CC BY
20
УДК 532.785:548.523: 532.5.011
Ермоченков И.М. Дубовенко Е.В. Садовский А.П. Суханова Е.А. Корнилова А.С. Аветисов ИХ.
ВЛИЯНИЕ КОНФИГУРАЦИИ ВИБРИРУЮЩЕГО ТЕЛА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ЖИДКОЙ ФАЗЕ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ КРИСТАЛЛОВ
Ермоченков Иван Максимович аспирант, ведущий инженер кафедры химии и технологии кристаллов., e-mail ermochenkov i [email protected];
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Дубовенко Евгения Владимировна студент магистр 1 курса кафедры химии и технологии кристаллов факультета Технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Суханова Е.А. к.х.н. ведущий инженер кафедры химии и технологии кристаллов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Садовский Андрей Павлович к.х.н., Начальник отдела обработки оптических материалов ООО НТО "ИРЭ -Полюс» Россия, Московская обл., г. Фрязино
Корнилова Анна Сергеевна студент бакалавр 4 курса кафедры «Системы обработки информации» факультета Информатики и систем управления МГТУ им. Н. Э. Баумана, Россия, Москва.
Аветисов Игорь Христофорович д.х.н., профессор, заведующий кафедрой Химии и технологии кристаллов, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия,
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Проведено моделирование процесса тепломассопереноса при выращивании кристаллов из жидкости, активированной аксиальными низкочастотными колебаниями погруженного в нее диска. Измерены скорости и направления потоков жидкости и определена зависимость между степенью износа острой кромки цилиндрического осциллирующего диска и эффективностью тепломассопереноса в жидкости под действием вибрационных потоков.
Ключевые слова: аксиальные низкочастотные вибрации, АНВ, физическое моделирование.
INFLUENCE OF THE CONFIGURATION OF THE VIBRATING BODY ON THE EFFICIENCY OF HEAT AND MASS TRANSFER IN THE LIQUID PHASE DURING THE GROWTH OF CRYSTALS
Ermochenkov Ivan Maksimovich, Dubovenko Evgeniya Vladimirovna, Sadovskiy Andrey Pavlovich1, Kornilova Anna Srgeevna2, Avetissov Igor Christophorovich
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
1 NTO "IRE-Polyus" - Scientific and Technical Association "IRE-Polyus", Moscow Oblast, Fryazino, Russia
2 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
A numerucal simulation and physical modeling of a vibrating disk destruction during crystal growth from liquid activated by axial vibrational control (AVC) technique was carried out. The velocities and directions offluid flows were measured and the dependence between the rounding radius of the sharp edge and the efficiency of heat and mass transfer was determined.
Key words: low-frequency vibrations, axial vibrational control, mass-transfer
Применение техники аксиальных
низкочастотных вибраций (АНВ) при выращивании кристаллов разнообразных химических соединений обладает целым рядом достоинств, главное из которых повышение объемной скорости роста при сохранении или даже улучшении структурного качества выращиваемых кристаллов [1,2]. Теоретическая основа метода АНВ хорошо разработана [3]. Показано, что при низкочастотных (10-50 Гц) гармонических колебаниях в жидкости тела происходит трансформация механической колебательной энергии в энергию вязкой
диссипации слоев жидкости. При этом максимальная энергия вязкой диссипации наблюдается на острых (не скругленных) кромках вибрирующего тела. По величине эта энергия сопоставима с энергией связи кластеров в структурированной жидкости. При АНВ воздействии кластеры в жидкой фазе разрушаются [4], что приводит к изменению компонентного состава жидкой фазы, а, следовательно, и к изменению термодинамических характеристик всей ростовой системы.
Для успешного продвижения техники АНВ в промышленные процессы выращивания кристаллов надо решить целый ряд технических проблем. Одна из таких проблем - износ острой кромки вибрирующего тела, который приводит к ее разрушению и снижению эффективности вибрационного воздействия. В настоящей работы мы исследовали взаимосвязь между степенью эрозии острой кромки вибрирующего диска и снижением эффективности АНВ воздействия на жидкую фазу.
Исследования проводили на установке, схема конструкции которой представлена на Рис. 1. Вибрирующее тело представляло собой цилиндрический диск толщиной 20 мм, изготовленный из алюминия. В качестве модельной среды мы использовали водно-глицериновую смесь с вязкостью 1000 сПз. Для визуализации потоков в жидкости использовали полимерные сферические частицы, плотность которых была близка к плотности раствора.
Рис. 1 Схема ф) и фотография (б) установки для физического моделирования: 1 - вибрационный модуль, 2 -направляющие, угол между которыми - 120о, 3 - вибрирующее тело - диск, 4 - отверстия для подачи и забора воды из термостата, 5 -отверстие для термометра, 6 - крышка, 7 - мембрана из полиэтилентерефталата, 8 - резиновая прокладка, 9 - затравкодержатель, 10 - кристаллизатор, б) Внешний вид модельной установки.
Для измерения скоростей и направлений потоков, перпендикулярно линии съемки был установлен лазерный построитель плоскостей. Частота и амплитуда вибрационного воздействия составляли 15 Гц и 2 мм, соответственно. Съемку производили цифровой фотокамерой Canon 450 EOS со временем экспозиции кадра 10 секунд.. Для симуляции процесса износа производилось поэтапное стачивание кромки под углом 45° к плоскости диска. Степень износа вибрирующего диска определялась параметром h (Рис. 2).
В качестве исходного вибрирующего тела использовали цилиндрический диск с радиусом скругления кромки менее 20 мкм Рис. 3., который ступенчато увеличивали до 250, 300 и 400 мкм, соответственно.
Рис. 2 К определению параметра h
Рис. 3 Микрофотография цилиндрической кромки диска (левая часть рисунков) и распределение средней скорости потоков в пространстве (правая часть рисунков) при осцилляции диска с частотой 15 Гц и амплитудой 2 мм при радиусе скругления цилиндрической кромки диска < 20 мкм (а); 250 мкм (б); 300 мкм (в); 400 мкм (г).
Было показано, что при изменении состояния кромки от первоначального (Ь < 20 мкм) до конечного (Ь = 400) мкм (Рис. 3), происходит снижение средней скорости движения потоков жидкости на 50 - 60 %, при одновременном снижении глубины эффективного перемешивания на 20 - 30%.
Таким образом, можно утверждать, что даже незначительный износ вибрирующего тела вносит существенные изменения в режим
тепломассопереноса в процессе выращивания кристаллов из жидкой фазы. Из этого можно сделать вывод, что скорость разрушения кромки является важным технологическим параметром, и должна учитываться как в процессе подбора материала диска, так и при определении оптимальных вибрационных режимов.
Список литературы
1. O. Barinova et al. Li2MoO4 crystal growth from solution activated by low-frequency vibrations //Journal of Crystal Growth. - 2016.
2. I.Ch. Avetissov et al. Simulation and crystal growth of CdTe by axial vibration control technique in Bridgman configuration //Journal of Crystal Growth. -2011.
3. I.Ch. Avetissov et al. Thermodynamic features of Axial Vibrational Control technique for crystal growth from the melt // CrystEngComm. - 2013.
4. A. Sadovskiy et al. Axial vibration control of melt structure of sodium nitrate in crystal growth process //Journal of Crystal Growth. - 2015.
