Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, использующее тепловую энергию окружающей среды

 

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно к подводным аппаратам - буям с изменяемой плавучестью. Устройство использует разницу в температуре поверхностных и глубинных слоев воды как источник энергии для изменения плавучести подводного аппарата. Устройство основано на использовании возрастающего с ростом температуры давления насыщенных паров жидкости, кипящей при температуре, равной температуре верхних слоев океана. Кипящая жидкость размещается в герметичном сильфоне, который раздвигается при повышении температуры и давления и сокращается при уменьшении температуры и давления, перемещая при этом два поршня, закрепленных на одной оси. Первый поршень входит в состав насоса, который при раздвижении сильфона на поверхности моря каждый раз выдавливает порцию масла из промежуточного резервуара в газогидроаккумулятор. Второй поршень постоянно находится под давлением и используется для сжатия сильфона при понижении температуры в глубине и возвращения его в исходное состояние. Давление масла в газогидроаккумуляторе превышает давление воды на предельной глубине погружения, и при открытии управляемого клапана масло под действием разностного давления поступает из газогидроаккумулятора в сильфон, расположенный снаружи прочного корпуса подводного аппарата, и увеличивает плавучесть. При открытии второго управляемого клапана масло возвращается из внешнего сильфона в промежуточный резервуар, уменьшая плавучесть. При следующем разогреве на поверхности моря эта порция масла вновь закачивается в газогидроаккумулятор, завершая цикл. Описанная конструкция позволяет повысить надежность и эффективность устройства перемещения по глубине подводного аппарата. 1 ил.

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

Известно устройство перемещения ПА по глубине, включающее в себя рабочее тело, нагреваемое с помощью электронагревателя, использующее преобразование теплового расширения 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, взаимодействующем 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 устройство 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 описано устройство перемещения по глубине подводного аппарата, включающего в себя герметичный прочный корпус с балластной камерой, соединенной посредством управляемого клапана с окружающей средой, и рабочей камерой, заполненной рабочим телом (жидкостью), между которым установлена перегородка, выполненная с цилиндрическим отверстием, в котором размещен поршень, взаимодействующий с герметичной эластичной оболочкой со сжатым газом, установленной в балластной камере между поршнем и корпусом. 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 рабочей жидкости и возможность протечки рабочей жидкости из рабочей камеры в балластную камеру, что существенно снижает их надежность. Возможности маневра по глубине этих устройств весьма ограничены. Например, у них не предусмотрена возможность накопления энергии за несколько циклов спуска - подъема и затем использования ее для стабилизации аппарата на заданной глубине или для регулирования скорости спуска и подъема. Кроме того, эффективность таких устройств, представляющих собой тепловые машины с внешним теплообменом, можно существенно повысить, если использовать теплоемкость фазовых переходов (плавления, испарения), значительно превосходящую теплоемкость тел, находящихся в одной фазе.

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

Технический эффект достигается в устройстве перемещения по глубине ПА, включающем в себя сильфон, газогидроаккумулятор, резервуар и насосную систему, причем сильфон расположен вне прочного корпуса подводного аппарата, а газогидроаккумулятор и резервуар соединены с упомянутым сильфоном через трубки с управляемыми клапанами, при этом насосная система состоит из прочного цилиндрического корпуса с тремя камерами, в первой камере расположен герметичный сильфон, заполненный легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами, основание сильфона прикреплено к внутренней стенке корпуса, противоположная подвижная стенка герметичного сильфона соединена с двумя поршнями, перемещающимися во второй и третьей камерах, вторая камера соединена с газогидроаккумулятором, третья камера через вентиль, пропускающий масло только из камеры, соединена с газогидроаккумулятором и через вентиль, пропускающий масло только в камеру, соединена с резервуаром, первая камера соединена с резервуаром через вентиль, пропускающий масло только из камеры.

На чертеже показана принципиальная схема устройства перемещения по глубине подводного аппарата.

Устройство состоит из газогидроаккумулятора 1, резервуара 2, внешнего сильфона 3, прочного корпуса насосной системы 4, содержащей первую 5, вторую 6 и третью 7 камеры. Давление газа в газогидроаккумуляторе превышает давление воды на предельной глубине погружения. Внутри первой камеры 5 находится внутренний сильфон 8, заполненный легкоиспаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами. Газогидроаккумулятор 1 через трубку 9 и управляемый клапан 10 соединен с внешним сильфоном 3. Внешний сильфон 3 через трубку 11 и управляемый клапан 12 соединен с резервуаром 2. Внутренний сильфон 8 имеет фигурную торцевую крышку, центральная выступающая часть которой является поршнем 13, а краевая часть является поршнем 14. Поршень 13 перемещается во второй камере 6, а поршень 14 в третьей камере 7. Камера 6 соединяется трубкой 15 с газогидроаккумулятором 1. Камера 7 через вентиль 16 соединяется с газогидроаккумулятором 1 и через вентиль 17 и трубку 18 с резервуаром 2. Первая камера 5 соединяется с резервуаром 2 через вентиль 19 и трубку 18.

Устройство работает следующим образом. Если внешний сильфон 3 заполнен маслом, аппарат имеет положительную плавучесть и находится на поверхности моря. В теплых поверхностных водах аппарат нагревается, рабочая жидкость во внутреннем сильфоне 8 кипит, повышает давление и раздвигает сильфон, перемещая поршни 13 и 14 внутрь второй 6 и третьей 7 камер. Поршень 14 выдавливает порцию масла через вентиль 16 в газогидроаккумулятор 1. Если подается команда на погружение и управляемый клапан 12 открывается, масло под атмосферным давлением переливается из внешнего сильфона 3 в резервуар 2 по трубке 11. Объем аппарата уменьшается, плавучесть становится отрицательной и он начинает опускаться в глубину моря, клапан 12 закрывают. В глубине моря аппарат переходит в нейтральную плавучесть и постепенно охлаждается до температуры холодной морской воды. Газ во внутреннем сильфоне 8 конденсируется, давление насыщенных паров падает, сильфон 8 сжимается под действием давления газа газогидроаккумулятора 1, передаваемого на сильфон через трубку 15, камеру 6 и поршень 13. Если теперь открыть клапан 10, то под давлением газа из газогидроаккумулятора, превосходящим давление водной массы, масло через трубку 9 начнет поступать во внешний сильфон. Сильфон раздвигается, объем аппарата увеличивается, плавучесть становится положительной и аппарат поднимается к поверхности моря. При заполнении внешнего сильфона маслом клапан 10 закрывают. Заполнение газогидроаккумулятора маслом не зависит от количества масла, используемого для перекачки во внешний сильфон при всплытии, поэтому можно накапливать масло в газогидроаккумуляторе при больших градиентах температуры на малых глубинах, расходуя его при необходимости погружения на большие глубины. При наличии запаса масла в газогидроаккумуляторе возможно также выполнение более сложных маневров, например стабилизация аппарата на фиксированной глубине, переход в нейтральную плавучесть на разных глубинах, регулирование скорости подъема и всплытия. Регулируя подачу масла из газогидроаккумулятора во внешний сильфон и из внешнего сильфона в резервуар, можно легко перестраивать работу устройства под различный температурный диапазон на поверхности моря и в глубине. При утечке масла через уплотнительные прокладки поршней оно вновь возвращается в гидравлическую систему через вентиль 19.

Продемонстрируем эффективность предлагаемого способа перемещения по глубине конкретным расчетом.

Пример расчета параметров устройства перемещения по глубине ПА.

Список используемых обозначений.

P - давление в газогидроаккумуляторе 1; R - радиус внутреннего сильфона 8; r - радиус отжимного поршня 13; ρ - радиус рабочего поршня 14; V - объем газогидроаккумулятора 1; V₁ - объем камеры 6 с отжимным поршнем 13; V₂ - объем масла, выдавливаемого из камеры 7 в газогидроаккумулятор 1; T - температура в глубине океана; T + dT - температура на поверхности океана; P_f - давление насыщенных паров фреона при глубоководной температуре океана; P_f + dP_f - давление насыщенных паров фреона при температуре поверхности океана. Введем также обозначения для часто используемых отношений Тепловой цикл системы имеет два состояния, при работе система переходит из одного состояния в другое.

Система в холодном состоянии, сильфон 8 сжат. В этом случае справедливо уравнение Система в разогретом состоянии, сильфон 8 растянут. В этом случае выполняется соотношение Расчет оптимальных параметров системы.

Преобразуем последнее выражение к виду и, подставляя выражение P_fπR² из соотношения (1) в (2), получаем
Сумму объемов второй и третьей камер можно представить в виде

где
Теперь соотношение (3) преобразуется к следующему виду

Последнее выражение приводится к виду

Введем новые обозначения:

и рассмотрим функцию

Найдем оптимальное значение отношения объемов

Решая квадратное уравнение и используя (5), получаем

Подставляя оптимальное значение x_opt в формулу (4), получаем

Перейдем теперь к примеру расчета конкретного устройства, использующего в качестве рабочего вещества легко испаряемую жидкость трифтормонохлорметан (фреон 13).

Радиус сферического газогидроаккумулятора 1 R_ф = 0,2 m. Объем такого газогидроаккумулятора равен
Давление в газогидроаккумуляторе 1, рассчитанное на погружение до одного километра, P = 100 атм.

Радиус цилиндрического стального сильфона 8 R = 0,15 m.

Температура моря в глубине равна 283 K (10^oC) и на поверхности 298 K (25^oC).

Определим радиусы поршней ρ и r.
Давление насыщенных паров фреона при температуре 283 K равно 25,23 атм и при температуре 298 K равно 35,14 атм.

При этом


За один цикл работы в газогидроаккумулятор 1 будет перекачиваться масло объемом V₂ = V · 0.0197 = 0,0335 · 0,0197 = 0,00066 m³. Изменение плавучести 660 грамм за один цикл.

Используя формулу (1), получаем

Для расчета радиуса ρ используем оптимальное значение

При этом поршни перемещаются на расстояние

Таким образом, изменение плавучести подводного аппарата при сравнительно небольших размерах при градиенте температуры 15^oC равно 0,66 кг, то есть 44 грамма на один градус, такого изменения плавучести достаточно для перемещения по глубине. Эффект теплового изменения плавучести может быть легко увеличен за счет пропорционального увеличения объема газогидроаккумулятора. Предлагаемое устройство перемещения по глубине ПА работает при низком давлении насыщенных паров легко испаряемой жидкости, эффективно реагирует на градиент температуры окружающей среды, перестраивается к любому диапазону температур на поверхности и в глубине, не предъявляет сильных требований к уплотнительным прокладкам и позволяет выполнять достаточно сложные маневры по глубине, что обеспечивает достижение поставленной цели, то есть делает устройство более надежным и эффективным, чем аналоги и прототипы.

Формула изобретения

Устройство перемещения по глубине подводного аппарата, содержащее сильфон, отличающееся тем, что оно включает в себя газогидроаккумулятор, резервуар и насосную систему, причем сильфон расположен вне прочного корпуса подводного аппарата, а газогидроаккумулятор и резервуар соединены с упомянутым сильфоном через трубки с управляемыми клапанами, при этом насосная система состоит из прочного цилиндрического корпуса с тремя камерами, в первой камере расположен герметичный сильфон, заполненный легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами, основание сильфона прикреплено к внутренней стенке корпуса, противоположная подвижная стенка герметичного сильфона соединена с двумя поршнями, перемещающимися во второй и третьей камерах, вторая камера соединена с газогидроаккумулятором, третья камера через вентиль, пропускающий масло только из камеры, соединена с газогидроаккумулятором и через вентиль, пропускающий масло только в камеру, соединена с резервуаром, первая камера соединена с резервуаром через вентиль, пропускающий масло только из камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1