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: 143
Скачиваний: 0
Ш. |
Область молекулярного режима течения пара: |
2- |
ММ рт. С Т 1^,К'П. |
Впроведеңных экспериментах показано, что, начиная
счисла Кп=10~3, определяющего отношение длины сво бодного пробега к диаметру крыльчатки анемометра, по является эффект молекулярного скольжения. Эффект
молекулярного скольжения определяется проскальзыва
нием молекул пара относительно лопаток крыльчатки анемометра.
При этом молекулы набегающего потока отдают только часть своей энергии вращающимся поверхностям
анеТиометра, сохраняя некоторую составляющую скоро сти.
С повышением вакуума (от 0,1 мм рт. ст.) относи тельное число молекул, проскальзывающих вдоль лопа
ток анемометра, |
увеличивается. - При |
К п> 1 (pK<g;2X |
ХІО-3 мм рт. ст., |
диаметр диска турбинки айемометра |
|
6 мм) устанавливается молекулярный |
режим течения, |
определяющийся скольжением большинства молекул по тока пара на лопатках крыльчатого анемометра. Это приводит к тому, что кривая ti = f(p) не изменяется с дальнейшим увеличением вакуума. Расчет средней ско
рости пара производится по формуле (3-6). |
|
|
Как показали |
расчеты, еще до наступления |
режи |
ма течения пара, |
характеризующегося числом |
Кп1>1, |
екорость в потоке приобретает величину, равную ско рости звука а = 405 м/сек. Чувствительность крыльчатого анемометра представлена кривой, определяющей на чальную частоту вращейия п микротурбинки анемометра и соответствующей скорости вощения от вакуума. Та ким образом,, получение информации об абсолютной средней скорости потока газа с помощью крыльчатого анемометра в вакууме ограничено условиями существо вания потока со скольжением (Кп«;10—3) и .может быть рекомендовано только в области континуального потока
газа (в |
рассмотренной |
конструкции до вакуума |
10 1мм рт. |
ст.). В области |
І ^ К п ^ І О -3, помимо разви |
вающегося эффекта скольжения на лопатках-микротур бинки в используемом методе тарировки, применение крыльчатого анемометра ограничивается звуковыми ско ростями пара и возможностью. существования скачков уплотнений. Однако в области чисел Кп>-10~3, как пока зали ^исследования, есть основание использовать крыльчатый анемометр как качественно-регистрирующее уст-
100
ройство наличия в вакууме потоков больших скоростей. Как показали эксперименты, рассмотренные типы крыльчатых анемометров могут использоваться и для измерения низкочастотных пульсаций потока пара.^ Исследования крыльчатого анемометра на специальном модуляторе низкочастотных колебаний потока пара в вакууме дали возможность, определить его частотную
характеристику.
Рассмотренными конструкциями крыльчатых анемо метров можно проводить измерения низкочастотных пульсаций скорости пара в пределах, от 1 до 50 гц.
Рис. 3-19. Датчики термоанемометра.
а — проволочный; б — проволочный с напаенной термопарой; в — с полимерной пленкой на стеклянной насадке; г —проволочный датчик со свободной термо парой; д— микротерморезистор.
Термоанемометры. Термоанемометр — прибор, действйе которого основано на охлаждении в газовом потоке тонкой платиновой, воль фрамовой или какой-нибудь другой проволоки или . полимерной пленки, являющейся датчиком импульса соответствующей электриче ской схемы и регистрациисилы тока, сопротивления либо разности
потенциалов на концах этой проволоки.
Датчики термоанемометров. В настоящее время 'разработано большое количество разнообразных по конструкциям и областям применения датчиков для термоанемометров. Они могут подразде ляться на проволочные и пленочные датчики; последние обладают
у> |
101 |
большой чувствительностью й в некоторых случаях могут работать
без |
усиления |
импульса, что делает схему измерений более простой |
и надежной. |
Для загрязненных или двухфазных потоков (газ — твер |
|
дые |
частицы) |
могут применяться датчики с тлеющим разрядом. На |
рис. 3-19 представлены некоторые конструкции проволочных и пле
ночных |
датчиков. |
На |
рис. 3-19,г |
приведена |
конструкция |
дат |
|||||||||
|
|
|
|
|
чика с |
|
термопарой, |
используемая |
|||||||
|
|
|
|
|
автором |
для |
одновременного |
за |
|||||||
|
|
|
|
|
мера |
скорости |
и |
поля |
темпе |
||||||
|
|
|
|
|
ратур. |
|
|
размеров |
и |
конструк |
|||||
|
|
|
|
|
ция |
Выбор |
|||||||||
|
|
|
|
|
датчика |
определяются |
струк |
||||||||
|
|
|
|
|
турой |
исследуемого |
потока. |
прово |
|||||||
|
|
|
|
|
|
При |
конструировании |
||||||||
|
|
|
|
|
лочных |
|
датчиков |
особо |
важным |
||||||
|
|
|
|
|
является |
соблюдение |
условия |
со |
|||||||
|
|
|
|
|
отношения |
между |
длиной |
нити I |
|||||||
|
|
|
|
|
и ее диаметром d. Отношение lid |
||||||||||
Рис. 3-20. Блок-схема |
термо |
должно быть больше 200. Соблю |
|||||||||||||
дение |
этого |
условия |
является |
||||||||||||
анемометра с постоянной тем |
необходимым, так как при таком |
||||||||||||||
пературой нити. |
|
|
|
отношении |
Ijd |
обеспечиваетея |
пре |
||||||||
І — измерительный |
мост; |
2 — уси |
небрежимо |
малое |
влияние |
креп |
|||||||||
литель |
обратной |
связи; |
3 — ли- |
лений с точки зрения тепловых по |
|||||||||||
неаризатор; 4 — усилитель |
пульса |
терь через них и их аэродинами |
|||||||||||||
ции; 5 |
термоэлектрический вольт |
||||||||||||||
метр. |
|
|
|
|
ческого влияния на рабочий уча |
||||||||||
Преимуществом |
проволочных |
сток |
нити. |
|
|
датчиков |
термо |
||||||||
или. полимерных |
анемометров являются их малые размеры (измерения без возмуще ния потока) и безынерционность, позволяющая измерять как сред нюю скорость, так и ее пульсации. Недостатком датчиков термоане мометров является изменение с течением времени омического сопро тивления нити накала, а также необходимость периодической та рировки. Для измерения пульсаций скорости потока применяют два метода: метод постоянного тока и метод постоянной температуры [Л. 3-25, 3-31].
Термоанемометр постоянной температуры нити. Ме тод измерения пульсаций скорости газового потока или жидкости с помощью нагретой нити основан на том, что температура нити, а следовательно, и ее сопротивление поддерживаются постоянными. На рис. 3-20 представле на блок-схема термоанемометра с постоянной темпера турой нити, по которой нами были изготовлены приборы для измерения полей скоростей в потоке разреженного газа в условиях вязкого режима течения.
Постоянство температуры нагретой нити практически осуществлялось путем применения электронной схемы обратной связи.
Измерительный мост состоял из датчики и .прово лочных манганиновых сопротивлений Rit R2, Rs- Разба ланс моста измерялся ламповым вольтметром на лампе
102
6Н2П. Сигнал разбаланса усиливался трехкаскадным -усилителем обратной связи на лампах 2Х6Ж5П, 2Х Х6Н13С. Парные лампы каскада подбирались с одинако выми характеристиками (по анодному току и крутизне) +5% . Первый каскад усилителя обратной связи соби рался по дифференциальной схеме. Коэффициенты уси ления в каждом каскаде равнялись 100, полоса частот была равномерна в диапазоне 0—200 гц. Средняя ско рость потока газа определялась по микроамперметру типа М24 или М261 (50—0—50) или записывалась на чувствительном шлейфовом осциллографе с частотой 30—80 гц. После резонансного усилителя имелся выход на осциллограф типа Н-700. В блок-схеме рис. 3-20 с по мощью термоэлектрического вольтметра измерялась также среднеквадратичная скорость пульсаций.
Термоанемометр постоянного тока.1 В термоанемометре постоянного тока ток, текущий через нить датчи ка, поддерживается постоянным независимо от ее сопро тивления. Изменение скорости потока газа или жидко сти в этом случае вызывает изменение температуры нити и ее сопротивления. Однако в термоанемометре, работающем в режиме постоянного тока, чувствитель ность нити падает с ростом частоты пульсаций скорости. Так, для вольфрамовой нити диаметром 5 мкм чувстви тельность нити можно считать неизменной только до ча стоты 300 гц. Была также разработана схема полупро водникового термоанемометра постоянного тока для исследования полей скоростей и низкочастотных пуль саций скорости над поверхностью сублимации льда, по ристого тела, пористой металлокерамики. Схема полу проводникового термоанемометра постоянного тока пред ставлена на рис. 3-21.
Измерительный мост термоанемометра состоял из датчика и сопротивлений Rb Rz, R3. Он позволял произ водить балансировку по амплитуде при помощи сопро тивлений Ri и Rz, а также балансировку по фазе при помощи сопротивления R3.
Трехкаскадный усилитель состоял и? последователь но включенных трех усилителей: первый усилитель имел
1 Применение термоанемометров для исследования рассматри ваемых процессов тепло- и массообмена при сублимации в вакууме весьма заманчиво, но, как мы убедились в этом, оно требует реше ния ряда сложных вопросов теоретического и экспериментального характера.
103
коэффициент усиления &і= 20; второй усилитель — резо нансный на частоту /=500 гц — имел коэффициент уси ления & 2 = 25; третий усилитель был необходим для вы-
Рис. 3-21. Схема полупроводникового термоанемо метра постоянного тока.
1 — звуковой генератор; |
2, 3, 4 — трехкаскадный усилитель; |
5 — осциллограф Н-700; |
6 — каскадный вольтметр. |
хода усиления на катодный вольтметр. Коэффициент усиления к3 последнего усилителя можно было регулиро вать от 0 до 100.
3-6. ИЗМ ЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И КО НЦЕНТРАЦИИ ПАРА
В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ СУБЛИМАЦИИ
Для измерения полей плотности и концентрации пара над поверхностью сублимации перспективно измерение с помощью лазерного луча. Использование лазера для этих целей представляется заманчивым в исследованиях, связанных с пограничными слоями, спутными струями, исследованиями процессов фазовых переходов (внешняя задача) и проведением тарировочных измерений в аэро динамических трубах [Л. 3-38].
Правильно собранный прибор позволяет проводить измерение ® точке исследуемой среды только за счет введения туда луча большой мощности, высокой коге рентности и монохроматичности от лазеру ,
104
Принцип работы прибора очень прост: количестве) энергии рассеяного света лазерного луча пропорциональ но концентрации центров рассеяния и сечению рассеяния. Лазерный луч и соответствующая детектирующая оптиче ская система направляются в одну и ту же точку прост ранства таким образом, чтобы их оси не были коллинеарными (рис. 3-22).
Итерпретация результатов измерений, получаемых в системе такого типа, зависит от условий в исследуе мой среде. В широком диапазоне температур и концен траций рассеяние в чистом газе обусловлено рассеянием на связанных электронах (релеевское рассеяние).
Рис. 3-22. Схема экспериментальной установки.
/ — головка лазера; |
2 — компенсирующий |
блок; |
3 — диафрагмы; |
|
4, |
5 — компенсирующий и измеряющий |
радиометры; 6 — свето |
||
вая ловушка. |
|
|
|
|
Экспериментальные результаты были получены с по |
||||
мощью |
установки, |
изображенной |
на |
рис. 3-22. В ней |
используется рубиновый лазер, луч которого через тол стое окно из оргстекла (компенсирующий блок) и ряд диафрагм с отверстиями проходит в вакуумную камеру. После прохождения основной вакуумной камеры луч пропускается через диафрагму во вторую камеру, где он улавливается в световой ловушке. В сечении основной камеры, расположенном приблизительно на середине ее длины, помещается измеряющий радиометр, который регистрирует свет, рассеиваемый лазерным пучком. Дру гой идентичный (компенсирующий) радиометр регист рирует свет, рассеянный лучом в компенсирующем бло ке. Этот радиометр, компенсирующий флуктуации мощ ности излучения лазера или флуктуации напряжения смещения, подаваемого на фотоумножитель, предназна чен для отбора небольшой по величине, но постоянной в процентом отношении доли мощности лазерного пуч ка. При этом сигнал, снимаемый с компенсирующего
105
радиометра, будет увеличиваться или уменьшаться пря мо пропорционально энергии лазерного луча.
Оба указанных радиометра используются для полу чения электрического сигнала, который является анало гом энергии излучения, заключенным в узком спектраль ном интервале вблизи длины волны излучения лазера. Световая ловушка системы сводит к минимуму поток неуловленного света, определяющего нижний диапазон измерения прибора.
3-7. ИЗМ ЕРЕНИЕ УБЫЛИ МАССЫ
Измерение убыли массы при исследовании процессов тепло- и массообмена при фазовых переходах и химиче ских превращениях в условиях вакуума является одной из сложных экспериментальных проблем. Сложность измерений определяется незначительными габаритами вакуумных экспериментальных стендов (вакуу.мных ка мер), что исключает возможность использования гото вых весоизмерительных приборов, применяемых для микровзвешивания в вакууме; необходимостью непре рывных дистанционных измерений убыли массы с высо кой точностью в нестационарных условиях протекания процессов
В области высоких точностей измерения применяют ся исключительно гирьковые равноплечие весы, предель ные нагрузки которых составляют от 5 -ІО-5 до 200 кгс. Погрешность этих весов в долях от измеряемой величи ны может составлять от ІО“3 до 10-7. Пружинные — торозионные и крутильные — весы с металлическим упру гим элементом имеют предельные нагрузки от ІО-7 до 10-і кгс. Они применяются для измерения массы с от носительной погрешностью от 0,1 до 2%. Самые малые предельные нагрузки порядка от ІО“9 до ІО“6 кгс имеют весы с кварцевым упругим элементом. Они используют ся для взвешивания с приведенной погрешностью от 0,5 до 2%.
В настоящее время современная приборостроитель ная промышленность начинает выпускать весы непре рывного автоматического взвешивания и взвешивания с регистрацией. Однако ассортимент таких весов все еще мал, и особенно недостаточно весов, предназначенных для исследований в условиях глубокого вакуума или низких давлений.
106
Недостаточный ассортимент выпускаемых промыш ленностью весов и специфические требования, диктуе мые разнообразными изучаемыми явлениями, вынужда ют исследователей переделывать или приспосабливать имеющиеся весы для своих работ и конструировать и изготавливать собственные весы. Чрезвычайно большой диапазон самых разнообразных требований, предъявляе мых исследователями к весам, сравнительно небольшой спрос на каждый из типов уникальных весов делают по ка невозможным удовлетворение всех потребностей в этой области, и, несомненно, такое положение еще со хранится в ближайшие годы. В связи с этим за послед нее время развивается тенденция к переделке про мышленных весов с различного рода электронными при ставками и созданию принципиально новых индивиду альных конструкций весов.
К основным требованиям, предъявляемым к весоиз мерительным приборам для исследования убыли массы
впроцессах сублимации под вакуумом, можно отнести следующие: іцинимум газовыделений прибора, вносимого
ввакуумную камеру; минимально возможные габари ты, соответствующие габаритам вакуумной камеры;
удобство подвески экспериментального образца и распо ложения источника энергоподвода и термодатчиков; зна чительная величина предельной нагрузки эксперимен тального образца (от ІО“2 до 0,2 кгс); высокая относи тельная чувствительность и точность в заданных пределах измерений; стабильность показаний в широких диапазонах вакуума и температур. Этим требованиям удовлетворяют немногие весоизмерительные приборы.
Прямые методы измерения убыли массы. По методу контроля убыли массы все известные типы весоизмери тельных приборов, используемых в настоящее время при исследовании процессов тепло- и массообмена при фа зовых переходах, можно разделить на приборы бездистанционного контроля убыли массы и приборы автома тического дистанционного контроля.
Приборы бездистанционного контроля использовались при исследовании процессов сублимации на стеклянных вакуумных стендах или там, где при наличии окон в ва куумной камере имеется достаточно хороший визуаль ный обзор измерительной шкалы.
В работах по исследованию процессов сублимации использовать квадрантные, пружинные, технические ве
107