Искусственный дождь

Ниже описывается способ извлечения воды из теплого влажного воздуха и устройство для его осуществления путём создания условий для образования искусственного дождя. Способ и устройство могут также использоваться для охлаждения земной поверхности, предотвращения и тушения лесных пожаров, предотвращения смерчей и ураганов, а также глобального регулированмя климата на Земле.
Основными источниками пресной воды являются воды рек, озер, ледников, артезианских скважин и опреснение морской воды. Единовременный объём воды в наиболее доступных источниках - речных руслах всего 1,2 тыс. км3. В то время как ежегодно с поверхности суши и океана испаряется 577 тыс. км3, а в каждый данный момент в атмосфере находится около 14 тыс. км3 воды в виде пара. Половина всего водяного пара приходится на нижние слои атмосферы до 1,5 км, и свыше 99% - на тропосферу 8-18 км. Причём во многих случаях атмосфера более доступна, чем река. Поэтому понятен интерес научного и инженерного сообщества к проблеме получения пресной воды из влажного воздуха.
В принципе известны два метода получения (выделения) воды из атмосферы конденсационный и сорбционный. В первом случае воздух охлаждают до состояния насыщения (точки росы) и сконденсированную воду используют по назначению. При сорбционном методе молекулы воды связываются за счёт межмолекулярных (вандерваальсовых) сил сорбентами, из которых затем выделяются путём нагрева. Чаще всего эти методы применяют в комбинации друг с другом. Но во всех случаях эти методы малопроизводительны – десятки литров в сутки и требуют больших затрат энергии.
Представляет интерес использования для конденсации холода (низкой температуры) верхних слоёв атмосферы. В этой связи наиболее близкое по существенным признакам описание способа получения воды из влажного воздуха путём конденсации за счёт холода из верхних слоёв атмосферы содержится в патенте [1]. Рассматривается устройство для конденсации паров воды из воздуха, содержащее трубу с открытыми торцами, нижний конец которой соединён с землёй, отличающееся тем, что верхний конец поднят на высоту h, определяемую логарифмом отношения температуры воздуха и температуры точки росы. В патенте указывается, что воздух под давлением ветра поднимается вверх по трубе. Происходит понижение давления и температуры. При снижении температуры за точку росы вода выпадает в виде дождя или снега и сливается вниз по трубе. В одном из примеров выполнения патента приводится высота, при которой создаются условия для конденсации, равная 3,7 км.
Сущность предлагаемого нами способа получения воды из тёплого влажного воздуха состоит в создании организованного вертикального потока тёплого влажного воздуха, его транспортировки на высоту до 3500 м и конденсации из него воды в виде дождя путём турбулентного смешения с холодным воздухом из верхних слоёв атмосферы. Перечисленные операции выполняются с помощью устройства, состоящего из вертикальной циркуляционной (типа дымовой) трубы высотой 100-500 м и турбоконденсатора, выполненного в виде цилиндра с полыми стенками, заполненными гелием. Турбоконденсатор с помощью лебёдок и шнуров (типа аэростатов заграждения) удерживается на высоте 1000-3500 м и обеспечивает эффективное турбулентное смешение потоков тёплого влажного воздуха из циркуляционной трубы и холодного воздуха из верхних слоёв атмосферы с образованием конденсата в виде дождя.
Организованный вертикальный поток воздуха создаётся благодаря использованию гидростатической неравновесности атмосферы. Нижние слои атмосферы имеют меньшую плотность, чем верхние, так как нагреваются сильнее из-за более эффективного нагрева почвы и водной поверхности коротковолновым солнечным излучением.[2] Высокая устойчивость вертикального воздушного потока поддерживается также разряжением (вакуумом), которое возникает при конденсации паров воды во время соприкосновения восходящего потока тёплого влажного воздуха с верхними холодными слоями. 
Описание способа и устройства для его осуществления даётся ниже, см. рис.1.
Поток тёплого влажного воздуха (3) через отверстия в нижней части вертикальной циркуляционной трубы (6) высотой 100-500 м и диаметром 10-100 м за счёт разности плотностей, обусловленной температурой и конденсацией паров воды, заполняет трубу и выходит из неё, образуя факел (7). В отверстиях в нижней части трубы для забора воздуха установлены ветроэлектрогенераторы (5), которые могут работать в двойном режиме, как генераторы электроэнергии и как вентиляторы.
Высота факела при свободном истечении воздуха из трубы составляет 5-10 диаметров трубы. В данном изобретении предусматривается увеличение высоты факела до 2-3 тыс. м. Это достигается с помощью применения турбоконденсатора (10) с полыми стенками, заполненными гелием высотой 25-100м и диаметром 12-120 м. При запуске установки (устройства) турбо конденсатор находится на верхней части трубы, являясь её продолжением, см. пунктирное изображение (10.1).
По мере заполнения трубы тёплым влажным воздухом с помощью лебёдок (2) и шнуров (4) турбо конденсатор поднимается вверх за счёт подъёмной силы, обусловленной лёгким гелием, которым заполнены полые стенки турбо конденсатора. Подъём производят на высоту, где начинается интенсивная конденсация (точка росы) при встрече теплого влажного воздуха, поступающего из факела, с потоками холодного воздуха (9) из верхних слоёв атмосферы. В зоне соприкосновения этих потоков создаётся значительное разряжение, даже вакуум, поскольку объём водяных паров при конденсации уменьшается в 1240 раз. Перепад давления вызывает турбулизацию воздушных потоков и образование кучево-дождевого облака (11) с дождевыми потоками (8). Дождевая вода выпадает на грунт, по наклонным каналам собирается в сборники (1) и направляется для использования.
В регионах с активными атмосферными процессами имеется опасность нарушения факела (направленного воздушного потока) на участке между верхним концом циркуляционной трубы и турбо конденсатором. Для предотвращения этого нарушения предусматривается возможность установки дополнительного цилиндра с полыми стенками аналогичного по конструкции турбо конденсатору. Он будет устанавливаться с помощью дополнительных лебёдок на высоте, где наблюдается нарушение факела.
            Вывод о достаточно высокой стабильности восходящего потока воздуха в факеле можно сделать, анализируя воздушные потоки в смерче. Наблюдается почти полная аналогия процессов. Облачный рукав или хобот смерча образуется вследствие сильного разряжения (вакуума) и подсоса воздуха в середину кучевого дождевого облака. Внутри рукава наблюдаются сильные восходящие потоки воздуха. Отличия два: рукав-факел в нашем случае стационарен, так как связан с закреплённой на фундаменте циркуляционной трубой; второе, объём потока воздуха в рукаве-факеле можно регулировать количеством включённых ветроэлектрогенераторов и диаметром трубы.
Регулирование объёма и характера выпадающих осадков отличительная особенность данного изобретения. При перемещении турбо конденсатора из крайнего нижнего положения (500-700 м) в предельное верхнее положение (3500 м) характер осадков меняется от мороси (мелкого дождя) до выпадения снега. Этот способ позволяет также предотвратить образование града. Объём осадков регулируется величиной диаметра циркуляционной трубы, количеством включённых ветрогенераторов, а также высотой расположения турбо конденсатора.
Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является наряду с получением пресной воды выработка электроэнергии. На это затрачивается примерно половина кинетической энергии потока воздуха в циркуляционной трубе. Конкретная оценка количества получаемой пресной воды и вырабатываемой электроэнергии даётся в приводимых ниже примерах.
Рассмотрим два конкретных примера применения предлагаемого изобретения.
Пример 1. Обеспечение пресной водой полуострова Крым. Полуостров окружён Чёрным и Азовским морем, что позволяет рассчитывать на постоянный отсос воздуха с влагосодержанием не менее 20 г/м3. Примем, что при конденсации из каждого м3 влажного воздуха выделятся 15 г воды в виде дождя. При радиусе циркуляционной трубы 50 м и скорости потока воздуха в трубе 20 м/с расход воздуха составит: 3,14х502х20 = 157000 м3/с. Объём конденсата в дождевой воды составит: 157000х15 = 2355000 г/с или 2,36 м3/с. Чтобы компенсировать утрату северо-крымского канала на территории Крымского полуострова необходимо соорудить 100-120 таких установок по получению пресной воды из атмосферного воздуха. Как указывалось выше, ветроэлектрогенераторы могут работать в двойном режиме. При запуске установки они работают как вентиляторы, вытесняя из циркуляционной трубы холодный воздух. После запуска при переключении вентиляторов на режим работы ветряных электрогенераторов 45% энергии отсасываемого воздуха будет использована на выработку электроэнергии. Мощность электрогенераторов составит [https://helpiks.org/5-76847.html]:

W = 0,5;v3zs = 0,5х1,226х8х103х0,45х7,85х103 = 17,3 MВт,

где ;- плотность воздуха, v- скорость потока воздуха в трубе, z- КПД, s- сечение трубы.
Таким образом, помимо 2,36 м3/с пресной воды, мы дополнительно получаем круглогодично работающую электрогенерирующую установку мощностью 17,3 МВт.
Пример 2. Рекультивация солонцовых и солончаковых почв в Курганской и Оренбургской области. В указанных областях большие площади занимают солонцы и солончаки, которые засолены растворимыми солями натрия, магния и кальция. По этой причине они выведены из с/х оборота. На солончаковом участке площадью 1500 га установлена циркуляционная труба диаметром 10 м и высотой 120м. Расход воздуха q при скорости потокa в трубе v = 10 м/с равен: q = ;r2v =3,14х25х10 = 785 м3/с. При влагосодержании 10 г/м3 из 1 м3 конденсируется 5 г воды. Суточная производительность установки составит: 785х5х3600х24 = 339х106 г/сутки или 339 м3 воды в сутки. На 1 га засолённой почвы будет подаваться ежедневно в виде дождя 339/1500 = 0,226 м3 обессоленной воды, что позволит в течение одного с/х сезона рекультивировать 1500 га плодородной земли. Как и в примере 1, после запуска ветроэлектрогенераторы, установленные в проёмах нижней части трубы, будут использованы для выработки электроэнергии. Объём вырабатываемой энергии согласно приведенной выше формуле составит:W = 0,5;v3zs = 0,5х1,226х103х0,45х78,5 = 21,7 кВт,

 

Рис.1. Схема функционирования устройства для получения воды из тёплого влажного воздуха: 1- сборники для конденсата (дождевой воды), 2- лебёдка для подъёма (опускания) турбо конденсатора, 3- забор тёплого влажного воздуха, 4- шнур для регулирования высоты положения турбоконденсатора, 5- ветроэлектрогенератор, 6- циркуляционная труба высотой 100-500 м и диаметром 10-100 м, 7- поток воздуха в факеле, 8- дождевой поток воды из кучевого дождевого облака, 9-приток холодного воздуха из верхних слоёв атмосферы, 10- турбо конденсатор с полыми стенками, заполненными гелием высотой 25-100м и диаметром 12-120 м, 11- искусственное кучевое дождевое облако.

Способ и устройство могут также использоваться для охлаждения земной поверхности, предотвращения и тушения лесных пожаров, предотвращения смерчей и ураганов, а также глобального регулированмя климата на Земле.



Источники информации.
1. Автор: ЮИ Столбов, Номер патента: 1813473, Опубликовано: 07.05.1993, Бюл. №17, МПК: B01D 5/00, E03B 3/28.
2.МИ Будыко, Физическая энциклопедия,1988, М.,Изд., «Советская энциклопедия», т.1, с.133
               
                Формула изобретения.

1. Способ извлечения воды из влажного воздуха путём охлаждения воздуха и конденсации из него воды, отличающийся тем, что охлаждение воздуха производится смешением влажного тёплого воздуха из нижних слоёв атмосферы с холодным воздухом из верхних слоёв атмосферы, для чего влажный тёплый воздух из нижних слоёв атмосферы в виде организованного потока за счёт перепада давления подаётся вверх и смешивается на заданной высоте с идущим вниз вследствие конденсации и разряжения холодным воздухом.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перепад давления в организованном потоке воздуха создаётся за счёт разности плотностей и разряжения, обусловленного конденсацией паров воды.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть энергии организованного воздушного потока в количестве, соответствующем снижению перепада давления в воздушном потоке на 40-60% используется для выработки электроэнергии.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданная высота, на которой производится смешение холодного с теплым влажным воздухом изменяется от 500 до 3500 м.
5. Устройство для создания организованных воздушных потоков, их смешения и конденсации, содержащихся в них паров воды, состоящее из вертикальной типа дымовой трубы, турбоконденсатора и лебёдок со шнурами, отличающееся тем, что над трубой соосно с ней расположен цилиндрический турбоконденсатор с полыми стенками, заполненными гелием, причём турбоконденсатор может с помощью лебёдок подниматься и опускаться на высоту 500-3500 м.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что турбоконденсатор представляет цилиндр с полыми стенками высотой 25-100м и диаметром 12-120 м.
7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что труба имеет высоту 100-500 м и диаметр 10-100 м, а в нижней её части имеются отверстия, в которых смонтированы ветряные электрогенераторы.
8. Устройство по п.5, отличающийся тем, что для повышения стабильности потока воздуха, выходящего из циркуляционной трубы, в зоне нарушения стабильности с помощью лебёдок и шнуров размещают цилиндр, аналогичный по конструкции турбоконденсатору.

Реферат к заявке на «Способ извлечения воды из теплого влажного воздуха и устройство
                для его осуществления».

Изобретение относится к геофизике и электроэнергетике, преимущественно к способам и устройствам для извлечения воды из влажного воздуха и получения электроэнергии альтернативным способом, в частности за счёт гидростатической неравновесности атмосферы и обусловленного ей перепада давления воздуха.
Сущность изобретения по извлечению воды из тёплого влажного воздуха  заключается в создании организованного потока тёплого влажного воздуха, его транспортировки на высоту до 3500 м и конденсации из него воды в виде дождя путём турбулентного смешения с холодным воздухом из верхних слоёв атмосферы. Перечисленные операции выполняются с помощью устройства, состоящего из вертикальной циркуляционной (типа дымовой) трубы высотой 100-500 м и турбоконденсатора, выполненного в виде цилиндра с полыми стенками, заполненными гелием. Турбо конденсатор с помощью лебёдок и шнуров (типа аэростатов заграждения) удерживается на высоте 1000-3500 м и обеспечивает эффективное турбулентное смешение потоков тёплого влажного воздуха из циркуляционной трубы и холодного воздуха из верхних слоёв атмосферы с образованием конденсата в виде дождя. Получение электроэнергии осуществляется за счёт частичного использования перепада давления в циркуляционной трубе. Приведены примеры использования изобретения.
Способ и устройство могут также использоваться для охлаждения земной поверхности, предотвращения и тушения лесных пожаров, предотвращения смерчей и ураганов.