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

Исследования производились с фигурными и плоски­ ми проницаемыми пластинами. Для определения полей температур в фигурную, ступенчатую, проницаемую пла­ стину было заделано шесть медь-константановых термо­ пар 1—б с диаметром проволоки 80 мкм (рис. 5-2). Та­ рировка термопар проводилась потенциометром, на котором в дальнейшем проводились эти измерения, с точ­

щихся паров.

В основных рабочих экспериментах использовались только плоские проницаемые пластины.

Расход сублимирующегося льда (воды) из проницае­ мой пластины в вакуум замерялся с помощью специаль­ ной системы (рис. 5-3) с бюреткой.

В первоначальных опытах питание пористой керами­ ки жидкостью осуществлялось с помощью фитилей.- Ин­

ной стеклянной трубочки. Тщательная тарировка давала

постоянной температуры воды фиксировался с помощью ваттметра1. В дальнейшем при исследовании процессов сублимации из плоских мелкопористых пластин осуще­ ствлялся непосредственный подвод питательной (субли­ мирующейся) воды под пластину. Перепад давлений

1 Рассматриваемая экспериментальная модель с системой спе­ циальной подачи влаги к пластине использовалась только для тол­ стых крупнопористых пластин.

192

между питательной водой, поступающей под пластину, и вакуумом в камере изменялся от 0,1 до 1 кгс/см2. Сле­ дует заметить, что гидравлическое сопротивление пори­ стой пластины в процессе сублимации определяется ско­

Рис. 5-3. Схема системы снабжения водой по­ ристой пластины.

ла, и в дальнейшем, как показывали исследования, даже

1 кгс/см2, если не происходит ее сублимации. Экспериментальная модель (с датчиками температур,

электропроводкой) помещалась в сублимационную каме­ ру, в которой создавались соответственно заданному ре­ жиму постоянное давление (вакуум) рк, температура Тк и поддерживалась постоянная температура стенки суб­ лиматора Tw= + 8 °С. В этих условиях модель выдержи­ валась некоторое время с тем, чтобы температура воды снизилась почти до 0°С, и затем включался нагреватель. На нагреватель (при постоянном давлении в сублима-

горе рк= 0,5 мм рт. ст.) подавалась электроэнергия соот­ ветственно режимам сублимации мощностью 25; 32,5; 40 вт. Одновременно фиксировалась интенсивность суб­ лимации AIG/AT и проводилось измерение температуры в проницаемой пластине 74—7Ѵ Схема эксперименталь­ ной установки и контрольно-измерительной аппаратуры показана на рис. 5-4.

Методика измерений температур и давлений принци­ пиально не отличалась от рассмотренных ранее в гла­ вах, посвященных технике измерения и исследованию процессов сублимации при терморадиационном и кондуктивном способах подвода тепла.

5-2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ, КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СУБЛИМАЦИИ

Отличительной особенностью исследованного нами про­ цесса сублимации льда — воды из проницаемой пластины по сравнению с процессом сублимации льда при радиа­ ционном и кондуктивном подводе тепла являлась его непрерывность. В отличие от процесса сушки твердых тел в замороженном состоянии, где наблюдается непре­ рывное увеличение углубления поверхности сублимации, при сублимации льда — воды из пористой пластины углубление поверхности сублимации при данном режиме оставалось постоянным. Это явление требовало объяс­ нения, каким путем происходила непрерывная миграция вещества в вакуум при наличии в пластине твердой фазы льда. Экспериментально было установлено, что в отли­ чие от процессов сублимации льда при терморадиацион­

ляла —18°С, в проницаемой пластине Он— 4°С.

В [Л. 5-1, 5-2] показана только общая картина этого процесса. Однако В. Н. Балахоновой, П. А. Новиковым, Б. М. Смольским и др. было указано, что при субли­ мации льда — воды из проницаемой пластины при опре­ деленных условиях периодически происходит выброс воды, что приводит к значительному льдообразованию на поверхности сублимации. В камере возникают пуль­ сации давлений и нарушается установившийся режим сублимации.

В [Л. 5-3] проверена модель теплообменного устрой­ ства, близкая и модели устройства [Л. 5-2]. В этой моде-

ли при достижении определенных тепловых нагрузок также наблюдался периодический выброс воды к по­ верхности. На рис. 5-5 приводятся фотоснимки, соответ­ ствующие условиям срыва процесса сублимации, свя­ занного с мгновенным проникновением сравнительно больших количеств воды через проницаемую пластину и льдообразованием на ее поверхности. На рис. 5-5,а при­ ведена фотография проницаемой поверхности в увеличен­ ном масшабе в момент процесса сублимации,, когда начинаются активные микровыбросы (облачко показы­ вает микровыброс), но еще отсутствует льдообразование на ее поверхности. На рис. 5-5,6 дана фотография про­ ницаемой поверхности в начальный момент прорыва воды, которая, фильтруясь через пористую пластину, почти мгновенно превращается в ледяные шары, уноси­ мые в вакуумную камеру. Эти шары интенсивно субли­ мируются во взвешенном состоянии, вследствие чего

вкамере резко падает вакуум. На рис. 5-5,в приведена фотография поверхности в последующий момент, когда

вкамере снизился вакуум, а на пористой поверхности произошло льдообразование (образовались ледяные ста­ лактиты самой причудливой конфигурации). В некото­

ряда различных пластин, в большинстве случаев процес­ су льдообразования предшествует активный унос влаги из пористого каркаса в виде фонтанов мелких кристал­ ликов льда и шарообразных капелек воды, наблюдаемых визуально (рис. 5-5,6). Срыв процесса сублимации и вы­ брос воды происходят в момент, когда электрическая мощность, подведенная к теплообменному устройству, превысит некоторое критическое значение тепловой на­ грузки, характерное для данного типа проницаемой пла­ стины и режима сублимации, т. е.

В этих уравнениях: т] — к. п. д. электронагревателя, учитывающий потери в. подводящих проводах и в окру­ жающую среду стенками теплообменного устройства

196

Рис. 5-5. Срыв процесса сублимации льда—воды из пористой пластины.

а — начало активных микровыбросов; б — начальный момент прорыва воды; в — льдообразование на поверхности субли­ мации. Цена деления масштабной линейки 1 мм.

197

(в условиях эксперимента коэффициент г1 = 1); Gc.кр — количество сублимирующейся воды, соответствующее критической тепловой нагрузке; г — теплота фазового перехода.

Критическая тепловая нагрузка д'с.кр, определяющая выброс влаги из проницаемой пластины и допустимую сублимационно-испарительную способность, является одной из важнейших ее характеристик. Она зависит от ряда факторов: теплопроводности проницаемой пла­ стины Ап, давления рж«питательной» жидкости (жидко­ сти, идущей на испарение-сублимацию), вакуума рк в сублимационной камере и т. д.

Рис. 5-6. Взаимосвязь между критической тепловой нагрузкой и количеством подведенного к пластине тепла q3 и тепла, идущего на сублимацию, qc при их

Следует заметить, что в некоторых случаях при суб­ лимации льда — воды из пористой ѵпластины наблюда­ лись выбросы, когда рэЦ<0с- Это объяснялось тем, что часть влаги выносилась из пор проницаемой пластины в виде мельчайших льдинок, капелек воды и пара. Вы­ несенная масса влаги не участвовала в общем процессе отвода тепла от проницаемой пластины. На рис. 5-6

198

показана полученная нами экспериментальным путем взаимосвязь между количеством подведенного к пласти­ не тепла <7 э и тепла, идущего на сублимацию qc (при ступенчатом изменении q3 во времени). Как видно из рис. 5-6,а (область А), для данной пластины небаланс между электрической нагрузкой и критической тепловой нагрузкой по сублимирующейся массе приводит к энер­ гичному выбросу влаги на поверхности и образованию ледяных сталактитов. В ряде случаев процесс сублима­ ции сопровождался выбросом пара и значительным уно­ сом мелких кристаллов льда без активного льдообразо­ вания на поверхности. Различия критических тепловых нагрузок для двух пластин объясняются прежде всего их теплопроводностью и смачиваемостью. В очень плотных и плохо смачиваемых проницаемых пластинах с малым диаметром капилляров происходит значительный унос влаги. В проницаемых пластинах, обладающих низкой теплопроводностью и хорошей смачиваемостью, практи­ чески не происходит уноса, а происходит бурное льдообра­ зование. Это, по-видимому, связано с двумя факторами:

са испарения в связи с малой теплопроводностью пла­ стины. На рис. 5-6 представлено также температурное поле перед процессом льдообразования в .мелкопористых проницаемых пластинах, обладающих высокой теплопро­ водностью (рис. 5-6,6) и низкой теплопроводностью (рис. 5-6,а). Как видно из рис. 5-6,а, в проницаемых пластинах, обладающих низкой теплопроводностью, су­ ществуют весьма значительные градиенты температур (давлений), которые и приводят к моментальному льдо­ образованию. В проницаемых пластинах, обладающих высокой теплопроводностью, градиенты температур (дав­ лений) значительно меньше (рис. 5-6,6). В этих пласти­ нах ярко выражена область льда, и увеличение тепловой нагрузки в них до критической величины сопровождается его размораживанием и значительным уносом в вакуум. Таким образом, у пластин с высокой теплопроводностью вследствие лучшего переноса тепла по каркасу в зону сублимации величина критической тепловой нагрузки при всех прочих равных условиях значительно выше.

Кинетика процесса сублимации из проницаемой пла­ стины. Изучение механизма процесса сублимации позво­ лило исключить явление макровыброса воды из прони-

199

Рис. 5-7. Кинетика процесса сублимации льда—воды из пористой фигурной металлокерамики при постоянном давлении в камере (рк=0,5 мм рт. ст.).

о. — (?с =2 800 вт/м2; 6 — 9с -=4 050 ег/лг2; в —qс =4 500 в т / м 2; 7 — ДС/Дт; I — зона пара; II — замороженная зона; III — зона воды.