Kūno vidinę energiją galima pakeisti ne tik atliekant mechaninį darbą. Yra trys pagrindiniai šilumos perdavimo būdai: šiluminis laidumas, konvekcija ir šiluminis spinduliavimas.
Šiluminis laidumas
Šiluminis laidumas - tai šilumos perdavimo būdas, kai energija sklinda kūno viduje arba iš vieno besiliečiančio kūno į kitą. Šiluma visada sklinda iš šiltesnės kūno dalies į šaltesnę.
Pavyzdžiui, į karštą arbatą įdėtas metalinis šaukštelis gauna šilumos. Įvairios medžiagos šilumą praleidžia skirtingai. Metalai, ypač sidabras ir varis, yra labai geri šilumos laidininkai, o mediena, stiklas ir plastikas - šilumos izoliatoriai.
Konvekcija
Kaitinamuose skysčiuose ir dujose susidaro konvekcinės srovės, kurios perneša energiją. Tai kitas šilumos perdavimo būdas, vadinamas konvekcija (lot. convectio - sunešimas, suvežimas). Ji būna dviejų rūšių: laisvoji (natūralioji) ir priverstinė.
Priverstinė konvekcija vyksta, kai nevienodai įšilusį skystį arba dujas maišome siurbliu, ventiliatoriumi.
Šiluminis spinduliavimas
Šiluminio spinduliavimo būdu energija perduodama spinduliais, o ne medžiaga. Kitaip nei kiti du būdai, infraraudonasis spinduliavimas galimas ir vakuume. Šviečianti elektros lemputė yra pavyzdys.
Pavyzdžiui, laužas šilumos aplinkai perduoda gerokai daugiau nei žmonių kūnai. Žemesnės temperatūros kūnai sugeria dalį įkaitusio kūno išspinduliuotos energijos. Tamsesnis, matinio paviršiaus kūnas energijos sugeria daugiau nei atspindi.
Šilumos perdavimo būdai:
- Šiluminis laidumas - energija sklinda kūno viduje arba iš vieno besiliečiančio kūno į kitą.
- Konvekcija - energijos pernešimas srautais skysčiuose ir dujose.
- Šiluminis spinduliavimas - energijos perdavimas spinduliais.
Šilumos siurbliai
Šilumos siurbliai - tai įrenginiai, gebantys su tam tikru kiekiu elektros energijos pagaminti didesnį kiekį energijos, kuri buityje pasireiškia kaip šiluma ar vėsa. Jų veikimo principas yra paremtas antruoju termodinamikos dėsniu, kurį pastebėjo prancūzų matematikas Sadi Carnot. Šis matematikas atrado dėsnį, pasak kurio, šiluma visados juda į šaltesnės terpės pusę.
Šiai dienai yra sukurta įvairaus tipo šilumos siurblių. Rinkoje galima rasti oras-oras, oras-vanduo, vanduo-vanduo, gruntas-vanduo bei kitokio tipo šilumos siurblių. Visi šilumos siurbliai dirba tuo pačiu principu. Šilumos siurbliai naudodami freono ar kito tipo dujas, kurios verda prie minusinių temperatūrų, ir kompresorių, kurie suslegia dujas, gamina šiluminę energiją. Jau pagaminta energija būna perduodama į mūsų namus.
Kad būtų galima vykdyti šį procesą visi šilumos siurbliai suvartoja tam tikrą elektros kiekį. Didžiąją dalį šios elektros energijos suvartoja kompresorius.
Šilumos perdavimo teorija ir plokšteliniai šilumokaičiai
Šilumos perdavimo teorija teigia, kad fizikos dėsniai leidžia šilumos energijai judėti sistemoje, kol bus pasiekta pusiausvyra. Šilumokaičių veikimas grindžiamas temperatūros išlyginimo principu. Yra keli pagrindiniai netiesioginių šilumokaičių tipai (plokšteliniai, vamzdeliniai, spiraliniai, kt.). Daugeliu atvejų plokštelinis šilumokaitis laikomas efektyviausiu.
Plokšteliniame šilumokaityje šiluma labai lengvai praeina per karštos ir šaltos terpių atskyrimo medžiagos paviršių. Vykstant šilumos perdavimui spinduliavimo būdu šilumos energija perduodama elektromagnetiniu spinduliavimu.
Didelė terpės srauto turbulencija sudaro geras sąlygas intensyvesnei konvekcijai arba efektyvesniam šilumos perdavimui tarp skysčių. Be to, lyginant su įprastu vamzdeliniu šilumokaičiu, plokštelinio šilumokaičio šilumos perdavimo paviršiai yra daug mažiau linkę užsiteršti (nuosėdų susidarymas).
Plokštelinį šilumokaitį sudaro rėmas ir tam tikras skaičius atskirų plokštelių. Pridėjus papildomų plokštelių, tokio tipo šilumokaityje lengva padidinti jo našumą.
Daugumoje „Alfa Laval“ plokštelinių šilumokaičių yra dviejų skirtingų štampavimo profilių plokštės. Kai naudojama „L“ formos plokštelė, šilumokaitis dirba su nedideliais slėgio nuostoliais ir atitinkamai su šiek tiek mažesniu šilumos perdavimo koeficientu.
Norint išspręsti šilumos perdavimo uždavinį, būtina žinoti kelių parametrų reikšmes. Žinant jas, galima nustatyti kitus duomenis. Žemiau pateikiama „Šilumos perdavimo teorija.
Vidutinė logaritminė temperatūros apkrova (LMTD) yra efektyvia šilumokaičio varomąja jėga. Šis parametras gali būti išreikštas, vartojant du skirtingus terminus: masės srautas arba tūrio srautas. Jeigu kalbama apie masės srautą, jis išreiškiamas kg/s arba kg/h, esant tūrio srautui yra naudojami matavimo vienetai m3/h arba l/min.
Šilumokaičio parinkimas konkrečios užduoties įvykdymui paprastai priklauso nuo reikiamo terpės srauto dydžio. „Alfa Laval“ plokšteliniai šilumokaičiai gali būti naudojami esant masės srautui nuo 0,05 iki 1 000 kg/s. Jeigu kaip darbinė terpė naudojamas vanduo, šis diapazonas yra ekvivalentiškas tūrio srautui nuo 0,18 iki 3600 m3/h.
Plokštelinio šilumokaičio dydis tiesiogiai priklauso nuo slėgio nuostolio dydžio (Δp). Jeigu yra galimybė padidinti leidžiamus slėgio nuostolius, tai bus galima panaudoti labiau kompaktišką ir tuo pačiu pigesnį šilumokaitį.
Santykinė šiluminė talpa (сp) parodo energijos kiekį, kurio reikia 1 kg kokios nors medžiagos temperatūrai pakelti 1 °C, esant tam tikrai temperatūrai. Klampumas yra skysčio takumo matas.
Kiekvienas šiose formulėse esantis parametras gali daryti įtaką šilumokaičio pasirinkimui.
Naudojant plokštelinius šilumokaičius yra šie privalumai - nedidelis temperatūrų skirtumas ir mažas plokštelių storis, kuris paprastai būna nuo 0,3 iki 0,6 mm. Šilumos atidavimo koeficientai (α1 ir α2) bei taršos koeficientas (Rf) dažniausiai būna labai maži dėl terpės takumo didelio turbulentiškumo abejuose šilumokaičio kontūruose.
Daugumoje „Alfa Laval“ vandens / vandens tipo plokšteliniuose šilumokaičiuose naudojamos aukštos kokybės AISI 316 markės nerūdijančio plieno plokštelės. Jeigu chloro junginių vandenyje kiekis, parodytas 17 puslapyje esančioje lentelėje, yra toks, kad nebūtina naudoti AISI 316 markės plieną, kartais gali būti naudojamas pigesnis AISI 304 markės nerūdijantis plienas.
Plokštelinio šilumokaičio kaina priklauso nuo maksimalių leistinų slėgio ir temperatūros reikšmių.
Plokštelinių šilumokaičių konstrukcija užtikrina žymiai didesnį turbulentiškumą ir atitinkamai didesnį šiluminį naudingo veikimo koeficientą (NVK), palyginus su tradiciniais vamzdeliniai šilumokaičiais. Paprastai plokštelinio šilumokaičio (vanduo/vanduo) šilumos perdavimo koeficientas (k) gali siekti nuo 6 000 iki 7 500 W/(m2 х °C), o tradicinio vamzdelinio šilumokaičio, naudojamo tokiomis pačiomis sąlygomis, šilumos perdavimo koeficientas siekia tik 2 000-2 500 W/(m2 х °C).
Skaičiuojant vamzdinius šilumokaičius Rf reikšmė lygi 1 х 10-4 (m2 х °C)/W. Šiuo atveju k reikšmė, nuo 2 000 iki 2 500 W/(m2 х °C), duoda apskaičiuotąjį rezervą (M = kc х Rf) 20-25 %.
Skaičiuojant vamzdelinį šilumokaitį apskaičiuotasis rezervas pridedamas, padidinant vamzdžių ilgį ir paliekant tą patį terpės srautą per kiekvieną vamzdį. Skaičiuojant plokštelinį šilumokaitį toks pats apskaičiuotasis rezervas užtikrinamas, padidinant lygiagrečių kanalų skaičių arba sumažinant srautą kiekviename kanale. Tai sumažina terpės srauto tubulentiškumą, sumažina šilumos apykaitos efektyvumą ir padidina šilumokaičio kanalų užteršimo pavojų.
Plokšteliniai šilumokaičiai yra tinkami išspręsti daugumą gana paprastų šilumos mainų tarp tokių skysčių porų kaip vanduo ir vanduo, vanduo ir alyva, vanduo ir glikolis, problemų. Kiekvienas kataloge nurodytas plokštelinis šilumokaitis gali spręsti keletą technologinių uždavinių.
Šilumokaičiai naudojami pakaitinti ar atvėsinti įvairius skysčius pramonės įmonėse, kondicionuoti orą, atšaldyti technologinio proceso metu ir kt. Nors šilumos perdavimo principas išlieka toks pat, nepriklausomai nuo naudojamos terpės, reikia išskirti mūsų gaminamų plokštelinių šilumokaičių panaudojimo būdus.
Didžiojo dalis mūsų gaminamų šilumokaičių šilumos perdavimo užduoti sprendžia, kai abiejų kontūrų terpė yra vanduo (vanduo/vanduo režimas). Kai kuriose pramonės šakose alyva turi būti aušinama vandeniu.
Reikia pažymėti, kad įvairių glikolių fizinės savybės yra beveik vienodos.
Plokštelinį šilumokaitį sudaro tam tikras skaičius šilumos apykaitos plokštelių, kurios pritvirtintos tarp šilumokaičio atraminių sijų ir prilaikomos vietoje atramine (rėmine) ir prispaudimo plokštėmis, sudarydamos su jomis vieną mazgą. Tarpiklių sistema užtikrina, kad terpės pratekės vieninteliais joms skirtais kanalais, taip užtikrinant kontūrų skysčių nuolatinį tekėjimą priešpriešinėmis kryptimis.
Šilumos apykaitos plokštelės abejose pusėse turi gofruotą (rifliuotą) paviršių, ir taip yra užtikrinamas kiekvieno skysčio tekėjimo kanalais turbulentiškumas. Toks pats konstrukcijos principas naudojamas ir sulituotuose šilumokaičiuose.
Pagrindinės plokštelinio šilumokaičio konstrukcijos detalės: šilumos apykaitos plokštelės, atraminė (nejudri) ir prispaudimo (judri) plokštės, sujungimo elementai ir atraminės sijos. Šilumos apykaitos plokštelės užkabinamos ant viršutinės ir remiasi į apatinę atraminę siją.
Lituotas plokštelinis šilumokaitis yra nedidelis ir nesunkus, jis nėra ardomas ir nebrangus. Visi šiame straipsnyje „Šilumos perdavimo teorija. Plokšteliniai šilumokaičiai” paminėti plokšteliniai lituoti bei išardomi šilumokaičiai turi jungtis pagrindinėje plokštėje.
Išardomas plokštelinis šilumokaitis su tarpikliais gamybos vietoje gali stovėti tiesiai ant grindų. Jei įmanoma, dėl patikimumo visada pritvirtinkite prie grindų tvirtinimo varžtais. Atminkite, kad plokštelinis šilumokaitis užima mažiau vietos nei tradiciniai šilumokaičiai.
Planuodami plokštelinio šilumokaičio įrengimą, turite palikti laisvą vietą tik vienoje jo pusėje. Vamzdžių jungtys gali būti srieginės arba flanšinės. Antgalis, skirtas vienos terpės įleidimui, yra šalia antgalio, skirto išleisti kitą terpę.
Žemiau pateikiama lentelė su chloro junginių kiekiu vandenyje, kuris gali būti naudojamas AISI 316 markės plienui. Jei chloro junginių kiekis yra mažesnis, galima naudoti pigesnį AISI 304 markės nerūdijantį plieną.
| Medžiaga | Maksimalus chloro junginių kiekis (ppm) |
|---|---|
| AISI 316 | Nėra apribojimų |
| AISI 304 | Ribojamas |
Šilumos perdavimas gamtoje
Gamtoje pagrindinis šilumos šaltinis yra Saulė. Į Žemę ateina Saulės spinduliuojami šiluminiai spinduliai. Saulės spindulių energija svarbiausia augalams, gyvūnams ir žmonėms. Pastovėk saulės atokaitoje: pajusi, kaip darosi šilta. Greitai pabėgiok - smarkiai sušilsi. Tavo kūnas visą laiką gamina šilumą, ji palaiko gyvybę. Prisimink, kada buvai panašiose situacijose. Šiluma - energijos forma, kurią juntame. Suartinus du skirtingų temperatūrų daiktus šiluma perduodama iš šiltojo į šaltą daiktą.
Žiemą oro temperatūra dažnai krinta žemiau nulio laipsnių Celsijaus, o kartais gali būti labai žema. Žiemą žmonės saugojasi nuo šalčio, o vasarą - nuo per didelės kaitros.
Lauko kolektoriai
Visų trijų rūšių kolektoriams naudojami plastikiniai 40 mm skersmens vamzdžiai. Kokį lauko kolektorių pasirinkti?
Patogiausias ir labai efektyvus yra vertikalus žemės kolektorius (gręžiniai). Jis beveik neapriboja sklypo panaudojimo ir užtikrina labai pastovų sistemos darbą. Tačiau jis yra ir brangiausias.
Tvenkinyje įklotas kolektorius (klojamas ant dugno) yra taip pat labai efektyvus. Vanduo puikiai atiduoda šilumą. Kaina ir įrengimo galimybė priklauso nuo atstumo tarp namo ir tvenkinio (būtų geriausia, kad atstumas tarp tvenkinio ir namo neviršytų 50 metrų). Nerekomenduojamas vėsinimo funkcijai. Tvenkinys turėtų būti mažiausiai 2 metrų gylio, o geriau - 2,5-3,0 metrų. Žuvims kolektorius nekenkia. Tvenkinio valymas ar gilinimas, kai dugne įklotas šilumos kolektorius, gana sudėtingas.
Horizontalus kolektorius, jei tiksliai paskaičiuotas ir teisingai įklotas, taip pat puikiai atlieka savo funkcijas. Klojamo vamzdžio ilgis ir kolektoriaus kaina priklauso nuo grunto rūšies: geriausia molis, blogiau - mišrus, blogiausia - smėlis. Nerekomenduojamas vėsinimo funkcijai. Virš įkloto horizontalaus žemės kolektoriaus negalima sodinti medžių, kloti trinkelių ar asfalto, statyti pastatų.