Как увеличить теплоотдачу батарей отопления своими руками: Как увеличить теплоотдачу батарей | Блог Ангстрем

повышаем температуру в отопительный сезон

Часто в квартирах, особенно старой застройки, с каждым годом зимой становится всё холоднее. Людям приходится приобретать и использовать электрические отопительные приборы, что приводит к существенному повышению стоимости коммунальных услуг. Но зачем переплачивать за перерасход электроэнергии, если есть более дешёвые варианты исправления ситуации? Сегодня мы расскажем о простых способах увеличения теплоотдачи батарей отопления, которые не требуют значительных затрат, воплотить в жизнь которые вполне по силам любому домашнему мастеру. Стоит рассмотреть и причины, приводящие к снижению температуры в помещении.

Забитые каналы секций радиатора – частая причина снижения температуры в помещении

Содержание статьи

• 1 Частые причины уменьшения теплоотдачи батареи отопления
  • 1.1 Используем экран-отражатель: применение вспененного полиэтилена
  • 1.2 Увеличение теплоотдачи при помощи дополнительных приспособлений и окраски
  • 1. 3 Улучшение конвекции, путём увеличения циркуляции воздуха
• 2 Общие правила улучшения теплоотдачи радиаторов отопления
• 3 Подведём итог

Частые причины уменьшения теплоотдачи батареи отопления

Чаще всего причиной уменьшения теплоотдачи радиаторов становится накипь и ржавчина, скапливающаяся внутри. Если сам радиатор промыть (что должны делать коммунальные службы ежегодно), то теплоотдача значительно увеличится. То же касается и стояков отопления. Однако, своими силами такую процедуру произвести не удастся по причине того, что при производстве подобных работ (даже летом) необходим слив воды из системы. Без помощи специалистов здесь не обойтись. Это же касается и замены радиаторов с чугунных на биметаллические – они имеют большую теплоотдачу. Поэтому на столь сложных и трудоёмких вариантах мы останавливаться не будем. Лучше рассмотрим более простые способы, выполнить которые сможет любой домашний мастер, даже не имеющий опыта работ в подобной области.

Теплоотдача биметаллических радиаторов выше, чем у чугуна

Используем экран-отражатель: применение вспененного полиэтилена

Использование отражающего экрана – довольно популярный метод увеличения теплоотдачи. Вспененный полиэтилен с фольгированным покрытием с одной стороны прекрасно подходит для этих целей. Такой экран (он должен быть больше самого радиатора) помещается за батареей фольгой в направлении комнаты и фиксируется на стене на двухсторонний скотч или жидкие гвозди. Вспененный полиэтилен обеспечивает дополнительное утепление, а фольга отражает тепло, которое до установки экрана прогревало стену, направляя его в помещение.

Важная информация! Лучше всего, когда такие моменты продумываются ещё на этапе монтажа батарей отопления. В этом случае за радиатором можно закрепить стальной ребристый щит, который будет накапливать тепло, после чего направлять его в комнату. Такие щиты удобны, если часто происходят отключения отопления.

Примерно так выглядит экран из фольгированного вспененного полиэтилена

Также в роли экрана неплохо себя зарекомендовали базальтовые плиты с алюминиевым покрытием.

Увеличение теплоотдачи при помощи дополнительных приспособлений и окраски

Для увеличения температуры воздуха в помещении используют специальные кожухи из алюминия, которые одеваются на радиатор. С их помощью увеличивается площадь батареи отопления и, как следствие, их теплоотдача. Стоимость подобных кожухов невелика, а эффект довольно значителен.

Цвет, в который окрашены батареи отопления, тоже имеет большое значение. Лучше для этих целей выбрать более тёмные оттенки. К примеру, радиатор, окрашенный в коричневый цвет имеет теплоотдачу больше, чем белые, на 20-25%.

Такой кожух улучшает внешний вид и увеличивает теплоотдачу

Улучшение конвекции, путём увеличения циркуляции воздуха

Каждый знает, что улучшение циркуляции воздуха способствует более быстрому прогреву помещения. Для этих целей можно использовать вентилятор, который устанавливается таким образом, чтобы достигнуть максимального потока тёплого воздуха в сторону помещения.

Полезная информация! Если дома имеются кулеры от компьютеров, которые не используются, можно их установить под радиатором, направив поток воздуха вверх. Это максимально увеличит конвекцию, в результате чего в комнате станет значительно теплее.

Увеличить конвекцию (если радиатор утоплен под подоконником) можно, прорезав в подоконнике отверстия и закрыв их экранами или декоративными крышками. Таким образом, тёплый воздух не будет задерживаться в нише, что улучшит циркуляцию.

Эту страну не победить! Самостоятельный монтаж вентиляторов для улучшения конвекции:

Общие правила улучшения теплоотдачи радиаторов отопления

Для того чтобы в будущем не сталкиваться с уменьшением теплоотдачи батарей, стоит об этом подумать ещё на этапе монтажа радиаторов. Основными правилами являются:

• обязательное утепление стены за радиатором, возможная установка стального экрана;
• установка биметаллических батарей взамен чугунных;
• монтаж кранов на входе и выходе радиатора (это позволит при необходимости самостоятельно промыть секции или добавить дополнительные без отключения и слива всей системы).

Если соблюдать эти нехитрые правила при монтаже, впоследствии будет намного проще увеличить температуру в помещении без обращения за помощью к специалистам. А это дополнительная экономия семейного бюджета.

Не очень удачное решение:решётка перекрывает путь теплу, а подоконник добавляет проблем с конвекцией

Подведём итог

Способов увеличить теплоотдачу радиаторов отопления очень много. Сегодня мы рассмотрели лишь основные из них. Однако, следует помнить, что всегда проще всё продумать заранее, на стадии монтажа, чем прикладывать множество усилий впоследствии, без уверенности в том, что результат будет значительным. К сожалению, в России всё делается на «авось». Заключительным советом редакции Homius.ruбудет такая рекомендация: думайте о будущем и не жалейте средств при монтаже. Сэкономленные сегодня финансовые средства могут завтра обернуться затратами, которые в разы превысят Вашу экономию.

Наиболее оптимальный вариант – всё тепло поднимается вверх, благодаря чему создаётся нормальный теплообмен

Надеемся, что изложенная в сегодняшней статье информация была интересна и полезна нашему Уважаемому читателю. Несмотря на то, что мы постарались изложить всё достаточно подробно, возможно, у Вас остались вопросы по материалу. В этом случае задавайте их в обсуждениях ниже – редакция Homius.ru с удовольствием на них ответит в максимально сжатые сроки. Если вы знаете способ улучшить теплоотдачу радиаторов, который не нашёл отражения в сегодняшней статье, просим поделиться им с другими домашними мастерами – эта информация будет весьма полезна. А напоследок предлагаем посмотреть короткий, но достаточно информативный видеоролик по сегодняшней теме.

Watch this video on YouTube

 

Обсудить38

Предыдущая

Инженерия🔥 Невидимое тепло: гипсокартонное инфракрасное отопление

Следующая

Инженерия☀ Тепловая завеса на входную дверь: комфортная температура в помещении при любом морозе

Как увеличить теплоотдачу батареи центрального отопления максимально эффективно?

Централизованная система отопления предполагает подогрев теплоносителя в котельной и дальнейшее его распределение в жилые помещения с помощью системы труб и радиаторов. Чтобы нагрев был максимально эффективным и равномерным, необходимо подобрать правильные радиаторы, а также принять дополнительные меры для увеличения теплоотдачи.

В долгосрочной перспективе знание того, как увеличить теплоотдачу батареи центрального отопления, поможет собственнику добиться максимального комфортного и плавного обогрева своего жилища, и навсегда решить проблему холода в квартире при включенной системе отопления.

Содержание

• 1 От чего зависит уровень теплоотдачи батареи отопления?
• 2 Улучшение конвекции воздуха
  • 2.1 Использование электрического вентилятора для улучшения конвекции
  • 2.2 Обустройство отражающего экрана
  • 2.3 Продувка радиаторов

От чего зависит уровень теплоотдачи батареи отопления?

Чтобы понять принцип действия различных методов увеличения теплоотдачи, необходимо ознакомиться с переменными, влияющими на КПД батареи для отопления для центрального отопления, расположенной в квартире.

В общем понимании уровень теплоотдачи радиатора зависит от следующих факторов:

• материала, из которого он изготовлен;
• количества секций, влияющих на площадь теплоотдачи;
• типа обвязки радиатора трубопроводом;
• скорости циркуляции теплоносителя;
• уровня нагрева воды.

Также есть косвенные факторы, из-за которых на полную мощность не работает батарея отопления, подключенная к контуру, это:

1. образование воздушных пробок;
2. засорение радиаторов изнутри припоем, налетом или накипью;
3. использование декоративных коробов;
4. нанесения множества слоев краски на батарею;
5. наружное загрязнение радиатора пылью.

Улучшение конвекции воздуха

Среди самых простых методов, которые помогут понять, как увеличить теплоотдачу трубы отопления своими руками, является использование законов конвекции. Зачастую, в квартирах батареи заставлены предметами мебели, защищены декоративными коробами или скрыты за тяжелыми гардинами. Все эти элементы препятствуют циркуляции воздуха и в комнате довольно сложно добиться комфортных температурных условий, даже если отопление центральное работает на полную мощность.

Чтобы оптимизировать скорость воздушных потоков, необходимо максимально высвободить пространство вокруг радиатора.

Не встречая препятствий на своем пути, разогретый батареей воздух будет свободно перемещаться по комнате и обеспечит максимальный уровень нагрева, предусмотренный мощностью радиатора.

Использование электрического вентилятора для улучшения конвекции

Собственники, коим хорошо знакомы физические законы, согласно которым в домах проектируется отопление канализация водоснабжение, понимают, что скорость циркуляции воздуха влияет на теплоотдачу батареи. Чем быстрее циркулирует воздух в комнате, тем больше тепла он сможет забрать от радиатора за определенный период времени.

Чтобы улучшить естественную конвекцию, возле радиаторов могут быть установлены электрические вентиляторы. Отдавать предпочтение стоит бесшумным моделям, которые потребляет минимальное количество электроэнергии. Монтаж вентилятора стоит производить под определенным углом к батарее. Такой простой метод является довольно эффективным. Он способен поднять температуру в комнате на несколько градусов.

Обустройство отражающего экрана

В виде инструмента для увеличения теплоотдачи может использоваться фольга для батарей отопления, которая поможет направить поток тепловой энергии в помещение. От радиаторов, не оборудованных отражающим экраном, тепло расходиться во все стороны, в том числе отдается холодным наружным стенам. Экран помогает сфокусировать направление теплового потока и повысить температуру в комнате.

Конструкция экрана отличается простотой и доступностью. Он должен обладать большей площадью, нежели площадь радиаторов, и устанавливаться на чистую стену за батареей. Вместо фольги можно использовать фольгоизолон – специальный материал, который с одной стороны имеет вспененную основу, а с другой покрыт светоотражающей фольгой. Монтировать экран на стене нужно с помощью любого качественного строительного клея.

Продувка радиаторов

При сложных условиях работы батарея центрального отопления может со временем засориться или завоздушиться. Такие изменения сопровождаются плохой циркуляцией теплоносителя и появлением холодных секций. Устранить воздушные пробки и засоры поможет продувка батарей отопления – быстрый и экономичный способ увеличения теплоотдачи.

Существует несколько методов продувки, подразумевающих использование различных типов оборудования:

• гидравлическая продувка;
• прочистка при помощи химических растворов или кальцинированной соды;
• пневмогидроимпульсивная промывка;
• индивидуальная прочистка.

Использование одного или нескольких методов продувки радиаторов позволит добиться повышения эффективности работы радиаторов и позволит забыть про холод и дискомфорт в квартире.

Стоит помнить, что система центрального отопления – это сложная сеть радиаторов и трубопроводов.

Поэтому некоторые виды продувки батарей целесообразно выполнять вместе с соседями, ведь в противном случае прочищенные секции вновь снизят теплоотдачу через несколько недель эксплуатации. Более подробно о методах промывки системы отопления можно прочитать здесь.

Следуя простым и доступным рекомендациям, можно увеличить теплоотдачу радиатора любого типа и получить возможность извлекать максимальную выгоду от использования центральной системы отопления. Комплексное использование методов является наиболее рациональным решением проблемы плохой теплоотдачи и поможет собственнику добиться эффективной работы отопительных приборов в своем жилище.

 

Решение проблем нагрева аккумуляторов с помощью теплопередачи

Аккумуляторные технологии являются неотъемлемой частью нашей жизни: от смартфонов до массивных электрохимических систем хранения энергии и от гибридных автомобилей до полностью электрических самолетов наша зависимость от аккумуляторов постоянно растет. Однако эта технология далека от совершенства, и оптимизация конструкции аккумуляторов, особенно с точки зрения регулирования температуры и теплопередачи, сегодня является ключевой задачей для инженеров и производителей.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи являются лучшими перезаряжаемыми батареями, доступными на сегодняшний день, они имеют два основных недостатка: (1) они разлагаются, хотя и медленно, и (2) они очень чувствительны к теплу. В этой статье мы сосредоточимся на втором аспекте — более конкретно, мы рассмотрим использование численного моделирования для понимания управления температурным режимом и теплопередачи в аккумуляторных технологиях. Хотя большая часть следующего обсуждения касается аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, оно применимо к любой технологии, использующей литий-ионную технологию.

Производительность и срок службы батареи зависят, среди прочего, от конструкции батареи, используемых материалов и рабочей температуры. Для аккумуляторных батарей, используемых в электрических или гибридных транспортных средствах, рабочая температура (обычно в диапазоне 20–35 °C) имеет решающее значение для обеспечения максимальной эффективности. Работа при более низких температурах влияет на емкость, а при более высоких температурах сокращается срок службы. Отчеты показывают, что пробег электромобилей может снизиться на целых 60%, когда температура окружающей среды падает ниже -6 °C, и примерно на 50% при эксплуатации при температуре 45 °C. Еще одним фактором, влияющим на срок службы аккумуляторных батарей, является распределение внутренней температуры. Разница более чем примерно в 5 °C в ячейке/модуле (многие из которых могут быть внутри упаковки) снижает общий срок службы, а также емкость. На рис. 01 показано распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке.

Рис. 01: Распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке. Температура отображается в Кельвинах. (Источник: общественные проекты SimScale)

Как показано, в нормальных условиях температура может находиться в диапазоне от 25 °C до 35 °C. Без сомнения, тепловое поведение аккумуляторов в реальных условиях эксплуатации оказывает сильное влияние на их полезность в разных приложениях, поэтому поддержание эффективного и точного управления температурным режимом имеет первостепенное значение.

Обзор подхода, основанного на моделировании

Численное моделирование систем управления температурным режимом зарекомендовало себя как отличный способ разработки и улучшения конструкции аккумуляторов при значительно меньших затратах, чем физические испытания. Четко определенный и продуманный подход к моделированию может помочь точно предсказать тепловую физику внутри батареи и, следовательно, может служить полезным инструментом на ранних этапах процесса проектирования.

Для оценки тепловых характеристик элемента батареи использовалось множество различных имитационных моделей — от простых моделей с сосредоточенной емкостью на одном конце спектра до полноценных трехмерных имитационных моделей на другом. Однако все эти модели построены с использованием одних и тех же основных частей основного уравнения баланса энергии: (а) Каковы источники выработки тепла? (b) Каковы геометрические и тепловые свойства элементов батареи? И, наконец, (c) Какой механизм охлаждения используется? Различные модели учитывают эти компоненты с разной степенью точности, чтобы обеспечить желаемую точность и стоимость.

Тепло вырабатывается из двух источников:

1. Электрохимическая операция, связанная с выделением тепла в результате химических реакций внутри батареи.
Нагрев
2. Джоулей, также известный как омический нагрев или тепло, выделяемое за счет потока электричества.

Оба этих источника необходимо рассматривать с точки зрения их собственных управляющих уравнений. Каждый из них зависит от свойств материала, местной температуры и, конечно же, применяемой геометрии. Однако общепринятой практикой является использование экспериментально проверенных уравнений модели для обоих этих аспектов, чтобы значительно сэкономить на некоторых вычислениях, а также упростить структуру моделирования.

Геометрия элементов батареи и всего блока также может играть потенциально важную роль в характеристиках теплопередачи системы. Становится все более распространенным использование полных трехмерных геометрий (предоставленных в виде моделей САПР) в качестве исходных данных для анализа, а не относительно упрощенного двумерного приближения.

Свойства материалов различных компонентов получены из данных производителя или из других экспериментальных исследований.

Наконец, конвекция обычно является основным методом рассеивания тепла (излучение играет минимальную роль, если вообще играет) в окружающую среду. Кондуктивный теплообмен внутри батареи может учитываться или не учитываться в зависимости от желаемой точности моделирования.

---

Изучите три основных механизма теплопередачи на нашем семинаре по термическому анализу. Посмотрите наше тепловое моделирование прямо сейчас!

Watch Free Workshop

---

Собираем все вместе

Возможно, самым простым подходом является использование модели сосредоточенной емкости. Это переходный подход проводимости, который предполагает, что температура твердого тела пространственно однородна и является функцией только времени. Не вдаваясь слишком далеко в детали, нетрудно заметить, что в этих подходах отсутствуют существенные детали. Тем не менее, есть случаи, когда эти модели, если они тщательно реализованы, могут представлять довольно точные переходные данные при очень низких затратах.

С другой стороны, детальное тепловое моделирование (например, предоставленное SimScale) может обеспечить более целостный обзор вовлеченной термодинамики, учитывая поток жидкости и теплопередачу внутри модуля батареи или батареи. При этом стало возможным разработать более совершенные системы охлаждения аккумуляторов. В этих симуляциях можно использовать точные спецификации свойств материалов, геометрических деталей, а также начальных и граничных условий. Если все настроено эффективно, можно ожидать очень точных результатов. Методы CFD с большим успехом применялись для термического анализа. Облачные инструменты моделирования позволяют значительно сократить общие вычислительные затраты, представляя при этом подробные пространственные и переходные данные. Это может иметь неоценимое значение для установления фундаментально правильного понимания вовлеченной теплофизики.

Моделирование конструкции батареи с помощью CFD

Пример успешного моделирования батареи с помощью CFD можно найти в работе Yi, Koo & Shin в их статье «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для Применение гибридных электромобилей», опубликованной в журнале «Energies». Модуль литий-ионной батареи был настроен, как показано на рис. 02.

Рис. 02: Настройка CFD для модуля батареи LIB (Источник: Дж. Йи, Б. Ку и С. Б. Шин, «Трехмерное моделирование теплового Поведение модуля литий-ионной батареи для применения в гибридных электромобилях», Энергетика, т. 7, стр. 7586–7601 (2014)

Результирующее распределение температуры внутри модуля после 1620 секунд разряда и теплопередачи показано на рис. 03. «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для применения в гибридных электромобилях», Энергия, т. 7, стр. 7586 – 7601 (2014)

Выводы

Мультифизический характер этой задачи означает что в каждом из этих подходов были сделаны упрощения по нескольким аспектам.

Следовательно, всегда есть возможности для улучшения. В приведенном ниже списке показана лишь часть этих сложных аспектов:

• Более точное моделирование химического состава батареи и циклов зарядки/разрядки;
• Аккумуляторы, состоящие из широкого спектра материалов, включая тонкие слои металлов (покрывающие элементы), пористые материалы и т. д.;
• Если в конструкции батареи используется несколько слоев различных материалов, внутренний материал может быть анизотропным по своей природе;
• Если свойства материала конструкции батареи, как правило, не очень хорошо известны, это может существенно повлиять на точность моделирования; и
• Моделирование потока охлаждающей жидкости всегда является сложной задачей из-за сложной геометрии и возможной турбулентности жидкости.

Увеличение вычислительной мощности позволило исследователям точно и эффективно учитывать большее количество этих аспектов. Повышение нашей уверенности в прогностических возможностях таких симуляций.

Несмотря на остающиеся проблемы, численное моделирование внесло огромный вклад в разработку более совершенных систем управления температурным режимом для проектирования батарей и будет продолжать делать это в обозримом будущем!

Ознакомьтесь со всеми нашими блогами SimScale, чтобы найти больше полезных статей!

---

Управление температурным режимом батареи

 

 

Температурные эффекты

 

Предельные значения температуры

Действие всех батарей зависит от электрохимического процесса, будь то зарядка или разрядка, и мы знаем, что эти химические реакции каким-то образом 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 этой, если батарея работает при более высоких или низких температурах.

Типичные графики производительности см. в разделе «Температурные характеристики».

 

Закон Аррениуса говорит нам, что скорость, с которой протекает химическая реакция, увеличивается экспоненциально с повышением температуры (см. Срок службы батареи). Это позволяет извлекать из батареи больше мгновенной мощности при более высоких температурах. В то же время более высокие температуры улучшают подвижность электронов или ионов, снижая внутреннее сопротивление клетки и увеличивая ее емкость.

В верхней части шкалы высокие температуры могут также инициировать нежелательные или необратимые химические реакции и/или потерю электролита, что может привести к необратимому повреждению или полному отказу батареи. Это, в свою очередь, устанавливает верхний предел рабочей температуры для батареи.

В нижней части шкалы электролит может замерзнуть, что ограничивает низкотемпературные характеристики. Но намного выше точки замерзания электролита характеристики батареи начинают ухудшаться, так как скорость химической реакции снижается. Несмотря на то, что батарея может работать при температурах до -20°C или -30°C, производительность при 0°C и ниже может серьезно ухудшиться.

Учтите также, что нижний предел рабочей температуры батареи может зависеть от состояния ее заряда. Например, в свинцово-кислотном аккумуляторе, когда аккумулятор разряжается, сернокислотный электролит все больше разбавляется водой, и соответственно повышается его температура замерзания.

 

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

 

Однако управление температурой

заключается не только в соблюдении этих ограничений. Аккумулятор подвержен нескольким одновременным внутренним и внешним тепловым воздействиям, которые необходимо держать под контролем.

 

Источники тепла и поглотители

 

Электрическое отопление (Джоулево отопление)

При работе любой батареи выделяется тепло из-за потерь I ² R, когда ток протекает 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, и повышение температуры будет ограничено доступной энергией. Однако это все еще может вызывать очень высокие локальные температуры даже в маломощных батареях. Такой автоматический предел не применяется во время зарядки, поскольку ничто не мешает пользователю продолжать подавать электроэнергию в аккумулятор после того, как он полностью заряжен. Это может быть очень рискованная ситуация.

 

Конструкторы аккумуляторов стремятся поддерживать внутреннее сопротивление элементов как можно ниже, чтобы свести к минимуму тепловые потери или выделение тепла внутри аккумулятора, но даже при таком низком сопротивлении элемента, как 1 миллиОм, нагрев может быть значительным. Примеры см. в разделе Эффекты внутреннего импеданса.

 

Термохимический нагрев и охлаждение

В дополнение к джоулеву нагреву, химические реакции, протекающие в клетках, могут быть экзотермическими, добавляя выделяемое тепло, или они могут быть эндотермическими, поглощая тепло в процессе химического действия. Таким образом, перегрев, скорее всего, будет проблемой экзотермических реакций, в которых химическая реакция усиливает тепло, выделяемое текущим потоком, а не эндотермических реакций, где химическое действие противодействует этому. Во вторичных батареях, поскольку химические реакции обратимы, химические реакции, которые являются экзотермическими во время зарядки, будут эндотермическими во время разрядки, и наоборот. Так что от проблемы никуда не деться. В большинстве ситуаций Джоулев нагрев превысит эндотермический охлаждающий эффект, поэтому все же необходимо принять меры предосторожности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы экзотермичны во время зарядки, а аккумуляторы VRLA склонны к тепловому выходу из строя (см. ниже). Ячейки NiMH также экзотермичны во время зарядки, и по мере того, как они приближаются к полной зарядке, температура ячейки может резко возрасти. Следовательно, зарядные устройства для NiMH элементов должны быть спроектированы таким образом, чтобы обнаруживать повышение температуры и отключать зарядное устройство, чтобы предотвратить повреждение элементов. Напротив, батареи на основе никеля с щелочными электролитами (NiCads) и литиевые батареи являются эндотермическими во время зарядки. Тем не менее, тепловой разгон все еще возможен во время зарядки этих аккумуляторов, если они подвержены перезарядке.

Термохимия литиевых элементов несколько сложнее и зависит от состояния интеркаляции 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 переходит в слегка эндотермическую на протяжении большей части цикла разряда. Как и в других химических процессах, джоулев тепловой эффект больше, чем термохимический эффект, пока ячейки остаются в своих проектных пределах.

 

Внешние тепловые эффекты

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

 

Температура — ускоритель

Конечным результатом термоэлектрических и термохимических эффектов, возможно усиленных условиями окружающей среды, обычно является повышение температуры, и, как мы отмечали выше, это вызывает экспоненциальное увеличение скорости, с которой протекает химическая реакция. Мы также знаем, что при чрезмерном повышении температуры может произойти много неприятных вещей

• Активные химические вещества расширяются, вызывая набухание клетки
• Механическая деформация компонентов ячейки может привести к короткому замыканию или обрыву цепи
• Могут происходить необратимые химические реакции, вызывающие необратимое снижение количества активных химических веществ и, следовательно, емкости клетки
• Длительная работа при высокой температуре может привести к растрескиванию пластиковых частей ячейки
• Повышение температуры ускоряет химическую реакцию, увеличивая температуру еще больше, что может привести к тепловому разгону
• Могут выделяться газы
• Внутри ячейки повышается давление
• Ячейка может в конечном итоге разорваться или взорваться
• Могут выделяться токсичные или легковоспламеняющиеся химические вещества
• Последуют судебные иски

 

Теплоемкость – Конфликт

По иронии судьбы инженеры по производству аккумуляторов стремятся впихнуть все больше и больше энергии во все меньшие объемы, а инженеру-прикладнику все труднее получить ее снова. Большая сила новых аккумуляторов, к сожалению, также является источником их самой большой слабости.

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

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

(Это предполагает аналогичный внутренний импеданс и аналогичные термохимические свойства, что может не обязательно иметь место. ) В результате рассеивание тепла является серьезной инженерной проблемой для батарей с высокой плотностью энергии, используемых в приложениях высокой мощности. Разработчики ячеек разработали инновационные методы конструирования ячеек, чтобы отводить тепло от ячейки. Разработчики аккумуляторных батарей должны найти не менее инновационные решения для отвода тепла от аккумуляторной батареи.

 

Температурные характеристики аккумуляторов электромобилей и гибридных автомобилей

Аналогичные конфликты возникают с батареями электромобилей и гибридных автомобилей. Аккумулятор электромобиля большой, с хорошими возможностями отвода тепла за счет конвекции и теплопроводности, а также с низким повышением температуры из-за его высокой теплоемкости. С другой стороны, батарея HEV с меньшим количеством элементов, но каждый из которых несет более высокие токи, должна выдерживать ту же мощность, что и батарея EV, но менее чем в одну десятую размера. При более низкой теплоемкости и более низких свойствах рассеивания тепла это означает, что батарея HEV будет подвергаться гораздо большему повышению температуры.

 

Принимая во внимание необходимость поддерживать работу элементов в пределах допустимого диапазона температур (см. «Срок службы» в разделе «Неисправности литиевых батарей»), батарея электромобиля, скорее всего, столкнется с проблемами, связанными с поддержанием ее тепла в нижней части 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 (I ² R нагрев) протекающим током во время работы, скорее всего, будет недостаточным для повышения температуры до желаемых рабочих уровней из-за габаритов батареи и для повышения температуры могут потребоваться внешние нагреватели. Это может быть обеспечено за счет отвлечения части емкости батареи на отопление. С другой стороны, тот же I ² R тепловыделение в аккумуляторной батарее HEV, работающей в условиях высокой температуры, может привести к тепловому разгону, и необходимо обеспечить принудительное охлаждение.

 

См. также технические характеристики электромобилей, гибридных автомобилей и гибридных электромобилей в разделе «Тяговые батареи»

.

 

Термический разгон

Рабочая температура, достигаемая в аккумуляторе, является результатом температуры окружающей среды, дополненной теплом, выделяемым аккумулятором. Если батарея подвергается чрезмерным токам, возникает возможность теплового разгона, что приводит к катастрофическому разрушению батареи. Это происходит, когда скорость выделения тепла внутри батареи превышает ее способность рассеивания тепла. Есть несколько условий, которые могут привести к этому:

• Первоначально тепловые потери I ² R зарядного тока, протекающего через элемент, нагревают электролит, но сопротивление электролита уменьшается с температурой, что, в свою очередь, приводит к более высокому току, вызывающему еще более высокую температуру, усиление реакции до тех пор, пока не будет достигнуто состояние бегства.
• Во время зарядки зарядный ток вызывает экзотермическую химическую реакцию химических веществ в ячейке, которая усиливает выделение тепла зарядным током.
• Или во время разрядки тепло, выделяемое экзотермическим химическим действием, генерирующим ток, усиливает резистивный нагрев из-за протекания тока внутри элемента.
• Слишком высокая температура окружающей среды.
• Недостаточное охлаждение

Если не принять каких-либо защитных мер, последствиями теплового разгона могут стать расплавление элемента или повышение давления, что может привести к взрыву или пожару, в зависимости от химического состава и конструкции элемента. Подробнее см. в разделе «Неисправности литиевых батарей».

 

Система терморегулирования должна держать все эти факторы под контролем.

 

Примечание

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

 

Регуляторы температуры

 

Отопление

Работать в условиях низких температур относительно легко. В простейшем случае в батарее обычно достаточно энергии для питания самонагревающихся элементов, которые постепенно доводят батарею до более эффективной рабочей температуры, когда нагреватели можно отключить. В некоторых случаях достаточно поддерживать цикл зарядки аккумулятора, когда он не используется. В более сложных случаях, например, с высокотемпературными батареями, такими как батарея Zebra, работающая при температуре, значительно превышающей нормальную температуру окружающей среды, может потребоваться некоторый внешний нагрев, чтобы довести батарею до рабочей температуры при запуске, и может потребоваться специальная теплоизоляция для поддержания температуру как можно дольше после выключения.

 

Охлаждение

Для аккумуляторов малой мощности обычных цепей защиты достаточно, чтобы поддерживать аккумулятор в рекомендуемых пределах рабочей температуры. Однако цепи высокой мощности требуют особого внимания к управлению тепловым режимом.

 

Цели проектирования

• Защита от перегрева –
  В большинстве случаев это просто включает в себя контроль температуры и прерывание пути тока, если температура достигает температурных пределов, с использованием обычных схем защиты. Хотя это предотвратит повреждение батареи от перегрева, тем не менее, она может отключить батарею до того, как будет достигнут предел допустимой нагрузки по току, что серьезно ограничит ее производительность.
• Рассеивание избыточного тепла —
  Отвод тепла от батареи позволяет проводить более высокие токи до того, как будут достигнуты пределы температуры. Тепло выходит из батареи за счет конвекции, теплопроводности и излучения, и задача разработчика упаковки состоит в том, чтобы максимизировать эти естественные потоки, поддерживая низкую температуру окружающей среды, обеспечивая прочный, хороший путь отвода тепла от батареи (используя металлические охлаждающие стержни или пластины между ячеек, если это необходимо), максимально увеличивая площадь поверхности, обеспечивая хороший естественный поток воздуха через упаковку или вокруг нее и устанавливая ее на проводящую поверхность.
• Равномерное распределение тепла —

Несмотря на то, что тепловой расчет батареи может быть более чем достаточным для рассеивания всего тепла, выделяемого батареей, внутри аккумуляторной батареи все еще могут быть локальные горячие точки, температура которых может превышать указанные пределы. Это может быть проблемой с ячейками в середине многоэлементной упаковки, которые будут окружены теплыми или горячими ячейками по сравнению с внешними ячейками в упаковке, обращенными к более прохладной среде.

Градиент температуры на аккумуляторной батарее может серьезно повлиять на срок службы батареи. Согласно закону Аррениуса, при повышении температуры на каждые 10°С скорость химической реакции увеличивается примерно вдвое. Это создает несбалансированную нагрузку на элементы батареи, а также усугубляет любой возрастной износ элементов. См. также «Взаимодействия между ячейками» и «Балансировка ячеек».

Разделение ячеек во избежание этой проблемы увеличивает объем упаковки. Для выявления потенциальных проблемных зон может потребоваться тепловизионное изображение.

Пассивное рассеяние можно еще больше улучшить, установив ячейки в блок из теплопроводного материала, который действует как теплоотвод. Теплопередачу от ячеек можно максимизировать, если для этой цели использовать материал с фазовым переходом (PCM), поскольку он также поглощает скрытую теплоту фазового перехода при переходе из твердого состояния в жидкое. В жидком состоянии также вступает в действие конвекция, увеличивающая потенциал для теплового потока и выравнивания температуры по всей аккумуляторной батарее. Для этого применения доступны графитовые губчатые материалы с высокой проводимостью, насыщенные воском, который поглощает дополнительное тепло, когда температура достигает точки плавления.

• Минимальная добавка к весу —
  Для приложений с очень высокой мощностью, таких как тяговые батареи, используемые в электромобилях и гибридных автомобилях, естественного охлаждения может быть недостаточно для поддержания безопасной рабочей температуры, и может потребоваться принудительное охлаждение. Это должно быть последним средством, так как это усложняет конструкцию батареи, увеличивает вес батареи и потребляет энергию. Однако, если принудительное охлаждение неизбежно, первым выбором обычно является принудительное воздушное охлаждение с использованием вентилятора или вентиляторов. Это относительно просто и недорого, но теплоемкость теплоносителя, воздуха, который предназначен для отвода тепла, относительно низка, 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, потому что она недорогая, но можно использовать и другие жидкости, такие как этиленгликоль (антифриз), которые имеют лучшую теплоемкость. Вес хладагента, насосов для его циркуляции, охлаждающих рубашек вокруг ячеек, трубопроводов и коллекторов для переноса и распределения хладагента, а также радиатора или теплообменника для его охлаждения — все это значительно увеличивает общий вес, сложность и стоимость. аккумулятора. Эти штрафы могут значительно перевесить выгоды, которые ожидаются от использования аккумуляторов с высокой плотностью энергии.