La condensation se produit selon deux modes distincts, et l'écart de transfert thermique entre eux se compte en facteurs :
Condensation en film. Si la surface est mouillable, le liquide forme un film continu. Ce film est une couche de résistance thermique entre la vapeur et la paroi, et la résistance croît à mesure qu'il s'épaissit.
Condensation en gouttes. Si la surface est hydrophobe, le liquide se rassemble en gouttes ; quand les gouttes grossissent et s'écoulent, la surface propre en dessous est de nouveau exposée. Le coefficient d'échange est d'un ordre de grandeur supérieur à la valeur en film.
Pourquoi les conceptions reposent sur le film
Le régime en gouttes est séduisant mais non durable. Les revêtements de surface deviennent mouillables avec le temps par encrassement, oxydation et érosion, et le système revient au film. La conception des échangeurs repose donc sur l'hypothèse en film, sûre sur la durée de vie de l'équipement ; le comportement en gouttes est traité comme un bonus.
Gaz incondensables : faible fraction, grand effet
Une petite quantité de gaz incondensable (air, azote) dans la vapeur réduit le transfert thermique bien plus que prévu. À mesure que la vapeur condense à la surface, le gaz s'y accumule ; la couche de gaz qui se forme à l'interface empêche la vapeur d'atteindre la surface.
Quelques pour cent d'air peuvent dégrader nettement la performance d'un condenseur. Dans les systèmes fonctionnant sous vide, l'étanchéité est donc une question de performance et pas seulement de maintenance.
Modélisation
Résoudre le film par le maillage est rarement nécessaire dans les problèmes industriels ; le film est représenté par une résistance thermique de surface et un puits de masse. Si c'est le film lui-même qui est en question (égouttement, entraînement, érosion), il faut alors une approche à surface libre.
Lorsqu'un gaz incondensable est présent, le transport d'espèces doit être résolu ; sinon le modèle ne voit que de la vapeur et le résultat ressort optimiste.
Références
- 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).