1.Физика процесса кипения. Кривая Нукияма

Кипение  это процесс интенсивного парообразования при подводе тепла, характеризующийся установлением равновесной температуры между жидкостью и паром.

Равновесная температура зависит от давления; ее называют температурой насыщения или кипения.

Для перехода жидкости в пар с ненулевой скоростью необходим также отличный от нуля температурный напор, т. е. некоторое превышение температуры теплоотдающей поверхности над температурой насыщения (кипения) .

Слой жидкости, прилегающий к поверхности, в котором возникают центры парообразования, также оказывается перегретым. Для понимания процесса теплообмена при кипении целесообразно рассмотреть так называемую характеристику кипения на изотермической поверхности, представляющую собой зависимость отводимого теплового потока от перегрева поверхности . Заранее заметим, что экспериментально осуществить такой процесс нелегко, так как независимой величиной в данном случае является температура поверхности. Для поддержания заданной температуры можно, например, использовать следящую систему терморегулирования или неэлектрический нагрев паром. Тепловой поток в последнем случае определяется калориметрически.

Характеристика кипения, впервые полученная Нукиямой и названная в его честь, изображена на рис. 1.1 в логарифмическом масштабе.

Рис. 1.1

При малом температурном напоре отводимый тепловой поток мал и почти прямо пропорционален температурному напору. Этот режим называется малоразвитым пузырьковым кипением (область I). При увеличении количество центров парообразования увеличивается, наступает режим развитого пузырькового кипения. Отводимый тепловой поток резко увеличивается и зависимость приобретает нелинейный характер (область II). Для воды при атмосферном давлении температурный интервал развитого пузырькового кипения составляет .

При дальнейшем увеличении отводимый тепловой поток достигает максимума и затем начинает уменьшаться. Максимуму на кривой Нукияма при атмосферном давлении соответствует температура поверхности и тепловой поток Вт/м².

Снижение теплового потока объясняется возникновением теплоизолирующего парового слоя, образующегося в результате слияния отдельных пузырей. Паровой слой периодически прорывается в объем жидкости. Этот режим называется переходным (область III).

По мере дальнейшего роста температурного напора контакт жидкости с поверхностью становится реже, пока полностью не прекратится и паровая пленка становится устойчивой.

Кривая Нукияма проходит через минимум, после чего медленно возрастает по закону, близкому к линейному.

Увеличение потока после точки минимума объясняется увеличением доли его лучистой составляющей (область IV).

Минимум на кривой довольно расплывчатый 225…270 °С, а мини-мальный тепловой поток в несколько раз меньше максимального потока .

Точка, соответствующая минимуму теплового потока на кривой Нукияма, называется точкой Ляйденфроста. Если независимой величиной при нагреве поверхности является не температура, а тепловой поток, как это имеет место при нагреве анода электронным потоком, то переход от пузырькового режима к пленочному происходит не плавно, а скачкообразно со значительным повышением температуры поверхности, вплоть до ее проплавления (штрих 1 на кривой Нукияма).

Максимальную тепловую нагрузку при пузырьковом кипении называют первой критической плотностью теплового потока , а соответствующую температуру  температурой пережога .

Для неподвижной воды в большом объеме первая критическая плотность теплового потока Вт/м².

При обратном движении по кривой Нукияма переход от минимального теплового потока в зону пузырькового кипения также происходит скачкообразно (штрих 2 рис. 1.1). Паровая пленка внезапно разрушается и температура поверхности также внезапно снижается. Минимальная тепловая нагрузка при пленочном режиме кипения называется второй критической плотностью теплового потока и обозначается ( ).

Для воды при атмосферном давлении величина составляет q_кр2 = (20…50)·10⁴ Вт/м².

Таким образом, при электронном или электрическом обогреве поверхности, охлаждаемой испарительным способом, возникает своеобразный тепловой гистерезис.