CN1543310A - 消散雾及/或云的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种消散雾及/或云的方法。本发明所要解决的技术问题是改进一种可以快速、高效地、并以对环境友善的方式消散雾及/或由云产生降水的方法。上述所要解决的技术问题是通过将初速介于约10m/s和约300m/s之间，优选介于约100和约200m/s之间，且所选的粒径大于液滴直径的冰粒(固态H2O)引入雾及/或云中，以使雾消散及/或从云中产生降水来实现的。

Description

消散雾及/或云的方法
本发明涉及一种权利要求1前序部分所述的，优选在高于0℃的温度下消散雾及/或云以形成降水的方法。
本发明的应用领域首先是机场和道路的消雾，但也可是生产场所、户外和运动会的消雾，以及用于国防技术，为农业和饮用水供应进行人工降雨。
对空中交通、陆上交通和海上交通来说，尽管定向装置如卫星导航、无线电定位和特殊照明设备等几近成熟，但由于能见度仍然受到限制，因此雾在经济上和安全技术上产生着极大的影响。交通运输业因损失、变更和延迟引起的费用以及因事故引起的费用，是难以计算的。全世界范围内，这些费用每年高达十亿欧元。此外，失事还常常与重伤和死亡事件相连。就最近5-10年而言，有报道说空运量增长高达25％。凭借现代化定向装置，甚至在I-CAO II和III类的气象条件下，着陆频率高达50％时还会发生时间延误。为在有雾条件下进行企业经营管理起见，人们研发了各种全世界范围内使用的适合于各地区的雾气预测模型。因此，有效除雾方法的重要性日益提高。
雾气阻碍了露天集会和运动会的进行，例如冬季运动比赛，尤其滑雪、跳雪、场馆运动会，更尤其是足球比赛。对运动员、裁判员、现场观众和电视观众来说，能见度差会导致一再取消和延迟时间，而不顾能见度差的状况而仍旧进行集会，则会产生安全技术方面和体育方面的不利影响。根据电视法与广告法，这将造成蒙受经济损失。
此外，在建筑工地和生产场所如露天矿场区域中的雾，还会使产量减少，从而降低经济效益。
上述种种原因引起人们在经济上和安全技术上对快速、有效消雾方法的巨大关注。
目前，对雾引起的意外事件的统计表明，暖雾(T＞0℃)发生得最频繁，消除暖雾必须利用部分不同于消除冷雾(T＜0℃)的物理原理。
地球上许多地区的年降水量不足。尤当这些地区人口稠密时，降水不足以满足饮用水需求，而且也不足以有效地经营农业。因此，人们对有目的地使云下雨的方法有着强烈的经济上和生活必需上的兴趣。
鉴于地区性饮用水水源不足，全世界范围内还迫切需要一种生产饮用水的技术。
DE 100 05 898 A1中介绍了一种迄今尚未利用的原理--晶核碰撞--借助干冰射流来除冷雾，该原理可有效(也即快速而成本低廉)地消除冷雾。
该方法却不适宜于消散暖雾，因为射入雾中的干冰颗粒一方面很快就蒸发，另一方面在T＞0℃下，由于局部过冷(露点下降)而形成许多额外水滴，使雾反而更加浓重。
暖雾不能通过雾滴冷凝生长，也即局部冻结来消除。
迄今仅知的物理原理是通过例如加热含雾空气来蒸发雾滴，或者用大多取自周边无雾地区、消除了雾滴(例如通过机械原理或者化学反应)并使雾滴强制生长(聚集)的不饱和空气来混合这种含雾空气，以使从一定大小起的雾滴经过沉积作用沉降到地面上(降雨)。
有一件最早的专利利用了这一原理，该专利涉及爆破筒(Boeller)、气象炮和火箭，它们在爆炸后以引入云层的压力进行冲击，来试图阻止雷雨形成和冰雹形成(DE 10 77 06)。
所有迄今已知的方法均由于效率太低、使用不利于环境的化学物质或者投资费用或者操作费用太高，而未能从试验阶段转入实用阶段。
早在20世纪40年代，人们已经在伦敦飞机场成功地用燃烧器来消除暖雾(每天烧掉数千吨油料)。直到20世纪60年代，该试验还在不同国家用退役的飞机推进器继续进行。由于费用高和对环境不利，所以该方法未能获得成功。
同样，还有人提出一种热动力学方法，它用燃烧器和鼓风机小心加热空气至5-10℃来消除暖雾，燃烧器和鼓风机两者都置于机动车辆的标准车厢内(A.A.Chernikov，M.N.Khaikine and B.Pani：″Warm FogDispersal at the Highway Venuice-Trieste using electric precipitators″，2ndInt.Conference on Fog and Fog Collection，St.John′s(Canada)July 15-20，2000)。
通过加速聚集(H.-R.Pruppacher and D.Klett.Microphysics of cloudsand precipitation.D.Reidel Publ.Comp.，Dordrecht，1978)、相互碰撞和细小雾滴的汇聚可使暖雾中雾滴生长，其可用不同方法对雾滴进行静电充电或者改变雾滴表面特性，例如通过放电、置入离子和聚电解质以及特定水溶性的聚合物来实现。
这种方法的效果很差，原因在于所达效果对于雾消散或者由云形成降水的实际应用来说太慢了。
同样运用的还有一种长久以来已为人们所知的雾滴静电充电原理，用它可加速雾滴生长。最后这种方法仅能进行静态作业，只能处理很小的面积。此外，使用高压还需要众多安全防护措施(A.A.Chernikov，M.N.Khaikine und B.Pani：″Warm Fog Dispersal at the HighwayVenuice-Trieste using electric precipitators″，2nd Int.Conference on Fog andFog Collection，St.John′s(Canada)July 15-20，2000)。
1922年已有人提出使雾滴带电荷(DE 38 12 17)以加速雾滴聚集，这可以通过直接使之带电荷或者通过荷电颗粒引入电荷(DE 83 46 13)来实现。
可用各种不同的方法使空气湿度降至饱和蒸气压力以下。在此情况下，通过置入吸湿性物质(DE 48 84 79)、直接加热含雾空气(例如借助燃烧器、红外线辐射器)、加热机场跑道或道路、借助鼓风机，通常借助热气流、但也借助鼓风机和通风机、涡轮发动机使含雾空气与周围不饱和无雾空气强制混合，或者利用运输工具的热容性质或者使用干燥机来转变。上面所提及的方法需要耗费很高的能量，也即高运行费用，而且需要很大的场地和昂贵的设施技术，也即很高的投资费用。
直接排除雾滴的方法基于机械原理如借助雾滴分离器，或者基于静电原理或者以化学反应来起作用，化学反应中可引入的物质如金属碳化物与水滴发生反应，并转变成气态反应产物。所提到的这些方法同样成本高昂，效率低下而且加大环境的负担。原则上，所有使用了空气组成中主要组成部分之外的化学制剂的方法，都可归作对环境不利之列。这些方法中许多都有借助飞机从上面将物质添加到雾或者云中的缺点。这种有关飞机的方法都以起飞为前提。因此，这些方法特别不适于机场除雾。
有人也曾试验过，通过引入水，暖和季节为0℃和+5℃之间的水，寒冷季节为沸水，在云(或雾)里使雨下下来(Ausregenen)(DE 57 86 04)。
DE 43 19 850 A1中记载了一些解决方案，其中通过从喷嘴中喷洒出液态水，由于所喷洒的水同雾滴碰撞，而可除去雾。所建议的固定设备很庞杂，成本极为高昂，除此以外还消耗大量水。
概括起来说，可以断定，所有迄今已知的方法都至少具有下列大部分或者多个缺点：效率甚微及/或过程漫长，多数因使用有毒物质而增大环境负担以及投资及/或运行费用很高。
因此，本发明赖以为基础的发明目的是研发一种方法，用该方法可以快速、有效并有利于环境地实施暖雾消散及/或由云形成降水。
该技术问题的解决用权利要求1中所述的各技术特征来实现。因此，本发明的特征在于，将初始速度约10m/s和约300m/s之间，优选约100m/s和约200m/s之间而且所选粒径大于液滴直径的冰粒引入雾及/或云中。
引入的固态冰粒与许许多多的水滴相撞。这种效应被称作碰撞机理(G.Sumner，Precipitation：Process and Analysis.1988，J.Wiley & Sons，455 pp.)。
因为固态水的温度为≤0℃，所以能与雾滴附聚。如果空气温度低于0℃(冷雾或过冷雾/云)，雾就冻结(形成冰核)，并根据环境温度形成较大的冰晶，散落到地面上。
如果空气温度大于0℃(暖雾/暖云)，暖雾/暖云就融化，形成较大的水滴并降水(湿沉积)。
与DE 100 05 898 A1中建议的干冰核喷射不同(温度为-78℃)，由于同环境温度的温度差别非常小，冰粒在含雾空气中存在的时间长得多。在雾＞0℃的情况下，用冰可以不形成冰核，因而没有凝聚生长。
本发明充分利用了云物理学中已知的降水形成的人工降雨-供应-效应(Seeder-Feeder-Effekt)，冰核从较高层降到雨云中并经碰撞导致以雾滴生长为基础的聚集，并最后形成降水要素(下雨(Ausregnen))。
将冰喷撒到雾或云中时，类似地发生强制性聚集和雾滴快速生长，导致雾滴降水，因而导致消雾(或者从云中降下水来)。喷射脉冲也附带导致强制性对流，这种强制性对流导致了冰粒直接射程外范围内的效应扩大(使含雾空气与已除雾空气空气混合，因而也附带消雾)。
与迄今记载的方法相比，该方法具有下列优点：
1.冰粒丝毫不会留下在水中或在地面上富集、危害环境的残留物。
2.冰粒不仅可以从上面引入雾或云中，而且可以用空气流或气体流如以压缩机产生的空气流或气体流从地面引入。由于颗粒质量小，通过气流传递到冰粒上的脉冲就足够大，能使冰粒引入雾或云中方圆数10米。
3.消散雾或由云形成降水的进程非常快，也即该进程在不多的数分钟时间内就结束，而且既对冷雾起作用，又对暖雾起作用。
4.该方法可以移动使用，因此有可能无需高昂投资费用，并以很小的运行费用在交通运输技术如跑道、道路和港口以及户外活动和体育活动领域中加以应用。
为了提高该方法的效率，可用促进雾消散过程或促进云形成降水过程的附加化学物质包覆冰粒或者使其与冰粒混合。进行的方式是，基于所用的各种化学物质形成凝聚中心或者使雾滴蒸发，这是由冷凝所实现的过饱和结果。除此以外，还可用附加物质包覆冰粒或者使其与冰粒混合，该附加物质使冰的升华过程变慢并借此增大冰粒的射程。
本发明的其他有利改进在各从属权利要求中有所记载。
下面对除雾和由云形成雨各叙述一个实施例。
为了除雾起见，在运输工具上安装一台螺旋式压缩机，并配设一个对准方向为垂直向上的喷嘴。
将市售棒形冰在专门碎冰机中加以粉碎，或者将已经粉碎的冰通过旋转圆盘从计量分配器中的储存容器引向压缩空气流，并在出自喷嘴的空气流出口前面进一步粉碎到0.5和5mm之间。
冰粒经喷嘴中的空气流加速到初始速度约200m/s。
这时，运输工具缓慢行经雾场，并将冰核吹到雾中。
基于上面叙述的过程，雾在不长的数分钟时间内即发生了消散。
在冷雾(-4℃)的情况下，形成眼睛可见的冰晶，很快就发生沉积。
在起雾情况下由于已经存在地面霜和白霜，附加的冰沉积并未导致地面状况发生显著变化。
在暖雾(+6℃)的情况下，由于雾滴增大而使视野很快扩大，并导致雨下下来(Ausregenen)(蒙蒙细雨)。自20m垂直雾层中产生的沉积水量仅为5-15g/m2，此时引入的冰量少于1g/m3含雾空气(试比较：天然毛毛雨100-200g/m2h)。
为取代储冰容器，也可以直接在设备中制造冰。在一个绝缘的储水容器中，将水(至多1m3)保持在+1至+10℃的温度范围内，优选保持在大约+4℃。在地面上，以控制通风的方式进行排水，由于流出许多水滴，产生水珠串，它们滴落到一个高度冷却的漏斗形空间中，与此同时水滴结冰(其大小可予调节)。设置一个旋转圆盘以防止冰粘牢在壁上。产生的冰核落到容器的缩小部分中，并随即由计量加料器供入空气射流束中。产生的冰核还可从侧面供应干冰粒，以便一方面实现进一步降温，而另一方面则防止冰粘牢。
为了消散云并形成降水，在一架小型飞机(例如农用飞机)中安装一台紧凑型喷冰器，其中包括一个储冰容器。安装的方式是，喷嘴向下指向飞机尾部。飞机在云层上部边缘以最小的速度(约120km/h)沿气团输送方向飞行并将冰粒吹入云中。视云层扩展情况而定，飞机可按曲流图案飞行，以获得形成降水效果的较大立体膨胀。在不多的数分钟时间内，形成了较大的水滴，并形成降水(人工造雨-供应-效应)。

Claims (16)

1.用冰消散雾及/或用冰使云形成降水的方法，其特征在于，将初始速度约10m/s和约300m/s之间，优选约100m/s和约200m/s之间，且所选粒径大于液滴直径的冰粒(固态H2O)加到雾及/或云中。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冰粒被有助于雾消散过程及/或使云形成降水过程的其它化学物质包覆及/或与之混合。
3.前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述冰粒被有助于雾升华过程及/或使云形成降水过程的其它化学物质包覆及/或与之混合。
4.权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，借助由压缩机产生的空气流或气体流将冰粒引入雾及/或云中。
5.权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，借助由高压容器提供的空气流或气体流将冰粒引入雾及/或云中。
6.权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，使盛纳冰的容器在雾及/或云中爆炸，从而将冰粒引入雾及/或云中。
7.权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，借助爆炸及/或高气压使冰在雾及/或云中破碎，从而将冰粒引入雾及/或云中。
8.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从一种固定式装置中将所述冰粒引入雾及/或云中。
9.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从一种移动式装置中将所述冰粒引入雾及/或云中。
10.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从车辆上将所述冰粒引入雾及/或云中。
11.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从飞机上将所述冰粒引入雾及/或云中。
12.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从船舶上将所述冰粒引入雾及/或云中。
13.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从有轨机动车辆上将所述冰粒引入雾及/或云中。
14.权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，从一种便携式装置上将所述冰粒引入雾及/或云中。
15.前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，将冰粒装入所述装置中。
16.权利要求1至14所述的方法，其特征在于，在该装置中制造所述冰粒。
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