强化冷凝传热

冷凝传热是指蒸气与温度低于其饱和温度的壁面接触时，将潜热传给壁面而自身冷凝的一种对流传热过程。工业上经常见到加热水蒸气再冷凝；在很多单元操作（如蒸馏、蒸发和制冷）中也有各种组分蒸气的冷凝。此外，化工生产中还有组分沸点差较大的混合蒸气的冷凝，在冷凝的同时还伴有可凝蒸气向冷凝壁面扩散的现象，故属于热质传递过程。

蒸气在壁面上的冷凝有两种类型：①膜状冷凝。当冷凝液能润湿壁面时，在壁面上形成一层连续的液膜；蒸气在液膜表面冷凝。冷凝放出的潜热必须通过这层液膜才能传给壁面，因此液膜是冷凝传热的热阻所在。②滴状冷凝。若冷凝液不能润湿壁面，冷凝液以液滴形态附着在壁面上。当液滴增长到一定尺寸后，沿壁面滚落或滴下，露出无液滴的壁面，供继续冷凝。滴状冷凝时的传热分系数比膜状冷凝时大 5～10倍或更多。但在实际设备中，滴状冷凝不稳定,通常是膜状冷凝,所以冷凝传热设备一般按膜状冷凝设计。

单一饱和蒸气冷凝时，汽相热阻（来自气相边界层）一般很小，往往忽略不考虑，传热系数取决于液膜厚度、液膜流动状况和冷凝液的物性。凡有利于减薄液膜厚度的因素，都会增强冷凝传热。例如冷凝液密度大、粘度小以及液膜流向与蒸气流向一致等，均能使液膜减薄，从而使传热分系数提高；而冷凝温度差的增大，冷壁表面不光滑，则会使液膜加厚，导致传热系数下降。

此外，影响冷凝传热的因素还有：①不凝性气体。当蒸气中存在不凝性气体时,即使只有1%，也会导致传热系数下降50%以上。蒸气中通常含有少量不凝气体，在冷凝过程中不凝性气体会逐渐积累。因此，冷凝器上须备有不凝气体的排放口，操作时定期排放，以保持良好的传热效果。②蒸气过热。当过热蒸气与温度低于饱和温度的壁面接触时，壁面上会有凝结液析出，形成一层液膜，液膜表面温度一般认为近似等于饱和温度，由于饱和温度低于过热蒸汽的主流温度，因此对主流蒸汽产生冷却作用，这部分热交换称为显热交换，可由常规对流换热关联式计算对流换热系数，但显热换热量相对于蒸汽凝结释放的潜热量一般很小，所以通常忽略之。过热蒸汽在流动过程中，一边降低温度，一边发生凝结，直到主流温度降低到饱和温度，此时温度不再变化，从这个位置开始，就是常规的饱和蒸汽冷凝段。

(1)改变冷凝表面的物理性质

通过加滴状冷凝促进剂，冷凝表面镀贵金属(金、银等)和涂高分子材料，冷凝液在表面张力的作用下使冷凝过程呈滴状冷凝，加大传热系数，从而强化传热。

(2)使用低翅片管(或螺纹管等)

使用低翅片管可达到增加传热面积和改变冷凝液分布的效果，从而强化冷凝传热。

在20世纪70年代初期采用的是光滑管，换热管水平放置，制冷剂蒸汽走管内,管外走空气，主要用于空调器中制冷剂蒸汽的冷凝。为了强化管外的换热，一般在管外加翅片。许多研究者对于光滑管内的冷凝换热的机理进行了广泛的研究，换热管直径在3~以上，制冷剂为纯质制冷剂、近共沸混合物制冷剂及非共沸混合物制冷剂。

研究证实，冷凝换热的强度与流动状态密切相关，光滑管内的冷凝过程一般可分为环状流、分层流、波状流、团状流和柱状流，团状流和柱状流在冷凝过程的末端出现，不同的流动状态，冷凝换热系数的大小不同。而流动状态是由蒸汽的剪切力和重力的大小决定的，当蒸汽剪切力起主要作用时，流动表现为环状流，当重力起主要作用时，流动表现为分层流、波状流和团状流。

对于大型冷水机组的冷凝器一般采用管壳式换热器，制冷剂走管外，管内走冷却水。对于管外冷凝强化传热技术应用得比较普遍的是二维整体翅片管(低肋管)，肋的横截面形状为梯形和矩形。低肋管的传热强化的原因在于翅片增大了换热面积及在翅的侧面形成较薄的冷凝液膜。由于液体表面张力的作用，在翅的底部，两翅之间滞留了较厚的冷凝液，这将使有效换热面积减小。

为了使聚集在翅底的冷凝液尽快排除，很多研究者对翅间距、翅高、翅厚及等进行了优化研究队，针对不同的制冷剂得到了最佳尺寸。

除了对翅片参数进行优化外，还采取一些专门冷凝液排放技术来强化冷凝换热,如排液板技术、EHD排液技术及排液孔技术。