Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНА

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, а также в устройствах фильтрации увлажненных газовых потоков.

Известны способы рассеивания туманов, 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 А01G 15/00, опубликованный 10.12.1957 г.), с помощью ракет (см., например, авторское свидетельство СССР №576839, МПК А01G 15/00), снарядов (см., например, Российская Федерация, патент №2034444, МПК 6 А01G 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.

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 А01G 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 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", Гидрометеоиздат, Ленинград, 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.

Известное устройство по патенту РФ №2124288 С1, кл. Е01Н 13/00, 19.12.1997 г, опубликованному 10.01.1999 г, бюл. №1, которое 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 известном техническом решении 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 известном техническом решении 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 и требует значительных финансовых затрат.

Известно устройство для сепарации капель тумана (см. патент РФ на изобретение №2376056 RU). Данное устройство содержит свободный для прохождения очищаемого газового потока каркас, в котором смонтирован фильтрующий материал с открытыми порами, выполненный в виде установленных друг над другом с перекрытием лент. Известное устройство обеспечивает высокую эффективность сепарации капель из сформированного газового потока и очищенным от капель напором движущегося газа вытесняет туман из контролируемой территории. Вместе с тем, в известном устройстве капли жидкости, сепарируемые верхними лентами, стекают на низ лежащие ленты, перекрывают у них часть пор и переувлажняют их. Для рассеивания тумана на контролируемой территории необходимо обеспечить сепарацию капель из потока натекающего тумана высотой в несколько метров. Переувлажнение низ лежащих слоев и увеличение гидравлического сопротивления потоку с использованием известного устройства столь значительно, что вынуждает поток тумана не проходить свозь устройство туманоуловителя, а обтекать его, что снижает эффективность рассеивания тумана на контролируемой территории.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является устройство представленной в патенте на изобретение №2610316 Ru. Данное устройство содержит свободный для прохождения очищаемого газового потока каркас, в котором смонтирован фильтрующий материал с открытыми порами, выполненный в виде установленных друг над другом с перекрытием лент. В пространстве между лентами установлены под углом к горизонту перегородки, выполненные непроницаемыми для сепарируемой жидкости. Установленные между лентами фильтрующего материала непроницаемые для сепарируемой жидкости перегородки, обеспечивают отвод сепарируемой жидкости из устройства отдельно от каждой ленты фильтрующего материала. Сепарируемые капли из выше лежащих слоев не попадают на нижележащие слои, не перекрывают их поры, что обеспечивает высокую эффективность работы всего устройства

Вместе с тем, в данном устройстве сепарируются от потока лишь только те капли, которые в процессе движения потока касаются поверхностей конструктивных элементов фильтрующего материала. Воздушный же поток при прохождении через поры фильтрующего материала обтекает конструктивные элементы, а так как капли тумана маленькие, то аэродинамические силы, которые пропорциональны квадрату размера капли, значительно превышают инерционные, которые пропорциональны кубу размера капли.

где F_ν - аэродинамическая сила;

F_i - инерционная сила;

r - характерный размер капли;

k, k₁, k₂ - постоянные коэффициенты.

Для маленькой капли, размер которой значение

То есть, мелкие капли тумана как бы заморожены в поток и обтекают препятствие практически по линиям тока движения воздуха. Учитывая малые скорости движения воздушных масс через поры фильтрующего материала и малый размер капель, лишь незначительная часть мелкодисперсных капель вследствие турбулентных завихрений может попасть на тыльную часть обтекаемой поверхности. Теория инерционного осаждения, см., например, Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 452 с, показывает, что частицы малого размера следуют в большей степени по линям тока движения воздуха и не соприкасаются с фронтальной (передней) частью обтекаемого тела. Капли тумана имеют малый размер, радиус капель тумана обычно колеблется от 1 до 30 мкм. Большинство же капель имеет радиус 5-15 мкм при положительной температуре воздуха и 2-5 мкм при отрицательной (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%83%D0%BC%D0%B0%D0%BD). Таким образом, в известном устройстве значительная часть капель тумана обтекает конструктивные элементы пористого фильтрующего материала и выходит наружу в контролируемое пространство. Что снижает эффективность известного устройства. Увеличение эффективности сепарации капель тумана путем уменьшения размера пор фильтрующего материала в значительной мере повышает аэродинамическое сопротивление устройства. Естественный воздушный поток его просто обтекает. А использование принудительного продвижения воздушного потока через фильтрующий материал, в котором уменьшен размер пор, например, с использованием вентилятора и ограничительного канала для передвижения фильтрующего воздушного потока повышает энергопотребление, что также снижает эффективность использования известного устройства.

Целью предполагаемого изобретения является повышение эффективности рассеивания тумана.

Для достижения заявленной цели в известном устройстве рассеивания тумана, содержащем установленные друг над другом под углом к горизонту водонепроницаемые пластины, в зазоре между которыми закреплен пористый с открытыми порами фильтрующий материал, фильтрующий материал выполнен из стальных волокон, толщиной не более 1 мм, большая часть которых ориентирована в вертикальном направлении;

волокна фильтрующего материала выполнены электропроводными с удельным электрическим сопротивлением не более 10^-5 Ом*м и заземлены.

Технический результат в предполагаемом изобретении достигается за счет того, что без сокращения площади свободной для прохождения воздушного потока на единицу площади поперечного сечения фильтрующего материала, без уменьшения размера пор фильтрующего материала, увеличивается количество конструктивных элементов на единицу площади фильтрующего материала (волокон). На электрически заряженные капли помимо инерционных сил будут воздействовать также и силы электростатического взаимодействия, которые будут отклонять капли от линий тока воздуха, притягивать капли к заземленным волокнам. Увеличивается вероятность столкновения капель тумана с элементами конструкции фильтрующего материала за счет инерционных сил и сил электростатического взаимодействия. Увеличивается вероятность сепарации капель от воздушного потока, и, в конечном счете, повышается эффективность рассеивания тумана.

На рис. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство включает в себя каркас, выполненный в виде стоящих друг напротив друга стоек 1. Между стойками 1 друг над другом под углом α к горизонту и с зазором между собой δ установлены перегородки 2. В зазоре между перегородками 2 закреплен фильтрующий элемент 3. Фильтрующий элемент 3 выполнен из пучка беспорядочно уложенных тонких стальных проволок, собранных в виде пластины или ленты уложенной и закрепленной на каркасе 4, выполненном в виде сетки с ячейками. Размер ячейки сетки выбирается на стадии проектирования из условия надежного крепления на ней фильтрующего материала, надежного крепления образующего фильтрующего элемента 3 в зазоре между перегородками 2 и минимально аэродинамического сопротивления для прохождения воздушного потока. В проводимых авторами изобретения экспериментах размер ячейки сетки составлял не менее 2 мм. Толщина элементов каркаса сетки его конструктивное выполнение и его размеры выбираются на стадии проектирования в зависимости от зазора между перегородками 2, толщины слоя пластины, ленты, степени ее плотности и количества укладываемых слоев. На рис 1 представлен вариант каркаса сетки, выполненной в виде пластины, на поверхности которой уложен слой ленты из пучка беспорядочно уложенных тонких стальных проволок. Каркас сетки может быть выполнен и в виде цилиндрической поверхности, конуса, параллелепипеда и пр. поверхностей, технологически удобных для закрепления на них слоев ленты и монтажа образованной конструкции в зазоре между перегородками 2. Несмотря на так называемую беспорядочную укладку тонких стальных проволок, в поставляемых на рынке лентах и пластинах стальной ваты большая часть стальных проволок ориентирована в них по долевому направлению лент. Укладка металлической ленты выполняется таким образом, чтобы большая часть волокон тонких стальных проволок был ориентирован на устройстве рассеивания тумана в плоскости вертикальной к поверхности Земли. На рисунке волокна условно изображены в идее тонких линий, обозначенных позицией 3. Металлическая лента или пластина может быть выполнена аналогично известному специальному металлическому материалу, который используется для финишной полировки изделий. Это, так называемая стальная вата (в литературе также встречается ее название как «железная вата», «металлическая шерсть», «стальная шерсть», «steel wool», «iron wool», «wire wool», «steel wire», «wire sponge» и пр.), которая представляет собой пучок беспорядочно уложенных стальных проволок диаметром не более 1 мм.

(https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D 0%B0%D1%8F %D0%B2%D0%B0%D 1%82%D0%B0).

При необходимости усиления динамического напора ветрового потока вокруг устройства могут быть смонтированы динамические отражатели 5, направляющие естественный ветровой поток из окружающего устройства пространства для прохождения его через поперечное сечение устройства. Размер динамических отражателей выбирается на стадии проектирования и может составлять не более 30% линейного размера устройства. Отражатели устанавливаются под острым углом β к направлению ветрового потока. Перегородки 2, могут быть выполнены из любого материала. Основное требование к перегородкам водонепроницаемость. Шаг перегородок выбирается путем экспериментального подбора в зависимости от пористости фильтрующего материала, его толщины и допустимого его переувлажнения. При толщине упомянутого выше фильтрующего материала 25 мм делать шаг перегородок более 500 мм нецелесообразно. Поры нижних слоев при скорости потока более 3 м/сек, при шаге перегородок 500 мм, забиваются водой, капли выносятся потоком наружу, что свидетельствует о снижении эффективности работы устройства. Угол наклона перегородок α для обеспечения устойчивого стекания накопленной влаги составляет не менее 3°. Для повышения надежности вывода сепарированной жидкости из устройства перегородки 2 могут быть установлены под острым углом γ по направлению к одной из стоек. Угол наклона γ также должен составлять не менее 3°. При этом, по краю перегородки выполнена канавка 6 для отвода сепарируемой жидкости.

Для повышения эффективности устройства путем сбора мелкодисперсных капель тумана, волокна фильтрующего материала выполняются из электропроводных волокон с удельным электрическим сопротивлением не более 10^-5 Ом*м и заземляются.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Предлагаемое устройство устанавливается между набегающим потоком тумана и защищаемым объектом. Набегающий поток W под действием избыточного давления, образованного скоростным напором, проходит через поры фильтрующего материала, огибая конструктивные элементы, выполненные в виде тонких металлических нитей 3. Содержащиеся в очищаемом потоке капли жидкости под действием инерционных сил отклоняются от линий тока и сталкиваются с нитями, осаждаясь на их поверхности. Многие капли тумана имеют электрический заряд. См., например Джуманджи В.А. Физические свойства упорядоченного водного аэрозольного кластера. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкого». Санкт-Петербург. 2013 год. Фильтрующий материал выполнен из электропроводных заземленных волокон, и на электрически заряженные капли будут воздействовать помимо инерционных сил также и силы электростатического взаимодействия, которые будут отклонять капли от линий тока воздуха, притягивать капли к заземленным волокнам. По мере увеличения количества осажденных на поверхности волокон капель, они укрупняются и под действием гравитационных сил стекают вниз к перегородке 2 и далее по канавке 6 выводятся из устройства. Учитывая, что большая часть волокон тонких стальных проволок ориентирована на устройстве рассеивания тумана в вертикально направлении, снижается сопротивление движению капель вниз под действием сил гравитации. Уменьшается количество пор заполненных водой, что способствует более свободному прохождению через фильтрующий элемент воздушному потоку (снижается его аэродинамическое сопротивление). Очищенный от капель поток чистого воздуха вытесняет туман из контролируемой территории и обеспечивает выполнение задачи рассеивания тумана в окрестности защищаемого объекта. Таким образом, предложенное техническое решение благодаря новому, ранее неизвестному признаку, обеспечивает увеличение вероятности столкновения капель тумана с конструктивными элементами фильтрующего материала, что увеличивает вероятность их сепарации от проходящего воздушного потока без увеличения аэродинамического сопротивления, что повышает эффективность устройства и позволяет достичь цели предполагаемого изобретения.