Процесс кипения и эффект Лейденфроста

  В повседневной жизни мы сталкиваемся с кипением, когда готовим горячие напитки, такие как чай, кофе, варим супы. Мы так привыкли к этому обыденному явлению – кипению, что даже не задумываемся о его природе, в это время как в энергетике и промышленности важно понимать особенности протекания процесса. Давайте кратко рассмотрим процесс теплообмена при кипении однородной жидкости.
  Под кипением понимают процесс парообразования в объёме жидкости (иначе это фазовый переход из жидкого состояния в газообразное). Кипение начинается тогда, когда температура внутри жидкости оказывается выше температуры насыщения (кипения) при данном давлении, т.е. давление пара в объёме жидкости выше, чем давление окружающей среды. На температуру закипания при определённых условиях может влиять качество нагревающей поверхности: так, на хорошо полированной поверхности температура начала кипения может быть выше и наоборот. В технической литературе это объясняют так называемыми «центрами пароообразования», т.е. на полированной поверхности их будет меньше, чем на грубой шероховатой поверхности.
 Различают две разновидности процесса кипения: пузырьковое и плёночное. При пузырьковом кипении на нагревающей поверхности можно различить множество отдельных паровых пузырьков, активно перемешивающих жидкость. Это то самое кипение, которое мы все привыкли видеть. А при плёночном кипении над нагревающей поверхностью образуется сплошной слой пара, препятствующий прямому контакту жидкости и нагревательного элемента. Вид кипения зависит от интенсивности нагрева (плотности теплового потока), т.е. количества тепла, подводимого к жидкости, физических свойств поверхности нагрева (в частности, смачиваемости), физических свойств жидкости и гидродинамического режима потока (как интенсивно перемешивается жидкость). Если сильно упростить, то при небольшой разнице температур (допустим 100 градусов по Цельсию) между нагревательным элементом и жидкостью возникает пузырьковое кипение, а при большей - плёночное. На практике в энергетике процесс плёночного кипения не применяется и даже считается опасным, так как в момент перехода от пузырькового кипения к плёночному происходит резкое снижение теплопередачи от нагревателя к теплоносителю, что может привести к перегреву нагревателя и последующему разрушению трубопроводов теплообменника (что особенно опасно в случае АЭС).

  Первая крупная работа по изучению теплообмена при кипении была проведена японским исследователем Нукиямой (в некоторых источниках Никаяма). В 1934 году он опубликовал статью "The Maximum and Minimum Values of the Heat Q Transmitted from Metal to Boiling Water under Atmospheric Pressure". В ней явление кипения рассматривалось с помощью кривой кипения, демонстрирующей зависимость теплового потока нагревателя от теплового напора (разницы между температурой нагревателя и температурой кипения жидкости, т.е. насколько выше была разница между жидкостью и нагревателем). В отечественной технической литературе кривую кипения иногда именуют кривой Нукиямы. Ниже один из примеров кривой кипения.

  Хочу остановиться на плёночном кипении подробнее. С плёночным кипением связан ряд процессов: закаливание, непрерывное литье металлов, охлаждение двигателей и т. п. В этих случаях поверхность нагрева может обладать температурой, превышающей температуру кипения (насыщения), хотя основной объём жидкости остается недогретым до этой температуры. В таком случае имеется некоторая изотермическая поверхность, по одну сторону которой жидкость перегрета, а по другую - недогрета до температуры насыщения. Первая область называется кипящим граничным слоем, вторая — холодным ядром потока. В первой происходит парообразование, во второй — конденсация пара, это тоже плёночное кипение. В этом случае площадь поверхности кипения чуть меньше или равна поверхности нагрева.
В случае, когда площадь поверхности кипения много меньше нагревающей поверхности, и капли жидкости начинают «бегать», явление плёночного кипения называют эффектом Лейденфроста. При этом скорость выкипания капель заметно снижается по сравнению с пузырьковым кипением при меньших температурах. Как я уже отмечал выше, это связно с низкой теплопередачей пара.
Данный эффект назвали в честь естествоиспыталеля, описавшего его в 1756 году, - И. Г. Лейденфроста, хотя первые наблюдения относят к 1732 году.
 И в повседневной жизни мы сталкиваемся с плёночным кипением в виде эффекта Лейденфроста, даже не зная об этом, когда брызгаем водой на горячую сковороду, чтобы оценить её температуру.
Именно благодаря эффекту Лейденфроста жидкий азот при кратковременном контакте не наносит вреда человеку, т.к. между кожей и жидким азотом возникает паровая подушка, препятствующая сильному охлаждению кожи вследствие малой теплоотдачи, и капельки жидкого азота разбегаются.
 Вот видео, в котором всё довольно наглядно: