Menu Close

Расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления: Как рассчитать радиаторы отопления

Расчет теплоотдачи радиаторов отопления по площади

Автор DearHouse На чтение 4 мин Просмотров 537 Обновлено

Задача любой системы отопления является эффективная передача энергии от теплоносителя (горячей воды) в помещение. Обогрев одними трубами неэффективен, так как они имеют малую площадь нагреваемой поверхности. Для этого используют специальные элементы системы отопления – радиаторы.

Радиаторы предназначены для повышения теплопередачи накопившейся в системе тепловой энергии в помещение. Они представляют собой секционную или монолитную конструкцию, внутри которой циркулирует теплоноситель. Радиаторы подключаются последовательно или параллельно в системе отопления.

Основные характеристики радиатора отопления:

  • Материал изготовления.
  • Тип конструкции.
  • Габаритные размеры (кол-во секций).
  • Теплоотдача.

Последнее является существенным показателем, так как определяет фактическое количество энергии, передаваемое от поверхности радиатора в комнату.

Что такое теплоотдача и чем она определяется

Теплоотдача – это процесс передачи тепловой энергии от нагретого тела (радиатора) во внешнее пространство (помещение). Данный показатель измеряется в Вт. От чего же зависит теплоотдача?

[box type=”success” ]Основная задача радиаторов отопления – передача тепловой энергии от системы отопления в квартиру. Эффективность определяется теплопроводностью материала, т.е. тепловыми потерями.[/box]

Теплопроводность – это показатель, определяющий тепловые потери энергии, проходящей через материал определенного объема за 1 мин. Измеряется в Вт/(м*К).

В таблице 1 показаны коэффициенты теплопроводности для основных материалов изготовления радиаторов.

Материал Теплопроводность, Вт/(м*К)
Сталь 58
Алюминий 230
Чугун 50
Медь 380

Чем выше этот показатель, тем меньше тепловых потерь будет при передаче энергии от теплоносителя в помещение. Как видно, лучший материал для изготовления радиаторов – это медь. Но из-за высокой стоимости и технологической сложности изготовления они менее всего популярны. Чаще используют стальные или алюминиевые модели. Нередко применение в конструкции сочетание вышеописанных элементов.

Каждый из производителей указывает мощность теплоотдачи для своих изделий. Она напрямую зависит от температуры воды в системе отопления на начальном (выход из котла) и конечном (ввод обратки в котел) отрезке и температуры в помещении. Определяется по формуле:

Пример:

Практически все производители указывают величину перепада температуры в системе 90/70. Именно для этой величины определена теплоотдача в паспорте радиатора. Но если система высокоэффективная и теплоноситель не имеет большую тепловую разницу на входе и выходе?

Самостоятельный расчет теплоотдачи

Для проведения расчета теплоотдачи(Q) необходимо знать следующие параметры:

  1. ΔT – температурный напор системы.
  2. Коэффициент теплопроводности радиатора (k).
  3. Площадь секций (S).

Расчет мощности проводится по формуле:

Возьмем в качестве примера систему с эффективным нагревом теплоносителя и для комнатной температуры 22°С:

Далее, рассчитываем мощность теплоотдачи радиатора по показателям:

  • Материал изготовления – сталь (k=52 Вт/(м*К).
  • Площадь – 1,125*0,57= 0,64 м².

При этом необходимо учитывать и потери тепла в помещении, способ подключения радиаторов и место их установки.

Дополнительные факторы, влияющие на теплоотдачу

Помимо физических свойств радиаторов существуют и внешние показатели, которые могут существенным образом влиять на его КПД.

Первое, на что необходимо обратить внимание- это способы подключения радиаторов. На рисунке 1 показаны варианты подсоединения труб отопления и % потери энергии при этом.

Способы подключения радиаторов

Как видно из рисунка, оптимальным является 1-й способ подключения, когда подводящий патрубок находится в верхней части радиатора, а выводящий -в нижней, на другой стороне системы. Но не всегда такой способ возможно сделать по факту, так как многое зависит от разводки отопительного трубопровода.

Так же существенное влияние оказывает и место установки радиатора относительно оконной конструкции. На рис. 2 показаны, как изменится теплоотдача в зависимости от монтажа.

 

Изменение теплоотдачи радиаторов (k)

При максимальной изоляции радиаторов происходит сохранение их теплоотдачи, так как энергия в результате отражения от дополнительных поверхностей частично возвращается на поверхность радиатора. Но при этом понижается эффективность нагрева помещения. При планировании монтажа следует соблюсти «золотую середину». Для средних комнат (15-20 м²) предпочтителен открытый монтаж, с таким расчетом, чтобы подоконник закрывал радиатор на 2/3.

Выбор мощности радиатора зависит от характеристик помещения и отопительной системы. Применяя комплексный анализ и систему расчета можно подобрать оптимальный размер и мощность отопительного прибора. И тогда, даже при низких температурах на улице, в доме сохранится тепло и уют.

как рассчитать теплоотдачу батарей, правильный расчет на фото и видео

Содержание:

1. Теплоотдача радиатора: что означает данный показатель
2. Порядок расчета теплоотдачи радиатора отопления
3. Теплоотдача батарей из разных материалов
4. Зависимость степени теплоотдачи от способа подключения
5. Способы, как можно увеличить теплоотдачу

Главным параметром, согласно которому определяют, насколько эффективна работа схемы теплоснабжения и всей отопительной системы, считается теплоотдача батарей отопления. Этот важный показатель для каждой модели отопительного прибора является индивидуальным. На теплоотдачу влияет вариант подключения радиатора, особенности его места установки и другие моменты.  Также важно понимать, в чем измеряется отопление и как выполняется его расчет.

Теплоотдача радиатора: что означает данный показатель


Означает термин теплоотдача количество тепла, которое батарея отопления передает в помещение в течение определенного периода времени. Для данного показателя существует несколько синонимов: тепловой поток; тепловая мощность, мощность прибора. Измеряется теплоотдача радиаторов отопления в Ваттах (Вт). Иногда в технической литературе можно встретить определение этого показателя в калориях в час, при этом 1 Вт =859,8 кал/ч. 

Осуществляется теплопередача от батарей отопления благодаря трем процессам: 

  • теплообмену;
  • конвекции;
  • излучению (радиации). 

Каждым прибором отопления используются все три варианта переноса тепла, но их соотношение у разных моделей отличается. Радиаторами ранее было принято называть устройства, у которых не меньше 25 % тепловой энергии отдается в результате прямого излучения, но сейчас значение данного термина существенно расширилось. Теперь нередко так называют приборы конвекторного типа.  

Порядок расчета теплоотдачи радиатора отопления


В основе выбора отопительных устройств для установки в доме или квартире лежит максимально точный расчет теплоотдачи радиаторов отопления. Каждому потребителю с одной стороны хочется сэкономить на обогреве жилья и поэтому нет желания приобретать лишние батареи, но если их будет недостаточно, комфортной температуры достичь не удастся. 
 
Способов, как рассчитать теплоотдачу радиатора, существует несколько. 

Вариант первый. Это самый простой способ, как рассчитать батареи отопления, в его основе – количество наружных стен и окон в них.

Порядок вычислений следующий: 


Вариант второй. Он более сложен, но позволяет иметь более точные данные о необходимой мощности приборов.

В данном случае расчет теплоотдачи радиатора (батарей) отопления производится по формуле: 

S x h x41, где 
S — площадь помещения, для которого выполняются вычисления; 
H — высота комнаты;
41 – минимальная мощность на один кубометр объема помещения. 

Полученный итог будет требуемой теплоотдачей для радиаторов отопления. Далее эту цифру делят на номинальную тепловую мощность, которую имеет одна секция данной модели батареи. Узнать эту цифру можно в инструкции, прилагаемой производителем к своему изделию. Результатом расчета батарей отопления станет необходимое количество секций, чтобы теплоснабжение конкретного помещения было эффективным. Если полученное число дробное, тогда его округляют в большую сторону. Лучше небольшой избыток тепла, чем его недостаток. 

Теплоотдача батарей из разных материалов


Выбирая радиатор отопления, следует помнить, что они отличаются по уровню теплоотдачи. Покупке батарей для дома или квартиры должно предшествовать внимательное изучение характеристик каждой из моделей. Нередко сходные по форме и габаритам приборы обладают разной теплоотдачей. 

Чугунные радиаторы. Эти изделия имеют небольшую поверхность теплоотдачи и отличаются незначительной теплопроводностью материала изготовления. Номинальная мощность у секции чугунного радиатора, такого как МС-140, при температуре теплоносителя, равного 90°С, составляет примерно 180 Вт, но данные цифры получены в лабораторных условиях (детальнее: «Какая тепловая мощность чугунных радиаторов отопления»). В основном теплоотдача осуществляется за счет излучения, а на долю конвекции приходится всего лишь 20%. 

В централизованных системах теплоснабжения температура теплоносителя обычно не превышает 80 градусов, а кроме этого часть тепла расходуется при продвижении горячей воды к батарее. В результате температура на поверхности чугунного радиатора составляет около 60°С, а теплоотдача каждой секции равна не более 50-60 Вт.
 
Стальные радиаторы. В них сочетаются положительные характеристики секционных и конвекционных приборов. Состоят они, как видно на фото, из одной или нескольких панелей, у которых внутри перемещается теплоноситель. Чтобы теплоотдача стальных панельных радиаторов была больше, с целью повышения мощности к панелям приваривают специальные ребра, функционирующие как конвектор. 
К сожалению, теплоотдача стальных радиаторов не сильно отличается от теплоотдачи чугунных радиаторов отопления. Поэтому их преимущество заключается только в относительно небольшом весе и более привлекательном внешнем виде. 

Потребителям следует знать, что теплоотдача стальных радиаторов отопления значительно уменьшается в случае снижения температуры теплоносителя. По этой причине, если в системе теплоснабжения будет циркулировать вода, подогретая до 60-70°С, показатели этого параметра могут сильно отличаться от данных, предоставляемых на эту модель производителем. 

Алюминиевые радиаторы. Их теплоотдача намного выше, чем у стальных и чугунных изделий. Одна секция обладает тепловой мощностью, равной до 200 Вт, но у данных батарей имеется особенность, ограничивающая их применение. Она заключается в качестве теплоносителя. Дело в том, что при использовании загрязненной воды изнутри поверхность алюминиевого радиатора подвергается коррозийным процессам. 
Поэтому, даже при отличных показателях мощности, батареи из этого материала следует устанавливать в частных домовладениях, где используется индивидуальная отопительная система. 

Биметаллические радиаторы. Данная продукция по показателю теплоотдачи ни в чем не уступает алюминиевым приборам. Тепловой поток у биметаллических изделий в среднем равен 200 Вт, но к качеству теплоносителя они не настолько требовательны. Правда их высокая цена не позволяет многим потребителям установить эти устройства. 

Зависимость степени теплоотдачи от способа подключения


На теплоотдачу отопительных радиаторов влияет не только материал изготовления и температура теплоносителя, циркулирующего по трубам, но и выбранный вариант подсоединения прибора к системе:
  1. Подключение прямое односторонне. Является наиболее выгодным относительно показателя тепловой мощности. По этой причине расчет теплоотдачи радиатора отопления выполняют именно при прямом подключении. 
  2. Диагональное подключение. Его применяют, если к системе планируется подсоединить радиатор, в котором количество секций превысит 12. Такой способ позволяет максимально понизить теплопотери. 
  3. Нижнее подключение. Его используют в том случае, когда батарею присоединяют к стяжке пола, в которой скрыта отопительная система. Как показывает расчет теплоотдачи радиатора, при таком подключении потери тепловой энергии не превышают 10%. 
  4. Однотрубное подключение. Наименее выгодный способ с точки зрения тепловой мощности. Потери теплоотдачи при однотрубном подключении чаще всего достигают 25 — 45%.

Способы, как можно увеличить теплоотдачу


Вне зависимости от мощности радиаторов владельцам домов и квартир все равно хочется повысить их теплоотдачу. Особенно актуальным такое стремление становится с приходом холодного периода года. В зимнюю стужу нередко даже при работе на полную мощность радиатор может не справиться с поддержанием комфортного температурного режима в помещении. 

Существует несколько способов, позволяющих увеличить теплоотдачу приборов отопления:
  1. Регулярное проведение влажной уборки с целью очистки поверхности батарей. Чем чище они будут, тем выше уровень их теплоотдачи. 
  2. Не менее важен момент правильного окрашивания радиатора, особенно это касается чугунных приборов. Дело в том, что многослойно нанесенная краска препятствует эффективной теплоотдаче. Перед тем, как приступить к покраске радиатора отопления, следует удалить старый слой. Не менее эффективно применение специальных эмалей, предназначенных для трубопроводов и отопительных приборов, поскольку они имеют низкое сопротивление теплоотдаче. 
  3. Для обеспечения максимальной мощности, необходимо правильно смонтировать эти устройства.
  4. Среди основных ошибок, допускаемых при монтаже, специалисты отмечают: 
    — наклон батареи;
    — установку прибора слишком близко к напольному покрытию или к стене; 
    — перекрытие доступа к радиаторам предметами обстановки и установка неподходящих отражающих экранов. 
  5. Для повышения эффективности отопительных батарей не помешает проведение ревизии их внутренней полости. Нередко в процессе подключения батарей отопления к системе образуются заусеницы, из-за которых при эксплуатации образуются засоры, препятствующие свободному передвижению теплоносителя. 
  6. Можно поместить на стену за отопительным прибором теплоотражающий экран, сделанный из фольгированного материала. 

Познавательное видео о теплоотдаче радиаторов отопления:



Рассчитать теплоотдачу радиатора, которая необходима для конкретного помещения, как становится ясно из выше приведенной информации, несложно. Зная ее величину, можно выбрать нужную модель, а затем собственноручно повысить мощность прибора и тем самым обеспечить себе и близким комфортные условия проживания в зимний период. Прочитайте также: «Расчет мощности батарей отопления — как рассчитать самому».

Расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления

Количество тепла, переданного радиатором в помещение в определенную единицу времени, называется теплоотдачей, или по-другому – мощность теплового потока, тепловая мощность. Обычно измеряется поток в Ваттах или кал/час. При переводе Ватт в кал/час, выходит цифра, равная 859,845 кал/час.

Теплоотдача радиаторов отопления происходит двумя способами – излучением и конвекцией. Современные приборы устроены таким образом, что совмещение двух способов дает максимальную теплоотдачу.

Чтобы обеспечить такой максимум, нужно соблюдать некоторые правила при установке отопительных приборов:

  • монтаж производится с использованием уровня, чтобы избежать скопления воздуха в определенном месте;
  • от прибора до пола и подоконника должно быть расстояние не менее 100 мм, от стен нужно отойти на 30 мм;
  • мебель не должна быть ближе 100 мм от радиатора;
  • перекрывание радиаторов декоративными решетками и панелями также отнимает определенное количество тепла.

Монтаж радиаторов должен быть четким и аккуратным, без засоров и заусениц. Зачастую для увеличения теплового потока добавляют секции, но такой путь будет бессмысленным. Значительно важнее – правильная установка стеклопакетов, полная герметизация оконных щелей, утепление стен.

Для сохранения теплоотдачи радиаторов отопления нужно убирать скопление пыли на приборах. Кроме того, прикрепленный позади радиатора фольгированный экран будет отражать излучение, и нагрев повысится на 30%, «возвращая» тепло обратно от стены в комнату. Такие экраны позволяют не только перенаправить теплоэнергию, но еще и служат дополнительным источником обогрева.

Дополнительные алюминиевые или медные кожухи сохраняют тепло даже при периодически отключенном отоплении. Чтобы выбрать оптимальный вариант радиатора, нужно выяснить тип теплоносителя и установки. В основном системы отопления подключены к газовым, электрическим котлам, котлам на основе твердого или жидкого топлива.

Стоит уделить внимание материалу, из которого изготовлены батареи. Устройства с малым количеством жидкости и легкие по весу быстро нагреваются, но также стремительно остывают. Громоздкие и массивные радиаторы более приемлемы в больших домах с плохой герметичностью окон и дверей.

При выборе радиаторов все смотрят, какова теплоотдача радиаторов отопления. Но всегда ли это хорошо? Алюминиевые радиаторы обладают большой теплоотдачей, и поэтому в нем мало секций. Малое количество ребер не перекрывает оконные проемы, и холодный воздух по бокам будет проходить в помещение беспрепятственно. Таким образом, соединяясь с внутренними теплыми потоками воздуха, в доме будет постоянный сквозняк.

Таблица теплоотдачи радиаторов отопления — алюмииневых, стальных, биметаллических и др.

И еще одна деталь. При мощных приборах, теплоотдача радиаторов отопления будет перенаправлена вверх под потолок. В таком случае работу радиатора можно спокойно «переквалифицировать» на процесс конвекции. При охлаждении воздуха горячие потоки падают вниз и происходит остывание комнаты. Ощущение нахождения в двух атмосферах – голова в горячей, ноги в холодной – вызывает дискомфорт.

Учитывая все это, стоит выбирать более массивный радиатор, благодаря которому и тепло будет сохранено и не будет в помещении сквозняков. Подобранные не по количеству секций, а рассчитанные на закрытие оконных проемов батареи решат все проблемы. Будут решены вопросы, возникающие при перепадах температур и ожидании нагрева батарей до нужной температуры. В данном случае суммарное излишество количества секций допустимо. Правда, стоимость отопительного оборудования немного возрастет, но лучше заплатить один больше, чем после испытывать определенный дискомфорт.

Расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления. Блог компании Heizer

Расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления – один из базовых элементов разработки проекта отопления. Он производится по укрупненным и классическим методикам. Материал публикации дает обзор основных алгоритмов расчета мощности батарей.

Теплоотдача радиатора – показатель, характеризующий величину объема тепла, которое передается от теплоносителя к воздуху отапливаемого помещения. Более распространенным для этой характеристики является название тепловой мощности.

Расчет мощности радиаторов для системы водяного отопления производится по следующим методикам:

1.       Классический тепловой расчет;

2.       Расчет мощности по величине отапливаемой площади;

3.       Расчет показателя по объему помещения.

Классический тепловой расчет является самым точным способом расчета количества требуемого тепла для отопления. При его проведении учитываются характеристики теплопроводности строительных конструкций, наличие окон и дверей, ориентация отапливаемого помещения относительно сторон света. Итогом расчета является величина тепловых потерь – она равна требуемой тепловой мощности радиаторов системы. Ее делят на единичную мощность секции, определяют их число и компонуют в отдельные радиаторы. Второй вариант – подбор радиаторов неизменной мощности – монолитных или панельных.

Второй способ – расчет тепловой мощности по величине отапливаемой площади. Здесь базовым критерием расчета служит удельный показатель тепловой мощности. Для помещений со средними показателями тепловой изоляции и высотой потолка до 2,7 метра он равен 100 Вт. То есть для отопления помещения площадью 20 кв.метров требуется 20 х 100 = 2000 Вт.


При высоте потолков помещений более 2,7 метра применяется расчет по объему. Здесь удельный показатель требуемой тепловой мощности составляет 35 – 40 Вт на 1 кубометр внутреннего объема отапливаемого помещения. Для помещения площадью 20 кв. метров и высотой потолка 3.0 метра тепловая мощность составляет 20 х 3 х 40 = 2400 Вт.

После получения общей тепловой мощности одним из методов ее делят на единичную мощность секции (паспортные данные) и определяют секционный состав радиаторов, либо подбирают отдельный батареи монолитного устройства единичной мощности. В случае получения при расчете дробных значений их рекомендуется всегда округлять в большую сторону.

После установки радиаторов отопления в систему часто возникает вопрос – как увеличить теплоотдачу батарей отопления. Причиной снижения эффективности работы радиаторов могут быть:

1.       Низкая температура теплоносителя;

2.       Установка батарей в ниши стен;

3.       Закрытие радиаторов экранами.

При размещении батарей в нишах и закрытии их экранами поправки в расчете мощности следует делать еще на стадии проектировании. Общими рекомендациями по увеличению теплоотдачи являются:

1.       Радиаторы необходимо регулярно чистить от пыли;

2.       Установить за радиатором на стену отражающий экран;

3.       Соблюдать при монтаже рекомендуемые расстояния;

4.       Выбрать эффективный вариант подключения (обвязки) устройства.

 

Теплоотдача радиаторов отопления – сравнение и расчет мощности

Реальная теплоотдача радиаторов отопления различных типов часто обсуждается на строительных форумах. Участники спорят, какие батареи лучше по тепловым характеристикам – чугунные, алюминиевые или стальные панели. Чтобы прояснить данный вопрос, предлагается выполнить расчет мощности разных отопительных приборов и провести сравнение радиаторов по теплоотдаче.

 Как правильно рассчитывается реальная теплоотдача батарей

Первым делом изучите технический паспорт батареи. В нем вы точно найдете интересующие параметры — тепловую мощность одной секции либо целого панельного радиатора определенного типоразмера. Не спешите восхищаться отличными показателями алюминиевых или биметаллических обогревателей, указанная в паспорте цифра — не окончательная и требует корректировки, для чего и нужно сделать расчет теплоотдачи.

Ошибочное суждение: мощность алюминиевых радиаторов самая высокая, ведь теплоотдача меди и алюминия – самая лучшая среди металлов. Теплопроводность алюминия действительно высока, но процесс теплообмена зависит от многих факторов. Нюанс второй: отопительные приборы делают из силумина – алюминиевого сплава с кремнием, чьи показатели заметно ниже.

Прописанная в паспорте отопительного прибора теплоотдача соответствует истине, когда разница между средней температурой теплоносителя (tподачи + tобратки)/2 и воздуха помещения равна 70 °С. Величина зовется температурным напором, обозначается Δt. Расчетная формула:

Подставим известное значение температурного напора и получим такое уравнение:

(tподачи + tобратки)/2 — tвоздуха = 70 °С

Справка. В документации изделий от различных фирм параметр Δt может обозначаться по-разному: dt, DT, а иногда просто пишется «при разнице температур 70 °С».

Какую теплоотдачу мы получим, если в документации на биметаллический радиатор написано: тепловая мощность одной секции равна 200 Вт при DT = 70 °С? Разобраться поможет та же формула, в нее подставляем значение комнатной температуры +22 °С и ведем расчет в обратном порядке:

(tподачи + tобратки) = (70 + 22) х 2 = 184 °С

Зная, что разность температур в подающем и обратном трубопроводах не должна превышать 20 °С, определяем их значения следующим образом:

  • tподачи = 184/2 + 10 = 102 °С;
  • tобратки = 184/2 – 10 = 82 °С.

Теперь видно, что 1 секция биметаллического радиатора из примера отдаст 200 Вт теплоты при условии, что вода в подающем трубопроводе нагреется до 102 °С, а температура воздуха в комнате – до +22 °С.

Первое условие невыполнимо, поскольку современные бытовые котлы нагреваются до 80 °С (максимум). Значит, радиаторная секция никогда не отдаст заявленные 200 Вт тепла. Да и температура теплоносителя в системе частного дома редко поднимается выше 70 °С, тогда DT = 38 °С, а не 70 градусов. То есть, реальная теплоотдача прибора вдвое ниже паспортной.

Порядок расчета теплоотдачи

Итак, реальная мощность батареи отопления гораздо меньше заявленной, но для ее подбора надо понимать, насколько. Для этого есть простой способ: применение понижающего коэффициента к паспортному значению тепловой мощности обогревателя. Ниже представлена таблица коэффициентов, на которые умножается заявленная теплоотдача радиатора в зависимости от настоящей величины DT:

Алгоритм расчета настоящей теплоотдачи отопительных приборов для ваших индивидуальных условий такой:

  1. Определить, какая должна быть температура в доме и воды в системе.
  2. Подставить эти значения в формулу и рассчитать свой температурный напор Δt.
  3. Найти в таблице коэффициент, соответствующий найденному DT.
  4. Умножить на него паспортную величину теплоотдачи батареи.
  5. Подсчитать число секций либо целых отопительных приборов для обогрева комнаты.

В приведенном примере тепловая мощность 1 секции биметаллического радиатора составит 200 Вт х 0.48 = 96 Вт. На обогрев помещения площадью 10 м² пойдет приблизительно 1000 Вт теплоты или 1000/96 = 10.4 ≈ 11 секций (округление делаем в большую сторону).

Представленная таблица и расчет теплоотдачи батарей надо использовать, когда в документации указана Δt, равная 70 °С. Но бывает, что фирмы–производители дают мощность радиатора для других условий, например, при Δt = 50 °С. Тогда пользоваться коэффициентами нельзя, проще набрать требуемое количество секций по паспортной характеристике, только взять их число с полуторным запасом.

Справка. Многие производители указывают значения теплоотдачи при таких условиях эксплуатации: tподачи = 90 °С, tобратки = 70 °С, tвоздуха = 20 °С, что как раз соответствует Δt = 50 °С.

Сравнение по тепловой мощности

Если вы внимательно изучили предыдущий раздел, то должны понимать, что на теплоотдачу очень влияют температуры воздуха и теплоносителя, а эти параметры мало зависят от самого радиатора. Но есть и третий фактор — площадь поверхности теплообмена, здесь конструкция и форма изделия играет большую роль. Четко сравнить стальной панельный обогреватель с чугунной батареей не выйдет, их поверхности слишком разные.

Трудновато сравнивать отдачу теплоты плоскими панелями и ребристыми поверхностями сложной конфигурации

Четвертый фактор, влияющий на теплоотдачу, — это материал, из коего изготовлен отопительный прибор. Сравните сами: 5 секций алюминиевого радиатора GLOBAL VOX высотой 600 мм отдадут 635 Вт при DT = 50 °С. Чугунная ретро батарея DIANA (GURATEC) на 5 секций такой же высоты передаст в комнату только 530 Вт при аналогичных условиях (Δt = 50 °С). Эти данные опубликованы на официальных сайтах производителей.

Примечание. Мощностные характеристики алюминиевых и биметаллических обогревателей мало отличаются, сравнивать их нет смысла.

Можно попытаться провести сравнение алюминия со стальным панельным радиатором, взяв ближайший типоразмер, подходящий по габаритам. Длина батареи из 5 алюминиевых секций GLOBAL высотой 600 мм составит примерно 400 мм, что соответствует стальной панели KERMI 600 х 400.

В таблице указана тепловая производительность 1 секции из алюминия и биметалла в зависимости от размеров и разницы температур Δt

Если даже взять трехрядную стальную панель (тип 30), получим 572 Вт при Δt = 50 °С против 635 Вт у 5-секционного алюминия. Еще учтите, что радиатор GLOBAL VOX гораздо тоньше, глубина прибора составляет 95 мм, а панели KERMI – почти 160 мм. То есть, высокая теплоотдача алюминиевых секций позволяет уменьшить габариты обогревателя.

В индивидуальной системе отопления частного дома батареи одинаковой мощности, сделанные из различных металлов, работать будут по-разному. Поэтому и сравнение довольно предсказуемо:

  1. Биметаллические и алюминиевые изделия быстро прогреваются и остывают. Отдавая больше теплоты за промежуток времени, они сильнее охлаждают воду, возвращаемую в систему.
  2. Стальные панельные радиаторы занимают среднюю позицию, так как передают тепло не настолько интенсивно. Зато они дешевле и проще в монтаже.
  3. Самые инертные и дорогие – это обогреватели из чугуна, им присущ долгий разогрев и остывание, из-за чего возникает небольшое запаздывание при автоматическом регулировании расхода теплоносителя термостатическими головками.

Вывод простой: неважно, из какого материала изготовлен радиатор. Главное, правильно подобрать батарею по мощности и дизайну, который устроит пользователя. А вообще, для сравнения не помешает ознакомиться со всеми нюансами работы того или иного прибора, а также где какой лучше устанавливать.

Сравнение по другим характеристикам

Об одной особенности работы батарей – инертности – уже упоминалось выше. Но чтобы сравнение радиаторов отопления выглядело объективным, кроме теплоотдачи следует учесть и другие важные параметры:

  • рабочее и максимальное давление теплоносителя;
  • количество вмещаемой воды;
  • масса.

Ограничение по рабочему давлению определяет, можно ли устанавливать отопительный прибор в многоэтажных зданиях, где высота подъема воды сетевыми насосами может достигать сотни метров. Параметр не играет роли для частных домов, где давление в системе невысокое, максимум 3 Бар.

Сравнение по вместительности радиаторов может дать представление об общем количестве воды в сети, которое придется нагревать. Ну а масса изделия важна при выборе места установки и способа крепления батареи.

В качестве примера ниже показана сравнительная таблица характеристик различных радиаторов отопления одинакового размера:

Примечание. В таблице за 1 единицу принят отопительный прибор из 5 секций, кроме стального, представляющего собой единую панель.

Заключение

Если провести сравнение изделий широкого круга производителей, то все равно выяснится, что по теплоотдаче и другим характеристикам первое место прочно удерживают алюминиевые радиаторы. Биметаллические выигрывают по рабочему давлению, но стоят дороже, покупать их не всегда целесообразно. Стальные батареи – это скорее бюджетный вариант, а вот чугунные, наоборот, — для ценителей. Если не учитывать цену советских чугунных «гармошек» МС140, то ретро радиаторы – самые дорогие из всех существующих.

Расчёт и подбор радиаторов отопления

Расчет радиаторов отопления

При выборе радиаторов отопления, сейчас у покупателей проблем не возникает, ведь ассортимент этих элементов отопительно системы впечатляет: алюминиевые, чугунные, биметаллические – что душа пожелает. Но приобретение дорогостоящих радиаторов ещё не означает, что у вас дома теперь точно будет тепло. Для эффективного отопления помещений, существенную роль играет не только качество радиаторов, но и их количество. Но давайте разберемся, как нужно правильно рассчитывать радиаторы отопления, чтобы не купить лишнего и не замёрзнуть зимой.

 

Одним из основных параметров является тепловая мощность секций

У каждого отопительного прибора имеется своя тепловая мощность, например у радиаторов отопления из алюминия она составляет 185-200 Вт на одну секцию, если же говорить про чугунные радиаторы, то их тепловая мощность не более 130 Вт. Однако помимо материала, из которого изготовлены секции, на тепловую мощность оказывает влияние показатель «DT», отвечающий за учёт температуры теплоносителя, входящего и выходящего из батареи. К примеру, у алюминиевого радиатора по паспорту высокая тепловая мощность – она составляет 180 Вт. Данный параметр достигается только лишь, при DT = 90/70. Проще говоря, температура поступающей транспортируемой среды должна составлять 90 градусов, а на выходе это уже 70 градусов.

Но следует учитывать, что котлы в таких условиях практически никогда не эксплуатируются. У котлов настенного типа, выходная температура составляет максимум 85 градусов, а пока горячая вода дойдёт до трубы она потеряет ещё несколько градусов. Следовательно, даже при покупке алюминиевых радиаторов, необходимо отталкиваться от того, что тепловая мощность их секций будет не более 120 Вт.

 

Методика расчёта радиаторов отопления в зависимости от площади помещения

Если неправильно посчитать необходимое количество радиаторов, то это может стать причиной недостаточного отопления, высоких счетов за отопление или же высоких температур в помещениях. Расчёты следует делать как при установке радиаторов, так и если меняется старая отопительная система, где на первый взгляд с числом секций всё ясно. Также учитывайте, что в зависимости от типа радиатора, теплоотдача у них может быть разной.

Проще всего – это выполнить расчёт количества тепла, которое необходимо на отопление, исходя из площади помещения, где планируется установка радиаторов. Если площадь помещения известна, то необходимое количество тепла можно высчитать на основании СНиПа:

  • Если вы живёте в средней климатической полосе, то чтобы отопить 1 м2 жилой площади, необходимо затратить от 60 до 100 Вт тепла;
  • Для более холодных районов, на отопление 1м2 жилой площади, нужно от 150 до 200 Вт.

На основании данных норм, можно сделать расчёт, сколько необходимо тепла одной жилой комнате. Если дом или квартира расположены в средней климатической зоне, то чтобы отопить помещение площадью 18 м2, необходимо затратить 1800 Вт, для этого площадь помещения умножаем на 100. Но учитывая, что нормы СНиПа являются усредненными, а погода часто оставляет желать лучшего, площадь помещения мы умножаем на максимальное значение, необходимое для его отопления – в нашем случае это 100 Вт. Но если вы живете на юге, то площадь своего помещения можно смело умножать на 60 Вт.

В отоплении запас по мощности необходим довольно небольшой: с повышением необходимой мощности, требуется и большее число радиаторов, в чем больше их будет, тем больше должно быть носителя тепла в системе. Если для жителей квартир, где централизованное отопление это не является критичным, то для тех, у кого автономное отопление, большой объем системы будет значить увеличение затрат на обогрев теплоносителя.

Выполнив расчёт тепла, которое необходимо помещению, можно точно понять, сколько должно быть секций у батареи, ведь каждый конкретный отопительный прибор может выделять определенное количество тепла в соответствии с его техническими показателями.

Итак, полученную потребность тепла необходимо разделить на мощность радиатора. В результате мы получим требуемое число секций, которые позволят обеспечить помещение нужным количеством тепла.

Выполним расчет радиаторов для нашего помещения в 18 м2. Мы посчитали, что для его обогрева требуется мощность в 1800 Вт. Допустим, что одна секция имеет мощность 175 Вт. Значит, 1800/175=10,28 шт. Последние две цифры можно округлить как в большую, так и в меньшую сторону. В меньшую округляем для радиаторов на кухне, где имеются и другие источники тепла, а при расчёте обогрева комнаты или балкона, лучше округлить в большую сторону.

 

Рассчитываем радиаторы отопления в зависимости от объема помещения

Принцип расчётов здесь примерно такой же, как и в ранее рассмотренном случае. Прежде всего, нам необходимо вычислить общую потребность в тепле, после чего рассчитать число секций радиаторов. Если батарея будет скрыта экраном, то потребность помещения в тепловой энергии увеличиваем на 20%. В соответствии с требованиями СНИП, чтобы обогреть один кубически метр жилого помещения, требуется 41 Вт тепловой мощности.

Умножив высоту потолка на площадь комнаты, мы получим объём помещения. Полученное число умножаем на 41 Вт. Теперь у нас есть необходимое количество тепловой мощности для обогрева помещения. Квартиры, где установлены стеклопакеты и имеется внешнее утепление, необходимое количество тепловой мощности составляет 34 Вт на 1 м3.

Для наглядности давайте выполним расчёт требуемого количества тепла для помещения площадью 21 кв.м. и с потолками, высотой 2,7 метра. Объём такого помещения равен 56,7 куб.м (21 кв.м умножили на 2,7 метра), значит, необходимая для него тепловая мощность будет составлять 2324,7 Вт (56,7 куб.м. умножили на 41 Вт).

Чтобы сделать расчёт радиаторов отопления берем тепловую мощность одной секции в 175 Вт (как в предыдущем примере). Теперь 2324,7 Вт / 175 Вт = 13,28 – это и есть необходимое количество радиаторов отопления. Число 13,28 округляем в большую или меньшую сторону в зависимости от типа помещения.

таблица, чугунных батарей, расчет от стояков обогрева

Незадолго до начала отопительного сезона множество наших соотечественников сталкиваются с проблемой выбора радиаторов для отопительной системы своего дома или квартиры. Современная промышленность предлагает достаточно большой выбор батарей, отличающихся не только дизайном, стоимостью и способом передачи тепла, но и материалом, из которого они изготовлены. Именно материал влияет на основные характеристики, среди которых на первое место выходит теплоотдача радиаторов отопления.

Классификация отопительных приборов

В зависимости от материала, использованного для изготовления, радиаторы отопления могут быть:

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

Каждый из этих типов радиаторов имеет свои достоинства и недостатки, поэтому необходимо более подробно изучить их технические характеристики.

Чугунные батареи – отопительные приборы, проверенные временем

Основными достоинствами этих приборов является высокая инертность и достаточно неплохая теплоотдача. Чугунные батареи долго нагреваются и также долго способны отдавать накопленное тепло. Теплоотдача чугунных радиаторов, составляет 80-160 Вт на одну секцию.

Недостатков у этих приборов достаточно много, среди которых наиболее серьезными являются:

  • большая разница между проходным сечением стояков и батарей, вследствие чего теплоноситель по радиаторам движется медленно, что приводит к их быстрому загрязнению;
  • низкое сопротивление гидроударам, рабочее давление 9 кг/см2;
  • большой вес;
  • требовательность к регулярному уходу.

Алюминиевые радиаторы

Батареи из алюминиевых сплавов имеют массу достоинств. Они привлекательны, нетребовательны к регулярному уходу, лишены хрупкости, вследствие чего лучше противостоят гидроударам, чем их чугунные аналоги. Рабочее давление варьируется в зависимости от модели и может быть от 12 до 16 кг/см2. Еще одним неоспоримым достоинством алюминиевых батарей является проходное сечение, которое меньше или равно внутреннему диаметру стояков. Благодаря этому, теплоноситель движется внутри секций с большой скоростью, что делает практически невозможным отложение грязи внутри устройства.

Многие считают, что небольшое сечение радиаторов ведет к низкой теплоотдаче. Это утверждение неверно, так как теплоотдача алюминия выше, чем, к примеру, у чугуна, а малое сечение в батареях с лихвой компенсируется площадью оребрения радиатора. Согласно таблице, представленной ниже, теплоотдача алюминиевых радиаторов зависит от модели и может составлять от 138 до 210 Вт.

Но, несмотря на все достоинства, большинство специалистов не рекомендуют их для установки в квартиры, так как алюминиевые батареи могут не выдержать резких скачков давления при тестировании центрального отопления. Еще одним недостатком алюминиевых батарей является быстрое разрушение материала при использовании в паре с ним других металлов. Например, подключение к стоякам радиатора через латунные или медные сгоны может привести к окислению их внутренней поверхности.

Биметаллические отопительные приборы

Эти батареи лишены недостатков их чугунных и алюминиевых «конкурентов». Конструктивной особенностью таких радиаторов является наличие стального сердечника в алюминиевом оребрении радиатора. В результате такого «слияния» устройство может выдерживать колоссальное давление 16-100 кг/см2.

Инженерные расчеты показали, что теплоотдача биметаллического радиатора практически не отличается от алюминиевого, и может варьировать от 130 до 200 Вт.

Проходное сечение устройства, как правило, меньше, чем у стояков, поэтому биметаллические радиаторы практически не загрязняются.

Несмотря на сплошные достоинства, у этого изделия есть существенный недостаток – его высокая стоимость.

Стальные радиаторы

Стальные батареи прекрасно подходят для обогрева помещений, запитанных от автономной системы теплоснабжения. Тем не менее, такие радиаторы не лучший выбор для центрального отопления, так как могут не выдержать давления. Они достаточно легкие и устойчивые к коррозии, с высокой инерционностью и неплохими показателями теплоотдачи. Проходное сечение у них чаще всего меньше, чем у стандартных стояков, поэтому забиваются они крайне редко.

Среди недостатков можно выделить довольно низкое рабочее давления 6-8 кг/см2 и сопротивляемость гидроударам, до 13 кг/см2. Показатель теплоотдачи, у стальных батарей составляет 150 Вт на одну секцию.

В таблице представлены средние показатели теплоотдачи и рабочего давления для радиаторов отопления.

Сколько нужно тепла для отопления

Расчет необходимого количества тепла нужен для того, чтобы узнать, сколько секций батарей требуется для обогрева жилища. Есть два типа расчета: приблизительный и точный.

  1. В приблизительном расчете на 10 м2 площади в среднем требуется 1 кВт тепловой мощности. Для Южных регионов это 0,7 кВт на 10 м2, для Северных – 1,3 кВт на 10 м2.
  2. Точный расчет включает в себя использование районных коэффициентов, учитывает теплопотери на окна и двери, а также на расположение жилища, количество стояков и пр.

Разница в цифрах, конечно, есть, но не критичная. Например, сделаем расчет необходимой тепловой нагрузки двухкомнатной «Хрущевки» общей площадью 50 м2. Исходя из первого варианта, необходимая тепловая мощность этой квартиры составляет 5 кВт.

Точный расчет предусматривает 40 Вт тепла на 1 м3. При высоте потолков в Хрущевках 2,5 м кубатура помещения равна 125 м3. Получается, что этой квартире необходимо 40×125 м3 = 5000 Вт или 5 кВт. Однако следует сделать поправку на 3 окна и одну входную дверь. Каждое окно – это плюс 100 Вт, дверь – 200 Вт.

Итого: 5000 Вт + (3×100) +200= 5,5 кВт. Количество стояков и расположение квартиры несколько изменят полученную цифру. Специалисты рекомендуют округлить значение в большую сторону и сделать пару кВт запаса на сильные морозы. 8 кВт тепловой нагрузки для такого жилища будет достаточно.

На основании полученных данных можно сделать простой расчет необходимого количества секций отопительных радиаторов. В расчете будет использован средний показатель теплоотдачи для секционных радиаторов, который равняется 160 Вт.

Тут алгоритм действия такой: количество требуемого тепла следует разделить на теплоотдачу одной секции радиатора. Для условной «Хрущевки» это: 8000 Вт / 160 Вт = 50. Именно такое количество секций батарей требуется для создания комфортной температуры при работе отопления.

Отопительные приборы с лучшей теплоотдачей

Подытожив вышесказанное, можно сделать вывод, что наибольшие показатели теплоотдачи демонстрируют алюминиевые батареи отопления. Они с легкостью обгоняют чугунные и стальные аналоги и в зависимости от модели и температуры теплоносителя могут выдать более 200 Вт тепловой энергии. Практически не отстают от них биметаллические радиаторы, но стальной сердечник снижает показатели теплоотдачи на 5-10 Вт на одну секцию.

Но теплоотдача — не единственный параметр, влияющий на выбор подходящей модели радиаторов. Окончательное решение принимается после анализа и таких характеристик, как рабочее давление, прочность, устойчивость к коррозии и, конечно, цена прибора.

От чего зависит теплоотдача ТЭНа. Методика расчета теплоотдачи от радиатора батареи отопления

Тепловой расчет устройств заключается в определении необходимого номинального теплового потока, марки панельного радиатора или конвектора и количества секций или колонн секционных и трубчатых радиаторов. Расчет отопительных приборов выполняется согласно рекомендациям ООО «ВИТАТЕРМ». Характеристики нагрева приняты для устройства с межосевым расстоянием 500 мм (кроме конвектора).

Требуемый номинальный тепловой поток устройства W определяется по формуле


, (11)

где Q и т. Д. — необходимая теплоотдача устройства, Вт;

— комплексный коэффициент приведения к номинальным условиям.

Устройство для отвода тепла Q и т. Д. , Вт, рассчитывается по формуле

Q и т. Д. = Q p Q tr , (12)

где Q p — теплопотери помещения, определяемые при расчете теплового баланса (из таблицы 3) W;

Q tr — суммарная теплоотдача труб, проложенных внутри помещения, Вт.

В курсовой работе полезная теплоотдача от труб Q tr , Вт, принимается как доля тепловых потерь помещения: в двухтрубной вертикальной системе отопления верхнего этажа теплоотдача из труб — 5% тепловых потерь помещения и 15% остальных этажей; для квартирной разводки в перекрытии — берется 5% теплопотерь помещения.

Комплексный коэффициент приведения к номинальным условиям определяется по формуле


, (13)

где n, m, с — эмпирические числовые показатели, учитывающие влияние схемы течения теплоносителя на тепловой поток и коэффициент теплоотдачи устройства, приведены в рекомендациях ООО «ВИТАТЕРМ» с наибольшей оптимальная схема течения воды «сверху вниз»;

р — коэффициент учитывает направление движения теплоносителя в устройстве;

b — коэффициент учета атмосферного давления в данной местности;

Δ t — разница между средней температурой воды в приборе и температурой окружающего воздуха в помещении;

G и др. — расход воды через устройство, кг / час.

Разница температур в приборе определяется по формуле


, (14)

где т в , т вых — температуру воды на входе и выходе из устройства, ºС, для двухтрубной системы водяного отопления со стальными трубами следует принимать т в = 95 ºС, т на выходе = 70 ºС; при разводке полимерных труб температура выбирается в зависимости от характеристик их материала.Для металлополимерных труб tвх = 90 ºС и t вых = 70 ºС; для полипропилена tвх = 85 ºС и t вых = 65 ºС.

Расход воды через водонагреватель

, кг / час, определяется по формуле


, (15)

где

— теплопотери помещения из таблицы 3, Вт;

β 1 — коэффициент, зависящий от шага номенклатурного диапазона прибора;

β 2 — коэффициент, зависящий от типа устройства и способа установки.

Оба коэффициента подбираются согласно таблице.

Количество секций подогревателя определяется по формуле

, (16)

где — номинальный тепловой поток одной секции, Вт, указан в таблице рекомендаций по расчету нагревателя;

— коэффициент, характеризующий зависимость теплоотдачи радиатора от количества секций, табл.

Тепловой расчет отопительных приборов следует выполнять в табличной форме.

Таблица 4 — Тепловой расчет отопительных приборов

№ стояка, комн. №

Тепловые потери помещения Q расчетные, Вт

Теплоотдача труб Q тр, Вт

Требуемая теплоотдача аппарата Qпр, Вт

Коэффициент β 1

Коэффициент β 2

Температура воздуха в помещении t в, 0 С

Температура воды на входе в прибор t в, 0 С

Температура воды на выходе из аппарата t вых, 0 С

Температурный напор Δt, 0 С

Расход воды через устройство Г пр, кг / час

Продолжение таблицы 4

Вопрос об эффективной работе системы отопления во многом зависит от того, как рассчитывается теплоотдача радиаторов.Эти приборы являются основным источником тепла для обогрева воздуха в помещении. Поэтому еще на этапе проектирования инженеры проводят расчет, на основании которого в каждом помещении устанавливается радиатор с определенным количеством секций. Эти расчеты не так просты, потому что они должны учитывать большое количество критериев.

Что нужно учитывать при расчетах?

Расчет радиаторов отопления

Обязательно учтите:

  • Материал, из которого изготовлена ​​батарея отопления.
  • Его размер.
  • Количество окон и дверей в комнате.
  • Материал, из которого построен дом.
  • Сторона света, в которой находится квартира или комната.
  • Наличие теплоизоляции здания.
  • Тип разводки трубопроводов.

И это лишь малая часть того, что нужно при этом учитывать. Не забывайте о региональном расположении дома, а также о средней температуре наружного воздуха.

  • Обычный — с помощью бумаги, ручки и калькулятора. Формула расчета известна, и в ней используются основные показатели — теплопроизводительность одной секции и площадь отапливаемого помещения. Также добавляются коэффициенты — убывающие и возрастающие, которые зависят от ранее описанных критериев.
  • С помощью онлайн-калькулятора. Это простая в использовании компьютерная программа, которая загружает конкретные данные о размерах и конструкции дома. Дает достаточно точный показатель, который берется за основу при проектировании.Отопительная система.

Для простого обывателя оба варианта — не самый простой способ определения теплопередачи отопительной батареи. Но есть еще один метод, для которого используется простая формула — 1 кВт на 10 м² площади. То есть для обогрева помещения площадью 10 квадратных метров вам понадобится всего 1 киловатт тепловой энергии. Зная коэффициент теплоотдачи одной секции радиатора отопления, можно точно рассчитать, сколько секций нужно установить в том или ином помещении.

Давайте рассмотрим несколько примеров, как правильно провести такой расчет. Различные типы радиаторов имеют широкий диапазон размеров в зависимости от межосевого расстояния. Это расстояние между осями нижнего и верхнего коллектора. Для основной массы отопительных батарей этот показатель составляет либо 350 мм, либо 500 мм. Есть и другие параметры, но они встречаются чаще, чем другие.

Это первое. Во-вторых, на рынке представлено несколько видов нагревательных приборов из различных металлов.У каждого металла своя теплоотдача, и это придется учитывать при расчетах. Кстати, каждый решает сам, какой выбрать и поставить радиатор в своем доме.

Теплоотдача от чугунных радиаторов

Диапазон теплопередачи чугунных батарей составляет от 125 до 150 Вт. Разброс зависит от межосевого расстояния. Теперь можно произвести расчет. Например, ваша комната имеет площадь 18 м². Если в нем планируется установка батареи 500 мм, то воспользуемся следующей формулой: (18: 150) х100 = 12.Оказывается, в этом помещении необходимо установить 12-ти секционный радиатор отопления.

Все просто. Аналогично можно рассчитать чугунный радиатор с межосевым расстоянием 350 мм. Но это будет только приблизительный расчет, потому что коэффициенты необходимо учитывать для точности. Их не так уж и много, но именно с их помощью можно получить наиболее точный показатель. Например, наличие не одного, а двух окон в комнате увеличивает теплопотери, поэтому конечный результат нужно умножать на коэффициент 1.1. Мы не будем рассматривать все коэффициенты, так как это займет много времени. Мы уже писали о них на нашем сайте, так что найдите статью и ознакомьтесь с ней.

Теплоотдача алюминиевых радиаторов

Для сравнения двух противоположных металлов была выбрана алюминиевая батарея. Для алюминиевых радиаторов

Теплоотдача радиаторов Global рассчитывается согласно EN-442

тепловыделения больше, а одна секция излучает 200 Вт тепла.Подставляя это число в формулу, мы определяем, сколько секций необходимо использовать в помещении площадью 18 м².

(18: 200) x100 = 9. Количество секций уменьшилось только за счет высокой теплоотдачи алюминиевых устройств. Так что выбрать радиатор можно не только по размеру, но и по модели.

Способ подключения

Не все понимают, что обвязка системы отопления и правильное подключение влияют на качество и эффективность теплопередачи. Разберем этот факт подробнее.

Есть 4 способа подключения радиатора:

  • Боковой. Такой вариант чаще всего используется в городских квартирах. многоэтажные дома … Квартир в мире больше, чем частных домов, поэтому производители используют этот тип подключения как номинальный способ определения теплопередачи радиаторов. Для его расчета используется коэффициент 1,0.
  • Диагональ. Идеальное соединение, потому что теплоноситель течет по всему устройству, равномерно распределяя тепло по его объему.Обычно этот вид применяется, если в радиаторе более 12 секций. В расчетах используется множитель 1,1–1,2.
  • Нижний. В этом случае подводящий и обратный патрубки подключаются снизу радиатора. Обычно такой вариант используется при скрытой разводке труб. У такого типа подключения есть один недостаток — потери тепла составляют 10%.
  • Однотрубный. По сути, это нижнее соединение. Обычно его используют в ленинградской водопроводной сети. И здесь не обошлось без тепловых потерь, правда, их в несколько раз больше — 30-40%.

Заключение по теме


Таблица мощности радиатора

Вы сами смогли убедиться, что можете правильно рассчитать теплопередачу радиатора простым способом, но это не очень точно. Кроме того, необходимо учитывать большой разброс размерных параметров аккумуляторов, материалов, из которых они изготовлены, а также дополнительные факторы. Так что все сложно.

Поэтому советуем сделать проще.Возьмите за основу саму формулу с соотношением площади комнаты и необходимого количества тепла. Сделайте расчет и прибавьте к нему до 10%. Если ваш дом находится в северном регионе, добавьте 20%. Даже 10% — это очень щедро, но лишнего тепла нет. Более того, можно с помощью различных устройств контролировать подачу теплоносителя к радиаторам. Вы можете уменьшить, но можете увеличить. Единственным недостатком такого повышения является первоначальная стоимость приобретения радиаторов с большим количеством секций.Особенно это касается алюминиевых и биметаллических отопительных приборов.

Общепринятой температурой для комфорта квартиры считается 21 0 по Цельсию. Для того, чтобы он был в квартире на таком уровне даже в зимние холода, используются различные системы отопления, в том числе автономные и системы центрального отопления. Здравый смысл и грамотный расчет теплоотдачи от радиатора отопительных батарей позволяет установить необходимое количество отопительных приборов, в том числе радиаторы отопления.

Цели и задачи расчета радиаторов отопления

Расчеты радиаторов проводятся для обеспечения эффективного функционирования системы отопления для обогрева конкретного жилого помещения, и в расчетах тепловой комфорт трактуется не только как положительная температура произвольного значения, но и предельно допустимая. . Нет смысла устанавливать запредельное количество обогревателей, если при этом необходимо широко открывать форточки ради свежего воздуха (напомним, слишком горячие батареи «сжигают» кислород).То есть расчеты определяют границы низкотемпературного и высокотемпературного нагрева.

Еще одна задача тепловых расчетов — определение параметров теплопередачи, позволяющих равномерно распределять тепловые потоки по помещению. При этом необходимо учитывать теплопотери в зависимости от наличия в помещении подвала и чердака, типа материала стен, толщины стен, размеров окон и многих других сопутствующих факторов.

При проектировании строительного объекта используются специальные программы; тепловизоры можно использовать для расчета радиаторов отопления в квартире.Но для примерных расчетов используются простые алгоритмы, которые принято называть калькулятором расчета отопительных батарей. Их методы основаны в основном на соотношении необходимой тепловой мощности обогревателя и площади отапливаемого помещения.

Метод расчета площади радиатора

В основу условного расчета на площадь положено нормативное санитарно-гигиеническое значение тепловой мощности на 1 кв. Метр площади помещения.Для умеренного климата на широте Москвы этот показатель составляет от 50 до 100 Вт. Для северных регионов выше 60 0 северной широты он выше и принимается в пределах от 150 до 200 Вт на 1 кв. Метр. Паспортное значение теплопередачи одной секции чугуна указано размером от 125 до 150 Вт.

Определяем необходимую мощность на 15 кв.м:

100 х 15 = 1500 Вт.

Определить количество секций:

1500/125 = 12 секций, которые можно представить как две шестисекционные чугунные батареи.

Этот расчет эквивалентен для биметаллического радиатора, так как его теплопередача имеет практически такие же значения.

При расчетах использовались нормы потолка стандартной высоты 270 см. Для более высоких потолков расчет радиатора выполняется исходя из параметров объема помещения.

Методика расчета радиатора по объему

В данном случае методика, или, как говорят, калькулятор для выбора батарей кВт, оперирует такими понятиями, как номинальный тепловой поток Qном определенного типа радиатора и количество тепловой энергии Qном, необходимое для нагрева 1 кубический метр.метр комнаты. Значение Qном необходимо указать в паспорте радиатора. Величина Qпом для типового помещения панельного дома составляет 0,041 кВт. Для кирпичного дома этот показатель снижен до 0,034 кВт на 1 куб. метр. Для жилых помещений с хорошей теплоизоляцией тепловая мощность еще меньше — 0,02 кВт.

Количество секций радиатора определяется так же, как и вычислитель радиатора отопления по площади, то есть путем умножения объема помещения на удельную объемную тепловую энергию и последующего деления на значение номинального теплового потока радиатора. :

Н = V x Qном / Qном, шт.Результат округляется в большую сторону.

Важно! Поскольку эти расчеты весьма приблизительны и не учитывают тепловые потери здания, округление в большую сторону позволит сделать некоторый запас для улучшения комфортных условий отопления.

Учет дополнительных факторов при тепловых расчетах радиаторов

Дополнительными факторами, влияющими на теплопередачу радиаторов, являются поправочные коэффициенты, корректирующие отклонения от стандартных условий, принятые в основных расчетах.

Регулировка высоты

Стандартная высота комнаты 270 см. Для более высоких высот помещения поправочный коэффициент определяется делением высоты помещения на стандартное значение 270 см. То есть для высоты помещения 324 см коэффициент будет 324/270 = 1,2. Соответственно, удельную тепловую мощность 100 Вт на 1 кв.м необходимо увеличить в 1,2 раза, то есть уже будет 120 Вт на кВ. метр.

Теплопередача радиаторов зависит от расположения, поскольку конвективные потоки смешиваются по-разному на разных расстояниях между ребрами радиатора и полом или подоконником.Поправочные коэффициенты показаны на диаграмме. При этом следует учитывать, что для угловых помещений потери тепла в два раза больше, так как в таких помещениях два окна.

Поправочный коэффициент к номинальному значению теплоотдачи радиатора наиболее оптимален при диагональном соединении труб отопления. Но особые условия установки аккумуляторов не всегда позволяют использовать эту схему.

Резюме

Сложно учесть все факторы, влияющие на теплопередачу радиатора.По словам сантехников, если в доме идеальная теплоизоляция, можно обойтись без отопления. Достаточно тепла от электроприборов и плиты. Также очень важно уметь рассчитывать теплопотери в зависимости от размеров окон, дверей и форточок. Однако рассмотренные усредненные значения тепловых характеристик помещений и радиаторов позволяют с определенной точностью определить необходимое количество секций радиатора и не упустить температуру в помещении.

Коэффициент охлаждения элемента: стандарт для определения отвода тепла от литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи

(LIB) становятся все более важными для обеспечения устойчивой мобильности и надежного энергоснабжения в будущем из-за серьезных проблем, связанных с качеством воздуха, выбросами парниковых газов и энергетической безопасностью. 1–3 Одной из основных проблем использования LIB в таких требовательных приложениях, как гибридные и электромобили, является управление температурой, поскольку во время работы элементы выделяют значительное количество тепла. 4–8 Если это тепло не отводится эффективно, температура элементов повышается, что ускоряет разрушение. 9–13 Однако удаление тепла создает температурные градиенты внутри ячеек из-за конечной и анизотропной теплопроводности. Импеданс ячейки сильно зависит от температуры, поэтому температурные градиенты приводят к тому, что разные области имеют разные импедансы, что приводит к неоднородностям тока. 14 Следствием этого является ускоренная и изменяющаяся скорость разрушения, наблюдаемая между слоями внутри ячейки 15,16 и между ячейками в упаковке. 17 Как ни странно, вклад этих температурных градиентов в деградацию иногда может быть больше, чем влияние более высоких средних абсолютных температур. 14

Значительное увеличение срока службы батарей за счет разработки более совершенных систем управления температурным режимом необходимо для инноваций в этой области. 15 Однако влияние внутренних температурных градиентов редко учитывается при проектировании ячейки. Пути генерации тепла и отвода тепла часто упускаются из виду, вместо этого оптимизируются мощность и плотность энергии.Однако плохо спроектированный элемент с точки зрения управления температурным режимом может привести к снижению мощности, меньшей полезной емкости и снижению плотности энергии на уровне блока. В настоящее время невозможно без обширного моделирования или тестирования для системных инженеров понять, какие ячейки были хорошо спроектированы для управления температурным режимом, исходя из информации, содержащейся в листе технических характеристик. Следовательно, существует потребность в простой метрике, которая, если бы она была введена, позволила бы проектировщикам ячеек и системным инженерам оценивать элементы друг относительно друга с точки зрения их способности отводить тепло.Включение этой метрики в спецификации элементов может произвести революцию во всей отрасли, сделав оптимизацию элементов управления температурой столь же важной, как оптимизацию мощности и / или энергии.

В этом исследовании представлен новый показатель, коэффициент охлаждения ячейки (CCC) с единицами W.K −1 , и стандартизированный метод его измерения для оценки тепловых путей ячейки на основе ее физической конструкции. Эта особая метрика количественно определяет скорость отвода тепла через различные тепловые пути внутри геометрии ячейки в результате внутренних температурных градиентов.Поскольку это не зависит от конструкции ячейки, форм-фактора или внутренних материалов, это позволяет сравнивать различные форматы, химический состав и геометрию ячеек, что недостижимо с существующими стандартами в отрасли. Ячейка с более высоким CCC позволит использовать более высокие непрерывные мощности с меньшими градиентами температуры внутри ячейки и, следовательно, с большей полезной емкостью. Это означает более низкую среднюю температуру элемента во время работы, что в сочетании с меньшими градиентами температуры приведет к увеличению срока службы.Эта новая метрика должна позволить не только конечным пользователям, системным инженерам и проектировщикам, но и проектировщикам, производителям и разработчикам ячеек соревноваться в проектировании ячеек, которые могут эффективно управляться термически, предлагая значительные улучшения в производительности, сроке службы и стоимости на уровне системы.

Температура является решающим фактором в оптимизации производительности аккумулятора. Для большинства комбинаций материалов подходящий диапазон рабочих температур для LIB составляет от 20 ° C до 40 ° C. Значительные отклонения температуры, особенно во время быстрой зарядки, могут привести к ускоренному ухудшению характеристик и, в крайних случаях, к тепловому разгоне. 4,5,13,18,19 Температурные градиенты в LIB и управление температурой LIB, таким образом, стали предметом интенсивных исследований, направленных на улучшение характеристик и срока службы батарей. 14–16,20 Несмотря на растущие исследования в этой области, выработка тепла клетками и пути отвода тепла обычно не рассматриваются на этапе проектирования клетки, что приводит к клеткам, склонным к внутренним температурным градиентам.

Температурные градиенты внутри ячейки или между ячейками в пакете сами способствуют неравномерному выделению тепла при работе из-за положительной обратной связи. 14–17 Тепло генерируется внутри ячейки во время работы из-за как обратимых, так и необратимых процессов в масштабе пор. 4,5,21–26 В обратимой теплоте преобладает изменение энтропии, связанное с фазовыми изменениями материала в ячейке. Необратимое тепло является следствием потерь из-за разницы между потенциалом холостого хода ячейки и рабочим потенциалом и включает: 1) омическое тепло, связанное с дальнодействующими взаимодействиями (т.е. перенос заряда и частиц в твердом теле). и фазы электролита) и 2) кинетическое тепло, связанное с короткодействующими взаимодействиями (т.е.е. реакции с переносом заряда на межфазной границе). 27 Общее уравнение, оценивающее скорость тепловыделения одной ячейкой, как описано Bernardi et al. 28 в упрощенном виде:

Первый член представляет необратимую теплоту с учетом перенапряжения переноса заряда на границе раздела, омического тепла, кинетического тепла и ограничений массообмена, а второй член учитывает обратимое энтропийное тепло. Коэффициент энтропии в этом последнем члене (dUOC / dT) является функцией состояния заряда (SOC), плотности активного материала и температуры. 29

В литературе представлено несколько экспериментальных методов определения скорости тепловыделения отдельного элемента. 4 Наиболее часто упоминаемым методом является калориметрия с ускоренной скоростью, которая определяет тепловыделение путем регистрации повышения температуры ячейки в ходе процедуры в адиабатической среде. 30–34 Однако адиабатические испытания не облегчают оценку путей рассеяния тепла. Xie et al. позволил большой ячейке мешка рассеивать тепло за счет принудительной и свободной конвекции в камере климат-контроля. 35 При принудительной конвекции коэффициент конвективной теплопередачи неоднороден по всей поверхности ячейки, и, следовательно, количественная оценка скорости теплопередачи будет содержать внутреннюю ошибку. 15,36 Дополнительные ограничения использования принудительной конвекции для регулирования температуры подробно оценены Ardani et al. 37

Система терморегулирования (TMS) обычно используется для отвода тепла, выделяемого элементами внутри аккумуляторной батареи. TMS используется для поддержания всех ячеек при оптимальной рабочей температуре, сводя к минимуму разницу температур между ячейками, чтобы избежать накопления температурного градиента внутри блока. 6,8 Конструкция TMS варьируется в зависимости от стратегии, используемой для охлаждения ячеек, жидкости, используемой в качестве охлаждающей среды, и того, как эта жидкость применяется к ячейке. 29,34,38–40

Принудительная конвекция воздуха была обычным подходом к регулированию температуры ячеек в различных областях применения, 5 то есть система охлаждения Toyota Prius 2001 года с приводом от вентилятора. 41 Воздуху, однако, не хватает удельной теплоемкости, достаточной для нынешнего и будущих поколений чистых электромобилей. 42 Эта тенденция преувеличивается, если рассматривать карманные ячейки по сравнению с цилиндрическими ячейками, поскольку их увеличенный коэффициент упаковки позволяет увеличить удельную мощность батареи. 43 Воздушное охлаждение теперь ограничено приложениями с низкой скоростью нагнетания. 5

Повышенная теплоемкость жидкостей делает их предпочтительными для приложений с высокой мощностью. 29 Системы жидкостного охлаждения можно разделить на две категории: прямое (иммерсионное) охлаждение и непрямое (холодная пластина) охлаждение. 5 Непрямое жидкостное охлаждение, по сравнению с прямым охлаждением с той же мощностью, как сообщается, поддерживает более низкую среднюю температуру по поверхности большой ячейки пакета. 44 Кроме того, прямое охлаждение требует использования диэлектрических жидкостей, которые имеют худшие тепловые свойства, чем те, которые используются в непрямых системах 29 , и могут представлять проблемы безопасности в отношении удержания жидкости. 7

На основании этих аргументов логично предположить, что следующее поколение литий-ионных элементов будет охлаждаться за счет теплопроводности от поверхности.Если говорить о ячейках мешочка, то поверхность мешочка является самой большой и, следовательно, теоретически самой идеальной поверхностью для применения охлаждения. 45,46 Тем не менее, охлаждение поверхности имеет существенные ограничения. Hunt et al. 15 обнаружили, что деградация ускоряется, вызванная температурными градиентами от слоя к слою, сокращая срок службы пакетного элемента с поверхностным охлаждением на 66% по сравнению с идентичным элементом с охлаждением язычком. 14 Кроме того, Bazinski et al. наблюдали снижение температурных градиентов на поверхности ячейки мешочка, когда активное охлаждение применялось к положительному язычку. 47 Эффективная теплопроводность для межслойной теплопередачи (представляющая охлаждение поверхности) в ячейке-пакете была экспериментально определена и составляет 5,22 Вт / м · К. 35 При передаче тепла вдоль слоя (внутри слоя) внутри пакета электродов теплопроводность увеличивается на один порядок. 15,48 Однако охлаждение язычка ограничено скоростью отвода тепла, поскольку тепло должно проходить через очень маленькую площадь поперечного сечения язычка. Несмотря на это, охлаждение вкладок рассматривается для промышленного применения. 49

Охлаждение поверхности ячейки пакета почти всегда применяется равномерно по всей поверхности ячейки 7,42 и, следовательно, поддается количественной оценке с учетом разницы температур между ячейкой и охлаждающей пластиной, а также измеряемым качеством термоинтерфейса. В отличие от этого, охлаждение язычка ячейки пакета зависит от множества геометрических и тепловых параметров, и, следовательно, его очень трудно определить количественно. Сопротивление рассеиванию тепла через язычки зависит от их размера, толщины и свойств материала, в то время как величина температурных градиентов внутри ячейки дополнительно зависит от положения язычков.Samba et al. Обнаруженные температурные градиенты в ячейке пакета (длина = 230 мм; ширина = 150 мм) могут быть уменьшены на 41,7%, если язычки расположены по центру на соседних длинных краях, а не симметрично на одном и том же коротком крае. 50 Два выступа данной ячейки чаще всего не похожи не только геометрически, но и термически. Медь обычно используется в качестве коллектора отрицательного тока, в то время как алюминий предпочтительнее для положительного. 44,51 Следовательно, более высокая скорость теплопередачи, предполагая равные градиенты температуры, может ожидаться через отрицательную вкладку. 51

Безразмерное число Био может использоваться для определения способности отдельного тела отводить тепло на поверхность и последующего отвода тепла от поверхности. 52 Теоретически он описывает переходную реакцию теплопроводности на внутренние температурные градиенты и может быть получен из уравнения 2, где k b — теплопроводность материала тела, L C — характерная длина (чаще всего длина, на которой происходит кондуктивная теплопередача) и h s — коэффициент теплопередачи охлаждаемой поверхности.Особый характерный размер длины ограничивает применимость числа Био для тела со сложной топологией, такого как LIB. Сингулярная теплопроводность не учитывает составную и анизотропную природу ячейки, а также наличие нескольких границ раздела в ячейке.

Дрейк и др. 53 возвращаются к использованию коэффициента теплопроводности (единицы Вт · м −2 .K −1 ) для термической характеристики тестируемых ячеек. Хотя следует отметить, что анизотропная теплопроводность усложняет теплопроводность, эту проблему можно облегчить путем определения теплопроводности для каждого измерения теплопередачи.Однако истинная теплопроводность зависит от постоянной площади поперечного сечения для теплопроводного теплового потока, что не относится к охлаждению язычка ячеек пакета. Кроме того, теплопроводность по определению определяет параметр кондуктивной теплопередачи от одной плоскости к другой и не учитывает сложный характер тепловыделения по всему активному материалу внутри ячейки. Такой же критический анализ проводится и с использованием термического сопротивления. 54

Единая мера, которая определяет скорость теплопроводной передачи тепла, которая достигается к охлаждаемой поверхности ячейки (например, к одному или обоим выступам) в результате температурного градиента от самой горячей точки ячейки к охлаждаемой поверхности. , было бы очень полезно для определения тепловых характеристик ячеек.Кроме того, мера не должна требовать ввода площади поперечного сечения, как в случае с обычными определенными тепловыми коэффициентами. Исключение метрики площади позволит сравнивать две геометрически разнородные ячейки.

Отсутствие знаний об отводе тепла от элемента, данные элементы часто не оптимизированы с точки зрения управления температурой, приводит к неоптимальным конструкциям ячеек и неэффективным TMS. 40 Последствия этого для отрасли неизвестны.Расширение знаний о тепловых путях вкладок позволит выделить охлаждение вкладок как эффективный метод для продления срока службы LIB, 15 и приведет к изменениям в конструкции ячеек и систем управления температурой следующего поколения.

В этом исследовании предлагается новая стандартная метрика для оценки тепловых путей ячейки для охлаждения вкладок. Это позволит количественно оценить охлаждающую способность различных ячеек на основе их физической конструкции, независимо от их химического состава, формата или геометрии.Этот показатель, «Коэффициент охлаждения ячейки» (CCC), может использоваться в качестве инструмента проектирования и оптимизации ячейки, а также в качестве стандарта для информирования производителей о регулировании температуры, необходимом для конкретной ячейки в упаковке, на основе способность клетки отводить тепло. CCC преследует три цели: повышение безопасности аккумуляторов с точки зрения дизайна (облегчение выбора ячеек с учетом их критического повышения температуры и соответствующий дизайн управления тепловым режимом, что снижает вероятность запуска теплового разгона), руководство исследованиями конструкции элементов путем количественной оценки возможности отвода тепла от ячеек и стандартизация ячеек в контексте отвода тепла.

В этом исследовании представлены экспериментальное оборудование и методология, необходимые для вывода CCC. Кроме того, два типа клеток оцениваются и сравниваются с использованием показателя CCC, что облегчает количественный анализ конкретного теплового пути. Многомерная электротермическая модель используется для аппроксимации внутренних температур ячейки, которые не могут быть зарегистрированы во время экспериментов. Эти результаты были использованы для обоснования использования измерений температуры поверхности ячеек для приблизительного определения внутренней температуры.Модель также использовалась для проверки паттернов отвода тепла, наблюдаемых в экспериментальных результатах.

Свойства элемента

В настоящем исследовании использовались два типа элементов: литий-ионный аккумулятор Kokam 5Ah высокой мощности (SLPB11543140H5) (LIB A) и аккумулятор Kokam 7,5Ah высокой энергии (SLPB75106100) (LIB B). Обе ячейки используют графитовый анод и катод LiMnNiCoO 2 (NCM) для LIB A и катод Li (Ni 0,4 Co 0,6 ) O 2 для LIB B 15,55 .Таблица I определяет внешние геометрические параметры двух ячеек. Значимость больших геометрических различий заключается в том, что каждая отдельная геометрическая характеристика ячейки напрямую влияет на качество общей способности ячейки эффективно охлаждаться. Все клетки, использованные в исследовании, были совершенно новыми, то есть жизнеспособными.

Таблица I. Геометрические свойства LIB A и LIB B. Каждый из них напрямую влияет на вкладки ячеек как путь отвода тепла.

Параметр LIB A LIB B
Длина ячейки / мм 113.0 89,5
Ширина ячейки / мм 40,0 101,5
Толщина ячейки / мм 11,3 7,4
Ширина негативного язычка / мм 20,0 7,0
Толщина негативного язычка / мм 0,3 0,2
Ширина положительного язычка / мм 20,0 6,9
Толщина положительного язычка (сторона сварного шва со стороны ячейки) / мм 0.4 0,2
Толщина положительного выступа (в сварном шве) / мм 0,6 0,4
Толщина положительного выступа (сторона выступа сварного шва) / мм 0,2 0,2
Внутренняя длина отрицательного язычка 13,0 10,0
Внутренняя длина положительного выступа 13,0 10,0
Расположение вкладок (на ячейке) Противоположные концы Тот же конец
Отрицательное положение выступа (размер по ширине) Центральный 4.Вылет 5 мм
Положительное положение выступа (размер по ширине) Центральный Вылет 30,9 мм
Отрицательное положение выступа (толщина) Центральный Полностью вылет
Положительное положение выступа (толщина) Центральный Полностью вылет

Таблица II подробно описывает внутренние геометрические и термические свойства тех же двух ячеек. 15,55 Различные объемные пропорции физических материалов в каждом слое пакета электродов (токосъемники, электроды и сепаратор), которые обычно не известны конечному пользователю, оказывают значительное влияние на общее тепло ячейки отклоняющие свойства.Путем сравнения относительной теплопроводности внутри слоя, k eff , которая была рассчитана с использованием представленных данных, полученных из литературы, было обнаружено, что рассеяние тепла внутри слоя происходит, теоретически, на 107% большей скоростью в LIB A.

Таблица II. Геометрические и термические свойства компонента слоя для LIB A 15 и LIB B 55 .

Компонент отрицательный CC Положительный CC Сепаратор Анод Катод Кожух
LIB A: Вычислено внутри слоя k eff : 67.08 Вт.м −1 K −1
k / Вт м -1 K -1 398 238 0,34 1,58 1,04 238
Толщина на слой / мм 0,0210 0,0210 0,0240 0,0380 0,0290 0,1600
Количество слоев 50 51 104 100 100 2
Объемная доля ячейки 9.38% 9,38% 21,42% 33,93% 25,89% 2,75%
LIB B: Вычислено внутри слоя k eff : 38,75 Вт.м −1 K −1
k / Вт м -1 K -1 398 238 0,33 1.045 0,44 238
Толщина на слой / мм 0.0147 0,0151 0,0190 0,0737 0,0545 0,1600
Количество слоев 24 25 54 50 50 2
Объемная доля ячейки 4,53% 4,66% 11,72% 45,46% 33,62% 3,77%

Аппарат

Ячейки циклически менялись в соответствии со специально разработанной процедурой циклирования, чтобы дать возможность характеризовать значение CCC.Устройство, представленное на Рисунке 1, использовалось для измерения тепловыделения и рассеивания тепла от LIB A и LIB B.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. Схема экспериментального устройства, используемого в настоящем исследовании для каждого теста, и положения термопар (пронумерованные точки) на (a) LIB A и (b) на LIB B.

Всего 15 k Были использованы термопары (TC): по три с каждой стороны ячейки (попарно), по одной в каждом зажиме, по три в каждой сборной шине и одна для контроля окружающей среды, как показано на рисунке 1.Для LIB A все ТК были расположены вдоль центральной линии ширины. В продольном направлении они находились на расстоянии 5 мм от каждого конца пакета электродов (TC1 и TC4 на отрицательном конце, TC3 и TC6 на положительном конце) и 45 мм от отрицательного конца (TC2 и TC5). Для LIB B две пары были расположены на расстоянии 5 мм (длина и ширина) от углов на краю ячейки напротив выступов (TC1 и TC4, а также TC2 и TC5). Последняя пара (TC3 и TC6) располагалась по центру между выступами, на расстоянии 5 мм от края пакета электродов.

Все ТК были проведены с использованием термостойкой эпоксидной смолы 3M TC2810. Для шины и зажима TC были закреплены на 6 мм в латуни для обеспечения наиболее точных показаний. Измерения температуры регистрировались двумя регистраторами данных TC-108 Pico (производства Pico Technology). Корпус устройства был изготовлен из твердой изоляции Celotex CW4000, тщательно изолирующей поверхности ячеек. Ячейка, шины и зажимы вставляются в специально обработанные внутренние карманы в изоляции. Второй блок изоляции, показанный на рисунке 1, вид сбоку, расположен поверх нижней половины, таким образом, полностью закрывая ячейку.Сборные шины и зажимы были изготовлены из латуни (CZ121), имеющей удельную теплоемкость c p BB 0,380 кДж. кг −1 .K −1 и теплопроводность k BB. , из 123 Втм −1 K −1 .

Все эксперименты проводились на установке, помещенной в термокамеру. Вырезаны канавки для всех ТК, выходящих из изоляции. Таким образом, ячейка и оба зажима были тщательно изолированы, что позволяло не учитывать конвективную теплопередачу в окружающую среду тепловой камеры.Шины также были изолированы, за исключением их контролируемых концов, которые были полностью покрыты элементами Пельтье (European Thermoelectric, APH-127-10-20-S) (PE), по одному приклеенному к каждому.

PE использовались для точного управления температурой конца каждой шины, не являющегося элементом ячейки (далее называемого контролируемым концом). PE определяют граничную температуру внутри чисто проводящей системы и, следовательно, полностью исключают конвекцию как способ передачи тепла из системы. Использование PE в качестве теплоотвода от системы усиливает представление о CCC как о чисто проводящем параметре системы.PE контролировали с помощью программного обеспечения PID, встроенного в Arduino Uno с экраном контроллера двигателя (Cytron, RB-Cyt-116) и считывателем термопар (Lysignal BL-012), с точностью до ближайшей 0,25 ° C. Противоположная сторона ПЭ охлаждалась с помощью радиатора и вентилятора.

Отвод тепла от язычков ячейки отслеживался по сборным шинам, показанным на рисунке 1. Сборные шины создавали доминирующий путь отвода тепла от ячейки, таким образом воспроизводя сценарий охлаждения язычков. Было важно, чтобы производные ССС зависели исключительно от свойств клетки.Таким образом, шины позволяли зажимать язычки по всей поверхности. Влияние свойств сборной шины на вывод CCC было устранено за счет обеспечения того, чтобы температура выступа (необходимая для расчета CCC) измерялась очень близко к выступу, в зажимах, TC7 и TC8 для отрицательной и положительной температуры выступа соответственно. Следовательно, температурный градиент, создаваемый в сборной шине, используемый для контроля скорости отвода тепла, не повлияет на температуру пластины. Таким образом, одни и те же CCC могут быть рассчитаны для тестируемых ячеек с использованием геометрически термически разнородных шин на другой экспериментальной установке.

Шины были достаточно длинными, чтобы обеспечить 1D кондуктивную теплопередачу от TC9 к TC11 и, соответственно, от TC10 к TC12, на расстоянии 100 мм, как показано соответствующими стрелками и определено как x BB . Скорость теплопередачи через отрицательную шину, вычисленная по уравнению 3, где A BB — площадь поперечного сечения шины, а ΔT BBneg — разница между TC9 и TC11. То же уравнение используется для , с использованием ΔT BBpos .Удлиненные стержни изменяют переходную характеристику системы: увеличивая тепловую массу и задержку системы. Однако, когда ячейка находится в тепловом установившемся состоянии, то есть тепло выделяется с той же скоростью, что и отбраковывается, удлиненные шины не влияют на систему. Незарегистрированные теплопотери по кабелям были отмечены в литературе 56 как возможный источник ошибок в аналогичных экспериментальных процедурах. Ошибка была устранена с помощью этого экспериментального устройства, так как скорость кондуктивной теплопередачи была определена на стороне электролизера кабелей.Площадь поперечного сечения шины была достаточно большой, так что омический нагрев в шине был незначительной ошибкой, рассчитанной как 0,0169 Вт при пропускании тока 20 А. Латунь была выбрана вместо меди, поскольку пиковая электрическая проводимость не требовалась из-за поперечного сечения шины. Латунь имеет сравнительно низкую теплопроводность, что позволило создать значительный температурный градиент между ТС на входе и выходе и, таким образом, уменьшить погрешность измерения температурного градиента.Сборные шины были очищены и отполированы в месте контакта с язычком, чтобы обеспечить минимальное электрическое сопротивление контакта и последующий омический нагрев.

Для обеспечения равномерного давления и контакта по всему выступу ячейки температура выступов измерялась с помощью зажимов, что исключает необходимость использования термопары между зажимом и выступом. Термопаста (Fischer Elektronik, WLPK 10) была нанесена между верхней стороной язычка и зажимом для обеспечения минимального температурного градиента на границе раздела. Кроме того, каждая ячейка удерживалась на месте зажимами и шиной как можно ближе к краю выступа, чтобы минимизировать длину открытого выступа, через который должно рассеиваться тепло.Это было определено как критическая часть процедуры для обеспечения повторяемости эксперимента, поскольку дополнительная длина открытого выступа привела бы к большей разнице измеренных температур от ячейки к язычку и изменила бы результат.

Процедура

Ячейки циклировали с помощью циклического устройства для аккумуляторов Bio logic BCS-815. Процедура полного цикла приведена ниже, а текущий профиль и тепловой отклик ячейки показаны на рисунке 2. Первые 10 секунд цикла импульсов показаны с более высоким разрешением в верхнем левом углу рисунка.ТС были откалиброваны путем удаления любых смещений в последний час этапа 1, когда предполагалось тепловое равновесие внутри камеры. SOC был приблизительно установлен перед периодом пульсации каждого теста. Точное значение SOC для каждого теста было определено из OCV ячейки до последнего часа шага 1. Затем температура шины поддерживалась на заданном уровне с помощью PE в начале шага 2, таким образом гарантируя, что калибровка TC не будет затронута.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 2. Профиль тока для определенной процедуры испытания и температура, зарегистрированная TC1 во время Испытания 1.

Метод прямоугольных импульсов использовался для того, чтобы поддерживать относительно постоянное значение SOC в ячейке в течение длительного периода времени, в то время как ток постоянно оставался неизменным. прошло, и поэтому тепло генерировалось с постоянной скоростью. Для этого было необходимо быстрое переключение клеточного циклера, 1 мс. Тепло, генерируемое во время этой процедуры, в основном представляет собой необратимое тепло (первый член в уравнении 1), возникающее в результате перенапряжения переноса заряда на границе раздела и омического тепла.На градиенты концентрации не оказывают существенного влияния из-за очень небольшого количества ионов, которые раскачиваются в электролите между двумя электродами. 57 Поскольку SOC изменяется на небольшую величину в течение одного периода, обратимой энтропийной теплотой можно пренебречь, но иногда ее можно увидеть в небольших колебаниях. 58 Необходимость импульсного метода подробно рассматривается в конце этого раздела. Тест разрядки 1С (шаг 5) проводился в конце каждого теста пульсации, чтобы проверить, есть ли заметное ухудшение характеристик.Помимо проверки емкости, также сравнивалось изменение температуры во время разряда. Чтобы сбросить ячейку до желаемого SOC, ячейку снова зарядили до 100% (этап 6), затем разрядили 1С до тех пор, пока не будет пройдено желаемое количество кулонов.

  • (1)

    8-часовой отдых для обеспечения теплового равновесия по всему аппарату в термокамере

  • (2)

    Прямоугольные импульсы тока в течение 6 часов при различных частотах C при 1 Гц

  • (3)

    2-часовой отдых для достижения постоянных тепловых условий перед анализом разложения

  • (4)

    1C CC-CV Заряд до 4.2 В с отсечкой 500 мА с последующим 1-часовым перерывом в работе

  • (5)

    Разряд 1C CC до 2,7 В для анализа деградации с последующим 1-часовым перерывом в работе

  • (6)

    1C CC-CV зарядка до 4,2 В с отключением 500 мА с последующим перерывом на 0,5 часа

  • (7)

    Разряд 1С до требуемого состояния заряда ячейки с последующим 2-часовым перерывом

Из-за несовершенной теплоизоляции устройство было охарактеризовано для количественной оценки неизбежных потерь.Измеренные данные были откалиброваны на основании следующих результатов. Устройство характеризовалось введением известного количества тепла в оба типа ячеек для определения доли тепла, отводимого через язычки, и доли, теряемой в изоляцию. Резистивный нагреватель (RS Pro), настроенный на выработку 1,49 Вт тепла, был приклеен по центру к верхней поверхности LIB A1 и B1. Для LIB A расчетная скорость теплопередачи сборной шины составила 1,24 Вт (83,2% от подводимой тепловой мощности), когда ячейка находилась в тепловом равновесии.Таким образом, 16,8% тепла было потеряно на другие неизмеряемые пути рассеивания тепла: проводимость через твердую изоляцию и провода термопары. Тщательная изоляция ячейки приводит к рабочему выводу, что скорость конвекции от ячейки к окружающей среде незначительна. Для LIB B было измерено всего 0,73 Вт (49,0% от введенного теплового потока), проводящего вдоль шин в устойчивых тепловых условиях. Увеличение тепловых потерь было ожидаемым, учитывая большую площадь поверхности LIB B и меньшие выступы. Анализ в этом исследовании основан на тепловыделении, рассеиваемом через язычки, поэтому эти потери не повлияли на расследование, если они учтены.Скорость потери тепла потеря , пропорциональная скорости теплопередачи через шины, trans , поэтому может быть определена с помощью уравнения 4. Коэффициент пропорциональности α потеря , зависит от типа ячейки: 0,1975 для LIB A и 1,0411 для LIB B.

В течение периода пульсации электродные потенциалы и реакционные токи практически постоянны. Импульсы приводят к мгновенной миграции ионов в электролите.Таким образом, тепло генерируется по всей ячейке из-за движения ионов в электролите. 57 Резистивный нагреватель, хотя и эффективен для определения характеристик устройства, не мог воспроизвести тепловые условия внутри элемента под нагрузкой. Было проведено численное сравнение тепловыделения внутренней ячейки за счет импульсного тока и нагрева внешней поверхности через резистивный нагреватель.

В данной работе использовалась двумерная электротермическая модель, разработанная ранее, 16 .Модель была разработана в MATLAB R2017a с использованием Simulink (v8.8) и Simscape toolbox (v4.1). Модель была параметризована для LIB A. Модель была специально разработана для учета неэлектродных компонентов, таких как сварной шов, для обеспечения точного прогноза внутренней температуры. Для данной работы не было внесено никаких изменений в структуру модели активной ячейки и ее параметры. Граничное тепловое условие было изменено, чтобы отразить экспериментальную установку, используемую в данной работе. К поверхностям пакета электродов ячейки прикладывались теплоизолирующие условия.На выступах ячеек были смоделированы латунные шины, а также радиаторы, управляемые PE.

Общее эквивалентное тепловое сопротивление на поверхности и выступе элементарной ячейки соответственно определяется уравнениями 5 и 6.

R total, surf — общее тепловое сопротивление на поверхности и R total, tab — общее тепловое сопротивление на выступе, R * граница — эквивалентное тепловое сопротивление связанный с тепловым потоком от границы проводящей системы, R * изоляция , является эквивалентным тепловым сопротивлением изоляционного материала, R interface является эквивалентным тепловым сопротивлением, связанным с материалом термоинтерфейса, R кожух — эквивалентное тепловое сопротивление, связанное с кожухом ячейки, R BB — эквивалентное тепловое сопротивление, связанное с латунной шиной, и R tab — эквивалентное тепловое сопротивление, связанное с точкой сварного шва при каждая вкладка.

Тепловые условия, вызванные пульсацией с частотой 1 Гц, с величиной тока 20 А и SOC ячейки 50%, показаны на рисунке 3b. Распределение внутренней температуры от поверхностного (резистивного) нагрева до верхней поверхности элемента при той же тепловой мощности (1,49 Вт) показано на рисунке 3c. Максимальная разница температур ячейки в первом случае составляет менее 1 ° C, а во втором — более 3 ° C. Импульсный эксперимент вызывает температурный градиент в плоскости электрода, в то время как поверхностный резистивный нагрев вызывает тепловой градиент по толщине.Различия в направлении и величине температурного градиента могут привести к изменению тепловых путей и привести к неодинаковой передаче от выступов. На рис. 3d показано распределение температуры, вызванное резистивным нагревом с обеих сторон, при одинаковом общем тепловложении. Величина температурных градиентов в ячейке уменьшается по сравнению с односторонним нагревом, но направление градиента все еще не является репрезентативным для работы. Кроме того, сложность измерения любой надежной температуры ячейки будет увеличена, если и верхняя, и нижняя поверхности будут покрыты резистивными нагревателями.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 3. Профили распределения температуры, полученные в заданном контроллере ЭСУД, моделирующие LIB A при различных тепловых нагрузках. Все с 50% SOC и температурой окружающей среды 25 ° C. а) геометрия модели; (b) импульсный цикл 20А; (c) 1,49 Вт тепла, равномерно добавленного к одной поверхности моделируемой ячейки; (d) 1,49 Вт тепла, равномерно добавленного к обеим поверхностям моделируемой ячейки; (e) профиль распределения плотности тока во время цикла импульсов 20 А.

Модель показывает, что разработанный импульсный цикл обеспечивает более равномерное распределение тепловыделения от всех областей ячейки. На рисунке 3e показана плотность тока через ячейку, когда параметры цикла импульсов вводятся в модель. Результаты согласуются с предыдущими исследованиями 15,16 , в которых анализировалось распределение тока в рабочей ячейке, охлаждаемой на выступах. Таким образом, это считается наиболее эффективным методом ввода постоянного и равномерного количества тепла.На рисунке 3e также выделено место, в котором находится пиковая температура ячейки в представленной модели: в центре по ширине ячеек и в 45 мм от отрицательного конца. Это геометрическое положение использовалось для размещения ТС2 и ТС5 в экспериментальной установке.

Масса отдельной ячейки, сборной шины и зажима определялась с помощью технических весов. Удельная теплоемкость LIB A, c p LIB A , была эмпирически измерена с помощью калориметрического эксперимента, проведенного в калориметре с ускоряющейся скоростью ( ARC EV + ), произведенном Thermal Hazard Technology.Эти свойства собраны в Таблице III.

Таблица III. Тепловые свойства основных компонентов.

Компонент Масса (кг) Теплопроводность (Вт.м −1 K −1 ) Удельная теплоемкость (кДж. кг −1 .K −1 )
LIB A 0,123 н / д 1,030
LIB B 0.165 н / д 1,008
Сборная шина 0.601 123 0,380
Зажим 0,110
Изоляция н / д 0,023 н / д

Средняя температура ячейки, T , ячейка, av , вычисляется с учетом постоянного температурного градиента от точки, в которой наблюдается максимальная температура, T ячейка, max , до соответствующих вкладок.Уравнение 7 определяет ячейку T , av для LIB A и уравнение 8 для LIB B. В каждом случае коэффициенты уравнения вычисляются на основе конкретной геометрии ячейки и точного размещения TC. Средние температуры сборных шин, T BBneg, av и T BBpos, av , рассчитываются в их центре масс, таким образом предполагая постоянные температурные градиенты по их длине, в соответствии с уравнением 9 (и аналогично для положительной шины ). T neg и T pos , которые регистрируются TC7 и TC8 соответственно, дополнительно используются для температур зажима, зажим T , neg и T зажим, pos .

Экспериментальная процедура была повторена для 18 испытаний. В экспериментах использовались три LIB As и один LIB B: далее именуемые LIB A1, A2, A3 и B1. Процедурные параметры, величина тока, контролируемая температура конца шины и SOC ячейки были изменены, чтобы оценить теплоотвод от ячеек в различных рабочих условиях. Таблица IV суммирует каждый тест. Различная скорость тепловыделения ячеек в сочетании с диапазоном используемых контролируемых температур на конце сборных шин позволяла варьировать температуру ячейки во время цикла импульсов.Поэтому для всех тестов с LIB A повышенная стационарная температура ячейки колебалась от 19,89 ° C (тест 5) до 34,25 ° C (тест 11). Вычисленные значения CCC также отображаются для ясности и будут использоваться при анализе.

Таблица IV. Сводка всех тестов в настоящем расследовании. Средняя температура ячейки определяется как средняя температура ячейки во всем установившемся диапазоне. Все испытания проводятся при температуре окружающего воздуха 25 ° C, за исключением испытания 5 (10 ° C).

Имя ячейки Номер теста SOC /% Ток / А Средняя температура ячейки / ° C CCC до / W.K −1
LIB A1 1 24,28 20 33,83 0,336
LIB A1 2 51,94 20 30.79 0,341
LIB A1 3 51,95 20 30,70 0,339
LIB A1 4 51,99 15 28,44 0,339
LIB A1 * 5 53,60 20 19,89 0,339
LIB A1 6 49,68 7.5 25,56 0,328
LIB A1 7 51,99 15 28,10 0,333
LIB A2 8 52,09 20 30,75 0,324
LIB A2 9 50,07 20 31,07 0,325
LIB A2 10 44,76 15 29.04 0,328
LIB A3 11 25,13 20 34,25 0,327
LIB A3 12 51,97 20 31,09 0,330
LIB A3 13 51,98 20 30,98 0,330
LIB A3 14 51,92 15 28.86 0,336
LIB B1 15 14,59 15 29,74 0,196
LIB B1 16 53,35 15 27,59 0,208
LIB B1 17 53,32 15 27,57 0,209
LIB B1 18 50,42 16 28.51 0,211

После каждого теста проводилась проверка, чтобы убедиться, что внутри ячеек не произошло заметной деградации. Здесь оцениваются результаты анализа тестов 1–4. Цель этого анализа — убедиться, что на пути генерации и отвода тепла внутри клетки не влияет индуцированный импульсный цикл.

На рис. 4 показаны кривые напряжения при разряде 1С и результирующее изменение для элемента T , макс. .Разряженная емкость была рассчитана и составила 95,83%, 95,83%, 95,90% и 95,76% от общей емкости элемента для испытаний 1–4 соответственно. Количественно она составила 3,57 ° C, 3,53 ° C, 3,48 ° C и 3,46 ° C для испытаний 1–4 соответственно. Максимальное отклонение от минимального в этом наборе данных составляет всего 3,18%, и это связано с ошибкой измерения TC и несовместимыми экспериментальными граничными условиями.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 4. Зарегистрированное напряжение элемента (сплошная линия) и повышение температуры (пунктирная линия) в ходе разряда 1С, после испытаний 1–4.

Температурный режим ячейки

На рисунке 5 показаны определенные мгновенные значения тепловой мощности в системе во время Теста 1, который используется в качестве примера в следующем разделе. Компоненты теплового потока можно разделить на две категории: тепловыделение и тепловыделение. Температура ячейки постепенно повышается во время начальной переходной области.Здесь значительная часть общего тепла остается в системе, вызывая повышение температуры ячеек и сборных шин. Эти части тепловой мощности, ячейка , , усиление , и , BB, усиление, , соответственно, определяются с помощью уравнений 10 и 11.

Увеличивающаяся разница температур от ячейки к охлаждаемым концам сборной шины вызывает увеличение скорости теплопроводной передачи тепла через язычки ячейки. neg и pos получены из температурных градиентов вдоль шин, как указано в уравнении 3, и их сумма отображается как trans .Скорость отвода тепла через поверхности ячейки, а не через язычки ячейки, потеря , определяется в уравнении 4. Составляющие теплового потока суммируются, чтобы получить gen , экспериментально полученную скорость тепловыделения ячейки. , Уравнение 12. Устойчивые тепловые условия достигаются, когда транс + потери = gen , и, следовательно, ячейка, усиление и BB, усиление пренебрежимо малы. gen уменьшается по мере увеличения T cell . Это явление, отображаемое в переходном периоде на Рисунке 5, конструктивно действует с описанным энергетическим балансом тепловой системы, увеличивая скорость, с которой достигаются условия устойчивого состояния.

Для количественного сравнения необходимо учитывать разницу температур от ячейки к пластине, определяющую кондуктивный теплообмен. Уравнения 13, 14 и 15 определяют ΔT neg , ΔT pos и ΔT av соответственно.

На рисунке 6 показаны компоненты trans . Результаты показывают, что отрицательный язычок обеспечивает более теплопроводный путь. Отношение pos / neg для каждого из 14 тестов, проведенных на LIB A, показано на рисунке 7. Для расчета отношения использовались средние значения для продолжительности устойчивого температурного диапазона. Результаты согласованы: стандартное отклонение результатов для LIB A1, A2 и A3 составляет 0,0111, 0,0101 и 0.0026 соответственно, тогда как общее стандартное отклонение составляет 0,0106. Также включен коэффициент для контрольного теста, который на 12,8% ниже среднего значения набора. Несоответствие между результатами импульсных испытаний и результатами управления резистивным нагревателем дополнительно подтверждает необходимость использования внутренних электрохимических реакций ячейки для добавления тепла в систему в манере, характерной для области применения.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 5. Скорости нагрева элемента и температура элемента в течение цикла импульсов.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 6. Скорость теплопередачи через язычки в импульсном цикле.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 7. Соотношение скоростей теплопередачи положительного / отрицательного вкладыша для каждого из 14 тестов, проведенных на LIB A.

Отношение pos / neg было также определено из выходных данных модели, когда был введен один и тот же цикл импульсов, и два конкретных случая показаны на рисунке 7. Введенная величина тока составляла 20 А, значение состояния заряда ячейки было 50%, а температура контролируемого конца шины изменялась от 10 ° C до 25 ° C. Температура окружающей среды в камере, которая повлияла на незначительную потерю тепла через изоляцию, изменялась в соответствии с контролируемыми температурами концов сборных шин.Очевидно, что модель демонстрирует аналогичные характеристики теплового пути: среднее смоделированное соотношение на 5,0% ниже среднего экспериментальных данных.

На рисунке 8 показаны разности температур, ΔT neg , ΔT pos и ΔT av , для продолжительности периода пульсации. Более высокая установившаяся температура отрицательного язычка может быть объяснена тем, что он более теплопроводен, чем положительный, и, следовательно, способен более точно соответствовать температуре ячейки.Эту характеристику также можно наблюдать в переходном тепловом отклике каждой вкладки во время начальной стадии периода пульсации. С начала импульса в Тесте 1 отрицательной вкладке требуется 594 секунды, чтобы достичь 95% своей температуры в области устойчивого состояния. Ответ на положительную вкладку составляет 882 секунды, что на 48,5% больше. Разница во времени отклика также очевидна в области термического распада. Применяя то же определение теплового равновесия, положительная вкладка откликается на 39,8% медленнее, чем отрицательная.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 8. Разница температур, от максимальной температуры ячейки до температур на выступах, в течение цикла импульсов.

Коэффициент охлаждения ячейки

Качество теплового тракта через каждую вкладку можно количественно оценить только с учетом введенных показателей тепловых характеристик: скорости теплопередачи и разницы температур между ячейкой и выступом по отношению друг к другу.Это потому, что они связаны, и поэтому отклонение одного из них напрямую влияет на другое. Этому способствует коэффициент охлаждения ячейки. Анализ покажет, что CCC не зависит от всех других процедурных характеристик: величины тока, SOC ячейки и рабочей температуры ячейки. Следовательно, CCC являются постоянными значениями для данной ячейки, зависящими только от ее уникальных геометрических и составляющих материалов, а также тепловых свойств поверхности раздела.

Уравнения 16, 17 и 18 определяют CCC neg , CCC pos и CCC tot , значения для количественной оценки качества тепловых путей, используемых для отвода тепла через одну или обе вкладки ячейки .Коэффициенты в ваттах на градус Кельвина описывают скорость теплопроводной передачи тепла, вызванной определенным перепадом температуры. На рисунке 9 показаны CCC neg , CCC pos и CCC tot , рассчитанные в течение области устойчивого состояния Теста 1. CCC являются истинными значениями только в области установившейся температуры, поскольку они основаны на предположении, что тепло отводится от элемента с той же скоростью, с которой оно генерируется. Обсуждаемый ранее улучшенный путь отрицательной табуляции наблюдается по более высокому значению CCC neg по сравнению с CCC pos .

Таким образом, CCC — это единственная мера, определяющая способность отдельной ячейки рассеивать тепло по определенному пути. Поэтому берутся средние значения CCC, усредненные по области устойчивого состояния. На рисунке 10 показаны CCC, рассчитанные по каждому тесту на LIB A1. CCC также является надежным параметром ячейки, который можно определить в любых условиях эксплуатации, при которых достигается установившаяся температура ячейки, превышающая температуру контролируемого конца шины и, таким образом, вызывая теплопередачу. Анализ ошибок максимального и стандартного отклонения, суммированных в верхнем ряду таблицы V, был проведен для производных CCC из каждого теста на LIB A1.Результаты показывают, что методика получения CCC должна быть повторяемой для данной ячейки. Высокие уровни корреляции достигаются при дисперсии экспериментальных параметров, подробно описанной в Таблице IV.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 9. Коэффициенты охлаждения ячейки, рассчитанные для LIB A1, по результатам в Тесте 1, для всей области установившегося состояния в пределах импульсного цикла.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 10. Коэффициенты охлаждения ячейки для каждого теста, проведенного на LIB A1.

Таблица V. Анализ ошибок для процесса определения коэффициента охлаждения ячейки.

Максимальное отклонение Стандартный набор данных
из среднего набора данных отклонение
CCC neg CCC поз. CCC до CCC neg CCC поз. CCC до
LIB A1 тесты 1.81% 3,04% 2,33% 0,0044 0,0033 0,0075
Все тесты LIB A 4,74% 5,53% 2,63% 0,0047 0,005 0,0057
LIB B1 тесты 4,40% 5,97% 4,98% 0,0038 0,0033 0,0069

На рисунке 11 показаны CCC neg , CCC pos и CCC tot для каждого проведенного теста.В средней строке таблицы V приведен анализ ошибок, проведенный по всем 14 тестам, проведенным с LIB A. Стандартные отклонения набора данных остаются низкими, предполагая, что значения CCC постоянны для определенной модели ячейки. Максимальное отклонение от средних значений наборов данных увеличивается. Теория нормального распределения утверждает, что диапазон значений набора данных увеличивается с его размером, и поэтому ожидалась дополнительная дисперсия.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 11. Коэффициенты охлаждения ячейки для всех тестов. (a) Отрицательная вкладка: CCC neg ; (a) Положительный язычок: CCC pos ; (c) Комбинированный: CCC .

Разница в расчетных значениях CCC также может быть отнесена на счет экспериментальной ошибки и вариации изготовления элемента, которые в определенной степени связаны. На рисунке 12 представлены изображения негативных и позитивных вкладок на LIB A1, A2 и A3. В аннотации 1 выделена несогласованная и несглаженная поверхность, оставшаяся в месте сварки для положительных выступов.Эти несоответствия могут привести к изменению как теплового, так и электрического контактного сопротивления. В аннотации 2 подчеркивается непоследовательное положение положительного язычка относительно язычка: для трех использованных ячеек оно варьировалось от 0,4 мм слева от центра до 0,3 мм справа от центра: отклонение 3,5% на язычке 20 мм. ширина, которая была бы ошибкой, перенесенной в площадь поперечного сечения этой части теплового пути. В аннотации 3 подчеркивается смещенный угол положительного выступа на LIB A3 (то же самое можно увидеть, обозначенное цифрой 5, для отрицательного выступа LIB A2).Следовательно, открытая длина выступа на стороне сварного шва со стороны ячеек была непостоянной по ширине выступа, уменьшившись с 1,2 мм до 1,0 мм. Это окажет прямое влияние на ячейку, чтобы зафиксировать разницу температур для заданной скорости отвода тепла. Вариация изготовления также видна на отрицательной вкладке. В примечании 4 выделено различное количество смолы, вытекшей из пакета. Это означало, что между концом материала пакета LIB A1 и точкой, в которой может быть наложен зажим, будет выступать язычок большей длины, напрямую влияющий на качество теплового тракта: 0.6 мм для LIB A1, 0,4 мм для LIB A2 и 1,0 мм для LIB A3. Эквивалентные скорости теплопередачи через отрицательную пластину привели бы к увеличению разницы температур в ячейке для LIB A1.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 12. Отрицательные и положительные вкладки каждого LIB A, использованного в экспериментах. Аннотация с указанием вариантов изготовления.

Таблица IV позволяет сравнивать все тесты LIB A.Можно видеть, что температура ячейки, усредненная в течение периода времени, используемого для расчета CCC, не оказывает заметного влияния на полученные значения CCC . Это независимо от процесса, посредством которого изменяется повышенная температура ячейки: будь то изменение контролируемой конечной температуры шин, изменение величины тока или регулировка SOC ячейки. Тепловые и геометрические свойства отдельных материалов внутри пакета электрода ячейки сами по себе зависят от температуры, и поэтому ожидалось небольшое изменение истинных значений CCC для ячейки, в очень небольшой степени.Разрешение и точность, обеспечиваемые TC в настоящем исследовании, не смогли связать корреляцию между температурой клеток и экспериментально полученными CCC.

Независимость величины тока и дисперсии SOC от значения CCC графически отображена на рисунке 11. CCC для каждого теста нанесены на график относительно устойчивого состояния gen , которое зависит от величины тока, температуры ячейки и SOC. Корреляция между gen и CCC не наблюдается.

На рисунке 11 также показаны CCC для каждого теста, проведенного на LIB B1. Анализ ошибок резюмируется в нижней строке таблицы V. Процесс вывода CCC, основанный на предположении о независимости от факторов, вызывающих вариации в gen , показан как работоспособный для LIB B, несмотря на значительные геометрические и материальные различия. с LIB A. CCC учитывает каждое изменение параметра, будь то теплопроводность материала или геометрический размер, подробно описанные в Таблице I и Таблице II.CCC также учитывает другие физические свойства, такие как термическое сопротивление, вызванное сваркой электрических выводов и токосъемников, или теплопроводность материалов пакета электродов во влажном состоянии. Информация уточняется до единственного значения для каждого интересующего теплового пути, как показано в Таблице VI.

Таблица VI. Коэффициенты охлаждения всех ячеек табуляции для LIB A и LIB B.

LIB A LIB B Расширение LIB A
CCC neg 0.2117 0,1282 65,13%
CCC поз. 0,1294 0,0793 63,18%
CCC neg улучшение 63,6% 61,7%
CCC до 0,3324 0,2043 62,70%

Нынешняя нехватка понимания отвода тепла электролизером подтверждается сложностью и взаимосвязанным характером отдельных геометрических и тепловых параметров, управляющих процессом.Получение единственного эмпирического значения гораздо более осуществимо, чем определение связи каждой теплопроводности и физического размера ячейки. Выходная мощность, то есть величина, определяющая отвод тепла к охлаждаемой поверхности ячейки, такая же. Следовательно, эмпирически определенные CCC могут иметь существенное преимущество для определения тепловых характеристик и, соответственно, для сравнения между ячейками. Из Таблицы VI очевидно, что отрицательная вкладка по сравнению с положительной обеспечивает путь 63.На 6% больше способно отводить тепло от ячейки для LIB A и на 61,7% больше для LIB B. Сосредоточившись на сравнении между ячейками, с использованием CCC , LIB A на 62,7% больше способен рассеивать заданное количество тепла через вкладки. Эти величины при сравнении двух ячеек с аналогичными форм-факторами могут быть использованы напрямую для улучшения конструкции систем терморегулирования ячеек.

Тепловые характеристики

CCC определяет теплопроводность за счет приложенного температурного градиента и в этом отношении сопоставима с установленными тепловыми коэффициентами: числом Био, теплопроводностью или тепловым сопротивлением.Однако CCC определяет отвод тепла к определенной охлаждаемой поверхности элемента, которая сама выделяет тепло. Это контрастирует с тремя идентифицированными тепловыми коэффициентами, которые параметризуют способность тела проводить тепло от одной плоскости к другой. Попытка получить CCC таким способом с использованием внешних источников тепла была проанализирована и сочтена непригодной в этом исследовании.

Кроме того, CCC — это эмпирический и непосредственно применимый коэффициент, поскольку он определяет отвод тепла от всей ячейки как единый объект, а не требует измерения площади поперечного сечения.Это позволяет напрямую сравнивать две геометрически разнородные ячейки с помощью CCC, что не имело бы места с использованием числа Био, теплопроводности или теплового сопротивления, без предварительного учета различных площадей поперечного сечения, через которые проходит тепло, и без учета эффектов различные топологии, например, вкладок.

Коэффициент охлаждения элемента в приложении

CCC tot , как стандартизация способности определенного элемента рассеивать тепло, может стать ценным инструментом при проектировании аккумуляторной батареи.Представлен пример анализа производительности LIB A по сравнению с LIB B для конкретного приложения аккумуляторной батареи. В таблице VII приведены основные параметры LIB A и LIB B, которые включают метрику CCC , необходимую для процесса понижающего выбора.

Таблица VII. Ключевые показатели производительности LIB A и LIB B.

Ячейка CCC до / W.K −1 Макс.скорость непрерывного разряда / А. (Ач) −1 Емкость / Ач
LIB A 0,3324 30 5
LIB B 0,2043 5 7,5

В этом примере все тепло, выделяемое отдельными ячейками в соответствующих пакетах, должно отводиться через язычки. Блок должен иметь емкость 15 Ач и обеспечивать непрерывный разряд 4 ° C, что находится в пределах спецификации производителя для обоих элементов.Пиковая рабочая температура, T cell max , ячеек в блоках должна поддерживаться ниже 40 ° C, что является типичным целевым показателем для промышленного применения. Предполагается, что температура окружающего воздуха составляет 20 ° C.

Используя устройство, представленное ранее в этом исследовании, средняя скорость тепловыделения в ходе разряда 4C была определена как 4,97 Вт для LIB A и 8,28 Вт для LIB B. Уравнение 19 включает CCC to и используется для определения необходимого температурного градиента, от T cell max до T tab .Этот градиент обозначается как ΔT максимум ячеек до вкладок .

Следовательно, для LIB A:

и для LIB B:

Следовательно, язычки LIB B должны поддерживаться на 40,59 ° C ниже требуемой максимальной рабочей температуры ячеек, составляющей 40 ° C, и, следовательно, должны охлаждаться до -0,59 ° C. С практической точки зрения, контур охлаждающей жидкости, работающий при температуре ниже 0 ° C, что на 20,59 ° C ниже температуры окружающей среды, потребует дорогостоящей системы охлаждения, а также компонентов высокой мощности для отвода тепла.Напротив, необходимое управление температурным режимом для LIB A резко сокращается. Язычки ячеек должны поддерживаться на 14,97 ° C ниже требуемой максимальной рабочей температуры ячеек, и поэтому им может быть позволено достичь максимальной температуры 25,03 ° C, что на 5,03 ° C выше температуры окружающей среды. В этом случае может использоваться гораздо более простая система управления температурой, такая как контур непрямого жидкостного охлаждения, который отводит тепло в окружающий воздух.

Для этого приложения, несмотря на то, что обе ячейки работают в пределах пределов скорости C, установленных производителем, и, кроме того, могут достигать требуемых скоростей тока и емкости конструкции блока, разработчик блока выявил фундаментальную проблему с использованием LIB B.Таким образом, это совершенно непригодно для этого приложения. Показатель CCC подтвердил пригодность LIB A для желаемого аккумуляторного блока. Эта ячейка снизит потребность и сложность всей системы терморегулирования и, в свою очередь, упростит требования к компонентам и, следовательно, значительно упростит стоимость.

Следует отметить, что большая мощность LIB B не дает преимуществ с точки зрения требований к отводу тепла. Хотя для достижения требуемой емкости блока требуется только два LIB B, по сравнению с тремя LIB As, скорость тепловыделения в блоке B все же выше, 16.56 Вт по сравнению с 14,92 Вт.

CCC позволяет разработчику упаковки дифференцировать и отбирать ячейки на этапе проектирования без необходимости создания тестовых пакетов. В свою очередь, это говорит о сложности системы управления температурой, необходимой для поддержания данной ячейки и упаковки ниже требуемой максимальной рабочей температуры.

В таблице VIII обобщены результаты аналитической методологии, изложенной выше.

Таблица VIII. Сравнение LIB A и B для определения пригодности для использования в примере аккумуляторной батареи.

Ячейка Тепловая мощность ячейки / Вт ΔT макс. Ячейки до выступов Максимум T вкладок / ° C Ячейки в упаковке Тепловая мощность пакета / Вт
LIB A 4,97 14,97 25,03 3 14,92
LIB B 8,28 40.59 -0,59 2 16,56

В этом документе мы выявили значительный пробел в информации, содержащейся в технических характеристиках, о способности литий-ионных аккумуляторов отводить тепло. Мы представляем решение этой проблемы, эмпирически определенный коэффициент охлаждения ячейки (CCC, единицы WK -1 ) и метод его измерения, который предлагается в качестве стандартизированной метрики для сравнения различных ячеек, и мы рекомендуем включить его. на всех спецификациях ячеек.

Отвод тепла от ячеек обычно не определяется производителями ячеек количественно и, следовательно, не является оптимизированным параметром. Учитывая влияние повышенных температур и больших температурных градиентов на ускорение деградации и увеличение риска теплового разгона, способность отводить тепло от элемента должна иметь такое же значение, как мощность и плотность энергии при проектировании или выборе элемента. Например, нет смысла разрабатывать элемент с высокой мощностью, если он выделяет слишком много тепла для эффективного охлаждения.Внедрение этого стандарта в промышленности предоставит конечным пользователям гораздо большее понимание тепловых возможностей элементов, а разработчики элементов получат количественный показатель, который они могут оптимизировать, ускоряя инновации в дизайне элементов и систем и потенциально революционизируя литий-ионные батареи. промышленность.

CCC описывает скорость теплопередачи, которая будет происходить из-за теплового градиента от максимальной температуры ячейки и ее охлаждаемой поверхности, когда она генерирует тепло во всем своем объеме.Таким образом, величина CCC характеризует ограниченную проводимостью тепловую реакцию данного метода охлаждения для данной ячейки.

Приведено подробное описание испытательного оборудования и процедур для расчета CCC. Было показано, что CCC не зависит от скорости тепловыделения ячейки и рабочей температуры ячейки, что обеспечивает значительную гибкость в условиях измерения. Последовательность CCC как показателя оценивалась путем проведения 14 тестов с различными экспериментальными параметрами и с использованием трех разных ячеек.Повторяемые результаты показывают, что CCC является эмпирическим свойством конкретного литий-ионного элемента и, следовательно, может использоваться для описания его способности отводить тепло в любых рабочих условиях.

У конкретной ячейки будет свой CCC x для каждого теплового пути. В этом исследовании изучалась разница между отрицательными и положительными вкладками. Некоторые известные характеристики, например, большая площадь поперечного сечения отрицательного вывода и повышенная теплопроводность материала отрицательного токосъемника, очевидны при сравнении CCC neg с CCC pos .Для данной ячейки CCC и, следовательно, скорость отвода тепла через отрицательный язычок, оказались на 63,6% выше для данного температурного градиента.

Настоящее исследование также представляет собой рабочий пример, демонстрирующий, как CCC можно использовать на ранних стадиях проектирования аккумуляторной батареи. Сравниваются две ячейки, каждая из которых может обеспечить ток, необходимый для данного приложения. Первый способен отводить тепло через свои вкладки с необходимой скоростью, чтобы оставаться в пределах определенного рабочего температурного окна.Второй оказывается совершенно непригодным для применения, учитывая температурный градиент, необходимый для обеспечения необходимой скорости теплопередачи. Таким образом, CCC является полезным инструментом для системных инженеров для выявления и выбора ячеек на основе их способности отводить тепло, а также их способности обеспечивать желаемую мощность, мощность, стоимость или срок службы на этапе предварительного проектирования.

Методологии охлаждения различаются для разных форм-факторов ячеек, например, охлаждение язычка ячейки пакета связано, но не идентично основанию, охлаждающему цилиндрическую ячейку.С помощью CCC возможно сравнение между несколькими форм-факторами. Процесс определения температурного градиента, возникающего в ячейке при выделении тепла с заданной скоростью, остается прежним. Однако ожидаются процедурные изменения в процессе получения CCC, и ожидается, что масштабирование коэффициента для учета объемной скорости тепловыделения ячейки повысит актуальность предлагаемой метрики.

Эта работа была поддержана Институтом Фарадея (номер гранта EP / S003053 / 1, FIRG003), проектом Innovate UK THT (номер гранта 133377), проектом Innovate UK BATMAN (грант номер 104180), проектом Innovate UK CoRuBa (133369 ) и проект EPSRC TRENDS (номер гранта EP / R020973 / 1).

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

1. Введение

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

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

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

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

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

Краткий обзор актуальной литературы по терморегулированию батарей (BTMS) и моделированию батарей представлен ниже:

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

3. Разработка модели

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

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

На рис. 3 показаны функции, используемые для расчета тепловых свойств алюминиевых выступов для модели. Теплопроводность, удельное сопротивление, удельная теплоемкость и плотность рассчитываются с использованием этих функций. Показанные функции являются функциями температуры и могут быть прочитаны на Рисунке 3. Удельное сопротивление используется для расчета члена омического источника тепла для вкладок, оно рассчитывается как квадрат тока, умноженный на удельное сопротивление на третий постоянный член Таблица 4. Основное значение Источником тепла во вкладках является сопротивление перехода.Когда две поверхности находятся в контакте, возникает большое сопротивление и падение напряжения на поверхностях из-за неадекватного контакта и, как правило, из-за оксидного слоя. Сопротивление можно минимизировать, увеличивая контактное давление и пропуская ток через переход, явление, известное как сопротивление ползучести. В нашей модели сопротивление перехода моделируется как коэффициент усиления, умноженный на удельное сопротивление. Плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность используются в уравнении теплопроводности для расчета температуры.
3.1. Геометрия и сетка
Батарея 20 Ач-LiFePO 4 , используемая для моделирования, идентична экспериментальной батарее, и ее геометрия показана на рисунке 2a, а его сетка показана на рисунке 4b. Размеры вкладки вместе с другими размерами ячеек, такими как толщина ячейки, также показаны на рисунке 4a. Сетка для трехмерного теплового моделирования состоит из 1394 элементов тетраэдра и 976 элементов треугольной формы. Он имеет минимальное качество элементов 0,1807 и среднее качество элементов 0.5398. Максимальный размер элемента составляет 0,0227, а минимальный размер элемента — 0,00409. Коэффициент кривизны составляет 0,6 при разрешении узких участков 0,5 и максимальной скорости роста элемента 1,5.
3.2. Управляющие уравнения и граничные условия
Общие управляющие уравнения, которые используются для моделирования литий-ионных батарей, представлены в таблице 5 [20,21,22]. Это баланс массы и заряда как на электродах, так и на электролите, а также вариант уравнения Батлера-Фольмера с концентрацией внедряемых частиц.Конкретные основные уравнения, используемые в COMSOL, подробно представлены в следующем разделе. В этом разделе рассматриваются основные уравнения заряда и сохранения лития как в твердой, так и в электролитной фазах, а также электрохимическая кинетика и уравнение теплопроводности для трехмерной области батареи вместе с их граничными условиями.
3.2.1. Управляющие уравнения в электролите
Из уравнения неразрывности мы знаем: куда,

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

(3)

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

3.2.2. Пористые электроды

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

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

δCSδt = · (Ds∇CS)

(5)

с граничными условиями,

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

(6)

где Cs — концентрация лития в твердой фазе.Ds — коэффициент интеркаляционной диффузии, r — радиальная координата вдоль частицы активного материала, rp — радиус твердой частицы активного материала, ϵs — объемная доля твердой частицы (активного материала) в электроде, νLiθ, m — стехиометрический Коэффициент для металлического лития, где окисленные частицы отрицательны, а восстановленные частицы положительны, в этом случае m равно 1, а νLiθ, m равно 1, iv, m — источник электродной реакции, nm — количество участвующих электронов в этом случае 1.
Электролит Сохранение лития в пористых электродах
Как и в области электролита, мы начинаем с уравнения неразрывности:

δεlClδt + ∇ · Jl = Rl

(7)

куда,

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

(9)

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

(10)

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

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

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

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

∇ · is = −iv, всего + Qs

(14)

iv, всего = ∑miv, m + iv, dl

(15)

итотал = ∑miloc, m + idl

(16)

где iloc, m — локальная плотность тока, itotal — полная плотность тока на границе раздела, iv, total — источник реакции электрода, Qs — источник тока электрода, а idl — плотность тока, обусловленная диффузией в электролите на электроде.Линейный интеграл электродного реакционного источника поперек пористого электрода дает полную плотность тока электрода.
Реакция пористого электрода
Напряжение и перенапряжение определяются уравнениями ниже [24]:

η = ∅s − ∅l − ∆∅s, film − Eeq

(17)

∆∅s, пленка = Rфильмитотал

(18)

где η — перенапряжение, ∆∅s, film — падение напряжения на сопротивлении пленки, Rfilm — сопротивление пленки, Eeq — равновесный потенциал.Также, где av — активная удельная поверхность активных твердых частиц. Скорость электрохимической реакции на поверхности электродных частиц задается модификацией уравнений Батлера-Фольмера [25,26,27], где плотность тока обмена задается как функция кинетики введения лития, как показано в уравнениях ниже. :

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

(20)

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

(21)

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

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

(23)

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

(24)

3.2.3. Уравнение энергии
Уравнение баланса энергии имеет вид [20]:

∇2T + q˙k = 1α∂T∂t

(25)

другими словами,

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

(26)

Приведенное выше уравнение дополнительно модифицируется на

q˙ = ∂ (ρcpT) ∂t − ∇ (k ∇T)

(27)

также,

∇ (σ + ∇∅ +) = −j

(28)

∇ (σ − ∇∅ -) = + j

(29)

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

(30)

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

(σ + (∇∅ +) 2) = I2σ + KLA

(31)

(σ + (∇∅−) 2) = I2σ − KLA

(32)

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

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

(33)

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

q˙separator = ∫lnln + ls − il∂∅l∂xdx

(36)

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

(37)

q˙irreversible = ∫lStartlEndiv, mη dx

(38)

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

(39)

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

4. Результаты и обсуждение

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

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

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

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

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

На рис. 7 сравниваются экспериментальные и модельные температуры вкладок при скоростях разряда 1 ° C, 2 ° C, 3 ° C и 4 ° C. На рисунке показано, что температура вкладок всегда выше, чем температура поверхности. Вкладки, так же как и батарея, испытали самые высокие температурные профили при 4 ° C и самые низкие при 2 ° C, следуя ожидаемой тенденции. Замечено, что повышенная скорость разряда приводит к повышению температуры вкладыша. Самые высокие температуры были зафиксированы в конце разряда со значениями 28,718 ° С для 1С, 40.52 ° C для 2C, 49,85 ° C для 3C и 52,92 ° C для 4C. Видно, что модель точно следует температурам выступа для более поздних периодов времени, в то время как на начальном этапе ошибка велика, это тот случай, когда в объеме выступа предполагается однородный источник тепла вместо омического нагрева между области, по которым течет ток. В таблице 6 приведены экспериментальные и модельные температуры поверхности и выступов в конце скорости разряда с относительной погрешностью.
4.2. Изолинии температуры
На рисунках 8 и 9 показана температура батареи на половине и в конце цикла разрядки.На всех границах батареи предполагается конвективное граничное условие с коэффициентом конвекции 5 Вт / м 2 K и температурой окружающей среды приблизительно 23 ° C. В этой тепловой модели есть 2 источника тепла: первый — это тепло, генерируемое электрохимической одномерной моделью батареи, а второй — омическое сопротивление внутри выступов. Предполагается, что источник тепла с выступом представляет собой простой квадрат тока, умноженный на модель сопротивления, в то время как тепло, генерируемое батареей, считается однородным по всей трехмерной области батареи и рассчитывается как среднее тепло от всех областей 1 -D модель электрохимического аккумулятора.Одномерное тепло рассчитывается как необратимое тепло, которое рассчитывается как местный источник тока, умноженный на перенапряжение, в дополнение к обратимому теплу и члену потерь проводимости электролита. Обратимое тепло рассчитывается как местный источник тока, умноженный на температуру, умноженную на производную равновесного потенциала по температуре. Термин потери проводимости электролита состоит из двух членов: (1) первый представляет собой плотность тока электролита, умноженную на производную потенциала электролита, и (2) второй представляет собой плотность тока электрода, умноженную на производную потенциала электрода. в x-направлении.В модель включены как обратимая, так и необратимая теплота, но теплота смешения не учитывается. Мы видим, что нагрев язычков из-за омического нагрева приводит к повышению температуры в верхней части батареи по сравнению с ее нижней частью. Диапазон температур внутри батареи больше при половинной разрядке, чем при полной разрядке, с более высокими показателями C и более широкими диапазонами температур. Неравномерные температуры внутри батареи приводят к тому, что разные части батареи дают разный ток на выходе, что в конечном итоге приводит к ухудшению характеристик.Вот почему охлаждение вкладок является ведущей областью исследований. Равномерность температуры на уровне блока и элемента является необходимостью для продления срока службы батареи. На рисунках 10 и 11 показана внутренняя температура батареи на полпути и в конце цикла разряда, на всех границах предполагается конвективное граничное условие. батареи, что, таким образом, приводит к более высоким температурам внутри батареи, чем на поверхности, поскольку источник тепла однороден по всему объему. Мы наблюдаем, что диапазон температур для участков поверхности больше, чем для графиков срезов, это верно, поскольку верхняя часть батареи рядом с вкладками не включена в графики срезов.На рисунках 10 и 11 также показано, что градиент внутри батареи очень крутой, и поскольку коэффициент теплопроводности батареи 0,89724 Вт / м-К низкий, это приводит к крутому пространственному температурному градиенту. Мы заметили, что температура батареи быстро меняется от ее внутреннего к поверхностному пространству. Это неравномерное распределение температуры приводит к неоднородным SOC (состоянию заряда) и плотностям тока в батарее, а также к усиленному износу.
4.3. Общая мощность, тепло в сепараторе, электролит, необратимое и обратимое тепло
На рис. 12 показано, что общие потери мощности в виде тепла складываются из тепла в сепараторе, потерь электролита, необратимых и обратимых потерь.Мы можем видеть, что общее тепло увеличивается с увеличением C-скорости вместе с составляющими его компонентами, за исключением того, что обратимое тепло становится все более отрицательным. Замечено, что наибольший вклад в тепло вносят элементы сопротивления электролита как в электродах, так и в сепараторе. На рисунке 13 показано, что для разряда обратимая теплота в катоде положительна, а на аноде — отрицательна, а общая обратимая теплота отрицательна при этих скоростях нагрева и данных параметрах.Отметим также, что потери электролита на катоде больше, чем на аноде. Из рисунка 13 видно, что общее количество тепла, производимого в катоде, выше, чем у анода, это верно для всех компонентов тепла, включая электролит, необратимые и обратимые компоненты. Большие потери электролита на катоде означают, что вклад тока электролита в общий ток в электроде больше в катоде, чем в аноде. Ток электролита испытывает гораздо больший пространственный градиент напряжения (∂∅l∂x) и последующее падение напряжения, чем пространственный градиент напряжения для твердого электрода (∂∅s∂x), поэтому мы имеем большую потерю энергии в тепловом элементе электролита в катод, так как здесь у нас есть больший ток электролита.Обратимое тепло для анода во время разряда фактически отрицательно и имеет охлаждающий эффект, в то время как для катода это противоположно. Наконец, мы видим, что необратимый тепловой член также больше в катоде, чем в аноде, поэтому сумма всех тепловых элементов для катода больше, чем для анода. На рисунке 14 показана концентрация лития в электродах как функция положения и времени. Мы отметили, что результаты для уровней C 1C, 2C и 3C похожи по форме и образцу и для ясности ими пренебрегли, вместо этого выбраны только данные для 2C, которые показаны на рисунке 14.Как и ожидалось, средняя концентрация лития в частицах уменьшается со временем на аноде и увеличивается со временем на катоде. Мы отметили, что средняя концентрация частиц лития для катода выше вблизи границы раздела электролит-электрод и тем ниже, чем глубже положение в пористом электроде катода, для анода эта ситуация обратная. Мы отметили, что для катода средняя концентрация лития у поверхности электролита относительно постоянна от середины разряда до полного разряда, в то время как более глубокие слои действительно меняют концентрацию.Для анода мы наблюдали, что даже на границе раздела электрод-электролит все еще наблюдается изменение концентрации со временем в указанные моменты времени. Мы отмечаем плато для катода примерно при 19 000 моль / м 3 , это близко к максимальной концентрации лития в положительном электроде 21 190 моль / м 3 . Мы также обнаружили, что наличие избыточного материала катода, так как концентрация внутри катода в более глубоких слоях ниже, чем максимум в конце разряда.Этот избыток материала катода является одним из факторов, способствующих неоднородной концентрации в катоде. Мы также отмечаем, что катод достигает почти полного насыщения (максимальные концентрации интеркаляции) перед внедрением в более глубокие слои, и это еще один фактор, способствующий увеличению однородности анода по сравнению с катодом. Отметим, что поверхностная концентрация дается уравнением PDE (5) и что коэффициент диффузии в этом диапазоне температур примерно в 100 раз больше для анода, чем для катода, при этом пористость анода также больше, поэтому, как и ожидалось, анод имеет более однородную поверхностную концентрацию из-за легкости внедрения в частицы электрода.

(PDF) Численный анализ механизма теплопередачи при распространении теплового разгона цилиндрических литий-ионных элементов в аккумуляторном модуле

Energies2020, 13, 101017of18

12. Fu, Y. ; Lu, S.; Shi, L.; Cheng, X.; Zhang, H. Характеристики воспламенения и горения литиевых аккумуляторов

под низком Атмосферное давление. Энергия »2018, №161, №38.

13. Дэн, О.З.;« Солнце, О.К.; «Условия» литий-ионных аккумуляторов типа 18650

Тепловой огнеупорный удлинитель.FireSci.Technol.2018, 37, 690.

14. Feng, X.; Sun, J.; Ouyang, M.; He, X.;  Лу, L.; Han, X.; Fang, M.; Peng, H.Характеристикабольшогоформатного

литий-ионная батарея подверглась экстремальной высокой temperatur.J.PowerSources2014, 272, 457.

15. Rong, L.; Zhang, H.; Fu, Y.; Cheng, XD Влияние температуры нагрева на тепловую стабильность батареи

Литий-ионная батарея. / 11867

16.Hofmann, A.; Uhlmann, N.; Ziebert, C.; Wiegand, O.; Schmidt, A.;

взрыв во время теплового бега с пониженным давлением. Appl.Therm.Eng.2017, 124, 539.

17. Lopez, CF; Jeevarajan, JA;  Мукерджи, «PP», «Экспериментальный» анализ »теплового» пробега и «распространения»

в модулях литий-ионных аккумуляторов.

18. Lamb, J.; Orendorff, CJ; Steele, LAM; Spangler, SWFailurepropagation in multi-celllithiumion

батареи.J.PowerSources2015, 283, 517. ​​

19. Wang, Z.; Yang, H.; Li, Y.; Wang, G.; Wang , Дж.Поведениедействийлитиевыхкрупных крупных батарей 9

сразличныминапряжениямисразличныминагревнымибатареисДж.ОпасностьМатериал2019, 379, 120730.

20. Coman, PT; Darcy, EC; Veje, CT; White, RE. №

с использованием «новаторской» технологии для запуска «теплового» пробега. Appl.Energy2017, №203, №189.

21. Спотниц, Р.M.; «Weaver, J.; Yeduvaka, G.;« Doughty, DH; J. PowerSources2007, 163, 1080.

22. Larsson, F.; Anderson, J.; Andersson, P.; Mellander, BEThermalmodelling «межклеточного» распространения пожара »

и« каскадных »последствий« теплового »разряда для литий-ионных аккумуляторов и модулей, использующих« противопожарные »перегородки.

Electrochem.Soc.2016, 163, 2854.

23. Feng, X.; Lu, L.; Ouyang, M.; Li, J.; He, X.A3Dтемпературная модель распространениядля большого формата

литий-ионный аккумуляторный модуль.Energy2016, 115, 194.

24. Zhang, Q.; Cao, W.; Luo, X.; Jiang, N.Analysismethod ofheatreleaserate литий-ионных аккумуляторов на основе

эффекта домино. Дж. Пекинский университет. Аэронавт. Астронавт. 2017, 43, 902,

25. Ким, Дж. .-H.; Pesaran, A.; Spotnitz, R.AТрехмерная модель теплового вреда для литий-ионных элементов. J.

Источники энергии2007 , №170, №476.

26. Мандал, BK; Padhi, AK; Shi, Z.; Chakraborty, S.; Filler, R.Термальные ингибиторы утечки на литиевый аккумулятор

. Электролиты.J.PowerSources2006, 161, 1341.

27. Liu, R.; Chen, J.; Xun, J.; Jiao, K. ; Du, Q. Численное исследование теплового поведения влитий-ионном

аккумулятор разряда стека.Appl.Energy2014, 132, 288.

28 . Kshetrimayum, KS; Yoon, Y.-G.; Gye, H.-R.; Автомобильные БатареиМодули использующиеинтегрированныйPCMиМикроканальныйPlateCooling

System.Appl.Therm.Eng.2019, 159, 113797.

29. Wu, P.; Jan, R.; FENG, X.; Zhang, M .; Lu, L.; He, X.; Ouyang, M.ThermalRunawayРаспространение внутри

Модуль

Состоит изLargeFormatLi ‐ IonCells; SAE‐ ChinaCongress2015; SelectedPapers2016; Springer: 

Singapore, 2015.

30. Yang, J.; Yan, H.; Tian, ​​C.;  Ли, Дж.Изучение методовавтоматическойсваркидляаккумуляторнойпакновых

EnergyAutomobiles.Adv.Mater.Res.2014, 986, 923. 

31.Ян, J.; Tian, ​​C.; Hu, H.; Yan, H.ИсследованиеOrthogonalTestofSpotWeldingParametersofpower

аккумуляторных пакетов. Appl.Mech.Mater.2015, 716, 1118.

32. Feng, X.; He, X.; Ouyang, M.; Lu , L.; Wu, P.; Kulp, C.; Prasser, S.Тепловая модель распространениядля

, проектирующаябезопасныйаккумуляторс 25AhLiNixCoyMnzO2большойформатлитий-ионныйбатарея.Appl.Energy

2015, 154, 74.

33. Ma, Y.; Ten g, H. ; «Thelliez, M.Electro-ThermalModelingaLithium-ion BatterySystem.SAEInt.J.Eng.

2010, 3, 306.

34. Lee, KJ; Smith, K.; Pesaran, A.; Kim, GHТрехмернаятепловая, электрическая‐и

модель с электрохимической связью для литий-ионных аккумуляторов большого формата с цилиндрической обмоткой. 2013, 241, 20.

35. Lai, Y.; Wu, W.; Chen, K.; Wan g, S.; Xin, C.A компактный, легкий, с жидкостным охлаждением, тепловой

, решение для управления цилиндрическими ионно-литиевыми батареями.HeatMassTransfer2019, 144, 

118581.

Управление температурой 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.

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

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

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

Источники тепла и 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, так как нет ничего, что могло бы помешать пользователю продолжать подавать 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, протекающие в ячейках, могут быть экзотермическими, добавляясь к выделяемому теплу, или они могут быть эндотермическими, поглощая тепло в процессе химического воздействия. Поэтому перегрев с большей вероятностью будет проблемой при экзотермических реакциях, в которых химическая реакция усиливает тепло, выделяемое током, а не эндотермическими реакциями, 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 ситуаций Джоулев нагрев будет превышать эффект эндотермического охлаждения, поэтому меры предосторожности все же необходимо принимать.

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

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

Внешнее тепловое воздействие

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

Температура — ускоритель

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

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

Тепловая мощность — конфликт

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

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

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

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

Температурные характеристики аккумуляторных батарей EV и HEV

Подобные конфликты возникают с аккумуляторами 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 высокотемпературной среде, может привести к тепловому неуправлению, 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, усиливает резистивный нагрев из-за протекания тока внутри элемента.
  • Слишком высокая температура окружающей среды.
  • Недостаточное охлаждение

Если не будут приняты какие-либо защитные меры, последствиями теплового разгона могут быть расплавление элемента или повышение давления, приводящее 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.

Регуляторы температуры

Отопление

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

Конструкторские цели

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

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

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

    Пассивное рассеяние можно еще больше улучшить, установив ячейки в блок из теплопроводящего материала, который действует как теплоотвод. Теплопередача от ячеек может быть максимизирована, если для этой цели используется материал с фазовым переходом (PCM), поскольку он также поглощает скрытую теплоту фазового перехода при переходе из твердого в жидкое состояние. Находясь в жидком состоянии, конвекция также вступает в игру, увеличивая потенциал теплового потока и выравнивая температуру в 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, как ожидается, будут достигнуты за счет использования химического состава батарей с высокой плотностью энергии.

Рекуперация тепла

В некоторых приложениях, например, в электромобилях, как отмечалось 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 климат-контролем транспортного средства.Однако это полезно только в холодную погоду. В жарком климате высокая температура окружающей среды ложится дополнительным бременем на управление температурным режимом батареи.

Тепловая мощность аккумулятора.Расчет мощности стальных радиаторов. И с какой температурой будет греть радиатор

Реальное тепловыделение радиаторов разных типов продолжает оставаться предметом споров, которые не утихают на различных интернет-сайтах и ​​форумах. Споры ведутся в разрезе того, кто из них лучший по этому показателю, что в конечном итоге влияет на выбор пользователями того или иного отопительного прибора. Поэтому имеет смысл сравнить тепловыделение разных типов радиаторов, оценив их реальную теплоотдачу.О чем говорится в представленном вашему вниманию материале.

Зачем рассчитывать мощность, необходимую для радиаторов?

Быстро рассчитайте тепловую мощность, необходимую для обогрева помещения. Расчет мощности нагрева имеет первостепенное значение для вашего комфорта, а также для вашего кошелька.

Рассчитайте мощность, необходимую для ваших электрических обогревателей
Этот калькулятор позволяет рассчитать мощность, необходимую для обогрева вашей комнаты электрическими обогревателями. Таким образом, у вас будет вся информация для выбора ваших будущих радиаторов.

Ваша комната меньше 30 м², достаточно одного радиатора. Ваша комната 30 м², достаточно одного радиатора. Объем вашей комнаты важен. Ваша комната более 30 м², достаточно одного радиатора. Поместите радиатор как можно ближе к источникам холодного воздуха, чтобы не создавать в помещении холодных и жарких зон. Результат этой модели не может быть определен с введенными данными.

Всегда необходимо начинать с технического паспорта, который прилагается к товару производителем.В нем вы точно найдете интересующие вас данные, а именно — тепловая мощность одной секции или панельный радиатор определенного размера. Но не спешите восхищаться отличными характеристиками алюминиевых или биметаллических батарей, цифра, указанная в паспорте, не окончательная и требует регулировки, для чего необходимо рассчитать теплоотдачу.

Проверьте записи и нажмите кнопку преобразования. Результат этого моделирования предоставляется только для информации и не имеет контрактной стоимости.


Умение управлять потреблением тепла позволяет сэкономить деньги. Вот несколько советов по минимизации счетов за электроэнергию.

Качество изоляции — важный критерий

Инерционные радиаторы являются наименее энергоемкими электрическими обогревателями и обеспечивают лучший тепловой комфорт. Но для этого нужно выбрать свою силу и адаптировать ее к комнате, которую вы хотите отапливать. Качество изоляции вашего дома имеет решающее значение при выборе мощности ваших инерционных радиаторов. Действительно, хорошая теплоизоляция подразумевает меньшие потребности в обогреве и, как следствие, меньшие затраты на подсчет.Если вы греете электричество, вам лучше изолировать свой дом в первую очередь.

Часто можно услышать такие суждения: мощность алюминиевых радиаторов самая высокая, потому что общеизвестно, что теплопередача меди и алюминия лучшая среди других металлов. Медь и алюминий обладают лучшей теплопроводностью, это действительно так, но передача тепла зависит от многих факторов, о которых будет сказано позже.


Изоляция чердаков и стен может снизить до 50% теплопотерь, то есть 50% потребности в отоплении.Это повлияет на мощность ваших радиаторов. Рассчитайте экономию от утепления чердака и стен. Потребность в обогреве жилья также зависит от климатических условий. Чем ниже температура наружного воздуха, тем больше энергии вам потребуется для нагрева до желаемой температуры. Следовательно, не все регионы относятся к одной категории. Рассчитайте инструменты возобновления энергии, предлагаемые моим регионом.

Степень вашего комфорта определяет мощность радиаторов

И, наконец, желаемая температура внутри вашего дома повлияет на мощность ваших радиаторов.Чем выше температура, тем больше потребность в обогреве. Подводя итог, можно сказать, что у вашего комфорта есть цена. Оцените экономию за счет установки инерционных радиаторов.

Зарегистрированная в паспорте обогревателя теплопередача соответствует истине, когда разница между средней температурой теплоносителя ( т корма + т возврат) / 2 и в помещении составляет 70 ° С. По формуле , это выражается так:

( т корма + т возврат) / 2- т воздух = 70 ° C

Для справки.В документации на продукцию разных фирм этот параметр может указываться по-разному: dt, Δt или DT, а иногда просто пишется «при разнице температур 70 ° C».

Конкретно какая мощность вам нужна?

Выбор радиатора не является синекурой: все виды мощности и многие технологии сосуществуют с радостью производителей, которые приспосабливаются к различным ситуациям и имеют свои преимущества. Вы выбрали свой радиатор, но не знаете, какую ссылку выбрать.По последнему критерию у вас есть выбор между низким, средним и сильным. Просто выберите модель выше этого рейтинга, чтобы обеспечить мягкую температуру и полезное тепло в вашем доме. Инерционный радиатор, чугунный блок.

Инерционный радиатор — это тип, также называемый мягким радиатором. На этом практическом листе мы увидим различные преимущества и характеристики этого типа устройства. Одно из преимуществ, как следует из названия, заключается в чугунном сердечнике, нагреваемом за счет сопротивления. Тогда последний восстановит накопленное тепло по всему помещению, от пола до потолка, без эффекта конвекции.Говорят, что это перераспределение тепла осуществляется за счет излучения.

Что означает в документации на биметаллический радиатор: тепловая мощность одной секции составляет 200 Вт при DT = 70 ° C? Разберитесь в этой же формуле, только нужно подставить в нее определенное значение комнатной температуры — 22 ° С и произвести расчет в обратном порядке:

( t корма + t возврат) = (70 + 22) x 2 = 184 ° C

Зная, что разница температур в подающем и обратном трубопроводах не должна быть более 20 ° С, необходимо определить их значения таким образом:

Радиатор инерционный, алюминиевый блок

Это тип, также называемый мягкий радиатор.Такой инерционный радиатор имеет алюминиевый блок, который нагревается резистором. Почему выбирают инерционный радиатор? Инерционный радиатор сохраняет энергию перед ее перераспределением в помещении. Эта модель характеризуется полной однородностью рассеянного тепла. Никаких рывков или резких повышений температуры, которые могут вызвать дискомфорт, с этим типом радиаторов нагревание мягкое и контролируемое.

Кроме того, даже при гашении инерционный радиатор может продолжать рассеивать накопленное тепло.Точно так же при перераспределении тепла радиатор разрезает и позволяет не потреблять электроэнергию таким же образом. Инерционные радиаторы оснащены термостатом для регулирования их температуры. Вы можете определить степень нагрева, которую хотите в своем камине.

  • т корма = 184/2 + 10 = 102 ° C;
  • t возврат = 184/2 — 10 = 82 ° C.

Теперь понятно, что 1 секционный биметаллический радиатор из примера даст 200 Вт тепла при условии, что в подающей магистрали будет вода, нагретая до 102 ° С, а в помещении установится комфортная температура 22 ° С. .Первое условие нереально, так как в современных котлах нагрев ограничен до 80 ° C, а значит, батарея никогда не сможет отдать заявленные 200 Вт тепла. Да и редкий случай, когда теплоноситель в частном доме нагревается до такой степени, что обычный максимум составляет 70 ° C, что соответствует DT = 38-40 ° C.

Наконец, лучистое отопление не сушит воздух. и не вытесняет пыль. Инерционный радиатор позволяет оборудовать малоизолированные части и правильно их обогреть, без значительных энергозатрат.К тому же, в отличие от обычных конвекторов, инерционный радиатор не пересыхает с окружающим воздухом, это реальное повышение комфорта и плюс для здоровья. Преимущество алюминиевого блока заключается в том, что он очень быстро нагревается, что создает настоящее тепло вскоре после включения устройства. Кроме того, устройство меньше в работе, что снова снижает потребление энергии. Когда кладете материал, то спокойны. Наконец, после установки обслуживание не требуется. . Сколько стоит инерционный радиатор?

Порядок расчета

Получается, что реальная емкость батареи отопления намного ниже заявленной в паспорте, но для ее выбора необходимо понимать насколько.Для этого есть простой способ: применить понижающий коэффициент к начальному значению тепловой мощности нагревателя. Ниже приведена таблица, в которой записаны значения коэффициентов, на которые следует умножить лучистую теплопередачу радиатора в зависимости от значения DT:

Радиаторы теплообменные

Тем не менее он имеет отличный комфорт для обогрева, и нет необходимости включать его весь день. Таким образом, стоимость радиатора быстро покрывается электричеством.Не стоит упускать из виду важный момент при выборе. Новинка в большом семействе радиаторов предлагает множество преимуществ для тех, кто хочет оборудовать или переоборудовать самую современную технику и предложить тепло и комфорт. Давайте посмотрим на различные элементы, из которых состоит именно этот радиатор.

Это оригинальный радиатор с инерцией, то есть он генерирует тепло и удерживает его, так что он может постепенно рассеиваться. Более традиционные системы включают блоки из чугуна или алюминия, которые нагреваются при воздействии, затем электрический резистор рассеивает эту накопленную энергию, и тело, транспортирующее этот известный хладагент, в основном на основе гликоля или масла, циркулирует вокруг радиатора по замкнутому контуру.распределяет нужную температуру в помещении.

Алгоритм расчета истинной теплоотдачи отопительных приборов для ваших индивидуальных условий следующий:

  1. Определите, какой должна быть температура в доме и воде в системе.
  2. Подставьте эти значения в формулу и вычислите реальное значение Δt.
  3. Найдите соответствующий коэффициент в таблице.
  4. Умножьте коэффициент теплопередачи на радиатор.
  5. Подсчитайте количество обогревателей, необходимое для обогрева помещения.

Для приведенного выше примера тепловая мощность 1 секции биметаллического радиатора составляет 200 Вт x 0,48 = 96 Вт. Итак, для обогрева помещения площадью 10 м2 нужно 1 тыс. Вт тепла или 1000/96 = 10,4 = 11 секций (округление всегда идет в большую сторону).

Почему выбирают охладитель охлаждающей жидкости? Это радиатор, который можно назвать мягким теплом, потому что он рассеивает непрерывно, тонко и однородно. Сохраняется естественная влажность воздуха по сравнению с другими моделями электронагревателей.Настоящий плюс для здоровья и комфорта всех членов вашей семьи или жителей дома.

Радиаторы теплопередачи запрограммированы на необходимую степень. Вы можете установить идеальную для вас температуру, тепло будет быстро сближаться и, прежде всего, не будет ощущения резкого повышения температуры, как в случае с некоторыми конвекторами.

Приведенную таблицу и расчет теплоотдачи аккумуляторов следует использовать, когда в документации указано Δt равное 70 ° С.Но бывает, что для разных приборов от некоторых производителей мощность радиатора указывается при Δt = 50 ° С. Тогда можно не использовать этот способ, проще набрать необходимое количество секций по паспортной характеристике, только взять их количество с полуторной пачкой.

Являясь инерционным радиатором, он сохраняет тепло даже при выключении питания. Тепло распространяется не только по фасаду, но и повсюду, что создает в помещении впечатление мягкости.Кроме того, вы сохраняете постоянное тепло за счет циркуляции охлаждающей жидкости и ее термостата, регулируемого по степени нагрева. Инерция позволяет мягко распределять выделяемое тепло для меньшего использования при одновременной экономии энергии. Поскольку радиатор электрический, установка достаточно упрощена и доступна всем. В течение нескольких месяцев обслуживание не требуется, за исключением небольшого количества домашних хозяйств. Сколько стоит охладитель охлаждающей жидкости?

Для справки. Многие производители указывают значения теплопередачи при таких условиях: t подачи = 90 ° C, t return = 70 ° C, t air = 20 ° C, что соответствует Δt = 50 ° C.

Сравнение тепловой мощности

Если вы внимательно изучили предыдущий раздел, то должны понять, что на теплоотдачу очень влияют температуры воздуха и охлаждающей жидкости, и эти характеристики мало зависят от самого радиатора. Но есть третий фактор — площадь поверхности теплопередачи, и здесь большую роль играет дизайн и форма изделия. Поэтому сравнивать стальной панельный обогреватель с чугунным сложно, слишком разные их поверхности.

Однако экономия энергии по сравнению со стандартной моделью электрического радиатора со временем делает его экономически выгодным вложением. Позволяют мягко рассеивать тепло, поэтому их называют «радиаторами с мягким теплом». Его принцип прост: тепло создается за счет электрического сопротивления, после чего пластина сопротивления передает тепло в виде инфракрасного излучения через перфорированный фасад или стеклянную пластину. Стабильная поверхность, нагретая до низкой температуры, излучает свое излучение, непосредственно нагревая предметы, стены или людей.

Тепло равномерно распределяется по помещению, где установлен радиатор. Преимущество этого в том, что он не перемещает пыль и, следовательно, не ощущается, не создает шума и не затемняет стены. Это самые распространенные и самые распространенные электрические радиаторы. Как следует из названия, он работает по принципу конвекции, то есть воздух поступает в нижнюю часть устройства, нагревается электрическим резистором и выходит через его верхнюю часть. Горячий воздух менее плотный, чем холодный, он естественным образом поднимается, чтобы обеспечить постоянную температуру.

Четвертым фактором, влияющим на теплопередачу, является материал, из которого изготовлен утеплитель. Сравните себя: 5 секций алюминиевого радиатора GLOBAL VOX высотой 600 мм дадут 635 Вт при DT = 50 ° С. Чугунная модернизация DIANA (GURATEC) такой же высоты и такого же количества секций сможет. выдавать всего 530 Вт при тех же условиях (Δt = 50 ° C). Эти данные публикуются на официальных сайтах производителей.

Первое преимущество — это чрезвычайно доступная цена, особенно при полной установке, например, нового дома.Это решение также подразумевает предельно упрощенную реализацию, доступную всем. Действительно, что касается электрического сопротивления, требуется немного времени, чтобы достичь правильной температуры и рассеять теплый воздух в вашей комнате. Тепло быстро превращается в ваше жилое пространство. . «Прикрепите полезное для удовольствия», — это может быть рекламный слоган, прикрепленный к нижней части каждого полотенцесушителя, поскольку это устройство приносит комфорт в вашу ванную комнату.

Примечание. Характеристики алюминиевых и биметаллических изделий по тепловой мощности практически идентичны, сравнивать их нет смысла.

Можно попробовать сравнить алюминиевый панельный радиатор со стальным, взяв максимально приближенный размер, подходящий по размеру. Указанные 5 алюминиевых профилей GLOBAL высотой 600 мм имеют общую длину около 400 мм, что соответствует стальной панели KERMI 600х400. Получается, что даже трехрядный стальной прибор (тип 30) выдаст всего 572 Вт при Δt = 50 ° С. Но надо учитывать, что глубина радиатора GLOBAL VOX составляет всего 95 мм, а панелей KERMI — почти 160 мм.То есть дает о себе знать высокая теплоотдача алюминия, что отражается на габаритах.

Этот радиатор приносит мягкое тепло, согревающие полотенца, которые разбудят вас утром на правой ноге. Он просто соединяется с током в доме. Однако существует две версии системы. Радиатор для полотенец: его бесшумное электрическое сопротивление отводит тепло, иногда немного медленное, но одинаково однородное и приятное. Для маленькой ванной это чувство возникает сразу, и эта модель будет настоятельно рекомендована, если ваша комната используется постоянно в течение долгих часов.

  • Сушилка для полотенец: нагревает воздух в доме, в ванной и полотенца.
  • Идеально подходит для обогрева помещения.
Почему стоит выбрать сушилку для полотенец?

В условиях индивидуальной системы отопления частного дома батареи одинаковой емкости, но из разных металлов, будут работать по-разному. Поэтому сравнение вполне предсказуемо:

  1. Биметаллические и алюминиевые изделия быстро нагреваются и остывают. Давая больше тепла в течение определенного периода времени, они возвращают в систему более холодную воду.
  2. Стальные панельные радиаторы занимают среднее положение, так как не так интенсивно передают тепло. Но они дешевле и проще в установке.
  3. Самыми инертными и дорогими являются нагреватели из чугуна, для них характерен длительный прогрев и охлаждение, из-за чего возникает небольшая задержка при автоматическом регулировании потока теплоносителя термостатическими головками.

Из вышесказанного напрашивается простой вывод. Неважно, из какого материала изготовлен радиатор, главное, чтобы он был правильно подобран по мощности и подходил пользователю по всем параметрам.В общем, для сравнения неплохо ознакомиться со всеми нюансами работы того или иного устройства, а также где его можно установить.

Сравнение остальных характеристик

Об одной характеристике батареи — инерции — уже упоминалось выше. Но чтобы сравнение радиаторов отопления было корректным, его нужно производить не только по теплоотдаче, но и по другим важным параметрам:

  • рабочее и максимальное давление;
  • количество воды, которое можно взять;
  • масс.

Ограничение рабочего давления определяет, можно ли устанавливать обогреватель в многоэтажных домах, где высота водяного столба может достигать сотен метров. Кстати, это ограничение не распространяется на частные дома, где давление в сети невысокое по определению. Сравнение мощности радиаторов может дать представление об общем количестве воды в системе, которую придется нагреть. Что ж, масса изделия важна при определении места и способа его крепления.

В качестве примера ниже приведена сравнительная таблица характеристик различных радиаторов отопления одного типоразмера:


Примечание. В таблице на 1 единицу принят нагреватель из 5 секций, кроме стальной, которая представляет собой одиночную панель.

Заключение

Если сравнить более широкий круг производителей, все же станет ясно, что теплоотдача и другие характеристики прочно удерживаются первыми алюминиевыми радиаторами.Биметаллические обойдутся дороже, что не всегда оправдано, так как они лучше только по рабочему давлению. Стальные батареи — это более бюджетный вариант, а чугунные, наоборот — для ценителей. Если не брать в расчет советскую чугунную «гармошку» MC140, ретро-радиаторы самые дорогие из всех существующих.

Прежде чем вы изучите достаточно простой и надежный способ расчета тепловой мощности радиаторов, следует напомнить, что тепловая мощность радиатора является компенсацией тепловых потерь помещения.

Итак, в идеале расчет имеет простейший вид: на каждые 10 кв. Км. м. отапливаемой площади необходимо 1 кВт теплоотдачи радиатора отопления. Однако разные помещения по-разному утеплены и имеют разные теплопотери, поэтому, как и в случае с котлом, необходимо использовать коэффициенты.

В случае, если дом хорошо изолирован, обычно используется коэффициент 1,15. То есть мощность радиаторов должна быть выше идеальной (10 м.кв. — 1 кВт) на 15%.

Здесь стоит уточнить: существует три режима систем отопления помещений. Низкотемпературный (температура теплоносителя в радиаторах 45 — 55 градусов), Среднетемпературный (температура теплоносителя в радиаторах отопления 55 — 70 градусов) и Высокотемпературный (температура теплоносителя в радиаторах отопления 70 — 90 градусов).

Все дальнейшие расчеты необходимо проводить с четким пониманием того, на какой режим котла будет рассчитана ваша система отопления.Чтобы регулировать температуру в отопительных контурах разными способами, сейчас не об этом, но если вас интересует что-то еще, можете почитать.

Перейдем к радиаторам. Для правильного расчета теплоемкости системы отопления нам понадобится несколько параметров, указанных в технических паспортах радиаторов. Первый параметр — мощность в киловаттах. Некоторые производители указывают емкость как расход охлаждающей жидкости в литрах. (для справки 1 литр — 1 кВт).Второй параметр — это расчетный перепад температуры — 90/70 или 55/45. Это означает следующее: Радиатор отопления выдает заявленную производителем мощность при охлаждении теплоносителя в нем с 90 до 70 градусов. Для простоты восприятия скажу, что для того, чтобы выбранный радиатор выдавал примерно заявленную мощность, средняя температура в системе отопления вашего дома должна составлять 80 градусов. Если температура теплоносителя ниже, то необходимой теплоотдачи не произойдет.Однако следует отметить, что маркировка радиатора отопления 90/70 не означает, что он используется только в высокотемпературных системах отопления, его можно использовать в любых, необходимо просто пересчитать мощность, которую он будет выдавать.

Как это сделать: тепловая мощность радиатора рассчитывается по формуле:

Q = K x A x ΔT

Q — мощность радиатора (Вт)

K — коэффициент теплоотдачи (Вт / м.кв. C)

A — площадь поверхности теплопередачи в м.

ΔT — температурный напор (если показатель 90/70, то ΔT 80, если 70/50 ΔT — 60 и т. Д.) средний )

Как пользоваться формулой:

Q — мощность радиатора и ΔT — температурный напор указаны в паспорте радиатора. Имея эти два индикатора, мы вычисляем оставшиеся неизвестные K, и A. Кроме того, , для дальнейших расчетов они должны быть только в виде единого индикатора, площадь теплоотдачи радиатора, а также его коэффициент теплоотдачи не следует рассчитывать вообще.Далее, имея необходимые составляющие формулы, несложно рассчитать мощность радиатора для различных температурных систем отопления.

Пример:

У нас есть комната 20 кв. м., дома плохо утеплены. Ожидаем, что температура теплоносителя будет примерно 50 градусов ( как в доброй половине квартир нашего дома ).

Для справки — большинство производителей указывают в технических паспортах радиаторов давление напора равное (90/70), поэтому часто бывает необходимо пересчитать мощность радиаторов.

1. 20 кв.м. — 2 кВтч (коэффициент 1,3) = 2,6 кВт (2600 Вт) Необходимо для обогрева помещения.

2. Выбрать понравившийся радиатор. Данные радиатора Мощность (Q) = 1940 Вт. Температурный напор ΔT (90/70) = 80.

3. Подставляем в формулу:

К x A = 1940/80

Имеем: 24,25 х 80 = 1940

4. Подставляем 50 градусов вместо 80

24,25 x 50 = 1212,5

5. И мы понимаем, что нужно отапливать площадь 20 кв.Таких радиаторов нужно чуть больше двух.

1212,5 Вт. + 1212,5 вт. = 2425 Вт. с потребляемой мощностью 2600 Вт.

6. Идем выбирать другие радиаторы.

Поправки на варианты подключения радиаторов.

По способу подключения радиаторов так же завитки их теплоотдачи. Ниже представлена ​​таблица факторов, которые следует учитывать при проектировании системы отопления. Не лишним будет напомнить, что направление движения теплоносителя в этом случае играет огромную роль.Особенно он будет полезен тем, кто самостоятельно монтирует систему отопления в доме, профи в этом редко ошибаются.

Артикул: В некоторых моделях современных радиаторов отопления, хотя внешне они имеют нижнее подключение (так называемые «бинокли»), на самом деле используется схема подачи теплоносителя сверху вниз по внутренним коммутационным каналам.

Секционные, комплектные радиаторы с таким внутренним перенаправлением потока теплоносителя — такого нет.

Поправки по размещению радиаторов.

От того, в каком месте и как размещен радиатор, зависит то же его теплоотдача. Как правило, радиатор ставят под оконные проемы. В идеале ширина самого радиатора должна соответствовать ширине окна. Это делается для того, чтобы создать тепловую завесу перед источником охлаждения и увеличить конвекцию воздуха в помещении. (Радиатор, установленный под окном, нагревает комнату намного быстрее, чем если бы он был установлен в другом месте.)

Ниже представлена ​​таблица коэффициентов корректировки расчета необходимой тепловой мощности радиаторов.


Пример:

Если к нашему предыдущему примеру (представьте, что мы подобрали радиаторы на требуемую мощность 2,6 кВт) добавить введение, что подключение к радиаторам производилось только снизу, а сами они утоплены под порогом, то имеем следующее исправления.

2,6 кВт x 0.88 x 1,05 = 2,40 кВт

Вывод: из-за неэффективного подключения теряем 200 Вт тепловой мощности, а значит, нужно снова возвращаться и более эффективно искать радиаторы.

Благодаря этим несложным методикам вы легко сможете рассчитать необходимую тепловую мощность радиаторов в системе отопления вашего дома.

Как мне оценить время работы от аккумулятора моего нагретого устройства?

Обзор

Один из наиболее часто задаваемых сегодня вопросов новаторов и предпринимателей, стремящихся создать идеальный продукт, обеспечивающий комфорт потребителя, — это: могу ли я питать свой гаджет от аккумулятора? Этот пост поможет вам понять требования и проблемы использования аккумулятора для работы нагретого устройства.Все сводится к вопросам, насколько большой, насколько горячий и какой длины? Поскольку выбор батарей практически безграничен, цель этого поста — предоставить вам основную информацию, которую должен иметь , чтобы проконсультироваться со специалистом по батареям, который поможет вам с выбором.

Давайте рассмотрим основы. Тепловыделение зависит от удельной мощности, условий окружающей среды и тепловых потерь (или прироста). Плотность ватт — это количество произведенной мощности, деленное на площадь, производящую мощность, которую чаще всего называют ваттами на квадратный дюйм.

Пример из реальной жизни: я разработал мобильный лоток для подогрева и теперь хочу продать его болельщикам из Мичигана для футбольных матчей. Размер лотка составляет 8 дюймов на 8 дюймов, в нем используется технология толстопленочного полимерного нагревателя. Я хочу, чтобы нагреватель разогревался примерно до 165 ° F и мог работать около двух с половиной часов. Он будет изолирован, будет иметь термостат и должен работать от батареи. Что теперь?

ШАГ 1 — Установите целевую температуру

Когда все сказано и сделано, установление максимальной рабочей температуры элемента, который вы разрабатываете, является основным фактором при оценке ваших вариантов.Не обязательно зацикливаться на этом, но чем больше переменных вы учитываете, тем точнее вы сможете предсказать результат. Будут ли тепловые воздействия, такие как изоляция, воздушный поток или большие тепловые массы, добавляющие или уменьшающие возможности обогревателя?

Для нашего примера давайте выберем комфортную рабочую температуру 60 градусов

ШАГ 2 — Оцените мощность

После того, как вы определили желаемую температуру в своем устройстве, вы можете определить требуемую мощность в ваттах на квадратный дюйм, выполнив несколько простых тестов (см. Сообщение в нашем блоге « Как определить требуемую плотность ватт в моем устройстве. приложение »для получения инструкций по проведению простого теста для этого).

Еще один способ получить общее представление о том, какая мощность может вам понадобиться, — это посмотреть на приведенную ниже таблицу, выбрать желаемую рабочую температуру и отметить соответствующую удельную мощность в ваттах. Обратите внимание, что диаграмма отображает тепловую мощность на открытом воздухе на алюминии, поэтому учитывайте окружающую среду и отрегулируйте ее соответствующим образом.

Наша подушка сиденья с подогревом будет изолирована подушкой снизу (предполагая, что более низкая плотность может быть приемлемой) и контролироваться термостатом (предполагая, что более высокая плотность может быть приемлемой для быстрого нагрева), поэтому мы разделим разницу и начнем наше тестирование со стандартной базовой линией для 60 градусов по Фаренгейту.Глядя на диаграмму ниже, 60F соответствует примерно 0,5 Вт на квадратный дюйм.

Расчет мощности

8 дюймов x 8 дюймов = 81 квадратный дюйм

64 SQ IN x 0,75 WPSI = 48 Вт (расчетное значение для достижения 165 градусов F в приложении).

ШАГ 3 — Сведения об ампер-часах

Определение постоянной нагрузки или мощности, которая требуется, — это большая часть битвы, поэтому теперь, когда у нас есть процесс для этого, мы можем перейти к подготовке к разговору со специалистом по аккумуляторным батареям.Подобно тому, как термин « ватт-плотность » используется разработчиками нагревателей, термин, используемый в мире аккумуляторов, — « ампер-часов, ». Ампер-час — это единица измерения, используемая для выражения емкости аккумулятора с течением времени. Он рассчитывается путем умножения силы тока (в амперах) на время разряда (в часах).

Чтобы рассчитать силу тока для нашей батареи, вам будет предложено установить напряжение. Хорошие новости! Нагреватели могут быть рассчитаны на очень широкий диапазон напряжений с.

В нашем примере мы укажем аккумулятор на 12 В в качестве отправной точки. Помня, что мощность (P) равна напряжению (В), умноженному на ток (I)

P = V x I или I = P / V

I = 48 Вт / 12 В

I = 4 А

Логика подсказывает, что аккумулятор на 12 В с номиналом 10 Ач проработает около 2,5 часов, когда нагрузка потребляет 4 А, верно? Что ж, вроде как правда. Есть вещи, называемые температурными колебаниями и законом Пойкерта, который говорит, что это не совсем так, но мы оставим детали этого вопроса специалистам по аккумуляторным батареям.Достаточно сказать, что вы всегда можете рассчитывать на то, что батарея прослужит меньше, чем вы ожидаете…

ШАГ 4. Проконсультируйтесь со специалистом по аккумуляторным батареям

Здесь процесс становится интересным, и вам нужно будет проконсультироваться со специалистом по аккумуляторным батареям, чтобы определить наилучшее сочетание размера, напряжения и срока службы для вашего приложения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.