Šiluminė energetika yra šiluminės technikos šaka, apimanti šilumos virsmo kitomis energijos rūšimis (dažniausia mechanine, elektrine) būdus. Šilumos energijai versti į mechaninę naudojami šiluminiai varikliai: garo turbinos, garo mašinos, reaktyviniai varikliai, vidaus degimo varikliai.
Šiluminėse elektrinėse šiluminių variklių mechaninė energija verčiama elektros energija, o mechaninei energijai gauti naudojama organinio kuro degimo, branduolinio kuro branduolių dalijimosi šiluma, t. p. Žemės gelmių, Saulės spinduliuotės šiluma. Įrenginiai, tiesiogiai šilumą verčiantys elektros energija (neturintys mašininių elektros generatorių), yra magnetohidrodinaminis generatorius, termoelektrinis generatorius ir kiti.
Šiluminės energijos vertimas mechanine pagrįstas darbinės medžiagos (garo arba dujų) savybe atlikti mechaninį darbą, kai kinta jos tūris. Įrenginiai, šilumą verčiantys mechaniniu darbu, turi šilumos tiekimo sistemą, vieną arba kelias darbinės medžiagos varomas mašinas.
Fizikos dėsniai leidžia šilumos energijai judėti sistemoje, kol bus pasiekta pusiausvyra. Šilumokaičių veikimas grindžiamas temperatūros išlyginimo principu. Vykstant šilumos perdavimui spinduliavimo būdu šilumos energija perduodama elektromagnetiniu spinduliavimu.
Šilumos perdavimas – laidumas, konvekcija ir spinduliuotė
Energijos virsmai ir šiluma
Aptarkime, kaip energija virsta šiluma kasdieniame gyvenime naudojamų prietaisų pavyzdžiais.
Automobilio variklis
Kai variklį užvedame, degalų ir oro mišinys ima degti; dujos plečiasi cilindruose ir taip suka ašis, kurios paskui varo ratus. Pirmiausia turime potencinę kuro energiją, „įkalintą“ cheminiuose oktano izomerų ryšiuose. Degant kurui, ši energija pereina į šiluminę dujų energiją. Šiluminė energija iš dalies prarandama (kaista variklio korpusas bei oras aplink), iš dalies paverčiama kinetine cilindrų energija. Cilindrų sukimosi energija dalinai virsta šilumine (dėl trinties kaista ašys, guoliai ir šarnyrai), dalinai perduodama ratams.
Automobiliui lėtėjant, prarandama ir kinetinė energija - vėlgi trinties ir oro pasipriešinimo dėka (stabdžių prispaudimas trintį tik padidina). Kitaip tariant, jei lyginame pradinę ir galinę padėtis - automobilį stovintį skirtinguose taškuose - visa kelionės metu sunaudota energija pavirto šilumine energija. Vadinasi automobilio variklis, kaip ir šildytuvas, kuro energiją verčia šilumine.
Virtuvinis kombainas
Tam, kad bulvės pavirstų smulkiais gabaliukais, reikia jas susmulkinti; smulkinimas yra cheminių ryšių tarp molekulių nutraukinėjimas, o tam reikalinga energija. Taigi bulvių sutarkavimui reikia sunaudoti energijos. Tarkime, kad bulves termiškai apdorojame: tarkuotas iškepame blynais, netarkuotas išverdame. Šiluminio apdorojimo metu bulvėse esantys krakmolai pakeičia savo struktūrą, suyra dalis jų ryšių, ir taip jie tampa lengvai suvirškinami. Tačiau netarkuotose bulvėse ryšių yra daugiau, nei tarkuotose, todėl šiluminės energijos joms paversti virškinamomis reikia daugiau. Štai ir vėl turime situaciją, kad nešiluminė energija, sudėta į cheminių ryšių sutraukymą, bendrame balanse pavirto į šiluminę, sutaupytą vėliau apdorojant bulves.
Kompiuteris
Visa ta energija, kurią kompiuteris pasiima iš elektros tinklo ar baterijos, palieka jį kaip šiluminė energija. Dalis šios energijos yra perduodama aplinkai (pvz. orui) konvekcijos būdu. Kita dalis išspinduliuojama pro ekraną.
Bet kokia energija yra linkusi virsti šilumine. Tokia jau ta mūsų Visata - visi procesai vyksta taip, kad bendra entropija arba auga, arba bent jau nemažėja.
Šilumos perdavimo teorija
Yra keli pagrindiniai netiesioginių šilumokaičių tipai (plokšteliniai, vamzdeliniai, spiraliniai, kt.). Daugeliu atvejų plokštelinis šilumokaitis laikomas efektyviausiu. Paprastai šio tipo šilumokaičių naudojimas reiškia optimaliausią problemų, susijusių su šilumos perdavimu plačiame darbinio slėgio ir temperatūros diapazone, sprendimą pagal apribojimus, kuriuos šiems parametrams nustato naudojama gamybos įranga. Didelė terpės srauto turbulencija sudaro geras sąlygas intensyvesnei konvekcijai arba efektyvesniam šilumos perdavimui tarp skysčių. Didelė terpės srauto turbulencija sukuria savaiminio valymo efektą. Be to, lyginant su įprastu vamzdeliniu šilumokaičiu, plokštelinio šilumokaičio šilumos perdavimo paviršiai yra daug mažiau linkę užsiteršti (nuosėdų susidarymas).
Plokštelinių šilumokaičių privalumai
- Paprastas naudojimas.
- Lengva padidinti našumą pridėjus papildomų plokštelių.
- Kintamas šiluminis (terminis) ilgis.
Daugumoje plokštelinių šilumokaičių, kuriuos gamina „Alfa Laval“, 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.
Parametrai, įtakojantys šilumokaičio pasirinkimą
Norint išspręsti šilumos perdavimo uždavinį, būtina žinoti kelių parametrų reikšmes. Žinant jas, galima nustatyti kitus duomenis.
- Vidutinė logaritminė temperatūros apkrova (LMTD) yra efektyvia šilumokaičio varomąja jėga.
- Masės srautas (kg/s arba kg/h) arba tūrio srautas (m3/h arba l/min).
- Slėgio nuostolio dydis (Δp).
- Santykinė šiluminė talpa (сp).
- Klampumas.
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.
Šilumokaičių medžiagos
Daugumoje „Alfa Laval“ vandens / vandens tipo plokšteliniuose šilumokaičiuose naudojamos aukštos kokybės AISI 316 markės nerūdijančio plieno plokštelės. Jeigu chloro junginių vandenyje kiekis yra toks, kad nebūtina naudoti AISI 316 markės plieną, kartais gali būti naudojamas pigesnis AISI 304 markės nerūdijantis plienas. Gaminant sulituotų „Alfa Laval“ plokštelinių šilumokaičių plokšteles visuomet naudojamas AISI 316 markės nerūdijantis plienas.
Plokštelinio šilumokaičio kaina priklauso nuo maksimalių leistinų slėgio ir temperatūros reikšmių.
Plokštelinių šilumokaičių efektyvumas
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).
| Šilumokaitis | Šilumos perdavimo koeficientas (k) |
|---|---|
| Plokštelinis (vanduo/vanduo) | 6 000 - 7 500 W/(m2 х °C) |
| Vamzdelinis (tradicinis) | 2 000 - 2 500 W/(m2 х °C) |
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. Šilumokaičiai naudojami pakaitinti ar atvėsinti įvairius skysčius pramonės įmonėse, kondicionuoti orą, atšaldyti technologinio proceso metu ir kt.
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.
Šilumos šaltiniai gamtoje ir šilumos siurbliai
Gamtoje pagrindinis šilumos šaltinis yra Saulė. Į Žemę ateina Saulės spinduliuojami šiluminiai spinduliai. Saulės spindulių energija svarbiausia augalams, gyvūnams ir žmonėms.
Lauko kolektoriai
Yra trys pagrindiniai lauko kolektorių tipai:
- Vertikalus žemės kolektorius (gręžiniai): patogiausias ir labai efektyvus, bet brangiausias.
- Tvenkinyje įklotas kolektorius: labai efektyvus, bet sudėtingas valyti ar gilinti tvenkinį.
- Horizontalus kolektorius: priklauso nuo grunto rūšies, negalima sodinti medžių ar statyti pastatų virš jo.
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.
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.