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

3-29). Подача воды и подвод тепла к сетке были орга­ низованы снизу. Верхняя часть сетки во время экспери­ ментов сообщалась с вакуумной средой.

Металлическая сетка имитировала пористую метал­ локерамику, сетка-марля имитировала неметаллический пористый материал

Характеристика латунных сеток, использованных в опытах, представлена в табл. 3-4.

пленочной модели производились методом макрофото­ киносъемки в проходящем свете. При таком освещении

она получалась на фотоотпечатке.

На рис. 3-30 показан фотоснимок модели во время эксперимента. В начальный момент вода заполняла всю сетку. Вследствие интенсивного испарения при вакууми­ ровании камеры вода переохлаждалась, и на ее поверх­ ности, обращенной в вакуумную камеру, образовывался слой льда, который сублимировал. В зависимости от тепловой нагрузки и давления воды под слоем льда про­ цесс шел с углублением зоны сублимации до определен­ ного равновесного состояния.

На рис. 3-30 расположёна зона пара 1, ниже зона сублимации 2 — непрозрачный пористый подслой, состоя­ щий из мелкокристаллического льда, который непрерыв­ но сублимируется в вакуумную камеру. Под зоной

1 В [Л. 6-39] на рассматриваемой модели методами макрофото­ съемки исследовался механизм процесса вакуумной сублимационной сушки.

120

сублимации находится прозрачный непористый подслой льда 3, представляющего непроницаемую для воды раз­ делительную стенку. На рисунке видна граница этого подслоя с водой в виде темной волнистой полосы. Как показали результаты киносъемки, внизу около нагрева­ теля вследствие перегрева образовывались пузырки па­ ра, которые в зависимости от тепловой нагрузки и дав­ ления воды могли занимать большее или меньшее пространство. Иногда зона, примыкающая к нагревате­ лю, представляла сплошную паровую пленку. Так как

Рис. 3-30. Кинокадр процесса непрерывной сублимации льда в пленочной модели капил­ лярно-пористого тела.

вода, прилегающая к слою льда, имела температуру, близкую к нулю, и не была перегрета, то здесь образова­ ние паровых пузырей не наблюдалось.

Рассмотрим отдельный единичный цикл, характерный для всего процесса сублимации льда — воды из пористой

керамики.

Над зоной сублимации находится разреженная паро­ вая среда. При постоянной тепловой нагрузке нагрева­ теля слой льда устанавливается, как было указано выше, на квазистационарном уровне по высоте сетки (рис. 3-31 при т = 0 сек). В то же время он находится в постоянном движении. По мере сублимации оба подслоя льда опу­ скаются (т = 0-т-10,7 сек).

Толщина зоны сублимации возрастает, а толщина зоны льда стекло-видной структуры уменьшается. Когда последний достигает некоторой минимальной критичес­

121

Вода заливает зону сублимации, которая на некото­ рое время становится прозрачной, затем вновь образу­ ются две зоны льда.

Чем больше область разрушения герметичного под­

Рис. 3-31. Кинограмма цикла сублимации из капиллярно-пористого тела в вакуум с микровыбросом воды в зону сублимации.

вплоть до выброса воды при больших нагрузках за пре­ делы модели. Такое движение слоя льда, чередующееся с микропрорывами, связано с тем, что вначале отвод теп­ ла из герметичного подслоя льда стекловидной структу­ ры ів зону сублимации превышает подвод тепла к этой же зоне от нагревателя.

На определенной для данных условий высоте сетки ве­ личина теплового потока от нагревателя начинает при­ ближаться к величине теплового потока, отводимого

123

й зону сублимации. При этом герметичная зона льдй стекловидной структуры замедляет свое движение и в какой-то момент практически останавливается. В то же время в результате продолжающейся сублимации зона

да струйками через макрокапилляры прорывается в зону сублимации. Затем в этих локальных зонах вода вновь охлаждается, и на ее поверхности образуется тонкий слой льда, который сразу же разделяется на два под­ слоя— две зоны — зону сублимации и зону льда стекло­ видной структуры.

В дальнейшем описанный цикл периодически повто­ ряется.

Таким образом, изучение процесса сублимации льда

— воды через капиллярно-пористую керамику на пле­ ночной модели позволило получить достоверные сведе­ ния о механизме этого процесса. Его характерными осо­ бенностями являются периодические пульсации,связан­ ные с прорывом воды в зону сублимации через раздели­

зуется подслой пористого льда и подслой стекловидной структуры. С течением времени зона пористого льда развивается на всю толщину герметичного подслоя. Ког­ да последний достигает минимальной, критической вели­ чины, он разрушается под действием перепада давле­ ния, наступает микровыброс и цикл начинается вновь. Продолжительность цикла сокращается с ростом тепло­ вой нагрузки и уменьшением диаметра капилляров. Мощность микровыбросов с уменьшением диаметра пор

итепловой нагрузки также становится меньше.

Суменьшением тепловой нагрузки слой льда опу­ скается и становится тоньше. Частота микропрорыва падает; при уменьшении размеров ячейки металлической сетки, а также переход на сетку из марли изменяются

частота пульсаций и положение зоны сублимации по вы­ соте сетки.

При микропрорывах, которые являются непременной составной частью изучаемого процесса сублимации льда

— воды через пористую керамику, был заметен вылет с парами кристалликов льда. С уменьшением размеров

123

ячеек сетки вынос части льда и размер последних умень­ шаются? '

Фотосъемка в у-лучах. В работе [Л. 3-32] проводи­ лось исследование полей плотности с помощью ионизи­ рующих излучений при испарении нафталина в вакууме. Плоскопараллельный источник у-излучения с. известной интенсивностью устанавливался в вакуумной камере па­ раллельно кассете с рентгеновской пленкой необходимой чувствительности. Между источником ионизирующего из­ лучения и образцом нафталина устанавливался экран. По достижении момента равновесной скорости испарения исследуемого материала кассета и экран открывались и производилась рентгеновская съемка.

Все эти операции производились в темной камере. Время экспозиции зависело от чувствительности рентге^ новской пленки и характеристики источника. Оно выби­ ралось таким, чтобы суммарный поток у-частиц находил­ ся в интервале (0,5—5,0) • ІО6 частиц на 1 см2. При проведении исследований были использованы различные источники ионизирующего излучения, отличающиеся энергией и видом излучения. Для получения количест­ венной характеристики процесса сублимации нафталина в вакууме производилась калибровка зависимости степе.- ни почернения пленки от плотности среды. Измерения велись в области прямолинейного участка зависимости степени почернения от интенсивности потока у-частиц. Расшифровка полученных рентгенограмм осуществля­ лась с помощью микрофотометра.

Опыты по фотосъемке в у-лучах с различными веще­ ствами показали, что в процессе сублимации вокруг ис­ паряющегося вещества образуется слой повышенной плотности.

Киносъемка в инфракрасных лучах. Нами производи­ лась фото- и киносъемка поверхности сублимирующего­ ся брикета льда при терморадиационном подводе тепла на кинопленку «Инфрахром-760», однако расшифровка теневой кар'гины вызвала затруднения, и полученные ре­ зультаты носили только качественный характер.

Измерения и визуальные исследования с помощью теневых и интерференционных методов. В обычных (ат­ мосферных условиях используют традиционные методы визуализации процессов тепло- и массообмена, основан­ ные на изменении коэффициента преломления в потоке газа (жидкости) вследствие изменения его плотности

124

(теневые, шлирен, фазоконтрастные й интерференцион*

плотность газа перед скачком уплотнения составляет

ная юстировка оптической системы. Поэтому при неболь­ ших плотностях газа менее трудоемкими представляют­ ся интерференционные методы. Точность юстировки на чувствительности этих методов не сказывается. Возника­ ющее минимальное смещение интерференционных полос, которое является мерой изменения плотности газа, мож­ но измерить на пленке.

В работе ![Л. 3-7] изучался вопрос о возможности при­ менения интерференционного метода для определения состояния среды в сублиматоре; проведенные авторами опыты показали, что интерферометр Маха — Цандера может быть применен лишь до давлений 10 лш рт. ст. По­ добное заключение, ло-видимому, оправдано тем, что эксперименты проводились при малоинтенсивном энер­ гоподводе и сопровождались незначительными возму­

4-1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИ МАЛОИНТЕНСИВНОМ ТЕРМОРАДИАЦИОННОМ ЭНЕРГОПОДВОДЕ

Основные задачи исследований, схема измерений и экс-; периментальная модель. Исследованиям процесса субли­ мации льда под вакуумом при малоин'тенсивном термо­ радиационном подводетепла посвящен ряд отечествен­ ных и зарубежных работ [Л. 3-24, 4-1, 4-12].

Основной задачей этих исследований являлось опре­ деление интенсивности сублимации в зависимости от

125

ф

4емпературы излучателя, которая не превышала 300° С. Диапазон вакуума в сублиматоре поддерживался в пре­ делах от 2 до 0,1 мм рт. ст.

В проведенных нами исследованиях [Л. 4-2, 4-6] ис­ пользовалась традиционная методика, но была постав­ лена задача не только установить указанные зависимо­ сти, но также определить температурные поля в субли­ мирующемся льде и выявить все сопутствующие явле­ ния.

Для исследования процессов сублимации была спро­ ектирована и изготовлена специальная расходная глубо­ ковакуумная установка с адиабатной оболочкой, описан­ ная в гл. 3 (рис. 3-2), позволяющая строго регулировать заданный режим, производить визуальные и фотографи­ ческие наблюдения над поверхностью льда, автоматиче­ ски контролировать и фиксировать температуру и дав­ ление в вакуумной камере и в окружающей среде и фик­ сировать убыль массы льда.

На рис. 4-1 представлена схема измерений. Эта схе­ ма сохранялась и при исследовании сублимации при кондуктивном подводе тепла. Температура Ти излучаю­ щей панели фиксировалась потенциометром 11. Подвод электроэнергии к электроспирали излучателя осущест­ влялся от электросети через стабилизатор напряжения 15 и лабораторные автотрансформаторы Л\ и Л2 и фик­ сировался ваттметром. Замер давления в вакуумной камере производился манометрами 3 и 4 и контролиро­ вался манометром 5 (6— манометр Бионди). Манометр 3 (тип ВИТ-1) измерял вакуум от 0,5 до 10~3 мм рт. ст. Образцовый ртутный манометр 4 измерял вакуум до ІО-2 мм рт. ст. Температура насыщения в вакуумной ка­ мере измерялась с помощью термопары, помещенной в стаканчик с замерзшим льдом. Весовые измерения проводились на аналитических весах 12 со специально сконструированной автоматической приставкой и фикси­ ровались самописцем 14. Управление весами осущест­ влялось через пульт 13. Измерение температуры в поли­ кристалле льда фиксировалось гальванометром 8 и по­ тенциометром 7.

Вакуумная камера 2 термостатировалась. Темпера­ тура стенки камеры измерялась тремя хромель-копеле- выми термопарами (а, б) и регистрировалась потенцио­ метром 9 (10 — самопишущий потенциометр ПСР1-03).

126