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

=s

о

я

оя .

<Т) рэ

о

аз С

S ч

О) 03

х н

и I

Si's

н

о

о §. s ё>

CU с ■

60

не превышала 1—2%); / — расстояние между термопа­ рами в каждом образце; F — площадь образцов.

Прибор для исследования теплофизических свойств пористых металлов по стационарному методу помещался в вакуумную камеру (рис. 2-25). Откачка камеры до заданного вакуума ІО-5 мм рт. ст. производилась с по-

Рис. 2-26. Я-калориметр.

1 — электрический нагреватель; 2 — основание;

мощью механического 10 и диффузионного 3 насосов. Вакуум измерялся при помощи вакуумметра 8 в ком­ плекте с датчиками 7.

Для получения низких температур применялся уль­ тратермостат, с помощь.ю которого обеспечивались тем­ пературы до —50°С. Для измерения температур были использованы хромель-копелевые термопары в комплек­ те с низкоомным потенциометром.

В последние годы особый интерес вызывают методы скоростного определения теплофизических свойств мате-

61

риалов. Для исследования теплофизических свойств по­ ристых металлических пластин использовался метод монотонного разогрева Ш. 2-15].

На рис. 2-26 приведена схема калориметра для опре­ деления коэффициента теплопроводности пористых ме-

Во втором случае

,(Сэтэ + 0 ,5с0т0) I

62

среднеобъемной скорости разогрева образца; Ат —вре­ менное запаздывание термопар.

В качестве материала эталона использовалась техни­ чески чистая медь, теплоемкость которой определялась с достаточно высокой точностью. Погрешность измере­ ния коэффициента теплопроводности не превышала 8%.

На рис. 2-27 представлены значения теплопроводно­ сти никеля, нержавеющей стали и титана в зависимости от температуры [Л. 2-10].

Рис. 2-28. Зависимость коэффициента теплопроводности и тепло­

Автором, Ю. Чаркиным и В. Алексеевым были ис­ следованы теплопроводность и теплоемкость различных пористых металлов (титан, алюминий, никель, нержаве­ ющая сталь, бронза и т. л.) в зависимости от их пори­ стости, насыщения влагой и физико-химических свойств. На рис. 2-28 приведены зависимости теплопроводности от температуры некоторых образцов пористого никеля (при различной пористости), а также для сравнения дан-

63

ные по теплопроводности компактного металла (99,4% никеля).

Из анализа результатов установлено, что теплопро­ водность пористого никеля приближенно может опреде­ ляться по формуле

но увеличивает шейки контакта и деформирует монолит­ ную пористую структуру образца, в частности опреде­ ляющуюся конфигурацией металлического порошка,

64

отдельными механизмами, установленными в камере мо­ делями и отдельными измерительными приспособлениями (так как доступ к модели в процессе эксперимента ис­ ключен). Самопишущие и указывающие измерительные приборы должны быть высокого класса точности, с ком­ пактными датчиками. Камера должна быть таких раз­ меров, чтобы в нее можно было устанавливать соответ­ ствующие модели. Стенки вакуумной камеры должны быть термостатированы. Камера должна иметь специ­ альные оптически прозрачные окна для фото- и кинема­ тографических наблюдений за процессом сублимации. Вакуумные и конденсатные устройства должны обеспе­ чивать быструю эвакуацию сублимирующихся паров

г И Т . п .

Рассмотрение вакуумных стендов советских и зару­ бежных исследователей показывает, что многие, экспери­ менты по сублимации льда и различных веществ в вакууме проводились до последнего времени на вакуум­ ных стендах, мало отвечающих вышеперечисленным тре­ бованиям теплофизического эксперимента. В большин­ стве случаев вакуумная камера, в которой проводились исследования, представляла собой стеклянный или ме­ таллический цилиндрический колпак с конденсатором, вымораживающим пары, расположенным снаружи «ли непосредственно внутри этого колпака.

Необходимость термостатирования стенок вакуумной камеры диктуется требованиями исключения неконтро­ лируемых радиационных потоков от них на эксперимен­ тальный образец. Величина этих потоков может быть особенно значительной в случае малоинтенсивного энер­ гоподвода. В настоящее время опубликован ряд работ,

вкоторых исследования проводились с термостатированием стенок вакуумной камеры. Результаты, полученные

вэтих экспериментах, безусловно, более достоверны и пригодны для непосредственного сопоставления.

Устойчивый вакуум в рассмотренных установках при сублимационной нагрузке составлял только от 1 до 1 • ІО-2 мм рт. ст. Это ограничивало область исследова­ ний, так как, например, молекулярно-вязкостный, режим течения у поверхности исследуемого образца возникает при общем вакууме от ІО"1 до 5* 10у3 мм рт. ст., а моле­ кулярной — при вакууме выше 5-10~3 мм рт. ст.

Коммуникации трубопроводов создавали в этих уста­ новках' значительные гидравлические сопротивления, по-

66

* §13!

co H

О

Рис. 3-2. Внешний вид высоко-вакуумной установки.

этому часто делался ошибочный вывод, что интенсив­ ность процесса сублимации в основном определялась перепадом давления между конденсатором и вакуумной камерой. Маломощные механические вакуумные насосы и малоэффективные вакуумные конденсаторы не позво­ ляли при повышении расходной нагрузки поддерживать в камере стабильный вакуум. Незначительные размеры стеклянных колпаков вакуумных камер затрудняли про­ ведение весовых измерений; в установках с металличе­ скими колпаками невозможно было проводить визуаль­ ные исследования (фотокиносъемку). ѵ.

Современные задачи исследования процессов субли­ мации требуют проведения экспериментов при стабиль­ ном вакууме до ІО-5—ІО“6 мм рт. ст. с одновременным

обеспечением точных замеров теплофизических парамет­ ров.

На рис. 3-1 показан высоковакуумный стенд для ис­ следования процессов тепло- и массообмена в широком

68

генного конденсатора позволяла вымораживать пары исследуемых веществ до очень низких давлений. Для подвода электрического напряжения во время экспери­ мента и для различных теплотехнических измерений вакуумная камера снабжалась двумя 45-штырьковыми герморазъемами и 12 индивидуальными вводами. Инди­ видуальные вводы предусматривались для теплофизиче­ ских замеров, требующих особой точности и надежности (например, для ввода термопар), или ввода различных исследуемых жидкостей внутрь камеры и т. п.

Для проведения кинофотосъемки вакуумная камера была снабжена тремя смотровыми окнами диаметром 200 мм из стекла ЛК-8, расположенными друг относи­ тельно друга под углом 90°. Такое расположение смот­ ровых окон позволяло наиболее удобным способом организовать подсветку объектива и кинофотосъемку. Измерение вакуума в камере производилось приборами типа ВИТ-1 и ВИТ-1А.

Внешний кожух камеры был теплоизолирован, а внут­ ренние стенки могли термостатироваться до темпера­ туры от —Ю до—30 °С с помощью холодильной установки ФАК-1. Вакуумная камера своим торцом стыко­ валась с вакуумным агрегатом ВА-8-4. Вакуумный агре­ гат ВА-8-4 обеспечивал с азотной ловушкой предельный

при скорости откачки до 4 000 л/сек.

Вакуумный агрегат ВА-8-4 соединялся одним трубо­ проводом с бустерным насосом БН-3, другим трубопро­ водом через цилиндрическую ловушку с форвакуумным насосом ВН-1-МГ. Такое соединение вакуумного агрега­ та с вакуумными насосами необходимо для правильно­ го включения всех насосов. С другой стороны — оно по­ зволяло при вакууме до 10~3 мм рт. ст. проводить экс­ перименты с одним вакуумным насосом ВН-1-МГ. Цилиндрическая ловушка перед вакуумным насосом ВН-1-МГ заполнялась низкотемпературным веществом (например, сухим льдом со спиртом). Бустерный насос БН-3 имел скорость откачки 450 л/сек при значении ва­ куума ІО“3 мм рт. ст. Форвакуумный насос ВН-1-МГ имел скорость откачки 18,6 л/сек и предельный вакуум 8 • ІО-3 мм рт. ст.

Для создания вакуума до 10_6 мм рт. ст. включение агрегатов установки производилось в следующем поряд-

69