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

1. Существование над проницаемой пластиной факе­ ла (свободной струи) сублимирующегося пара, высота

торой происходило истечение водяного пара (рис. 5-14), показало, что в непосредственной близости от по­

куумная среда происходит скачкообразное изменение температуры, т. е. существует разница между темпера­ турой поверхности tn и температурой сублимирующегося из ее пор пара t2.

Как видно из рис. 5-14, с повышением тепловой на­ грузки до 7,7 • ІО3 вт/м2 температурный скачок увеличи­ вается, т. е. температура пара, эвакуирующегося из по­ ристой пластины, понижается. Это явление объясняется подъемом зоны сублимации (зоны льда) внутри пори­ стой пластины в сторону вакуума и увеличением дрос­ сельного эффекта у сублимирующегося пара. Данная закономерность была обнаружена во всех исследован­ ных интервалах давлений при изменяющейся тепловой нагрузке.

Величина температурного скачка при постоянной тепловой нагрузке зависела также от общего давления (вакуума) в сублиматоре. Как показывают эксперимен­

в результате чего температура, при которой происходит сублимация льда — воды, в порах пластины уменьшает­ ся, а следовательно, уменьшается и температура пара, выходящего из пластины. Эффекты перемещения зоны сублимации при увеличении тепловой нагрузки и ва­ куума подтверждаются проведенными исследованиями на моделях капиллярно-пористых тел (одиночный мак­

уменьшается более че,м в 3 раза. Это можно объяснить тем, что в отличие от вязкостного режима, где в обра­ зовании пристеночного слоя участвуют все молекулы, выходящие из пластины и взаимодействующие с поверх­ ностью термодатчика, в молекулярно-вязкостном режи­ ме из-за изменения структуры потока пара появляются эффекты скольжения молекул на корольке термопары.

Это приводит к тому, что температурный скачок при вакууме рк= 5-10_ 3 мм рт. ст. меньше, чем при вакууме 0,04 мм рт. ст.

21 2

Поле температур в факеле сублимирующегося пара над проницаемой пластиной. Совместное исследование поля температур и скоростей в свободной струе субли­

мирующегося пара показало существование в нем трех областей (рис. 5-15 и 5-16):

/ — область постоянной температуры (поверхностный диффузионный слой);

Рис. 5-15. Структура свободной струи сублими­ рующегося пара над проницаемой пластиной в ва­ кууме.

а — поле скоростей в свободной струе; б — изменение тем­ ператур вдоль оси свободной струи; / — область диффу­ зионного пристеночного слоя; II — область ядра струи; III — область перемешанного и эвакуирующегося пара; в — структура свободной струи.

II — область постоянного (при данной тепловой на­ грузке и вакууме) градиента температуры (ядро факела сублимирующегося пара);

III — область перемешанного пара, эвакуируемого из камеры.

Рассмотрим каждую из этих областей:

Область I. Как было сказано выше, у поверхности проницаемой пластины существует «пристеночный» слой пара, который определяется участком температурного поля у поверхности пластины, где температура практи­ чески не меняется. Величина пристеночного слоя при давлении , 0 = 0,04 мм рт. ст. составляла 3,8 мм (длина свободного пробега молекул пара при р = 0,04 мм рт. ст.

213

равна 1,32 мм). Вероятно, толщина пристеночного слоя связана также с длиной свободной струи при истечении пара из микрокапилляров проницаемой пластины. Срав­ нивая величины пристеночного слоя и длину свободного

деленный фронт, координата которого может опреде­ ляться изменением наклона температурной кривой на рис. 5-15. С другой стороны, наличие пристеночного слоя может быть определено существованием некоторой про­ межуточной области, где происходит переход от моле­ кулярного режима пара в капиллярах пластины (Кп^>1) в другой режим течения, устанавливающийся в соответ­ ствии с вакуумом в сублиматоре.

В молекулярном режиме пристеночный слой выро­ ждается, и области / и II будут сливаться. Как показали специальные исследования, термодатчик, установленный на расстоянии 0,5 мм от проницаемой поверхности, реагировал на смену и формирование молекулярных те­ чений в области пристеночно-диффузионного слоя (рис. 5-17). При уменьшении вакуума в сублиматоре от

сти, в которых процесс сублимации из проницаемой пластины существенно различен: область вязкостного режима и область молекулярно-вязкостного режима.

214

Между ними можно выделить переходную зону. В вяз­ костном режиме течения температура пара с пониже­ нием давления уменьшалась. Это можно объяснить (кроме объяснения, данного выше) тем, что с пониже­ нием давления и ростом пристеночного слоя увеличива­ ется сопротивление движению сублимирующегося пара из пор проницаемой пластины.

При постоянной тепловой нагрузке на проницаемой пластине повышение вакуума в сублиматоре приводит к перемещению (поднятию) зоны сублимации в сторону вакуума. В молекулярно-вязкостном режиме течения

тонное возрастание температуры пара (постоянная ве­ личина температурного градиента) и падение скорости потока сублимирующегося пара по высоте ядра струи (рис. 5-15). Если, область / характеризовалась резким расширением потока пара на границе поверхность про­ ницаемой пластины — вакуум, то в области II это рас­ ширение незначительно. Однако для всей этой области также характерны пульсации скорости потока пара.

Область III. В этой области происходили перемеши­ вание и эвакуация сублимирующегося пара к системам вакуумных насосов (рис. 5-15,6, б). Как показали много­ численные эксперименты, во всем диапазоне вакуума и тепловых нагрузок не происходило каких-либо взаимо­ действий факела сублимирующегося пара со стенками

215