冷凝傳熱

蒸氣與溫度低於其飽和溫度的壁面接觸時，將潛熱傳給壁面而自身冷凝的一種對流傳熱過程。工業上經常見到加熱水蒸氣在冷凝；在很多單元操作（如蒸餾、蒸發和製冷）中也有各種組分蒸氣的冷凝。此外，化工生產中還有組分沸點差較大的混合蒸氣的冷凝，在冷凝的同時還伴有可凝蒸氣向冷凝壁面擴散的現象，故屬於熱質傳遞過程。

類型 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。②滴狀冷凝。若冷凝液不能潤濕壁面，冷凝液以液滴形態附著在壁面上。當液滴增長到一定尺寸后，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係數比膜狀冷凝時大 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。

冷凝的傳熱分係數 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，可得到冷凝傳熱分係數α 的理論計算式，再引入經實驗確定的校正係數后，得到實用的半經驗式。當蒸氣在垂直壁面冷凝時，此半經驗式為：

當蒸氣在水平管外冷凝時為：

冷凝傳熱

式中L和d 分別為豎壁高度和管子外徑；ΔT為蒸氣飽和溫度 與壁面溫度之差；r為飽和蒸氣的汽化熱；g為重力加速度；μ、ρ 和 λ 分別為冷凝液在其平均溫度下的粘度、密度和熱導率。

影響冷凝傳熱的因素 單一飽和蒸氣冷凝時，汽相沒有熱阻，傳熱分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，從而使傳熱分係數提高；而冷凝溫度差的增大，冷壁表面不光滑，則會使液膜加厚，導致傳熱分係數下降。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，也會導致傳熱分係數下降以上。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。當過熱蒸氣與溫度低於飽和溫度的壁面接觸時，先在汽相狀態冷卻到飽和溫度，然後在壁面上冷凝。此時過熱蒸氣的冷凝與飽和蒸氣的冷凝差別不大。

冷凝傳熱的強化 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（見圖）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，要合理布置管束位置，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。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。