凝结换热

凝结过程中具有相变特点的两相流换热

凝结换热指凝结过程中具有相变特点的两相流换热。工质在饱和温度下由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝，当蒸汽与低于它的饱和温度的固体壁面接触时，就会放出汽化潜热而凝结下来，称为凝结换热。凝结换热是蒸汽加热设备中最基本的换热过程。

基本背景

凝结形式

因为凝结湿润壁表面的能力不同，有两种凝结形式，如果凝结液能很好地润湿壁面，就会在壁面上形成一层完整的液膜，这种方式称为“膜状凝结”；如果凝结也不能润湿壁面，就会在壁面形成一颗颗的液珠，这种方式称为“珠状凝结”。凝结液润湿壁面的能力取决于表面张力与附着力的关系。若附着力大于表面张力，则会形成膜状凝结，反之则形成珠状凝结。

珠状凝结时换热系数比膜状凝结大很多，这是因为固体壁面部分被液珠占据，部分裸露于蒸汽中，因此，换热是在蒸汽于液珠表面和蒸汽于裸露的壁之间进行的，由于液珠表面积比它所占的壁表面积大很多，而且裸露的壁上无液膜形成的热阻，所以珠状凝结换热系数大，是膜状凝结的十余倍。而膜状凝结时，蒸汽与壁之间隔着一层液膜，热阻主要在液膜层内，潜热只能以导热和对流方式通过液膜传到固体壁面，所以换热系数小。由于珠状凝结很不稳定，难以在工程中应用，所以在工业设备里多遇到的是膜状凝结。

影响因素

蒸汽流速

蒸汽流速增大，液膜流动加快，液膜变薄或脱离壁，凝结增强，换热被强化。

蒸汽纯度

蒸汽中含有微量不凝性气体和不溶于凝结液的液体时，会严重影响凝结换热。当蒸汽在壁面冷凝时，不凝气体分子也随之被带到液膜附近，并逐渐聚集在膜表面，使膜表面不凝气体浓度较高，从而增加了蒸汽分子向液膜表面的扩散阻力。同时，液层表面的蒸汽分压又低于远处蒸汽分压，使膜表面蒸汽的饱和温度降低，从而相应降低了有效的冷凝温度差，使凝结换热系数和换热量降低。

粗糙度

当凝结雷诺数较低时，凝结液容易积存在粗糙的壁上，使液膜增厚，换热系数降低；但当雷诺数较大时，换热系数又可高于光滑壁。

增强措施

增强凝结换热主要是减薄凝结液膜层的厚度，加速凝结液排泄，促成珠状凝结形成等。具体措施为：

（1）改变表面集合特征，如在壁面上顺着凝结液流动方向开出一些细小的沟槽或加上一些矮肋，使换热系数增加。一方面使槽的脊背部分增加换热面积，另一方面，由于表面张力的作用，凝结液被拉回到沟槽内，顺槽排泄，而槽的脊背上只有极薄的液膜，使热阻降低。

（2）排除不凝气体。

（3）加速凝结液排除，用加装倒流装置或低频振动、静电吸引等措施，加速凝结液排泄。

（4）创造珠状凝结的条件，在凝结壁面上涂凝结液附着力小的材料，在蒸汽中加珠凝促进剂等。

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