Как устроена батарея отопления изнутри: Принцип работы радиатора/батареи отопления

Содержание

Принцип работы радиатора/батареи отопления

Как работает радиатор отопления?

Отопительный радиатор стоит в каждом доме, однако далеко не все пользователи знают, как работают такие системы. Между тем знать об этом важно, чтобы выбрать оптимальную для своей квартиры батарею.

Общие принципы работы отопительных радиаторов

Подходы к отоплению в системах отличаются, но есть общие принципы, по которым работают все радиаторы:

  • В систему подается теплоноситель, чаще всего им служит горячая вода.
  • Теплоноситель нагревает поверхность радиатора.
  • Нагретая батарея передает тепло в пространство помещения.
  • Постепенно теплоноситель остывает, после чего перетекает в общую систему, где проходит повторный нагрев.

Это упрощенный принцип работы, схема распределения тепла в различных радиаторах будет отличаться.

Как работают батареи из чугуна

При подключении радиаторов, изготовленных из чугуна, наиболее часто используется односторонняя схема. То есть нагретая вода подается и возвращается в общую систему с одной стороны. Выглядит это так:

  • Нагретая вода подается в радиатор.
  • Вода остывает, благодаря физическим процессам перетекая по конструкции батареи.
  • Теплоноситель вытекает в другую трубу, попадает обратно в общую систему.

Это наиболее простая схема. Для существенного нагрева и поддержания оптимальной температуры требуется значительный объем теплоносителя. Однако такие радиаторы медленнее остывают, способны долго сохранять тепло даже при экстренном отключении отопления. Также чугун нетребователен к качеству теплоносителя, однако не способен выдерживать сильные гидроудары, которые нередко случаются в центральных системах отопления.

Как работают батареи из стали, алюминия и биметаллические модели

Данные радиаторы могут подключаться по различным схемам, а работа их также основана на передаче тепла в окружающее пространство. В отличие от чугунных, такие типы батарей требуют минимум теплоносителя (примерно 350 г), что не только упрощает монтаж и демонтаж, но и делает их экономичными.

Экономия теплоносителя происходит за счет тонкой трубки, по которой течет вода. При этом площадь соприкосновения с воздухом остается значительной, потому радиаторы из стали, алюминия или совокупности этих металлов отличаются лучшей теплоотдачей.

Примечательно, что биметаллические радиаторы характеризуются более высоким коэффициентом теплоотдачи. Высокие показатели достигаются благодаря их устройству: теплоноситель перетекает по стальному сердечнику, который передает тепло алюминиевой оболочке (оболочка не контактирует с водой, потому защищена от коррозии).

Как работают вакуумные радиаторы

Нагрев при помощи вакуумной батареи отличается от всех озвученных выше типов, поскольку здесь используется принцип двойной теплопередачи.

Используемая в роли теплоносителя вода проходит наиболее короткий путь (по запаянной прямой трубе), что обеспечивает быстрый нагрев. С трубой контактирует жидкость внутри, которая и проводит тепло.

Непосредственно батарея – это герметичные секции, в которых нет воздуха, что не позволяет жидкости внутри системы быстро остывать. Из-за отсутствия воздуха жидкость закипает при более низкой температуре. Работает радиатор по принципу:

  • Теплоноситель нагревает жидкость внутри батареи вплоть до кипения.
  • Пар заполняет собой внутреннюю конструкцию, оседает в виде конденсата на её стенках, после чего перетекает вниз.
  • Цикл нагрева повторяется.

Поскольку батарея нагревается равномерно, теплоотдача вакуумных систем крайне велика, а используемый объем теплоносителя мал.


Читайте так же:
Отзывы — биметаллические радиаторы
Отзывы — алюминиевые радиаторы
Отзывы — радиаторы отопления

устройство, конструкция в разрезе, комплектующие батарей, крепления и краны, как они устроены

Преимущество алюминиевых батарей перед аналогами заключается в

высокой теплоотдаче, небольшой стоимости, разнообразии форм.

Подобные типы батарей отопления отличаются особой конструкцией и внутренним устройством.

Как устроены алюминиевые радиаторы отопления

По конструкции различают цельный и секционный вариант. Первый изготавливается из профильных пластин, сделанных по технологии экструзии, что повышает пластичность.

Полученные части сваривают, создавая полноценную батарею. Это делает её прочной. Предварительно внутреннюю сторону покрывают полимером, снижающим шанс образования течи.

Секции делают по очереди, затем соединяя. Чистый металл используют редко: алюминий сплавляют с кремнием, цинком, иногда титаном. Эти вещества повышают прочность, снижают риск разрыва и образования коррозии. В качестве герметика применяют силикаты. Как и цельные, изнутри устройство покрывают специальной жидкостью для защиты от высокого давления.

По способу изготовления выделяют алюминиевые радиаторы трёх типов: литейные, экструзионные и анодированные. Среди технических характеристик важны:

  1. Рабочее давление должно располагаться в промежутке 10—15 атм. В многоквартирных домах показатели гораздо выше, поэтому использовать в них алюминиевые устройства не рекомендуется. Испытательное вдвое больше обычного, но лучше иметь запас.
  2. Мощность батареи составляет 82—212 ватт, в зависимости от габаритов.
  3. Максимальный нагрев теплоносителя не должен превышать 120 °C.
  4. Масса секции — 1—1,5 кг. Объём — 0,25—0,46 литра.
  5. Межосевое расстояние зависит от высоты и находится в диапазоне от 20 до 80 см, иногда превышая его.

Параметры каждого алюминиевого устройства могут отличаться, но обязательно указаны в техническом паспорте изделия.

Достоинства алюминиевых радиаторов:

  • Компактность и небольшая масса облегчают установку, не требуют мощных креплений.
  • Высокая скорость нагрева, хорошая теплопередача.
  • Длительный срок службы, хотя меньший, чем у чугуна.
  • Небольшая длина секций позволит подобрать подходящее под определённое помещение. И также благодаря разделению устройства на части, можно сделать систему без избытка обогрева.
  • Алюминий прост в обработке, что разрешает создание дизайнерских приборов.
  • Хорошую защиту от внешних повреждений. Радиатор очень сложно повредить или разбить физическим ударом, но довольно легко согнуть.
  • Относительная дешевизна металла.

Среди недостатков выделяют:

  • Слабую защищённость от коррозии, что портит устройство в течение эксплуатации. Алюминий — активное вещество, легко взаимодействующее с кислородом. Из-за окисления разрушится защитный слой, поскольку в течение реакции выделяется газообразный водород.
  • Необходимость нанесения полимерного покрытия для предотвращения разрыва, защиты от выделений.

Конструкция алюминиевой батареи в разрезе

Если посмотреть на устройство сверху или снизу, станут видны коллекторы. Они создают горизонтальные каналы для транспортировки жидкости. Крайний нижний собирает грязь, накипь, прочие твёрдые частицы, что помогает избежать засорения всего устройства. Для удаления предусмотрен специальный клапан.

Внимание! Основной недостаток — частые протечки в местах стыка.

Вид алюминиевого радиатора в разрезе представлен на картинке.

Фото 1. Внутренняя конструкция алюминиевого радиатора отопления. Корпус выполнен из алюминия, а внутри проходит медная трубка.

Комплектующие для монтажа устройства

От деталей, поступающих в продажу вместе с радиатором, зависит качество его эксплуатации. Вместе с устройством предлагают два важных компонента: клапан для спуска воздуха и крепежи. Для многоквартирных домов их дополняют удлинителем протока.

Кран Маевского

Служит для отвода воздуха из системы. Помогает избавиться от газовых пробок, перегретого пара. Таким образом, позволяет снизить давление, повысившееся из-за долгой работы котла. Обязателен к установкам в обвязках закрытого типа дополненных циркуляционным насосом.

Справка. Желательно наличие клапана для спуска воды. Он будет служить той же цели, что кран Маевского, затрагивая жидкостную часть.

Кронштейны для крепления

Служат креплениями для радиатора. Обязательно присутствуют в комплекте с алюминиевым устройством.

Фото 2. Кронштейны для крепления алюминиевых радиаторов. Изделия уже вмонтированы в стену.

Их делят на три вида:

  • Уголки для дерева.
  • Штыри для стен из прочих материалов.
  • Анкеры для любых поверхностей.

Для всех соединений с резьбой необходимы заглушки. Минимальный диаметр должен составлять один дюйм (25,4 мм). Для ниппелей они также нужны, но без ограничений по размеру.

Иногда алюминиевые радиаторы оборачивают прокладками с эффектом отражения тепла. Их размещают вдоль стены, уменьшая потери энергии в атмосферу. Материалом для изготовления служит фольга или порилекс. Вещество часто дополняют ещё одним слоем утеплителя, обычно пенопластом.

Удлинитель протока

Приспособление используют для повышения теплопроводности радиатора. Для этого последний должен содержать не менее 10 секций.

Обязательно боковое подключение к магистрали, поскольку алюминиевые устройства переправляют жидкость по диагонали. А также важно наличие запорных арматур на обеих трубах.

Если условия соблюдены, для монтажа необязательно изменять текущую схему. В противном случае рекомендуется пригласить сантехника.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором рассказывается, на что обратить внимание при выборе алюминиевой батареи.

Установка — это ответственное дело!

Качество монтажа зачастую зависит от комплектующих, которыми снабжён радиатор. Компоненты оказывают большое влияние на систему, потому важно правильно установить их. Для этого рекомендуется пригласить специалиста.

Устройство радиатора отопления

Радиаторы – это приборы, которые непосредственно подводят тепло к среде обогревания, то есть помещения. Устройство радиатора отопления влияет на работу по теплообмену между стенками прибора и воздухом обогреваемой комнаты. Существуют радиаторы алюминиевые, биметаллические, чугунные и стальные.

 

  1. Алюминиевые батареи состоят из секций (ребер). Это самый экономичный вид обогревательных радиаторов. У них высокая мощность обогрева помещений при малом весе. Использовать рекомендуется в закрытых помещениях.
  2. Биметаллические радиаторы – оптимальный вариант отопительного устройства для квартир с центральным отоплением, где очень высокое давление. Биметаллический радиатор выдерживает 18 атмосфер. В классике устройство состоит из стальных трубок и алюминиевого короба. Современный вид такого рода батарей состоит из панельного корпуса, в котором проходят металлические трубки. Они дали большой функциональный плюс в работе по теплоотдаче.
  3. Чугунные радиаторы – это привет из нашего советского прошлого. Чугун теплоустойчив, но его отрицательным моментом является большой вес. Но при всем этом, чугунные батареи хорошо обогревают помещение.
  4. Стальные радиаторы вмещают в список большой ряд представителей своего класса. Это панельные и секционные батареи, широко используемые в загородных коттеджах. Крупные мировые компании производят стальные трубчатые радиаторы. Благодаря их использованию хорошая теплоотдача происходит в закрытом помещении при учете высокого давления.

Радиатор изнутри

Мы выяснили, какие виды радиаторов существуют на рынке данной продукции. Не лишним будет узнать устройство радиатора отопления, по какому принципу он работает.

Алюминиевые радиаторы бывают трех видов: цельные (литые), экструдированные, то есть с набором секций (ребер), и в сочетании секций с литой конструкцией – комбинированные.

В полости каждой секции проходит по каналам теплоноситель и доставляет в помещение теплоэнергию. Давление в алюминиевых радиаторах достигает 12 атмосфер, а при опрессовке – 18. Каждая секция (ребро) радиатора во внутренней стороне покрыто оксидной пленкой.

Чугунные батареи имеют экструдированный монтаж, состоят из отдельных секций, приваренных друг к другу физическим (сварочным) путем. Вес чугунной батареи – это ее большой недостаток. Внутренняя поверхность чугунных радиаторов имеет шершавую, неровную структуру, которая накапливает на себе налет. А невозможность механической или автоматической чистки уменьшает теплоотдачу. В течение 40-50 лет межсекционные ниппели полностью разрушаются.

Перед началом работ нужно учесть все детали приобретаемых моделей. Материал каждого вида радиаторов несет в себе и положительные и отрицательные моменты. Устройство радиатора отопления – важная деталь, и от того, каким образом работает та или иная модификация, будет зависеть результат кропотливой и трудоемкой работы. Не говоря уже о финансовой составляющей установки.

Стальные радиаторы имеют более ровную поверхность изнутри. Метод сварки применяется точечный, поэтому риск разрушения ниппеля исключен. Стальные радиаторы выдерживают сильное давление и не поддаются коррозии.

И еще одна модель отопительного радиатора – масляный. Это герметичный корпус из металла, внутренняя полость которого залита минеральным маслом с нагревательным элементом. Максимальный уровень нагрева – 70 градусов.

При монтаже радиаторов, обязательным условием является серьезное отношение к делу, учитывая устройство радиатора отопления, а также все технические характеристики и инструкции.

Устройство и принцип работы термоголовки для радиаторов

В осенне-зимний период внутренний температурный комфорт жилых помещений играет важную роль в нашей повседневной жизни. А постоянно растущие цены на энергоносители заставляют нас задуматься об энергосберегающем управлении систем отопления.  Для получения оптимального уровня комфорта в помещениях и уменьшения расходов на оплату энергоносителей применяется такой элемент терморегулирования, как термоголовки для радиаторов.

Раньше, при увеличении температуры в квартире или доме в зимний период, приходилось открывать окна для проветривания помещений. Таким образом температуру в помещениях восстанавливали до комфортного уровня. Сегодня из-за постоянного увеличения цен на энергоносители, затраты на обогрев помещений очень высоки, и тарифы за отопление только растут. Для того чтобы их минимизировать, есть необходимость теплоноситель расходовать целесообразно.

Для регулирования температуры на радиаторы устанавливают такие элементы, как термостатический клапан с термоголовкой, которые в автоматическом режиме без дополнительной энергии управляют количеством теплоносителя, поступающего в радиатор, поддерживая нобходимую комфортную температуру в комнатах.

Далее в нашей статье пойдет речь об этих термостатических элементах.

Термостатический клапан для радиатора отопления.

Устройство термоголовки.

Принцип работы термостатической головки.

Виды термоголовок.

ТОР 10 термоголовок.

Термостатический клапан для радиатора отопления

Жидкость, которая циркулирует в системе отопления, имеет название теплоноситель. Теплоноситель передает определенное количества тепла от котла к радиаторам отопления, которые непосредственно отдают тепло в помещение.  При этом чем меньше через радиатор пройдет теплоносителя, тем теплоотдача его будет меньше. Именно на этом простом принципе построена работа терморегуляторов. Этот принцип называется количественным регулированием теплоносителя для поддержания оптимальной комнатной температуры.

Принцип работы термостатического клапана выглядит следующим образом.

 

Непосредственно внутри корпуса (9) термостатического клапана расположено седло (8) клапанной части. Проход теплоносителя через клапан ограничивает непосредственно вентильная головка (шток) с золотником (7). Золотник связан со штоком (вентильной головкой), в результате обеспечивается поступательное движение клапанной части. В корпусе предусмотрена возвратная пружина (6), которая всегда возвращает регулирующий клапан в максимально открытое положение, если на него нет управляющего воздействия. Выше по оси штока расположен нажимной штифт или дроссель (5), который выходит выше корпуса клапана. Непосредственно через штифт передается управляющее усилие от термоголовки на регулирующий шток.

В результате хода штока изменяется пропускная способность клапана, и соответственно уменьшается или увеличивается количество теплоносителя, поступающего в радиатор.

Устройство термоголовки

Устройство термостатической головки довольно простое. Термостатический регулятор имеет корпус (1), обычно выполненный из специального пластика, реже применяется латунь. Внутри в верхней части корпуса расположен специальный сильфон (2) с наполнителем, который реагирует на изменения комнатной температуры.  Следующим расположен шток (3) с толкателем (4), которые непосредственно воздействуют на штифт термостатического клапана, возвратная пружина (5) и элемент присоединения (6), позволяющий произвести прочную фиксацию термоголовки непосредственно на термостатическом клапане.

В основном в качестве наполнителя используют производные ацетона или толуола, эти наполнители применяют при производстве жидкостных термоголовок.  Некоторые производители, например, Danfoss использует газоконденсатный заполнитель для газоконденсатных термоголовок.

Технология производства газоконденсаных термоголовок несколько дороже, но по времени срабатывания такие термоголовки значительно быстрее и погрешность регулирования меньше. Время срабатывания жидкостных термоголовок 17-25 минут, газоконденстатных 8-10 минут.

Принцип работы термоголовки

Принцип работы термоголовки состоит в следующем: нагретый комнатный воздух оказывает воздействие на сильфонный наполнитель, который находится в замкнутом пространстве. В результате расширения наполнителя, сам сильфон увеличивается в объеме, и непосредственно через шток с толкателем начинает воздействие на штифт термостатического клапана. Внутри клапана шток с золотником перемещается вниз, пропускная способность прохода уменьшается, и тем самым ограничивается количество теплоносителя, которое поступает в радиатор.

При уменьшении температуры воздуха в комнате происходит обратный процесс. Охлаждаясь, сильфон уменьшается в объеме, шток термостатического клапана под действием пружины поднимается вверх, пропускная способность увеличивается, количество теплоносителя в единицу времени проходит больше, и соответственно радиатор отдает больше тепла в помещение. Таким образом термоголовка поддерживает в автоматическом режиме заданную Вами температуру с точностью до 1°С, создавая оптимальный комфорт в помещениях.

Установка термоголовки на радиатор
Для начала термоголовка подбирается по резьбе подключения термостатического клапана (так как у разных производителей резьба подключения отличается, и чтобы получить корректную работу термоголовки необходимо правильно ее подобрать. С этим вопросом Вы можете ознакомиться в нашей статье «Как выбрать термоголовку для радиатора отопления»)

Для корректной работы термоголовки необходимо правильно ее установить. Термостатические головки, у которых датчик температуры встроен внутри, необходимо располагать горизонтально, т.е. параллельно полу. В результате такого расположения окружающий воздух будет беспрепятственно циркулировать вокруг термостата, и регулирование будет происходить корректно. Установка термоголовки в вертикальном положении не даст возможности правильному функционированию, в следствие влияния таких факторов, как тепловое воздействие от корпуса клапана, или непосредственно от поверхности труб системы отопления, которые проложены открыто вдоль стен.

Виды термоголовок

В зависимости от назначения, метода установки и свободного доступа при монтаже, термоголовки различают по нескольким видам:

Термоголовки для радиатора с встроенным температурным датчиком. Это стандартные терморегуляторы, которые очень часто устанавливаются на радиаторах отопления, потому что обычно имеется свободный доступ комнатного воздуха к корпусу термоголовки, горизонтальный монтаж таких термоголовок не затруднен, и работа термоголовки будет корректной.

Термоголовки с выносным температурным датчиком. Такие термоголовки следует применять, в случаях, когда нет технической возможности произвести горизонтальный монтаж, либо радиаторы отопления скрыты очень плотными шторами; довольно близко от термоголовки находятся какие-либо источники тепла (трубы системы отопления, солнечный свет и др.), радиатор размещен под подоконником очень большой ширины. В таких случаях целесообразно устанавливать термоголовки с выносным датчиком температуры, который крепиться обычно к стене и управление осуществляется посредством капиллярной трубки различной длины.

Электронные термоголовки. Электронные программируемые термоголовки работают так же, как и обычные механические. Отличаются они по времени срабатывания  внутри электронных термоголов находится специальный датчик, который регистрирует температуру в комнате каждую минуту, поэтому условно время срабатывания у них составляет 1 минуту) и возможностью запрограммировать по времени и дням недели необходимую температуру. Еще одно отличие — это встроенный электродвигатель вместо сильфона с наполнителем, который перемещает шток термостатического клапана, ограничивая или увеличивая количество теплоносителя, поступающего в радиатор. Для этого необходимо электропитание. У многих производителей предусмотрены две обычных щелочных батарейки, которые поставляются в комплекте. Срок эксплуатации батареек составляет порядка двух лет, и обычно заранее появляется сигнал о необходимости замены элементов питания.

ТОР 10 термоголовок

В заключение хочется отметить, что большое количество производителей предлагают широкий ассортимент термоголовок, различных по назначению, различной формы и разнообразной цветовой гаммы. Большинство термоголовок отлично справляются с поддержанием оптимальной и комфортной комнатной температуры, при этом эффективно экономятся энергозатраты. Большинство термоголовок имеют хороший дизайн и очень оптимально дополняют интерьер в помещениях.

На нашем сайте вы можете купить термоголовки таких известных производителей, как Danfoss, Oventrop, MNG, Heimeier, Schlosser, Honeywell, Herz и др.

И в завершение, для Вашего удобства размещаем 10 самых популярных и часто запрашиваемых термоголов.

1. 2. 3. 4. 5. 

6. 7. 8. 9. 10.

Принцип работы термосифонной системы отопления

Как работает принцип термосифонных систем отопления и нагрева воды.

Как известно, при нагревании вода расширяется и стремится вверх. В свою очередь холодные слои жидкостей стремятся в нижнюю часть сосуда для того что распределиться слоями как это показано на рисунке.

 

По принципу термосифонной системы работает множество отопительных систем по принципу самотека или термосифоники. Благодаря которому приводятся в движение потоки теплоносителя в системах отопления частных домов, либо многоэтажных домов с индивидуальной системой отопления как показано схематично на рисунке.

 

Так же в качестве термосифонной системы можно рассматривать и радиаторы отопления у которых важно подключение так что бы горячая вода поступала в радиатор отопления сверху и остывая стримится вниз что бы вытечь из батарее и уступить место свежему теплоносителю повышенной температуры. Таким образом содействую движению тепла по трубам в системе отопления. Независимо от того в какой тип системы отопления отопления врезана конкретно взятая батарея.  На темпрературной карте распределение тепла внутри выглядит так как это показано на рисунке ниже.

 

При этом не столь важно в какую систему отопления врезана батарея, будь то термосифонная либо гидравлическая система отопления. в любом случае сама батарея отопления подключается по принципу термосифоники, иначе греть она не будет..

Однако если батарея врезана в гидравлическую систему отопления то есть возможность только нижнего подключения радиаторов отопления, по причине принудительной прокачки теплоносителя по системе в отличии от самотечной системы.

При высоком давлении в гидравлических системах отопления происходит смешение слоев свежего – горячего теплоносителя с остывшим потому что идет непрерывная прокачка тепла насосами. А при термосифонной или самотечной системе отопления батарея при нижнем подключении греть бы не стала. Так как при термосифонной системе отопления и нужно подключать диагонально как то показано на рисунке ниже.

Однако в продаже имеются радиаторы которые имеют нижнее подключение но фактически это правильное подключение или обвязка потому что у батарей с нижним подключением (обычно это не секционные а панельные радиаторы) имеющие нижнее подключение внутри конструкции батарея оборудованна специальной трубкой для того что бы поднимать вверх радиатора входящий в батарею теплый поток или подачу как то показано на рисунке ниже.

 

Подобная конструкция и тип панельных стальных радиаторов хорошо зарекомендовали себя в индивидуальных системах отопления частных домов и квартир с собственным котлом.

      Рекомендации

Конструкция биметаллических радиаторов отопления, особенности, отличия

Обновлено: 1 декабря 2020.

Конструкция биметаллических радиаторов отопления отличается от алюминиевых, чугунных и стальных. Благодаря ей такие батареи имеют ряд особенностей. О них необходимо знать при выборе типа радиатора.

Биметаллические радиаторы отличаются своими характеристиками. Каждый производитель отдельно разрабатывает модельный ряд. Но общие плюсы и минусы у них имеются. О них мы также расскажем в этой статье.

Материалы, используемые для биметаллических радиаторов

Корпус секции биметаллического радиатора изготавливается из алюминия. Этот металл имеет хорошую теплопроводность и теплоотдачу. Но он плохо выдерживает перепады давления и температуры.

Внутренняя часть биметаллических радиаторов состоит либо из стали, либо из меди. Сталь используется чаще, из-за низкой стоимости. Но стальные биметаллические радиаторы имеют немного больший все секции, чем с медным сердечником. Все потому, что при использовании меди толщина стенок каналов ниже.

Хорошие производители используют качественную сталь, слабо поддающуюся коррозии. Вдобавок они покрывают внутреннюю часть трубок антикоррозийным покрытием.

Дешевые азиатские производители часто используют низкокачественную сталь, которая быстро ржавеет. Но для полного разрушения труб потребуется не один год, так как в них постоянно находится вода. Не стоит забывать, что в азии есть как дешевые нонейм-изготовители, так и качественные бренды. Об этом свидетельствует разнообразие отзывов о китайских биметаллических радиаторах.

Конструкция биметаллических радиаторов отопления

Каждая секция состоит из алюминиевого корпуса с плоскими частями, так называемыми «перьями». Через них происходит основная теплоотдача.

Биметаллический радиатор в горизонтальном разрезе.

В верхней и нижней части внутри алюминиевого корпуса расположены стальные или медные горизонтальные трубки. С каждой стороны на них есть внутренняя резьба под ниппельную гайку. последнюю используют для скрепления секций между собой. На ниппельной гайке есть наружная резьба.

Верхние и нижние части соединены вертикальным каналом, также из стали или меди. Через него проходит вода или теплоноситель. В этих трубках происходит основная отдача тепловой энергии.

В верхней части во многих моделях расположены отсекатели воздуха. Они служат для того чтобы направлять теплый воздух от стены в комнату. Особенно эффективны они при установке батарей в нише или под окном.

Принцип работы биметаллических радиаторов такой же, как у других. Но есть три основные отличия от алюминиевых, чугунных и стальных батарей отопления:

  1. Биметаллические радиаторы имеют меньшую теплоотдачу, чем алюминиевые. Разница в среднем составляет 10-20%.
  2. Биметаллические батареи имеют высокую прочность, некоторые модели способны выдерживать давление до 40 бар.
  3. Радиаторы из биметалла не подвержены коррозии из-за высокой кислотности воды.
Биметаллический радиатор в разрезе (стальной сердечник)

Вес и теплоотдача

Есть два стереотипа про биметаллические радиаторы:

  1. Они легкие и плохо греют;
  2. Они тяжелые и хорошо греют.

Это кажется глупостью

Но на самом деле все верно. Чем легче радиатор, тем меньше он сможет отобрать энергии у теплоносителя. Соответственно, меньше отдаст тепла в помещение. И наоборот – чем больше алюминия в радиаторе, тем больше тепловой энергии ему отдает вода или теплоноситель. И греет он лучше.

Просто разные люди сталкиваются с разными производителями и моделями. Некоторые варианты сделаны легкими, но с плохой теплоотдачей. А некоторые – тяжелыми, но дают больше киловатт тепла.

Многие производители искусственно завышают теплоотдачу биметаллических радиаторов. Иногда цифры отличаются в 1,5-2 раза. Чтобы знать действительную теплоотдачу биметаллических радиаторов отопления, вы можете прочитать статью «Сколько реальных кВт тепла в одной секции радиатора».

Полубиметаллические радиаторы

Некоторые производители изготавливают полубиметаллические радиаторы. В них не вся внутренняя часть имеет стальные или медные вставки. Чаще всего только вертикальные каналы изготовлены по технологии биметалла. Но иногда из меди или стали изготавливают сердечники для горизонтальных канало.

Полубиметаллические радиаторы хуже по своим характеристикам, чем биметаллические и алюминиевые. Вот их отличия:

  • Части каналов, не защищенные сталью или медью, чувствительны к перепадам температур, как алюминиевые радиаторы;
  • Каналы из биметалла отдают тепло хуже алюминиевых радиаторов;
  • Стоимость полубиметаллических радиаторов выше чем алюминиевых, но они ничем не лучше.

Полубиметаллические радиаторы часто выдают за биметаллические, если у них только верхние трубки из стали или меди. Ведь вы не сможете посмотреть на то, из чего сделана внутренняя вертикальная часть секции.

Точно так же выдают алюминиевые радиаторы за полубиметаллические. Нечестные продавцы говорят, что вертикальная часть из меди или стали, но на деле это не так. И снова вам никак не проверить это.

Конструкция биметаллических радиаторов отопления разработана таким образом, чтобы защитить алюминий от давления, гидроударов и температуры. Надеемся, что статья была вам полезной. Не забудьте поделиться ей с друзьями!



Хотите получить помощь мастера, специалиста в этой сфере? Переходите на портал поиска мастеров Профи. Это полностью бесплатный сервис, на котором вы найдете профессионала, который решит вашу проблему. Вы не платите за размещение объявления, просмотры, выбор подрядчика.

Если вы сами мастер своего дела, то зарегистрируйтесь на Профи и получайте поток клиентов. Ваша прибыль в одном клике!


Что такое байпас и зачем он нужен?

В организации отопления очень важно найти баланс: в помещении должно быть комфортно вне зависимости от температуры воздуха на улице. Нередко бывает так, что с наступлением оттепели в доме или в офисе становится слишком душно, а резкое понижение температуры воздуха негативно сказывается на температуре внутри помещения. Байпас – идеальное решение, чтобы сохранять  комфорт при любых погодных условиях и облегчить эксплуатацию отопительных приборов, ведь в однотрубных системах центрального отопления он позволяет установить теплорегулятор.

Однако обо всем по порядку.

Что представляет собой байпас?

По сути, байпас – это перемычка в виде отрезка трубы. Она устанавливается между прямой и обратной проводкой любого стандартного радиатора отопления. Диаметр байпаса должен быть на 1 размер меньше, чем диаметр труб подводки. Это необходимо для сбалансированного распределения теплоносителя между самим байпасом и отопительным прибором.

Таким образом решается сразу две важных задачи: с одной стороны вся система продолжает бесперебойно работать даже в период ремонта оборудования, с другой – появляется возможность управлять потоками теплоносителя.

Использование байпаса. Два основных случая

Случай 1

Однотрубная система отопления хоть и устарела морально, но все равно еще достаточно часто используется в зданиях постройки прошлого века. Минус не только в том, что нередко система не в состоянии обеспечить необходимый уровень тепла, но иногда ее работа бывает слишком эффективна: в помещении очень душно и находиться там некомфортно. Установка байпаса – самое простое и эффективное решение в этой ситуации. Установка устройства даст возможность регулировать температуру в доме.

Трехходовой или радиаторный терморегулятор может изменять количество теплоносителя между отопительным прибором и стояком. Байпас необходим для того, чтобы распределить теплоноситель между ними. Получается, что байпас позволяет транспортировать теплоноситель одновременно по стояку и к отопительному прибору. Также при отсутствии этого элемента было бы невозможно осуществить ремонт батареи без отключения целого участка системы.

Случай 2

Нередко в современных отопительных системах нельзя обойтись без использования циркуляционного насоса. В этом случае система становится энергозависимой, ведь без электричества насос работать не сможет. Спасительная роль байпаса в этом случае важна и одновременно проста, ведь как только пропадет свет, достаточно перекрыть краны подачи теплоносителя на насос и открыть кран на центральной трубе. Байпас, снабженный клапаном, может выполнить данные процедуры автоматически. Эти простые действия способны перевести систему отопления в режим естественной циркуляции.

Снижение энергозатрат

Еще одно преимущество использования байпаса в однотрубной системе отопления, при использовании терморегуляторов – возможность снизить счета за отопление. Дело в том, в этом случае эффективность использования теплоносителя повышается в среднем на 30%. Это значит, что и эффективность теплоотдачи у радиаторов отопления повышается процентов на 10. Значение может показаться не очень ощутимым, но если посчитать объемы «лишней» энергии, за которую платит сам потребитель, то в денежном эквиваленте получается приличная сумма.

Заключение

Строго говоря, байпас не является обязательным элементом в отопительной системе, но желателен. Вполне возможно, что пользу от него никогда ощутить и не случится, особенно если у вас новый дом с двухтрубной системой центрального отопления. В противном случае байпас может сэкономить массу времени, денег и сил, если возникнет необходимость замены радиаторов отопления.


Это то, что происходит внутри батареи прямо перед взрывом

Литий-ионные аккумуляторы в последнее время не так популярны — от ярких поражений Note 7 до взрывающихся ховербордов. Новое исследование помогает объяснить, как эти популярные источники энергии могут стать угрозой безопасности.

В статье, опубликованной в журнале Электрохимического общества , ученые синхротрона Canadian Light Source (CLS) заглянули внутрь перегруженной батареи. В этом случае они разряжали батарею до тех пор, пока ее напряжение не опустилось ниже критического уровня.

Из-за перезарядки или переутомления внутренняя часть аккумулятора деформируется. (A) показывает внутреннюю часть батареи до того, как она была использована не по назначению. (B) показывает, как неправильное использование приводит к еще большему искажению дефектов первоначальной конструкции. (C) выделяет области, где деформация усилилась. Тоби Бонд, канадский источник света

Когда мы перезаряжаем или перегреваем ионно-литиевые батареи, материалы внутри начинают разрушаться и выделять пузырьки кислорода, углекислого газа и других газов. Давление нарастает, и горячая батарея превращается из прямоугольника в подушку.Иногда задействованный телефон срабатывает и после этого. В других случаях он умрет. А иногда — капов!

Чтобы увидеть, что происходит внутри батареи, когда она разбухает, команда CLS использовала рентгеновский метод, называемый компьютерной томографией.

Внутри батареи находится электрод, который по спирали выходит из центральной точки, как рулет из желе. Рентгеновское сканирование показало, что пузырьки, образовавшиеся при перегреве, искривляли и вмятили этот электрод.

Интересно, что авторы исследования обнаружили, что самая большая деформация от скопления газа произошла в областях, которые имели небольшие дефекты до того, как батарея когда-либо была чрезмерно разряжена.Авторы отмечают, что проведение большего количества подобных исследований на большем количестве батарей улучшило бы понимание того, как эти батареи реагируют на выделение газа, что могло бы привести к улучшению конструкции.

Как отмечает New Scientist , неясно, были ли катастрофы Samsung Note 7 связаны с подушкой или подобной деформацией.

[Журнал Электрохимического общества через New Scientist]

Управление температурным режимом батареи

Температурные воздействия

Пределы рабочих температур

Все батареи зависят от своего действия в электрохимическом процессе, будь то зарядка или разрядка, и мы знаем, что эти химические реакции в некотором роде зависят от температуры.Номинальная производительность батареи обычно указывается для рабочих температур где-то в диапазоне от + 20 ° C до + 30 ° C, однако фактическая производительность может существенно отличаться от этого, если батарея эксплуатируется при более высоких или более низких температурах. См. «Температурные характеристики» для получения типичных графиков производительности.

Закон Аррениуса говорит нам, что скорость, с которой протекает химическая реакция, увеличивается экспоненциально с повышением температуры (см. Срок службы батареи).Это позволяет получать больше мгновенной энергии от батареи при более высоких температурах. В то же время более высокие температуры улучшают подвижность электронов или ионов, уменьшая внутренний импеданс ячейки и увеличивая ее емкость.

В верхней части шкалы высокие температуры могут также вызвать нежелательные или необратимые химические реакции и / или потерю электролита, что может вызвать необратимое повреждение или полный выход батареи из строя. Это, в свою очередь, устанавливает верхний предел рабочей температуры для аккумулятора.

В нижней части шкалы электролит может замерзнуть, что приведет к ограничению низкотемпературных характеристик. Но значительно выше точки замерзания электролита производительность батареи начинает ухудшаться, поскольку скорость химической реакции снижается. Даже если батарея может работать при температурах до -20 ° C или -30 ° C, производительность при 0 ° C и ниже может быть серьезно снижена.

Также обратите внимание, что нижний рабочий предел температуры батареи может зависеть от ее состояния заряда.Например, в свинцово-кислотном аккумуляторе по мере разряда аккумулятора сернокислый электролит становится все более разбавленным водой, и его точка замерзания соответственно увеличивается.

Таким образом, аккумулятор необходимо поддерживать в ограниченном диапазоне рабочих температур, чтобы можно было оптимизировать как емкость заряда, так и срок службы. Поэтому для практической системы может потребоваться как нагрев, так и охлаждение, чтобы поддерживать ее не только в рабочих пределах, указанных производителем батареи, но и в более ограниченном диапазоне для достижения оптимальной производительности.

Управление температурным режимом заключается не только в соблюдении этих ограничений. Батарея подвержена нескольким одновременным внутренним и внешним тепловым воздействиям, которые необходимо контролировать.

Источники тепла и приемники

Электрический нагрев (Джоулев нагрев)

При работе любой батареи выделяется тепло из-за потерь I 2 R, поскольку ток течет через внутреннее сопротивление батареи, независимо от того, заряжается она или разряжается.Это также известно как джоулев нагрев. В случае разряда общая энергия в системе фиксирована, а повышение температуры будет ограничено доступной энергией. Однако это все еще может вызвать очень высокие локальные температуры даже в батареях с низким энергопотреблением. Во время зарядки такое автоматическое ограничение не применяется, поскольку нет ничего, что могло бы помешать пользователю продолжать перекачивать электроэнергию в аккумулятор после того, как он полностью зарядился. Это может быть очень рискованная ситуация.

Разработчики аккумуляторов стремятся поддерживать внутреннее сопротивление ячеек как можно более низким, чтобы минимизировать тепловые потери или тепловыделение внутри батареи, но даже с сопротивлением элементов всего 1 миллиОм нагрев может быть значительным.См. Примеры в разделе «Влияние внутреннего импеданса».

Термохимический нагрев и охлаждение

Помимо джоулева нагрева, химические реакции, протекающие в ячейках, могут быть экзотермическими, добавляясь к выделяемому теплу, или они могут быть эндотермическими, поглощая тепло в процессе химического воздействия. Поэтому перегрев с большей вероятностью будет проблемой при экзотермических реакциях, в которых химическая реакция усиливает тепло, выделяемое током, а не эндотермическими реакциями, в которых ему противодействует химическое воздействие.В аккумуляторных батареях, поскольку химические реакции обратимы, химические вещества, являющиеся экзотермическими во время зарядки, будут эндотермическими во время разряда и наоборот. Так что от проблемы никуда не деться. В большинстве случаев джоулев нагрев будет превышать эффект эндотермического охлаждения, поэтому меры предосторожности все же необходимо принимать.

Свинцово-кислотные аккумуляторы экзотермичны во время зарядки, а аккумуляторы VRLA склонны к тепловому разгоне (см. Ниже). NiMH-элементы также являются экзотермическими во время зарядки, и по мере приближения к полной зарядке температура элемента может резко повыситься.Следовательно, зарядные устройства для никель-металлгидридных элементов должны быть спроектированы так, чтобы определять это повышение температуры и отключать зарядное устройство, чтобы предотвратить повреждение элементов. Напротив, никелевые батареи с щелочными электролитами (NiCad) и литиевые батареи эндотермичны во время зарядки. Тем не менее, при зарядке этих аккумуляторов возможен тепловой разгон, если они подвержены перезарядке.

Термохимия литиевых элементов немного сложнее, в зависимости от степени внедрения ионов лития в кристаллическую решетку.Во время зарядки реакция сначала является эндотермической, а затем переходит в слегка экзотермическую в течение большей части цикла зарядки. Во время разряда реакция обратная, сначала экзотермическая, затем переходящая в слегка эндотермическую на протяжении большей части цикла разряда. Как и другие химические составы, эффект джоулевого нагрева больше, чем термохимический эффект, пока ячейки остаются в пределах своих проектных ограничений.

Внешнее тепловое воздействие

Тепловое состояние аккумулятора также зависит от окружающей среды.Если его температура выше температуры окружающей среды, он будет терять тепло из-за теплопроводности, конвекции и излучения. Если окружающая температура выше, аккумулятор будет нагреваться от окружающей среды. Когда температура окружающей среды очень высока, система управления температурным режимом должна работать очень усердно, чтобы поддерживать температуру под контролем. Отдельный элемент может очень хорошо работать при комнатной температуре сам по себе, но если он является частью аккумуляторной батареи, окруженной одинаковыми ячейками, которые выделяют тепло, даже если он несет одинаковую нагрузку, он может значительно превысить свои температурные пределы.

Температура — ускоритель

Конечным результатом термоэлектрических и термохимических эффектов, возможно, усиленных условиями окружающей среды, обычно является повышение температуры, и, как мы отметили выше, это вызывает экспоненциальное увеличение скорости протекания химической реакции. Мы также знаем, что при чрезмерном повышении температуры может произойти много неприятностей

    • Активные химические вещества расширяются, вызывая набухание клетки
    • Механическое искажение компонентов ячейки может привести к короткому замыканию или разрыву цепи
    • Могут происходить необратимые химические реакции, вызывающие необратимое снижение количества активных химикатов и, следовательно, емкости элемента
    • Продолжительная работа при высоких температурах может вызвать растрескивание пластиковых частей элемента
    • Повышение температуры вызывает ускорение химической реакции, повышение температуры еще больше и может привести к тепловому разгоне
    • Газы могут выделяться
    • Давление внутри ячейки
    • Ячейка может в конечном итоге разорваться или взорваться
    • Могут выделяться токсичные или легковоспламеняющиеся химические вещества
    • Судебные иски последуют за

Тепловая мощность — конфликт

По иронии судьбы, поскольку инженеры по аккумуляторным батареям стремятся втиснуть все больше и больше энергии во все меньшие объемы, разработчику приложений становится все труднее получить ее снова.К сожалению, большая сила батарей, изготовленных по новой технологии, также является источником их наибольшей слабости.

Теплоемкость объекта определяет его способность поглощать тепло. Проще говоря, для заданного количества тепла, чем больше и тяжелее объект, тем меньше будет повышение температуры, вызванное теплом.

В течение многих лет свинцово-кислотные батареи были одними из немногих источников питания, доступных для приложений большой мощности.Из-за их большого размера и веса повышение температуры во время работы не было большой проблемой. Но в поисках меньших и легких батарей с большей мощностью и плотностью энергии неизбежным следствием является уменьшение тепловой емкости батареи. Это, в свою очередь, означает, что для данной выходной мощности повышение температуры будет выше.

(Это предполагает аналогичный внутренний импеданс и аналогичные термохимические свойства, что не обязательно так.В результате отвод тепла является серьезной инженерной проблемой для аккумуляторов с высокой плотностью энергии, используемых в мощных приложениях. Разработчики ячеек разработали инновационные методы строительства ячеек, чтобы отводить тепло от ячейки. Разработчики аккумуляторных блоков должны найти столь же инновационные решения, чтобы избавить аккумулятор от тепла.

Температурные характеристики аккумуляторных батарей EV и HEV

Подобные конфликты возникают с аккумуляторами электромобилей и сверхвысоких напряжений.Аккумулятор электромобиля большой, с хорошей способностью рассеивать тепло за счет конвекции и теплопроводности и подвержен небольшому повышению температуры из-за своей высокой теплоемкости. С другой стороны, батарея HEV с меньшим количеством ячеек, но каждая из которых имеет более высокий ток, должна выдерживать ту же мощность, что и батарея EV, менее чем на одну десятую своего размера. Благодаря более низкой теплоемкости и более низким характеристикам рассеивания тепла это означает, что аккумулятор HEV будет подвергаться гораздо более высокому повышению температуры.

Принимая во внимание необходимость поддерживать работу элементов в допустимом температурном диапазоне (см. Срок службы в разделе «Отказы литиевой батареи»), батарея электромобиля с большей вероятностью столкнется с проблемами, связанными с поддержанием ее тепла на нижнем конце диапазона температур, в то время как аккумулятор HEV с большей вероятностью будет иметь проблемы с перегревом в условиях высоких температур, даже если они оба рассеивают одинаковое количество тепла.

В случае электромобиля при очень низких температурах окружающей среды самонагрев (нагрев I 2 R) за счет протекания тока во время работы, скорее всего, будет недостаточным для повышения температуры до желаемых рабочих уровней из-за большого размера батареи и для повышения температуры могут потребоваться внешние нагреватели. Это может быть обеспечено за счет отвода части емкости батареи на обогрев. С другой стороны, такое же тепловыделение I 2 R в аккумуляторной батарее HEV, работающей в высокотемпературных средах, может привести к тепловому разгоне, и необходимо обеспечить принудительное охлаждение.

См. Также Технические характеристики EV, HEV и PHEV в разделе «Тяговые батареи»

.

Термический побег

Рабочая температура, достигаемая в батарее, является результатом увеличения температуры окружающей среды за счет тепла, выделяемого батареей. Если аккумулятор подвергается чрезмерному току, возникает возможность теплового разгона, что приводит к катастрофическому разрушению аккумулятора.Это происходит, когда скорость выделения тепла внутри батареи превышает ее способность рассеивания тепла. Это может произойти при нескольких условиях:

  • Первоначально тепловые потери I 2 R зарядного тока, протекающего через элемент, нагревают электролит, но сопротивление электролита уменьшается с температурой, так что это, в свою очередь, приведет к более высокому току, вызывающему еще более высокую температуру, усиление реакции до достижения состояния выхода из-под контроля.
  • Во время зарядки зарядный ток вызывает экзотермическую химическую реакцию химических веществ в элементе, которая усиливает тепло, выделяемое зарядным током.
  • Или во время отвода тепла, возникающего в результате экзотермического химического воздействия, генерирующего ток, усиливается резистивный нагрев из-за протекания тока внутри элемента.
  • Слишком высокая температура окружающей среды.
  • Недостаточное охлаждение

Если не будут приняты некоторые защитные меры, последствия теплового разгона могут привести к расплавлению элемента или повышению давления, что приведет к взрыву или возгоранию, в зависимости от химического состава и конструкции элемента. Более подробную информацию см. В разделе «Неисправности литиевых батарей».

Система терморегулирования должна держать все эти факторы под контролем.

Примечание

Температурный разгон может произойти во время зарядки свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с регулируемым клапаном, когда выделение газа запрещено, а рекомбинация способствует повышению температуры. Это не относится к залитым свинцово-кислотным аккумуляторным батареям, поскольку электролит выкипает.

Регуляторы температуры

Обогрев

Относительно легко справиться с низкотемпературными условиями эксплуатации.В простейшем случае в батарее обычно достаточно энергии для питания самонагревательных элементов, которые постепенно доводят батарею до более эффективной рабочей температуры, когда нагреватели могут быть отключены. В некоторых случаях достаточно, чтобы аккумулятор не перезаряжался, когда он не используется. В более сложных случаях, например, с высокотемпературными батареями, такими как батарея Zebra, работающая при температурах, значительно превышающих нормальные температуры окружающей среды, может потребоваться некоторый внешний обогрев, чтобы довести батарею до рабочей температуры при запуске, и может потребоваться специальная теплоизоляция для поддержания температура как можно дольше после выключения.

Охлаждение

Для маломощных батарей достаточно обычных схем защиты, чтобы поддерживать батарею в рекомендуемых пределах рабочих температур. Однако цепи большой мощности требуют особого внимания к управлению температурным режимом.

Проектные цели

  • Защита от перегрева —
    В большинстве случаев это просто включает в себя мониторинг температуры и прерывание пути тока, если температура при достижении температурных пределов достигается с использованием обычных схем защиты.Хотя это предотвратит повреждение аккумулятора от перегрева, оно, тем не менее, может отключить аккумулятор до того, как будет достигнут предел допустимой нагрузки по току, что серьезно ограничит его производительность.
  • Рассеивание избыточного тепла —
    Удаление тепла из батареи позволяет переносить более высокие токи до достижения температурных пределов. Тепло выходит из батареи за счет конвекции, теплопроводности и излучения, и задача разработчика блока состоит в том, чтобы максимизировать эти естественные потоки, поддерживая низкую температуру окружающей среды, путем обеспечения прочного, хорошего теплопроводного пути от батареи (с использованием металлических охлаждающих стержней или пластин между ними). ячейки, если необходимо), максимально увеличив площадь его поверхности, обеспечив хороший естественный поток воздуха через или вокруг блока и установив его на проводящей поверхности.
  • Равномерное распределение тепла —
  • Даже несмотря на то, что тепловая конструкция батареи может быть более чем достаточной для рассеивания общего тепла, выделяемого батареей, внутри батареи все же могут быть локализованные горячие точки, которые могут превышать указанные температурные пределы. Это может быть проблемой для ячеек в середине многоячеечной упаковки, которая будет окружена теплыми или горячими ячейками по сравнению с внешними ячейками в упаковке, которые обращены к более прохладной среде.

    Температурный градиент аккумулятора может серьезно повлиять на срок его службы. Закон Аррениуса указывает, что с увеличением температуры на каждые 10 ° C скорость химической реакции увеличивается примерно вдвое. Это создает несбалансированную нагрузку на элементы в батарее, а также усугубляет любой возрастной износ элементов. См. Также «Взаимодействие между ячейками и балансировка ячеек».

    Разделение ячеек во избежание этой проблемы увеличивает объем упаковки.Для выявления потенциальных проблемных участков может потребоваться тепловидение.

    Пассивное рассеяние можно еще больше улучшить, установив ячейки в блок из теплопроводящего материала, который действует как теплоотвод. Теплопередача от ячеек может быть максимизирована, если для этой цели используется материал с фазовым переходом (PCM), поскольку он также поглощает скрытую теплоту фазового перехода при переходе из твердого в жидкое состояние. Находясь в жидком состоянии, конвекция также вступает в игру, увеличивая потенциал теплового потока и выравнивая температуру в аккумуляторном блоке.Для этого применения доступны графитовые губчатые материалы с высокой проводимостью, пропитанные воском, который поглощает дополнительное тепло, когда температура достигает точки плавления.

  • Минимальная прибавка в весе —
    Для приложений с очень большой мощностью, таких как тяговые батареи, используемые в электромобилях и HEV, естественного охлаждения может быть недостаточно для поддержания безопасной рабочей температуры, и может потребоваться принудительное охлаждение. Это должно быть последним средством, поскольку это усложняет конструкцию батареи, увеличивает ее вес и потребляет электроэнергию.Однако, если принудительное охлаждение неизбежно, первым выбором будет принудительное воздушное охлаждение с помощью вентилятора или вентиляторов. Это относительно просто и недорого, но теплоемкость теплоносителя, воздуха, который предназначен для отвода тепла, относительно мала, что ограничивает его эффективность. В худшем случае может потребоваться жидкостное охлаждение.
    Для очень высоких скоростей охлаждения требуются рабочие жидкости с более высокой теплоемкостью. Вода обычно является первым выбором, поскольку она недорогая, но можно использовать и другие жидкости, такие как этиленгликоль (антифриз), которые имеют лучшую теплоемкость.Вес хладагента, насосы для его циркуляции, рубашки охлаждения вокруг ячеек, трубопроводы и коллекторы для переноса и распределения хладагента, а также радиатор или теплообменник для его охлаждения — все это значительно увеличивает общий вес, сложность и стоимость. батареи. Эти штрафы вполне могут перевесить выгоды, которые, как ожидается, будут достигнуты за счет использования химического состава батарей с высокой плотностью энергии.

Рекуперация тепла

В некоторых приложениях, например, в электромобилях, как указано выше, есть возможность использовать отработанное тепло для обогрева салона, и большинство автомобильных систем включают в себя некоторую форму интеграции управления температурным режимом аккумуляторной батареи с системами климат-контроля транспортного средства.Однако это полезно только в холодную погоду. В жарком климате высокая температура окружающей среды ложится дополнительным бременем на управление температурным режимом батареи.

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей.Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько это досягаемо для их кабелей, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не батареи, а в основном они использовались для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому, Луиджи Гальвани. В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Луиджи Гальвани обнаружил, что лапы лягушек, подвешенных на латунных крючках, дергались, когда их ткнули зондом из другого металла.Он думал, что эта реакция была вызвана «животным электричеством» внутри лягушки. Источник изображения: Луиджи Гальвани / Wikimedia Commons.

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно течет через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Батарея Алессандро Вольта: куча цинковых и серебряных листов, перемежаемых тканью или бумагой, пропитанной соленой водой. Представьте, что вы используете это для питания вашего телефона. Источник изображения: Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в свае, можно увеличить количество напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это должным образом, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли из , а где-то электроны текли с на .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при соединении) с серебром, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять пару химических реакций. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате чего образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

  • Стандартные потенциалы полуреакций

    Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E 0 ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородная полуреакция имеет нулевое значение E 0 ).E 0 измеряется в вольтах.

    Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E 0 скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E 0 отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E 0 говорит вам об электрохимическом потенциале вашего элемента, который в основном представляет собой напряжение элемента.

    Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E 0 (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

    Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается бороться), и, когда у нас есть легкий путь, чтобы добраться туда — проводящий провод, мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последнего элемента.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании батареи возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки приводит к еще большему ухудшению состояния электродов, а это означает, что аккумулятор со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не работают вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы перезаряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, а некоторые металлы откладываются во время перезарядки, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в движение аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод будет тянуть электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, насколько важны и напряжение, и ток для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости аккумулятора, и помнить, для чего он будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. В случае с батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, поскольку это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно заряжать то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) можно использовать в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую ​​как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю на века. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного лучше, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных аккумуляторов), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей. Чтобы узнать больше о них и о том, что ждет аккумулятор в будущем, ознакомьтесь с другими нашими темами о Nova.

Эта тема является частью нашей серии из четырех статей об аккумуляторах.Для дальнейшего чтения ознакомьтесь с типами аккумуляторов, литий-ионных аккумуляторов и аккумуляторов будущего.

Самонагревающийся аккумулятор с быстрой зарядкой делает электромобили невосприимчивыми к климатическим изменениям.

UNIVERSITY PARK, PA. — Калифорнийцы не покупают электромобили, потому что они крутые, они покупают электромобили, потому что живут в теплом климате. Обычные литий-ионные батареи не могут быть быстро заряжены при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту, но теперь команда инженеров Пенсильванского университета создала батарею, которая может самонагреваться, что позволяет быстро заряжаться независимо от внешнего холода.

«Электромобили популярны на западном побережье, потому что погода благоприятствует», — сказал Сяо-Гуан Ян, доцент кафедры машиностроения штата Пенсильвания. «Как только вы переместите их на восточное побережье или в Канаду, возникнет огромная проблема. Мы продемонстрировали, что батареи можно быстро заряжать независимо от температуры окружающей среды».

Когда владельцы могут заряжать автомобильные аккумуляторы за 15 минут на зарядной станции, заправка электромобиля становится почти эквивалентной заправке бензином по времени.Если предположить, что зарядные станции размещены достаточно широко, водители могут избавиться от «беспокойства по поводу дальности» и без проблем проезжать большие расстояния.

Ранее исследователи разработали батарею, которая могла самонагреваться, чтобы избежать потери мощности ниже нуля. Теперь тот же принцип применяется к батареям, чтобы обеспечить быструю зарядку за 15 минут при всех температурах, даже до минус 45 градусов F.

В самонагревающейся батарее используется тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, образуя третью клемму.Датчик температуры, прикрепленный к переключателю, заставляет электроны проходить через никелевую фольгу, замыкая цепь, когда температура ниже комнатной. Это быстро нагревает никелевую фольгу за счет резистивного нагрева и нагревает внутреннюю часть батареи. Как только внутренняя температура батареи становится выше комнатной, переключатель размыкается, и электрический ток течет в батарею, чтобы быстро зарядить ее.

«Уникальной особенностью нашего элемента является то, что он нагревается, а затем автоматически переключается на зарядку», — сказали Чао-Ян Ван, Чао-Ян Ван, Уильям Э.Дифендерфер Кафедра машиностроения, профессор химического машиностроения, профессор материаловедения и инженерии, директор Центра электрохимических двигателей. «Кроме того, уже существующие станции не нужно менять. Управление отключением нагрева и зарядки осуществляется внутри батареи, а не зарядных устройств».

Исследователи сообщают о результатах тестирования своего прототипа в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences на этой неделе. Они обнаружили, что их самонагревающаяся батарея может выдержать 4500 циклов 15-минутной зарядки при 32 градусах по Фаренгейту с потерей только 20 процентов емкости.Это обеспечивает примерно 280000 миль вождения и срок службы 12,5 лет, что превышает большинство гарантий.

Обычная батарея, испытанная в тех же условиях, потеряла 20 процентов емкости за 50 циклов зарядки.

Литий-ионные батареи

разлагаются при быстрой зарядке при температуре ниже 50 градусов по Фаренгейту, потому что литий, вместо того, чтобы плавно интегрироваться с угольными анодами, осаждается в виде шипов на поверхности анода. Это литиевое покрытие снижает емкость элементов, но также может вызвать скачки напряжения и небезопасное состояние батареи.В настоящее время длительная и медленная зарядка — единственный способ избежать лития при температуре ниже 50 градусов F.

Батареи, нагретые выше порогового значения для литиевого покрытия, будь то температура окружающей среды или внутренний нагрев, не будут иметь литиевого покрытия и не будут терять емкость.

«Этот повсеместный метод быстрой зарядки также позволит производителям использовать батареи меньшего размера, которые легче и безопаснее в автомобиле», — сказал Ван.

Также над этим проектом работали Гуаншэн Чжан, бывший научный сотрудник по машиностроению, и Шанхай Ге, доцент кафедры машиностроения, Penn State.

Департамент охраны окружающей среды Пенсильвании, EC Power, LLC и Министерство энергетики США поддержали эту работу. Ван является основателем и техническим директором компании EC Power, LLC.

Что такое тепловой разгон батарей?

Пожалуй, одним из самых значительных недостатков использования батарей является то, что они должны работать в относительно узком температурном диапазоне. Безопасность и стабильность аккумуляторных элементов зависят от поддержания внутренней температуры в определенных пределах.Если температура превысит критический уровень на любом конце, может произойти тепловой разгон, который приведет к разрушению батареи или, что еще хуже, к возгоранию.

Что такое тепловой разгон батарей?

Термический разгон — это цепная реакция внутри элемента батареи, которую очень трудно остановить после того, как она началась. Это происходит, когда температура внутри батареи достигает точки, вызывающей химическую реакцию внутри батареи. Эта химическая реакция производит еще больше тепла, что приводит к повышению температуры, вызывая дальнейшие химические реакции, которые создают больше тепла.

При тепловом разгоне температура аккумуляторных элементов повышается невероятно быстро (за миллисекунды). Энергия, хранящаяся в этой батарее, высвобождается очень внезапно. Эта цепная реакция создает чрезвычайно высокие температуры (около 752 градусов по Фаренгейту / 400 градусов по Цельсию). Эти температуры могут вызвать выделение газа в батарее и возгорание, которое становится настолько горячим, что его практически невозможно потушить.

Опасности теплового разгона

Из-за теплового разгона литий-ионных аккумуляторов в последние годы возникли проблемы с носителями из-за аккумуляторов сотовых телефонов и ховербордов, вызывающих пожары в самолетах.Однако это может произойти со всеми типами батарей.

В крайних случаях, тепловой разгон может привести к взрыву аккумуляторов и возгоранию. В незначительных случаях это может привести к расплавлению батарей или выходу из строя, не подлежащему ремонту.

К счастью, есть новые технологии, которые позволяют нам делать батареи более безопасными и предотвращать причины этих цепных реакций.

Что вызывает тепловой сбой?

Несколько условий могут вызвать тепловой разгон батареи.

Температурный разгон может произойти из-за внутреннего короткого замыкания, вызванного физическим повреждением батареи или плохим обслуживанием батареи.Тот же тип сценария может вызвать внешнее короткое замыкание, которое также может запустить цепную реакцию.

Этот свинцово-кислотный аккумулятор в бульдозере полностью расплавился.

Избыточная зарядка аккумулятора сверх безопасного максимального напряжения (например, для увеличения расстояния, на которое может проехать электромобиль) может необратимо повредить аккумулятор и привести к тепловому разгоне.

Быстрая зарядка также может привести к тепловому разгоне, поскольку быстрая зарядка может привести к чрезмерным токам.

Наконец, температура вне безопасного диапазона на стороне низкого или высокого уровня ухудшает характеристики батареи.Это приводит к необратимому повреждению аккумулятора и возможному срабатыванию реакции.

Хотя опасность чрезмерного нагрева может быть очевидна, опасность чрезмерного холода может сбивать с толку. Функционирование литий-ионных аккумуляторов зависит от химических реакций. Чрезмерный холод может замедлить или остановить эти химические реакции.

Предотвращение теплового разгона батарей

Есть несколько способов снизить риск теплового разгона батарей. Давайте рассмотрим некоторые передовые методы и способы предотвратить это и защитить ваши батареи.

Надлежащая температура хранения

Один из простейших способов предотвращения теплового разгона — хранить батареи при безопасных температурах. Идеальная температура хранения для большинства литий-ионных батарей составляет от 40 до 70 градусов по Фаренгейту (5-20 градусов по Цельсию). Однако это может отличаться в зависимости от батареи и производителя, поэтому сверьтесь с этикеткой вашей конкретной батареи.

Здесь, в компании Dragonfly Energy, наши батареи имеют диапазон рабочих температур от -4 ° F до 140 ° F.

Правильная вентиляция

Один из самых простых способов поддерживать безопасную рабочую температуру — правильно проветривать батарейный отсек.Вся электроника, необходимая для управления вашей аккумуляторной системой, а также сами батареи выделяют тепло. Корпус улавливает все тепло, выделяемое батареями и электроникой, если вы не проветриваете должным образом.

Замените старые батареи

Пользователям батарей необходимо не только бережно обращаться с батареями и использовать их, но и заменять их. Это потому, что химические вещества и материалы со временем разлагаются.

Если у вас старый аккумулятор, который был незаряжен или недостаточно заряжен, возможно, в его корпусе скопились газы.В этом состоянии легко может взорваться аккумулятор.

Если вы видите деформированный или «пузырящийся» аккумулятор, не пытайтесь его зарядить. Правильно утилизируйте и замените деформированные батареи.

Не переплачивайте

Перезарядка аккумулятора может вызвать электрохимическую реакцию, которая может привести к тепловому разгоне. По этой причине очень важно следить за состоянием заряда аккумулятора.

Предотвращает ли система управления батареями (BMS) термический пробой?

Большинство литий-ионных аккумуляторных батарей имеют встроенную систему управления батареями (BMS).Эта BMS служит центром управления аккумуляторной батареей. Это гарантирует, что аккумулятор работает в безопасных условиях.

Системы управления батареями имеют решающее значение для безопасной работы и оптимальной производительности литий-ионных батарей и помогают минимизировать возможность теплового разгона.

Наши Dragonfly Energy Batteries (и наш потребительский бренд Battle Born Batteries) имеют встроенные системы управления батареями для защиты от перезарядки или недостаточной зарядки.Мы тестируем каждую батарею в рамках нашего обширного процесса обеспечения качества перед отправкой.

Как работает система управления батареями

Системы управления аккумулятором (BMS) отслеживают и управляют напряжением элемента, током элемента, температурой элемента, балансировкой заряда элемента, контролем заряда и обнаружением внутреннего короткого замыкания.

По сути, BMS — это электронная система, которая управляет либо отдельной ячейкой, либо целым аккумулятором. Он отслеживает состояние батареи и сообщает данные.Он также защищает батарею (или элемент), контролируя или уравновешивая среду, в которой находится батарея (или элемент).

Например, если BMS обнаруживает, что температура слишком высокая, она может регулировать температуру, управляя охлаждающими вентиляторами. В качестве альтернативы, если аккумулятор или элемент не может быть охлажден и безопасные условия восстановлены, BMS отключает необходимые элементы для защиты всей системы.

Температурный побег можно предотвратить с осторожностью и надлежащей BMS

Нет сомнений в том, что тепловой разгон — серьезная проблема для всех аккумуляторных систем.Но при правильном уходе и управлении вашей системой вы можете свести к минимуму этот риск и пользоваться всеми преимуществами наличия заряда батареи, доступного вам в любое время.

Школа инженерии Массачусетского технологического института | »Как работает аккумулятор?

Как работает аккумулятор?

Ваши часы, ноутбук и лазерная указка питаются от одного и того же: химии…

Мэри Бейтс

Существует много разных типов батарей, но все они работают на основе одной и той же концепции.«Батарея — это устройство, способное накапливать электрическую энергию в виде химической энергии и преобразовывать эту энергию в электричество», — говорит Антуан Алланор, научный сотрудник отдела материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «Вы не можете улавливать и хранить электричество, но вы можете хранить электрическую энергию в химических веществах внутри батареи».

Батарея состоит из трех основных компонентов: две клеммы, изготовленные из разных химикатов (обычно металлов), анод и катод; и электролит, разделяющий эти выводы.Электролит — это химическая среда, которая обеспечивает прохождение электрического заряда между катодом и анодом. Когда устройство подключено к батарее — лампочке или электрической цепи — на электродах происходят химические реакции, которые создают поток электрической энергии к устройству.

Более конкретно: во время разряда электричества химическое вещество на аноде высвобождает электроны на отрицательный вывод и ионы в электролите в результате так называемой реакции окисления.Между тем, на положительном выводе катод принимает электроны, замыкая цепь для потока электронов. Электролит предназначен для того, чтобы привести различные химические вещества анода и катода в контакт друг с другом таким образом, чтобы химический потенциал мог уравновеситься от одного вывода к другому, преобразовывая накопленную химическую энергию в полезную электрическую энергию. «Эти две реакции происходят одновременно», — говорит Алланор. «Ионы переносят ток через электролит, в то время как электроны текут во внешней цепи, и это то, что генерирует электрический ток.”

Если батарея одноразовая, она будет вырабатывать электричество до тех пор, пока не закончатся реагенты (одинаковый химический потенциал на обоих электродах). Эти батареи работают только в одном направлении, преобразуя химическую энергию в электрическую. Но в других типах аккумуляторов реакция может быть обратной. Перезаряжаемые батареи (например, в вашем мобильном телефоне или в вашем автомобиле) сконструированы таким образом, что электрическая энергия из внешнего источника (зарядное устройство, которое вы подключаете к стене или динамо-машина в вашем автомобиле) может подаваться на химическую систему и наоборот. его работу, восстанавливая заряд аккумулятора.

Лаборатория Group Sadoway в Массачусетском технологическом институте работает над созданием более эффективных батарей для многоцелевого использования. Для крупномасштабного хранения энергии команда работает над жидкометаллической батареей, в которой электролит, анод и катод являются жидкими. Для портативных приложений они разрабатывают тонкопленочные полимерные батареи с гибким электролитом из негорючего геля. Другой целью лаборатории является создание батарей с использованием ранее не рассматриваемых материалов, уделяя особое внимание распространенным, дешевым и безопасным веществам, которые имеют такой же коммерческий потенциал, как и популярные литиевые батареи.

Спасибо 18-летнему Стивену Минкусу из Гленвью, штат Иллинойс, за этот вопрос.

Отправлено: 1 мая 2012 г.

Температура батареи

: контролируете ли вы ее?

Ваша батарея больше не является черным ящиком — стоимость приобретения может составлять от 6 до 9 тысяч долларов. Итак, что после этих огромных инвестиций? Вы даже контролируете свои батареи на предмет температуры, уровня воды и состояния заряда (SoC)?

Высокая температура — самая большая угроза для аккумулятора.Это угроза не только в том случае, если аккумулятор подвергается воздействию высоких температур внутри, но также и при нагревании окружающего воздуха за пределами аккумулятора. Таким образом, мониторинг температуры внутри батареи необходим для владельцев автопарков и менеджеров автопарков, чтобы получить от них максимальную отдачу.

Как тепло влияет на температуру батареи

Было проведено множество исследований воздействия тепла на батареи. Эти исследования показали, что высокие температуры снижают производительность и срок службы батареи.

Исследования показали, что с каждым повышением температуры на 8 ° C герметичная свинцово-кислотная батарея теряет половину своего жизненного цикла. Более того, если тепло повредило батарею, ее емкость не может быть возвращена.

Как уже упоминалось, проблемы с высокой температурой батареи возникают не только внутри нее; они бывают и внешне. Если температура батареи выше, чем температура окружающей среды вокруг нее, она может терять тепло из-за теплопроводности, конвекции и излучения. Если температура окружающей среды выше, чем внутренняя температура аккумулятора, аккумулятор нагревается.

Последующие улучшения

В результате производители со временем улучшили свои батареи, чтобы они стали более устойчивыми к нагреванию. Исследование 2000 Battery Council International (BCI) показывает, что повышение температуры всего на 7 ° C может отрицательно повлиять на срок службы батареи на один год. К 2010 году улучшения показали, что повышение температуры на 12 ° C приводит к потере одного года срока службы батареи.

Усовершенствования в батареях привели к тому, что срок службы батареи увеличился на 21 месяц.В 1962 году срок службы стартерной батареи составил 34 месяца; в 2000 году он длился 41 месяц, а в 2010 году исследования показали, что в среднем он длился 55 месяцев.

Производители аккумуляторов быстро определили, что для аккумуляторов необходима система терморегулирования, и разработали такую ​​систему, которая помогает защитить весь аккумуляторный блок. Одна ячейка обычно работает сама по себе. Но при работе в координации со всеми элементами батареи аккумуляторная батарея может испытывать резкое повышение температуры.

Еще одна угроза здоровью аккумулятора — это уровень воды, изучите передовые методы управления правильным количеством внутри каждой батареи.

Рассеивание тепла

Производители используют системы управления батареями для отвода тепла. Эти системы включают:

1. Защита от перегрева, которая контролирует температуру и прерывает путь тока, когда температура внутри батареи становится слишком высокой.

2. Рассеяние выделяемого тепла, в результате которого тепло отводится от батареи, чтобы избежать температур, которые могут повредить ее.Тепло рассеивается за счет конвекции, теплопроводности и излучения.

3. Равномерное распределение тепла, которое помогает рассеивать тепло, локализовать и управлять горячими точками.

4. Принудительное охлаждение аккумуляторов, которые используются в мощных системах, включая электрические и гибридные электромобили.

В настоящее время проводятся дополнительные исследования по разработке более надежной защиты аккумуляторов. Например, исследователи из Стэнфордского университета экспериментируют с умными батареями, которые отключаются, когда температура достигает 71 ° C.Они перезапускаются только после остывания.

Защита зарядного устройства

Температура также может влиять на зарядку аккумулятора. Например, зарядка аккумулятора при средней температуре увеличивает срок службы аккумулятора, а аккумулятор более эффективно принимает заряд при более высоких температурах. Однако батарея потребляет меньше тока при более низких температурах.

Аккумулятор лучше всего работает при температуре от 18 ° C до 25 ° C. При повышении температуры в батарее химическая реакция протекает быстрее.Это позволяет повысить производительность батареи. Хотя, если химическая реакция идет слишком быстро, химические вещества могут быть потеряны, а это сокращает срок службы батареи. Если температура поднимется еще выше, то произойдет тепловой разгон, который может отрицательно сказаться на сроке службы батареи.

Внутреннее сопротивление батареи увеличивается при более низких температурах, а мощность батареи уменьшается. Когда температура еще ниже, электролит может замерзнуть, в результате чего аккумулятор перестанет работать. По этой причине многие зарядные устройства оснащены датчиками, измеряющими температуру.

Необходимы датчики температуры

Датчики температуры также необходимы в батарее, потому что тепло выделяется всякий раз, когда батарея заряжается, и увеличивает тепло окружающей среды и внутреннее тепло батареи. Таким образом, на зарядном устройстве требуется датчик температуры, поскольку температура аккумулятора высока; зарядное устройство снижает подачу напряжения для обеспечения максимальной зарядки и предотвращения перегрева аккумулятора. Зарядное устройство использует более высокое напряжение аккумулятора при более низких температурах, чтобы компенсировать повышенное сопротивление, вызванное низкой температурой.

Не уверены, какая батарея подходит для вашей работы? Посмотрите полное сравнение свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов.

Заключение

Менеджеры парка

могут полагаться на телематическую систему мониторинга и управления батареями, чтобы предупреждать об изменении температуры внутри их батарей, избегая проблем с перегревом, которые могут привести к повреждению батареи и даже взрыву. Устройство также может определить другие проблемы с аккумулятором, а затем предупредить вас об этих проблемах с помощью отчетов, чтобы вы могли сделать все необходимое для предотвращения дальнейших проблем.Отчеты также помогают в создании программы управления батареями и графика технического обслуживания, которые предотвращают возникновение проблем.

Посетите веб-сайт Access Control Group или проконсультируйтесь с представителем Access, чтобы узнать больше о том, как телематические продукты могут обеспечить полный срок службы батарей вашего парка. Наши решения могут даже помочь защитить ваш персонал от возможных травм и несчастных случаев.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.