СПОСОБ РАССЕИВАНИЯ ТУМАНА
METHOD FOR FOG DISPERSION

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.
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 рассевался. Известное устройство успешно применялось на практике и обеспечивало посадку самолетов в условиях мощных туманов. Однако, известное устройство отличается высокой энергоемкостью (более 100 л горючего в сек.) и не нашло широкого применения.
Известны способы электрического воздействия на туман. Так, в патенте США №4671805, опубликованном 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_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", 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., опубликованном 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 2516988 Ru С1, МПК A01G 13/00 (2006/01), опубликованному 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, соединенные с высоковольтным источником питания. 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 ионным ветром, значение скорости которого в известном способе незначительно (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.
Известен способ рассеивания тумана путем формирования струи подогретого и осушенного воздуха (патенты на изобретение 2174301 Ru, 2164368 Ru, 2160001 Ru, KR 201550121909, KR 20120088177). Данные способы обеспечивают формирование струи, имеющую большую скорость, что позволяет регулировать направлением воздействия струи и обеспечить вытеснение тумана на больших территориях. Вместе с тем, данные технические решения отличаются значительным энергопотреблением.
Наиболее близким способом к предлагаемому относится способ рассеивания тумана, изложенный в патенте 2661765 Ru. Данный способ рассеивания тумана заключается в воздействии на капли тумана электрическим полем, формируемым с наветренной от контролируемого объекта стороны. Процесс воздействия на капли тумана электрическим полем предваряют генерацией коронного разряда в объеме тумана, проходящего через область действующего электрического поля. Данный способ не отличается большим потреблением энергии. Однако данный способ ограничен в своем потреблении. Его реализация возможна лишь в условиях защиты контролируемой территории, когда туман натекает на контролируемую территорию. В условиях же штиля у него очень низкая эффективность, и реализация данного способа невозможна.
Наиболее близким устройством рассеивания тумана к предлагаемому, можно отнести устройство рассеивания тумана, представленное в патенте 2610315 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, которые выполнены 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 вышележащих 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.
v
где F - аэродинамическая сила;
i
F - инерционная сила;
r - характерный размер капли;
1
2
k, k, k - постоянные коэффициенты.
Для маленькой капли, размер которой r→0, значение k→∞
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://m.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.
Цель предлагаемого изобретения - повышение эффективности.
Для достижения заявленной цели в известном способе рассеивания тумана, заключающийся в воздействии электрическим полем на электрически заряженные капли тумана, процесс воздействия на электрически заряженные капли тумана электрическим полем осуществляют в области продвижения предварительно сформированного воздушного потока сквозь установленный в воздуховоде пористый с открытыми порами фильтрующий элемент;
известное устройство рассеивания тумана, содержащее установленные друг над другом под углом к горизонту водонепроницаемые пластины, в зазоре между которыми закреплен пористый с открытыми порами фильтрующий материал, снабжено соединенными высоковольтным кабелем с источником высокого напряжения электродами, электрически изолированно установленными между заземленными водонепроницаемыми пластинами;
электроды выполнены в виде труб со стенками из электроизоляционного материала с внутренним армированием электропроводной прослойкой, герметически соединенных с электрически изолированной токоподводящей трубой, во внутренней полости которой, заполненной электроизоляционным материалом, проложен высоковольтный кабель, электрически соединенный с электропроводными прослойками труб.
Технический эффект достигается за счет того, что воздействие электрического поля на электрически заряженные капли в предлагаемом изобретении осуществляется в порах фильтрующего элемента. Если в известном способе капли удаляются в открытом пространстве, и для удаления капель тумана необходимо электрическим полем обеспечивать перемещение капель относительно линий тока движущегося воздушного потока на значительное расстояние, измеряемое несколькими метрами. То в предлагаемом техническом решении капли удаляются путем воздействия на них электрическим полем в порах фильтрующего элемента. Электрическое поле используется для столкновения капель с элементами конструкции фильтра. Далее, капли осаждаются на поверхности конструкции фильтра и сепарируются от воздушного потока. Достаточно незначительного смещения электрическим полем капель тумана от линий тока сформированного воздушного потока, соизмеримого с размерами пор фильтрующего элемента, измеряемого микронами, что значительно более эффективно, чем в известном методе.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем. Рассеивание тумана на контролируемой территории осуществляется с наветренной стороны от защищаемого от тумана объекта. Туман с контролируемой территории вытесняется струей очищенного от капель тумана воздушного потока. Как показали проведенные лабораторные эксперименты, для надежного вытеснения тумана необходимо иметь скорость струи выходящего из воздуховода воздушного потока не менее 3 м/сек. Струя очищенного от капель тумана воздушного потока формируется в два последовательных этапа: формирование воздушного потока и последующая очистка его от содержащихся в нем капель тумана. Формирование воздушного потока осуществляется из надвигающегося на контролируемую территорию тумана, наполненного электрически заряженными каплями тумана. 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. Для повышения эффективности рассеивания тумана в области, прилегающей к месту проведению работ по рассеиванию тумана на удалении не менее 5 метров с наветренной стороны, осуществляют генерацию в тумане коронного разряда. Либо, генерация коронного разряда может осуществляться непосредственно в устройстве, осуществляющем формирование воздушного потока. Формирование воздушного потока, содержащего электрически заряженные капли тумана, может осуществляться:
естественным образом, используется энергия движущегося ветрового потока, обеспечивающего натекание тумана на защищаемый объект;
с помощью вентилятора;
с помощью специального генератора ионного ветра, см., например, патент на изобретение №27345550.
Сформированный воздушный поток с электрически заряженными каплями тумана направляется в воздуховод, поперечное сечение которого перекрыто установленным в нем пористым с открытыми порами фильтрующим элементом и за счет динамического напора продвигается сквозь его поры. На продвигающиеся в порах фильтрующего материала электрически заряженные капли осуществляют воздействие электрическим полем. Электрически заряженные капли под действием сил электрического поля отклоняются от линий тока ветрового потока, сталкиваются с элементами конструкции фильтра, осаждаются на их поверхности и сепарируются от воздушного потока. Очищенный от капель тумана воздушный поток выходит из воздуховода и динамическим напором своей струи вытесняет туман с контролируемой территории. Как показали проведенные лабораторные эксперименты, для надежного вытеснения тумана необходимо иметь скорость струи выходящего из воздуховода воздушного потока не менее 3 м/сек. В случае, если энергии набегающего потока недостаточно для обеспечения такой скорости используются вентиляторы или специальные генератора ионного ветра, см., например, патент на изобретение №27345550.
На рис. 1 представлена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ рассеивания тумана.
Устройство рассеивания тумана содержит свободный для прохождения очищаемого газового потока каркас, выполненный в виде стоящих напротив друг друга стоек 1. Внутри каркаса между закрепленными под углом а к горизонту на стойках 1 перегородками 2 электрически изолированно, например, на изоляторах 3, установлены электроды 4, электрически соединенные с высоковольтным источником питания 5. В пространстве каркаса между перегородками 2 и электродами 4 смонтирован фильтрующий материал 6. При необходимости, в случае недостаточной жесткости фильтрующий материал может быть обрамлен сеткой 7, закрепленной с обоих сторон между стойками 1 каркаса. Фильтрующий материал 6 может быть выполнен из любых представленных на рынке фильтрующих материалов. Например, металлы, полимеры, керамические материалы, стекловолокно, угольное волокно, 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. Пористость фильтрующего материала определяется на этапе проектирования устройства, в зависимости от его назначения и требований к степени фильтрации. Пористость материала определяется из условий обеспечения свободного прохождения тумана через устройство за счет динамического напора естественного ветрового потока или используемых технических средств, вентилятора или генератора ионного ветра. При необходимости усиления динамического напора ветрового потока вокруг устройства могут быть смонтированы динамические отражатели 8, направляющие естественный ветровой поток из окружающего устройства пространства для прохождения его через поперечное сечение устройства. Размер динамических отражателей 8 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 - непроницаемость для сепарируемой жидкости. Шаг перегородок 2 и, соответственно, шаг электродов 4 выбирается путем экспериментального подбора. Учитывается пористость фильтрующего материала 6, его толщина, допустимое его переувлажнение, а также напряжения высоковольтных источников питания 5, электрическая прочность изоляторов 3. 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 9 для отвода сепарируемой жидкости.
Описание устройства представлено для использования его в качестве средства для рассеивания тумана, очистки естественных движущихся воздушных масс (тумана) от содержащихся в них капель. При использовании устройства для очистки газовых потоков, где используются специальные устройства для формирования газовых потоков, каркас может быть выполнен в виде поверхности, охватывающей сформированный газовый поток, чтобы исключить утечку очищаемого газа вследствие избыточного давления от нагнетателя газового потока, например, может быть выполнен в виде цилиндра.
На рис. 2 представлена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ рассеивания тумана, в которой электроды выполнены в виде труб со стенками из электроизоляционного материала с внутренним армированием электропроводной прослойкой. В качестве таких труб могут быть использованы широко представленные на рынке полипропиленовые трубы, с внутренним армированием алюминием. См., например, https://www.fdplast.ru/polipropilenovye-truby/armirovannye-alyuminiem/. Устройство включает в себя свободный для прохождения очищаемого газового потока каркас, выполненный в виде стоящих напротив друг друга стоек 1. Внутри каркаса, между закрепленными под углом а к горизонту на стойках 1 перегородками 2, установлены электроды 3, выполненные из труб со стенками из электроизоляционного материала с внутренним армированием электропроводной прослойкой 4. С одного конца каждая труба герметично закрыта заглушкой 5, а другим концом через тройник 6 герметично соединена с токоподводящей трубой 7. Заглушка 5, тройник 6 и токоподводящая труба 7 выполнены из электроизоляционного материала, например, также, как и электрод 3, из полипропилена. Герметичность соединения труб электродов 3 с заглушками 5 и через тройники 6 с токоподводящей трубой 7 может быть осуществлено сваркой, широко используемой при монтаже систем отопления из полипропиленовых труб. См., например, https://trubanet.ru/plastikovye-truby/svarka-polipropilenovykh-trub-video-uroki.html. Электропроводные прослойки 4 электродов 3 внутри токоподводящей трубы 7 электрически соединены с высоковольтным кабелем 8, проложенным через монтажное отверстие, выполненное в установленной на одном из концов токоподводящей трубы 7 заглушке 9. Внутренняя полость токоподводящей трубы 7 заполнена электроизоляционным материалом 10 и с противоположного конца герметично закрыта заглушкой 11. Пространство внутри каркаса, между стоящими напротив друг друга стойками 1, перегородками 2, и электродами 3 заполнено фильтрующим материалом 12. При необходимости, в случае недостаточной жесткости фильтрующий материал может быть обрамлен сеткой 13. Предлагаемые устройства работают 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. Содержащиеся в очищаемом потоке электрически заряженные капли жидкости под действием инерционных сил и сил электростатического взаимодействия отклоняются от линий тока продвигаемого в порах воздушного потока, контактируют с волокнами фильтрующего материала и осаждаются на их поверхности. По мере укрупнения капель они под действием гравитационных сил стекают вниз к перегородке 2 и далее выводятся из устройства. Очищенный от капель поток вытесняет туман из контролируемой территории и обеспечивает выполнение задачи рассеивания тумана в окрестности защищаемого объекта. При использовании устройства в очистных трактах схема работы предлагаемого устройства аналогична. Так как в схемах очистки предусматривается формирование избыточного давления с помощью специального устройства (например, вентилятора), необходимо предусмотреть узлы соединения предлагаемого устройства с газопроводом, подводящим к устройству подлежащий очистке сформированный воздушный поток.
В предлагаемом техническом решении сепарация капель тумана осуществляется в порах фильтрующего элемента. Электрическое поле используется для столкновения капель с элементами конструкции фильтра. Воздействие на электрически заряженные капли тумана электрическим полем повышает вероятность их столкновения с элементами конструкции пористого фильтрующего элемента. Далее капли, осаждаются на поверхности конструкции фильтра и сепарируются от воздушного потока. Достаточно незначительного смещения электрическим полем капель тумана от линий тока сформированного воздушного потока, соизмеримого с размерами пор фильтрующего элемента, измеряемого микронами, что значительно более эффективно, чем в известном методе.
Таким образом, предложенное техническое решение благодаря новым ранее неизвестным признакам обеспечивает повышение эффективности сепарации капель из газового потока, что повышает эффективность предложенного метода рассеивания тумана и позволяет достичь цели предлагаемого изобретения.