下载文档 () / 20
动力,因我们而不同*

日常热现象:一锅沸腾的水

烹饪就是把热量传递至食材,让食材更易消化、口感更佳的方法。下面我们用热成像视角来观察一锅沸腾的水。烧水是烹饪当中十分常见的操作。

我们借这个日常热现象案例,了解三种传热方式:传导、对流和辐射。

校准我们的热成像视角

借助热像仪,我们来拆解烧水的每一个步骤。热像仪输出彩色图像,不同颜色代表不同温度。该热成像色标中,深蓝色代表最低温,依次过渡到绿色、黄色、橙色、红色,白色代表最高温。这是一只空铝锅,我们接下来会往里面加水。锅放置在厨房的玻璃面板电炉上。我们以此作为观测基准。

Eaton large thermal vision empty
Eaton large thermal vision hot spots

请注意,此时尚未加水,也未开灶,但画面中已经可以看到若干热点。热像仪会根据拍摄到的温度自动调整显示色阶,可以看出这些物体之间的温差并不大。遗憾的是,热像仪保存图片时不会附带完整色标,每张图片的色标仅对应成像瞬间的完整色阶。

电炉还未开启,这些热点从何而来?

我们看到温度最高的热点是电炉的 LED 显示屏。电炉在显示时间时会发光发热,热像仪便捕捉到了该热量。画面右上角还可以看到另一处温度偏高区域。这是电源插座。电流流经电线会因电阻产生少量热量,而石膏隔墙无法隔绝该热辐射,因此被热像仪探测到。

辐射

接下来看还未被加热的锅体上的两处亮斑。亮黄色的光斑实际是厨房窗户入射的光和热形成的反射。那个黄绿色光斑又是什么? 那就是热反射现象。热能可以发生辐射,其行为特性与光线类似。光亮的表面(比如光亮的锅体)会反射热辐射。

Eaton large thermal vision radiation

下一组图中,电炉已经通电并产生热量。左侧图可以看到我们站立位置形成的绿色热反射光斑,但在右侧图中,我们用厚布遮挡,避免人体热辐射经由锅面反射回热像仪。可以看到,右侧锅体图像中,中间那一块绿色光斑已经消失。

传导

Eaton large thermal vision stove turned
现在加入一些水,并打开电炉。我们向锅中加足半锅水。在这张图中,我们仍然可以看到电炉 LED 显示屏,以及图像上方的电源插座。注意,它们的亮度相比第一张图明显减弱。电炉温度和这些物体之间的温差已经发生巨大变化,热成像的色彩表现也随之更新。从图像中由中绿色逐步过渡到蓝色和深蓝色的色彩变化可以看出,热量通过热传导沿着锅壁向上传递。
我们可以看到电炉产生的热量,其中一部分从锅底向上传导并散出。锅内侧的绿色区域,还可以看到部分向外反射的热辐射。炉灶台面温度继续升高,温度最高区域开始出现黑色斑块。这是热像仪的成像伪影,该处温度已经超出仪器测量范围。这台热像仪的测量上限为 302.4°F (150°C)。
Eaton large thermal vision stove heating

对流

Eaton large boiling pot water
我们已经看过辐射和传导,接下来观察对流。如果我们仔细观察锅体,可以看到在水开始沸腾之前已经有少量蒸汽产生。补充说明一下,锅体上的蓝色斑点是锅把手的铆钉安装位置。铆钉位置温度比锅体其他部位略低,因为把手相当于散热器,会把锅侧壁的热量导出。

翻滚沸腾

水开始沸腾后,大量水汽不再仅在锅内翻腾,而是向上升腾,逸出锅外。通常会形成一股向上的中心羽流,但气流形态变化难以预判。自然对流受周边环境条件影响极大。环境空气的微小变化就会显著改变蒸汽中心羽流的运动状态。

Eaton large boiling pot water rolling
Eaton large boiling pot water inside
详细了解传热基础原理,或联系我们的团队,帮助您应对传热相关挑战。