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。