Программа экспериментов и результаты наблюдений

Программа экспериментов и результаты наблюдений

Полевые исследования были посвящены изучению особенностей отвердевания, способствующих быстрому замораживанию. Рассматривались некоторые ранее упоминавшиеся экспериментальные приемы, представляющие определенный интерес для использования их в полевых условиях.

Соленость. Для строительных целей желателен способ быстрого получения малосоленого льда из морской воды. Между тем во всех исследованных процессах быстрое замораживание влечет за собой получение льда с высоким содержанием солей. Когда удавалось получить лед достаточно низкой солености, скорость намораживания была слишком малой для практических целей. Наиболее высоких скоростей отвердевания достигали при замораживании распыленной быстротекущей морской воды, выливаемой на холодные алюминиевые плиты. В этом случае скорости намораживания составляли 0,25-0,38 фунт/мин/фут2, а соленость полученного льда колебалась в пределах 3,15-3,37%, причем соленость морской воды, из которой намораживался дед, была 3,15%. Некоторое увеличение солености полученного таким способом льда по сравнению с водой объясняется испарением воды во время падения капель. При скорости намораживания на холодной плите около 2 фунт/мин/фут2 соленость льда составляла примерно 2,8% при солености воды 3,3%- Перемешивание жидкости способствует удалению из нее соли, однако скорости течения 6-15 фут/сек недостаточны для предотвращения роста ветвистых кристаллов, в результате чего при такой во льду оказывалось большое количество рассола. Тем не менее при скорости 0,02- 0,15 фунт/мин/фут2 была получена соленость 0,5-1,2%. Как и предполагалось, наименьшее количество рассола оказывалось во льду при максимальной скорости течения воды и минимальной скорости намораживания льда.

Поглощая солнечную радиацию, лед нагревается; при этом увеличиваются миграция и сток рассола и лед опресняется. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при опреснении льда в полевых условиях. Содержание рассола в морской воде, налитой во впадины и замороженной в течение 1 месяца, уменьшается с 3,3 до 1,7%. Некоторые небольшие образцы соленого льда нагревались лампами дневного света — 0,008 кал/сек/см2 — через стеклянное и полиэтиленовое покрытия и без них. В закрытых образцах заметное таяние наблюдалось уже при температуре 0° F; при отсутствии покрытия таяния не происходило. Покрытия достаточно хорошо пропускают световую радиацию и в то же время не пропускают отражаемые поверхностью льда инфракрасные лучи. Даже при неблагоприятных температурных градиентах в этих условиях происходит заметный сток рассола. Сопоставляются данные по миграции рассола

В двух образцах, которые выдерживались при постоянных температурах +25 и — 65° F.

Предпринятые попытки использовать для опреснения соленого льда статическое давление успеха не имели.

Скорость замерзания и структура льда. Ускорить замерзание можно, улучшив контакт между водой и холодным воздухом; для этого воду следует либо наливать тонкими слоями, либо разбрызгивать. Представляется интересным сравнить термические особенности этих двух способов.

Когда замораживаемый слой воды имеет достаточную мощность, отвердевание главным образом происходит сверху вниз; наблюдения показали, что скорость в этом случае совпадает с теоретической.

Намораживание распылением представляет большой интерес при использовании льда в строительных целях. При этом способе общая площадь, на которой происходит передача тепла между водой и холодным воздухом, значительно увеличивается, что приводит к важным термическим и структурным последствиям: 1. При правильном проведении процесса большая часть воды замерзает в воздухе и падает на подстилающую поверхность уже в виде льда; благодаря этому поверхность, на которую производится намораживание, не нагревается. 2. Размеры жидких участков, преобладающих во время замерзания, ограничиваются величиной капель, благодаря чему удается в значительной степени избежать макроскопической ликвации. 3. При этом способе намораживается мелкозернистый лед, имеющий значительные механические преимущества перед крупнозернистым. 4. Несмотря на то что общий участок передачи тепла ограничен, можно достигнуть больших скоростей намораживания.

Исследования отвердевания распыленной воды проводились при тщательном контроле температуры на Военно-воздушной базе Эглин. В качестве распылителя использовалась форсунка, изготовленная «Делавэйн компании» (Де-Мойн, штат Айова); форсунки дают хорошее распыление воды, проходящей в них под давлением 50-150 фунт/дюйм2, через специально сконструированное сопло. Размеры отдельных капель около 100 мк. Были проведены испытания форсунок различной конструкции. При этом измерялась скорость течения воды через форсунку и высота, на которой происходило отвердевание большинства капель, прежде чем они успевали упасть на поверхность льда. Оценивалась и форма образцов льда, полученных распылением воды. Оказалось, что при конусообразной форме форсунки уже через непродолжительное время ее работы происходит затопление льда водой даже в том случае, когда водяная пыль проходит в воздухе расстояние до 12 футов. Однако плоские форсунки, дающие веерообразное распыление, устойчиво работают в течение длительного времени и вся распыленная ими вода успевает замерзнуть до своего падения на поверхность замораживания. Очевидно, механизм, управляющий передачей тепла, таков, что теплоотдача происходит из центра облака водяной пыли, и для ускорения замораживания необходимо, чтобы путь теплового потока был минимальным. Иначе говоря, масса капель, летящих в холодном воздухе, благодаря теплопроводности и конвекции должна полностью охладиться за время своего движения по траектории от форсунки до поверхности льда. Типичное сочетание благоприятных условий образования льда малой солености представлено данными.

Были исследованы химические, термические и структурные особенности льда, намороженного из морской воды способом распыления. Насколько позволили условия проведения эксперимента, при рассмотрении основных способов передачи тепла и наслоения ледяных масс было установлено, что по своим размерам капли лишь незначительно отличаются друг от друга. Примененные в работе форсунки были сконструированы таким образом, что диаметры капель не превышали 30 мк. Нетрудно установить, что такая капля полностью замерзает значительно раньше, чем она пролетит 12 футов, во всяком случае теплообмен происходит главным образом за счет испарения или конвекционных потоков. Охлаждение всего облака водяной пыли контролировалось главным образом конвекционным теплообменом между «поверхностью» пылевого облака и окружающим воздухом; водяную пыль в этом случае можно рассматривать как тонкий, более или менее сплошной щит из теплого материала. В условиях, охарактеризованных, общая поверхность (верхняя и нижняя) облака водяной пыли составляла 100 кв. фут. Наблюдения показали, что при контакте с холодной подстилающей поверхностью замерзали практически все водяные капельки; учитывая это и считая расходы воды равным 0,81 галлон/мин, можно определить коэффициент передачи тепла между воображаемой поверхностью облака водяной пыли и окружающим его воздухом; коэффициент получается равным приблизительно, или примерно в 2 раза больше, чем между дистиллированной водой и холодным воздухом. Это полный коэффициент теплопередачи, в котором определяющей величиной является разность между температурой водяной пыли (принятой в среднем около 20° F) и температурой окружающего ее воздуха.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.