CC BY
27
УДК 551.509.6
СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ВОСХОДЯЩИХ ПОТОКОВ В АТМОСФЕРЕ С ПОМОЩЬЮ МНОГОУРОВНЕВОГО УСТРОЙСТВА
В. П. Павлюченко
Представлен метод создания восходящего потока воздуха в атмосфере путем его подогрева на многих уровнях от гирлянды привязных аэростатов с зачерненными баллонами. Их поверхности нагреваются Солнцем и передают тепло воздуху, а расположенные на ярусах заземленные эмиттеры насыщают его заряженными ионами в качестве центров конденсации. Основные задачи - образование облаков, стимулирование осадков и очистка приземного воздуха от загрязнений.
Ключевые слова: метеорология, искусственные осадки, восходящие потоки, приземные загрязнения, солнечная радиация, центры конденсации, ионы.
Основой образования осадков является конденсация атмосферного пара при его охлаждении до точки росы [1]. В атмосфере всегда есть влага, в среднем над каждым квадратным метром земной поверхности находится 28 кг влаги, в том числе до 25 кг над пустынями и полупустынями. В условиях малооблачного антициклона охлаждение воздуха обычно происходит в восходящих потоках, поскольку температура в поднимающемся ненасыщенном воздухе падает на 10 К/км. Сама атмосфера получает тепло от подстилающей поверхности, нагреваемой Солнцем, поэтому из-за разности температур разных участков могут возникать локальные восходящие потоки нагретого воздуха, так как он легче холодного. Воздух устремляется вверх с ускорением
а = -g х Др/р = g х AT/T (1)
за счет силы Архимеда. Здесь g - ускорение свободного падения, р - плотность воздуха, T - абсолютная температура. При достаточно высокой начальной температуре и влажности поднимающийся воздух иногда успевает охладиться до точки росы. Тогда начинается конденсация пара на аэрозолях или заряженных ионах [2], постоянно образующихся в глубине атмосферы космическими лучами.
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: pavict@sci.lebedev.ru.
С 1960-х годов для искусственного создания восходящих потоков и конденсации облаков с выпадением осадков даже при изначально безоблачном небе применялись огневые метеотроны со сжиганием нефтепродуктов [3]. Более экологически чистым является солнечный метеотрон [4], нагревающий воздух от наземной поверхности большой площади, зачерненной искусственно. Этот механизм, несомненно, работает в естественных условиях при достаточной влажности воздуха и отсутствии температурных инверсий. В антициклоне нагретый у земли восходящий поток чаще всего затухает из-за адиабатического охлаждения, турбулентного перемешивания с холодным воздухом, недостаточной влажности и мощности начального нагрева.
Наш метод использует солнечное излучение для нагрева многоуровневой системы привязных аэростатов с зачерненными баллонами, которые отдают тепло воздуху и создают восходящий поток свободной конвекции. Отличительные свойства метода:
- Используется Солнце - мощный, экологически чистый и повсеместно доступный источник энергии, формирующий погоду в естественных условиях. В малооблачную погоду в полдень нагрев зачерненной поверхности со всех сторон около 1 кВт/м2.
- Многоуровневая система оптимальна для подогрева потока - нагретый воздух требуется поднять до следующего уровня, а не сразу до уровня конденсации.
- Полная экологическая чистота из-за отсутствия расходных материалов. Восходящие потоки являются универсальным инструментом для локального улучшения экологии путем стимулирования облачности и осадков, вентиляции и удаления приземных загрязнений, в том числе тепловых, через слои температурной инверсии.
- Низкая себестоимость является следствием простоты конструкции.
Установка Гелиатор-1 (рис. 1) состоит из зачерненных баллонов, заполненных гелием и объединенных системой тросов в расположенные друг над другом ярусы.
Ярус в виде тора образован согнутым по окружности цилиндрическим рукавом, прикрепленным к раме. Между рамой и ее центром натянуты провода-спицы, играющие также роль излучателей электронов путем коронного разряда - разряда вблизи электродов с малым радиусом кривизны в резко неоднородном электрическом поле. Поле в нижней атмосфере составляет около 100 В/м [7], поэтому с заземленного аэростата на высоте 300 м путем коронного разряда экспериментально была получена мощность до 0.7 кВт в спокойной атмосфере [8], что в тысячи раз увеличивает вблизи эмиттеров число однозарядных ионов в воздухе - эффективных центров конденсации. Для уменьшения радиуса кривизны эмиттеров на спицах закрепляется металлизированная пленка типа майлар с металлическим слоем толщиной около 1 мкм.
Рис. 1: Схема Гелиатор-1 [5]. 1 - силовые тросы, один трос заземлен, 2 - зачерненные баллоны с гелием, 3 - проводящие заземленные спицы.
Рис. 2: Схема Гелиатор-2 [6]. 1 - поверхность конуса, 2 - спицы-стропы, 3 - центральный трос, 4 - втулка.
Баллоны нагреваются Солнцем и отдают тепло воздуху, создавая в каждом ярусе кольцевой факел свободной конвекции. Теплый воздух поднимается до следующего яруса, и процесс повторяется на всех уровнях вплоть до верхнего. Высота между ярусами подбирается так, чтобы воздух в потоке не успел остановиться до следующего яруса. Вдоль вертикальной оси установки формируется восходящий поток нагретого в
контролируемых условиях воздуха в виде гибкого ствола необходимой высоты. В итоге происходит очистка приземной зоны от загрязнений, и эти загрязнения, будучи подняты вверх, вместе с ионами играют положительную роль в качестве центров конденсации.
Размеры ярусов, их число, расстояния между ними, высота нижнего и верхнего определяются метеоусловиями и поставленной задачей (искусственные осадки, очистка воздуха и др.). К недостаткам устройства можно отнести громоздкость, потребность в большом количестве гелия и сложности работы при боковом ветре.
Гелиатор-2 (рис. 2) более эффективен и технологичен. В нем сохраняется принцип многоярусного подогрева воздуха, но добавлена возможность закручивания восходящего потока, улучшена система монтажа и подъема установки. Здесь каркас состоит из кольцевого обода со стропами-спицами, натянутыми между ободом и двумя разнесенными вдоль центрального троса втулками. На ярусах закреплен черный материал (нагреватель) в виде поверхности усеченного конуса, отдающий тепло потоку, причем в теплообмене участвуют обе поверхности материала. Первые ярусы при слабом ветре поднимаются с помощью баллонов, заполненных гелием, при усилении ветра может использоваться метод "воздушного змея". Когда восходящий поток достигает скорости 2-3 м/сек, он сам поднимает следующие ярусы.
Восходящий воздух и боковой ветер создают поток через ярус, который натягивает трос силой аэродинамического сопротивления, поэтому направления троса и потока совпадают. Именно двухточечное крепление яруса и разнесение втулок заставляют плоскость обода быть всегда перпендикулярной к тросу, а коническая форма способствует центрированию троса вдоль оси потока.
Обод нижнего яруса собирается из легких трубок, состыкованных друг с другом и согнутых по окружности. В центре устанавливается монтажная труба, через которую проходит центральный трос от лебедки. Трос должен быть изолятором (капрон, кевлар) и хорошо закреплен с применением дублирования. Заземление проходит отдельно. На трубу надевается нижняя втулка и протягивается нижний ряд капроновых строп-спиц между ней и ободом, затем надевается верхняя втулка, и к ней из тех же точек обода протягиваются стропы-спицы верхнего ряда, а на них закрепляется нагреватель. Длина строп превышает радиус обода, чтобы обеспечить раствор конуса примерно 45°. На стропах закрепляются эмиттеры в виде полос майлара с бахромой. При необходимости втулки позволяют ярусу вращаться вокруг центрального троса. Следующий ярус собирается аналогично, но радиус его обода больше на несколько сантиметров так, чтобы в него соосно входил предыдущий ярус. Стропы с нагревателем укладываются поверх
предыдущего яруса, позволяя ободу последующего ложиться плотно на землю. Так, последовательно ярус за ярусом, монтируется вся установка в виде плоского слоя минимальной высоты из телескопически вложенных друг в друга ярусов. На первый слой возможно наложение других слоёв, принципиальных ограничений на число ярусов нет.
Подъем установки начинается с вытягивания через монтажную трубу центрального троса с помощью баллонов или воздушного змея, на тросе закрепляется верхняя втулка самого верхнего яруса. Трос продолжает вытягиваться, натягиваются верхние спицы с нагревателем и поднимают обод яруса. Оператор придерживает нижнюю втулку яруса до натяжения нижних спиц, затем закрепляет ее на тросе. Аналогично, через заданный промежуток, определяемый профилем атмосферы, на тросе закрепляются второй и все последующие ярусы. При необходимости на трос устанавливаются неподвижные крыльчатки. Они имеют небольшой диаметр, расположены на оси потока и только синхронизируют зарождение вихря, а полную энергетику ему обеспечивает ускоренное движение потока. Опускание установки производится в обратном порядке.
Для упрощенной оценки энергетических характеристик зададим округленные числа, близкие к реальным. Пусть высота уровня конденсации 1000 м, такую же высоту имеет Гелиатор-2 с 70 ярусами, средняя поступающая от Солнца на каждый ярус (площадью 100 м2) мощность 100 кВт, средняя площадь сечения восходящего потока Б = 500 м2, в потоке все скорости V равны, средняя плотность воздуха р = 1 кг/м3, ускорение свободного падения д = 10 м/сек2, теплоемкость воздуха при постоянном давлении Ср =1 кДж/(К • кг), атмсофера стандратная без ветра с падением температуры 7 = 6.5 К/км.
Рассмотрим один ярус, производительность которого равна потоку массы воздуха через его горизонтальную плоскость
(1Ы/(И = рVБ. (2)
На подъем массы М на высоту Н в поле тяжести надо затратить энергию
Е = МдН. (3)
При адиабатическом подъеме ненасыщенного влагой воздуха с использованием сил Архимеда работа выполняется за счет внутренней энергии (тепла) воздуха
Е = МСРАТ (4)
или мощности
W = ¿Е/(И = (^М/^)СРДТ. (5)
Приравняв (4) и (3) и считая температуры внутри потока и вне его, близкими (Tin/Text ~ 1), получим градиент сухой адиабаты [1, стр. 17]
Yadiab = AT/h = g/Cp = 10 К/км. (6)
Разность температур
AT = (Yadiab - Y)h (7)
показывает, насколько поднявшийся воздух будет холоднее атмосферы на высоте h, и на эту величину его надо предварительно нагреть. Тогда на высоте h температуры потока и атмосферы сравняются, ускорение прекратится, но накопленный импульс потока сохранится. Подставим (7) в (5) и вычислим мощность, затраченную на поток (2) через ярус
W = dE/dt = (dM/dt)CpAT = pVSCp(Yadiab - Y)h, (8)
и, учтя (6), получим среднюю скорость потока
V = W/L(g - YCP)hpS\. (9)
Один ярус при подъеме воздуха до следующего яруса на h = 1000/70 = 14.3 м обеспечивает среднюю скорость 4 м/сек и производительность 2000 кг/сек. Такую же среднюю скорость и производительность поддерживает Гелиатор-2 высотой 1 км, если считать, что он состоит из одного наземного яруса мощностью 70 х 100 кВт = 7 МВт, а весь воздух поступает с уровня земли. Это полный аналог наземного солнечного метеотрона с мощностью 14 кВт/м2, в 14 раз превышающей естественный нагрев. Реально средняя высота подъема воздуха в Гелиаторе меньше 1 км, а производительность на выходе, по крайней мере, в два раза больше благодаря постоянной подпитке потока внешним воздухом на всех высотах через его боковую поверхность из-за вихревого ускоряющегося движения. Ускорение обеспечивается многоуровневым подогревом и суммированием накопленной теплоты и импульса потока от предыдущих ярусов.
Скорость потока (9) зависит от атмосферного температурного градиента y. Чем больше градиент, тем менее устойчива атмосфера, тем выше скорость потока, и тем больше энергии вкладывает сама атмосфера в его развитие. Так, при y = 8 К/км средняя скорость 7 м/сек, при y = 9 К/км скорость 14 м/сек, а при y > 10 К/км восходящие потоки зарождаются и развиваются самостоятельно без дополнительного подогрева.
Поток в Гелиаторе способен также развиваться со скоростью 1.4 м/сек в случае температурной инверсии с 7 = 0. Для преодоления более сильных инверсий можно уменьшить расстояния между ярусами или увеличить площади нагрева в зоне инверсии.
Давление восходящего потока на ярус
^ = Су рV2/2. (10)
Оно равно 5 Н/м2 при скорости восходящего потока V = 4 м/сек и коэффициенте Су ~ 0.6, учитывающим коническую форму нагревателя. На ярус площадью 100 м2 действует подъемная сила 500 Н, а на 70 ярусов - 35000 Н, что примерно в два раза превышает вес самой установки (1-2 тонны) и обеспечивает ей достаточную плавучесть. Эта же сила по третьему закону Ньютона тормозит поток, и если её умножить на среднюю скорость, то получим 140 кВт, тормозящие поток, или 2% мощности Гелиатора. Но даже это не уменьшает производительность, зависящую только от полной мощности и разности температур низа и верха, а только формирует поток в виде расширяющегося конуса.
Из объема установки при установившемся процессе энергия уходит только с потоком воздуха вверх и с тепловым излучением. Его величина определяется законом Стефана-Больцмана и составляет 6% полной мощности Гелиатора при превышении температуры нагревателя над внешним воздухом на 10 К и 14% при сильном превышении на 20 К. В итоге подавляющая часть поступившей от Солнца мощности идёт на подогрев и ускорение восходящего потока. Это естественно, так как любая энергия, в конце концов, идет на нагревание среды, что и требуется для восходящего потока.
Через верхнюю плоскость установки в стандартной атмосфере выходит не менее 4000 м3/сек воздуха с абсолютной влажностью 10-40 г/м3, который растекается в стороны и охлаждается. Начинается конденсация пара на ионах и аэрозолях. Если принять, что конденсируется ~5 г/м3, то образуется «20 кг/сек конденсата в облаке за счет поднятого установкой восходящего потока, при этом воздух нагревается на 10 К за счет теплоты фазового перехода. Нагрев растянут на сотни и тысячи метров по высоте при постоянной подпитке облака Гелиатором. Формируется, как и в естественных условиях, кучевое облако вертикального развития. При конденсации 20 кг/сек тепловыделение в облаке составит 45 МВт, расходуемых на нагрев и подъем воздуха. Это дополнительно ускоряет начинающийся у земли вихревой восходящий поток за счет тяги в кучевом облаке, увеличивая его эффективный радиус и производительность, улучшая его устойчивость и помогая преодолевать задерживающие слои антициклона.
Заключение. Система Гелиатор предназначена для стимулирования восходящих потоков с целью увеличения осадков и очистки приземного воздуха. Основные свойства метода - экологическая чистота, простота конструкции, возможность многократного использования, отсутствие расходных материалов и ополнительных источников энергии.
Работа выполнена при поддержке Национального центра метеорологии Абу-Даби, ОАЭ, в рамках Программы научных исследований ОАЭ по увеличению осадков, грант N0 АРР-ИЕР-2017-02120.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Атмосфера, Справочник, под ред. Ю. С. Седунова (Л., Гидрометеоиздат, 1991).
[2] Дж. Вильсон, Камера Вильсона, пер с англ. (М., ИЛ, 1954).
[3] Н. И. Вульфсон, Л. М. Левин, Метеотрон как средство воздействия на атмосферу (М., Гидрометеоиздат, 1987).
[4] В. А. Орановский, Патент RU №2071243, 1994.
[5] В. П. Павлюченко, Патент RU 2462026, Бюллетень "Изобретения. Полезные модели", № 27, 2012.
[6] В. П. Павлюченко, Патент RU 2670059, Бюллетень "Изобретения. Полезные модели", № 29, 2018.
[7] В. И. Герасименко, Электрические и метеорологические поля нижней тропосферы. Атмосферное электричество (Л., Гидрометеоиздат, 1976).
[8] H. Plauson, Patent US 1540998 A, 6-09-1925.
Поступила в редакцию 4 апреля 2019 г.
После доработки 15 апреля 2019 г.
Принята к публикации 15 апреля 2019 г.
