熱量傳遞是自然界和工程技術領域中極為普遍的一種傳遞現象,如用手抓冰塊時會感到冷,這是因為手的溫度高於冰塊的溫度,兩者之間存在著溫度差,所以手上的熱量傳遞給了冰塊,手就感到冷了。再如在一根鐵棒的一端加熱,過一段時間後其另一端也就變熱了,這也是因為鐵棒的兩端之間的溫度不同,被加熱的一端的溫度高於另一端,兩端之間存在溫差,因此熱量就從加熱的溫度高的一端傳遞到溫度低的一端,使另一端的溫度漸漸升高而變得熱了。
由此可知,熱量傳遞的起因是由於物體內或係統內兩部分之間存在溫度差,即凡是有溫度差存在的地方,就必然有熱量的傳遞,並且熱量總是自發地從高溫處向低溫處傳遞。
製糖工業與傳熱的關係非常密切,在製糖生產中的許多單元操作過程都伴有熱量傳遞現象,即加熱和冷卻,如加熱和蒸發等單元操作中,都要向設備輸入或輸出熱量。除此之外,加熱蒸發設備的保溫、生產過程中的熱能的合理利用以及廢熱(餘熱)的回收等都涉及傳熱的問題。
傳熱是一種以熱能的方式進行能量傳遞的過程。高溫物體把熱量傳遞給低溫物體可通過三種基本的傳熱方式進行:熱傳導、對流和輻射。這三種傳熱方式各有不同的機理,但也有共同的規律。在傳熱過程中,這三種傳熱方式可能同時出現,不過它們所起的作用有所不同。
一、熱傳導
熱傳導又稱導熱,這種傳熱方式是在靜止介質中進行,即物體內部各個分子的相對位置不發生變化,熱由物體的高溫部位向低溫部位移動,是通過較熱的分子振動而與相鄰分子的接觸來實現的。通常固體如金屬管壁內部的傳熱就是熱傳導。
熱傳導在固體、液體和氣體中均可進行,固體中的熱傳導屬於典型的導熱方式。
若T1>T2 ,導熱就會發生,方向如箭頭所示;熱傳導的起因:自由電子的遷移;極限狀態:棒內各處溫度均勻化,則導熱不會發生;如果想維持高溫T1和低溫T2,則必須從外界不斷向高溫部分補充熱量,而從低溫部分相應地取走所傳遞的熱量。在加熱蒸發罐中亦如此。
物質導熱的能力可用熱導率(λ)表示,它表示在一定溫度下,當等溫麵垂直距離為1m,溫度差為1℃時,每平方米傳熱麵積在1h內所傳遞的熱量(kJ)。物體的熱導率與它的組成、結構、密度、溫度、壓強和溫度等許多因素有關。一般來說,固體比液體的熱導率大,而液體又比氣體的熱導率大。
二、對流
對流傳熱又稱為給熱,是指流體各部分之間發生相對位移、冷熱流體質點相互摻混所引起的熱量傳遞。對流傳熱僅發生在流體之中,而且必然伴隨有導熱現象。
在流體中產生對流的原因有兩個:一是因流體中各處的溫度不同而引起密度的差異,使輕者上浮,重者下沉,流體質點產生相對位移,這種對流稱為自然對流。二是因泵或攪拌等外力所致的質點強製流動,這種對流稱為強製對流。流動的原因不同,對流傳熱規律也不同。在同一種流體中,有可能同時發生自然對流與強製對流。
加熱蒸發傳熱過程中,常遇到的並非單純對流方式,而是流體流過固體表麵時發生的對流和熱傳導聯合作用的傳熱過程。
對流傳熱(給熱)的特點是靠近壁麵附近的流體層中依靠熱傳導方式傳熱,而在流體主體中則主要依靠對流方式傳熱。由此可見,對流傳熱與流體流動狀況密切相關。
凡是將熱能從壁麵傳給流體,或由流體傳給壁麵的傳熱過程,都是對流傳熱。在蒸發過程中,蒸汽把熱能傳給加熱管,再從加熱管(通過積垢層)傳給糖汁,就是這種傳熱的一種形式。
表麵傳熱係數(α)是對流傳熱過程的一個主要指標,它表示在溫度差為1℃時,1m2壁麵在1h內向周圍的流體放出或接受的熱量(kJ)。表麵傳熱係數與流體的種類、性質和運動狀況以及傳熱麵的形狀等一係列因素有關。
三、輻射
任何物體,隻要其絕對溫度不為0K,都會不停地以電磁波的形式向外界輻射能量,同時又不斷地吸收來自外界物體的輻射能。當物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時,該物體就與外界產生熱量的傳遞。這種傳熱方式稱為熱輻射。
熱輻射線可以在真空中傳播,無需任何介質,這是熱輻射與對流傳熱和熱傳導的主要不同點,因此輻射傳熱的規律就不同於對流傳熱和熱傳導。當輻射能遇到另一物體時就被吸收而轉變為熱能,太陽的熱能傳給地球就是通過這種輻射的作用。蒸發罐及蒸汽管道等,采用石棉保溫,就是利用它有較低的熱導率,以減少熱能的輻射作用。
不論哪一種傳熱方式,熱能總是從高溫物體傳給低溫物體,直至兩物體的溫度相等為止。溫度差是熱量傳遞的推動力,傳熱是在有溫度差的基本條件下才能發生。傳熱的三種方式有時相伴而生,發生在同一個傳熱過程中。如電爐上燒水,杯內的水被加熱的過程中包含了導熱、對流和熱輻射。