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

Впроведеңных экспериментах показано, что, начиная

счисла Кп=10~3, определяющего отношение длины сво­ бодного пробега к диаметру крыльчатки анемометра, по­ является эффект молекулярного скольжения. Эффект

молекулярного скольжения определяется проскальзыва­

нием молекул пара относительно лопаток крыльчатки анемометра.

При этом молекулы набегающего потока отдают только часть своей энергии вращающимся поверхностям

анеТиометра, сохраняя некоторую составляющую скоро­ сти.

С повышением вакуума (от 0,1 мм рт. ст.) относи­ тельное число молекул, проскальзывающих вдоль лопа­

определяющийся скольжением большинства молекул по­ тока пара на лопатках крыльчатого анемометра. Это приводит к тому, что кривая ti = f(p) не изменяется с дальнейшим увеличением вакуума. Расчет средней ско­

екорость в потоке приобретает величину, равную ско­ рости звука а = 405 м/сек. Чувствительность крыльчатого анемометра представлена кривой, определяющей на­ чальную частоту вращейия п микротурбинки анемометра и соответствующей скорости вощения от вакуума. Та­ ким образом,, получение информации об абсолютной средней скорости потока газа с помощью крыльчатого анемометра в вакууме ограничено условиями существо­ вания потока со скольжением (Кп«;10—3) и .может быть рекомендовано только в области континуального потока

вающегося эффекта скольжения на лопатках-микротур­ бинки в используемом методе тарировки, применение крыльчатого анемометра ограничивается звуковыми ско­ ростями пара и возможностью. существования скачков уплотнений. Однако в области чисел Кп>-10~3, как пока­ зали ^исследования, есть основание использовать крыльчатый анемометр как качественно-регистрирующее уст-

100

ройство наличия в вакууме потоков больших скоростей. Как показали эксперименты, рассмотренные типы крыльчатых анемометров могут использоваться и для измерения низкочастотных пульсаций потока пара.^ Исследования крыльчатого анемометра на специальном модуляторе низкочастотных колебаний потока пара в вакууме дали возможность, определить его частотную

характеристику.

Рассмотренными конструкциями крыльчатых анемо­ метров можно проводить измерения низкочастотных пульсаций скорости пара в пределах, от 1 до 50 гц.

Рис. 3-19. Датчики термоанемометра.

а — проволочный; б — проволочный с напаенной термопарой; в — с полимерной пленкой на стеклянной насадке; г —проволочный датчик со свободной термо­ парой; д— микротерморезистор.

Термоанемометры. Термоанемометр — прибор, действйе которого основано на охлаждении в газовом потоке тонкой платиновой, воль­ фрамовой или какой-нибудь другой проволоки или . полимерной пленки, являющейся датчиком импульса соответствующей электриче­ ской схемы и регистрациисилы тока, сопротивления либо разности

потенциалов на концах этой проволоки.

Датчики термоанемометров. В настоящее время 'разработано большое количество разнообразных по конструкциям и областям применения датчиков для термоанемометров. Они могут подразде­ ляться на проволочные и пленочные датчики; последние обладают

большой чувствительностью й в некоторых случаях могут работать

рис. 3-19 представлены некоторые конструкции проволочных и пле­

анемометров являются их малые размеры (измерения без возмуще­ ния потока) и безынерционность, позволяющая измерять как сред­ нюю скорость, так и ее пульсации. Недостатком датчиков термоане­ мометров является изменение с течением времени омического сопро­ тивления нити накала, а также необходимость периодической та­ рировки. Для измерения пульсаций скорости потока применяют два метода: метод постоянного тока и метод постоянной температуры [Л. 3-25, 3-31].

Термоанемометр постоянной температуры нити. Ме­ тод измерения пульсаций скорости газового потока или жидкости с помощью нагретой нити основан на том, что температура нити, а следовательно, и ее сопротивление поддерживаются постоянными. На рис. 3-20 представле­ на блок-схема термоанемометра с постоянной темпера­ турой нити, по которой нами были изготовлены приборы для измерения полей скоростей в потоке разреженного газа в условиях вязкого режима течения.

Постоянство температуры нагретой нити практически осуществлялось путем применения электронной схемы обратной связи.

Измерительный мост состоял из датчики и .прово­ лочных манганиновых сопротивлений Rit R2, Rs- Разба­ ланс моста измерялся ламповым вольтметром на лампе

102

6Н2П. Сигнал разбаланса усиливался трехкаскадным -усилителем обратной связи на лампах 2Х6Ж5П, 2Х Х6Н13С. Парные лампы каскада подбирались с одинако­ выми характеристиками (по анодному току и крутизне) +5% . Первый каскад усилителя обратной связи соби­ рался по дифференциальной схеме. Коэффициенты уси­ ления в каждом каскаде равнялись 100, полоса частот была равномерна в диапазоне 0—200 гц. Средняя ско­ рость потока газа определялась по микроамперметру типа М24 или М261 (50—0—50) или записывалась на чувствительном шлейфовом осциллографе с частотой 30—80 гц. После резонансного усилителя имелся выход на осциллограф типа Н-700. В блок-схеме рис. 3-20 с по­ мощью термоэлектрического вольтметра измерялась также среднеквадратичная скорость пульсаций.

Термоанемометр постоянного тока.1 В термоанемометре постоянного тока ток, текущий через нить датчи­ ка, поддерживается постоянным независимо от ее сопро­ тивления. Изменение скорости потока газа или жидко­ сти в этом случае вызывает изменение температуры нити и ее сопротивления. Однако в термоанемометре, работающем в режиме постоянного тока, чувствитель­ ность нити падает с ростом частоты пульсаций скорости. Так, для вольфрамовой нити диаметром 5 мкм чувстви­ тельность нити можно считать неизменной только до ча­ стоты 300 гц. Была также разработана схема полупро­ водникового термоанемометра постоянного тока для исследования полей скоростей и низкочастотных пуль­ саций скорости над поверхностью сублимации льда, по­ ристого тела, пористой металлокерамики. Схема полу­ проводникового термоанемометра постоянного тока пред­ ставлена на рис. 3-21.

Измерительный мост термоанемометра состоял из датчика и сопротивлений Rb Rz, R3. Он позволял произ­ водить балансировку по амплитуде при помощи сопро­ тивлений Ri и Rz, а также балансировку по фазе при помощи сопротивления R3.

Трехкаскадный усилитель состоял и? последователь­ но включенных трех усилителей: первый усилитель имел

1 Применение термоанемометров для исследования рассматри­ ваемых процессов тепло- и массообмена при сублимации в вакууме весьма заманчиво, но, как мы убедились в этом, оно требует реше­ ния ряда сложных вопросов теоретического и экспериментального характера.

103

коэффициент усиления &і= 20; второй усилитель — резо­ нансный на частоту /=500 гц — имел коэффициент уси­ ления & 2 = 25; третий усилитель был необходим для вы-

Рис. 3-21. Схема полупроводникового термоанемо­ метра постоянного тока.

хода усиления на катодный вольтметр. Коэффициент усиления к3 последнего усилителя можно было регулиро­ вать от 0 до 100.

3-6. ИЗМ ЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ И КО НЦЕНТРАЦИИ ПАРА

В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ СУБЛИМАЦИИ

Для измерения полей плотности и концентрации пара над поверхностью сублимации перспективно измерение с помощью лазерного луча. Использование лазера для этих целей представляется заманчивым в исследованиях, связанных с пограничными слоями, спутными струями, исследованиями процессов фазовых переходов (внешняя задача) и проведением тарировочных измерений в аэро­ динамических трубах [Л. 3-38].

Правильно собранный прибор позволяет проводить измерение ® точке исследуемой среды только за счет введения туда луча большой мощности, высокой коге­ рентности и монохроматичности от лазеру ,

104

Принцип работы прибора очень прост: количестве) энергии рассеяного света лазерного луча пропорциональ­ но концентрации центров рассеяния и сечению рассеяния. Лазерный луч и соответствующая детектирующая оптиче­ ская система направляются в одну и ту же точку прост­ ранства таким образом, чтобы их оси не были коллинеарными (рис. 3-22).

Итерпретация результатов измерений, получаемых в системе такого типа, зависит от условий в исследуе­ мой среде. В широком диапазоне температур и концен­ траций рассеяние в чистом газе обусловлено рассеянием на связанных электронах (релеевское рассеяние).

Рис. 3-22. Схема экспериментальной установки.

используется рубиновый лазер, луч которого через тол­ стое окно из оргстекла (компенсирующий блок) и ряд диафрагм с отверстиями проходит в вакуумную камеру. После прохождения основной вакуумной камеры луч пропускается через диафрагму во вторую камеру, где он улавливается в световой ловушке. В сечении основной камеры, расположенном приблизительно на середине ее длины, помещается измеряющий радиометр, который регистрирует свет, рассеиваемый лазерным пучком. Дру­ гой идентичный (компенсирующий) радиометр регист­ рирует свет, рассеянный лучом в компенсирующем бло­ ке. Этот радиометр, компенсирующий флуктуации мощ­ ности излучения лазера или флуктуации напряжения смещения, подаваемого на фотоумножитель, предназна­ чен для отбора небольшой по величине, но постоянной в процентом отношении доли мощности лазерного пуч­ ка. При этом сигнал, снимаемый с компенсирующего

105

радиометра, будет увеличиваться или уменьшаться пря­ мо пропорционально энергии лазерного луча.

Оба указанных радиометра используются для полу­ чения электрического сигнала, который является анало­ гом энергии излучения, заключенным в узком спектраль­ ном интервале вблизи длины волны излучения лазера. Световая ловушка системы сводит к минимуму поток неуловленного света, определяющего нижний диапазон измерения прибора.

3-7. ИЗМ ЕРЕНИЕ УБЫЛИ МАССЫ

Измерение убыли массы при исследовании процессов тепло- и массообмена при фазовых переходах и химиче­ ских превращениях в условиях вакуума является одной из сложных экспериментальных проблем. Сложность измерений определяется незначительными габаритами вакуумных экспериментальных стендов (вакуу.мных ка­ мер), что исключает возможность использования гото­ вых весоизмерительных приборов, применяемых для микровзвешивания в вакууме; необходимостью непре­ рывных дистанционных измерений убыли массы с высо­ кой точностью в нестационарных условиях протекания процессов

В области высоких точностей измерения применяют­ ся исключительно гирьковые равноплечие весы, предель­ ные нагрузки которых составляют от 5 -ІО-5 до 200 кгс. Погрешность этих весов в долях от измеряемой величи­ ны может составлять от ІО“3 до 10-7. Пружинные — торозионные и крутильные — весы с металлическим упру­ гим элементом имеют предельные нагрузки от ІО-7 до 10-і кгс. Они применяются для измерения массы с от­ носительной погрешностью от 0,1 до 2%. Самые малые предельные нагрузки порядка от ІО“9 до ІО“6 кгс имеют весы с кварцевым упругим элементом. Они используют­ ся для взвешивания с приведенной погрешностью от 0,5 до 2%.

В настоящее время современная приборостроитель­ ная промышленность начинает выпускать весы непре­ рывного автоматического взвешивания и взвешивания с регистрацией. Однако ассортимент таких весов все еще мал, и особенно недостаточно весов, предназначенных для исследований в условиях глубокого вакуума или низких давлений.

106

Недостаточный ассортимент выпускаемых промыш­ ленностью весов и специфические требования, диктуе­ мые разнообразными изучаемыми явлениями, вынужда­ ют исследователей переделывать или приспосабливать имеющиеся весы для своих работ и конструировать и изготавливать собственные весы. Чрезвычайно большой диапазон самых разнообразных требований, предъявляе­ мых исследователями к весам, сравнительно небольшой спрос на каждый из типов уникальных весов делают по­ ка невозможным удовлетворение всех потребностей в этой области, и, несомненно, такое положение еще со­ хранится в ближайшие годы. В связи с этим за послед­ нее время развивается тенденция к переделке про­ мышленных весов с различного рода электронными при­ ставками и созданию принципиально новых индивиду­ альных конструкций весов.

К основным требованиям, предъявляемым к весоиз­ мерительным приборам для исследования убыли массы

впроцессах сублимации под вакуумом, можно отнести следующие: іцинимум газовыделений прибора, вносимого

ввакуумную камеру; минимально возможные габари­ ты, соответствующие габаритам вакуумной камеры;

удобство подвески экспериментального образца и распо­ ложения источника энергоподвода и термодатчиков; зна­ чительная величина предельной нагрузки эксперимен­ тального образца (от ІО“2 до 0,2 кгс); высокая относи­ тельная чувствительность и точность в заданных пределах измерений; стабильность показаний в широких диапазонах вакуума и температур. Этим требованиям удовлетворяют немногие весоизмерительные приборы.

Прямые методы измерения убыли массы. По методу контроля убыли массы все известные типы весоизмери­ тельных приборов, используемых в настоящее время при исследовании процессов тепло- и массообмена при фа­ зовых переходах, можно разделить на приборы бездистанционного контроля убыли массы и приборы автома­ тического дистанционного контроля.

Приборы бездистанционного контроля использовались при исследовании процессов сублимации на стеклянных вакуумных стендах или там, где при наличии окон в ва­ куумной камере имеется достаточно хороший визуаль­ ный обзор измерительной шкалы.

В работах по исследованию процессов сублимации использовать квадрантные, пружинные, технические ве­

107

сы ВЛТ-500, аналитические весы с устройством для на­ ложения шариковых гирек. Недостаток этих весов состо­ ит в том, что сам метод визуального контроля убыли массы в процессе сублимации в вакууме вносит значи­ тельный, так называемый «паразитный», радиационный поток от проницаемых стеклянных стенок к эксперимен­ тальному образцу.

Чтобы избежать радиационного потока, многие ис­ следователи или экранировали экспериментальный об­ разец или помещали его вдали от шкалы прибора. Од­ нако при средних и малых тепловых потоках доля «пара­ зитного» радиационного потока была соизмерима с радиационным потоком от рабочего излучателя, что могло вносить значительную погрешность при исследова­ нии процесса сублимации. Точность измерения требует полной ликвидации «паразитного» радиационного пото­ ка путем термостатирования стенок вакуумной камеры и требует применения приборов автоматического дистан­ ционного контроля убыли массы.

Приборы автоматического контроля убыли массы. В

последнее время при исследовании тепло- и масеообмена в вакууме широко используется автоматический контроль убыли массы. В приборах автоматического

ки, дифференциально-линейные трансформаторы и т. п. (подробно эти датчики и методы рассмотрены в [Л. 3-30].

Тензометрические весы. Сущность тензометрического метода состоит в следующем. Если металлическую про­ волоку или полупроводниковый тензодатчик подвергнуть действию растягивающей силы, то в результате этого изменится их удельное сопротивление.

В [Л. 3-24] при исследовании сублимации льда в ва­ кууме впервые были применены тензометрические весы с проволочными датчиками, недостатком которых, как было установлено в этой работе, является их значитель­ ная погрешность, связанная с тем, что изменение сопро­ тивления, обусловленное колебаниями температуры на несколько градусов, соизмеримо с изменением сопроти­ вления тензодатчика, вызванного, измеряемой деформа­ цией.

Нами в [Л. 4-13] для исследования нестационарных процессов сублимации льда в вакууме были спроектиро­

108

ваны и использованы при экспериментальных исследова­ ниях простые, компактные весы на полупроводниковых тензорезисторах, не имеющие указанных недостатков (рис. 3-23). Принцип действия этих весов не отличается от весов, описанных в {Л. 3-24]. В процессе сублимации под действием энергии излучения в вакууме происходит изменение (уменьшение) веса образца, подвешенного на

виях проводимых экспериментов необходимо производить измерения убыли'веса образца-величиной, не превышаю­ щей ІО-2 кгс (предельные нагрузки на свободный конец балки принимались 5 - 10~3 и 15- Ш~3 кгс).

109