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

показана полученная нами экспериментальным путем взаимосвязь между количеством подведенного к пласти­ не тепла <7 э и тепла, идущего на сублимацию qc (при ступенчатом изменении q3 во времени). Как видно из рис. 5-6,а (область А), для данной пластины небаланс между электрической нагрузкой и критической тепловой нагрузкой по сублимирующейся массе приводит к энер­ гичному выбросу влаги на поверхности и образованию ледяных сталактитов. В ряде случаев процесс сублима­ ции сопровождался выбросом пара и значительным уно­ сом мелких кристаллов льда без активного льдообразо­ вания на поверхности. Различия критических тепловых нагрузок для двух пластин объясняются прежде всего их теплопроводностью и смачиваемостью. В очень плотных и плохо смачиваемых проницаемых пластинах с малым диаметром капилляров происходит значительный унос влаги. В проницаемых пластинах, обладающих низкой теплопроводностью и хорошей смачиваемостью, практи­ чески не происходит уноса, а происходит бурное льдообра­ зование. Это, по-видимому, связано с двумя факторами:

са испарения в связи с малой теплопроводностью пла­ стины. На рис. 5-6 представлено также температурное поле перед процессом льдообразования в .мелкопористых проницаемых пластинах, обладающих высокой теплопро­ водностью (рис. 5-6,6) и низкой теплопроводностью (рис. 5-6,а). Как видно из рис. 5-6,а, в проницаемых пластинах, обладающих низкой теплопроводностью, су­ ществуют весьма значительные градиенты температур (давлений), которые и приводят к моментальному льдо­ образованию. В проницаемых пластинах, обладающих высокой теплопроводностью, градиенты температур (дав­ лений) значительно меньше (рис. 5-6,6). В этих пласти­ нах ярко выражена область льда, и увеличение тепловой нагрузки в них до критической величины сопровождается его размораживанием и значительным уносом в вакуум. Таким образом, у пластин с высокой теплопроводностью вследствие лучшего переноса тепла по каркасу в зону сублимации величина критической тепловой нагрузки при всех прочих равных условиях значительно выше.

Кинетика процесса сублимации из проницаемой пла­ стины. Изучение механизма процесса сублимации позво­ лило исключить явление макровыброса воды из прони-

199

Рис. 5-7. Кинетика процесса сублимации льда—воды из пористой фигурной металлокерамики при постоянном давлении в камере (рк=0,5 мм рт. ст.).

о. — (?с =2 800 вт/м2; 6 — 9с -=4 050 ег/лг2; в —qс =4 500 в т / м 2; 7 — ДС/Дт; I — зона пара; II — замороженная зона; III — зона воды.

цаемой пластины и исследовать его кинетику в условиях микровыброса.

На графиках рис. 5-7 показана интенсивность субли­ мации льда AG/Ат, а также результаты измерения тем­ пературы в различных местах пористой пластины при установившемся режиме1.

На рис. 5-7 заметны резко изменяющиеся во времени йульсации температур в проницаемой пластине (экспе­ риментально было установлено, что пульсации темпера­ тур объясняются микропрорывами воды через поры пластины). В большинстве случаев по графикам можно легко проследить величину амплитуды температурных пульсаций в различных сечениях проницаемой пластины. Для отдельного элемента проницаемой фигурной пласти­ ны с выступами и впадинами (рис. 5-2) построено рас­ пределение температур в сечениях АА и ВВ. Как видно, распределение температур имеет форму неравнобо^ой параболы с явно выраженным минимумом, соответству­ ющим температуре замороженной зоны (замороженного ядра) Тя. В указанном диапазоне тепловой нагрузки температура замороженного ядра Гя изменялась от —1,4 до —2,7 °С. Понижение температуры Тя с ростом тепло­ вой нагрузки, видимо, связано с более интенсивным пере­ носом массы воды к замороженной зоне, что обусловли­ вает смещение замороженной зоны к наружной поверх­ ности пластины. При этом гидравлическое сопротивление миграции паров к поверхности пластины несколько уменьшается, что ведет как к увеличению их объемного расширения у границы поверхности сублимации, так и к уменьшению температуры замороженного ядра. На рис. 5-7,в при <7 о= 4 500 вт/м2 показано распределение и положение всех фазовых областей для момента времени

г-------3 ----- ПРИ к ---------------3 -------------’

Одной из главных особенностей сублимации льда из проницаемой пластины, обнаруженной при исследовании, явилось то, что с повышением вакуума в крупнопористых пластинах значительно снижается температура заморо­ женного ядра Тя (рис. 5-8).

1 Под установившимся или для данных условий под квазистационарным режимом понимаются условия, при которых происходит сублимация с постоянной интенсивностью (несмотря на пульсации температуры, давления и систематические микровыбросы воды).

201

äG/â'C, г/мик

202

Понижение температуры замороженного ядра при повышении вакуума в сублиматоре, видимо, связано со смещением замороженной области к наружной поверх­ ности пористой пластины, хотя это смещение происходит на небольшую величину (доли миллиметра) и обнару­ жить его экспериментально весьма трудно. Понижение температуры замороженного ядра Тя влечет за собой некоторое упрочнение льда в порах проницаемой пласти­ ны в замороженной области.

в проницаемой пластине при сублимации льда—воды при различной тепловой нагрузке при q3\<qa2<qvz<qz4-

На рис. 5-8,8 при г»к=10- 2 мм от. ст. и ас,—2 240 втІмг показано распределение всех фазовых областей по сече­ нию проницаемой пластины в момент времени т=80 мин. Установленный нами экспериментально характер рас­ пределения температур в пластине в виде неравнобокой параболы во всех случаях объясняется двумя основными причинами: образованием ледяной прослойки (левая ветвь), а также излучением от стенок сублимационной камеры (правая ветвь). Несмотря на пульсационный характер температурного поля в пористой пластине

203

и углубление поверхности сублимации, интенсивность испарения оставалась постоянной и при данном режиме почти не менялась.

На рис. 5-9 показано изменение температур в крупно­ пористой проницаемой пластине (рис. 5-9,а) и мелко­ пористой пластине (рис. 5-9,6) в зависимости от изменя­

'- пульсаций, вызванный двойным фазовым пере­

увеличению их частоты. Это приводило к повышению и выравниванию температур по пластине во времени.

Для мелкопористых пластин заметные пульсации на­

чески к вырождению температурных пульсаций. Однако более точные измерения показали, что характер про­ цесса оставался пульсационным, но пульсации имели небольшую амплитуду и достаточно высокую частоту.

На рис. 5-10 представлена для одной из крупнопори­ стых пластин -зависимость амплитуды At и частоты vt температурных пульсаций от тепловой нагрузки, под­ веденной к пластине.

Механизм тепло- и массообмена при сублимации льда — воды в проницаемой пластине. Рассмотренные исследования показали, что при установившемся режи­ ме с непрерывной подачей воды постоянной температуры

204