Знаймо

Додати знання

приховати рекламу



Цей текст може містити помилки.

Кипіння



План:


Введення

Кипляча вода

Кипіння - процес пароутворення в рідині (перехід речовини з рідкого в газоподібний стан), з виникненням кордонів поділу фаз. Температура кипіння при атмосферному тиску приводиться зазвичай як одна з основних фізико-хімічних характеристик хімічно чистої речовини.


Кипіння є фазовим переходом першого роду. Кипіння відбувається набагато інтенсивніше, ніж випаровування з поверхні, через утворення вогнищ пароутворення, обумовлених як досягнутої температурою кипіння, так і наявністю домішок [1].

На процес утворення бульбашок можна впливати за допомогою тиску, звукових хвиль, іонізації. Зокрема, саме на принципі скипання мікрооб'ємів рідини від іонізації при проходженні заряджених частинок працює бульбашкова камера.

Кип'ятіння - нагрівання рідини (зазвичай води) до температури кипіння. Фізичний спосіб дезінфекції.


1. Термодинамічні особливості

У міру нагрівання рідини, на гріючої поверхні утворюються бульбашки пари всередину яких випаровується рідина. При певній температурі, тиск насиченої пари усередині бульбашки стає рівним зовнішньому тиску. В цей момент бульбашка відривається від стінки і рідина починає кипіти. Таким чином, якщо випаровування відбувається при будь температурі, то кипіння - при одній, визначеної для поточного тиску. Коли процес кипіння почався, то незважаючи на триваючий підведення тепла температура рідини змінюється незначно, поки вся рідина не перетвориться в пар. Температура, при якій відбувається кипіння рідини, що знаходиться під постійним тиском, називається температурою кипіння або температурою насичення ~ T_S . Зміна температури рідини в процесі кипіння називається температурним Глайдом. Для хімічно чистих рідин або азеотропних сумішей температурний глайд є нульовим. Зі збільшенням тиску, згідно рівнянню Клапейрона - Клаузіуса, температура насичення зростає:

\ Frac {\ mathrm {d} P} {\ mathrm {d} T_S} = \ frac {r} {T_S \, \ Delta v}> 0 .
де ~ R - Питома теплота пароутворення; ~ \ Delta v - Зміна питомої обсягу тіла при фазовому переході.

1.1. Лінія насичення

На фазової діаграмі води, крива, що характеризує фазової перехід з рідкого стану в газоподібний називається "лінією насичення". Вона обмежена двома граничними точками: потрійний точкою, в якій сходяться лінії плавлення, кипіння і сублімації і критичною точкою, в якій зникає межа розділу між рідкої і газоподібної фазами.


1.2. Особливості кипіння

Розподіл температури киплячій рідини

У киплячій рідини встановлюється певний розподіл температури: у поверхонь нагріву (стінок посудини, труб і т. п.) рідина помітно перегріта ~ T> T_S . Величина перегріву залежить від ряду фізико-хімічних властивостей як самої рідини, так і граничних твердих поверхонь. Ретельно очищені рідини, позбавлені розчинених газів (повітря), можна при дотриманні особливих заходів обережності перегріти на десятки градусів без закипання. Коли така перегріта рідина в кінці кінців скипає, то процес кипіння протікає досить бурхливо, нагадуючи вибух. Скипання супроводжується розпліскування рідини, гідравлічними ударами, іноді навіть руйнуванням судин. Теплота перегріву витрачається на пароутворення, тому рідина швидко охолоджується до температури насиченої пари, з яким вона перебуває в рівновазі. Можливість значного перегріву чистої рідини без кипіння пояснюється утрудненістю виникнення початкових маленьких бульбашок (зародків), їх утворення заважає значне взаємне притягання молекул рідини. Інакше йде справа, коли рідина містить розчинені гази і різні дрібні зважені частинки. В цьому випадку вже незначний перегрів (на десяті долі градуса) викликає стійке і спокійне кипіння, так як початковими зародками парової фази служать газові бульбашки і тверді частинки. Основні центри пароутворення знаходяться в точках нагрівається поверхні, де є дрібні пори з адсорбованим газом, а також різні неоднорідності, включення і нальоти, що знижують молекулярне зчеплення рідини з поверхнею.

Утворився бульбашка росте тільки в тому випадку, якщо тиск пара в ньому трохи перевищує суму зовнішнього тиску, тиску вищого шару рідини і капілярного тиску, обумовленого кривизною поверхні бульбашки. Для створення в бульбашці необхідного тиску пар і навколишнє його рідина, що знаходиться з парою в тепловій рівновазі, повинні мати температуру, що перевищує температуру насичення ~ T_S .

Кипіння можливе не тільки при нагріванні рідини в умовах постійного тиску. Зниженням зовнішнього тиску при постійній температурі можна також викликати перегрів рідини і її скипання (за рахунок зменшення температури насичення). Цим пояснюється, зокрема, явище кавітації - утворення парових порожнин в місцях зниженого тиску рідини (наприклад, в вихровий зоні за гребним гвинтом теплохода).


1.3. Теплота паротворення

P - V діаграма

На PV діаграмі для вибраної температури рідини (наприклад Т1) точка стану початку кипіння ~ A характеризується парою термодинамічних змінних, тобто певним термодинамічним станом. При кипінні температура і тиск залишаються постійними, при цьому в міру збільшення паросодержания середня щільність середовища падає, а питомий об'єм, відповідно, збільшується. Після випаровування всієї рідини досягається нове термодинамічний стан ~ C . Якщо розглянути більш високе значення температури, то початок кипіння буде характеризуватися термодинамічним станом ~ A ' з великим питомим об'ємом, а стан ~ C ' повного перетворення рідини в пару - меншим питомим об'ємом. У міру збільшення температури різниця між величинами питомих обсягів рідини і пара на лінії насичення зменшується, а при досягненні температури критичної точки - зникає. Зміна термодинамічного стану середовища в процесі кипіння характеризується питомою теплотою пароутворення ~ R , Яка дорівнює кількості теплоти, необхідному для повного випаровування одиниці маси рідини (У багатьох джерелах r помилково іменують прихованої теплотою пароутворення, насправді ж прихована теплота пароутворення являє собою лише частину питомої теплоти пароутворення, яка характеризує зміну внутрішньої енергії рідини і спрямована на збільшення відстані між мікрочастинками рідини. При цьому температура рідини зростає, але видимих ​​змін не відбувається. Визначити приховану теплоту пароутворення можна шляхом віднімання площ під процесом кипіння в TS та PV діаграмах)

~ R = i_c-i_a або ~ R = T_S (s_c-s_a) ,

де ~ I - ентальпія, ~ S - ентропія, індекс ~ A - Відноситься до стану початку кипіння, а ~ C - До состянии насиченого пара.


2. Режими кипіння

Початок кипіння рідини пов'язано з прогріванням пристінних шарів рідини до температури, що перевищує температуру насичення на певну величину d T . Величина перегріву d T залежить від багатьох чинників (тиску, швидкості течії рідини, крайового кута змочування, концентрації розчинених в рідині речовин і.т.д.) і в загальному вигляді не визначається. В залежності від щільності теплового потоку, а так само інших факторів, на поверхні обігріву утворюються або окремі парові бульбашки, або суцільна плівка пара, і кипіння називається або бульбашковим або плівковим. Крім того, кипіння розрізняють за типом:

  • кипіння при вільній конвекції у великому обсязі;
  • кипіння при вимушеній конвекції;

а так же по відношенню середньої температури рідини до температури насичення:

  • кипіння рідини, недогріти до температури насичення (поверхневе кипіння);
  • кипіння рідини, догреть до температури насичення

2.1. Бульбашковий

Кипіння, при якому пар утворюється у вигляді періодично зароджуються і зростаючих бульбашок, називається бульбашковим кипінням. При повільному бульбашкової кипінні рідини (а точніше, як правило на стінках або на дні посудини) з'являються пухирці, наповнені паром. За рахунок інтенсивного випаровування рідини всередину бульбашок, вони ростуть, спливають, і пар вивільняється в парову фазу над рідиною. При цьому в пристеночном шарі рідина знаходиться в злегка перегрітому стані, тобто її температура перевищує номінальну температуру кипіння. У звичайних умовах ця різниця невелика (близько одного градуса).

Можливість перегріву рідини пояснюється тим, що для створення первинного бульбашки мінімального розміру, який вже далі може рости сам по собі, потрібно затратити деяку енергію (яка визначається поверхневим натягом рідини). Поки це не досягнуто, найдрібніші бульбашки будуть виникати і знову схлопиваться під дією сил поверхневого натягу, і кипіння не буде.

Бульбашкової кипіння може бути розвиненим (при великій кількості центрів пароутворення) і нерозвиненим (при малій кількості центрів пароутворення)

При бульбашкової кипінні істотну роль грає масоперенос бульбашок пари з пристенного шару в ядро ​​потоку. Завдяки цьому зростає ефективність тепловіддачі до киплячої рідини - характерні для цього режиму коефіцієнти тепловіддачі високі.


2.2. Плівковий

При збільшенні теплового потоку до деякої критичної величини окремі бульбашки зливаються, утворюючи біля стінки судини суцільний парової шар, періодично проривається в об'єм рідини. Такий режим називається плівковим.

В цьому режимі теплопередача від обігрівальної поверхні до рідини різко падає (парова плівка проводить тепло гірше, ніж конвекція в рідині), і в результаті температура гріючої поверхні може істотно зрости (лінія С-Е на кривій кипіння). У той же час, при постійній температурі обігрівальної поверхні в режимі плівкового кипіння, через погіршеної теплопередачі має місце низьке значення теплового потоку від стінки до рідини. Режим плівкового кипіння можна спостерігати на прикладі краплі води на розпеченій плиті.

При плівковому кипінні, через істотне термічного опору парової плівки, тепловіддача від гріючої поверхні до киплячій воді мала, і характеризується малими значеннями коефіцієнта тепловіддачі.


2.3. Кипіння у великому обсязі

Крива кипіння води в трубах

Тепловий потік, який передається від поверхні до киплячій воді можна однозначно пов'язати з перепадом температур між стінкою і рідиною:

~ Q_S = f (T_C - \ overline {T_F}) , Де ~ Q_S - Тепловий потік, ~ T_C - Температура стінки, \ Overline {T_F} середня температура рідини.

Ця залежність характеризує тепловіддачу від обігрівальної поверхні до рідини і називається кривою кипіння.

Можна виділити п'ять характерних областей:

  1. До точки A . Область конвекції;
  2. Між точками A і B . Область нерозвиненого бульбашкового кипіння. Характеризується підвищенням інтенсивності теплообміну за рахунок перенесення утворюються бульбашок в ядро ​​потоку;
  3. Між точками B і C . Область розвиненого бульбашкового кипіння. Характеризується високою інтенсивністю теплообміну за рахунок перенесення утворюються бульбашок в ядро ​​потоку. Інтенсивність наростає в міру збільшення щільності бульбашок;
  4. Між точками C і D . Область нестійкого плівкового кипіння. Характеризується "зливанням" окремих бульбашок в пристінній області. Через зменшення центрів пароутворення, а так же наростання парової плівки у обігрівальної поверхні, тепловіддача падає;
  5. Від точки D . Область сталого плівкового кипіння. Характеризується покриттям обігрівальної поверхні суцільний плівкою пара і, як наслідок, низькою тепловіддачею.

Дану криву можна отримати, збільшуючи й підтримуючи температуру гріючої стінки ~ T_C . В цьому випадку, у міру збільшення ~ T_C послідовно змінюються п'ять областей кипіння.

У разі збільшення і підтримки теплового потоку, порядок зміни режимів кипіння буде іншим. Спочатку послідовно змінять один одного режими конвекції не киплячою рідини (до т. A ), Поверхневого кипіння (між точками A і B ) І розвиненого бульбашкового кипіння (між точками B і C ). При подальшому збільшенні теплового потоку обігріває поверхню швидко покривається парової плівкою (від точки C до точки E ), Що супроводжується збільшенням температур і через короткий час, після досягнення стаціонарного стану, кипіння характеризується високою температурою стінки (від точки H ). Дане явище називається кризою тепловіддачі, а тепловий потік ~ Q_ {S1} , При якому починається різке зростання температур ( C - E ) - Першим критичним тепловим потоком, або, частіше, просто - критичним тепловим потоком.

Якщо після досягнення точки H тепловий потік починає зменшаться, то плівковий режим кипіння зберігається до досягнення точки D . У разі подальшого зменшення теплового потоку плівковий режим кипіння змінюється на бульбашковий (від точки D до точки F ), І температура гріючої поверхні швидко знижується. Тепловий потік ~ Q_ {S2} , При якому плівковий режим кипіння змінюється на бульбашковий ( D - F ), Називається другим критичним тепловим потоком.

У багатьох теплообмеіних пристроях сучасної енергетики та ракетної техніки тепловий потік, який повинен відводитися від поверхні нагрівання, є фіксованим і часто практично не залежить від температурного режиму теплоотдающей поверхні. Так, теплопідводу до зовнішньої поверхні екранних труб, розташованих в топці котельного агрегату, визначається в основному за рахунок випромінювання з топкового простору. Падаючий променистий потік практично не залежить від температури поверхні труб, поки вона істотно нижче температури розжарених продуктів згорання в топці. Аналогічне положення має місце в каналах ракетних двигунів, всередині тепловиділяючих елементів (твелів) активної зони атомного реактора, де відбувається безперервне виділення тепла внаслідок ядерної реакції. Тому тепловий потік на поверхні твелів також є заданим. Він є заданим і в разі виділення теплоти при протіканні через тіло електричного струму.

Якщо з якихось причин тепловий потік перевищили критичне значення ~ Q_ {S1} , Бульбашковий режим кипіння швидко змінюється на плівковий, а температура обігрівальної поверхні зростає до істотно високих значень, що може привести до пережогу обігрівальної поверхні. При цьому, для відновлення бульбашкового режиму кипіння і вихідних значень температур, необхідно зниження теплого потоку до значення ~ Q_ {S2} .


2.4. Кипіння при вимушеною конвекції

Зміна среднемассовой температури потоку ~ \ Overline {T_F} і стінки ~ T_C по довжині парогенеруючі каналу:
a) - довгий канал при малих \ Overline {\ rho w} і ~ Q_S ;
b) - при великих \ Overline {\ rho w} і ~ Q_S

При вимушеній конвекції кипіння має ряд особливостей, найбільш суттєві з них - вплив характеристик потоку на залежність ~ Q_S = f (T_C - \ overline {T_F}) . Найбільш сильний вплив надають такі характеристики, як масова швидкість потоку рідини \ Overline {\ rho w} і паровміст ~ X . При сталому кипінні рухається в трубі рідини, параметри середовища (в першу чергу - паровміст) змінюються вздовж потоку, а разом з ним змінюються режими течії і тепловіддача.

В більшості випадків кипіння в трубі можна спрощено уявити у вигляді трьох зон (на прикладі кипіння в довжиною трубі при малих \ Overline {\ rho w} і ~ Q_S ):

  1. економайзерний ділянку, в якому рідина нагрівається без кипіння ( A - B )
  2. область кипіння (випарний ділянка), в якій відбувається бульбашкової кипіння ( B - C - D - E )
  3. область підсихання вологої пари, в якому формується дисперсійний режим течії і відбувається осушення залишається вологи в ядрі потоку ( E - F - G )

На даному прикладі можна більш детально розглянути зміну характеру кипіння і пов'язані з цим температури обігріваючої стінки труби і середньої температури рідини. На вхід в парогенеруючі трубу подається недогріти до кипіння рідину (точка A ). У разі постійної величини теплового потоку від стінки ~ Q_S , Середня температура рідини ~ \ Overline {T_F} і температура стінки ~ T_C , Ростуть лінійно. В момент, коли температура стінки починає перевищувати температуру насичення ~ T_S , На обігрівальної поверхні може початися формування бульбашок. Таким чином, починається кипіння в пристінній області, незважаючи на те, що середня температура рідини залишається менше температури насичення ( B - C ). Це явище носить назву кипіння недогріти рідини. Значення ентальпійного паросодержания, при якому починається кипіння недогріти рідини має від'ємне значення ~ X = x_ {HK} . Після досягнення рідиною температури насичення ~ X = 0 починається бульбашкової кипіння по всьому об'єму рідини. Ця область характеризується інтенсивним перемішуванням рідини і, як наслідок, високими коефіцієнтами тепловіддачі і низькими перепадами температур.

У міру просування двофазної суміші в область високих паровміст змінюються режими течії двофазного потоку, і при деякому паровміст ~ X = x_ {KP} настає криза тепловіддачі: контакт рідини з поверхнею припиняється і температура стінки зростає ( E ). Часто криза тепловіддачі при кипінні представляє перехід від дисперсно-кільцевого режиму кипіння ( D - E ) До дисперсному ( E - F - G ). Кількість вологи в краплях з ростом паросодержания зменшується, що призводить до зростання швидкості і невеликого збільшення тепловіддачі (температура поверхні стінки при цьому трохи знижується, ( F - G )).

При іншій масової швидкості рідини \ Overline {\ rho w} або величиною теплового потоку ~ Q_S , Характер кипіння в трубі може змінитися. Так, у разі великих \ Overline {\ rho w} і ~ Q_S , Режим кризи теплообміну може сформуватися ще на етапі кипіння недогріти рідини. У цьому випадку формується плівковий режим кипіння, а ядро ​​потоку являє собою стрижень недогріти до температури насичення рідини, відокремленої від стінки труби плівкою пара.


3. Температури кипіння для простих елементів

У наведеній таблиці елементів Д. І. Менделєєва для кожного елемента зазначені:

  • атомний номер елемента;
  • позначення елемента;
  • температура насичення при нормальних умовах O C ;
  • молярна прихована теплота пароутворення (кДж / моль);
  • молярна маса.
Група
IA

II A

III B

IV B

VB

VI B

VII B

VIII B

VIII B

VIII B

IB

II B

III A

IV A

VA

VI A

VII A

VIII A
Період
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
Uuq
n / a
n / a
n / a
115
Uup
n / a
n / a
n / a
116
Uuh
n / a
n / a
n / a
117
Uus
n / a
n / a
n / a
118
Uuo
n / a
n / a
n / a

* Лантаноїди 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
** Актиноїди 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

Примітки

  1. Перегріта рідина - slovari.yandex.ru/dict/gl_natural/article/2574/257_4407.HTM

Література

  • Кипіння / / Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона : В 86 томах (82 т. і 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
  • Ісаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. - М .: Енергія, 1969.
  • Кикоин І. К., Кікоїн А. К. Молекулярна фізика. - М ., 1963.
  • Радченко І. В. Молекулярна фізика. - М ., 1965.
  • Міхєєв М. А. Глава 5 / / Основи теплопередачі. - 3-е изд. - М . - Л. , 1956.
  • Петухов Б. С., Генин Л. Г., Ковальов С. А. Теплообмін в ядерних енергетичних реакторах. - М .: Вища школа, 1986.
  • Кириллов П. Л., Юр'єв Ю. С., Бобков В. П. Довідник з теплогідравлічних розрахунками. - М .: Вища школа, 1990.
  • Кипіння - slovari.yandex.ru / кипіння / Вікіпедія / Кипіння /. Велика радянська енциклопедія. slovari.yandex.ru.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Температура кипіння
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru