ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОВОЙ АЭРОСТАТ
ELECTRIC STEAM BALLOON

Изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов, оно может использоваться в качестве рекламного привязного аэростата в закрытых выставочных помещениях и на открытом воздухе, для монтажа и поднятия конструкций на большую высоту, для экологичной трелевки срубленных деревьев, в особенности в горных районах, в парковых аттракционах, в стационарных пунктах наблюдения за движением транспорта.
Известной конструкцией воздухоплавательного аппарата является аэростат, подъемная сила которого обеспечивается теплым воздухом, нагретым с помощью газовой горелки, питающейся от находящегося на борту газового баллона (Полозов Н.П. Сорокин М.А. Воздухоплавание. М., 1940). Положительными свойствами таких тепловых аэростатов являются дешевизна и безопасность подъемного рабочего тела (по сравнению с гелием и водородом), легкость регулирования высотой подъема. Недостатками их являются небольшая длительность полета, ограниченная запасом горючего газа в баллонах, и относительно небольшая разность плотностей холодного и нагретого воздуха, увеличивающая размеры аппарата, стоимость. В качестве привязных аэростатов вследствие больших размеров, аэродинамического сопротивления и опасности складывания в воздухе они могут использоваться только при слабом ветре.
Такое решение, например, реализовано в «Тепловом многокамерном аэростате Соловьева В.А.» (патент RU 2197409 C, МПК В64В 1/40, опубл.2003-01-27, автор Соловьев В.А.).
В известном техническом решении, наиболее близком к рассматриваемому, является «Спортивный тепловой аэростат" по а.с. СССР SU 715388 (опубл. 1980-02-15), по которому для подогрева предварительно заправляемой во внутреннюю оболочку паровоздушной смеси, которая имеет меньший удельный вес, чем горячий воздух, используется во время полета нагреваемый горелкой горячий воздух, направляемый по центральной шахте в пространство между внутренней и наружной оболочкой. Такая система малоэффективна, так как плохой теплообмен через ткань, обладающую низкой теплопроводностью, приводит к быстрому охлаждению и конденсации пара и падению подъемной силы аппарата. К тому же, современные аэроткани не выдерживают высокой температуры, необходимой для эффективной передачи тепла. Следует отметить, что размещение основного объема горячего воздуха в верхней полусфере нерационально, так как при этом происходит наибольшее охлаждение его и требуется дополнительный подогрев для снижения падения подъемной силы. Другим недостатком является большой паразитный вес горелочной системы и баллонов с топливом. Кроме того, при использовании такого аэростата в качестве привязного скорость его относительно окружающего воздуха будет не близка к нулю, а может достигать существенных величин, что может привести к погасанию и неустойчивой работе горелки.
Задача настоящего изобретения состоит в существенном увеличении длительности нахождения в воздухе в качестве привязного аэростата, уменьшении размеров, позволяющих снизить стоимость оболочки и увеличить возможности использования при ветре по сравнению с тепловыми воздушными аэростатами. По сравнению с дорогими гелиевыми привязными аэростатами (водородные очень взрывоопасны!), существенно снизить стоимость наполняющего газа, к тому же утекающего через оболочку вследствие малости молекулы и потери гелия после приземления и складывания.
Это достигается путем использования в качестве наполняющего газа легкого дешевого экологичного водяного пара, создающего заданную подъемную силу в два раза меньшей (по объему) оболочки аэростата, по сравнению с оболочкой, наполненной горячим воздухом. При этом для испарения конденсирующегося внутри оболочки водяного пара используется электрический нагреватель, получающий энергию по кабелю с наземной установки, значительно более легкий, чем форсуночная система с блоком топливных баллонов. Неограниченность (по времени) энергии, передаваемой с земли, постоянный вес и легкость регулирования передатчика энергии (нагревателя) фактически не ограничивают время нахождения аэростата в воздухе, обеспечивают надежность работы и независимость от ветра, позволяют легко управлять подъемной силой.
Принципиально возможна беспроводная передача энергии к нагревателю от наземного энергоисточника через высотный ретранслятор, что позволило бы использовать такие нагреватели и в свободно перемещающихся аэростатах. Однако современное состояние техники не в состоянии это сделать достаточно эффективно.
На чертеже представлено устройство электрического парового аэростата.
Около нижней точки оболочки 1 парового аэростата под уровнем воды 2 установлен залитый водой трубчатый электронагреватель (ТЭН) 3 для нагревания и испарения ее. Огибающая граничная поверхность 4 нижней части его эквидистантна поверхности оболочки 1. Верхняя часть его ограничена прикрепленной к ТЭНу горизонтальной теплопроводящей пластиной 5. ТЭН соединен с наземным источником тока (не показан на чертеже) кабелем 6, образующим единое целое с основной частью троса 7, привязывающего аэростат к земле. Часть 8 оболочки около ТЭНа выполнена из жароупорного материала. К этой части прикреплены штуцер 9 заправки водой и паром с обратным клапаном, уплотнение-опора 10 выхода ТЭНа, штанга 11 с датчиком 12 температуры, концевыми датчиками верхнего 13 и нижнего 14 уровня. Провода от датчиков прикреплены к основной части кабеля 6 и присоединены к наземному регулятору включения и выключения ТЭНа (не показан на чертеже). Оболочка 1 снаружи покрыта слоем теплоизоляции, а изнутри - супергидрофобным (водоотталкивающим) покрытием. Тросовая обвязка 15 аэростата прикреплена к крюку 16 для подвески груза. Выше пластины 5 в оболочку встроен клапан сброса 17 газа и жидкости.
Работа системы происходит следующим образом. Начальное заполнение водой (до уровня несколько выше пластины 5) и паром аэростата производится наземным парогенератором через штуцер 9 с обратным клапаном. При достижении уровня воды выше пластины 5 по сигналу верхнего датчика 13 включается ТЭН 3. После прогрева оболочки 1 и заполнения ее паром наземный парогенератор отключается. Наполненный паром, который более чем в два раза легче воздуха, аэростат готов к подъему. В дальнейшем производится периодическое включение ТЭНа для испарения воды и компенсации сконденсированного (вследствие теплоотдачи через оболочку 1) пара. В летном режиме аэростата нижний концевой датчик 14 отключает ТЭН во избежание его перегрева. Управление подъемной силой производится изменениями периода включения ТЭНа и температуры внутри оболочки, регистрируемой датчиком температуры 12.
Поддержание внутренней температуры, измеряемой датчиками температуры 12, и уровня воды между концевыми датчиками 13 и 14 обеспечивается наземным регулятором, получающим по проводам сигналы от датчиков и соответственно включающим или выключающим питание ТЭНа. Этим обеспечивается необходимое количество пара внутри оболочки и постоянное погружение ТЭНа в воду, обеспечивающее минимальный размер его вследствие хорошей теплоотдачи с водой и предотвращающее его перегрев. Форма его обеспечивает минимальный занимаемый объем внутри оболочки, а следовательно, минимально необходимое количество воды (паразитный вес!). Кроме того, форма его определяет минимальную часть оболочки, которую необходимо сделать из более тяжелого жаростойкого материала. Горизонтальная верхняя пластина 5 из теплопроводного материала выравнивает температуру частей ТЭНа при случайном частичном выходе его из воды. Благодаря внутреннему супергидрофобному покрытию оболочки 1 (см. патент Байбикова А.С. «Тепловой аэростат» RU 2453470 C1, МПК В64В 1/40, 1/62, опубл. 2011-04-07) сконденсированные на ее поверхности капли отрываются и скатываются в нижнюю часть оболочки (к ТЭНу). Без такого покрытия вода бы прилипала к оболочке в виде капель, только утяжеляя аэростат. Супергидрофобное покрытие оболочки также уменьшает теплопередачу. В качестве водоотталкивающего покрытия могут быть использованы силиконовые, фторопластовые и другие высокомолекулярные материалы. Приземление аэростата осуществляется выключением ТЭНа, что вызовет постепенные конденсацию пара и уменьшение подъемной силы, притягиванием за трос 7. Для быстрого опорожнения и складывания оболочки также полезно открыть клапан 17. Управление подъемной силой аэростата может выполняться дистанционно.
3
3
Конкретная реализация изобретения может быть проиллюстрирована на примере малого выставочного аэростата с рекламой с объемом оболочки около 14 м (шар диаметром 3 м). Подъемная сила наполненного паром аэростата в стандартных условиях равна 9 кг. За счет нагревателя, веса воды, покрывающего нагреватель, массы оболочки с обычной тонкой тепловой изоляцией для высококачественных спальных мешков по расчетам с использованием экспериментальных данных работы Т.J.Goodey Steam LTA - Past, Present, and Future, http://www.nyingkettle.com полезная подъемная сила снижается до ~4,5 кг. Для испарения образующегося (вследствие теплоотдачи через оболочку) конденсата пара в соответствии с экспериментами из той же работы необходим ТЭН мощностью 3,3 кВт. Такую мощность имеют стандартные доработанные промышленные ТЭНы. Для сокращения времени подготовки начальное заполнение аэростата паром целесообразно производить от маломощного (~6 кВт) промышленного парогенератора, используемого, например, в химчистках. Если время подготовки не ограничено, то для начальной заправки может использоваться собственный ТЭН, находящийся в предварительно заполненной водой нижней части объема оболочки. За трое суток для поддержания парообразного состояния воды в оболочке с учетом затрат на начальное заполнение потребуется около 250 кВт·ч. При современной стоимости электроэнергии 2,4 руб/кВт·ч эксплуатационные затраты будут равны 600 руб. В то же время современная стоимость (650 руб/нм) нужного для заправки гелия в объеме оболочки составляет 9100 руб. Эта большая разница существенно возрастает при увеличении размера аэростата. Эксплуатационные затраты могут быть существенно снижены за счет уменьшения теплоотдачи при специальной разработке изоляции и нанесения на внутреннюю поверхность оболочки специальных супергидрофобных покрытий. Следует отметить, при повторном использовании общая стоимость заполнения гелием фактически кратно увеличивается, а вследствие старения оболочки гелиевая проницаемость также увеличивается (необходима реставрация ее). Питающий кабель ТЭНа может также использоваться для подачи электроэнергии к световой рекламе, размещенной на аэростате. Тепловой воздушный аэростат с горелкой с такой же подъемной силой имеет диаметр около 4 м, не может использоваться в закрытых выставочных помещениях и снаружи даже при умеренных ветрах.
Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение необходимого объема и веса оболочки за счет использования более легкого, чем теплый воздух, водяного пара (при равной температуре), снижение стоимости аэростата и паразитного веса системы поддержания температуры внутри оболочки, включающей ТЭН минимального объема и висящей (вертикальной) части питающего кабеля, неограниченность времени нахождения в воздухе, расширение диапазона применения (по сравнению с воздушными тепловыми аэростатами) и удобство управления подъемной силой, снижение начальных и эксплуатационных затрат (по сравнению с гелиевыми аэростатами). С ростом размеров предлагаемого устройства преимущества его существенно увеличиваются.