научная статья по теме РАССЕЯНИЕ ТЕПЛЫХ ТУМАНОВ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РАССЕЯНИЕ ТЕПЛЫХ ТУМАНОВ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ»

УДК 551.509.615

Рассеяние теплых туманов на автомобильных дорогах с помощью электростатических фильтров

М. Н. Хайкин*, А. А. Черников*

Рассматривается возможность использования метода электростатической очистки воздуха от капель воды для рассеяния теплых туманов на автомобильных дорогах. Описываются эксперименты по рассеянию тумана в камере туманов с помощью электростатического метода. Приводятся результаты испытаний электростатической системы для рассеяния теплых туманов, установленной на скоростной автомагистрали Венеция — Триест.

Введение

Одним из неблагоприятных метеорологических факторов, наиболее сильно влияющих на безопасность движения на автодорогах, является туман. Наблюдающийся в последние годы резкий рост интенсивности движения на скоростных автомагистралях приводит к увеличению потерь, связанных с образованием тумана на автострадах, и делает проблему увеличения дальности видимости в тумане особо актуальной [8, 12],

Опыт искусственного воздействия на туман с целью его рассеяния имеет довольно большую историю. Различные методы искусственного преобразования микроструктуры тумана для увеличения дальности видимости описаны в монографиях [2, 3, 5, 6]. Обзор современного состояния работ по рассеянию тумана дан в [8]. Работы по экспериментальному и теоретическому исследованию образования и эволюции туманов проводились в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) начиная с 1950-х годов. За это время накоплен значительный опыт и разработан ряд оригинальных методов и технических средств по их искусственному рассеянию [1, 10, 15]. Однако эти методы и технические средства применимы только для так называемых холодных туманов, т. е. туманов, образующихся при отрицательных температурах. В отличие от холодных, теплые туманы, т. е. образующиеся при положительной температуре, являются термодинамически стабильными природными образованиями, требующими для рассеяния затрат энергии. На сегодня известно несколько методов рассеяния теплых туманов, а именно; динамический метод, рассеяние тумана с помощью акустических волн, рассеяние с помощью оптических квантовых генераторов, использование гигроскопических реагентов, электростатический метод и метод рассеяния тумана с помощью тепловых источников. Несмотря

* Центральная аэрологическая обсерватория.

на разнообразие предлагаемых методов, можно сказать, что в настоящее время не существует достаточно эффективных и экологически безопасных способов рассеяния теплых туманов. На наш взгляд, из всего многообразия способов рассеяния теплых туманов, предложенных до настоящего времени, наиболее перспективными являются тепловой метод и метод, использующий электростатическое осаждение капель тумана [9, 11, 13, 14]. В данной работе рассматриваются результаты испытания системы для рассеяния тумана электростатическим методом.

1. Результаты экспериментов в камерах туманов

Метод электроочистки воздуха от твердых частиц и капель тумана хорошо известен и широко используется в промышленности [4, 7]. Этот метод заключается в следующем. Капли тумана сначала получают заряд от ионов газа, которые образуются в электрическом поле высокого напряжения между коронирующим и осадительным электродами, а затем движутся к заземленному осадительному электроду. Попав на заземленный уловитель, капли прилипают к нему и разряжаются. Основными процессами, происходящими при этом, являются: образование короны или ионизированной зоны вокруг коронирующего электрода; зарядка и движение капель тумана в электрическом поле; осаждение и разрядка капель.

Капли тумана в основном заряжаются ионами, движущимися в электрическом поле. Величина заряда может быть определена по формуле Поте-нье [4];

Ч<ш*=яд2е0р€Е, (1)

где <5 — диаметр частиц; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; ре — показатель диэлектрических свойств частиц (для капель он равен примерно 2,5); Е — напряженность электрического поля в области нахождения частицы.

Как только капельки тумана приобретают заряд, они попадают под влияние электрического поля, возникающего между электродами, и начинают двигаться к осадительным электродам. Скорость дрейфа частиц может быть оценена с помощью следующего уравнения из [4]:

Г^дейР„Е2Вц, (2)

где ¡.I — вязкость.

Скорости дрейфа заряженных капель диаметром от 1 до 20 мкм в электрическом поле коронного разряда, рассчитанные для разных напряженно-стей электрического поля при температуре воздуха 20°С и коэффициенте вязкости 0,18-КГ7 Па • с, следующие:

д,мкм 1 2 4 10 20

Скорость дрейфа, м/с

Я = 300-10\В/м 0,03 0,06 0,12 0,30 0,60

Е = 350-10\В/м 0,04 0,08 0,16 0,40 0,80

Е = 400-10\ В/м 0,05 0,10 0,20 0,50 1,07

Для исследования возможности рассеяния туманов с помощью электростатического метода в ЦАО был проведен цикл лабораторных экспериментов в камерах туманов объемом 3 и 55 л<3 [11]. Эксперименты проводились при температуре образования тумана от -2 до 40°С при разных значениях высокого напряжения и расстояниях между коронирующим и осадитель-ным электродами. Испытывались также электроды разной формы. Проведенные опыты показали, что создание в камере коронного разряда путем подачи высокого (не менее 20 кВ) напряжения на помещенный в камере электрод приводит к значительному (в 5—8 раз) уменьшению времени рассеяния тумана. Причем эффект рассеяния не зависит от температуры, при которой был образован туман.

Опыты по рассеянию тумана были проведены также в камере размером 162 м3. Для создания в камере тумана со спектром капель, близким к наблюдаемым в естественных условиях, использовалась система распылителей 11А\¥11 НС-310, Измерение видимости проводилось с помощью измерителя прозрачности трансмиссометрического типа РП-01М с размером измерительной базы 2,4 .«, позволяющим измерять дальность видимости в диапазоне от 5 до 1000 м с ошибкой не более 10%.

Перед проведением экспериментов по искусственному рассеянию тумана в камере было определено время естественного рассеяния тумана при разных погодных условиях. Измерения времени естественного рассеяния созданного в камере тумана проводились днем при ясной погоде при небольшом росте температуры окружающего воздуха, днем при пасмурной погоде (температура во время эксперимента не менялась) и вечером при ясной погоде, когда наблюдалось естественное понижение температуры. В дальнейшем для проведения экспериментов по искусственному рассеянию выбирались такие погодные условия, когда при сильном увлажнении в камере (относительная влажность была близка к 100%) небольшое естественное падение температуры приводило к образованию в камере тумана с дальностью видимости 200—250 м. При таких условиях искусственный туман, создаваемый в камере, рассеивался довольно медленно. Кривые, описывающие изменение дальности видимости в камере, практически совпадали. Изменение дальности видимости от 5 до 50 м происходило за время 1 ч ± 5 мин.

В качестве примера на рис, 1 показано изменение дальности видимости, наблюдавшееся при естественном рассеянии и после подачи высокого напряжения на коронирующий электрод. На рисунке видно, что через 7 мин после подачи высокого напряжения дальность видимости превысила 50 м. При естественном рассеянии такая же дальность видимости наблюдалась только через 65 мин. Как уже говорилось выше, из-за сильного увлажнения в камере естественное понижение температуры (эксперименты проводились в вечернее время) приводило к образованию тумана с дальностью видимости 200—250 м. На рис. 1 видно, что при искусственном рассеянии после достижения дальности видимости 200 м наблюдались флуктуации видимости, превышающие 200 м. Следует отметить, что рассеяние тумана происходило не только вблизи коронирующего электрода, на который подавалось высокое напряжение, а практически во всей камере из-за наблюдаемого визуально довольно сильного турбулентного перемешивания, возникающего после включении высокого напряжения.

Время, Ч :мии

Рис. 1. Изменение дальности видимости в камере туманов после подачи высокого напряжения на коронирующий электрод (/) и при естественном рассеянии (2).

2. Результаты полевых испытаний электростатической системы для рассеивания тумана

По результатам экспериментов, проведенных в камерах туманов, в ЦАО была разработана установка, предназначенная для рассеяния тумана на автостраде. Установка представляет собой металлическую раму, на которую крепятся осадительные электроды (тонкие металлические листы) и высоковольтные изоляторы. К изоляторам прикреплены коронирующие электроды, изготовленные из витой металлической проволоки. Для безопасности все элементы установки защищены заземленной металлической сеткой. Габаритные размеры установки: высота — 2,4 м, длина — 5,2 м и ширина — 1,1 м. Испытания проводились на 4-м километре автострады Венеция — Триест. Общий вид установки, которую мы в дальнейшем будем называть электрофильтром (ЭФ), показан на рис. 2. Электрофильтр был установлен вдоль автострады, так что осадительные электроды располагались перпендикулярно к дороге. Расстояние от ЭФ до проезжей части дороги равнялось 2,5 м.

Полевые испытания ЭФ проводились в ноябре — декабре 2000 г. (б случаев, 17 ч) и в феврале — марте 2001 г. (3 случая, 13 ч 20 мин). Основной целью этих испытаний была оценка эффективности электрофильтра, т. е. определение пространственного положения и размеров зоны с увеличенной дальностью видимости, образующейся в результате работы ЭФ. Для этого при образовании тумана в месте установки ЭФ измерялась дальность видимости на разных расстояниях от ЭФ с помощью измерителя прозрачности РП-01М. Одновременно проводились измерения метеорологических величин (температура, влажность, скорость и направление ветра) с помощью акустического цифрового анемометра-термометра АЦАТ-ЗМ. При работе ЭФ постоянно контролировалось рабочее напряжение и потребляемый ток. При рабочем напряжении 50 кВ потребляемый ток равнялся 70 мА.

Рис. 2. Установка для рассеяния тумана на основе электростатического осаждения капель, установленная на автостраде Венеция — Триест.

В соответствии с принципами работы ЭФ образование зоны увеличенной дальности видимости происходит в р

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком