RU2508227C1

RU2508227C1 - Electric steam balloon

Info

Publication number: RU2508227C1
Application number: RU2013101609/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Байбиков
Original assignee: Александр Сергеевич Байбиков
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-02-27

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: electric steam balloon comprises gas bag coated with outer heat insulation and inner water repellant shell. Bag bottom section accommodates tubular electric heater filled with water confined by surface equidistant to bag surface and horizontal plate. Steam temperature is maintained and heater is protected in response to signals of temperature gages while the level is kept inside said bag by electric heater controller.

EFFECT: decreased weight of heating system.

1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of aeronautics, it can be used as an advertising tethered balloon in indoor exhibition spaces and in the open air, for mounting and raising structures to great heights, for the eco-friendly skidding of felled trees, especially in mountainous areas, in park attractions, in stationary monitoring points for traffic.

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.A well-known design of a balloon apparatus is a balloon, the lifting force of which is provided by warm air heated by a gas burner powered by a gas cylinder on board (Polozov N.P. Sorokin M.A. Ballooning. M., 1940). The positive properties of such hot air balloons are the cheapness and safety of the lifting working fluid (compared with helium and hydrogen), ease of regulation of the height of the lift. Their disadvantages are the short duration of the flight, limited by the supply of combustible gas in the cylinders, and the relatively small difference in the densities of cold and heated air, which increases the size of the apparatus and cost. Due to their large size, aerodynamic drag, and the danger of folding in the air, they can be used as tethered balloons only in light winds.

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.).Such a solution, for example, is implemented in the "Soloviev V.A. Thermal Multi-Chamber Balloon" (patent RU 2197409 C, IPC В64В 1/40, publ. 2003-01-27, author Soloviev V.A.).

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.In the well-known technical solution, the closest to the considered one, is the "Sports thermal balloon" according to the AS of the USSR SU 715388 (publ. 1980-02-15), according to which for heating the steam-air mixture pre-charged into the inner shell, which has a lower specific weight than hot air, hot air heated by the burner is used during the flight, directed through the central shaft into the space between the inner and outer shells. Such a system is ineffective, because poor heat transfer through a fabric having a low temperature conductivity, leads to rapid cooling and condensation of the vapor and a drop in the lifting force of the apparatus.In addition, modern aerofabrics do not withstand the high temperature necessary for efficient heat transfer. it is most cooled and additional heating is required to reduce the drop in lift.Another disadvantage is the large parasitic weight of the burner system and fuel cylinders. In addition, when using such a balloon as a tethered balloon, its speed relative to the surrounding air will not be close to zero, but may reach significant values, which can lead to the extinction and unstable operation of the burner.

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.The objective of the present invention is to significantly increase the duration of being in the air as a tethered balloon, reducing the size, allowing to reduce the cost of the shell and increase the possibility of use in the wind compared to hot air balloons. Compared to expensive helium tethered balloons (hydrogen ones are very explosive!), It is possible to significantly reduce the cost of filling gas, which also flows through the shell due to the smallness of the molecule and the loss of helium after landing and folding.

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.This is achieved by using light, cheap, eco-friendly water vapor as the filling gas, which creates a predetermined lifting force that is half as much (by volume) the balloon shell as compared to a shell filled with hot air. At the same time, an electric heater is used to evaporate the condensed water vapor inside the shell, receiving energy via a cable from a ground installation, which is much lighter than an atomizer system with a block of fuel cylinders. The unlimited (in time) energy transmitted from the ground, the constant weight and ease of regulation of the energy transmitter (heater) do not actually limit the time spent by the balloon in the air, provide reliable operation and independence from the wind, make it easy to control lifting force.

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.It is fundamentally possible to wirelessly transfer energy to the heater from a ground-based energy source through a high-altitude repeater, which would allow the use of such heaters in freely moving balloons. However, the current state of technology is not able to do this quite effectively.

На чертеже представлено устройство электрического парового аэростата.The drawing shows the device of an electric steam balloon.

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.Near the lower point of the shell 1 of the steam balloon below the water level 2, a water-filled tubular electric heater (TEN) 3 is installed to heat and evaporate it. The enveloping boundary surface 4 of the lower part of it is equidistant to the surface of the sheath 1. Its upper part is limited by a horizontal heat-conducting plate attached to the heater; to the ground. Part 8 of the shell near the heater is made of heat-resistant material. Attached to this part are a nozzle 9 for refueling with water and steam with a check valve, a sealing support 10 of the heater output, a rod 11 with a temperature sensor 12, end sensors of the upper 13 and lower 14 levels. The wires from the sensors are attached to the main part of the cable 6 and are connected to the ground controller for turning on and off the heating element (not shown in the drawing). The shell 1 is externally covered with a layer of thermal insulation, and from the inside with a superhydrophobic (water-repellent) coating. The cable strapping 15 of the balloon is attached to the hook 16 for suspension of cargo. Above the plate 5, a gas and liquid discharge valve 17 is integrated into the shell.

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.The system operates as follows. Initial filling with water (up to a level slightly above plate 5) and aerostat steam is done by a ground-based steam generator through a nozzle 9 with a non-return valve. When the water level is reached above the plate 5, according to the signal of the upper sensor 13, the heater 3 is switched on. After heating the shell 1 and filling it with steam, the ground-based steam generator is turned off. Filled with steam, which is more than two times lighter than air, the balloon is ready to rise. Subsequently, the heater is periodically turned on to evaporate water and compensate for the condensed (due to heat transfer through the shell 1) steam. In the flight mode of the balloon, the lower end sensor 14 turns off the heater in order to avoid its overheating. The control of the lifting force is carried out by changing the period of inclusion of the heater and the temperature inside the shell, recorded by the temperature sensor 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.Maintaining the internal temperature, measured by temperature sensors 12, and the water level between the end sensors 13 and 14 is provided by a ground-based controller that receives signals from the sensors through the wires and, respectively, turns the power on or off of the heater. This ensures the required amount of steam inside the shell and the constant immersion of the heater in water, ensuring its minimum size due to good heat transfer with water and preventing its overheating. Its shape provides the minimum occupied volume inside the shell, and therefore the minimum required amount of water (parasitic weight!). In addition, its shape determines the minimum part of the shell, which must be made of a heavier heat-resistant material. The horizontal top plate 5 of heat-conducting material equalizes the temperature of the parts of the heater in case of an accidental partial exit of it from the water. Due to the internal superhydrophobic coating of the shell 1 (see AS Baybikov’s patent “Thermal balloon” RU 2453470 C1, IPC B64B 1/40, 1/62, publ. 2011-04-07), the droplets condensed on its surface come off and slide into the lower part of the shell (to the heating element). Without such a coating, water would adhere to the shell in the form of drops, only making the balloon more weighty. Super-hydrophobic coating of the shell also reduces heat transfer. As a water-repellent coating, silicone, fluoroplastic and other high molecular weight materials can be used. Balloon landing is carried out by turning off the heater, which will cause gradual condensation of the steam and a decrease in lift by pulling on the cable 7. To quickly empty and fold the shell, it is also useful to open valve 17. The lift control of the balloon can be performed remotely.

Конкретная реализация изобретения может быть проиллюстрирована на примере малого выставочного аэростата с рекламой с объемом оболочки около 14 м³ (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/нм³) 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.A specific implementation of the invention can be illustrated by the example of a small exhibition balloon with an advertisement with a shell volume of about 14 m ³ (a balloon with a diameter of 3 m). The lifting force of a steam-filled balloon in standard conditions is 9 kg. Due to the heater, the weight of the water covering the heater, the mass of the shell with conventional thin thermal insulation for high-quality sleeping bags, calculated using experimental data from T.J. Godey Steam LTA - Past, Present, and Future, http: //www.nyingkettle .com net lift is reduced to ~ 4.5 kg. In order to evaporate the steam condensate formed (due to heat transfer through the shell) in accordance with experiments from the same work, a heater with a power of 3.3 kW is required. This power has standard modified industrial heating elements. To reduce the preparation time, the initial filling of the balloon with steam is advisable to produce from a low-power (~ 6 kW) industrial steam generator used, for example, in dry cleaners. If the preparation time is not limited, then for the initial refueling, one can use its own heater, located in the lower part of the shell volume pre-filled with water. For three days, to maintain the vaporous state of water in the shell, taking into account the costs of the initial filling, about 250 kWh will be required. With the current cost of electricity of 2.4 rubles / kWh, operating costs will be 600 rubles. At the same time, the current cost (650 rubles / nm ³ ) of helium needed in the shell volume is 9100 rubles. This large difference increases significantly with increasing balloon size. Operating costs can be significantly reduced by reducing heat transfer during special development of insulation and applying special superhydrophobic coatings to the inner surface of the shell. It should be noted that with repeated use, the total cost of filling with helium actually increases several times, and due to aging of the shell, helium permeability also increases (its restoration is necessary). The TEN power cable can also be used to supply electricity to light advertisements placed on a balloon. A hot air balloon with a burner with the same lifting force has a diameter of about 4 m, and cannot be used in closed exhibition rooms and outside, even with moderate winds.

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.The technical result of the proposed device is to reduce the required volume and weight of the shell by using lighter than warm air, water vapor (at equal temperatures), reducing the cost of the balloon and parasitic weight of the system for maintaining the temperature inside the shell, including a heater with a minimum volume and hanging (vertical) parts of the power cable, unlimited time spent in the air, expanding the range of use (compared to hot air balloons) and the convenience of controlling the lift high power, lower initial and operating costs (compared with helium balloons). With the growth of the size of the proposed device, its benefits increase significantly.

Claims

Electric steam balloon, including a shell with insulation and a super-hydrophobic coating for filling with water vapor and a lower part made of heat-resistant material, a check valve for refueling, a relief valve, a harness with a hook for suspending the payload, a tethered cable with an electric cable and measuring lines, characterized in that a tubular electric heater is attached to the lower inner part of the shell, placed in water, bounded by the surface at the bottom of the equidistant shell, and the horizontal attached above a plate connected to a ground current source, as well as a rod with a temperature sensor and end level sensors connected to a ground controller.