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 р-ров и смесей разл. В-в в качестве рабочих тел. Сложная термогидродинамика К. Чистых жидкостей и р-ров оказывает существ. Влияние на конструкции и габаритные размеры технол. Аппаратов. Работа, затрачиваемая на увеличение объема и поверхностной энергии сферич.

Пузыря радиуса R, определяется по ф-ле. L0=-(4/3)pR3Dp+4pЛ 2s, где Dp - разность давлений в пузыре и окружающей жидкости, Па. А коэф. Поверхностного натяжения, Н/м. Миним. Радиус возникающего парового пузыря (зародыша) R мин=2Т кипs/[rr п (Т ж-T кип)], где r п - плотность пара, кг/м 3. R - теплота парообразования, Дж/кг ( Т ж и Т кип пояснены ниже). Местами, в к-рых возникают зародыши паровой фазы, могут служить газообразные включения, твердые частицы, находящиеся в жидкости, микровпадины на пов-стях 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 пов-сти образуется сферический пузырь, как и в объеме жидкости.

С понижением давления уменьшается плотность пара, возрастает миним. Радиус образования зародышей, пов-сть нагрева обедняется центрами генерации паровых пузырей. Это приводит к нестабильному К., при к-ром происходит конвективное движение перегретой жидкости, сменяемое бурным вскипанием, инициированным одной или неск. Микровпадинами подходящего радиуса. С понижением т-ры при вскипании жидкости эти микровпадины "выключаются", и снова повторяется цикл перегрева движущейся конвективно жидкости. Т-ра, при к-рой происходит К. Жидкости, находящейся под постоянным давлением (напр., атмосферным), наз. Т-рой К. (Т кип). В качестве T кип принимают т-ру насыщ. Пара (т-ру насыщения) над плоской пов-стью жидкости, кипящей при данном давлении.

Т-ра К. При атм. Давлении приводится обычно как одна из осн. Физ.-хим. Характеристик химически чистого в-ва. С возрастанием давления Т кип увеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение). Предельная Т кип - критич. Т-ра в-ва (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 - т-ра 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 пов-сти нагрева, имеющей т-ру Т н>Т кип. Такое К. Возможно и в случае, когда т-ра осн. Массы жидкости Т ж<Т кип, но в окрестности пов-сти нагрева образовался пограничный слой, перегретый до т-ры, превышающей Т кип. Осн. Виды поверхностного К. - пузырьковое и пленочное. Пузырьковое К. Возникает при умеренных тепловых потоках на микровпадинах пов-сти, смачиваемой жидкостью. Пар генерируется на действующих центрах парообразования в виде цепочек пузырей. Благодаря циркуляции жидкости, непосредственно контактирующей с пов-стью нагрева, обеспечивается высокая интенсивность теплоотдачи - в данном случае коэф. Теплоотдачи a[Вт/(м 2.К)] пропорционален плотности теплового потока q(Вт/м 2) в степени ~0,7.

Пленочное К. Возникает на несмачиваемых пов-стях нагрева (напр., К. Ртути в стеклянной трубке). На смачиваемых пов-стях 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 l[Вт/(м. К)] и плотности пара по сравнению с их значениями для жидкости. При ламинарном движении пара в пленке a~O,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 пов-стях 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~0,14Ч0,16). В жидкости, осн. Масса к-рой недогрета до т-ры 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 т-р DТ=Т и ЧТ кип при кипении в большом объеме свободно конвектирующей жидкости. 1 - пузырьковый режим. 2 - переходный режим, характеризуемый сменой пузырьковой структуры на пов-сти нагрева сплошным паровым слоем (пленкой), от к-рого отрываются крупные паровые пузыри.

3 - пленочный режим, при к-ром происходит также радиационная теплоотдача от пов-сти нагрева к жидкости через паровой слой. Прямая линия характеризует третий кризис кипения. Где q кр,10 - плотность теплового потока при v=0, r п - отношение плотностей пара и жидкости, К=r/Cpv -> тепловой критерий фазового перехода, С р - массовая теплоемкость жидкости, ДжДкг. 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 т-р на пов-сти нагрева и К., удовлетворяющих условию. где l ж и r ж - соотв. Теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g - ускорение своб.

Падения. Четвертый кризис К. Связан с возникновением термодинамич. Неустойчивости жидкой фазы при достижении нек-рой критич. Пов-сти 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 пов-сти возникает т. Наз. Сфероидальное состояние - жидкость зависает над пов-стью нагрева под влиянием динамич. Сопротивления образующегося пара (рис. 2). Время полного испарения данного начального объема жидкости определяется т-рой нагревателя. Рис. 2. Формы испарения жидкости, свободно растекающейся по горячей пов-сти. Ав капле, смачивающей не сильно нагретую пов-сть, происходит пузырьковое кипение.

Бт-ра стенки повысилась, и капля принимает сферич форму. В при увеличении т-ры пов-сти нагрева капля зависает в паровом слое. Г- с возрастанием объема капля принимает форму плоского сфероида. Двзвешенный в паровом слое большой сфероид, из к-poro пар эвакуируется через куполообразные пузыри. В технол. Процессах используются оба вида поверхностного К. Напр., пленочное К. Реализуется при жидкостной закалке металлич. Изделий. Проектирование теплообменных аппаратов с принудит, заданием теплового потока (с выделением джоулевой теплоты, теплоты р-ции 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. Р-ров и чистых жидкостей существенно различна. Так, для нек-рых р-ров и эмульсий критич. Плотность теплового потока зависит от концентрации компонентов немонотонно, т. Е. Возможно существование экстремумов, причем максимум .