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

в виде удельного тепла q\, необходимого для осуществ­ ления сублимации льда, которое переносится вместе с веществом в конденсатор. Эта удельная теплота яв­ ляется частью количества тепла q, подводимого к по­ верхности льда. Некоторое небольшое количество тепла

Далее следует перенос вещества в газообразной фа­ зе, который может быть вызван следующими фактора­ ми: 1) различной плотностью водяного пара в простран­ стве между льдом и конденсатором; 2) потоком, обра­ зуемым при откачке вакуумным насосом; 3) естествен­ ной конвекцией; 4) температурной диффузией, которая обычно не учитывается, так как ее значение и влияние незначительны.

В настоящее время область сублимационной сушки начинает охватывать все более широкий диапазон ва­ куума: от 4 до ІО-3 мм рт. ст., что позволяет проследить весь процесс переноса в газообразной фазе — от вязкой до молекулярной области. При экспериментальных ис­ следованиях желательно, чтобы давления водяных паров у поверхности сублимирующегося льда и у поверх­ ности конденсатора соответствовали давлению насыще­ ния водяных паров. При данном давлении для темпера­ туры каждой поверхности это достижимо только при малоинтенсивном энергоподводе и полном термостатировании стенок вакуумной камеры. Рассмотрим весь процесс сублимации в зависимости от внешних условий.

Вязкая область. При переносе вещества при обыч­ ных статических давлениях наблюдается явление моле­ кулярной диффузии.

283

При постоянном общем давлении р (рис. б-19,а) справедлива формула Стефана:

d G

(6-44)

F d i

При низких давлениях парциальное давление возду­ ха pg становится слишком малым по сравнению с об­ щим давлением, и в этом случае более удобно соотно­ шение, в котором парциальное давление воздуха счита­ ется постоянным (рис. 6-19,6):

В случае, когда в сублиматоре имеется утечка и про­ исходит выделение неконденсирующихся газов с поверх-

Рис. 6-19. Распределение дав­ лений в сублиматоре и в кон­ денсаторе.

ности сублимации, в системе существует поток, образу­ емый насосом. Тогда скорость переноса рассчитывается по формуле

w — водяные пары; Т — среднее логарифмическое значе­ ние; * — равновесное состояние.

284

В приведенных соотношениях не учитывается влия­ ние температурной диффузии. В формуле (6-46) авто­ рами [Л. 4-12] не указано, какие утечки Q 1 могут быть в вакуумной системе.

Молекулярная область. Если допустить, что при дви­ жении водяного пара существует максвелловское рас­ пределение скоростей, то скорость переноса в сушиль­ ной установке может определяться по формуле

При переносе вещества от сублимирующегося льда к конденсатору в экспериментальных установках долж­ но учитываться влияние распределен'ия скоростей водя­ ного пара со стороны конденсатора, однако для реаль­ ных условий при наличии между сублиматором и кон­

Рис. 6-20. Диаграмма переноса с учетом скорости фазового перехо­ да со стороны поверхности льда.

1 В вакуумной системе возможна не утечка, а нежелательный присос воздуха из окружающёй среды. Вероятно, утечка возможна только при отборе некоторого объема газов из вакуумной системы на их анализ.

285

ной для расчета. Проанализируем механизм переноса в этой области, учитывая, что существует молекуляр­

Коэффициент аккомодации относится к обмену энер­ гией одной молекулы или совокупности молекул с пла­ стиной. Он имеет значение

где Еп— средняя энергия падающей молекулы; Е0— средняя энергия той же молекулы после удара о пла­ стину или поверхность тепло- и массообмена; Ес— сред­ няя энергия молекулы, соответствующая температуре пластины или поверхности тепло- и массообмена при фазовых переходах. Экспериментальные значения А, со­ ответствующие природе газа и пластины, лежат в пре­ делах от 0,05 до 0,95.

В данном случае происходит не чистый теплообмен, а тепло- и массообмен при наличии фазовых переходов (сублимации или десублимации), поэтому здесь более правильно коэффициенты Аі и А2 называть коэффици­ ентами сублимации и десублимации. Скорость переноса:

вблизи стенки наблюдаются резкие изменения і(скачак) температу­ ры и скорости газа.

286

дрейфующего потока от поверхности сублимации к по­ верхности конденсации зависит от числа Кнудсена. Скорость переноса тепла и вещества с учетом величины сдвига определяется по формулам:

коэффициент массообмена или переноса вещества, м/ч.

Полученные выражения показывают, что парциаль­ ное давление несконденсировавшегося газа ps воздейст­ вует как сопротивление на перенос вещества и как по­ средник на передачу тепла. Формулы (6-55) и (6-56)

287

позволяют 'провести анализ тепломассопереноса в суб­ лимационной сушильной установке.

В рассмотренной нами аналитической части работы [Л. 4-12] расчетные формулы относились к процессам сублимации льда. При сублимационной сушке пищевых продуктов и других материалов имеет место более слож­ ный процесс, связанный с углублением поверхности суб­ лимации, который не рассматривался в [Л. 4-12].

В работе [Л. 2-37] скорость массопереноса при суб­ лимационной сушке рассматривалась как функция от движущих сил и сопротивления системы. В табл. 6-6 представлены основные движущие силы и сопротивле­ ния в сублимационной сушильной установке.

Т а б л и ц а 6-6

Потенциальные движущие силы и сопротивления при сублимационной сушке

5.Термическая диффузия

Вработе [Л. 2-37] предложена формула для скорости массопереноса в сублимационной сушилке:

288

коэффициент, учитывающий течение в некруглом кана­

В заключение следует отметить, что тепло- и массоперенос в сублимационной сушильной установке являет­ ся сложным комплексным процессом, установление оп­ тимальных параметров которого требует как детальных исследований отдельных его частей (сублимация, пере­ нос парогазовой смеси, конденсация), так и анализа всего процесса в целом.

6-6. ПРОЦЕССЫ КОНДЕНСАЦИИ {ДЕСУБЛИМАЦИИ) ВОДЯНЫХ ПАРОВ В ВАКУУМЕ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ

СПРОЦЕССАМИ СУБЛИМАЦИИ

Всублимационной сушильной установке пары из суб­

Комплексное исследование этих процессов имеет боль­ шое значение как для развития теории фазовых пере­ ходов в вакууме, так и для расчета и конструирования вакуумно-сублимационных установок.

Чем больше будет сконденсировано паров, тем мень­ ше будет расход электроэнергии на привод вакуум-на­ соса для эвакуации неконденсирующихся газов и несконденсированных паров. Рассматриваемую задачу можно решить, установив конденсатор с большой по­ верхностью охлаждения, однако технико-экономические условия требуют такой оптимизации процесса, когда сублимация и десублимация происходят при максималь­ но возможных коэффициентах тепло-и массообмена.

Нами были проведены комплексные исследования процесса сублимации и десублимации, результаты ко­ торых коротко рассмотрены в данном параграфе.

$90

Экспериментальная установка (рис. 6-21) для изуче­ ния процесса десублимации водяного пара представля­ ла собой вакуумную камеру, в которую помещалась экспериментальная модель 1, где непосредственно осу­ ществлялся процесс конденсации водяного пара

Заданное давление в вакуумной камере создавалось вакуумным насосом типа ВН-1МГ 12 с индивидуальным электроприводом. Давление водяных паров поддержи­ валось путем перекрытия заслонки на основной маги­ страли вакуумного насоса. Барокамера подключалась к насосу через ловушку с сухим льдом.

Необходимая постоянная отрицательная температу­ ра стенки вакуумной камеры создавалась с помощью холодильного агрегата 11. Заданная температура стенки вакуумной камеры устанавливалась через задатчик электронной схемы системы охлаждения путем периоди­ ческого включения холодильной машины ХА-1 в диапа­ зоне температур —20ч— 10°С. Для получения более низких температур на стенке вакуумной камеры (—70ч- —20 °С) использовался второй холодильный агрегат 13.

Для подачи в экспериментальную модель 1 хладо­ агента, обеспечивающего охлаждение рабочей поверх­ ности конденсации (десублимации), был создан контур охлаждения, снабженный холодильником 9 и насосом 7 с электроприводом. Охлажденный спирт из холодильни­ ка прогонялся через экспериментальную модель.

Для подачи воды (источника сублимирующегося па­ ра) в экспериментальную модель использовалась систе­ ма, рассмотренная в § 5-1.

Для измерения вакуума камера была снабжена тер­ мопарным вакуумметром (ВИТ-1) 5 с ловушкой водя­ ных паров 6, заполненной сухим льдом. Измерение тем­ ператур в эксперименте производилось хромель-копеле- выми термопарами по схеме, описанной в § 3-4.

Экспериментальная модель. Автором и Е. Ф. Андрее­ вым была создана экспериментальная модель, которая позволила рассмотреть процесс сублимации и десубли­ мации взаимосвязанно и разрешить ряд вопросов: 1) мо­ делирование процесса десублимации на конкретно вы­ бранной поверхности; 2) создание направленного потока водяного пара; 3) управление процессом десублимации; 4) определение нестационарной величины теплоты де-1

1 В модели происходила десублимация водяного пара (без при­ месей неконденсированных газов).