УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ СРЕДНЕМАСШТАБНЫХ ОБРАЗЦОВ ЛАБОРАТОРНОГО МОРСКОГО ЛЬДА В ЛЕДОВОМ БАССЕЙНЕ Российский патент 2019 года по МПК F25C1/12 F25C5/20 

Изобретение относится к области экспериментальных исследований воздействия льда на морские сооружения и касается вопроса обеспечения подготовки образцов лабораторного морского льда и их испытаний, а также разработки численного описания физико-механических свойств и критериев разрушения морского льда на основе экспериментальных данных с целью создания программного комплекса, предназначенного для оптимизации форм корпусов судов и опорных оснований буровых платформ.

Известны способ и устройство для моделирования ледяного покрова в ледовом опытовом бассейне (Патент РФ 2 535 398). Устройство позволяет приготовить образцы морского льда и провести исследования физико-механических свойств и критериев разрушения лабораторного морского льда. Оно содержит закрытое помещение с системой охлаждения и вентиляции, чашу бассейна большой площади для проведения модельных испытаний морских сооружений, заполненной переохлажденной соленой водой, и подсоединенную к источнику воды мелкодисперсионную форсунку, которая выполнена с возможностью регулирования размеров ядер кристаллизации льда - прототип.

Однако, длительное намораживание лабораторного льда для приготовления среднемасштабных образцов, используемых при проведении экспериментальных исследований на такой большой площади, и необходимость изменения режимов намораживания требуют значительных энергетических расходов и существенных трудовых затрат, также при этом отсутствует возможность изменения в широком диапазоне солености воды бассейна по причине использования замкнутого контура водоснабжения. Причем часто отсутствует необходимость приготовления большого количества среднемасштабных образцов морского льда для их испытаний при неоправданном сохранении упомянутых расходов. Таким образом, приготовление в известной установке образцов морского моделированного льда с соблюдением режимов намораживания льда для их использования при серийных экспериментальных исследованиях свойств морского льда и критериев его разрушения связано с невозможностью оперативной смены режимов подготовки льда для получения серии образцов лабораторного морского льда с различными физико-химическими характеристиками и с достаточно большим объемом трудовых и энергетических затрат.

Задачей предполагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего существенное сокращение трудовых и энергетических затрат при приготовлении среднемасштабных образцов лабораторного морского льда, проведение серии его экспериментальных исследований и критериев разрушения.

Для этого в устройстве для обеспечения приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведения с их использованием серии экспериментальных исследований свойств льда и критериев разрушения, включающем закрытое помещение с расположенной в нем емкостью, заполняемой морской водой, намораживаемой для приготовления льда, и оснащенное системой охлаждения и вентиляции и соединенной с источником пресной воды мелкодисперсионной форсункой, обеспечивающей регулировку размера ядер кристаллизации льда, по изобретению емкость для заполнения морской водой выполнена в виде имеющего вытянутую, преимущественно прямоугольную, форму в плане резервуара из нержавеющей стали, длина и ширина которого определяются поперечным размером и необходимым количеством ледяных среднемасштабных образцов, извлекаемых из приготовленного в емкости морского льда при условии распределения образцов по поверхности емкости таким образом, чтобы расстояние от борта резервуара до центральной оси извлекаемых образцов морского льда, а также между центральными осями самих образцов морского льда составляло не менее двух поперечных размеров образца. Высота резервуара определяется условием, чтобы обеспечивалось заполнение водой емкости на глубину, в 2 раза превышающую толщину намораживаемого в ней льда. При этом по длинной стороне резервуар разделен закрепленной на его бортах вертикальной перегородкой на две секции в соотношении 4:1, большая из которых предназначена для намораживания лабораторного льда, а меньшая - для заполнения ее водой и компенсации давления при намораживании льда и предотвращения возникновения внутренних напряжений во льду. Причем вертикальная перегородка установлена таким образом, чтобы в верхней части резервуара обеспечивалось не перетекание воды из большой секции в малую, а в нижней - имелся зазор между нижним концом перегородки и днищем резервуара, необходимый для свободного движения воды между секциями. При этом поверхность резервуара, включая верхнюю горизонтальную поверхность малой секции, покрыта с внешней стороны теплоизолирующим слоем из теплоизоляционного материала, расположенным с отстоянием от стенок резервуара на величину от 5 до 10 см, а в просвете между которыми уложен греющий кабель. Кроме того, греющий кабель уложен в форме змейки или спирали.

Выполнение резервуара, заполняемого морской водой, из нержавеющей стали позволяет ему обладать высокой устойчивостью к коррозии в атмосфере и агрессивных средах, и обеспечить намораживание в нем льда с использованием морской воды, имеющей различные уровни солености. Высокая адгезия льда к нержавеющей стали сохраняет намороженное ледяное поле неподвижным при извлечении (выбуривании) образцов морского льда для исследования характеристик морского льда.

Выполнение же резервуара, имеющего вытянутую форму в плане, преимущественно форму прямоугольника, длина и ширина которого определяются поперечным размером, в частности диаметром, извлекаемых из приготовленного льда среднемасштабных образцов морского льда и требуемым их количеством.

Расстояние от борта резервуара до центральной оси извлекаемых образцов морского льда, а также между центральными осями самих образцов морского льда, составляющее не менее двух поперечных размеров образца, снижает вероятность их повреждения при их извлечении (выбуривании) из приготовленного ледового поля керноотборником, а также позволяет готовить достаточное количество среднемасштабных образцов лабораторного морского льда с целью их дальнейших исследований и формирования базы данных на основе статистической обработки экспериментальных результатов. Лед, находящийся в непосредственной близости от бортов резервуара, обладает высокой анизотропией и может не соответствовать требуемым по техническому заданию условиям, поэтому выбуривание образцов льда должно осуществляться на выбранной дистанции.

Заполнение водой на глубину в 2 раза превышающую толщину намораживаемого в ней лабораторного морского льда, который необходимо намораживать для проведения испытаний, позволяет исключить переохлаждение воды и как следствие ее полное промерзание в резервуаре и тем самым оптимизировать расходы на энергоресурсы, требуемые для охлаждения морской воды до нужной температуры.

Теплоизоляция резервуара, выполненная с отстоянием от стенок резервуара на величину от 5 до 10 см, позволяет исключить рост льда на его бортах и дне, а также предотвратить замерзание воды в малой секции. Создание воздушной прослойки между теплоизоляцией и резервуаром является эффективной преградой к охлаждению резервуара наружным воздухом.

Саморегулирующий греющий кабель, уложенный в форме змейки или спирали в пространстве между теплоизоляционным материалом и стенками резервуара, позволяет обеспечить поддержание температуры воздуха в упомянутом пространстве близкой к температуре воды в резервуаре, то есть температура воздуха в этом месте не была бы ниже температуры воды в резервуаре.

Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором изображено предлагаемое устройство для обеспечения приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведения с их использованием серии экспериментальных исследований свойств льда и критериев разрушения (вид сбоку) и на фиг. 2 - вид сверху на резервуар (на фиг. 1) с среднемасштабными образцами намороженного лабораторного морского льда.

Устройство включает закрытое помещение 1 с системой охлаждения и вентиляции 2 и соединенную с источником пресной воды мелкодисперсионную форсунку 3, которая позволяет регулировать размер ядер кристаллизации льда. В помещении 1 расположена, заполняемая морской водой 4, емкость имеющая вытянутую преимущественно форму прямоугольника в плане в виде резервуара 5, выполненного из нержавеющей стали, длина и ширина которого определяются поперечным размером (диаметром) и требуемым количеством среднемасштабных образцов морского льда 6, при условии, что расстояние от борта резервуара до центральной оси извлекаемых образцов морского льда 6, а также между центральными осями самих образцов морского льда 6, составляет не менее двух поперечных размеров образца (фиг. 2). Высота резервуара 5 определяется из условия обеспечения заполнения ее водой на глубину в 2 раза превышающую толщину льда 6, который необходимо намораживать для проведения испытаний. При этом по длинной стороне резервуар 5 разделен закрепленной на его бортах перегородкой 7 на две секции в соотношении 4:1: на большую 8, предназначенную для намораживания лабораторного льда 6, и на малую 9, предназначенную для вытеснения в нее воды из большой секции 8 в процессе намораживания льда и предотвращения возникновения внутренних напряжений во льду. Причем перегородка 7 выполнена и установлена на резервуаре 5 таким образом, чтобы в верхней части резервуара 5 обеспечивалось не перетекание воды из большой секции 8 в малую 9, а между нижним торцом перегородки 7 и дном резервуара 5 был бы зазор для свободного движения воды между секциями 8 и 9. Для обеспечения теплоизоляции резервуара 5, исключающей рост льда на его бортах и дне, а также предотвращения замерзания воды в малой секции 9, стенки резервуара 5, включая поверхность малой секции 9, закрыт теплоизолирующим слоем из теплоизоляционного материала 10, расположенным с отстоянием от стенок резервуара 5 на величину от 5 до 10 см, а для поддержания положительной температуры воздуха в пространстве между стенками резервуара 5 и термоизолирующим слоем 10 близкой к температуре воды в резервуаре 5, в полости между стенками резервуара 5 и теплоизолирующим слоем 10 имеется саморегулирующийся греющий кабель 11, уложенный в форме змейки или спирали.

Предлагаемое устройство для приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда работает следующим образом.

Используя систему охлаждения и вентиляции 2 в помещении 1, охлаждают воздух до заданной температуры в диапазоне от -10°С до -25°С. Резервуар 5 заполняют морской водой 4 с заданной для испытаний соленостью, которая приготавливается путем добавления соли в пресную воду в определенной пропорции. Подсоленную воду охлаждают до температуры, близкой к температуре замерзания. Затем поверхность воды очищается от образующегося при этой на ней ледяного покрова и осуществляется распыление ядер кристаллизации воды с использованием мелкодисперсионной форсунки 3. Режим намораживания льда происходит при постоянной температуре воздуха в помещении 1, что позволяет получить лабораторный морской лед 6 с высоким качеством в отношении его структуры за счет большей скорости намораживания льда. Структура льда по толщине получается однородной, так как раствор соли, находящийся между блоками кристаллов, распределяется равномерно по толщине, не успевая полностью проникнуть из верхних слоев в нижние. Дополнительным положительным эффектом является повышение солености морского льда за счет снижения интенсивности стекания рассола под воздействием гидростатического давления под льдом. Благодаря разделению резервуара 5 в соотношении 4:1 на малую и большую секции с помощью закрепленной на его бортах сплошной вертикальной перегородки 7, избыточное давление, возрастающее в процессе приготовления морского льда в большой секции 8 резервуара 5, компенсируется за счет перетекания воды через зазор между нижним концом перегородки 7 и дном резервуара 5 из большой секции 8 резервуара в малую секцию 9, в результате чего обеспечивается предотвращение возникновения внутренних напряжений во льду 6. В процессе намораживания льда 6 исключается рост льда на бортах и дне резервуара 5, а также предотвращается замерзание морской воды 4 в малой секции 9, включая ее поверхность, благодаря обеспечению теплоизоляции резервуара 5 за счет покрытия стенок резервуара 5 теплоизолирующим слоем 10 из теплоизоляционного материала, расположенным с отстоянием от стенок резервуара. При этом обеспечивается поддержание положительной температуры воздуха в пространстве между стенками резервуара 5 и термоизолирующим слоем 10 близкой к температуре морской воды 4 в резервуаре 5 благодаря наличию в полости между стенками резервуара 5 и теплоизолирующим слоем 10 саморегулирующегося греющего кабеля 11. Поскольку процесс намораживания льда достаточно длительный по времени и может составлять от 3 до 7 суток, то эффективность естественной теплоизоляции постепенно снижается, то саморегулирующийся греющий кабель обеспечивает поддержание соответствующей температуры внутри прослойки. В прослойке будет происходить следующий процесс: на границе с теплоизоляционным покрытием воздух будет охлаждаться и двигаться вниз, при этом у стенки резервуара 5 он будет нагреваться до температуры воды и двигаться наверх, и тем самым будет происходить естественная циркуляция воздуха. Мощность системы обогрева рассчитывается, учитывая климатические условия, объем самого резервуара и толщину теплоизоляции.

После достижения требуемой толщины лабораторного морского льда 6 температуру воздуха устанавливают на фиксированном значении, при котором свойства льда 6 сохраняются достаточно длительное время.

Практическая реализация заявляемого технического решения промышленной сложности не представляет, что позволяет сделать вывод о соответствии этого решения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Предлагаемое устройство для обеспечения приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведения с их использованием серии экспериментальных исследований свойств льда и критериев разрушения обеспечивает существенное сокращение трудовых и энергетических затрат при приготовлении среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведении указанной серии экспериментальных исследований, что его выгодно отличает от прототипа.

Опыт использования предлагаемого устройства подтвердил ожидаемые характеристики и физико-механические свойства намораживаемого льда, а также пригодность для исследований прочностных свойств и критериев разрушения.

Изобретение относится к области экспериментальных исследований воздействия льда на морские сооружения, касается вопроса обеспечения подготовки образцов лабораторного морского льда и их испытаний и решает задачу по обеспечению существенного сокращения трудовых и энергетических затрат при приготовлении среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведении серии его экспериментальных исследований и критериев разрушения. Для этого в устройстве для обеспечения приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведения серии экспериментальных исследований его свойств и критериев разрушения, включающем закрытое помещение с расположенной в нем емкостью, заполняемой морской водой, намораживаемой для приготовления льда, и оснащенное системой охлаждения и вентиляции и соединенной с источником пресной воды мелкодисперсионной форсункой, обеспечивающей регулировку размера ядер кристаллизации льда, по изобретению емкость для заполнения морской водой выполнена в виде имеющей вытянутую преимущественно прямоугольную форму в плане резервуара из нержавеющей стали, длина и ширина которого определяются поперечным размером и необходимым количеством ледяных среднемасштабных образцов, извлекаемых из приготовленного в емкости морского льда при условии распределения образцов по поверхности емкости таким образом, чтобы расстояние от борта резервуара до центральной оси извлекаемых образцов морского льда, а также между центральными осями самих образцов морского льда составляло не менее двух поперечных размеров образца. Высота резервуара при этом должна быть такой, чтобы обеспечивалось заполнение водой емкости на глубину, в 2 раза превышающую толщину намораживаемого в ней льда. При этом по длинной стороне резервуар разделен закрепленной на его бортах вертикальной перегородкой на две секции в соотношении 4:1, большая из которых предназначена для намораживания лабораторного льда, а меньшая - для заполнения ее водой для компенсации давления при намораживании льда и предотвращения возникновения внутренних напряжений во льду. Причем вертикальная перегородка установлена таким образом, чтобы в верхней части резервуара обеспечивалось неперетекание воды из большой секции в малую, а в нижней - имелся зазор между нижним концом перегородки и днищем резервуара, необходимый для свободного движения воды между секциями. При этом поверхность резервуара, включая верхнюю горизонтальную поверхность малой секции, покрыта с внешней стороны теплоизолирующим слоем из теплоизоляционного материала, расположенным с отстоянием от стенок резервуара на величину от 5 до 10 см, в просвете между которыми уложен греющий кабель. Кроме того, греющий кабель уложен в форме змейки или спирали. Опыт использования предлагаемого устройства для обеспечения проведения испытаний среднемасштабных образцов лабораторного морского льда подтвердил ожидаемые характеристики и физико-механические свойства намораживаемого льда, а также пригодность для исследований прочностных свойств и критериев разрушения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для обеспечения приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда и проведения с их использованием серии экспериментальных исследований свойств льда и критериев разрушения, включающее закрытое помещение с расположенной в нем емкостью, заполняемой морской водой, намораживаемой для приготовления льда, и оснащенное системой охлаждения и вентиляции и соединенной с источником пресной воды мелкодисперсионной форсункой, обеспечивающей регулировку размера ядер кристаллизации льда, отличающееся тем, что емкость для заполнения морской водой выполнена в виде имеющего вытянутую, преимущественно прямоугольную, форму в плане резервуара из нержавеющей стали, длина и ширина которого определяются поперечным размером и необходимым количеством ледяных среднемасштабных образцов, извлекаемых из приготовленного в емкости морского льда при условии распределения образцов по поверхности емкости таким образом, чтобы расстояние от борта резервуара до центральной оси извлекаемых образцов морского льда, а также между центральными осями самих образцов морского льда составляло не менее двух поперечных размеров образца, а высота резервуара определяется условием, чтобы обеспечивалось заполнение водой емкости на глубину, в 2 раза превышающую толщину намораживаемого в ней льда, при этом по длинной стороне резервуар разделен закрепленной на его бортах вертикальной перегородкой на две секции в соотношении 4:1, большая из которых предназначена для намораживания лабораторного льда, а меньшая - для заполнения ее водой и компенсации давления при намораживании льда и предотвращения возникновения внутренних напряжений во льду, причем вертикальная перегородка установлена таким образом, чтобы в верхней части резервуара обеспечивалось неперетекание воды из большой секции в малую, а в нижней - имелся зазор между нижним концом перегородки и днищем резервуара, необходимый для свободного движения воды между секциями, при этом поверхность резервуара, включая верхнюю горизонтальную поверхность малой секции, покрыта с внешней стороны теплоизолирующим слоем из теплоизоляционного материала, расположенным с отстоянием от стенок резервуара на величину от 5 до 10 см, в просвете между которыми уложен греющий кабель.

2. Устройство для обеспечения приготовления среднемасштабных образцов лабораторного морского льда по п. 1, отличающееся тем, что греющий кабель уложен в форме змейки или спирали.