Brevet 4129252 - Procédé et appareil pour la production de matériel de semis - 1978

Ce qui est revendiqué est:

1. Procédé de génération de noyaux de glace comprenant les étapes consistant à:

chauffer un composé chimique vaporisable dans une chambre isolée fermée jusqu’à un point de vaporisation;

mettre sous pression ladite chambre avec un gaz de pressurisation inerte constitué essentiellement de N2; et

libérer de manière contrôlée le mélange gazeux résultant de ladite chambre à travers un trou dans une mince feuille de métal à écoulement supersonique dans une atmosphère humide.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau chimique est un composé organique choisi dans le groupe constitué par H2O distillé, métaldéhyde, métaldéhyde dans H2O, phénazine et quinoxaline dans H2O.

3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la libération dudit mélange gazeux est contrôlée pour donner le flux externe le plus exempt de choc.

4. Appareil de production de noyaux de glace comprenant:

une chambre fermée;

des moyens d’échange de chaleur entourant ladite chambre fermée pour y recevoir de la chaleur et relier ladite chambre fermée à une source d’azote gazeux pour pressuriser ladite chambre;

des moyens dans ladite chambre pour vaporiser une substance dans celle-ci;

des moyens pour commander l’écoulement de gaz à partir de ladite chambre fermée comprenant un orfice poinçonné dans une feuille de métal relativement mince; et

des moyens de soupape associés audit organe pour libérer du gaz à travers ledit organe dans l’atmosphère.

5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel lesdits moyens pour vaporiser comprennent une buse de pulvérisation.

CONTEXTE DE L’INVENTION

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la production de matières particulaires de nature et de taille et dans des conditions de température et de pression telles qu’elles inhibent ou stimulent la précipitation dans l’atmosphère.

Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé et un appareil pour la production d’aérosols monodispersés de matériaux chimiques efficaces en tant que noyaux de glace.

Dans un passé récent, un certain nombre d’enquêteurs, y compris le demandeur, ont publié des articles qui sont considérés comme pertinents dans le domaine de l’invention. Certains d’entre eux sont:

P. P. Wegener et A. A. Versing, «Expériences sur la condensation de la vapeur d’eau par nucléation homogène dans des buses», Physics of Fluids, Vol. 7, 1964, pages 352-367.

E. R. Buckle et A. A. Versing, «Effets de l’ensemencement sur la condensation de l’humidité atmosphérique dans les buses», Nature, vol. 208, n ° 5008, pages 367-369.

A. A. Versant, «Étouffement thermique et condensation dans les buses», Physique des fluides, vol. 8, n ° 10, 1965, p. 1802-1810.

A. A. Versing, «Effets de la nucléation hétérogène de la vapeur d’eau dans les buses», Basic Engineering, décembre 1970, p. 689-694.

N. Fukuta, «Avancées dans la technologie des générateurs de noyaux de glace organiques», Proc. Internat. Conf. on Weather Modification, Canberra, Australie, 6-11 septembre 1971, pp. 343-348.

N. Fukuta, «Avancées dans la technologie des générateurs de noyaux de glace organiques», J. Rech. Atmos, « Numéro commémoratif de Desseus », No. 1-2-3.

Paik, Y. N. Fukuta, et C. J. Todd, « Une nouvelle méthode de génération de particules de glace de noyaux de glace pour la modification du temps », Proc. Troisième Conf. sur la modification météorologique, Rapid City, S.D., 25-29 juin 1972, pp. 30-32.

A. A. Versing et E. R. Buckle, «La cinétique de l’évolution des amas de vapeur d’eau dans l’air», rapport E & W de l’Académie navale américaine n ° 3-74, décembre 1974 (sous presse).

« Enquête sur les petites particules produites par l’expansion gaz-dynamique des mélanges gaz-vapeur », mai 1974 (thèse principale), aspirant 1 / C Michael W. Moran, USN, conseiller: A. A. Verser.

Selon la présente invention, des phénomènes d’écoulement supersonique dans une buse convergente-divergente ou même un simple orifice avec un écoulement légèrement supersonique sont montrés efficaces pour la production de noyaux de glace, par exemple, pour l’ensemencement des nuages.

BREVE DESCRIPTION DES PLUSIEURS VUES DU DESSIN

FIGUE. 1 est une vue schématique en coupe transversale d’une buse convergente-divergente avec des trajets d’écoulement typiques superposés à celle-ci;

FIGUE. 2 est une vue en élévation latérale partiellement en coupe d’un appareil pour la mise en oeuvre de l’invention;

FIGUE. 3 est une vue de détail agrandie de l’orifice de la Fig. 2;

FIGUE. La figure 4 est un diagramme schématique d’un second mode de réalisation d’un appareil pour la mise en oeuvre de l’invention; et

FIGUE. 5 est une vue en plan d’un troisième mode de réalisation d’un appareil pour réaliser l’invention.

DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT

Le comportement général de l’écoulement dans une buse convergente-divergente est donné sur la Fig. 1. Compte tenu de la pression d’entrée fixe P01 et de la température T01, le débit suit les voies A à F en fonction du rapport de pression à travers la buse;

A – écoulement de bernouilli.

B – écoulement de bernouilli.

C – expansion à C ‘, le choc et la pression du diffuseur augmentent C’ à C.

D – expansion à F avec élévation de la pression de choc à D.

E – Expansion avec condensation et choc.

F – expansion à F, pas de chocs ou de condensation.

Le flux à E, F est supersonique tandis que celui à propos de D est subsonique. Le flux en F diffusera à l’extérieur et la température augmentera dans le processus au fur et à mesure que l’énergie cinétique de flux (et le travail d’écoulement) sont reconvertis en énergie interne. (Dans des conditions idéales sans mélange, la température reviendrait à la température initiale.)

En utilisant des buses pour des noyaux de glace ou des générateurs de graines, le comportement général de la Fig. Je dois garder à l’esprit.

L’expansion de type la plus souhaitable pour la production de matériau d’ensemencement par nucléation homogène est celle qui suit les distributions de pression entre les limites des courbes E et F sur la Fig. 1. Les expériences décrites dans les articles publiés par Wegener et Verser, Buckle et Versing and Versing démontrent amplement la nucléation homogène dans les buses.

L’application de ce principe à la production de matériaux d’ensemencement dans des tuyères supersoniques a été démontrée avec succès par le demandeur au Naval Weapons Centre, China Lake, Californie, avec un dispositif similaire à celui de la Fig. 2 sauf qu’une buse supersonique a remplacé l’orifice 310.

Des expériences plus récentes démontrent que l’expansion dans un simple orifice est également efficace pour produire des matériaux d’ensemencement.

L’appareil représenté sur la Fig. 2, et indiqué généralement par le numéro 300, utilise un élément d’orifice simple 310 à la place d’une sortie de buse. L’appareil de semoir comprend un récipient de récipient 312 fermé par un élément supérieur 314 et contient une substance chimique 334. Un réchauffeur 324 est utilisé pour chauffer le produit chimique et un thermomètre 326 est montré communiquant avec la chambre pour faciliter le contrôle du processus.

Dans ce mode de réalisation, le récipient 312 est entièrement entouré d’isolant 340 et le gaz de pressurisation est amené à travers une bobine d’échangeur de chaleur 342 en contact avec les parois verticales du récipient chauffé 312. Le gaz chargé de vapeur est évacué comme souhaité par la soupape 332 qui est de préférence dans une chemise de contrôle de température 333 et munie d’un organe de commande 335 traversant l’isolant 340.

Le gaz de pressurisation peut être n’importe quel gaz inerte facilement disponible et est commodément représenté par N2. Le gaz est fourni par l’intermédiaire d’un agencement de soupape régulatrice de pression classique et un manomètre 323 peut être placé dans la conduite à proximité du récipient pour faciliter le contrôle du processus. La ligne d’alimentation à jauger 323 est représentée équipée d’ailettes de refroidissement 325 pour atténuer la température des gaz atteignant la jauge.

L’élément d’orifice 310 est mieux révélé sur la Fig. 3 qui montre, par exemple, un simple raccord de tuyau ordinaire avec une pièce de cale (de l’ordre de 0,030 pouce d’épaisseur) 313 soudée à une extrémité. Un trou unique 315 dans le stock de cale fournit l’orifice et le raccord de tuyau comporte des filets internes 317 à l’extrémité opposée pour la fixation.

Les vapeurs du matériau chimique lorsqu’elles sont transportées par le gaz à travers l’orifice à la vitesse transsonique subiront, dans des circonstances appropriées, les mêmes phénomènes de dilatation et de condensation que ceux décrits ci-dessus pour les tuyères divergentes convergentes.

Le mode opératoire consiste à placer un composé chimique dans la chambre et lorsque l’échantillon fond et se vaporise, la pression et la température sont ajustées et la soupape de sortie est ouverte pendant une durée prédéterminée.

Les essais à ce jour ont été menés avec les composés organiques dans les conditions listées dans le tableau suivant. Une seconde (environ) explosion de la buse a été dirigée dans une chambre de brouillard froide. Il convient de noter que les composés utilisés étaient ceux étudiés par Aaron Fletcher (nucléation de contact à haute température de l’eau surfondue par des produits chimiques organiques); le demandeur a décidé d’étudier son efficacité lorsqu’il est refroidi soudainement ou « trempé » à partir de la phase vapeur conformément à la présente invention. ______________________________________ Pres- Fog sure (2) Temp EXP. Échantillon (1) Temp (2) ° C Psig ° C Rendement (3) ______________________________________

001 Métaldéhyde 98-93 28 -10 2 × 107

(MA)

002 Quinoxaline 56-50 28 -9 Néant (4)

003 MA en H2 O

129-121 28 -11 9 × 108

004 Distillé 148-129 28 -11 105

H2 O

005 MA 129-121 28 -11,5 6 × 107

006 Quinoxaline 87-76 28 -11 106

en H2 O

008 Phénazine 71-65 40 -9 7 × 108

009 Phénazine 71-65 40 -11 (5)

010 Phénazine 71-65 40 -8 (6)

______________________________________

(1) environ 1 / 4gram (2) dans le semoir (3) le nombre total de cristaux de glace produits dans une boîte froide de 24m3. (4) répété avec un souffle plus long donnant quelques cristaux. (5) sursemis, brouillard glacé résultant (6) à peine dénombrable

Lorsque la quinoxaline s’est avérée inefficace, elle a également été testée en produisant une fumée de quinoxaline à partir de la pointe d’un fer à souder. C’était aussi inefficace. Le composé 2-4D diaminotoluène a été essayé et trouvé inefficace. En revanche, la fumée de phénazine s’est révélée très efficace.

Plusieurs conclusions peuvent être tirées à ce stade. D’abord, la trempe des vapeurs organiques ou d’autres vapeurs dans un gaz vecteur est un procédé efficace de production de noyaux de glace. L’expansion de l’organique, dans la vapeur, comme par Fukuta peut avoir un effet d’amélioration. Une méthode rapide d’analyse des matières organiques ou des agents d’ensemencement consiste à former des fumées.

Il convient de noter que l’expansion de la vapeur d’eau seule à partir de températures initiales proches de 0 ° C jusqu’à des températures de sortie inférieures à 0 ° C devrait produire le plus grand nombre de petits noyaux ou graines de glace.

Une seconde variante, dans laquelle des pulvérisations fines peuvent être trempées dans une buse (ou un orifice) tout aussi bien que la production de noyaux homogènes dans la buse, est maintenant décrite.

Le générateur représenté sur la Fig. 4 est pressurisé avec de l’azote à une pression donnant une expansion complète dans la buse. La pression de fonctionnement peut être choisie empiriquement en observant la sortie de la buse dans un shadowgraph et en notant la pression qui donne le flux externe le plus libre de choc. Cette pression, bien sûr, variera avec la buse utilisée.

L’appareil de trempe généralement indiqué en 100 sur la Fig. 4 utilise une buse supersonique comme indiqué en 128. Une fine pulvérisation est produite dans la chambre 112 d’eau ou de toute autre solution (134) qui est alimentée sous pression du réservoir 135. Les vapeurs résultantes sont trempées lors du passage à travers la buse supersonique 128. sous le contrôle de la vanne 132.

Le jet peut être produit de diverses manières, celle qui est démontrée dans cet appareil est de 1 gal / min. buse de pulvérisation 113, pressurisée à 120 psig par N2, par exemple, du réservoir 116 à travers les tuyaux 118, 119, les régulateurs 122, 122 ‘et la vanne 117. La caractéristique de buse montre le plus grand nombre de gouttelettes produites dans la catégorie 1-10 la plus grande masse est concentrée dans des tailles plus grandes. Comme le flux doit prendre un angle de 90 ° à l’entrée du tuyau 130 allant à la buse supersonique, seules les plus petites gouttes sont réalisées à partir du récipient, du réservoir ou du réservoir 112.

L’examen du flux de sortie frappant une tôle d’acier inoxydable montre une formation de voile extrêmement fine et un écoulement progressif sous la forme de très fines gouttelettes. Si la température initiale approche 0 ° C, les gouttelettes survivantes dans l’échappement seront probablement gelées.

De la chaleur est appliquée au réservoir 112 par des moyens classiques (non représentés) et la température y est régulée par référence à la jauge de température 126.

Ceci donne, par conséquent, un moyen de produire dans un dispositif, des particules nucléées de manière homogène et aussi petites que 10-7 cm ou 10-3 pm. Ceux-ci sont obtenus en laissant l’eau dans le fond de la chambre (b) et en faisant passer N2. La température doit être proche de 0 ° C. Pour les grandes tailles, le spray est utilisé.

Avec un tel dispositif, il est possible dans des circonstances appropriées de produire des « graines » d’une taille unique pour empêcher la précipitation, dans certaines autres conditions produisant d’autres « graines » pour forcer la précipitation. De même, l’utilisation de «graines» d’eau ne provoquerait aucune pollution de l’environnement et ne laisserait aucune trace de sa présence.

Une troisième application de graine de trempe dans des buses supersoniques est indiquée généralement en 200 sur la Fig. 5. Il s’agit simplement d’une petite fusée à propergol solide 212 ayant une tuyère de propulsion supersonique 228 avec un propulseur 210 suffisante pour lancer en altitude et un matériau de semence pyrotechnique 234 qui est distribué en altitude.

Ces expériences peuvent être étendues à d’autres agents, y compris AgI pour des références pour diverses expansions, dans des buses à nombre de Mach supérieur et pour diverses températures de semoir. Par exemple, la température optimale du semoir pour un agent spécifique est d’abord déterminée, puis la variation avec différentes buses de nombre de Mach à partir de la température initiale optimale. Commencer avec AgI donne une référence utile. La variation de la pression initiale de la buse sur le débit de production à partir de la température initiale optimale peut alors être étudiée.