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: 136
Скачиваний: 0
Градуировка датчиков температуры. Методика и процедура гра дуировки, требования к аппаратуре определены разработанными и утвержденными инструкциями и методическими указаниями (Л. 3-29]. На рис. 3-7 показана используемая нами схема установки для та рировки термодатчиков в диапазоне температур от +80 до —50 °С по образцовым термометрам. Она состоит из последовательно вклю ченных холодильника 1, термостата 5, криостата 6. Холодильный спирт из холодильника прокачивается через термостат по змеевику 9 в криостат. В змеевик вставлялась металлическая сетка с поме щенными в нее термодатчиками 7. Вся емкость криостата заполняет ся спиртом.
Измерение температуры в криостате проводилось образцовыми калиброванными стеклянными термометрами с ценой деления 0,1 °С. Для измерения э. д. с. термопар использовался потенциометр по стоянного тока Р-37 с зеркальным гальванометром. Для измерения термосопротивлений использовался мост постоянного тока.
Все соединительные трубопроводы изолировались шнуровым асбестом. Криостат, гермостат и холодильники дополнительно тепло изолировались распущенным асбестом слоем 8—10 см.
Процесс тарировки термодатчиков и моделей происходил сле дующим образом. Установка для тарировки термопар располагалась около вакуумного стенда. Для исключения влияния разнородных электрических контактов в компенсационных проводах тарировка проводится непосредственно в системе измерения температур ва куумной камеры (с использованием гальванометра и потенциометра этой системы). Как показал тепловой расчет установки, максималь ный расход сухого льда при тарировке составлял 4,5 кг/ч. Повышен ная точность тарировки и повторяемость результатов обеспечивались в установке благодаря равномерному температурному полю внутри змеевика и очень низким тепловым потерям криостата (при темпера
туре |
—30 °С в сосуде Дьюара |
повышение |
температуры при отсут |
ствии |
охлаждения происходило |
на 1 °С за |
30 мин). Значительный |
свободный объем термостата создавал большие удобства в работе не только с отдельными термодатчиками, но и с экспериментальными моделями.
Систематические погрешности измерения температу ры. Измерение температуры на поверхности и внутри сублимирующегося тела. Инструментальные погрешно сти измерительного комплекса (датчика и регистрирую щего или записывающего прибора) достаточно подробно изучены, а величина их обычно приводится в техничес кой документации на выпускаемый прибор, используе мый в научных исследованиях.
При контактном методе измерения температуры по верхности тела определяющее значение имеет системати ческая погрешность из-за возмущения температурного поля, вносимого датчиком в зону его расположения.
Разница между собственной температурой датчика и истинной температурой тела зависит от ряда причин. На величину погрешности измерения температуры поверх ности влияют: 1) Отличие термического сопротивления
6* |
83 |
датчика от термического сопротивления теплообмену участка поверхности, на котором располагается термо приемник; 2) разница в излучательных способностях (коэффициентах черноты) датчика и исследуемой по верхности тела; 3) влияние теплоемкости датчика при измерении нестационарных температур.
ч
а) |
б) |
|
|
|
Рис. 3-8. Способы заделки термопар. |
|
|
||
а — заделка |
термопары в лед с нарушением |
структуры |
образца; |
|
б — заделка |
без нарушения кристаллической |
структуры |
образца; |
|
б, г — заделка термопары внутри и на |
проницаемой пластине. |
|||
В зависимости от конкретных |
условий монтаж датчи |
ка температуры поверхности может осуществляться раз личными способами, при этом расчет погрешности изме рения существенно зависит от выбора схемы крепления или метода установки термодатчика, обеспечивающего надежный контакт, см. |[Л. 3-11, 3-12, 3-15]. Характерные случаи измерения стационарных и нестационарных тем ператур поверхностей твердых тел и методы компенса ции погрешностей рассмотрены в [Л. 3-15, 3-36].
Подробные сведения о кинетике теплообмена различ ных датчиков и расчета измерения температуры газов и жидкостей содержатся в ]Л. 3-5, 3-36].
Установка термодатчиков (термопар) внутри и на по верхности сублимирующихся тел (льда) или капилляр но-пористых тел имеет свои специфические особенности по сравнению с традиционнымиметодами [Л. 3-36].
При заделке термопар в лед пользуются двумя ме тодами: заделкой термопар с нарушением кристалличе ской структуры льда и заделкой без нарушения кристал-
84
лической структуры (рис. 3-8,а, б). В первом случае тер мопара 1 опускается в просверленное в образце льда 2
отверстие, |
которое заливается водой и затем вместе |
с образцом |
замораживается или в холодильнике или |
в вакуумной камере. Заделка термопар без нарушения кристаллической структуры льда представляет собой на мораживание льда 2 на термопарах 1 внутри цилиндри ческого кольца или прямоугольника из органического стекла 3.
Заделка термопар с нарушением структуры образца используется практически во всех способах энергопод вода при исследовании процессов сушки тел в заморо женном состоянии, тепло- и массообмена при сублима ции в вакууме и других процессов. Однако второй спо соб заделки термопар, исключающий нарушение струк туры образца, имеет несомненное преимущество.
Некоторые формы заделки термопар внутрь прони цаемой пластины 4 и на ее поверхность показаны на рис. 3-8,в и г. Внутрь проницаемой пластины термопара вставлялась через стеклянную соломку, смазанную эпок сидной смолой. На поверхность проницаемой пластины термопара или припаивается или приклеивается эпок сидной смолой.
Следует заметить, что при нарушении структуры тела и заполнении просверленного отверстия водой, которая затем замерзает, образуется цилиндрический столб. Этот цилиндрический столб может представлять как бы мак рокапилляр, сублимация влаги из которого может отли чаться от ее сублимации в зонах тела с ненарушенной структурой, и термопара может давать неправильную информацию о его температурном состоянии.
Измерение нестационарных температурных полей внутри пленочной модели показало, что при проходе ко рольком термопары фронта сублимации температура за метно меняется. Параллельно с замером нестационарно го поля температур зоны сублимации на пленочной модели нами проводилась макрофотосъемка королька термопары. Было замечено, что сама поверхность термо пары является центром кристаллизации льда (рис. 3-9). Сублимация влаги (льда) с поверхности термопары, по мещенной, например, в сушимые растительные или жи вотные ткани (образцы), происходит несколько позднее, чем из соседней области пористого каркаса, где находит ся королек термопары. При этом термопара фиксирует
85
1
прохождение фронта (зоны) сублимации с некоторым запаздыванием, и ее показания могут дать искаженную
во времени характеристику температурного поля внутри образца.
Это подтверждает необходимость при исследовании процессов сублимации комплексного использования со временных методов замера нестационарных полей тем ператур, полей давлений и макрофотографии.
Рис. 3-9. Кристаллизация льда на термопаре внутри пленочной модели.
Схемы измерения нестационарных температур. При исследованиях полей температур в процессах тепло- и массообмена в вакууме в основном используется класси ческий компенсационный метод [Л. 3-5]. Этот метод обеспечивает высокую точность отдельных измерений, но не дает возможности полностью выявить динамику процесса фазового перехода (например, исследовать на чальную стадию нестационарного процесса сублима ционной сушки).
В [Л. 5-8] компенсационный метод измерений со вмещался с методом автоматического контроля темпера тур. Изменение температур в экспериментальном образ це в этом случае, как это показано на схеме рис. 3-10, непрерывно записывалось на потенциометре ЭПП-09 и периодически контролировалось по компенсационной ехе-
86
Me па потенциометре P-37. Так, например, начальная стадия сублимационной сушки регистрировалась потен циометром ЭПП-09, стадия постоянной скорости совме стно ЭПП-09 и компенсационным методом.
Сигнальные термопары. Для определения поля тем ператур в слое льда вблизи нагретой двигающейся стен ки в процессе его сублимации в вакууме :[Л. 4-4] исполь зовалась специальная сигнальная система (рис. 3-11). Королек термопары-3, заделанный в поликристалл льда
2, изгибался в направлении движущейся нагреваемой стенки 1.
Рис. 3-10. Совмещенная схема |
Рис. 3-11. Устройство сигналь- |
|
измерения |
нестационарных |
ной термопары, |
температурных |
полей в ва |
|
кууме. |
|
|
1 — образец; 2 — коммутационная колодка для переключения термо пары; 3 — хромель-копелевые ком пенсационные провода; ПМТ — пе реключатель термопар.
Поверхность стенки 1 изготавливалась из тонкой меди. Один из компенсационных проводов термопары 3 присоединялся к сигнальной системе, состоящей из лам почки Л, батареи Б и тумблера Т. Другой конец сиг нальной системы подсоединялся к нагреваемой медной стенке 1. При определении толщины сублимирующегося слоя льда сигнальная система работала следующим образом: как только термопара 3 приближалась к стен ке 1 (по мере сублимации и выхода термопары из льда), она фиксировала увеличение температуры, которая со хранялась постоянной только вблизи стенки, и в этот момент включалась лампочка Л.
87
Фиксируя по секундомеру время начала и конца из менения температур и зная по контрольной стрелке 4 продвижение границы сублимации (стенки), можно определить толщину сублимирующегося слоя льда.
Измерение полей температур в разреженном газе над поверхностью сублимации. Измерение поля темпера тур разреженного газа над поверхностью сублимации представляет сложную экспериментальную проблему, решение которой особенно затруднено наличием внеш них неконтролируемых радиационных потоков (источни ков тепла). Этими источниками могут являться не толь ко генератор лучистой энергии при терморадиационном подводе тепла, но и любые элементы вакуумной уста новки и контрольно-измерительной аппаратуры (стенки вакуумной камеры, вводы и крепления датчиков, оптиче ские стекла для наблюдения и т. п.), температура кото рых больше температуры насыщения водяного пара при заданном вакууме в камере.
Особенно большую погрешность в измерения темпе ратур разреженного газа вблизи поверхности сублима ции вносит радиационный поток от генератора лучистой энергии (при терморадиационном способе подвода теп ла). Поэтому исследование полей температур в разре женном газе над поверхностью сублимации нами про водилось для условий контактного энергоподвода и не прерывного процесса сублимации над проницаемой поверхностью, через поры которой происходило истече ние водяного пара вследствие сублимации внутри нее льда. В этом случае к металлокерамике снизу непрерыв но подавалась вода, которая превращалась в лед, а лед в пар. Подробно эти процессы рассмотрены в гл. 5. Для этих условий нами разработан метод измерения скачков и полей температур над проницаемой водяным паром поверхностью в случае малых радиационных потоков тепла.
Как показывает анализ термодинамической обста новки изучаемого процеса, на термодатчик, помещен ный в поток разреженного газа над проницаемой по
верхностью, действует тепловой поток' |
|
Q— qm + qm + qv, |
(3-1) |
где qni—filTcY — радиационный поток тепла от стенок вакуумной камеры; <7я2=ЭД7п]4— радиационный поток тепла от проницаемой поверхности; <7 »=/з{р(х); ѵ(х)} — «динамическая» компонента потока тепла, вызванная те-
88
чением разреженного газа через поры проницаемой по верхности в окружающую среду (в вакуумную камеру); Тс — температура стенки вакуумной камеры; Тп— тем пература поверхности проницаемой пластины; р(х) — плотность потока пара над проницаемой пластиной; ѵ(х) — скорость пара над проницаемой пластиной; л: — координата.
Рис. 3-12. Экспериментальная установка для измерения температу ры над проницаемой пластиной при сублимации льда.
/ — проницаемая пластина; 2 — магистраль подачи |
воды; |
3 — емкость; |
4 — |
|||||||
дифференциальная термопара; 5 — непроницаемая пластина; |
6 — термопара |
на |
||||||||
поверхности |
проницаемой пластины; |
7 —термопара |
на поверхности |
непрони |
||||||
цаемой пластины; |
8 — термопара |
радиационного |
потока; |
9 — потенциометр |
||||||
ЭПВ-12, задатчик температуры; |
10 — стенка вакуумной камеры; // — шток |
|||||||||
установки |
для |
микроперемещений; |
12 — экран; |
13 — холодильный |
агрегат |
|||||
ФАК-1; 14 — датчик |
парциального |
давления насыщенного |
пара; |
15 — много |
||||||
корольковая |
термопара. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Как показали наши эксперименты [Л. 5-3, 5-4] и экс |
||||||||||
перименты |
![Л. |
5-2], при изменении |
вакуума |
от |
1 |
до |
ІО-3 мм рт. ст. температура поверхности проницаемой пластины в случае малых диаметров пор не зависит от тепловой нагрузки и вакуума и устанавливается близкой
к О °С.
Как видно из уравнения (3-1), чтобы измерить истин ную температуру разреженного газа над проницаемой поверхностью, необходимо уменьшить до нуля qRl и qRZ. Это было достигнуто путем разработки специальной ме
89