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

Экспериментальная модель с исследуемым образцом

соответственно заданному режиму постоянное давление (вакуум) рк (температура Тк) и поддерживалась посто­ янная температура стенки сублиматора.

В этих условиях включался нагреватель модели 2, производились измерения интенсивности сублимации и фиксировались изменения температур и давлений через определенные промежутки времени. Каждый опыт про­ водился в два этапа: в первом при заданном режиме

том же режиме) определялась убыль веса образца. Сум­ марная интенсивность сублимации HAG/At определялась так же, как и при исследовании процесса сублимации (при радиационном подводе тепла), рассмотренного в предыдущем параграфе.

Интенсивность сублимации за счет контактного под­ вода тепла A G 2/AT определялась путем вычитания из сум­ марной интенсивности величины AGi/Дт, измеренной в начале опыта и соответствующей интенсивности субли­ мации за счет терморадиации стенок сублиматора на исследуемую плексигласовую модель, в которой находил­ ся сублимирующийся образец льда. Температура стенок сублиматора в последнем случае поддерживалась посто­ янной, а электронагреватель был включен. Каждый опыт дублировался и при расхождении опытных данных повто­ рялся. Кроме того, в опытах производилось измерение во времени продвижения фронта — границы сублимации As, которое позволило определить долю объемной субли­ мации.

Кинетика и механизм процесса сублимации. На графи­ ках рис. 4-25 показаны интенсивность сублимации льда AG/AT, а также изменение термодинамических парамет­ ров Тк и рк при различных тепловых нагрузках и посто­ янном вакууме в сублиматоре рк=0,5 мм рт. ст.

Как показали опыты, основной процесс сублимации происходит вблизи греющей подвижной стенки; около нее образуется сублимирующийся слой, представляющий собой лед менее плотной, разрыхленной структуры, отли­ чающийся по своим пластическим свойствам.

В проведенных исследованиях была сделана попытка определить зависимость толщины активной зоны субли-

170

мации (толщины сублимирующегося слоя льда) от време­ ни по изменению показаний термопар в момент их вы­ хода к поверхности сублимации.

На рис. 4-25 показано изменение толщины активной зоны As для каждого опыта.

Рассмотрение графика на рис. 4-25 позволяет отме­ тить прежде всего, что с повышением тепловой нагрузки интенсивность сублимации возрастает от 0,035 до 0,13 г/мин. Рассматриваемый процесс сублимации также является пульсационным, о чем свидетельствует измене­ ние температуры греющей поверхности (7\, Т2 и Т3). Осо­ бенно резкие колебания наблюдаются в начальный неустановившийся период процесса сублимации.

Обращает на себя внимание аномальный перегрев льда. Показания термопар Т6, Т5, Г4 фиксируют, что об­ ласти образца льда, находящиеся на большом расстоя­ нии от греющей поверхности в начальный период при

<7 = 0,086 вт/см2 й 0 = 0,142 вт/см2, нагреваются до более

высокой температуры, чем близлежащие к нагреваемой стенке области. Это объясняется, вероятно, релаксацией упруго-пластических напряжений при наличии более ин­ тенсивной сублимации в близлежащих к поверхности на­ грева слоях льда и специфическими особенностями рас­ пространения тепловых волн во льде. По мере продви­ жения активной границы сублимации и углубления ее зоны происходит выравнивание этих температур.

Время установления стационарного температурного поля в образце льда (время релаксации) уменьшается с повышением тепловой нагрузки от 3,5 до 2 ч.

Давление паров вблизи нагреваемой стенки в зависи­ мости от тепловой нагрузки колеблется в пределах от 0,32 до 4 мм рт. ст. Соответственно этому давлению (с не­ которым запозданием) изменяется и температура паров, образующихся при сублимации льда. Какими факторами можно объяснить эти явления? Проведенный нами далее анализ показывает, что в первый момент сублимирую­ щийся слой льда имеет плотную структуру и количество промежутков, в местах его контакта с греющей стенкой недостаточно для свободной эвакуации паров, вследствие чего возникает и значительно нарастает избыточное дав­ ление в этой области. В процессе сублимации пристеноч­ ный слой льда за счет образования в нем кратеров раз­ рыхляется и увеличивается по толщине, вследствие чего происходит уменьшение этого давления и снижение пере-

172

температура паров у греющей стенки; 7 —■д =Г0;,2 в т / с м 2.

173

грева образующихся паров. Обращает на себя внимание факт постоянства интенсивности сублимации льда, не­ смотря на значительные колебания температур греющей стенки и льда. Изменение интенсивности сублимации на­ блюдается только на конечной стадии процесса (q = = 0,086 вт/см2 на рис. 4-25). Объяснение этому факту бу­ дет дано в дальнейшем.

Особый интерес представляет изменение избыточного давления паров у греющей стенки Ар\ оно увеличивается в начальный момент и достигает максимума, который за­ висит от тепловой нагрузки и колеблется от 0,36 до 4 мм рт. ст. По значению этого давления определен и по­ казан на графиках рис.-4-25 и 4-26 перегрев паров (тем­ пература Ts), образующихся при сублимации льда, отно­ сительно Гк.

На рис. 4-26 представлены графики изменения интен­ сивности сублимации льда AG/Ат, а также температур и давления Ар при различном вакууме.

Рассмотрение этих графиков показывает повторяе­ мость многих явлений, уже отмеченных при обсуждении графиков рис. 4-25. Главной особенностью этой серии опытов является некоторое снижение интенсивности суб­ лимации с повышением вакуума. Это можно объяснить тем, что с понижением температуры льда вследствие по­ вышения вакуума увеличиваются плотность и прочность как льда, так и сублимирующегося слоя. Однако при этом уменьшается поверхность контакта льда с греющей стенкой. С понижением температуры поликристалла льда снижается миграция паров из объема поликристалла в зону контакта (уменьшается доля объемной сублима­ ции).

Об этом свидетельствуют и возрастающие темпера­ турные перепады между стенкой и температурой льда (Гі, Т%, Г3 и Ть Тъ, Г6), а также между температурой льда Г4, Т5, Г6 и температурой окружающей среды Тк.

с наличием релаксации упругопластических напряжений, как видно из рис. 4-25 и 4-26, подобно ходу температур­ ных кривых в поликристалле льда при мгновенном дейст­ вии инфракрасного излучения (§ 4-2). Однако процесс установления стационарного поля во льде в случае

174

Кондуктивного энергоподвода происходит значительно дольше.

Сублимация в объеме поликристалла и пористость льда. Как уже рассматривалось ранее, первоначальные периоды процесса сублимации льда при кондуктивном подводе тепла сопровождаются резким повышением из­ быточного давления перегретых паров в области субли­ мирующегося слоя ( т > т Релакс), разрыхлением его струк­ туры в области нагреваемой подвижной стенки и обра­ зованием кратеров и пор во всей толще льда. Однако и

лимации протекает еще при'достаточном перегреве поли­ кристалла льда (относительно температуры насыщения Ти). Поры поликристалла являются хорошим трактом для эвакуации* изнутри образовавшихся паров. Из экс­ периментальных данных можно определить среднюю по­ ристость льда как характеристику интенсивности его вну­

Пористость льда в процессе сублимации определялась как отношение общей убыли массы, замеренной по весам

175