УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНА
APPARATUS FOR FOG DISPERSAL

Изобретение относится к области техники, предназначенной для рассеивания тумана над различными наземными объектами, к которым следует отнести аэродромы, скоростные автодороги, морские порты и т.п., где для управления транспортными средствами необходимо выполнение требований по дальности видимости, а также открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий. Кроме того, предлагаемое устройство может быть использовано для очистки газовых потоков от содержащихся в нем капель жидкости.
Известен способ рассеивания тумана, основанный на испарении капель тумана и формировании восходящих воздушных потоков путем сжигания топлива на контролируемой территории (проект FIDO, см., например https://habr.com/post/391039/). Устройство для рассеивания тумана, реализующее известный способ, состояло из трех труб, проложенных с обеих сторон взлетно-посадочной полосы аэродрома. Две лежали на земле, верхняя располагалась над ними; в нижних трубах были выполнены отверстия. В верхний трубопровод нагнеталось горючее, которое перетекало в нижние трубы и через отверстия било струйками вверх. Струи горючего поджигались, верхняя труба прогревалась, горючее в ней испарялось, и система выходила на рабочий режим: из отверстий била не жидкость, а бензиновые пары, образующие факелы высотой 60-180 см. Тепло от пламени нагревало воздух в окружающем пространстве. Капельки тумана испарялись, формировались восходящие воздушные потоки и туман рассеивался. Известное устройство успешно применялось на практике и обеспечивало посадку самолетов в условиях мощных туманов. Однако известное устройство отличается высокой энергоемкостью (более 100 литров горючего в сек) и не нашло широкого применения.
Известны способы электрического воздействия на туман. Так, в патенте США №4671805, опубл. 09 июня 1987 года, 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.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», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г., стр. 287-293). Работы по испытанию данного метода, проведенные с участием авторов показали, что рассеивание 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.
Известно устройство рассеивания тумана, описание которого изложено в патенте РФ №2124288 С1, кл. Е01Н 13/00, 19.12.1997 г., опубл. 10.01.1999 г., бюл. №1. Известное 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.
Известное техническое решение достаточно успешно решает задачу рассеивания тумана.
См., например https: //www.youtube.com/watch?v=3HnMTvwBOXk, https://www.youtube.com/watch?v=PGGkdaVStXs. 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. Вместе с тем, устойчивость горения коронного разряда, а, следовательно, и эффективность работы устройства в значительной степени зависит от точности величины зазора между коронирующими проводами и заземленной сеткой. В местах, где зазор меньше проектного значения происходит электрический пробой, и вся система генерации коронного разряда выключается. В местах же, где значение зазора больше проектного значения, интенсивность коронного разряда недостаточна для эффективного рассеивания тумана.
Обеспечить требуемые характеристики плоскостности поверхности сетки очень сложная техническая задача.
Известно устройство для рассеивания тумана по патенту РФ 2516988R.U С1, МПК A01G 13/00 (2006/01), опубл. 27.05.2014 г., бюл. №15. Данное устройство содержит установленную на раме заземленную электропроводную сетку, поверх которой с определенным шагом установлены электропроводные стержни, вдоль поверхностей которых, с зазором установлены соединенные с высоковольтным источником питания коронирующие электроды. Стабильность зазора разрядного промежутка между коронирующими электродами и заземленной поверхностью в известном устройстве обеспечивается жестким креплением элементов заземленной поверхности на раме. Также жестко на кронштейнах, закрепленных на раме, через изоляторы устанавливаются направляющие с закрепленными на них коронирующими электродами. Гарантированность точности значения зазора разрядного промежутка в известном устройстве обеспечивается тем, что и заземленные электропроводные стержни, и коронирующие электроды жестко закреплены на раме. Создаются благоприятные условия для формирования устойчивого коронного разряда с наперед заданными параметрами, и обеспечивается эффективная работа устройства рассеивания тумана. Вместе с тем, формируемый ветровой поток, который направляется в область защищаемого от тумана пространства и обеспечивает вытеснение из нее тумана, определяется скоростью ионного ветра, значения которой в известном способе незначительны (1-2 м/сек). Обеспечивается рассеивание тумана только лишь в условиях полного штиля, либо только в подветренном пространстве. И для рассеивания тумана на значительной территории, например, на автомобильной дороге, требуется монтаж такого устройства практически вдоль всей линии ее протяженности.
Известны способы рассеивания тумана путем формирования струи подогретого и осушенного воздуха (патенты на изобретение 2174301Ru, 2164368Ru, 2160001Ru, KR201550121909, KR20120088177). Данные способы обеспечивают формирование струи, имеющую большую скорость, что позволяет регулировать направление воздействия струи, и обеспечить вытеснение тумана на больших территориях. Вместе с тем, данные технические решения отличаются значительным энергопотреблением.
Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является устройство для рассеивания тумана, описание которого изложено в патенте 2160001Ru. Известное устройство включает в себя воздухозаборник, турбину с электроприводом, узел осушения воздуха и выходной патрубок. Описанное устройство позволяет сформировать струю очищенного от капель тумана воздуха, динамическим напором которой туман вытесняется из контролируемой территории. Так как вытесняющий туман воздушный поток
очищен от капель тумана, на контролируемой территории условия видимости улучшаются. Очистка воздушного потока от капель тумана в известном устройстве обеспечивается специальным узлом осушения воздуха, который выполнен в виде установленных друг за другом камеры конденсации и компрессора. На входе камеры конденсации установлен завихритель. Компрессор создает разряжение в камере конденсации. За счет адиабатического расширения воздуха в камере конденсации температура всасываемого воздуха снижается. Содержащиеся в воздушном потоке пары воды конденсируются. Установленный на входе камеры конденсации фильтрующий элемент в виде завихрителя, который придает потоку воздуха вращение, в результате которого капли воды, вследствие действия на них центробежных сил от вращения потока, отбрасываются к стенкам камеры, стекают по ним в сборник конденсата, и воздушный поток очищается от капель тумана. Известное устройство позволяет сформировать струю воздушного потока, очищенную от капель тумана, и обеспечить рассеивание тумана на контролируемой территории. Вместе с тем, для эффективной очистки воздушного потока от капель тумана в известном устройстве недостаточно применения завихрителя. Путем вращения потока отделяются только крупные капли. Для очистки от мелких капель в известном устройстве используется сложная схема укрупнения капель путем дополнительной конденсации содержащихся в тумане паров воды. Дополнительно используется компрессор для формирования в очищаемом потоке условий адиабатического расширения очищаемого воздушного потока, что усложняет конструкцию устройства и повышает затраты на ее изготовление.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и снижение затрат на ее изготовление.
Для достижения заявленной цели в известном устройстве, содержащем установленный в воздушном канале вентилятор с приводом, на оси которого закреплен фильтрующий элемент, фильтрующий элемент выполнен в виде пористой с открытыми порами конструкции, окруженной прикрепленной к корпусу воздушного канала обечайкой с выполненным в нижней ее части дренажным отверстием, внутренний диаметр которой превышает не менее чем на 5 мм диаметр воздушного канала;
пористая с открытыми порами конструкция выполнена в виде фрагментов диска, закрепленных на лопатках вентилятора.
Технический результат в предлагаемом техническом решении достигается за счет того, что в отличие от известного устройства в предлагаемом техническом решении фильтрующий элемент не закручивает поток. Пористая с открытыми порами конструкция обеспечивает сквозной проход воздушного потока через открытые поры фильтрующего элемента. Капли сталкиваются с элементами конструкции пор фильтрующего элемента, прилипают к ним и отделяются от воздушного потока. По мере накопления капель на
элементах конструкции пор они укрупняются и под действием центробежных сил отбрасываются к периферии. Сепарация капель в предлагаемом техническом решении от воздушного потока происходит вследствие столкновения капель с элементами конструкции фильтра. В известном же устройстве сепарация капель осуществляется за счет действия центробежных сил, действующих на капли вследствие вращения потока, которые являются инерционными силами. Инерционные силы, как известно, пропорциональны массе частиц (см., например, Б.М. Яворский, Ю.А. Селезнев «Справочное руководство по физике», издание 4-е, М, "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1998, стр. 164):
где m - масса частицы;
а - ускорение ее движения.
Учитывая, что масса частицы пропорциональна ее объему, то
где r - радиус частицы.
Аэродинамические же силы вынуждают капли двигаться с воздушным потоком
Отношение аэродинамических сил к инерционным силам определяет «связанность» частиц с газовым потоком
значение которого при r→0 стремится к бесконечности.
Таким образом, чем меньше частица, тем сильнее она связана с потоком, и мелкие капли тумана движутся практически со скоростью потока, обтекая на своем пути встречающиеся препятствия. Поэтому, для сепарации капель тумана путем закручивания очищаемого потока в известном устройстве используется конденсатор, позволяющий увеличить размер капель и, соответственно, обеспечить сепарацию капель тумана.
В предлагаемом же устройстве сепарация капель обеспечивается за счет его фильтрации путем продвижения очищаемого потока через фильтрующий элемент, выполненный в виде пористой с открытыми порами конструкции. Требуемый уровень эффективности сепарации капель в фильтрующем элементе обеспечивается за счет увеличения скорости столкновения капель с элементами его конструкции. Эффективность сепарации капель воды можно определить, используя известное соотношение, в литературе определяемое как критерий Стокса. См., например, Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 452 с.:
где λ - инерционный пробег капли в воздухе;
R - радиус конструктивного элемента пористого материала;
ρ - плотность воды;
0
ϖ - скорость движения очищаемого воздушного потока относительно конструктивных элементов пористого материала;
d - диаметр капли;
μ - динамическая вязкость воздуха.
tk
Теория инерционного осаждения [Ветошкин А.Г. Основы инженерной защиты окружающей среды. - М: Инфра-Инженерия, 2019. - 452 с.] определяет, что при малых значениях чисел Стокса S (у частиц малого размера и малой массы) частицы точно следуют по линиям тока движения воздуха, не соприкасаясь с фронтальной (передней) частью обтекаемого тела. Лишь незначительная часть мелкодисперсных капель вследствие турбулентных завихрений может попасть на тыльную часть обтекаемой поверхности. Таким образом, для повышения вероятности столкновения капель тумана с поверхностью материала, образующего поры фильтрующего элемента, а следовательно, для повышения эффективности сепарации капель необходимо повышать число Стокса. В предлагаемом техническом решении большое значение числа Стокса обеспечивается за счет того, что в предлагаемом техническом решении конструктивные элементы, образующие поры фильтрующего элемента, движутся относительно очищаемого воздушного потока. В дополнение к скорости перемещения воздушного потока добавляется еще и скорость перемещения пористой с открытыми порами конструкции, со скоростью, определяемой угловой скоростью вращения вентилятора, что позволяет осаждать на элементах пористой конструкции мелкие капли, любого наперед заданного размера. По мере их накопления на элементах пористой конструкции мелкие капли между собой сливаются и укрупняются. При увеличении размеров капли, центробежные силы начнут превышать значение капиллярных сил, укрупненные капли будут отбрасываться к периферии и выводиться из потока. Укрупнение капель в предлагаемом техническом решении обеспечивается путем их механического накопления на поверхности конструктивных элементов пор без использования конденсатора, что упрощает конструкцию без снижения эффективности ее работы. Очистка проводится за счет обычной фильтрации. Требуемая эффективность
фильтрации обеспечивается за счет продвижения очищаемого воздушного потока сквозь поры фильтрующего элемента, вращающегося на оси привода вентилятора.
На рисунке 1 представлена условная схема устройства для рассеивания тумана, пористая с открытыми порами конструкция выполнена в виде диска.
На рисунке 2 представлена схема устройства для рассеивания тумана, пористая с открытыми порами конструкция которого выполнена в виде фрагментов диска, закрепленных на лопатках вентилятора.
Устройство рассеивания тумана содержит установленный в воздуховоде 1 вентилятор с приводом, включающий в себя лопатки вентилятора 2, закрепленные на оси привода 3. На оси привода 3 также закреплен фильтрующий элемент, выполненный в виде пористой с открытыми порами конструкции. Пористая (с открытыми порами) конструкция может быть выполнена по известным конструктивным схемам пространственных конструкций, выполненных с зазорами между элементами конструкции, позволяющим прохождение сквозь нее воздушного потока, например, в виде спиц колеса (см., например, https://www.google.com/search?q=спицы+колеса), либо в виде сплетенной (с зазором между собой) из тонкой проволоки пространственной конструкции, по аналогии с известными схемами, см., например, https://daly.ru/katalog/kapleulovitel-ultraset/. Также может быть выполнена из пористого с открытыми порами материала, например, вспененного полиуретана (https://ffvm.ru/produktsiya/penopoliuretan-dlya-filtrov-ppu.php), либо из других широко представленных на рынке фильтрующих материалов. Основное требование к фильтрующему элементу - наличие открытых пор для прохождения сквозь нее воздушного потока и продвижения по ее порам сепарируемой жидкости от оси к периферии, а также отсутствие дисбаланса при его вращении на оси привода. Размер открытых пор фильтрующего материала определяется на стадии проектирования в зависимости от скорости вращения привода вентилятора, требуемой степени очистки газового потока и ограничениями по аэродинамическому сопротивлению продвижения воздушного потока в воздуховоде 1. Для устранения дисбаланса пористой с открытыми порами конструкции, удобнее всего ее выполнить в виде диска 4, как показано на рис. 1, либо в виде фрагментов диска 5 (рис. 2), закрепленных на лопатках вентилятора 2. К корпусу воздуховода 1, в области, окружающей пористую с открытыми порами конструкцию (диск из пористого с открытыми порами материала 4, либо в виде закрепленных на лопатках вентилятора 2 фрагментов диска из пористого с открытыми порами материала 5 прикреплена обечайка 6. Обечайка 6 выполнена длиной не менее, чем толщина диска 4, либо толщина фрагментов диска 5, а ее внутренний диаметр превышает
не менее, чем на 5 мм внутренний диаметр корпуса 1. В нижней части обечайки 6 выполнено дренажное отверстие 7.
На рисунке 2 представлена условная схема устройства с использованием осевого вентилятора. Аналогично, диск из пористого с открытыми порами материала может быть установлен и на оси двигателя центробежного вентилятора.
Учитывая, что пористая с открытыми порами конструкция в устройствах, представленных на рисунке 1 и рисунке 2, совершает вращательное движение со скоростью вращения лопаток вентилятора 2, капли воды, содержащиеся в очищаемом воздушном потоке, захватываются набегающими на них конструктивными элементами пор и осаждаются на их поверхности. Относительная скорость движения между каплями тумана и элементами конструкции пор, которая определяет вероятность столкновения капель тумана с конструктивными элементами, определяется скоростью вращения привода вентилятора. Путем повышения оборотов вращения двигателя вентилятора можно добиться практически любой, наперед заданной степени очистки тумана от капель без использования конденсатора.
Таким образом, предложенное решение, благодаря новым признакам в сочетании с известными, позволяет упростить конструкцию устройства рассеивания тумана без снижения его эффективности, снизить затраты на ее изготовление и достичь цели предполагаемого изобретения.