Способ и устройство (варианты) перемещения по глубине подводного аппарата с использованием температурного градиента морской среды

 

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно к подводным аппаратам - буям с изменяемой плавучестью. Способ использует разницу в температуре воды на поверхности и в глубине мирового океана. Способ основан на использовании теплового расширения рабочего тела для перемещения внутрь аппарата подвижного стержня и перемещении его в обратном направлении при охлаждении рабочего тела. В качестве рабочего тела используют кипящую жидкость, находящуюся в замкнутом объеме при температуре выше 0^oC в равновесии со своими парами при давлении насыщенных паров. Подводный аппарат находится в верхней точке траектории до тех пор пока рабочее тело не нагреется до температуры окружающей среды и давление насыщенных паров не повысится до соответствующего уровня, после этого дают свободный ход поршню на время перемещения соединенного с ним стержня внутрь устройства. При достижении нижней точки траектории подводный аппарат находится в состоянии нейтральной плавучести до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды, конденсации паров и уменьшения давления насыщенных паров, после чего освобождают поршень на время выдвижения стержня за пределы прочного корпуса. Достигается повышение диапазона изменения плавучести подводных аппаратов, использующих для перемещения по глубине градиент температуры окружающей среды, и повышение их надежности. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно к подводным аппаратам - буям (ПА) с изменяемой плавучестью.

Известен способ перемещения ПА по глубине, заключающийся в том, что рабочее тело нагревают с помощью электронагревателя, преобразуя тепловое расширение рабочего тела в изменение плавучести ПА (США, пат. N 4183316, B 63 B 39/04, 1980). Известно также устройство перемещения по глубине, содержащее герметичный прочный корпус с балластной камерой и рабочее тело, заключенное в сильфоне, взаимодействующим с системой принудительной подачи-выпуска воздуха в балластную камеру (Великобритания, заявка N 1532411, B 63 C 11/30, 1978).

В качестве ближайшего аналога принят патент на способ и устройства перемещения по глубине подводного аппарата, в котором для перемещения используется градиент температуры окружающих вод океана (Россия, пат. N 2081782, B 63 G 8/24, B 63 B 22/00, B 63 G 8/22, 1994). В патенте описан способ перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус с балластной камерой и рабочим телом, заключающийся в том, что в верхней точке траектории подводному аппарату придают отрицательную плавучесть за счет приема маневрового балласта, а по достижении нижней точки траектории придают положительную плавучесть путем удаления маневрового водного балласта, отличающейся тем, что перед приемом маневрового водного балласта подводный аппарат выдерживают в верхней точке траектории до нагрева рабочего тела до температуры окружающей среды и образования в балластной камере пониженного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время приема маневрового балласта, а при достижении аппаратом нижней точки траектории выдерживают его до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды на соответствующей глубине и образования в балластной камере повышенного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время удаления маневрового балласта. В патенте описаны различные устройства, использующие расширение жидкого или твердого тела для достижения необходимого эффекта. Характерным недостатком таких устройств является высокое внутреннее давление в рабочем теле, существенно снижающее их надежность. При этом изменение объема рабочего тела при переходе из одной фазы в другую не используется. Поскольку теплоемкость фазовых переходов (плавления, испарения) значительно превосходит теплоемкость тел, находящихся в одной фазе, следует ожидать, что тепловая машина, использующая кипение рабочего тела, должна обладать значительно большей эффективностью.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения диапазона изменения плавучести устройств, использующих для перемещения по глубине градиент температуры окружающей среды и повышения их надежности.

Технический эффект достигается за счет того, что в качестве рабочего тела используют кипящую жидкость, находящуюся в замкнутом объеме при температуре выше 0^oС в равновесии со своими парами при давлении насыщенных паров, ПА выдерживают в верхней точке траектории до нагрева рабочего тела до температуры окружающей среды и повышения давления насыщенных паров, после чего дают свободный ход поршню на время перемещения соединенного с ним стержня внутрь устройства, а при достижении нижней точки траектории выдерживают его до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды на соответствующей глубине, конденсации паров и уменьшения давления насыщенных паров, после чего освобождают поршень на время выдвижения стержня за пределы прочного корпуса.

Указанный способ реализуется в устройстве перемещения ПА по глубине, содержащем герметичный прочный корпус с рабочей камерой цилиндрической формы с перемещаемым внутри ее поршнем, который соединен со стержнем, выходящим наружу корпуса, пространство под поршнем заполнено рабочей жидкостью, кипящей при температуре выше 0^oC и находящейся в равновесии при давлении насыщенных паров, пространство над поршнем заполнено маслом и через металлическую трубку с управляемым клапаном соединяется с газогидроаккумулятором.

Возможно получение того же результата в устройстве, содержащем герметичный прочный корпус с двумя сообщаемыми камерами цилиндрической формы разного диаметра, расположенными соосно одна за другой, в рабочей камере большего диаметра расположен поршень, который с одной стороны соединен со стержнем, выходящим наружу корпуса, а с другой стороны с поршнем меньшего диаметра, входящим в камеру меньшего диаметра, пространство под поршнем со стороны стержня заполнено маслом и через металлическую трубку с управляемым клапаном соединяется с прочным резервуаром, разделенным гибкой перегородкой на две части, трубка соединена с одной из частей резервуара, в другой части находится жидкость, кипящая при температуре выше 0^oC и находящаяся в равновесии при давлении насыщенных паров, цилиндрическая камера меньшего диаметра заполнена маслом и через металлическую трубку соединяется с газогидроаккумулятором.

На фиг. 1 показана принципиальная схема первого устройства перемещения ПА (УППА1); на фиг. 2 - принципиальная схема второго устройства (УППА2).

Устройства УППА1 и УППА2 (фиг. 1 и фиг. 2) содержат прочный корпус 1 с цилиндрической камерой 2 с перемещаемым внутри ее поршнем 3, который соединен со стержнем 4, выходящим через отверстие наружу корпуса, и газогидроаккумулятор 5 с металлической трубкой 6 - с управляемым клапаном 7. Газогидроаккумулятор состоит из прочного резервуара, разделенного на две части непроницаемой эластичной перегородкой. Одна из его частей заполнена инертным газом под давлением, другая заполняется маслом через трубку 6 и управляемый клапан 7.

В устройстве УППА1 трубка 6 с управляемым клапаном 7 присоединяется к цилиндрической камере 2 со стороны, противоположной цилиндрическому стержню, а пространство под поршнем частично заполнено легко испаряемой рабочей жидкостью, кипящей при температуре выше 0^oC и находящейся в равновесии при давлении насыщенных паров. В качестве такой жидкости можно использовать, например, трифтормонохлорметан (фреон-13, CF₃Cl). Давление газа в газогидроаккумуляторе должно превышать давление насыщенных паров рабочей жидкости.

В устройстве УППА2 цилиндрическая камера 2 переходит в цилиндрическую камеру меньшего диаметра 8, в которой перемещается поршень меньшего диаметра 9, взаимодействующий с поршнем 3. Выход из камеры 8 через металлическую трубку 6 и управляемый клапан 7 соединяется с газогидроаккумулятором 5. Камера 8 заполнена маслом, которое через трубку 6 и управляемый клапан 7 может перетекать в газогидроаккумулятор 5. Пространство под поршнем со стороны стержня в цилиндрической камере 2 также заполнено маслом, которое по трубке 10 может поступать в резервуар 11, разделенный на две части непроницаемой эластичной перегородкой. Одна из его частей заполнена легко испаряемой рабочей жидкостью, кипящей при температуре выше 0^oC и находящейся в равновесии при давлении насыщенных паров, другая соединена с трубкой 10 с камерой 2. В качестве рабочей жидкости также можно использовать трифтормонохлорметан (фреон-13).

Устройство УППА1 работает следующим образом. На поверхности океана рабочая жидкость в камере 2 нагревается, кипит, давление в камере повышается. Открывают управляемый клапан 7, после чего поршень 3 перемещается, втягивая стержень 4 вовнутрь ПА. ПА начинает погружаться, клапан закрывается до конца погружения, когда ПА приобретает нейтральную плавучесть. В глубине океана рабочая жидкость и ее пар охладятся, пар конденсируется, давление насыщенных паров уменьшится. При открытии клапана 6 поршень 3 начнет перемещаться, выдвигая стержень 4 наружу ПА. Клапан закрывается и ПА всплывает к поверхности.

Второе устройство работает аналогично первому, с тем отличием, что рабочее тело расположено в отдельном резервуаре 11 и взаимодействует с поршнем 3 через гидравлическую систему, включающую трубку 10 с маслом, что позволяет снизит возможную утечку рабочего тела через уплотнительные прокладки поршня и повысить надежность поршневой системы, работающей с маслом. Поршень взаимодействует с газогидроаккумулятором 5, трубкой 6 и управляемым клапаном 7 через поршень меньшего диаметра 9, перемещающийся в цилиндрической камере малого размера 8, что уменьшает изменение объема газа и его давления в газогидроаккумуляторе 5.

Предложенный способ реализуется через работу указанных устройств.

Приведем расчеты, демонстрирующие преимущество предлагаемого способа перемещения по глубине по сравнению с известными аналогами и прототипами.

УППА 1 Радиус сферического резервуара газогидроаккумулятора 5 (в качестве рабочей жидкости используется трифтормонохлорметан) R₀ = 0,5 м Внутренний радиус цилиндрической камеры 2 - R = 0,2 м Длина цилиндрической камеры 2 - L = 0,8 м Радиус выдвигаемого стержня 4 - r = 0,04 м Максимальная глубина погружения H = 1000 м Давление воды на глубине 1000 м P₀ = 100 атм Температура воды на поверхности моря T₁ = 25^oC Температура воды в глубине T₂ = 10^oC Давление насыщенных паров трифтормонохлорметана при температуре 10^oC P₁ = 25,23 атм.

Давление насыщенных паров трифтормонохлорметана при повышении температуры на 15^oC увеличивается на величину dP = 9,915 атм и становится равным = P₁ + dP = 35,145 атм.

Объем газогидроаккумулятора
V = = 0,5236 m³
Давление газа в аккумуляторе, которое способно выдвинуть стержень на глубине меньшей 1000 м после охлаждения рабочего тела

Уменьшение объема газа в аккумуляторе после нагревания трифтормонохлорметана до температуры океана на поверхности равно

где
= 1 атм - давление воды у поверхности моря.

При этом стержень втягивается на величину
l = = 0,5 м,
а объем ПА уменьшается на величину
ΔV = πr²l = 0,0025 m²,
Таким образом, изменение плавучести ПА при градиенте температуры 15^oC равно 2,5 кг, то есть 167^o на один градус.

Практика показывает, что такого изменения плавучести достаточно для перемещения по глубине. Расчеты показывают, что предлагаемое устройство имеет больший диапазон изменения плавучести по сравнению с прототипами и работает при значительно меньших внутренних давлениях.

УППА 2
Радиус сферического резервуара газогидроаккумулятора 5 (в качестве рабочей жидкости используется трифтормонохлорметан или фреон-13) R₀ = 0,3 м
Внутренний радиус цилиндрической камеры 2 - R = 0,2 м
Радиус цилиндрической камеры меньшего диаметра 8 - R_m = 0,07 м
Радиус выдвигаемого стержня 4 - r = 0,04 м
Максимальная глубина погружения H = 1000 м
Давление воды на глубине 1000 м P₀ = 100 атм
Температура воды на поверхности моря T₁ = 25^oC
Температура воды в глубине T₂ = 10^oC
Давление насыщенных паров трифтормонохлорметана при температуре 10^oC P₁ = 25,23 атм.

Давление насыщенных паров трифтормонохлорметана при повышении температуры на 15^oC увеличивается на величину dP = 9,915 атм и становится равным = P₁ + dP = 35,145 атм.

Объем газогидроаккумулятора
V = = 0,1131 m³
Давление газа в аккумуляторе, которое способно выдвинуть стержень на глубине меньшей 1000 м после охлаждения рабочего тела

Уменьшение объема газа в аккумуляторе после нагревания трифтормонохлорметана до температуры океана на поверхности равно

где
= 1 атм - давление воды у поверхности моря.

При этом стержень втягивается на величину
l = = 0,88 м,
а объем ПА уменьшается на величину
ΔV = πr²l = 0,0044 m³,
Таким образом, изменение плавучести ПА при разности температуры 15^oC равно 4,4 кг.

Расчеты показывают, что рассмотренные устройства в сравнении с прототипами обладают большим диапазоном изменения плавучести и используют меньшие внутренние давления рабочего тела, что существенно повышает их надежность.

Формула изобретения

1. Способ перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус с рабочим телом, заключающийся в том, что для изменения плавучести используют тепловое расширение жидкого рабочего тела в режиме теплообмена с окружающей средой, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют кипящую жидкость, находящуюся в замкнутом объеме при температуре выше 0^oC в равновесии со своими парами при давлении насыщенных паров, подводный аппарат выдерживают в верхней точке траектории до нагрева рабочего тела до температуры окружающей среды и повышения давления насыщенных паров, после чего дают свободный ход поршню на время перемещения соединенного с ним стержня внутрь устройства, а при достижении нижней точки траектории выдерживают его до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды на соответствующей глубине, конденсации паров и уменьшения давления насыщенных паров, после чего освобождают поршень на время выдвижения стержня за пределы прочного корпуса.

2. Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус, содержащее рабочую камеру цилиндрической формы с расположенным внутри поршнем, отличающееся тем, что поршень соединен со стержнем, выходящим наружу корпуса, пространство под поршнем заполнено рабочей жидкостью, кипящей при температуре выше ^oC и находящийся в равновесии со своими парами при давлении насыщенных паров, пространство над поршнем заполнено маслом и через металлическую трубку с управляемым клапаном соединяется с газогидроаккумулятором.

3. Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный корпус, содержащее рабочую камеру цилиндрической формы с расположенным внутри поршнем, отличающееся тем, что корпус содержит вторую цилиндрическую камеру меньшего диаметра, расположенную соосно с первой, поршень с одной стороны соединен со стержнем, выходящим наружу корпуса, а с другой стороны с поршнем малого диаметра, входящим в камеру меньшего диаметра, пространство под поршнем со стороны стержня заполнено маслом и через металлическую трубку соединяется с прочным резервуаром, разделенным гибкой перегородкой на две части, трубка соединена с одной из частей резервуара, в другой части находится жидкость, кипящая при температуре выше 0^oC и находящаяся в равновесии со своими парами при давлении насыщенных паров, цилиндрическая камера меньшего диаметра заполнена маслом и через металлическую трубку с управляемым клапаном соединяется с газогидроаккумулятором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2