Кипение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Кипе́ние — процесс интенсивного парообразования, который происходит как со свободной поверхности жидкости, так и внутри неё. При этом в объёме жидкости возникают границы разделения фаз, то есть на стенках сосуда образуются пузырьки, которые содержат воздух и насыщенный пар. Кипение, как и испарение, является одним из способов парообразования. В отличии от испарения, кипение может происходить лишь при определённой температуре и давлении. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения. Как правило, температура кипения при нормальном атмосферном давлении приводится как одна из основных характеристик химически чистых веществ. Процессы кипения широко применяются в различных областях человеческой деятельности. Например, кипячение является одним из распространённых способов физической дезинфекции питьевой воды. Кипячение воды представляет собой процесс нагревания её до температуры кипения с целью получения кипятка.

Кипение является фазовым переходом первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение с поверхности, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей[1].

На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации и других факторов возникновения центров парообразования. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера.

Термодинамические особенности[править | править вики-текст]

По мере нагрева жидкости на греющей поверхности образуются пузырьки пара, внутрь которых испаряется жидкость. При определенной температуре давление насыщенного пара внутри пузырька становится равным наружному давлению. В этот момент пузырек отрывается от стенки, и жидкость начинает кипеть. Таким образом, если испарение происходит при любой температуре, то кипение — при одной, определенной для текущего давления. Когда процесс кипения начался, то несмотря на продолжающийся подвод тепла температура жидкости изменяется незначительно, пока вся жидкость не превратится в пар. Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением, называется температурой кипения или температурой насыщения ~T_S. Изменение температуры жидкости в процессе кипения называется температурным глайдом. Для химически чистых жидкостей или азеотропных смесей температурный глайд является нулевым. С увеличением давления, согласно уравнению Клапейрона — Клаузиуса, температура насыщения возрастает:

\frac{\mathrm{d}P}{\mathrm{d}T_S} = \frac{r}{T_S\,\Delta v}>0 .
где ~r - удельная теплота парообразования; ~\Delta v - изменение удельного объёма тела при фазовом переходе.

Линия насыщения[править | править вики-текст]

На фазовой диаграмме воды кривая, характеризующая фазовой переход из жидкого состояния в газообразное, называется «линией насыщения». Она ограничена двумя предельными точками: тройной точкой, в которой сходятся линии плавления, кипения и сублимации, и критической точкой, в которой исчезает граница раздела между жидкой и газообразной фазами.

Особенности кипения[править | править вики-текст]

Распределение температуры кипящей жидкости

В кипящей жидкости устанавливается определённое распределение температуры: у поверхностей нагрева (стенок сосуда, труб и т. п.) жидкость заметно перегрета ~T > T_S. Величина перегрева зависит от ряда физико-химических свойств как самой жидкости, так и граничных твёрдых поверхностей. Тщательно очищенные жидкости, лишённые растворённых газов (воздуха), можно при соблюдении особых мер предосторожности перегреть на десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость в конце концов вскипает, то процесс кипения протекает весьма бурно, напоминая взрыв. Вскипание сопровождается расплёскиванием жидкости, гидравлическими ударами, иногда даже разрушением сосудов. Теплота перегрева расходуется на парообразование, поэтому жидкость быстро охлаждается до температуры насыщенного пара, с которым она находится в равновесии. Возможность значительного перегрева чистой жидкости без кипения объясняется затрудненностью возникновения начальных маленьких пузырьков (зародышей), их образованию мешает значительное взаимное притяжение молекул жидкости. Иначе обстоит дело, когда жидкость содержит растворенные газы и различные мельчайшие взвешенные частицы. В этом случае уже незначительный перегрев (на десятые доли градуса) вызывает устойчивое и спокойное кипение, так как начальными зародышами паровой фазы служат газовые пузырьки и твердые частицы. Основные центры парообразования находятся в точках нагреваемой поверхности, где имеются мельчайшие поры с адсорбированным газом, а также различные неоднородности, включения и налеты, снижающие молекулярное сцепление жидкости с поверхностью.

Образовавшийся пузырёк растет только в том случае, если давление пара в нём несколько превышает сумму внешнего давления, давления вышележащего слоя жидкости и капиллярного давления, обусловленного кривизной поверхности пузырька. Для создания в пузырьке необходимого давления пар и окружающая его жидкость, находящаяся с паром в тепловом равновесии, должны иметь температуру, превышающую температуру насыщения ~T_S.

Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода).

Теплота парообразования[править | править вики-текст]

P — V диаграмма

На P-V диаграмме для выбранной температуры жидкости (например Т1) точка состояния начала кипения ~a характеризуется парой термодинамических переменных, то есть определенным термодинамическим состоянием. При кипении температура и давление остаются постоянными, при этом по мере увеличения паросодержания средняя плотность среды падает, а удельный объём, соответственно, увеличивается. После испарения всей жидкости достигается новое термодинамическое состояние ~c. Если рассмотреть более высокое значение температуры, то начало кипения будет характеризоваться термодинамическим состоянием ~a' с большим удельным объемом, а состояние ~c' полного превращения жидкости в пар — меньшим удельным объемом. По мере увеличения температуры разница между величинами удельных объемов жидкости и пара на линии насыщения уменьшается, а при достижении температуры критической точки — исчезает. Изменение термодинамического состояния среды в процессе кипения характеризуется удельной теплотой парообразования ~r, которая равна количеству теплоты, необходимому для полного испарения единицы массы жидкости (Во многих источниках r ошибочно именуют скрытой теплотой парообразования, на самом же деле скрытая теплота парообразования представляет собой лишь часть удельной теплоты парообразования, которая характеризует изменение внутренней энергии жидкости и направлена на увеличение расстояния между микрочастицами жидкости. При этом температура жидкости растет, но видимых изменений не происходит. Определить скрытую теплоту парообразования можно путем вычитания площадей под процессом кипения в TS и PV диаграммах)

~r=i_c-i_a или ~r=T_S(s_c-s_a),

где ~i — энтальпия, ~s — энтропия, индекс ~a — относится к состоянию начала кипения, а ~c — к состянию насыщенного пара.

Режимы кипения[править | править вики-текст]

Начало кипения жидкости связано с прогревом пристенных слоев жидкости до температуры, превышающей температуру насыщения на определенную величину dT. Величина перегрева dT зависит от многих факторов (давления, скорости течения жидкости, краевого угла смачивания, концентрации растворенных в жидкости веществ и.т.д.) и в общем виде не определяется. В зависимости от плотности теплового потока, а также других факторов, на поверхности обогрева образуются или отдельные паровые пузыри, или сплошная пленка пара, и кипение называется либо пузырьковым либо пленочным. Кроме того, кипение различают по типу:

  • кипение при свободной конвекции в большом объеме;
  • кипение при вынужденной конвекции;

а также по отношению средней температуры жидкости к температуре насыщения:

  • кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения (поверхностное кипение);
  • кипение жидкости, догретой до температуры насыщения

Пузырьковый[править | править вики-текст]

Кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей, называется пузырьковым кипением. При медленном пузырьковом кипении в жидкости (а точнее, как правило на стенках или на дне сосуда) появляются пузырьки, наполненные паром. За счёт интенсивного испарения жидкости внутрь пузырьков, они растут, всплывают, и пар высвобождается в паровую фазу над жидкостью. При этом в пристеночном слое жидкость находится в слегка перегретом состоянии, т. е. её температура превышает номинальную температуру кипения. В обычных условиях эта разница невелика (порядка одного градуса).

Возможность перегрева жидкости объясняется тем, что для создания первичного пузырька минимального размера, который уже дальше может расти сам по себе, требуется затратить некоторую энергию (определяемую поверхностным натяжением жидкости). Пока это не достигнуто, мельчайшие пузырьки будут возникать и снова схлопываться под действием сил поверхностного натяжения, и кипения не будет.

Пузырьковое кипение может быть развитым (при большом количестве центров парообразования) и неразвитым (при малом количестве центров парообразования)

При пузырьковом кипении существенную роль играет массоперенос пузырьков пара из пристенного слоя в ядро потока. Благодаря этому возрастает эффективность теплоотдачи к кипящей жидкости — характерные для этого режима коэффициенты теплоотдачи высоки.

Плёночный[править | править вики-текст]

При увеличении теплового потока до некоторой критической величины отдельные пузырьки сливаются, образуя у стенки сосуда сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в объём жидкости. Такой режим называется плёночным.

В этом режиме теплопередача от обогревающей поверхности к жидкости резко падает (паровая плёнка проводит тепло хуже, чем конвекция в жидкости), и в результате температура греющей поверхности может существенно возрасти (линия С-Е на кривой кипения). В то же время, при постоянной температуре обогревающей поверхности в режиме пленочного кипения, из-за ухудшенной теплопередачи имеет место низкое значение теплового потока от стенки к жидкости. Режим плёночного кипения можно наблюдать на примере капли воды на раскалённой плите.

При пленочном кипении, из-за существенного термического сопротивления паровой пленки, теплоотдача от греющей поверхности к кипящей воде мала, и характеризуется малыми значениями коэффициента теплоотдачи.

Кипение в большом объеме[править | править вики-текст]

Кривая кипения воды в трубах

Тепловой поток, передаваемый от поверхности к кипящей воде можно однозначно связать с перепадом температур между стенкой и жидкостью:

~ q_S = f (T_C - \overline {T_F} ), где ~q_S — тепловой поток, ~T_C — температура стенки,  \overline {T_F} средняя температура жидкости.

Эта зависимость характеризует теплоотдачу от обогревающей поверхности к жидкости и называется кривой кипения.

Можно выделить пять характерных областей:

  1. До точки A. Область конвекции;
  2. Между точками A и B. Область неразвитого пузырькового кипения. Характеризуется повышением интенсивности теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока;
  3. Между точками B и C. Область развитого пузырькового кипения. Характеризуется высокой интенсивностью теплообмена за счет переноса образующихся пузырьков в ядро потока. Интенсивность нарастает по мере увеличения плотности пузырьков;
  4. Между точками C и D. Область неустойчивого пленочного кипения. Характеризуется «сливанием» отдельных пузырьков в пристенной области. Из-за уменьшения центров парообразования, а также нарастания паровой пленки у обогревающей поверхности, теплоотдача падает;
  5. От точки D. Область устойчивого пленочного кипения. Характеризуется покрытием обогревающей поверхности сплошной пленкой пара и, как следствие, низкой теплоотдачей.

Данную кривую можно получить, увеличивая и поддерживая температуру греющей стенки ~T_C. В этом случае, по мере увеличения ~T_C последовательно сменяются пять областей кипения.

В случае увеличения и поддержания теплового потока, порядок смены режимов кипения будет иным. Сначала последовательно сменят друг друга режимы конвекции не кипящей жидкости (до т. A), поверхностного кипения (между точками A и B) и развитого пузырькового кипения (между точками B и C). При дальнейшем увеличении теплового потока обогревающая поверхность быстро покрывается паровой пленкой (от точки C до точки E), что сопровождается увеличением температур и через короткое время, после достижения стационарного состояния, кипение характеризуется высокой температурой стенки (от точки H). Данное явление называется кризисом теплоотдачи, а тепловой поток ~q_{S1}, при котором начинается резкий рост температур (C-E) — первым критическим тепловым потоком, или, чаще, просто — критическим тепловым потоком.

Если после достижения точки H тепловой поток начинает уменьшатся, то пленочный режим кипения сохраняется до достижения точки D. В случае дальнейшего уменьшения теплового потока пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (от точки D до точки F), и температура греющей поверхности быстро снижается. Тепловой поток ~q_{S2}, при котором пленочный режим кипения сменяется на пузырьковый (D-F), называется вторым критическим тепловым потоком.

Во многих теплообменных устройствах современной энергетики и ракетной техники тепловой поток, который должен отводиться от поверхности нагрева, является фиксированным и часто практически не зависит от температурного режима теплоотдающей поверхности. Так, теплоподвод к внешней поверхности экранных труб, расположенных в топке котельного агрегата, определяется в основном за счет излучения из топочного пространства. Падающий лучистый поток практически не зависит от температуры поверхности труб, пока она существенно ниже температуры раскаленных продуктов сгорания в топке. Аналогичное положение имеет место в каналах ракетных двигателей, внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) активной зоны атомного реактора, где происходит непрерывное выделение тепла вследствие ядерной реакции. Кипение-это интенсивный переход жидкости в пар,происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

Если по каким-либо причинам тепловой поток превысили критическое значение ~q_{S1}, пузырьковый режим кипения быстро сменяется на пленочный, а температура обогревающей поверхности возрастает до существенно высоких значений, что может привести к пережогу обогревающей поверхности. При этом, для восстановления пузырькового режима кипения и исходных значений температур, необходимо снижение теплового потока до значения ~q_{S2}.

Кипение при вынужденой конвекции[править | править вики-текст]

Изменение среднемассовой температуры потока ~ \overline {T_F} и стенки ~ T_C по длине парогенерирующего канала:
a) — длинный канал при малых  \overline {\rho w} и ~ q_S;
b) — при больших  \overline {\rho w} и ~ q_S

При вынужденной конвекции кипение имеет ряд особенностей, наиболее существенные из них — влияние характеристик потока на зависимость ~ q_S = f (T_C - \overline {T_F} ). Наиболее сильное влияние оказывают такие характеристики, как массовая скорость потока жидкости  \overline {\rho w} и паросодержание ~ x. При установившемся кипении движущейся в трубе жидкости, параметры среды (в первую очередь — паросодержание) изменяются вдоль потока, а вместе с ним сменяются режимы течения и теплоотдача.

В большинстве случае кипение в трубе можно упрощенно представить в виде трех зон (на примере кипения в длиной трубе при малых  \overline {\rho w} и ~ q_S):

  1. экономайзерный участок, в котором жидкость нагревается без кипения (A-B)
  2. область кипения (испарительный участок), в которой происходит пузырьковое кипение (B-C-D-E)
  3. область подсыхания влажного пара, в котором формируется дисперсионный режим течения и происходит осушение остающейся влаги в ядре потока (E-F-G)

На данном примере можно более подробно рассмотреть изменение характера кипения и связанные с этим температуры обогревающей стенки трубы и средней температуры жидкости. На вход в парогенерирующую трубу подается недогретая до кипения жидкость (точка A). В случае постоянной величины теплового потока от стенки ~ q_S, средняя температура жидкости ~ \overline {T_F}и температура стенки ~ T_C , растут линейно. В момент, когда температура стенки начинает превышать температуру насыщения ~ T_S , на обогревающей поверхности может начаться формирование пузырьков. Таким образом, начинается кипение в пристеной области, несмотря на то, что средняя температура жидкости остается меньше температуры насыщения (B-C). Это явление носит название кипения недогретой жидкости. Значение энтальпийного паросодержания, при котором начинается кипение недогретой жидкости имеет отрицательное значение ~x=x_{HK}. После достижения жидкостью температуры насыщения ~x=0 начинается пузырьковое кипение по всему объему жидкости. Эта область характеризуется интенсивным перемешиванием жидкости и, как следствие, высокими коэффициентами теплоотдачи и низкими перепадами температур.

По мере продвижения двухфазной смеси в область высоких паросодержаний сменяются режимы течения двухфазного потока, и при некотором паросодержании ~x=x_{KP} наступает кризис теплоотдачи: контакт жидкости с поверхностью прекращается и температура стенки возрастает ( E). Часто кризис теплоотдачи при кипении представляет переход от дисперсно-кольцевого режима кипения ( D-E) к дисперсному ( E-F-G). Количество влаги в каплях с ростом паросодержания уменьшается, что приводит к возрастанию скорости и небольшому увеличению теплоотдачи (температура поверхности стенки при этом немного снижается, ( F-G)).

При иной массовой скорости жидкости  \overline {\rho w} или величине теплового потока ~ q_S, характер кипения в трубе может измениться. Так, в случае больших  \overline {\rho w} и ~ q_S, режим кризиса теплообмена может сформироваться еще на этапе кипения недогретой жидкости. В этом случае формируется пленочный режим кипения, а ядро потока представляет собой стержень недогретой до температуры насыщения жидкости, отделенной от стенки трубы пленкой пара.

Температуры кипения для простых элементов[править | править вики-текст]

В приведенной таблице элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указаны:

  • атомный номер элемента;
  • обозначение элемента;
  • температура насыщения при нормальных условиях ^OC;
  • молярная скрытая теплота парообразования (кДж/моль);
  • молярная масса.
Группа  →
I A

II A

III B

IV B

V B

VI B

VII B

VIII B

VIII B

VIII B

I B

II B

III A

IV A

V A

VI A

VII A

VIII A
Период
1 1
H
-253
0,449
1,008

2
He
-268
0,0845
4,003
2 3
Li
181
145,9
6,941
4
Be
2477
292,4
9,012

5
B
3927
489,7
10,81
6
C
~4850
355,8
12,01
7
N
-196
2,793
14,01
8
O
-183
3,410
16,00
9
F
-188
3,270
19,00
10
Ne
-246
1,733
20,18
3 11
Na
883
96,96
22,99
12
Mg
1090
127,4
24,33

13
Al
2467
293,4
26,98
14
Si
2355
384,2
28,09
15
P
277
12,13
30,97
16
S
445
9,6
32,07
17
Cl
-34
10,2
35,45
18
Ar
-186
6,447
39,95
4 19
K
759
79,87
39,10
20
Ca
1484
153,6
40,08
21
Sc
2830
314,2
44,96
22
Ti
3287
421
47,87
23
V
3409
452
50,94
24
Cr
2672
344,3
52,00
25
Mn
1962
226
54,94
26
Fe
2750
349,6
55,85
27
Co
2927
376,5
58,93
28
Ni
2913
370,4
58,69
29
Cu
2567
300,3
63,55
30
Zn
907
115,3
65,41
31
Ga
2204
258,7
69,71
32
Ge
2820
330,9
72,64
33
As
616
34,76
74,92
34
Se
221
26,3
78,96
35
Br
59
15,44
79,9
36
Kr
-153
9,029
83,80
5 37
Rb
688
72,22
85,47
38
Sr
1382
144
87,62
39
Y
2226
363
88,91
40
Zr
4409
591,6
91,22
41
Nb
4744
696,6
92,91
42
Mo
4639
598
95,94
43
Tc
4877
660
98,91
44
Ru
4150
595
101,1
45
Rh
3695
493
102,9
46
Pd
2963
357
106,4
47
Ag
2162
250,6
107,9
48
Cd
767
100
112,4
49
In
2072
231,5
114,8
50
Sn
2602
295,8
118,7
51
Sb
1587
77,14
121,8
52
Te
450
52,55
127,6
53
I
184
20,75
126,9
54
Xe
-108
12,64
131,3
6 55
Cs
705
67,74
132,9
56
Ba
1640
142
137,3
*
72
Hf
4603
575
178,5
73
Ta
5458
743
180,9
74
W
5555
824
183,8
75
Re
5596
715
186,2
76
Os
5012
627,6
190,2
77
Ir
4428
604
192,2
78
Pt
3827
510
195,1
79
Au
2856
334,4
197,0
80
Hg
357
59,23
200,6
81
Tl
1473
164,1
204,4
82
Pb
1749
177,7
207,2
83
Bi
1564
104,8
209,0
84
Po
962
120
209,0
85
At
337
30
210,0
86
Rn
-62
16,4
222,0
7 87
Fr
667
64
223
88
Ra
1737
137
226,0
**
104
Rf
n/a
n/a
261
105
Db
n/a
n/a
262
106
Sg
n/a
n/a
263
107
Bh
n/a
n/a
262
108
Hs
n/a
n/a
265
109
Mt
n/a
n/a
268
110
Ds
n/a
n/a
281
111
Rg
n/a
n/a
280
112
Cn
n/a
n/a
n/a
113
Uut
n/a
n/a
n/a
114
Fl
n/a
n/a
n/a
115
Uup
n/a
n/a
n/a
116
Lv
n/a
n/a
n/a
117
Uus
n/a
n/a
n/a
118
Uuo
n/a
n/a
n/a

* Лантаноиды 57
La
3457
414
138,9
58
Ce
3426
414
140,1
59
Pr
3520
297
140,9'
60
Nd
3100
273
144,2
61
Pm
~3500
n/a
146,9
62
Sm
1803
166
150,4
63
Eu
1527
144
152,0
64
Gd
3250
359
157,3
65
Tb
3230
331
158,9
66
Dy
2567
230
162,5
67
Ho
2695
241
164,9
68
Er
2510
193
167,3
69
Tm
1947
191
168,9
70
Yb
1194
127
173,0
71
Lu
3395
356
175,0
** Актиноиды 89
Ac
3200
293
227,0
90
Th
4788
514,4
232,0
91
Pa
4027
470
231,0
92
U
4134
423
238,0
93
Np
3902
n/a
237,0
94
Pu
3327
325
244,1
95
Am
2607
239
243,1
96
Cm
3110
n/a
247,1
97
Bk
n/a
n/a
247
98
Cf
n/a
n/a
251
99
Es
n/a
n/a
253
100
Fm
n/a
n/a
255
101
Md
n/a
n/a
256
102
No
n/a
n/a
255
103
Lr
n/a
n/a
260
0—10 кДж/моль 10—100 кДж/моль 100—300 кДж/моль >300 кДж/моль
 

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Кипение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  • Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1969.
  • Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М., 1963.
  • Радченко И. В. Молекулярная физика. — М., 1965.
  • Михеев М. А. Глава 5 // Основы теплопередачи. — 3-е изд. — М.—Л., 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических реакторах. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юрьев Ю. С., Бобков В. П. Справочник по теплогидравлическим расчетам. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
  • Кипение (рус.). Большая советская энциклопедия. slovari.yandex.ru. Проверено 10 февраля 2011. Архивировано из первоисточника 18 мая 2012.

Ссылки[править | править вики-текст]