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

сублиматора и не отмечалось какого-либо йзмегіегіия (интенсификации) процесса испарения (сублимации).

5-4. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ТЕПЛО- И МАССООБМЕНУ

Соответственно экспериментальным данным и обнару­ женным фазовым областям на рис. 5-18 схематично по­ казано распределение температур в процессе тепло- и массообмена при сублимации в крупнопористой пластине.

ционного потока от стенок сублимационной камеры и не­ которым перегревом сублимирующихся паров при их истечении через пористую пластину. При обработке экс­ периментальных данных перегрев паров не учитывался. В соответствии с физической картиной процесса субли­

-льда в пористой пластине.

При обработке экспериментальных данных для тол­ стых пористых пластин в целях упрощения, но без на­ рушения реальной физической картины, общая толщина пористой пластины, как это показано на рис. 5-18, дели­ лась на две зоны: зону замораживания 6 '3, включающую

2J6

переохлаждение воды, и зону сублимации льда 6 'с, включающую зону углубления поверхности сублимации. Такое упрощение в основном объясняется сложностью экспериментального определения толщин зон 6 і, 6 2 и 6 з, особенно с понижением вакуума в сублиматоре.

Обработка экспериментальных данных производи­ лась методом эквивалентной теплопроводности. Можно отметить, что основным параметром,, характеризующим устойчивость протекания процесса сублимации льда в пористой пластине, является температура заморожен­ ного ядра Тя, которая в значительной степени определяет перенос тепла и массы при сублимации влаги в капил­ лярно-пористом теле.

Тепловые и материальные балансы. Количество теп­ ла, которое подводилось к пористой пластине, помещен­ ной в вакуум, соответствовало теплу от электронагрева­ теля (для поддержания постоянной плюсовой тем­ пературы воды в модели), замеряемому ваттметром, и теплу от терморадиации стенок камеры q w R . Кроме того, в процессе фазовых превращений в пористой пластине тепло выделялось: при охлаждении воды до 0°С — <7 0 .в> при замерзании воды — q3; при переохлаждении льда — <?п.л. Все подведенное и выделившееся тепло расходова­ лось на сублимацию льда — qc и на перегрев образую­ щихся паров — <7 п.п (при истечении их из пористой пла­ стины в вакуум). В соответствии с этим уравнение теп­ лового баланса имело следующий вид:

Я і Ч + < 7 ^ + < 7 о в < 7 э + Я п . п — < 7 c - W n . i i . ( 5 - 2 )

Потери мощности в подводящих проводах и потери тепла в окружающую среду учитывались к. п. д. элек­ тронагревателя— т]. Исследование процесса сублимации льда — воды в пористой пластине требует учета коли­ чества воды, сублимирующейся за счет радиационного подвода тепла от стенок сублиматора, имеющих более высокую температуру, чем температура пористой пла­ стины. Следует, однако, отметить, что температура сте­ нок сублиматора поддерживалась постоянной и равной

+8 °С и экспериментальные исследования в пористой

пластине проводились при высоких тепловых нагрузках, поэтому влияние излучения стенок камеры было очень мало (qwR составляло только несколько процентов

217

от <7 эЛ)- Раскрывая все члены теплового баланса и груп­ пируя их, получаем:

Рис. 5-19. Изменение коэффициентов теплообмена и термических сопротивлений при сублимации в крупнопористой керамике при дав­ лении.

лимации и теплота затвердевания льда; tB, С3 — темпе­ ратура воды в теплообменном устройстве и в момент замораживания; t"a— температура переохлажденного

перегрев паров, образующихся при сублимации, незна­

ніе

двумя членами, учитывающими теплоты фазовых пере­ ходов; кроме того, они имеют противоположные знаки.

90 50 60 70 80 90MUH

Рис. 5-20. Изменение коэффициентов тепло­ обмена и термических сопротивлений при сублимации в крупнопористой керамике.

рк= \ мм рт. ст, и <7=1 920 ккал/(м? ■ч).

1 ~ а с; 2 — а3; 3 - k ; 4 - 1/а0; 5 - 63А Э; 6 - б3Д э+1/ас.

Поэтому в расчетах эти члены не учитывались и расчет­ ная формула имела вид:

Окончательно, учтя уравнение (5-3), можно записать:

q3-n= qc= Gra — qwR =

где ra — теплота испарения (парообразования) для воды. Значения теплот фазового перехода и другие термо­ динамические параметры брались из (Л. 1-14] при соот­

ветствующих давлениях и температурах.

219

Коэффициент теплообмена и анализ эксперименталь­ ных данных. Из рассмотрения поля температур по сече­ нию пористой пластины следует, что температура замо­ роженного ядра как бы условно делит его на две обла­ сти: первую, в которой происходят охлаждение и замораживание жидкости (кристаллизация), и вторую, в которой происходят сублимация замороженной жид­ кости и миграция образовавшихся паров в вакуум.

Количество тепла, отведенного в процессе заморажи­ вания и сублимации льда в пористой пластине для рас­ сматриваемого случая, в соответствии со схемой на рис. 5-18 и принятыми условиями обработки эксперимен­ тальных данных определяется уравнением

^ Г + ДГ

Для обработки экспериментальных данных была при­ нята методика эквивалентной теплопроводности, соглас­ но которой

1 /0 3 = 6 3 / ^ 3 ; 1/ а с = 0 о А " э .

Для стационарных условий

qc = kht — ЯгэД^/§э = Я”Д^2 /3С= а5 Д^ 2 = асД^. (5-7)

Эти соотношения дают возможность определить коэффициенты теплоотдачи и проанализировать слож­ ный процесс тепло- и массообмена при сублимации льда в пористой пластине.

Основная обработка экспериментальных данных сво­ дилась к определению коэффициентов теплоотдачи и вы­ явлению закономерностей, определяющих влияние изме­ нения термодинамических параметров процесса (вакуума и тепловых нагрузок). На рис. 5-19 и 5-20 показано из­ менение параметров при сублимации льда в пористой пластине. Рассмотрение этих графиков показывает, что коэффициент теплоотдачи для зоны сублимации «с для одного и того же режима изменяется незначительно. Его численное значение на порядок меньше коэффициента теплоотдачи для зоны замораживания. Коэффициент теплоотдачи для зоны замораживания сс3 для одного и того же режима при незначительных колебаниях отдель­ ных, входящих в него параметров, меняется сильно. Как показывает сравнение графиков рис. 5-19,а и б, повы-

220