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 насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью. Кипение - одно из фундаментальных физических явлений, используемое во многих процессах химической технологии. Особенность последних состоит в широком применении растворов и смесей различных веществ в качестве рабочих тел. Сложная термогидродинамика кипения чистых жидкостей и растворов оказывает существенное влияние на конструкции и габаритные размеры технологических аппаратов.
Работа, затрачиваемая на увеличение объема и поверхностной энергии сферического пузыря радиуса R, определяется по формуле: L0=-(4/3)pR3Dp+4pЛ2s, где Dp - разность давлений в пузыре и окружающей жидкости, Па; а коэффициент поверхностного натяжения. Н/м. Минимальный радиус возникающего парового пузыря (зародыша) Rмин=2Ткипs/[rrп(Тж-Tкип)], где rп - плотность пара, кг/м3; r - теплота парообразования, Дж/кг (Тжи Ткиппояснены 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+0,75cosQ-0,25cos3Q), где Q - краевой угол смачивания. При Q=180° работа L=0, т.е. на абсолютно смачиваемой поверхности образуется сферический пузырь, как и в объеме жидкости.
С понижением давления уменьшается плотность пара, возрастает минимальный 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 нескипение 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 (напр., атмосферным), наз. температурой кипение (Ткип). В качестве Tкип принимают температуру насыщенного пара (температуру насыщения) над плоской поверхностью жидкости, кипящей при данном давлении. Температура кипения при атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных физико-химических характеристик химически чистого вещества. С возрастанием давления Ткип увеличивается. Предельная Ткип - критическая температура вещества. 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 - температура перегретой жидкости. Такое кипение реализуется в так называемых аппаратах объемного вскипания, эффективных для обезвреживания и утилизации агрессивных жидкостей, в частности дистиллерных в содовом производстве.
Поверхностное кипение - парообразование на поверхности нагрева, имеющей температуру Тн>Ткип. Такое кипение возможно и в случае, когда температура основной массы жидкости Тж<Ткип, но в окрестности поверхности нагрева образовался пограничный слой, перегретый до температуры, превышающей Ткип. Основные 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 коэффициента 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 кипения определяются преим. гидродинамическим механизмом потери устойчивости структуры пристенного двухфазного пограничного слоя. Критерий гидродинамической устойчивости кипения имеет вид: , где Dr - разность плотностей жидкости и пара. В первом приближении при кипении в большом объеме насыщенной однородной маловязкой жидкости k=const (для воды, спирта и ряда др. сред k~0,14—0,16). В жидкости, основная масса которой недогрета до температуры кипение на величину v=Ткип-Тж, параметр qкp~qкр,10(l+0,1 arп-0,75К-1),
Рис. 1. Зависимость плотности теплового потока от разности температур
DТ=Ти—Ткиппри 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, 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 кипение Этот переход имеет цепной кавитационный механизм и реализуется при разностях температур на поверхности нагрева и кипение, удовлетворяющих условию: где lж и rж - соотв. теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g - ускорение свободного падения.
Четвертый кризис кипения связан с возникновением термодинамической неустойчивости жидкой фазы при достижении некоторой критической поверхности нагрева.
Критические 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 свободном растекании жидкости по горячей поверхности возникает т. наз. 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 сферическую 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 котоpoгo пар эвакуируется через куполообразные пузыри.
В технологических процессах используются оба вида поверхностного кипение Напр., пленочное кипение реализуется при жидкостной закалке металлических изделий. Проектирование теплообменных аппаратов с принудительным 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 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 вещества снижается давление ее насыщ. пара и повышается Ткип. Это позволяет определять молекулярную массу
Рис. 3. Зависимость qкр,1, от массовой концентрации спирта в воде при свободной конвекции в большом объеме и разных поверхностях 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 веществ по вызываемому ими повышению Ткнп чистого растворителя. Выпадение твердой фазы из раствора на поверхность нагрева приводит к снижению общего коэффициента теплопередачи. В таких процессах температурный режим теплообменных аппаратов необходимо рассчитывать в соответствии с диаграммой состояния данного раствора.
Режим кипения существенно влияет на характер распространения акустических 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, которое 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 акустических 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. Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкосгных системах, Новосиб.. 1984. C C Кутателадзе
, где Dr - разность плотностей 
где lж и rж - соотв. теплопроводность и плотность перегретой жидкости, g - ускорение свободного падения. 
, 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, которое 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 акустических волн. Эти структуры обобщаются в виде спец. режимных карт.