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

гонки (путем замораживания ее в холодильном шкафу в оправках из оргстекла) при температуре —10°С, уста­ навливался в адиабатную рубашку 4 экспериментальной модели. Основной частью этой модели являлся радиаци­ онный излучатель 2, который укреплялся на поворачи­ вающемся шарнире. В момент нагрева он при помощи автоматической системы устанавливался напротив пер­ вой диафрагмы и датчика-тепломера (не показанных на рис. 4-10), который фиксировал тепловой поток.

Для полного подобия условий с реальным процессом сублимации за радиометром помещался лед, темпера­ тура которого соответствовала давлению насыщенного пара в вакуумной камере. После того как в сублиматоре устанавливался соответствующий вакуум и излучатель нагревался до заданной по режиму температуры, шар­ нир автоматически поворачивался и излучатель «мгно­ венно» устанавливался против второй диафрагмы 3 и исследуемого поликристалла льда, помещенного в адиа­ батную рубашку, как это показано на рис. 4-10, и начи­ нался процесс сублимации.

Экспериментальная модель имела системы энерго­ подвода, фокусировки потока излучения и обеспечения адиабатности процесса, систему визуального наблюде­ ния за процессом и определения положения фронта суб­ лимации, а также системы контроля лучистых потоков, полей температур, контроля давления, измерения убы­ ли массы и систему контроля параметров окружающей среды.

Система энергоподвода состояла из излучателя 2*, представляющего собой жаростойкий тигель с внутрен­ ней поверхностью, зачерненной ламповой сажей. На внешнюю поверхность тигля наматывалась нихромовая спираль. Излучатель помещался в латунный стакан, ко­ торый через шток соединялся с системой автоматики установки излучателя.

Интегральная излучательная способность поверхно­ сти определялась при температуре поверхности излуче­ ния ГИ=700°С, т. е. данный излучатель может быть от­ несен к разряду «темных» излучателей. С помощью

* Как показали исследования, модель на рис. 4-10 следует усо­ вершенствовать: улучшить эвакуацию пара, сделать двустороннее облучение (рис. 7-9) и сконструировать излучатель, обеспечивающий направленные лучистые потоки с Хмакс от 5 до 1 мкм.

оптического пирометра ОППИР-017 было найдено, что при этой температуре е = 0,94.

Питание излучателя осуществлялось от сети перемен­ ного тока через стабилизатор-выпрямитель. Электриче­ ская мощность излучателя определялась с помощью ваттметра класса 0,1 с пределами измерений 0—200 er; ток через излучатель контролировался амперметром класса 0,2 с пределами измерений 0—3,0 а.

Для контроля температуры излучателя на его по­ верхности устанавливалась хромель-копелевая термопа­ ра. В систему энергоподвода входила система автома­ тики установки излучателя, состоящая из микродвига­ теля, концевых выключателей 11 и кулачков, редуктора 7 и пульта автоматики.

Система фокусировки потока излучения и обеспече­ ния адиабатности процесса состояла из основной адиа­ батной оболочки 4 и двух диафрагм. Основная адиабат­ ная оболочка предназначалась для создания адиабат­ ных экспериментальных условий при сублимации поликристалла льда и исключения неконтролируемых тепловых потоков. Она представляла собой кожух спе­ циальной 'конструкции, выполненный из латуни, в меж­ полостное пространство которого заливалась заморажи­ ваемая вода.

Диафрагмы служили для создания направленного теплового потока на первичный радиометр (не показан­ ный на рис. 4-10) и на исследуемый образец (диафраг­ ма 3 на рис. 4-10).

Перед проведением экспериментов установка поме­ щалась в морозильный шкаф для замораживания воды в системе фокусировки и обеспечения адиабатности. Для обеспечения возможности визуального наблюдения за процессом сублимации использовалась обойма образца специальной конструкции и предусматривались окна в основной адиабатной рубашке, система подсветки и установки для макрофотосъемки.

Измерение лучистых потоков осуществлялось с по­ мощью двух датчиков теплового потока, использующих­ ся в качестве радиометров, и потенциометра Р-37. Ра­ диометр, определяющий лучистый поток, падающий на образец, устанавливался в обойме на оси, укрепленной на нижней плите установки напротив отверстия первой диафрагмы. Радиометр 6 вторичного излучения, опреде­ ляющий поток, прошедший через образец льда, уста­

146

образце производилось с помощью четырех хромель-ко- пелевых термопар, расположенных в обойме образца 5. Переключатель термопар позволял по мере необходи­ мости снимать показания термопар через специальный ключ на потенциометре Р-37 или фиксировать их на лен­ те самописца потенциометра ЭПП-09.

Контроль давления обеспечивался автоматикой ва­ куумной камеры с регистрацией полного давления в ва­ куумной камере с помощью термопарной лампы ЛТ-2, вакуумметра ВИТ-1А и измерения давления насыщен­ ного водяного пара по методу фиксации температуры насыщения с помощью «ледяной сосульки» (см. гл. 3). Регулирование остаточного давления в вакуумной каме­ ре осуществлялось при помощи вакуумного вентиля, установленного на трубопроводе системы эвакуирова­ ния.

Измерения убыли массы производились с помощью специальных весов на полупроводниковых тензорезисто-

а также измерения и поддержания на заданном уровне температуры стенок вакуумной камеры входила в ком­ плексный блок автоматического регулирования всего вакуумного стенда.

Исследования кинетики процесса сублимации. В про­ веденных экспериментах исследовалось:

1.Влияние температуры излучателя на интенсив­ ность сублимации и изменение температурного поля во времени в поликристалле льда в диапазоне от 100 до 700 °С.

2.Влияние глубины вакуума на интенсивность субли­

рт. ст.

3. Влияние толщины образца поликристалла льда на интенсивность сублимации и изменение температурного

поля.

Кривые изменения температурного поля и экспери­ ментальные данные по убыли массы образцов представ­ лены на рис. 4-11. Эксперименты проводились на ци-

149

148

теризующийся горбообразным1 изменением температу­ ры льда от значения, близкого к температуре насыщения Тк, до некоторой величины, определяющейся постоянны­ ми во времени средним перегревом льда относительно Гк и средним градиентом по длине поликристалла льда. Все температурные кривые рис. 4-11 были построены относительно температуры насыщения, которая остава­ лась в процессе эксперимента постоянной во времени.

При 7^ = 600 °С имела место исключительно быстрая реакция поликристалла льда на тепловой поток.

Как показали эксперименты, интенсивность теплового потока излучателя, обусловленная температурой и физи­ ческими свойствами его поверхности, оказывает сущест­ венное влияние на изменение температурного поля в поликристаллическом льде и на убыль его массы.

При изменении температуры излучателя от 100 до 700 °С интенсивность лучистого потока возрастала в 56 раз (с 902 до 50 680 вт/м2), а интенсивность субли­ мации льда увеличивалась почти в 46 раз (от 0,087 до 3,971 кг/(м2-сек) (рис. 4-11 и табл. 4-2) .

Интенсивность теплового потока характеризуется также моментом установления стационарного темпера­ турного поля во льде и величиной среднего перегрева льда относительно окружающей среды. Максимальная величина этого перегрева была около 4,3 °С (при темпе­ ратуре излучателя 7'и=600оС). Величина среднего пере­ грева льда относительно температуры насыщения в мо­ мент установления стационарного режима при Тъ— = 600°С составляла около 3,7 °С. Удельная убыль массы при увеличении температуры, как показывает изменяю­ щийся наклон прямых на рис. 4-11, меняется неоднознач­ но. Линейное изменение убыли массы во времени ука­ зывает на отсутствие каких-либо нестационарных про­ цессов вследствие мгновенного ввода излучателя (за ис­ ключением режима с температурой излучателя Ти = = 700°С, где в начальный момент существует некоторый неравномерный процесс сублимации).

На рис. 4-12 представлены кривые изменения тем-

1 Горбообразное изменение температуры свидетельствует, ве­ роятно, о том, что при высоких интенсивностях падающих лучистых потоков во льде возникают значительные термические напряжения, которые релаксируются через некоторый промежуток времени. Этот вопрос нуждается в специальном изучении.

15Ѳ

тепло излучения с необлучаемой стороны образца льда; "4q in — небаланс расчета.

пературного поля поликристалла льда и убыли его мас­ сы при различных давлениях водяного пара.

Эксперименты проводились на цилиндрических об­ разцах льда, первоначальная толщина которых состав­ ляла 10 мм\ температура поверхности излучателя во всех сериях экспериментов составляла ГИ=500°С, дав­ ление в вакуумной камере менялось в пределах от 0,5 до 3- ІО-3 мм рт. ст.

Как видно из этого рисунка, изменение давления не оказало заметного влияния как на характер динамики температурного поля во льде, так и на убыль его мас­

151