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 кипении осуществляется путем испарения. Пузырьки растут вследствие испарения в них жидкости, всплывают, и содержащийся в них насыщ. пар переходит в паровую фазу над жидкостью. Кипение - 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 кипения 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) Rмин=2Ткипs/[rrп(Тж-Tкип)], где rп - плотность пара, кг/м3; r - теплота парообразования, Дж/кг (Тж и Ткип 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 кипению, 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 кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением (напр., атмосферным), наз. т-рой кипения (Ткип). В качестве Tкип принимают т-ру насыщ. пара (т-ру насыщения) над плоской пов-стью жидкости, кипящей при данном давлении. Т-ра кипения при атм. давлении приводится обычно как одна из осн. физ.-хим. характеристик химически чистого в-ва. С возрастанием давления Ткип увеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение). Предельная Ткип - критич. т-ра в-ва (см. Критические явления). Понижение Ткип с уменьшением внеш. давления лежит в основе определения барометрич. давления. Различают объемное и поверхностное кипение. Объемное кипение-образование паровых пузырей внутри массы жидкости, находящейся в перегретом, или метастабильном, состоянии при Тж>Ткип, где Тж - т-ра перегретой жидкости. Такое кипение реализуется в т. наз. аппаратах объемного вскипания, эффективных для обезвреживания и утилизации агрессивных жидкостей, в частности дистиллерных в содовом производстве.
, где Dr
разность плотностей жидкости и пара. В первом приближении при кипении 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 кипения на величину v=Ткип-Тж, параметр qкp~qкр,10(l+0,1 arп-0,75 К-1),
Рис. 1. Зависимость плотности теплового потока от разности температур
DТ=Ти—Ткип 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 qкр,10 - плотность теплового потока при v=0, rп - отношение плотностей пара и жидкости, К=r/Cpv - тепловой критерий фазового перехода, Ср - массовая теплоемкость жидкости, ДжДкг.К).
При низких давлениях возможен третий кризис кипения в форме непосредственного перехода от режима конвективного движения жидкости к развитому пленочному кипению. Этот переход имеет цепной кавитационный механизм и реализуется при разностях т-р на пов-сти нагрева и кипения, удовлетворяющих условию: 
где lж и rж - соотв. теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g - ускорение своб. падения.
Четвертый кризис кипения связан с возникновением термодинамич. неустойчивости жидкой фазы при достижении нек-рой критич. пов-сти нагрева.
Критич. плотности тепловых потоков при кипении 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 кипения. Напр., пленочное кипение 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 кипения теплоносителя. Возникновение пленочного кипения, напр. при сбросе давления, может вызвать аварийную ситуацию.
Термогидродинамика кипения 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 qкp, 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 Ткип. Это позволяет определять мол. м.
Рис. 3. Зависимость qкр,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 Ткнп 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 кипения 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 ае=
, 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 aе, к-рое отличается от а0 примерно на два порядка. Так, для j0~0,1 величина ав=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 С.С. Основы теории теплообмена, 5 изд., М., 1979; Кутателадзе С.С НакоряковВЕ.. Тепломассообмен и волны в газожидкосгных системах, Новосиб.. 1984. C. C Кутателадзе
===
Исп. литература для статьи «КИПЕНИЕ»: нет данных
Страница «КИПЕНИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.