RU2234781C2 - Способ и устройство для удаления льда с поверхностей - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к технике нагревания льда и снега, а также изменения адгезионной прочности льда при его контакте с объектами. В одном из вариантов система, осуществляющая изменение адгезионной прочности прилипшего к поверхности объекта льда, включает в себя электрод, электрически изолированный от объекта, и источник постоянного тока, например батарею, подключенный к объекту и электроду. Предпочтительно имеется электроизоляционный материал, расположенный между объектом и электродом. В еще одном варианте на объект нанесен сегнетоэлектрический, диэлектрический с потерями, ферромагнитный или полупроводниковый материал. Электромагнитная энергия вызывает генерирование тепла покрытием, приводящее к таянию льда и снега. Группа изобретений позволяет повысить эффективность удаления льда и снега с поверхностей. 4 с. и 15 з.п. ф-лы, 31 ил., 2 табл.

Description

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам, системам и устройствам (конструкциям) для нагревания льда и снега и для изменения адгезионной прочности льда при контакте между льдом и выбранными объектами.

2. Постановка задачи

Адгезия льда к некоторым поверхностям создает много проблем. Например, избыточное скопление льда на крыльях самолета подвергает опасности самолет и пассажиров. Лед на корпусах кораблей создает навигационные затруднения, затраты дополнительной мощности на навигацию по воде и льду, а также определенные небезопасные условия. Необходимость скалывать лед, который образуется на ветровых стеклах автомобилей, затрагивает большинство взрослых людей как надоедливая периодическая обязанность, и любой остаточный лед создает риск уменьшения обзора и безопасности водителя.

Обледенение и адгезия льда также создают проблемы, связанные с лопастями вертолетов и с дорогами общего пользования. Миллиарды долларов тратятся на удаление льда и снега и борьбу с ними. Лед также прилипает к металлам, пластмассам, стеклам и керамике, создавая другие ежедневные трудности. Обледенение на линиях электропередачи также является источником проблем. Обледенение добавляет вес линиям электропередачи, что вызывает перерывы подачи электроэнергии, вследствие чего на прямые и косвенные затраты расходуются миллиарды долларов.

Среди известных технических решений существуют различные способы борьбы с адгезией льда, хотя большинство из них предусматривают некоторую форму скалывания, оттаивания или отламывания. Например, в авиационной промышленности применяется антиобледенительный раствор, такой как этиленгликоль, которым смачивают крылья самолета для таяния находящегося на них льда. Этот процесс является и дорогим и опасным для окружающей среды; вместе с тем, угроза безопасности пассажиров ограничивает его применение. В других самолетах применяют резиновую трубку, уложенную вдоль крыла самолета перед ним, причем эту трубку периодически надувают для отламывания любого льда, отложившегося на ней.

Эти известные способы имеют ограничения и связаны с затруднениями. Во-первых, винтовые самолеты не имеют реактивных двигателей. Во-вторых, резиновые трубки перед крыльями самолета аэродинамически неэффективны. В третьих, затраты на устранение обледенения исключительно высоки, на уровне 2500-3500 долларов США на каждый случай применения, а количество таких случаев применения на некоторых самолетах может достигать примерно десяти раз в сутки. Применительно к другим типам объектов, распространенным является нагревание льда и снега. Но нагревание некоторых объектов непрактично с технической точки зрения. Кроме того, большие энергозатраты и сложные нагревательные устройства часто делают нагревание слишком дорогим.

Вышеупомянутые проблемы в основном являются следствием предрасположенности льда к образованию на поверхностях и прилипанию к ним. Вместе с тем, лед также создает трудности, связанные с тем, что он имеет исключительно низкий коэффициент трения. Например, каждый год лед на проезжей части дороги вызывает многочисленные автомобильные аварии, ценой которых является как человеческая жизнь, так и большой ущерб имуществу. Если бы автомобильные шины эффективнее сцеплялись со льдом, то, вероятно, было бы меньше аварий.

РЕШЕНИЕ

В некоторых конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения, электрическую энергию подают в виде смещения постоянного тока (ПТ) на поверхность раздела между льдом и объектом, который покрыт льдом. В результате, адгезионная прочность льда при контакте между льдом и поверхностью объекта уменьшается, давая возможность удалить лед с объекта за счет ветровой нагрузки, бафтинга или путем легкой очистки щеткой.

Другие вышеупомянутые проблемы можно было бы уменьшить, если бы была увеличена адгезионная прочность льда при контакте между льдом и поверхностями объектов. Например, если бы адгезионная прочность льда при контакте между автомобильными шинами и заледеневшими проезжими частями дорог была увеличена, тогда уменьшилось бы скольжение и количество аварий.

Если на поверхности раздела льда и находящегося с ним в контакте объекта генерируется заряд, то можно избирательно изменять адгезию между льдом и объектом.

В одном аспекте, изобретение обеспечивает источник питания, подсоединяемый с возможностью приложения напряжения постоянного тока к поверхности раздела между льдом и поверхностью, на которой этот лед образуется. Например, объект, имеющий проводящую поверхность, может быть крылом самолета или корпусом корабля (или даже краской, нанесенной на конструкцию). Подсоединяют к поверхности первый электрод, наносят непроводящий или электроизоляционный материал в виде сетки на поверхность, и формируют второй электрод путем нанесения проводящего материала, например, проводящей краски, поверх изоляционного материала, но без контакта с поверхностью. Площадь поверхности второго электрода должна быть малой по сравнению с общей площадью, которую должна защищать система. Например, площадь поверхности защищаемого объекта (т.е. площадь, которую намереваются поддерживать "свободной от льда") должна быть, по меньшей мере, в десять раз больше, чем площадь поверхности второго электрода.

Один или более проводов соединяют второй электрод с источником питания, и одновременно один или более проводов соединяют первый электрод с источником питания. Образование льда на поверхности и втором электроде в виде проводящей сетки замыкает цепь. Затем избирательно подают в эту цепь напряжение, которое регулируемым образом изменяет адгезионную прочность льда при контакте между льдом и объектом.

Кроме того, к цепи предпочтительно подсоединена подсистема регулятора напряжения, чтобы таким образом регулировать напряжение, приложенное к поверхности раздела, и тем самым добиться регулирования адгезионной прочности льда. Лед, включающий в себя ионы различной концентрации, может изменять оптимальное напряжение, при котором адгезионная прочность льда является минимальной, и поэтому подсистема регулятора напряжения обеспечивает механизм, с помощью которого можно избирательно изменять этот минимум.

К цепи предпочтительно подсоединены и другие подсистемы для обеспечения других особенностей, например обнаружения замыкания цепи водой или льдом. В одном аспекте, источник питания является источником питания постоянного тока (например, батареей), который подает напряжение в цепь и который соединен с антиобледенительными электродами. В еще одном аспекте, к цепи подсоединен амперметр постоянного тока для измерения удельной электропроводности льда по постоянному току (т.е. полупроводникового слоя, который "закорачивает" оба электрода, когда образуется на поверхности и любой части второго электрода в виде сетки). В еще одном аспекте, к цепи подсоединен источник питания переменного тока для избирательного генерирования напряжений переменного тока с частотой в диапазоне между примерно 10 и 100 кГц. Согласно еще одному аспекту к цепи также подсоединен амперметр переменного тока для измерения удельной электропроводности льда по переменному току на частотах в диапазоне 10-100 кГц. И в еще одном аспекте, компаратор токов сравнивает удельные электропроводности по переменному току и постоянному току.

Таким образом, эти аспекты обеспечивают получение схем, которые могут, например, различать, когда полупроводниковый слой, образовавшийся на поверхности, является льдом, что может быть опасно, или поверхностной водой. У воды удельная электропроводность по переменному току (в вышеупомянутом диапазоне частот) и удельная электропроводность по постоянному току, по существу, одинаковы. Вместе с тем, что касается льда, то его удельная электропроводность по переменному току и удельная электропроводность по постоянному току различаются по величине на два-три порядка. Эту разность удельных электропроводностей измеряют с помощью соответствующих амперметров, сравнивая их показания в компараторе токов. Когда разность удельных электропроводностей больше, чем предварительно определенное контрольное значение, компаратор токов выдает аварийный сигнал обледенения. В этот момент, подсистема регулятора напряжения может работать, подавая в цепь, а значит и на поверхность раздела, смещение постоянного тока с требуемой напряженностью поля, что значительно уменьшает адгезионную прочность льда. Согласно одному аспекту настоящего изобретения, когда на крыле самолета обнаруживают лед, аварийный сигнал обледенения инициирует срабатывание контура обратной связи в системе, которая (а) измеряет удельные электропроводности льда, (б) определяет подходящие напряжения смещения для достижения условий минимальной (или почти минимальной) адгезии льда, и (в) прикладывает напряжение смещения к поверхности раздела "лед - крыло" для облегчения удаления льда.

Специалисты в данной области техники должны признать, что вышеописанная система может быть применена к поверхностям многих объектов, где она желательна для уменьшения адгезионной прочности льда, например, на ветровых стеклах легковых автомобилей, корпусах кораблей и линиях электропередачи. В таких случаях, если поверхность объекта является плохо проводящей, желательно "легировать" поверхность объекта так, чтобы она стала удовлетворительно проводящей. Методы легирования известны специалистам в данной области техники. Например, автомобильные шины можно легировать йодом, чтобы резина стала проводящей. Точно так же, (ветровое) стекло автомобиля можно легировать либо ITO, либо SnO₂ с присадкой фтора, чтобы это ветровое стекло стало приемлемым полупроводником.

В соответствии с изобретением в предпочтительных конкретных вариантах его осуществления, лед легируют солью, что увеличивает удельную электропроводность льда при смещении постоянного тока и усиливает влияние смещения постоянного тока на адгезионную прочность. Легирование предпочтительно осуществляют путем нанесения пористого материала на поверхность защищаемого объекта. Пористый материал пропитывают солью, а затем этот пористый материал высвобождает малые количества соли в лед, когда тот образуется. Объект, защищаемый от льда и снега, также можно легировать для увеличения удельной электропроводности этого объекта, особенно на его поверхности.

В соответствии с изобретением в еще одном конкретном варианте его осуществления, на поверхность защищаемого объекта наносят самособирающийся монослой (CM). Материал, образующий СМ, выбирают таким, чтобы он имел высокую адгезию к поверхности. Материал СМ также выбирают либо гидрофобным, либо гидрофильным, чтобы уменьшить или увеличить адгезионную прочность льда.

В еще одном аспекте, изобретение обеспечивает систему и способ устранения обледенения линий электропередачи и других объектов. Поверхность объекта, такого как линии электропередачи, покрывают материалом, который поглощает электромагнитную энергию. Поглощение электромагнитной энергии вызывает нагревание линий электропередачи до температуры, которая выше температуры таяния льда. Материал покрытия может быть сегнетоэлектрическим, полупроводниковым или ферромагнитным материалом. В одном конкретном варианте осуществления, покрытие обладает свойствами, которые зависят от конкретной температуры, определяемой на основании либо диэлектрических, либо магнитных потерь. Эти свойства вызывают поглощение электромагнитной энергии и происходящее в результате этого нагревание проводов только тогда, когда температура окружающей среды падает ниже температуры таяния льда. В альтернативном варианте, материал покрытия можно "включать" и "выключать", если для нагревания покрытия применяется отдельный источник питания.

В одном конкретном варианте, сам лед применяют в качестве диэлектрического покрытия с потерями на высокой частоте порядка 60 кГц. Кроме того, можно применить нагрев за счет поверхностного эффекта на высокой частоте для таяния льда или снега на линиях электропередачи.

Ниже приводится описание изобретения в связи с предпочтительными конкретными вариантами осуществления, и для специалистов в данной области техники будет очевидно, что можно осуществить различные дополнения, изъятия и изменения в рамках объема притязаний изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полное представление об изобретении можно получить, обратившись к чертежам, на которых

фиг.1 иллюстрирует зависимость между молекулярной поляризацией Р и плотностью ρ пространственного заряда как функцию расстояния от поверхности раздела "лед - металл",

фиг.2 изображает устройство для исследования влияния смещения постоянного тока на адгезию льда к твердым металлам,

фиг.3 (и поперечное сечение на фиг.4) изображают систему

в соответствии с изобретением, которая работает, уменьшая адгезию льда, образовавшегося на поверхности,

фиг.5 иллюстрирует систему для приложения смещения постоянного тока для уменьшения адгезии льда в соответствии с изобретением,

фиг.6 изображает конкретный вариант осуществления, предусматривающий наличие пористого материала, легированного ионами, в соответствии с изобретением,

фиг.7 изображает конкретный вариант осуществления, предусматривающий наличие самособирающегося монослоя,

фиг.8 изображает конкретный вариант осуществления изобретения, пригодный для уменьшения толщины или удаления льда с линий электропередачи, имеющих покрытие,

фиг.9 показывает поперечное сечение линии электропередачи, имеющей покрытие и изготовленной в соответствии с изобретением,

фиг.10-12 показывают результаты вычислений мощности нагревания в единицах Вт/м как функции напряжения при использовании разных толщин диэлектрического покрытия,

фиг.13 показывает теплопередачу от проводника диаметром 2,5 см при ΔT 10°C,

на фиг.14 теплопередача изображена в виде графика функции диаметра проводника при скорости ветра 10 м/с,

фиг.15 показывает температурную зависимость нормализованной мощности нагревания покрытия из ZnO толщиной 1 мм на линии электропередачи мощностью 1000 МВт, где температура таяния льда составляет 273 К,

фиг.16 показывает эквивалентную электрическую цепь линии электропередачи без покрытия,

фиг.17 показывает эквивалентную электрическую цепь линии электропередачи с покрытием,

фиг.18 изображает усовершенствованную конструкцию и систему в соответствии с изобретением для борьбы со льдом и снегом на линии электропередачи,

фиг.19 изображает поперечный разрез линии электропередачи, содержащей сетевую линию электропередачи и изоляционный слой,

фиг.20 изображает антиобледенительную систему линии электропередачи, сконструированную в соответствии с изобретением,

фиг.21 показывает усовершенствованный конкретный вариант осуществления, предназначенный для нагревания в соответствии с изобретением и предусматривающий наличие конструкции и системы, при которых источник питания переменного тока запитывает покрытия вместо межпроводного электрического поля,

фиг.22 раскрывает сущность возможной конфигурации трансформатора, устанавливаемого на линии электропередачи,

фиг.23 изображает принципиальную электрическую схему, в которой применяются два резонансных контура для предотвращения пропускания напряжения частотой 6 кГц в источник питания частотой 60 Гц,

фиг.24 изображает обобщенную конструкцию и систему в соответствии с изобретением, в которых диэлектрическое или сегнетоэлектрическое покрытие применяется для устранения обледенения неактивной поверхности (т.е. поверхности без внутренних электрических полей переменного тока),

фиг.25 изображает поперечное сечение структуры с отстоящими друг от друга электродами,

фиг.26 изображает вид сверху конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.25,

фиг.27 изображает структуру, содержащую поверхность подложки, на которой размещены отстоящие друг от друга полосковые электроды,

фиг.28 изображает антиобледенительную систему, в которой сам лед применяется в качестве диэлектрического покрытия с потерями,

фиг.29 показывает график, на котором мощность нагревания, в единицах Вт/м, отображена как функция расстояния m, в метрах, от источника питания,

фиг.30 показывает общий эффект нагревания на расстоянии 3000 м в линии электропередачи, в которой применяется нагревание как за счет диэлектрических потерь, так и за счет поверхностного эффекта, и

фиг.31 изображает расчетное процентное затухание эффектов нагревания для усовершенствованного конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.30, на расстоянии 50 км.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение включает в себя способы, системы и конструкции (структуры), которые способствуют удалению льда и снега с поверхностей объектов. В некоторых конкретных вариантах осуществления, изменение адгезионной прочности льда при контакте с такими объектами, как металлы и полупроводники, достигается путем приложения смещения постоянного тока к поверхности раздела между льдом и этими объектами. Таким образом, можно применять изобретение для уменьшения, а в некоторых случаях - устранения, адгезии льда к поверхностям таких объектов.

В некоторых конкретных вариантах осуществления, изобретение способствует изменению электростатических взаимодействий, которые позволяют образоваться связям между льдом и металлами. Эти взаимодействия эффективно изменяются (либо уменьшаются, либо увеличиваются) путем приложения малого смещения постоянного тока (ПТ) между льдом и металлами.

В некоторых конкретных вариантах осуществления, изобретение включает в себя системы и способы применения материалов покрытий, поглощающих электромагнитную энергию. Это поглощение будет приводить к нагреванию материала покрытия и объекта с покрытием, в результате чего будет происходить таяние льда.

Лед обладает определенными физическими свойствами, которые позволяют с помощью настоящего изобретения селективно изменять адгезию льда к проводящим (и полупроводниковым) поверхностям. Если на поверхности, вступающей в контакт со льдом, генерируют заряд, то можно избирательно изменять адгезию между двумя поверхностями. Прежде всего, лед является протонным полупроводником, это малый класс полупроводников, носителями заряда которых являются протоны, а не электроны. Это явление является следствием водородных связей во льду. Аналогично типичным полупроводникам, носителями заряда в которых являются электроны, лед является электропроводным веществом, хотя удельная электропроводность у него, как правило, низкая.

Еще одно физическое свойство льда заключается в том, что его поверхность покрыта жидкостеобразным слоем (ЖС). ЖС имеет важные физические характеристики. Во-первых, ЖС имеет толщину лишь в нанометрическом диапазоне. Во-вторых, его вязкость находится в таком диапазоне, что он может существовать в состояниях от водообразного - при температурах замерзания или близких к ним - до очень вязкого при пониженных температурах. Кроме того, ЖС существует при таких низких температурах, как - 100°С.

ЖС также является основным фактором адгезионной прочности льда. Совокупность полупроводниковых свойств льда и ЖС позволяет избирательно манипулировать адгезионной прочностью льда при контакте между льдом и другими объектами. В общем случае, молекулы воды в куске льда ориентированы произвольным образом. Вместе с тем, молекулы на поверхности ориентированы, по существу, в одном и том же направлении - либо наружу, либо внутрь. В результате все их протоны, а значит и положительные заряды, "обращены" либо наружу, либо внутрь. Хотя точный механизм (ориентации) неизвестен, вероятно, он таков, что неупорядоченность молекул воды переходит в упорядоченную ориентацию внутри ЖС. Вместе с тем, практическим результатом упорядочивания является то, что на поверхности имеет место высокая плотность электрических зарядов, либо положительных, либо отрицательных. Поэтому, если на поверхности, вступающей в контакт со льдом, генерируют заряд, то можно избирательно изменять адгезию между двумя поверхностями. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются, приложенное извне электрическое смещение на поверхности раздела льда и другой поверхности уменьшает или увеличивает адгезию льда к другому объекту.

Фиг.1 иллюстрирует зависимость между молекулярной поляризацией Р и плотностью ρ пространственного заряда как функцию расстояния от поверхности раздела "лед - металл". На фиг.1 электрический заряд, индуцируемый в металле, равен по величине и противоположен по знаку заряду во льду. На графике, показанном на фиг.1, плотность ρ заряда внутри льда (кривая 14b) у поверхности раздела "лед - металл" (данные 14а) и внутри металла или диэлектрического материала (кривая 14b) у той же поверхности раздела отображена на графике как функция расстояния от поверхности раздела. Значение x/L, отложенное по абсциссе, представляет собой долю расстояния L, известную как Дебаевский радиус экранирования. Взаимодействие между зарядами на поверхности льда и зарядом, индуцируемым в твердом объекте, оказывает влияние на прочность поверхности раздела "лед - твердый объект".

Были проведены сложные расчеты энергии электростатического взаимодействия между зарядами на поверхности льда и металлами, и они согласуются с эмпирически измеренными значениями, указывая, что энергия взаимодействия обычно находится в диапазоне от 0,01 до 0,5 Дж/м² при температуре -10°С. Нижний предел 0,01 Дж/м² соответствует чистому льду, тогда как значение верхнего предела, 0,5 Дж/м², соответствует льду, сильно легированному солью.

Поскольку электростатические взаимодействия вносят вклад в адгезию льда, адгезионная прочность при контакте между льдом и проводящим материалом (например, металлом или полупроводником) изменяется за счет внешнего смещения постоянного тока, прикладываемого к поверхности раздела "лед - материал".

Лед включает в себя полярные молекулы воды, которые интенсивно взаимодействуют с любой твердой подложкой, которая обладает диэлектрической проницаемостью, отличающейся от диэлектрической проницаемости льда. Кроме того, имеется опыт теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающий существование поверхностного заряда во льду. Этот поверхностный заряд тоже может взаимодействовать с подложкой.

ПРИМЕР 1

Исследовали влияние смещения постоянного тока на адгезию льда к твердым металлам. Применяли систему 50, показанную на фиг.2. Пространство между стальными трубами 52 заполняли 0,5%-ным раствором NaCl в воде, а затем помещали систему 50 в холодную комнату с температурой -10°С. Многочисленные системы 50 также заполняли соленой водой. Соленость воды была близкой к солености обычной океанской воды. Все образцы перед испытаниями выдерживали внутри холодной комнаты в течение трех часов, т.е. времени, достаточного для замерзания воды и освобождения образовавшегося льда от внутреннего напряжения. Максимальную прочность на сдвиг поверхности 54 раздела "лед сталь" измеряли, когда образцы были нагружены (посредством нагружающей ячейки 56, с приложением силы 58) с постоянной скоростью деформации 100 мкм/мин. Прикладывали смещение постоянного тока в диапазоне от -21 до + 21 В и поддерживали его между трубками 52 из нержавеющей стали в начале нагружения. Тефлоновые крышки 60 допускали перемещение внутренней трубки 52а относительно льда. Приложение постоянного тока (ПТ) от источника 63 обеспечивает смещение ПТ во время эксперимента.

Система 50 поддерживалась платформой 64. Изоляционный шарик 66 термически и электрически отключал нагружающую ячейку 56 от остальной части системы 50.

Во время механических испытаний записывали электрический ток, нагрузку и температуру в накопителе на жестком диске компьютера. Для записи данных использовали плату сбора данных системы сбора данных ССД-1800 (DAS-1800) и программное обеспечение "Лэб Вью" (Lab View).

Поскольку адгезия льда весьма чувствительна к концентрации соли, то эту концентрацию измеряли в оттаявших образцах после испытаний. До и после этого, поверхности трубок 52 из нержавеющей стали омывали омывателем, содержащим мягкий абразив, промывали сначала в дистиллированной воде, потом в метаноле, и снова в дистиллированной воде. Процедуры очистки и регулирования концентрации соли важны для воспроизводимости данных.

Чтобы определить, вызывает ли приложение смещения постоянного тока (из источника 63) изменение температуры льда, во время нескольких испытаний помещали термопару (не показана) в лед 62 между трубками 52 из стали. В пределах точности этих испытаний (±0,05°С), изменение температуры не наблюдалось.

Результаты таких испытаний сведены в таблицу 1, приводимую ниже, которая иллюстрирует тот факт, что при напряжениях, примененных в процессе испытаний, наблюдалось значительное уменьшение максимальной прочности Т_макс на сдвиг на границах раздела. В частности, этот эффект был значительным при V=+6,6 В.

Фиг.3 (и поперечное сечение на фиг.4) изображают систему 100 в соответствии с изобретением. Система 100 работает, уменьшая адгезию льда 102, образовавшегося на поверхности 106 объекта 104. Система 100 образует цепь, которая включает в себя объект 104, проводящую сетку 114 (включая иллюстративные точки "А"-"F" на этой сетке) и источник 116 питания. Сетка 114 вывешена над поверхностью 106, так что она остается электрически изолированной от объекта 104.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления изобретения, вывешивание сетки 114 над поверхностью 106 достигается посредством применения изоляционной сетки 118, располагаемой между сеткой 114 и поверхностью 106. Фиг.4 иллюстрирует сетку 118 более подробно. Поперечное сечение, изображенное на фиг.4, показано не в масштабе, чтобы проиллюстрировать взаимосвязь изоляционной сетки 118 и проводящей сетки 114. На самом же деле, толщина (в размере, показанном на фиг.4) сеток 114, 118 может быть гораздо меньше одного дюйма (25,4 мм) (и даже такой малой, как 0,254-0,508 мм (0,010-0,020 дюйма)), так что эти сетки можно считать "покрытиями". Например, сетка 118 может быть выполнена из тонкого покрытия, состоящего из электроизоляционной краски, тогда как сетка 114 может быть выполнена из тонкого покрытия, состоящего из электропроводной краски. Сетка 114 подсоединена таким образом, что может функционировать как одиночный электрод, и поэтому объект 106 становится первым электродом системы 100, а сетка 114 становится вторым электродом в цепи.

Сетки 114 и 118 также могут быть гибкими, формуемыми на поверхности 106, которая может иметь любую форму, несмотря на то, что изображена плоская поверхность 106. Например, объект 110 может представлять собой крыло самолета или ветровое стекло легкового автомобиля, а сетки 114, 118 могут иметь форму, совпадающую с формой объекта 110.

В предпочтительном конкретном варианте осуществления, обсуждаемом ниже со ссылками на фиг.6, между объектом 110 и изоляционной сеткой 118 расположен пористый легирующий слой.

Когда лед 102 образуется на поверхности 106, цепь системы 100 замыкается, поскольку лед 102 "работает" как полупроводник (что обсуждалось выше). Когда цепь замкнута, источник 116 питания подает смещение постоянного тока на поверхность раздела меду льдом 102 и объектом 110. Это смещение, как правило, меньше нескольких вольт, поэтому в качестве источника питания 116 может функционировать батарея.

Величина смещения зависит от требуемого приложения. В случае ветрового стекла легкового автомобиля или крыла самолета, смещение выбирают таким образом, что в результате имеет место минимальная (или почти минимальная) адгезия льда, облегчая тем самым удаление льда 102 с объекта 110.

К цепи с системой 100 также предпочтительно подсоединена подсистема 122 регулятора напряжения. Как подробнее описано ниже, подсистема 122 регулятора напряжения работает в обратной связи с цепью и источником 116 питания, чтобы уменьшать или увеличивать смещение постоянного тока оптимальным образом. Например, эта подсистема может включать в себя схемы и микропроцессор 124 для измерения данных, поступающих из цепи, и для определения удельной электропроводности (и/или температуры) льда 102. В свою очередь, такие измерения используются подсистемой 122 для генерирования сигнала, который эффективно изменяет величину смещения постоянного тока, приложенного к цепи. Конкретно, в одном варианте осуществления, источник 116 питания реагирует на упомянутый сигнал для генерирования "правильного" напряжения на поверхности раздела "лед - объект". Значение смещения постоянного тока можно запоминать в запоминающем устройстве 126 в подсистеме 122, например - в справочной таблице, и это значение может быть основано на экспериментальных данных. Например, лед с удельной электропроводностью "X" (которую подсистема измеряет предпочтительно в режиме реального времени), находящийся в контакте с объектом 110, имеющим удельную электропроводность "Y" (известную априори, поскольку система 100 установлена вместе с объектом 110 для конкретного приложения), будут использованы посредством справочной таблицы в запоминающем устройстве 126 для определения напряжения, которое нужно приложить к поверхности раздела "лед - объект".

Электрод 114 в виде сетки предпочтительно располагают так, чтобы гарантировать (настолько, насколько это возможно), что лед 102, образовавшийся на поверхности 106, будет находиться в контакте, по меньшей мере, с одной частью сетки 114. Например, обращаясь к фиг.3, отмечаем, что лед 102 вступает в контакт с несколькими зонами сетки 114, включая контакт в точках "С"-"Е". Следовательно, цепь системы 100 будет замкнута, так как лед 102 соответственно "закорачивает", по меньшей мере, часть сетки на электроды 110 в виде объекта.

Реальный размер шага между проводящими зонами сетки 114, например, такими, как зона сетки 114, показанная на фиг.3, следует выбирать для конкретного приложения. В качестве примера отметим, что если поверхность 106 является поверхностью крыла самолета, то этот шаг может быть относительно большим, например - соответствующим площади ячейки сетки, составляющей больше 929,03 см² (одного квадратного фута).

В качестве примера отметим, что фиг.5 иллюстрирует систему 150, сконструированную в соответствии с изобретением. Одним электродом подсистемы 170 является крыло 152 самолета. Крыло 152 самолета электрически подключено к заземлению 154. Источник 156 питания постоянного тока электрически подключен к амперметру 158 постоянного тока. Амперметр 158 постоянного тока электрически подключен к фильтру 160. Фильтр 160 электрически подключен посредством провода 161 к проводящей краске 162 (или другому эквиваленту, форма которого совпадает с формой крыла), которая нанесена на изоляционный слой 164, закрепленный на крыле 152 самолета.

Изоляционный слой 164 и проводящая краска 162 предпочтительно расположены как трафарет в виде сетки, такой как описанная в связи с фиг.3 и 4. Поэтому источник 156 питания подсоединен к проводящей краске 162 и к заземлению через электрод 152 в виде крыла. Когда на крыле 152 образуется лед, цепь закорачивается этим льдом, и к поверхности раздела прикладывается смещение постоянного тока для уменьшения адгезии льда и облегчения удаления льда.

Как правило, общая площадь, покрытая изоляционным слоем 164, не превышает примерно 1% защищаемой поверхности. Таким образом, изготовитель, имеющий данные предыдущих исследований или другие данные по типичным отложениям льда для конкретного крыла или другой защищаемой конструкции, может выбрать тип наносимой сетки.

Напряжение, прикладываемое между электродом 162 в виде сетки и электродом 152 в виде крыла (или другой поверхности), обычно регулируют до достижения диапазона от одного до шести вольт при соответствующем токе менее 1 А на 1 м² площади сетки.

Специалисты в данной области техники поймут, что для изготовления системы 100 можно использовать огромное множество промышленно поставляемых изоляционных лаков и проводящих красок и что конкретную марку нужно выбирать после испытаний, включающих моделирование льда. Кроме того, оптимальный шаг сетки (например, зоны 128, показанной на фиг.3) также нужно определять экспериментальным путем или посредством анализа для конкретной конструкции.

Снова обращаясь к фиг.5, отмечаем, что амперметр 158 постоянного тока также может быть подключен к подсистеме 170 обратной связи. Подсистема 170 обратной связи в свою очередь электрически подключена к источнику 156 питания постоянного тока для "регулирования" смещения постоянного тока, прикладываемого к поверхности раздела "лед - крыло", в зависимости от таких характеристик, как удельная электропроводность и температура льда. Поэтому с цепью 150 предпочтительно соединен датчик 172 температуры, предназначенный для измерения температуры льда 174.

Дополнительные признаки системы 150 могут включать в себя источник 176 питания переменного тока (работающий в диапазоне частот от примерно 10 и 100 кГц), электрически подключенный к амперметру 178 переменного тока, который в свою очередь подключен к проводящей краске 162. Как к амперметру 178 переменного тока, так и к амперметру 158 постоянного тока электрически подключен компаратор 180 токов.

В состав системы 150 также может входить подсистема 182 аварийного сигнала обледенения. Компаратор 180 токов может быть подключен, например, к подсистеме 182 аварийного сигнала обледенения и к подсистеме 170 обратной связи, чтобы инициировать некоторые события, например, те, о которых речь пойдет ниже.

Амперметр постоянного тока можно использовать для измерения удельной электропроводности цепи 150 по постоянному току. Сигнал измерения удельной электропроводности по постоянному току подается в подсистему 170 обратной связи, которая в свою очередь регулирует ток, подаваемый источником 156 питания постоянного тока в компаратор 180 токов.

Амперметр переменного тока можно использовать для измерения удельной электропроводности цепи 150 по переменному току в пределах диапазона применяемых частот, например 10-100 кГц.

Сигнал измерения удельной электропроводности по переменному току подается в компаратор 180 токов (и, по выбору, в подсистему 170 обратной связи для вычисления отношения удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току, а также для обработки данных). Сравнение удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току используется системой 150 для установления различия между водой и льдом, наличие которых в обоих случаях "закорачивает" и замыкает цепь. В частности, отношение удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току в случае льда имеет величину на 2-3 порядка больше, чем в случае воды, обеспечивая сигнал, измерение которого позволяет легко отличить лед от воды.

Когда на крыле 152 образуется лед, компаратор 180 токов выдает сигнал в подсистему 170 обратной связи, которая в свою очередь выдает в источник 156 питания постоянного тока команду увеличить или уменьшить смещение постоянного тока на поверхности раздела "лед - крыло". Величину смещения постоянного тока (обычно в диапазоне от одного до шести вольт) выбирают так, чтобы минимизировать адгезионную прочность льда, которую имеет лед 174 на крыле 152.

После удаления льда с крыла 152, разность сигналов, принимаемая компаратором 180 токов, падает ниже предварительно установленного значения, и компаратор 180 токов отключает подсистему 182 аварийного сигнала обледенения. Одновременно, компаратор 180 токов выдает сигнал в подсистему 170 обратной связи, которая в свою очередь выдает в источник 156 питания постоянного тока команду уменьшить смещение до исходного уровня.

Суммируя сказанное, отметим, что амперметры 158 и 178 используются для определения удельной электропроводности материала, который закорачивает промежуток между электродом 162 в виде сетки и крылом 152. Как показано, этим материалом является лед 174. Таким образом, система 150 устанавливает различие между льдом и водой в автоматическом режиме. Фильтр 160 предотвращает поступление напряжения переменного тока в "работающие на постоянном токе" части цепи, которые следует точно регулировать для изменения адгезионной прочности льда. Подсистема 170 обратной связи может включать в себя и предпочтительно включает в себя микропроцессор и запоминающее устройство для выдачи команд в источник 156 питания и его регулирования при почти оптимальном смещении постоянного тока на основании данных обратной связи, таких как температура льда и удельная электропроводность льда (и/или чистота льда). Контур обратной связи предпочтительно увеличивает или уменьшает напряжения смещения постоянного тока на уровне, который обеспечивает плотность примерно 0,1 мА/м² (или плотность тока примерно 1 мА/кв. дюйм на поверхности раздела "лед - крыло") после получения аварийного сигнала обледенения из подсистемы 182. Следовательно, при токе примерно 10-30 А, для типового большого самолета требуется общее потребление мощности примерно 100-500 Вт.

Таким образом, "работающие на постоянном токе" части цепи, показанной на фиг.5, работают, в первую очередь, для подачи смещения постоянного тока на поверхность раздела "лед -крыло", а во вторую очередь (если это желательно), для измерения удельной электропроводности льда 174 по постоянному току.

"Работающие на переменном токе" части цепи, показанной на фиг.5, работают, в первую очередь, для измерения удельной электропроводности по переменному току. Тогда остальные части цепи, показанной на фиг.5, обеспечивают: (а) фильтр для предотвращения передачи сигнала между частями, работающими на постоянном токе и переменном токе, (б) схемы обратной связи, измерения и регулирования, предназначенные для регулирования приложенного смещения постоянного тока на основании обнаружения льда (по сравнению с водой) и/или такими параметрами, измеряемыми с помощью обратной связи, как температура и удельная электропроводность льда. Для достижения плавного и точного регулирования, вместе с микропроцессорами и запоминающим устройством компьютера можно использовать компьютерную аппаратуру с подходящей программой программного обеспечения. Интерфейс пользователя обеспечивает оперативный контроль системы 150 в интерактивном режиме, ее регулирование и эксплуатацию.

Фиг.6 изображает предпочтительный конкретный вариант 190 осуществления в соответствии с изобретением, который является вариантом конструкции и системы, изображенных на фиг.3-4. На фиг.6 показано, что применяется "пористый" слой или материал 192 для легирования льда 193, прилипшего к поверхности 195 объекта 194, служащей в качестве электрода. Как описано выше, чтобы создать требуемую плотность тока на поверхности раздела между льдом 193 и пористым слоем 192 для изменения адгезионной прочности льда, используются электроды 196 (например, электроды в виде сетки). Изоляционный слой 197 предохраняет электрод 196 от закорачивания через пористый материал 192 до тех пор, пока на нем не образуется лед.

При эксплуатации, к электроду 195 в виде поверхности и электроду 196 в виде сетки прикладывают напряжение. Изоляционные слои 197 предотвращают закорачивание электрода 195 - в виде поверхности и электрода 196 в виде сетки через посредство пористого слоя 192. На пористом слое 192 начинает образовываться лед 193. Пористый слой 192 высвобождает легирующие вещества в лед 193, что повышает удельную электропроводность льда. Напряжение, прикладываемое от электрода 195 в виде поверхности и электрода 196 в виде сетки, уменьшает адгезию льда, присущую льду 193, и вызывает таяние льда 193.

В очень холодных условиях большой высоты, например - на уровне полета самолета, лед является очень чистым и/или непроводящим. Преимущество конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.6, заключается в том, что материал 192 имеет поры, которые можно легировать таким образом, что этот материал будет высвобождать ионы в лед 193. Для повышения удельной электропроводности чистого льда и льда при очень низкой температуре, ионы, высвобождаемые пористым слоем 192, увеличивают удельную электропроводность.

Отметим, что пористый слой 192, изображенный на фиг.6, может быть тонким покрытием, которое почти нерастворимо в воде. Когда вода сцепляется со слоем 192, этот слой 192 легирует воду и/или, лед ионами, создавая удельную электропроводность. Эти ионы должны соответствовать ожидаемым температурам льда, который сам обладает некоторой удельной электропроводностью, зависящей от температуры.

Перед использованием, пористый материал 192 насыщают водным раствором легирующих веществ, которые повышают удельную электропроводность льда, например - щелочами, кислотами, солями, и т.д. Например, можно использовать растворы электролитов КОН, HF, NaCl, KCl. Когда материал 192 вступает в контакт с переохлажденными каплями воды или льдом, он высвобождает малое количество легирующих примесей в воду и лед. Легирующие вещества легируют лед ионами, повышая таким образом удельную электропроводность льда. Поскольку даже незначительное количество легирующих примесей во льду может увеличить величину его удельной электропроводности на несколько порядков, постольку "заряженные" таким раствором электроды могут многократно легировать лед перед тем, как они должны снова разрядиться (например, в течение месяца). "Перезарядку" можно проводить просто путем смывания пористого материала 192 одним из вышеупомянутых растворов.

Отметим, что слой 192 показан со значительным преувеличением его размеров в иллюстративных целях. Слой 192 может быть очень тонким слоем или почти краской, покрывающей основную поверхность 195 объекта 194, например - крыла самолета. Последующее легирование можно осуществлять по потребности, чтобы гарантировать непрерывное повышение удельной электропроводности льда.

Отметим, что слой 192 пористого материала не обязателен, если, например, электроды 196 в виде сетки являются пористыми по природе и высвобождают легирующие вещества в лед. Выбор в пользу применения пористого слоя 192 или пористых электродов 196 или того и другого для обеспечения легирования - это вопрос выбора конструкции и, например, шага сетки, представляющей собой электрод.

Пористый слой 192 материала может быть получен из любого материала, который имеет поры и который можно легировать для высвобождения ионов в лед 193. Материалом пористого слоя 192 может быть любая пористая керамика, металл или сплав. В некоторых конкретных вариантах осуществления, пористый слой 192 может быть очень тонким слоем, который почти нерастворим в воде, таким, как покрытие из краски, покрывающей поверхность 195.

Существует огромное множество разновидностей пористой керамики, металлов и сплавов, промышленно поставляемых для применения в качестве пористого материала, включая следующие:

(1) перколированные пористые электроды, состоящие из металлокерамического материала; см. Вилак и др., "Перколированные пористые электроды, состоящие из металлокерамического материала" - в обзоре "Металлокерамика и перенос массы", "Журнал химического машиностроения Канады", (Vilar et al., Percolated porous electrodes composed of sintered metal - Hydrodynamics and mass transfer, Canadian Journal of Chemical Engineering), 76:(1):41-50 (1988);

(2) интеркаляционная система на основе пористого графита, предназначенная для перезаряжаемых батарей; см. Барсуков, "Интеркаляционная система на основе пористого графита, предназначенная для перезаряжаемых батарей", в сборнике "Новые материалы: Системы с сопряженными двойными связями" (Barsukov, Porous Graphite-Inrtercalation System for Rechargeable Batteries, New Materials: Conjugated Double Bond Systems), 191:265-268 (1995);

(3) электроды из пористого железа, содержащие присадки металлов; см. Джейалакшми и др., "Электрохимическая характеристика электродов из пористого железа", "Труды Индийской академии наук", серия "Химические науки" (Jayalakshmi et al., Electrochemical Characterization Of Porous Iron Electrodes, Proceedings Of The Indian Academy of Sciences - Chemical Sciences), 103:(6):753-761 (1991).

Еще один, новый конкретный вариант осуществления изобретения представляет собой покрытие из самособирающегося монослоя (СМ) на поверхности объекта, защищаемого от льда и снега. В соответствии с изобретением, поверхность металла покрывают мономолекулярным слоем конкретных органических молекул, которые обладают сильными гидрофобными свойствами. Слои типа СМ образуются, когда линейные органические молекулы самопроизвольно поглощаются твердой поверхностью. Требуемый СМ обладает сильной адгезией к конкретному металлу, на который его наносят, является гидрофобным и уменьшает прочность водородных связей между льдом и поверхностью металла. С этой целью используют самособирающиеся монослои молекул, хорошо известные в молекулярной инженерии и биохимии. Химические свойства головного или находящегося на поверхности конца молекулы СМ выбирают так, чтобы обеспечивалось прилипание к металлической поверхности, а свойства хвостового конца, который обычно проходит от поверхности на расстоянии порядка 1-2 нанометра, выбирают так, чтобы он был гидрофобным. Например, типичный гидрофобный "хвост" содержит алкановую группу, такую как метильная группа.

ПРИМЕР 2

Фиг.7 изображает конкретный вариант осуществления изобретения в случае льда на СМ. На кварцевой подложке 202 формировали слой 204 хрома. На слое 204 хрома формировали слой 206 золота. После этого на слое 206 золота формировали самособирающийся монослой 208. Сверху на СМ 208 помещали каплю 210 воды или кусочек льда. К капле (кусочку) 210 подсоединяли источник 212 питания постоянного тока и электрометр 214. Электрометр 214 подсоединяли к слою 206 золота. Электрометр 214 измерял плотность заряда на поверхности раздела, работая в режиме кулонометра во время изменения смещения постоянного тока, выдаваемого источником 212 питания постоянного тока, и гидрофобных свойств.

При подготовке СМ 208 применяли оптические зеркала с гальваническим покрытием из золота. Слой 206 золота промывали этанолом, а затем сушили, обдувая потоком азота. После этого слой 206 золота погружали на 12-36 часов в подходящий раствор, описанный выше, для придания конкретных гидрофобных и гидрофильных свойств. Затем слой 206 золота извлекали из раствора и 5-10 раз промывали в этаноле. Слой 206 золота сушили в потоке азота в течение 10-15 секунд.

В случае гидрофобных образцов, одномиллимолярный исходный раствор реагентов приготовляли из 1-додекантиола [СН₃(СН₃)₁₁SН] путем растворения 138,8 мкл додекантиола в 1 л либо метанола, либо этанола. В случае гидрофильных образцов, одномиллимолярный исходный раствор реагентов приготовляли из 11-меркапто-1-ундеканола [НО(СН₃)₁₁SН] путем растворения 0,2044 г мкл 11-меркапто-1-ундеканола в 1 л метанола. Для получения СМ 208 с определенными гидрофобными и гидрофильными свойствами, оба раствора смешивали в интересующем соотношении.

При отсутствии напряжения постоянного тока, прикладываемого извне, угол контакта воды с гидрофобным СМ 208 находился в диапазоне от 98 до 104 градусов. Угол контакта воды гидрофильным СМ 208 находится в диапазоне от 36 до 38 градусов. При изменении гидрофильных и гидрофобных свойств, работа адгезии воды к СМ 208 изменялась в диапазоне от 130 до 54 мДж/м². Приложение малого напряжения постоянного тока резко изменяло угол контакта и работу адгезии. Приложение -4,5 В уменьшало угол контакта от 100 до 40 градусов. Это соответствует изменению работы адгезии от 59,5 до 127 мДж/м².

Устранение обледенения линий электропередачи

Фиг.8 и 9 изображают конкретный вариант осуществления изобретения, пригодный для уменьшения толщины или удаления льда с линий 300 электропередачи. Фиг.9 показывает поперечное сечение 302 линии 300 электропередачи, сконструированной в соответствии с изобретением. Как известно в данной области техники, типовая сетевая линия 304 электропередачи передает электроэнергию на частоте 60 Гц, но с очень сильными электрическими полями, например - имеющими напряженность 4000 В/см. В соответствии с изобретением, на линию 304 нанесено покрытие 306 толщиной "t".

Покрытие 306 генерирует тепло в присутствии поля переменного тока, например, генерируемого сетевой линией 304 электропередачи. В частности, покрытие обладает гистерезисом, в результате которого в цикле переменного тока генерируется тепло; таким образом, это покрытие генерирует тепло за счет колебаний электрического поля линии 304. В этом конкретном варианте осуществления изобретения, за счет мощности, не использовавшейся ранее, генерируется тепло для стаивания льда с линии электропередачи. В этом конкретном варианте осуществления используются электрические поля, которые уже существуют благодаря току, текущему по линии электропередачи.

В одном конкретном варианте осуществления, покрытие 306 является сегнетоэлектрическим материалом, что известно в данной области техники. По существу, сегнетоэлектрические материалы - это керамика, которая обладает очень большой диэлектрической постоянной (например, 10000) и очень большими диэлектрическим потерями (например, tgδ=10) в определенных условиях, а также относительно малой диэлектрической постоянной (3-5) и малыми диэлектрическими потерями в других условиях. Одним условием, которое может изменить эту постоянную, является температура. В предпочтительном аспекте, материал выбирают так, чтобы при температурах выше температуры замерзания диэлектрическая постоянная была малой, а при температурах ниже температур замерзания эта постоянная была большой. Когда температура окружающей среды падает ниже температуры замерзания, покрытие интенсивно нагревается электрическим полем переменного тока благодаря большой диэлектрической постоянной и большим диэлектрическим потерям.

Более конкретно, когда в колеблющемся электрическом поле (переменного тока) размещен сегнетоэлектрический материал, этот материал нагревается полем благодаря диэлектрическим потерям. Мощность нагревания на кубический метр составляет:

где ε’ - относительная диэлектрическая проницаемость (обычно ε’ составляет приблизительно 10⁴ для типичных сегнетоэлектриков), ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума (ε₀=10^-12 Ф/м), ω - угловая частота поля переменного тока (ω=2πf, где f обычная частота для линии электропередачи, например - 60 Гц в консервативных линиях электропередачи), tgδ - угол диэлектрических потерь, а (Е²) - среднее значение квадрата напряженности электрического поля.

Сегнетоэлектрики характеризуются очень большими значениями ε’ и tgδ при температурах выше так называемой температуры Кюри, Т_Кюри, и малыми ε’ и tgδ при температурах выше Т_Кюри. Таким образом, диэлектрические потери (или мощность нагревания, затрачиваемая электрическим полем переменного тока) очень велики при температурах, которые ниже и близки к Т_Кюри, и падают с большим коэффициентом (например, 10⁶) при температурах, которые выше этой температуры. Это делает сегнетоэлектрики с Т_Кюри, близкой к температуре таяния или незначительно превышающей ее, оптимальным вариантом выбора такого покрытия 306, как описанное выше. Такие покрытия поглощают электроэнергию, когда внешние температуры падают ниже температуры таяния, Т_таяния, и нагреваются полем до температуры, превышающей Т_таяния, снова превращаясь в обычные изоляторы (т.е. в материалы, больше не поглощающие энергию электрического поля в значительных количествах).

Следовательно, когда такие покрытия находятся в электрическом поле переменного тока, сегнетоэлектрический материал поддерживает постоянную температуру, которая близка к Т_Кюри и незначительно превышает Т_таяния. Этот механизм самопоглощения для предотвращения обледенения очень экономичен: максимальную мощность нагревания на один метр линии электропередачи, или на м² любой защищаемой поверхности, можно увеличивать или уменьшать путем изменения толщины покрытия и/или путем добавления нейтральной (не сегнетоэлектрической) изолирующей краски или пластмассы в покрытие. Примеры подходящих сегнетоэлектрических материалов, соответствующих изобретению, включены в таблицу 2.

Толщина "t", как правило составляет порядка 0,254 мм (0,01 дюйма), хотя можно применять и другие толщины, в зависимости от материалов покрытия и требуемого нагревания. Изменяя толщину, можно, например, увеличивать температуру на поверхности 308 на 1-10 градусов или более. Толщину "t" выбирают такой, чтобы генерировалось требуемое количество тепла (например тепло, достаточное для того, чтобы на поверхности 308 линии 300 полностью растаял лед и снег). Фиг.10-12 показывают результаты вычислений мощности нагревания, в единицах Вт/м, как функции напряжения при использовании различных толщин диэлектрического покрытия. Тепло, рассеянное из покрытия, вычисляют из следующего уравнения:

где V - напряжение, ω - угловая частота, С_межпр - межпроводная емкость, а С_покр ^- емкость покрытия (см. фиг.17.) Фиг.10 изображает мощность нагревания как функцию напряжения для диэлектрического покрытия толщиной 10 мм. Фиг.11 изображает мощность нагревания как функцию напряжения для диэлектрического покрытия толщиной 5 мм. Фиг.12 изображает мощность нагревания как функцию напряжения для диэлектрического покрытия толщиной 2 мм.

Помимо толщины диэлектрического покрытия, мощность нагревания также зависит от ветра, дующего на линиях электропередачи. Фиг.13 показывает теплопередачу от проводника диаметром 25,4 мм (1 дюйм) при ΔТ=10°С. На графике, представленном на фиг.13, теплопередача построена как функция скорости ветра, бьющего в линию электропередачи. Диаметр проводника также будет влиять на линию электропередачи при наличии ветра. На графике, представленном на фиг.14, теплопередача построена как функция диаметра проводника при скорости ветра, составляющей 10 м/с.

Когда покрытие имеет малую диэлектрическую постоянную и малые потери (т.е. когда покрытие находится в условиях температуры, которая выше температуры "замерзания" или какой-либо другой требуемой температуры), это покрытие 306 генерирует значительно меньше тепла, и поэтому линия 302 расходует значительно меньшую энергию.

ПРИМЕР 3

Проводили примерные расчеты мощности нагревания для Pb₃MgNb₂O₉. В этом примере рассматривается линия электропередачи среднего диапазона с

=10 кВ и с диаметром провода 1 см, равным двум радиусам. Напряженность электрического поля на поверхности провода составляет

где L - расстояние между проводами (L=1 м). Подстановка вышеупомянутых значений, т.е.

=3-10⁵ В/см, ω=2π·60 Гц, ε’=104 и tgδ=10, приводит к вычислению значения W(1 мм, 60 Гц)=4,5·10⁵ Вт/м³. Таким образом, пленка, например - толщиной 1 мм, генерирует 450 Вт/м², что более чем достаточно для обычного таяния льда.

Частота 100 кГц при напряжении 300 кВ обеспечивает нагревание покрытия из Рb₃МgNb₂O₉ толщиной 1 мм при (тепловой) мощности 750 кВт/м².

В случае линий электропередачи, максимальная мощность, которая может быть рассеяна в покрытии, ограничена емкостью C₂ между проводами:

В случае проводов толщиной 2 см с расстоянием 1 м между ними, С₂=1,21-10^-11 Ф/м. В случае линии электропередачи под напряжением

V=350 кВ, W_макс=300 Вт/м, что дает достаточную энергию для поддержания кабеля длиной 1 м свободным от льда.

Помимо сегнетоэлектриков, почти любое полупроводниковое покрытие обеспечит аналогичные эффекты. Полупроводник будет поглощать максимальную энергию из внешнего электрического поля переменного тока, если его удельная электропроводность σ и диэлектрическая проницаемость ε удовлетворяют уравнению

где ε - диэлектрическая постоянная покрытия, ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума, a f - частота поля переменного тока. В результате, диэлектрические потери зависят от удельной электропроводности σ. Чтобы достичь максимальной рабочей характеристики, соответствующей уравнению (4), удельная электропроводность σ диэлектрика покрытия должна удовлетворять уравнению

где s - диэлектрическая постоянная покрытия, а ε₀ - диэлектрическая постоянная вакуума. В случае линии, работающей на частоте 60 Гц, ε=10, а σ=3,4-10^-8 (Ом·м^-1). Такая удельная электропроводность весьма характерна для многих нелегированных полупроводников и изоляторов низкого качества. Поэтому такое покрытие является недорогим (в качестве этих покрытий можно применять некоторые краски). Более того, можно добиться "точной настройки" по температуре благодаря сильной зависимости (например, экспоненциальной зависимости) удельной электропроводности полупроводниковых материалов от температуры.

Одним подходящим материалом для полупроводниковых покрытий является ZnO. Фиг.15 показывает температурную зависимость нормализованной мощности нагревания покрытия из ZnO толщиной 1 мм на линии электропередачи мощностью 1000 МВт, где температура таяния льда составляет 273°К. Как можно предположить, исходя из кривой, показанной на фиг.15, вышеописанные оптимальные условия для нагревания диэлектриков этого типа обычно удовлетворяются только в узком интервале температур, например, 10°С≤Т≤10°С, в котором покрытие обеспечит таяние льда, потребляя при этом малую мощность. Специалисты в данной области техники понимают, что для коррекции этого интервала температур всегда можно использовать легирующие примеси.

Специалисты в данной области техники должны по достоинству оценить тот факт, что вышеописанный конкретный вариант осуществления будет саморегулируемым при поддержании температуры покрытия близкой к температуре таяния (или несколько превышающей ее). Если покрытие перегревается электрическим полем линии электропередачи, оно автоматически подвергается фазовому превращению из сегнетоэлектрика в нормальное состояние, в момент наступления которого покрытие перестает поглощать энергию электрического поля. Следовательно, путем выбора температуры фазового превращения можно регулировать температуру покрытия в соответствии с потребностями пользователя и условиями окружающей среды в локальной зоне.

Фиг.16 показывает эквивалентную электрическую цепь линии электропередачи без покрытия 306. Специалистам в данной области техники понятно использование этой конфигурации резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности для представления линии электропередачи. Фиг.17 показывает эквивалентную электрическую цепь линии электропередачи с покрытием 306. В покрытии 306 используются емкостные токи I_C, где С_L - межпроводная емкость. Покрытие 306 представлено на фиг.17 сопротивлениями R_C 322 и 326 и емкостями С_C 324 и 328. На фиг.17 ток I^', текущий "через межпроводную емкость С_L и покрытие, обозначен позицией 330. I’ 330 меньше, чем I_C, из-за дополнительного сопротивления и емкости покрытия 306. Таким образом, потери мощности в остаточных активных нагрузках (R, R_{пользователя}) уменьшаются в результате рассеивания тепла в покрытии.

Покрытие 306 также может содержать ферромагнитные материалы с тем же самым или похожим эффектом. В этом случае, покрытие поглощает энергию магнитного поля, генерируемого линией электропередачи.

Специалисты в данной области техники по достоинству оценят тот факт, что поверхность объектов, отличающихся от описываемых здесь, тоже можно обрабатывать, нанося эти покрытия. Например, нанесение такого покрытия на крыло самолета тоже обеспечит способность к оттаиванию за счет воздействия на покрытие переменным током и, в частности, за счет увеличения этого переменного тока, как в уравнении (19), приведенном выше.

Фиг.18 изображает усовершенствованную конструкцию и систему 400 в соответствии с изобретением для борьбы со льдом и снегом на линии 406 электропередачи, причем эта борьба осуществляется посредством уменьшения адгезионной прочности. Система включает в себя модуль 402 регулирования мощности (выполняющий функции подачи питания постоянного тока и, предпочтительно, регулирования напряжения, а также вышеописанного обнаружения льда и измерения его характеристик по постоянному току и переменному току), который подсоединен проводом 404 к легированному проводу 406 линии электропередачи. Возможное поперечное сечение провода 406 изображено (не в масштабе) на фиг.19. Как известно специалистам в данной области техники, провод 406 включает в себя сетевую линию 408 электропередачи и изоляционный слой 410. Изоляционный слой 410 окружен легированным внешним слоем 412, чтобы обеспечить регулируемое смещение постоянного тока, прикладываемое ко льду, в цепи с модулем 402. Вдоль длины провода 406 простирается в осевом направлении проводящая сетка 414 (с необязательными окружной проволочной арматурой), которая электрически изолирована от слоя 412 изоляционной сеткой 416 (также простирающейся в осевом направлении), находящейся между сеткой 416 и слоем 412. Когда на проводе 406 образуется лед 420, этот лед 420 закорачивает цепь, и к поверхности раздела между слоем 412 и льдом прикладывается смещение постоянного тока. Путем регулирования этого смещения до достижения правильной величины облегчают удаление льда 420 с провода 406. Легированный внешний слой 412 предпочтительно содержит пористый материал, который высвобождает ионы в лед 420 для увеличения его удельной электропроводности, как обсуждалось выше в связи с фиг.6. Внешняя поверхность легированного слоя 412 может быть также - или в альтернативном варианте - покрыта СМ.

Фиг.20 изображает систему 450 линии электропередачи, сконструированную в соответствии с изобретением. Система 450 линии электропередачи содержит провод 406 линии электропередачи (аналогичный показанному на фиг.19) и модуль 452 регулирования мощности. Модуль 452 регулирования мощности содержит источник 402 питания постоянного тока, амперметр 454 постоянного тока, фильтр 456, компаратор 460 токов, систему 462 аварийного сигнала обледенения, датчик 458 температуры, систему 464 регулятора напряжения, источник 470 переменного тока, амперметр 472 переменного тока и конденсатор 474. Источник 402 постоянного тока электрически подключен к амперметру 454 постоянного тока и легированному внешнему слою 412. Амперметр 454 постоянного тока электрически подключен к фильтру 456. Фильтр 456 электрически подключен к сетке 414. Фильтр 456 предотвращает поступление напряжения переменного тока в работающие на постоянном токе части цепи, которые следует точно регулировать для изменения адгезионной прочности. Фильтр 456 эквивалентен катушке индуктивности и конденсатору с резонансной частотой, соответствующей частоте источника питания переменного тока.

Система 464 регулятора напряжения электрически подключена к источнику 402 питания постоянного тока для регулирования смещения постоянного тока, приложенного к поверхности раздела "линия электропередачи - лед", в зависимости от таких характеристик, как удельная электропроводность и температура льда. Датчик 458 температуры предпочтительно подсоединен ко льду 420 для измерения температуры льда 420. Датчик 458 температуры также электрически соединен с системой 464 регулятора напряжения для выдачи показаний температуры льда с возможностью определения напряжения постоянного тока.

Дополнительные признаки системы 450 линии электропередачи могут включать в себя источник 470 питания переменного тока, электрически соединенный с амперметром 472 переменного тока и с легированным внешним слоем 412. Амперметр переменного тока электрически соединен с конденсатором 474, который в свою очередь электрически подключен к сетке 414.

Компаратор 460 токов электрически подключен как к амперметру 472 переменного тока, так и к амперметру 454 постоянного тока. Амперметр 454 постоянного тока можно использовать для измерения удельной электропроводности льда 420 по постоянному току. Сигнал измерения электропроводности по постоянному току выдается в компаратор 460 токов и в систему 464 регулятора напряжения, который регулирует ток, подаваемый источником 402, питания постоянного тока. Амперметр 472 переменного тока может быть использован для измерения электропроводности по переменному току льда 402. Сигнал измерения электропроводности по переменному току выдается в компаратор 460 токов (и, по выбору, в подсистему 464 регулятора напряжения для вычисления отношения удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току, а также для обработки данных). Сравнение удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току используется системой 450 для установления различия между водой и льдом, наличие которых в обоих случаях "закорачивает" и замыкает цепь. В частности, отношение удельных электропроводностей по переменному току и постоянному току в случае льда имеет величину на 2-3 порядка больше, чем в случае воды, обеспечивая сигнал, измерение которого позволяет легко отличить лед от воды. Компаратор 460 токов посредством электроники подключен к системе 462 аварийного сигнала обледенения, которая в свою очередь подключена к системе 464 регулятора напряжения.

Когда на проводе 406 образуется лед, компаратор 460 токов выдает в систему 462 аварийного сигнала обледенения сигнал с помощью постоянного и переменного токов. По получении сигнала из компаратора 460 токов, система аварийного сигнала обледенения определяет удельные проводимости по переменному току и постоянному току. На основании этих удельных проводимостей по переменному току и постоянному току, система 462 аварийного сигнала обледенения определяет наличие льда 420. При наличии льда, система 462 аварийного сигнала обледенения выдает сигнал в систему 464 регулятора напряжения. Система 464 регулятора напряжения выдает в источник 402 постоянного тока команду увеличить или уменьшить смещение постоянного тока для минимизации адгезионной прочности льда, которую имеет лед 420 на проводе 406. Система 464 регулятора напряжения включает в себя микропроцессор 466 и запоминающее устройство 468 для выдачи команд в источник 402 питания постоянного тока и его регулирования при почти оптимальном смещении на основании данных обратной связи, таких как температура льда и удельная электропроводность льда (и/или чистота льда). Напряжение смещения определяют из таблицы напряжений, хранящейся в запоминающем устройстве 468. Для определения правильного напряжения также можно использовать такие факторы, как температура и удельная электропроводность.

После удаления льда с провода 406, разность сигналов, принимаемая компаратором 460 токов, падает ниже предварительно установленного значения, и компаратор 460 токов отключает подсистему 462 аварийного сигнала обледенения. Одновременно, компаратор 460 токов выдает сигнал в систему 464 регулятора напряжения, которая в свою очередь выдает в источник 402 питания постоянного тока команду уменьшить смещение до исходного уровня.

Фиг.21 показывает усовершенствованный конкретный вариант осуществления, предназначенный для нагревания в соответствии с изобретением и предусматривающий наличие конструкции и системы, в которых источник питания переменного тока запитывает покрытия вместо межпроводного электрического поля. Фиг.21 изображает поперечное сечение линии 500 электропередачи. Линия 500 электропередачи содержит слои цилиндрической формы. Центром линии 500 электропередачи является стальная жила 504. Вокруг стальной жилы расположены сетевые проводники 502, как правило, из алюминия. Снаружи сетевых проводников находится покрытие 506, как правило - диэлектрическое с потерями, сегнетоэлектрическое или полупроводниковое покрытие. Покрытие 506 окружено внешней проводящей оболочкой 508, как правило, из алюминия. Кроме того, к внешней проводящей оболочке 508 и переключателю 512 подсоединен источник 510 питания V_H переменного тока. Переключатель 512 также соединен с сетевыми проводниками 502. В этом конкретном варианте осуществления, источник питания переменного тока заменяет мощность межпроводного электрического поля.

Применение источника питания переменного тока обеспечивает многие преимущества. Во-первых, можно полностью регулировать устранение обледенения с помощью переключателя 512 для устранения обледенения линий электропередач по запросу. Во вторых, можно изменять уровни мощности для нагрева проводов. Кроме того, этот конкретный вариант осуществления применим к линиям электропередачи низкого напряжения (ниже 100-345 кВ), а не только к линиям электропередачи высокого напряжения.

Источником 510 питания переменного тока может быть силовая подстанция. В еще одном случае, источник 510 питания можно получить из трансформатора, установленного на заданных участках вдоль линии электропередачи. Фиг.22 раскрывает сущность возможной конфигурации трансформатора 520, устанавливаемого на линии 500 электропередачи. Трансформатор 520 содержит сегнетоэлектрический сердечник 522, покрытый обмоткой 524. Обмотка 524 соединена с проводящей оболочкой 508 и сетевым проводником 502.

Этот конкретный вариант осуществления может работать на большей частоте, например, с источником питания, работающим на частоте 6,0 кГц. Эта частота в 100 раз больше сетевой частоты 60 Гц, но гораздо меньше, чем обычные радиочастоты. Сильная зависимость мощности нагревания от частоты показывает, почему линия электропередачи будет нагреваться, когда вместо электрического поля частотой 60 Гц прикладывают напряжение частотой 6,0 кГц. Мощность нагревания покрытия можно показать с помощью следующего уравнения:

где V - напряжение, ω - угловая частота (2πf), R - активное сопротивление (на метр), C₁ - эффективная межпроводная емкость, а С₂ - емкость покрытия (на метр). Максимальная мощность получается, когда

Решение уравнений 25 и 26 совместно даст максимальную мощность W_H:

Когда покрытие достигает условия максимальной мощности на частоте f₀=ω₀/2π, мощность нагревания на любой частоте представляется следующим уравнением:

Эскиз возможной принципиальной электрической схемы для конкретного варианта осуществления, в котором применяется источник питания для удаления льда с линий электропередачи, показан на фиг.23. На фиг.23 видно, что для предотвращения пропускания напряжения частотой 6 кГц к источнику 544 питания частотой 60 Гц и пользователю 546 применяются два резонансных контура, 558 и 560.

В еще одном конкретном варианте осуществления, покрытие линии электропередачи представляет собой ферромагнитный материал, что известно в данной области техники. Ферромагнитное покрытие с Т_Кюри=T_таяния должно способствовать таянию льда так же, как сегнетоэлектрический материал, т.е. путем преобразования мощности переменного тока электрического поля линии электропередачи в тепло.

Фиг.24 изображает обобщенную конструкцию и систему 600 в соответствии с изобретением, в которых диэлектрическое или сегнетоэлектрическое покрытие применяется для устранения обледенения неактивной поверхности (т.е. поверхности без внутренних электрических полей переменного тока). На фиг.24 показано, что электрод 604 в виде фольги расположен на поверхности 602 конструкции или объекта, защищаемого от обледенения. На электрод 604 в виде фольги нанесено осаждением сегнетоэлектрическое покрытие 606. На сегнетоэлектрическом покрытии 606 расположен электрод 608 в виде фольги. Электроды 604, 608 в виде фольги обеспечивают приложение мощности переменного тока к сегнетоэлектрическому покрытию 606. Источником мощности переменного тока является стандартный источник 610 питания переменного тока. Включенная в цепь с конструкцией 600 система 612 обнаружения льда (например, система обнаружения, показанная на фиг.5) информирует источник 610 питания о наличии льда на конструкции 600, после чего прикладывается мощность переменного тока. Частоту переменного тока и толщину покрытия выбирают так, чтобы обеспечить генерирование тепла в требуемых количествах (например, таких, которые позволяют предотвращать образование льда на крыле самолета).

Изобретение также предназначено для реализации технологии предотвращения обледенения линий электропередачи, при которой покрытие нагревают обычным электрическим полем частотой 50-60 Гц. Способ устранения обледенения является полностью регулируемым, поскольку его можно "включать" и "отключать". Таким образом, не происходит потеря электроэнергии в отсутствие условий образования льда или снега. Обращаясь к конструкции, изображенной на фиг.21, отмечаем, что, для отключения нагревания, переключатель 512 электрически соединяет внутренний проводящий кабель 502, 504 с внешней проводящей оболочкой 508, между которыми находится диэлектрическое покрытие. Это обеспечивает нулевую разность потенциалов поперек сегнетоэлектрического, диэлектрического с потерями или иного диэлектрического покрытия, а значит - и нулевую мощность нагревания. Внешняя проводящая оболочка 508 может быть очень тонкой (0,1-1 мм) и поэтому недорогой. Внешняя проводящая оболочка 508 может содержать алюминий или иной металл или любой проводящий или полупроводниковый материал, например, полиуретан, импрегнированный углеродом. При соединении с внутренней металлической жилой (что и имеет место наибольшую часть времени), она (оболочка) повышает общую проводимость кабеля. "Включение" и "отключение" можно осуществлять с помощью радиоуправляемого дистанционного переключателя. Компания-владелец линий электропередачи обычно устанавливает один такой простой (маломощный, причем мощность является малой по сравнению с напряжением линии) переключатель через каждые 100 км. Тогда разработка диэлектрического покрытия с потерями становится недорогой и простой, потому что оно не обязательно должно быть именно "точно регулируемым по температуре". Для покрытия можно использовать более распространенные (и более дешевые) материалы. Следовательно, эти признаки обеспечивают электрический переключатель, который избирательно включает и отключает нагревание линии электропередачи. Для других объектов, не являющихся линиями электропередачи, можно использовать эквивалентные конструкции и способы для предотвращения появления льда и снега или их удаления.

Конкретные варианты в соответствии с изобретением также обеспечивают конфигурации с отстоящими друг от друга электродами, изображенные на фиг.25-27 и рассматриваемые ниже. Фиг.25 изображает поперечное сечение структуры 700 с отстоящими друг от друга электродами 706. Проводящая поверхность 702 подложки обычно покрыта изолирующим слоем 704 и внешним проводящим (или полупроводниковым) слоем. От отстоящих друг от друга электродов 706 сквозь внешний проводящий слой и изоляционный слой вниз к поверхности подложки проходят отверстия 708. Межпромежуточное расстояние 712 обычно составляет 10-100 мкм. Общая толщина слоистой структуры, содержащей проводящий слой 702, изоляционный слой 704 и внешний слой 706 электродов обычно составляет примерно 10 мкм. Фиг.26 изображает вид сверху конкретного варианта в соответствии с изобретением, показанного на фиг.25. Специалисты в данной области техники поймут, что возможны разные конфигурации межэлектродного промежутка. Например, структура 720, изображенная на фиг.27, содержит поверхность 722 подложки, на которой размещены отстоящие друг от друга полосковые электроды 724. Электроды 724 предпочтительно отстоят друг от друга на 10-50 мкм, и каждый электрод имеет ширину 10-50 мкм. Возможный промышленный способ изготовления отстоящих друг от друга электродов в соответствии с изобретением заключается в следующем: покрывают поверхность полиуретаном, наносят слой фоторезиста, подвергают открытую область, ограничивающую рисунок сетки электродов (например, отверстия, показанные на фиг.25, или полоски, показанные на фиг.27) воздействию света, удаляют области, подвергшиеся воздействию света, чтобы раскрыть полиуретан, наносят графитовый порошок, осуществляют нагревание для диффузии графита в полиуретан. Этот способ делает электроды долговечными и не подверженными коррозии. Получаемая структура, по существу, содержит сетку электродов, образованную пластмассой, легированной углеродом (проводник), позволяя сформировать точный рисунок методом фотолитографии.

В вышеописанных конкретных вариантах осуществления, диэлектрическое покрытие находилось на линии электропередачи, и для нагревания этого покрытия, то есть - обеспечения таяния льда, использовали либо межпроводное электрическое поле, либо специально приложенное напряжение переменного тока. В дополнительном конкретном варианте осуществления, изображенном на фиг.28, сам лед применяется в качестве диэлектрического покрытия. Фиг.28 изображает три типовых линии 802 электропередачи, каждая из которых содержит стальную жилу 804, окруженную проводниками 806 из алюминия и покрытую льдом 810. Линии 812 электрического поля отображают межпроводное электрическое поле высокой частоты. Лед является диэлектриком с потерями, причем максимальные диэлектрические потери имеют место на так называемой Дебаевской частоте f_Дебая. Находясь в переменном электрическом поле этой частоты и достаточной напряженности, лед тает. Это тот же самый механизм, при котором используется открытое (т.е. без внешнего проводящего слоя) диэлектрическое покрытие с потерями, изображенное на фиг.9, но теперь - со льдом в качестве покрытия. Лед имеет максимальные диэлектрические потери в диапазоне частот от 8,8 кГц (при 0°С) до 3,3 кГц (при -10°С). Таким образом, чтобы уменьшить или исключить обледенение линий электропередачи, прикладывают напряжение переменного тока этой частоты к кабелям. Когда льда нет, нет и потребления мощности. Это обеспечивает недорогое и простое решение проблемы обледенения. Когда на кабелях появляется лед, система работает как диэлектрическое покрытие, нагреваемое электрическим полем переменного тока, что вызывает таяние льда. Вода на кабелях не поглощает мощность переменного тока, потому что вода имеет максимум диэлектрических потерь в диапазоне микроволновых частот. Тот же самый принцип действует для холодильников и для самолетов.

В соответствии с изобретением в дополнительном конкретном варианте осуществления, используют нагревание за счет поверхностного эффекта для таяния льда на дальней линии электропередачи. Магнитное поле "подталкивает" линии электрического тока к поверхности проводника. В случае протекания тока высокой частоты в алюминии на частоте, например, 60 кГц, электрическое сопротивление во внешних 0,35 мм линии электропередачи увеличивается с коэффициентом приблизительно 20, При токе 221 ампер, это приводит к максимальной мощности нагревания, составляющей приблизительно 50 Вт/м. Однако, недостаток этого способа и конструкции заключается в том, что нагревание подвержено явлениям стоячей волны, в результате чего нагрев и таяние получаются неравномерными. Дополнительный конкретный вариант осуществления изобретения сочетает диэлектрические потери льда на высоких частотах (ВЧ) и поверхностный эффект на ВЧ. Как диэлектрические потери, так и поверхностный эффект подвержены явлениям стоячей волны, но пики и впадины характеристики нагревания за счет этих двух эффектов являются дополняющими друг друга, а их величины одинаковы. Этот конкретный вариант в соответствии с изобретением изображен на фиг.29, где показан график, на котором мощность нагревания, в единицах Вт/м, отображена как функция расстояния m, в метрах, от источника питания.

В усовершенствованном конкретном варианте осуществления, ток, текущий по линии электропередачи, регулируют для балансировки эффектов нагревания. Получаемая улучшенная рабочая характеристика представлена на графике, изображенном на фиг.30, который показывает, что общий эффект нагревания сравнительно постоянен на уровне 50 Вт/м на расстоянии 3000 м. Фиг.31 изображает расчетное процентное затухание эффектов нагревания для усовершенствованного конкретного варианта осуществления, показанного на фиг.30, на расстоянии 50 км. Данные фиг.31 свидетельствуют, что можно нагревать линию электропередачи длиной 100 км и устранять обледенение на ней, используя единственное устройство возбуждения, расположенное в центре. Источник питания для линии длиной 50 км обладает мощностью около 3,25 МВт на частоте 60 кГц.

Таким образом, изобретение обеспечивает решение вышеуказанных задач. Поскольку в вышеуказанные устройства и способы можно внести некоторые изменения в рамках объема притязаний изобретения, то все, содержащееся в вышеизложенном описании или изображенное на прилагаемых чертежах, следует интерпретировать в иллюстративном, а не ограничительном смысле.

Claims (19)

1. Система для удаления льда и снега с линии электропередачи, имеющей электрический проводник с внешней поверхностью, содержащая источник питания переменного тока для обеспечения протекания через электрический проводник переменного тока с частотой в диапазоне от 1,0 до 100 кГц для генерирования высокочастотного переменного поля с возможностью поглощения его энергии ледовым покрытием у внешней поверхности указанного проводника и генерирования тепла для плавления льда.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая резонансный контур, выполненный с возможностью предотвращения пропускания напряжения высокой частоты к низкочастотной линии электропередачи.

3. Система по п.1, дополнительно содержащая средство точной настройки частоты источника высокочастотного переменного тока для балансировки нагревания за счет диэлектрических потерь льда и нагревания за счет скин-эффекта.

4. Система для удаления льда и снега с поверхности, содержащая электрический проводник и источник питания переменного тока для обеспечения протекания через электрический проводник переменного тока с частотой в диапазоне от 1,0 до 100 кГц для генерирования высокочастотного электрического поля с возможностью поглощения его энергии ледовым покрытием у упомянутой поверхности и генерирования тепла для плавления льда.

5. Система по п.4, в которой упомянутая поверхность является поверхностью объекта, выбранного из группы, включающей в себя крыло самолета и холодильник.

6. Система для удаления льда и снега с поверхности, содержащая электрический проводник, источник питания переменного тока для обеспечения протекания переменного тока по электрическому проводнику, покрытие у упомянутой поверхности, способное поглощать энергию переменного электрического тока и имеющее толщину, достаточную для генерирования тепла и плавления льда и снега, а также внешнюю проводящую оболочку, причем упомянутое покрытие находится между электрическим проводником и внешней проводящей оболочкой.

7. Система по п.6, в которой электрический проводник и внешняя проводящая оболочка соединены, а разность потенциалов поперек перекрытия отсутствует.

8. Система по п.7, в которой электрическое соединение выполнено с возможностью переключения в положения “включено” и “отключено”.

9. Система по п.6, в которой покрытие имеет толщину, выбранную в соответствии с требуемым теплом, генерируемым упомянутым покрытием.

10. Система по п.6, в которой покрытие включает в себя материал, выбранный из группы, состоящей из диэлектрических с потерями, сегнетоэлектрических, ферромагнитных и полупроводниковых материалов.

11. Система по п.10, в которой покрытие представляет собой сегнетоэлектрический материал, имеющий температуру Кюри в диапазоне от 250 до 277°К.

12. Система по п.6, в которой покрытие выполнено с возможностью изменения количества генерируемого тепла в функции температуры, причем это количество тепла больше при температуре, которая ниже температуры замерзания, чем при температуре, которая выше температуры замерзания.

13. Система по п.12, в которой покрытие содержит легирующую примесь для коррекции функциональной зависимости количества генерируемого тепла от температуры.

14. Система по п.6, в которой источник питания переменного тока выполнен с возможностью генерации тока, имеющего частоту в диапазоне от 40 до 60 Гц.

15. Система по п.6, в которой источник питания переменного тока выполнен с возможностью генерации тока, имеющего частоту в диапазоне от 1,0 до 100 кГц.

16. Система по п.6, дополнительно содержащая трансформатор для увеличения падения напряжения вдоль проводника.

17. Способ удаления льда и снега с поверхности линии электропередачи, согласно которому обеспечивают протекание по линии электропередачи высокочастотного переменного тока с частотой в диапазоне от 1,0 до 100 кГц для генерации у упомянутой поверхности переменного электрического поля высокой частоты с возможностью поглощения его энергии находящимся на этой поверхности льдом и генерирования тепла для плавления льда.

18. Способ по п.17, включающий дополнительный этап, на котором осуществляют точную настройку частоты высокочастотного переменного тока для балансировки нагревания льда за счет диэлектрических потерь льда и нагревания за счет скин-эффекта.

19. Способ по п.17, при котором этап обеспечения протекания высокочастотного переменного тока включает в себя обеспечение мощности переменного тока с напряжением в диапазоне от 100 до 1000 кВ.

Images