凝縮熱伝達 — CAE用語解説

逆というより対称のプロセスだ。沸騰は液→気への相変化で熱を奪い、凝縮は気→液への相変化で熱を放出する。凝縮熱伝達が重要なのは、潜熱が顕熱より桁違いに大きいから——蒸気を液化するとき1gあたり2257J（水の場合）もの熱を処理できる。蒸気タービン復水器、冷凍空調の凝縮器、ヒートパイプの放熱部……高密度な熱輸送が必要な場所には凝縮が必ずいる。

表面をどう液が濡らすかの違いだ。膜状凝縮は液膜が表面全体を均一に覆う状態で、Nusseltの古典理論（1916年）が適用できる。垂直平板での熱伝達率はNu∝Re^(1/4)という形になる。一方、滴状凝縮は液滴が離散的にくっつきながら落ちていく状態で、膜状より5〜10倍も熱伝達率が高い。でも工業的に安定して滴状を維持するのが難しくて、実設計では保守的に膜状として計算することが多い。

古典理論は解析解として相関式の形で使うことが多い。CFDで本格的に凝縮を解くときはVOF（Volume of Fluid）法やLee凝縮モデルを使う。Lee モデルは水蒸気と液水の間の質量移動率をm_dot = r * alpha * rho * (T-T_sat)/T_sat という形でソースタームとして扱う——OpenFOAMのinterCondensatingEvaporatingFoamが実装例だ。ただし計算コストが高いので、熱交換器設計では相関式をまずUDFで実装してCHTと組み合わせるのが現実的だよ。

シェルアンドチューブ型の凝縮器なら、管外のスチームが管内の冷却水と熱交換する。設計ステップは①Nusselt相関式で外側の凝縮熱伝達率hを計算、②管内の強制対流hを計算、③総括熱伝達率U=1/(1/h_o + t/k + 1/h_i)を求める、④必要な伝熱面積Aを逆算——という流れだ。CAEでは全体のCFD解析より、このような工学的モデルをスクリプト化して設計変数（管径・配列・段数）を自動スイープする使い方が多い。

ヒートパイプは蒸発部・断熱部・凝縮部の3区画に分かれていて、凝縮は放熱側（凝縮部）で起きる。液体が蒸発側で気化→管内を輸送→放熱側で凝縮→ウィック（毛細管材）が液体を毛細管力で蒸発側に戻す、という自律的なサイクルだ。スマートフォンの放熱やPCのCPUクーラーに使われているペーパーシンヒートパイプもこの原理。凝縮部の熱伝達率がヒートパイプ全体の性能を決めるボトルネックになることが多い。

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