Устройство для рассеивания тумана
Устройство предназначено для рассеивания тумана на контролируемой территории, где требуется обеспечение дальности видимости, а именно на аэродромах, скоростных автодорогах, морских портах, открытых площадках для проведения мероприятий и т.п., и может быть использовано для формирования воздушных потоков с большим значением поперечного сечения сформированной струи при вентиляции воздушного пространства на большой территории, в карьерах, а также в устройствах очистки газовых потоков от аэрозольных частиц. Устройство содержит заземленную электропроводную сетку (3). Сетка установлена на раме. Вдоль поверхности сетки установлены коронирующие электроды (5). Электроды соединены с высоковольтным источником питания (6). Рама изготовлена из электроизоляционного материала и выполнена в виде сотовой панели. Торцы ребер (2) сотовых ячеек (1) рамы совпадают и соединены с контурами ячеек электропроводной сетки. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области техники, предназначенной для рассеивания тумана на контролируемой территории, где требуется обеспечение гарантируемого значения дальности видимости в условиях тумана, например, аэродромы, скоростные автодороги, морские порты, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.п. Предлагаемое техническое решение может быть также использовано для формирования воздушных потоков с большим значением поперечного сечения сформированной струи (вентиляция воздушного пространства на большой территории, например, карьеров), а также в устройствах очистки газовых потоков от аэрозольных частиц.
Известны способы теплового рассеивания тумана. Во время второй мировой войны в Англии для рассеяния тумана над аэродромами успешно применялся термический метод под названием FIDO. См., например, http://www.youtube.com/watch?v=gAIjxaJ2_Ag. Тепло выделялось при сжигании нефти или мазута в горелках, установленных на длинных трубопроводах вдоль взлетно-посадочной полосы. Восходящие тепловые потоки от сгоревшего топлива обеспечивали рассеивание тумана над аэродромом. Данный метод не нашел широкого применения из-за высокой стоимости эксплуатации. Требовалось несколько сотен тысяч литров горючего для обеспечения рассеивания тумана в час. Известны способы теплового рассеивания тумана, которые помимо теплового воздействия на туман, используют кинетическую энергию тепловой струи. См., например, патент США №2969920, опубликованный 31.01.1961 г., патент США №3712542, опубликованный 15.03.1971 г. Данный метод также не нашел своего применения вследствие очень высокой энергоемкости метода.
Известны способы электрического воздействия на туман. Так, в патенте США №4671805, опубликованном 9 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, 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". Л.: Гидрометеоиздат, 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.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство по патенту РФ №2124288 C1, кл. E01H 13/00, 19.12.1997 г., опубликованному 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. Кроме того, ионный ветер обеспечивает смещение тумана с контролируемой территории и замену влажного туманного воздуха более сухим воздухом. Например, в случае радиационного тумана, когда влажный тяжелый воздух с туманом скапливается внизу, а более теплый сухой воздух находится вверху. Известное устройство обеспечивает выброс более холодного влажного воздуха наверх и замену его более сухим воздухом сверху. 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 требуемое значение точности зазора в известном устройстве очень сложная техническая задача, так как коронирующие электроды и заземленная сетка установлены на различных базовых поверхностях. Кроме того, использование в качестве коронирующих электродов проводов малого радиуса кривизны поверхности в известном устройстве также не эффективно. Провода при коронном разряде колеблются, что также приводит к изменению зазора в разрядном пространстве, к электрическим пробоям и неустойчивости коронного разряда. Использование коронирующих электродов известных конструкций, широко применяемых в электрофильтрах, в значительной степени позволяет повысить эффективность устройства. В конструкциях коронирующих электродов для повышения эффективности коронного разряда широко применяются фиксированные разрядные точки (игольчатые электроды). См., например, Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоик. Электрооборудование и режимы питания электрофильтров. Энергия 1071. Стр. 43. Обеспечить в известном устройстве одинаковость зазора между всеми иголками всех коронирующих электродов и поверхностью электропроводной сетки практически не возможно, что снижает эффективность горения коронного разряда и снижает эффективность работы всего устройства. Сложно обеспечить плоскостность поверхности сетки и исключить вероятность попадания отдельных иголочек коронирующих электродов в ячейки сетки. Иголочки, попавшие в пространство ячейки сетки, практически выпадают из процесса генерации коронного разряда, т.к. до заземленной поверхности у таких иголочек расстояние превышает расчетное значение. Помимо технических сложностей с обеспечением точности зазора разрядного промежутка у известного устройства выявились и эксплуатационные сложности. При генерации коронного разряда вверх на заземленной сетке скапливается сепарируемая влага, которая каплями срывается вниз и попадает в разрядный промежуток. Инициируется искровой пробой разрядного промежутка, и нарушаются условия устойчивого горения коронного разряда.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы устройства.
Для достижения заявленной цели в известном устройстве для рассеивания тумана, содержащем установленную на раме заземленную электропроводную сетку, вдоль поверхности которой установлены соединенные с высоковольтным источником питания коронирующие электроды, рама изготовлена из электроизоляционного материала и выполнена в виде сотовой панели, торцы ребер сотовых ячеек которой совпадают и соединены с контурами ячеек заземленной электропроводной сетки;
коронирующий электрод выполнен с фиксированной разрядной точкой, установленной по оси сотовой ячейки;
контуры ячеек заземленной электропроводной сетки выполнены с напуском вовнутрь сотовой конструкции вдоль поверхности ее ребер с границей, равноудаленной от поверхности коронирующих электродов.
Обеспечение заявленного технического результата осуществляется следующими особенностями, которыми наделяется предлагаемое решение новой совокупностью отличительных признаков. В предлагаемом техническом решении каждый электрод и заземленная поверхность устанавливаются на одной конструктивной базе, выполненной в виде ребра сотовой ячейки, что позволяет достичь сколь угодно высоких значений точности зазора разрядного промежутка. Снижается взаимное влияние друг на друга коронирующих электродов, т.к. каждый электрод формирует коронный разряд только на свою заземленную поверхность и генерируемые им заряды ограничены в пространстве своей сотовой ячейки, что позволяет повысить мощность коронного разряда, увеличить значение разрядного тока и, следовательно, скорость ионного ветра. Выполнение контура заземленной электропроводной сетки с напуском вовнутрь сотовой конструкции с границей, равноудаленной от поверхности коронирующего электрода, обеспечивает повышение стабильности горения коронного разряда (все точки заземленной поверхности равноудалены от точки с повышенным градиентом электрического поля на поверхности коронирующего электрода). Кроме того, повышается путь движения электрически заряженных капель вдоль заземленной поверхности, повышается эффективность сбора капель. Собираемая влага не срывается в виде капель с заземленной поверхности в разрядный промежуток, а силами смачивания удерживается на поверхности ребра ячейки соты и скатывается вдоль нее вниз и выводится из разрядного промежутка, что снижает вероятность возникновения искровых пробоев.
На рис. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Устройство включает в себя сотовую панель, образуемую скрепленными между собой сотовыми ячейками 1, сформированными из ребер 2, выполненными из электроизоляционного материала. С одной из сторон торцы ребер 2 сотовых ячеек 1 покрыты электропроводным материалом и заземлены, образуя тем самым электропроводную заземленную сетку 3. Таким образом, в предлагаемой конструкции роль электропроводной сетки выполняет торцевая поверхность сотовой панели, покрытая электропроводным материалом. Внутри каждой соты по оси ее симметрии на кронштейнах 4, на расстоянии h от покрытого электропроводным материалом торца 3 закреплены коронирующие электроды 5, соединенные с источником высокого напряжения 6. На рис. 1 сотовые ячейки 1 изображены с квадратным поперечным сечением. Поперечное сечение сотовой ячейки выбирается на стадии проектирования, исходя из технологических возможностей, и может иметь отличное от представленной на рис. 1 формы, например, шестиугольную или круглую. У круглой сотовой ячейки более равномерное расстояние от иглы коронирующего электрода до заземленной поверхности, но меньше степень заполнения пространства панели коронирующими элементами. У квадратных и шестиугольных сотовых ячеек полное заполнение пространства панели коронирующими элементами. Однако для обеспечения равномерного коронного разряда по всей площади заземленной торцевой поверхности необходимо выполнять работу по оптимизации формы коронирующего электрода, которая может быть уже не в виде иглы, а в виде острого лезвия (на рис. 1 не показано), форма которого определяется на основе моделирования электрического поля между коронирующим электродом и заземленной торцевой поверхностью. Равномерность коронного разряда может быть также обеспечена путем нанесения электропроводного материала не только по торцам ребер сотовых ячеек, но и с захватом части внутренних поверхностей ребер 7, примыкающих к коронирующему электроду, до линии, равноудаленной от кончика острия коронирующего электрода 8 (R=h). Таким образом, будет обеспечено равенство зазора между кончиком иглы коронирующего электрода и близлежащей заземленной поверхностью, что и обеспечит устойчивость горения коронного разряда. Для монтажа устройства на местности устройство может быть снабжено соответствующими элементами крепления, которые могут быть выполнены на основе известных технических решений (на рис. 1 не показано). Элементы крепления должны обеспечивать надежную электрическую изоляцию высоковольтного напряжения, подаваемого на коронирующие электроды от заземленных элементов конструкции.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды 5 между коронирующими электродами 5 и заземленной поверхностью, образованной электропроводным материалом, нанесенным на торцы ребер сотовых ячеек 3 и части внутренних поверхностей ребер 2 до линии, равноудаленной от кончика острия коронирующего электрода 7, формируется мощное электрическое поле и зажигается коронный разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания выбирают исходя из условий стойкости электроизоляционного материала ребер сотовых ячеек 2 и геометрических соотношений между коронирующим электродом и заземленной поверхностью, руководствуясь известными соотношениями для коронного разряда (см., например, Н.А. Капцов. Электроника. М.: Государственное издательство технико-технической литературы, 1956 г.).
При генерации коронного разряда формируется ионный ветер от коронирующего электрода к заземленному электроду. Скорость ионного ветра составляет значение порядка 1 м/сек. (См., например, Кулешов П.С. «Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и испарения воды http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/227.pdf. И.А. Рогов и др. «Моделирование процесса движения капли конденсата влажного воздуха в электрическом поле» http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_10_2005.htm.) Ионный ветер увлекает воздух из окружающего пространства в сотовые ячейки и формирует воздушный поток, проходящий через сотовую панель с выходом потока со стороны, покрытой электропроводным материалом. Сформированный ионным ветром воздушный поток, содержащий капельки тумана, попадает в разрядный промежуток, сформированный в каждой сотовой ячейке 1, где капли тумана приобретают электрический заряд. При прохождении воздушного потока в сотовой ячейке 1 мимо заземленных электропроводных покрытий 3 и 7 электрически заряженные капли электрическим полем осаждаются на их заземленных поверхностях и сепарируются от ветрового потока. Так как контуры ячеек заземленной электропроводной сетки 7 выполнены с напуском вовнутрь сотовой конструкции, удлиняется путь движения электрически заряженных капель вдоль заземленной поверхности, что повышает эффективность осаждения капель. Очищенный от капель воздушный поток выходит из сотовой ячейки наружу, по инерции движется в защищаемую область и вытесняет из нее туман. Капли тумана собираются на поверхностях заземленных электропроводных покрытий 3 и 7 и под действием собственного веса стекают вниз либо по торцевой поверхности 3 сотовой панели (когда оси ячеек сот горизонтальны поверхности земли), либо по поверхностям ребер сот 2 (при наклонном положении сотовых ячеек). При необходимости в конструкции устройства может быть предусмотрены специальные средства для сбора сепарированной влаги. Коронный разряд формируется между кончиком иглы коронирующего электрода 5, закрепленного с помощью кронштейна 4 на ребре соты 2, и заземленной поверхностью электропроводного материала, нанесенного на поверхность ребра соты 2. Так как и кончик иглы коронирующего электрода, и заземленная поверхность базируются на одном и том же конструктивном элементе - ребре сотовой ячейки, предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить максимальную точность их взаимного положения, добиться максимальной эффективности коронного разряда и достичь цели предлагаемого изобретения.
1. Устройство для рассеивания тумана, содержащее установленную на раме заземленную электропроводную сетку, вдоль поверхности которой установлены соединенные с высоковольтным источником питания коронирующие электроды, отличающееся тем, что рама изготовлена из электроизоляционного материала и выполнена в виде сотовой панели, торцы ребер сотовых ячеек которой совпадают и соединены с контурами ячеек заземленной электропроводной сетки.
2. Устройство для рассеивания тумана по п.1, отличающееся тем, что коронирующий электрод выполнен с фиксированной разрядной точкой, установленной по оси сотовой ячейки.
3. Устройство для рассеивания тумана по п.1, отличающееся тем, что контуры ячеек заземленной электропроводной сетки выполнены с напуском вовнутрь сотовой конструкции вдоль поверхности ее ребер с границей, равноудаленной от поверхности коронирующих электродов.
