кипение

КИПЕНИЕ

переход жидкости в пар, образующий в ее объеме структурные элементы (паровые пузыри, пленки, струи); фазовый переход первого рода. На границе раздела пар жидкость фазовый переход при К. осуществляется путем испарения. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в них насыщ. пар переходит в паровую фазу над жидкостью. К. — одно из фундам. физ. явлений, используемое во мн. процессах хим. технологии. Особенность последних состоит в широком применении растворов и смесей разл. веществ в качестве рабочих тел. Сложная термогидродинамика К. чистых жидкостей и растворов оказывает существ. влияние на конструкции и габаритные размеры технол. аппаратов. Работа, затрачиваемая на увеличение объема и поверхностной энергии сферич. пузыря радиуса R, определяется по формуле: L₀=-(4/3)πR³Δp+4πЛ²σ, где Δp — разность давлений в пузыре и окружающей жидкости, Па; а коэф. поверхностного натяжения, Н/м. Миним. радиус возникающего парового пузыря (зародыша) R_мин=2Т_кипσ/[rρ_п(Т_ж-T_кип)], где ρ_п — плотность пара, кг/м³; r — теплота парообразования, Дж/кг (Т_ж и Т_кип пояснены ниже). Местами, в которых возникают зародыши паровой фазы, могут служить газообразные включения, твердые частицы, находящиеся в жидкости, микровпадины на поверхностях нагрева и др. Работа, необходимая для образования парового "пятна" на стенке и границы раздела пар — жидкость: L=L₀(0,5+0,75cosQ-0,25cos³Q), где Q — краевой угол смачивания. При Q=180° работа L=0, т. е. на абс. смачиваемой поверхности образуется сферический пузырь, как и в объеме жидкости. С понижением давления уменьшается плотность пара, возрастает миним. радиус образования зародышей, поверхность нагрева обедняется центрами генерации паровых пузырей. Это приводит к нестабильному К., при котором происходит конвективное движение перегретой жидкости, сменяемое бурным вскипанием, инициированным одной или неск. микровпадинами подходящего радиуса. С понижением температуры при вскипании жидкости эти микровпадины "выключаются", и снова повторяется цикл перегрева движущейся конвективно жидкости. Температура, при которой происходит К. жидкости, находящейся под постоянным давлением (напр., атмосферным), наз. температурой К. (Т_кип). В качестве T_кип принимают температуру насыщ. пара (температуру насыщения) над плоской поверхностью жидкости, кипящей при данном давлении. Температура К. при атм. давлении приводится обычно как одна из осн. физ.-хим. характеристик химически чистого вещества. С возрастанием давления Т_кип увеличивается (см. Клапейрона — Клаузиуса уравнение). Предельная Т_кип — критич. температура вещества (см. критические явления). Понижение Т_кип с уменьшением внеш. давления лежит в основе определения барометрич. давления. Различают объемное и поверхностное К. Объемное К. — образование паровых пузырей внутри массы жидкости, находящейся в перегретом, или метастабильном, состоянии при Т_ж>Т_кип, где Т_ж — температура перегретой жидкости. Такое К. реализуется в т. наз. аппаратах объемного вскипания, эффективных для обезвреживания и утилизации агрессивных жидкостей, в частности дистиллерных в содовом производстве. Поверхностное К. — парообразование на поверхности нагрева, имеющей температуру Т_н>Т_кип. Такое К. возможно и в случае, когда температура осн. массы жидкости Т_ж<�Т_кип, но в окрестности поверхности нагрева образовался пограничный слой, перегретый до температуры, превышающей Т_кип. Основные виды поверхностного К. — пузырьковое и пленочное. Пузырьковое К. возникает при умеренных тепловых потоках на микровпадинах поверхности, смачиваемой жидкостью. Пар генерируется на действующих центрах парообразования в виде цепочек пузырей. Благодаря циркуляции жидкости, непосредственно контактирующей с поверхностью нагрева, обеспечивается высокая интенсивность теплоотдачи — в данном случае коэф. теплоотдачи α[Вт/(м².К)] пропорционален плотности теплового потока q(Вт/м²) в степени ~0,7. Пленочное К. возникает на несмачиваемых поверхностях нагрева (напр., К. ртути в стеклянной трубке); на смачиваемых поверхностях пузырьковое К. переходит в пленочное (первый кризис К.) при достижении первой критич. плотности теплового потока q_кр,1. Интенсивность теплоотдачи при пленочном К. значительно меньше, чем при пузырьковом, что обусловлено малыми значениями коэф. теплопроводности λ[Вт/(м∙К)] и плотности пара по сравнению с их значениями для жидкости. При ламинарном движении пара в пленке α~q^−0,25, при турбулентном движении интенсивность теплоотдачи мало зависит от плотности теплового потока и размеров нагревателя. Повышение давления приводит к возрастанию а в обоих случаях. Разрушение пленочного К. и восстановление пузырькового (второй кризис К.) на смачиваемых поверхностях происходит при второй критич. плотности теплового потока q_кр,2[q_кр.1 (рис. 1). Кризисы К. определяются преим. гидродинамич. механизмом потери устойчивости структуры пристенного двухфазного пограничного слоя. Критерий гидродинамич. устойчивости К. имеет вид: , где Dr разность плотностей жидкости и пара. В первом приближении при К. в большом объеме насыщ. однородной маловязкой жидкости k=const (для воды, спирта и ряда др. сред k~0,14—0,16). В жидкости, осн. масса которой недогрета до температуры К. на величину v=Т_кип-Т_ж, параметр q_кp~q_кр,10(l+0,1 ar_п^−0,75 К⁻¹),

_{Рис. 1. Зависимость плотности теплового потока от разности температур ΔТ=Ти}—Т_кип при кипении в большом объеме свободно конвектирующей жидкости: 1 — пузырьковый режим; 2 — переходный режим, характеризуемый сменой пузырьковой структуры на поверхности нагрева сплошным паровым слоем (пленкой), от которого отрываются крупные паровые пузыри; 3 — пленочный режим, при котором происходит также радиационная теплоотдача от поверхности нагрева к жидкости через паровой слой; прямая линия характеризует третий кризис кипения. где q_кр,10 — плотность теплового потока при v=0, ρ_п — отношение плотностей пара и жидкости, К=r/C_pv — тепловой критерий фазового перехода, C_р — массовая теплоемкость жидкости, Дж/(кг∙К).

При низких давлениях возможен третий кризис К. в форме непосредственного перехода от режима конвективного движения жидкости к развитому пленочному К. Этот переход имеет цепной кавитационный механизм и реализуется при разностях температур на поверхности нагрева и К., удовлетворяющих условию: где λ_ж и ρ_ж — соотв. теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g — ускорение своб. падения. Четвертый кризис К. связан с возникновением термодинамич. неустойчивости жидкой фазы при достижении некоторой критич. поверхности нагрева. Критич. плотности тепловых потоков при К. в каналах существенно зависят от их форм и размеров, скорости течения жидкости и паросодержания потока. Универсальные закономерности здесь пока не установлены. При своб. растекании жидкости по горячей поверхности возникает т. наз. сфероидальное состояние — жидкость зависает над поверхностью нагрева под влиянием динамич. сопротивления образующегося пара (рис. 2). Время полного испарения данного начального объема жидкости определяется температурой нагревателя.

_{Рис. 2. Формы испарения жидкости, свободно растекающейся по горячей поверхности: а в капле, смачивающей не сильно нагретую поверхность, происходит пузырьковое кипение; б температура стенки повысилась, и капля принимает сферич форму; в при увеличении температуры поверхности нагрева капля зависает в паровом слое; г — с возрастанием объема капля принимает форму плоского сфероида; д взвешенный в паровом слое большой сфероид, из к-poro пар эвакуируется через куполообразные пузыри.}

В технол. процессах используются оба вида поверхностного К. Например, пленочное К. реализуется при жидкостной закалке металлических изделий. Проектирование теплообменных аппаратов с принудит, заданием теплового потока (с выделением джоулевой теплоты, теплоты реакции спонтанного распада ядерного топлива, в парогенераторах и т. п.) проводится в расчете на пузырьковый режим К. теплоносителя. Возникновение пленочного К., напр. при сбросе давления, может вызвать аварийную ситуацию. Термогидродинамика К. растворов и чистых жидкостей существенно различна. Так, для некоторых растворов и эмульсий критич. плотность теплового потока зависит от концентрации компонентов немонотонно, т. е. возможно существование экстремумов, причем максимум q_кр, м. б. значительно больше, чем критич. значение теплового потока для каждого компонента в отдельности (рис. 3). При растворении в жидкости нелетучего вещества снижается давление ее насыщ. пара и повышается Т_кип. Это позволяет определять мол. м.

_{Рис. 3. Зависимость qкр,1}, от массовой концентрации спирта в воде при своб. конвекции в большом объеме и разных поверхностях нагрева: /, 3. 5 вертикальная пластина соотв. при давлениях 98,1100 и 3100 кПа; 2, 4, б проволока диаметром 0,5 мм при таких же давлениях.

растворенных веществ по вызываемому ими повышению Т_кнп чистого растворителя (см. эбулиоскопия). Выпадение твердой фазы из раствора на поверхность нагрева приводит к снижению общего коэф. теплопередачи. В таких процессах температурный режим теплообменных аппаратов необходимо рассчитывать в соответствии с диаграммой состояния данного раствора. Режим К. существенно влияет на характер распространения акустич. волн в парожидкостной смеси. При этом волновые возмущения сопровождаются испарением и конденсацией на границах раздела фаз. Скорость звука в таких системах определяется соотношением между частотой волны и характерными временами процессов, обусловливающих фазовые переходы. Если частота настолько низка, что наложенное возмущение Δp вызывает изменение плотности Dr только за счет фазовых переходов, то скорость волны равна термодинамически равновесной скорости звука а_е=, где R₀ уд. газовая постоянная, Дж/(кг∙К). Если частоты волн таковы, что фазовые переходы практически не успевают происходить, то звук распространяется со скоростью , где g — показатель адиабаты пара; j₀ — объемное паросодержание смеси. Для реальных частот возмущений и состояний парожидкостной среды пузырьковой структуры скорость звука близка к значению a_е, которое отличается от а₀ примерно на два порядка. Так, для j₀~0,1 величина а_в=1 м/с при а₀~100 м/с. Фазовые переходы влияют на динамику и структуру акустич. волн. Эти структуры обобщаются в виде спец. режимных карт

^{Лит.: Скрипов В.П.. Метастабильная жидкость, М, 1972; Кутателадзе СС. Основы теории теплообмена, 5 изд., М., 1979; Кутателадзе СС НакоряковВЕ.. Тепломассообмен и волны в газожидкосгных системах, Новосиб.. 1984. C C Кутателадзе}