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

1. Существование над проницаемой пластиной факе­ ла (свободной струи) сублимирующегося пара, высота

торой происходило истечение водяного пара (рис. 5-14), показало, что в непосредственной близости от по­

куумная среда происходит скачкообразное изменение температуры, т. е. существует разница между темпера­ турой поверхности tn и температурой сублимирующегося из ее пор пара t2.

Как видно из рис. 5-14, с повышением тепловой на­ грузки до 7,7 • ІО3 вт/м2 температурный скачок увеличи­ вается, т. е. температура пара, эвакуирующегося из по­ ристой пластины, понижается. Это явление объясняется подъемом зоны сублимации (зоны льда) внутри пори­ стой пластины в сторону вакуума и увеличением дрос­ сельного эффекта у сублимирующегося пара. Данная закономерность была обнаружена во всех исследован­ ных интервалах давлений при изменяющейся тепловой нагрузке.

Величина температурного скачка при постоянной тепловой нагрузке зависела также от общего давления (вакуума) в сублиматоре. Как показывают эксперимен­

в результате чего температура, при которой происходит сублимация льда — воды, в порах пластины уменьшает­ ся, а следовательно, уменьшается и температура пара, выходящего из пластины. Эффекты перемещения зоны сублимации при увеличении тепловой нагрузки и ва­ куума подтверждаются проведенными исследованиями на моделях капиллярно-пористых тел (одиночный мак­

уменьшается более че,м в 3 раза. Это можно объяснить тем, что в отличие от вязкостного режима, где в обра­ зовании пристеночного слоя участвуют все молекулы, выходящие из пластины и взаимодействующие с поверх­ ностью термодатчика, в молекулярно-вязкостном режи­ ме из-за изменения структуры потока пара появляются эффекты скольжения молекул на корольке термопары.

Это приводит к тому, что температурный скачок при вакууме рк= 5-10_ 3 мм рт. ст. меньше, чем при вакууме 0,04 мм рт. ст.

21 2

Поле температур в факеле сублимирующегося пара над проницаемой пластиной. Совместное исследование поля температур и скоростей в свободной струе субли­

мирующегося пара показало существование в нем трех областей (рис. 5-15 и 5-16):

/ — область постоянной температуры (поверхностный диффузионный слой);

Рис. 5-15. Структура свободной струи сублими­ рующегося пара над проницаемой пластиной в ва­ кууме.

а — поле скоростей в свободной струе; б — изменение тем­ ператур вдоль оси свободной струи; / — область диффу­ зионного пристеночного слоя; II — область ядра струи; III — область перемешанного и эвакуирующегося пара; в — структура свободной струи.

II — область постоянного (при данной тепловой на­ грузке и вакууме) градиента температуры (ядро факела сублимирующегося пара);

III — область перемешанного пара, эвакуируемого из камеры.

Рассмотрим каждую из этих областей:

Область I. Как было сказано выше, у поверхности проницаемой пластины существует «пристеночный» слой пара, который определяется участком температурного поля у поверхности пластины, где температура практи­ чески не меняется. Величина пристеночного слоя при давлении , 0 = 0,04 мм рт. ст. составляла 3,8 мм (длина свободного пробега молекул пара при р = 0,04 мм рт. ст.

213

равна 1,32 мм). Вероятно, толщина пристеночного слоя связана также с длиной свободной струи при истечении пара из микрокапилляров проницаемой пластины. Срав­ нивая величины пристеночного слоя и длину свободного

деленный фронт, координата которого может опреде­ ляться изменением наклона температурной кривой на рис. 5-15. С другой стороны, наличие пристеночного слоя может быть определено существованием некоторой про­ межуточной области, где происходит переход от моле­ кулярного режима пара в капиллярах пластины (Кп^>1) в другой режим течения, устанавливающийся в соответ­ ствии с вакуумом в сублиматоре.

В молекулярном режиме пристеночный слой выро­ ждается, и области / и II будут сливаться. Как показали специальные исследования, термодатчик, установленный на расстоянии 0,5 мм от проницаемой поверхности, реагировал на смену и формирование молекулярных те­ чений в области пристеночно-диффузионного слоя (рис. 5-17). При уменьшении вакуума в сублиматоре от

сти, в которых процесс сублимации из проницаемой пластины существенно различен: область вязкостного режима и область молекулярно-вязкостного режима.

214

Между ними можно выделить переходную зону. В вяз­ костном режиме течения температура пара с пониже­ нием давления уменьшалась. Это можно объяснить (кроме объяснения, данного выше) тем, что с пониже­ нием давления и ростом пристеночного слоя увеличива­ ется сопротивление движению сублимирующегося пара из пор проницаемой пластины.

При постоянной тепловой нагрузке на проницаемой пластине повышение вакуума в сублиматоре приводит к перемещению (поднятию) зоны сублимации в сторону вакуума. В молекулярно-вязкостном режиме течения

тонное возрастание температуры пара (постоянная ве­ личина температурного градиента) и падение скорости потока сублимирующегося пара по высоте ядра струи (рис. 5-15). Если, область / характеризовалась резким расширением потока пара на границе поверхность про­ ницаемой пластины — вакуум, то в области II это рас­ ширение незначительно. Однако для всей этой области также характерны пульсации скорости потока пара.

Область III. В этой области происходили перемеши­ вание и эвакуация сублимирующегося пара к системам вакуумных насосов (рис. 5-15,6, б). Как показали много­ численные эксперименты, во всем диапазоне вакуума и тепловых нагрузок не происходило каких-либо взаимо­ действий факела сублимирующегося пара со стенками

215

сублиматора и не отмечалось какого-либо йзмегіегіия (интенсификации) процесса испарения (сублимации).

5-4. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ТЕПЛО- И МАССООБМЕНУ

Соответственно экспериментальным данным и обнару­ женным фазовым областям на рис. 5-18 схематично по­ казано распределение температур в процессе тепло- и массообмена при сублимации в крупнопористой пластине.

ционного потока от стенок сублимационной камеры и не­ которым перегревом сублимирующихся паров при их истечении через пористую пластину. При обработке экс­ периментальных данных перегрев паров не учитывался. В соответствии с физической картиной процесса субли­

-льда в пористой пластине.

При обработке экспериментальных данных для тол­ стых пористых пластин в целях упрощения, но без на­ рушения реальной физической картины, общая толщина пористой пластины, как это показано на рис. 5-18, дели­ лась на две зоны: зону замораживания 6 '3, включающую

2J6

переохлаждение воды, и зону сублимации льда 6 'с, включающую зону углубления поверхности сублимации. Такое упрощение в основном объясняется сложностью экспериментального определения толщин зон 6 і, 6 2 и 6 з, особенно с понижением вакуума в сублиматоре.

Обработка экспериментальных данных производи­ лась методом эквивалентной теплопроводности. Можно отметить, что основным параметром,, характеризующим устойчивость протекания процесса сублимации льда в пористой пластине, является температура заморожен­ ного ядра Тя, которая в значительной степени определяет перенос тепла и массы при сублимации влаги в капил­ лярно-пористом теле.

Тепловые и материальные балансы. Количество теп­ ла, которое подводилось к пористой пластине, помещен­ ной в вакуум, соответствовало теплу от электронагрева­ теля (для поддержания постоянной плюсовой тем­ пературы воды в модели), замеряемому ваттметром, и теплу от терморадиации стенок камеры q w R . Кроме того, в процессе фазовых превращений в пористой пластине тепло выделялось: при охлаждении воды до 0°С — <7 0 .в> при замерзании воды — q3; при переохлаждении льда — <?п.л. Все подведенное и выделившееся тепло расходова­ лось на сублимацию льда — qc и на перегрев образую­ щихся паров — <7 п.п (при истечении их из пористой пла­ стины в вакуум). В соответствии с этим уравнение теп­ лового баланса имело следующий вид:

Я і Ч + < 7 ^ + < 7 о в < 7 э + Я п . п — < 7 c - W n . i i . ( 5 - 2 )

Потери мощности в подводящих проводах и потери тепла в окружающую среду учитывались к. п. д. элек­ тронагревателя— т]. Исследование процесса сублимации льда — воды в пористой пластине требует учета коли­ чества воды, сублимирующейся за счет радиационного подвода тепла от стенок сублиматора, имеющих более высокую температуру, чем температура пористой пла­ стины. Следует, однако, отметить, что температура сте­ нок сублиматора поддерживалась постоянной и равной

+8 °С и экспериментальные исследования в пористой

пластине проводились при высоких тепловых нагрузках, поэтому влияние излучения стенок камеры было очень мало (qwR составляло только несколько процентов

217

от <7 эЛ)- Раскрывая все члены теплового баланса и груп­ пируя их, получаем:

Рис. 5-19. Изменение коэффициентов теплообмена и термических сопротивлений при сублимации в крупнопористой керамике при дав­ лении.

лимации и теплота затвердевания льда; tB, С3 — темпе­ ратура воды в теплообменном устройстве и в момент замораживания; t"a— температура переохлажденного

перегрев паров, образующихся при сублимации, незна­

ніе

двумя членами, учитывающими теплоты фазовых пере­ ходов; кроме того, они имеют противоположные знаки.

90 50 60 70 80 90MUH

Рис. 5-20. Изменение коэффициентов тепло­ обмена и термических сопротивлений при сублимации в крупнопористой керамике.

рк= \ мм рт. ст, и <7=1 920 ккал/(м? ■ч).

1 ~ а с; 2 — а3; 3 - k ; 4 - 1/а0; 5 - 63А Э; 6 - б3Д э+1/ас.

Поэтому в расчетах эти члены не учитывались и расчет­ ная формула имела вид:

Окончательно, учтя уравнение (5-3), можно записать:

q3-n= qc= Gra — qwR =

где ra — теплота испарения (парообразования) для воды. Значения теплот фазового перехода и другие термо­ динамические параметры брались из (Л. 1-14] при соот­

ветствующих давлениях и температурах.

219

Коэффициент теплообмена и анализ эксперименталь­ ных данных. Из рассмотрения поля температур по сече­ нию пористой пластины следует, что температура замо­ роженного ядра как бы условно делит его на две обла­ сти: первую, в которой происходят охлаждение и замораживание жидкости (кристаллизация), и вторую, в которой происходят сублимация замороженной жид­ кости и миграция образовавшихся паров в вакуум.

Количество тепла, отведенного в процессе заморажи­ вания и сублимации льда в пористой пластине для рас­ сматриваемого случая, в соответствии со схемой на рис. 5-18 и принятыми условиями обработки эксперимен­ тальных данных определяется уравнением

^ Г + ДГ

Для обработки экспериментальных данных была при­ нята методика эквивалентной теплопроводности, соглас­ но которой

1 /0 3 = 6 3 / ^ 3 ; 1/ а с = 0 о А " э .

Для стационарных условий

qc = kht — ЯгэД^/§э = Я”Д^2 /3С= а5 Д^ 2 = асД^. (5-7)

Эти соотношения дают возможность определить коэффициенты теплоотдачи и проанализировать слож­ ный процесс тепло- и массообмена при сублимации льда в пористой пластине.

Основная обработка экспериментальных данных сво­ дилась к определению коэффициентов теплоотдачи и вы­ явлению закономерностей, определяющих влияние изме­ нения термодинамических параметров процесса (вакуума и тепловых нагрузок). На рис. 5-19 и 5-20 показано из­ менение параметров при сублимации льда в пористой пластине. Рассмотрение этих графиков показывает, что коэффициент теплоотдачи для зоны сублимации «с для одного и того же режима изменяется незначительно. Его численное значение на порядок меньше коэффициента теплоотдачи для зоны замораживания. Коэффициент теплоотдачи для зоны замораживания сс3 для одного и того же режима при незначительных колебаниях отдель­ ных, входящих в него параметров, меняется сильно. Как показывает сравнение графиков рис. 5-19,а и б, повы-

220