凝縮熱伝達

凝縮熱伝達（ぎょうしゅくねつでんたつ）とは、伝熱現象のうち、低温の固体表面で蒸気の凝縮を伴うものである。自然対流や強制対流による伝熱よりも熱伝達率が高くなるため、熱交換器など工業的に広く利用されている。

 分類 
 膜状凝縮
凝縮液が固体面上に薄膜状に広がり、重力によって連続的に流れるもの。液膜の厚さなどの状態が熱抵抗の大きさを支配し、鉛直面に水の膜ができる場合熱伝達率は3 W/(m2 K)程度かそれ以下となる。
 滴状凝縮
固体面上に液滴の形で付着し、合体を伴いながら滴の形のまま流れるもの。熱伝達率は高く、鉛直面に水の滴ができる場合、熱伝達率は3 W/(m2 K)程度かそれ以下となる。そのため伝熱促進の点から望ましい形態であるが、滴状凝縮を長時間持続させることは一般に困難で、時間が経つと膜状凝縮に移行してしまうことが多い。

 ヌセルトの水膜理論 
膜状凝縮の理論的解析には、ヌセルトの水膜理論(1916)が知られている。実際の熱伝達率は理論値より高くなることが多いが、この理論は良い近似を与える。

この理論では以下の仮定を置くことで現象をモデル化している。
 冷却面温度 は一定
 気液界面の液温は飽和蒸気温度 で一定
 冷却面は平滑、気液界面も滑らか（波立ったりしない）
 液膜は通常薄いことから、凝縮液膜内の流れは層流
 液膜内の対流熱伝達は無視し、熱は熱伝導のみで伝わる
 蒸気流速は小さく、気液界面にせん断力は作用しない
 蒸気は純粋の乾き飽和蒸気
 物性値は一定

鉛直な冷却面状で蒸気が凝縮し、液膜ができる状況を考える。液膜発生点を起点に、冷却面に平行下向きにx軸を、それに垂直にy軸を取る。位置 における液膜厚さ は次で表される。

ただし、右辺の各無次元数は
 ：顕潜熱比
 ：グラスホフ数
 ：プラントル数
であり、
  ：液の密度、比熱、熱伝達率、粘度、動粘度、潜熱
  ：蒸気の密度
  ：重力加速度
である。

位置 における局所熱伝達率と、液膜上端から までの平均熱伝達率はヌセルト数の形で次のように表される。

また、水力直径 と平均流速 で定義される膜レイノルズ数

を用いると、平均熱伝達率 は次式で表される。

ここで左辺は凝縮数と呼ばれる無次元数である。

冷却面が鉛直から角度 だけ傾いている場合は、以上の議論のうち重力加速度 を に置き換えればよい。

凝縮液密度 が蒸気密度 より十分大きい場合、グラスホフ数は次のガリレイ数に置き換えることができる。

 乱流膜状凝縮 
膜レイノルズ数が50程度以上になると、膜の表面にさざ波が生じ、熱伝達率は高くなる。

ただし

は長さの次元をもつパラメータで、 は表面張力である。

膜レイノルズ数が1800以上、または に達すると乱流に遷移すると言われている。乱流液膜の場合、層流とは逆に膜厚の増加に伴い平均熱伝達率は上昇する。実験式として以下がある。

一様熱流束冷却面上の、一部に乱流液膜を含む膜状凝縮において 

 滴状凝縮 
滴状凝縮は膜状凝縮より高い伝熱性能が得られるが、現象が複雑であるため研究は発展途上であり、熱伝達率の整理式もまだ得られていない。

 脚注 

Category:伝熱
Category:相転移