2. При этом направляющая цилиндрической поверхности аэродинамического отражателя во всех вариантах его применения выполнена по кривой линии, угол наклона которой к заземленной решетчатой конструкции α уменьшается по мере удаления его образующей от заземленной решетчатой конструкции 2. В варианте аэродинамического отражателя в форме лопаток, ширина лопаток b, расстояние между лопатками h выбираются из условия, что низшая точка вышележащей лопатки установлена не выше высшей точки нижележащей лопатки, т.е. лопатки 6 устанавливаются на каркасе 7 с перекрытием по высоте. Аэродинамический отражатель 5 установлен с возможностью регулирования длины и угла наклона его направляющей относительно заземленной конструкции. Для изменения длины направляющей аэродинамический отражатель может быть снабжен приводами перемещения сегментов отражателя друг относительно друга (не показаны). Крепление аэродинамического отражателя может быть осуществлено на поворотной оси 8, закрепленной на заземленной решетчатой конструкции 2. Аэродинамические лопатки 6 могут быть также установлены на каркасе 7 на поворотный осях 9 с механизмами их поворота относительно оси 9 (на рис.2 не показаны).

Работу по защите от тумана предваряют исследованиями линий тока ветровых потоков в окрестности контролируемой территории в периоды формирования тумана. Устройства рассеивания тумана устанавливают с наветренной стороны. Количество устройств рассеивания тумана и их размещение на контролируемой территории выбирают исходя из анализа сценарных расчетов движения на контролируемой территории линий тока выходящих из предлагаемого устройства вытесняющих туман струй. Исходными данными для сценарных расчетов являются параметры устройства рассеивания тумана (габаритные размеры, скорости ионного ветра, ограничения по возможностям регулирования аэродинамического отражателя), орография контролируемой территории, направление и скорости ветровых потоков. Предлагаемое устройство ориентируют коронирующими электродами на наветренную сторону.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды 4 между коронирующими электродами 4 и заземленной решетчатой конструкцией 2 формируется мощное электрическое поле и зажигается коронный разряд. Параметры высоковольтного источника питания выбирают исходя из условий обеспечения устойчивого коронного разряда, на основании известных рекомендаций, нашедших широкое применение в электрофильтрах. См., например, Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоник. Электрооборудование и режимы питания электрофильтров. -М.:Энергия, 1971. Стр.95-173. При генерации коронного разряда формируется ионный ветер от коронирующего электрода 4 к заземленной решетчатой конструкции 2. Как показали эксперименты, проведенные с участием автора, устойчивое значение ионного ветра составляло примерно 0,7- 1 м/сек. Ионный ветровой поток складывается с естественным натекающим ветровым потоком и вместе с каплями тумана попадает в разрядный промежуток, где капли тумана приобретают электрический заряд. При прохождении воздушного потока, сформированного ионным ветром и естественным натекающим ветровым потоком, мимо заземленных электропроводных элементов заземленной решетчатой конструкции, электрически заряженные капли электрическим полем осаждаются на их заземленных поверхностях и сепарируются от ветрового потока. Очищенный от капель сформированный воздушный поток выходит из заземленной решетчатой конструкции 2, попадает на аэродинамический отражатель 5, отражаясь от поверхности которого выходит наружу в естественную атмосферу в виде струи. Сформированная предлагаемым устройством очищенная от тумана струя воздушного потока, имеющая скорость (W+ΔW), под воздействием внешнего естественного натекающего ветрового потока, имеющего скорость W, трансформируется в результирующую струю, ограниченную линиями тока А-В (см. рис.1). При ориентации аэродинамического отражателя 5 в положение, обеспечивающее направление выходящей из предлагаемого устройства струи вертикально вверх, границы линий тока результирующей струи будут описываться уравнениями, представленными на рис.1. При других положениях аэродинамического отражателя, либо всего устройства, когда выходящая из него струя будет ориентирована под углом к натекающему внешнему естественному ветровому потоку, границы струи определяются исходя из общих уравнений взаимодействия струй, достаточно полно описанных в специальной литературе по прикладной аэродинамике. См., например, Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. Часть 1. Издание пятое. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1991 г.; И.А. Шепелев. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. -М.: Строиздат.1978. Очищенная от тумана результирующая струя направляется в защищаемую область и вытесняет из нее туман. Учитывая, что скорость выходящего из предлагаемого устройства превышает значение скорости набегающего ветрового потока, размывание струи происходит не столь интенсивно, как в известном устройстве. На рис.1 представлены параметры струи из условия установки аэродинамического отражателя 5 в положение, ориентирующее выходную струю вертикально вверх. Для данного случая на рис.1 представлены зависимости, определяющие параметры струи. Как видно из представленных на рис.1 расчетных зависимостей, высота струи в значительной степени определяется скоростью выходящего из устройства потока. В известном устройстве скорость выходящей струи ровна скорости ионного потока (ΔW). В предлагаемом устройстве скорость выходящего потока значительно выше и ровна (W+ΔW). Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается увеличение высоты подъема струи вытесняемого туман воздушного потока, расширение объема защищаемого пространства и, как следствие, повышение эффективности работы устройства в условиях ветровых потоков. Кроме того, в предлагаемом устройстве заземленная решетчатая конструкция устанавливается вертикально, сепарированные капли за счет сил смачивания удерживаются на поверхности заземленной решетчатой конструкция и по мере их укрупнения стекают по ней вниз, исключая срыв капель и попадание их в разрядный промежуток.

Складывая друг в друга сегменты аэродинамического отражателя 5, либо поворачивая аэродинамический отражатель 5 относительно заземленной решетчатой конструкции 2 в оси 8, либо изменяя положение всего устройства, можно обеспечить ориентацию выходящей струи в любом наперед заданном направлении, и обеспечить вытеснение тумана из контролируемой области. Капли тумана собираются на поверхностях заземленных электропроводных элементов заземленной решетчатой конструкции 2 и под действием собственного веса стекают вниз. При необходимости сепарируемая влага может собираться в специальных резервуарах (на рис.1 не показаны).

При необходимости расширения области защищаемого от тумана пространства по высоте при ограниченных возможностях увеличения размеров конструкции, предлагаемые устройства могут монтироваться по вертикали одно над другим, соответственно со сдвигом по горизонтали по направлению ветра на величину габаритных размеров аэродинамического отражателя.

При выполнении аэродинамического обтекателя в форме лопаток работа предлагаемого устройства осуществляется аналогичным образом. Регулирование направлением выходящего, очищенного от тумана, воздушным потоком осуществляют поворотом лопаток 6 в оси 8, либо изменением угла наклона каркаса 7 к заземленной решетчатой конструкции 2, либо изменением положения всего устройства. Форму аэродинамического отражателя, либо форму аэродинамических лопаток, значение их параметров и пр. выбирают на стадии проектирования, исходя из общих законов аэродинамики и конструктивных ограничений конкретной конструкции устройства рассеивания тумана.

Таким образом, предложенное решение благодаря новым признакам в сочетании с известными позволяет сформировать устойчивый коронный разряд по всей площади устройства, увеличить эффективность рассеивания тумана и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области воздействия на климатические условия и предназначено для рассеивания тумана. Устройство содержит заземленную решетчатую конструкцию. С зазором относительно конструкции установлены коронирующие электроды. Электроды соединены с высоковольтным источником питания. С противоположной относительно коронирующих электродов стороны вдоль заземленной решетчатой конструкции установлен аэродинамический отражатель. Обеспечивается повышение эффективности работы устройства в условиях ветровых потоков. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для рассеивания тумана, содержащее заземленную решетчатую конструкцию, с зазором относительно которой установлены соединенные с высоковольтным источником питания коронирующие электроды, отличающееся тем, что снабжено аэродинамическим отражателем, установленным вдоль заземленной решетчатой конструкции с противоположной относительно коронирующих электродов стороны.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэродинамический отражатель выполнен в виде цилиндрической поверхности, образующая которой параллельна заземленной решетчатой конструкции.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющая цилиндрической поверхности аэродинамического отражателя выполнена по кривой линии, угол наклона которой к заземленной решетчатой конструкции уменьшается по мере удаления его образующей от заземленной решетчатой конструкции.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэродинамический отражатель установлен с возможностью регулирования длины и угла наклона его направляющей относительно заземленной конструкции.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аэродинамический отражатель выполнен в виде отдельных элементов с цилиндрической поверхностью, установленных с зазором относительно заземленной решетчатой конструкции, значение которого для каждого вышележащего элемента не превышает значения зазора нижележащего элемента.