Введение в механику жидкости и газа

Механизм фазового перехода жидкость–пар

Кипение и конденсация представляют собой два взаимно обратных процесса фазового перехода между жидкой и газообразной фазами. В основе их лежит тепловое движение молекул и взаимодействие межмолекулярных сил, определяющих границы устойчивости фаз при заданных температурах и давлениях.

При кипении жидкость нагревается до температуры насыщения при данном давлении, и в объёме жидкости начинают интенсивно образовываться паровые пузырьки. Конденсация, напротив, происходит при охлаждении или увеличении давления пара, когда паровые молекулы соединяются в капли жидкости.

Температура и давление насыщения

Температура кипения не является постоянной величиной — она зависит от внешнего давления. При нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа) температура кипения воды составляет 100 °C, однако при понижении давления кипение наступает при более низких температурах, а при повышении — при более высоких.

Давление насыщенного пара — это давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Оно определяется уравнением Клапейрона–Клаузиуса:

$$ \frac{dP}{dT} = \frac{L}{T (v_g - v_l)} $$

где L — удельная теплота парообразования, vg и vl — удельные объёмы пара и жидкости соответственно.

Виды кипения

  1. Плёночное кипение — возникает при перегреве поверхности выше температуры Лейденфроста. Жидкость не смачивает поверхность, образуется устойчивая паровая плёнка, затрудняющая теплообмен.
  2. Пузырьковое кипение — типичный режим, при котором паровые пузырьки зарождаются на микронеровностях нагретой поверхности и поднимаются в толщу жидкости.
  3. Взрывное (вспышечное) кипение — резкое образование пара при внезапном снижении давления или при попадании перегретой жидкости в область с низким давлением.

Зарождение и рост паровых пузырьков

Процесс кипения начинается с образования микрополостей на твёрдых границах или в объёме жидкости. Эти полости могут быть заполнены газом или паром. Чтобы пузырёк начал расти, его внутреннее давление должно превысить внешнее, включая гидростатическое давление жидкости и давление, создаваемое поверхностным натяжением:

$$ P_{\text{пуз}} = P_{\text{внеш}} + \frac{2\sigma}{r} $$

где σ — коэффициент поверхностного натяжения, r — радиус пузырька.

Рост пузырька происходит за счёт притока тепла из окружающей жидкости. Этот процесс лимитируется теплопроводностью, конвекцией и скоростью фазового перехода на границе пузырька.

Тепловые режимы кипения

При анализе кипения на твёрдых поверхностях строят кривую кипения — зависимость теплового потока от разности температур между поверхностью и жидкостью. Она включает несколько характерных участков:

  • Участок естественной конвекции — слабый нагрев, теплоотдача осуществляется в основном за счёт конвективных потоков без кипения.
  • Начало пузырькового кипения — резкое возрастание теплоотдачи.
  • Кризис теплопередачи — максимум теплового потока, после чего теплоотдача снижается при переходе в плёночный режим.
  • Плёночное кипение — низкая эффективность теплообмена из-за изоляции поверхности паровой плёнкой.

Конденсация пара

Конденсация — процесс перехода пара в жидкость при снижении температуры или увеличении давления. Различают:

  1. Плёночную конденсацию — пар конденсируется на поверхности, образуя сплошную жидкую плёнку, стекающую под действием гравитации. Теплопередача при этом хуже из-за дополнительного сопротивления теплопередаче жидкого слоя.
  2. Капельную конденсацию — на поверхности образуются отдельные капли, между которыми сохраняются участки сухой поверхности. Этот режим обеспечивает более высокий коэффициент теплопередачи.

Тепловой баланс фазового перехода

Количество теплоты, необходимое для парообразования массы m жидкости:

Q = mL

где L — удельная теплота парообразования. При конденсации выделяется то же количество теплоты.

В установках теплоэнергетики, например в паровых котлах и конденсаторах, кипение и конденсация играют ключевую роль в передаче и преобразовании тепловой энергии.

Особенности в технических системах

  • В котлах важно обеспечить пузырьковое кипение и избегать кризиса теплоотдачи.
  • В конденсаторах турбин стремятся организовать капельную конденсацию для повышения эффективности теплообмена.
  • При работе в условиях низких давлений кипение может происходить при температурах, существенно ниже 100 °C, что учитывается в вакуумных установках.
Оглавление