冷凝傳熱

蒸氣在壁面上的冷凝有兩種類型：

1、膜狀冷凝。

當冷凝液能潤濕壁面時，在壁面上形成一層連續的液膜；蒸氣在液膜表面冷凝。冷凝放出的潛熱必須通過這層液膜才能傳給壁面，因此液膜是冷凝傳熱的熱阻所在。若凝液借重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱係數隨之越小。

是否形成膜狀冷凝主要取決於冷凝液的潤濕能力，而潤濕能力又取決於表面張力。表面張力小的潤濕能力強。

實踐表明，幾乎所有的常用蒸氣在純淨條件下在常用工程材料潔淨表面上都能得到膜狀冷凝。

2、滴狀冷凝。

若冷凝液不能潤濕壁面，冷凝液以液滴形態附着在壁面上。當液滴增長到一定尺寸後，沿壁面滾落或滴下，露出無液滴的壁面，供繼續冷凝。滴狀冷凝時的傳熱分系數比膜狀冷凝時大 5～10倍或更多。

但在實際設備中，滴狀冷凝不穩定,通常是膜狀冷凝,所以冷凝傳熱設備一般按膜狀冷凝設計。

當冷凝液膜為層流時，熱量僅以熱傳導方式傳遞。根據液膜的流體力學和導熱分析，可得到冷凝傳熱分系數α 的理論計算式，再引入經實驗確定的校正係數後，得到實用的半經驗式。

當蒸氣在垂直壁面冷凝時，經驗式為：

當蒸氣在水平管外冷凝時，經驗式為：

式中：

L和d 分別為豎壁高度和管子外徑；

ΔT為蒸氣飽和温度 TS與壁面温度TW之差；

r為飽和蒸氣的汽化熱；

g為重力加速度；

μ、ρ 和γ分別為冷凝液在其平均温度〔(TW+TS)/2〕下的粘度、密度和熱導率。 ^[1] 

單一飽和蒸氣冷凝時，汽相熱阻（來自氣相邊界層）一般很小，往往忽略不考慮，傳熱係數取決於液膜厚度、液膜流動狀況和冷凝液的物性。凡有利於減薄液膜厚度的因素，都會增強冷凝傳熱。例如冷凝液密度大、粘度小以及液膜流向與蒸氣流向一致等，均能使液膜減薄，從而使傳熱分系數提高；而冷凝温度差的增大，冷壁表面不光滑，則會使液膜加厚，導致傳熱係數下降。

此外，影響冷凝傳熱的因素還有：

1、不凝性氣體。

當蒸氣中存在不凝性氣體時,即使只有1%，也會導致傳熱係數下降50%以上。蒸氣中通常含有少量不凝氣體，在冷凝過程中不凝性氣體會逐漸積累。因此，冷凝器上須備有不凝氣體的排放口，操作時定期排放，以保持良好的傳熱效果。

2、蒸氣過熱。

當過熱蒸氣與温度低於飽和温度的壁面接觸時，壁面上會有凝結液析出，形成一層液膜，液膜表面温度一般認為近似等於飽和温度，由於飽和温度低於過熱蒸汽的主流温度，因此對主流蒸汽產生冷卻作用，這部分熱交換稱為顯熱交換，可由常規對流換熱關聯式計算對流換熱係數，但顯熱換熱量相對於蒸汽凝結釋放的潛熱量一般很小，所以通常忽略之。過熱蒸汽在流動過程中，一邊降低温度，一邊發生凝結，直到主流温度降低到飽和温度，此時温度不再變化，從這個位置開始，就是常規的飽和蒸汽冷凝段。

3、管子排數

上面給出的橫管凝結傳熱的公式只適用於單根橫管。對於沿液流方向由。排橫管組成的管束的傳熱，理論上只要將公式中的特徵長度d球換成nd即可計算。

實際上，這是過分保守的估計，因為上排管的凝結液並不是平靜地落在下排管上，而在落下時要產生飛濺以及對液膜的衝擊擾動。飛濺和擾動的程度取決於管束的幾何佈置、流體物性等，情況比較複雜。設計時最好參考適合設計條件的實驗資料。

4、管內凝結

在不少工業冷凝器(如冰箱中的製冷劑蒸氣冷凝器)中，蒸氣在壓差作用下流經管子內部，同時產生凝結，此時傳熱的情形與蒸氣的流速有很大關係。以水平管中的凝結為例，當蒸氣流速低時，凝結液主要積聚在管子的底部，蒸氣則位於管子上半部。如果蒸氣流速比較高，則形成所謂環狀流動，凝結液較均勻地展布在管子四周，而中心則為蒸氣核。隨着流動的進行，液膜厚度不斷增厚以致凝結完時佔據了整個截面。 ^[2] 

儘量減薄液膜厚度是強化膜狀凝結的基本原則。

蒸氣膜狀凝結時，熱阻取決於通過液膜層的導熱。因此儘量減薄液膜層的厚度是強化膜狀凝結的基本手段。為此，可以從兩個方面着手。

第一是減薄蒸氣凝結時直接枯滯在固體表面上的液膜；

第二是及時地將傳熱表面上產生的凝結液體排走，不使其積存在傳熱表面上面進一步使液膜加厚。

最近幾十年國內外工程技術界(尤其是製冷工程界)開發出了許多強化技術來達到這些目的。 ^[3] 

1、減薄液膜厚度的技術

最簡單的減薄液膜厚度的方法是:對於豎壁或豎管，在工藝允許的情況下，儘量降低傳熱面的高度，或者將豎管改置為橫管。

由於冷凝液的熱導率低，因此強化冷凝傳熱的關鍵在於減小冷凝液膜厚度。現已研製出多種可減小液膜厚度的縱槽管和波紋管。這些冷凝管利用液體表面張力的作用，使冷凝液體集中於槽溝底部，而其他表面上的液膜厚度減薄。此外，蒸氣在管束外冷凝時，要合理佈置管束位置，以減少上排管子表面的冷凝液對下排管子冷凝作用的影響，並避免液膜明顯增厚。

2、及時排液的方法

兩種常見的加速排除凝結液體的方法：

立式冷凝器，在凝液下流的過程中分段排泄，有效地控制了液膜的厚度，管表面的溝槽又可以起到減薄液膜厚度的作用；

卧式冷凝器中，如大型電站的凝汽器，泄流板可使佈置在該板上部水平管束上的冷凝液體不會集聚到其下的其他管束上。

3、強化冷凝傳熱的另一途徑是維持滴狀冷凝，為此可在壁面上塗以疏水性塗層，或在蒸氣中噴入少量油性添加物，但都難以得到持久的滴狀冷凝，這有待進一步研究。 ^[3]