DE2260299A1 - Verfahren zur herstellung einer eisschicht kontrollierten elastizitaetsmoduls und kontrollierter biegefestigkeit - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer eisschicht kontrollierten elastizitaetsmoduls und kontrollierter biegefestigkeitInfo
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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-
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Description
Patentanwalts
i Gerhard HENKEL
757 Badon-Baden-Balg
r-*T)L-lHg· rl. W. KEhJN
Dr. Lotii
eÖ,E1iuariSotaud-Str.a 2260299
Arctec, Incorporated
Columbia, Md.,V.St.A. K Dezember I972
Verfahren zur Herstellung einer
Eisschicht kontrollierten Elastizitätsmoduls und kontrollierter Biegefestigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Eisschicht kontrollierten Elastizitätsmoduls und kontrollier« uer Biegefestigkeit auf der Oberfläche einer Salzwasserlösung
ausgewählten Salzgehalts in einem Becken, das sich in einem thermisch isolierten Umgebungsraum befindet.
Während der Entwurfsphase von Konstruktionen und Fahrzeugen,
die in eisbedeckten Gewässern betrieben werden müssen, ist es wünschenswert, ihr Verhalten bei Beeinflussung durch die Eisdecke
modellmäßig zu untersuchen, um die Belastungen vorherzubestimmen, denen das in vollem Maßstab gebaute Gerät standhalten
muß. Dies macht es erforderlich, daß die Eigenschaften des Fahrzeug-Eisdecken-Fluidumsystems einem Satz von Regeln
angepaßt sind, die sich aus der Bildung des Satzes dimensions· loser Differentialgleichungen ergeben, welche sich auf das
Verhalten des volle Größe besitzenden Fahrzeugs beziehen, und gewährleistet wird, daß die Koeffizienten der entsprechenden
Ausdrücke der dimensionslosen Differentialgleichungen einerseits für das Modell und andererseits die volle Maßgröße
gleich sind.
Die sich entwickelnden Erfordernisse sind folgende:
Die sich entwickelnden Erfordernisse sind folgende:
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• 1V α) <fo - ν* · *y (2)
E B - va · Ep (5)
• pip (*)
- 1^ · L^n (5)
- fn (6)
• Mn (7)
Im - 1/λ · Ip (8)
V2
In den AusdrUokcn (1) bla (9) bedeuten die tlofcestellton
Indizes m und ρ die Eigenschaften dcq Ifodell- ιιτχΐ do3 Prototyp-
bzw. rna3otäblichen Syotems, ή dlo Elcdickc, ό die Eisfecti^kolt,
E den ElaotlzitKteraodul dea Eisen, Pi die Maoscndlohte clou Eines,
L ein beliebiges Llnearmass, M die Schlffsciasao, I das MassentrUchoitomoment
dca Schiffs (inobeoondere um die Mlttschifft»-
achse), f den Ilßibungßkoeffizienton des Eico3, V die aeachv<lndißkeit
dea Fahrzeugs und Λ daß Verhältnis von Linearobmeoüunß
des ciasstäblichen Fahrzeugs zu der des Modella· In der Praxis
werden die Modelle von Schiffen lra Ilasstab 1:20 bis 1:100 entworfen.
Ini allceuieinen gilt* dass der Versuch um so billiger
1st, Jcfdölner das Modoll ist· Un oasstHblicho Eisdecken in der
Praxis raodcllmässlß untersuchen zu können, müssen in οίηεπι
Laboratorium Eisdecken hergestellt werden künnon, deren Festigkeit*
Flostizlttttsmodul und Dicka 1/20 bis 1/100 der entsprechen-
den Werte einer Eisdecke natürlicher Grosse betrafen·
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Das erfinduncsccmüsse Verfahren kann zur Herstellung von, Eisdecken
im Laboratorium angewandt werden, deren Festigkeit,
Elastizitätsmodul und Dicke zwischen 1/20 und 1/100 der entsprechenden Werte einer Eicdooke natürlicher drösse liegen. Obgleich
bereits verschiedene Verfahren zur norotollun^ von Eisdecken
bekannt sind, besitzt das erfindungsgemäene Verfahren
gegenüber den bekannten Systemen verschiedene Vorteile. Zum ersten
arbeitet das erfindungsgemllssc System schnell* WShrend bei
allen derzeit bekannten Verfahren eine Zeitspanne von 16 bi3 24
Stunden erforderlich ist, um eine gleichmässice Eisschicht von
25,4 nun Dicko herzustellen, braucht demgegenüber das erfindungsgemässe
Verfahren in seiner bevorzugten Ausführungsfonn hierfür
nur vier (4) Stunden· Zum zweiten verwendet dieses System keine beweglichen Teile, wie mechanische Kühlger&te oder ParaffInkessel«
Der Kühlteil dieses Systems erfordert keine Wartung
und nur sehr niedrige Investitionskosten» Zum dritten braucht
wenden der Husserst hohen Sisbildungsgesahvfindiskoit und de3 entsprechend
hohen Lösungsstoff-Verteilun^skoeffizicnten (k= 1*0),
oelzgehalt des auf .der \ Lösung fläche gebildeten Fest^
Galzßehalt der Lösung
nur sehr wenig QaIä in der im Behälter befindlichen Losung vorhanden
zu sein, um Eis hohen Salzgehalts zu bilden· Dessen Eigenschaften
können dann durch Regelung dor Hauraternporatur nach aera
Einfrieren in den Gewünschten Bereich, d,h. auf 1/20 bis ,1/lüO
dor natUrlichön Orösse, Gebracht werden. Aus der Tatsache, dass
im Decken nur ein niedriger Salz£eb.alt erfordorlich ist* erceben
sich folgende Vorteiles (a) Die Flüssigkeit ist wenißer
korrosiv; (b) bei ßalzcahalten von untor 24°/oo sinkt das wärraere
V/asser cum Behälterboden hin ab, sotiass nach Beendigung
des Versuchs die in den unter der Oberfläche gelegenen Schichten
gespeicherte WUrme mit herangezogen werden kann, um die Eissohioht
ziemlich schnell abzuschmelzen· Zum vierton ist die Anwendung
kryogoner Kühlung billig. Ende I970 konnte in der
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von Washington, D.C. und Baltimore, Mi., USA, Flüssigstickstoff
zu einem Preis von 16,3 Cents je 2,85 m beschafft werden; dies
bedeutet, daß eine einzige, 25,4· mm dicke Eisdecke von etwa
18 χ 2,4 m Größe mit einem Kostenaufwand von nur $ 67,30
hergestellt werden kann. Dieses Kühlmittel wirkt außerdem als Entfeuchtungsmittel, wodurch die Korrosionsgefahr in dem
den Behälter enthaltenden Raum weiter vermindert wird. Zum fünften wird durch das erfindungsgemäße Direktkontakt«Drucksprühsystem
die Bildung von sehr feinkörnigen Eiskristallen gewährleistet. Die Bildung dieser Eiskristalle wird einmal
durch die außerordentlich hohe Eisbildungsgeschwindigkeit und zum anderen durch das Vorhandensein eines Nebels aus mikroskopischen
Teilen kondensierten Wasserdampfs und flüssigen Stickstoffs bewirkt, die auf die Wasseroberfläche herabfallen
und als Kernbildungspunkte für sehr feine Kristalle wirken.
Außerordentlich feinkörniges Eis ist aber für Modellversuche wichtig, da die Kristallgröße im Modell gleich dem 1/X fachen
der natürlichen Eiskristallgröße entsprechen sollte.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Eismodell-Versuchsbeckens
mit den Merkmalen der Erfindung mit abgenommener Decke,
Fig. 2 eine schematische schaubildliche Darstellung einer Stickstoffverteileranlage für das Versuchsbecken
gemäß Fig. 1,
Flg. 2A einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt
durch den Ausschnitt P in Fig. 2, ,
Fig. 2B einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt durch den Ausschnitt B in Fig. 2,
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Pig· jJ eine schcmaticche echaubildlicho Darstellung dor
Teinperaturraesavorrichtung und dor Beckonviöcser-Urawälzanlage
für das Versuehsbeckcn,
Pig« 4 ein Diagramm der Gefriertempöratur und der Xeiapera«
tür maximaler Dichte einor Salzlösung in Abhängigkeit
vom Salzgehalt*
Piß· 5 ein Diagramm der Eisfestigkeit in Abhängigkeit voxi
Salzgehalt und
Fig. 6 ein Ilehrfachdiagranin des
koeffizientcn in Abhängigkeit von der E
sohwindiskoit 3owie der Eisbildun^ßgesclwinäinlcoit und
doa Fltissigatickotoff-Durchsatzea in Abhängigkeit von
der Raumtörapcratur.
In Fig· 1 ist eine bevorzugte Ausführungsfonn eines Eicnodcll«.
Bedkena dargestellt, vjobei der Stickstoff -Vorratsbehälter, das
Regelventil und die Temperaturmessanläge nicht dargestellt sind.
Das Becken besteht aus einer Art Bassin, dessen Seiten und Boden
mit einer wirksamen, feuchtigkeitsbeetandigen Isollermaose, v;ie
Polyurethan3chauiaraassö, Isoliert sind· Dies Kinns sein, damit
ein Wärraeabfluss au3 dem Becken nur Über die Wasseroberfläche
erfolgen darf. Dieser einseitig gerichtete UUrraostroni ahrat am
boaten die natürlichen Bedingungen nach· Daa 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 wahrend
der Versuche hSufig benutzt werden, sind ralt Doppeltüren bzw.
Sohlousen versehen» An der Decke der KHltekanmer int oin die
Bockenoberfl&jho überspannendes Netz von Rohrleitungen (Pig. 2)
•MfßohUngt, dio einem Nob öl mia flüssigem und cs»sri5rni;;rtra Sticketoff
in dm\ Raum zwiaohrn Kamraordecke und Böökonoberfliioha ^u
Ubor
18/00 2 0
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Teil der Decke besteht aus einer mit nattachworzer Farbe Überzogenen
Stahlplatte, so da33 sie nahezu einora Schuarzkürper entspricht
und die l.uriuoabstrahlung vom Becken zu dieser FlHcho
hin begünstigt, die infolge ihrer Nachbarschaft mit dor FlUssigeticluitoff-Vertoilcranlago
auf naho -1960O gehalten wird. Dau
Stickatoffgas kann die Kältekammer Über Leitungen verlassen,
die unter iliren Bodenplatten verlaufen· Dei einem Notfall können
in diesen Leitungen vorgesehene, motorgetrieben Gebläse die
Kältekammer innerhalb einer Minute nach Schließ3en des ötiokotoff-üpoioeventil3
von Stickatoff befreien.
Daa im itodcll-BOGken enthaltene Wasser kann mit Hilfe einer zusätzlichen
Umwälzpumpe uagdälzt werden. Nach Beendigung elnca
Versuchs kann die Eisdecke dadurch beseitigt werden, daca sio
von Hand aufgebrochen und dann dadurch geschmolzen wird, dass man das Umwälzsystem wärmeres Wasser aus den unteren Dec kernschicht
en hochfordern lässt·
Fig. 2 zeigt die atlokatoff-Verteileranlasc und Fiß· 3 die
TemperaturUberwachuncaanlage* Boi dor speziellen dargesteilten
Ausfülirunc3forra der Erfindung i3t dio Yertoileranla^e in vier
Abschnitte unterteilt, von denen Jeder aus vier i3prvihvortellorn
g besteht, die zur Modellbecken-LSncsacliso parallel authorlohtet
sind» Jeder Verteiler ß wird paarig von einem T-StUck h,
dlesos von einem T-3tück i und letzteres wiederum von einor der
vier Einlas3loituncen J gespeist. Jode der vier Einlassleitun^on
tu den vier Bcckonabschnitten weist ein Kugelventil d nuf· Diese
Kugelhfihne eroiBgliohcn einen Abgleich zwischen den vier Deckenabschnitten.
Zu Beginn des Einfriervorgangs worden sie solnn^a
reguliert, bis über die Beckon-Lüngsachse hinweg gleichn;ls3ioö
Tv. iprratur erreicht ist. In dio beiden Haupt-opeiscleltufig-ii i%-
\Ü$$[ie vier Speieeleitun^er/die Sprühverteiler-Abschiiittc becohioken,
sind Kugelventile α einrjabaut. Sie 3ind voll offen,
wenn auf gesamter I'nokenoborfliicho eine Eisschicht gobiliSet werden soll. Boi Dcnutzung nur des halben Dockens andererseits ;c;inn
ί Ο 1J 8 Wj / U 9 2 0 BAD ORIGINAL
das eine oder dna andere Kugelventil e geschlossen werden«
Falls beckenlSnc3 zwei verschiedene Eisdickon gewünscht worden,
kann eines von ihnen entsprechend gedrosselt und vorübergehend eine Trennplatte zwischen die beiden BeokanhHlfton einsefügt
Herden·
Bei der dargestellten Ausführungform nind in jedem der seehzolin
Sprühverteiler g Je sechs 3prühdUsen © vom Typ 11OOM 1/4 der
Firma Spray Engineering Corapany von O,°A nun 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, folnzerstöubter Sprühstrahl
austritt· Fig· 2A veranschaulicht eine mit deia Verteiler verbundene
Düpe ©, Ära Ende jedes Sprühvertoilers ist eine Düse mit;
dor Oberseite des Verteilers verbunden (vergl« die Dctaildarßtellung
von Pig· 2D) · Die V/ahl der üffnungsvjeite und Anzahl
diener OasdUsen beruht auf einer sorgfältigen Berechnung der
Oasmenget die in den Leitungen infolge der Uärraeabsorption dieser kalten Rohrleitungen durch Strahlung und freie Konvektions-Ubertragung
von der Beckenoborflache erzeugt wird* Gcjaüss Fig·
2Λ sind die FlUssigkeitsdüsen lüngs der. Unterseiten der Verteiler
«ngeordnet. Ihre Anzahl und Lochweite hangen von der gewünschten
FlÜasigstiokstoff-Durchsatzraenge, dem St iciest off-Speisedruck
und der Verdampfungsgeschwindigkeit in den Rohrleitungen ab« Bei
der speziellen, dargestellten Ausführungsforin hält eine am
Stiekatoff-Vorratsbehälter (Pig. 2) angeordnete Druckaufbau-Bohlange
den Speieedruok zwischen 1^76 - 8»8 kg/cm . Die Düsen
arbeiten aber noch bei Drucken bis herab zu 0*?0 kg/cra « Durch
Anwendung des vollen, «ua Vorrat zur Verfügung stehenden Drucks
von 7,0 kg/era2 kann die Flüssigstickstoff-Durchsatsmenge gegenüber
der bei 0,7 kg/cra2 erreichbaren verdreifacht werden. Die
DurehsatiBiengen-Regelung erfoljjt durch Regelung des Speisedrucks
tu den Verteilern mit Hilfe eines Γerobedienton Druckregolvcntils
to· Die Verteilung und Ausrichtung der Düsen wird durch das
Erfordernis für eine gltichn&ssige Bedeckung der Bockon-Ober-
• 8 -
309818/0920 ■ ' BADOR,G,NAL
fluche mit zerstäubtem FlUssigstickstoffgas bestimmt· 3ei eier
dargestellten AusführuneGform sind die Düsen Vinca der Bocken-LJIni;3aohoe ausgerichtet· Die DÜ3en-3prühaohee eines beatiiiiuten
Verteuere verläuft in der einon Richtung, während alle DUacn am benachbarten Verteiler in die entgegengesetzte Richtung vielen·
Die eigentliche Aufgabe des KUhlaystema besteht darin, auf der
Beckeneberfläche eine Eiaschlcht zu bilden« die beckenläng;»
gleichnüssig dick ist. Dabei sind Vorkehrungen zur Einstellung
der Verteilung zwischen den vier Verteilern getroffen· Eine genaue Anzeige der Teraperaturverteilung lungs der Eia-Luft-Grenzfluche im Boaken wird durch Thermoelemente 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10*
11, 12, 14, 15 und 16 (Piß· 3) geliefert und durch ein Aufzoichnunc3Gcrlit ο (Fig· 3) auf einen Zeitstreif on aufgezeichnet· Aueeerdera wird auch die Ua33erteraperatur unmittelbar unter dor
(Verflache mittels Sonden 3, 5, 9 und 13 (Fiß· 3) semcnccn und
aufgezeichnet. Durch Beobachtung der Tcmpcraturvertellung und
passende Einstellung der Kugelventile d (Fig· 2) kann die Bedienungsperson die Aufreohterhaltung einer glelohmasslgen Verteilung gewährleisten. ;
Die mittlere Temperatur im Modell-Becken kann durch Einstellen
des Haupt-Druckregelventils b (Fig· 2) aufrechterhalten werden,
woIoheο durch ein Schnellschlussventil a (Fig· 2) unterstützt
wird, um im Notfall die Stickstoffzufuhr zur Kältekammer colmoll
absperren zu können, GemUss Fig. 1 ist ein Kühlluft-Einlaf^r.yetora mit einem Entfeuchtuncswlirmetauachor fUr den Flussi^sticketoff vorgesehen. Dieses System wird benutzt, nachdem die 2isechicht nach dem Dirolctkontaktverfahren gebildet worden ist.
Dabei wird die Zufuhr zu den SprUhverteilern unterbrochen und Flüssigstickotoff zu diesem Entfeuchtungcwärraetauscher Geleitet·
Das in der Kältekammer enthaltene Stickstoffgas wird tlbor die
unter dem Kammerboden verlaufenden Leitungen soweit absezo^on,
daae Menschen die RlUttekamner betreten können, und durch Ubor
. 9 .BAD ORIGINAL
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den Entfeuohtungs-VorkUhler eintretende kalte Frischluft ersetzt«
welche mittels Sauerstoff analysator auf Ateinbarkoit goprUft
wird« Die Entlüftungasyateme werden dann rait niedriger
Durohsatzmenge betrieben und die Kältekammer wird auf der gexUnochton
Temperatur gehalten, indem auoh dio Flüssigstiokotoff-Zulieferung
zu den SprUhverteilern heruntergesetzt wird. Auf
diese Weise können Temperaturen von -^4j4° G aufrechterhalten
werden, ohne kritische O^-Werte zu schaffen·
Die YJahl der Eisbildungsgeschwindigkeit hängt vom gewünschten
Wert der Eisfe3tigkeit ab· Die LHnge der Zeitspanne t während
welcher der Gefriervorgang fortgesetzt viird, wird in Abhängigkeit
von der gewünschten Eisdicke gewählt· Pig· S zeigt die Beziehung zwischen Ei3festigkeit anhand am Ort durchgeführter Krag«
balkenvörsuche und dom 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 variiorbaren- Salzgehalt des
Beckenwassers dividiert, erhalt man'einen Wert für den Lüsungsstoff-Verteilungakooffizienten
(s-Eis/3-Lösung), unter dessen
Zugrundelegung man durch Abgriff auf der unteren Kurve gemUss
Fig. 6 (ü-Ei3/3-IxJ3ung : Bildungsgeschwiiidigkeit) einen zweckmiiBoigen
Wert der Eisbildungsgeschwindigkeit ermittelt« Aus Ihm
achliesslloh ergibt sloh unter Benutzung des oberen Teile von
Fig. 6 (Lufttemperatur t Eisbildungsgeschwindigkeit) der richtige Wert der !Lufttemperatur für den Eisbildungsvofganga Anband
dieses Teils von Flg. 6 kann auoh die Verbrauohsmenge an FlUssig«
etiokstoff abgeschätzt werden«
Die Eisschichtbildung beginnt damit, dass das System unter
vollen Druck gesetzt wird, um die Lufttemperatur in der Druckkammer
s ohne 11 eu senken« Die Temperatur wird auf dem Auf zeich*
nungagertit (Fig. 3) Überwacht und das Stiokstoffregelvehtil b
(Flg. 2) entsprechend eingestellt· Sobald bootcenlSnga dor ge-
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3098 18/092 0
• BAD ORIGINAL
wünschte Iuftterapcraturwart erreicht let, bedarf es -wenn überhauptzur
AufrcchtcrhAltune; einer Gleichbleibenden Temperatur
nur noch einer geringen Nachrecelung, Der Einfriervorgang kennzeichnet
sich fUr Eindicken von weniger als 50,0 ran duroh einen
vergleichsweise glcichraä33igen WSrmeflusn über die ZoIt hinweg,
eodass keine automatische Regelung erforderlich 1st»
Wenn das Verfahren in seiner bevorzugten AusfÜhrungsforai durchgeführt
wird, um auf der Oberfläche einer Salzlösung eine Eis·
ochicht mit regelbaren atruktureigenschaften (Elastizitätsmodul
und Biegefestigkeit) zu bilden, nüssen im allgemeinen gewinne
Vorwahlen unter verschiedenen Veränderlichen getroffen werden,
nUmlich a) V/ahl des Viasser-Galzßohalts, b) Wahl des gewünschten
Eis-Galzcehaltsjc) auf der Grundlage der Wahl des Eis-Salzgehalts,
Wahl der gewünschten Eisbildungsgoschwindickeit, e) Wahl
der gewünschten Raumtemperatur und f) V/ahl dor gewünschten
Flüssigstickstoff-Durchsatzraenge zur Erzielung der gewünschten
Raumtemperatur (Vergl· Fig. 4 bis 6)· Im übrigen umfasst das
bevorzugte Verfahren noch die Festlegung der gewünschten Durchoatzmenge
des unter Druok stehenden, niedrig siedenden, verflüssigten Oases rait einen Siedepunkt vpn unter -00°C bei
Atmosphärendruok und bei einer Temperatur entsprechend oiner.i
Dampfdruck von Über 0,7 kg/cm , den geregelten Austrag diesen Oases in flüssiger und gasförmiger Phaso in eine isolierte KUltokaomer
aus einem Druckbehälter, das Au3sprühen der Druckflüssigkeit
über Zerst&ibungsdUsen und des Dructcgasos aus den anderen
dieser Düsen bei Uberatmoophilrendruck in die das Salzwasser-Becken
enthaltende Kältekammer, die Aufrechtorhaltung dor gewUnsohten
Temperatur durch Regelung des Zustroms an verflüssigtom Gas zur Ka*ltekamraer, nach Erreichen einer Eissohlcht der gewünschten
Dioko das Durchblasen der Kältekammer mit gekühlter,
entfeuchteter Frischluft, bis sie gefahrlos von entsprechend gogen Ktflte geschützten Mensohen botroten worden lcnrun, und die
AufreohterhAltung der gewunechton Teaporatumerte in der KXlte«
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kammer durch verminderte Zufuhr von niedrig siedendem, verflüss
igt ent Gaa zur Sprühanlage und durch Zuleitung von gekühlter
und entfeuchteter Luft zur Kältekammer in solo her Durchsatzmenge,
dass eine für Menschen gefahrlose AtmosphUre gewährleistet wird.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlioh, dasö das
Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung von Modelleisschichten
alle eingangs aufgeführten Vorteile und Merkmale be· sitzen. Selbstverständlich sind das Verfahren und die Vorrichtung
zur Herstellung von Modelleisschichten geraäss der Erfindung
gewissen Änderungen und Abwandlungen zugänglich, ohne da3s der
Rahmen der Erfindung verlassen wird. Aus diesem Grund soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Cchutzumfangs liegenden
Änderungen und Abwandlungen "mit einschliessen·
Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin ein Verfahren, um
auf der Oberfläche einer Salzlösung schnell eine Kisschicht zu
bilden, deren rheologische Eigenschaften ihre Verwendung in Verbindung mit entsprechend ciasstKblich· verkleinerten Modellen von
Konstruktionen, wie Küstengcwtlsser-ülbohrplattformcn, Schiffen
und anderen Fahrzeugen gestattet, um zuverlässig das Verhalten
solcher Fahrzeuge oder Konstruktionen in natürlicher Grüsae während den Wechselwirkungen zwischen ihnen und einer natürlichen
Eisdecke vorauszubcstiraraen.
Eine inerte kryogene Flüssigkeit wird über feinzerstSubende
Düsen oberhalb eines salzwassergofüllten Beckens versprüht,
dessen OberflSchonschichten auf der Gefriertemperatur des Fluiduras
gehalten werden· Die Verdampfung des flüssigen Kühlmittels
ist von einer Ufirmeabsorption aus der Decken-Oberflüche begleitet·
Dieser Vorgang erfolgt so heftig, dass eine vergleichsweise homogene Turbulenzströmung des expandierenden kalten Gases über
die Deoken-OberflHohe hervorgerufen und somit die Geschwindigkeit
der wärmeübertragung von der WaeaeroberflUche gegenüber
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309818/0920
BAD ORIGINAL
uurjenigen beträchtlich erhöht wird, die bei Wänacübertragung
durch freie Konvektion auftreten würde· Die Bildung der Uisschicht erfolgt eueserordentlich schnell, ζ·Β· mit einer Geochwindickeit von 3 χ 10* cra/cea. Infolgedesaen wird die Bildung einzelner Eiskristalle in waagerechter Richtung verhindert
und der ßalzeincchluss beschleunigt. Die so gebildete Eisschicht
besteht aus öuaserst kleinen Kristallen* Die strukturellen
Eigenschaften der Eisschicht (ElastizitUtsmodul und Zugfeetig-Iceit) hängen von der Umgebungstemperatur und dem üalsgehalt der
Kisschicht ab (Fig· 1)· Durch Steuerung der Kisbildungcgeschwindigkeit, des Salzgehalts des Beokens und der nach dem
Gefrieren aufrechterhaltenen Temperatur können die Struktureigenschaften der Eisschicht naoh Belieben variiert werden·
Diese Sohloht feinkristallinen Eises mit variablen Eigenschaften stellt ein auegezelehnetes Modell fUr Eiadeoken natürlicher
dar·
ORIGINAL - 13 -
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Claims (1)
- - i. Dezember I972Patentansprüche1./ Verfahren zur Herstellung einer Eisschicht kontrollierten Elastizitätsmoduls und kontrollierter Biegefestigkeit auf der Oberfläche einer Salzwasserlösung ausgewählten Salzgehalts in einem Becken, das sich in einem thermisch isolierten Umgebungsraum befindet, dadurch gekennzeichnet, daß von mehreren im Umgebungsraum befindlichen,1 auf Abstände verteilten Stellen in Richtung auf die Lösungsoberfläche hin ein niedrig siedendes, verflüssigtes Gas, dessen Siedepunkt bei Atmosphärendruck unter -8o°C liegt, in solcher Menge versprüht wird, daß die Eisschicht auf dem Becken aus der darin enthaltenen Salzwasserlösung mit einer Dickenzunahme von 1 χ 10"^ bis 4 χ 1O~^ cm/sec gebildet wird.2. Verfahren nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß vorher eine vorläufige Trennwand über das Becken hinweg angeordnet wird, um dieses in zwei Segmente zu unterteilen, wobei sich einige der Sprühstellen über dem einen und die restlichen über dem anderen Becken-?Segment befinden, und daß aus bestimmten Sprühstellen je Flächen- und Zeit« einheit mehr verflüssigtes Gas als aus den restlichen Sprühstellen ausgesprüht wird, so daß auf dem einen Segment das Eis schneller als auf dem anderen gebildet wird.5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als verflüssigtes Gas Plüssigstiekstoff verwendet wird.309818/0920 " bad original■i/i4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sprühgeschwindigkeit und Lösungskonzentration so gewählt werden, daß eine Eisschicht gebildet wird, deren Festigkeit, Elastizitätsmodul und Dicke etwa 1/20 bis 1/100 der entsprechenden Werte einer Eisdecke natürlicher Größe entspricht, und daß das Modell des Meeresbauwerks oder -fahrzeugs derart maßstäblich verkleinert wird, daß es einem entsprechenden Bruchteil seiner natürlichen Größe entspricht .5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigstickstoff vor dem Versprühen unter einem Überdruck von 0,7 - 7,0 kg/cm gehalten wird.6. Verfahren nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzgehalt der Lösung bei Einleitung des Sprühvorgangs zwischen einer Spurenmenge und 35 Teilen je 1000 Teile (35 fo) gehalten wird.7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Eis-Salzgehalt und Lösung-Salzgehalt zwischen 0,30 und 0,95 gehalten wird.8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmenge des expandierenden kalten Gases über der Becken-Oberfläche groß genug ist, um oberhalb derselben Turbulenz zu erzeugen und dadurch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung ihr gegenüber wesentlich über die bei freier Konvektion herrschende zu steigern.9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sprühkraft und -abstand groß genug sind, um Teilchen des verflüssigten Gases zur Becken-Oberfläche zu treiben, wo sie als Kernbildungspunkte für sehr feine Eiskristalle wirken.3098 18/0920 ~>10. Verfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermisch isolierte Uragebungsraum über dem Becken durch eine diesem zugewandte schwarze Fläche begrenzt wird, die auf etwa -1960C gehalten wird.3098 18/0920eerseite
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