ного расхода пара, заслонка 10 открывалась, а заслонка 11 закрывалась, при этом пар направлялся к поверх ности десублимации. Для предотвращения десублима ции водяного пара вне рабочей поверхности металличе ской пластины 1 (на прилегающей к ней поверхности) в экспериментальной модели в некоторых режимах ис пользовался охранный нагреватель 18, поддерживаю щий температуру этих поверхностей, близкую к темпе ратуре его насыщения при заданном давлении.
Для проведения как визуальных, так и фотографи ческих исследований экспериментальная модель снаб жалась двумя оптическими стеклами 5. Эксперимен тальная модель помещалась в вакуумную камеру, где строго фиксировалось общее давление и поддержива лась постоянной температура ее стенок. Во всех экспе риментах процесс десублимации продолжался до закры тия четвертой (максимально удаленной от поверхности десублимации) термопары IX. После закрытия льдом этой термопары процесс десублимации прекращался, производилось размораживание образовавшегося льда с помощью электрического нагревателя 19, замер его геометрической формы и взвешивание.
Кинетика процесса десублимации льда в вакууме.
Исследования десублимации льда в вакууме как на плоской экспериментальной модели, так и на цилиндри ческой трубке в диапазоне от 20 до 5 -10-2 мм рт. ст. показали, что не только количество десублимированного льда, но и поле температур в нем существенно зави сят от времени (рис. 6-23,6).
Для процесса десублимации не существует стацио нарного периода (или периода с постоянной скоростью десублимации). На рис. 6-23,6 показано изменение тем ператур как в десублимироваином льде, так и над его поверхностью во времени при постоянной температуре охлаждаемой поверхности tc.
На рис. 6-24 показано изменение количества тепла, выделяющегося в процессе десублимации, и распреде ление температурного поля во льду при различном ва кууме (при условии, что лед достигал во всех прове денных экспериментах одной и той же толщины, равной 10 мм). Как видно из рис. 6-24,а и 6-24,в температур ное поле значительно изменяется с толщиной десублимирующегося льда; температура на фронте десублима ции Tg(x) приближается к Т3— температуре насыщения
водяного пара. Из анализа нестационарных температур ных полей и изменения интенсивности процесса десуб лимации можно сделать следующие выводы:
1. Вследствие активно развивающегося фазового перехода на поверхности образующегося льда поле тем ператур существенно нелинейно. По окончании процес са фазового перехода (Ts^ T g) поле температур прини мает линейный характер.
Рис. 6-23. Кинетика процесса десублимации водяного пара на пло
|
|
|
|
|
|
|
ской пластине |
(214— тарировочный коэффициент теіпломера). |
|
а — выделение |
теплоты |
десублимации |
q в процессе образования слоя льда; |
б — поле |
температур в |
образующемся |
слое льда; |
/—4 — температуры в де- |
сублимированном льде; |
5 — температура пластины; |
6 — температуры |
насыще |
ния водяного пара; Т | — т4— моменты |
закрытия термопар льдом. |
|
2. |
Движущей силой исследуемого процесса |
является |
разность температур между температурой на фронте десублимации и температурой насыщения при заданном вакууме в сублиматоре. Если эта разность стремится к нулю, то процесс десублимации затухает и рост тол щины слоя льда прекращается.
Кривые десублимации. В проведенных исследовани ях измеренные величины нестационарных тепловых по токов были представлены в виде зависимостей q= f(x) — кривых десублимации (рис. 6-23,а). Площадь под кри вой ABCDEFA соответствует количеству тепла, выде
лившемуся в процессе |
фазового перехода. Эта площадь |
может быть |
разделена |
на ряд областей |
(периодов |
де |
сублимации): |
период |
|
(ABG )— начальное |
активное |
за |
1. Первый |
|
рождение кристаллов льда. Точка А соответствует обра зованию локальных центров кристаллизации и зарожде нию первых кристаллов. Как показали эксперименты, вероятно, центрами кристаллизации являются молеку-
лы воды (комплексы молекул), адсорбированные на охлажденной поверхности. Каждый индивидуальный центр развивался в геометрически выпуклую форму до слияния с соседним. Точка В на кривой десублимации определяла слияние всех кристаллов на поверхности де сублимации и образование сплошной «гофрированной» пленки льда. На рис. 6-25 показаны форма и рост кри
|
|
|
|
|
|
|
|
сталлов на |
поверхности |
конденсации (при |
различном |
вакууме в модели). |
|
|
|
|
2. |
Второй период BCFG — образование плоской плен |
ки льда. После |
образования |
«гофрированной» |
пленки |
льда |
осаждение |
молекул |
водяного пара происходило |
в области |
слияния отдельных |
кристаллов |
(в |
области |
Рис 6-26. Зависимость интенсивности десубли мации от глубины вакуума в различных ста диях процесса.
Стадии |
образования |
слоя |
льда: |
а — при |
рк > |
>2 |
мм рт. ст.; б — рк< 2 |
мм |
рт. |
ст.\ |
/ — образова |
ние |
«пленки» |
льда |
на |
плоской |
пластине; II — раз |
витие слоя льда на плоской |
пластине; III — разви |
тие |
слоя |
льда |
на |
трубке; |
IV — образование |
«плен |
ки» |
льда |
на трубке. |
|
|
|
|
|
|
минимальной температуры на фронте десублимации). При этом фронт десублимации выравнивался в плоскую
пленку льда |
(точка |
С на кривой десублимации). Интен |
сивность образования слоя льда в первом и втором пе |
риодах |
определялась глубиной вакуума, |
температурой |
и состоянием рабочей поверхности. |
|
3. |
Третий период CDEF — рост развитого устойчиво |
го фронта десублимированного льда. |
водяного пара |
Зависимость |
процесса десублимации |
от глубины вакуума. Как показали эксперименты, весь |
охваченный |
в |
них |
диапазон |
давлений |
в соответствии |
с образующейся структурой льда и интенсивностью про |
цесса десублимации |
(рис. 6-26) можно разделить на три |
области: |
|
|
игольчатого |
льда, 20 мм рт. с т . ^ Р ^ |
а) область |
^4,58 мм рт. ст.-,
б) переходная область (ромбический и пирамидаль ный лед), 4,58 мм рт. CT.Z^ P ^ 2,0 мм рт. ст.;
в) область слоисто-глянцевого льда 2 мм рт. ст. ^
^P ^ 5- ІО-2 мм рт. ст.
Вобласти 20 мм рт. CT. ^ P ^ Z4,58 мм рт. ст. процесс
десублимации протекал вяло, с образованием, сломом и уносом игольчатых кристаллов по всей поверхности.
В переходной области (выше тройной точки) иголь чатые кристаллы переходили в кристаллы ромбовидной и пирамидальной формы и было заметно увеличение интенсивности процесса десублимации, которое достига ло максимального (критического) значения при ваку уме 2 мм рт. ст. и температуре стенки порядка —30 °С. Причину столь резкого возрастания интенсивности про цесса можно объяснить создавшимися наиболее благо приятными условиями между процессом фазового пере хода у поверхности десублимации и скоростью подвода
пара.
Уменьшение температуры стенки ниже —30 °С сдви гает критическую величину интенсивности десублима ции в область высокого вакуума.
При уменьшении вакуума от 2 до 20 мм рт. ст. улуч шается связь между молекулами в континуальном по токе пара у холодной поверхности, а также и интенсив ность процесса десублимации. Понижение давления от 2 до 0,1 мм рт. ст. увеличивает вероятность диффузион ного отражения молекул (молекулярно-вязкостный по ток) пара от поверхности десублимации. Этот эффект