Файл: Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме.pdf

отдельными механизмами, установленными в камере мо­ делями и отдельными измерительными приспособлениями (так как доступ к модели в процессе эксперимента ис­ ключен). Самопишущие и указывающие измерительные приборы должны быть высокого класса точности, с ком­ пактными датчиками. Камера должна быть таких раз­ меров, чтобы в нее можно было устанавливать соответ­ ствующие модели. Стенки вакуумной камеры должны быть термостатированы. Камера должна иметь специ­ альные оптически прозрачные окна для фото- и кинема­ тографических наблюдений за процессом сублимации. Вакуумные и конденсатные устройства должны обеспе­ чивать быструю эвакуацию сублимирующихся паров

г И Т . п .

Рассмотрение вакуумных стендов советских и зару­ бежных исследователей показывает, что многие, экспери­ менты по сублимации льда и различных веществ в вакууме проводились до последнего времени на вакуум­ ных стендах, мало отвечающих вышеперечисленным тре­ бованиям теплофизического эксперимента. В большин­ стве случаев вакуумная камера, в которой проводились исследования, представляла собой стеклянный или ме­ таллический цилиндрический колпак с конденсатором, вымораживающим пары, расположенным снаружи «ли непосредственно внутри этого колпака.

Необходимость термостатирования стенок вакуумной камеры диктуется требованиями исключения неконтро­ лируемых радиационных потоков от них на эксперимен­ тальный образец. Величина этих потоков может быть особенно значительной в случае малоинтенсивного энер­ гоподвода. В настоящее время опубликован ряд работ,

вкоторых исследования проводились с термостатированием стенок вакуумной камеры. Результаты, полученные

вэтих экспериментах, безусловно, более достоверны и пригодны для непосредственного сопоставления.

Устойчивый вакуум в рассмотренных установках при сублимационной нагрузке составлял только от 1 до 1 • ІО-2 мм рт. ст. Это ограничивало область исследова­ ний, так как, например, молекулярно-вязкостный, режим течения у поверхности исследуемого образца возникает при общем вакууме от ІО"1 до 5* 10у3 мм рт. ст., а моле­ кулярной — при вакууме выше 5-10~3 мм рт. ст.

Коммуникации трубопроводов создавали в этих уста­ новках' значительные гидравлические сопротивления, по-

66

* §13!

co H

О

Рис. 3-2. Внешний вид высоко-вакуумной установки.

этому часто делался ошибочный вывод, что интенсив­ ность процесса сублимации в основном определялась перепадом давления между конденсатором и вакуумной камерой. Маломощные механические вакуумные насосы и малоэффективные вакуумные конденсаторы не позво­ ляли при повышении расходной нагрузки поддерживать в камере стабильный вакуум. Незначительные размеры стеклянных колпаков вакуумных камер затрудняли про­ ведение весовых измерений; в установках с металличе­ скими колпаками невозможно было проводить визуаль­ ные исследования (фотокиносъемку). ѵ.

Современные задачи исследования процессов субли­ мации требуют проведения экспериментов при стабиль­ ном вакууме до ІО-5—ІО“6 мм рт. ст. с одновременным

обеспечением точных замеров теплофизических парамет­ ров.

На рис. 3-1 показан высоковакуумный стенд для ис­ следования процессов тепло- и массообмена в широком

68

генного конденсатора позволяла вымораживать пары исследуемых веществ до очень низких давлений. Для подвода электрического напряжения во время экспери­ мента и для различных теплотехнических измерений вакуумная камера снабжалась двумя 45-штырьковыми герморазъемами и 12 индивидуальными вводами. Инди­ видуальные вводы предусматривались для теплофизиче­ ских замеров, требующих особой точности и надежности (например, для ввода термопар), или ввода различных исследуемых жидкостей внутрь камеры и т. п.

Для проведения кинофотосъемки вакуумная камера была снабжена тремя смотровыми окнами диаметром 200 мм из стекла ЛК-8, расположенными друг относи­ тельно друга под углом 90°. Такое расположение смот­ ровых окон позволяло наиболее удобным способом организовать подсветку объектива и кинофотосъемку. Измерение вакуума в камере производилось приборами типа ВИТ-1 и ВИТ-1А.

Внешний кожух камеры был теплоизолирован, а внут­ ренние стенки могли термостатироваться до темпера­ туры от —Ю до—30 °С с помощью холодильной установки ФАК-1. Вакуумная камера своим торцом стыко­ валась с вакуумным агрегатом ВА-8-4. Вакуумный агре­ гат ВА-8-4 обеспечивал с азотной ловушкой предельный

при скорости откачки до 4 000 л/сек.

Вакуумный агрегат ВА-8-4 соединялся одним трубо­ проводом с бустерным насосом БН-3, другим трубопро­ водом через цилиндрическую ловушку с форвакуумным насосом ВН-1-МГ. Такое соединение вакуумного агрега­ та с вакуумными насосами необходимо для правильно­ го включения всех насосов. С другой стороны — оно по­ зволяло при вакууме до 10~3 мм рт. ст. проводить экс­ перименты с одним вакуумным насосом ВН-1-МГ. Цилиндрическая ловушка перед вакуумным насосом ВН-1-МГ заполнялась низкотемпературным веществом (например, сухим льдом со спиртом). Бустерный насос БН-3 имел скорость откачки 450 л/сек при значении ва­ куума ІО“3 мм рт. ст. Форвакуумный насос ВН-1-МГ имел скорость откачки 18,6 л/сек и предельный вакуум 8 • ІО-3 мм рт. ст.

Для создания вакуума до 10_6 мм рт. ст. включение агрегатов установки производилось в следующем поряд-

69

Ке. Объемы насосов БН-3 и ВА-8-4 через вейтмь отка­ чивались механическим насосом до вакуума порядка ІО-1—ІО-2 мм рт. ст. Затем включались нагреватели диф­ фузионных насосов с предварительной подачей к ним охлаждающей воды. После разогрева паромасляных на­ сосов, примерно через 1 ч, закрывалась система венти­ лей и производилась откачка камеры до вакуума ІО-2 мм рт. ст., и, наконец, закрывались вентиль и ва­ куумный затвор ВА-8-4 и открывался вентиль на маги­ страли механического насоса. Тем самым устанавлива­ лось окончательное рабочее положение агрегатов.

Управление положением вентилей, насосов установки и система сигнализации сосредоточены на пульте управ­ ления. Здесь же предусмотрены необходимые блокиров­ ки, предохраняющие оператора от неправильной после­ довательности включения и выключения агрегатов.

Регулирование вакуума в камере производилось натекателем или заслонкой на коммуникации к насосу ВН-1-МГ. Камера, соединительные трубопроводы, кон­ струкция гермовводов и вакуумных соединений и прочие элементы установки выполнены в соответствии с совре­ менными требованиями вакуумной техники.

Оборудование вакуумных установок (вакуумные ка­ меры, ловушки, насосы и т. п.), коммуникационная аппа­ ратура (вентили, устройства аварийного перекрытия тру­ бопровода, золотники, натекатели и т. п.) и расчет ва­ куумных систем даны в :[Л. 3-28].

Электрические вакуумные гермовводы. Во внутрен­ них объемах сублимационных вакуумных установок мо­ гут находиться нагревательные элементы, различные датчики и иные устройства, требующие применения элек­ трических вводов. При измерении температур в условиях вакуума перепады температур между термоэлементом, находящимся в экспериментальном образце, и окружаю­ щей средой (вне вакуумной камеры) весьма значитель­ ны. Поэтому утечки тепла по компенсационным прово­ дам составляют существенную величину. При этом сле­ дует заметить, что необходимость использования различного рода герморазъемов нарушает структуру компенсационного провода и создает источник неравно­ мерной и изменяющейся температуры гермоввода. Это вносит порой существенную ошибку в измерение темпе­ ратуры. В наших работах использовался слаботочный термопарный гермоввод через индивидуальный фланец

70