Файл: Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 130
Скачиваний: 0
(рис. 3-3,а), в котором компенсационные провода протаскивались через вакуумную резину и поджимались ин дивидуальными миниатюрными фланцами. Гермоввод ра ботал надежно до давлений ІО-5 мм рт. ст., если темпе ратура наружной поверхности вакуумной камеры не пре вышала 20—30 °С.
Слаботочный ввод, изображенный на рис. 3-3,6, удо бен для вывода концов термопары из вакуумного объ
ема, так как в этом слу |
|
|
|
|
|||||||
чае |
соединения компенса- |
|
|
|
|
||||||
ционных |
проводов |
с |
тер |
|
|
|
|
||||
мопарой |
находятся |
вне |
|
|
|
|
|||||
вакуумной |
полости. |
Та |
|
|
|
|
|||||
кая |
конструкция |
обосно |
|
|
|
|
|||||
вывается |
еще |
и тем, |
что |
|
|
|
|
||||
все контакты, находящие |
|
|
|
|
|||||||
ся |
внутри |
объема, неиз |
|
|
|
|
|||||
бежно |
подвергаются |
на |
|
|
|
|
|||||
греву за |
счет |
теплоизлу |
|
|
|
|
|||||
чения. |
При |
этом образу |
|
|
|
|
|||||
ется «паразитная» |
э. д. с., |
|
|
|
|
||||||
вносящая |
|
существенные |
|
|
|
|
|||||
ошибки |
в показания |
тер |
|
|
|
|
|||||
мопары. Вынесение места |
|
|
|
|
|||||||
соединения |
|
компенса |
Рис. 3-3. Слаботочные термопар |
||||||||
ционных |
проводов |
с тер |
ные гермовводы. |
|
|||||||
мопарой |
из |
области, |
под |
а — гермоввод |
через индивидуальный |
||||||
фланец; |
б— разъемный гермоввод |
для |
|||||||||
вергающейся |
теплоизлу |
проводов |
термопары; 1 — провод; |
2 — |
|||||||
уплотнение; |
3 — вставка; 4, 5 — про |
||||||||||
чению, т. е. из вакуумно |
кладки. |
|
|
|
|||||||
го объема, устраняет |
эти |
|
|
|
|
ошибки. Проводник 1 на рис. 3-3,6 уплотняется резино вым уплотнителем 2. Корпус ввода изолирован от стен ки вакуумной камеры изоляционными втулками 3 и уплотнен резиновым уплотнителем- 5, деформация кото рого ограничена керамическим кольцом^.
Сильноточные вводы служат в основном для подвода электроэнергии к нагревательным элементам, располо женным внутри вакуумного объема. Для исключения нагрева свыше допустимой температуры сильноточные вводы охлаждаются водой. Практически вводы, предна значенные для пропускания тока свыше 100 а, должны иметь водяное охлаждение. Площадь поперечного сече ния водоохлаждаемого электрического 'ввода должна быть такой, чтобы плотность тока не превышала Юа/мм2.
71
Без охлаждения допустимая плотность |
тока для |
меди |
|
не должна превышать 3 а/мм2, а для |
стали |
марки |
|
Х18Н10Т— 1 а/мм2. Стенка вакуумного |
объема, |
грани |
|
чащая с вводом, |
предназначенным для пропускания |
||
переменного тока, |
также должна охлаждаться |
водой, |
так как в ней выделяется значительное количество те пла. Плотность тока в месте контакта токопровода и ввода должна быть не более 2 а/мм2, а в случае охлаж даемого токопровода допустимая величина плотности тока может быть увеличена до 5 а/мм2. Высоковольтные вводы применяются при напряжении свыше 250 в. Их лучше всего изготовлять с использованием керамических изоляторов. В случае напряжения больше 1500 в кера мический изолятор делается ребристым для увеличения протяженности изолирующей поверхности.
Сильноточные токовводы и слаботочные вводы тер мопар во избежание возможных наводок необходимо монтировать на значительном расстоянии друг от друга в экранированном кабеле.
Высокочастотные вакуумные вводы чаще всего при
меняются |
для подвода тока |
высокой частоты (свыше |
1 500 гц) |
от высокочастотного |
генератора к индуктору, |
помещенному в вакуумном объеме. Высокочастотные вводы для уменьшения потерь высокочастотной энергии, как правило, выполняются коаксиальными и охлаждают ся водой.
Различные типы конструкций гермовводов рассмотре
ны в [Л. 3-28]. |
механического |
движения |
Устройства для передачи |
||
в вакуумный о б ъ е м Перенос |
механического |
движения |
в вакуумный объем в настоящее время является одной из сложных и наиболее важных технических задач при исследовании процессов тепло- и массообмена в вакууме. С его помощью осуществляются, например, перемещение экспериментального образца при микро-, макрокинофото съемке, перемещение излучателей, датчиков температур, давлений над поверхностью, управление процессом взве шивания и т. п.
Существуют многочисленные способы переноса дви жения в вакуум при помощи резиновых шлангов и рези новых пробок. Однако эти способы пригодны в основном при низких давлениях, так как они не гарантируют гер метичность камеры.
1 Подробные данные приведены в (Л. 3-28],
Тенденция развития конструктивных разработок устройств, осуществляющих перенос движения в ваку ум, в настоящее время направлена на получение посту пательно-вращательного движения по трем координатам. На рис. 3-4 показаны устройства, осуществляющие эти перемещения. На рис. 3-4,а представлено устройство, по зволяющее перемещать образец вдоль осей Х и Y в установках, требующих отсутствия газовыделений. На
z
Рис. 3-4. Установки для микроперемещений образца в вакууме: по осям X, Y (а) и по осям X, Z (б).
рис. 3-4,6 — аналогичное устройство, позволяющее пере мещать образец в вакууме вдоль X и Z.
В весьма интенсивных процессах тепло- и массообмена в вакууме, когда эффекты газовыделения со стенок вакуумной камеры и экспериментальной модели играют незначительную роль, может быть использована установ ка для микролеремещений, представленная на рис. 3-5. Установка фиксировала положение любого закреплен ного на ней датчика в двух пространственных коорди натах: по вертикали с точностью 0,5 мм и по горизон тали— 1 мм. Заданная точность перемещения и фикса ции датчика в пространстве определялась использованием механических анемометров в комплекте с редукци онными передачами и электродвигателями с низким на пряжением питания (17= 27 в); у двигателей, рассчитан ных на напряжение 427, 220 в, происходил пробой изо ляции.
73
/ — рельсы; 2 — механические анемометры; 3 |
— плата |
установки; 4 — двига |
тель; 5 — штанга для крепления датчиков; 6 — |
ползун; |
7 — двигатель. |
3-2. ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО - И МАССООБМЕНА В ВАКУУМЕ
Прибор (измерительный комплекс), предназначенный для исследо вания какого-либо тепло- и массообменного параметра, состоит из трех основных частей: воспринимающего элемента (датчика), реги стрирующего или записывающего устройства и передающего устрой ства.
74
Общими условиями выбора приборов и датчиков для измерения температур, скоростей, давлений и расходов при проведении научноисследовательских работ являются чувствительность, надежность и точность измерений (для исследования процессов тепло- и массообмена необходимо применять измерительные приборы класса точ
ности 0,5—0,2). При исследовании |
процессов сублимации специфика |
и условия эксперимента зачастую |
не позволяют непосредственно |
использовать типовые приборы. В этих случаях в зависимости от требуемой точности подбираются или создаются датчик и регистри
рующий |
прибор, а при необходимости и измерительный комплекс |
в целом. |
Результаты экспериментального .исследования должны со |
провождаться тщательным анализом систематических и случайных погрешностей измерений.
3-3. ИЗМ ЕРЕНИЕ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ В ОБЪЕМЕ ВАКУУМНОЙ КАМЕРЫ
Измерение вакуума охватывает область давлений от 760 мм рт. ст. до самых низких достигаемых в настоя щее время давлений .порядка ІО-14 мм рт. ст. Для такого большого диапазона универсального метода измерения не существует.
В области относительно высоких давлений непосред ственно измеряется давление, которое создается части цами газа на стенки сосуда. Для таких измерений при меняют мембранные и жидкостные манометры. При давлениях ниже 1 мм рт. ст. метод непосредственного измерения давления непригоден, так как силы молеку лярного давления газа настолько малы, что датчики ста новятся нечувствительными к их воздействию. Поэтому для измерения низких давлений применяются приборы, основанные на различных физических методах.
Сравнительно высокую точность измерения вакуума от 10 до ІО-5 мм рт. ст. дают компрессионные маномет ры. Для измерения из вакуумной камеры этим прибо ром отбирается некоторый объем газа, который затем сжимается, и по остаточному объему (высоте в апендиксе) определяется остаточное давление или вакуум в аппа рате. Эти приборы используются для тарировки вакуум метров других типов. В табл. 3-1 приведены различные типы вакуумных манометров. Они сопоставлены по диа пазонам измеряемых ими давлений и погрешностям из мерений.
Рабочие диапазоны показаний манометров и вакуум метров зависят от рода газов. Это может вносить боль шую неуверенность при измерениях, так как состав газа в откачиваемом объеме большей частью неизвестен; в то
75
Т а б л и ц а 3-1
Типы вакуумных манометров абсолютного давления
[Л. 3-4]
Манометр
Грузопоршневой U-образный Компрессионный Радиометрический Термомолекулярный Мембранный Теплоэлектрический В-Т
Электронный ионизационный ВИТ-1
ВИТ-ІА ВИТ-3
Магнитный электроразрядный
ВМЬ-1
ВМБ-2 ВМБ-3 ММБ-5 ВМБС-1
Радиоизотопный ионизационный
Пределы изме |
Относительная |
||
рения, мм pm. cm. |
среднеквадрати |
||
|
|
|
ческая погрешность |
|
750—1 |
0,02—1,0 |
|
|
750—1 |
0,02—1,0 |
|
|
10—10- = |
1—3 |
|
|
10"*—10~« |
5—10 |
|
|
ю -* — |
10-’ |
2—7 |
|
750— |
10-* |
0,3—1,5 |
|
Ю—іо-* |
10—50 |
|
|
1 • іо —* |
5—50 |
|
|
1 0 -'— |
10 -1« |
|
|
1 0 -'—ІО-« |
|
|
|
10- ' —і о - 9 |
|
|
|
10-»—і о - * |
20—100 |
|
00 |
1— |
10-'* |
|
«е 1 0 CN 1 1 О |
|
||
|
ч* |
|
|
|
10—5-10-» |
|
|
2 -10 -2—М О -« |
|
||
|
1 0 -'—Ю- = |
|
|
|
1—іо-« |
5—10 |
|
|
750— |
10-* |
П р и м е ч а ни е. Буквенно-цифровым индексом обозначены отечественные ва куумметры. ,
же время градуировочные постоянные для различных газов часто сильно отличаются друг от друга. Дальней шими источниками ошибок могут быть выделение или поглощение газа электродами или стенками маномет ра, старение нити датчика и т. п. Более подробно об этом говорится при описании различных методов изме рения давления в [Л. 3-3, 3-4, 3-23, 3-35].
Необходимо указать, что измерение вакуума невоз можно проводить с той же точностью, какая достигает ся во многих других областях измерительной техники. Однако очень часто бывает достаточно знать хотя бы порядок величины давления. В области низких остаточ ных давлений измерения вакуума, при которых получа ется ошибка в 2 раза, можно уже считать достаточно точными. Более точные абсолютные измерения возможны лишь при большей тщательности и больших затратах труда и времени. Поэтому рекомендуется пользоваться по меньшей мере двумя манометрами, работа которых
76
основана на различных принципах. Относительные изме нения давления можно определять, конечно, со значи тельно большей точностью.
При исследовании процессов сублимации остаточное давление в сублиматоре нами контролировалось по ме тоду психрометрической точки (температуры насыщения водяных паров).
Определение психрометрической точки при исследо вании процессов тепло- и массообмена производится сле дующим образом. В вакуумную камеру устанавливался небольшой сосуд Дьюара с водой (или льдом), в центре которого укреплялась термопара. Сосуд Дьюара поме щался в кожух из фторопласта, и теплоприток внутрь сосуда был сведен к минимуму. При создании вакуума в сублиматоре находящаяся в сосуде Дьюара вода (лед) замерзала и принимала температуру насыщения, соот ветствующую парциальному давлению водяного пара
всублиматоре. Температура воды (льда) в сосуде из менялась в соответствии с изменением интенсивности процесса тепло- и массообмена и колебаниями вакуума
всублиматоре. Контроль и замер психрометрической
точки осуществлялись параллельно со всеми теплофизи ческими характеристиками при исследовании процессов тепло- и массообмена в вакууме.
Измерение локальных давлений в сублимирующемся материале и в среде разреженного газа. Эти измерения необходимы, например, для определения градиентов дав ления внутри пористых тел, помещенных в вакуумную камеру, при исследовании характеристик потока газов малой плотности, пограничного слоя вблизи поверхности сублимации и т. л.
В качестве прибора для этих целей используются дифференциальные U-образные манометры, а датчиками являются обычные медицинские инъекционные иглы диа метром 1—2 мм.
Конструкции Uобразных манометров. Общие вопросы теории
U-образных дифференциальных манометров освещены в [Л. 3-3, 3-4, 3-23].
Рассмотрим основные погрешнрсти этих приборов, вызываемые следующими причинами: 1) неточностью отсчета разности уровня рабочей жидкости в коленах манометра; 2) изменением плотности рабочей жидкости при изменении ее температуры; 3) неточностью принятого в расчет значения ускорения силы тяжести; 4) влиянием капиллярных сил на уровни жидкости в трубках маноіметра; 5) нерав номерностью сечения трубок манометра по высоте; 6) наклоном отсчетной шкалы относительно трубок манометра.
11