Химическая энциклопедия
"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 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+4pЛ²s, 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/м³; 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/(м².К)] пропорционален плотности теплового потока q(Вт/м²) 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~q^-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~0,14—0,16). 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—Т_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/C_pv - 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: а в капле, смачивающей не сильно нагретую пов-сть, происходит пузырьковое кипение; б т-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; д взвешенный 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 q_кp, м. б. значительно больше, чем критич. значение теплового потока для каждого компонента в отдельности (рис. 3). При растворении в жидкости нелетучего в-ва снижается давление ее насыщ. пара и повышается Т_кип. Это позволяет определять мол. м.

Рис. 3. Зависимость q_кр,1, от массовой концентрации спирта в воде при своб. конвекции в большом объеме и разных пов-стях 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 в-в по вызываемому ими повышению Т_кнп чистого р-рителя (см. Эиулиоскопия). Выпадение твердой фазы из р-ра на пов-сть 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 Dp 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, к-рое 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