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+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 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 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 кип. Такое К. возможно и в случае, когда т-ра осн. массы жидкости Т ж 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: 381_400-1.jpg , 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 ж, параметр q кp~q кр,10(l+0,1 ar п-0,75 К -1),
381_400-2.jpg
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: 381_400-3.jpg 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.
381_400-4.jpg
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 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.
381_400-5.jpg
Рис. 3. Зависимость 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=381_400-6.jpg, где R0 уд. газовая постоянная, Дж/(кг. К). Если частоты волн таковы, что фазовые переходы практически не успевают происходить, то звук распространяется со скоростью 381_400-7.jpg, 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 а 0 примерно на два порядка. Так, для j0~0,1 величина а в=>1 м/с при а 0~100 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


Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.

Синонимы:

Смотреть что такое "КИПЕНИЕ" в других словарях:

  • КИПЕНИЕ — переход жидкости в пар (фазовый переход I рода), происходящий с образованием в объёме жидкости пузырьков пара или заполненных паром полостей на нагреваемых поверхностях. Пузырьки растут (вследствие испарения в образующуюся полость жидкости),… …   Физическая энциклопедия

  • КИПЕНИЕ — КИПЕНИЕ, интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста пузырьков пара в жидкости (пузырьковое кипение) или появления в жидкости пленки пара на поверхности нагрева (пленочное кипение). Температура кипения Тк… …   Современная энциклопедия

  • кипение — кишение, клокотание, бурление Словарь русских синонимов. кипение клокотание, бурление Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова. 2011 …   Словарь синонимов

  • КИПЕНИЕ — интенсивный переход жидкости в пар (парообразование) вследствие образования и роста в жидкости пузырьков пара (пузырьковое кипение) или появление пленки пара на поверхности нагрева в жидкости (пленочное кипение). Температура кипения Тк при… …   Большой Энциклопедический словарь

  • КИПЕНИЕ — КИПЕНИЕ, процесс, при котором молекулы жидкости определенной темп, переходят в парообразное состояние, причем образование пара происходит не только с поверхности, как при спокойном испарении (см.), но и внутри жидкости в виде пузырьков, гл. обр.… …   Большая медицинская энциклопедия

  • КИПЕНИЕ — КИПЕНИЕ, кипения, мн. нет, ср. Действие по гл. кипеть. Температура кипения. Точка кипения (см. точка). Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

  • кипение — КИПЕТЬ, плю, пишь; несов. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • КИПЕНИЕ — (Boiling, bubbling) образование пара внутри жидкости, сопровождаемое выделением на поверхности лопающихся пузырьков и бурлением. К. происходит при такой температуре, при которой упругость насыщенного пара жидкости равна атмосферному (наружному)… …   Морской словарь

  • Кипение — явление, обнаруживаемое жидкостями, когда во всей массе ихпроисходит образование пузырьков пара. Если же пар образуется только наповерхности жидкости, то происходит испарение; жидкий пар, находясь поддавлением окружающей жидкости, может появиться …   Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

  • кипение — Состояние, при котором охлаждающийся литой металл выделяет так много газа, что выглядит как кипящий. При этом возможно выплескивание металла из формы или изложницы. [http://www.manual steel.ru/eng a.html] Тематики металлургия в целом EN wildness …   Справочник технического переводчика

  • КИПЕНИЕ — процесс перехода (см.) в пар; отличается от (см.) тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и во всём объёме жидкости. Пузырьки пара внутри жидкости расширяются и всплывают на поверхность, если давление насыщенного пара… …   Большая политехническая энциклопедия

Книги

Другие книги по запросу «КИПЕНИЕ» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.