*资助课题科技部西部开发科技行动 重大攻关项目(2001BA901A41)和科技部公益项目人工消冷雾 新技术试验与研究 液态二氧化碳L C 播撒装置应用研究*樊 鹏1余 兴2雷恒池3陈保国1 梁 谷1岳治国1张晓庆31陕西省人工影响天气中心西安 7 1 0 0 1 5 2陕西省气象科学研究所 西安 7 1 0 0 1 5 3中国科学院大气物理研究所北京 1 0 0 0 2 9 摘 要 针对液态二氧化碳L C 的播撒问题给出了其播撒装置的基本特征播撒率及主要影响因 子并用 F S S P - 1 0 0 2 D - C 粒子测量仪三用滴谱仪及能见度仪等设备测定了 L C 播出物的相态 粒子形状和尺度谱测定表明L C 播出物为液固气态二氧化碳三相共存混合物液态固态 粒子存在时间约 1 001 01s 粒子尺度 1 0- 11 02m 播出物流束中单位体积质量可达 3 . 6 gm- 3这些测定结果为使用 L C 作为冷云催化剂提供了可靠依据 为国内在较暖云顶层状云中开展人工增 雨作业提供了合适的催化技术 关键词 液态二氧化碳 播撒装置 增雨 消冷雾 研究 引 言 1946 年 V. J. Schaefer1 在实验室内意外发现干冰固态二氧化碳投入冷箱中的过 冷云时在其下落路径上迅速出现了大量细小冰晶这一发现使人工激发冷云降水技术成 为可能此后经多次野外试验得到了证实 干冰是由 LC 在常压下快速释放冷却形成多呈雪花状聚结体色白不透明而松散经 压缩可形成不同形状和大小的干冰块 国内飞机人工增雨多用雪花状干冰 作业前由储存于高压瓶内的 LC快速释放于布袋中 冷却冻结成雪花状干冰再转存放在保温箱桶中待用若当天不能及时使用即使存放 在低温常压冷库中亦会很快升华损耗而难于保存这是干冰用作冷云催化剂的最大不足 其次是播撒不均匀不连续尽管有此不足但由于干冰具有其它催化剂不可替代的优点 例如在轻度过冷的云中能够稳定核化形成大量人工冰晶1012 g- 1核化率几乎与温度 无关核化时间短几乎是瞬时核化不对下风方云区构成催化剂污染即使在作业区 内长时间大剂量催化亦不存在潜在的环境危害并且价格低廉因而国内外广泛使用此 外 随着对催化剂播入云中扩散稀释增长过程观测研究的深入 考虑到层状云内湍流扩散较 弱相当于积状云云中冷层可转化的水汽总量冷层水汽量与上升气流输送给冷层的水 汽量之和不如积状云等因素在层状云中如果大量引入成核率高达 1015 g- 1的催化剂 冷层中的催化粒子难于迅速扩散稀释 在有限水汽量的制约下 高浓度区的催化粒子难以同 时全部增长成雨胚这将导致催化粒子的损耗如聚并粘附等如果是异质核化的催化 剂如 AgI 等温度不适合更难核化即使在适宜温度区也会因水汽量有限而大量转化 过冷云水可能抑制自然雨的形成发展持续等过程影响了实际的增雨效果干冰由于 核化率适中更容易迅速扩散稀释可能是层状云人工增雨比较合适的一种催化剂 为了克服干冰使用上的不足 人们试图使用 LC直接播撒技术 经过摸索试验 N. Fukuta2 在消除山谷低云的阳光计划中使用了直接播撒 LC 的有关技术陕西省人工影响天气中心 于 2001 年引进了这一技术并在播散装置播撒率及播出物相态粒子形状尺度谱等方 面进行了试验和测定了解了 LC 播撒的特性有利于这一技术进一步改进和逐步完善 1 L C 部分特性及播撒装置组成 1.1 LC部分特性 LC 是无色无味的透明液体分子量 44.01密度LC随温度降低而增加T-12 时 LC1g cm-3T-12时 LC1.0g cm-3T0时 LC0.92g cm-3T12时 LC 0.84g cm- 3即在多数 LC 播撒温度区0-12LC小于水的密度LC 滴表面温度和 干冰粒子表面温度一样为-78 二氧化碳在常压常温下为气体常压低温下T - 7 8为固气共存高压常温下为液 气共存因而 L C 可十分方便的储存于通用高压5 . 0 5 . 5 M P a 钢瓶内 LC 在常压下蒸发潜热 Lv随温度下降而增大在 T0-10时Lv292371J g-1 低于干冰升华潜热 Ls 1.2 LC播撒装置的组成 LC 播撒装置由储液钢瓶可调节钢瓶倾角支架排液管和喷头组成见图 1 储液钢瓶应选用耐压为 5.05.5Mpa 的标准产品以保证在飞机上使用的安全性支架 应能承受足够载荷以防止变形折裂另外还要方便地调节支架角度一般相对地面 10 15以确保钢瓶口完全被 LC 浸没而不含气态二氧化碳排液管要耐高压耐低温宜 采用特弗龙软管或内径 24mm 优质铜管喷头要薄且光滑确保喷撒顺畅宜采用锰 钛合金或优质铜材以免变形各部件的连接要密封内径一致避免变径引起截流膨胀冷 却形成干冰堵塞喷头或排液管影响喷撒效果经多次喷撒试验播撒装置的关键技术为 克服截流膨胀冷却喷头孔径为 0.6mm 较为适宜喷撒较为流畅 此外还对 LC 的纯度进行了喷撒试验由于钢瓶中的 LC 是气液共存要保持 LC 的喷 出而非二氧化碳气体钢瓶口必须以一定的倾斜角10以上朝下另外在多数播撒 温度区LC 的密度小于水和颗粒物所以一旦 LC 中有水和颗粒物就会马上造成喷头 的堵塞经反复喷撒试验LC 中对水和颗粒物的含量要求很高越低越好至少要小于 0.001%对其它气体成份的含量要求不高不影响喷撒效果 图 1 运12 机载可调式液态二氧化碳播撒装置 2 播撒率试验 2.1 地面试验 试验目的一是检验该装置操作是否方便安全各部件连接是否密封有无变径喷 撒是否流畅二是进行不同情况的播撒率试验当钢瓶初始压力为 5Mpa 时对喷头不同孔 径0.24mm不同钢瓶支架角度028进行了喷撒试验经多次试验表明该装置 喷撒较为流畅无泄漏和堵塞现象单只钢瓶的播撒率为 4.347.3g s-1当孔径为 0.6mm 支架角度 12时 钢瓶压力由 5MPa 播撒降至 3.8MPa 播完 时 播撒率为 12.86.3 g s- 1 2.2 空中机载试验 空中试验环境与地面不同因为空中不仅有 60110m s-1的飞行速度还有低于地面气 压 一般作业高度的气压 700500hPa 的环境 这种环境有利于 LC 快速喷撒 经多次试验 当喷头孔径为 0.6mm支架角度为 12钢瓶压力为 5.0-3.2MPa 时播撒率由播撒前后 钢瓶重量差W(g)与播撒时间t(s)计算 pW/t稳定在 P10.711.0g s- 1略高于地 面相同条件的 p若播撒飞机的航速为 6km min-1相当于 An-26 飞机p 折合成单位距离 的用量为 107110g km-1而美国催化对流云的干冰用量为 Ps2503000g km- 1因此空 中试验得到的单只钢瓶 LC 播撒率p低于美国催化对流云的干冰用量为了增大播撒量 可以同时开启多个钢瓶或增大喷头孔径以满足不同类型作业云体的催化需要 3 LC 播出物相态粒子形状和尺度谱 干冰核化率曾引起不少争论1978 年 E. W. Holrogd 等人4发表了对流云顶干冰催化成 冰能力一文指出 1g 干冰可产生约 1011个以上冰晶的观测结果当时有人认为干冰作为 制冷剂它的成冰能力在于使云中云滴冻结成冰晶因此很难得到这样高的核化率稍后 B. Vonnegut19815就此发表了关于干冰催化云的误解一文指出干冰成冰能力不是使云 冷却导致云滴乃至云凝结核吸湿长大成小云滴冻结 而是干冰表面极低温度区内水汽直接凝华成冰晶B. J. Mason19816同意他的观点进一步指出由于干冰表面附近极大过饱 和度使水汽自发凝结成高浓度小云滴再在-40-78低温环境中冻结成冰晶这样干 冰核化机理基本取得了共识 问题是直接播撒 LC 是否和干冰核化机理相同试验的关键是测定 LC 播出物中是否有 大量的 LC 液滴或干冰粒子若是 LC 液滴因其表面温度-78和干冰粒子核化机理一样 能起到冷云催化剂的作用若只是完全汽化的二氧化碳气体就不存在-40-78高过饱和 水汽区高度低温区不存在使云中水汽直接转化为冰晶的条件因而直接播撒 LC 起不 到催化成冰作用为此对 LC 播出物相态粒子形状 尺度谱的测定具有十分重要的意义 N. Fukuta2亦未曾有相关实际测定的报告和数据 下面列出了一次综合测定结果测量场所为空旷场地环境微风轻雾温度与露点温 度分别为 T2Td- 2主要测定设备有FSSP-100测定粒子尺度 0.547m 数浓度 nc和尺度谱2D-C测定粒子图像尺度 25800m 数浓度 ni与其尺度谱三用滴谱仪 复膜技术取样收集粒子尺度在 100102m短光程能见度仪用于测定尺度 10-1103m 粒子群消光截面积 S 引起的能见度 L 的降低 a . x 4 0 0 倍率的显微照片 b . x 4 0 0 倍率的显微照片 图 2 二氧化碳大粒子显微照片(图中标尺刻度为 0.01mm) 复膜如聚甲基丙烯酸甲脂等法取样分为两种一是用三用滴谱仪收集 LC 播出物流 束中的粒子这些粒子依惯性运动撞击在涂有复膜液的取样片上再浸入复膜液中二是用 更大面积的取样片收集播出物流束中自由沉降的粒子取样后立即进行显微照相数码相 机通过计算机分析处理给出粒子尺度谱数浓度配合人工显微观测判断粒子相态 图 2 为显微照相获得的典型粒子图像 取样片离 LC 喷头水平距离 1.5m 离播出物流束中心 下方约 50cm由图 2 分析判别得到尺度 100m 以下粒子影像多是边缘清晰光滑的圆形 透明印痕它们是 LC 液滴碰撞浸入复膜液后LC 滴留下的印痕尺度大于 100m 粒子影 像多为内部不规则不透明状外部光滑透明不是完全的球形不规则不透明的粒子为 干冰粒子外部光滑透明内部不规则不透明的粒子为干冰粒子部分融化后的粒子复膜法 图像证明了 LC 播出物中含有大量的液态和固态二氧化碳粒子的事实 图 3 复膜法取样的液态二氧化碳的粒子谱a 为播撒口水平垂直向用三用滴谱仪取样的液态二氧化碳的粒 子谱分布b 为播撒口下部 50cm 处采用自由沉降方法取样得到的液态二氧化碳粒子谱分布 图 3 为复膜法测量 LC 播出物的粒子尺度谱分布结果由图 3a3b 看出自由沉降法 获取的小粒子数低于三用滴谱仪显然这是合理因三用滴谱仪取样不存在沉降中蒸发升 华过程 能够捕获到大量小粒子 两种方法测量的尺度谱 分布形式相似 均为偏正态分布 峰值直径和最大粒子直径相近各为 6.5m185.7m 和 4.7m166.3m 图 4 粒子谱aF S S P - 1 0 0 测定的粒子谱b2 D - C 测定的粒子谱 图 4 为 FSSP-100 和 2D-C 测定的 LC 播出物的粒子尺度谱分布结果从图 4 可见由 FSSP-100 和 2D-C 获得的小粒子浓度明显高于三用滴谱仪各为 146.1cm-3和 14.1cm- 3 FSSP-100 测定的谱分布仍为偏正态分布只是峰值直径更大些为 12.5m2D-C 测定的 最大粒子尺度平均值为 150m和复膜法接近综合图 34 分析结果表明不同仪器的测 定结果具有一定的可比性但 FSSP-1002D-C 的取样原理灵敏度取样体积等方面均明 显优于复膜法获取的粒子数浓度和谱分布更具有代表性和似真性因此用它们测定的数 据进行计算更合理计算得到 LC 和干冰粒子在单位体积中的质量浓度分别为 0.87g m-3 2.717g m-3总质量为 3.587g m-3计算中 LC 密度取值 910.0kg m-3环境温度为 2干 冰密度取值 1557.0kg m-3温度-78时7LC 和干冰粒子的消光截面积分别由下面公式 计算 =ddfddnScc)()(421 =DDfDDnSii)()(422 计算得到 LC 和干冰粒子的消光截面积 Sc1.05410-3cm-1Si1.01510-3cm-1总消 光截面积为 S2.06910-3cm-1短光程能