DE2226136C3 - Verfahren und Anlage zur modellmäßigen Untersuchung des Verhaltens eines Meereslahrzeugs oder -bauwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur modellmäßigen Untersuchung des Verhaltens eines Meeresfahrzeugs oder -bauwerks, bei dem ein maßstäblich verkleinertes Modell des zu untersuchenden Fahrzeugs oder Bauwerks in ein wassergefülltes Becken eingesetzt und im Becken bewegt wird, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit einerWandanordnung, die ein oberseitig offenes Becken zur Aufnahme von Wasser bildet, und mit einer Schleppvorrichtung, mit deren Hilfe Modelle von Meeresbauwerken oder -fahrzeugen im Becken bewegbar sind.

Ein solches Verfahren und eine solche Anlage sind aus der US-PS 23 78 412 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden die Untersuchungen in eisfreiem Wasser von I Imgebungstemperatur durchgeführt.

Beim Entwurf von Bauwerken und Fahrzeugen, die in eisbedeckten Meeren betrieben werden müssen, ist es jedoch wünschenswert, ihr Verhalten im Eis modellmäßig möglichst genau zu untersuchen, um die Belastungen vorherzubestimmen, denen das in vollem Maßstab gebaute Gerät standhalten muß. Wenn im Modell derartige Belastungen durch Oberflächeneisschichten auf Wasser durchgeführt werden sollen, so muß für die Modellmäßige Verkleinerung eine Reihe von Bedingungen eingehalten werden, die sich aus dimensionslosen Differenzialgleichungen ergeben, welche sich auf das Verhalten des Fahrzeuges in voller Größe beziehen.

In der Praxis werden die Modelle von Schiffen im Maßstab von 1 : 20 bis 1 :100 entworfen. Im allgemeinen gilt, daß der Versuch um so billiger ist, je kleiner das Modell ist. Um maßstäbliche Eisdecken in der Praxis modellmäßig untersuchen zu können, müssen in einem Laboratorium Eisdecken hergestellt werden können, deren Festigkeit, Elastizitätsmodul und Dicke V20 bis '/κ» der entsprechenden Werte einer Eisdecke natürlicher Größe betragen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung besteht die Aufgabe der Erfindung somit darin, ein Verfahren zu schaffen, welches auf möglichst rationelle Weise eine naturgetreue Nachahmung des Verhaltens in eisbedeckter See gestattet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Untersuchung des Verhaltens in eisbedeckter See eine Salzwasserlösung in das in einem thermisch isolierten Versuchsraum untergebrachte Becken eingefüllt wird, die durch an sich bekannte Kontaktkühlung mittels eines niedrigsiedenden, verflüssigten Kühlgases abgekühlt wird, und daß zur Bildung einer Modelleisschicht auf der Salzwasserlösung das Kühlgas von innerhalb des Versuchsraumes zur Lösungsoberfläche gesprüht wird.
Anlagentechnisch wird die Aufgabe einer naturgetreuen Nachahmung des Verhaltens in eisbedeckter See bei einer Anlage der eingangs bezeichneten Gattung auf rationelle Weise dadurch gelöst, daß eine Wandanordnung vorgesehen ist, die einen geschlossenen, thermisch isolierten, als Versuchsraum dienenden Umgebungsraum für das Becken bildet, daß das Becken mit einer Salzlösung gefüllt ist, aus der heraus eine Oberflächeneisschicht gebildet werden soll, und daß eine über dem Becken angeordnete und über Leitungen mit einem Vorrat von verflüssigtem, niedrigsiedendem Kühlgas

2s verbundene Versprüheinrichtung mit Verteiler und Sprühdüsen vorgesehen ist, wobei die Sprühdüsen so ausgerichtet sind, daß sie einen Sprühstrahl des verflüssigten Kühlgases gegen das Becken richten.

Dadurch wird erreicht, daß innerhalb von wenigen Stunden eine in der Dicke im Modellmaßstab verringerte Eisschicht auf der Oberfläche der Salzwasserlösung erzeugt werden kann, die — je nach den nachzuahmenden Bedingungen in der Natur — einen von der Bildungsgeschwindigkeit des Eises abhängigen Salzgehalt aufweist und die gegenüber langsam gewachsenen Eisschichten erheblich feinkörniger ist. Auch ist Bildung einzelner Eiskristalle in waagerechter Rich»ung verhindert und kann bei einem durch die natürlichen Bedingungen vorgegebenen Salzgehalt der Salzdecke der Salzgehalt der Salzwasserlösung infolge des

beschleunigten Salzwassereinschlusses in der schnell wachsenden Eisschicht niedrig gehalten werden, so daß die Korrosionsgefahr vermindert ist.

Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Eisdecken im Laboratorium angewendet werden, deren Festigkeit, Elastizitätsmodul und Dicke zwischen V20 und Vn» der entsprechenden Werte einer Eisdecke natürlicher Größe liegen. Gegenüber der nächstliegenden Möglichkeit zur Erzeugung einer Eisschicht, nämlich einem allmählichen Wärmeentzug mittels Kühlschlangen od. dgl. am Beckenboden, ergeben sich ganz erhebliche Vorteile. Während bei einem solchen allmählichen Wärmeentzug der Salzwasserlösung eine Zeitspanne von 16 bis 24 Stunden erforderlich ist, um eine gleichmäßige Eisschicht von etwa 25 mir Dicke herzustellen, braucht demgegenüber das erfin dungsgemäße Verfahren erheblich weniger Zeit, bei spielsweise nur etwa 4 Stunden. Außerdem sind keim bewegten Mechanikteile zur Kühlung, wie etwi mechanische Kühlgeräte od. dgl., erforderlich. De Kühlteil einer erfindungsgemäßen Anlage erforder keine Wartung und nur sehr niedrige lnvestitionskoster Wegen der äußerst hohen Eisbildungsgeschwindigkei und des entsprechend hohen Koeffizienten k de

_&5 Lösungsstoffverteilung von 1,0, wobei k das Verhältni des Salzgehaltes des auf der Lösungsoberfläch gebildeten Feststoffes zum Salzgehalt der Lösun angibt, braucht nur eine geringe Salzmenge in der ir

Becken befindlichen Lösung vorhanden zu sein, um Eis vergleichsweise hohen Salzgehaltes zu bilden. Die Eigenschaften des Eises können dann durch Regelung der Raumtemperatur nach dem Einfrieren in den gewünschten Bereich, also auf V₂₀ bis 'Λοο der natürlichen Größe gebracht werden. Dadurch, daß im Becken nur ein niedriger Salzgehalt erforderlich ist, ist nicht nur die Salzlösung weniger korrosiv; darüberhinaus sinkt bei Salzgehalten von unter 24%o das wärmere Wasser zum Beckenboden hin ab, so daß nach Beendigung des Versuchs die in den unter der Oberfläche gelegenen Schichten gespeicherte Wärme mit herangezogen werden kann, um die Eisschicht ziemlich schnell abzuschmelzen. Nicht zuletzt ist die kryogene Kühlung billig. Aus den geltenden Preisen für Flüssigstickstoff kann errechnet werden, daß beispielsweise eine etwa 25 mm dicke Eisschicht in einer Fläche von 18 χ 2,4 m Größe mit einem Kostenaufwand von nur etwa DM 200,-- hergestellt werden kann. Flüssigstickstoff als Kühlmittel wirkt außerdem als Entfeuch- tungsmittel, wodurch die Korrosionsgefahr in dem das Becken enthaltenden abgeschlossenen Raum weiter vermindert wird.

Schließlich wird durch die Kontaktkühlung mittels des Sprühsystemes die Bildung von sehr feinkörnigen Eiskristallen gewährleistet. Dies wird einmal durch die außerordentlich hohe Eisbildungsgeschwindigkeit und zum anderen durch das Vorhandensein eines Nebels aus mikroskopischen Teilen kondensierten Wasserdampfes und flüssigen Stickstoffes bewirkt, der auf die Wasseroberfläche herabfällt und Keime für sehr feine Kristalle bildet. Außerordentlich feinkörniges Eis ist aber auch für Modellversuche wichtig, da die Kristallgröße im Modellmaßstab der natürlichen Eiskristailgröße entsprechen sollte. Die durch die Keime des Nebels erzeugten feinen Kristalle wachsen schnell in vertikaler Richtung und schließen Salzlösung entlang ihrer Kristallgrenzen ein, wie dies auch beim Eiswachstum in arktischen Gewässern zu beobachten ist.

Aus dem Buch »Kälteanwendung« von Eduard Emblik, Karlsruhe, 1971, Seiten 245 und 246 ist es bekannt eine Flüssigkeit in direktem Kontakt mit einem Kältemittel zu kühlen, wofür insbesondere niedrig siedende, verflüssigte Kühlgase in Betracht kommen. Dabei kann das verdampfende Kältemittel zusammen mit der zu kühlenden Flüssigkeit beispielweise in einer Füllkörpersäule herabrieseln. Das Kältemittel kann auch nach Drosselung von unten in die zu kühlende Flüssigkeit eingeleitet werden oder unter dem Niveau der abzukühlenden Flüssigkeit eingespritzt werden, wobei es im Inneren der Flüssigkeit hochsteigt und Wanne entzieht. Die gekühlte Flüssigkeit soll dabei regelmäßig in flüssiger Form wieder abgezogen werden. Bei diesem bekannten Kontaktkühl-Verfahren handelt es sich um die Temperaturabsenkung einer Flüssigkeit innerhalb der flüssigen Phase durch möglichst intensiven Wärmeübergang im Inneren der Flüssigkeit auf ein Kühlgas.

Aus der FR-PS 1444 733 schließlich ist es bekannt auf Pisten dadurch Schnee zn erzeugen, daß ein unter &, Druck ausgesprühtes Wasser-Luftgemisch zusammen mit einem zugeführten flüssigen Kühlgas versprüht wird, welches dem Wasser-Luftgemisch Warme entzieht und so Schnee entstehen läßt

Nachfolgend sind bevorzugte Ausfühnmgsformen der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert & zeigt

Fig. 1 eine schaubfldliche Darstellung eines Eismo

dell-Versuchsbeckens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit abgenommener Decke,

F i g. 2 eine schematische schaubildliche Darstellung der Sprüheinrichtung für das Kühlgas beim Versuchsbecken gemäß F i g. 1,

F i g. 2A in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch den Ausschnitt A in F i g. 2,

Fig.2B in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch den Ausschnitt B in Fig. 2,

F i g 3 eine schematische schaubildliche Darstellung der Temperaturmeßvorrichtung und der Beckenwasser-Umwälzanlage für das Versuchsbecken,

F i g. 4 ein Diagramm der Gefriertemperatur und der Temperatur maximaler Dichte einer Salzlösung in Abhängigkeit vom Salzgehalt

F i g. 5 ein Diagramm der Eisfestigkeit in Abhängigkeit vom Salzgehalt und

F i g. 6 ein Mehrfachdiagramm des Lösungsstoff-Verteilungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Eisbildungsgeschwindigkeit sowie der Eisbildungsgeschwindigkeit und des Flüssigstickstoff-Durchsatzes in Abhängigkeit von der Raumtemperatur.

In F i g. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Eismodell-Beckens dargestellt, wobei der Stickstoff-Vorratsbehälter, das Regelventil und die Temperaturmeßanlage nicht dargestellt sind. Das Becken besteht aus einer Art Bassin, dessen Seiten und Boden mit einer wirksamen, feuchtigkeitsbeständigen Isoliermasse, wie Polyurethanschaummasse, isoliert sind. Dies muß sein, damit ein Wärmeabfluß aus dem Becken nur über die Wasseroberfläche erfolgen darf. Dieser einseitig gerichtete Wärmestrom ahmt am besten die natürlichen Bedingungen nach. Das Becken ist von einem Raum mit isolierten Wänden umgeben, wobei wiederum eine gut feuchtigkeitsbeständige Isolierung aus beispielsweise Polyurethan erforderlich ist Alle Zugänge zum Becken, die während der Versuche häufig benützt werden, sind mit Doppeltüren bzw. Schleusen versehen. An der Decke der Kältekammer ist ein die Beckenoberfläche überspannendes Netz von Rohrleitungen (Fig.2) aufgehängt die einen Nebel aus flüssigem und gasförmigem Stickstoff in den Raum zwischen Kammerdecke und Beckenoberfläche zu verteilen vermögen. Der unmittelbar über dem Becken befindliche Teil der Decke besteht aus einer mit mattschwarzer Farbe überzogenen Stahlplatte, so daß sie nahezu einem Schwarzkörper entspricht und die Wärmeabstrahlung vom Becken zu dieser Fläche hin begünstigt die infolge ihrer Nachbarschaft mit der Flüssigstickstoff-Verteileranlage auf nahe -196° C gehalten wird Da$ Stickstoffgas kann die Kältekammer über Leitungen verlassen, die unter ihren Bodenplatten verlaufen. Bei einem Notfai: können in diesen Leitungen vorgesehene, motorgetriebene Gebläse die Kältekammer innerhalb einer Minute nach Schließen des Stiekstoff-Speisevefttils von Stickstoff befreien.

Das im Modell-Becken enthaltene Wasser kann mit Hilfe einer zusätzlichen Umwälzpumpe umgewälzt werden. Nach Beendigung eines Versuchs kann die Eisdecke dadurch beseitigt werden, daß sie von Hand

man das Umwälzsystem wärmeres Wasser aus den unteren Beckenschichteo hochfördern läßt

F i g. 2 zeigt die Stickstoff- Vertefleraniage und F i g. 3 die Temperaturüberwachungsanlage. Bei der spezieBen dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Vertefleranlage in vier Abschnitte unterteilt, von denen jeder aus vier Sprühverteilern g besteht die zur

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Modellbecken-Längsachse parallel ausgerichtet sind. Jeder Verteiler g wird paarig von einem T-Stück A, dieses von einem T-Stück /und letzteres wiederum von einer der vier Einlaßleitungen j gespeist. Jede der vier Einlaßleitungen zu den vier Beckenabschnitten weist ein Kugelventil c/auf. Diese Kugelhähne ermöglichen einen Abgleich zwischen den vier Beckenabschnitten. Zu Beginn des Einfriervorgangs werden sie solange reguliert, bis über die Becken-Längsachse hinweg gleichmäßige Temperatur erreicht ist. In die beiden Haupt-Speiseleitungen e, welche die vier Speiseleitungen für die Sprühverteiler-Abschnitte beschicken, sind Kugelventile c eingebaut. Sie sind voll offen, wenn auf gesamter Beckenoberfläche eine Eisschicht gebildet werden soll. Bei Benutzung nur des halben Beckens andererseits kann das eine oder das andere Kugelventil c geschlossen werden. Falls beckenlängs zwei verschiedene Eisdicken gewünscht werden, kann eines von ihnen entsprechend gedrosselt und vorübergehend eine Trennplatte zwischen die beiden Beckenhälften eingefügt werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind in jedem der sechzehn Sprühverteiler g je sechs Sprühdüsen e vom Typ 1100 M V« der Firma Spray Engineering Company von 0,94 mm Lochweite angeordnet. Diese Düsen sind zweistückig gebaut und lassen die Flüssigkeit vor dem Ausstoß aus der öffnung rotieren, so daß aus jeder Düse ein hohlkegelförmiger, feinzerstäubter Sprühstrahl austritt. F i g. 2A veranschaulicht eine mit dem Verteiler verbundene Düse e. Am Ende jedes Sprühverteilers ist eine Düse mit der Oberseite des Verteilers verbunden (vgl. die Detaildarstellung von Fig.2B). Die Wahl der öffnungsweite und Anzahl dieser Gasdüsen beruht auf einer sorgfältigen Berechnung der Gasmenge, die in den Leitungen infolge der Wärmeabsorption dieser kalten Rohrleitungen durch Strahlung und freie Konvektionsübertragung von der Beckenoberfläche erzeugt wird. Gemäß F i g. 2A sind die Flüssigkeitsdüsen längs der Unterseiten der Verteiler angeordnet. Ihre Anzahl und Lochweite hängen von der gewünschten Flüssigstickstoff-Durchsatzmenge, dem Stickstoff-Speisedruck und der Verdampfungsgeschwindigkeit in den Rohrleitungen ab. Bei der speziellen, dargestellten Ausführungsform hält eine am Stickstoff-Vorratsbehälter (Fig.2) angeordnete Druckaufbauschlange den Speisedruck zwischen 1,76 bis 8,8 kg/cm². Die Düsen arbeiten aber noch bei Drücken bis herab zu 0,70 kg/cm². Durch Anwendung des vollen, am Vorrat zur Verfügung stehenden Drucks von 7,0 kg/cm² kann die Flüssigstickstoff-Durchsatzmenge gegenüber der bei 0,7 kg/cm² erreichbaren verdreifacht werden. Die Durchsatzmengen-Regelung erfolgt durch Regelung des Speisedrucks zu den Verteilern mit Hilfe eines fernbedienten Druckregelventils b. Die Verteilung und Ausrichtung der Düsen wird durch das Erfordernis für eine gleichmäßige Bedeckung der Becken-Oberfläche mit zerstäubtem Flüssigstickstoffgas bestimmt Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Düsen längs der Becken-Längsachse ausgerichtet Die Düsen-Sprühachse eines bestimmten Verteilers verläuft m der einen Richtung, während alle Düsen am benachbarten Verteiler in die engegengesetzte Richtung zielen.

Die eigentliche Aufgabe des Kühlsystems besteht darin, auf der Beckenoberfläche eine Eisschicht zu bilden, die beckenlängs gleichmäßig dick ist Dabei sind Vorkehrungen zur Einstellung der Verteilung zwischen den vier Verteilern getroffen. Eine genaue Anzeige der Temperaturverteilung längs der Eis-Luft-Grenzfläche im Becken wird durch Thermoelemente 2,3,4,5,7,8,10, 11, 12, 14, 15 und 16 (Fig.3) geliefert und durch ein Aufzeichnungsgerät ο (Fig.3) auf einen Zeitstreifen aufgezeichnet. Außerdem wird auch die Wassertemperatur unmittelbar unter der Oberfläche mittels Sonden 3, 5, 9 und 13 (Fig.3) gemessen und aufgezeichnet. Durch Beobachtung der Temperaturverteilung und passende Einstellung der Kugelventile d (F i g. 2) kann

to die Bedienungsperson die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Verteilung gewährleisten.

Die mittlere Temperatur im Modell-Becken kann durch Einstellen des Haupt-Druckventils b (Fig.2) aufrechterhalten werden, welches durch ein Schnell schlußventil a (Fig.2) unterstützt wird, um im Notfall die Stickstoffzufuhr zur Kältekammer schnell absperren zu können.Gemäß Fig. 1 ist ein Kühlluft-Einlaßsystem mit einem Entfeuchtungswärmetauscher für den Flüssigstickstoff vorgesehen. Dieses System wird benutzt, nachdem die Eisschicht nach dem Direktkontaktverfahren gebildet worden ist. Dabei wird die Zufuhr zu den Sprühverteilern unterbrochen und Flüssigstickstoff zu diesem Entfeuchtungswärmetauscher geleitet. Das in der Kältekammer enthaltene Stickstoffgas wird über die unter dem Kammerboden verlaufenden Leitungen soweit abgezogen, daß Menschen die Kältekammer betreten können, und durch über den Entfeuchtungs-Vorkühler eintretende kalte Frischluft ersetzt, welche mittels Sauerstoffanalysator auf Atembarkeit gepYüft wird. Die Entlüftungssysteme werden dann mit niedriger Durchsatzmenge betrieben und die Kältekammer wird auf der gewünschten Temperatur gehalten, indem auch die Flüssigstickstoff-Zulieferung zu den Sprühverteilern heruntergesetzt wird. Auf diese Weise können Temperaturen von —34,4° C aufrechterhalten werden, ohne kritische O2-Werte zu schaffen.

Die Wahl der Eisbildungsgeschwindigkeit hängt vom gewünschten Wert der Eisfestigkeit ab. Die Länge der Zeitspanne, während welcher der Gefriervorgang fortgesetzt wird, wird in Abhängigkeit von der gewünschten Eisdicke gewählt. F i g. 5 zeigt die Beziehung zwischen Eisfestigkeit an Hand am Ort durchgeführter Kragbalkenversuche und dem Salzgehalt des Eises. Entsprechend dem Abgriff einer gewünschten Eisfestigkeit von dieser Kurve wird ein bestimmter Salzgehalt des Eises gewählt Indem man diesen Salzgehalt durch den — ebenfalls variierbaren — Salzgehalt des Beckenwassers dividiert erhält man einen Wert für den Lösungsstoff-Verteilungskoeffizien ten (S-Eis/S-Lösung), unter dessen Zugrundelegung man durch Abgriff auf der unteren Kurve gemäß F i g. 6 (S-Eis/S-Lösung: Bildgeschwindigkeit) einen zweckmäßigen Wert der Eisbildungsgeschwindigkeit ermittelt Aus ihm schließlich ergibt sich unter Benutzung des oberen Teils von Fig.6 (Lufttemperatur: Eisbildungsgeschwindigkeit) der richtige Wert der Lufttemperatur für den Eisbildungsvorgang. An Hand dieses Teils von F i g. 6 kann auch die Verbrauchsmenge an Flüssigstickstoff abgeschätzt werdea

to Die Eisschichtbfldung beginnt damit, daß das System unter vollen Druck gesetzt wird, um die Lufttemperatur in der Druckkammer schnell zu senken. Die Temperatur wird auf dem Aufzeichnungsgerät (Fig.3) fiberwacht und das Stickstoffregelventil b (Fig.2) entsprechend eingestellt sobald beckenlängs der gewünschte LuFjtemperaturwert erreicht ist, bedarf es — wenn überhaupt — zur Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden Temperatur nur noch einer geringen Nachrege-

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lung. Der Einfriervorgang kennzeichnet sich für Eisdicken von weniger als 50,8 mm durch einen vergleichsweise gleichmäßigen Wärmefluß über die Zeit hinweg, so daß keine automatische Regelung erforderlich ist.

Wenn das Verfahren in seiner bevorzugten Ausführungsform durchgeführt wird, um auf der Oberfläche einer Salzlösung eine Eisschicht mit regelbaren Struktureigenschaften (Elastizitätsmodul und Biegefestigkeit) zu bilden, müssen im allgemeinen gewisse Vorwahlen unter verschiedenen Veränderlichen getroffen werden, nämlich a) Wahl des Wasser-Salzgehalts, b) Wahl des gewünschten Eis-Salzgehalts, c) auf der Grundlage der Wahl des Eis-Salzgehalts, d) Wahl der gewünschten Eisbildungsgeschwindigkeit, e) Wahl der gewünschten Raumtemperatur und f) Wahl der gewünschten Flüssigstickstoff-Durchsatzmenge zur Erzielung der gewünschten Raumtemperatur (vgl. F i g. 4 bis 6). Im übrigen umfaßt das bevorzugte Verfahren noch die Festlegung der gewünschten Durchsatzmenge des unter Druck stehenden, niedrig siedenden, verflüssigten Gases mit einem Siedepunkt von unter -8O⁰C bei Atmosphärendruck und bei einer Temperatur entsprechend einem Dampfdruck von über 0,7 kg/cm², den geregelten Austrag dieses Gases in flüssiger und gasförmiger Phase in eine isolierte Kältekammer aus einem Druckbehälter, das Aussprühen der Druckflüssigkeit über Zerstäubungsdüsen und des Druckgases aus den anderen dieser Düsen bei Überatmosphärendruck in die das Salzwasser-Becken enthaltende Kältekammer, die Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur durch Regelung des Zustroms an verflüssigtem Gas zur Kältekammer, nach Erreichen einer Eisschicht der gewünschten Dicke das Durchblasen der Kältekammer mit gekühlter, entfeuchteter Frischluft, bis sie gefahrlos von entsprechend gegen Kälte geschützten Menschen betreten werden kann, und die Aufrechterhaltung der gewünschten Temperaturwerte in der Kältekammer durch verminderte Zufuhr von niedrig siedendem, verflüssigtem Gas zur Sprühanlage und durch Zuleitung von gekühlter und entfeuchteter Luft zur Kältekammer in solcher Durchsatzmenge, daß eine für den Menschen gefahrlose Atmosphäre gewährleistet wird.

Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin ein Verfahren, um auf der Oberfläche einer Salzlösung schnell eine Eisschicht zu bilden, deren Theologische Eigenschaften ihre Verwendung in Verbindung mit entsprechend maßstäblich verkleinerten Modellen von Konstruktionen, wie Küstengewässer-Ölbohrplattformen, Schiffen und anderen Fahrzeugen gestattet, um zuverläßig das Verhalten solcher Fahrzeuge oder

ίο Konstruktionen in natürlicher Größe während der Wechselwirkungen zwischen ihnen und einer natürlichen Eisdecke vorauszubestimmen.

Eine inerte kryogene Flüssigkeit wird über feinzerstäubende Düsen oberhalb eines salzwassergefüllten Beckens versprüht, dessen Oberflächenschichten auf der Gefriertemperatur des Salzwassers gehalten werden. Die Verdampfung des flüssigen Kühlmittels ist von einer Wärmeabsorption aus der Becken-Oberfläche begleitet Dieser Vorgang erfolgt so heftig, daß eine vergleichsweise homogene Turbulenzströmung des expandierenden kalten Gases über die Becken-Oberfläche hervorgerufen und somit die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung von der Wasseroberfläche gegenüber derjenigen beträchtlich erhöht wird, die bei Wärmeübertragung durch freie Konvektion auftreten würde. Die Bildung der Eisschicht erfolgt außerordentlich schnell, z.B. mit einer Geschwindigkeit von 3 χ 10-⁴cm/sec. Infolgedessen wird die Bildung einzelner Eiskristalle in waagerechter Richtung verhindert und der Salzeinschluß beschleunigt. Die so gebildete Eisschicht besteht aus äußerst kleinen Kristallen. Die strukturellen Eigenschaften der Eisschicht (Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit) hängen von der Umgebungstemperatur und dem Salzgehalt der Eisschicht ab (Fig. 1). Durch Steuerung der Eisbildungsgeschwindigkeit, des Salzgehalts des Beckens und der nach dem Gefrieren aufrechterhaltenen Temperatur können die Struktureigenschaften der Eisschicht nach Belieben variiert werden. Diese Schicht feinkristallinen Eises mit variablen Eigenschaften stellt ein ausgezeichnetes Modell für Eisdecken natürlicher Größe dar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur modellmäßigen Untersuchung des Verhaltens eines Meeresfahrzeugs oder -bauwerks, bei dem ein maßstäblich verkleinertes Modell des zu untersuchenden Fahrzeugs oder Bauwerks in ein wassergefülltes Becken eingesetzt und im Becken bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Untersuchung des Verhaltens in eisbedeckter See eine Salzwasserlösung in das in einem thermisch isolierten Versuchsraum untergebrachte Becken eingefüllt wird, die durch an sich bekannte Kontaktkühlung mittels eines niedrigsiedenden, verflüssigten Kühlgases abgekühlt wird, und daß zur Bildung einer Modelleisschicht auf der Salzwasserlösung das Kühlgas \on innerhalb des Versuchsraumes zur Lösungsoberfläche gesprüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlgas Flüssigstickstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühgeschwindigkeit des Kühlgases und die Lösungskonzentration so gewählt werden, daß eine Eisschicht gebildet wird, deren !Festigkeit, Elastizitätsmodul und Dicke etwa V20 bis V100 der entsprechenden Werte einer Eisdecke !natürlicher Größe entspricht, und daß das Modell des Bauwerks oder Fahrzeugs derart maßstäblich verkleinert wird, daß es einem entsprechenden Bruchteil seiner natürlichen Größe entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas an mehreren Stellen in solcher Menge versprüht wird, daß die Eisschicht in praktisch gleichmäßiger Dicke mit einer Geschwindigkeit von 1 χ 10-⁵ bis 4 χ 10-^Jcm Dicke pro Sekunde auf dem Becken aus der darin enthaltenen Salzwasserlösung gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigstickstoff vor dem Versprühen unter einem Überdruck von 0,7 bis 7,0 kg/cm², bevorzugt an der Obergrenze dieses (Bereichs, gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzgehalt der Salzwasserlösung bei der Einleitung des Sprühvorganges zwischen einer Spurenmenge und 35 Teilen je 1000 Teile (35 %o) gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn- !zeichnet, daß das Verhältnis zwischen Eis-Salzgehalt und Lösungs Salzgehalt zwischen 0,30 und 0,95 gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ver-Sprühen und dem Bewegen des Modells der thermisch isolierte Versuchsraum solange mit gekühlter, entfeuchteter Frischluft durchgeblasen Wird, bis seine Atmosphäre gefahrlos von entsprechend gegen Kälte geschützten Menschen geatmet werden kann.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre des Versuchsraumes während der Bewegung des Modells durch indirekten Wärmeaustausch mit dem umgewälzten flüssigen Kühlgas unter Kälteeinwirkunggehalten wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß das Becken zunächst in mehrere körperlich voneinander getrennte Abschnitte unterteilt und anschließend das flüssige Kühlgas von mehreren über jedem Beckenabschnitt befindlichen Stellen her bei zumindest zwei benachbarten Abschnitten zur Erzeugung einer unterschiedlich starken Eisbildung in den Abschnitten in unterschiedlichen Mengen je Flächen- und Zeiteinheit versprüht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmenge des expandierenden Kühlgases über der Lösungsoberfläche so groß gewählt wird, daß über der Lösungsoberfläche Turbulenz erzeugt und dadurch die Geschwindigkeit des Wärmeüberganges von der Lösungsoberfläche auf das Kühlgas gegenüber den Verhältnissen bei freier Konvektion gesteigert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühbedingungen so eingestellt werden, daß Teilchen des flüssigen Kühlgases vor ihrem Übertritt in die gasförmige Phase bis auf die Lösungsoberfläche gelangen, wo sie als Kernbildungspunkte für sehr feine Eiskristalle wirken.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Versuchsraum über dem Becken durch eine dem Becken zugewandte schwarze Fläche begrenzt wird, die auf etwa -196° C gehalten wird.

14. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer Wandanordnung, die ein oberseitig offenes Becken zur Aufnahme von Wasser bildet und mit einer Schleppvorrichtung, mit deren Hilfe Modelle von Meeresbauwerken oder -fahrzeugen im Becken bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wandanordnung vorgesehen ist, die einen geschlossenen, thermisch isolierten, als Versuchsraum dienenden Umgebungsraum für das Becken bildet, daß das Becken mit einer Salzlösung gefüllt ist, aus der heraus eine Oberflächeneisschicht gebildet werden soll, und daß eine über dem Becken angeordnete und über Leitungen mit einem Vorrat von verflüssigtem, niedrigsiedendem Kühlgas verbundene Versprüheinrichtung mit Verteiler und Sprühdüsen vorgesehen ist, wobei die Sprühdüsen so ausgerichtet sind, daß sie einen Sprühstrahl des verflüssigten Kühlgases gegen das Becken richten.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Versprüheinrichtung für ein Versprühen von flüssigem Stickstoff ausgelegt ist und mit einem Vorrat an Flüssigstickstoff unter einem Druck von 0,7 bis 7,0 kg/cm² in Verbindung stehen.

16. Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Versuchsraum bildende Wandanordnung eine abwärtsweisende Fläche aufweist, die sich über das Becken erstreckt und von diesem abgestrahlte Wärme aufzunehmen vermag.

17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fläche mittels indirekter Kühlung auf etwa - 196° C gehalten ist.

18. Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Versprüheinrichtung wenigstens zwei getrennte Verteiler mit je mindestens einer Sprühdüse aufweist und daß zwischen jedem Verteiler und den Leitungen Ventile vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Durchsatzmen-

ge des aus den Sprühdosen der einzelnen Verteiler austretenden flüssigen Kühlgases einstellbar ist.

19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Trennwände vorgesehen sind, welche das Becken in mehrere getrennte Abschnitte unterteilen und den mittels der Ventile getrennt regelbaren Verteilern der Versprüheinrichtung zugeordnet sind, so daß gleichzeitig auf den getrennten Beckenabschnitten Eisschichten unterschiedlicher Eigenschaften mit unterschiedlicher Geschwindigkeit erzeugbar sind.

20. Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Leitungen zum Absaugen des ausgesprühten Kühlgases aus dem Versuchsraum, Einrichtungen zum Kühlen von außerhalb des Versuchsraumes befindlicher Luft und zum Durchblasen des Versuchsraumes Einrichtungen zum Einlassen der so gekühlten Luft in den Versuchsraum vorgesehen sind.

21. Anlage nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Verteiler der Versprüheinrichtung mindestens eine Sprühdüse zugeordnet ist, die mit einem in Strömungsrichtung hinteren Abschnitt des zugeordneten Verteiler in Verbindung steht und bereits vor dem Versprühen verdampftes Kühlgas in den Versuchsraum abläßt.