Кипение жидкостей. Зависимость температуры кипения от давления. Кипение Чему равна температура кипения

Кипение — это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Она сохраняется неизменной до тех пор, пока вся жидкость не выкипит. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия уходит на превращение ее в пар.

Температура, при которой кипит жидкость, называется температурой кипения .

Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкос-ти. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости.

Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения .

Всем известно, что вода кипит при температуре 100 ºC. Но не следует забывать, что это справедливо лишь при нормальном атмосферном давлении (примерно 101 кПа). При увеличении дав-ления температура кипения воды возрастает. Так, например, в кастрюлях-скороварках пищу варят под давлением около 200 кПа . Температура кипения воды при этом достигает 120°С. В воде такой температуры процесс варки происходит значительно быстрее, чем в обычном кипятке. Этим и объясняется название «скороварка».

И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения. Напри-мер, в горных районах (на высоте 3 км , где давление составляет 70 кПа) вода кипит при температуре 90 °С. Поэтому жителям этих районов, использующим такой кипяток, требуется значительно больше времени для приготовления пищи, чем жителям равнин. А сварить в этом кипятке, например, кури-ное яйцо вообще невозможно, так как при температуре ниже 100 °С белок не сворачивается.

У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. Например, при температуре кипения 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Кипит ртуть при 357°С при нормальном давлении.

Теплота парообразования.

Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты , которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.

Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденса-ции). Чтобы вычислить количество теплоты Q , необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования r ум-ножить на массу m :

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты.

ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ
(точка кипения) - температура, при которой жидкость столь интенсивно превращается в пар (т.е. газ), что в ней образуются паровые пузырьки, которые поднимаются на поверхность и лопаются. Бурное образование пузырьков во всем объеме жидкости и называется кипением. В отличие от простого испарения при кипении жидкость переходит в пар не только со свободной поверхности, но и по всему объему - внутрь образующихся пузырьков. Температура кипения любой жидкости постоянна при заданном атмосферном или ином внешнем давлении, но повышается с повышением давления и понижается с его понижением. Например, при нормальном атмосферном давлении, равном 100 кПа (таково давление на уровне моря), температура кипения воды составляет 100° С. На высоте же 4000 м над уровнем моря, где давление падает до 60 кПа, вода кипит примерно при 85° С, и для того, чтобы сварить пищу в горах, требуется больше времени. По той же причине пища готовится быстрей в кастрюле-"скороварке": давление в ней повышается, а вслед за этим повышается и температура кипящей воды.
ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ (на уровне моря)

Вещество __ Температура, °С
Золото ___________2600
Серебро __________1950
Ртуть _____________356,9
Этиленгликоль _____197,2
Морская вода ______100,7
Вода ______________100,0
Изопропиловый спирт 82,3
Этиловый спирт _____78,3
Метиловый спирт ____64,7
Эфир _______________34,6

Температура кипения вещества зависит также от наличия примесей. Если в жидкости растворено летучее вещество, то температура кипения раствора понижается. И наоборот, если в растворе содержится вещество менее летучее, чем растворитель, то температура кипения раствора будет выше, чем у чистой жидкости.
См. также
ТЕМПЕРАТУРА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ;
ТЕПЛОТА ;
ЖИДКОСТЕЙ ТЕОРИЯ .
ЛИТЕРАТУРА
Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., 1978 Новиков И.И. Термодинамика. М., 1984

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Смотреть что такое "ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ" в других словарях:

Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения при нормальном атмосферном давлении (1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст.) называют нормальной температурой кипения или точкой кипения … Большой Энциклопедический словарь

ТЕМПЕРАТУРА КИПЕНИЯ, температура, при которой вещество переходит из одного состояния (фазы) в другое, т. е. из жидкости в пар или газ. Температура кипения возрастает при увеличении внешнего давления и понижается при его уменьшении. Обычно ее… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (обозначается Ткип, Ts), температура равновесного перехода жидкости в пар при пост. внеш. давлении. При Т. к. давление насыщ. пара над плоской поверхностью жидкости становится равным внеш. давлению, вследствие чего по всему объёму жидкости… … Физическая энциклопедия

- – температура, при которой жидкость под воздействием нагревания переходит из жидкого состояния в газовое; эта температура кипения зависит от давления. EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь

Температура, достигаемая жидкостью при бурлении * * * (Источник: «Объединенный словарь кулинарных терминов») … Кулинарный словарь

температура кипения - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN boiling temperature … Справочник технического переводчика

Температура кипения, точка кипения температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как … Википедия

температура кипения - (Tкип, tкип) температура равновесного перехода жидкости в пар при постоянном внешнем давлении. При температура кипения давление насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости становится равным внешнему давлению,… … Энциклопедический словарь по металлургии

Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения при нормальном атмосферном давлении (1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст.) называют нормальной температурой кипения или точкой кипения. * * … Энциклопедический словарь

температура кипения - 2.17 температура кипения: Температура жидкости, кипящей при давлении окружающей атмосферы 101,3 кПа (760 мм рт. ст). Источник: ГОСТ Р 51330.9 99: Электрооборудование взрывозащищенное. Часть 10. Классификация взрывоопасных зон … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Книги

• , Ю. А. Лебедев, А. Н. Кизин, Т. С. Папина, И. Ш. Сайфуллин, Ю. Е. Мошкин. В настоящей книге представлены важнейшие численные характеристики ряда углеводородов, среди которых рассматриваются следующие физико-химические константы: молекулярная масса, температура…
• Характеристики углеводородов. Анализ численных данных и их рекомендованные значения. Справочное издание , Лебедев Ю.А.. В настоящей книге представлены важнейшие численные характеристики ряда углеводородов, среди которых рассматриваются следующие физико-химические константы: молекулярная масса, температура…

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: L 0 =-(4/3) p R 3 D p+4 p Л 2 s , где D p - разность давлений в пузыре и окружающей жидкости , Па; а коэф. поверхностного натяжения , Н/м. Миним. радиус возникающего парового пузыря (зародыша) R мин =2Т кип s /, 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=L 0 (0,5+0,75cos Q- 0,25cos 3 Q ), 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 (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 кипения 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 кипение. Объемное кипение-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 кипение реализуется в т. наз. аппаратах объемного вскипания, эффективных для обезвреживания и утилизации агрессивных жидкостей , в частности дистиллерных в содовом производстве. Поверхностное кипение-парообразование на пов-сти нагрева, имеющей т-ру Т н >Т кип. Такое кипение 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 кипения - пузырьковое и пленочное. Пузырьковое кипение 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 кипение возникает на несмачиваемых пов-стях нагрева (напр., кипение в стеклянной трубке); на смачиваемых пов-стях пузырьковое кипение переходит в пленочное (первый кризис кипения) при достижении первой критич. плотности теплового потока q кр,1 . Интенсивность теплоотдачи при пленочном кипении 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 кипения и восстановление пузырькового (второй кризис кипения) на смачиваемых пов-стях происходит при второй критич. плотности теплового потока q кр,2 [ q кр.1 (рис. 1). Кризисы кипения определяются преим. гидродинамич. механизмом потери устойчивости структуры пристенного двухфазного пограничного слоя. Критерий гидродинамич. устойчивости кипения имеет вид: , 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=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 температур

D Т=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 p v - тепловой критерий фазового перехода , С р - 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 l ж и r ж - 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

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ

ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ

Кипением называется процесс интенсивного парообразования, происходящего во всем объеме жидкости, находящейся при температуре насыщения или несколько перегретой относительно температуры насыщения, с образованием паровых пузырей. В процессе фазового превращения поглощается теплота парообразования. Процесс кипения обычно связан с подводом теплоты к кипящей жидкости.

Режимы кипения жидкости.

Различают кипение жидкостей на твердой поверхности теплообмена, к которой извне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

При кипении на твердой поверхности образования паровой фазы наблюдается в отдельных местах этой поверхности. При объемном кипении паровая фаза возникает самопроизвольно (спонтанно) непосредственно в объеме жидкости в виде отдельных пузырьков пара. Объемное кипение может происходить лишь при более значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении, чем кипение на твердой поверхности. Значительный перегрев может быть получен, например, при быстром сбросе давления в системе. Объемное кипение может иметь место при наличии в жидкости внутренних источников тепла.

В современной энергетике и технике обычно встречаются процессы кипения на твердых поверхностях нагрева (поверхности труб, стенки каналов и т.п.). Этот вид кипения в основном и рассматривается далее.

Механизм теплообмена при пузырьковом кипении отличается от механизма теплоотдачи при конвекции однофазной жидкости наличием дополнительного переноса массы вещества и теплоты паровыми пузырями из пограничного слоя в объем кипящей жидкости. Это приводит к высокой интенсивности теплоотдачи при кипении по сравнению с конвекцией однофазной жидкости.

Для возникновения процесса кипения необходимо выполнение двух условий: наличие перегрева жидкости относительно температуры насыщения и наличие центров парообразования.

Перегрев жидкости имеет максимальную величину непосредственно у обогреваемой поверхности теплообмена. На ней же находятся центры парообразования в виде неровностей стенки, пузырьков воздуха, пылинок и др. Поэтому образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Рисунок 3.1 – режимы кипения жидкости в неограниченном объеме: а) -пузырьковый; б) – переходный; в) - пленочный

На рис. 3.1. схематически показаны режимы кипения жидкости в неограниченном объеме. При пузырьковом режиме кипения (рис. 3.1,а) по мере увеличения температуры поверхности нагрева t c и соответственно температурного напора число действующих центров парообразования растет, процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки периодически отрываются от поверхности и, всплывая к свободной поверхности, продолжают расти в объеме.

При повышении температурного напора Δt значительно возрастает поток теплоты, который отводится от поверхности нагрева к кипящей жидкости. Вся эта теплота в конечном счете расходуется на образование пара. Поэтому уравнение теплового баланса при кипении имеет вид:

где Q - тепловой поток, Вт; r - теплота фазового перехода жидкости, Дж/кг; G п - количество пара, образующегося в единицу времени в результате кипения жидкости и отводимого от ее свободной поверхности, кг/с.

Тепловой поток Q при увеличении температурного напора Δt растет не беспредельно. При некотором значении Δt он достигает максимального значения (Рис. 3.2), а при дальнейшем повышении Δt начинает уменьшаться.

Рисунок 3.2 – Зависимость плотности теплового потока q

от температурного напора Δt при кипении воды в большом объеме при атмосферном давлении: 1- подогрев до температуры насыщения; 2 – пузырьковый режим; 3 – переходный режим; 4 – пленочный режим.

Дать участки 1 2 3 и 4

Пузырьковыйрежим кипения имеет место на участке 2 (Рис. 3.2) до достижения максимального теплоотвода в точке q кр1 , называемой первой критической плотностью теплового потока . Для воды при атмосферном давлении первая критическая плотность теплового потока составляет ≈ Вт/м 2 ; соответствующее критическое значение температурного напора Вт/м 2 . (Эти значения относятся к условиям кипения воды при свободном движении в большом объеме. Для других условий и других жидкостей значения будут иными).

При бóльших Δt наступает переходный режим кипения (рис. 3.1, б ). Он характеризуется тем, что как на самой поверхности нагрева, так и вблизи нее пузырьки непрерывно сливаются между собой, образуются большие паровые полости. Из-за этого доступ жидкости к самой поверхности постепенно все более затрудняется. В отдельных местах поверхности возникают «сухие» пятна; их число и размеры непрерывно растут по мере увеличения температуры поверхности. Такие участки как бы выключаются из теплообмена, так как отвод теплоты непосредственно к пару происходит существенно менее интенсивно. Это и определяет резкое снижение теплового потока (участок 3 на Рис. 3.2) и коэффициента теплоотдачи в области переходного режима кипения.

Наконец, при некотором температурном напоре вся поверхность нагрева покрывается сплошной пленкой пара, оттесняющей жидкость от поверхности. С этого момента имеет место пленочный режим кипения (рис. 3.1, в ). При этом перенос теплоты от поверхности нагрева к жидкости осуществляется путем конвективного теплообмена и излучения через паровую пленку. Интенсивность теплообмена в режиме пленочного кипения достаточно низкая (участок 4 на рис. 3.2). Паровая пленка испытывает пульсации; пар, периодически накапливающийся в ней, отрывается в виде больших пузырей. В момент наступления пленочного кипения тепловая нагрузка, отводимая от поверхности, и соответственно количество образующегося пара имеют минимальные значения. Это соответствует на рис. 3.2 точке q кр2 , называемой второй критической плотностью теплового потока. При атмосферном давлении для воды момент начала пленочного кипения характеризуется температурным напором ≈150 °С, т. е. температура поверхности t c составляет примерно 250°С. По мере увеличения температурного напора все большая часть теплоты передается за счет теплообмена излучением.

Все три режима кипения можно наблюдать в обратном порядке, если, например, раскаленное массивное металлическое изделие опустить в воду для закалки. Вода закипает, вначале охлаждение тела идет относительно медленно (пленочное кипение), затем скорость охлаждения быстро нарастает (переходный режим), вода начинает периодически смачивать поверхность, и наибольшая скорость снижения температуры поверхности достигается в конечной стадии охлаждения (пузырьковое кипение). В этом примере кипение протекает в нестационарных условиях во времени.

На рис. 3.3 показана визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке, находящейся в воде.

рис. 3.3 визуализация пузырькового и пленочного режимов кипения на электрически обогреваемой проволоке: а) - пузырьковый и б) - пленочный режим кипения.

На практике часто встречаются также условия, когда к поверхности подводится фиксированный тепловой поток, т. е. q = const. Это характерно, например, для тепловых электрических нагревателей, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов и, приближенно, в случае лучистого обогрева поверхности от источников с весьма высокой температурой. В условиях q = const температура поверхности t c и соответственно температурный напор Δt зависят от режима кипения жидкости. Оказывается, что при таких условиях подвода теплоты переходный режим стационарно существовать не может. Вследствие этого процесс кипения приобретает ряд важных особенностей. При постепенном повышении тепловой нагрузки q температурный напор Δt возрастает в соответствии с линией пузырькового режима кипения на рис. 3.2, и процесс развивается так же, как это было описано выше. Новые условия возникают тогда, когда подводимая плотность теплового потока достигает значения, которое соответствует первой критической плотности теплового потока q кр1 . Теперь при любом незначительном (даже случайном) повышении величины q возникает избыток между количеством подводимой к поверхности теплоты и той максимальной тепловой нагрузкой q кр1 , которая может быть отведена в кипящую жидкость. Этот избыток (q - q кр1) вызывает увеличение температуры поверхности, т. е. начинается нестационарный разогрев материала стенки. Развитие процесса приобретает кризисный характер. За доли секунды температура материала поверхности нагрева возрастает на сотни градусов, и лишь при условии, что стенка достаточно тугоплавкая, кризис заканчивается благополучно новым стационарным состоянием, отвечающим области пленочного кипения при весьма высокой температуре поверхности. На рис. 3.2 этот кризисный переход от пузырькового режима кипения к пленочному условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пузырькового кипения на линию пленочного кипения при той же тепловой нагрузке q кр1 . Однако обычно это сопровождается расплавлением и разрушением поверхности нагрева (ее пережогом).

Вторая особенность состоит в том, что если произошел кризис и установился пленочный режим кипения (поверхность не разрушилась), то при снижении тепловой нагрузки пленочное кипение будет сохраняться, т. е. обратный процесс теперь будет происходить по линии пленочного кипения (рис. 3.2). Лишь при достижении q кр2 жидкость начинает вновь в отдельных точках периодически достигать (смачивать) поверхность нагрева. Отвод теплоты растет и превышает подвод теплоты, вследствие чего возникает быстрое охлаждение поверхности, которое также носит кризисный характер. Происходит быстрая смена режимов, и устанавливается стационарное пузырьковое кипение. Этот обратный переход (второй кризис) на рис. 3.2 также условно показан стрелкой как «перескок» с кривой пленочного кипения на линию пузырькового кипения при q = q кр2 .

Итак, в условиях фиксированного значения плотности теплового потока q , подводимого к поверхности нагрева, оба перехода от пузырькового к пленочному и обратно носят кризисный характер. Они происходят при критических плотностях теплового потока q кр1 и q кр2 соответственно. В этих условиях переходный режим кипения стационарно существовать не может, он является неустойчивым.

На практике широко применяются методы отвода теплоты при кипении жидкости, движущейся внутри труб или каналов различной формы. Так, процессы генерации пара осуществляются за счет кипения воды, движущейся внутри котельных труб. Теплота к поверхности труб подводится от раскаленных продуктов сгорания топлива за счет излучения и конвективного теплообмена.

Для процесса кипения жидкости, движущейся внутри ограниченного объема трубы (канала), описанные выше условия остаются в силе, но вместе с этим появляется ряд новых особенностей.

Вертикальная труба . Труба или канал представляет собой ограниченную систему, в которой при движении кипящей жидкости происходят непрерывное увеличение паровой и уменьшение жидкой фаз. Соответственно этому изменяется и гидродинамическая структура потока, как по длине, так и по поперечному сечению трубы. Соответственно изменяется и теплоотдача.

Наблюдается три основные области с разной структурой потока жидкости по длине вертикальной трубы при движении потока снизу вверх (рис. 3.4): I – область подогрева (экономайзерный участок, до сечения трубы, где Т с =Т н ); II – область кипения (испарительный участок, от сечения, где Т с =Т н , i ж < i н, до сечения, где Т с =Т н , i см → i н); III – область подсыхания влажного пара.

Испарительный участок включает в себя области с поверхностным кипением насыщенной жидкости.

На рис. 3.4 схематично показан структура такого потока. Участок 1 соответствует подогреву однофазной жидкости до температуры насыщения (экономайзерный участок). На участке 2 происходит поверхностное пузырьковое кипение, при котором теплоотдача увеличивается по сравнению с участком 2. На участке 3 имеет место эмульсионный режим, при котором двухфазный поток состоит из жидкости и равномерно распределенных в ней сравнительно небольших пузырьков, которые в дальнейшем сливаются, образуя крупные пузыри-пробки, соизмеримые с диаметром трубы. При пробковом режиме (участок 4) пар движется в виде отдельных крупных пузырей-пробок, разделенных прослойками парожидкостной эмульсии. Далее на участке 5 в ядре потока сплошной массой движется влажный пар, а у стенки трубы – тонкий кольцевой слой жидкости. Толщина этого слоя жидкости постепенно уменьшается. Данный участок соответствует кольцевому режиму кипения, который заканчивается при исчезновении жидкости на стенке. На участке 6 происходит подсушивания пара (повышение степени сухости пара). Поскольку процесс кипения завершен, то теплоотдача снижается. В дальнейшем, вследствие увеличения удельного объема пара, скорость пара увеличивается, что ведет к некоторому увеличению теплоотдачи.

Рис.3.4 – Структура потока при кипении жидкости внутри вертикальной трубы

Увеличение скорости циркуляции при заданных q с , длине трубы и температуры на входе приводит к уменьшению участков с развитым кипением и увеличению длины экономайзерного участка; с увеличением q с при заданной скорости, наоборот, длина участков с развитым кипением увеличивается, а длина экономайзерного участка уменьшается.

Горизонтальные и наклонные трубы. При движении двухфазного потока внутри труб, расположенных горизонтально или с небольшим наклоном, кроме изменения структуры потока по длине, имеет место значительное изменение структуры по периметру трубы. Так, если скорость циркуляции и содержания пара в потоке невелики, наблюдается расслоение двухфазного потока на жидкую фазу, движущуюся в нижней части трубы, и паровую, движущуюся в верхней части ее (рис. 3.5,а ). При дальнейшем увеличении паросодержания и скорости циркуляции поверхность раздела между паровой и жидкой фазами приобретает волновой характер, и жидкость гребнями волн периодически смачивает верхнюю часть трубы. С дальнейшим увеличение содержания пара и скорости волновое движение на границе раздела фаз усиливается, что приводит к частичному выбрасыванию жидкости в паровую область. В результате двухфазный поток приобретает характер течения, сначала близкий к пробковому, а потом – к кольцевому.

Рис. 3.5 – Структура потока при кипении жидкости внутри горизонтальной трубы.

а – расслоенный режим кипения; б – стержневой режим; 1 – пар; 2 – жидкость.

При кольцевом режиме по всему периметру трубы устанавливается движение тонкого слоя жидкости, в ядре потока перемещается парожидкостная смесь (рис. 3.5,б ). Однако и в этом случае полной осевой симметрии в структуре потока не наблюдается.

если интенсивность подвода теплоты к стенкам трубы достаточно высока, то процесс кипения может происходить также при течении в трубе, недогретой до температуры насыщения жидкости, Такой процесс возникает, когда температура стенки t c превышает температуру насыщения t s . он охватывает пограничный слой жидкости непосредственно у стенки. Паровые пузырьки, попадающие в холодное ядро потока, быстро конденсируются. Этот вид кипения называют кипением с недогревом .

Отвод теплоты в режиме пузырькового кипения является одним из наиболее совершенных методов охлаждения поверхности нагрева. Он находит широкое применение в технических устройствах.

3.1.2. Теплообмен при пузырьковом кипении.

Наблюдения показывают, что при увеличении температурного напора Δt = t c -t s , а также давления р на поверхности нагрева увеличивается число активных центров парообразования. В итоге все большее количество пузырьков непрерывно возникает, растет и отрывается от поверхности нагрева. Вследствие этого увеличиваются турбулизация и перемешивание пристенного пограничного слоя жидкости. В процессе своего роста на поверхности нагрева пузырьки также интенсивно забирают теплоту из пограничного слоя. Все это способствует улучшению теплоотдачи. В целом процесс пузырькового кипения носит довольно хаотичный характер.

Исследования показывают, что на технических поверхностях нагрева число центров парообразования зависит от материала, строения и микрошероховатости поверхности, наличия неоднородности состава поверхности и адсорбированного поверхностью газа (воздуха). Заметное влияние оказывают различные налеты, окисные пленки, а также любые другие включения.

Наблюдения показывают, что в реальных условиях центрами парообразования обычно служат отдельные элементы неровности и микрошероховатости поверхности (предпочтительно различные углубления и впадины).

Обычно на новых поверхностях число центров парообразования выше, чем на тех же поверхностях после длительного кипения. В основном это объясняется наличием адсорбированного поверхностью газа. Со временем газ постепенно удаляется, он смешивается с паром, находящимся в растущих пузырьках, и выносится в паровое пространство. Процесс кипения и теплоотдача стабилизируются во времени и по интенсивность.

На условия образования паровых пузырьков большое влияние оказывает поверхностное натяжение на границе раздела жидкости и пара.

Вследствие поверхностного натяжения давление пара внутри пузырька р п выше давления окружающей его жидкости р ж. Их разность определяется уравнением Лапласа

где σ- поверхностное натяжение; R - радиус пузырька.

Уравнение Лапласа выражает условие механического равновесия. Оно показывает, что поверхностное натяжение наподобие упругой оболочки «сжимает» пар в пузырьке, причем тем сильнее, чем меньше его радиус R .

Зависимость давления пара в пузырьке от его размера накладывает особенности на условие теплового или термодинамического равновесия малых пузырьков. Пар в пузырьке и жидкость на его поверхности находятся в равновесии, если поверхность жидкости имеет температуру, равную температуре насыщения при давлении пара в пузырьке, t s (р п). Эта температура выше, чем температура насыщения при внешнем давлении в жидкости t s (р ж). Следовательно, для осуществления теплового равновесия жидкость вокруг пузырька должна быть перегрета на величину t s (р п)-t s (р ж).

Следующая особенность заключается в том, что это равновесие оказывается неустойчивым . Если температура жидкости несколько превысит равновесное значение, то произойдет испарение части жидкости внутрь пузырьков и его радиус увеличится. При этом согласно уравнению Лапласа давление пара в пузырьке понизится. Это приведет к новому отклонению от равновесного состояния. Пузырек начнет неограниченно расти. Так же при незначительном понижении температуры жидкости часть пара сконденсируется, размер пузырька уменьшится, давление пара в нем повысится. Это повлечет за собой дальнейшее отклонение от равновесных условий, теперь уже в другую сторону. В итоге пузырек полностью сконденсируется и исчезнет.

Следовательно, в перегретой жидкости не любые случайно возникшие маленькие пузырьки обладают способностью к дальнейшему росту, а только те, радиус которых превышает значение, отвечающее рассмотренным выше условиям неустойчивого механического и теплового равновесия. Это минимальное значение

где производная представляет собой физическую характеристику данного вещества, она определяется уравнением Клапейрона - Клаузиса

т. е. выражается через другие физические постоянные: теплоту фазового перехода r , плотности пара ρ п и жидкости ρ ж и абсолютную температуру насыщения T s .

Уравнение (3-2) показывает, что если в отдельных точках поверхности нагрева появляются паровые зародыши, то способностью к дальнейшему самопроизвольному росту обладают лишь те из них, радиус кривизны которых превышает значение R min . Поскольку с ростом Δt величина R min снижается, уравнение (3-2) объясняет

экспериментально наблюдаемый факт увеличения числа центров парообразования при повышении температуры поверхности.

Увеличение числа центров парообразования с ростом давления также связано с уменьшением R min , ибо при повышении давления величина p′ s растет, а σ снижается. Расчеты показывают, что для воды, кипящей при атмосферном давлении, при Δt = 5°С R min = 6,7 мкм, а при Δt = 25°С R min = 1,3 мкм.

Наблюдения, проведенные с применением скоростной киносъемки, показывают, что при фиксированном режиме кипения частота образования паровых пузырьков оказывается неодинаковой как в различных точках поверхности, так и во времени. Это придает процессу кипения сложный статистический характер. Соответственно скорости роста и отрывные размеры различных пузырьков также характеризуются случайными отклонениями около некоторых средних величин.

После достижения пузырьком определенного размера он отрывается от поверхности. Отрывной размер определяется в основном взаимодействием сил тяжести, поверхностного натяжения и инерции. Последняя величина представляет собой динамическую реакцию, возникающую в жидкости вследствие быстрого роста пузырьков в размерах. Обычно эта сила препятствует отрыву пузырьков. Кроме того, характер развития и отрыва пузырьков в большой мере зависит от того, смачивает жидкость поверхность или не смачивает. Смачивающая способность жидкости характеризуется краевым углом θ, который образуется между стенкой и свободной поверхностью жидкости. Чем больше θ, тем хуже смачивающая способность жидкости. Принято считать, что при θ <90° (рис. 3.6, а ), жидкость смачивает поверхность, а при θ >90° - не смачивает. Значение краевого угла зависит от природы жидкости, материала, состояния и чистоты поверхности. Если кипящая жидкость смачивает поверхность нагрева, то паровые пузырьки имеют тонкую ножку и от поверхности отрываются легко (рис. 3.7, а ). Если же жидкость не смачивает поверхность, то паровые пузырьки имеют широкую ножку (рис. 3.7, б ) и отрываются по перешейку, или парообразование происходит по всей поверхности.