Šilumokaitis

Norint suprasti kas yra šilumokaitis, kaip jis veikia - pirmiausiai kviečiame susipažinti su šilumos perdavimo teorija. 

Šilumos perdavimo teorija 

Fizikos dėsniai šilumos energiją verčia judėti sistemoje iki bus pasiekta temperatūrų pusiausvyra. Šiluma gali būti perduodama šiais būdais:

• Spinduliavimu. Šilumos energija perduodama elektromagnetiniu spinduliavimu;
• Laidumu. Šilumos perdavimas kieta medžiaga;
• Konvekcija. Šiluma perduodama kontaktuojant vienai terpei su kita. Konvekcijos gali būti:
• • natūrali (laisva). Terpės judėjimas yra visiškai priklausomas  nuo jos tankių ir temperatūrų skirtumo, kurie išsilygina šilumos perdavimo proceso metu;
  • priverstinė konvekcija. Terpės judėji mas dalinai ar visiškai priklauso nuo išorinio poveikio į šią terpę pvz. siurblio, perpumpuojančio skystį, veikimo. 

Verta žinoti, jog: 

• dėl temperatūrų skirtumo veikiama šiluma iš visuomet šiltesnės terpės yra perduodama į šaltesnę terpę
• kad vyktų šilumos perdavimas, turi tarp vienos ir kitos terpių turi būti temperatūrų skirtumas
• karštos terpės atiduotas šilumos kiekis lygus šaltos terpės priimtam šilumos kiekiui, atmetus išorinius nuostolius.

Šilumnešis 

Šilumnešis, tai darbinė medžiaga, perduodanti šilumą iš karštesnės aplinkos šaltesnei. Šilumnešiai būna: skystieji – vanduo, alyva, organiniai junginiai, skystieji metalai, skystosios druskos; dujiniai – oras, vandens garai, dujos, degimo produktai. Šilumnešio agregatinė būsena gali keistis arba nesikeisti. Šilumnešiai pasižymi intensyviu šilumos perdavimu, aukšta virimo temperatūra, dideliu terminiu atsparumu, mažu cheminiu ir koroziniu aktyvumu. Iš skystųjų šilumnešių dažniausiai naudojamas vanduo. Jo šilumos laidumo koeficientas yra didesnis negu dujų, bet susidaro nuosėdos ir sukelia šilumokaičių koroziją.

Šilumokaitis

Šilumokaitis, tai įrenginys, kuriame vyksta dviejų ar kelių šilumnešių arba šilumnešio ir kietojo kūno paviršiaus šilumos mainai. Pagal konstrukciją šilumokaičiai gali būti gyvatukiniai, plokšteliniai, vamzdis vamzdyje, blokiniai, korpusiniai-vamzdiniai ir kitokie, o pagal šilumnešio tekėjimo kryptį – tiesiasroviai, priešsroviai, kryžmasroviai.  Pagal veikimo principą – rekuperaciniai, regeneraciniai, kontaktiniai (maišymosi) ir vidinio šilumos šaltinio. Rekuperacinio šilumokaičio šilumnešio šiluma panaudojama kito šilumnešio temperatūrai keisti konvekcijos būdu. Regeneraciniuose šilumokaičiuose tuos pačius paviršius pakaitomis apteka šildantysis ir šildomasis šilumnešiai. Kontaktiniuose šilumokaičiuose šilumos mainai vyksta liečiantis (maišantis) abiem šilumnešiams. Vidinio šilumos šaltinio šilumokaičio šilumos šaltinis – vykstanti cheminė reakcija arba elektrinis kaitintuvas jo viduje. 

Dažniausiai naudojami šilumokaičių tipai yra:

• Plokšteliniai šilumokaičiai: Sudaryti iš gofruotų plokštelių, tarp kurių teka du skysčiai. Šiluma perduodama per plokštelių sieną. Plokšteliniai šilumokaičiai yra kompaktiški ir lengvai valomi;
• Vamzdiniai šilumokaičiai: Sudaryti iš vamzdžių, kuriais teka vienas skystis, o aplink vamzdžius teka kitas skystis. Šiluma perduodama per vamzdžių sieną. Vamzdiniai šilumokaičiai yra tvirti ir atsparūs aukštam slėgiui;
• Oro šildytuvai: Naudojami orui šildyti. Oro šildytuvai gali būti įvairių konstrukcijų, pvz., plokšteliniai, vamzdiniai ir regeneraciniai;
• Kondensatoriai ir garintuvai: Naudojami garams kondensuoti ir skysčiams garinti. Kondensatoriai ir garintuvai dažnai naudojami šaldymo sistemose.

Šiluma šilumokaičiuose perduodama iki temperatūros išsilygina. Šilumos perdavimo efektyvumą lemia šilumnešio medžiagos šilumos laidumas, sienelių storis ir skysčių temperatūrų skirtumas. Svarbu paminėti, jog šilumokaičiuose galima pašildyti arba atvėsinti skysčius (dujas), net tuomet, kai temperatūrų skirtumas yra minimalus. 

Šilumokaičiai naudojami įvairiose pramonės šakose, pvz., šildymo ir vėsinimo sistemose, maisto pramonėje, chemijos pramonėje ir energetikoje.

Plokštelinis šilumokaitis

Daugelyje panaudojimo atvejų efektyviausiu laikomas plokštelinis šilumokaitis. Paprastai šio tipo šilumokaičių naudojimas reiškia optimaliausią šilumos perdavimą plačiame darbinio slėgio ir temperatūros diapazone. Taip pat dažnai tai būna sprendimas pagal apribojimus, kuriuos šiems parametrams nustato naudojama gamybos įranga. 

Svarbiausi plokštelinio šilumokaičio pranašumai:

• Plokštelinio šilumokaičio konstrukcijos kompaktiškumas. Šio tipo šilumokaičiams reikia daug mažiau vietos nei tradiciniam vamzdeliniam šilumokaičiui; 
• Didelė terpės srauto turbulencija sudaro geras sąlygas efektyviam šilumos perdavimui tarp skysčių, o plonasienės skardos panaudojimas šio šilumokaičio šilumos perdavimo plokštelių gamyboje leidžia turėti didesnį šilumos perdavimo koeficientą šilumos perdavimo paviršiaus ploto vienetui, kas leidžia gauti ne tik ypač kompaktišką, bet ir efektyviai veikiantį šilumokaitį;
• Mažesni šilumos nuostoliai į aplinką dėl mažo šilumokaičio dydžio.
• 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). Tai reiškia, kad plokštelinis šilumokaitis gali veikti daug ilgiau tarp praplovimo ciklų;
• Paprastas naudojimas. Plokštelinį šilumokaitį sudaro rėmas ir tam tikras skaičius atskirų plokštelių. Pridėjus papildomų plokštelių, tokio tipo šilumokaityje lengva padidinti jo našumą. Be to, jį lengva išmontuoti valymui (tai taikoma išardomiems plokšteliniams šilumokaičiams).

Plokštelinis šilumokaitis turi kintamą šiluminį (terminį) ilgį. Daugelyje plokštelinių šilumokaičių, kuriuos gamina žinomi gamintojai kaip Alfa Laval, Hexonic, Kelvion, Swep ir kt. yra naudojamos skirtingų štampavimo profilių plokštės. Pvz. jei naudojama plokštelė su „H“ kanalais, tokiame šilumokaityje atsiranda didesnis slėgio kritimas arba slėgio sumažėjimas, ir jis veikia efektyviau, nes turi ilgą terminį kanalą šilumos perdavimo trukmę. Kai naudojama „L“ formos plokštelė, šilumokaitis dirba su nedideliais slėgio nuostoliais ir atitinkamai su šiek tiek mažesniu šilumos perdavimo koeficientu. Toks šilumokaitis turi trumpą šiluminį kanalą. Kompromisą tarp „H“ ir „L“ (siauro ir plataus) kanalų, taip pat tarp slėgio nuostolių ir šilumokaičio efektyvumo galima pasiekti naudojant skirtingų štampavimo modelių plokšteles surinkimo metu.

Plokštelinių šilumokaičių panaudojimas

Amegata.lt tiekimo platformoje pateikiami šilumokaičiai pajėgūs spręsti įvairius technologinius uždavinius. Jie gali būti naudojami ir kaitinimui ir atvėsinimui, oro kondicionavimui, atšaldymui įvairiuose technologiniuose procesuose. Taip pat užtikrinant tvarų perteklinės energijos panaudojimą gretutinėms funkcijoms atlikti, kaip papildomo karšto vandens ruošimas, pastatų šildymas ar vėsinimas.  

Dažniausiai plokšteliniai šilumokaičiai panaudojami šiuose pramonės sektoriuose:

• Centralizuotas šilumos tiekimas;
• Centralizuotas šalčio tiekimas;
• Vandentiekio vandens pašildymas;
• Įvairių baseinų (plaukimo, žuvų auginimo ir t.t.) vandens šildymas;
• Įvairių variklių aušinimas;
• Įvairių pramonėje naudojamų krosnių aušinimas;
• Maisto, energetikos, chemijos pramonėje kuomet reikalingas kaitinimas ar/ir aušinimas technologinio proceso metu;
• Saulės šildymo sistemose.

Skirtingų procesų metu plokštelinių šilumokaičiai naudojami hidraulinio skysčio aušinimui, įvairių alyvų atvėsinimui (pvz. variklių alyvos), šilumos siurblio tarpinio aušinimo įrenginiui, oro atvėsinimui vėdinimo sistemose, saulės šildymo sistemose ir t.t.

Plokšteliniuose šilumokaičiuose dažniausiai naudojami šie šilumnešių tipai:

• Vanduo/vanduo. Didžiojo dalis mūsų gaminamų šilumokaičių šilumos perdavimo užduoti sprendžia, kai abiejų kontūrų terpė yra vanduo (vanduo/vanduo režimas). Sprendimai gali būti įvairūs:

  • Vandens pašildymas. Šiuo atveju naudojamas vanduo su aukštesne temperatūra, pavyzdžiui, iš centralizuoto šildymo sistemos, katilo ar karšto vandens ruošimo vamzdyno.

  • Vandens atvėsinimas. Šiuo atveju naudojamas žemesnės temperatūros vanduo, pavyzdžiui, iš aušinimo bokšto, upės ar jūros.

• Vanduo/alyva. Kai kuriose pramonės šakose alyva turi būti aušinama vandeniu. Šis vanduo po to gali būti nukreiptas į šalinamos šilumos panaudojimo sistemą šilumos, gautos iš alyvos ją aušinant, rekuperavimui, kuri po to gali būti panaudota įvairiems tikslams.
• Vanduo/glikolis. Siekiant galimo vandens užšalimo, naudojamas glikolis. Svarbu pažymėti, jog
  glikolio šiluminė talpa skiriasi nuo vandens šilumonės talpos, todėl turi būti didesnio ploto šilumos perdavimo paviršiaus šilumokaičiai. Įvairių glikolių fizinės savybės yra beveik vienodos. Glikolių pvz: etilenglikolis (mono-, di- ar tri-), propilenglikolis.

Dirbant su sintetinėmis alyvomis, panaudojami specialūs tarpikliai. Plokšteliniai šilumokaičiai gali dirbti su alyva, kurios klampumas siekia 2 500 sP. Plokšteliniuose šilumokaičiuose galima vietoje vandens naudoti emulsiją, kurios koncentracija mažiau kaip 5 %.

Plokštelinių šilumokaičių diapazonas yra labai platus. Tai gali būti ypač dideli įrenginiai turintys net maksimalų 2 000 m2 ploto šilumos perdavimo paviršių su 3600 m3/h srautu, iki pačių mažiausių šilumokaičių, kurių  šilumos perdavimo paviršių mažesnis nei 1 m2, o srautas 0,18 m3/h.

Plokštelinio šilumokaičio konstrukcija

Plokšteliniai šilumokaičiai gali būti sulituoti ir išardomi. 

Plokštelinį išardomą šilumokaitį sudaro numatytas pagal parametrus tam tikras skaičius šilumos apykaitos plokštelių, kurios yra tvirtinamos tarp šilumokaičio atraminių sijų ir prilaikomos vietoje atramine (rėmine) ir prispaudimo plokštėmis, sudarydamos su jomis vieną mazgą. Visos plokštelės turi tarpiklius, kurie užtikrina kanalų, kuriais teka darbiniai skysčiai, hermetiškumą.

Tarpiklių sistema užtikrina, kad terpės pratekės vieninteliais joms skirtais kanalais, taip užtikrinant kontūrų skysčių nuolatinį tekėjimą priešpriešinėmis kryptimis. Tarpiklių konstrukcija užtikrina, kad šie skysčiai tarpusavyje nesusimaišys.

Šilumos apykaitos plokštelės abejose pusėse turi gofruotą (rifliuotą) paviršių, ir taip yra užtikrinamas kiekvieno skysčio tekėjimo kanalais turbulentiškumas. Skysčio tekėjimo didelis turbulentiškumas kartu su tinkamu terpės tūrio ir šilumokaičio dydžio santykiu užtikrina aukštą šilumos perdavimo koeficientą.

Toks pats konstrukcijos principas naudojamas ir sulituotuose šilumokaičiuose. Tik šios rūšies šilumokaičiuose terpių kanalų hermetizavimui vietoje elastomerinių tarpiklių naudojamos specialios lydymo technologijos, užtikrinančios tokį patį rezultatą.

Plokštelinio šilumokaičio detalės

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. Atraminės sijos dar skirtos šilumos apykaitos plokštelių centravimui.

Šios plokštelės viena po kitos sudedamos tarp atraminės ir prispaudimo plokščių, sudarydamos komplektą, kuris po to varžtais suveržiamas į monolitinį mazgą.

Tarpikliai

 Naudojamos medžiagos:

Beklijai sandarinimo tarpikliai „Clip-on“ prie šilumos apykaitos plokštelės krašto tvirtinami specialiais spaustukais.

Surinkimas

Gamintojai tiekia iš anksto surinktus šilumokaičius, išbandytus slėgiu.
Išardomus plokštelinius šilumokaičius su tarpikliais galima lengvai atidaryti apžiūrai ir valymui.
Jei reikia padidinti išardomo šilumokaičio našumą, tai galima padaryti gana paprastai – tereikia sumontuoti papildomas šilumos perdavimo plokšteles.
Piešinėliuose parodyta išardomo plokštelinio šilumokaičio surinkimo eiga.

Montavimas

Visi plokšteliniai lituoti bei išardomi šilumokaičiai turi jungtis pagrindinėje plokštėje. Patogumo dėlei jos pažymimos pvz. S1, S2, S3 ir S4.

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. Tai priklauso nuo pasirinkto šilumokaičio tipo.

Lituoti plokšteliniai šilumokaičiai

Lituotas plokštelinis šilumokaitis  yra nedidelis ir nesunkus, jis nėra ardomas ir nebrangus. Šio tipo šilumokaičiuose nenaudojami tarpikliai, o vietoje jų taikomas litavimas, kuris plokšteles sujungia į vieną tvirtą ir hermetišką konstrukciją.

Lituoti plokšteliniai šilumokaičiai ypač tinka ten, kur darbinis slėgis siekia 50 barų, o aplinkos temperatūra kinta nuo -196 iki +550 °C.

Sulituotas plokštelinis šilumokaitis paprastai yra įmontuojamas į vamzdyną arba montuojamas ant nedidelės konsolės ar stovo.
Antgalis, skirtas vienos terpės įleidimui, yra šalia antgalio, skirto išleisti kitą terpę. Jei S1 yra 1 terpės įėjimas, tada S4 bus 2 terpės išėjimas.
Kiekvienas šilumokaitis iš gamintojo tiekiamas su vadovu, kuriame aprašytas antgalių kiekvienos terpės įleidimo ir išleidimo angoms naudojimas.

Atsižvelgiant į pasirinktą vamzdžių sujungimo būdą, paruoškite vamzdžių galus sriegimui, flanšų montavimui ar suvirinimui.
„Alfa Laval“ tiekia priedus savo plokšteliniams šilumokaičiams, tokius kaip kondensato išleidimo padėklai ir šilumą izoliuojančios lakštinės medžiagos.

Šilumokaičio parinkimas

Šilumokaičio ir šilumos perdavimo uždaviniui išspręsti būtina žinoti tam tikrus parametrus. Žinant juos, galima nustatyti kokio šilumokaičio reikia konkrečiam uždaviniui atlikti. Svarbiausi yra šie šeši parametrai:

1. Šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas (šiluminė galia);
2. Įėjimo – išėjimo temperatūros pirminio ir antrinio šilumokaičio kontūro pusėse;
3. Didžiausias leistinas slėgio nuostolis pirminiame ir antriniame kontūruose;
4. Maksimali darbinė temperatūra;
5. Maksimalus darbinis slėgis;
6. Terpės srautas pirmojo ir antrojo kontūro pusėje.