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

цаемой пластины и исследовать его кинетику в условиях микровыброса.

На графиках рис. 5-7 показана интенсивность субли­ мации льда AG/Ат, а также результаты измерения тем­ пературы в различных местах пористой пластины при установившемся режиме1.

На рис. 5-7 заметны резко изменяющиеся во времени йульсации температур в проницаемой пластине (экспе­ риментально было установлено, что пульсации темпера­ тур объясняются микропрорывами воды через поры пластины). В большинстве случаев по графикам можно легко проследить величину амплитуды температурных пульсаций в различных сечениях проницаемой пластины. Для отдельного элемента проницаемой фигурной пласти­ ны с выступами и впадинами (рис. 5-2) построено рас­ пределение температур в сечениях АА и ВВ. Как видно, распределение температур имеет форму неравнобо^ой параболы с явно выраженным минимумом, соответству­ ющим температуре замороженной зоны (замороженного ядра) Тя. В указанном диапазоне тепловой нагрузки температура замороженного ядра Гя изменялась от —1,4 до —2,7 °С. Понижение температуры Тя с ростом тепло­ вой нагрузки, видимо, связано с более интенсивным пере­ носом массы воды к замороженной зоне, что обусловли­ вает смещение замороженной зоны к наружной поверх­ ности пластины. При этом гидравлическое сопротивление миграции паров к поверхности пластины несколько уменьшается, что ведет как к увеличению их объемного расширения у границы поверхности сублимации, так и к уменьшению температуры замороженного ядра. На рис. 5-7,в при <7 о= 4 500 вт/м2 показано распределение и положение всех фазовых областей для момента времени

г-------3 ----- ПРИ к ---------------3 -------------’

Одной из главных особенностей сублимации льда из проницаемой пластины, обнаруженной при исследовании, явилось то, что с повышением вакуума в крупнопористых пластинах значительно снижается температура заморо­ женного ядра Тя (рис. 5-8).

1 Под установившимся или для данных условий под квазистационарным режимом понимаются условия, при которых происходит сублимация с постоянной интенсивностью (несмотря на пульсации температуры, давления и систематические микровыбросы воды).

201

äG/â'C, г/мик

202

Понижение температуры замороженного ядра при повышении вакуума в сублиматоре, видимо, связано со смещением замороженной области к наружной поверх­ ности пористой пластины, хотя это смещение происходит на небольшую величину (доли миллиметра) и обнару­ жить его экспериментально весьма трудно. Понижение температуры замороженного ядра Тя влечет за собой некоторое упрочнение льда в порах проницаемой пласти­ ны в замороженной области.

в проницаемой пластине при сублимации льда—воды при различной тепловой нагрузке при q3\<qa2<qvz<qz4-

На рис. 5-8,8 при г»к=10- 2 мм от. ст. и ас,—2 240 втІмг показано распределение всех фазовых областей по сече­ нию проницаемой пластины в момент времени т=80 мин. Установленный нами экспериментально характер рас­ пределения температур в пластине в виде неравнобокой параболы во всех случаях объясняется двумя основными причинами: образованием ледяной прослойки (левая ветвь), а также излучением от стенок сублимационной камеры (правая ветвь). Несмотря на пульсационный характер температурного поля в пористой пластине

203

и углубление поверхности сублимации, интенсивность испарения оставалась постоянной и при данном режиме почти не менялась.

На рис. 5-9 показано изменение температур в крупно­ пористой проницаемой пластине (рис. 5-9,а) и мелко­ пористой пластине (рис. 5-9,6) в зависимости от изменя­

'- пульсаций, вызванный двойным фазовым пере­

увеличению их частоты. Это приводило к повышению и выравниванию температур по пластине во времени.

Для мелкопористых пластин заметные пульсации на­

чески к вырождению температурных пульсаций. Однако более точные измерения показали, что характер про­ цесса оставался пульсационным, но пульсации имели небольшую амплитуду и достаточно высокую частоту.

На рис. 5-10 представлена для одной из крупнопори­ стых пластин -зависимость амплитуды At и частоты vt температурных пульсаций от тепловой нагрузки, под­ веденной к пластине.

Механизм тепло- и массообмена при сублимации льда — воды в проницаемой пластине. Рассмотренные исследования показали, что при установившемся режи­ ме с непрерывной подачей воды постоянной температуры

204

и при постоянном тепловом потоке дс внутри пористой пластины существуют три области:

вание (кристаллизация) воды и переохлаждение кри­ сталлов до температуры сублимации;

3 — область газообразной или паровой фазы, где про­ исходит миграция сублимирующихся молекул из про­ ницаемой пластины в вакуумную камеру.

Рассмотрим некоторые гипотезы о движении воды через твердую фазу (лед в пористой пластине), исходя из наличия обнаруженных нами трех фазовых областей. Следует отметить, что, как это показано на рис. 5-7 и 5-8, границы области твердой фазы размыты, поэтому они условно обозначены волнистой линией. При пере­ мене режима сублимации границы могут перемещаться.

В области жидкой фазы между порами пластины находится вода, непрерывно поступающая в образец за счет капиллярного всасывания и диффузии. По мере продвижения к границе области замерзания (твердой фазы) она охлаждается.

На границе области твердой фазы происходит замо­ раживание влаги. При этом вода между порами увели­ чивается в объеме и создает давление, вследствие кото­ рого вблизи поверхности пор, вероятно, образуются капиллярные полости, в которых может оставаться в переохлажденном состоянии экстракционная1 и адсорбционно связанная влага. Можно предположить, что лед в порах будет находиться в оболочках этой пе­ реохлажденной воды. Известно, например, что в древе­ сине адсорбционная и экстракционная влага и влага в микрокапиллярах может находиться в жидкой фазе до —30, —40 °С. Эта влага за счет капиллярного всасы­ вания и диффузии, по-видимому,. может перемещаться ко второй границе области твердой фазы и затвердевать или полностью кристаллизоваться, достигая у границы твердой фазы самой низкой температуры. На второй границе этой области (твердой фазы) и будет происхо-

1 При замораживании воды, содержащей растворимые соли, кис­ лоты или щелочи, при образовании льда остается в жидкой фазе часть незамерзающей воды с большой концентрацией этих веществ, которая названа нами экстракционной влагой.

205

дить сублимация льда в вакуум, вызванная тем же механизмом пластической деформации льда, но под действием температурного напора в каркасе. Однако количество этой влаги невелико, и ее перемещением не­ возможно объяснить механизм непрерывной сублимации влаги в пористом теле. Поэтому нами была предложена другая гипотеза о переносе вещества в области твердой фазы льда, находящегося в проницаемой пластине. В пластине поры имеют различные размеры, а локаль­ ные тепловые потоки могут быть также неодинаковыми, поэтому в некоторых каналах будет происходить размо­ раживание воды, и она в виде отдельных струек или просачивающихся капелек будет прорываться периоди­ чески в области паровой фазы и при истечении почти мгновенно превращаться в лед, который на какое-то время будет закупоривать поры проницаемой пластины. Однако после того, как осуществится его сублимация, опять произойдет откупорка этих каналов, и процесс будет циклически повторяться.

Возможно, что эти два вида переноса массы — в фор­ ме переохлажденной воды и в форме периодически про­ рывающихся струек и просачивающихся через отверстие капелек воды — действуют одновременно. Так или иначе эти гипотезы о стоке массы в виде большого числа от­ дельных источников необходимо было подтвердить экс­ периментально и доказать, что процесс сублимации льда в пористой пластине носит непрерывный пульсационновероятностный характер. Об этом свидетельствовала непрерывная пульсация температур в проницаемой пла­ стине.

В области паровой фазы пористого тела происходит процесс миграции образовавшихся паров в вакуум. Нуж­ но отметить, что процессы, протекающие во всех трех фазовых областях, находятся в тесной динамической взаимосвязи. Если нарушается приток влаги из жидкой области или увеличивается вакуум в сублиматоре, про­ исходит углубление поверхности сублимации до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие в отношении подачи воды из жидкой области, ее кристаллизации в области твердой фазы и сублимации в паровой фазе.

Таковым представляется механизм процесса движе­ ния влаги в пористом теле. Эти представления нами детально подтверждены визуально на модели капилляр­ но-пористого тела методом кино- и фотосъемки, фикси-

206

рующим всю динамику особенностей этого сложного процесса (см. гл. 3, § 8 ).

Многочисленные эксперименты методами макро- и микрокиносъемки, проведенные на «пленочной модели», дали возможность получить также наглядное представ­ ление о механизме пульсаций исследуемого процесса.

Вакуу,'М Вакуум

Рис. 5-11. Механизм пульсаций и его отдельные периоды при сублимации льда в модели пористой пластины.

а — образование льда стекловидной структуры; б — слияние зоны льда мелкокристаллической структуры с областью жидкости у стенок кар­ каса; в — развитие стадии прорыва жидкости; г — образованиельда мелкокристаллической структуры.

Расшифровка полученных кинограмм (см. рис. 3-42) по­ зволяет не только выяснить механизм процесса субли­ мации и возникающих пульсаций в пористой пластине, но и установить следующие его периоды (этапы):

а — образование льда «стекловидной» структуры и неравномерное развитие области (фронта бі) льда мел­

207

кокристаллической структуры (рис. 5-11). Наибольшее разрушение льда «стекловидной» структуры происходит

устенок каркаса (в области энергоподвода);

б— слияние зоны льда мелкокристаллической струк­ туры с областью жидкости у стенок каркаса;

в — выброс (прорыв) жидкости у стенок каркаса под действием градиентов давлений и течение ее по поверх­ ности (первая стадия выброса). Наиболее вероятные области выброса показаны на рис. 5-11,6 стрелками. Величина локальных градиентов в зависимости от диа­ метра пор и извилистости может достигать 1 кгс/см2, а максимальная толщина развивающейся зоны субли­ мации льда мелкокристаллической структуры может со­ ставлять 2 мм, Внутри льда мелкокристаллической структуры, заполняющего свободное пространство пор каркаса, существует область пониженного давления. Вследствие наличия этой области могут происходить срыв пленки с поверхности каркаса и ее турбулизация. Это вторая стадия процесса выброса. На рис. 5-11,в направление срыва (вторая стадия) показано искрив­ ленными линиями;

г — при слиянии оттесненной от стенки пленки жид­ кости и заполнении всего свободного объема пор турбу­ лизация затухает. Вследствие существования понижен­ ного давления у фронта двигающейся пленки происходит постоянное ее переохлаждение, а затем кристалли­ зация с одновременным развитием зоны сублимации (образованием льда мелкокристаллической структуры, рис. 5-11,г). Замораживание (развитие фронта кристал­ лизации) пленки происходит в основном у поверхности каркаса, при этом каркас является как бы источником образования центров кристаллизации.

Продолжительность процесса кристаллизации пленки жидкости (при эквивалентном диаметре пор пленочной модели от 400 до 5 мкм) составляет от 3 до 1 сек.

Рассмотренная картина справедлива для диаметра пор каркаса («пленочной» модели) от 400 до 100 мкм (т. е. когда на весь процесс пульсаций влияние поверх­ ностных сил еще незначительно).

Действие поверхностных сил проявляется на расстоя­ нии 10мкм (инесколько выше). При анализе кинограмм, снятых с «пленочной» модели, мы провели обработку зависимости перемещения фронта льда мелкокристал­

208

лической структуры öi и фронта жидкости 02 от времени за один цикл пульсаций (период).

Как видно из рассмотрения графика на рис. 5-12, где за начало координат принята средняя граница зоны льда в исследуемой пластине, в основном происходит пульсация зоны льда мелкокристаллической структуры

ратур в «пленочной» модели и внутри капиллярно-по­ ристого тела при сублимации льда — воды в вакуум ука­ зывает на полную аналогию протекающих там процессов,

5-3. ВНЕШ НИЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ПОРИСТАЯ ПЛАСТИНА — ВАКУУМ

Нами проводилось исследование внешнего тепломассо­ обмена над проницаемой пластиной при сублимаций

вней льда — воды в вакуум {Л. 5-5].

Впроцессе эксперимента исследовалось поле темпе­ ратур, измеренное методом, рассмотренным в гл. 3, и

поле скоростей, измеренное крыльчатым анемометром. В результате проведенного эксперимента было обнару­ жено:

вакуумному насосу

Рис. 5-13. Структура потока сублимирующегося пара над проницаемой пластиной при различном потоке пара и глубине вакуума.

а — 1=2,8 г/(м2• сек); р= 0,2 мм рт. ст.; 6 — 1=5,6 гЦм2 ■сек); р —0,2 мм рт. ст.-, в — 7=2,8 г/(м2 • сек); р=0,1 мм рт. ст.: 1 — w=

210