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: 152
Скачиваний: 0
и при постоянном тепловом потоке дс внутри пористой пластины существуют три области:
1 |
— область |
жидкой |
фазы, |
в |
которой поступающая |
вода |
переохлаждается |
до температуры кристаллизации; |
|||
2 |
— область |
твердой |
фазы, |
где |
происходит затверде |
вание (кристаллизация) воды и переохлаждение кри сталлов до температуры сублимации;
3 — область газообразной или паровой фазы, где про исходит миграция сублимирующихся молекул из про ницаемой пластины в вакуумную камеру.
Рассмотрим некоторые гипотезы о движении воды через твердую фазу (лед в пористой пластине), исходя из наличия обнаруженных нами трех фазовых областей. Следует отметить, что, как это показано на рис. 5-7 и 5-8, границы области твердой фазы размыты, поэтому они условно обозначены волнистой линией. При пере мене режима сублимации границы могут перемещаться.
В области жидкой фазы между порами пластины находится вода, непрерывно поступающая в образец за счет капиллярного всасывания и диффузии. По мере продвижения к границе области замерзания (твердой фазы) она охлаждается.
На границе области твердой фазы происходит замо раживание влаги. При этом вода между порами увели чивается в объеме и создает давление, вследствие кото рого вблизи поверхности пор, вероятно, образуются капиллярные полости, в которых может оставаться в переохлажденном состоянии экстракционная1 и адсорбционно связанная влага. Можно предположить, что лед в порах будет находиться в оболочках этой пе реохлажденной воды. Известно, например, что в древе сине адсорбционная и экстракционная влага и влага в микрокапиллярах может находиться в жидкой фазе до —30, —40 °С. Эта влага за счет капиллярного всасы вания и диффузии, по-видимому,. может перемещаться ко второй границе области твердой фазы и затвердевать или полностью кристаллизоваться, достигая у границы твердой фазы самой низкой температуры. На второй границе этой области (твердой фазы) и будет происхо-
1 При замораживании воды, содержащей растворимые соли, кис лоты или щелочи, при образовании льда остается в жидкой фазе часть незамерзающей воды с большой концентрацией этих веществ, которая названа нами экстракционной влагой.
205
дить сублимация льда в вакуум, вызванная тем же механизмом пластической деформации льда, но под действием температурного напора в каркасе. Однако количество этой влаги невелико, и ее перемещением не возможно объяснить механизм непрерывной сублимации влаги в пористом теле. Поэтому нами была предложена другая гипотеза о переносе вещества в области твердой фазы льда, находящегося в проницаемой пластине. В пластине поры имеют различные размеры, а локаль ные тепловые потоки могут быть также неодинаковыми, поэтому в некоторых каналах будет происходить размо раживание воды, и она в виде отдельных струек или просачивающихся капелек будет прорываться периоди чески в области паровой фазы и при истечении почти мгновенно превращаться в лед, который на какое-то время будет закупоривать поры проницаемой пластины. Однако после того, как осуществится его сублимация, опять произойдет откупорка этих каналов, и процесс будет циклически повторяться.
Возможно, что эти два вида переноса массы — в фор ме переохлажденной воды и в форме периодически про рывающихся струек и просачивающихся через отверстие капелек воды — действуют одновременно. Так или иначе эти гипотезы о стоке массы в виде большого числа от дельных источников необходимо было подтвердить экс периментально и доказать, что процесс сублимации льда в пористой пластине носит непрерывный пульсационновероятностный характер. Об этом свидетельствовала непрерывная пульсация температур в проницаемой пла стине.
В области паровой фазы пористого тела происходит процесс миграции образовавшихся паров в вакуум. Нуж но отметить, что процессы, протекающие во всех трех фазовых областях, находятся в тесной динамической взаимосвязи. Если нарушается приток влаги из жидкой области или увеличивается вакуум в сублиматоре, про исходит углубление поверхности сублимации до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие в отношении подачи воды из жидкой области, ее кристаллизации в области твердой фазы и сублимации в паровой фазе.
Таковым представляется механизм процесса движе ния влаги в пористом теле. Эти представления нами детально подтверждены визуально на модели капилляр но-пористого тела методом кино- и фотосъемки, фикси-
206
рующим всю динамику особенностей этого сложного процесса (см. гл. 3, § 8 ).
Многочисленные эксперименты методами макро- и микрокиносъемки, проведенные на «пленочной модели», дали возможность получить также наглядное представ ление о механизме пульсаций исследуемого процесса.
Вакуу,'М Вакуум
f |
t |
q f |
t |
|
|
в) |
|
|
|
|
*) |
|
|
|
|
|
|
|
Вакуум |
|
|
|
Вакуум |
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
\ |
|
/ |
J |
r |
- |
|
|
|
|
|
Л |
|
|
|
|
||
|
|
ж |
|
|
|
|
|
|
t |
f |
q |
t |
t |
t |
t q' |
t |
t |
|
|
6) |
|
|
|
г) |
|
|
Рис. 5-11. Механизм пульсаций и его отдельные периоды при сублимации льда в модели пористой пластины.
а — образование льда стекловидной структуры; б — слияние зоны льда мелкокристаллической структуры с областью жидкости у стенок кар каса; в — развитие стадии прорыва жидкости; г — образованиельда мелкокристаллической структуры.
Расшифровка полученных кинограмм (см. рис. 3-42) по зволяет не только выяснить механизм процесса субли мации и возникающих пульсаций в пористой пластине, но и установить следующие его периоды (этапы):
а — образование льда «стекловидной» структуры и неравномерное развитие области (фронта бі) льда мел
207
кокристаллической структуры (рис. 5-11). Наибольшее разрушение льда «стекловидной» структуры происходит
устенок каркаса (в области энергоподвода);
б— слияние зоны льда мелкокристаллической струк туры с областью жидкости у стенок каркаса;
в — выброс (прорыв) жидкости у стенок каркаса под действием градиентов давлений и течение ее по поверх ности (первая стадия выброса). Наиболее вероятные области выброса показаны на рис. 5-11,6 стрелками. Величина локальных градиентов в зависимости от диа метра пор и извилистости может достигать 1 кгс/см2, а максимальная толщина развивающейся зоны субли мации льда мелкокристаллической структуры может со ставлять 2 мм, Внутри льда мелкокристаллической структуры, заполняющего свободное пространство пор каркаса, существует область пониженного давления. Вследствие наличия этой области могут происходить срыв пленки с поверхности каркаса и ее турбулизация. Это вторая стадия процесса выброса. На рис. 5-11,в направление срыва (вторая стадия) показано искрив ленными линиями;
г — при слиянии оттесненной от стенки пленки жид кости и заполнении всего свободного объема пор турбу лизация затухает. Вследствие существования понижен ного давления у фронта двигающейся пленки происходит постоянное ее переохлаждение, а затем кристалли зация с одновременным развитием зоны сублимации (образованием льда мелкокристаллической структуры, рис. 5-11,г). Замораживание (развитие фронта кристал лизации) пленки происходит в основном у поверхности каркаса, при этом каркас является как бы источником образования центров кристаллизации.
Продолжительность процесса кристаллизации пленки жидкости (при эквивалентном диаметре пор пленочной модели от 400 до 5 мкм) составляет от 3 до 1 сек.
Рассмотренная картина справедлива для диаметра пор каркаса («пленочной» модели) от 400 до 100 мкм (т. е. когда на весь процесс пульсаций влияние поверх ностных сил еще незначительно).
Действие поверхностных сил проявляется на расстоя нии 10мкм (инесколько выше). При анализе кинограмм, снятых с «пленочной» модели, мы провели обработку зависимости перемещения фронта льда мелкокристал
208
лической структуры öi и фронта жидкости 02 от времени за один цикл пульсаций (период).
Как видно из рассмотрения графика на рис. 5-12, где за начало координат принята средняя граница зоны льда в исследуемой пластине, в основном происходит пульсация зоны льда мелкокристаллической структуры
(вызваная |
сублимацией |
и |
|
|||||||
выбросом). Амплитуда пуль |
|
|||||||||
саций |
фазовых |
границ |
для |
|
||||||
«пленочной» модели |
с экви |
|
||||||||
валентным |
диаметром |
пор |
|
|||||||
от 40 до |
100 мкм при устой |
|
||||||||
чивом |
(квазистационарном) |
|
||||||||
процессе |
достигала 1 |
мм. |
|
|||||||
|
Зона |
льда, |
примыкаю |
|
||||||
щая к жидкости, Ö2 остается |
|
|||||||||
практически |
без |
изменений |
|
|||||||
(или |
пульсирует по |
закону, |
|
|||||||
близкому |
к периодическому |
|
||||||||
с |
очень |
малой |
амплитудой, |
|
||||||
до 0,15 мкм). Это |
еще |
раз |
|
|||||||
подтверждает тот |
факт, |
что |
|
|||||||
области |
|
|
микропрорывов |
|
||||||
жидкости лежат у поверхно |
перемещения мелкокристалли |
|||||||||
сти |
каркаса, |
обращенной |
ческой структуры бі и жидко |
|||||||
в |
вакуум |
(в |
зоне |
энерго |
сти бг от времени_за один пе |
|||||
провода) . |
|
|
совпаде |
риод пульсаций; 6 — толщина |
||||||
|
Существующее |
пластины. |
||||||||
ние характера |
полей |
темпе |
|
ратур в «пленочной» модели и внутри капиллярно-по ристого тела при сублимации льда — воды в вакуум ука зывает на полную аналогию протекающих там процессов,
5-3. ВНЕШ НИЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ПОРИСТАЯ ПЛАСТИНА — ВАКУУМ
Нами проводилось исследование внешнего тепломассо обмена над проницаемой пластиной при сублимаций
вней льда — воды в вакуум {Л. 5-5].
Впроцессе эксперимента исследовалось поле темпе ратур, измеренное методом, рассмотренным в гл. 3, и
поле скоростей, измеренное крыльчатым анемометром. В результате проведенного эксперимента было обнару жено:
14—175 |
209 |
вакуумному насосу
Рис. 5-13. Структура потока сублимирующегося пара над проницаемой пластиной при различном потоке пара и глубине вакуума.
а — 1=2,8 г/(м2• сек); р= 0,2 мм рт. ст.; 6 — 1=5,6 гЦм2 ■сек); р —0,2 мм рт. ст.-, в — 7=2,8 г/(м2 • сек); р=0,1 мм рт. ст.: 1 — w=
=3 м/сек; 2 — w=6 |
м/сек-, |
3 — w=3 м/сек: 4 — w = 9 |
м/сек; |
5 — |
||||||
а>=17 м/сек. г — пульсации |
ѵ средней |
скорости |
потока пара |
над |
||||||
проницаемой |
пористой пластиной: |
1 — 1=4,2 |
г/(м- ■сек); |
р = |
||||||
= 10-2 мм рт. ст.; рв= 90 мм |
вод. |
ст.; |
2 — 1= 1,4 |
е/(м2 ■сек); |
||||||
рк= 10-2 мм |
рт. |
ст.; |
рв=90 |
мм |
вод. |
ст.; |
3 — 1=4,2 |
г/(м2 • сек); |
||
рк = 10"5 мм |
рт. |
ст.; |
р в= 180 |
мм |
вод. |
ст. |
|
|
|
|
210