Кипіння. перехід рідини в пар, який утворює в її обсязі структурні елементи (парові бульбашки, плівки, струменя); фазовий перехід першого роду. На кордоні розділу пар рідина фазовий перехід при К. здійснюється шляхом випаровування. Бульбашки ростуть внаслідок випаровування в них рідини, спливають, і що міститься в них насичений. пар переходить в парову фазу над рідиною. К. - одне з фундам. фіз. явищ, що використовується у мн. процесах хім. технології. Особливість останніх полягає в широкому застосуванні розчинів і сумішей разл. в-в в якості робочих тел. Складна термогідродинаміки К. чистих рідин і розчинів надає істот. вплив на конструкції і габаритні розміри технол. апаратів. Робота, що витрачається на збільшення обсягу та поверхневої енергії сферич. міхура радіуса R, визначається за ф-ле: L0 = - (4/3) p R 3 D
p + 4 p Л 2 s. де D p - різниця тисків в міхурі і навколишнього рідини, Па; а коеф. поверхневого натягу, Н / м. Мінім. радіус виникає парового міхура (зародка) Rмін = 2Ткіп s / [r r п (Тж -Tкіп)], де r п - щільність пара, кг / м 3; r - теплота пароутворення, Дж / кг (Тж і Ткип пояснені нижче). Місцями, в яких брало виникають зародки парової фази, можуть служити газоподібні включення, тверді частинки, що знаходяться в рідині, мікровпадіни на пов-стях нагріву та ін. Робота, необхідна для освіти парового "плями" на стінці і кордони розділу пар - рідина: L = L0 (0,5 + 0,75cos Q- 0,25cos 3 Q), де Q - крайовий кут змочування. При Q = 180 ° робота L = 0, тобто на абс. смачиваемой пов-сті утворюється сферичний міхур, як і в об'ємі рідини. Зі зниженням тиску зменшується щільність пара, зростає мінім. радіус освіти зародків, пов-сть нагріву збіднюється центрами генерації парових бульбашок. Це призводить до нестабільного К. при к-ром відбувається конвективний рух перегрітої рідини, сменяемое бурхливим скипанням, ініційованим однієї або дек. мікровпадінамі відповідного радіуса. Зі зниженням т-ри при вскипании рідини ці мікровпадіни "вимикаються", і знову повторюється цикл перегріву рухається конвективно рідини. Т-ра, при якій відбувається К. рідини, що знаходиться під постійним тиском (напр. Атмосферних), наз. т-рій К. (Ткип). Як tКИП приймають т-ру насичений. пара (т-ру насичення) над плоскою пов-стю рідини, що кипить при даному тиску. Т-ра К. при атм. тиску приводиться зазвичай як одна з осн. фіз.-хім. характеристик хімічно чистого в-ва. Із зростанням тиску Ткип збільшується (див. Клапейрона - Клаузіуса рівняння). Гранична Ткип - критич. т-ра в-ва (див. Критичні явища). Зниження Ткип зі зменшенням зовн. тиску лежить в основі визначення барометріч. тиску. Розрізняють об'ємне і поверхневе К. Об'ємне К.-освіту парових бульбашок усередині маси рідини, що знаходиться в перегрітому, або метастабільних, стані при Тж> Ткип. де Тж - т-ра перегрітої рідини. Таке К. реалізується в т. Зв. апаратах об'ємного закипання, ефективних для знешкодження та утилізації агресивних рідин, зокрема дістіллерной в содовому виробництві. Поверхневе К.-пароутворення на пов-сті нагрівання, що має т-ру Тн> Ткип. Таке К. можливо і в разі, коли т-ра осн. маси рідини Тж <Ткип , но в окрестности пов-сти нагрева образовался пограничный слой, перегретый до т-ры, превышающей Ткип. Осн. виды поверхностного К. - пузырьковое и пленочное. Пузырьковое К. 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. Плівкове К. виникає на несмачіваемих пов-стях нагріву (напр. К. ртуті в скляній трубці); на змочуваних пов-стях бульбашкової К. переходить в плівкове (перша криза К.) при досягненні першої критич. щільності теплового потоку q кр, 1. Інтенсивність тепловіддачі при плівковому К. значно менше, ніж при бульбашкової, що обумовлено малими значеннями коеф. теплопровідності l [Вт / (м. К)] і щільності пара в порівнянні з їх значеннями для рідини. При ламінарному русі пара в плівці a
q - O, 25. при турбулентному русі інтенсивність тепловіддачі мало залежить від щільності теплового потоку і розмірів нагрівача. Підвищення тиску призводить до зростання а в обох випадках. Руйнування плівкового К. і відновлення бульбашкового (друга криза К.) на змочуваних пов-стях відбувається при другій критич. щільності теплового потоку q кр, 2 [qкр.1 (рис. 1). Кризи К. визначаються переважно. гидродинамич. механізмом втрати стійкості структури пристенного двухфазного прикордонного шару. Критерій гидродинамич. стійкості К. має вигляд:. де Dr різниця щільності рідини і пара. У першому наближенні при К. у великому обсязі насичений. однорідної маловязкой рідини k = const (для води, спирту і ряду ін. середовищ k
0,14-0,16). У рідини, осн. маса к-рій недогріти до т-ри К. на величину v = Ткип -Тж. параметр qкp
qкр, 10 (l + 0,1 ar п -0,75 К -1),
Мал. 1. Залежність щільності теплового потоку від різниці т-р
D Т = Ті -Ткіп при кипінні у великому обсязі вільно конвектирующей рідини: 1 - бульбашковий режим; 2 - перехідний режим, що характеризується зміною бульбашкового структури на пов-сті нагрівання суцільним паровим шаром (плівкою), від к-якого відриваються великі парові бульбашки; 3 - плівковий режим, при к-ром відбувається також радіаційна тепловіддача від пов-сті нагрівання до рідини через паровий шар; пряма лінія характеризує третій криза кипіння. де qкр, 10 - щільність теплового потоку при v = 0, r п - відношення щільності пара і рідини, К = r / Cp v - теплової критерій фазового переходу, Ср - масова теплоємність рідини, ДжДкг. К). При низькому тиску можливий третій криза К. в формі безпосереднього переходу від режиму конвективного руху рідини до розвиненого плівковому К. Цей перехід має ланцюгової кавітаційний механізм і реалізується при різницях т-р на пов-сті нагрівання і К. б відповідала умовам: де l ж і r ж - соотв. теплопровідність і щільність перегрітої рідини, g - прискорення своб. падіння. Четвертий криза К. пов'язаний з виникненням термодинамич. нестійкості рідкої фази при досягненні деякої критич. пов-сті нагрівання. Критич. щільності теплових потоків при К. в каналах істотно залежать від їх форм і розмірів, швидкості течії рідини і паросодержания потоку. Універсальні закономірності тут поки не встановлені. При своб. растекании рідини по гарячій пов-сті виникає т. зв. сфероїдальних стан - рідина зависає над пов-стю нагріву під впливом динамічний. опору утворюється пара (рис. 2). Час повного випаровування даного початкового об'єму рідини визначається т-рій нагрівача.
Мал. 2. Форми випаровування рідини, вільно розтікається по гарячій пов-сті: а в краплі, смачивающей не сильно нагріту пов-сть, відбувається бульбашкової кипіння; б т-ра стінки підвищилася, і крапля приймає сферич форму; в при збільшенні т-ри пов-сті нагрівання крапля зависає в паровому шарі; г - зі зростанням обсягу крапля приймає форму плоского сфероида; д зважений в паровому шарі великий сфероид, з до-poro пар евакуюється через куполоподібні бульбашки.
У технол. процесах використовуються обидва види поверхневого К. Напр. плівкове К. реалізується при рідинної загартуванню металеві. виробів. Проектування теплообмінних апаратів з примусить, завданням теплового потоку (з виділенням джоулева теплоти, теплоти р-ції спонтанного розпаду ядерного палива, в парогенераторах і т.п.) проводиться в розрахунку на бульбашковий режим К. теплоносія. Виникнення плівкового К. напр. при скиданні тиску, може викликати аварійну ситуацію. Термогідродинаміки К. розчинів і чистих рідин істотно різна. Так, для деяких розчинів і емульсій критич. щільність теплового потоку залежить від концентрації компонентів немонотонно, тобто можливе існування екстремумів, причому максимум qкp. м. б. значно більше, ніж критич. значення теплового потоку для кожного компонента окремо (рис. 3). При розчиненні в рідині нелетучего в-ва знижується тиск її насичений. пара і підвищується Ткип. Це дозволяє визначати мовляв. м.
Мал. 3. Залежність qкр, 1. від масової концентрації спирту у воді при своб. конвекції у великому обсязі і різних пов-стях нагріву: /, 3. 5 вертикальна пластина соотв. при тисках 98,1100 і 3100 кПа; 2, 4, б дріт діаметром 0,5 мм при таких же тисках.
100 м / с. Фазові переходи впливають на динаміку і структуру акустич. хвиль. Ці структури узагальнюються у вигляді спец. режимних карт Літ. Скрипів В.П. Метастабільна рідина, М, 1972; Кутателадзе СС. Основи теорії теплообміну, 5 видавництво. М. 1979; Кутателадзе СС НакоряковВЕ. Тепломасообмін і хвилі в газожідкосгних системах, Новосиб. 1984. C C Кутателадзе