薄膜冷凝/液滴冷凝實驗原理如下圖所示，蒸氣與低溫固體表面接觸時會形成一層液膜，此一 液膜為一熱傳阻力導致溫度降的現象，當液膜越厚，熱傳阻力越大（亦 即液膜越厚，熱傳係數h越小）。薄膜壁金Ts/凝蒸氣的組成可能為:單一物質、可凝和不可凝物質的混合物，或由兩種或更多種的可凝蒸氣所混合而成。在正常的情況下，冷凝器 中的摩擦損失是小的，所以冷凝在本質上是個恆壓過程。而單一純物 質的凝結溫度只是壓力的變數，所以純物質的冷凝過程是恆溫的。且 冷凝液也是純液體。在恆壓下，混合蒸氣在某個溫度範圍下冷凝，並 生成不同組成的冷凝液，一直到所有的蒸氣都被冷凝為止，而此時冷 凝液的組成。等於最初冷凝的蒸氣組成指一種可凝的成分從它和另一 種不可凝物的混合物中冷凝出來一個普遍的例子，就是水蒸氣從水蒸 氣和空氣的混合物中冷凝出來。滴狀或膜狀冷凝蒸氣是以所謂的滴狀或膜狀的方法凝結在冷表 面上的。膜狀冷凝較滴狀冷凝更為普遍，在膜狀冷凝中，液態冷凝液 形成一液體的薄膜或連續液層，在重力的作用下沿著管整個表面流 下。這一層液體介於蒸氣和管壁之間，而產生了熱流阻力，所以它決 定了熱傳係數的大小。在滴狀冷凝中，冷凝液首先是在凝核位置上形成，典型的凝核位 置是在有微凹、刮痕或塵粒的地方。這些微滴逐漸變大，並和鄰近微 滴結合，形成可見的小滴，就像在潮濕的室中冷水瓶外側所見到的情 形。接著這些小滴就形成一股小水流，在重力作用下沿著管子流下， 帶走了冷凝液，並清理表面以便更多的小點冷凝之用。在滴狀冷凝期 間，冷管的廣大面積都是暴露在蒸氣中的。因為沒有液膜存在，所以 在暴露面積上的熱流阻力非常小，而熱傳係數就相對的變高。邂狀冷 凝的平均係數大約是膜狀冷凝的5至8倍。在長管子上，一部分的表 面可能是膜狀冷凝，其餘的表面是滴狀冷凝。對於滴狀冷凝最重要且最廣泛的觀察是對水蒸氣做的，但對乙二 醇、甘油、硝基苯、異庚烷、和其他的有機蒸氣等也曾有過觀察。液 態金屬通常都是以滴狀凝結的。滴狀冷凝的現象在於液體能否沾濕表面，所以，就基本上而言，這種現象是屬於表面化學的範疇。水蒸氣冷凝現象，其實驗結果可歸納如下:1、當冷卻器表面屬於親水性時，界面能較低，易形成薄膜冷凝，若冷卻器表面作平滑面處理亦較易形成薄膜冷凝。2、當冷卻器表面屬於疏水性時，界面能較高，減少接觸面積可降低 界面能，故易形成滴狀冷凝，若冷卻器表面作粗面處理更可促進凝核。3、促使滴狀冷凝所需要的表面處理劑只需極微量，只要一層單分子 的薄層即可。4、在完全滴狀冷凝裡，所能得到的熱傳係數可高達1.25x10 J/s-m2-C。雖然也有利用人為方法造成滴狀冷凝以獲得較大熱傳係數的利益，但因此種冷凝甚不穩定，且不易保持，故並未廣泛採用。滴狀冷凝不十分穩定其熱傳送係數至今尚無法推。算在實際情況裡，薄膜冷凝遠較滴狀冷凝普遍，因此在正常設計裡，都假定是薄膜的冷凝，以計算滴狀冷凝之熱傳係數。膜狀冷凝的熱傳係數是膜狀冷凝中熱傳送速率之基本方程式，首先是由 Nuseelt 導出的。 Nuseelt 方程式的基本假設是在液體邊界層 外，蒸氣和液體是達到熱力學平衡的。所以，熱流唯一的阻力是由冷凝所造成的。而這冷凝亦受重力的作用以層流向下流。又假設：液體 在壁上的速度為零；在薄膜外側的液體速度不受蒸氣速度的影響；壁溫度和蒸氣溫度是恆定的。並假設蒸氣沒有過熱，且假設冷凝液是在 凝結溫度離開管子；液體的物理特性則採用平均薄膜溫度時的數值。 直立管子在膜狀冷凝中 ，Nuseelt 定理指出冷凝液的薄膜，在管子的 頂端開始形成，且冷凝膜的厚度在頂端最初的數吋內迅速的增加，而 在其餘的管長中，其增加速度就越來越慢。假定通過冷凝液薄膜的熱 流，完全是由傳導的作用，所以局部係數可由下式表之，h = k/ 8(1)式中8是局部薄膜厚度所以局部係數隨著薄膜厚度成反比增加o h與8隨著與管子頂端x之距離而變化，如圖一所示的是一個典型的例子。薄膜厚度8可由下式求得。8 = (3|!fr/Pf2g cos 卩)1/3(2)因為在薄膜內有溫度梯度，所以液體的特性是以平均薄膜溫度Tf計算之，Tf由式(13)求得對直立表面上的冷凝而言，因其cos卩=1，所以(2)式可改為8 =(3yfr/Pf2g)1/3帶入式(1)中的8項，則得距直立表面頂端的距離為L時之冷凝液負(4)荷r，其局部熱傳係數可由下式表之hx = kf(pf2g/3rf)1/3離開管頂的距離(ft)圖一.下降冷凝薄膜的厚度及局部係數由上圖知，薄膜越厚，熱傳係數越小，熱傳阻力越大。對直立管外側的冷凝其局部係數又可用下列關係式表示h =dq / ( T dA )二(九 dm)/ ( T n D dL)(5)f o o o o式中九：汽化熱m:冷凝液的局部質量流率因為 m / (n D )= roh 二dr)/ ( T dL)(6)xo對整個管子的平衡係數的h ,可如下定義，h三q/(A To)二(mTQ/(nDL/ T。)二(几九)心严 T。)(7)其中 qT= 總熱傳速率mT= 總冷凝速率LT= 總管長rb=管底的冷凝液負荷b從式(4)及(6)中消去h，並就 T解得，xo T。二(35f/Pf2g)i/3 dr/ kf dL)(8)式(8)代替式(7)中的 To得，h 二(rbkf/LT)(pf2 g /3f)1/3(dL /dr)整理式(9)，並就上、下限積分得，h 严 ri/3dr 二(rbkf/LT)(pf2g/3f)i/3 JdL(10)則h = (4kf/3)(pf2g/3rbf)1/3(11)式(11)可整理得，h (f2/kf3pf2g)1/3= 1.47(4几/片)-1/3(12)計算片，kf , pf的參考溫度，可由下式定義Tf= Th-3(Th-Tw)/4=人-(3厶 T/4)(13)式中 Tf = 參考溫度T =冷凝蒸氣的溫度(本實驗以T代表Th)sshTw = 管壁外表面溫度w式(12)常以一相等的形式使用，即由式(7)及(12)消去rb項，b故，對直立管外側的冷凝h = 0.943(kf3pf2gMA ToLyf)1/4 t h 8 (1/AT严(14)f f 0 f T In h 8 (1/4) lr(1/T又，以下列方程式求h=？q = hA(AT = mC (T - T J T = T - Toc pc c,out c,ino s wmc :質量流率kg/sCpC：水比熱 4180 J/kg-Ch :單位J/s-m2-C