Как устроена батарея отопления: Принцип работы радиатора отопления

Принцип работы радиатора отопления

Как работает радиатор отопления?

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

Общие принципы работы отопительных радиаторов

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

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

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

Как работают батареи из чугуна

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

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

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

Как работают батареи из стали, алюминия и биметаллические модели

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

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

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

Как работают вакуумные радиаторы

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

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

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

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

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

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

Как устроен радиатор отопления для дома

Сантехнические приборы этой категории классифицируются по нескольким признакам. При выборе радиатора отопления оцениваются материал, из которого он сделан, характеристики и ряд иных показателей. Считается, что функционирование батарей разных типов описывается одним законом физики. Но это мнение не совсем верно, так как многое определяет особенность конструкции изделия.

Принцип работы

Радиаторы традиционного исполнения

Яркий представитель – чугунная батарея. Кто не знаком с сортаментом современных отопительных приборов этой группы, полагают, что такие изделия устарели, их не стоит приобретать. На самом деле они, в отличие от новомодных алюминиевых, биметаллических, стальных аналогов, являются универсальными в применении. Радиаторы из чугуна подходят для любой системы, независимости от сложности схемы и ее параметров (давления, температуры).

У всех перечисленных батарей есть общий недостаток, и связан он с принципом функционирования. Тепло передается способом излучения, то есть оно устремляется во все стороны и вверх. Отсюда неравномерность прогрева помещения по объему, разница температур на уровне пола и у потолка.

Горячая вода, поступающая в полость радиатора из трубы, повышает температуру его стенок. В результате батарея нагревается и уже сама становится источником тепловой энергии, которая отдается в окружающую среду.

Вакуумные радиаторы

В общем смысле принцип работы этих отопительных приборов тот же самый, но особенность конструкции является «изюминкой», делающей их намного эффективнее и экономичнее традиционных батарей. Теплоноситель «закольцован»: перемещается по встроенному внутреннему контуру, а не заполняет весь объем радиатора. Трубка для воды расположена в его нижней части, а в остальном пространстве находится специальная смесь (как правило, борно-литиевая).

Процесс протекает циклично: ее нагрев – закипание жидкости – образование пара – его конденсирование на стенках – стекание в нижнюю часть радиатора.

Плюсы решения

• На нагрев одной секции теплоносителя требуется намного меньше.




• При монтаже отопительной системы на основе вакуумных радиаторов используются трубы малого сечения, требуемый объем воды в ней уменьшается примерно на 80%.




• Отсутствуют холодные участки – прогрев равномерный.




• Котельная установка работает в пониженном режиме. Объясняется просто: смесь закипает уже при 35 0С, а потому сильно нагревать теплоноситель (до 90 и выше) не нужно.




• Вероятность образования коррозии, воздушных пробок в радиаторе исключена.




• Инерционность батареи нулевая: на режим выходит практически сразу после пуска котла.




• Высокая теплоотдача при работе от любой установки: отопительного агрегата, солнечного коллектора, теплового насоса.

Практические рекомендации

1. При выборе радиаторов нужно понимать, что их эффективность определяется рядом факторов:

• общая площадь теплопередачи;




• материал батареи;




• наличие оребрения;




• конструктивная особенность;




• внешнее оформление (темные приборы характеризуются повышенной теплопередачей).

Пользоваться онлайн-калькуляторами в интернете – совершить ошибку, на устранение которой уйдут и время, и деньги. Все подобные расчеты являются общими; в них не учитываются специфика здания, климат региона, роза ветров, температурные перепады и много иных факторов, влияющих на качество обогрева дома.

Приобретая отопительные приборы в «АЛЬФАТЭП», вы получите не только товар высокого качества по цене производителя, но и бесплатную консультацию наших специалистов по выбору образцов, особенностям их монтажа, эксплуатации и обслуживанию. К ним можно обратиться по телефону 8 (495) 109 00 95 или в разделе «Контакты» сайта alfatep.ru. При необходимости мы сделаем предварительные расчеты и подскажем оптимальный вариант обогрева здания. Жителям Подмосковья сервисный центр компании предлагает весь спектр услуг: от разработки проекта отопительной системы до пуска в эксплуатацию с дальнейшим техническим сопровождением (обслуживание, ремонт, поставка запасных частей).

Наилучший ли выбор для систем обогрева? Особенности устройства биметаллических радиаторов отопления

Биметаллические радиаторы устойчиво занимают лидирующую позицию среди отопительных систем. Они оставили далеко позади чугунные, алюминиевые и стальные аналоги.

Производители успешно совмещают в этих изделиях все инновационные технологии, получая в итоге лёгкий, компактный и прочный, надёжный элемент отопления.

Основная идея этого устройства состоит в использовании двух видов металла с разными физическими и структурными свойствами. Материал корпуса обладает высокой теплоотдачей, а металл внутреннего каркаса более устойчив к коррозии и перепадам давления, часто возникающим в системе отопления.

Конструкция биметаллических радиаторов отопления

Основное отличие таких батарей — их оригинальное внутреннее устройство. Оно представляет собой стальной или медный каркас, который помещён в алюминиевую оболочку. Каркас состоит из вертикальных и горизонтальных труб, соединённых при помощи дуговой сварки и заполненных теплоносителем. При этом исключена возможность контакта теплоносителя с алюминиевыми деталями. Корпус радиатора имеет специальную форму, позволяющую получить максимальное количество тепла.

Фото 1. Схема устройства биметаллического радиатора отопления. Стрелками показаны составные части конструкции.

Использование в конструкции стального каркаса обусловлено следующими причинами:

• Сталь не реагирует на перепады давления, периодически возникающие в системе отопления.
• Для стыковых сварных соединений типа «сталь-сталь» характерна высокая прочность.
• Сталь может контактировать с любым теплоносителем, она практически не подвержена химическим воздействиям.
• Стальные элементы не подвержены коррозии.

Алюминиевая оснастка биметаллических радиаторов быстро реагирует на изменение температуры, тем самым обеспечивая эффективную теплоотдачу. Соответственно требуется меньшее количество теплоносителя, чем, например, при использовании чугунного радиатора. Эта особенность позволяет снизить габариты конструкции, сделать её более изящной, не сокращая тепловой поток.

Виды устройства биметаллических радиаторов

Все биметаллические батареи по конструкции можно разделить на две группы:

• секционные — изготовлены из стального каркаса и алюминиевой оболочки;
• цельные — сердечник из меди, покрытой алюминием.

Как устроены секционные батареи

Каждый сегмент батареи состоит из сердечника, по которому транспортируется теплоноситель.

Сердечник представляет собой две короткие стальные трубы, соединённые вертикальной колонкой небольшого диаметра.

На концах горизонтальных элементов имеется специальная резьба, при помощи которой секции совмещаются в единую конструкцию.

Каждый сердечник помещён в оболочку из алюминия со специально разработанной системой конвекционных лепестков для максимальной теплоотдачи.

Достоинство секционной конструкции — возможность соединять необходимое количество элементов для получения требуемой мощности.

Сталь не реагирует на перепады давления в системе отопления, не подвержена коррозии, обладает устойчивостью к воздействию химических примесей, встречающихся в теплоносителях. Алюминий прекрасно проводит тепло, поэтому секционные биметаллические радиаторы очень быстро обогревают помещение.

Цельные устройства

В данной конструкции вместо стальных деталей используются медные. В качестве оболочки применяется алюминий, который одновременно служит и теплообменником. Между собой медные элементы спаиваются, поэтому такая батарея не разбирается. Это не совсем удобно, однако, стоимость цельных биметаллических радиаторов гораздо выше, чем секционных.

Объясняется это тем, что медь обладает более высокой теплопроводностью и ещё меньше подвержена коррозии, чем сталь. Внутренняя поверхность медных труб более гладкая, поэтому не происходит накопления карбонатных отложений, следовательно, срок службы такого устройства будет ещё дольше.

Фото 2. Биметаллическая батарея отопления цельного типа. Конструкция закреплена на стене.

Вам также будет интересно:

Особенности оребрения

Для того чтобы максимально повысить площадь теплоотдачи батареи, используется оребрение.

Теплоотдача увеличивается в несколько раз, благодаря профилированию конвекционных каналов, проходящих между рёбрами радиатора, а также вводу в схему дополнительных алюминиевых рёбер специальной конфигурации. В результате площадь нагрева трубы возрастает в несколько раз, увеличивая продуктивность устройства.

Внимание! Подбирая размер радиатора, не забывайте о технических нормах: прибор должен быть установлен на расстоянии не менее 10 см от подоконника и 6 см от пола.

При помощи инженерных расчётов, подкреплённых практическими методами, производители сумели получить наиболее эффективную конструкцию для оптимального пути следования воздушного потока. В ней предусмотрен захват холодного воздуха, поступающего с нижней стороны устройства и равномерное распределение нагретого воздушного потока, полученного после обтекания горячих поверхностей.

Комплектующие: запорные устройства, фитинги и другие

Любые батареи нуждаются в дополнительных элементах, которые используются при установке или эксплуатации системы отопления. Биметаллические радиаторы не являются исключением.

Современные комплектующие подразделяются на три вида:

• крепёжные элементы;
• запорная арматура;
• регулирующие устройства.

Кронштейны могут быть напольными и настенными, в зависимости от места установки радиатора. На каждые 3 секции предусмотрен верхний и нижний кронштейн. Напольные крепления применяются редко.

Запорные устройства (заглушки) служат для того, чтобы можно было перекрыть поток теплоносителя в случае необходимости. Они входят в комплект радиатора.

Задача регулирующих устройств — определение оптимального пути для теплоносителя. К ним принадлежат удлинитель потока и байпас.

Фитинги являются важной частью любой сети коммуникаций. Это крепёжная составляющая с двусторонней внутренней резьбой, которая служит для скрепления элементов трубопровода.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором рассказывается, на что обращать внимание при выборе биметаллического радиатора отопления.

Заключение

При выборе комплектующих надо помнить, что экономить на их качестве не стоит, это может привести к серьёзной аварии и выходу из строя всей системы отопления.

Преимущества биметаллических конструкций — их высокая теплоотдача, длительный срок службы, элегантный внешний вид.

Схемы подключения биметаллических радиаторов отопления: нижняя, боковая, диагональная

Схемы подключения биметаллических радиаторов отопления фактически не имеют отличий от стандартных способов установки других видов отопительных батарей, например, чугунных. Вне зависимости от того, планируете ли вы выполнить работы самостоятельно или обратиться за помощью к профессионалам, стоит изначально продумать, какую именно схему выбрать и почему.

Первое, о чем стоит знать — существует три схемы подключения биметаллических радиаторов отопления:

• Боковое.
• Диагональное.
• Нижнее.

Если вы хотите выполнить подключение биметаллических радиаторов отопления оптимальным способом, то есть так, чтобы трудозатраты были минимальны, а эффективность приборов максимальна, то при определении подходящей схемы нужно ориентироваться на следующие параметры:

• Тип системы: одно- или двухтрубная.
• Как происходит подача теплоносителя: снизу или сверху.
• Число секций в радиаторе.

Выбор способа подключения в зависимости от типа системы

Выделяют два типа систем: одно- и двухтрубные. В первом случае теплоноситель проходит по подающей трубе к отопительным приборам, при этом по мере движения он остывает. В однотрубных схемах радиаторы монтируются последовательно. Фактически при такой схеме подающий трубопровод «превращается» в обратный. В двухтрубных системах применяется параллельное подключение биметаллических радиаторов отопления: подающая и обратная ветки полностью «автономны» друг от друга, а соединяются они с помощью конечного прибора системы отопления.

Все выпускаемые сегодня биметаллические радиаторы отопления унифицированы под любое подключение, в их конструкции предусмотрено 4 возможные точки подключения, то есть пара снизу и пара сверху. Поэтому выбирать схему нужно, ориентируясь на тип дома, его этажность, тип системы.

Особенности одно- и двухтрубных систем

Помните о том, что:

• Однотрубные системы могут быть с горизонтальной или вертикальной разводкой. Первая, как правило, применяется в частных домах высотой в 1 или 2 этажа, в исключительных случаях — в трехэтажных. Вертикальная разводка типична для многоэтажных объектов. Преимуществом однотрубных систем является то, что их устройство требует минимальных финансовых затрат, и при этом они отличаются стабильностью (то есть разбалансировать такие системы непросто).
• Двухтрубные системы редко эксплуатируются в «многоэтажках». Это обусловлено тем, что для создания такой системы требуется большее число труб, также в обязательном порядке необходимо применение регулирующей арматуры. Впрочем, у нее есть существенное преимущество — на все радиаторы отопления подается теплоноситель одинаковой температуры, а значит, во всех помещениях будет одинаково тепло.

Направление подачи теплоносителя

Подключение биметаллического радиатора отопления может быть выполнено снизу — в данном случае используется нижний вертикальный коллектор. При использовании такой схемы главное точно знать, к какому именно из входов подключается вода. Эти данные можно уточнить в техническом паспорте.

Также возможна боковая и диагональная подводка. В последних двух вариантах подключения биметаллических радиаторов отопления, подача теплоносителя заводится сверху, при этом снизу устанавливается труба обратного трубопровода.

Как определить оптимальную схему подключения в зависимости от числа секций?

Число секций биметаллического радиатора отопления напрямую влияет на выбор схемы подключения. Например, для моделей, имеющих до 8 секций, оптимальным будет боковое, диагональное или нижнее седельное подключение. Если количество секций биметаллического радиатора отопления больше 8-ми, то стоит выбирать диагональную схему подключения.

Впрочем, есть некоторые хитрости, которые позволяют и радиаторы с 9, 10 и более секциями подключать боковым способом. Для этого необходимо использовать так называемый удлинитель потока.

Что такое удлинитель потока и как правильно его устанавливать?

Удлинителем потока называют трубку, вставляемую в коллектор подачи. Целесообразно использовать это приспособление, если при боковом подключении горячими оказываются исключительно первые секции биметаллического радиатора отопления, а остальные остаются чуть теплыми.

При использовании удлинителя потока удается обеспечить условия, при которых теплоноситель будет подаваться не ко входу устройства, а чуть дальше (условно — в центральную часть), за счет этого и обеспечивается более равномерный прогрев поверхностей всех секций радиатора.

Если при подключении биметаллического радиатора отопления вы решили использовать удлинитель потока, то важно знать о том, какая длина приспособления будет оптимальной. Этот параметр определяется в зависимости от числа секций. Фактически вариантов два:

• Удлинитель должен составлять 2/3 от общей длины радиатора.
• Длина удлинителя должна быть такой, чтобы он доставал до средней части последней секции.

При этом выбирать вариант нужно методом экспериментов. Например, в некоторых случаях удлинитель, достающий до середины последней секции, не позволяет первым секциям прогреваться до той же степени, что и последним. Если вы столкнулись с такой ситуацией — не стоит переживать, ведь проблема решается просто: достаточно просто укоротить трубку. Эксперты советуют всегда приобретать удлинитель «с запасом», чтобы при необходимости его можно было укоротить: очевидно, что со слишком коротким приспособлением сделать уже будет ничего нельзя. А то, какой именно вариант подойдет (на 2/3 или до середины последней секции), напрямую зависит от диаметра подводки, а также давления в стояке.

Второй момент: если при подключении биметаллического радиатора отопления вы решили использовать удлинитель, то можно сделать в нем отверстия. Такая «хитрость» поможет обеспечить условия, при которых теплоноситель будет равномерно поступать и распределяться по вертикальным коллекторам. Впрочем, делать это вовсе не обязательно, удлинитель и без отверстий отлично справляется со своими функциями.

Советы экспертов

Полезные советы по безопасному подключению биметаллических радиаторов отопления:

• Желательно устанавливать запорные краны на входе и выходе радиатора. Например, это могут быть шаровые краны. Наличие таких элементов значительно упростит работы в случае, если требуется ремонт, модернизация или обслуживание отопительной системы. Принцип функционирования прост: достаточно закрыть шаровые краны, подождать, пока теплоноситель станет холодным, после чего радиатор можно без опасений снимать.
• При подключении биметаллических радиаторов отопления, обязательно используются воздухоотводчики. Когда теплоноситель контактирует с материалом коллектора, неминуемо возникают химические реакции, сопровождающиеся образованием газов. Воздухоотводчики необходимы для эффективного отвода газов и воздуха, скопившихся в радиаторе. Если их нет, то в приборе возникнет избыточное давление, и при наступлении отопительного сезона неминуемо будет нарушена циркуляция, вследствие чего одна или несколько секций радиатора (или их части) попросту перестанут нагреваться.
• При подключении необходимо обеспечить условия, при которых биметаллический радиатор отопления будет расположен строго горизонтально. При этом можно немного «поднять» угол прибора с той стороны, где монтирован воздухоотводчик — в этом случае газы из прибора будут спускаться гораздо эффективнее. При этом обратный уклон неминуемо нарушит циркуляцию.

Если вы хотите получить профессиональные рекомендации по выбору оптимального способа подключения биметаллических радиаторов отопления, а также узнать другие особенности, которые следует учитывать при планировании системы, просто свяжитесь со специалистом компании «САНТЕХПРОМ» по телефону: +7 (495) 730-70-80.

Разбираем устройство батареи отопления — форма, типы и материалы для изготовления

Схема устройства

Современные отопительные системы отличаются друг от друга не только по виду используемого топлива, но и по типу теплоносителя, способу его циркуляции и конструкции отопительных приборов. В России чаще всего используются центральные и автономные водяные системы, в которые встроены конвекторы и радиаторы. Их конструкции могут быть разными, причем от устройства батарей отопления во многом зависит эффективность работы системы в целом.

Из чего же изготавливают современные радиаторы, и каковы границы использования каждой модели?

Несколько общих вопросов

Техническое устройство радиаторов включает в себя несколько параметров. Это вариант исполнения конструкции, материал, из которого они производятся, и рабочие технические характеристики. До недавнего времени в нашей стране для организации водяной системы использовались исключительно чугунные батареи, являющиеся отечественным изобретением. Реберную конструкцию придумал инженер-литейщик Франц Сангали. Он же и назвал необычный отопительный прибор батареей.

Сегодня на рынке отопительных агрегатов есть несколько разновидностей радиаторов с разными техническими характеристиками, поэтому необходима грамотная оценка каждого варианта. Техническое устройство отображает возможности эксплуатации той или иной модели, определяет тип и качество используемого теплоносителя, допустимое рабочее давление, выбор системы подключения и особенности монтажа. Поэтому есть смысл обо всем этом поговорить подробнее.

https://www.youtube.com/watch?v=3BaaUUG4JZE

Форма исполнения

Современный радиатор отопления — это надежный прибор, способный продемонстрировать свою эффективность только при соответствии своих технических параметров той системе отопления, в связке с которой он функционирует. Например, для обогрева помещений большой площади выбирают одни варианты, малой — другие.

Существует несколько видов конструкций:

1. Секционные радиаторы.
2. Трубчатые батареи.
3. Панельные модели.
4. Пластинчатые варианты.

Различия их технических параметров велики. Теплоотдача зависит от объема радиатора. Чем он больше, тем выше эффективность, тем сильнее должно быть давление в системе, и тем тяжелее сам радиатор. Существуют некоторые нюансы, позволяющие сделать правильный выбор. Они касаются формы отопительных приборов. Рассмотрим каждый вариант отдельно.

Секционные радиаторы

Секционные модели

Радиатор, конструкция которого состоит из отдельных ребер, называется секционным. Это самые популярные модели, позволяющие самостоятельно корректировать мощность прибора, увеличивая или уменьшая число секций. Имея на руках расчетную ведомость мощности отдельного ребра батареи, легко рассчитать параметры работы батареи отопления.

Каждая секция имеет простую конструкцию, а соединяются они между собой системой ниппелей. Ниппель — это соединительный узел, имеющий с двух сторон резьбу. При помощи него секции формируют верхний и нижний коллектор, образующие горизонтальные каналы. По ним циркулирует теплоноситель, отдавая свое тепло. Нижний канал имеет конверты, где скапливается мусор, тяжелые частицы металлов и другие крупные примеси, неизменно присутствующие в бегущей по трубам горячей воде.

Такая конструктивная особенность предотвращает засорение секционных радиаторов. В подобном варианте чаще всего изготавливаются чугунные, алюминиевые и биметаллические батареи.

Обратите внимание! Отдавая предпочтение секционным батареям, необходимо учитывать их существенный недостаток. В местах соединения секций велика вероятность возникновения протечек. Они обязательно появятся, если монтаж отопления выполнен без учета свойств материалов, из которых изготовлены те или иные отопительные приборы.

Трубчатые батареи

В техническом плане трубчатые батареи отличаются от секционных тем, что в них теплоноситель циркулирует по трубкам, а не по секциям. Их центральные элементы — верхний и нижний горизонтальные коллекторы. Они методом высокотехнологичной лазерной спайки соединены между собой вертикальными трубчатыми элементами.

Delta Laserline

В результате получается цельная герметичная конструкция, в которой трубки могут идти в один или два ряда. Различное сечение труб — овальное, прямоугольное или круглое —позволяет создавать оригинальные модели, менять внешний вид изделий, максимально вписывая их в концепцию интерьера.

На теплопроводность такого отопительного прибора влияет несколько факторов:

1. Размер трубок.
2. Их количество.
3. Диаметр основных элементов.
4. Материал, из которого они изготовлены.

На прочность радиаторов влияет толщина стенок трубок. Если она равна 2 мм, прибор способен выдержать давление в 22 атмосферы.

Обратите внимание! Только модели отечественных производителей имеют толщину стенок трубок 22 мм. У зарубежных аналогов этот показатель составляет 1,5 мм, поэтому использование таких радиаторов невозможно там, где давление в системе превышает 15 атмосфер.

Панельные модели

Современный панельный радиатор похож на ребристый прямоугольник, состоящий из одной, двух или трех панелей. Они выполнены из двух пластин, соединенных между собой методом оттиска ребра. Такое устройство увеличивает теплоотдачу, улучшает теплообмен, а также обеспечивает необходимую жесткость устройства.

Отопительное оборудование

Из ребер образуются каналы. Они соединяются между собой, и по ним циркулирует горячая вода. Чем больше панель, тем больше объем теплоносителя, и тем выше мощность радиатора. В продаже есть модели панельных батарей трех типов, и каждый имеет свою маркировку — 11, 22 или 33.

Число 11 говорит о том, что у радиатора одна панель, 22 — две панели, 33 — три. Их крепление не вызывает особых затруднений. Минимальная длина панели — 40 см, а максимальная — 2 м. Высота может колебаться в пределах от 30 до 90 см.

Пластинчатые варианты

В основе конструкции пластинчатой батареи лежит трубка. На ней на одинаковом расстоянии закреплены одинаковые пластины. Горячая вода, которая движется по центральной трубе, нагревает пластины, а те отдают тепло воздуху. Эффективное отопление осуществляется конверторным способом.

Существует два варианта исполнения пластинчатых радиаторов. В одном и трубка, и пластины выполнены из стали. В другом центральная трубка медная. Второй вариант позволяет ускорять теплообмен.

Классификация по материалу изготовления

При изготовлении секционных радиаторов чаще всего используются три материала — чугун, алюминий и биметалл.

Старые добрые чугунки

Чугунные батареи состоят из отдельных секций, которые соединяются между собой при помощи специальных прокладок, обеспечивающих герметичность. Внутренние ребра располагаются вертикально. Внутри них движется теплоноситель, температура которого не должна превышать +150 градусов. Рабочее давление — 12 бар. Мощность одной секции — 150 Вт. В продаже сегодня представлены три разновидности чугунных батарей — одноканальные, двухканальные и трехканальные.

Алюминиевый радиатор изготавливается несколько иначе. В процессе производства применяется литой и экструдированный метод. В первом случае батарея под высоким давлением выливается полностью, так что конструкция получается абсолютно герметичной. Во втором случае выливаются отдельные секции, которые потом соединяются между собой при помощи ниппелей, прокладок и клея. Наивысшей прочностью на разрыв обладают изделия, изготовленные методом литья.

Рабочее давление алюминиевого радиатора — 6–10 атмосфер, а максимально допустимая температура теплоносителя +130 градусов.

Цельными и секционными могут быть и биметаллические радиаторы. Их изготавливают из стали и алюминия, алюминия и меди. По устройству такие модели несколько отличаются от алюминиевого радиатора. Сердечник выполняется из стали или меди, а вот ребра — из алюминия. Такое конструктивное решение помогло избавиться от недостатков, которыми обладают чугунные и алюминиевые модели.

Теплоноситель соприкасается только со сталью, поэтому технические показатели изделия таковы:

• Максимально допустимая температура теплоносителя +110 градусов.
• Рабочее давление 40 бар.

Стильный дизайн

Стальной сердечник имеет непростую конструкцию. Две горизонтальные трубки соединены между собой вертикальной колонкой, имеющей с двух сторон резьбу. При помощи резьбы вертикальная колонка надежно крепится к горизонтальным сердечникам снизу и сверху. На нее надевается алюминиевая секция. Преимуществ у такого устройства много. Самые главные — это простой монтаж, устойчивость к ржавчине и возможность самостоятельно регулировать мощность.

Батареи из стали изготавливают методом штамповки, гибки и сварки. Сталь — прочный металл, но он боится окисления. Поэтому использовать стальные батареи стоит только там, где можно обеспечить постоянное присутствие воды внутри замкнутой системы.

Обобщение по теме

Как видите, устройство батарей может быть совершенно разным. Нередко именно конструкция и материал, из которого изготовлено изделие, определяют технические особенности радиатора. Поэтому так важно обращать внимание на все описанные выше нюансы, выполняя монтаж отопления частного дома или квартиры в многоэтажном массиве.

принцип работы, выбор и установка

Ярким представителем управляющей арматуры отопительных систем является терморегулятор для батареи, иначе – радиаторный клапан или термостатический вентиль. Как и прочие новинки в сфере отопления, он пришел к нам из Европы, причем почти сразу был внесен в государственные строительные нормы как обязательный элемент любой водяной системы обогрева. Соответственно, цель данной статьи – раскрыть принцип работы терморегулятора и подсказать пользователям, как его подобрать, установить и настроить в домашней системе отопления.

Для чего нужен терморегулятор

Правильно выбранные и установленные термостатические вентили позволяют не только экономить энергоносители, но и сильно упрощают жизнь домовладельцу в плане регулировки температуры в помещениях. Ведь с помощью котлов отопления можно менять обогрев всех комнат одновременно, увеличивая или уменьшая температуру теплоносителя. А вот регуляторы батарей отопления дают возможность нагревать помещения по-разному в зависимости от их назначения, что приносит немалую экономию энергоносителей.

Для справки. К большинству современных котлов можно подключить выносной терморегулятор отопления, чтобы управлять нагревом в автоматическом режиме. Но это не решает вопрос, поскольку теплоноситель с определенной температурой все равно будет поступать во все комнаты сразу.

Задача термостатического клапана – регулировать количество поступающего в радиатор теплоносителя в зависимости от температуры воздуха в помещении, автоматически ее поддерживая на том уровне, что установил пользователь. Главное, чтобы со стороны теплогенератора поступало достаточное количество нагретой воды, ведь терморегулятор для радиатора может только уменьшать ее расход, но не увеличивать.

О назначении радиаторных термоклапанов доступно рассказывается в следующем видео:

Устройство и принцип работы термостата

Любой автоматический радиаторный клапан состоит из 2 частей:

1. Термостатический вентиль с исполнительным механизмом перекрывания потока теплоносителя.
2. Термоголовка с управляющим элементом, реагирующим на изменение температуры воздуха.

Вентиль, изготавливаемый из латуни, имеет традиционный механизм с рабочим конусом, входящим в седло и таким способом уменьшающим его проходное сечение. Отличие от обычного ручного крана состоит в том, что конус прикреплен к нажимному штоку с пружиной, выходящему наружу. Нажатие на конец штока осуществляет второй элемент – термоголовка. Чем сильнее нажатие, тем меньше проходное сечение. Ниже на схеме показано устройство регулятора батареи отопления в сборе:

Внутри термостатической головки находится маленький герметичный контейнер, заполненный термочувствительной средой — жидкостью или газом. При нагревании эта среда расширяется, контейнер увеличивается и сильнее нажимает на шток, перекрывая поток теплоносителя. При охлаждении процесс идет в обратном направлении, в чем и заключается принцип работы термоголовки. Рукоятка регулировки с нанесенной шкалой механически ограничивает максимальное открывание клапана.

Важно. Установленный на батарею терморегулятор влияет только на расход теплоносителя, меняя его в ту или иную сторону. Термостат не является регулятором температуры воды, то есть, выполняет количественное регулирование, но не качественное.

Разновидности и выбор терморегуляторов

По исполнению радиаторные вентили делятся на 3 группы:

• прямые;
• угловые;
• в составе гарнитуры подключения отопительных приборов.

Если с прямыми и угловыми терморегуляторами все понятно, то о гарнитуре следует сказать отдельно. Она позволяет одновременно установить термостат на батарею и подключить ее к трубам, выходящим прямо из пола. Хотя цена подобной гарнитуры выйдет больше, чем традиционные подводки из труб, зато выглядеть подобное присоединение будет куда эстетичнее.

Гарнитура подключения радиатора со встроенным термостатом

Для двухтрубных систем с циркуляционным насосом отопления подойдет любой из перечисленных клапанов, вопрос заключается лишь в способе подключения отопительного прибора, а с технической точки зрения все они одинаковы. Другое дело – однотрубная схема, для нее лучше купить специальный регулятор температуры батареи с увеличенным проходным сечением седла. Такие терморегуляторы оказывают меньшее гидравлическое сопротивление, что хорошо видно на схеме:

Помимо клапанов, следует выбрать также и термоголовки для батарей, и тут сразу же рекомендация: клапан и головка должны быть от одного производителя, а стыковочные резьбы совпадать. Стандартная резьба на вентиле – М28 и М30. Вообще, выбор конструкций головок не слишком широк – кроме обычных элементов со встроенным сильфоном есть еще изделия с электронным блоком управления и дисплеем. Эти терморегуляторы – программируемые, их можно настраивать на поддержание различных температур в комнате в течение дня.

Совет. Выбирая программируемую термостатическую головку, помните, что она нуждается в электропитании от батарей или сети. Чтобы терморегулятор работал корректно, за наличием электропитания придется следить.

В тех случаях, когда планируется монтаж отопительных приборов за экранами либо окна комнаты предполагается завесить плотными шторами, обычные термоэлементы могут функционировать некорректно. Из-за слабого движения воздуха в районе радиатора температура за экраном и перед ним может отличаться на пару градусов, так что дополнительно к терморегулятору стоит купить выносной датчик с капиллярной трубкой.

Стоящий за экраном датчик посредством капиллярной трубки будет управлять термостатом, ориентируясь на правильную температуру в помещении. Существует и более продвинутая версия в виде выносного регулятора, который тоже присоединяется капиллярной трубкой. Но тут надо быть внимательнее: не ко всем вентилям такие термоголовки подходят, поэтому при выборе терморегулятора нужно консультироваться с продавцом.

Напоследок несколько слов о производителях радиаторных клапанов. Их появилось достаточно много, особенно китайских, чье качество более чем сомнительно. Однозначно рекомендуются к применению терморегуляторы следующих брендов, их надежность не подлежит сомнению:

• DANFOSS;
• HERZ ARMATUREN;
• OVENTROP.

Совет. Не следует покупать и устанавливать термостаты на все радиаторы в доме. Правило такое: чтобы обеспечить нормальное регулирование, в каждом помещении надо оснастить терморегуляторами только те батареи, чья суммарная мощность составляет 50% от общей и более. Простыми словами: при 2 отопителях в комнате вентиль надо ставить на одном (который больше), при 3 – на двух радиаторах и так далее.

Установка и настройка

Перед тем как купить и установить терморегулятор на батарею, надо убедиться, что ваш отопительный прибор не укомплектован клапаном с завода. Это касается стальных панельных радиаторов некоторых производителей, например, KERMI или HEIMEIER. Для них нужно приобрести только саму термостатическую головку с подходящей резьбой и вкрутить ее в соответствующее гнездо.

Настройка и установка терморегулятора на батареи своими руками не должна вызвать у вас больших сложностей. Вот несколько рекомендаций:

1. Вентиль всегда ставится только на подающем трубопроводе.
2. Соблюдайте направление потока, указанное в паспорте на изделие.
3. При монтаже используйте американки, дабы узел всегда можно было разобрать.
4. Положение клапана и головки, а также расстояния до ближайших конструкций указаны на схеме:

Если в терморегуляторе не предусматривается функция механической блокировки потока теплоносителя, то для обслуживания радиатора перед клапаном придется поставить дополнительный шаровой кран, как показано на схеме:

Монтаж термоголовки

Крепление элемента к корпусу вентиля осуществляется двумя способами – на резьбе или простым защелкиванием, как на изделиях фирмы DANFOSS. В любом случае сначала надо снять с буксы клапана защитный колпачок, затем рукоятку головки повернуть в положение «max» и вставить в гнездо до щелчка или же слегка подтянуть ключом (когда соединение – резьбовое). Если головка терморегулятора вращается нормально, то установка выполнена успешно.

Вентили некоторых производителей, а также все головки имеют функцию преднастройки. Это заблаговременное ограничение диапазона регулирования температур, которое реализуется в различных моделях по-разному. Например, терморегулятор HERZ ARMATUREN ограничивается с помощью специальных штифтов, в других изделиях прилагается ключ, фиксирующий головку в определенном положении.

Эксплуатационная настройка термостата батареи осуществляется рукояткой с нанесенной шкалой и цифрами (обозначениями). Как правило, диапазон плавной настройки составляет 16—28 °С, а в положении «*» клапан станет поддерживать температуру воздуха 6—7 °С, дабы не случилось размораживания.

В заключение несколько слов о совместимости терморегуляторов с чугунными приборами отопления. В принципе, противопоказаний к установке никаких нет, но есть сомнения в эффективности работы термостатов. Чугунные батареи массивны и вмещают много воды, а оттого инерционны и будут с опозданием реагировать на автоматическое регулирование. Так что здесь предпочтительнее поставить обычный кран на подаче и балансировочный – на обратке.

Терморегулятор на батарею отопления: принцип работы, настройка, установка

В странах постсоветского пространства до 40% энергоресурсов уходит на нужды отопления и вентиляции зданий, это в несколько раз больше, чем у продвинутых европейских стран. Вопрос энергосбережения стоит остро, как никогда, особенно на фоне постоянного повышения стоимости энергоносителей. Одним из устройств, позволяющих экономить тепловую энергию в доме, является терморегулятор для батареи, чья установка может уменьшить расход тепла до 20%. Но для этого необходимо правильно подобрать регуляторы к системе отопления и выполнить их монтаж, о чем и будет рассказано в данной статье.

Принцип работы термостатического клапана

Первые термостаты для радиаторов, призванные поддерживать постоянную температуру в помещении, были изобретены еще в далеком 1943 году фирмой DANFOSS, ей же принадлежит первенство на рынке по производству и продаже подобных устройств. По этой причине наша статья будет опираться на материалы и рекомендации компании DANFOSS, чей многолетний опыт не подлежит сомнению.

За прошедшие с момента изобретения годы терморегуляторы для радиаторов видоизменились и стали такими, какими мы их знаем. Конструктивно они состоят из двух основных элементов: клапана и термоголовки, соединяющихся между собой фиксирующим механизмом. Назначение термоголовки – воспринимать температуру окружающей среды и для ее регулирования воздействовать на исполнительный механизм – клапан, он и перекрывает поток теплоносителя, поступающего в отопительный прибор.

Такой метод регулирования называется количественным, поскольку устройство влияет на расход проходящего в радиатор теплоносителя. Существует и другой метод – качественный, с его помощью меняется температура воды в системе. Это осуществляет регулятор температуры (смесительный узел), устанавливаемый в котельной или тепловом пункте.

Чтобы понять принцип работы термоголовки, предлагается изучить схему прибора, изображенного в разрезе:

Внутри корпуса элемента расположен сильфон, заполненный термочувствительной средой. Она бывает двух видов:

• жидкостная;
• газовая.

Жидкостные сильфоны проще в изготовлении, но проигрывают газовым по быстродействию, поэтому последние получили очень широкое распространение. Итак, при повышении температуры воздуха вещество в замкнутом пространстве расширяется, сильфон растягивается и нажимает на шток клапана. Тот, в свою очередь, перемещает вниз специальный конус, уменьшающий проходное сечение клапана. В результате расход теплоносителя уменьшается. При охлаждении окружающего воздуха все происходит в обратном порядке, количество протекающей воды растет до максимума, это и есть принцип работы терморегулятора.

Рекомендации по выбору

В зависимости от типа системы отопления и условий монтажа прибора, для управления потоком теплоносителя могут применяться комплекты клапан – термоголовка в различных сочетаниях. В однотрубных системах обогрева рекомендуется устанавливать клапаны с повышенной пропускной способностью и малым гидравлическим сопротивлением (маркировка изделия производства DANFOSS – RA-G, RA-KE, RA-KEW).

Та же рекомендация касается и двухтрубных самотечных систем, где теплоноситель циркулирует естественным образом, без принудительного побуждения. Если же схема обогрева – двухтрубная с циркуляционным насосом, то следует выбрать клапан с возможностью регулировки пропускной способности (маркировка DANFOSS – RA-N, RA-K, RA-KW). Эта регулировка производится достаточно просто и специальный инструмент для нее не нужен.

Когда вопрос с подбором клапана решен, нужно определиться с типом термоголовки. Они предлагаются в следующих исполнениях:

1. С внутренним термоэлементом (как на схеме, представленной выше).
2. С выносным температурным датчиком.
3. С внешним регулятором.
4. Электронные (программируемые).
5. Антивандальные.

Обычный терморегулятор для радиаторов отопления с внутренним датчиком принимается к установке, если есть возможность расположить его ось горизонтально, чтобы воздух помещения свободно омывал корпус прибора, как показано на рисунке:

Внимание! Не допускается установка терморегулятора на батарею в вертикальном положении, тепловой поток, поднимающийся от подающего трубопровода и корпуса клапана, станет оказывать влияние на сильфон, в результате чего устройство будет работать некорректно.

Если горизонтальный монтаж головки невозможен, то лучше приобрести к ней выносной датчик температуры в комплекте с капиллярной трубкой длиной 2 м. Именно на таком расстоянии от радиатора можно расположить данное устройство, прикрепив его к стене:

Помимо вертикального монтажа для покупки выносного датчика бывают и другие объективные причины:

• радиаторы отопления с регулятором температуры находятся за плотными шторами;
• в непосредственной близости от термоголовки проходят трубы с горячей водой либо присутствует другой источник тепла;
• батарея стоит под широким подоконником;
• внутренний термоэлемент попадает в зону сквозняка.

В комнатах с высокими требованиями к интерьеру батареи зачастую прячут под декоративными экранами из различных материалов. В таких случаях попавший под кожух терморегулятор регистрирует температуру скапливающегося в верхней зоне горячего воздуха и может целиком перекрыть теплоноситель. Мало того, полностью закрыт доступ к управлению головкой. В этой ситуации выбор следует сделать в пользу выносного регулятора, совмещенного с датчиком. Варианты его размещения показаны на рисунке:

Электронные термостаты с дисплеем также бывают двух видов: со встроенным и съемным блоком управления. Последний отличается тем, чтоб электронный блок отсоединяется от термоголовки, после чего она продолжает функционировать в обычном режиме. Назначение подобных устройств — регулировка температуры в помещении по времени суток в соответствии с программой. Это позволяет снижать отопительную мощность в рабочее время, когда дома никого нет и в прочих подобных случаях, что приводит к дополнительной экономии энергоресурсов.

Когда в доме есть маленькие дети, которым все хочется попробовать своими ручками, лучше установить терморегулятор антивандального типа с кожухом, предохраняющим настройки прибора от неквалифицированного вмешательства. Это касается и термостатов, стоящих в других общественных зданиях: детских садах, школах, больницах и так далее.

Как установить терморегулятор на батарею

Первая рекомендация – не ставить термоголовки на все нагреватели в пределах видимости. Здесь правило следующее: регулированию должны подвергаться радиаторы, чья суммарная мощность составляет 50% и более от всех, находящихся в одной комнате. Например, когда в помещении имеется 2 отопителя, то термостатом должна быть оснащена 1 батарея, чья мощность больше.

Совет. Если в качестве отопительных приборов применены чугунные радиаторы, то поддержание микроклимата с помощью термостатических клапанов будет неэффективным. Дело в том, что работа чугунных батарей очень инерционна, после перекрытия потока теплоносителя они еще долго излучают тепло и наоборот, долго разгоняются. Монтаж клапанов не имеет смысла, вы только напрасно потратите свое время и средства.

Первую часть устройства – клапан – рекомендуется монтировать на подводящий подающий трубопровод в момент подключения радиатора к отопительной системе. В случае когда его требуется врезать в собранную систему, то подводку подачи придется демонтировать. Это доставит некоторые сложности, если подключение выполнено стальными трубами, понадобится инструмент для резки труб и нарезания резьбы.

После того как термостат на батарею отопления установлен, термоголовка монтируется без всякого инструмента. Достаточно просто совместить метки на корпусах и плавным нажатием зафиксировать головку в гнезде. Сигналом послужит щелчок фиксирующего механизма.

Немного сложнее устанавливать антивандальный терморегулятор, для этого понадобится шестигранный ключ размером 2 мм. Совместив требуемые метки, как показано на схеме, нужно прижать термоголовку, а шестигранником закрутить фиксирующий болт, находящийся сбоку.

Монтаж выносного датчика и регулятора осуществляется на свободном от деталей интерьера и мебели участке стены, разместив их на высоте 1.2—1.6 м от пола, как показано на схеме:

Сначала дюбелями к стене прикрепляется монтажная пластина, а потом на нее простым нажатием защелкивается корпус. Капиллярная трубка закрепляется к стене пластмассовыми хомутиками, как правило, они идут в комплекте с изделием.

Помимо штатной регулировки температуры в головках предусмотрена настройка терморегулятора на максимальный и минимальный пределы, дальше которых поворот колеса станет невозможным. Для этого предусмотрены ограничительные штифты, находящиеся в задней части изделия. Нужно вытащить один из них и после отладки системы вставить в отверстие под соответствующей меткой:

Заключение

Произвести подбор терморегулятора – задача несложная, здесь важно понимать, под какую систему отопления приобретается клапан и знать, в каком месте он будет находиться. Однозначно рекомендованы программируемые устройства, как наиболее экономичные.

Как работают тепловые батареи?

Что такое тепловая батарея?

Любую тепловую массу по определению можно назвать тепловой батареей, поскольку она способна накапливать тепло. В контексте дома это означает плотные материалы, такие как кирпич, кладка и бетон. Даже кувшин с водой, стоящий в солнечном окне, является своего рода тепловой батареей, поскольку он улавливает, а затем выделяет тепло от солнца.

Хорошо изолированный бетонный пол также действует как тепловая батарея; после того, как вы накачаете его полным теплом, он долго остынет (в зависимости от толщины), и в течение этого времени он регулирует внутреннюю температуру.

Одно из практических применений для получения максимальной отдачи от излучающего бетонного пола, поскольку тепловая батарея может быть в областях с колеблющимися затратами на электроэнергию — вы можете настроить пол на таймер, чтобы он включался только в часы с низкой скоростью (с 19:00 до 7:00 в Онтарио Например). В течение двенадцати часов, когда он выключен, он действует как аккумулятор, медленно выделяя накопленное тепло, поэтому вам не придется платить по более высоким тарифам в часы пик.

MIT Solar House через Викимедиа

По мере того, как вы приближаетесь к области активных систем аккумулирования тепла, одним из наиболее распространенных типов тепловых батарей (не то чтобы их много) является огромный резервуар для воды, закопанный в землю, который нагревается. солнечными тепловыми панелями.

Даже этот тип системы не нов, первый дом в Соединенных Штатах с активной системой солнечного отопления был построен в 1939 году в кампусе Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт) и располагался на вершине огромного резервуара для воды, который нагревается. тепловыми солнечными панелями.

Тепловая батарея MIT Solar House через Викимедиа

Что такое тепловые батареи с фазовым переходом?

Использование «фазового перехода» немного поднимает планку — оставайтесь со мной, это будет весело, обещаю 🙂

Требуется значительный вклад энергии, чтобы заставить материал превратиться из твердого в жидкое.Эта энергия высвобождается позже, когда материал снова затвердевает. Пока происходят эти преобразования и материал либо поглощает, либо выделяет энергию, температура остается постоянной. Как только фазовый переход завершится, материал снова начнет изменять температуру.

Так что это означает в реальном выражении? Это означает, что для того, чтобы растопить воду, воск, металл, камень или что-то еще, вам нужно дать ему тонну энергии. но при этом температура не меняется.Таким образом, ваша «батарея» имеет больше энергии, и вы можете хранить больше тепла в том же объеме пространства.

Трудно воспользоваться температурой плавления 0 ° Цельсия, но воск плавится при температуре около 37 ° Цельсия (в зависимости от его точного химического состава), что идеально подходит для сбора и хранения тепла от солнечных тепловых коллекторов.

Как построить тепловую батарею:

Если у вас есть солнечная панель, собирающая тепло (непосредственно нагревающая воздух или жидкость, а не генерирующая энергию с помощью фотоэлектрических элементов), вы можете использовать ее для зарядки своей тепловой батареи.Представьте себе это — большой резервуар с воском (или водой), который нагревается нагревательными змеевиками солнечного коллектора. Через этот же резервуар проходит другой змеевик, который отбирает тепло, чтобы перекачивать его через ваш лучистый пол или любую другую систему распределения тепла, которая у вас есть.

Удельная теплоемкость:

Если вы возьмете твердый парафин (теплоемкость Cp = 2,5 кДж / кг · K и теплота плавления 210 кДж / кг), скажем, 1 кг, при комнатной температуре вам потребуется 2,5 кДж (килоджоулей) тепла, чтобы Блок 1 кг выдерживает температуру от 20 ° C до 21 ° C.Чтобы температура повысилась с 21 ° C до 22 ° C, вам также потребуется 2,5 кДж (то есть такое же количество энергии).

Парафин плавится примерно при 37 ° C. Если она упадет до 36 ° C, вам снова потребуется всего 2,5 кДж, чтобы вернуть ее к 37 ° C, но вам потребуется 210 кДж (в 84 раза больше), чтобы перейти с 37 до 38 ° C.

Это связано с тем, что для того, чтобы расплавиться, необходимо разорвать некоторые химические связи в твердой решетке, а это требует дополнительной энергии. Итак, в целом, если при температуре 20 ° C лежит килограмм парафина, вам потребуется 252 штуки.5 кДж, чтобы довести его до 38 ° C.

Бетон является одним из наиболее распространенных строительных материалов с высокой теплотворной способностью. В отличие от парафина, 1 кг бетона (Cp = 0,88 кДж / кг · K) потребует 15,8 кДж, чтобы сделать то же самое. Для воды (Cp = 4,18 кДж / кг · K) необходимое количество энергии составит 75,2 кДж.

Количество вложенной энергии — это количество энергии, хранящейся в материале, поскольку эта энергия позже будет высвобождаться, когда материал снова остынет до 20 ° C или комнатной температуры. Хотя существует множество материалов, которые можно использовать для аккумулирования тепла, это всего лишь краткое сравнение некоторых из наиболее широко доступных.

Итак, парафин может сохранять в 16 раз больше тепла на килограмм, чем бетон, и в 3,4 раза больше, чем вода. Таким образом, хотя вода может быть не лучшим материалом для хранения тепла, она, безусловно, является наиболее доступной по цене и легкодоступной.

Значение Cp, указанное в тексте выше, относится к теплоемкости материалов.

q = м Cp ΔT

где:

q = энергия [Дж]

m = масса материала [кг]

Cp = теплоемкость материала [кДж / (кг · K)]

ΔT = разница температур [K или ° C]

Подробнее о проектировании домов на пассивных солнечных батареях см. Здесь

Диаграммы тепловых батарей любезно предоставлены компанией Alternative Photonics.

Почему недорогая тепловая батарея может стать швейцарским армейским ножом для сокращения выбросов

Когда вы думаете о влиянии человечества на климат, на ум приходят изображения выхлопных газов самолетов и автомобилей. Однако на авиацию и автомобили приходится только 2% и 6% мировых выбросов углерода соответственно.

Другой сектор, о котором почти никто не говорит, имеет более высокие выбросы, чем оба эти вместе взятые, составляя 10% парниковых газов нашей планеты: промышленное тепло.

Высокие температуры, которые требуются тяжелой промышленности для производства стали, алюминия, бетона, цемента, стекла и других важных ресурсов, в основном связаны с сжиганием ископаемого топлива — часто богатого углеродом кокса или угля.

И огромное количество этой тепловой энергии, не говоря уже о тепле, вырабатываемом такими источниками, как обычные электростанции, просто ежедневно тратится впустую.

Если бы это тепло улавливалось, сохранялось и повторно использовалось при необходимости, это могло бы значительно повысить энергоэффективность, сократив как затраты, так и выбросы во многих отраслях промышленности.

Норвежский стартап EnergyNest выпустил новый тип модульной тепловой батареи, способной хранить отработанное тепло в течение часов, дней или даже недель с минимальными потерями. При нормированной стоимости хранения, которая, как утверждается, составляет всего 15 евро (17,60 долларов США) за МВтч для крупных проектов, что в 47 раз дешевле, чем литий-ионное хранилище коммунального масштаба, неудивительно, что стартап уже подписал сделки. с такими, как Siemens, EDF и Eni.

И даже если тяжелая промышленность заменит ископаемое топливо, используемое для получения высокотемпературного тепла, более чистыми альтернативами, такими как водородные или дуговые печи, работающие на возобновляемых источниках энергии, компании все равно сократят свои расходы на отопление за счет сокращения и рециркуляции отработанного тепла.

«Все промышленные производители, у которых есть тепловые процессы, выиграют от нашей технологии», — сказал исполнительный директор EnergyNest Кристиан Тиль Recharge . «Пивоварни, химическая промышленность, фармацевтика, производители стали, алюминия, бетона, кирпича и другие строительные компании — все они работают с высокотемпературным теплом.

«Обезуглероживание электростанций с комбинированным циклом [на природном газе] также входит в нашу повестку дня, и мы можем предложить 24-часовую концентрирующую солнечную энергию [CSP] на 30-50% ниже стоимости хранения расплавленной соли.”

Согласно исследованию, проведенному аналитиком Aurora Energy Research по заказу EnergyNest, к 2030 году сегмент тепловых батарей открывает глобальные рыночные возможности на сумму 300 миллиардов долларов — в три раза больше, чем рынок электрических батарей для коммунальных предприятий.

Как работает тепловая батарея и как ее можно использовать

Тепловая батарея EnergyNest представляет собой шестиметровый модуль _th длиной 1,5 МВт размером с транспортный контейнер, который состоит из труб из углеродистой стали, петляющих внутрь и наружу. длинные цилиндры из Heatcrete — недорогого запатентованного материала, похожего на бетон, изготовленного из минерального кварцита, с небольшим количеством цемента, химических связующих и суперпластификаторов, обладающего отличными теплоаккумулирующими свойствами.Высокотемпературное тепло до 430 ° C может накапливаться в Heatcrete, а затем выделяться через жидкий теплоноситель — синтетическое масло или пар — прокачиваемый по его стальным трубам.

Поскольку тепловая батарея является модульной и штабелируемой, в проектах может использоваться любое количество единиц — от одного на небольшом промышленном предприятии до нескольких тысяч, необходимых для 24-часового гигаваттного проекта CSP.

Частная компания EnergyNest разрабатывает индивидуальные системы аккумулирования тепла, включающие такие элементы, как теплообменники, электрические нагреватели, парогенераторы, дополнительные трубопроводы и интеграцию с существующими объектами, — для удовлетворения всех возможных применений технологии.

«Так, например, в проекте, который мы реализуем на заводе производителя кирпича Senftenbacher в Австрии, который представляет собой проект по утилизации отработанного тепла, мы используем избыточное тепло, вырабатываемое печной печью», — объясняет Тиль. «Мы устанавливаем теплообменник рядом с печью и отводим тепло из теплообменника в масляную систему с замкнутым контуром. Некоторые небольшие насосы перекачивают горячее масло, и тогда хранилище Heatcrete действительно нагревается. И затем, когда мы разряжаем этот проект, тепло от жидкости активирует стандартный парогенератор.А пар повышает температуру в печи ».

Универсальность технологии можно увидеть, сравнив эту договоренность с проектом EnergyNest на парогазовой электростанции Sloecentrale мощностью 870 МВт в Нидерландах, которая повысит эффективность и сократит выбросы на заводе с использованием совершенно иной бизнес-модели.

В электростанциях с комбинированным циклом используются газовые турбины, вырабатывающие электричество, которые в качестве побочного продукта вырабатывают высокотемпературное тепло, а затем превращают это отработанное тепло в пар для привода паровых турбин, вырабатывающих электричество.Sloecentrale, частично принадлежащая EDF, будет покупать ветровую или солнечную энергию по низкой или отрицательной цене из сети (в ветреные и / или солнечные периоды) и преобразовывать эту электроэнергию в тепло с помощью электрического нагревателя. Это тепло будет накапливаться в батарее EnergyNest, а затем преобразовываться в пар (через парогенератор) для питания паровой турбины станции, когда оптовая цена на электроэнергию высока. Этот ценовой арбитраж увеличит доход завода, поскольку аккумулятор снижает затраты на топливо, а также помогает сбалансировать сеть в периоды высокой выработки возобновляемых источников энергии.

Аналогичным образом, система Heatcrete может превратить газовые или мазутные электростанции открытого цикла, не имеющие вторичной паровой турбины, в парогазовые установки de facto .

В качестве альтернативы EnergyNest могла бы преобразовать дешевую избыточную возобновляемую энергию в тепло для использования на ближайшем производственном предприятии или в системе централизованного теплоснабжения.

«CSP — прямая подгонка»

Тиль — бывший вице-президент производителя ветряных турбин Senvion — не считает, что преобразование возобновляемой энергии в тепло и обратно в электричество будет хорошим применением этой технологии.В то время как система EnergyNest предлагает КПД до 99% при улавливании, хранении и выводе тепла, проект преобразования тепла в электричество будет иметь эффективность в оба конца только около 40% из-за потеря энергии при преобразовании электричества в тепло (с помощью электрического нагревателя) и последующем преобразовании электричества в пар (с помощью парогенератора) для привода турбины.

«Электричество на входе и на выходе — не наша игра в мяч», — объясняет Тиль. «И именно поэтому мы не видим себя в конкуренции с литий-ионными хранилищами или хранилищами для горячей породы от Siemens Gamesa.Технически мы могли бы это сделать, но здесь нет экономического обоснования. Так что EnergyNest действительно стремится к тем проектам, в которых тепло играет важную роль ».

Это, однако, включает CSP, где высокотемпературное тепло приводит в действие паровые турбины для производства электроэнергии. Например, в проектах CSP с параболическим желобом изогнутые зеркала отражают концентрированный солнечный свет на теплопоглощающую трубку, содержащую синтетическое масло, что делает ее чрезвычайно горячей, а тепло используется для вращения парогенератора. Этот нефтепровод можно просто подключить к модулям Heatcrete, при этом тепло сохраняется в течение нескольких часов, чтобы обеспечить круглосуточную подачу электроэнергии.

В настоящее время только системы CSP, которые используют расплавленную соль в качестве теплоносителя — в проектах с силовыми вышками, где плоские зеркала отражают солнечный свет на приемник наверху башни — могут использоваться для питания базовой нагрузки.

«Мы определенно подходим к делу и можем предложить [24-часовую производительность] на 30-50% ниже стоимости хранения расплавленной соли», — говорит Тиль. «Расплавленная соль — это хранилище энергии, но это также и химический завод. Мы можем убрать всю сложность и стоимость химического завода и заменить его твердотельным накопителем энергии без движущихся частей и сделать эти установки CSP намного дешевле.

«Мы провели наши расчеты стоимости нашего хранилища CSP и пришли к цифре 15 евро / МВтч [для гигаваттной станции]».

Для сравнения, по словам финансового консультанта Lazard, аккумуляторная батарея стоит 165-325 долларов за МВтч для проектов коммунального масштаба.

Первый проект EnergyNest CSP на нефтеперерабатывающем заводе итальянского нефтяного гиганта Eni в Геле, Сицилия, должен быть установлен в конце этого года или, возможно, в 2021 году. Норвежская компания подключит тепловую батарею к массиву CSP, что позволит ей производить круглые круглосуточный пар, частично вытесняющий пар, вырабатываемый на ископаемом топливе, и сетевое электричество на объекте, что снижает углеродный след предприятия.

Eni теперь также рассматривает возможность использования оборудования EnergyNest на своих собственных газовых электростанциях.

«Очевидно, что эта технология имеет более широкое применение, чем просто CSP», — говорит Франческа Феррацца, старший вице-президент Eni по исследованиям и технологическим инновациям, декарбонизации и экологическим исследованиям и разработкам. «Все сводится к стоимости и надежности. Это должно быть прибыльно, и это должно быть что-то, что можно вписать в коммерческую схему.

«Если технология работает в этих двух очень разных случаях — солнечной тепловой энергии и традиционной газовой электростанции — то она может работать где угодно.”

Срок окупаемости

Тиль сообщает Recharge , что какое бы приложение ни выбрал клиент, срок окупаемости составит от двух до семи лет, что позволяет компаниям потенциально сэкономить миллионы долларов в течение 20–30-летнего проекта EnergyNest.

Компания Siemens Energy признала потенциал технологии — в июне она заключила долгосрочное партнерство с EnergyNest для совместной разработки решений по хранению тепловой энергии для промышленных компаний.

«У нас есть надежный партнер в компании Siemens, который занимается обслуживанием крупных промышленных заказчиков — как в Европе, так и во всем мире, — с которыми мы можем поставлять« под ключ »энергетические решения для декарбонизации», — говорит Тиль.

«Хранение энергии — ключ к декарбонизированному миру», — сказал Йорн Шмюкер, исполнительный директор подразделения Siemens Energy по производству крупногабаритного вращающегося оборудования. «Благодаря [нашей] программе Future of Storage и нашему сотрудничеству с EnergyNest мы можем предложить нашим клиентам именно те решения, которые помогают устойчиво обезуглероживать промышленный сектор — с серьезным преимуществом повышения эффективности и экономики их заводов»

Короче говоря, тепловая батарея EnergyNest — своего рода швейцарский армейский нож сокращения выбросов — кажется беспроигрышным везде, где присутствует крупномасштабное тепло.

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 батарея может накапливать возобновляемую энергию, имеет более высокую емкость, чем традиционные батареи, и полностью пригодна 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).

По словам Сержа Бондаренко, генерального директора CCT Energy Storage, в отличие от существующих аккумуляторов, он может заряжаться и разряжаться одновременно. 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 они еще не тестировали ее. 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

Следующий шаг — запуск прототипа в поле. 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. Батарея будет готова к эксплуатации 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 возобновляемым источникам 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 удаленным общинам избавиться от зависимости от дизель-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 .

Как работает самозарядная тепловая батарея? | Гианина Буда, доктор философии | Startup

Ученые из Национального технологического института, колледжа Гумма и Университета Цукуба, Япония, разрабатывают новый, более стабильный термоэлемент, который превращает тепло окружающей среды в электричество.

В их недавней статье, опубликованной 4 февраля 2020 года в журнале Nature Scientific Reports с открытым доступом, предлагается новый тип аккумулятора, который более стабилен при комнатной температуре, чем его предшественники.С этой целью японские ученые, участвовавшие в проекте, устранили недостатки традиционных термоэлектрических устройств на основе полупроводников, используя вместо них материалы с фазовым переходом в качестве электродов. Идея состоит в том, чтобы использовать электроды, которые претерпевают изменения на кристаллическом уровне, которые, в свою очередь, генерируют электрический потенциал, который является достаточно большим и достаточно стабильным, чтобы его можно было использовать в устройствах Интернета вещей (умные часы, умные мобильные телефоны, фитнес-трекеры и т. Д.).

Одной из самых больших проблем сегодня является сбор и использование экологически чистых источников энергии в максимально возможной степени.Сбор остаточного тепла (например, потерянной энергии из-за смены температуры день-ночь, отходящего тепла близкой к комнатной температуре или тепла человеческого тела) и преобразование его в электричество — один из способов достижения этой цели. Для этого существует два основных подхода:

1. Термоэлектрические устройства на основе полупроводников, использующие эффект Зеебека. Некоторые приложения включают охлаждение Пельтье и выработку тепловой энергии в космических аппаратах.
2. Термоэлементы с электродами с разными температурными коэффициентами, работающие за счет эффекта теплового заряда.Их также называют «третичные батареи».

В следующих подразделах я более подробно объясню, что такое эффект Зеебека, сложность термоэлементов и элемент новизны в аккумуляторе энергии японских ученых.

Вообще говоря, полупроводник — это твердый материал, проводящий электричество лучше, чем изолятор, но хуже, чем металл. Однако физика полупроводников очень богата. Некоторые из них могут стать сверхпроводниками (идеальными проводниками) при охлаждении, в то время как другие могут генерировать разность потенциалов (то есть потенциал для выработки электричества), если они помещены в среду с разницей температур.Последний называется эффектом Зеебека.

Следовательно, если эффект Зеебека генерирует электричество, помещая концы плиты при разных температурах, охлаждение Пельтье — важное приложение — описывает противоположное явление: прикладывая электрический потенциал между концами полупроводникового материала, вы можете охладить его. один конец и нагрейте другой.

Так что же такое третичная батарея?

Эти батареи, также называемые термоэлементами, имеют, как и обычные батареи, положительный и отрицательный электрод (анод и катод соответственно).Их особенность состоит в том, что анод и катод изготовлены из разных материалов, поэтому они по-разному реагируют на температуру. Точнее, их температурные коэффициенты разные, и это важно для выработки электроэнергии с очень небольшими колебаниями температуры.

Температурный коэффициент материала описывает, как его окислительно-восстановительный потенциал изменяется с температурой. Редокс-потенциал представляет собой способность материала принимать или высвобождать электроны; это тесно связано со способностью всего устройства вырабатывать электричество.В частности, электрод с большим температурным коэффициентом означает, что небольшое изменение температуры определяет большое изменение окислительно-восстановительного потенциала.

Почему это важно?

Эта конфигурация позволяет термоэлементу работать аналогично тепловому двигателю. Тепловая энергия преобразуется в электрическую в рамках теплового цикла между высокой и низкой температурой. Это разительно отличается от того, как работают термоэлектрические устройства на основе полупроводников — им нужен стабильный постоянный перепад температур для генерации электрического потенциала.Это делает старую технологию неприменимой для сбора тепла человеческого тела, которое генерируется колебаниями температуры нашего тела (например, между потливостью в тренажерном зале или ощущением холода в офисе).

Итак, если третичные батареи настолько хороши, зачем нужно усложнять вещи причудливыми фазовыми переходами? Первым недостатком существующих прототипов является то, что выходной потенциал слишком низкий (несколько милливольт) для питания любого интеллектуального устройства. Для справки умным часам требуется 1.3 вольта для работы, что примерно в тысячу раз больше, чем текущие возможности этих ячеек. Во-вторых, выходное напряжение также зависит от температуры, что означает, что термоэлемент не может использоваться в качестве независимого источника питания.

В этом контексте Takayuki Shibata et al. Компания разработала новый прототип термоячейки с электродами, кристаллическая структура которых изменяется в зависимости от температуры. Микроскопическая кристаллическая структура материала описывает, как атомы в материале расположены (их специфический повторяющийся, упорядоченный узор).Это может напомнить вам кристаллы, чьи квазиупорядоченные формы связаны с микроскопическим кристаллическим порядком.

Действительно ли наша тепловая батарея без потерь? (Ответ положительный)

Тепловая батарея может взять на себя часть этого процесса. Водяной насос нагревает воду до 20 градусов Цельсия, предназначенную для обогрева помещений, а тепловая батарея — от 20 до 65 градусов Цельсия. В результате тепловой насос имеет гораздо более высокий КПД и потребляет меньше электроэнергии.Это может иметь серьезные последствия: тепловые насосы могут стать меньше и дешевле, и, возможно, потребуется меньше инвестиций для увеличения мощности энергосистемы.

6. Сколько будет стоить тепловая батарея и когда ее можно будет протестировать или купить?

Олавале Олайгбе (Великобритания)

Актуальный вопрос, и в то же время на него очень сложно однозначно ответить. Адан осторожно подсчитал, что стоимость первого поколения, которое сейчас разрабатывается, составляет около десяти евро за мегаджоуль хранилища.Это значительно дешевле, чем у конкурирующих технологий: затраты в десять-пятнадцать раз ниже, чем при использовании электрических аккумуляторов.

Адан надеется, что устройство появится в продаже примерно через три года. Ожидается, что первые практические тесты пройдут в домах в Нидерландах, Франции и Польше, начиная с 2022 года. В настоящее время он очень занят подготовкой.

7. Будет ли тепловая батарея иметь функции IoT (Интернет вещей) и приложение / платформу для визуализации ее состояния в режиме реального времени для использования и / или обслуживания?

Тадео Вера Мора (Италия)

По словам Адана, это, безусловно, намерение.По совпадению, только что начался проект по разработке технологии для определения состояния заряда батареи, другими словами, насколько она полная или разряженная. По словам Адана, это намного сложнее, чем может показаться. В конечном счете, эту и другую информацию о состоянии батареи действительно следует отслеживать в приложении или веб-приложении.

8. Можно ли с ним приготовить барбекю?

Арьян Гелук (Нидерланды)

Очень оригинальный вопрос, о котором сам Адан раньше даже не догадывался! К сожалению, нам придется разочаровать Арьяна, из-за высокой температуры от этой батареи мы не сможем приготовить ваш бургер на гриле.Тепловая батарея нагревает воду примерно до 60 градусов по Цельсию, чего недостаточно для приготовления мяса…

Ученые из Стэнфорда и Массачусетского технологического института нашли новый способ использования отработанного тепла

Стэнфордский отчет, 21 мая 2014 г.

Исследователи разработали новую технологию аккумуляторов, которая улавливает отходящее тепло и преобразует его в электричество.

Хосе-Луис Оливарес / Новости MIT

Исследователи из Стэнфорда и Массачусетского технологического института разработали четырехэтапный процесс, в котором для зарядки аккумулятора используется отходящее тепло.Во-первых, незаряженный аккумулятор нагревается отходящим теплом. Затем, пока аккумулятор еще теплый, подается напряжение. Когда аккумулятор полностью заряжен, ему дают остыть, что увеличивает напряжение. После того, как батарея остынет, она фактически вырабатывает больше электроэнергии, чем было использовано для ее зарядки.

Огромное количество избыточного тепла генерируется промышленными процессами и электростанциями. Исследователи по всему миру потратили десятилетия на поиск способов использовать часть этой потраченной впустую энергии.Большинство таких усилий было сосредоточено на термоэлектрических устройствах — твердотельных материалах, которые могут производить электричество за счет температурного градиента, — но эффективность таких устройств ограничена доступностью материалов.

Теперь исследователи из Стэнфордского университета и Массачусетского технологического института нашли новую альтернативу низкотемпературному преобразованию отработанного тепла в электричество, то есть в случаях, когда разница температур составляет менее 100 градусов Цельсия.

Новый подход описан в исследовании, опубликованном в номере журнала Nature Communications , от 21 мая, Сеок Ву Ли и И Цуй из Стэнфорда, а также Юань Янг и Ганг Чен из Массачусетского технологического института.

«Практически все электростанции и производственные процессы, такие как выплавка и рафинирование стали, выделяют огромное количество низкопотенциального тепла до температуры окружающей среды», — сказал Цуй, доцент кафедры материаловедения и инженерии. «Наша новая аккумуляторная технология предназначена для использования этого температурного градиента в промышленных масштабах».

Напряжение и температура

Новая система Stanford-MIT основана на принципе, известном как термогальванический эффект, который гласит, что напряжение аккумуляторной батареи зависит от температуры.«Чтобы получить тепловую энергию, мы подвергаем батарею четырехэтапному процессу: нагревание, зарядка, охлаждение и разрядка», — сказал Ли, научный сотрудник Стэнфордского университета и соавтор исследования.

Во-первых, незаряженный аккумулятор нагревается отходящим теплом. Затем, пока аккумулятор еще теплый, подается напряжение. После полной зарядки аккумулятору дают остыть. Из-за термогальванического эффекта напряжение увеличивается при понижении температуры. Когда батарея остыла, она фактически вырабатывает больше электроэнергии, чем было затрачено на ее зарядку.- Эта дополнительная энергия не появляется ниоткуда, — объяснил Цуй. Это происходит из-за тепла, которое было добавлено в систему.

Система Стэнфордского Массачусетского технологического института нацелена на сбор тепла при температурах ниже 100 ° C, что составляет большую часть потенциально собираемого отработанного тепла. «Треть всей энергии, потребляемой в США, приходится на низкопотенциальное тепло», — сказал со-ведущий автор Ян, постдок из Массачусетского технологического института.

В эксперименте аккумулятор нагревается до 60 C, заряжается и охлаждается. В результате эффективность преобразования электроэнергии составила 5.7 процентов, что почти вдвое превышает эффективность традиционных термоэлектрических устройств.

Этот подход «нагрев-заряд-охлаждение» был впервые предложен в 1950-х годах при температурах 500 C и более, — сказал Ян, отметив, что большинство систем рекуперации тепла лучше всего работают при более высоких перепадах температур.

«Ключевым достижением является использование материала, которого в то время не было» для электродов батареи, а также достижения в разработке системы, — сказал соавтор Чен, профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

«Эта технология имеет дополнительное преимущество, заключающееся в использовании недорогих, богатых материалов и производственных процессов, которые уже широко используются в аккумуляторной промышленности», — добавил Ли.

«Умная идея»

Хотя новая система имеет значительное преимущество в эффективности преобразования энергии по сравнению с обычными термоэлектрическими устройствами, она имеет гораздо более низкую плотность мощности, то есть количество мощности, которое может быть выдано при заданном весе. Новая технология также потребует дальнейших исследований, чтобы обеспечить долгосрочную надежность и повысить скорость зарядки и разрядки аккумуляторов, добавил Чен.«Чтобы сделать следующий шаг, потребуется много работы».

В настоящее время нет хорошей технологии, которая могла бы эффективно использовать относительно низкую разницу температур, которую может использовать эта система, сказал Чен. «У этого есть эффективность, которую мы считаем весьма привлекательной. Низкотемпературного отходящего тепла так много, если можно создать и развернуть технологию для его использования».

Результаты очень многообещающие, — сказал Пейдонг Янг, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в исследовании.«Изучая термогальванический эффект, [исследователи из Массачусетского технологического института и Стэнфорда] смогли преобразовать низкопотенциальное тепло в электричество с приличной эффективностью», — сказал он. «Это умная идея, а низкопотенциальные отходы тепла есть повсюду».

Другими авторами исследования являются Хюн-Ук Ли из Стэнфорда, Хади Гасеми и Даниэль Кремер из Массачусетского технологического института.

Работа в Стэнфорде частично финансировалась Министерством энергетики США (DOE), Национальной ускорительной лабораторией SLAC и Национальным исследовательским фондом Кореи.Работа MIT частично финансировалась Министерством энергетики, частично через Центр преобразования твердотельной солнечной энергии в тепловую.

Эта статья основана на отчете из MIT News Office.

Контакт для СМИ

И Цуй, Департамент материаловедения и инженерии, Стэнфорд: (650) 723-4613, [email protected]

Дэн Стобер, Служба новостей Стэнфорда: (650) 721-6965, [email protected]

Управление температурным режимом батареи

Температурные эффекты

Пределы рабочих температур

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

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

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

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

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

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

Однако управление температурным режимом — это не просто соблюдение этих ограничений. Батарея подвержена нескольким одновременным внутренним и внешним тепловым воздействиям, которые необходимо контролировать.

Источники тепла и водоотводы

Электрический нагрев (Джоулев нагрев)

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

Разработчики аккумуляторов стремятся поддерживать внутреннее сопротивление элементов на минимально возможном уровне, чтобы минимизировать тепловые потери или тепловыделение внутри аккумулятора, но даже при сопротивлении элементов всего 1 миллиОм нагрев может быть значительным.См. Примеры в разделе «Влияние внутреннего импеданса».

Термохимический нагрев и охлаждение

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

Свинцово-кислотные батареи

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

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

Внешнее тепловое воздействие

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

Температура — ускоритель

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

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

Тепловая мощность — конфликт

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

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

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

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

Температурные характеристики аккумуляторных батарей EV и HEV

Подобные конфликты возникают с батареями EV и HEV.Аккумулятор электромобиля большой, с хорошими возможностями рассеивания тепла за счет конвекции и теплопроводности и подвержен небольшому повышению температуры из-за своей высокой теплоемкости. С другой стороны, батарея HEV с меньшим количеством ячеек, но каждая из которых имеет более высокие токи, должна выдерживать ту же мощность, что и батарея EV, менее чем на одну десятую размера. Благодаря более низкой теплоемкости и более низким характеристикам рассеивания тепла это означает, что аккумулятор HEV будет подвергаться гораздо более высокому повышению температуры.

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

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

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

.

Термический побег

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

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

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

Система терморегулирования должна держать все эти факторы под контролем.

Примечание

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

Контроль температуры

Обогрев

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

Охлаждение

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

Проектные цели

• Защита от перегрева —
  В большинстве случаев это просто включает в себя мониторинг температуры и прерывание пути тока, если температура при достижении температурных пределов достигается с использованием обычных схем защиты.Хотя это предотвратит повреждение аккумулятора от перегрева, оно, тем не менее, может отключить аккумулятор до того, как будет достигнут предел допустимой нагрузки по току, что серьезно ограничит его производительность.
• Рассеивание избыточного тепла —
  Удаление тепла из батареи позволяет переносить более высокие токи до достижения температурных пределов. Тепло выходит из батареи за счет конвекции, теплопроводности и излучения, и задача разработчика блока состоит в том, чтобы максимизировать эти естественные потоки, поддерживая низкую температуру окружающей среды, обеспечивая прочный, хороший путь теплопроводности от батареи (используя металлические охлаждающие стержни или пластины между ячейки, если необходимо), максимально увеличив площадь его поверхности, обеспечив хороший естественный поток воздуха через или вокруг блока и установив его на проводящей поверхности.
• Равномерное распределение тепла —

Даже несмотря на то, что тепловая конструкция батареи может быть более чем достаточной для рассеивания общего тепла, выделяемого батареей, внутри батареи все же могут быть локализованные горячие точки, которые могут превышать указанные температурные пределы. Это может быть проблемой для ячеек в середине многоячеечной упаковки, которая будет окружена теплыми или горячими ячейками по сравнению с внешними ячейками в упаковке, которые обращены к более прохладной среде.

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

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

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

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

Рекуперация тепла

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

.