對流凝結換熱現象
當蒸汽與低於其飽和溫度的冷壁面接觸時，就會發生凝結換熱現象，蒸汽釋放出汽化潛熱，凝結成為液體。實驗觀察表明：蒸汽在冷壁面上凝結時，凝結液體以2種形式依附在壁面上，分別稱為膜狀凝結和珠狀凝結。
對流凝結換熱 對流凝結換熱如果凝結液能很好地潤濕壁面，如圖1-a所示，汽、液分界面對壁面形成的邊角 小，則液體潤濕能力強，它就在壁面上形成一層完整的液膜，液膜在重力作用下沿壁面向下流動，稱為膜狀凝結，這是最常見的凝結形式。膜狀凝結時，蒸汽與壁面間隔著一層液膜，凝結只能在膜的表面進行，汽化潛熱則以導熱和對流方式通過液膜傳遞到壁面，處於層流流動的液膜，流動速度非常緩慢，因此傳熱方式主要依靠導熱。這時，液膜層就成為凝結換熱的主要熱阻。如果凝結液不能很好地潤濕壁面，邊角 較大，如圖1-b所示。此時，凝結液體將在壁面上形成一顆顆的小液珠，稱為珠狀凝結。小液珠在冷壁面上形成，並不斷地發展長大，在非水平的壁面上，受重力作用，液珠長大至一定尺寸時就沿壁面滾下。液珠滾下的過程中，一方面匯合沿程相遇的液珠，合併成為更大的液珠，另一方面它清掃了沿途的壁面，使壁面重新裸露並重複液珠的形成和成長過程。
圖1
圖2圖2是珠狀凝結的照片，從中可清楚地看出珠狀凝結時壁面上不同大小液珠的存在情況。
對流凝結換熱
對流凝結換熱
對流凝結換熱珠狀凝結時，壁面上除液珠覆蓋的部分以外，其餘壁面都裸露於蒸汽中。因此，凝結過程是在蒸汽與液珠表面及蒸汽和裸露的壁面之間進行的。由於液珠的表面積比其所占的壁面面積大很多，而且裸露的壁面上無液膜熱阻，故珠狀凝結具有很高的表面傳熱係數。實驗測量表明，大氣壓下的水蒸氣呈珠狀凝結時，表面傳熱係數可達 ，而相比之下，膜狀凝結為 W/(m2·℃），二者相差10餘倍2]。但珠狀凝結很不穩定，儘管採用材料改性處理技術]及加珠狀凝結促進劑等技術措施，仍然難以使壁面上長久維持珠狀凝結條件。因此，所有的冷凝換熱設備都是根據膜狀凝結條件設計的，以使換熱設備在不利條件下仍能滿足預定的換熱要求。
影響膜狀凝結的因素及強化換熱的措施
影響因素
（1）蒸汽速度：努謝爾特層流膜狀凝結理論假定蒸汽速度為0，因此汽一液交界面上不存在粘性應力，所獲得的分析解只適用於蒸汽速度較低的情況。如果蒸汽速度較大，必然在液膜表面產生明顯的粘性應力。假如蒸汽速度垂直向下，粘性應力的作用是把液膜更快地拉向豎直壁面的下方，因此使液膜減薄，從而增大凝結換熱量和表面傳熱係數。如蒸汽向上流動，則趨向於阻止液膜向下流動，使液膜層增厚，減小表面傳熱係數。但如果蒸汽速度很大，則不論是向上或向下流動，都會使得液膜脫離壁面，強化了凝結換熱。
（2）不凝性氣體：蒸汽中即使只含有微量的不凝性氣體，如空氣，也將會對凝結換熱產生極其有害的影響。例如，在一般的冷凝溫差下，當不凝性氣體體積分數為0.2%時，表面傳熱係數將下降20%~30%；體積分數為0.5%時，降低50%；而當體積分數達到1%時，表面傳熱係數將僅達到純淨蒸汽的1/3。不凝性氣體對凝結換熱產生影響的原因是：蒸汽凝結時，把不凝性氣體也帶到了液膜附近，因不能凝結而逐漸聚集在液膜表面，使這裡的不凝性氣體濃度（分壓強）高於離膜面較遠處的濃度，從而增加了蒸汽分子向液膜表面擴散的阻力。同時，由於總壓強保持不變，故膜層表面的蒸汽分壓強低於遠處的蒸汽分壓強，膜表面蒸汽的飽和溫度降低，相應地降低了凝結溫差，使換熱量和表面傳熱係數降低。因此，在冷凝器中有效地排除不凝性氣體是非常重要的。增大蒸汽的流速能夠破壞不凝性氣體在液膜表面的聚集，使不凝性氣體的影響減小。多組分蒸汽凝結時，凝結溫度低的組分也具有不凝性氣體的類似作用。
對流凝結換熱（3）過熱蒸汽在壓縮式制冷機中，從壓縮機進入冷凝器的製冷劑蒸汽是過熱蒸汽，這時液膜表面仍將維持飽和溫度，只有遠離液膜表面的地方才維持過熱溫度，故凝結換熱溫差仍為 。實驗證實，即使有很高的過熱度，用前述公式計算凝結換熱表面傳熱係數仍然誤差不大，例如，在大氣壓力下，38℃的過熱度h值僅增大約1%，可以忽略不計。但為了考慮蒸汽過熱的影響，在採用上述公式計算時可用過熱蒸汽和飽和液體的焓差代替汽化潛熱r。
（4）蒸汽中含油如果蒸汽中含有不溶於凝結液的油（如水蒸氣和氨蒸汽中的潤滑油），則油可能沉積在壁面上形成油垢，增加了熱阻。
對流凝結換熱 對流凝結換熱（5）表面粗糙當 較小時，凝結液易於積存在粗糙的壁面上，從而使液膜增厚，表面傳熱係數可低於光滑壁的30%；但當>140以後，表面傳熱係數又可高於光滑壁。這種現象類似於粗糙表面對單相流體對流換熱的影響。
強化凝結換熱的措施
強化凝結換熱的關鍵是設法減薄凝液膜層的厚度，加速凝液的排泄，以及促成珠狀凝結等。主要措施如下：
（1）採用高效冷凝表面：在豎壁或豎管上順凝液流向開溝槽，在水平管上開螺旋槽或加低肋，可製成高效冷凝表面，從而使表面傳熱係數成倍的增加。其強化換熱的機理一方面是槽（或肋）的脊背部分可起到肋片的作用，更主要的是凝結液將由於表面張力的作用被拉回到溝槽內，順槽排泄，而槽的脊背上液膜厚度大為減薄，使膜層熱阻大大降低。
（2）有效地排除不凝性氣體：前已分析，不凝性氣體對凝結換熱的影響極大，因此應採取措施有效地排除不凝性氣體。對於負壓運行的冷凝器（如發電廠的冷凝器），由於空氣容易滲入，應在這類設備中加裝抽氣裝置。
（3）加速凝結液的排除：加裝中間導流裝置，使凝液在下流過程中分段排泄；使用離心力、低頻振動和靜電吸引等方法加速凝結液的排泄。
