УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОТИВОГРАДОВОГО И ПРОТИВОГРОЗОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ УДАРНЫМИ АКУСТИЧЕСКИМИ ВОЛНАМИ

Изобретению относится к области активного воздействия на атмосферные процессы и может быть использовано для борьбы с такими опасными метеорологическими явлениями, как град и гроза.
Стимулирование осадков и предотвращение града является актуальной проблемой сельского хозяйства во всем мире. Ежегодные потери сельского хозяйства превышают сотни миллионов долларов. Практически единственным эффективным способом предотвращения града является стимулирование осадков из градоопасных облаков.
Существующие способы стимулирования осадков, основанные на распылении реагентов с помощью авиационной и ракетной техники и артиллерийского обстрела, являются очень дорогостоящими и недоступны для подавляющей части крупных фермерских хозяйств и сельскохозяйственных объединений.
Перспективным и экономичным методом стимулирования осадков является воздействие ударных акустических волн на облака. В последние годы создана теория воздействия ударных акустических волн на микроструктуру облаков, способствующая активному распространению этого метода [1÷3].
В частности, определены метеорологические условия применимости метода стимулирования осадков под воздействием ударных акустических волн, разработаны и налажено производство генераторов ударных акустических волн, предназначенных для воздействия на микроструктуру облаков.
Известно устройство электрофизического воздействия на воздушно-капельные дисперсии в воздушной среде, в котором воздействие на скопление частиц жидкости в атмосфере осуществляют направляемыми на скопление тумана акустическими колебаниями частотой от 70 до 20 кГц с интенсивностью не менее 135 дБ, а используемое в составе установки оборудование включает в себя пьезоизлучатели специфической формы и размера, управляемый и перенастраиваемый по частоте У3-генератор, устройства контроля и регулирования изгибных колебаний пьезоизлучателей и устройства непрерывного мониторинга атмосферы [4].
К недостаткам указанного устройства следует отнести сложность аппаратурного оформления, что требует специфического и дорогостоящего обслуживания.
Данное устройство используется в основном для научных исследований атмосферы.
Известен также способ формирования акустических колебаний в атмосфере с помощью системы монопольных модульных акустических установок, распределенных на местности по узлам двумерной или трехмерной решетки и образующих на местности фазоактивную антенну.
Такой способ обеспечивает активное воздействие на метеопроцессы и метеоявления посредством использования акустического излучения для изменения характера кинетических процессов в атмосфере и обеспечивает ускорение конденсационного роста крупных капель в облачной среде посредством дистанционного воздействия на определенный участок атмосферы направленным акустическим излучением с частотой из акустических излучателей колебаний избыточного давления воздуха порядка 4,5÷5,5 Гц [5].
К недостаткам указанного способа следует отнести необходимость предварительного развертывания на местности сетки, состоящей из модульных акустических установок, которые располагают в узлах фазоактивной антенной решетки, что делает его малопригодным для оперативного использования при проведении работ по обработке градоопасных облаков.
Также известно устройство генерирования акустических волн в атмосфере, состоящее из ионизатора, образованного двумя звукопроницаемыми и связанными с источником постоянного напряжения и модулятором звуковых волн электродами, между которых расположен ионизирующий электрод [6].
К недостаткам указанного устройства следует отнести его невысокую эффективность и малый радиус действия, вследствие чего устройство может использоваться в основном для воздействия на воздушную среду в ограниченных объемах (например, для рассеивания тумана или дымовой завесы в производственных помещениях, автодорогах или местах проведения массовых мероприятий).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство воздействия на атмосферу акустическими ударными волнами, в котором ударная волна формируется в реакторе установки после поджига горючей ацтиленовой смеси.
При подаче искры зажигания в реактор (камеру сгорания) происходит пробой газового топлива, резкое возрастание давления, и в результате в формируется мощная ударная волна с избыточным давлением на выходе Р=3÷8 кПа, что соответствует интенсивности (J=166 дБ).
Число Маха ударной волны составляет при этом М=4,46, длительность импульса волны ~ 20 мс, средняя энергия в импульсе ~ 600 кДж (при условии 100% преобразования энергии топлива в энергию ударной волны).
Ударная волна направляется вертикально вверх через выходящий из реактора конический рупор длиной Е ~ 400 см, диаметр которого на выходе составляет ~80 см (угол раскрытия рупора α равен 8°).
Установка функционирует в импульсно-периодическом режиме с частотой следования 4÷6 с [7].
Установка содержит реактор (камеру сгорания), который представляет собой цилиндрический корпус с закругленным дном и закругленной верхней частью, переходящей в горловину. Реактор оснащен газовым вводом, через который осуществляется подача в него рабочего газа. Дно реактора прочно закреплено на бетонной опорной площадке опорными стойками. Реактор в своей нижней части имеет отверстие для впуска воздуха, которое снабжено выпускным клапаном, который открывается внутрь, и предназначен для обеспечения притока воздуха в реактор после каждого цикла зажигания. Электромагнитный впускной клапан управляет потоком ацетилена из внешнего резервуара в центральную часть реактора. Для воспламенения ацетиленового газа, впрыскиваемого в реактор, предусмотрено устройство зажигания, состоящие из электродов искрового зазора и катушки генератора высокого напряжения (на рисунке не показаны). Конический рупор имеет верхний конец большого диаметра и нижний конец малого диаметра, который соединен с верхним отверстием в горловине реактора.
Через впускной клапан в заполненный воздухом реактор осуществляют ввод рабочего газа (ацетилена) до тех пор, пока в реакторе не окажется количество газа, достаточное для полного взрыва, приводящего к ударной волне. В реакторе происходит смешивание ацетилена с воздухом, и через короткое время после закрытия впускного клапана на размещенные внутри реактора электроды устройства зажигания подается искра, вследствие чего газовая смесь взрывается.
Работа впускного клапана регулируется устройством управления дистанционного действия.
Импульс газов сгорания (ударная волна) направляется коническим рупором вверх, этот импульс вызывает направленное вниз отрицательное давление, которое создается в реакторе, вследствие чего происходит открытие выпускного клапана, и воздух из окружающей среды через отверстие, в котором размещен выпускной клапан, с большой скоростью заполняет реактор.
Строго говоря, выпускной клапан здесь выполняет вспомогательную функцию, поскольку заполнение реактора атмосферным воздухом после взрыва ацетиленовой смеси осуществляется через рупор, причем скорость потока воздуха, поступающего через рупор, намного меньше скорости потока воздуха, поступающего через выпускной клапан. Функцией выпускного клапана прежде всего является формирование встречного потока воздуха, предотвращающего попадание в реактор через рупор вместе с воздухом капель дождя или снега, т.е. обеспечение стабильности состава воздушной смеси в реакторе.
Звуковое поле, генерируемое такой ударной волной, вызывает изменение микроструктуры облака: изменяются условия конденсации крупных капель, а структура уже сформировавшегося в облаке града становится нестабильной, и такой град выпадает на землю в виде дождя или мокрого снега [7].
Основной недостаток, присущий данной установке - повышенная взрывоопасность, вследствие чего безопасная эксплуатации установки требует обеспечения целого комплекса защитных и организационных мер (в частности, наличие безопасного и прочного основания и ограждения, системы удаленного управления установкой, укрепленных боксов для размещения баллонов с ацетиленом и т.п.), что существенно увеличивает эксплуатационные затраты, и в конечном итоге - стоимость самого оборудования.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является устранение возможности взрыва реактора установки.
H
B
H
B
Это достигается за счет того, что в установке для воздействия на атмосферу ударными акустическими волнами, содержащей реактор цилиндрической формы, выходящий из верхней части реактора расширяющийся кверху конический рупор, расположенный в верхней части реактора основной газовый ввод и расположенный на входе газового ввода клапан впуска рабочего газа, характеризующейся тем, что в качестве рабочего газа используют воздух, реактор оснащен горизонтальной упругой перегородкой, разделяющей объем V его нижней части от объема V его верхней части так, что V=V (0,1÷0,05), нижний конец рупора упирается в упругую перегородку, нижняя часть реактора оснащена дополнительным газовым вводом, совмещенным с основным газовым вводом, а нижняя часть реактора оснащена клапаном выпуска рабочего газа, открываемого только после закрытия клапана впуска рабочего газа.
Конструкция установки заявляемой полезной модели поясняется чертежом (фиг. 2), где:
1 - реактор;
2 - клапан впуска рабочего газа;
3 - основной газовый ввод;
3' - дополнительный газовый ввод;
4 - клапан выпуска рабочего газа;
5 - конический рупор;
6 - гибкая мембрана;
7 - нижний конец рупора;
8 - верхний конец рупора;
9 -опорные стойки реактора;
10 - опорная площадка.
Поскольку задачей, поставленной при разработке указанного устройства, являлось обеспечение взрывобезопасности при проведении работ по предупреждению градообразования, при изготовлении конструкции установки и выборе технологических режимов процесса генерации ударных волн были выбраны те же параметры, что и в прототипе [7], а именно.
а) конструктивные параметры рупора (угол раскрытия рупора α=8°):
- длина рупора - 400 см;
- диаметр рупора на выходе - 80 см;
- диаметр рупора на входе - 24 см.
б) максимальное давление рабочего газа в реакторе - 6,0 кПа.
в) периодичность импульса ударных волн - 5 с.
H
B
H
B
Соотношение объемов нижней V и верхней V частей реактора как V=V (0,1÷0,05) выбрано экспериментально из соображений обеспечения оптимальных условий сброса давления в нижней части реактора, при которых обеспечиваются минимальные амплитуды деформации мембраны и увеличении срока ее эксплуатации до разрыва.
Периодичность импульса ударных волн установлена аналогичной прототипу и равной 5 с, однако в общем случае ее максимальная величина не превышает 1 с и ограничивается только временем установления стационарного газодинамического режима в реакторе после напуска рабочего газа (воздуха) до рабочего давления 6 кПа.
В нашем же случае периодичности) импульса ударных волн является периодичность открытия клапана выпуска воздуха из нижней части реактора.
Пример практической реализации полезного объекта.
Установка выполнена из стыкующихся между собой методом фланцевого соединения основных узлов. На фиг. 3 представлен схематический сборочный чертеж установки, поясняющий деталировку установки и порядок монтажа.
1
2
3
1
2
3
Тело реактора А установки представляет собой стальной цилиндр длиной 150 см с толщиной стенки 5 мм, верхний и нижний торцы которого оканчиваются фланцами. Нижняя часть тела реактора А скреплена с полусферической донной частью реактора Б с помощью фланцевого соединения. Донная часть реактора Б и нижняя часть тела реактора А оснащены газовыми вводами B, В и В соответственно, на концах которых также имеются крепежные фланцы. К газовым вводам В и В прикреплялся объединительный газовый ввод В, после чего к газовым вводам В и В присоединяли впускной и выпускной клапана соответственно (на рисунке не показаны). Между фланцем тела реактора А и фланцем донной части реактора Б закреплена упругая перегородка Г, представляющая собой лист вакуумной резины толщиной 1 мм, на стороне которой, обращенной к телу реактора, закреплен стальной диск Д диаметром 30 мм и толщиной 1 мм.
К верхней части тела реактора А прикреплена полусферическая верхняя крышка Е, имеющая в своей верхней части кольцевое отверстие, переходящее в короткий тубус Ж с крепежным фланцем на конце.
Через кольцевое отверстие в верхней крышке Е монтировался рупор 3 так, что его нижний торец фиксировался на плоскости стального диска Д упругой перегородки Г. Кромка нижнего торца рупора выполнена обрезиненной с целью обеспечения надежного примыкания к плоскости диска Д.
В свою очередь рупор 3 фиксировался на крышке реактора Е с помощью имеющегося на нем кольцевого фланца И.
К телу реактора А и к срединной части рупора 3 дополнительно приваривались стальные уголки, которыми обеспечивалась фиксация всех элементов установки между собой и с опорным основанием (металлической плитой).
Смонтированная таким образом установка оказывается полностью пригодной для воздействия на атмосферу акустическими ударными волнами, не используя при этом взрывоопасные смеси и газы.
Краткое описание работы установки
Сначала в реактор через впускной клапан подается воздух из баллона высокого давления до достижения давления в реакторе 6 кПа и установления режима стационарности в нем. Процесс напуска занимает, как правило, не более 3 с, после чего устройством управления подается сигнал на открытие выпускного клапана, в результате чего давление в нижней части реактора падает до атмосферного.
Это приводит к практически мгновенному передавливанию упругой перегородки к донной стенки нижней части реактора избыточным давлением объема воздуха верхней части реактора, расположенной над перегородкой, и открывается доступ воздуха, сжатого до 6 кПа, в нижний конец рупора.
Вследствие этого происходит падение давления в верхней части реактора от 6 кПа до нулевого, что приводит к возникновению импульса давления и образованию ударной волны, которая направляется в рупор.
Процесс обработки атмосферы ударными акустическими волнами с помощью разработанной установки оказывается крайне несложным и безопасным и при необходимости может быть полностью автоматизирован, т.е. возможна реализация процесса без участия человека.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в установках, предназначаемых для воздействия на атмосферу акустическими ударными волнами, замены взрывоопасной смеси на воздух.
Источники информации
1. Немцов Б.Е., Эйдман В.Я. Коллективный эффект конденсации капель под действием звука // Акустический журнал. 1989. Т. 35. Вып. 5. С. 882-886.
2. Галечян Г.А. Влияние акустических волн на стимулирование дождей // Альтернативная энергетика и экология. 2005. Т. 28. №8. С. 56-61.
3. Варданян А.А., Галечян Г.А., Перепелкин В.Г., Чунчузов И.П. О генерации ударной волны в установке градовой защиты // Журнал технической физики. 2011. Т. 81. С. 144-146.
4. Заявка РФ №2009130948 А от 13.08.2009 г.
5. Заявка РФ №20101448748 А от 29.11.2010 г.
6. Международная заявка № WO 2012/002924 А1 от 05.01.2012 г.
7. Патент США №5445321 от 29.08.1995 г. - прототип.