Способ рассеивания тумана

Изобретение относится к области техники, предназначенной для сепарации капель жидкости из тумана, и может быть использовано для рассеивания тумана над контролируемой территорией. Это, прежде всего, аэродромы, скоростные автодороги, морские порты и т.п., где для управления транспортными средствами необходимо обеспечение дальности видимости, а также открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий. Кроме того, техническое решение может быть использовано для получения воды из движущихся переувлажненных воздушных масс воздуха, а также для очистки выбрасываемых в атмосферу газовых потоков от содержащихся в них капель жидкости.

На решение проблемы искусственного рассеивания тумана направлен целый ряд технических предложений. В патентах США №2160900, опубл. 06.06.1939 г., №2934275, опубл. 26.04.1960 г., №2527230, опубл. 24.10.1950 г. представлены способы рассеивания туманов, основанные на искусственной конденсации паров воды путем использования специальных веществ, реагентов. Однако данные методы для рассеивания теплых туманов не нашли практического применения.

Во время Второй мировой войны в Англии для рассеяния тумана над аэродромами использовался термический метод воздействия на туман 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. Известен способ теплового рассеивания тумана, который помимо теплового воздействия на туман использовал кинетическую энергию тепловой струи. См., например, патент США №2 969920, опубл. 31.01.1961 г., патент США №3712542, опубл. 15.03.1971 г. Данный метод также требовал значительных энергетических ресурсов

Известны способы электрического воздействия на атмосферу. Так, в патенте США №4671805, опубл. 09.06.1987 г. 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.

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, Массачусетс, 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). Работы по испытанию данного метода, проведенные с участием авторов, показали, что рассеивания тумана данным методом носит статистически значимый результат (см. В.Б. Лапшин, А.А. Палей. Результаты натурных экспериментов по оценке влияния коронного разряда на плотность тумана. Метеорология и гидрология, 2006, №1, стр. 41-47).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению является способ и устройство для рассеивания тумана по патенту RU №2534568, опубл. 27.11.2014 г. Известный способ заключается 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. В известном техническом решении электрически заряженный электрод формирует в окружающем его пространстве неоднородное электрическое поле. 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 к электрически заряженному электроду. Достигнув электрически заряженного электрода, капли тумана получают электрический заряд и электрическим полем по силовым линиям оттесняются к заземленной поверхности (см., например, W.D. Ristenpart, J.С. Bird, A. Belmonte, F. Dollar, H.A. Stone. Non-coalescence of oppositely charged drops. NATURE, Vol. 461, 17 September, 2009). Свободный от капель тумана воздух движется в сторону защищаемого объекта и вытесняет туман с контролируемой территории. Что и обеспечивает рассеивание тумана на контролируемой территории при незначительных энергетических затратах по сравнению со способами, использующими коронный разряд для электрического заряжания капель тумана. Вместе с тем, в известном способе тратится энергия на электрическое заряжание капель в момент контакта капель с электрически заряженным электродом.

Целью предлагаемого изобретения является снижение энергетических затрат на сепарацию капель и, как следствие, на рассеивание тумана.

Для достижения заявленной цели в известном способе рассеивания тумана, заключающемся в воздействии неоднородным электрическим полем на воздушный поток, движущийся в сторону защищаемого от тумана объекта, воздействие осуществляют переменным электрическим полем путем подачи переменного напряжения на электрически изолированный от воздушного потока электрод.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом техническом решении исключается возможность перетекания электрических зарядов от источника питания через электрически изолированную поверхность электрода на притягиваемые к ней капли. Вследствие того, что напряжение на электроде переменное, электрические заряды движутся то к поверхности, контактирующей с сепарируемыми каплями, то от нее. Электрические заряды, не успев достичь поверхности, контактирующей с сепарируемыми каплями, после смены знака напряжения возвращаются назад. Притягиваемые действующим неоднородным электрическим полем к электрически изолированной поверхности электрода капли тумана не получают электрического заряда, остаются на его поверхности и по мере накопления стекают в дренажную систему под действием сил тяжести, а свободный от капель воздушный поток движется в сторону защищаемого объекта, вытесняя туман с контролируемой территории.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Предварительно устанавливаются границы области, защищаемой от тумана. По данным многолетних наблюдений устанавливаются линии тока, по которым осуществляется натекание тумана на защищаемую область, и на допустимом удалении от защищаемой области устанавливаются устройства, обеспечивающие формирование неоднородного электрического поля. 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 переменное напряжение на электрически изолированный от воздушного потока электрод. В предлагаемом способе не предусматривается непосредственного контакта электрода с заземленной поверхностью. Электрическую изоляцию электрода осуществляют исходя из времен перетекания зарядов по возможному пути утечки заряда (длины пути утечки) от электрически заряженного электрода до участка на поверхности изоляции, на котором собираются сепарируемые из воздушного потока капли. Значение параметров изоляции определяется экспериментально в зависимости от качества поверхности изоляции, частоты переменного напряжения, характера импульса напряжения и пр. В качестве первого приближения может быть рекомендовано значение разрядного пути изоляции не менее 1 см на 1 Кв максимального значения разности потенциалов между электродом и заземленной поверхностью при частоте переменного напряжения 50 Гц. Для обеспечения максимальной надежности исключения вероятности перетекания электрических зарядов необходимо осуществлять подачу переменного напряжения на электрически изолированный от воздушного потока электрод через высоковольтный кабель, соединенный с электрически изолированным электродом с помощью высоковольтного разъема. В этом случае исключается перетекание электрических зарядов по поверхности изоляции, и перетекание электрических разрядов может быть обеспечено только так называемой объемной проводимостью диэлектрика. Выбор параметров диэлектрика, при которых обеспечивается исключение перетекания электрических зарядов на внешнюю поверхность изоляционного слоя электрода (поверхность, контактируемая с капельками жидкости), является очень сложной теоретической задачей, которую можно решить экспериментально. В экспериментах, проведенных авторами предлагаемого изобретения, при подключении электрода к источнику переменного напряжения с частотой 50 Гц покрытие электрода изоляционным слоем полихлорвиниловой изоляции толщиной 3 мм обеспечивало накопление на электроде капель воды в искусственно сформированном тумане в туманной камере при максимально возможном значении подаваемого напряжения. Дальнейшее увеличение напряжения приводило к образованию электрических разрядов. Таким образом, при использовании в качестве источника питания источника переменного напряжения промышленной частоты для электрической изоляции может быть использован слой изоляции, электрическое сопротивление которого при переменном напряжении промышленной частоты эквивалентно электрическому сопротивлению слоя изоляции из полихлорвинила толщиной не менее 3 мм. В пространстве между электрически заряженным электродом и заземленной поверхностью формируется электрическое поле. Для того чтобы сформированное электрическое поле было неоднородным, необходимо и достаточно выполнить электрод в виде выпуклой оболочки. При выполнении электрода в виде выпуклой оболочки сформированное электрическое поле будет неоднородным, и градиент электрического поля будет направлен в сторону электрода. 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 и сепарируются от воздушного потока. Капли тумана остаются на поверхности электрически изолированного электрода, а очищенный от капель тумана воздушный поток движется в сторону защищаемого объекта и вытесняет туман из контролируемой территории. Так как электрод электрически изолирован от окружающего пространства, исключается непосредственный контакт капель с электрически заряженной поверхностью электрода. А так как подаваемое на электрод напряжение переменное, исключается перетекание электрических зарядов на капли тумана от электрически заряженной поверхности электрода по поверхности, изолирующей электрод от окружающего воздуха. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает сепарацию капель без перетекания электрического заряда на капли с последующим их переносом на заземленную поверхность, что обеспечивает сокращение энергетических затрат и достижение заявленной цели. Как показали проведенные авторами изобретения экспериментальные исследования, решение задачи по исключению перетекания электрических зарядов на притягиваемые к электроду капельки при постоянном напряжении на электроде связано с большими техническими трудностями. Добиться накопления капель тумана на электроде при подаче на него постоянного напряжения в проведенных экспериментах не увенчалось успехом. Во всех проведенных экспериментах капли тумана осаждались на заземленных поверхностях. Электрод оставался всегда сухим. При использовании же переменного напряжения перетекание электрических зарядов ограничивается простым покрытием электрода слоем изоляционного материала. Знак же действующего на капли тумана неоднородного электрического поля не имеет значения. Капли тумана втягиваются в сторону электрода.

На рис. 1 и на рис. 1а представлена принципиальная схема устройства, позволяющего реализовать предлагаемый способ рассеивания тумана. Устройство включает в себя установленный на поверхности земли электропроводный, заземленный, прозрачный для прохождения воздушного потока W каркас 1, выполненный в виде набора полых ячеек 2, внутри каждой из которых с зазором относительно поверхности каркаса и электрически изолированно, например, на изоляторах 3 смонтированы электроды 4. Электроды 4 выполнены в виде электрически соединенной с источником переменного напряжения 5 выпуклой оболочки, покрытой слоем электрической изоляции 6.

Устройство работает следующим образом.

При подаче от источника переменного напряжения 5 на электрод 4 высокого напряжения на его поверхности 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 поверхности электрода 4 и накапливаются на слое изоляции 5, покрывающей поверхность электрически заряженного электрода 4. Таким образом, из проходящего воздушного потока через окружающее электрод пространство сепарируются капли воды. 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. 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. Таким образом, предложенное решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам позволяет решить задачу рассеивания тумана, практически без передачи электрических зарядов на сепарируемые капли, что позволяет снизить стоимость эксплуатационных затрат, достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение создано при поддержке РФФИ. Проекты №№14-08-00835, 15-08-04724.