热能传递的方式有三种:热传导、热对流和热辐射,这三种传递方式有各自的特点,对比如表1所示。


表1 传热方式比较

传热方式

热传导

温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。

热源与受热物必须有温差,且直接接触

依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动,但不发生宏观的相对位移(摩擦生热不是热传导)

热对流

流体中(液体或气体)温度不同的各部分之间,由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。

热源与受热物必须有温差,且直接接触

必须有宏观的相对位移

热辐射

物体通过电磁波来传递热量的方式。

不需要接触,也不需要介质

辐射换热过程伴随能量形式转换:热能→辐射能→热能

无论温度高低,物体总是相互辐射能量

 

热辐射加热的节能原理(图1)

 

从热辐射的定义及特点可知,热辐射具有更高的加热效率,更节能。具体可以从以下几方面详解:

1、  发热体的电、热能量转化效率

常用的电加热产品中,电热转化效率较高,可达85%以上,尤其是德国进口加热器产品,电热转化效率达90%以上。

2、  热能的传递方式

由表1可知,在传热的3种方式中,热传导和热对流都需要通过介质传递热能,能量的损耗自然非常大。而热辐射是以电磁波形式传递热能,是一种非接触式的传热方式,且无需空气、水、导热油或固体等作为介质,热损失自然非常少。

3、  热辐射的光谱波长可被加热物体分子吸收

热辐射的光谱是连续光谱,波长覆盖范围理论上是从0直至(无穷大),但是一般的热辐射主要靠波长较长的红外线进行传播。而红外线根据波长范围不同,又可细分为短波、中波、长波,不同波长的能量分配比例不一样,区别如表2所示。


表2 不同波长的红外线

名称

波长范围

波长能量分布

0 ~ 1.5 μm

1.5 ~ 3 μm

3 ~ μm

短波

  1.5 μm

46%

40%

14%

中波

1.5 μm ~ 3 μm

10%

45%

45%

长波

3 μm

2%

29%

69%

 

物体原子和分子的振动,或分子的旋转运动的特征频率分布在宽广的红外光谱区,所以红外线(尤其是中长波红外线)的振动频率更接近物质的频率,因此更容易引起物体的共振吸收,宏观表现是物体温度迅速上升。

 

综上,热辐射加热是一种非接触式、针对目标材料进行加热的传热方式,传热过程热转化效率高,热损失小,比热传导、热对流更节能。