СПОСОБ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК A01G15/00 E01H13/00 B03C3/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для активного воздействия на атмосферу с целью рассеивания туманов и облаков на контролируемой территории (аэродромы, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.), вызывания дополнительных осадков, снижения вероятности выпадения осадков. Кроме того, предлагаемый способ и устройство может быть использованы для вентиляции воздуха на большой территории, в том числе, и для вентиляции различных карьеров.

Известны способы воздействия на облака и туманы, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ (реагентов). См., например, патент RU №2357404, опубликованный 10.06.2009 г., патент RU №2175185, опубликованный 27.10.2001 г., патент RU №2061358, опубликованный 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, 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.). Применение данных методов ограничивается переохлажденными туманами (туманами, образуемыми в условиях отрицательных температур окружающего воздуха). Теплые туманы являются устойчивыми, и с помощью реагентов не рассеиваются.

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 топливо-энергетических 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 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 воздействия на атмосферу, 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", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293).

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

Известны способы воздействия на атмосферу, техническое описание которого представлено в патентах Ru 2272096 C1, RU 2422584 С1 Известные способы заключаются в воздействии на атмосферу ориентированным в одном направлении потоком электрически заряженных частиц. Заряженные частицы в известном способе генерируются коронным разрядом в области, прилегающей к защищаемому объекту. Данные технические решения достаточно успешно решают задачу воздействия на атмосферу для рассеивания аэрозольных облаков, туманов. Однако, для повышения эффективности воздействия и обеспечения возможности воздействия на облака требуется повышение интенсивности формируемых потоков электрически заряженных частиц, что требует повышения напряжения на коронирующих электродах, и обеспечения устойчивой генерации коронного разряда на грани электрической прочности воздуха, что требует высокой точности изготовления конструкции (особенно в зазоре между коронирующими электродами и заземленной поверхность по всей площади устройства генерации коронных разрядов), стабильности напряжения, что ведет к удорожанию конструкции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ для рассеивания тумана, описание которого представлено в устройстве для рассеивания тумана, в патенте Ru 2681227 С1

Известный способ заключается в создании направленного потока генерируемых коронным разрядом электрически заряженных частиц. Направленный поток электрически заряженных частиц в известном техническом решении создается устройством, содержащем закрепленные с определенным шагом на раме заземленные электропроводные стержни, в промежутках между которыми и с зазором относительно их поверхностей установлены электрически соединенные с основным высоковольтным источником питания постоянного напряжения, коронирующие электроды. Кроме того, известное устройство снабжено установленной электрически изолированно и с зазором относительно поверхностей заземленных электропроводных стержней с противоположной от коронирующих электродов стороны, рамой. На раме установлены дополнительные электроды, электрически соединенные с дополнительным источником высоковольтного источника питания постоянного напряжения с полярностью, противоположной полярности напряжению основного высоковольтного источника питания. В известном техническом решении в пространстве между заземленными электропроводными стержнями параметров изменяются параметры электрического поля. Электрический потенциал дополнительных электродов часть силовых линий электрического поля, которые шли от коронирующих электродов и замыкались на заземленных электропроводных стержнях, вытягивает их вдоль нормали к плоскости заземленных электропроводных стержней к поверхности дополнительных электродов. Увеличивается количество и длина силовых линий электрического поля совпадающих с направлением нормали к плоскости заземленных электропроводных стержней. Соответственно, увеличивается и импульс сил электрического поля, действующих на генерируемые коронным разрядом электрически заряженные частицы в направлении нормали к плоскости заземленных электропроводных стержней, увеличивается скорость их движения, что и обеспечивает увеличение скорости потока электрически заряженных частиц, формирующих воздействующий на атмосферу ветровой поток. Вместе с тем, в известном способе и устройстве направленный поток электрически заряженных частиц формируется в основном неоднородным электрическим полем, генерирующим коронный разряд. Неоднородное же электрическое поле характеризуется повышенной вероятностью перехода коронного разряда в искровой. Ограничивается в известном способе и устройстве возможность увеличения напряженности электрического поля и, соответственно, ограничивается возможность увеличения скорости создаваемого потока электрических зарядов, которая является ключевым фактором эффективности воздействия на атмосферу.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности рассеивания тумана.

Для достижения заявленной цели известное устройство для рассеивания тумана, содержащее две установленные с зазором между собой и свободные для прохождения воздушного потока плоские конструкции, первая из которых электрически изолирована и соединена с источником высокого напряжения постоянного тока, а в пространстве между заземленными элементами второй конструкции электрически изолированно установлены коронирующие электроды, соединенные с источником высокого напряжения постоянного тока противоположной полярности, снабжено дополнительной свободной для прохождения воздушного потока конструкцией, соединенной с источником высокого напряжения постоянного тока полярности, аналогичной полярности электрического питания коронирующих электродов и установленной с зазором относительно второй конструкции с противоположной от первой конструкции стороны.

Для реализации предлагаемого способа рассеивания тумана, заключающегося в создании направленного потока генерируемых коронным разрядом электрически заряженных частиц, используется устройство по п. 1, и в процессе генерации коронного разряда формируют дополнительное электрическое поле, силовые линии которого проходят через область действия неоднородного электрического поля, генерирующего коронный разряд, и ориентированы в направлении движения потока электрически заряженных частиц.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе процесс создания направленного потока электрически заряженных частиц разделен на два независимых процесса:

- формирование с помощью коронного разряда электрически заряженных частиц;

- воздействие на сформированные электрически заряженные частицы более однородным дополнительным электрическим полем, силовые линии которого ориентированы в сторону планируемого перемещения частиц и формирования из них направленного потока.

Формирование электрически заряженных частиц осуществляется неоднородным электрическим полем, параметры которого задаются из условий обеспечения стабильных параметров коронного разряда как по величине точности значений разрядного промежутка по всей конструкции устройства, так и по значениям подаваемого на коронирующие электроды высоковольтного напряжения.

Электрическое поле, осуществляющее воздействие на сформированные коронным разрядом электрически заряженные частицы, формируется независимо от неоднородного электрического поля, генерирующего коронный разряд. И это дополнительное поле может быть сформировано в пространстве от области формирования электрических зарядов вдоль сколь угодно большого отрезка пути движения электрических зарядов в направлении планового воздействия сформированным потоком на атмосферу. При этом, значение напряженности электрического поля может быть столь велико, насколько позволяет электрическая прочность воздуха, стойкость применяемых изоляторов и значения напряжения высоковольтных источников питания. Данное дополнительное поле может быть сформировано с максимально возможной степенью однородности. Устойчивость однородного электрического поля от вероятного электрического пробоя позволяет сформировать данное дополнительное электрическое поле со значением его напряженности большей величины, чем в известном техническом решении. Увеличивается скорость движения потока электрически заряженных частиц и увеличивается тем самым эффективность воздействия на атмосферу.

Сущность заявляемого способа следующая. Процесс рассеивания тумана предваряют изучением метеорологических процессов, происходящих в атмосфере. Определяют направление и скорости движения воздушных потоков относительно контролируемой территории и определяют планируемую область воздействия на туман. Планируемая область воздействия на туман - это область атмосферы, направление потока электрически заряженных частиц в которую, предполагает достижение планируемого эффекта воздействия. Например, рассеивание тумана, рассеивание облачности, вызывание осадков, формирование восходящего воздушного потока. В прилегающем к контролируемой области воздействия на атмосферу пространстве, с наветренной стороны генерируют с помощью коронного разряда электрически заряженные частицы. В области генерации коронного разряда и в прилегающем к ней пространстве со стороны контролируемой области воздействия на атмосферу формируют дополнительное электрическое поле таким образом, чтобы его силовые линии проходили через область действия неоднородного электрического поля, генерирующего коронный разряд, и были ориентированы в направлении планируемой области воздействия на атмосферу. Под действием дополнительного электрического поля, генерируемые коронным разрядом, электрически заряженные частицы движутся вдоль силовых линий, которые определяются суперпозицией электрических полей, электрического поля, генерирующего коронный разряд и дополнительного электрического поля. При этом, значительная часть силовых линий суммарного электрического поля, выходящих из коронирующего электрода, будет выходить за область заземленных элементов конструкции, и замыкаться на поверхности конструкции, формирующий дополнительное электрическое поле. Снижается вероятность электрического пробоя между коронирующим электродом и заземленной поверхностью, увеличивается время воздействия и путь воздействия электрического поля на генерируемые электрически заряженные частицы. Частицы получают больший импульс, ориентированный в сторону направленного воздействия, что увеличивает скорость их движения и увеличивает эффективность воздействия на атмосферу. При ориентированном в одном направлении потоке электрически заряженных частиц, частицы в процессе своего движения сталкиваются с молекулами и аэрозолями атмосферного воздуха и передают им часть своей энергии. Создается так называемый ионный ветер. Эффект воздействия ионного ветра на атмосферу используется в целом ряде известных технических решений (см., например, описание к патентам РФ Ru 2633775 C1, Ru 2647278 C1, Ru 2647276 C1, Ru 2679681 С1). Повышение скорости воздушных потоков является одним из основных факторов повышения эффективности воздействия на аэрозольное облако. Предложенное решение позволяет решать поставленную задачу, без существенных мероприятий, связанных с удорожанием конструкции. Формируемые массы воздушных потоков позволяют либо выносить аэрозольные частицы из облака контролируемого пространства, либо вносить в контролируемое облако воздушные массы из окружающего пространства, концентрация аэрозолей в которых меньше, чем в контролируемом пространстве.

Так, например, для радиационного тумана более сухой воздух может вноситься ионным ветром с верхних слоев атмосферы, либо с прилегающей свободной от тумана территории. Кроме того, капли тумана формируемыми воздушными потоками, инициированными ионным ветром, могут выносятся в область пространства с более сухим воздухом, что способствует их испарению и рассеиванию тумана. Для адвективного, фронтального, склонового тумана и тумана испарения более сухой воздух может формироваться путем сепарации содержащихся в тумане капель воды, и вноситься ионным ветром на контролируемую территорию с подветренной стороны воздушного пространства.

На рис. 1 представлена схема устройства рассеивания тумана, обеспечивающего реализацию предлагаемого способа. Устройство включает в себя устройство генерации коронного разряда, содержащее заземленные элементы 1, в пространстве между которыми электрически изолированно, на изоляторах 2 и с зазором относительно поверхности заземленных конструкций 1 установлены коронирующие электроды 3, соединенные с источником высоковольтного напряжения постоянного тока. На рис. 1 источник высоковольтного напряжения постоянного тока не показан, и соединение с ним показано условным знаком (+). Заземленные элементы могут быть выполнены в виде пластин, труб и прочих конструкций, позволяющих в пространстве между ними установить коронирующие электроды, и сформировать благоприятные условия для генерации коронного разряда. Благоприятные условия для формирования коронного разряда достаточно подробно освещены в литературных источниках. См., например Н.А. Капцов. Электроника. Государственное издательство технико-технической литературы. Москва. 1956 г.; Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоник. Электрооборудование и режимы питания электрофильтров. Энергия. Москва. 1971. Стр. 95-173. Коронирующие электроды 3 могут быть выполнены в виде проводов малого диаметра, с закрепленными на их концах грузами 4 и подвешенных на закрепленной на электрических изоляторах 2 балке 5. Можно использовать и коронирующие электроды известных конструкций, широко применяемых в электрофильтрах, например, игольчатые электроды. См. Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоик. Электрооборудование и режимы питания электрофильтров. Энергия 1071. Стр. 43. С одной из сторон от устройства генерации коронного разряда электрически изолированно, эквидистантно его торцевой поверхности установлена свободная для прохождения воздушного потока конструкция 6, электрически соединенная с источник высоковольтного напряжения постоянного тока полярности напряжения подаваемого на коронирующие электроды. На рис. 1 источник высоковольтного напряжения постоянного тока не показан. Соединение с ним показано условным знаком (+). Свободная для прохождения воздушного потока конструкция 6 может быть выполнена либо в виде обычной строительной конструкции, состоящей из 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. С противоположной от конструкции 6 стороны от устройства генерации коронного разряда, электрически изолированно, эквидистантно его торцевой поверхности установлена свободная для прохождения воздушного потока конструкция 7, которая электрически соединена с источник высоковольтного напряжения постоянного тока с полярностью противоположной полярности напряжения, подаваемого на коронирующие электроды 3. На рис. 1 источник высоковольтного напряжения постоянного тока не показан. Соединение с ним показано условным знаком (-). Свободная для прохождения воздушного потока конструкция 7 может быть выполнена аналогично свободной для прохождения воздушного потока конструкции 6. С целью обеспечения большей однородности дополнительного электрического поля конструктивные элементы свободных для прохождения воздушного потока конструкций 6 и 7 желательно устанавливать друг напротив друга на линиях, проходящих через свободное пространство между заземленными элементами 1 (пластин, труб и прочих конструкций) устройства генерации коронного разряда и коронирующими электродами 3. Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Включение работы устройства осуществляется подачей высокого постоянного напряжения на коронирующие электроды 3, свободную для прохождения воздушного потока конструкцию 6 и свободную для прохождения воздушного потока конструкцию 7. На коронирующие электроды 3 и свободную для прохождения воздушного потока конструкцию 6 подается высокое постоянного напряжения одного знака, а на свободную для прохождения воздушного потока конструкцию 7 подается высокое напряжение противоположной полярности от дополнительного высоковольтного источника питания. На рис. 1 условно обозначено знаками (+) и (-). При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды 3, между коронирующими электродами 3 и заземленными элементами 1 формируется мощное электрическое поле. Значение напряжения высоковольтного источника питания выбирают исходя из условий формирования устойчивого коронного разряда на коронирующем электроде 3 и стойкости высоковольтных изоляторов 2. При генерации коронного разряда, образуемые в разрядном промежутке электрически заряженные частицы под воздействием мощного дополнительного электрического поля, сформированного совокупностью электрических зарядов, локализованных свободных для прохождения воздушного потока конструкциях 6 и 7, выносятся из области генерации коронного разряда и продвигаются к поверхности свободной для прохождения воздушного потока конструкции 7. В процессе своего движения электрически заряженные частицы сталкиваются с электрически нейтральными частицами воздуха и передают им свой импульс движения. Формируется ветровой поток от коронирующих электродов 3 в направлении к свободной для прохождения воздушного потока конструкции 7. В отличие от известного технического решения формирование ветрового потока в предлагаемом техническом решении осуществляется дополнительным электрическим полем, формируемым между свободными для прохождения воздушного потока конструкциями 6 и 7, на которые подается высокое напряжение противоположной полярности. Дополнительное электрическое поле, обеспечивающее продвижение электрически заряженных частиц, более однородно, что снижает вероятность электрического пробоя вследствие градиентов электрических полей. Значение напряжения источников питания, обеспечивающих формирование дополнительного поля, ограничено лишь электрической прочностью воздушного пространства и напряжением высоковольтных источников питания. Что позволяет обеспечить работоспособность предлагаемого устройства на более высоких значениях напряжений, чем у известного устройства. При прочих равных условиях, значение напряженности электрического поля, используемого для продвижения генерируемых коронным разрядом электрически заряженных частиц, в предлагаемом техническом решении выше, чем у известного технического решения. Увеличивается импульс сил на электрически заряженные частицы, увеличивается их скорость движения, что увеличивает скорость движения воздуха, и, соответственно, увеличивается скорость всего сформированного воздушного потока. Содержащиеся в воздушном потоке капельки тумана попадает в разрядный промежуток, где капли тумана приобретают электрический заряд знака заряда коронирующих электродов 3. При прохождении воздушного потока мимо заземленной конструкции 1 электрически заряженные капли тумана электрическим полем осаждаются на их поверхностях. Аналогично и при прохождении электрически заряженных капель к свободной для прохождения воздушного потока конструкции 7, имеющей электрический заряд противоположного знака электрически заряженные капли тумана электрическим полем осаждаются на ее поверхностях. Очищенный от капель воздушный поток выходит из устройства рассеивания тумана и направляется в защищаемую область, вытесняя из нее туман. Капли тумана собираются на поверхностях заземленной конструкции 1 и поверхностях свободной для прохождения воздушного потока конструкции 7, и под действием собственного веса стекают вниз, где могут быть собраны в специальных резервуарах (на рис. 1 не показаны).

Коронный разряд формируется между коронирующими электродами 3 и поверхностью заземленной конструкции 1. Дополнительное электрическое поле между свободными для прохождения воздушного потока конструкциями 6 и 7 воздействует на формируемые коронирующими электродами электрические заряды и обеспечивает их продвижение от коронирующих электродов 3 к свободной для прохождения воздушного потока конструкции 7. Данное дополнительное электрическое поле не экранируется заземленной конструкцией 1 ввиду наличия в ней зазоров, в которых расположены коронирующие электроды 3. Влияние дополнительного электрического поля на величину значения неоднородного электрического поля у поверхности коронирующих электродов, обеспечивающего коронный разряд, незначительно. Силовые линии электрического поля, формирующего коронный разряд, направлены от поверхности коронирующих электродов к заземленной поверхности, и в непосредственной близости от поверхности коронирующего электрода, практически перпендикулярны силовым линиям дополнительного электрического поля. Дополнительное электрическое поле, осуществляет воздействие на сформированные коронным разрядом электрически заряженные частицы. Данное поле формируется независимо от неоднородного электрического поля, генерирующего коронный разряд. Предлагаемый способ и конструкция для его реализации позволяют сформировать дополнительное поле в пространстве от области формирования электрических зарядов вдоль сколь угодно большого отрезка пути движения электрических зарядов к свободной для прохождения воздушного потока конструкции 7 в направлении планового воздействия сформированным потоком на атмосферу. Данное дополнительное поле может быть сформировано с максимально возможной степенью однородности. Устойчивость однородного электрического поля от вероятного электрического пробоя позволяет сформировать данное дополнительное электрическое поле со значением его напряженности большей величины, чем в известном техническом решении. Увеличивается скорость движения потока электрически заряженных частиц и увеличивается тем самым эффективность воздействия на туман.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации, благодаря новым, ранее неизвестным признакам позволяют повысить эффективность рассеивания тумана и обеспечивают достижение цели предполагаемого изобретения.

Изобретение относится к области техники, предназначенной для активного воздействия на атмосферу с целью рассеивания туманов на контролируемой территории (аэродромы, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.). Кроме того, предлагаемый способ и устройство могут быть использованы для вентиляции воздуха на большой территории, в том числе и для вентиляции карьеров, а также и для вызывания дополнительных осадков, снижения вероятности выпадения осадков. Устройство для рассеивания тумана содержит установленные с зазором между собой и свободные для прохождения воздушного потока три плоские конструкции. Центральная конструкция заземлена. В пространстве между ее заземленными элементами электрически изолированно установлены коронирующие электроды, соединенные с источником высокого напряжения постоянного тока. Две другие конструкции соединены с источниками высокого напряжения постоянного тока различной полярности и установлены электрически изолированно по обе стороны относительно центральной конструкции. Для рассеивания тумана создают направленный поток генерируемых коронным разрядом электрически заряженных частиц с использованием упомянутого устройства рассеивания тумана. В процессе генерации коронного разряда формируют дополнительное электрическое поле, силовые линии которого проходят через область действия неоднородного электрического поля, генерирующего коронный разряд, и ориентированы в направлении движения потока электрически заряженных частиц. Повышение эффективности рассеивания тумана достигается за счет разделения процесса формирования направленного потока электрически заряженных частиц на два независимых процесса: формирование с помощью коронного разряда электрически заряженных частиц и воздействие на сформированные электрически заряженные частицы дополнительным более однородным электрическим полем, силовые линии которого ориентированы в сторону планируемого перемещения частиц. Дополнительное поле может быть сформировано с максимально возможной степенью однородности. Устойчивость однородного электрического поля от вероятного электрического пробоя позволяет сформировать дополнительное электрическое поле со значением его напряженности большей величины в сравнении с ближайшим аналогом. Увеличивается скорость движения потока электрически заряженных частиц, увеличивается скорость формируемого ветрового потока. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для рассеивания тумана, содержащее две установленные с зазором между собой и свободные для прохождения воздушного потока плоские конструкции, первая из которых электрически изолирована и соединена с источником высокого напряжения постоянного тока, а в пространстве между заземленными элементами второй конструкции электрически изолированно установлены коронирующие электроды, соединенные с источником высокого напряжения постоянного тока противоположной полярности, отличающееся тем, что снабжено дополнительной свободной для прохождения воздушного потока конструкцией, соединенной с источником высокого напряжения постоянного тока полярности, аналогичной полярности электрического питания коронирующих электродов, и установленной с зазором относительно второй конструкции с противоположной от первой конструкции стороны.

2. Способ рассеивания тумана, заключающийся в создании направленного потока генерируемых коронным разрядом электрически заряженных частиц, отличающийся тем, что используют устройство по п. 1 и в процессе генерации коронного разряда формируют дополнительное электрическое поле, силовые линии которого проходят через область действия неоднородного электрического поля, генерирующего коронный разряд, и ориентированы в направлении движения потока электрически заряженных частиц.