Термодинамическая машина

Термодинамическая машина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МАШИНА , преимущественно для работы в условиях планеты Венера, содержащая корпус, связанные с корпусом аэростатические оболочки переменного объема для основного, форсажного и вспомогательного рабочих тел с последовательно убывающими температурами конденсации, баллоны высокого давления форсажного и вспомогательных рабочих тел, сообщенные через управляемые клапаны с соответствующими оболочками, и аэромеханические генераторы мощности, установленные на внешней поверхности корпуса, отличающаяся тем, что, с целью увеличения вьфабатываемой полезной мощности за счет интенсификации восходяще-нисходящих движений машины в атмосфере планеты при заданной максимальной высоте Ci:com Kf,g 13 . ЛЗ «КЛйОТБКд / ее полета, в ней аэростатическая оболочка вспомогательного рабочего тела сообщена с аэростатической оболочкой форсажного рабочего.тела через управляемый сливной клапан,, баллоны высокого давления сообщены друг с другом через управляемый перепускной клапан, а в качестве форсажного рабочего тела использовано вещество с высокой растворимостью его газовой фазы в жидкой фазе вспомогательного рабочего тела. 2.Машина по п.1, отличающая с я тем, что в качестве форсажного и вспомогательного рабочих тел использованы соответственно аммиin ак и вода, а аэростатическая оболочка для основного рабочего тела заполнена газообразным гелием. 3.Машина по п.1, отличающая с я тем, что аэростатическая оболочка вспомогательного рабочего тела размещена над аэростатической vl оболочкой форсажного рабочего тела, а баллон высокого давления форсажноN9 го рабочего тела - над баллоном выО 00 сокого давления вспомогательного рабочего тела при вертикальной ориентации продольной оси корпуса мяшины.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ВСР(.яду я, д

13 .,g

ВВлиохеыя

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3479780/40-23 (22) 05.08.82 (46) 30.09,85. Бюп. У 36 (72) Г.М. Москаленко (7 1) Институт космических исследований АН СССР (53) 629.78(088.3) (54) (57) 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МАШИНА, преимущественно для работы в условиях планеты Венера, содержащая корпус, связанные с корпусом аэростатические оболочки переменного объема для основного, форсажного и вспомогательного рабочих тел с последовательно убывающими температурами конденсации, баллоны высокого давления форсажного и вспомогательных рабочих тел, сообщенные через управляемые клапаны с соответствующими оболочками, и аэромеханические генераторы мощности, установленные на внешней поверхности корпуса, отличающаяся тем, что, с целью увеличения вырабатываемой полезной мощности за счет интенсификации восходяще-нисходящих движений машины в атмосфере планеты при заданной максимальной высоте

ÄÄSUÄÄ 1077203 A (51)4 В 64 G 9/00; F 01 К 27/00 ее полета, в ней аэростатическая оболочка вспомогательного рабочего тела сообщена с аэростатической оболочкой форсажного рабочего. тела через управляемый сливной клапан,. баллоны высокого давления сообщены друг с другом через управляемый перепускной клапан, а в качестве форсажного рабочего тела использовано вещество с высокоЛ растворимостью его газовой фазы в жидкой фазе вспомогательного рабочего тела.

2. Машина по п.1, о ч л и ч а ю щ а я с я тем, что в качестве форсажного и вспомогательного рабочих тел использованы соответственно аммиак и вода, а аэростатическая оболочка для основного рабочего тела заполнена газообразным гелием.

3. Машина по п.1, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что аэростатическая оболочка вспомогательного рабочего тела размещена над аэростатической оболочкой форсажного рабочего тела, а баллон высокого давления форсажного рабочего тела — над баллоном высокого давления вспомогательного рабочего тела при вертикальной ориентации продольной оси корпуса машины.

10772 . Изобретение относится к космонавтике, а более конкретно к энергетическим системам, обеспечивающим функционирование различных устройств для исследования планет с атмосферой, 5

Известна термодинамическая машина, предназначенная для получения полезной механической работы в циклическом йроцессе испарения и конденсации газа. Машина содержит камеру для 10 ,газообразного рабочего тела, пароконденсатную емкость, связанную с камерой через управляемый клапан, а также механический генератор мощности. 15

Недостатком известной термодинамической машины является то, что в условиях земной атмосферы для замыкания ее термодинамического цикла требуется дополнительное охлаждение, на 20 что может быть затрачена энергия, прев яающая полезную механическую работу.

Наиболее близким техническим решекием из известных является термоди- 25 .намическая машина (ТМ), содержащая корпус, связанные с корпусом аэростатические оболочки переменного объема для основного, форсажного и вспомогательного рабочих тел с последова- 30 тельно убывающими температурами конденсации, баллоны высокого давления форсажного и вспомогательного рабочих тел, сообщенные через управляемые клапаны с соответствующими оболочка- З ми, и аэромеханические генераторы мощности, установленные на внешней. поверхности корпуса. Будучи поставлена в термодинамическое взаимодействие с атмосферой планеты Венера, обладающей уникальными теплофизическими свойствами, данная машина совершает в этой атмосфере "челночные", восходяще-нисходящие движения за счет проявления 45 инверсии основного (OPT) и конденсации вспомогательного (ВРТ) рабочих тел. Явление инверсии заключается в непостоянстве потребного количества рабочего тела (газа) для создания 50 уравновешивающей подъемной силы на разных высотах.

Конденсация BPT (воды) в области критических высот (около 39 км) обеспечивает при сливе конденсата в бал- 55 лон высокого давления (БВД), переход

TM от восходящего к нисходящему движению. Движение обращается при выпус03 ке перегретого водяного пара в аэростатическую оболочку (АО) BPT из БВД у поверхности планеты.

В процессе восходяще-нисходящих движений набегающий атмосферный поток задействует аэромеханические генераторы мощности, которая преобразуясь, например в электричество, питает различную аппаратуру или приводы.

Кроме того, челночные движения позволяют проводить исследования атмосферы в широком диапазоне высот.

Форсажное рабочее тело. (ФРТ), будучи подано из БВЛ в соответствующую

AO позволяет интенсифицировать подьем ТМ за счет создания дополнительной подъемной силы и увеличить предельную высоту полета ТМ.

Недостатком известной ТМ является невозможность интенсификации нисходящего движения в заданном диапазоне высот (до критической для ФРТ), так как ФРТ не может сконденсироваться в этом диапазоне и уменьшить тем самым подъемную силу АО. Ввиду этого снижается мощность, вырабатываемая в каждом цикле челночных движений ТМ.

Целью изобретения является увеличение вырабатываемой полезной мощности за счет интенсификации восходященисходящих движений TM в атмосфере планеты при заданной максимальной высоте ее полета.

Указанная цель достигается тем, что в известной ТМ, содержащей корпус, связанные с корпусом АО переменного объема для ОРТ, ФРТ и BPT с последовательно убывающими температурами конденсации, БВД, ФРТ и ВРТ, сообщенные через управляемые клапаны с

АО, и аэромеханические генераторы мощности, установленные на АО, аэростатическая оболочка BPT сообщена с аэро. статической оболочкой ФРТ через управляемый сливной клапан, баллоны высокого давления сообщены друг с другом через управляемый перепускной клапан, a,â качестве ФРТ использовано вещество с высокой растворимостью его газовой фазы в жидкой фазе BPT.

В качестве OPT BPT и ФРТ могут быть использованы соответственно газообразный гелий, вода и аммиак (NH,), Кроме того, в предпочтительном варианте исполнения АО BPT размещена над АО ФРТ, а БВД ФРТ вЂ” над баллоном з 10772

BPT при вертикальной ориентации продольной оси корпуса ТМ.

Суть изобретения состоит в использовании высокой растворимости газообразного ФРТ в жидкости ВРТ для удаления значительной части ФРТ из его АО при сливе ВРТ через эту AO в области критических и закритических высот.

На фиг. 1 представлена компоновочная схема ТМ, включенная в состав 1ð научно-исследовательской мобильной венерианской станции; на фиг. 2— схема образования и сепарации водного раствора аммиака; на фиг. 3— диаграммы распределения масс рабочих тел при подъеме (а) и снижении (б) ТИ.

TM содержит жесткий корпус 1, с которым связана AO OPT 2, выполненная в виде веретенообразного сильфона, заполненного гелием 3. В корпу- 2Р се 1 установлена гофрированная сфера 4, разделенная гофрированной перегородкой (мембраной) 5 на полости

BPT 6 (сверху) и ФРТ 7 (снизу); части сферической оболочки и мембра- 25 на образуют соответствующие AO переменного объема. Внутреннее пространство корпуса 1 сообщено с атмосферой через окна присоединенной массы 8. АО могут быть изготовлены из Зр. тонкого листа (0,08-0,1 мм) жаропрочной стали.

Внутри корпуса 1 размещены также

БВД BPT 9 и БВД ФРТ 10, сообщенные друг с другом и с соответствующими

АО магистралями с управляемыми клапанами (условно не показаны), а также ряд систем, например приборная гондола 11, аккумуляторы, связанные через электропреобразователи с.аэро- 4р механическими генераторами 12, уста новленными на корпусе, система управления ТИ и др. БВД могут изготавливаться из титана и расчитаны на давление м400 ати.

03 4

Аэромеханические генераторы 12 мо; гут представлять собой воздушные винты с роторами, вращающими электрогенераторы.

На фиг. 2 условно показаны гидравлические связи между АО и БВД.

Магистрали 21 и 22 связывают по газовому тракту БВД 9 и 10 с полостями,AO 6 и 7. В магистралях предусмотрены управляемые клапаны 23 и 24 для выпуска BPT и ФРТ в AO. Полость

АО 6 сообщена с полостью AO 7 через сливной управляемый клапан 25 (для повышения эффективности Насыщения воды аммиаком может быть предусмотрено распылительное устройство). Полость АО 7 сообщена с БВД 10 через управляемый клапан 26 (для лучшей организации слива насыщенного водя ного раствора NH в БВД может быть предусмотрен специальный коллектор сбора на входе магистрали клапана

26). Наконец, БВД 9 и 10 сообщены друг с другом через перепускной клапан 27:.

ТМ работает следующим образом.

У поверхности планеты (Венеры) все АО заполнены соответствующими рабочими телами в газовой фазе. OPT вместе с ФРТ обеспечивают образование уравновешивающей аэростатической силы (АС) до заданной (максималь. ной) высоты полета и находятся все время в газообразном состоянии. BPT обеспечивает образование избыточной

АС до критической высоты, после которой оно из газообразного состояния переходит в жидкость, оставаясь в качестве полезного груза для ТИ и связанной с ней научно-HccnepoaaTansской станции.

Процесс восходящего движения происходит в ускоренном режиме при избыточной АС, образуемой ЗРТ (перегретым паром).

Корпус ТИ может быть снабжен опорной штангой с манипулятором 13, гайдропом 14 и подвесом 15. В носо вой части ТИ размещен под радиопрозрачным обтекателем 16 приемопередатчик 17, связанный кабелем 18 с приборами и системой управления.

Для выработки дополнительной полезной мощности в магистралях подачи водяного пара и аммиака из БВД в АО могут быть установлены специальные турбогенераторы 19 и 20.

По достижении максимальной высогы подъема (h=50 км) и полного перехода водяного пара в жидкость (окончание процесса конденсации) вода дросселируется (вспрь скивается) через сливной клапан 27 в АО 7 с аммиаком, что вызывает переход ТИ в режим нисходящего движения вследствие уменьшения объема АО (образования водного раствора аммиака) и уменьшения АС.

Конденсация BPT происходит на эа-1 критической высоте и может быть про-

1077203 должена в режиме ожидания на максимальной высоте дрейфа.

Во время снижения слив конденсата происходит прямым дренажем из АО

ВРТ через АО ФРТ в верхний и нижний

БВД (фиг. 2) при.открытых клапанах

25, 26 и 27, а перекрытие верхнего клапана на 26 БВД 10 осуществляется на высоте не ниже критической

h ih. (hgp =39 км) .

Прн дальнейшем снижении и подогреве (внешней средой) обоих БВД происходит разделение (сепарация) газообразной (аммиак) и жидкой (вода) фаз смеси NH +Н О.

При давлении в обоих БВД, равном р=100 ата (его можно выбрать и другим), температуры кипения составляют Т 588 К для воды и Т=403 К для аммиака, что соответствует высотам в атмосфере Венеры от В=20 до 4=40 км.

Этот интервал высот является практически приемлемым для Сепарации водно-аммиачной смеси.

По окончании сепарации (клапан 27 до этого момента открыт) и перехода аммиака из БВД 9 (где остается вода) в БВД 10 движение до поверхности планеты продолжается при закрытом клапане 27.

Восходящее движение ТМ может быть возобновлено наполнением AO ФРТ аммиаком и AO BPT перегретым паром после окончания парообразования и открытия клапанов 23 и 24 (фиг. 2).

Диаграммы распределения потребных масс гелия h(h)p, аммиака (Ь)1,Н и Воды 71(h)p

Как видно из диаграммы, восходя" щее движение ТМ происходит в присутствии избыточных АС, обуславливаемых не только BPT (область 23, эпюра +Ar(h) k

При этом суммарная избьточная АС равна

+ + Ф

4 Аг(Ь)Е ЬАг(Ъ) ke+hAr(h) Нн +Аг(Ь)Н о

При снижении в силу уравновешенной массы конденсата BPT (Ar(h)H>a=O) недостающей массы ФРТ (область 31, -Ar(h) NH ) и избыточной массы OPT (й Аг (h)H ) суммарная недостающая

АС будет равна Ь Ar(h) Ar(h)МН +ЬАг(h)не з

Величины 4Ar(h)g зависят от заправляемых запасов ФРТ и BPT 9 и 10 и имеют ограничения, в основном, по массам емкостей для них.

В процессе челночных движений ТМ (станции) можно проводить различные научные исследования венерианской среды, в том числе осуществляя геофизические эксперименты на поверхности планеты (при посредстве штанги 13 с манипулятором) и передавая (принимая) информацию на спутник: илн Землю с помощью радиосредств (t7) при подъеме на максимальную высоту. При этом используется энергия, вырабатываемая аэромеханическими генераторами 12.

TM используемая в качестве силовой (тяговой) установки, обеспечивает практически неограниченную длительность полета аэростатического летательного аппарата с аэродинамической механизацией по высотноглубинной пилообразной траектории.

В силу принципиально простого решения вопросов, связанных с энергетической проблемой, а также пробле,мами шума-и загрязнения окружающей среды такой летательный аппарат в земных условиях, если будут найдены необходимые ОРТ, ВРТ и ФРТ, может явиться дешевым, надежным и ком-. фортабельным (отсутствие традиционной винто-моторной группы) воздушным транспортом.

Таким образом, применение данного изобретения позволит интенсифицировать процесс челночных движения ТМ при сохранении максимально достижимых высот полета (определяемых ФРТ), что даст возможность увеличить выход полезной энергии, а значит, в конечном счете, расширить рамки и повысить отдачу комплексных программ исследования планет с атмосферами (по- добных Венере и, возможно, Сатурну, Юпитеру).

1077203

1077203 д 3(a} ./ (4)е

Фиг.э

ВНИИПИ Заказ 6644/4 Тираж 413 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектйая, 4

h,ut

3(В) (Ыж (4)gg