CN1570523A - 海水表层结冰的室内容器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为模拟海水结冰环境的海水表层结冰的室内容器装置，由结冰容器和制冷设备组成。圆筒形结构的结冰容器内盛装海水，底部安装有潜水泵，能使容器内的海水产生垂直和圆周方向的水流，用于模拟自然环境下海洋里海水的流动。制冷设备的蒸发器安装在结冰容器内，能使结冰容器里的海水逐渐降温直至冻结一层模拟海冰。结冰容器内设置温度传感器，测量容器内海水温度和空气温度，以控制海水结冰环境。海水容器底部安置声学测冰仪器，声学换能器向上探测模拟海冰，以获取测冰仪器的试验数据，用于测冰仪器的工作参数的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟自然环境的室内装置，特别是涉及一种模拟海水结冰环境并可控制的室内容器装置。
背景技术
海冰对于气候变化和人类的海上活动，特别是对于海上航行安全、海洋工程建设以及海洋油气开发等有着重要的影响。因此，观测海冰、研究海冰的性质和生消规律、研究海冰对海洋工程结构的作用等，已经成为海洋科学研究的重要内容。
现有海冰观测技术主要采用岸站观测、船舶调查、航空遥测和卫星遥感等技术手段。利用上述方法进行的海冰观测，侧重于对大范围的海冰表面特征(例如形态、分布、运动等)进行观测，不能完成连续地实时观测，尤其是对于与海上活动和海-气热交换关系密切的海冰厚度和海冰漂移速度更难以进行监测。
目前，采用水下声呐技术，由冰下仰视声呐(ULS，UpwardLooking Sonar)测量记录水面浮冰的厚度和运动的海冰观测设备已经出现。但是，这种测冰声呐技术尚处于试验研究和发展中。水下测冰声呐的技术研究和设计需要对实际海冰进行大量实验，获取不同海水结冰环境下的重要数据和设计参数，以便改进和提高声学测冰技术。
开展海冰试验研究，进行水下测冰仪器的试验和测试等都需要到海上现场或利用海水结冰自然环境进行工作。文献报道的海冰研究试验都是在室外自然环境下进行的，例如：
美国声学杂志(J.Acous t.Soc.Am.90(2)，Part 1，August1991)报道的美国华盛顿大学G.R.Garrison等人在波弗特海(Beaufort Sea)的冰盖上进行了极区海冰的声反射试验研究。研究人员在厚度约1.5m的冰盖上打洞，取出不同直径(28-84cm)的柱状冰块样品，并保持冰块底面的生长层为原始状态。水下测冰声呐的声学换能器悬挂于冰底的样品下方，声波辐射面向上。研究冰底的正反射特性时，将声学换能器置于不同地点的冰底下面2.1m深处，使其能够在冰下作水平旋转移动。
又如，美国声学杂志(J.Acoust.Soc.Am.80(5)，Nov.1986)介绍了美国成斯康星大学T.K.Stanton等人对海冰冰水界面处生长层的声波反射和散射性质的研究工作。他们在新罕布舍州寒区研究与工程实验室(CRREL)的一个户外人造水池里进行实验。水池的长、宽、深分别为40英尺(12m)、17英尺(5m)和4英尺(1.2m)，池中海水是用自来水和海盐配制的。实验在冬季进行，池中冻结的模拟海冰厚9-10cm。在冰面的中央打洞，利用垂直和水平支杆把水下测冰声呐的声学换能器置于冰下，距离冰底65cm。声学换能器辐射面向上，可以在冰下旋转移动。
现有在室外海水结冰现场进行的实验，由于控制自然环境条件受到很大限制，难以取得较准确的海冰实验数据。在这种实验条件下进行测冰仪器试验，也难以确定设计仪器的最佳参数。
发明内容
本发明推出一种模拟海水结冰环境的室内容器装置，其目的是在室内控制与模拟自然界海水结冰的环境和条件，实现室内容器装置里的海水表面冻结一定厚度的冰，为进行海冰实验和声学测冰技术研究创造有利条件。
本发明涉及的模拟海水结冰环境的海水表层结冰的室内容器装置包括结冰容器和制冷设备。
结冰容器的主体为圆筒形结构，内盛海水。制冷设备的蒸发器安装在结冰容器内，制冷设备电气控制系统和制冷机组安置在结冰容器外部。制冷设备能使结冰容器里的海水逐渐降温直至冻结一层模拟海冰。
圆筒形结冰容器由三部分构成，下部为盛装海水的海水容器，上部为带有活动门的观察操作段，顶部为安装有制冷设备蒸发器的上盖。
海水容器由不锈钢材料制成，内壁粘贴吸声橡胶板，外部敷设保温层。海水容器里装有一定深度的海水，海水盐度为30。试验仪器安装在海水容器内的底面支架上，完全被海水包围，仪器的电缆引出到海水容器外面。海水容器侧壁上的水面以下部位设有观察窗，窗口安装透明材料，以便从容器外面观察容器内的海水结冰状况。海水容器内侧壁上安装有照明灯。海水容器内壁的中部安装制冷设备的盘管式蒸发器，在内壁的下部设置温度传感器。海水容器的底部安装有潜水泵，开动潜水泵，使容器内的海水产生垂直和圆周方向的水流，用于模拟自然环境下海洋里海水的流动。
观察操作段设置在海水容器的上面，呈环状，直径与海水容器相同。观察操作段的环状容器壁用不锈钢材料制成，外部敷设保温层。在观察操作段的环状容器壁上，相对安装两个有保温结构的活动门，打开活动门可以方便地进行安放试验仪器、观察容器内部或者取冰样等。
结冰容器顶部的上盖具有与海水容器和观察操作段相同的直径，外部敷设保温层。上盖内部装有制冷设备的蒸发器，蒸发器为盘管翅片直冷式结构。蒸发器的上面装有电动风扇，开动电动风扇使冷风吹向水面。在上盖顶部设置可以开启的活盖，以方便作业操作和检查。上盖内还设置监测空气温度的温度传感器。
制冷设备包括制冷循环系统和电气控制系统。制冷循环系统的制冷机组安置在结冰容器外侧，包括压缩机、冷凝器和节流装置。制冷循环系统的蒸发器有2个，分别设置在结冰容器上盖的内部和海水容器的中部，并有管路与制冷机组相连。
电气控制系统用于控制制冷循环系统的运行。电气控制系统的电气控制柜内有若干电气开关和控制器，包括几个具有除霜和温控功能的温度控制器，并有电气线路与制冷机组连接。温度控制器分别连接结冰容器上盖内的温度传感器和海水容器里的温度传感器。海水容器底部的潜水泵也与电气控制柜相接。
本发明的构成结冰容器的三部分需要分别制造，然后组装成为一个整体。结冰容器固定在室内地面上设置的安放结冰容器的底托架上。
进行制冷结冰试验时，将海水注入模拟海水结冰环境的室内容器装置的海水容器里，并将仪器放置在海水里。通过电气控制系统操纵制冷机组先启动海水容器中部的蒸发器，进行海水降温，同时开动潜水泵进行海水混合。当海水温度降低到设计值后，电气控制系统启动结冰容器顶部上盖内的蒸发器和电动风扇，低温冷风吹到水面上使海水继续降温，最终导致水面结冰。控制制冷设备继续工作，直至水面冻结的模拟海冰达到所需厚度。
海水容器底部安置的声学测冰仪器的声学换能器探测上方的模拟海冰，为声学测冰技术研究和设计改进测冰仪器，提供重要的试验数据和资料。
附图说明
图1为海水表层结冰的室内容器装置结构示意图。
图中符号说明如下：
1、结冰容器， 2、制冷设备，
3、电气控制柜， 4、制冷机组，
5、蒸发器， 6、上盖，
7、温度传感器， 8、电动风扇，
9、活盖， 10、观察操作段，
11、活动门， 12、观察窗，
13、海水容器， 14、照明灯，
15、保温层， 16、吸声橡胶板，
17、温度传感器， 18、底托架，
19、试验仪器， 20、潜水泵，
21、排污阀， 22、蒸发器，
23、海水水面。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式予以说明。
如图所示，本发明所涉及的海水表层结冰的室内容器装置由结冰容器(1)和制冷设备(2)构成。圆筒形结构的结冰容器(1)，内盛海水。制冷设备(2)的蒸发器(5，22)安装在结冰容器内。
结冰容器(1)的下部为盛装海水的海水容器(13)，上部为带有活动门(11)的观察操作段(10)，顶部为上盖(6)。
海水容器(13)由不锈钢材料制成，内壁粘贴吸声橡胶板(16)，外部敷设保温层(15)。海水容器(13)侧壁上设有观察窗(12)，海水容器(13)内的侧壁上安装有照明灯(14)。海水容器(13)内的侧壁下部设置温度传感器(17)。海水容器(13)的底部安装有潜水泵(20)。
观察操作段(10)直径与海水容器(13)相同。观察操作段(10)的环状容器壁外部敷设保温层。观察操作段(10)的环状容器壁上相对安装两个有保温结构的活动门(11)。
结冰容器(1)顶部的上盖(6)外部敷设保温层。上盖(6)内部装有制冷设备(2)的蒸发器(5)，蒸发器(5)为盘管翅片直冷式结构。蒸发器(5)的上面装有电动风扇(8)。上盖(6)顶部设有可以开启的活盖(9)，上盖(6)内设置监测空气温度的温度传感器(7)。
电气控制柜(3)内的温度控制器分别连接结冰容器上盖(6)内的温度传感器(7)和海水容器(13)里的温度传感器(17)。海水容器(13)底部的潜水泵(20)与电气控制柜(3)相接。
Claims (10)
1、一种海水表层结冰的室内容器装置，包括结冰容器(1)和制冷设备(2)，结冰容器(1)为内盛海水的圆筒形结构，制冷设备(2)包括制冷循环系统和电气控制系统，制冷循环系统的制冷机组(4)包括压缩机、冷凝器和节流装置，其特征在于结冰容器(1)由下部的海水容器(13)、上部的观察操作段(10)和顶部的上盖(6)构成，下部的海水容器(13)、上部的观察操作段(10)和顶部的上盖(6)具有相同的直径，制冷循环系统的蒸发器(5，22)设置在结冰容器的海水容器(13)中部和上盖(6)内，制冷设备的制冷机组(4)和电气控制系统的电器控制柜(3)安置在结冰容器(1)外侧。
2、根据权利要求1所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于海水容器(13)由不锈钢材料制成，内壁粘贴吸声橡胶板(16)，外部敷设保温层(15)。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于海水容器(13)侧壁的水面以下部位设有一个观察窗(12)，窗口安装透明材料，海水容器内侧壁上安装有照明灯(14)。
4、根据权利要求1或权利要求2所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于海水容器(13)的内壁上设置温度传感器(17)，温度传感器(17)分别与制冷机组(4)和电气控制柜(3)的温度控制器连接；海水容器(13)的底部安装有潜水泵(20)，潜水泵(20)与电气控制柜(3)连接。
5、根据权利要求1所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于观察操作段(10)设置在海水容器(13)的上面，为环状容器壁，用不锈钢材料制成，环状容器壁外部敷设保温层。
6、根据权利要求1或权利要求5所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于在观察操作段(10)的环状容器壁上，相对安装两个有保温结构的活动门(11)。
7、根据权利要求1所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于结冰容器顶部的上盖(6)外部敷设保温层，上盖顶部设有可以开启的活盖(9)。
8、根据权利要求1或权利要求7所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于上盖(6)内部装有电动风扇(8)，电动风扇(8)安装在蒸发器(5)的上面。
9、根据权利要求1或权利要求7所述的海水表层结冰的室内容器装置，其特征在于上盖(6)内还设置监测空气温度的温度传感器(7)，温度传感器(7)分别与制冷机组(4)和电气控制柜(3)的温度控制器连接。
10、一种应用权利要求1所述的海水表层结冰的室内容器装置进行海水制冷结冰的方法，其特征在于，通过电气控制系统操纵制冷机组(4)先启动海水容器(13)中部的蒸发器(22)，进行海水降温，同时开动潜水泵(20)进行海水混合；当海水温度降低到设计值后，电气控制系统启动结冰容器顶部上盖(6)内的蒸发器(5)和电动风扇(8)，将低温冷风吹到水面上使海水继续降温，导致水面结冰，直至水面冻结的模拟海冰达到所需厚度。
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