Kondensation tritt in zwei verschiedenen Formen auf, und der Unterschied in der Wärmeübertragung zwischen ihnen beträgt Faktoren:
Filmkondensation. Ist die Oberfläche benetzbar, bildet die Flüssigkeit einen durchgehenden Film. Dieser Film ist eine Widerstandsschicht zwischen Dampf und Wand, und der Widerstand wächst, während der Film dicker wird.
Tropfenkondensation. Ist die Oberfläche hydrophob, sammelt sich die Flüssigkeit in Tropfen; wachsen die Tropfen und laufen ab, liegt die saubere Oberfläche darunter wieder frei. Der Wärmeübergangskoeffizient liegt eine Größenordnung über dem Filmwert.
Warum Auslegungen auf dem Film beruhen
Das Tropfenregime ist reizvoll, aber nicht dauerhaft. Oberflächenbeschichtungen werden mit der Zeit durch Verschmutzung, Oxidation und Erosion benetzbar, und das System fällt auf den Film zurück. Die Auslegung von Wärmeübertragern beruht daher auf der Annahme der Filmkondensation, die über die Lebensdauer der Anlage sicher ist; Tropfenverhalten wird als Zugabe behandelt.
Nicht kondensierbare Gase: kleiner Anteil, große Wirkung
Eine geringe Menge nicht kondensierbaren Gases (Luft, Stickstoff) im Dampf mindert die Wärmeübertragung weit stärker als erwartet. Während der Dampf an der Oberfläche kondensiert, reichert sich das Gas dort an; die an der Phasengrenze entstehende Gasschicht hindert den Dampf daran, die Oberfläche zu erreichen.
Wenige Prozent Luft können die Leistung eines Kondensators deutlich verschlechtern. In unter Vakuum arbeitenden Anlagen ist die Dichtheit daher eine Leistungsfrage und nicht nur eine Wartungsfrage.
Modellierung
Den Film mit dem Netz aufzulösen ist bei industriellen Aufgaben selten nötig; der Film wird als Oberflächenwärmewiderstand und als Massensenke abgebildet. Ist der Film selbst die Frage (Abtropfen, Mitriss, Erosion), dann wird ein Ansatz mit freier Oberfläche gebraucht.
Ist nicht kondensierbares Gas vorhanden, muss der Speziestransport gelöst werden; sonst sieht das Modell nur Dampf und das Ergebnis fällt optimistisch aus.
Referenzen
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
- Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).