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

Изобретение относится к области техники, предназначенной для рассеивания тумана на контролируемой территории (аэродромы, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.), где необходимо выполнение требований по прозрачности атмосферы и обеспечению дальности видимости.

Известны способы рассеивания туманов, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ (реагентов). См., например, патент RU №2357404, опубл. 10.06.2009 г., патент RU №2175185, опубл. 27.10.2001 г., патент RU №2061358, опубл. 10.06.1996 г.

Доставка реагентов и их распространения в тумане или облачности осуществляется с самолетов (см., например, патент США №2815928, МПК A01G 15/00, опубл. 10.12.1957 г.), с помощью ракет (см., например, авторское свидетельство СССР №576839, МПК A01G 15/00), снарядов (см., например, патент РФ №2034444, МПК 6 A01G 15/00, опубл. 10.05.1995 г.). Применение данных методов ограничивается переохлажденными туманами (туманами, образуемыми в условиях отрицательных температур окружающего воздуха). Теплые туманы являются устойчивыми, и с помощью реагентов не рассеиваются.

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, опубл. 31.07.1948 г., патент США №3456880, МПК A01G 15/00, опубл. 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 реализует известный способ - это способ вызывания дождя (см. авторское свидетельство СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубл. в 1948 г.), а также устройство для разрушения тумана (см. опубл. заявку ФРГ №4005304, МПК Е01Н 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, стр 1073-1082). Сведения об этом способе отражены и в отечественной технической литературе (см. Л.Г. Качурин. Физические основы воздействия на атмосферные образования. - Л.:, Гидрометеоиздат, 1978 г., стр.287-293).

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

Наиболее близким способом к предлагаемому способу является способ рассеивания тумана по патенту РФ на изобретение №2 422 584 RU. Известный способ заключается в определении направления распространения тумана относительно защищаемого объекта с последующей генерацией коронным разрядом с наветренной относительно защищаемого объекта стороны потока заряженных частиц ориентированного в сторону, направленную на защищаемый объект. Генерация коронного разряда осуществляется путем формирования неоднородного электрического поля на острых кромках поверхности коронирующего электрода.

Наиболее близким устройством к предлагаемому устройству является патент РФ №2124288 С1, кл. Е01Н 13/00, 19.12.1997 г., опубл. 10.01.1999 г, бюл. №1. 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. 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. Известное техническое решение обеспечивает сепарацию капель тумана из набегающего на защищаемый объект воздушного потока. Очищенный от капель тумана воздушный поток обладает хорошей оптической прозрачностью и обеспечивает необходимую дальность видимости. Сепарация капель тумана в известных технических решениях осуществляется в два этапа: на первом этапе в области горения коронного разряда производят электрическое заряжание капель тумана; на втором этапе электрически заряженные капли сепарируются на заземленной поверхности. Эффективность сепарации капель в известных технических решениях определяется устойчивостью горения коронного разряда, которая может быть обеспечена в условиях высокой точности зазора разрядного промежутка по всей площади устройства, что является сложной технологической задачей. Кроме того, генерация коронного разряда - достаточно энергоемкий энергетический процесс и требует значительных эксплуатационных затрат. Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, снижение стоимости эксплуатационных затрат.

Для достижения заявленной цели в известном способе рассеивания тумана, заключающемся в определении направления распространения тумана относительно защищаемого объекта и формировании с наветренной от защищаемого объекта стороны в прилегающей к заземленной поверхности области тумана неоднородного электрического поля, формирование неоднородного электрического поля осуществляется путем подачи электрического потенциала на поверхность внешнего электрода конденсатора, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля и установленного эквидистантно с зазором через диэлектрическую прокладку относительно внутренней заземленной обкладки конденсатора.

Для достижения заявленной цели известное устройство для рассеивания тумана, содержащее установленный с зазором относительно заземленной поверхности, соединенный с источником электропитания электрод, снабжено заземленной обкладкой, установленной через диэлектрическую обкладку с зазором относительно внутренней поверхности электрода, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью, радиус кривизны которой не менее нуля.

Технический результат достигается за счет того, что энергия неоднородного электрического поля в предлагаемом изобретении используется напрямую для удаления капель тумана из контролируемого пространства. Энергия не тратится на генерацию коронного разряда, формирование в окружающем пространстве электрически заряженные частиц, которые заряжают электрическим зарядом проходящие капли тумана. В предлагаемом техническом решении энергия формируемого электрического поля обеспечивает в окружающем пространстве поляризацию капель тумана, и вследствие его неоднородности осуществляет движение поляризованных капель в сторону увеличения градиента электрического поля. В известных способах рассеивания тумана высокое значение градиента электрического поля обеспечивается за счет малого радиуса кривизны поверхности электрода. В предлагаемом же способе высокое значение градиента электрического поля достигается за счет высокого значения электрического заряда, накапливаемого на поверхности электрода. Подача электрического потенциала на электрод в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля обеспечивает более равномерное распределение неоднородного электрического поля в окружающем электрод пространстве. Достигнув электрически заряженной поверхности обкладки конденсатора, капли тумана получают электрический заряд и электрическим полем по силовым линиям оттесняются к заземленной поверхности. Таким образом, путем формирования неоднородного электрического поля в тумане интенсифицируется процесс относительного движения капель друг относительно друга, что приводит к их столкновению, укрупнению, гравитационному выпадению и осаждению на заземленной поверхности. Энергия электрического поля тратиться на электрическое заряжание только тех капель, которые достигли поверхности электрически заряженного электрода-обкладки конденсатора. В известных же способах энергия электрического поля тратится на формирование облака электрически заряженных частиц, часть из них попадает на капли и их заряжает, а значительная часть электрически заряженных частиц либо осаждается на заземленной поверхности, либо выносятся с потоком. Этим и объясняется высокие энергетические затраты в известных способах рассеивания тумана.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Предварительно устанавливаются границы области, защищаемой от тумана. По данным многолетних наблюдений устанавливаются области пространства, по которым осуществляется натекание тумана на защищаемую область и на допустимом удалении от защищаемой области устанавливаются устройства формирования неоднородного электрического поля с зазором относительно заземленных поверхностей. При получении информации о возможном образовании тумана, определяют направление распространения тумана относительно защищаемого объекта. С наветренной от защищаемого объекта стороны включают источник питания и подают потенциал на поверхность электрода, и на его поверхности накапливается электрический заряд. Так, как электрод выполнен в виде оболочки, радиус кривизны поверхности которой не менее нуля, а силовые линии электрического поля всегда нормальны к электропроводной поверхности, силовые линии электрического поля от накопленного заряда будут направлены в окружающее электрод пространство, и их густота, а следовательно, и значение напряженности электрического поля, будут уменьшаться при удалении от электрода. Формируется неоднородное электрическое поле. Так как поверхность электрода гладкая, в окружающем электрод пространстве силовые линии, а следовательно, и энергии формируемого электрического поля, будут распределены по всему окружающему электрод пространству между электродом и заземленной поверхностью. Капли тумана, находящиеся в электрическом поле поляризуются и вследствие неоднородности электрического поля втягиваются в сторону увеличения его градиента. Таким образом, электрически нейтральные капли тумана притягиваются к электрически заряженному электроду. При соприкосновении с электрически заряженным электродом, капли тумана получают электрический заряд того же знака, что и электрод, и электрическим полем выносятся по силовым линиям электрического поля к заземленной поверхности. На своем пути электрически заряженные капли сталкиваются с нейтральными каплями, сливаются с ними, передают им электрический заряд, и или увлекаются к заземленной поверхности электрическим полем, или под действием силы тяжести падают вниз. Таким образом, электрически заряженный электрод вынуждает двигаться капли тумана друг относительно друга. Что способствует их коагуляции и выпадения из контролируемого пространства. В экспериментах, проведенных автором, электрически заряженный электрод рассеял туман в туманной камере объемом 2 куб. метра в течение 1 минуты. Очищенный от тумана воздух естественным воздушным потоком смещается в сторону защищаемого объекта и вытесняет туман. При изменении направления натекания тумана на объект, включаются устройства, расположенные со стороны натекания тумана на объект. Кроме того, как известно, см. например, Н.С. Шишкин. Облака, осадки и грозовое электричество. - Л.: Гидрометеоиздат, 1964, стр. 328, значительная часть капель тумана имеет электрический заряд и под воздействием на них электрического поля они придут в движение.

На рис.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство включает в себя установленный на поверхности земли заземленный стержень 1, выполненный в виде цилиндрической поверхности, полная кривизна которой ровна нулю. На вершине стержня 1 закреплена сферическая оболочка, со значением кривизны поверхности 1/R², где R - радиус сферической оболочки. Заземленный стержень 1 со сферической оболочкой по всей поверхности охвачены внешней электропроводящей оболочкой 2. Нижняя граница внешней электропроводящей оболочки 2 не доходит по поверхности земли, чтобы избежать перетекания заряда в землю. Пространство между внешней поверхностью заземленного стержня 1 со сферической оболочкой и внешней электропроводящей оболочкой 2 заполнено диэлектриком 3. Внешняя электропроводящая оболочка 2 соединена с источником питания 4. В пространстве между стержнями 1 установлены заземленные поверхности 5, которые могут быть выполнены в виде любых электропроводных конструкций. Расстояние между стержнями 1, их конструктивное выполнение и габариты, а также формы и размеры заземленных конструкций устанавливаются на стадии проектирования в зависимости от параметров тумана, требования к их рассеиванию, размеров зоны свободной от тумана на защищаемом объекте и пр.

На рис.2 представлен вариант схемы предлагаемого устройства, подвешиваемого над поверхностью земли.

Устройство представляет собой трехслойную оболочку, накачанную избыточным давлением ΔP, выполненную в виде гладкой регулярной поверхности с положительным радиусом кривизны поверхности. Гладкость и регулярность поверхности оболочки с положительным радиусом кривизны поверхности может быть обеспечена за счет соответствующей выкройки материала оболочки, изготовления оболочки из упругих деформируемых тканей (типа прорезиненных материалов) и поддержания ее формы внутренним избыточным давлением. Внутренняя 1 и наружная 2 оболочки выполнены из электропроводного материала. Промежуточная оболочка 3 выполнена из диэлектрического материала. Технологически данная конструкция может быть выполнена в виде внутренней оболочки 1 из плотного упругого деформируемого материала, на поверхность которой сначала нанесено электропроводное покрытие, затем покрытие из диэлектрика 3, поверх которого нанесено опять электропроводное покрытие 2. Внутренняя оболочка 1 заземлена, наружная оболочка 2 соединена с источником питания 4. Вся конструкция известными способами подвешивается над поверхностью земли вблизи от защищаемого от тумана объекта с наветренной стороны. Например, путем заполнения оболочки газом легче воздуха и удерживаемой с помощью тросов 6, с изоляторами 7. Либо просто подвешивается на опорах (на рис. не показано). Так как форма оболочки образуется с помощью избыточного давления и выполнена из деформируемого материала, форма оболочки автоматически приобретает форму гладкой поверхности с положительным радиусом кривизны поверхности. Гладкая поверхность подразумевает непрерывность и дифференцируемость функции, описывающей координаты точек оболочки. Принципиально данная конструкция может быть выполнена из любых материалов. Основное требование - это гладкая поверхность трехслойной оболочки.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подаче от источника питания 4 на внешнюю электропроводящую оболочку 2 высокого напряжения, на поверхности внешней электропроводящей оболочки накопится электрический заряд. Электрический заряд в окружающем его пространстве формирует неоднородное электрическое поле, значение которого пропорционально величине заряда. Электрическое поле индуцирует на поверхности капелек тумана электрический дипольный момент. Капли тумана вследствие индуцированного дипольного момента втягиваются неоднородным электрическим полем в сторону увеличения его градиента, т.е. к внешней электропроводящей оболочке 2. Далее происходят процессы, описанные выше, приводящие, в конечном счете, к очищению окружающего пространства между электропроводящей оболочкой 2 и заземленной поверхностью 5 от капель тумана. Установив предлагаемое устройство с наветренной стороны от защищаемого объекта, обеспечивается удаление капель тумана и их отделение от движущегося воздушного потока. На защищаемую территорию будет двигаться воздушный поток, свободный от капель тумана. Очищенный от тумана воздушный поток вытеснит туман из контролируемой территории и обеспечит рассеивание тумана. При изменении направления движения ветра относительно защищаемой территории производят включение тех предварительно установленных устройств, которые находятся с наветренной стороны. Для очистки тумана на высоте могут использоваться различного рода аэродинамические отражатели, обеспечивающие подъем очищенных от капель тумана воздушных масс на требуемую высоту за счет энергии ветрового потока. Электрическое поле заряда, локализованного на поверхности сферической оболочки, закрепленной на вершине стержня 1, собирает капли тумана и очищает воздух, проходящий выше установки. Если энергетики электрического заряда недостаточно, то устройство, изготовленное в виде конструкции, представленной на рис.2, поднимается вверх над поверхностью земли. Как известно электрическое поле всегда нормально к электрически заряженной поверхности. Выполнение оболочки с положительным радиусом кривизны поверхности обеспечивает максимально удаленное распространение электрического поля в пространстве от устройства рассеивания тумана. Выполнение поверхности гладкой обеспечивает более равномерное распределение энергии электрического поля в окружающем оболочку пространстве. Значение накопленного на внешней электропроводящей оболочке 2 электрического заряда в основном определяется напряжением источника диэлектрическими свойствами диэлектрического слоя 3 и его толщиной.

Таким образом, предложенное решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам позволяет решить задачу рассеивания тумана, без формирования потока электрически заряженных частиц, что позволяет упростить конструкцию (не требуется создание устройства генерации коронного разряда) и значительно снизить стоимость эксплуатационных затрат, достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области управления атмосферными явлениями, а именно к рассеиванию тумана на контролируемой территории. Способ состоит в том, что определяют направление распространения тумана относительно защищаемого объекта. Затем формируют с наветренной от защищаемого объекта стороны в прилегающей к заземленной поверхности области тумана неоднородное электрическое поле. Поле формируют путем подачи электрического потенциала на поверхность электрода. При этом электрод выполнен в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля. Электрод установлен эквидистантно с зазором через диэлектрическую прокладку относительно заземленной обкладки конденсатора. Устройство для реализации способа содержит электрод. Электрод установлен с зазором относительно заземленной поверхности и соединен с источником электропитания. Электрод выполнен в виде оболочки с гладкой поверхностью. Радиус кривизны поверхности не менее нуля. Электрод установлен через диэлектрическую обкладку с зазором относительно дополнительной заземленной обкладки. Обеспечивается упрощение конструкции и снижение стоимости эксплуатационных затрат. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ рассеивания тумана, заключающийся в определении направления распространения тумана относительно защищаемого объекта и формировании с наветренной от защищаемого объекта стороны в прилегающей к заземленной поверхности области тумана неоднородного электрического поля, отличающийся тем, что формирование неоднородного электрического поля осуществляется путем подачи электрического потенциала на поверхность внешнего электрода конденсатора, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью с радиусом кривизны не меньше нуля и установленного эквидистантно с зазором через диэлектрическую прокладку относительно внутренней заземленной обкладки конденсатора.

2. Устройство для рассеивания тумана, содержащее установленный с зазором относительно заземленной поверхности, соединенный с источником электропитания электрод, отличающееся тем, что снабжено заземленной обкладкой, установленной через диэлектрическую обкладку с зазором относительно внутренней поверхности электрода, выполненного в виде оболочки с гладкой поверхностью, радиус кривизны которой не менее нуля