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: 156
Скачиваний: 0
Исследования производились с фигурными и плоски ми проницаемыми пластинами. Для определения полей температур в фигурную, ступенчатую, проницаемую пла стину было заделано шесть медь-константановых термо пар 1—б с диаметром проволоки 80 мкм (рис. 5-2). Та рировка термопар проводилась потенциометром, на котором в дальнейшем проводились эти измерения, с точ
ностью до 0,05°С. Кроме |
того, измерялась температура |
||||||
|
|
паров |
над |
поверхно |
|||
|
|
стью воды и температу |
|||||
|
|
ра |
питательной |
воды. |
|||
|
|
|
Температура поверх |
||||
|
|
ности |
пластины, |
с ко |
|||
|
|
торой происходила суб |
|||||
|
|
лимация, |
|
измерялась |
|||
|
|
двумя |
способами: |
тер |
|||
|
|
мопарой, |
|
заделанной |
|||
. - _ --------- --- Ввод жидкости |
- |
на |
поверхности, и спе |
||||
циальной |
термопарой, |
||||||
Рис. 5-2. Схема установки термопар |
помещенной |
на |
винте |
||||
микрометра, |
которая |
||||||
в фигурную проницаемую пластину. |
измеряла также и тем: |
||||||
1—7 — места установки термопар. |
|
пературу |
сублимирую |
||||
|
|
щихся паров.
В основных рабочих экспериментах использовались только плоские проницаемые пластины.
Расход сублимирующегося льда (воды) из проницае мой пластины в вакуум замерялся с помощью специаль ной системы (рис. 5-3) с бюреткой.
В первоначальных опытах питание пористой керами ки жидкостью осуществлялось с помощью фитилей.- Ин
тенсивность |
сублимации |
определялась по убыли воды |
из модели. |
Расход воды |
измерялся с помощью наклон |
ной стеклянной трубочки. Тщательная тарировка давала
возможность |
проводить эти измерения |
с точностью |
±3,3 г/мин. |
Расход электроэнергии для |
поддержания- |
постоянной температуры воды фиксировался с помощью ваттметра1. В дальнейшем при исследовании процессов сублимации из плоских мелкопористых пластин осуще ствлялся непосредственный подвод питательной (субли мирующейся) воды под пластину. Перепад давлений
1 Рассматриваемая экспериментальная модель с системой спе циальной подачи влаги к пластине использовалась только для тол стых крупнопористых пластин.
192
между питательной водой, поступающей под пластину, и вакуумом в камере изменялся от 0,1 до 1 кгс/см2. Сле дует заметить, что гидравлическое сопротивление пори стой пластины в процессе сублимации определяется ско
ростью фильтрации воды |
в вакуумную среду только |
в начальный момент. Вода |
в керамике быстро замерза- |
Рис. 5-3. Схема системы снабжения водой по ристой пластины.
1 — экспериментальная |
модель |
теплообменного |
|
устройства |
с пористой |
пластиной; |
2 — мерная бюрет |
ка; 3 — вакуумный кран; 4 — емкость; 5 — индук |
|||
ционный |
вакуумный |
вентиль; |
6 — контактный ва |
куумметр; |
7 —дюза. |
|
|
ла, и в дальнейшем, как показывали исследования, даже
небольшая толщина |
льда (порядка |
0 ,1 — 2 мкм) делает |
ее непроницаемой |
для воды при |
перепаде давлений |
1 кгс/см2, если не происходит ее сублимации. Экспериментальная модель (с датчиками температур,
электропроводкой) помещалась в сублимационную каме ру, в которой создавались соответственно заданному ре жиму постоянное давление (вакуум) рк, температура Тк и поддерживалась постоянная температура стенки суб лиматора Tw= + 8 °С. В этих условиях модель выдержи валась некоторое время с тем, чтобы температура воды снизилась почти до 0°С, и затем включался нагреватель. На нагреватель (при постоянном давлении в сублима-
13—175 |
193 |
194
^ггов
Рис. 5-4. Схема измерений при сублимации льда из пористой пластины.
/ — экспериментальная |
модель; 2 — вакуумная камера; |
3 — вакуумметр ВИТ-1А; 4 — манометр; |
5 — манометр |
Мак-Леода- |
6 |
— |
|
масляный манометр; |
7 — потенциометр ППТН-1; « — гальванометр; |
9 — потенциометр ЭПВ-2-12; |
10 — потенциометр ПСР-2-13- |
11 |
— |
||
электропечь; 12 — установка для микроперемещений; |
13 — мерная |
бюретка; 14 — электросхема |
установки для |
микроперемеще |
|||
ний; 15 — стабилизатор П-71М. |
|
|
|
|
|
|
горе рк= 0,5 мм рт. ст.) подавалась электроэнергия соот ветственно режимам сублимации мощностью 25; 32,5; 40 вт. Одновременно фиксировалась интенсивность суб лимации AIG/AT и проводилось измерение температуры в проницаемой пластине 74—7Ѵ Схема эксперименталь ной установки и контрольно-измерительной аппаратуры показана на рис. 5-4.
Методика измерений температур и давлений принци пиально не отличалась от рассмотренных ранее в гла вах, посвященных технике измерения и исследованию процессов сублимации при терморадиационном и кондуктивном способах подвода тепла.
5-2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ, КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СУБЛИМАЦИИ
Отличительной особенностью исследованного нами про цесса сублимации льда — воды из проницаемой пластины по сравнению с процессом сублимации льда при радиа ционном и кондуктивном подводе тепла являлась его непрерывность. В отличие от процесса сушки твердых тел в замороженном состоянии, где наблюдается непре рывное увеличение углубления поверхности сублимации, при сублимации льда — воды из пористой пластины углубление поверхности сублимации при данном режиме оставалось постоянным. Это явление требовало объяс нения, каким путем происходила непрерывная миграция вещества в вакуум при наличии в пластине твердой фазы льда. Экспериментально было установлено, что в отли чие от процессов сублимации льда при терморадиацион
ном |
и контактном подводе тепла, |
когда |
температура |
льда |
(при тепловой нагрузке до 1 |
800 вт/м2 |
и давлении |
в сублиматоре рк= 0,5 мм рт. ст.) |
температура состав |
ляла —18°С, в проницаемой пластине Он— 4°С.
В [Л. 5-1, 5-2] показана только общая картина этого процесса. Однако В. Н. Балахоновой, П. А. Новиковым, Б. М. Смольским и др. было указано, что при субли мации льда — воды из проницаемой пластины при опре деленных условиях периодически происходит выброс воды, что приводит к значительному льдообразованию на поверхности сублимации. В камере возникают пуль сации давлений и нарушается установившийся режим сублимации.
В [Л. 5-3] проверена модель теплообменного устрой ства, близкая и модели устройства [Л. 5-2]. В этой моде-
J3* |
195 |
ли при достижении определенных тепловых нагрузок также наблюдался периодический выброс воды к по верхности. На рис. 5-5 приводятся фотоснимки, соответ ствующие условиям срыва процесса сублимации, свя занного с мгновенным проникновением сравнительно больших количеств воды через проницаемую пластину и льдообразованием на ее поверхности. На рис. 5-5,а при ведена фотография проницаемой поверхности в увеличен ном масшабе в момент процесса сублимации,, когда начинаются активные микровыбросы (облачко показы вает микровыброс), но еще отсутствует льдообразование на ее поверхности. На рис. 5-5,6 дана фотография про ницаемой поверхности в начальный момент прорыва воды, которая, фильтруясь через пористую пластину, почти мгновенно превращается в ледяные шары, уноси мые в вакуумную камеру. Эти шары интенсивно субли мируются во взвешенном состоянии, вследствие чего
вкамере резко падает вакуум. На рис. 5-5,в приведена фотография поверхности в последующий момент, когда
вкамере снизился вакуум, а на пористой поверхности произошло льдообразование (образовались ледяные ста лактиты самой причудливой конфигурации). В некото
рых случаях на поверхности после |
макровыброса |
воды |
|
в вакуум |
образовывались длинные |
(50—100 мм) |
иглы |
конусообразной формы. |
эксперименты |
для |
|
Как |
показали многочисленные |
ряда различных пластин, в большинстве случаев процес су льдообразования предшествует активный унос влаги из пористого каркаса в виде фонтанов мелких кристал ликов льда и шарообразных капелек воды, наблюдаемых визуально (рис. 5-5,6). Срыв процесса сублимации и вы брос воды происходят в момент, когда электрическая мощность, подведенная к теплообменному устройству, превысит некоторое критическое значение тепловой на грузки, характерное для данного типа проницаемой пла стины и режима сублимации, т. е.
^ 9 с . к |
р = |
G c . K p f - |
( 5 - 1 ) |
Для нормальных условий работы экспериментальной |
|||
модели необходимо, чтобы |
d u , |
O m 'Ön, Р ж , р к |
■ • •) |
</эТ1 ^=~<7с.кр = / ( Я п , 6 п , |
В этих уравнениях: т] — к. п. д. электронагревателя, учитывающий потери в. подводящих проводах и в окру жающую среду стенками теплообменного устройства
196
Рис. 5-5. Срыв процесса сублимации льда—воды из пористой пластины.
а — начало активных микровыбросов; б — начальный момент прорыва воды; в — льдообразование на поверхности субли мации. Цена деления масштабной линейки 1 мм.
197
(в условиях эксперимента коэффициент г1 = 1); Gc.кр — количество сублимирующейся воды, соответствующее критической тепловой нагрузке; г — теплота фазового перехода.
Критическая тепловая нагрузка д'с.кр, определяющая выброс влаги из проницаемой пластины и допустимую сублимационно-испарительную способность, является одной из важнейших ее характеристик. Она зависит от ряда факторов: теплопроводности проницаемой пла стины Ап, давления рж«питательной» жидкости (жидко сти, идущей на испарение-сублимацию), вакуума рк в сублимационной камере и т. д.
30 60 90 мин |
30 |
60 |
90мин |
а) |
|
б) |
|
Рис. 5-6. Взаимосвязь между критической тепловой нагрузкой и количеством подведенного к пластине тепла q3 и тепла, идущего на сублимацию, qc при их
ступенчатом изменении |
по |
времени. |
|||
а — для |
мелкопористых |
плохо |
смачивающихся пластин |
||
с низкой |
теплопроводностью; |
б — для |
мелкопористых хоро |
||
шо смачивающихся пластин с |
высокой |
теплопроводностью; |
|||
О — 4Э\ V — <7 С; X — критическая |
нагрузка. |
Следует заметить, что в некоторых случаях при суб лимации льда — воды из пористой ѵпластины наблюда лись выбросы, когда рэЦ<0с- Это объяснялось тем, что часть влаги выносилась из пор проницаемой пластины в виде мельчайших льдинок, капелек воды и пара. Вы несенная масса влаги не участвовала в общем процессе отвода тепла от проницаемой пластины. На рис. 5-6
198