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: 162
Скачиваний: 0
ДО/Лт, к тому количеству испарившегося льда, которое соответствовало бы сублимации, идущей только с поверх
ности пристеночного слоя.
На графиках рис. 4-27 показано изменение координа ты греющей стенки х в зависимости от времени при раз личных тепловых нагрузках q и вакууме в сублимато
ре рк.
Зависимость x — f(x) в середине имеет резкий пере гиб, который определяется окончанием нестационарного процесса и формированием пористой структуры льда. Ве личина dxldx в зависимости от внутренней объемной суб лимации
_dG |
1 |
dx |
d x / d x F ' i |
определялась по среднему наклону прямой х относитель но X. Как видно из рис. 4-27,6, доля внутренней субли
мации о при увеличении |
тепловой нагрузки от 0,086 до |
||||||||||
|
|
0,286 вт/см2 возрастает до 40%. |
|||||||||
|
|
Тепловые |
и |
материальные |
|||||||
|
|
балансы и их анализ. Теплооб |
|||||||||
|
|
мен при сублимации льда при |
|||||||||
|
|
кондуктивном |
подводе |
тепла, |
|||||||
|
|
как |
показывают |
проведенные |
|||||||
|
|
нами |
опыты, происходит |
глав |
|||||||
|
|
ным образом вблизи |
нагревае |
||||||||
|
|
мой стенки в сублимирующем |
|||||||||
|
|
ся слое льда и соответствует |
|||||||||
|
|
распределению температур, по |
|||||||||
|
|
казанному |
на |
рис. |
|
4-28. |
Это |
||||
|
|
экспериментально |
полученное |
||||||||
|
|
температурное |
поле |
|
положено |
||||||
|
|
в основу |
обработки |
экспери |
|||||||
Рис. 4-28. Поле |
температур |
ментальных данных |
|
при |
кон |
||||||
в поликристалле |
льда при |
тактном |
подводе |
тепла |
с |
под |
|||||
кондуктивном |
подводе |
вижной |
границей. Из его рас |
||||||||
тепла. |
|
||||||||||
|
смотрения |
следует, |
|
что |
|
поли |
|||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
кристалл' льда |
разделяется на |
||||||||
две области: первую, которая |
контактирует |
с греющей |
|||||||||
поверхйостыо, |
и вторую, |
в которой |
происходит |
объем |
|||||||
ная сублимация. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тепло от греющей стенки к монолиту льда передается кондуктивным путем. В местах, где отсутствует контакт греющей стенки с поверхностью льда и где имеются про-
176
слойки, заполняемые паром, образующимся в Процессе сублимации льда, теплопередача происходит за счет теп лопроводности этой паровой прослойки и лучистого теп лообмена от пара к сублимирующемуся льду.
Суммарное количество тепла, передаваемого от стен ки к сублимирующемуся льду, в этом случае равно сум ме двух тепловых потоков:
Q=:QI + <?2- |
(4-22) |
Тепло, проходящее через площади контакта Qи мо жет быть записано как
' |
И-23) |
Выражение для Q2— количестватеплоты, проходя щей через паровую прослойку, имеет вид:
Qz = F2MIRi. |
(4-24) |
Из этих уравнений получим:
с = "2- Ч « ) + т г ' |
(4'25) |
Термическое сопротивление Ri может быть записано в виде Ab/К. Коэффициент Хѵ учитывает низкотемпера турную радиацию и теплопроводность пара в бесконтакт ном пространстве пограничного слоя льда. В этом случае уравнение принимает вид:
< 2 = ^ /4 (Дг/Дбл) +XvF2(M/Ab), |
* (4-26) |
где At/Адл и At/Ab могут и не иметь одинаковой числен ной величины.
Как показывают расчетные оценки, кѵ<Хл, так как теплопроводность паров и радиационная составляющая имеют малое значение по сравнению с теплом, отдавае мым стенкой путем теплопроводности льда в месте ее контакта.
Это значит, что при наличии строго горизонтальной и ровной поверхности льда второй член будет вносить зна чительно меньший вклад в общий тепловой поток, чем первый, при равных значениях Fi и F2. Для хорошего контакта необходимо, чтобы Fi было значительно боль ше F2. Практически очень трудно определить значения F1 и Ft- Поэтому мы при обработке наших эксперимен-
21—175 |
■ |
177 |
тальных данных принимали, что тепло, переданное от на гретой поверхности к сублимирующемуся льду (через сублимирующийся пограничный слой), можно предста вить в виде
Q = X 3F ^ - . |
( 4 - 2 7 ) |
Величиной, обратной Д/6 является коэффициент теп лоотдачи в месте контакта или в поверхностном кри сталлическом слое льда. Этот коэффициент равняется:
а, |
Я. |
7Э |
I |
|
( 4 |
- 2 |
8 |
) |
При сублимации льда с контактным подводом тепла при вакууме до ІО-1 мм рт. ст. термическое сопротивле ние iRK в пограничном слое лимитирует интенсивность протекания процесса. Это сопротивление прежде всего зависит от плотности контакта между льдом и греющей стенкой.
Несмотря на то, что греющая стенка находилась под давлением пружины, термическое сопротивление Як кон такта было велико и определяло процесс сублимации. Минимальное сопротивление паровой прослойки, если по верхность льда строго горизонтальна и толщина высту пов не превышает h = 0,1 мм, составляет 8,3- 10~3 м2-чХ Х°С/ккал и при h= 1 мм 7?к= 8,3- ICH2 м2-ч -0С/ккал или соответственно ак=121 и 12,1 ккал/(м2-ч-°С).
Эти расчеты показывают, что термическое сопротив
ление |
пограничного слоя толщиной |
/г = 1 |
мм вблизи на |
|||||
гретой |
стенки |
может |
иметь |
максимальное |
зна |
|||
чение |
^ к=бДл = 8,3 • ІО-2 |
м2-ч-°СІккал или |
ак= |
|||||
= 12,1 |
ккал/(м2- ч • °С) |
и |
минимальное |
значение |
# к= |
|||
= Я л = |
6 Д л |
= 4 , 7 5 |
• І О - 4 |
м2-ч-°С/ккал |
или ак= 2 100 ккал/ |
|||
(м2-ч- |
С), |
соответствующие идеальному |
случаю — пол |
ному контакту с греющей стенкой монолита сплошного замерзшего льда. Эти значения являются предельными для толщины контактной прослойки h= 1 мм, между которыми могут изменяться ее эквивалентные сопротив ления, которые мы рассмотрим ниже.
В наших расчетах мы учитываем только тепло, пере данное стенкой контактным путем, поэтому количество тепла с учетом нагрева льда и- пристеночных паров, об разующихся при сублимации, составит:
<7э4 = <7с + <7* + С |
(4-29) |
178
где дэ— электрическая тепловая нагрузка; -ц— коэффи циент потерь; qc— количество тепла, переданное контак
том; q1 — количество тепла, затраченное на перегрев
льда относительно температуры насыщения; ql — рас
ход тепла на перегрев образующихся при сублимации паров.
При этом <7с определялось по уравнению |
|
|||||||
|
|
<7c = i"AG2/At, |
|
|
|
(4-30) |
||
где і" — энтальпия льда; |
AG2/AT — контактная |
интенсив |
||||||
ность сублимации. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Расход тепла на нагрев льда определялся по фор |
||||||||
муле |
' F, |
Дх — c „ [ |
-G aF,- G ' e] |
P |
л |
~ 7 л |
(4-31) |
|
л |
||||||||
|
c n h |
G |
|
|
|
|
r p n |
|
где AGi/Ат — интенсивность |
сублимации |
при |
перегреве |
|||||
льда; Go— начальный |
вес |
образца; |
G'c — количество |
льда, удаленного путем сублимации (разность Go—G'c соответствует фактическому весу льда в данный момент времени); сл —-теплоемкость льда при температуре льда, соответствующей условиям сублимации и вакуума в камере; F\ — поверхность греющей пластины; Т'л, Т"л •— температуры льда в начальный и конечный момен ты времени.
Расход тепла на перегрев паров, образующихся при сублимации льда:
п |
СрДОд |
М __ |
cpGc (Т, — Г.) |
(4-32) |
|
F, |
Дх |
F, |
|
|
|
где AGn/Ат — интенсивность сублимации; Тк и Ts— тем пература камеры и температура, соответствующая тем пературе насыщения паров при данном вакууме, изме ренная в опыте.
Расчеты показали, что расход тепла на нагрев льда составлял от 4,6 до 6,6 ккал/(м2-ч) и имел Mecfo толь ко в начальный период, а доля тепла, переданного ра
диацией от нагреваемой стенки ко льду при |
условии, |
||
что |
паровая подушка лучепрозрачна, составляла от 1 |
||
до |
12,3 |
ккалі(м2-ч) по сравнению с |
qc = 241 н- |
1 660 ккал/ (м2' ч). |
|
||
|
Таким образом, пренебрегая этими составляющими |
||
теплового |
потока, с достаточной точностью, |
особенно |
12* |
179 |
для стационарных условий теплообмена, тепловые рас четы можно вести, ограничиваясь только основной ча стью расхода — долей тепла на сублимацию льда. Для стационарных условий можно записать:
= |
(4-33) |
V |
» |
и определить для каждого опыта коэффициент теплоот дачи как для поверхности контакта •
ак—qd&h,
так и для сублимации льда
О с — qd^z-
Это дает возможность проанализировать сложный комплексный процесс тепло- и массообмена при субли мации льда при контактном способе подвода тепла и сравнить полученные результаты с данными, характе ризующими другие способы подвода тепла.
Обработка экспериментальных данных в основном сводилась к определению коэффициентов теплоотдачи и выяснению их зависимости от тепловых нагрузок и ва куума.
Наибольшую трудность в отношении точности изме рений и при обработке экспериментальных данных пред ставило определение толщины сублимирующегося слоя льда в пристеночной области у нагреваемой стенки...
Толщина пристеночного сублимирующегося слоя 6 определялась по изменению перемещения нагреваемой стенки за время, соответствующее подъему температур у сигнальных термопар Г5 и Т6. Эти термопары вклю чали сигнальную систему уже в стационарных условиях (при сформировавшейся пористости поликристалла льда).
По показаниям этих термопар экстраполяционным путем была определена начальная толщина пристеноч ного слоя, которая составила 1,2—1,3 мм.
На рис. 4-29 построены графики изменения коэффи циента теплоотдачи контакта ак и термического сопро
тивления бДа |
при тепловых |
нагрузках |
< 7 = 241 и |
1 033 ккалІ(м2-ч) |
и давлении рк = 0,5 мм рт. ст. |
||
Рассмотрение графиков на этих рисунках показыва |
|||
ет, что при сублимации льда |
происходит |
непрерывное |
180