УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЛАГООБМЕНА МЕЖДУ ВОЗДУШНОЙ И ВОДНОЙ СРЕДАМИ Российский патент 2024 года по МПК G09B23/16 

Изобретение относится к устройствам для исследования процессов испарения и конденсации атмосферной влаги на водную поверхность, и в частности к установкам для проведения учебных занятий. В современных климатических моделях возникает потребность в достоверных данных относительно влагообмена между воздушной и водной средами. Известно явление нижнеуровневой конденсации атмосферной влаги на водную поверхность и ее зависимости от влажности воздуха, температур водной и воздушной среды, скорости ветра. Особую роль в климатических изменениях связывают с парниковым эффектом, в образовании которого принимают участие содержащиеся в атмосферном воздухе пары воды, количество которых, по разным оценкам, составляет довольно значительную величину - 75-90%. Одной из составляющих количества паров в атмосфере Земли является конденсация на водные поверхности. Учет соотношения интенсивности этого процесса вблизи водной поверхности является актуальной задачей повышения точности современных методов расчета водного баланса гидросферы. Влагообмен между воздушной и водной средами определяет множество явлений, включая гидродинамические и конвективные процессы, характерные для природных водоемов. Метод физического моделирования этих явлений в океане и атмосфере широко используется в геофизике и позволяет проводить их изучение в лабораторных условиях. Этот метод позволяет создавать контролируемые условия в течение всего эксперимента и в ряде случаев выделять в чистом виде различные механизмы, приводящие к возникновению изучаемых явлений.

Известна лабораторная установка по термодинамике, патент №2126175, МКИ G09B 23/16, (опубл. 02.10.1999), которая содержит увлажнитель, сосуды для воды, смесители потока, датчики температуры, при этом в качестве нагревателя установлен электронагреватель, корпус выполнен в виде вертикально установленной трубы, в которой смонтированы электронагреватель и увлажнитель, на корпусе со стороны внешней его поверхности нанесена тепловая изоляция, смесители потока установлены за нагревателем и за увлажнителем, а клапан, предназначенный для измерения расхода потока, установлен в выходном сечении корпуса. Известна также лабораторная установка по теплопередаче (патент №2006138755 от 02.11.2006), содержащая корпус, электронагреватель, патрубки для выхода нагретого воздуха, у которой вертикальный цилиндрический корпус выполнен из латуни, содержит две трубы по типу «труба в трубе», внутренняя труба открыта с обеих сторон, содержит электронагреватель, подсоединенный к находящимся снаружи ваттметру и ЛАТРу, и два смесителя потока, внешняя труба открыта сверху и в нижней части имеет коническую форму с выходным патрубком, снаружи наружной трубы смонтирован сосуд, содержащий воду с тающим льдом и патрубком для слива воды. Недостатками данных установок являются ограниченная сфера применения для исследования тепломассообмена при испарении в поток воздуха и низкая точность измерения температуры поверхности воды, снижающая достоверность получаемых результатов, что ограничивает диапазон решаемых задач.

Наиболее близкой, принятой за прототип, является установка, описанная в работе (Соловьев А.А., Чекарев К.В. Экспериментальные исследования конденсации паров атмосферной влаги на водную поверхность // Физические проблемы экологии. - 2009. - №. 16. - С. 252-262.).

Устройство работает следующим образом. В начале эксперимента в термостат заливается водопроводная вода, которая затем разбавляется водой, охлажденной с помощью льда. После этого вода прогоняется через теплообменник мерной кюветы и теплообменник регулятора температуры воздуха с помощью гидронасоса. В термостатирующую емкость наливается вода из термостата таким образом, чтобы она достигала верхнего края теплообменника. Затем мерная кювета помещается на теплообменник, а стойка с датчиками температуры, расположенными на разных уровнях от поверхности воды, устанавливается для измерения температурного градиента над поверхностью воды. После некоторого времени температура вытекающей воды из теплообменника становится равной температуре воды в термостате. Затем в емкость регулятора влажности наливается теплая вода, и включается вентилятор, который прогоняет воздух через теплообменник. После достижения необходимой влажности в вытекающей воде из теплообменника мерная кювета тщательно вытирается и в нее наливается вода из мерной колбы. Далее проводятся эксперименты для разных температур воздуха в камере, чтобы получить характерные профили температуры над водной поверхностью с целью дальнейшего нахождения температуры водной поверхности методом линейной интерполяции. Для повышения точности измерений эксперименты проводятся без стойки с температурными датчиками, и термостатирующая емкость и мерная кювета закрываются сплошной крышкой, предотвращая обмен воздуха с окружающей средой до установления необходимых параметров. После установления заданных параметров воздушной и водной среды проводится измерительный этап эксперимента, фиксируя отсчет времени. В заключительном этапе эксперимента определяется количество сконденсированной на воду мерной кюветы паров воды. Для этого снимается мерная кювета с теплообменника, и сливается вода из термостатирующей емкости в специальный держатель через сифонный слив. Затем вода, сконденсировавшаяся во время экспериментов, переливается в мерную колбу, измеряется ее масса на электронных весах. Эксперимент проводится с целью изучения зависимостей скорости конденсации пара на водной поверхности мерной кюветы от разности плотности пара над ней и в камере, а также от изменений температуры воздуха в камере и температуры жидкости в кювете.

Согласно закону Дальтона влагообмен между поверхностью воды и воздухом определяется количеством пара, находящегося в воздухе, и количеством молекул, покидающих поверхность воды. Количество содержащегося пара в воздухе определяется датчиком влажности, а количество молекул, покидающих поверхность воды, определяется температурой поверхности воды. В установке температура поверхности воды находится из распределения температур, которое определяется с помощью датчиков температуры, расположенных на разных уровнях от поверхности воды и измеряющих температуру воздуха после установления стратификации в слое воздуха у поверхности воды. Однако в природных условиях любая стратификация воздуха нарушается ветровыми потоками.

Таким образом, недостатком данной установки и всех известных моделирующих установок и устройств является низкая достоверность результатов при моделировании процессов влагообмена между поверхностью воды и воздухом в природных условиях, обусловленная неточным измерением температуры поверхности воды и наличием стратификации воздуха у поверхности воды, что ограничивает диапазон решаемых задач.

Задачей изобретения является повышение достоверности результатов лабораторных экспериментов при моделировании процессов влагообмена между поверхностью воды и воздухом в природных условиях. Техническим результатом является повышение достоверности решаемых задач, получаемых при проведении экспериментов. Технический результат достигается тем, что в установку для моделирования процессов влагообмена между воздушной и водной средами, содержащую климатическую камеру с передней стенкой из раздвижных окон, в которой находятся мерная кювета с открытой на атмосферу водной поверхностью, установленная на термостатирующей емкости, регуляторы, с помощью которых задавались и поддерживались температура и влажность воздуха, температура воды, а также имеются датчики для определения температуры и влажности воздуха, с которыми взаимодействует вода в измерительной емкости, вводится инфракрасный датчик измерения температуры поверхности воды и ветрогенератор воздушного потока с регулятором величины его скорости и направления для перемешивания слоя воздуха у поверхности воды в мерной емкости.

Схема установки моделирования процессов влагообмена между воздушной и водной средами показана на фиг. 1. Климатическая камера 1 имеет стенки из термоизоляционного материала, покрытого изнутри металлизированной отражающей поверхностью. Передняя стенка камеры состоит из раздвижных окон. Находящийся внутри камеры воздух с парами воды находится в полностью изолированном состоянии от окружающей воздушной среды. Герметизация камеры исключает возможность возникновение в ней воздушных потоков в результате проникновения воздуха из внешней среды.

В камере 1 находились мерная кювета 2 с открытой на атмосферу водной поверхностью, установленная на термостатирующей емкости 3, регулятор температуры воздуха 4 и регулятор влажности воздуха 5, с помощью которых задавались и поддерживались температура, влажность воздуха и температура воды. Внутри камеры установлены регулируемые по высоте стойки с датчиками температуры 6 и влажности 7. На стойке 6 с датчиком температуры 700-102 ВАА-В00 (точность ±0,2°С) в верхней ее части закреплен инфракрасный датчик температуры TW7011 (ИК), который может дистанционно с высокой точностью вычислить температуру поверхности воды в мерной кювете. Погрешность измерения температуры ИК датчика <±1%. Стойка 6 устанавливается в центр мерной кюветы с помощью кронштейна. На стойке 7 внутри климатической камеры располагается датчик влажности ИРТВ - 5215. Погрешность относительной влажности не превышает 0,25% единицы младшего разряда.

Температура воды, на поверхности которой конденсировались содержащиеся в воздухе пары воды, задавалась с помощью регулятора температуры воды, состоящего из термостатирующей емкости 3, на дне которой находился теплообменник 8 с размерами, соединенный трубками 9 с гидронасосом 10, расположенным в термостате 11. В термостат наливается жидкость заданной температуры, которая с помощью гидронасоса прогоняется через теплообменник. На теплообменник помещается мерная кювета 2, выполненная из медной фольги толщиной 0,02 см. Кювета наполняется водой объемом один литр. Температура воды в мерной кювете 2 поддерживается постоянной при прокачке воды из термостата 11 через теплообменник 8 при одинаковом уровне жидкости в термостатирующей емкости 3 и воды в кювете 2.

Температура воздуха в камере задается и поддерживается с помощью регулятора температуры воздуха 4. В его состав входит теплообменник 12, соединенный трубками 13 с гидронасосом 14, расположенным внутри термостата 15 в который наливалась вода заданной температуры. Теплообменник заключен в кожух, внутри которого расположен вентилятор 16. Перед теплообменником находится нагреватель 17, выполненный в виде проволочной спирали, закрепленной рядами на рамке. Нагреватель соединен через выключатель с источником регулируемого напряжения.

Влажность воздуха в камере задается и поддерживается с помощью регулятора влажности, состоящего из малой 5 и большой 9 емкости, соединенных трубкой и образующих сифон. Малая емкость теплоизолирована от окружающей среды. Внутри нее находится нагреватель 20, соединенный через выключатель с источником регулируемого напряжения.

Для имитации ветровой циркуляции в камере используются электрический вентилятор с регулятором скорости вращения, объединенный в единый ветрогенератор 21. Вентилятор закрепляется на стойке 6 в поворотной раме 22, позволяющей изменять его углы наклона по вертикальной и горизонтальной оси, и, тем самым менять направление ветрового потока в широком диапазоне. Принцип работы ветрогенератора следующий: воздушный винт способствует отдуву воздуха и его распространению вдоль поверхности воды мерной кюветы, разрушая установившуюся температурную стратификацию воздуха. Ветрогенератор устанавливался на опорном штативе в заданном положении над мерной кюветой. Данные о скорости потока воздуха, создаваемого вентиляторами и результаты измерений датчиков температуры и влажности модифицируются в электрический выходной сигнал, который регистрируется платой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 23. Плата АЦП соединяется с персональным компьютером, в котором накапливаются временные ряды массивов значений температуры в различных точках. На основании предварительных экспериментов выбираются оптимальные направления ветрового потока над водной поверхностью для эффективного разрушения температурной стратификации воздуха и высоты для расположения ветрогенератора и датчиков, установленных на стойках 6 и 7.

Скорость конденсации паров воды атмосферной влаги на водной поверхности в экспериментах определяется через измерение объема сконденсированной воды на открытой поверхности мерной емкости за определенное количество времени.

Установка работает следующим образом. В начале эксперимента термостаты 2 и 11 заполняются льдом, а затем в них заливается вода, активируя гидронасосы 10 и 14. Если температура внутри камеры ниже комнатной, то термостат 2 также заполняется льдом, наполняется водой и включается гидронасос 10. Гидронасосы прогоняют воду как термостатирующую жидкость через теплообменник 8 мерной кюветы, а затем через теплообменник 1 регулятора температуры воздуха. Параллельно с этим в термостатирующую емкость 3 наливается вода из термостата 11 так, чтобы она достигала верхнего края теплообменника. После этого мерная кювета 2 помещается на теплообменник, и стойка 6 с ветрогенератором, датчиком температуры и ИК датчиком температуру устанавливается над поверхностью воды. Затем делаются измерения температуры воздуха над поверхностью воды и температуры поверхности воды. По прошествии примерно 15 минут температура вытекающей воды из теплообменника 8 становится равной 1,0-1,2 градуса Цельсия. В это время в емкости 5 и 9 регулятора влажности заливается теплая вода, а вентилятор 16 включается для прогонки воздуха через теплообменник 12. Температура и влажность воздуха в камере регулируются путем изменения напряжения источников питания, подключенных к нагревателям воздуха и воды для создания пара. После достижения заданных параметров температуры и влажности окна климатической камеры закрываются, и крышка, закрывающая термостатирующую емкость и мерную кювету, снимается. После снятия крышки, которая закрывала термостатирующую емкость и мерную кювету, начинается измерительный этап экспериментов. Время начала эксперимента фиксируется, значения температуры, влажности и скорости ветрового воздействия, измеренные датчиками, регистрируются через определенные интервалы времени. По окончании измерений нагреватели регуляторов воздуха и влажности, вентилятор и гидронасосы выключаются. Последний этап эксперимента связан с определением количества сконденсированной водяных паров в камере. Для этого одно из раздвижных окон камеры сдвигается, стойка с термодатчиками удаляется от мерной кюветы, и вода из термостатирующей емкости сливается. Затем сливной шланг вставляется в специальный держатель, закрепленный на мерной кювете, и через сифонный слив вода направляется обратно в ту же колбу, из которой она изначально наливалась. Это позволяет избежать потери воды на стенках колбы. Когда основное количество воды из мерной кюветы переливается в колбу и процесс сифонного перелива прекращается, мерная кювета снимается с теплообменника. Ее наружные стенки и дно осушаются, а остатки воды аккуратно сливаются в стаканчик. Количество сконденсированной воды измеряется мерной колбой с точностью до 0,1 грамма.

Была создана учебная лабораторная установка на основе климатической камеры и разработана методика прямого измерения коэффициентов конденсации паров атмосферной влаги на водную поверхность, которая позволяет проводить изучение влияния на конденсационный сток водного баланса при различных термодинамических и гидроаэродинамических характеристиках воздушной и водной среды. Проведенные на ней эксперименты показали, что с ее помощью существенно повышаются возможности изучения геофизических процессов в гидросфере и атмосфере в результате повышения достоверности решаемых задач при проведении экспериментов. Проделанные лабораторные эксперименты показали применимость созданной установки для воспроизведения характерных особенностей процессов испарения и конденсации атмосферной влаги на водную поверхность с высокоточным поддержанием измеряемых параметров среды и для проведения бесконтактного прямого измерения температуры поверхности воды.

Изобретение относится к устройствам для исследования процессов испарения и конденсации атмосферной влаги на водную поверхность, в частности к установкам для проведения учебных занятий и может быть использовано для создания приближенной модели влагообмена между воздушной и водной средами, который определяет множество явлений, включая гидродинамические и конвективные процессы, характерные для морей, океанов и других водоемов, имеющих влагообмен с воздушной средой. Задачей изобретения является повышение достоверности результатов лабораторных экспериментов при моделировании процессов влагообмена между поверхностью воды и воздухом в природных условиях. Для повышения достоверности результатов лабораторных экспериментов в установку для моделирования процессов влагообмена между воздушной и водной средами, содержащую климатическую камеру с передней стенкой из раздвижных окон, в которой находятся мерная кювета с открытой на атмосферу водной поверхностью, установленная на термостатирующей емкости, регуляторы, с помощью которых задавались и поддерживались температура и влажность воздуха, температура воды, а также имеются датчики для определения температуры и влажности воздуха, с которыми взаимодействует вода в измерительной емкости, вводится инфракрасный датчик измерения температуры поверхности воды и ветрогенератор воздушного потока с регулятором величины его скорости и направления для перемешивания слоя воздуха у поверхности воды в мерной емкости. 1 ил.

Установка для моделирования процессов влагообмена между воздушной и водной средами, содержащая климатическую камеру с передней стенкой из раздвижных окон, в которой находятся мерная кювета с открытой на атмосферу водной поверхностью, установленная на термостатирующей емкости, регуляторы, с помощью которых задавались и поддерживались температура и влажность воздуха, температура воды, а также имеются датчики для определения температуры и влажности воздуха, с которыми взаимодействует вода в измерительной емкости, отличающаяся тем, что в установку вводится инфракрасный датчик измерения температуры поверхности воды и ветрогенератор воздушного потока с регулятором величины его скорости и направления для перемешивания слоя воздуха у поверхности воды в мерной емкости.