Устройство получения искусственного снега для сельского хозяйства
Владельцы патента RU 2687140:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к оборудованию получения искусственного снега для очистки воздуха и создания оптимального микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, пылеподавления в комбикормовых цехах, заводах, зерноперерабатывающих предприятиях, для образования искусственного снежного покрова опытных и экспериментальных участков в растениеводстве, предохранения садов и кустарников от заморозков в период их цветения, применяется в санитарно-защитных зонах предприятий, имеющих источники выброса вредных веществ в атмосферу. Устройство для получения искусственного снега содержит последовательно соединенное средство подачи воздуха под давлением, сопло Лаваля, смесительную камеру и диффузор, средство подачи воды и жидкой двуокиси углерода, имеющее осевой канал, сообщающий все узлы между собой. На поверхности выходного конуса сопла Лаваля установлена СВЧ-камера с генератором СВЧ-энергии для пропускания радиоволн миллиметрового диапазона, частотой 65 ГГц, мощностью 10 мВт/см2, а на внутренней поверхности конуса по винтовой линии под углом α к образующей перпендикулярно к поверхности конуса закреплены (n) направляющих витков, ширина которых равна половине входного диаметра большого конуса. Верхняя часть большого конуса сообщена с камерой смешивания, а на ее крышке установлены форсунки с корневым углом β. Угол (α) равен 30°-45°, угол β равен 25°-30°, n=2-4 - количество направляющих витков. При одновременном воздействии СВЧ-энергии на химические элементы в составе воздуха и мелком распылении жидкой двуокиси углерода увеличивается количество мелкодисперсных центров кристаллизации воды, что интенсифицирует процесс образования снега. 1 ил.
Изобретение относится к оборудованию получения искусственного снега для очистки воздуха и создания оптимального микроклимата в животноводческих и птицеводческих помещениях, пылеподавления в комбикормовых цехах, заводах, зерноперерабатывающих предприятиях, для образования искусственного снежного покрова опытных и экспериментальных участков в растениеводстве, предохранения садов и кустарников от заморозков в период их цветения, применяется в санитарно-защитных зонах предприятий, имеющих источники выброса вредных веществ в атмосферу.
Известен способ образования искусственного снега и устройство для его осуществления (патент RU №2032869 С1, МПК F25C 3/04 (1995.01)), предусматривающий образование искусственного снега раздельной подачей рабочего газа под повышенным давлением и распыленной жидкости, устройство снабжено камерой для мгновенного расширения части потока газа. Установка конструктивно сложная и труднореализуемая на практике.
Известна установка для получения искусственного снега (патент RU №2159398, МПК F25C 3/04 (2000.01)), которая снабжена двумя конусообразными раструбами и дополнительной форсункой с туманообразователем.
Работа вентилятора на две форсунки по обе его стороны малоэффективна.
Известно устройство для получения искусственного снега (патент RU №2129691 С1, МПК F25C 3/00 (1995.01)), принятое за прототип, устройство снабжено дополнительным источником ультразвука со стержневым концентратором продольных колебаний. Это устройство осуществляет механический распыл воды и жидкой двуокиси углерода, однако не создает зачатков ядра снежинок из поляризованных химических элементов в составе воздуха, что не интенсифицирует процесс снегообразования.
Задачей изобретения является повышение интенсивности процесса снегообразования за счет поляризации химических элементов воздуха в СВЧ-поле, а также аэрозольного распыления воды, составляющей его влажность; превращения ламинарного потока воздуха в турбулентный, интенсивного смешивания поляризованного воздуха с водой и двуокисью углерода и струйного выброса этой смеси в воздух.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что устройство для получения искусственного снега содержит последовательно соединенные средства подачи воздуха, сопло Лаваля, СВЧ-камеру с источником СВЧ-энергии, средство подачи воды и жидкой двуокиси углерода, имеющее осевой канал, сообщающий все узлы между собой, смесительную камеру с форсунками на ее крышке и диффузор. Новым является то, что на поверхности выходного конуса сопла Лаваля установлена СВЧ-камера с генератором СВЧ-энергии для пропускания радиоволн миллиметрового диапазона, частотой 65 ГГц, мощностью 10 мВт/см2, а на внутренней поверхности конуса по винтовой линии под углом α к образующей перпендикулярно к поверхности закреплены (n) направляющих витков, ширина которых равна половине малого диаметра большого конуса, причем верхняя часть большого конуса сообщена с камерой смешивания, а на ее крышке установлены форсунки с корневым углом β. Экспериментально определены численные значения угла α=30°-45°; угол β=25°-30°; n=2-4 - количество направляющих витков. Пропускная характеристика радиоволн миллиметрового диапазона частотой 65 ГГц и мощностью 10 мВт/см2 установлены аналитически и проверены экспериментально.
Для получения отрицательной температуры воздуха целесообразно применить сопло Лаваля, которое состоит из пары усеченных конусов, сопряженных узкими местами и разгоняет по нему газовый поток (воздух), при этом газ считается идеальным, поток является изоэнтропным (силы трения и другие потери не учитываются) и адиабатическим - теплота не подводится и не отводится.
Поскольку массовый расход воздуха в любом продольном сечении постоянен, то p⋅ν⋅A=const, где р - локальное давление, ν - локальная скорость газа, А - площадь местного сечения сопла, то, перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия воздуха преобразуется в кинетическую энергию направленного движения (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Глава X. Одномерное движение сжимаемого газа. Параграф 97. Истечение газа через сопло. Теоретическая физика. - Т.6. Гидродинамика). Заданное давление на выходе из форсунки регулируется работой компрессора воздуха. Задача заключается в том, чтобы поляризовать химические элементы в составе воздуха. Воздух представляет собой смесь газов по массе, в процентах: азот 75,5; кислород 23,15; аргон 1,292; углекислый газ 0,046 и в незначительных количествах неон, метан, гелий, криптон, водород, ксенон.
Воздух содержит пары воды, наличие которых зависит от температуры. При нормальном атмосферном давлении содержание паров воды в воздухе составляет: при +50°С - 158 г/м3, при минус 20°С - 1,3 г/м3; при +20°С - 30 г/м3, а при -20°С - 1,3 г/м3 (ГОСТ РИСО 8756 - 2005, качество воздуха, обработанного по температуре, давлению и влажности). Подвергая воду воздействию СВЧ-излучения, удается получить состояние воды с разрушенными связями даже при комнатной температуре (Бессонова А.П., Стась И.Е. Влияние высокочастотного электромагнитного поля на физико-химические свойства воды и ее спектральные характеристики. Ползуновский вестник. - 2008. - №3, с. 305-309).
Определены резонансные частоты СВЧ-волны (50, 65, 100, 30 ГГц), способные разрушать водородные связи (Семихина Н.И. Возможности диэлектрического метода для анализа состояния водных систем после физических воздействий. Вестник ТюмГУ. №2, 2000, с. 39-43). Межмолекулярные связи еще менее устойчивы и сравнительно легко разрушаются от коротковолновых электромагнитных воздействий. Поглощение излучения СВЧ-энергии водой обусловлено ориентационной поляризацией молекул. Обнаружено, что чем чище вода, тем шире диапазон температур существования «льдообразной» структуры воды (научный журнал КубГАУ, №81(07), 2012 г. С. 2). Известно, что вода, полученная путем конденсации влаги из воздуха, является очень чистой. Образующиеся из влаги капли воды приобретают электрический заряд, увеличивая напряженность поля, снижают его внутреннее давление. На каплю воды действуют силы, направленные против сил поверхности натяжения, и если эти силы превосходят силы поверхностного натяжения, то происходит «взрыв» капли (Паджи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. – М.: Химия, 1979, с. 176).
Чем сильнее «взрыв», тем мельче «осколки» разрушенной капли и тем быстрее происходит переход от полидисперсной системы к монодисперсной.
В конструкции форсунки решающую роль играет величина корневого угла β. При β=60°-70° высота факела составляет от 300 до 700 мм, а для образования струи корневой угол β находится в пределах 25°-30°.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, на которой показана схема устройства получения искусственного снега.
Устройство получения искусственного снега содержит последовательно соединенные средство 1 подачи воздуха под давлением, сопло Лаваля 2, СВЧ-камеру 3, генератор СВЧ-энергии 4, смесительную камеру 5 и диффузор 6, средства подачи воды 7 и жидкой двуокиси углерода 8 со штуцерами 9 и 10 соответственно. Внутри выходного конуса сопла Лаваля по спирали под углом α к образующей закреплены направляющие витки 11, а на крышке смесительной камеры установлены форсунки 12.
Устройство работает следующим образом.
Воздух средством 1 нагнетается в сопло Лаваля 2, где на поверхности в объеме выходного конуса сопла Лаваля посредством СВЧ-камеры 3 и генератора СВЧ-энергии 4 создается электромагнитное поле - радиоволны миллиметрового диапазона, которые концентрируются в центре конуса. Поток воздуха продувается по каналам между витками спирали 11 и переходит в турбулентное состояние, при этом он охлаждается за счет адиабатического расширения, увеличивается его скорость, под действием электромагнитного поля химические элементы в составе воздуха поляризуются, происходит аэрозольное распыление воды из влаги воздуха. Турбулентный поток воздуха перемещается в смесительную камеру 5, в нее же средствами 7 и 8 через штуцеры 9 и 10 подают к торцевой поверхности смесительной камеры воду и двуокись углерода, где под действием турбулентного потока происходит их распыление и смешивание. Смесь воздуха и жидкостей под давлением, которое создается в камере смешивания, через форсунки 12, установленные на крышке смесительной камеры, струей выбрасывается в атмосферу. При этом происходит дополнительное диспергирование жидкостей и интенсификация образования снега.
При одновременном воздействии СВЧ-энергии на химические элементы в составе воздуха и мелком распылении жидкой двуокиси углерода увеличивается количество мелкодисперсных центров кристаллизации воды, что интенсифицирует процесс образования снега.
Устройство для получения искусственного снега, содержащее последовательно соединенное средство подачи воздуха под давлением, сопло Лаваля, смесительную камеру и диффузор, средство подачи воды и жидкой двуокиси углерода, имеющее осевой канал, сообщающий все узлы между собой, отличающееся тем, что на поверхности выходного конуса сопла Лаваля установлена СВЧ-камера с генератором СВЧ-энергии для пропускания радиоволн миллиметрового диапазона, частотой 65 ГГц, мощностью 10 мВт/см2, а на внутренней поверхности конуса по винтовой линии под углом α к образующей перпендикулярно к поверхности конуса закреплены (n) направляющих витков, ширина которых равна половине входного диаметра большого конуса, причем верхняя часть большого конуса сообщена с камерой смешивания, а на ее крышке установлены форсунки с корневым углом β, при этом угол (α) равен 30°-45°, угол β равен 25°-30°, n=2-4 - количество направляющих витков.
