КИПЕНИЕ

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), всплывают, и содержащийся в них насыщ. пар переходит в паровую фазу над жидкостью.

Для поддержания К. к жидкости необходимо подводить теплоту, к-рая расходуется на парообразование и на работу пара против внеш. давления при увеличении объёма паровой фазы (см. ИСПАРЕНИЕ). Темп-pa, при к-рой происходит К. жидкости, находящейся под пост. давлением, наз. температурой кипения (Tкип). Строго говоря, Ткип соответствует темп-ре насыщ. пара (темп-ре насыщения) над плоской поверхностью кипящей жидкости, т. к. сама жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. С ростом давления Tкип увеличивается (см. КЛАПЕЙРОНА — КЛАУЗИУСА УРАВНЕНИЕ). Предельной темп-рой К. явл. критическая температура в-ва. Темп-pa К. при атм. давлении приводится обычно как одна из осн. физ.-хим. хар-к химически чистого в-ва.

При К. в жидкости устанавливается определ. распределение температуры (рис. 1): у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета. Величина перегрева зависит от ряда физ. и хим. св-в как самой жидкости, так и граничных тв. поверхностей. Опыты показывают, что тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха),

Рис. 1. Распределение темп-ры в жидкости над горизонт. поверхностью нагрева при пузырьковом кипении.

можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость вскипает, то процесс К. протекает бурно, напоминая взрыв. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому закипевшая жидкость быстро охлаждается до темп-ры насыщ. пара, с к-рым она находится в равновесии. Возможность перегрева чистой жидкости без К. объясняется затруднённостью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей): энергетич. затраты на образование пузырька значительны из-за большой поверхностной энергии пузырька. Если же жидкость содержит растворённые газы и разл. мельчайшие взвеш. ч-цы, то уже незначит. перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное К., при к-ром нач. зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки, образующиеся на поверхности тв. ч-ц. Осн. центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбиров. газом, а также разл. неоднородности, включения и налёты, снижающие мол. сцепление жидкости с поверхностью. Для роста образовавшегося пузырька необходимо, чтобы давление пара в нём несколько превышало сумму внеш. давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, к-рое зависит от кривизны поверхности пузырька. Это условие осуществляется, когда пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, имеют темп-ру, превышающую Ткип. В повседневной практике наблюдается именно этот вид К., его наз. пузырьковым. Если повышать темп-ру поверхности нагрева Т (увеличивать температурный напор, измеряемый разностью Т-Tкип), то число центров парообразования резко возрастает, всё большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая её интенсивное перемешивание. Это приводит к значит. росту теплового потока от поверхности нагрева к кипящей жидкости (росту теплоотдачи). Соотв. возрастает и кол-во образующегося пара.

При достижении максимального (критич.) значения теплового потока (для кипящей воды =1500 кВт/м2 при T-Tкип=25—30°С) начинается второй, переходный режим К. При этом режиме теплоотдача и скорость парообразования резко снижаются, т. к. большая доля поверхности нагрева покрывается сухими пятнами из-за слияния образующихся пузырьков пара. Когда вся поверхность обволакивается тонкой паровой плёнкой, возникает третий, плёночный режим К., при к-ром теплота от раскалённой поверхности передаётся к жидкости через паровую плёнку путём теплопроводности и излучения. Все три режима К. можно наблюдать в обратном порядке, когда массивное металлич. тело погружают в воду для его закалки: вода закипает, охлаждение тела идёт вначале медленно (плёночное К.), потом скорость охлаждения начинает быстро увеличиваться (переходное К.) и достигает наибольших значений в конечной стадии охлаждения (п у з ы р ь к о в о е К.). Теплоотвод в режиме пузырькового К. явл. одним из наиболее эфф. способов охлаждения (рис. 2).

Рис. 2. Изменение плотности теплового потока q и коэфф. теплоотдачи a. при кипении воды под атм. давлением в зависимости от температурного напора DT: А — область слабого образования пузырьков; Б — пузырьковое кипение; В — плёночное кипение, постепенный переход к сплошной паровой плёнке; Г — стабильное плёночное кипение,qмакс — макс. значение q.

Растворение в жидкости нелетучего в-ва понижает давление её насыщ. пара и повышает Tкип. Это позволяет определять мол. массу растворённых в-в по вызываемому ими повышению Ткип растворителя.

К. возможно не только при нагревании жидкости в условиях пост. давления. Снижением внеш. давления при пост. темп-ре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения темп-ры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониж. давления жидкости (напр., в вихревой зоне за гребным винтом теплохода). Понижение Ткип с уменьшением внеш. давления лежит в основе определения барометрич. давления. К. при пониж. давлении применяют в холодильной технике, в физ. эксперименте (см. ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

КИПЕНИЕ

- процесс парообразования в жидкости, включающий рождение пузырьков пара, их рост, движение и взаимодействие; частный случай неравновесного фазового перехода 1-го рода.

К. вызывается перегревом жидкости, состояние к-рой попадает в область выше линии равновесия (бинодали, см. рис. к ст. Ван-дep-Bаальса уравнение), или понижением давления ниже его значения на линии равновесия жидкость - пар. На диаграмме состояния процесс К. описывается нек-рой траекторией или точкой внутри области метастабильного (перегретого) состояния (рис.), ограниченной с одной стороны бинодалью, с другой - спинодалью, границей термодинамич. устойчивости жидкости. При отрицат. давлении, соответствующем растяжению жидкости, наблюдается кавитация -, явление, родственное К.

Давление пара в квазиравновесном пузырьке уравновешивается давлением жидкости и межфазным натяжением . В соответствии с Лапласа законом кри-тич. радиус пузырька (равновесного пузырька) равен

Давление пара в пузырьке связано с давлением на-сыщ. пара над горизонтальной поверхностью жидкости (давлением на бинодали) при той же темп-ре Кельвина уравнением. При пузырьки схлопываются, при - растут.

Фазовая диаграмма воды: р - давление; Т - темп-ра; К - критическая точка воды; 1 - бинодаль; 2 - спино-даль (область между 1 и 2 - область метастабильно-го, перегретого состояния); 3 - линия достижимого в опытах перегрева кипящей жидкости.

Рождение пузырька пара в объёме гомогенной жидкости происходит при преодолении энергетич. барьера, равного работе образования критич. пузырька:

(ф-ла Гиббса). Энергетич. барьер может быть преодолен в тех областях жидкости, где возникают термодинамич. флуктуации её плотности. Частоту J рождения флуктуац. пузырьков описывает теория Фольмера - Зельдовича - Кагана. С хорошей точностью

Интенсивное флуктуац. зародышеобразование в гомогенной жидкости развивается при высоких перегревах (напр., в воде при атм. давлении J=10¹⁰ м ^-3 с ^-1, если T=578 К).

В объёме неочищенной, не лишённой примесей и растворенных газов жидкости и на границах с твёрдой фазой обычно имеются (или временно появляются) зоны предпочтит. рождения пузырьков. К таким центрам К. относятся как спонтанные флуктуационные, так и готовые, уже имевшиеся в жидкости (напр., пузырьки нерастворённого газа, газовые и паровые пузырьки в микротрещинах на неполностью смоченной поверхности стенок). При развитом К. готовые центры возобновляются за счёт захвата пара микроуглублениями (порами) на нагреваемой поверхности.

Центрами спонтанного К. могут быть плохо смачиваемые участки (т. н. островки Френкеля) и поры на твёрдой поверхности, зоны повыш. концентрации легкокипящей компоненты (напр., образовавшейся при электролизе), области локального тепловыделения (напр., зоны протекания экзотермич. хим. реакций) или локального растяжения (центры кавитации). В центрах спонтанного К. работа образования критич. пузырька меньше, чем в др. точках объёма жидкости, поэтому активация центров К. наблюдается при более низких темп-pax перегрева - при состояниях жидкости, попадающих в область между линиями 1 и 3 на рис.

В квазистационарных режимах К. обычно обеспечивается готовыми центрами и перегрев выше линии бинодали невелик (~10 К). В нестационарных процессах существен вклад спонтанных центров К. При достаточно быстром переводе жидкости в метастабильное, перегретое состояние траектория процесса вскипания на фазовой диаграмме может приблизиться к спинодали 2 и осн. процессом становится гомогенное флуктуац. зародышеобразование; такой режим К. наз. ударным, парообразование при этом носит взрывной характер.

Пузырёк с радиусом растёт со скоростью, определяемой подводом теплоты к жидкости через межфазную поверхность, а также диффузией легко кипящей компоненты (в растворах), вязкостью и инерц. силами. На ранней стадии роста пузырьков скорость ограничивается в первую очередь инерц. силами. Скорость изменения радиуса определяется ф-лой Рэлея:

где - плотность жидкости. По мере роста пузырька основными становятся условия тепло- и массоподвода к межфазной поверхности, причём ограничение процессами переноса приводит к падению скорости с увеличением времени t развития пузырька: (асимпто-тич. стадия роста пузырька). В нек-рых случаях теплоты перегрева жидкости достаточно для полного покрытия расхода энергии на парообразование. В таких режимах рэлеевская стадия роста пузырьков, описываемая (4), в однокомпонентных жидкостях продолжается до слияния пузырьков.

Различают объёмное и поверхностное К. При поверхностном К. осн. источником жизнеспособных паровых пузырьков является слой жидкости, примыкающий к нагреваемой поверхности. Если осн. объём жидкости имеет темп-ру ниже равновесной темп-ры на бинодали (т. н. К. с недогревом), то пузырьки пара, образовавшиеся вблизи нагреваемой поверхности, попадая при мигрировании в холодные слои, схлопываются. В сильно недогретой жидкости пузырьки, формирующиеся на нагреваемой поверхности, не достигают отрывного размера вследствие конденсации пара в противоположной от нагревателя части пузырька. Объёмное К. происходит при перегреве во всём объёме жидкости или при понижении давления. В этом случае пузырьки рождаются во всём объёме жидкости или во фронте волны спада давления.

Рост пузырьков при К. оказывает механич. (гидроди-намич.) воздействие на систему в целом. В частности, в замкнутом объёме перегретой жидкости по мере увеличения паросодержания растёт давление. В стеснённых дозвуковых стационарных потоках вскипающей жидкости (напр., в трубах) рост паросодержания вниз по течению сопровождается снижением давления, поэтому при истечении кипящей перегретой жидкости из щелей и сопел наблюдается эффект "запирания" - снижение расхода жидкости. Пузырьки пара при росте и схлопывании излучают акустич. энергию (шум К.). Быстрый рост давления при взрывном К. может привести к разрушению конструкций (паровой взрыв). Пузырьки, всплывающие в гравитац. поле, вызывают дополнит. конвективные потоки, что способствует перемешиванию жидкости, а поверхностное К. эффективно возбуждает турбулентное движение пристеночного слоя жидкости.

Поверхностное К. широко используется для интенсивного охлаждения поверхности (теплосъёма). Количеств. характеристикой эффективности теплосъёма служит коэф. теплоотдачи , определяемый как отношение плотности теплового потока q к перепаду темп-ры между нагретой поверхностью и жидкостью. При развитом стационарном К. темп-рой жидкости считают темп-ру на бинодали. С ростом перепада темп-р по мере развития К. коэф. теплоотдачи растёт (показатель степени т меняется в пределах от 2 до 3). При достаточно высоком локальном паросодержании в пограничном слое жидкости пузырьки начинают взаимодействовать между собой, образуя паровые полости сложной формы.

При скорости стационарного отвода теплоты от поверхности нагревателя выше нек-рого макс. значения начинает проявляться неустойчивость встречных потоков жидкости и пара (неустойчивость Гельмгольца). В результате на нагревателе образуется плёнка пара, резко снижающая коэф. и поток q (кризис К.). Если паровой слой покрывает всю нагреваемую поверхность, то К. наз. плёночным. На границе пар - жидкость в этом случае возбуждаются поверхностные волны, на гребнях к-рых образуются крупные пузыри пара, к-рые затем отрываются. Переход от пузырькового К. к плёночному наз. первым кризисом К., обратный переход - вторым кризисом К. Второй кризис К. объясняется неустойчивостью межфазной границы пар - жидкость (неустойчивость Тейлора). В опытах с водой при атм. давлении и в условиях естеств. конвекции первый кризис К. наступает при К (q=0,9 МВт/м ²), второй - при К (q=0,2 МВт/м ²).

При независимом задании теплового потока (напр., при прохождении электрич. тока или радиац. обогреве) наблюдается неоднозначная зависимость от q (гистерезис темп-ры), вызванная тем, что тепловой поток в условиях наступления первого кризиса К. больше, чем тепловой поток в условиях второго кризиса К.

В нестационарных режимах поверхностного К. с недогревом при значит. перегревах пограничного слоя жидкости переход к плёночному К. может произойти без стадии развитого пузырькового К. При ударном режиме К. темп-pa перехода к плёночному К. (термодинамич. кризис К.) вычисляется с помощью теории флуктуац. зародышеобразования.

Применение процесса К. в науке и технике разнообразно. Его используют для увеличения поверхности испарения в опреснит. установках, визуализации треков элементарных частиц в пузырьковых камерах, в холодильной технике, процессах ректификации и т. д.

Лит.: Скрипов В. П., Метастабильная жидкость, М., 1972; Несис Е. И., Кипение жидкостей, М., 1973; Кутателадзе С. С., Накоряков В. Е., Тепло-массообмен и волны в газожидкостных системах, Новосиб., 1984. П. А. Павлов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.