凝结是一种相变，故在通常情况下发生的凝结，会伴随着物质的一些物理性质如密度、比热等发生变化。通过等温压缩不再能使气体液化的最低温度称为临界温度，与之对应的压强称作临界压强。液化单位质量的蒸汽为同温度的液体所放出的热量称为该种物质的凝结热，凝结热在数量上等于汽化热。相对于液相单相换热的显热，凝结热要大得多。因此，凝结传热因其更高的换热能力而在包括动力与发电，石油与化工、轻工与食品医药等领域中有广泛的应用。

按照分类方式的不同，凝结传热可分为以下几个类型：

①按照凝结发生的方式，可分为均相凝结和非均相凝结。均相凝结是指气相主体处于过冷条件下，蒸汽分子的局部扰动促使蒸汽相内部随机产生液相的过程。非均相凝结是指气相分子在与其接触温度较低的固体表面或其他材料（凝结壁面）上转变为液相的过程。在非均相凝结传热过程中，蒸汽分子首先由气相主体通过对流或扩散作用运动到相界面附近。在相界面附近由于壁面温度较低，蒸汽分子在相界面上转变为液相，并释放出凝结热，并由壁面通过热传导的方式将凝结热移走。非均相凝结传热是工业生产过程中最常见的凝结传热形式。

②按照凝结液的润湿形态，可分为膜状凝结和珠状凝结（图1）。当凝结液体能够很好地浸润壁面时，沿整个壁面形成一层液膜，并在重力作用下流动，称为膜状凝结。膜状凝结释放出的潜热必须通过液膜才能传给壁面，因此膜状凝结传热的热阻主要集中在液膜内。当凝结液体不能很好地浸润壁面时，凝结液在壁面上形成许多小液滴，称为珠状凝结，又称为滴状冷凝。凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面的附着力。若附着力大于表面张力，则会形成膜状凝结，反之，则形成珠状凝结。珠状凝结的传热系数通常是膜状凝结传热系数的几倍至几十倍。

图1 膜状凝结和珠状凝结示意图

③按照蒸气的类型，可分为纯蒸汽凝结和混合蒸气凝结。对于纯蒸气凝结过程，当蒸气在冷表面上凝结后，凝结表面附近蒸气浓度降低，很快有新的蒸气补充进来，新鲜蒸气向冷表面的传递不受阻碍。混合蒸气凝结又可根据是否含不凝性气体分为两大类，分别为含不凝性气体的混合蒸气凝结和多组分混合蒸气的凝结。对于含不凝性气体的混合蒸气凝结过程，当可凝性气体发生凝结后，不凝性气体在冷表面附近发生累积，形成浓度较高的不凝气层，浓度梯度导致混合蒸气中的可凝性气体组分向冷表面扩散，而不凝性气体组分向混合蒸气主体扩散，属于扩散控制的热量传递过程。

凝结过程中涉及的热力学问题主要包括核化过程的热力学分析和界面张力效应。

对于均相成核过程，在气相分子向团簇形式发生转变的过程中，所需克服的能垒主要由两部分构成，分别为气相分子聚集过程中分子间距离改变导致的势能变化，以及形成新的相界面时界面能的变化。根据经典毛细假设，形成聚体（单位体积内由个分子组成的团簇）所需克服的Gibbs自由能垒可以表示为：

(1)

式中为玻耳兹曼常数；为成核体系温度；为过饱和度，定义为真实蒸汽压力与冷凝温度对应饱和蒸汽压的比值；为气液界面张力；为气液接触面积。该式中第一项对应相间势能差部分，而第二项则为界面自由能贡献。

图2 团簇吉布斯形成自由能随尺寸变化关系图

的大小衡量了形成该尺寸团簇的难易程度，团簇吉布斯形成自由能随尺寸变化关系如图2所示。随着团簇尺寸增加，迅速增加，表明形成相对更大尺寸的团簇时需要克服更大的能垒。对于过热蒸汽和饱和蒸汽而言，始终随着增加而增加，显示为了形成更大尺寸的团簇所需克服的能垒越来越强。对于过饱和蒸汽而言，曲线均存在一个极值点，表明当团簇尺寸足够大时会进入热力学相对稳定的状态，蒸汽分子从团簇表面逃离的趋势被大大降低，其所对应的团簇尺寸一般被称为临界尺寸，而具有该尺寸的团簇一般被称为临界液核。临界尺寸可以表示为更为直观的临界液核半径形式：

(2)

式中为冷凝介质的比体积。

对蒸汽冷凝过程而言，临界液核尺寸也可用最小液核半径表示。根据热力学平衡分析，最小液滴尺寸可以通过经典的Kelvin公式表示为：

(3)

式中为蒸汽温度；为汽化潜热；为液相密度；为过冷度，定义为蒸汽温度与冷凝壁面温度之差。

通过该式计算得到的常压蒸汽冷凝条件下对应的r_min大致在几纳米到数百纳米量级。

对于非均相成核过程，由于壁面与液滴发生接触，在形成新的液相过程中必然同时存在着气液、固液相界面形成，因此在成核自由能的计算式中界面自由能部分的贡献有明显改变。特定润湿性能表面对应的成核自由能垒：

(4)

式中为新引入的固液界面面积。

任何液体表面都有自发缩小的倾向，这是液体表面产生界面张力的原因。界面张力和界面曲率对气相和液相主体的性质以及冷凝液形态都具有重要影响。对纯物质或组成不变系统，考虑表面能量的变化，由热力学基本关系式（）可得，在恒温恒压可逆条件下，克服附加压力环境所做的功与可逆增加表面积的吉布斯函数增加值应该相等：

(5)

式中为环境压力；为液体体积；为界面张力；为液体表面积。

对于液滴，可推导获得杨氏方程（Young-Laplace），即

(6)

式中为使液面产生位移的压差；为液滴半径。

描述凝结传热方式随表面过冷度（）增大的变化过程的曲线。如图3所示，当较低时，热通量呈现线性增长趋势，传热系数为常数。随着增大，热通量的增长速率下降，直至某ΔT时，冷凝速率大于液滴脱落速率，冷凝液在冷表面上积聚成膜，热通量达到最大值。当再继续增大，热通量经负梯度区域减小至最小值，最后到达假液膜区域。对于水蒸气，此时因表面温度低于水的冰点，凝液在表面上形成冰底层，水蒸气在冰上呈现膜状凝结，又称为冰上凝结。

另外，从滴状凝结到膜状凝结的过渡方式存在两种情况：连续过渡和跳跃过渡。其各自的微观机制及过渡方式的判据仍在研究中。同时，在凝结曲线的研究中亦观察到了滞后现象。该现象是由表面条件（如润湿性等）决定的。

图3 凝结曲线

对于膜状凝结换热，液膜的厚度决定了控制热阻的大小，也决定了传热效率的高低。因此，强化膜状凝结传热的关键在于减薄液膜厚度。长久以来，已研制出多种强化管以增强膜状凝结换热，如翅片管、波节管、螺纹管、肋管等，这些强化管利用液体的表面张力作用，使凝结液体集中于沟槽底部，而其他表面上的液膜厚度减薄。此外，还可通过合理布置管束位置的方式加快排液。强化凝结传热的另一途径是维持珠状凝结，可通过涂覆疏水性涂层或往蒸气中添加有机促进剂等手段实现，但由于低表面能促进剂易脱落、蒸气及凝液污染等问题，持续稳定的珠状凝结传热过程在工业中仍难以实现。另外，超疏水表面上可形成卡西（Cassie）润湿模式的凝结液滴，在含不凝气或小过冷度下可以在微米尺度下发生合并诱导的液珠弹跳，大大降低了液珠的脱落半径，是强化珠状凝结传热的有效手段。

对于纯蒸汽凝结传热的强化，通常是通过固液界面作效应，即冷表面的物理化学特性，对凝液形态和动态过程进行调控，如液滴扫掠、液滴弹跳等。对于含不凝性气体的混合蒸气凝结，不凝性气体累积层是限制混合蒸气凝结传热的关键因素。因此，对于混合蒸气凝结传热过程的强化，关键在于利用气液界面效应，即利用压力、剪切力等，增强气相扩散、液膜波动及液膜导热。另外，凝结设备上须备有不凝气的排放口，操作时定期排放，以保持良好的传热效果。