химический каталог




КИПЕНИЕ

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

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 КИПЕНИЕ 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. физических явлений, используемое во многие процессах химический технологии. Особенность последних состоит в широком применении растворов и смесей различные веществ в качестве рабочих тел. Сложная термогидродинамика КИПЕНИЕ чистых жидкостей и растворов оказывает существ. влияние на конструкции и габаритные размеры технол. аппаратов. Работа, затрачиваемая на увеличение объема и поверхностной энергии сферич. пузыря радиуса R, определяется по формуле: L0=-(4/3) p R3 D p+4 p Л2 s , где D p - разность давлений в пузыре и окружающей жидкости, Па; а коэффициент поверхностного натяжения, Н/м. Миним. радиус возникающего парового пузыря (зародыша) Rмин=2Ткип s /[r r пж-Tкип)], где r п - плотность пара, кг/м3; r - теплота парообразования, Дж/кг (Тж и Ткип пояснены ниже). Местами, в которых возникают зародыши паровой фазы, могут служить газообразные включения, твердые частицы, находящиеся в жидкости, микровпадины на поверхностях нагрева и др. Работа, необходимая для образования парового "пятна" на стенке и границы раздела пар - жидкость: L=L0(0,5+0,75cos Q- 0,25cos3 Q ), где Q - краевой угол смачивания. При Q =180° работа L=0, т.е. на абс. смачиваемой поверхности образуется сферический пузырь, как и в объеме жидкости. С понижением давления уменьшается плотность пара, возрастает миним. радиус образования зародышей, поверхность нагрева обедняется центрами генерации паровых пузырей. Это приводит к нестабильному КИПЕНИЕ, при котором происходит конвективное движение перегретой жидкости, сменяемое бурным вскипанием, инициированным одной или несколько микровпадинами подходящего радиуса. С понижением температуры при вскипании жидкости эти микровпадины "выключаются", и снова повторяется цикл перегрева движущейся конвективно жидкости. Температура, при которой происходит КИПЕНИЕ жидкости, находящейся под постоянным давлением (например, атмосферным), называют температурой КИПЕНИЕ (Ткип). В качестве Tкип принимают температуру насыщ. пара (температуру насыщения) над плоской поверхностью жидкости, кипящей при данном давлении. Температура КИПЕНИЕ при атм. давлении приводится обычно как одна из основные физических-химический характеристик химически чистого вещества. С возрастанием давления Ткип увеличивается (см. Клапейрона - Клаузиуса уравнение). Предельная Ткип - критической температура вещества (см. Критические явления). Понижение Ткип с уменьшением внешний 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 Тжкип, где Тж - температура перегретой жидкости. Такое КИПЕНИЕ реализуется в так называемой аппаратах объемного вскипания, эффективных для обезвреживания и утилизации агрессивных жидкостей, в частности дистиллерных в содовом производстве. Поверхностное КИПЕНИЕ-парообразование на поверхности нагрева, имеющей температуру Тнкип. Такое КИПЕНИЕ возможно и в случае, когда температура основные массы жидкости Тжкип, но в окрестности поверхности нагрева образовался пограничный слой, перегретый до температуры, превышающей Ткип. Осн. виды поверхностного КИПЕНИЕ - пузырьковое и пленочное. Пузырьковое КИПЕНИЕ возникает при умеренных тепловых потоках на микровпадинах поверхности, смачиваемой жидкостью. Пар генерируется на действующих центрах парообразования в виде цепочек пузырей. Благодаря циркуляции жидкости, непосредственно контактирующей с поверхностью нагрева, обеспечивается высокая интенсивность теплоотдачи - в данном случае коэффициент теплоотдачи a [Вт/(м2 * К)] пропорционален плотности теплового потока q(Вт/м2) в степени ~0,7. Пленочное КИПЕНИЕ возникает на несмачиваемых поверхностях нагрева (например, КИПЕНИЕ ртути в стеклянной трубке); на смачиваемых поверхностях пузырьковое КИПЕНИЕ переходит в пленочное (первый кризис КИПЕНИЕ) при достижении первой критической плотности теплового потока qкр,1. Интенсивность теплоотдачи при пленочном КИПЕНИЕ значительно меньше, чем при пузырьковом, что обусловлено малыми значениями коэффициент 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 КИПЕНИЕ и восстановление пузырькового (второй кризис КИПЕНИЕ) на смачиваемых поверхностях происходит при второй критической плотности теплового потока qкр,2 [ qкр.1 (рис. 1). Кризисы КИПЕНИЕ определяются преимущественно гидродинамич. механизмом потери устойчивости структуры пристенного двухфазного пограничного слоя. Критерий гидродинамич. устойчивости КИПЕНИЕ имеет вид: , где Dr разность плотностей жидкости и пара. В первом приближении при КИПЕНИЕ в большом объеме насыщ. однородной маловязкой жидкости k=const (для воды, спирта и ряда др. сред k~0,14—0,16). В жидкости, основные масса которой недогрета до температуры КИПЕНИЕ на величину v=Ткипж, параметр qкp~qкр,10(l+0,1 ar п-0,75 К-1),

Рис. 1. Зависимость плотности теплового потока от разности температур

D Т=Ти—Ткип при кипении в большом объеме свободно конвектирующей жидкости: 1 - пузырьковый режим; 2 - переходный режим, характеризуемый сменой пузырьковой структуры на поверхности нагрева сплошным паровым слоем (пленкой), от которого отрываются крупные паровые пузыри; 3 - пленочный режим, при котором происходит также радиационная теплоотдача от поверхности нагрева к жидкости через паровой слой; прямая линия характеризует третий кризис кипения. где qкр,10 - плотность теплового потока при v=0, r п - отношение плотностей пара и жидкости, К=r/Cpv - тепловой критерий фазового перехода, Ср - массовая теплоемкость жидкости, ДжДкг * К). При низких давлениях возможен третий кризис КИПЕНИЕ в форме непосредственного перехода от режима конвективного движения жидкости к развитому пленочному КИПЕНИЕ Этот переход имеет цепной кавитационный механизм и реализуется при разностях температур на поверхности нагрева и КИПЕНИЕ, удовлетворяющих условию: где l ж и r ж - соответственно теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g - ускорение свободный падения. Четвертый кризис КИПЕНИЕ связан с возникновением термодинамическое неустойчивости жидкой фазы при достижении некоторой критической поверхности нагрева. Критич. плотности тепловых потоков при КИПЕНИЕ в каналах существенно зависят от их форм и размеров, скорости течения жидкости и паросодержания потока. Универсальные закономерности здесь пока не установлены. При свободный растекании жидкости по горячей поверхности возникает так называемой сфероидальное состояние - жидкость зависает над поверхностью нагрева под влиянием динамич. сопротивления образующегося пара (рис. 2). Время полного испарения данного начального объема жидкости определяется температурой нагревателя.

Рис. 2. Формы испарения жидкости, свободно растекающейся по горячей поверхности: а в капле, смачивающей не сильно нагретую поверхность, происходит пузырьковое кипение; б температура стенки повысилась, и капля принимает сферич форму; в при увеличении температуры поверхности 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 КИПЕНИЕ Например, пленочное КИПЕНИЕ реализуется при жидкостной закалке металлич. изделий. Проектирование теплообменных аппаратов с принудит, заданием теплового потока (с выделением джоулевой теплоты, теплоты реакции спонтанного распада ядерного топлива, в парогенераторах и т.п.) проводится в расчете на пузырьковый режим КИПЕНИЕ теплоносителя. Возникновение пленочного КИПЕНИЕ, например при сбросе давления, может вызвать аварийную ситуацию. Термогидродинамика КИПЕНИЕ растворов и чистых жидкостей существенно различна. Так, для некоторых растворов и эмульсий критической плотность теплового потока зависит от концентрации компонентов немонотонно, т.е. возможно существование экстремумов, причем максимум qкp, может быть значительно больше, чем критической значение теплового потока для каждого компонента в отдельности (рис. 3). При растворении в жидкости нелетучего вещества снижается давление ее насыщ. пара и повышается Ткип. Это позволяет определять молекулярная масса

Рис. 3. Зависимость qкр,1, от массовой концентрации спирта в воде при свободный конвекции в большом объеме и разных поверхностях нагрева: /, 3. 5 вертикальная пластина соответственно при давлениях 98,1100 и 3100 кПа; 2, 4, б проволока диаметром 0,5 мм при таких же давлениях.

растворенных веществ по вызываемому ими повышению Ткнп чистого растворителя (см. Эиулиоскопия). Выпадение твердой фазы из раствора на поверхность нагрева приводит к снижению общего коэффициент теплопередачи. В таких процессах температурный режим теплообменных аппаратов необходимо рассчитывать в соответствии с диаграммой состояния данного раствора. Режим КИПЕНИЕ 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 D p вызывает изменение плотности Dr только за счет фазовых переходов, то скорость волны равна термодинамически равновесной скорости звука ае=, где R0 удельная 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; j 0 - объемное паросодержание смеси. Для реальных частот возмущений и состояний парожидкостной среды пузырьковой структуры скорость звука близка к значению aе, которое отличается от а0 примерно на два порядка. Так, для j 0~0,1 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 СС. Основы теории теплообмена, 5 изд., М., 1979; Кутателадзе СС НакоряковВЕ.. Тепломассообмен и волны в газожидкосгных системах, Новосиб.. 1984. C C Кутателадзе

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
курсы компьютерного дизайна интерьера в москве
отопительные котлы на дизтопливе
Газовые котлы Kiturami KSOG 70R HI FIN
билеты на новогодняя вечеринка для подростков

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(06.12.2016)