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

Расчет теплового потока <7Пад производился по урав­ нению

тальной модели, она имеет два радиометра: один для фиксации лучистого потока от излучателя, по которому и проводилась указанная тарировка, и один для фикса­ ции лучистого потока от необлучаемой стороны субли­ мирующегося льда.

При известной степени черноты .излучателя и льда можно определить

е п р — — і -------------------------- Ц --------------------------------------------- = 0 , 9 3 5 . ( 4 - 1 3 )

В этом случае угловой коэффициент

<р' = е!нР-^ 0,214.

s пр

Величина ф' для данной геометрической схемы излу­ чатель— лед определялась нами также по методу «на-, тянутой нити» как

где Пп — диаметр излучателя, равный 30 мм, и Ln — дли­ на части периметра излучателя в центральном сечении излучателя, параллельном направлению теплового пото­ ка, равная 92 мм.

По-видимому, уменьшение экспериментально найден­ ной величины ф' по отношению к расчетной с увеличе­ нием температуры поверхности излучателя обусловлено

158

тем, что при больших интенсивностях тепловых потоков в большей степени сказывалась незамкнутость системы излучающих и поглощающих тел. В табл. 4-2 представ­ лен расчет составляющих энергетических балансов этих процессов. Из расчета видно, что величина e*np = e,nPq/ корректно описывает протекание теплообмена излучени­ ем до температур излучателя порядка 7’и=500оС.

С увеличением температуры выше 400 °С происходи­ ло нарушение баланса. Этот факт можно объяснить сле­ дующим. При ГИ^400°С (см-. рис. 4-11—4-13) в брикете льда, особенно в начальный момент, возникают значи­ тельные внутренние термические напряжения, которые приводят к появлению трещин, увеличению объемной

лед. Если до температур порядка 400 °С имела место сублимация молекул воды почти с геометрической по­ верхности в неассоциированной форме, то, по-видимому, выше этих температур за счет проникающего инфра­ красного излучения возможно возбуждение молекул в кристаллической решетке льда на более значительном удалении от поверхности.

Учет объемной сублимации в настоящее время не мо­ жет быть произведен количественно. Однако эта состав­ ляющая, вероятно, может влиять на интенсивность субли­ мации, и понятие о поверхности сублимации, к которой мы относим экспериментальные значения убыли веса, имеет условное значение.

Некоторые экспериментальные формулы. На основа­ нии приведенного ранее анализа и обработки экспери­ ментальных данных были получены эмпирические фор­ мулы, описывающие массовую скорость сублимации ѵт

159

формула (4-15): 2 • Ю-3^ /7^0,5 мм рт. ст.; 1 0 0 ^ 7 И<С <500°С .

Постановка задачи и дифференциальные уравнения теплопроводности для сублимации кристаллов льда с зеркала испарения Ч Анализ кинетики процесса сублима­ ции льда при терморадиационном подводе тепла дает возможность разделить весь процесс по времени на два периода:

а) период нестационарного режима, определяющийся распространением тепловой волны деформации и изме­

ская постановка задачи для второго периода процесса сублимации поликристалла льда (низкотемпературный энергоподвод) с учетом температурной обстановки в ва­ кууме вблизи поверхности сублимации и условия роста

ислома кристаллов на поверхности сублимации12.

Вданном случае мы будем рассматривать более про­ стую задачу. Для области поликристалла льда и одно­ мерного потока тепла, падающего на поликристалл тол­ щиной б, справедливо уравнение

Для простоты положим а(71)'Х/7'т. Начальные условия T \X=0 = TS. Граничные условия

лучистый поток, падающий на лед.

1 Постановка задачи проведена совместно с Т. Л. Перельманом.

2 Анализ температурного поля льда показывает, что такая по­ становка задачи справедлива для температур радиатора-излуча­ теля ~300°С.

160

Скорость продвижения поверхности сублимации

V (г) = с0ехр

где k — постоянная Больцмана; сй~ скорость звука во льде. На изолированной стенке

При высокоинтенсивном энергоподводе (ГИ>300°С) представленная задача должна быть сформулирована с учетом явлений термоупругости.

4-3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИ КОНДУКТИВНОМ ПОДВОДЕ ТЕПЛА

В работе {Л. 4-12] приводятся результаты исследования процессов сублимации льда при кондуктивном подводе * тепла от неподвижной поверхности нагрева.

В проведенных экспериментах на некотором расстоя­ нии. от поверхности сублимации льда осуществлялась конденсация сублимирующихся водяных паров. Вслед­ ствие этого можно предположить, что в некоторых слу­ чаях (при высоком вакууме) в рассматриваемых экспе­ риментах расстояние до поверхности конденсации находилось в пределах, затопленной струи [Л. 5-9] (§ 6-4). При этом движение сублимирующихся молекул водяного пара могло оказывать взаимное влияние как на процесс конденсации, так и сублимации. Это обстоя­ тельство, вероятно, и отразилось на некоторых принци­ пиально новых результатах, представленных в работе {Л. 4-12].

Исследование процесса сублимации льда проводи­ лось на установке, показанной на рис. 4-17,а. Лед поме­ щался на весах 4 в тарелке 1, расположенной парал­ лельно конденсатору 3, в который заливался жидкий азот при температуре —196°С. Площадь поверхности конденсации выполнялась в несколько раз больше пло­ щади поверхности сублимации льда (50—100 см2). Теп­ ло, необходимое для сублимации льда, подавалось дву­ мя способами: снизу нагревателем через дно тарелки / (основной поток тепла) и сверху в виде тепдового внеш-

него излучения стенок вакуумной установки (5 — ва­ куумная камера).

Направляющий цилиндр 2 из алюминиевой фольги устанавливался для создания потока тепла и пара. Ва­ куум в сублиматоре создавался и регулировался ваку­ умными насоса.ми и системой вентилей. Масса сублими­ рованного льда определялась при помощи весов 4.

Рис. 4-17. Схема установки и измерений при иссле­ довании сублимации льда—воды при кондуктивном подводе тепла.

а— схема установки; б —^хема заделки термопар в обра­ зец.

. Компрессионный манометр Мак-Леода и манометр Пирани замеряли парциальное давление водяного пара. Для измерения температуры поверхности льда и конден­ сатора лед намораживался на «гребенке» термопар (рис. 4-17,6).

Из распределения температуры по толщине льда определялось количество тепла q, достигшего поверхно­ сти льда. При этом принималось, что коэффициент теп­ лопроводности льда не зависел от давления вследствие высокой плотности его кристаллов. Количество передан­ ного тепла q2 от поверхности льда к поверхности кон­

радиации стенок камеры), и количества тепла, затра­ ченного на сублимацию q\ = rw, где г — удельная скрң-

162