У каких батарей самая большая теплоотдача: таблица, что это, у каких батарей она лучше, самая высокая, пример расчета в кВт, сравнение

стальные, алюминиевые, чугунные, биметаллические или медные?

В этой статье:

От радиатора требуется немногое: чтобы грел хорошо и был безопасен. Исходя из этих простых требований и выбирается прибор. В продаже имеется несколько видов радиаторов отопления, которые отличаются формой, материалом и техническими характеристиками. Геометрия и материал, из которого он изготовлен, влияют на его мощность (теплоотдачу). В паспорте производитель в обязательном порядке указывает, при каких величинах температуры и давления теплоносителя эксплуатация изделия отвечает требованиям безопасности.

Все эти параметры и являются главными критериями в решении вопроса, какие радиаторы отопления самые лучшие.

Особенно следует обратить внимание на рабочее и опрессовочное давление тем пользователям, жилье которых отапливается при помощи центрального отопления.

Кроме того, не все батареи способны долго выдерживать плохое качество теплоносителя.

Биметаллические

Биметаллическая батарея

Биметаллический радиатор – довольно неприхотливый прибор, способный выдержать давление теплоносителя в сети многоэтажных домов. Да и к качеству воды он довольно лоялен.

Устройство этого типа представляет собой комбинацию двух металлов:

• сталь – используется для изготовления коллектора;
• алюминий – применяется для изготовления ребер.

Такой тандем позволяет компенсировать недостатки каждого из материалов:

• сталь неплохо переносит гидроудары и некачественную в плане химсостава воду;
• алюминий обладает хорошей теплопроводностью, что положительно сказывается на общей теплоотдаче отопительной батареи.

Больше о плюсах и минусах читайте в нашем обзоре.

Изделия из биметалла плохо сочетаются с твердотопливными котлами из-за их высокой теплоотдачи. Если у вас газовый котел, а температура теплоносителя превышает 60 градусов, можете смело ставить биметалл.

В общем, биметаллическую батарею можно было бы назвать лучшей заменой традиционной чугунной, если бы не высокая цена: биметалл в два раза дороже.

Чугунные

Радиатор из чугуна

Привычные «советские» радиаторы изначально проектировались под централизованную отопительную систему:

• они без проблем выдерживают гидроудары и плохое качество воды;
• их можно использовать и в системах автономного теплоснабжения;
• они достаточно эффективно греют помещение.

Но этот металл обладает высокой инертностью, поэтому устанавливать на радиаторы терморегуляторы бесполезно. Впрочем, именно инерционность в сочетании с большим объемом теплоносителя в батарее способствуют равномерному обогреву помещения.

Долговечность и низкая стоимость делает чугунные радиаторы самыми востребованными как для квартиры, так и для частного дома. Перейдя по этой ссылке вы узнаете, какие чугунные батареи лучше с точки зрения дизайна, технических характеристик, тепловой мощности и способу установки.

Если в доме используется твердотопливный котел, изделия из чугуна будут самым правильным выбором. Они будут долго сохранять тепло после того, как топливо прогорит.

Алюминиевые

Обогреватель из алюминия

Легкие, привлекательные на вид и удобные в монтаже алюминиевые радиаторы отопления пользуются достаточно большим спросом у потребителя. Алюминий не инерционный — он быстро нагревается, и также быстро отдает тепло. Благодаря этому свойству, батареи хорошо работают в паре с терморегуляторами.

Но один существенный недостаток не позволяет широко их использовать: алюминий очень плохо переносит контакт с плохо подготовленной водой.

Высокая щелочность теплоносителя способна за короткий срок «убить» алюминиевый радиатор. Какого качества вода в центральном отоплении, мы все знаем. Но и в случае автономной отопительной системы далеко не каждый домовладелец в состоянии организовать водоподготовку.

Тем не менее, эти модели используются во многих загородных домах, особенно в тех случаях, когда в доме планируется внедрение автоматической системы управления теплом.

Но имейте в виду, что температура теплоносителя должна быть не менее 60 градусов. Перейти к полному перечню технических характеристик этих моделей.

Стальные радиаторы: панельные и трубчатые

Панельный радиатор представляет собой сварную конструкцию. Она двух пластин, на которых при помощи штамповки сформованы коллекторы и соединительные каналы.

Для изготовления прибора используют листовую сталь толщиной 1,25 – 1,5 мм. Естественно, выдержать гидроудары, присущие центральным отопительным системам, батарея такого типа не в состоянии. При давлении 13 атм её может порвать или раздуть, да и оставлять надолго без воды не рекомендуется: сталь подвержена коррозии. А центральные системы отопления до наступления отопительного сезона стоят пустые.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод: стальные панельные батареи можно использовать только в автономной системе, где для них можно создать режим наибольшего благоприятствования.

Причем система должна быть закрытой: это позволит защитить батареи от попадания в них воздуха, а, следовательно, предотвратить образование коррозии металла.

Стальные трубчатые батареи

Трубчатые радиаторы лучше переносят резкие перепады давления теплоносителя. На этом основании некоторые поставщики утверждают, что они пригодны для установки в многоэтажных домах.

Но не стоит обольщаться: толщина стенки трубы всего 1,5 мм, а наличие сварных швов ставит это заявление под сомнение.

Трубчатые батареи из стали лучше всего подходят для малоэтажных построек с отопительными системами закрытого типа.

С точки зрения теплоотдачи они неэффективны, да и стоимость таких конструкций в пересчете на 1 кВт очень высокая.

Специалисты заявляют, что эти модели скорее относятся к предметам декора. И действительно, трубе можно придать самую причудливую форму. Единственное преимущество трубчатого прибора – гигиеничность (у него отсутствуют труднодоступные места, где может скапливаться пыль).

Здесь можно больше узнать, какая модель больше подойдет в каждом конкретном случае.

Медные батареи — самые лучшие

Нажмите на фото для увеличения

Для большинства наших соотечественников медные радиаторы не по карману. Если бы не цена, они были бы самыми востребованными.

У какого радиатора лучше теплоотдача? У медного!

Теплопроводность меди в значительной степени превышает аналогичный показатель у стали, чугуна и алюминия. Это означает, что медные радиаторы являются самыми эффективными приборами отопления.

Они превосходно держат гидроудары и, что немаловажно, совершенно не боятся химических примесей в теплоносителе.

На внутренней поверхности секций образуется окисная пленка, которая надежно защищает металл от разрушения. Их можно использовать как в централизованной, так и автономной системах отопления любого типа.

Сравнительные характеристики разных моделей

По мнению нашей редакции оптимальный выбор (соотношение цены и качества) — чугунные радиаторы, но пальма первенства у медных!

Каждый из представленных обогревателей обладает преимуществами и недостатками. Немаловажное значение имеет не только свойства металла, но и его качество.

Вертикальные батареи отопления идеально подходят для помещений, где нет места радиаторам стандартных размеров.

Не секрет, что многие (а может быть и большинство) производителей используют в производстве радиаторов вторичное сырье. Это может отразиться на долговечности изделия (больше всех «страдают» алюминиевые батареи). За внушительную сумму покупатель рискует приобрести обогреватели, которые выйдут из строя уже через несколько лет.

Сравнение теплоотдачи радиаторов | Lammin

Теплоотдача радиаторов — показатель, который определяет эффективность системы обогрева жилых, производственных и офисных помещений. Она зависит от многих факторов и является важным критерием при выборе батарей.

Зависимость теплоотдачи от различных факторов

Теплоотдача или тепловая мощность отражает количество тепла, которое передается отопительным прибором в единицу времени. Она влияет на микроклимат в помещении и обеспечивает создание комфортных условий.

Первичные факторы

Величина тепловой мощности одной секции батареи указывается в технической документации, прилагаемой производителями оборудования для водяной системы отопления. Она зависит от следующих факторов:

• Материала изготовления. Каждый металл имеет определенный коэффициент теплопроводности, влияющий на теплоотдачу. Самыми высокими показателями отличаются медь и серебро, но их не используют для производства батарей из-за значительной стоимости.
• Температуры теплоносителя, циркулирующего в сети обогрева. Чем она выше, тем больше тепла отдает прибор отопления.
• Площади теплообмена. Ее величина определяется особенностями конструкции радиаторов, количеством секций и габаритными размерами.

Чтобы повысить эффективность функционирования сети обогрева, можно остановить свой выбор на радиаторах из металла, который имеет более высокую теплопроводность. Среди материалов, используемых для массового производства батарей, таким является алюминий. Еще один способ ускорить нагрев воздуха в помещениях до комфортных показателей — увеличить температуру теплоносителя. Его можно использовать в автономных сетях частных домов, учитывая при этом технические характеристики радиаторов и условия эксплуатации.

Подбирая изделия по площади теплообмена, следует отдавать предпочтение моделям с большим межосевым расстоянием и с ребристой поверхностью, которая значительно повышает эффективность обогрева.

Вторичные факторы

На уровень тепловой мощности приборов отопления и скорость нагрева помещений влияют и другие факторы, среди которых:

• месторасположение;
• способ подключения;
• цветовое решение и вид покрытия батарей;
• климатическая зона.

Поскольку на окна может приходиться до 26% от общих потерь тепла, то самый оптимальный вариант размещения радиаторов — под ними. Такое расположение отопительных приборов способствует созданию тепловой завесы и позволяет уменьшить утечку тепла из помещения. Использование декоративных экранов, закрывающих батареи, снижает их эффективность на 5-7% при наличии снизу пространства для доступа воздуха, и на 20% — при его отсутствии.

В целом общая тепловая мощность приборов отопления, установленных в помещении, должна быть больше потерь тепла примерно на 10-20%. В этом случае обеспечивается поддержание в комнатах комфортной температуры без лишних затрат.

Способ подключения радиаторов определяется их типом. Наиболее эффективными считаются модели с боковым односторонним и диагональным подключением. Первый вариант востребован, если количество секций не превышает 12, а второй целесообразно использовать при подсоединении более габаритных батарей. Изменение способа подключения, как и повышение температуры теплоносителя или увеличение габаритных размеров помогает повысить уровень теплоотдачи. Прежде чем воспользоваться одним из этих методов, следует произвести перерасчет мощности.

Эффективность обогрева системы также зависит от наличия пыли на поверхности, циркуляции воздуха в помещении и способа отделки стены. Чем больше отражающие свойства поверхности, тем лучше теплоотдача.

Сравнение теплоотдачи

При выборе радиаторов по материалу изготовления недостаточно оценивать их возможности по величине теплоотдачи. Сравнение приборов нужно проводить, учитывая особенности отопительной сети и ее основные технические параметры.

Стальные

У стальных батарей наименьший показатель тепловой мощности среди аналогичных изделий из других металлов. Это обусловлено низким коэффициентом теплопроводности, которым отличается конструкционная сталь. Кроме того, панельные приборы отопления имеют небольшую площадь теплообмена, которую нельзя увеличить путем добавления секций. Такой вариант изменения габаритных размеров можно использовать только для секционных моделей из стали. Для них также характерно следующее:

• чувствительность к составу теплоносителя и склонность к заиливанию при использовании загрязненной воды;
• низкая стойкость к гидравлическим ударам;
• образование коррозии при сливе рабочей среды.

Стальные приборы отопления целесообразно применять при обустройстве автономной сети отопления.

Чугунные

Коэффициент теплопроводности чугуна составляет 50-56 Вт/(м*К), поэтому приборы из этого металла отличаются большей эффективностью обогрева, чем стальные аналоги. Затрудняет передачу тепла и повышенная толщина стенок. Мощность моделей старого образца составляла 60-80 Вт, а у новых изделий она варьируется в пределах 140-160 Вт. Передача тепла в основном осуществляется путем излучения, а на конвекцию приходится не более 20%. Чугунные модели отличаются большим весом и хрупкостью, которая приводит к разрушению изделий под воздействием гидравлических ударов. Они медленно нагреваются и также остывают. Радиаторы из чугуна не чувствительны к качеству теплоносителя, способны выдерживать до 9 атм и востребованы в автономных системах отопления частных домов и загородных коттеджей.

Алюминиевые

Самая лучшая теплопроводность у алюминия: она составляет 230 Вт/(м*К). Поэтому по теплоотдаче алюминиевые батареи превосходят аналогичные свойства приборов отопления, выпускаемых из других материалов. Максимальная эффективность обогрева достигается благодаря особым свойствам металла и значительной полезной площади, увеличенной за счет оребрения поверхности. Передача тепла осуществляется путем конвекции и излучения.

Выбирая алюминиевые приборы отопления, нужно учитывать следующие недостатки изделий:

• склонность к появлению коррозии из-за электрохимических процессов, причиной которых является низкое качество теплоносителя;
• неспособность выдерживать гидравлические удары и рабочее давление выше 9 атм.

Их используют при прокладке автономных сетей для малоэтажных домов. Батареи из алюминия отличаются малым весом и предоставляют возможность подобрать модель с нужным количеством секций.

Биметаллические

Биметаллические приборы отопления представляют собой конструкцию, для изготовления которой служат два металла. В результате получают изделия, которые почти не уступают по уровню теплоотдачи аналогам из алюминия. Причина снижения эффективности заключается в особой конструкции. Сердечник производят из конструкционной стали, поэтому он отличается сравнительно небольшой теплопроводностью. Однако стальной элемент быстро нагревает алюминиевые панели, что обеспечивает интенсивное распространение тепла и высокую теплоотдачу. К другим преимуществам биметаллических радиаторов относятся:

• устойчивость к появлению ржавчины и низкая чувствительность к качеству теплоносителя;
• высокое рабочее давление, достигающее не менее 20-35 атм;
• способность сохранять свои параметры при возникновении гидравлических ударов в сети;
• простая форма, благодаря которой значительно упрощаются уход и обслуживание.

Биметаллические изделия можно устанавливать в автономных системах частных домов, но наиболее эффективно их использование в центральных сетях многоквартирных зданий. Сравнение радиаторов на примере продукции Lammin представлено в таблице.

Сравнение приборов отопления с межосевым расстоянием 350 мм

Подбор радиаторов по тепловой мощности

После сравнения теплопередачи разных типов батарей и оценки условий эксплуатации изделий подбирают оптимальный вариант. Однако в техническом паспорте приборов отопления этот параметр указывается по отношению к одной секции или к их общему количеству. Чтобы выбрать радиатор, который оптимально подойдет для помещения по габаритным размерам, нужно провести предварительный расчет. Для этого нужно воспользоваться формулой, позволяющей определить нужное количество секций с учетом обогреваемой площади помещения и величины теплоотдачи одной секции.

Особенности радиаторов Lammin

Приборы отопления, выпускаемые компанией Lammin, представлены алюминиевыми и биметаллическими моделями двух серий — Eco и Premium. Для них характерен высокий показатель тепловой мощности, который достигается:

• в изделиях из алюминия благодаря использованию уникального сплава, содержащего помимо основного металла добавки в виде цинка, железа и кремния;
• в биметаллических моделях за счет особой конструкции, состоящей из стальных труб и алюминиевого корпуса с высоким коэффициентом теплопроводности.

Среди других преимуществ радиаторов Lammin можно выделить надежную защиту внутренней поверхности в виде прочного и гладкого слоя, препятствующего оседанию частиц. Их окрашивают методом двухступенчатой окраски, что позволяет сохранить привлекательный вид на протяжении длительного времени.

Показатели теплоотдачи и другие характеристики радиаторов Lammin с разным межосевым расстоянием приведены в таблице.

Теплоотдача радиаторов отопления – таблица и сравнение моделей

Когда проводится проектирование системы отопления дома, проектировщики в первую очередь стараются определить, какое количество тепла необходимо будет использовать, чтобы в доме создались комфортные условия проживания. От чего это зависит? В первую очередь от такого показателя, как теплоотдача радиаторов отопления (таблица будет указана ниже).

Итак, что такое теплоотдача отопительной батареи? Это критерий тепловой энергии, которая выделяется за определенный промежуток времени. Измеряется она в Вт/м*К, некоторые производители в паспорте указывают другую единицу измерения — кал/час. По сути, это одно и то же. Чтобы перевести одну в другую, придется воспользоваться соотношением: 1,0 Вт/м*К= 859,8452279 кал/ч.

Что влияет на коэффициент теплоотдачи

• Температура теплоносителя.
• Материал, из которого изготавливаются отопительные батареи.
• Правильно проведенный монтаж.
• Установочные размеры прибора.
• Размеры самого радиатора.
• Тип подключения.
• Конструкция. К примеру, количество конвекционных ребер в панельных стальных радиаторах.

С температурой теплоносителя все понятно, чем она выше, тем больше тепла прибор отдает. Со вторым критерием тоже более или менее понятно. Приведем таблицу, где можно ознакомиться, какой материал и сколько отдает тепла.

Скажем прямо, это показательное сравнение говорит о многом, из него можно сделать вывод, что, к примеру, алюминий имеет теплоотдачу практически в четыре разы выше, чем чугун. Это дает возможность снижать температуру теплоносителя, если используются алюминиевые батареи. А это приводит к экономии топлива. Но на практике получается все по-другому, ведь сами радиаторы изготавливаются по разным формам и конструкциям, к тому же модельный ряд их настолько огромен, что говорить о точных цифрах здесь не приходится.

Теплоотдача в зависимости от температуры теплоносителя

Для примера можно привести вот такой разброс степени отдачи тепла у алюминиевых и чугунных радиаторов:

• Алюминиевые – 170-210.
• Чугунные – 100-130.

Во-первых, сравнительная степень резко упала. Во-вторых, диапазон разброса самого показателя достаточно большой. Почему так получается? В первую очередь из-за того, что производители используют различные формы и толщину стенки отопительного прибора. А так как модельный ряд достаточно широк, отсюда и пределы теплоотдачи с сильным разбегом показателей.

Давайте рассмотрим несколько позиций (моделей), объединенных в одну таблицу, где будут указаны марки радиаторов и их показатели теплоотдачи. Это таблица не сравнительная, просто нам хочется показать, как меняется тепловая отдача прибора в зависимости от его конструкционных отличий.

Как видите, теплоотдача радиаторов отопления во многом зависит от модельных отличий. И таких примеров можно приводить огромное количество. Необходимо обратить ваше внимание на один очень важный нюанс – некоторые производители в паспорте изделия указывают теплоотдачу не одной секции, а нескольких. Но в документе все это прописывается. Здесь важно быть внимательным и не совершить ошибку при проведении расчета.

Тип подключения

Хотелось бы подробнее остановиться на этом критерии. Дело все в том, что теплоноситель, проходя по внутреннему объему батареи, заполняет его неравномерно. И когда дело касается теплоотдачи, то эта самая неравномерность очень сильно влияет на степень данного показателя. Начнем с того, что существует три основных типа подключения.

1. Боковое. Чаще всего используется в городских квартирах.
2. Диагональное.
3. Нижнее.

Если рассматривать все три типа, то выделим второй (диагональное), как основу нашего разбора. То есть, все специалисты считают, что именно данная схема может быть взята за такой коэффициент, как 100%. И это на самом деле так и есть, ведь теплоноситель по этой схеме проходит от верхнего патрубка, спускаясь вниз к нижнему патрубку, установленного с противоположной стороны прибора. Получается так, что горячая вода движется по диагонали, равномерно распределяясь по всему внутреннему объему.

Теплоотдача в зависимости от модели прибора

Боковое подключение в данном случае имеет один недостаток. Теплоноситель заполняет радиатор, но при этом последние секции охватываются плохо. Вот почему теплопотери в этом случае могут быть до 7%.

И нижняя схема подключения. Скажем прямо, не совсем эффективная, теплопотери могут составлять до 20%. Но оба варианта (боковой и нижний) будут работать эффективно, если использовать их в системах с принудительной циркуляцией теплоносителя. Даже небольшое давление будет создавать напор, которого хватит, чтобы довести воду до каждой секции.

Правильная установка

Не все обыватели понимают, что отопительный радиатор должен быть правильно установлен. Существуют определенные позиции, которые могут влиять на теплоотдачу. И эти позиции в некоторых случаях должны выполняться жестко.

К примеру, горизонтальная посадка прибора. Это немаловажный фактор, именно от него зависит, как будет двигаться теплоноситель внутри, будут ли образовываться воздушные карманы или нет.

Поэтому совет тем, кто решается установить батареи отопления своими руками – никаких перекосов или смещений, старайтесь использовать необходимые измерительные и контролирующие инструменты (уровень, отвес). Нельзя допустить, чтобы батареи в разных комнатах устанавливались не на одном уровне, это очень важно.

И это еще не все. Многое будет зависеть от того, на каком расстояние от ограничительных поверхностей радиатор будет установлен. Вот только стандартные позиции:

• От подоконника: 10-15 см (погрешность 3 см допустима).
• От пола: 10-15 см (погрешность 3 см допустима).
•  От стены: 3-5 см (погрешность 1 см).

Внимание! Если необходимо установить экраны для радиаторных батарей, то выбирайте лучшие из них!

Как может отразиться увеличение погрешности на теплоотдачу? Рассматривать все варианты нет смысла, приведем пример нескольких основных.

• Увеличение в большую сторону погрешности расстояния между подоконником и прибором уменьшает показатель тепловой отдачи на 7-10%.
• Уменьшение погрешности расстояния между стеной и радиатором уменьшает теплоотдачу до 5%.
• Между полом и батарей – до 7%.

Казалось бы, какие-то сантиметры, но именно они могут снизить температурный режим внутри дома. Вроде бы снижение не такое уж и большое (5-7%), но давайте сравнивать все это с потреблением топлива. Оно на эти же проценты будет возрастать. За один день это не будет заметно, а за месяц, а за весь отопительный сезон? Сумма сразу вырастает до астрономических высот (учитывайте цены на 2020 год). Так что стоит и на это обратить особое внимание.

Радиаторы отопления. Какой лучше? — Stroim-svoi-dom.ru

Еще совсем недавно все дома обогревались при помощи привычных чугунных радиаторов отопления. Сегодня ситуация изменилась и на смену им пришли алюминиевые, стальные и  биметаллические радиаторы отопления т.е. появился выбор.

Давайте рассмотрим преимущества и недостатки каждого вида, попытаемся определить какой из них лучше подходит для квартиры или загородного дома и произведем расчет радиаторов отопления.

Чугунные радиаторы отопления

Чугунные батареи устанавливались во всех типовых квартирах. Сейчас они так же пользуются спросом, правда в меньшей степени, в основном для многоквартирных домов.

Минусы.

Чугунные радиаторы отопления обладают высокой инертностью т.е. они долго разогреваются при подаче тепла и так же долго остывают. Необходимо учесть, что одна такая чугунная секция имеет объем 1,45 литров, что является минусом, особенно для загородных построек.

Существенным недостатком является то, что для таких батарей опасны гидроудары, потому что чугун сам по себе довольно хрупкий материал. Среднее значение давления, который могут выдержать чугунные батареи равняется 9 кг/см² при температуре 130⁰С.

Внешний вид оставляет желать лучшего, поэтому часто их закрывают специальными экранами, для более эстетичного вида. Они требуют постоянной окраски, т.к. чугун снаружи постоянно ржавеет. Имеют большой вес и неудобны в эксплуатации.

Плюсы.

К положительным свойствам можно отнести цену и возможность наращиваний дополнительных секций.

Чугунные радиаторы стойки к коррозии, обладают высокой теплопроводностью. Одна чугунная секция выдает тепла на 160 Вт.

Алюминиевые радиаторы отопления

Алюминиевые  батареи обладают хорошей теплоотдачей, около 190 Вт и низкой инертностью т.е. способны быстро нагреваться при подаче тепла. Могут выдерживать рабочее давление около 20 атмосфер, поэтому их можно устанавливать при централизованном отоплении. Есть возможность нарастить отдельные секции, если это необходимо.

Для частного застройщика немаловажным является то, что одна алюминиевая секция имеет объем около 0,37 л, что позволяет экономить на обогреве воды или антифриза в системе отопления.

Алюминий по свойствам является мягким металлом, поэтому он чувствителен к различным твердым, мусорным частицам. В основном это актуально для домов с центральным отоплением. Для частного застройщика это не особенно важно. Но все же если вы остановили выбор на алюминиевых радиаторах отопления, то рекомендуется вместе с ними установить дополнительные фильтры для сбора различной грязи в системе.

Алюминиевые радиаторы различаются процессом изготовления. Бывают литые и штампованные. Штампованные батареи не рекомендуется ставить в домах с центральным отоплением т.к. они чувствительны к качеству теплоносителя.

Алюминий является химически активным металлом из этого следуют некоторые недостатки. При соприкосновении с другими металлами на месте соединения может образоваться так называемая гальваническая пара. В этом месте происходит коррозия металла. Для этого различные части отопительной системы соединяют между собой при помощи переходников, которые не дают соприкасаться металлам напрямую, а следовательно предотвращают процесс коррозии.

Если в качестве теплоносителя вы используете антифриз, то высока вероятность появления коррозии внутри батареи т.к. он вступает в реакцию с алюминием, что снижает КПД. Поэтому такие радиаторы лучше использовать в загородном коттедже, где теплоносителем является вода.

Внутренняя часть алюминиевых радиаторов при нагреве, вступают в реакцию с теплоносителем и со временем начинает выделяться и скапливается водород. Для того чтобы водород не задерживался в трубах, ставят специальный клапан, который потихоньку его стравливает.
Алюминиевые радиаторы отопления имеют эстетичный вид и не требуют дополнительной окраски.

Плюсы:

• высокий КПД;
• элегантный дизайн;
• выдерживает высокое давление;
• малый вес секции.

Минусы:

• возможная коррозия при некачественном антифризе;
• необходимо удалять воздух при помощи клапана.

Стальные радиаторы отопления

Обладают хорошей теплоотдачей, почти такой же как у алюминиевых, и низкой тепловой инерцией, т.е. обладают высоким КПД. Очень удобны при монтаже т.к. оснащены крепежами, различными подвесками. В качестве теплоносителя можно использовать как воду, так и антифриз.

Производятся стальные батареи в виде отдельных панелей, поэтому возможности нарастить отдельную секцию в отличие от алюминиевых и чугунных нет. Необходимо сразу подбирать необходимую длину.

Стальные радиаторы отопления состоят из оболочки, которая представляет из себя стальное полотно. Внутри находятся медные трубки, которые соединены между собой сетчатыми пластинами, повышающими коэффициент теплоотдачи.

Из-за своей конструкции, стальные радиаторы также называют панельными.

Плюсы:

• безынерционный радиатора;
• высокая теплоотдача;
• не требуют дополнительной окраски;
• оптимальная цена.

Минусы:

• нет возможности нарастить отдельные секции.

По своей конструкции, панельные стальные радиаторы делятся на несколько типов. Отличие между типами состоит в количестве панелей и межпанельных пластин.

На рисунке приведен вид сверху для различных типов панельных радиаторов, на котором более наглядно видны различия.

Как вы понимаете, чем выше тип панельного радиатора, тем он более мощней. Но не все так просто. Предлагаем вам посмотереть небольшое видео на эту тему, где расказывается, на что стоит обращать внимание при выборе.

Биметаллические радиаторы отопления

Биметаллические радиаторы отопления как понятно из названия состоят из двух металлов и сочетают их лучшие свойства.

Как правило, имеют стальную середину, которая позволяет выдерживать высокое давление, а так же алюминиевую оболочку, обладающую высокой теплоотдачей.

Можно устанавливать в систему с центральным отоплением.

Такие биметаллические батарей имеют современный дизайн, быстро нагреваются и охлаждаются, обладают высоким КПД.

По внешнему виду мало чем отличаются от алюминиевых радиаторов.

Плюсы биметаллических радиаторов:

• высокая теплоотдача;
• выдерживает высокое давление;
• современный дизайн;
• большая надежность;

Недостатки:

Расчет радиаторов отопления

Для того чтобы правильно рассчитать количество необходимых секций, необходимо знать некоторые справочные данные. Эти данные показывают, какое количества тепла нужно потратить, чтобы в помещении было тепло. Все значения приводятся для площади 10 м².

• Для панельного дома необходимо 1,7 кВт;
• Для кирпичного дома 1 кВт;
• Для угловых комнат эти данные умножаем на коэффициент 1,2.

Теперь можно с легкостью рассчитать необходимое количество секции радиатора отопления.

Пример: Комната 15 м², угловая, кирпичный дом. Делим площадь 15 м² на расчетную площадь 10 м² и умножаем на 1 кВт.

15м²/10м²*1кВт=1,5 кВт.

Т.к. у нас угловая комната то это значение необходимо умножить на коэффициент 1,2. Получаем что для обогрева такого помещения необходимо 1,8 кВт тепла. После чего необходимо подобрать необходимый радиатор отопления. Эти данные должны содержатся в паспорте для батарей. Приведем лишь некоторые примерные мощности для различных радиаторов.

• чугунный — 160 Вт одна секция;
• алюминиевый — 190 Вт одна секция;
• стальной  — 450-5700 Вт для всей панели;
• биметаллический — 200 Вт одна секция.

Получается, что если вы остановились на биметаллических радиаторах отопления то вам понадобится 1,8 кВт/0,2 кВт=9 секций. Возьмите еще запас в одну секцию т.к. уменьшить температуру в помещение легче, чем устанавливать дополнительную секцию.

Что залить в систему отопления

Такой вопрос возникает только у частных застройщиков, потому что только у них есть выбор. Что лучше заливать воду или антифриз, зависит от котельного и насосного оборудования, теплообменников, труб отопления и т.д.

Вода является самой дешевой и доступной жидкостью. Она используется для обогрева и в частном и многоэтажном строительстве, но она имеет ряд недостатков.

Она должна эксплуатироваться при положительных температурах. При заморозке может произойти пробой труб, котла и т.к., что приведет к выходу из строя всего отопления. Поэтому если вы отключаете обогрев дома, то придется слить всю воду из системы.

Вода, которая используется для отопления, как правило, не дистиллированная и имеет множество различных примесей. При нагревании происходит различные химические реакции, что приводит к появлению солей на внутренней поверхности труб и отопительных радиаторов. В следствии чего теряется эффективности и снижается КПД.

В отоплении где используется вода можно установить любой тип радиаторов: чугунные, алюминиевые, стальные, биметаллические.

Основным свойством антифриза является замерзание при более низких температурах по сравнению с водой. Срок службы около 10 отопительных сезонов, после чего его лучше заменить.

При таком отоплении нельзя использовать элементы содержащие цинк, т.к. он будет распадаться и оседать на внутренних стенках труб, котлов, батарей и т.д.

Еще раз напомним, что если вы используете антифриз, лучше не устанавливать алюминиевые радиаторы отопления, а вместо них приобрести стальные или биметаллические радиаторы отопления, можно конечно использовать и чугунные, но они все больше уходят в прошлое.

Какие радиаторы лучше греют, какая реальная теплоотдача

Радиаторы в домашних условиях не дают той мощности, которая прописана в документации. Чтобы узнать реальную теплоотдачу от радиатора нужен небольшой расчет. Данные о мощности на прилавках скорее рекламируют изделие, чем информируют нас. Мы же можем рассчитывать на более скромную теплоотдачу, рассмотрим, как определить реальную мощность разных радиаторов.

Что означает мощность радиаторов указанная в документации

Мощность радиатора будет напрямую зависеть от их температуры. Чем она больше, и чем холоднее в комнате, тем больше тепла будет отдаваться.  Но сколько в действительности?

Открыв паспорт, прилагаемый к радиатору, можно узнать, что одна секция радиатора обладает тепловой мощностью, например, 180 Вт. Но при маленькой оговорочке, — при «Δt = 50 град».
Что это?

Обозначение в документации Δt, или dt, или DT, или «Разница Температур», —  это разница между средней температурой радиатора и температурой воздуха в комнате. Например, 60 град, минус 20 град – получаем  Δt равную 40 град.

Производители указывают мощность своих радиаторов обычно при для  Δt равной 50 град. Но может ли такая разность температур  быть в реальности?

Какие реальные температуры отопления и воздуха

Что такое средняя температура радиатора?
Это среднее значение температур подачи и обратки.  Например, — подача 70 град, обратка 50 град. Тогда в среднем в радиаторах +60 град.

Котлы имеют ограничение нагрева +80 градусов. Но их на  максимум обычно никто не выкручивает и ограничиваются температурой подачи +70 град, чтобы не обжигаться о радиаторы, по крайней мере. Тогда реальная средняя температура в радиаторах окажется +60 град С.

Прохладный воздух в комнате +20 град обычно не устраивает жильцов,они стараются разогреть до +25- +27 град. В дальнейшем для расчетов примем скромные +23 град.

Таким образом, реальная Δt оказывается: 60 – 23 = 37 град.

Вычисление реальной мощности и количества радиаторов

Δt = 37 град – разница температур при «обычной» работе домашнего котла, и когда «не слишком то тепло» в доме.
Какая же будет мощность радиаторов при этом?
Оказывается, что в 1,5 раза меньше от заявленной мощности при Δt 50 градусов.

Для вычисления реальной теплоотдачи пользуются поправочными коэффициентами, чтобы не вдаваться сложные расчеты.
Если паспротная мощность указана при «Δt = 50 град», то метод вычилсения количества секций следующий.

• Определяется количество секций по паспортной мощности радиатора.
• Полученное значение умножается на  1,5.

Например, в комнату 10 кв. м с теплопотерями 1 кВт, нам нужно по расчету 6 секций с паспортной мощностью 180 Вт (указанной при Δt = 50 град). Тогда в реальности требуется установить, чтобы не перегревать котел, 6х1,5= 10 секций.

Но производители иногда указывают мощности и при условии «Δt = 70 град» (подача 100, обратка 80, комната 20). При Δt 70 лучше воспользоваться поправочными коэффициентами к указанной производителями мощности. Они зависят от реальной Δt.

Приведены реальная Δt в градусах, затем поправочный коэффициент.

40 – 0,48
42 – 0,51
45 – 0,56
47 – 0,60
50 – 0,65
55 – 0,73
60 – 0,82
65 – 0,91
70 – 1,0
75 – 1,09

Так, при реальной Δt 40 (63 — 23, например), нам нужно заявленную мощность умножить на 0,48, например, 210х0,48, получаем 100 Вт реальной теплоотдачи на одну секцию и отсюда вычисляем нужное количество секций.

Какая тепловая мощность у чугунных и стальных радиаторов

Мощность радиатора зависит не только от температур теплоносителя и воздуха в комнате, но и еще от двух параметров:

• Площади поверхности радиатора (площадь теплоомбена).
• Теплопроводности материла радиатора, — от того с какой скоростью передается тепло от теплоносителя к воздуху. Напомним, что у алюминия это значение примерно 170 Вт/м*К,  а у стали и чугуна около 70 — 90 Вт/м*К

Следовательно:

• У алюминиевых и биметаллических радиаторов ощутимой разницы по площади оребрения, и в материале нет, их принято считать одинаковыми по теплоотдаче, если размеры сходные.
• Для чугунного радиатора с такими же габаритами, как и у алюминьки, мощность будет на 20% меньше. Сказывается заниженная площадь теплообмена и материал. Поэтому, если нет паспортных данных на чугун, можно посчитать по аналогии с алюминием и умножить на 0,8.
• Для стальных панельных, при одинаковых высоте и ширине с алюминиевым радиатором, но при глубине в 1,5 раза больше (тип 30), мощность будет примерно такой же, может чуть меньше. Большей глубиной у цельных панелей добирается недостающая им площадь теплообмена.

В целом же можно сказать, что все радиаторы «греют неплохо» и мощность не является решающей характеристикой при выборе…

Выводы

• При проектировании расстановки радиаторов важно правильно посчитать их реальную теплоотдачу в условиях своего дома. Нужно определиться с приемлемыми температурами теплоносителя и воздуха. Чаще принимается +70 град подача и +25 в доме. Отсюда все остальные расчеты.
• Оптимальным выбором для домов и квартир остаются алюминиевые радиаторы, но качественно сделанные, с хромовым покрытием внутри. Приборы дешевле биметалла на 20%,  удовлетворяют всем потребностям домашней сети отопления, имеют наибольшую удельную мощность с линейного размера, хоть это и не критически важно.
• Для современных систем отопления важной характеристикой остается и тепловая инертность отопительного прибора. Чем она меньше, тем меньше температурные колебания воздуха в комнатах при обычном режиме котла «нагрел-остановился». Чугунные радиаторы в этом плане проигрывают — долго разогреваются и долго же остывают, утягивая за кривой своей тепловой инертности и наш комфорт в колебания…

Мощность и теплоотдача алюминиевых радиаторов и других батарей

Монтаж новых батарей отопления всегда влечет за собой проблему выбора, притом у большинства людей нет конкретной информации о том или другом виде радиаторов. Проведем сравнение таких важных параметров, как допустимое рабочее давление, теплоотдача алюминиевых радиаторов и других видов батарей, что поможет решить, какие радиаторы лучше, и сделать правильный выбор. Именно материал изготовления оказывает решающее влияние на основные характеристики отопительного оборудования.

Сравнение теплоотдачи радиаторов разных видов

Одним из принципиально главных параметров является тепловая мощность, есть и другие факторы, чье значение не менее важно. Выбирать радиатор только по одной этой характеристике – неправильно. Необходимо знать, при каких условиях определенный тип отопительных обогревателей выдаст определенный тепловой поток, и какой период времени он может прослужить.

Правильнее будет все технические характеристики секционных радиаторов, а конкретнее:

• алюминиевые;
• биметаллические;
• чугунные.

Сравним отопительные батареи по следующим ключевым характеристикам, которые напрямую влияют на их подбор:

• тепловая мощность;
• допустимое рабочее давление;
• давление опрессовки;
• объем;
• вес.

Важно! Максимальный уровень нагрева теплоносителя не входит в расчеты, поскольку у любого типа радиаторов данный параметр достаточно высок, что уже делает их пригодными для установки в жилых помещениях.

В частных загородных домах или коттеджах давление теплоносителя бывает не выше 3 Бар, в домах подключенных центральной системе отопления этот параметр бывает 6 -15 Бар, все зависит от того, сколько этажей в здании.

Необходимо помнить и гидроударах, данное явление не является редкостью во время пуска в работу центральных тепловых сетей. Из-за этого в такую систему подойдут не все типы радиаторов, а параметр теплоотдачи необходимо сравнивать, учитывая параметры прочности изделия.

Вес и вместительность радиаторов также играют немаловажную роль в подключении их в систему отопления в частном доме. Если знать емкость радиатора, можно легко рассчитать общий объем воды в системе и, таким образом, сделать расчет теплоотдачи конкретного радиатора или батарей отопления. Вес изделия необходимо знать, чтобы определить метод крепления к наружной стене, которая построена, к примеру, из какого-либо пористого материала (газобетон) либо по каркасной технологии.

Теплоотдача различных радиаторов отопления таблица:

У стальных радиаторов теплоотдача находится на уровне около 120 Вт.

Самая высокая тепловая мощность у медных приоров отопления – около 400Вт!

Как рассчитать сколько нужно секций?

Чтобы обогреть все помещения потребуется знать мощность, которая потребуется для каждого помещения, только после этого расчет теплоотдачи батареи. Расчет тепла, которое потребуется для обогрева помещения, необходим для того, чтобы узнать из скольких секций должен состоять радиатор.

Чтобы определить, сколько тепла потребуется для обогрева комнаты применяется довольно простая формула. Исходя от места расположения, количество берется то количество теплоты, которое потребуется на 1м3 помещения, для южной стороны это значение будет 35 Вт/ м3 и 35 Вт/м3 для северной. Таким образом, объем требуемого помещения на одну из величин и в итоге узнаем необходимую мощность.

Для расчета мощности биметаллических или алюминиевых батарей, нужно учитывать параметры указанные производителем в паспорте. Исходя из этих данных, для одной секции батареи при DT = 70. Это говорит о том чему равняется тепловой поток при температуре подачи 105 ºС, а в обратке – 70 ºС. Это учитывая что температура внутри помещения будет около 18ºС.

Исходя из данных нашей таблицы, у биметаллического радиатора, одна секция с межосевым размером 500 мм составляет 204 Вт, но с учетом того что температура теплоносителя в подаче будет 105ºС.

Расчет мощности. Нынешние системы, тем более индивидуальные настолько сильно не нагревают теплоноситель, а это означает, что тепловой поток будет меньше.  Для получения реальных значений необходимо просчитать характеристику DT для конкретных условий по формуле:

DT = (tпод + tобр) / 2 – tкомн,

где: tпод – температура воды в подающем трубопроводе; tобр – то же, в обратке;  tкомн – температура внутри комнаты.

После этого теплоотдачу, указанную в паспорте изделия, необходимо умножить на поправочный коэффициент, который принимается в соответствии от значений DT по таблице:

К примеру, температура теплоносителя составляет 80/60оС, температура в комнате будет равна 21оС  характеристика DT будет равна (80 + 60) / 2 – 21 = 49, поправочный коэффициент при этом составит – 0.63.  В этом случае тепловой поток от одной секции такого же биметаллического радиатора будет равняться 204*0.63 = 128.5 Вт. Руководствуясь этими данными, подбирается необходимое количество секций, которые будут хорошо прогревать комнату.

У каких радиаторов теплоотдача лучше?

Как это видно из приведенной таблицы, где сравниваются теплоотдачи отопительных батарей, самая высокая мощность у биметаллических радиаторов отопления. Они представляют собой ребристый алюминиевый корпус, внутри которого находится прочный сварной каркас из металлических трубок, предназначенных для протока теплоносителя.

Данный вид отопительного оборудования отлично подойдет как для установки в частном доме с индивидуальной системой, так и для централизованной системы отопления. Главным минусом таких изделий является их высокая стоимость. Однако наилучшая теплоотдача биметаллических отопительных радиаторов, часто, позволяет сделать выбор в их сторону.

Несколько ниже теплоотдача у батарей из алюминия, но они немного легче и дешевле биметаллических. Данный вид радиаторов тоже можно монтировать в любых помещениях, но с условием наличия индивидуальной котельной с узлом водоподготовки. Одним из главных недостатков таких изделий является низкая устойчивость алюминия к электрохимической коррозии из-за теплоносителя низкого качества, который, как правило, свойственен центральным теплосетям. Батареи из этого материала лучше всего монтировать в индивидуальных системах.

Довольно сильно от остальных отличается теплоотдача чугунных радиаторов, которая гораздо ниже, несмотря на большую массу и емкость секций. Кажется, что подобные  данные не позволяют данным изделиям конкурировать с предыдущими. Но их главным преимуществом являются – долгий срок службы и устойчивость к коррозии. Радиаторы из серого чугуна могут прослужить полвека, абсолютно не реагируя на качество теплоносителя.

А кроме этого из-за своей вместительности и массивности у подобных радиаторов самая большая тепловой инерцией. Это говорит о том, что чугунные батареи будут оставаться теплыми достаточно долго. Если рассматривать устойчивость к высокому давлению, то здесь радиаторам из чугуна похвастаться нечем. Устанавливать их в систему с высоким давлением довольно рискованно.

Радиаторы, изготовленные из стали, будут оптимальным решением для монтажа в автономных отопительных системах. Для центрального отопления подобные изделия не самый удачный вариант, из-за низкой устойчивости к высокому давлению.

Из положительных свойств данных изделий хочется выделить небольшой вес, высокую тепловую инертность, устойчивость к коррозии и достаточно хорошие показатели теплоотдачи. Из-за более узкого проходного отверстия, чем у стандартных стояков, они забиваются гораздо  реже.

Но теплоотдача не является единственным параметром, который влияет на выбор нужной модели. Конечное решение должно приниматься только после того, как будут изучены и такие параметры как прочность, рабочее давление, устойчивость к коррозии и  естественно цена.

Если разобрать более широкий спектр производителей, то ведущие позиции отдаются алюминиевым изделиям, благодаря высокой теплоотдаче и другим параметрам. Биметаллические будут стоить дороже, хотя единственным их преимуществом можно назвать, пожалуй, только рабочее давление.

Более бюджетное решение – стальные радиаторы отопления, чугунные – наоборот, для ценителей. Если не смотреть на советскую модель чугунных батарей марки МС140, стандартную «гармошку», то ретро радиаторы одни из самых дорогих.

Какие радиаторы водяного отопления лучше: алюминиевые, чугунные, биметаллические

Наиболее распространенным типом отопительной системы является система водяного отопления. Почему в радиаторах водяного отопления используется вода? Это жидкость с наиболее высокой теплоемкостью, которая имеет небольшую вязкость, что облегчает ее транспортировку по трубопроводам и циркуляцию в системе. Кроме того, вода обладает сравнительно небольшой коррозионной активностью, а в случае аварии не создает угрозу для людей и не приводит к значительным загрязнениям. Все это делает ее оптимальным теплоносителем.

Эффективность системы отопления зависит не только от котельного оборудования, но и от характеристик используемых радиаторов. Сегодня применяются следующие основные типы радиаторов водяного отопления в зависимости от материала:

• чугунные;
• стальные;
• алюминиевые;
• биметаллические.

При монтаже системы очень важно решить, какие водяные радиаторы отопления лучше использовать. Рассмотрим характерные особенности каждого типа.

Чугунные радиаторы

Чугунные батареи — наиболее традиционный тип батарей, который применяется в течение многих десятилетий.

Сегодня чугунные радиаторы водяного отопления зачастую выпускаются в современном эстетичном дизайне с плоскими фасадами. Это недорогие, прочные и долговечные батареи, которые могут прослужить 50 и более лет.

Недостатком чугунных радиаторов является не самый высокий уровень теплоотдачи. Большая тепловая инерция обуславливает длительный нагрев батарей после запуска системы. Также они имеют значительный внутренний объем, что делает их неэффективными при использовании в системах отопления индивидуального типа. Кроме того, чугунные радиаторы имеют большой вес и являются достаточно громоздкими.

Они не рассчитаны на большое рабочее давление. Хрупкость чугуна делает радиаторы слабо устойчивыми к гидроударам.

Чугунные радиаторы Ogint — отличный пример того, как с помощью современных разработок можно усовершенствовать технологии, качество и эффективность которых проверены годами.

Радиаторы из чугуна от компании Ogint отличаются привлекательным современным дизайном и долговечностью. Чугунные батареи имеют все необходимые сертификаты соответствия, а их надежность подтверждается гарантией 2 года от производителя.

Каталог чугунных радиаторов Ogint:

Стальные радиаторы

Это еще один традиционный тип батарей. В этой категории могут выпускаться два вида водяных радиаторов отопления — панельные и трубчатые. На российском рынке наиболее распространены панельные. Они состоят из двух сваренных между собой штампованных листов стали. Сложный рельеф листов образует внутри радиатора каналы, по которым движется теплоноситель.

Стальные радиаторы отличаются хорошей теплоотдачей, имеют эстетичный дизайн и широкое разнообразие вариантов исполнения по габаритам. Небольшой вес позволяет легко их монтировать на различных поверхностях. Однако стальные радиаторы не выдерживают большое рабочее давление и крайне чувствительны к гидроударам, поэтому их использование допускается только в системах индивидуального отопления.

Алюминиевые радиаторы

Этот тип отопительных приборов также предназначен только для индивидуальных систем, поскольку не выдерживают высокого давления, могут засоряться грязным теплоносителем и коррозировать, если вода имеет уровень pH выше 8.

Эти радиаторы обладают максимальной тепловой мощностью, что объясняется высокой теплопроводностью алюминия. Также они отличаются минимальной тепловой инерцией и нагреваются практически сразу после запуска системы. Их конструкция позволяет обеспечивать интенсивную конвекцию и передачу тепла лучевым способом, что значительно улучшает эффективность обогрева.

Благодаря малому внутреннему объему они обладают высоким КПД, а эксплуатация котельного оборудования осуществляется в щадящем режиме. Кроме того, это позволяет эффективно использовать регуляторы температуры.

Алюминий — очень легкий металл, чем объясняется малый вес батарей. За счет этого алюминиевые радиаторы водяного отопления быстро и легко монтируются без каких-либо серьезных требований к прочности основы.

Алюминиевые радиаторы Ogint проходят многоступенчатый контроль качества по системе OGINT Protect в полном соответствии со стандартом ISO 9002, предоставляется гарантия 5 лет.

Каталог алюминиевых радиаторов Ogint:

Биметаллические радиаторы

Еще одним современным типом являются биметаллические радиаторы водяного отопления. Они состоят из двух металлов.

Теплоноситель движется по прочным стальным трубам, которые помещены в алюминиевый корпус с оребрением. Такая конструкция позволяет по максимуму использовать преимущества алюминиевых радиаторов в централизованных системах отопления.

Батареи этого типа отличаются максимальной прочностью и способны выдерживать значительное рабочее давление, а также хорошо противостоят гидроударам. При этом алюминиевый корпус обеспечивает высокую теплоотдачу.

Биметалл — это красивые и надежные радиаторы, которые имеют небольшой внутренний объем и минимальную тепловую инерцию, что позволяет применять устройства для ручной или автоматической регулировки каждой батареи.

Биметаллические батареи Ogint — это отопительные приборы, которыми мы по праву можем гордиться. Ведь их отличают высокие прочностные характеристики и антикоррозионные свойства, а также двухступенчатая технология покраски и десятилетняя гарантия.

Каталог биметаллических радиаторов Ogint:

Оптовые поставки радиаторов водяного отопления

Исходя из основных эксплуатационных качеств, можно говорить, что лучшие водяные радиаторы отопления для индивидуальных систем — это алюминиевые батареи, а для централизованного отопления — биметаллические. Компания Ogint осуществляет оптовые поставки отопительных приборов этих типов, которые выпускаются на наших производственных мощностях, оснащенных передовым оборудованием.

Все наши радиаторы имеют все необходимые сертификаты и отвечают высоким требованиям качества. Они отлично адаптированы к российским условиям, обеспечивая эффективное отопление и длительный срок службы.

Обращаясь в нашу компанию, вы заказываете отличные радиаторы от непосредственного производителя. Это означает, что цена поставок будет максимально выгодной. Воспользуйтесь этой возможностью и свяжитесь с нами через контактную форму на сайте или по телефону.

Новая тепловая батарея может изменить правила хранения возобновляемой энергии

Новая тепловая батарея аккумулирует тепло из возобновляемых источников энергии.

Adobe Photo Stock — lovelyday12

Компания из Южной Австралии представила первое в мире действующее устройство для тепловой энергии (TED). Создатели TED сообщают, что аккумулятор может хранить возобновляемую энергию, имеет большую емкость, чем традиционные аккумуляторы, и полностью пригоден для вторичной переработки.

Термобатарея имеет те же функции, что и литий-ионные и свинцово-кислотные батареи; он может принимать любую форму электрического входа и создавать переменный ток (AC) или постоянный ток (DC).

В отличие от существующих батарей, он может заряжаться и разряжаться одновременно, по словам Сержа Бондаренко, генерального директора CCT Energy Storage. И вместо того, чтобы накапливать электрический заряд, он преобразует подводимый электрический ток в тепло.

«Это устройство, которое принимает любую форму электрического входа на входе и преобразует его в тепловую энергию», — объясняет он.«Мы используем кремний в качестве материала с фазовым переходом, плавим его и накапливаем тепло».

Емкость теплового аккумулятора в 12 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, и он может хранить в пять-шесть раз больше энергии, чем литий-ионный. «Таким образом, емкость хранилища значительно выше, чем то, что мы видим сейчас у традиционных аккумуляторных устройств хранения на рынке», — говорит Бондаренко.

Признавая, что у всех технологий есть свои проблемы, Бондаренко по-прежнему считает, что у них есть конкурентное преимущество.Их тепловые батареи значительно дешевле свинцово-кислотных и литий-ионных.

По его оценкам, срок службы батареи составит не менее 20 лет, но им еще предстоит проверить это. Бондаренко объясняет, что характеристики кремниевого материала с фазовым переходом не ухудшаются, поэтому он может служить еще дольше.

По истечении срока службы аккумулятор можно перерабатывать, не оставляя вредных химикатов в окружающей среде.

Доктор Маникам Минакши, эксперт по материалам для хранения энергии в Университете Мердока в Западной Австралии, работает с литий-ионными батареями, которые накапливают энергию в виде химического вещества.

Минакши признает, что, хотя все устройства накопления энергии имеют достоинства и ограничения, тепловые батареи имеют более длительный срок службы и большую емкость, чем литий-ионные.

«Солнечная энергия — это наиболее распространенная возобновляемая энергия, — добавляет он, — и любая избыточная энергия может храниться в виде тепловой энергии и при необходимости выделяться».

Комментируя новую батарею, он говорит: «Это новое открытие, обеспечивающее альтернативный способ разумного хранения возобновляемой энергии.”

Прототип

TED был впервые разработан в 2011 году группой ученых и инженеров. Сейчас компания работает с исследователями из Университета Южной Австралии, чтобы снизить температуру плавления кремниевой подложки, что еще больше снизит конечную стоимость батареи.

«Это отличное сотрудничество», — говорит Бондаренко, добавляя, что две группы учатся друг у друга. Исследователи из университета довели температуру материала с фазовым переходом до 900 градусов по Цельсию, в то время как команда CCT теперь определила температуру кремния до 1600 градусов (2912 градусов по Фаренгейту).

Эндрю Робинсон, генеральный директор CCT Energy Storage, с устройством тепловой энергии (TED)

CCT Накопитель энергии

Следующим шагом станет запуск прототипа в полевых условиях. Технология масштабируема, поэтому имеет большой потенциал для крупномасштабного хранения энергии. Для начала компания нацелена на «низко висящие плоды» — телекоммуникации и замену дизельного топлива.

Они заключили принципиальное соглашение с крупным владельцем активов в телекоммуникационной отрасли Австралии, который присутствует в Новой Зеландии и США.S. Аккумулятор начнет работать на месте, о котором не сообщается, в течение следующего месяца или около того.

Они также стали партнерами MIBA Solutions в Европе. MIBA предлагает несколько экологически чистых продуктов, в том числе усовершенствованный зеркальный трекер, который концентрирует солнечное тепло с помощью зеркал.

Устройство занимает только круг диаметром 8 метров, что значительно снижает площадь, занимаемую типичным фотоэлектрическим объектом. Кроме того, он более эффективен, он может вращаться, следуя за солнцем, и переворачиваться вверх дном, чтобы избежать скопления пыли.

Тепло, которое он генерирует, может быть напрямую переведено на TED. «Так что это партнерство, заключенное на небесах», — говорит Бондаренко. «Решение с точки зрения общей стоимости на самом деле очень хорошее».

Обе компании поделят свои экспонаты на конференции по возобновляемой энергии и хранению в Риме в конце мая.

CCT Energy Storage подписала соглашение, дающее MIBA Solutions эксклюзивные права на производство, строительство и распространение тепловых батарей в Дании, Швеции и Нидерландах.

Бондаренко также планирует использовать совместную технологию, чтобы помочь отдаленным общинам избавиться от зависимости от дизельных генераторов. Чтобы проверить это, у них на рассмотрении есть проект по оказанию помощи изолированному сообществу на северо-западе Австралии «отключиться от сети».

Кроме того, они собираются подписать лицензию на распространение с крупным проектом экологического жилья в Великобритании, чтобы внести свой вклад в достижение целей устойчивого развития, не связанных с сетью.

«Они используют энергию из возобновляемых источников для местных жителей», — поясняет Бондаренко.«И какую энергию они не используют, они сами возвращают в сеть или продают другим. Так что сообщества в основном будут использовать аккумуляторные батареи ».

Бондаренко говорит, что он в восторге от возможностей. «Это действительно меняет мир».

Раскрытие информации: Натали — старший научный сотрудник Университета Южной Австралии. Она обнаружила их связь с CCT Energy Storage во время интервью с Сержем Бондаренко и не связана ни с командой, ни с проектом .

аккумуляторов | Бесплатный полнотекстовый | Математическое моделирование теплопередачи и экспериментальная проверка литий-ионной батареи с учетом: температуры выступа и поверхности, сепаратора, сопротивления электролита, необратимого и обратимого тепла между анодом и катодом

1. Введение

В США 28% выбросов парниковых газов происходит от транспортный сектор. Электромобили (электромобили) — важнейшая мера в сокращении выбросов. Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы играют важную роль в принятии электромобилей в обществе.Однако литий-ионные аккумуляторы чувствительны к температуре, а неоптимальные температуры могут привести к ухудшению характеристик и тепловому разгоне. Необходимость исследований в области систем терморегулирования очевидна и необходима для создания электромобилей, которые будут приветствоваться публикой.

В последние годы произошло быстрое развитие электромобилей, гибридных электромобилей (HEV) и гибридных электромобилей (PHEV) [1]. Эти типы транспортных средств состоят из сотен и тысяч аккумуляторных ячеек, соединенных последовательно и параллельно.Аккумулятор играет важную роль в электромобилях и обычно стоит 10 000 долларов США. Литий-ионные аккумуляторы являются основным решением для этих типов транспортных средств, поскольку они обладают: (1) высокой удельной энергией и плотностью мощности, позволяющими увеличивать дальность полета и ускоряться [2]; (2) высокое номинальное напряжение и низкая скорость саморазряда, что позволяет снизить вес и эффективность [3]; и (3) длительный срок службы и отсутствие эффекта памяти, что приводит к более длительному периоду времени до замены батареи и более надежной работе [4].Литий-ионным аккумуляторам присуща проблема безопасности, поскольку они горючие и возможен тепловой разгон [5]. Проблемы безопасности и долговечности решаются за счет того, что аккумулятор не подвергается чрезмерным злоупотреблениям; Меры предосторожности, предпринимаемые во время зарядки и разрядки, включают недопущение превышения пределов напряжения, тока, температуры или мощности элементов. При температурах выше 80 ° C поверхность раздела твердого электролита (слой SEI) начинает разрушаться [6]. При температуре выше 110 ° C начинается разрушение электролита, а при температуре выше 135 ° C сепаратор плавится [7].Таким образом, мы видим, что максимальная температура аккумуляторной батареи должна контролироваться. Однородность температуры в упаковке также является проблемой, поскольку разница в температуре в упаковке или ячейке может привести к локальному функционированию, что приведет к деградации. В Waldman et al. [8], поведение катода из смеси NMC / MnO ₂ с графитовым анодом при старении тестируется в диапазоне от -20 ° C до 70 ° C. Обнаружено, что скорость старения минимальна при 25 ° C и что выше 25 ° C преобладающим механизмом старения является дегенерация катода, включая растворение Mn и рост слоя SEI на аноде.Хотя при температурах ниже 25 ° C основной причиной старения является литиевое покрытие, в то время как анод также страдает от низкого анодного потенциала. Обнаружено, что аноды как из графита, так и из аморфного углерода имеют отрицательную поляризацию по отношению к Li / Li ⁺ при температурах от 20 ° C до -10 ° C, и это приводит к нанесению литиевого покрытия. При температурах выше 25 ° C используются другие методы деградации вместо тех, которые представляют собой преимущественно рост пленки SEI и деградацию катода. Механизмы старения для диапазонов высоких и низких температур обнаруживаются не только с помощью графика Аррениуса, но и с помощью посмертного анализа, включая сканирующую электронную микроскопию (SEM), энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDX), индуктивно связанную плазму (ICP) и Рентгеновская дифракция (XRD).В Panchal et al. [9], скорость тепловыделения призматической батареи из литий-железо-фосфата емкостью 20 Ач, заключенной в алюминиевый корпус, исследована и смоделирована в диапазоне скоростей 1–4 ° C и диапазоне температурных граничных условий 5–35 ° C. Модель разработана с использованием нейронных сетей и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Результаты показывают, что при одинаковой глубине разряда генерация тепла увеличивается с увеличением скорости разряда. Упрощенные тепловые модели обычно включают член джоулева нагрева / омического нагрева и член энтропийного эффекта / обратимого тепла [6].Более сложные модели включают необратимые термины, обратимые термины и омические элементы как для твердого тела, так и для электролита. При низких скоростях разряда обратимая тепловая составляющая является основной составляющей общей теплоты, но при высоких C-степенях омическая тепловая составляющая доминирует над общим произведенным теплом [6,10]. В Heubner et al. В [10] исследовано тепловыделение в катодах из оксида лития-кобальта. Наряду с обратимым теплом исследуются необратимое тепловыделение из-за омического сопротивления, перенос заряда и потери массообмена.Эти условия тепловыделения от катода определяются на основе электрохимических измерений и моделируются как функции от C-скорости, температуры и концентрации лития в активном материале. C-rate варьируется от заряда 1C до разряда 1C, температура регулируется в пределах 10–30 ° C. Обнаружено, что обратимое тепло является отрицательным (эндотермическим) во время зарядки и положительным (экзотермическим) во время разряда, хотя общее тепло обычно всегда положительно. Обратимый вклад тепла в общее количество тепла был наиболее значительным при высоких температурах и низких скоростях углерода в катодах.Среди терминов необратимого тепла, член потерь при переносе массы вносит наибольший вклад в общее количество тепла. Наблюдается, что общее тепло увеличивается при низких температурах и высоких скоростях C, и оно больше при разряде, чем при зарядке. Модели аккумуляторов могут точно прогнозировать деградацию аккумулятора, тепловой разгон и производительность для целей проектирования. Различные режимы холодной пластины (параллельные и последовательные каналы), скорости потока, углы, расстояние и другие параметры будут рассмотрены и оптимизированы с использованием моделирования, полученного на основе наших моделей.Модели аккумуляторов также можно использовать для разработки стратегии управления различными системами терморегулирования. Стратегии управления оптимизируют однородность температуры и максимальную температуру с учетом потребляемой мощности. Модели также можно использовать для анализа неисправностей, включая прогнозирование внутреннего короткого замыкания и теплового разгона. Аккумуляторные модели обычно делятся на следующие категории: (1) нейронные сети: эти модели требуют больших объемов данных, их точность зависит от объема данных и метода обучения [9]; (2) Эквивалентные модели цепей (ECM), в которых батарея представлена ​​как комбинация чистого источника напряжения и ряда резисторов и конденсаторов [11]; (3) Физиохимические методы, включая модель конечных элементов (FEM) или модели с сосредоточенными параметрами (LPM) [12].

Пять основных систем терморегулирования в электромобилях: воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение, материалы с фазовым переходом, тепловые трубы и термоэлектрические устройства. Воздушное и жидкостное охлаждение являются коммерчески доступными методами охлаждения, в то время как материалы с фазовым переходом и тепловые трубы являются растущими областями исследований, которые показывают большой потенциал. Термоэлектрические устройства представляют собой передовую технологию, но требуют большого количества энергии. Пассивные системы охлаждения, такие как материалы с фазовым переходом и тепловые трубки, позволяют снизить потребление энергии, увеличивая диапазон транспортных средств, и поэтому их необходимо исследовать в качестве решений для управления температурой в электромобилях.Гибридные системы жидкостного охлаждения PCM и системы с тепловыми трубками PCM являются многообещающими и являются областью исследований в рамках этого проекта.

Отметим, что температура увеличивается по мере увеличения C-rate, это особенно важно для электромобилей, подвергающихся быстрой зарядке. Поскольку автомобили быстро заряжаются при высоких скоростях C, температура аккумуляторной батареи увеличивается, и при этих повышенных температурах возникают паразитные побочные реакции, которые увеличивают разрушение аккумулятора. Эффективная система терморегулирования позволит ускорить зарядку.

Температурный разгон — серьезная проблема для литий-ионных аккумуляторов и еще одна причина, по которой мы должны обеспечить использование системы терморегулирования аккумуляторов. Повышенные температуры в батареях могут вызвать экзотермические реакции, которые приводят к дальнейшему повышению температуры и более опасным реакциям. Этот процесс называется тепловым разгоном. Исследования показывают, что начало теплового разгона зависит от состояния заряда (SOC). Для батарей LiCoO ₂ мы видим начало теплового разгона при 144 ° C для 2.8 В, при 109 ° C для 3,0 В и при 104 ° C для 4,06 В [13]. При 80 ° C слой SEI на аноде начинает разрушаться, оставляя графитовый анод открытым для электролита [6]. После того, как защитный слой SEI сломан, литиированный углерод теперь может реагировать и восстанавливать электролит; это экзотермическая реакция, протекающая при температуре около 100 ° C с пиком реакции при 200 ° C [6,13]. Отметим, что электролит испаряется при 140 ° C, а пары типичного органического электролита легко воспламеняются в присутствии кислорода [13].Поскольку кислород выделяется при разложении катода при высоких температурах (200–230 ° C), ситуация довольно опасна, и температуру литий-ионных аккумуляторов необходимо контролировать [6].

Краткий обзор актуальной литературы, касающейся терморегулирования батареи (BTMS) и моделирования батареи, представлен ниже:

Patil et al. [14] исследовали охлаждающую способность холодных пластин на литий-ионной ячейке емкостью 20 Ач. По обе стороны от поверхности ячейки устанавливались две холодные пластины, а скорость потока охлаждающей жидкости на входе варьировалась от 0.000833 кг / с до 0,003333 кг / с, а температура охлаждающей жидкости на входе регулировалась от 5 ° C до 35 ° C. В статье также изучалось влияние параметра геометрии холодной пластины путем изменения количества каналов от 4 до 10. Исследование показало повышенную энергоэффективность охлаждения при низкой температуре охлаждающей жидкости на входе, низком массовом расходе охлаждающей жидкости на входе и при использовании большого количества каналов. каналы охлаждения. Chalise et al. [15] проанализировали систему терморегулирования литий-ионной аккумуляторной батареи. Основные уравнения сохранения энергии для теплопроводности и конвекции были связаны друг с другом и использовались для расчета окончательного распределения температуры в упаковке.Затем модель была использована для исследования температурной зависимости нескольких материалов и геометрических параметров. В документе показано, что минимальный требуемый расход охлаждающей жидкости можно снизить за счет улучшения теплопроводности отдельных литий-ионных элементов. Shah et al. [16] исследовали стационарные профили температуры в цилиндрических литий-ионных элементах с конвективным охлаждением, работающих при высоких скоростях разряда. В статье представлены аналитические решения в замкнутой форме для указанной системы, и результаты показали, что увеличение радиальной теплопроводности и коэффициента аксиальной конвективной теплопередачи привело к значительному снижению пиковой температуры.Оптимизация размера батареи также была проведена с использованием аналитической модели и показала важность размера ячейки и соотношения сторон в зависимости от температуры. An et al. [17] использовали COMSOL, коммерческое программное обеспечение для анализа методом конечных элементов, решателя и мультифизического моделирования, которое позволяет объединенным системам дифференциальных уравнений в частных производных (PDE), моделировать и проверять тепловой разгон призматических и карманных литий-ионных ячеек. Эффективность кипения в мини-каналах на основе BTMS с водяным охлаждением также была исследована в качестве стратегии предотвращения теплового разгона.Panchal et al. [18] разработали математическую модель распределения переходной температуры в призматической батарее LiFePO ₄ емкостью 20 Ач при скоростях нагрева 1 ° C, 2 ° C, 3 ° C и 4 ° C. В ходе исследования литий-ионный аккумулятор был размещен вертикально с охлаждением окружающим воздухом. Инфракрасные изображения батареи были получены во время разрядки и использованы для проверки модели, разработанной в ANSYS Fluent. Наконец, Lai et al. [19] построили псевдодвумерную (P2D) электрохимическую модель в сочетании с трехмерной моделью теплопередачи. Численная модель решала уравнения сохранения энергии для всей батареи и учитывала источники тепловыделения из 2D-модели, включая электрохимические реакции, активную поляризацию и омические потери.Они обнаружили, что тепловыделение в коллекторах тока и сепараторе, как правило, было меньше по величине и мало влияло на температуру. Они обнаружили, что на общее обратимое тепло преимущественно влияет катод, в то время как основной вкладчик необратимого тепла вносит анод.

3. Разработка модели

Модели созданы в COMSOL для призматической литий-ионной ячейки с такими же размерами и химическим составом (LiFePO ₄ ), что и экспериментальные данные. Смоделированный электролит представлял собой LiPF ₆ в смеси этиленкарбоната и растворителя с параметрами электролита, приведенными в таблице 3. Параметры, использованные для разработки модели [20,21,22].Создана одномерная электрохимическая модель, в которой вводятся длина катода, длина анода и длина сепаратора с добавленным дополнительным измерением радиуса частицы вместе с соответствующими параметрами для расчета тепла, выделяемого батареей. Среднее количество тепла от 1-D электрохимической модели затем используется в качестве источника тепла в дополнение к источнику омического тепла на вкладках для расчета распределения температуры в 3D-модели.

Основные уравнения, граничные условия, свойства материала и используемые параметры представлены в следующем разделе.Используемая электрохимическая модель может точно предсказать поведение анода и катода, учитывая фазовый переход материала внутри частиц активного электрода. Эти типы моделей позволяют нам точно понять явление батареи; даже на уровне частиц, где мы можем, например, найти поверхностную концентрацию частиц и ее связь с различными электрохимико-термическими эффектами. Наконец, результаты модели сравниваются с экспериментальными данными по температуре поверхности призматической ячейки 20 Ач при скоростях разряда 1 ° C, 2 ° C, 3 ° C и 4 ° C.

На рис. 3 показаны функции, используемые для расчета тепловых свойств алюминиевых выступов для модели. Теплопроводность, удельное сопротивление, удельная теплоемкость и плотность рассчитываются с использованием этих функций. Показанные функции являются функциями температуры и могут быть прочитаны на Рисунке 3. Удельное сопротивление используется для расчета члена омического источника тепла для вкладок, оно рассчитывается как квадрат тока, умноженный на удельное сопротивление на третий постоянный член Таблица 4. Основные Источником тепла во вкладках является сопротивление перехода.Когда две поверхности находятся в контакте, возникает большое сопротивление и падение напряжения на поверхностях из-за неадекватного контакта и, как правило, оксидного слоя. Сопротивление можно минимизировать, увеличивая контактное давление и пропуская ток через переход, явление, известное как сопротивление ползучести. В нашей модели сопротивление перехода моделируется как коэффициент усиления, умноженный на удельное сопротивление. Плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность используются в уравнении теплопроводности для расчета температуры.

3.1. Геометрия и сетка

Батарея 20 Ач-LiFePO ₄ , используемая для моделирования, идентична экспериментальной батарее, и ее геометрия показана на Рисунке 2a, а его сетка показана на Рисунке 4b. Размеры вкладки вместе с другими размерами ячеек, такими как толщина ячейки, также показаны на рисунке 4a. Сетка для трехмерного теплового моделирования состоит из 1394 элементов тетраэдра и 976 элементов треугольной формы. Он имеет минимальное качество элементов 0,1807 и среднее качество элементов 0.5398. Максимальный размер элемента составляет 0,0227, а минимальный размер элемента — 0,00409. Коэффициент кривизны составляет 0,6 при разрешении узких участков 0,5 и максимальной скорости роста элемента 1,5.

3.2. Управляющие уравнения и граничные условия

Общие управляющие уравнения, которые используются для моделирования литий-ионных батарей, представлены в таблице 5 [20,21,22]. Это баланс массы и заряда как на электродах, так и на электролите, а также вариант уравнения Батлера-Фольмера с концентрацией внедряемых частиц.Конкретные основные уравнения, используемые в COMSOL, подробно представлены в следующем разделе. В этом разделе рассматриваются основные уравнения заряда и сохранения лития как в твердой, так и в электролитной фазах, а также электрохимическая кинетика и уравнение теплопроводности для трехмерной области батареи вместе с их граничными условиями.

3.2.1. Управляющие уравнения в электролите

Из уравнения неразрывности мы знаем:
где,

il = σl∇∅l + 2σlRTF (1 + δlnfδlnCl) (1 − t +) ∇lnCl

(3)

Эти уравнения являются модифицированной версией уравнения Нернста-Планка.Где Cl — концентрация соли электролита, Jl — поток ионов лития, Rl — объемная скорость генерации ионов лития, и ее уравнение будет предоставлено в секции пористого электрода, Dl — коэффициент диффузии электролита, il — плотность тока электролита, t + — число переноса, σl проводимость электролита, l потенциал электролита, R — универсальная газовая постоянная 8,3143 кДж / моль. K, T — температура, F — постоянная Фарадея со значением 96 485 кулонов / моль. моль, δlnfδlnCl — зависимость активности в данном случае 0 для электролита, а Ql — источник тока электролита, который будет описан далее в разделе пористого электрода.

3.2.2. Пористые электроды

Управляющие уравнения пористого электрода разбиты на 3 части: интеркаляция частиц в активные твердые частицы, сохранение лития электролита в пористых электродах и секции реакции пористого электрода:

Интеркаляция частиц в активные твердые частицы

Ионы лития Материальный баланс для активных частиц твердого материала регулируется вторым законом Фика, показанным в сферической координате ниже [20,23]:

δCSδt = ∇ · (Ds∇CS)

(5)

с граничными условиями,

(∂Cs∂r) r = 0 = 0 и −Ds (∂Cs∂r) r = rp = ∑mνLiθ, miv, mnmFrp3ϵs

(6)

где Cs — концентрация лития в твердой фазе.Ds — коэффициент интеркаляционной диффузии, r — радиальная координата вдоль частицы активного материала, rp — радиус твердой частицы активного материала, ϵs — объемная доля твердой частицы (активного материала) в электроде, νLiθ, m — стехиометрическая Коэффициент для металлического лития, где окисленные частицы отрицательны, а восстановленные частицы положительны, в этом случае m равно 1, а νLiθ, m равно 1, iv, m — источник электродной реакции, nm — количество участвующих электронов в этом случае 1.

Электролит Сохранение лития в пористых электродах

Как и в области электролита, мы начинаем с уравнения непрерывности:

δεlClδt + ∇ · Jl = Rl

(7)

где,

Rl = −∑mνLi +, miv, mF − νLi +, miv, dlnF + Rl, src

(9)

il = −σl, eff∇∅l + (2σl, effRTF) (1 + ∂lnf∂lnCl) (1 − t +) ∇lnCl

(10)

Эти уравнения представляют собой модифицированную версию уравнения Нернста Планка, где уравнение (11) является модифицированной версией закона Ома для твердого электрода.εl — объемная доля электролита в пористом электроде, νLi +, m — стехиометрический коэффициент для окисленного лития в данном случае -1, iv, dl — объемный ток от диффузии в электролите на электроде, — плотность тока электрода в твердом электроде σs — это проводимость твердого электрода, а ∅s — потенциал в твердом электроде.

Отметим, что σl, eff — эффективная проводимость электролита в пористом электроде, определяемая по формуле:

Это транспортный поправочный коэффициент для проводимость электролита, где σl, eff — эффективная проводимость электролита, β — показатель пористости Бруггемана в данном случае 1 и ϵe — объемная доля фазы электролита.

Чтобы завершить основные уравнения пористого электрода для сохранения лития в электролите, мы имеем:

∇ · is = −iv, всего + Qs

(14)

iv, всего = ∑miv, m + iv, dl

(15)

итотал = ∑miloc, m + idl

(16)

где iloc, m — локальная плотность тока, itotal — полная плотность тока на границе раздела, iv, total — источник реакции электрода, Qs — источник тока электрода, а idl — плотность тока, обусловленная диффузией в электролите на электроде.Линейный интеграл электродного реакционного источника поперек пористого электрода дает полную плотность тока электрода.

Реакция пористого электрода

Напряжение и перенапряжение определяются приведенными ниже уравнениями [24]:

η = ∅s − ∅l − ∆∅s, film − Eeq

(17)

∆∅s, пленка = Rфильмитотал

(18)

где η — перенапряжение, ∆∅s, film — падение напряжения на сопротивлении пленки, Rfilm — сопротивление пленки, Eeq — равновесный потенциал.Также,

где av — активная удельная поверхность активных твердых частиц. Скорость электрохимической реакции на поверхности электродных частиц задается модификацией уравнений Батлера-Фольмера [25,26,27], где плотность тока обмена задается как функция кинетики введения лития, как показано в уравнениях ниже. :

iloc = io {ехр [∝aFR T η] −exp [−cFR T η]}

(20)

i0 = i0, ref (CeCe, ref) ∝a (Cs, max − Cs, eCs, max − Cs, ref) ∝a (Cs, eCs, ref) ∝c

(21)

где i0 — плотность тока обмена (функция концентрации лития как в электролите, так и в твердом теле), ∝a — коэффициент передачи анода, ∝c — коэффициент передачи катода, Cs, max — максимальная концентрация лития в твердой фазе и Cs, e — концентрация лития на поверхности твердой частицы, а Ce, ref — эталонная концентрация электролита. Требуются зависящие от температуры физико-химические свойства, такие как коэффициент диффузии для анода (Ds, n), которые связаны с уравнение теплопроводности в модели.Зависимое от температуры уравнение для коэффициента диффузии анода показано ниже:

Ds, n = 1,452 × 10–13эксп [6,803 × 1048,314 × (1318–1TD2)]

(23)

TD, 2 = мин (393,15, макс (T, 223,15))

(24)

3.2.3. Уравнение энергии

Уравнение баланса энергии имеет вид [20]:

∇2T + q˙k = 1α∂T∂t

(25)

другими словами,

∂2T∂x2 + ∂2T∂y2 + ∂2T∂z2 + q˙k = 1α∂T∂t

(26)

Приведенное выше уравнение дополнительно модифицируется на

q˙ = ∂ (ρcpT) ∂t − ∇ (k ∇T)

(27)

также,

∇ (σ + ∇∅ +) = −j

(28)

∇ (σ − ∇∅ -) = + j

(29)

q˙ = (σ + (∇∅ +) 2) + (σ− (∇∅−) 2) + q˙ECH

(30)

где теплота на вкладках, выраженная первыми двумя членами уравнения (30), может быть дополнительно выражена как:

(σ + (∇∅ +) 2) = I2σ + KLA

(31)

(σ + (∇∅−) 2) = I2σ − KLA

(32)

с соответствующими значениями, представленными в Таблице 4 (Свойства материала), использованными для разработки модели [20].KLA — это коэффициент усиления, который компенсирует сопротивление переходов язычков. Сопротивление перехода является функцией многих неизмеряемых переменных, таких как контактное давление, ток и шероховатость поверхности, мы наблюдаем общее уменьшение этого коэффициента усиления с увеличением тока. Кроме того, q˙ECH — это электрохимическое тепло, которое определяется выражением [ 20]:

q˙ECH = ip (∅ + −∅ -) + ∫0Liloc (Tref∂Eeq∂T − Eeq) dx L

(33)

также,

где q˙ — скорость тепловыделения и включает в себя джоулевое нагревание, выраженное в альтернативной форме квадрата напряжения над сопротивлением, потери активации / омические потери / потери концентрации, выраженные в альтернативной форме тока, умноженного на перенапряжение, и энтропийное тепло (обратимое heat), как альтернатива, выражается как температура, умноженная на энтропию, ρ — плотность, а cp — удельная теплоемкость.Тепло может быть далее разложено на тепло, выделяемое в сепараторе, и тепло, выделяемое пористым электродом. Внутри пористых электродных областей мы можем далее разложить тепло на обратимое тепло, необратимое тепло и тепло от тока электролита и его сопротивления. Уравнения для этих величин представлены ниже:

q˙separator = ∫lnln + ls − il∂∅l∂xdx

(36)

q˙reversible = ∫lStartlEndiv, m (Tref∂Eeq∂T) dx

(37)

q˙irreversible = ∫lStartlEndiv, mη dx

(38)

q˙ER = ∫lStartlEnd − il∂∅l∂x − is∂∅s∂x dx

(39)

где q˙separator — полная потеря мощности через сепаратор.В сепараторе протекает только ток электролита. q˙reversible — обратимое тепло, lStart — координата x того места, где начинается электрод, lEnd — координата x, где заканчивается электрод, q˙irreversible — необратимое тепло, q˙ER — сумма сопротивления электролита в пористой электроды и омическая потеря энергии твердого электрода просто называется потерей проводимости электролита. Следует отметить, что хотя ток электролита меньше, чем ток твердого электролита в электроде, падение потенциала электролита намного больше, чем у твердого; таким образом, основной вклад в эту потерю энергии вносит сопротивление электролита.Их значения представлены в разделе 4.3 (общая мощность, тепло сепаратора, электролит, необратимое и обратимое тепло, анодный электролит, необратимое тепло анода, обратимое тепло анода, катодный электролит, необратимое тепло катода, обратимое тепло катода). Таблица 3: Параметры, используемые для разработки модели, содержат значения параметров для моделирования, а свойства материалов указаны в таблице 4. Эти таблицы содержат все значения, необходимые для выполнения моделирования в COMSOL.

4. Результаты и обсуждение

В разделе результатов представлена ​​проверка температуры поверхности и выступа, а также сравнение профиля напряжения при скоростях разряда 1С, 2С, 3С и 4С. Позже обсуждаются также температурные контуры. Наконец, представлены общая мощность, тепло сепаратора, электролит, необратимое тепло и обратимое тепло.

4.1. Температура поверхности, температура выступов и распределение напряжения

На рис. 5a – d мы видим, насколько хорошо результаты моделирования соответствуют экспериментальным данным при скоростях разряда 1C, 2C, 3C и 4C.Средняя температура поверхности батареи, зарегистрированная четырьмя термопарами, в зависимости от их площади, отображается как функция времени. Температура модели — это просто средняя температура поверхности обеих сторон батареи. Экспериментальные данные показывают, что термопары в TC-1 и TC-2 имеют самую быструю скорость увеличения; это термопары, ближайшие к выступам батареи. Высокие температуры в этих местах предполагают наибольшее накопление тепла в этих областях, что свидетельствует о повышенном потреблении тока и омическом нагреве на выступах.Хотя проводимость выводов высока, все же наблюдается большое падение напряжения на выводах из-за сопротивления перехода. На рисунке показано, что температура увеличивается со скоростью C, при этом 4C является самым высоким, а 1C — самым низким. Данные показывают, что это верно для всех местоположений термопар. Самые высокие температуры были зарегистрированы в конце разряда, и значения составили 28,68 ° C для 1C, 38,02 ° C для 2C, 47,87 ° C для 3C и 47,49 для 4C.

В целом экспериментальные данные и результаты моделирования хорошо согласуются.При низких скоростях разряда (1C и 2C) прогнозируемые значения соответствуют ожидаемым тенденциям. Однако при более высоких скоростях разряда (3C и 4C) наблюдались небольшие расхождения. Температура модели зависит от тепла, выделяемого в результате потерь в аккумуляторном элементе (в первую очередь, омических, активационных и массообменных / концентрационных потерь), тепловой массы аккумуляторного элемента и теплопередачи в окружающую среду. Доступ к более точной информации о свойствах аккумуляторных элементов приведет к лучшему согласованию между моделью и экспериментальными данными.При высоких показателях C (3C и 4C) точность модели снижается со временем, одной из основных причин этого уменьшения является непостоянный коэффициент конвективной теплопередачи, который увеличивается с увеличением разницы температур.

На рис. 6a – d показаны экспериментальные и модельные профили напряжения при скоростях разряда 1C, 2C, 3C и 4C при температуре окружающей среды 22 ° C. Модель отлично соответствует экспериментальным данным и демонстрирует надежность и точность модели, поскольку как средняя температура поверхности, так и профили напряжения точны.Однако некоторые расхождения наблюдаются при более высоких показателях C.

Экспериментально аккумулятор заряжается с использованием постоянного тока-постоянного напряжения (CC-CV) с ограничением напряжения 3,7 В, элемент разряжается постоянным током (CC) до напряжения 2,3 В. Отметим, что при более низких скоростях разряда элемент потенциал остается близким к потенциалу холостого хода ячейки (OCP). В то время как при высоких скоростях разряда напряжение элемента значительно отклоняется от OCP из-за омических, активационных и массопереносных потерь, и наблюдается большее перенапряжение.

На рис. 7 сравниваются экспериментальные и модельные температуры вкладок при скоростях разряда 1 ° C, 2 ° C, 3 ° C и 4 ° C. На рисунке показано, что температура вкладок всегда выше, чем температура поверхности. Вкладки, так же как и батарея, испытали самые высокие температурные профили при 4 ° C и самые низкие при 2 ° C, следуя ожидаемой тенденции. Замечено, что увеличение скорости разряда приводит к повышению температуры вкладыша. Самые высокие температуры были зафиксированы в конце разряда со значениями 28,718 ° С для 1С, 40.52 ° C для 2C, 49,85 ° C для 3C и 52,92 ° C для 4C. Видно, что модель точно следует температурам выступа для более поздних периодов времени, в то время как на начальном этапе ошибка велика, это тот случай, когда в объеме выступа предполагается однородный источник тепла вместо омического нагрева между области, по которым течет ток. В таблице 6 приведены экспериментальные и модельные температуры поверхности и выступов в конце скорости разряда с относительной погрешностью.

4.2. Изолинии температуры

На рисунках 8 и 9 показана температура батареи на половине и в конце цикла разрядки.На всех границах батареи предполагается конвективное граничное условие с коэффициентом конвекции 5 Вт / м ² K и температурой окружающей среды приблизительно 23 ° C. В этой тепловой модели есть 2 источника тепла: первый — это тепло, генерируемое электрохимической одномерной моделью батареи, а второй — омическое сопротивление внутри выступов. Предполагается, что источник тепла с выступом представляет собой простой квадрат тока, умноженный на модель сопротивления, в то время как тепло, генерируемое батареей, считается однородным по всей трехмерной области батареи и рассчитывается как среднее тепло от всех областей 1 -D модель электрохимического аккумулятора.Одномерное тепло рассчитывается как необратимое тепло, которое рассчитывается как местный источник тока, умноженный на перенапряжение, в дополнение к обратимому теплу и члену потерь проводимости электролита. Обратимое тепло рассчитывается как местный источник тока, умноженный на температуру, умноженную на производную равновесного потенциала по температуре. Термин потери проводимости электролита состоит из двух членов: (1) первый представляет собой плотность тока электролита, умноженную на производную потенциала электролита, и (2) второй представляет собой плотность тока электрода, умноженную на производную потенциала электрода. в x-направлении.В модель включены как обратимая, так и необратимая теплота, но теплота смешения не учитывается. Мы видим, что нагрев язычков из-за омического нагрева приводит к повышению температуры в верхней части батареи по сравнению с ее нижней частью. Диапазон температур внутри батареи больше при половинной разрядке, чем при полной разрядке, с более высокими показателями C и более широкими диапазонами температур. Неравномерные температуры внутри батареи приводят к тому, что разные части батареи дают разный ток на выходе, что в конечном итоге приводит к ухудшению характеристик.Вот почему охлаждение вкладок является ведущей областью исследований. Равномерность температуры на уровне блока и элемента является необходимостью для продления срока службы батареи. На рисунках 10 и 11 показана внутренняя температура батареи на полпути и в конце цикла разряда, на всех границах предполагается конвективное граничное условие. батареи, что, таким образом, приводит к более высоким температурам внутри батареи, чем на поверхности, поскольку источник тепла однороден по всему объему. Мы наблюдаем, что диапазон температур для участков поверхности больше, чем для графиков срезов, это верно, поскольку верхняя часть батареи рядом с вкладками не включена в графики срезов.На рисунках 10 и 11 также показано, что градиент внутри батареи очень крутой, и поскольку коэффициент теплопроводности батареи 0,89724 Вт / м-К низкий, это приводит к крутому пространственному температурному градиенту. Мы заметили, что температура батареи быстро меняется от ее внутреннего к поверхностному пространству. Это неравномерное распределение температуры приводит к неоднородным SOC (состоянию заряда) и плотностям тока в батарее, а также к усиленному износу.

4.3. Общая мощность, тепло сепаратора, электролит, необратимое и обратимое тепло

На рисунке 12 показано, что общая мощность, потерянная в виде тепла, складывается из тепла в сепараторе, потерь электролита, необратимых и обратимых потерь.Мы можем видеть, что общее тепло увеличивается с увеличением C-скорости вместе с составляющими его компонентами, за исключением только обратимой теплоты, которая становится все более отрицательной. Замечено, что наибольший вклад в тепло вносят элементы сопротивления электролита как в электродах, так и в сепараторе. На рисунке 13 показано, что для разряда обратимая теплота в катоде положительна, а на аноде — отрицательна, а общая обратимая теплота отрицательна при этих скоростях нагрева и данных параметрах.Отметим также, что потери электролита на катоде больше, чем на аноде. Из рисунка 13 видно, что общее количество тепла, производимого в катоде, выше, чем у анода, это верно для всех компонентов тепла, включая электролит, необратимые и обратимые компоненты. Большие потери электролита на катоде означают, что вклад тока электролита в общий ток в электроде больше в катоде, чем в аноде. Ток электролита испытывает гораздо больший пространственный градиент напряжения (∂∅l∂x) и последующее падение напряжения, чем пространственный градиент напряжения для твердого электрода (∂∅s∂x), поэтому мы имеем большую потерю энергии в тепловом элементе электролита в катод, поскольку здесь у нас есть больший ток электролита.Обратимое тепло для анода во время разряда фактически отрицательно и имеет охлаждающий эффект, в то время как для катода это противоположно. Наконец, мы видим, что необратимый тепловой член также больше в катоде, чем в аноде, таким образом, сумма всех тепловых элементов для катода больше, чем для анода. На рисунке 14 показана концентрация лития в электродах как функция положения и времени. Мы отметили, что результаты для уровней C 1C, 2C и 3C похожи по форме и образцу и для ясности ими пренебрегли, вместо этого выбраны только данные для 2C, которые показаны на рисунке 14.Как и ожидалось, средняя концентрация лития в частицах уменьшается со временем на аноде и увеличивается со временем на катоде. Мы отметили, что средняя концентрация частиц лития для катода выше вблизи границы раздела электролит-электрод и тем ниже, чем глубже положение в пористом электроде катода, эта ситуация обратная для анода. Мы отметили, что для катода средняя концентрация лития у поверхности электролита относительно постоянна от середины разряда до полного разряда, в то время как более глубокие слои действительно меняют концентрацию.Для анода мы наблюдали, что даже на границе раздела электрод-электролит все еще наблюдается изменение концентрации со временем в указанные моменты времени. Мы отмечаем плато для катода примерно при 19 000 моль / м ³ , это близко к максимальной концентрации лития в положительном электроде 21 190 моль / м ³ . Мы также обнаружили, что наличие избыточного материала катода, так как концентрация внутри катода в более глубоких слоях ниже, чем максимум в конце разряда.Этот избыток материала катода является одним из факторов, способствующих неоднородной концентрации в катоде. Мы также отмечаем, что катод достигает почти полного насыщения (максимальные концентрации интеркаляции) перед внедрением в более глубокие слои, и это еще один фактор, способствующий увеличению однородности анода по сравнению с катодом. Следует отметить, что поверхностная концентрация дается уравнением PDE (5) и что коэффициент диффузии в этом диапазоне температур примерно в 100 раз больше для анода, чем для катода, при этом пористость анода также больше, поэтому, как и ожидалось, анод имеет более однородную поверхностную концентрацию из-за легкости внедрения в частицы электрода.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

DOE объясняет … Батареи | Министерство энергетики

Аккумуляторы и аналогичные устройства принимают, хранят и отпускают электроэнергию по запросу. В батареях используется химия в форме химического потенциала для хранения энергии, как и во многих других повседневных источниках энергии. Например, бревна хранят энергию в своих химических связях, пока при горении энергия не преобразуется в тепло. Бензин — это запасенная химическая потенциальная энергия, пока она не преобразуется в механическую энергию в двигателе автомобиля. Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем оно может быть легко сохранено.Батареи состоят из двух электрических клемм, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом. Чтобы принимать и высвобождать энергию, батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как одновременно ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся через электролит. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении через цепь и электролит. Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, заряжая таким образом аккумулятор; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электрическую цепь и разряжают батарею.Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы уравновесить заряд электронов, проходящих через внешнюю цепь, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. После зарядки аккумулятор может быть отключен от цепи для хранения химической потенциальной энергии для последующего использования в качестве электричества.

Батареи были изобретены в 1800 году, но их химические процессы сложны. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных аккумуляторов электроэнергии.Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в аккумуляторных батареях, потому что они не полностью меняются, когда батарея заряжается и разряжается. Со временем отсутствие полной замены может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи.

Департамент науки и хранения электроэнергии Министерства энергетики

Исследования, проведенные при поддержке Департамента науки Министерства энергетики США, Управления фундаментальных энергетических наук (BES), привели к значительным улучшениям в хранении электроэнергии.Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея. Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в нашу систему электроснабжения. Поскольку усовершенствование аккумуляторных технологий имеет важное значение для повсеместного использования подключаемых к электросети электромобилей, хранение также является ключом к уменьшению нашей зависимости от нефти при транспортировке.

BES поддерживает исследования отдельных ученых и в многопрофильных центрах.Самый крупный центр — Объединенный центр исследований в области накопления энергии (JCESR), центр энергетических инноваций Министерства энергетики США. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов. Эти новые знания позволят ученым разработать более безопасные накопители энергии, которые служат дольше, заряжаются быстрее и обладают большей емкостью. По мере того как ученые, поддерживаемые программой BES, достигают новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для продвижения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности.

Факты о хранении электрической энергии

• Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена совместно Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино «за разработку литий-ионных батарей».
• Компания Electrolyte Genome в JCESR создала вычислительную базу данных с более чем 26 000 молекул, которую можно использовать для расчета основных свойств электролита для новых усовершенствованных аккумуляторов.

Ресурсы и связанные с ними термины

Научные термины могут сбивать с толку.DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

Система охлаждения литий-ионной батареи интегрируется в наножидкостную среду.

Основная цель — питание скафандра через резервную батарею и усилитель сигнала со встроенной системой охлаждения.Чтобы увеличить площадь поверхности для отвода тепла, нанотрубки интегрированы в систему охлаждения, чтобы окружать батареи, пока она находится во взвешенном состоянии в дистиллированной воде (Немиленцау и Роткин, 2012). Углеродные нанотрубки из-за своей высокой теплопроводности — около 3500 Вт / (м · К) — считаются одной из наиболее эффективных доступных теплопроводных добавок. Пористая матрица нанотрубок способствует равномерному распределению теплового разряда, что способствует передаче тепла и охлаждению системы (Li et al. 2013).

Нано-жидкость будет перекачиваться и циркулировать по системе, проходя через наш аккумуляторный отсек, поскольку она охлаждает аккумуляторные блоки за счет теплопроводности. Система тестируется с двумя различными жидкостями и двумя типами батарей — наножидкостной с дистиллированной водой и литий-ионными батареями (плоскими) и цилиндрическими (3,7 В 3000 мА · ч). Ожидается, что благодаря своей универсальности конструкция будет работать с любыми батареями, а также будет использоваться для других систем батарей. Листы аэрогеля, окружающие корпус, служат идеальным изолятором, который помогает нейтрализовать внешние переменные в условиях невесомости.Аэрогель предотвращает внешнюю теплопередачу в окружающую среду, удерживая тепло внутри модели (Worsley et al. 2010). Это увеличивает эффективность наножидкости за счет снижения теплопроводности. Нано-жидкость хранится в небольшом резервуаре, откуда она будет закачиваться в аккумуляторный отсек. Находясь в кожухе, он будет отводить тепло от батарей, а затем закачиваться в радиатор перед повторением цикла (рис. 1, 2, 3, 4).

Фиг.1

Слева Изображение показывает ОСУНТ (однослойные углеродные нанотрубки) до того, как они были подвешены в воде (Foley 2016). Правое изображение SEM показывает попытку сушки ОУНТ после суспендирования в дистиллированной воде

Фиг.2

левый оригинальный дизайн, правый новый дизайн. Оригинальный дизайн показывает большее накопление тепла в центральных ячейках. Изменяя ориентацию и расположение ячеек ( правое изображение ), тепло распределяется равномерно. Проектирование компонентов и тепловое моделирование

Фиг.3

Показана универсальность конструкций. Изображение слева предназначено для плоских батарей, а изображение справа предназначено для батарей цилиндрических элементов. Модели, созданные в Solidworks 2014

Рис. 4

Наножидкости требуется 15 минут для достижения 80 ° F. Для деионизированной воды требуется 20 минут для достижения той же температуры, что доказывает эффективность наножидкости

.

Кроме того, введение аэрогеля изолирует систему, предотвращая влияние внешних и внутренних переменных на систему и предотвращая распространение возможного термического расплавления.Известно, что аэрогель имеет сравнительно более низкую плотность, чем любое твердое вещество с чрезвычайно малой микроструктурой, и обладает тем преимуществом, что он чрезвычайно огнестойкий (FAN 2015). Аэрогель может выдерживать большое количество тепла (Hsieh et al. 2015). Для контроля температуры системы используется датчик температуры, который через Bluetooth подключается к плате Arduino. Уведомление передается, если температура поднимается до критического значения и при необходимости его можно удаленно отключить.

Для подтверждения того, что центральная батарея получила наибольшее количество повреждений, были проведены тепловые испытания.Факты показывают, что больше всего тепла аккумулируется в центральной батарее, что может привести к взлетно-посадочной полосе. Оставляя некоторое открытое пространство и не выделяя всю область для удержания батарей, новая конструкция снижает возможные случаи теплового разгона за счет эффективного воздушного охлаждения, что значительно снижает вероятность отказов.

Лучшие теплоносители для жидкостного охлаждения

Диэлектрическая жидкость

В то время как пищевая промышленность с большей вероятностью выберет PGW вместо EGW для теплопередачи, в силовой электронике, лазерной и полупроводниковой промышленности больше шансов выбрать диэлектрические жидкости, а не воду.Диэлектрическая жидкость не является проводящей и поэтому предпочтительнее воды при работе с чувствительной электроникой. Перфторированные угли, такие как диэлектрическая жидкость Fluorinert ™ от 3M, негорючие, невзрывоопасные и термически стабильные в широком диапазоне рабочих температур. Хотя деионизированная вода также не является проводящей, Fluorinert ™ менее агрессивен, чем деионизированная вода, и поэтому может быть лучшим выбором для некоторых применений. Однако вода имеет теплопроводность примерно 0.59 Вт / м ° C (0,341 БТЕ / час фут ° F), в то время как Fluorinert ™ FC-77 имеет теплопроводность всего около 0,063 Вт / м ° C (0,036 БТЕ / час фут ° F). ⁵ Fluorinert ™ также намного дороже, чем деионизированная вода.

PAO — это синтетический углеводород, который часто используется в военной и авиакосмической промышленности благодаря своим диэлектрическим свойствам и широкому диапазону рабочих температур. Например, радары управления огнем на современных истребителях имеют жидкостное охлаждение с использованием PAO. Для тестирования холодных пластин и теплообменников, в которых в качестве теплоносителя будет использоваться ПАО, также доступны рециркуляционные охладители, совместимые с ПАО.ПАО имеет теплопроводность 0,14 Вт / м ° C (0,081 БТЕ / час фут ° F). Таким образом, хотя диэлектрические жидкости обеспечивают жидкостное охлаждение электроники с низким уровнем риска, они обычно имеют гораздо более низкую теплопроводность, чем вода и большинство водных растворов.

Вода, деионизированная вода, гликоль / водные растворы и диэлектрические жидкости, такие как фторуглероды и ПАО, являются теплоносителями, наиболее часто используемыми в высокоэффективных системах жидкостного охлаждения. Важно выбрать жидкий теплоноситель, совместимый с вашим трактом прохождения жидкости, обеспечивающий защиту от коррозии или минимальный риск коррозии и отвечающий конкретным требованиям вашего приложения.При правильном химическом составе ваш жидкий теплоноситель может обеспечить очень эффективное охлаждение вашего контура жидкостного охлаждения. Для получения дополнительной информации о технологиях жидкостного охлаждения и подходящей рабочей жидкости для использования в вашей системе, свяжитесь с Aavid, Thermal Division of Boyd Corporation.

¹ Мохапатра, Сатиш К., «Обзор жидких охлаждающих жидкостей для охлаждения электроники», ElectronicsCooling, май 2006 г., с. 22.

² Компания Dow Chemical, «Важность использования качественной воды в растворах теплоносителя», www.Dow.com, форма № 180-01396-1099QRP, октябрь 1999 г.

³ Компания Dow Chemical, «Как выбрать правильный теплоноситель», «Технологическое отопление», январь 2008 г., Трой, Мичиган, с. 52.

⁴ Компания Dow Chemical, «Руководство по проектированию и эксплуатации для DOWTHERM SR-1 и DOWTHERM 4000 ингибированных теплоносителей на основе этиленгликоля», www.Dow.com, форма № 180-1190-0901 AMS, сентябрь 2001, стр. 6.

⁵ 3M, «3M Fluorinert ™ Electronic Liquid FC-77», www.3M.com, 98-0212-2309-8 (HB), май 2000 г., стр. 1.

Изменение температуры и теплоемкость

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Наблюдать за теплопередачей, а также за изменением температуры и массы.
• Расчет конечной температуры после передачи тепла между двумя объектами.

Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание увеличивает температуру, а охлаждение снижает ее.Мы предполагаем, что фазового перехода нет и что система не выполняет никаких работ. Эксперименты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов: изменения температуры, массы системы, а также вещества и фазы вещества.

Рис. 1. Тепло Q , передаваемое для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также от вещества и фазы. (а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры.Чтобы удвоить изменение температуры массы m, вам нужно добавить в два раза больше тепла. (б) Количество переданного тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, вам нужно добавить в два раза больше тепла. (c) Количество передаваемого тепла зависит от вещества и его фазы. Если требуется количество тепла Q , чтобы вызвать изменение температуры Δ T в данной массе меди, потребуется в 10,8 раза больше тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды, при условии отсутствия фазы изменение любого вещества.

Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Поскольку (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и количеству атомов или молекул. Благодаря тому, что переданное тепло равно изменению внутренней энергии, тепло пропорционально массе вещества и изменению температуры. Передаваемое тепло также зависит от вещества, так что, например, количество тепла, необходимое для повышения температуры, меньше для спирта, чем для воды.Для одного и того же вещества передаваемое тепло также зависит от фазы (газ, жидкость или твердое тело).

Теплопередача и изменение температуры

Количественная связь между теплопередачей и изменением температуры включает все три фактора: Q = mc Δ T , где Q — символ теплопередачи, m — масса вещества и Δ T — изменение температуры. Обозначение c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ° C. Удельная теплоемкость c — это свойство вещества; его единица СИ — Дж / (кг К) или Дж / (кг ºC). Напомним, что изменение температуры (Δ T ) одинаково в единицах кельвина и градусов Цельсия. Если теплопередача измеряется в килокалориях, то единицей удельной теплоемкости является ккал / (кг ⋅ ºC).

Значения удельной теплоемкости обычно необходимо искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить.Как правило, удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице 1 приведены типичные значения теплоемкости различных веществ. За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в десять раз больше, чем у железа, что означает, что требуется в пять раз больше тепла, чтобы поднять температуру воды на ту же величину, что и у стекла, и в десять раз больше. много тепла для повышения температуры воды, как для утюга.Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Пример 1. Расчет необходимого тепла: нагрев воды в алюминиевой кастрюле

Алюминиевая кастрюля массой 0,500 кг на плите используется для нагрева 0,250 литра воды с 20,0 ° C до 80,0 ° C. а) Сколько тепла требуется? Какой процент тепла используется для повышения температуры (б) сковороды и (в) воды?

Стратегия

Кастрюля и вода всегда имеют одинаковую температуру.Когда вы ставите кастрюлю на плиту, температура воды и кастрюли повышается на одинаковую величину. Мы используем уравнение теплопередачи для данного изменения температуры и массы воды и алюминия. Значения удельной теплоемкости воды и алюминия приведены в таблице 1.

Решение

Поскольку вода находится в тепловом контакте с алюминием, кастрюля и вода имеют одинаковую температуру.

Рассчитать разницу температур:

Δ T = T _f — T _i = 60.0ºC.

Рассчитайте массу воды. Поскольку плотность воды составляет 1000 кг / м ³ , один литр воды имеет массу 1 кг, а масса 0,250 литра воды составляет м _w = 0,250 кг.

Рассчитайте тепло, передаваемое воде. Используйте удельную теплоемкость воды в таблице 1:

.

Q _w = м _w c _w Δ T = (0,250 кг) (4186 Дж / кгºC) (60,0ºC) = 62.8 кДж.

Рассчитайте тепло, передаваемое алюминию. Используйте удельную теплоемкость алюминия в таблице 1:

.

Q _Al = м _Al c _Al Δ T = (0,500 кг) (900 Дж / кгºC) (60,0ºC) = 27,0 × 10 ⁴ Дж = 27,0 кДж . <

Сравните процент тепла, поступающего в сковороду, и в воду. Сначала найдите общее переданное тепло:

Q _Итого = Q _w + Q _Al = 62.8 кДж + 27,0 кДж = 89,8 кДж.

Таким образом, количество тепла, идущего на нагревание сковороды, равно

.

[латекс] \ frac {27.0 \ text {kJ}} {89.8 \ text {kJ}} \ times100 \% = 30.1 \% \\ [/ latex]

, а на подогрев воды —

.

[латекс] \ frac {62,8 \ text {кДж}} {89,8 \ text {кДж}} \ times100 \% = 69,9 \% \\ [/ latex].

Обсуждение

В этом примере тепло, передаваемое контейнеру, составляет значительную долю от общего переданного тепла. Хотя вес кастрюли вдвое больше, чем у воды, удельная теплоемкость воды более чем в четыре раза больше, чем у алюминия.Следовательно, для достижения заданного изменения температуры воды требуется чуть более чем в два раза больше тепла по сравнению с алюминиевым поддоном.

Пример 2. Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной с веществом: перегрев тормозов грузовика на спуске

Рис. 2. Дымящиеся тормоза этого грузовика — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

Тормоза грузовика, используемые для контроля скорости на спуске, работают, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала.Это преобразование предотвращает преобразование гравитационной потенциальной энергии в кинетическую энергию грузовика. Проблема в том, что масса грузовика велика по сравнению с массой тормозного материала, поглощающего энергию, и повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло передавалось от тормозов в окружающую среду.

Рассчитайте повышение температуры 100 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью 800 Дж / кг ºC, если материал сохраняет 10% энергии от грузовика массой 10 000 кг, спускающегося на 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Если тормоза не применяются, потенциальная гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию. При срабатывании тормозов потенциальная гравитационная энергия преобразуется во внутреннюю энергию тормозного материала. Сначала мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале.

Решение

1. Рассчитайте изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика с горы Mgh = (10,000 кг) (9.{\ circ} C \\ [/ латекс].

Обсуждение

Эта температура близка к температуре кипения воды. Если бы грузовик ехал какое-то время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше, чем температура окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к повышению температуры тормозного материала выше точки кипения воды, поэтому этот метод непрактичен. Однако та же идея лежит в основе недавней гибридной технологии автомобилей, в которой механическая энергия (гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию (аккумулятор).

Обратите внимание, что Пример 2 является иллюстрацией механического эквивалента тепла. В качестве альтернативы повышение температуры может быть произведено с помощью паяльной лампы, а не механически.

Пример 3. Расчет конечной температуры при передаче тепла между двумя телами: заливка холодной воды в горячую кастрюлю

Допустим, вы залили 0,250 кг 20.0ºC воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, снятую с плиты, при температуре 150ºC. Предположим, что поддон стоит на изолированной подушке и выкипает незначительное количество воды. Какова температура, когда вода и поддон через короткое время достигают теплового равновесия?

Стратегия

Сковорода помещается на изолирующую подкладку так, чтобы теплоотдача с окружающей средой была незначительной. Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода.Затем теплообмен восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и поддон соприкасаются. Поскольку теплообмен между кастрюлей и водой происходит быстро, масса испарившейся воды незначительна, а величина тепла, теряемого сковородой, равна теплу, полученному водой. Обмен тепла прекращается, когда достигается тепловое равновесие между кастрюлей и водой. Теплообмен можно записать как | Q _{горячий} | = Q _{холодный} .

Решение

Используйте уравнение теплопередачи Q = mc Δ T , чтобы выразить тепло, теряемое алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечная температура: Q _{горячий} = м _Al c _Al ( T _f — 150ºC).

Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру: Q _{холодная} = м _W c _W ( T _f — 20,0 ° C).

Обратите внимание, что Q _{горячий} <0 и Q _{холодный} > 0 и что они должны быть в сумме равными нулю, потому что тепло, теряемое горячей сковородой, должно быть таким же, как тепло, полученное холодной водой:

[латекс] \ begin {array} {lll} Q _ {\ text {cold}} + Q _ {\ text {hot}} & = & 0 \\ Q _ {\ text {cold}} & = & — Q _ {\ text {hot}} \\ m _ {\ text {W}} c _ {\ text {W}} \ left (T _ {\ text {f}} — 20.{\ circ} \ text {C} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это типичная проблема калориметрии — два тела при разных температурах приводят в контакт друг с другом и обмениваются теплом до тех пор, пока не будет достигнута общая температура. Почему конечная температура намного ближе к 20,0ºC, чем к 150ºC? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и поэтому претерпевает небольшое изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры.Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико. Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму).

Эксперимент на вынос: изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода?

Для изучения разницы в теплоемкости:

• Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две небольшие банки.(Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить примерно равную массу, используя на 50% больше воды по объему.)
• Нагрейте и то, и другое (в духовке или нагревательной лампе) одинаковое время.
• Запишите конечную температуру двух масс.
• Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
• Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Какой образец остывает быстрее всего? Это упражнение воспроизводит явления, ответственные за дующий с суши и морской бриз.

Проверьте свое понимание

Если 25 кДж необходимо для повышения температуры блока с 25 ° C до 30 ° C, сколько тепла необходимо для нагрева блока с 45 ° C до 50 ° C?

Решение

Теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж.

Сводка раздела

• Передача тепла Q , которая приводит к изменению Δ T температуры тела с массой m составляет Q = mc Δ T , где c — удельная теплоемкость материала. Это соотношение также можно рассматривать как определение удельной теплоемкости.

Концептуальные вопросы

1. Какие три фактора влияют на теплопередачу, необходимую для изменения температуры объекта?
2. Тормоза в автомобиле повышают температуру на Δ T при остановке автомобиля со скорости v .Насколько больше было бы Δ T , если бы автомобиль изначально имел вдвое большую скорость? Вы можете предположить, что автомобиль останавливается достаточно быстро, чтобы не отводить тепло от тормозов.

Задачи и упражнения

1. В жаркий день температура в бассейне объемом 80 000 л повышается на 1,50ºC. Какова чистая теплопередача при этом нагреве? Игнорируйте любые осложнения, такие как потеря воды из-за испарения.
2. Докажите, что 1 кал / г · ºC = 1 ккал / кг · ºC.
3. Для стерилизации 50.Стеклянная детская бутылочка 0 г, мы должны поднять ее температуру с 22,0 ° С до 95,0 ° С. Какая требуется теплопередача?
4. Одинаковая передача тепла идентичным массам разных веществ вызывает разные изменения температуры. Рассчитайте конечную температуру, когда 1,00 ккал тепла передается 1,00 кг следующих веществ, первоначально при 20,0 ° C: (a) вода; (б) бетон; (в) сталь; и d) ртуть.
5. Потирание рук согревает их, превращая работу в тепловую энергию. Если женщина трет руки взад и вперед в общей сложности 20 движений, на расстоянии 7.50 см на руб, а при средней силе трения 40,0 Н, что такое повышение температуры? Масса согреваемых тканей всего 0,100 кг, в основном в ладонях и пальцах.
6. Блок чистого материала массой 0,250 кг нагревается с 20,0 ° C до 65,0 ° C за счет добавления 4,35 кДж энергии. Вычислите его удельную теплоемкость и определите вещество, из которого он, скорее всего, состоит.
7. Предположим, что одинаковые количества тепла передаются различным массам меди и воды, вызывая одинаковые изменения температуры.Какое отношение массы меди к воде?
8. (a) Количество килокалорий в пище определяется методами калориметрии, при которых пища сжигается и измеряется теплоотдача. Сколько килокалорий на грамм содержится в арахисе весом 5,00 г, если энергия его горения передается 0,500 кг воды, содержащейся в алюминиевой чашке весом 0,100 кг, что вызывает повышение температуры на 54,9 ° C? (b) Сравните свой ответ с информацией на этикетке, найденной на упаковке арахиса, и прокомментируйте, согласуются ли значения.
9. После интенсивных упражнений температура тела человека весом 80,0 кг составляет 40,0 ° C. С какой скоростью в ваттах человек должен передавать тепловую энергию, чтобы снизить температуру тела до 37,0 ° C за 30,0 мин, если тело продолжает вырабатывать энергию со скоростью 150 Вт? 1 Вт = 1 Дж / с или 1 Вт = 1 Дж / с.
10. Даже после остановки после периода нормальной эксплуатации большой промышленный ядерный реактор передает тепловую энергию со скоростью 150 МВт за счет радиоактивного распада продуктов деления.Эта теплопередача вызывает быстрое повышение температуры при выходе из строя системы охлаждения (1 Вт = 1 джоуль / сек или 1 Вт = 1 Дж / с и 1 МВт = 1 мегаватт). (a) Рассчитайте скорость повышения температуры в градусах Цельсия в секунду (ºC / s), если масса активной зоны реактора составляет 1,60 × 10 ⁵ кг, а ее средняя удельная теплоемкость составляет 0,3349 кДж / кг ºC. (b) Сколько времени потребуется, чтобы получить повышение температуры на 2000 ° C, которое может привести к расплавлению некоторых металлов, содержащих радиоактивные материалы? (Начальная скорость повышения температуры будет больше, чем рассчитанная здесь, потому что теплопередача сосредоточена в меньшей массе.Позже, однако, повышение температуры замедлится, поскольку стальная защитная оболочка 5 × 10 ⁵ кг также начнет нагреваться.)

Рисунок 3. Бассейн с радиоактивным отработавшим топливом на атомной электростанции. Отработанное топливо долго остается горячим. (кредит: Министерство энергетики США)

Глоссарий

удельная теплоемкость: количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг вещества на 1,00 ºC

Избранные решения проблем и упражнения

1.