|
|
натяжением о. В соответствии с Лапласа законом Кри-тич. радиус пузырька (равновесного пузырька) равен
Давление пара в пузырьке р" связано с давлением нэ-сыщ. пара над горизонтальной поверхностью жидкости (давлением на бинодали) при той же темп-ре Кельвина
фазную поверхность, а также диффузией легко кипящей компоненты (в растворах), вязкостью и инерц. силами. На ранней стадии роста пузырьков скорость ограничивается в первую очередь инерц. силами. Ско-
*
рость R изменения радиуса определяется ф-лой Рэлея:
т, к
Фазовая диаграмма воды: р ≈ давление; Г ≈ темп-ра; К ≈ критическая точка воды; 1 ≈ бинодаль; 2 ≈ спино-Палъ (область между J и г ≈ область метастабильно-го, перегретого состояния);
3 ≈ ЛИНИЯ ДОСТИЖИМОГО В
опытах перегрева кипящей
жидкости.
600
550
20
р, МЛа
уравнением. При /?<Лкр пузырьки схлопываются, при Л>Лкр ≈ растут.
Рождение пузырька пара в объ╦ме гомогенной жидкости происходит при преодолении энергетич. барьера, равного работе образования критич. пузырька:
4 "2 (2)
(ф-ла Гиббса). Энергетич. барьер может быть преодолен в тех областях жидкости, где возникают термодинамич. флуктуации е╦ плотности. Частоту J рождения флукту-ац. пузырьков описывает теория Фольмера ≈ Зельдовича ≈ Кагана. С хорошей точностью
(≈ WjkT). (3)
Интенсивное флуктуац. зародышеобразование в гомогенной жидкости развивается при высоких перегревах (напр., в воде при атм. давлении /~1010 м~ас~1, если f=578 К).
В объ╦ме неочищенной, не лиш╦нной примесей и растворенных газов жидкости и на границах с тв╦рдой фазой обычно имеются (или временно появляются) зоны нредпочтит. рождения пузырьков. К таким центрам К. относятся как спонтанные флуктуационные, так и готовые, уже имевшиеся в жидкости (напр., пузырьки нераствор╦нного газа, газовые и паровые пузырьки в микротрещинах на неполностью смоченной поверхности стенок). При развитом К. готовые центры возобновляются за сч╦т захвата пара микроуглублениями (порами) на нагреваемой поверхности.
Центрами спонтанного К. могут быть плохо смачиваемые участки (т. а. островки Френкеля) и поры на тв╦рдой поверхности, зоны повыш. концентрации легкоки-пящеи компоненты (напр., образовавшейся при электролизе), области локального тепловыделения (напр., зоньг протекания экзотермич. хим. реакций) или локального растяжения (цептры кавитации). В центрах спонтанного К. работа образования критыч. пузырька меньше, чем в др. точках объ╦ма жидкости, поэтому активация центров К. наблюдается при более низких темп-pax перегрева ≈ при состояниях жидкости, попадающих в область между линиями 1 и 3 на рис.
В квазистационарных режимах К. обычно обеспечивается готовыми центрами и перегрев выше линии би-нодали невелик (~10 К), В нестационарных процессах существен вклад спонтанных центров К. При достаточно быстром переводе жидкости в метастабильное, перегретое состояние траектория процесса вскипания на фазовой диаграмме может приблизиться к сшшодали. 2 и оси. процессом становится гомогенное флуктуац. зародышеобразование; такой режим К. нвз. ударным, парообразование при этом носит взрывной характер.
Пузыр╦к с радиусом R^RKV раст╦т со скоростью, определяемой подводом теплоты к жидкости через меж-
ЗР
где р ≈ плотность жидкости. По мере роста пузырька основными становятся условия тепло- и массоподвода к межфазной поверхности, прич╦м ограничение процессами переноса приводит к падению скорости с увеличением времени t развития пузырька: П~\1У~г (асимпто-тич. стадия роста пузырька). В нек-рых случаях теплоты перегрева жидкости достаточно для полного покрытия расхода энергии на парообразование, 3 таких режимах рэлеевская стадия роста пузырьков, описываемая (4), в однокомпонентных жидкостях продолжается до слияния пузырьков.
Различают объ╦мное и поверхностное К. При поверхностном К. осн. источником жизнеспособных паровых пузырьков является слой жидкости, примыкающий к нагреваемой поверхности. Если осн. объем жидкости имеет темп-ру ниже равновесной темп-ры на бинодали (т. н. К. с недогревом), то пузырьки пара, образовавшиеся вблизи нагреваемой поверхности, попадая при мигрировании в холодные слои, схлопываются. В сильно недогретой жидкости пузырьки, формирующиеся на нагреваемой поверхности, не достигают отрывного размера вследствие конденсации пара в противоположной от нагревателя части пузырька. Объ╦мное К. происходит при перегреве во вс╦м объ╦ме жидкости или при понижении давления. В этом случае пузырьки рождаются во вс╦м объ╦ме жидкости или во фронте в&шы спада давления.
Рост пузырьков при К, оказывает механич. (гидроди-намич.) воздействие на систему в целом. В частности, в замкнутом объ╦ме перегретой жидкости по мере увеличения паросодержания раст╦т давление. В стесн╦нных дозвуковых стационарных потоках вскипающей жидкости (напр., в трубах) рост паросодержания вниз по течению сопровождается снижением давления, поэтому при истечении кипящей перегретой жидкостп яз щелей и сопел наблюдается эффект «запирания» ≈ снижение расхода жидкости. Пузырьки пара при росте и схлопывании излучают акустич. энергию (шум К.). Быстрый рост давления при взрывном К. может привести к разрушению конструкций (паровой взрыв). Пузырьки, всплывающие в гравитац. ноле, вызывают дополнит, конвективные потоки, что способствует перемешиванию жидкости, а поверхностное К. эффективно возбуждает турбулентное движение пристеночного слоя жидкости.
Поверхностное К. широко используется для интенсивного охлаждения поверхности (тсллосъ╦ма). Количеств, характеристикой эффективности тенлосъ╦ма служит коэф. теплоотдачи ct, определяемый как отношение плотности теплового потока q к перепаду темп-ры ДГ между нагретой поверхностью и жидкостью. При развитом стационарном К. темп-рой жидкости считают темп-ру на бинодали. С ростом перепада темп-р Д7* по мере развития К. коэф. теплоотдачи раст╦т оо(ДГ)ш (показатель степени т меняется в пределах от 2 до 3), При достаточно высоком локальном и а рос о держа ни и в пограничном слое жидкости пузырьки начинают взаимодействовать между собой, образуя паровые полости сложной формы.
При скорости стационарного отвода теплоты от поверхности нагревателя выше нек-рого макс, значения начинает проявляться неустойчивость встречных потоков жидкости и пара (неустойчивость Гелъмгольца). В результате на нагревателе образуется пл╦нка пара, резко снижающая коэф, ос и потоку (кризис К.). Если паро&ой слой покрывает всю нагреваемую поверхность,
X ш
С
365
