Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Научно технические аспекты построения математических моделей процесса намораживания водного льда на элементах низкотемпературного оборудования 10
1.1. Водный лед, его виды и свойства. 10
1.2. Обзор публикаций по теплообмену в условиях подвижной границы фронта фазового перехода 16
1.3. Аналитические модели, описывающие динамику роста слоя льда, на различных поверхностях 22
1.4. Накопление и производство водного льда 35
1.5. Применение низкотемпературной технологии для подъема оболочковых объектов со дна водных бассейнов 42
1.6. Выводы по главе
2.1. Теплообмен при намораживании водного льда на поверхности плоской стенки. 47
2.2. Теплообмен при намораживание водного льда на наружной поверхности полой трубы . 63
2.3. Теплообмен при намораживании водного льда на внутренней поверхности трубы 74
2.4. Выводы по главе 2 79
ГЛАВА 3. Описание экспериментальных стендов и оценка погрешности опытных результатов. 80 Стр.
3.1. Намораживание водного льда на поверхности плоской стенке 80
3.2. Намораживание водного льда на внутренней поверхности трубы 87
3.3. Намораживание водного льда на внешней поверхности трубы 93
3.4. Оценка погрешности эксперимента 97
3.5. Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4. Сопоставление экспериментальных данных и результатов теоретических расчетов . 100
4.1. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов по намораживанию водного льда на поверхности плоской стенке 100
4.2. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов по намораживанию водного льда на внутренней поверхности трубы 103
4.3. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов по намораживанию водного льда на внешней поверхности трубы 104
4.4. Выводы по главе 4 107
ГЛАВА 5. Выбор эффективной поверхности намораживания и принцип проектирования криокюветы 109
5.1. Устройство для подъема оболочковых объектов со дна водных бассейнов (криокювета). 109
5.1.1. Принципиальная схема криокюветы и техническая оценка возможности её действия 109
5.2. Выбор эффективной поверхности намораживания и определение рационального соотношения геометрических размеров, ледогенераторов различных форм поверхности 124
5.3. Выводы по главе 5 126 Стр.
Общие выводы и заключение 128
Список литературы
- Обзор публикаций по теплообмену в условиях подвижной границы фронта фазового перехода
- Теплообмен при намораживание водного льда на наружной поверхности полой трубы
- Намораживание водного льда на внешней поверхности трубы
- Сравнение экспериментальных и теоретических результатов по намораживанию водного льда на внешней поверхности трубы
Введение к работе
Актуальность работы. Водный лед обладает особыми теплофизическими свойствами, он доступен, имеет относительно низкую стоимость, полностью совместим с окружающей средой, этим обусловлено его широкое применение в различных областях науки и техники. Растет применения водного льда в различных его формах и модификациях, в частности, как хладоноситель с постоянной температурой и меняющимся агрегатным состоянием он широко применяются в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, торговой отрасли, строительном деле и др. Существенным преимуществом применения водного льда для охлаждения продуктов, является отсутствие подмораживания, что в ряде случаев крайне важно. В связи с обширной областью применения, производство водного льда является важной технической задачей, в которую входит, в том числе расчет и проектирование ледогенераторов с различной формой рабочей поверхности намораживания.
Водный лед применяется так же в качестве холодоаккумуляционной массы, используемой в часы пиковых нагрузок. Причем лед может быть получен как с помощью холодильной установки (работающей в наиболее разгруженные для электросети часы), так и с применением естественного холода окружающей среды.
Важной экологической проблемой, ставшей последствием активной техногенной деятельности в XX веке, является удаление из водоемов затопленных оболочковых объектов. Такие предметы могут содержать токсичные, экологически опасные вещества, попадание которых в водную среду губительно для подводной флоры и фауны, а вместе с ними и для человека (через морепродукты). Это обуславливает необходимость подъема оболочковых объектов на поверхность водного бассейна для их последующей транспортировки и утилизации. Сложность данной задачи состоит в том, что стенки объектов зачастую подвержены значительному корзинному износу, исключающему механическое воздействие на них, вследствие опасности разрушения. В таких условиях перспективными представляются низкотемпературные методы, основанные на применении водного льда для подъема затопленных объектов.
Задача расчета динамики намораживания водного льда на поверхностях различных форм является весьма актуальной для расчета и проектирования ледогенераторов и холодоаккумуляторов, а так же для создания систем извлечения затопленных объектов со дна водных бассейнов, с применением низкотемпературной технологии.
Цель работы
Создание и обоснование математического описания процессов работы устройств ледогенераторов, с различной формой поверхности намораживания, и устройств криозахвата оболочковых объектов с шельфа водных бассейнов.
Задачи исследования:
-
Разработка расчетно-аналитического метода определения скорости намораживания водного льда на поверхностях канонических форм (плоская стенка, внешняя и внутренняя цилиндрическая поверхность).
-
Оценка влияния зависимости теплофизических свойств льда от температуры, для случаев намораживания льда на плоской и наружной цилиндрической поверхностях.
3. Получение опытных данных по динамике роста толщины слоя водного
льда на стенках, различных геометрических форм.
4. Сопоставление экспериментальных данных с теоретическими
зависимостями, полученными по разработанным аналитическим моделям.
-
Создание конструктивной схемы устройства для подъема затопленных оболочковых объектов (криокюветы), на основе низкотемпературной технологии.
-
Создание методики расчета режимов работы устройства, для подъема оболочковых объектов (криокюветы).
-
Определение наиболее эффективной по способности накапливания льда рабочей поверхности намораживания.
Научная новизна
1. Разработан приближенный аналитический метод для расчета динамики
намораживания льда на плоской стенке и цилиндрических поверхностях.
2. Получены аналитические зависимости, определяющие развитее
процесса ледообразования на поверхностях намораживания ледогенераторов,
холодоаккумуляторов и других элементах низкотемпературного оборудования,
работающих в условиях водной среды, с учетом и без учета зависимости
теплофизических свойств льда от температуры.
3. Выявлено влияние фактора времени развития процесса и тепловых
параметров льда и воды на динамику роста слоя льда на охлаждаемых
поверхностях.
Положения выносимые на защиту
1. Метод расчета динамики намораживания льда на охлаждаемых
поверхностях канонических форм, погруженных в водную среду.
2. Результаты расчетного исследования процесса намораживания водного
льда.
3. Результаты экспериментальных исследований намораживания водного
льда на изотермической поверхности плоской стенки и цилиндрических
поверхностях.
4. Конструктивная схема устройства криозахвата (криокюветы) для
извлечения оболочковых объектов расположенных в водной среде.
Личный вклад соискателя
Участие в постановке задачи моделирования процессов теплообмена при намораживании водного льда на поверхностях канонических форм (плоская стенка, наружная и внутренняя цилиндрическая поверхность). Расчеты по математическим моделям. Создание стендов для получения экспериментальных данных и методики проведения опытов. Сопоставление теоретических результатов с опытными данными, полученными на стендах.
Достоверность полученных автором результатов
Полученные автором данные достоверны, что подтверждается использованием, проверенных способов измерения параметров и методик проведения опытов, а так же применением сертифицированных измерительных приборов. Все полученные в результате эксперимента данные могут быть повторно воспроизведены.
Практическая значимость
Разработана конструктивная схема устройств (криокюветы) для подъема и извлечения затопленных оболочковых объектов с водного шельфа. Представлена методика расчета режимов работы криокюветы для осуществления процесса смораживания рабочей поверхности устройства с оболочкой извлекаемого объекта.
Проведена оценка прочностных свойств льда на предмет возможностей работы, по подъему грузов с помощью криокюветы.
Предложен метод расчета и осуществлен выбор эффективной, по способности накапливания льда, поверхности намораживания, в различных конструкциях ледогенераторов.
Апробация работы
Основные положения и результаты исследования по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Международной конференции для молодежи с элементами научной школы: «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» 10–12 декабря 2013 г., (Москва, 2013); 63-ей Открытой студенческой научно-технической конференции СНТК Университета машиностроения 22 – 26 апреля 2013 г. (Москва 2013); Научно-практической конференции посвященной памяти Л.А. Костандова, ноябрь 2014, Университет Машиностроения, (Москва, 2014); Международной научно-практической конференции: «Новейшие технологии освоения месторождений
углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем каспийского шельфа» 7 Сентября 2015г., (Астрахань 2015); Научно-практической конференции посвященной памяти Л.А. Костандова, ноябрь 2015, Университет Машиностроения, (Москва, 2015); Научно-практической конференции: «Развитие индустрии холода на современном этапе» 2-3 марта 2016г., (Москва, 2016), Научно-практической конференции: «Школа молодых ученых имени профессора И.М. Калниня» 28 февраля-3 марта 2017г., (Москва, 2017).
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 9 научных работах, в том числе 5 в реферируемых журналах ВАК РФ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, выводы, список сокращений, приложения и список литературы. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 75 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 89 наименования.
Специальность, которой соответствует диссертация
В соответствии со сформулированной целью научной работы, ее научной новизной, установленной практической значимостью, диссертация соответствует паспорту специальности 05.04.03 – Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения, пункту 2 «Теоретические и экспериментальные исследования процессов холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения с целью углубления оценки проявляющихся в них физических закономерностей, создания надежных алгоритмов управления и прогноза»; пункту 3 «Развитие методов натурного и вычислительного моделирования процессов и объектов холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения с целью поиска оптимальных решений по экономичности, надежности и ресурсу низкотемпературных установок, машин и аппаратов».
Обзор публикаций по теплообмену в условиях подвижной границы фронта фазового перехода
Приближенный метод для решения задачи Стефана, предложенный в 1955 году академиком Л.С. Лейбензоном, [29-30] нашел широкое применение, и был использован в работах таких исследователей как С.С. Ковнер, А.Н. Тихонов, К.П. Венгер и др. [10, 31-32]. Суть метода заключается в том, что функция распределения температур, внутри каждой фазы задается согласно стационарному закону теплопроводности и граничным условиям. При подстановке в условие Стефана, такого распределения температур, получаем уравнение для нахождения границы фронта фазового перехода, в дифференциальной форме. Данное уравнение, как правило, достаточно легко решается относительно переменной, характеризующей положение свободной границе фронта. Лейбензоном был так же предложен еще один метод, учитывающий теплоемкости обеих фаз. Согласно этому методу так же предполагается принять стационарное распределение температур, однако, в отличие от предыдущего метода, подстановку этого температурного распределения следует осуществлять не в условие Стефана, а в уравнение теплового баланса [24].
В начале 50-х годов отечественными исследователями Тихоновым и Самарским был разработан принципиально новый подход к решению задачи Стефана. Главной идеей данного подхода стало введение понятия «эффективной» теплоемкости. Данное понятие включает в себя так же скрытую теплоту фазового перехода на границе раздела фаз. Вследствие этого стало возможным записать квазилинейное уравнение энергии, единое для всей области теплоносящей среды [33]. Энтальпийная форма записи уравнения энергии, опирающаяся на предложенную Тихоновым и Самарским идею, послужила отправной точкой целого ряда исследований как одномерных, так и многомерных задач Стефана [34-36].
В 70-е годы, отечественный исследователь Б.Я. Любов занимался решением задачи с подвижной границей, для случая затвердевания однокомпонентного вещества в большом объеме. В своей монографии [37] Б.Я Любов рассматривает влияние переохлаждения на процесс кристаллизации, а так же анализирует допущения, принятые в классической постановки задачи Стефана. Решение, предложенное Б.Я. Любовым, считается одним из классических решений задач с фазовым превращением.
С развитием электронно-вычислительной техники большое распространение получили численные методы решения задач, в том числе и задач со свободной границей. На сегодняшний день в литературе встречается большое количество численных решений задачи Стефана. Для решения данных задач исследователями применяются различные математические методы. Имеющиеся в настоящее время численные методы можно условно разделить на неявные и явные.
К неявным методам относятся методы сквозного счета. К неявным, данный метод относится, из-за того что, отсутствует необходимости отслеживать положение границы фронта раздела фаз. При использовании данного подхода, для решения задачи Стефана, записывается единое уравнение для всей расчетной области, с разрывными коэффициентами на границе раздела фаз. В первые данный подход был применен в работах А.А Самарского и Б.М. Будака [38]. К методам сквозного счета относятся: метод функций уровня, метод фазового поля и др., поучившие, в последние годы, активное развитие [39-41].
Ко второй группе методов, относятся методы, в которых положение границы фронта фазового перехода определяется в явном виде. В их основе лежит идея применения метода конечных разностей. Наиболее распространенными среди этих методов являются: метод выпрямления фронтов [42], метод ловли фронта в узел сетки [43] и метод фиксированной сетки [44].
Однако при всех достоинствах численных методов решения задач, они обладают рядом недостатков. В первую очередь, при использовании численных методов крайне трудной задачей становится определение влияния отдельных параметров процесса (таких как, например, коэффициент теплопроводности льда А, коэффициент теплоотдачи от воды а, плотность льда р и т.д.) на общий результат. Говоря о точности получаемых результатов, не стоит забывать о том, что большинство численных методов, применяющихся при решении нелинейных дифференциальных уравнений, используют приближенный алгоритм решения. Использование в инженерных расчетах готовых программ, реализующих численные алгоритмы, связано с опасностью получения ошибочных результатов вследствие появления сбоев и ошибок (условия, появления которых зачастую неизвестны). Так же стоит отметить, что численные математические методы решения задач носят частный характер, т.е. с их помощью нельзя получить общую формулу для решения исследуемой задачи.
История изучения задач со свободной границей насчитывает уже около 190 лет. За это время исследователями было написано множество работ, число которых с каждым годом увеличивается, так согласно библиографическому списку, составленному Д.А. Тарзиа, до 1991 года количество работ по данной тематике насчитывает около 5689 наименований [38] включая и ряд монографий [45]. Несмотря на такую обширную литературную базу, в данной области, остается довольно много «белых пятен», связанных в первую очередь с отсутствием адекватно работающих аналитических моделей. Так, например, в литературе представлено малое число публикаций по моделям для расчета толщины слоя льда, учитывающим зависимость его теплофизических свойств от температуры, однако, такой учет необходим при работе с достаточно низкими (а особенно с криогенными) температурами.
Теплообмен при намораживание водного льда на наружной поверхности полой трубы
При эксплуатации холодильного оборудования, на поверхностях его элементов, с отрицательными температурами, работающих без теплоизоляции и погруженных в водную среду, образуется криоосадок из водного льда, термическое сопротивление которого в значительной степени оказывает влияние на теплообмен. В частности, в условиях образования водного льда могут работать: испарители тепловых насосов с подводом тепла от водной среды, криогенные газификаторы жидких криопродуктов, водоохладители, ледогенераторы различных конструкций, устройства подъема оболочковых объектов со дна природных водных бассейнов и др.
Анализ теплообмена представляет собой, в общем случае нестационарную, нелинейную теплофизическую задачу, при решении которой необходимо учитывать рост термического сопротивления криоосадка с течением времени и зависимость коэффициентов теплопроводности водного льда от температуры, при её значительных перепадах в намораживаемом слое.
Все это усложняет расчет характеристик тепло- массообмена, поэтому, большая часть расчетных методик, представляет собой либо сложный программный продукт, использование которого весьма затруднительно в расчетной практике, либо приближенное аналитическое решение с допущениями, которые не отвечают физике развития процесса, о чем свидетельствует расхождение результатов расчета с опытными данными. Таким образом, получение зависимостей, которые в наибольшей степени отвечают опытным данным и пригодны для инженерных расчетов, является важной задачей.
В настоящей работе изложены решения, подобных задач на основе признаков информационного подхода, применительно к случаям намораживания водного льда на поверхности плоской стенки, внешней и внутренней поверхности полой трубы. 2.1. Теплообмен при намораживании водного льда на поверхности плоской стенки.
Динамика роста криоосадка из водного льда определяется следующими параметрами тепло- массообмена: температурой поверхности стенки Тс, температурой воды, омывающей охлаждаемую поверхность, Тв, коэффициентом теплоотдачи от воды , а также коэффициентом теплопроводности льда . Стоит отметить, что коэффициент теплопроводности льда обычно принимают постоянным, однако при низкотемпературных режимах намораживания, следует учитывать температурную зависимость , игнорирование которой может привести к существенной погрешности в расчетах.
Рассмотрим случай намораживания водного льда из пресной воды на поверхности плоской стенки, охлаждаемой изнутри и погруженной в водную среду (Рисунок 2.1).
Для нахождения распределения температур в слое образуемого льда, необходимо решить, в общем случае, нелинейное дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье, которое для одномерной задачи имеет вид [46]: от дХ дТ дХ л(Т) (2.1) где: Сp(Т) - удельная теплоемкость водного льда, зависящая от температуры Дж/(кгС); - текущее время, с; Х - пространственная координата; -плотность льда, кг/м3; Т - температура в слое намораживаемого льда, К; Я(Т) -теплопроводность водного льда, зависящая от температуры, Вт/(мС).
Для решения задачи необходимо принять краевые условия, а также известные зависимости теплопроводности и удельной теплоемкости водного льда от температуры.
Плотность водного льда с понижением температуры увеличивается незначительно, и ее можно принять постоянной, р = 917 кг/м3, что не приведет к существенным погрешностям.
Так как удельная теплоемкость водного льда имеет слабую зависимость от температуры и почти в два раза меньше чем у воды, можно без опасения большой погрешности, учесть переменность удельной теплоемкости Cp(T) введя среднее по температуре значение: Ср(T) = СрТф — = С1Т (2.2) ф где: СрТф - удельная теплоемкость льда при температуре таяния Тф; Соразмерная константа, Сх = 7,97 Дж/кгС2. Закон изменения тепловодности водного льда от температуры представлен в виде эмпирического соотношения гиперболического типа, этот случай был рассмотрен в первой главе (1.7) и имеет вид: Л=Т (2.3) где: К- размерная константа, К=615,34 Вт/м, Т- текущая температура, К. Подставляя выражений (2.2) и (2.3) в нелинейное дифференциальное уравнение теплопроводности (2.1), получаем:
Намораживание водного льда на внешней поверхности трубы
Опытный стенд (Рисунок 3.1) состоит из емкости для воды 1, изготовленной из прозрачного органического стекла толщиной 10 мм, объемом 230 л, элемента эмитирующего плоскую стенку 2, закрепленного внутри емкости 1 с помощью крепежных элементов 3. А так же датчики температур, для измерения температуры поверхности стенки 5 и для определения профиля температур внутри слоя льда 6.
Схема элемента моделирующего плоскую стенку, представлена на Рисунке 3.3. Устройство состоит из алюминиевого листа 1 толщиной 0,3 мм и диаметром 35 мм, с закрепленными на нем бортами 2, изготовленными из пенопласта. Алюминиевый лист 1 и пенопластовые борта 2 герметично соединены между собой и образуют емкость, для низкотемпературного хладоносителя 6 объемом 3,5 л.
Схема элемента эмитирующего плоскую стенку. 1–алюминиевый лист, эмитирующий плоскую стенку; 2–ограждение элемента; 3–мост для крепления измерительных устройств на элементе; 4–штифт для крепления термопары; 5–линейка с мерной шкалой; 6–низкотемпературный хладоноситель; 7– отверстия для крепления датчиков температур. Мостом 3 служит для крепления средств измерения, таких как датчики температур и линейка 5. Измерения температуры поверхности стенке, осуществляется с помощью датчика температур, крепление, которого осуществляется с помощью деревянного штифта 4, обладающего низкой теплопроводностью. Для получения опытных данных о распределение температур в слое льда применяются два датчика закрепленных в отверстиях 7 на линейке 5, расположенных на расстояние 5 и 10 мм от поверхности алюминиевого листа. Фотографии элемента, эмитирующего плоскую стенку, представлены на Рисунке 3.4. крепление средств измерение показано на Рисунке 3.5. с закрепленными средствами измерения. В качестве средств измерения использованы: линейка с мерной шкалой, обладающая низкой теплопроводностью, для визуального наблюдения за динамикой роста криоосадка из водного льда и хромель-копелевые термопарные датчики температур ДТПL011-0.5/1.5. Темопарные датчики подключались к восьмиканальному цифровому приемнику преобразователю температур ОВЕН УКТ38-Щ4 (Рисунок 3.6).
Перед началом экспериментального исследования в бак с прозрачными стенками заливалась пресная вода. Температура воды замерялась с помощью датчика температур, на протяжении всего эксперимента.
До погружения в воду, опытный элемент захолаживали. Для этого в элемент заливали низкотемпературный хладоноситель, представляющей собой смесь 95% этилового спирта и твердой углекислоты Рисунок 3.7. Рисунок 3.7. Фотография опытного элемента, заправленного хладоносителем.
В ходе экспериментального исследования, температура поверхности стенки поддерживалась постоянной, путем добавления в низкотемпературный хладоноситель твердой углекислоты. Температура поверхности стенки определялась по закрепленной на ней термопаре. Изменение температуры стенки во время опытного исследования не превышало 5С.
Предварительное опытное исследование показало, что температура воды в баке практически не изменяется (изменения температуры воды за время проведения опыта не превышала 1С), вследствие этого основными контролируемыми параметрами являлись температура поверхности стенки и толщина слоя водного льда. Толщина слоя водного льда определялась визуально, с помощью, закрепленной на опытном элементе линейки. Так же в ходе экспериментального исследования удалось получить данные по распределению температур в слое водного льда. После окончания эксперимента опытный элемент, вместе с намороженным на нем льдом извлекался из бака, и производились дополнительные замеры толщины льда Рисунок 3.8, 3.9.
Сопоставление опытных данных по динамики роста слоя водного льда на плоской изотермической поверхности, погруженной в водную среду, с результатами теоретического расчета, а также сравнение экспериментального и теоретического профиля температур в слое водного льда приведены в главе 4.
Опытный элемент состоит из алюминиевой трубы 1, герметично закрытой с нижней стороны, диаметром 50 мм и толщиной 1,5 мм. Труба 1 крепится к металлической стойке 2 с помощью специальных зажимов 3. Для определения температуры поверхности стенки трубы, стенд оснащен хромель-копелевым термопарным датчиком (ДТПL011-0.5/1.5.) температур 6, подключенным к цифровому приемнику преобразователю температур ОВЕН УКТ38-Щ4. В верхней части трубы расположены средства измерения толщины слоя водного льда, представляющие собой линейку 5 и USB камеру 8 позволяющую снимать показания с линейки 5 во время проведения опыта. Линейка 5 и USB камера 8 крепятся, с помощью шпилек 7, к специальной крепежной полки 4, Рисунок 3.12.
Перед началом экспериментального исследования производилось включение холодильной камеры и охлаждение воды до около нулевой температуры. После выхода холодильной камеры на заданный режим, в опытный элемент, находящейся внутри камеры, заливалась охлажденная вода, и включался вентилятор. Скорость потока воздуха у поверхности опытного элемента в ходе эксперимента не изменялась и замерялась с помощью анемометра Aero Temp X-Line. В ходе проведения эксперимента измерялись следующие параметры: время, температура поверхности стенки, толщина слоя водного льда (Рисунок 3.14).
Сравнение экспериментальных и теоретических результатов по намораживанию водного льда на внешней поверхности трубы
Как уже говорилось ранее (в главе 1), подъем затопленных оболочковых объектов, содержащих экологически опасные вещества, является важной задачей для сохранения окружающей среды. Учитывая тот факт, что многие оболочковые объекты находятся на стадии высокого коррозионного износа, механический способ подъема представляется недопустимым. В этих условиям может найти применение низкотемпературная технология подъема затопленных оболочковых объектов.
Подъемное устройство состоит из криорезервуара 1, оснащенного теплоизолированными стенкам 2 и имеющего внутреннюю полостью 3, с возможностью наполнения её низкотемпературным энергоносителем. Так же устройство включает каркас-матрицу 4, с размещенными по поверхности отверстиями 5, и грузовыми креплениями 6 на краях. Патрубки 7 проходят через внутреннюю полость 3 криорезервуара 1, таким образом, что между концами патрубков и верхней стенкой внутренней полости 3 остается пространство. Патрубки жестко фиксируются в отверстиях 5 каркас-матрицы 4. На нижних концах патрубков 7 имеется внутренняя резьбовая нарезка 9, необходимая для крепления выдвижных стаканов-наконечников 10 с плоскими донышками 11 на концах. На боковой поверхности патрубков 7 расположены впускные клапаны 8, через которые низкотемпературный энергоноситель попадает внутрь патрубков 7 и стаканов-наконечников 10.
Выполнение работ под водой всегда относятся к категории высшей сложности. Методика подъема оболочковых объектов может быть следующая: перед началом подъемных работ, с помощью выдвижения стаканов-наконечников, в зависимости от формы поднимаемого объекта, осуществляется профилирование поверхности намораживания, которая должна повторять внешнюю поверхность оболочки поднимаемого объекта. Затем внутреннюю полость 3 криорезервуара 1 захолаживают, после чего криокювету подводят к затопленному оболочковому объекту 12, таким образом, чтобы между плоскими донышками стаканов-наконечников и поверхностью поднимаемого объекта оставался технологический зазор (предотвращающей механическое воздействие криокюветы на корпус поднимаемого объекта). По завершению установки подъемного устройства осуществляется его заправка низкотемпературным энергоносителем через изолированный шланг от судна заправщика. Заправка осуществляется таким образом, что патрубки 7 проходящие своими верхними концами через теплоизолированную стенку не погружаются в низкотемпературную жидкость, а их верхняя часть находится над ней, при этом срабатывают впускные клапаны 8 и низкотемпературный энергоноситель поступает в пространство патрубков 7 и выдвижных стаканов-наконечников 10. Охлаждение стаканов-наконечников 10 приводит к образованию водного льда на плоских донышках 11, который заполняет технологический зазор и образует ледяной мост, соединяющий нижнюю часть стаканов-наконечников 10 с затопленным объектом 12. По мере намораживания ледяной оболочки, сила сцепления увеличится и происходит присоединение затопленного объекта к стаканам-наконечникам по средствам ледяного моста. После завершения формирования ледяного моста, производится подъем криокюветы вместе с примороженным объектом, с помощью подъемных механизмов со дна на поверхность водоема. Подъем производится при непрерывном охлаждении ледяного моста во избежание его таяния.
Преимуществом данного метода является то, что не происходит механического воздействия на затопленный объект 12, и он извлекается на поверхность в том состоянии, в котором находился на дне. Это исключает попадание содержимого объекта в водную среду, что особенно важно, если затопленный объект содержит внутри себя опасные для среды компоненты. Кроме того по мере газификации низкотемпературной жидкости внутри подъемного устройства и образованию водного льда, конструкция приобретает положительную плавучесть. Создается выталкивающая сила способствующая отрыву затопленного оболочкового объекта 12 со дна и транспортировки его на поверхность.
Одним из наиболее значимых параметров при подъеме оболочкового объекта со дна водного бассейна, с помощью криокюветы, является время, необходимое для формирования ледяного моста.
Исходные параметры для расчета времени примораживания поднимаемого объекта: – температура воды, Тв=285 К; – температура поверхности стенки, Тс=77 К; – температура фазового перехода воды в лед, Тф=271,5 К (для слабо саленной воды); - размер технологического зазора, 6= 35 мм; - толщина стенки поднимаемого объекта 5С=3 мм; - диаметр стаканов-наконечников, d=57 мм; - расстояние между стаканами-наконечниками, h= 72 мм.
Для прочного смораживания поднимаемого объекта с поверхностью криокюветы должны соблюдаться следующие условия: температура внешней поверхности стенки поднимаемого объекта должна быть ниже температуры кристаллизации, а так же необходимо полное промораживание стенки поднимаемого объекта. Соблюдение второго условия необходимо вследствие, возможного, высокого коррозионного износа стенки поднимаемого объекта, с целью её укрепления водным льдом, для безопасного подъема объекта на поверхность.