книги из ГПНТБ / Лебедев Д.П. Тепло- и массообмен в процессах сублимации в вакууме

тодики эксперимента и термостатирования. На рис. 3-12 представлена общая схема измерений полей температур в разреженном газе дифференциальной хромель-копеле- вой термопарой 4 над проницаемой поверхностью 1. Ди­ стиллированная вода из специальной системы дозирова­ ния 2 подавалась в сосуд 3 под проницаемую пластину 1, где с ней происходили регулируемые энерго­ подводом фазовые превращения (замерзание и сублима­ ция, т. е. испарение в вакуумную камеру). Для исключе­ ния радиационного потока от проницаемой поверхности {qm) спай дифференциальной термопары 4 располагал­ ся над охлаждаемой снизу льдом непроницаемой по­ верхностью 5.

Оптические свойства непроницаемой поверхности 5 подбирались близкими к проницаемой поверхности 1.

приблизительно 0°С.

Температуры как проницаемой 1, так и непроницае­ мой пластины 5 измерялись хромель-копелевыми термо­ парами 6 и 7 на потенциометре ЭПП-09.

Потенциометрический задатчик 9 (ЭПВ-12), соеди­ ненный с двигателем холодильной машины, поддержи­ вал температуру, определяемую термопарой 8, располо­ женной вблизи поверхностей проницаемой и непроницае­ мой пластин около 0°С с точностью ±0,2 °С. При равенстве температуры проницаемой поверхности и тем­ пературы, показываемой термопарой 8, практически исключался тепловой поток qm от стенок вакуумной камеры.

Специальная установка для микроперемещений И позволяла автоматически устанавливать дифференциаль­ ную термопару 4 в любой точке пространства над этими' поверхностями с точностью до 0,01 мм.

Термопары 6, 7 контролировали показание дифферен­ циальной термопары 4 при контакте ее с проницаемой и непроницаемой поверхностями, строго установленными на одном геометрическом уровне. Специальная электри­ ческая система, состоящая из батареи и лампочки, под­ ключенной одним концом к термопаре, а другим через батарею Б непосредственно к поверхности проницаемой пластины, давала возможность с высокой точностью _по загоранию-лампочки фиксировать койтакт и отрыв тер­ мопары от поверхности,

90

Вакуум в камере измерялся е помощью прибора ВИТ-1А и контролировался методом психрометрической точки по показанию термопары, помещенной в неболь­ шой сосуд Дьюара со льдом, устанавливаемый непосред­ ственно в вакуумную камеру. Температура в любой точ­ ке над проницаемой поверхностью измерялась потенцио­ метром Р-37 с точностью ±0,1 °С.

Описанным методом производилось измерение поля температур над проницаемой пластиной при сублимации

температур над проницаемой поверхностью, исследовать газодинамику, обнаружить пограничный слой вблизи нее, получить принципиально новые представления о ме­ ханизме исследуемого процесса. Рассмотренный метод в несколько переработанном виде может быть использо­ ван и в других случаях, например для исследования внешней задачи сублимационной сушки материалов при малых и средних интенсивностях радиационного потока.

Тепломеры (датчики теплового потока). В настоящее время при определении теплофизических свойств ве­ ществ и при исследовании процессов тепло- и массообмена получают применение тепломеры — приборы для измерения теплового потока [Л. 3-5]. Преимуществами

цессов.тепло- и массообмена (начало процесса сублима­ ции, десублимации, испарения и т. п.).

Нами для исследования процессов сублимации в ва­ кууме применялись датчики теплового потока, разрабо­ танные доктором техн. наук, проф. О. А. Геращенко и изготовленные в Институте технической теплофизики АН УССР. Датчик теплового потока представляет собой

в комплексе с рассмотренной схемой термодатчика 15 (рис. 3-12), состоящего из набора термопар, у которых королек имеет различный диаметр. Графически построенная зависимость показаний такого датчика от диаметра королька d при d—>-оо дает возможность полу­ чить информацию об истинной температуре потока разреженного газа над поверхностью сублимации. Этот метод обработки исклю­ чает возможный эффект скольжения потока па корольке термопары.

91

■элементов, дифференциальные спаи которых с целью по­ лучения большой э. д. с. соединены последовательно.

Вся конструкция гипертермопары размещается внут­ ри диска из эпоксидной смолы диаметром 26 мм и тол­ щиной 2 мм. Применяемые в экспериментах датчики имели чувствительность 0,025—0,035 вт/м2 и линейную характеристику в интервале температур от —180 до

150 °С.

Рассмотрим некоторые схемы использования тепло­ меров при исследовании процессов сублимации при раз­

ного явления, исследовать область сублимирующегося слоя вблизи поверхности (число зон контакта и т. п.).

При терморадиационном энергоподводе при сублима­ ции льда — воды генератор лучистой энергии (не пока­ занный на рисунке) в определенный момент времени облучал сублимирующийся образец льда 1. Датчики теплового потока 2 и 2а были использованы как радио­ метры. Датчик 2 находился перед образцом льда и в первый момент времени экранировал его, замеряя ве­ личину лучистого потока, падающего на образец. Затем

92

с помощью тяги и моторчика 6‘ тепломер отводился, лу­ чистый поток облучал образец, и начинался процесс сублимации. Диафрагма 5 точно направляла лучи на образец и исключала их рассеивание. Величина радиа­ ционного потока, поглощаемого образцом 1, как и при кондуктивном подводе тепла, замеренная по датчику 2, контролировалась по убыли массы. Датчик теплового потока 2а замерял количество тепла, излучаемое необлу­

ции1 водяных паров в вакууме. Этот датчик укреплялся в металлической крышке трубки 8, в которой циркули­ ровал хладоноситель. К наружной поверхности датчика теплового потока 2 приклеивалась тонкая (0,5 мм) мед­ ная никелированная пластина 7, на которой происходи­ ла десублимация водяных паров. Для предотвращения десублимации вблизи тепломера был встроен нагрева^ тель 3, обеспечивающий температуру, близкую к темпе­ ратуре насыщения'водяного пара в вакууме. Более по­ дробно процесс десублимации рассмотрен в гл. 6.

3-5. ИЗМ ЕРЕНИЕ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ В ВАКУУМЕ

В данном разделе будут рассмотрены некоторые схемы крыльчатых анемометров, разработанных под руковод­ ством автора, которые могут быть использованы для исследования газодинамики течения пара вблизи поверх­ ности сублимации и в объеме вакуумной камеры [Л. 3-39].'

Крыльчатые анемометры. Применение крыльчатых анемометров для измерения величины скорости потока от поверхности сублимации в вакуумную камеру осно­ вано на том, что в этом потоке лопасти приборов прихо­ дят во вращательное движение со скоростью, пропорцио­ нальной скорости потока.

1 Под десублимацией понимается процесс, обратный сублима­

ского льда (при более высоком вакууме ниже 0,1 мм рт. ст.).

93

Нами исследовалась работа крыльчатых анемомет­ ров с оптическим преобразователем частоты вращения, конструкции и габариты которых показаны на рис. 3-14 и 3-15. Минимальные габариты и конструктивные осо-

почти исключали возможность искажения исследуемого поля скоростей в сублимирующемся потоке пара. Крыльчатый анемометр (рис. 3-14) состоит из трехло­ пастной микротурбинки 4 диаметром 8 мм, изготовлен­ ной из алюминиевой фольги толщиной 0,05 мм и уста­

04

новленной на каленой стальной оси, торцы которой утоп­ лены в рубиновых опорах 5, закрепленных в стальных держателях, которые давали возможность проводить ее центровку таким образом, чтобы величина силы трения при вращении была минимальной.

Лопасти микротурбинки наклонены своими плоско­ стями к направлению потока под углом 45°.

Для определения ско­ рости вращения крыльчатого анемометра преду­ смотрена система опреде­ ления его частоты враще­ ния. Эта система состоит из лампочки 8, которая укреплена в корпусе 1, зеркальца 3, фотодиода 6

ичастотомера 10. Луч света, проходя в свето­ проводе 2, изготовленном из оргстекла, пересекает лопасть вертушки 4, от­ ражается от зеркальца 3

ипопадает на фото­ диод 6. Сигнал с диода поступает на частотомер

10 и на осциллограф 9. Вертушка устанавливает­ ся в потоке на специаль­ ном держателе 7.

На рис. 3-15 представ­ лена конструкция крыль-

чатого анемометра, принципиальным отличием которой является использование для поворота светового потока двух зеркал 2, заменяющих светопровод в ранее рас­ смотренной конструкции. Эта конструкция отличается простотой в изготовлении и обладает значительно боль­ шей чувствительностью.

Градуировка датчиков скорости потока газа в вакуу­ ме. Автором был предложен метод градуировки датчи­ ков скорости потока газа (водяного пара) непосредст­ венно в вакууме. Идея метода' состояла в следующем: датчик скорости потока* помещался в вакууме в градуи­ ровочную трубу, сквозь которую проходил поток с изве­ стным расходом газа. Характерный размер рабочей ча-

95

сти датчика анемометра не должен быть более 0,12—0,2 диаметра градуировочной трубы. Расход газа опреде­ лялся по количеству воды, испаряемой сублимацией. На рис. 3-16 представлена схема градуировки крыльчатого анемометра в вакууме. В трубе 2, изготовленной из орг­ стекла диаметром 60 мм, длиной 120 мм, помещенной

Рис. 3-16. Схема градуировки крыльчатого анемометра в вакууме.

в вакуумную камеру 8 и установленной над проницае­ мой пористой пластиной 3, происходила сублимация льда — воды. Количество испаренной из проницаемой пластины влаги контролировалось с помощью мерной бюретки. Количество тепла, подведенное на сублимацию льда к проницаемой пластине, определялось образцовым ваттметром Д-57 (//). Давление в вакуумной камере из­ мерялось с помощью вакуумметра ВИТ-ІА (10), а так­ же контролировалось по методу психрометрической точ-

96

ки (по показанию термопары, помещенной в дьюар со льдом, находящийся в вакуумной камере).

Давление в градуировочной трубе 2 измерялось с по­ мощью мембранного манометра 9 системы «Fe-160, Ley- bold-Heraeus GMBH» с пределами измерений от 20 до 0,1 мм рт. ст. Для перемещения крыльчатого анемомет­

вочной трубы 2 определялся участок, на котором изме­ нение скорости при изменении давления и расхода пара было бы незначительным. На рис. 3-17 представлена за­ висимость числа оборотов крыльчатого анемометра по длине тарировочной трубы для различного вакуума при постоянной интенсивности сублимации и для постоянно-

го вакуума при различных интенсивностях сублимации. Как видно из этого рисунка, в исследуемом интерва­ ле давлений от 2 до 0,1 мм рт. ст. в конце градуировоч­

ной трубы существует область длиной около 3,5 см по ее оси, где изменение скорости пара незначительно. Этот участок и выбирался нами в качестве области градуи­ ровки крыльчатого анемометра и других датчиков. В процессе измерений датчик скорости устанавливался в центре трубы в области тарировки, и его показания соответствовали некоторой .максимальной скорости пото­ ка пара.

Средняя скорость w пара в трубе в области градуи­

где р — плотность водяного пара; G — расход воды. Рассматривая диапазон вакуума, где преобладает

континуальный режим течения пара, распределение ско­ ростей и чисел оборотов по сечению трубы для крыльча­ того анехмометра с достаточной точностью можно пред­ ставить в безразмерных координатах как

Показатель степени к зависит от интенсивности испа­ рения и давления в вакуумной камере. Как показывали эксперименты по определению профиля скоростей, на градуировочном участке трубы в диапазоне давлений 0,1 мм рт. CT.^zpi^: 2 мм рт. ст. и интенсивности потока пара 0,5 г/(сек • ж2) ^ / ^ 11 г/(сек-м2) коэффициент k изменяется в пределах

1/9</г<1/7. (3-4)

Для средних значений скоростей потока пара выра­ жение соответственно переписывается в следующем виде:

93

Зная безразмерное отношение чисел оборотов анемо­ метра по диаметру градуировочной трубы я / п Макс, из уравнений (3-3) и (3-5) можно найти k, s и среднюю скорость пара, измеренную анемометром, которую с уче­ том уравнения (3-2) можно представить в виде

пара.

Как показали эксперименты, в рассматриваемом диапазоне изменения вакуума и интенсивностей потока

ft P H м 2 . r p t t \