Принцип работы радиатора отопления

Как работает радиатор отопления?

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

Общие принципы работы отопительных радиаторов

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

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

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

Как работают батареи из чугуна

При подключении радиаторов, изготовленных из чугуна, наиболее часто используется односторонняя схема.

То есть нагретая вода подается и возвращается в общую систему с одной стороны. Выглядит это так:

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

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

Как работают батареи из стали, алюминия и биметаллические модели

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

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

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

Как работают вакуумные радиаторы

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

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

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

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

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

---

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

Устройство радиатора отопления

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

 

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

Радиатор изнутри

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

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

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

Чугунные батареи имеют экструдированный монтаж, состоят из отдельных секций, приваренных друг к другу физическим (сварочным) путем. Вес чугунной батареи – это ее большой недостаток. Внутренняя поверхность чугунных радиаторов имеет шершавую, неровную структуру, которая накапливает на себе налет.

А невозможность механической или автоматической чистки уменьшает теплоотдачу. В течение 40-50 лет межсекционные ниппели полностью разрушаются.

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

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

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

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

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

Преимущество алюминиевых батарей перед аналогами заключается в высокой теплоотдаче, небольшой стоимости, разнообразии форм.

Подобные типы батарей отопления отличаются особой конструкцией и внутренним устройством.

Как устроены алюминиевые радиаторы отопления

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

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

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

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

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

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

Достоинства алюминиевых радиаторов:

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

Среди недостатков выделяют:

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

Конструкция алюминиевой батареи в разрезе

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

Внимание! Основной недостаток — частые протечки в местах стыка.

Вид алюминиевого радиатора в разрезе представлен на картинке.

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

Комплектующие для монтажа устройства

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

Кран Маевского

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

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

Кронштейны для крепления

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

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

Их делят на три вида:

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

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

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

Удлинитель протока

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

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

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

Полезное видео

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

Установка — это ответственное дело!

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

Настенные стальные панельные радиаторы отопления

Несмотря на все разнообразие выбора, существует всего два основных типа водяных радиаторов: трубчатые и панельные. У каждого вида радиаторов свои характеристики и технические особенности. Крупнейшие зарубежные производители, в последнее время отдают предпочтение производству стальных панельных радиаторов. Устройство и конструкция радиаторов панельного типа позволяет быстрее реагировать на изменение температуры теплоносителя, обеспечивая более комфортный нагрев помещения.

Как устроены панельные радиаторы

Стальные настенные радиаторы отопления панельного типа имеют простую конструкцию, состоящую:

• Два стальных прямоугольных листа сваренных между собой. Процесс сборки происходит под давлением. В результате швы панелей в состоянии выдерживать нагрузку и устанавливаться не только в частных домах, но и зданиях, подключенных к центральной системе отопления.
• В листах сделаны углубления для циркуляции теплоносителя. По своей форме они напоминают обычный змеевик. Теплоноситель циркулирует непосредственно внутри панелей и передает им тепловую энергию.
• Тыльная сторона панели снабжена П- образными ребрами, по своей структуре напоминающими гармошку. С помощью ребер существенно возрастает теплоотдача и площадь отапливаемой поверхности.

Производители заявляют, что стальные панельные радиаторы могут проработать приблизительно 20-25 лет. На практике этот срок гораздо меньше. Уменьшение срока эксплуатации в основном связано с тем, что в бытовых условиях достаточно сложно выполнять все указанные требования выставляемые изготовителем.

Как выбрать панельные радиаторы

При выборе радиаторов-панелей следует ориентироваться на эти критерии:

• Технические характеристики – не стоит приобретать радиаторы, которые предназначены для установки в ЕС. Технические требования, особенно максимальное давление в системе отопления не соответствуют российским нормам. Нередко после установки, казалось бы, качественной европейской продукции приходится менять ее и устранять последствия того, что батарея потекла. Приобретать стоит модели, которые адаптированы к нашим условиям.
• Расчет мощности – лучше всего поставить настенную панель водяного отопления, полностью соответствующую той, которая была установлена раньше. Если выполняется монтаж новой системы, придется рассчитать необходимо давление и коэффициент теплоотдачи.
• рН теплоносителя – следует учитывать, что не все настенные панели водяного отопления могут быть установлены в квартирах. Выбирая панельную батарею, стоит поинтересоваться, какие требования предъявляются к качеству теплоносителя. Обычно об этом прямо говорится в инструкции производителя.

Принцип работы стальных панельных радиаторов несколько отличается от того, который имеет трубчатая чугунная батарея, поэтому лучше не ориентироваться при выборе, исключительно на размеры.

Как рассчитать панельные радиаторы

Выполнить все расчеты можно и самостоятельно. Для этого понадобится лист бумаги и калькулятор. Предположим, что необходимо выбрать радиатор для комнаты с общей площадью 20 кв. м.

• Согласно СНиП для обогрева 1 м² комнаты с высотой потолка не более 3 м. понадобится 100 Вт тепловой энергии.
• Умножаем 20×100= 2000 Вт или 2 кВт.
• Учитываем возможные теплопотери и необходимость установить два радиатора одновременно.
• Выбираем радиатор с теплоотдачей 2,5 кВт.

Конструкция стальных панельных радиаторов позволяет выполнять обвязку с помощью любого вида трубопровода и подсоединять устройство к уже установленной или заново сделанной системе отопления, поэтому при выборе важнее ориентироваться на необходимую мощность. Так как СНиП учитывает идеальные условия, такие расчеты не подходят для помещений с высотой потолков выше, чем 3 метра и с плохой теплоизоляцией. В таком случае расчеты может помочь выполнить один из консультантов компании.

Согласно жилищному кодексу, при замене радиаторов отопления в многоквартирном доме можно установить батарею, которая полностью соответствует мощности предыдущей. Нарушения могут наказываться штрафами. По решению суда жильца могут в принудительном порядке и за свой счет заставить заменить отопительный прибор на другой соответствующий требованиям.

Монтаж и подключение панельных радиаторов

Монтаж панельных регистров можно выполнить и самостоятельно при условии определенных навыков. Наиболее проблематичным является замена батареи в многоквартирном доме. Для этого придется выполнить следующее:

• Получить разрешение на слив воды из системы отопления. В зимнее время года сделать это достаточно проблематично, даже оплатив услуги. Согласно СНиП сделать это можно только в случае аварийной ситуации.
• Получив разрешение можно приступать непосредственно к монтажу. Стальные панельные радиаторы водяного отопления конвекторного типа в комплекте имеют одну установленную заглушку и один кран для сброса воздуха из системы. Они необходимы для того чтобы заглушить ненужные отверстия после установки.
• Трубопровод подключаем таким образом, чтобы подача приходилась на верхнее отверстие регистра, а обратка на нижнее.
• На входе рекомендуется установить температурный датчик. Термодатчик поможет отрегулировать температуру и перекроет подачу теплоносителя в случае аварийной ситуации. Для этой же цели на обратку также ставится отсекающий кран.

Хотя система подключения панельных радиаторов отопления достаточно простая, все же при установке от мастера требуется профессионализм, для выполнения качественного монтажа с первого раза. Повторный слив стояка должен оплачиваться отдельно.

Поменять регистры или полностью переделать систему отопления с помощью панельных стальных конвекторов несложно. Монтажные работы можно выполнить и самостоятельно при наличии необходимых инструментов.

4 самых распространенных вида радиаторов отопления

Наверное, многие из вас задавались вопросом — как же устроен радиатор отопления? По какому принципу он работает, что находится внутри него и на периферии? Что же, давайте рассмотрим этот вопрос как можно более подробно.

4 типа радиаторов отопления

Начнем с того, что на данный момент, все радиаторы отопления можно разделить (условно) на четыре типа:

Стальной радиатор отопленияАлюминиевые радиаторы отопленияЧугунные радиаторы отопленияМасляный радиатор отопления

Устройство алюминиевого радиатора отопления

Алюминиевые радиаторы отопления бывают 3 видов:

• литые (цельные),
• экструдированные (с секциями),
• комбинированные — когда в батарее сочетается и литая конструкция, и экструдированная.

Внутри секций алюминиевых радиаторов расположены канал или несколько каналов, по которым циркулирует теплоноситель (горячая вода).

 

Кстати! Алюминиевый радиатор имеет рабочее давление выше 12 атмосфер (18 при опрессовке).Внутри алюминиевый радиатор покрыт оксидной пленкой, что несет в себе как положительные качества, так и отрицательные.

Устройство чугунного радиатора отопления

Конструкция чугунного радиатора обычно экструдированная, когда определенное количество секций соединено механическим путем. Недостаток в чугунных батареях заключается в том, что они имеют большой вес, собственно из-за самого материала (чугуна).

Стенки внутренних каналов неоднородные, шершавые, что приводит к накапливающемуся налету на них и, соответственно, уменьшению теплоотдачи со временем.

Так как чугунные радиаторы, в основном, устанавливались в прошлом, то стоит заметить, что при службе в 40 лет и более, межсекционные ниппели у них разрушаются.

Устройство стального радиатора отопления

Практически абсолютно сходство с чугунными, единственным исключением является средство сборки секций — используются не радиаторные ниппели, а точечная сварка.

Для справки: Стальные радиаторы отопления выдерживают давление до 16 атм.

Устройство масляного радиатора отопления

Ну, и последний — масляный радиатор. Устройство его не отличается излишней сложностью — герметичный корпус, заполненный минеральным маслом, в который помещен электрический нагревательный элемент, его корпус обычно нагревается до 70 С максимум.

Самые популярные радиаторы, подробнее рассмотрим на видео

Как мы уже отмечали на страницах нашего блога об отоплении и обустройстве дома, существует огромное количество различных радиаторов. Они бывают алюминиевые, биметаллические или панельные. Радиаторы отличаются по типу подключения и своим техническим характеристикам. Посмотрим, как выбрать радиатор на примере нескольких моделей.

 

Тестируем современные радиаторы отопления | Чудо техники

Каждый раз при основательном ремонте квартиры встает вопрос — менять ли радиаторы отопления? В продаже много разных моделей, и их производители уверяют, что современные батареи гораздо лучше старых. Они легче отдают тепло, украшают интерьер и регулируются… Может, и правда — пора менять?

 

Чаще всего прорыв радиаторов отопления происходит в старых домах, где между домом и теплоцентралью нет промежуточного теплопункта, и в случае неполадок с резким повышением давления рассчитывать можно только на прочность своей батареи. Мы решили проверить, какие из них крепче? Взяли популярные радиаторы: стальной панельный, из алюминия, чугуна, современный биметаллический; и конвектор из стали.

Самыми прочными оказались стальной конвектор и биметаллический радиатор. Давление в 70 и даже 80 атмосфер не оставило и трещины. Остальные в экстремальных условиях сдались раньше. Вообще, опрошенные нами эксперты чаще всего рекомендовали по совокупности параметров именно биметаллические радиаторы. За тепло и прочность здесь отвечают два разных материала. Радиатор отливается из алюминия, хорошо отдающего тепловую энергию. А чтобы защитить его от воздействия насыщенной химикатами воды, внутри находится более прочный стальной сплав.

Стоят такие радиаторы недешево. Но на производстве говорят, что это плата за надежность. А в попытках сэкономить можно попасть в ловушку. Некоторые производители используют меньше стали и выпускают «полу-биметаллические» радиаторы, не делая пометок на этикетке.

Проверить это можно самостоятельно. Достаточно приложить магнит к горизонтальному коллектору — он должен магнититься как сверху, так и снизу. Если коллектор не магнитится, значит это полубиметаллический радиатор, который производители выдают за полностью биметаллический прибор.

По данным экспертов, в 2015 году 75% импортных радиаторов на наших прилавках оказались с фальшивыми характеристиками. С июня этого года вся продукция должна иметь обязательный сертификат соответствия ——он означает, что прибор прошел испытания. В магазине можно посмотреть паспорт на продукцию, на котором обязательно должна быть печать ОТК с датой, без печати этот документ не имеет силы.

Правда ли хорошо греют современные радиаторы? Или лучше чугунной классики ничего нет? Проверим это в лаборатории: камеру площадью 4 на 4 отопим поочередно чугунным радиатором, биметаллическим и стальным конвектором. Их мощность примерно одинакова. На термограмме видно, что самый горячий — чугунный. Этот прибор быстрее всех разогрел воздух на два градуса (за 1 час). Биметаллическому и стальному конвектору понадобилось полтора часа. Эксперты комментируют: разница будет заметна только в тот момент, когда дают отопление. Остальное время — нет различий.

Впрочем, у чугунного радиатора есть важное преимущество — он вмещает в 10 раз больше горячей воды, и если отопление отключат, то еще какое-то время будет греть. Биметаллический и стальной конвектор остывают моментально. Зато на них удобно ставить терморегуляторы. Чугунный контролировать не получится.

Но определиться с материалом — это еще полдела. В первую очередь, нужно перекрыть теплопотери помещения за счет теплоотдачи прибора. У продюсера Юли Гапоновой как раз тот случай, когда батарея не подходит по мощности. И зимой все время холодно. Специалисты подсчитали — ватт радиатор дает в полтора раза меньше, чем нужно для площади кухни!

Обычно на один квадратный метр требуется 100 Вт тепла. Но в угловых комнатах, и там, где есть другие теплопотери — надо больше. В любом случае, лучше проконсультироваться со специалистом. Чтобы хорошо отопить Юлину кухню, потребовался 6-секционный биметаллический радиатор. И теперь у нее тепло.

Такой же эффект, кстати, дало бы основательное улучшение теплоизоляции дома — с заменой окон и закладкой дополнительной защиты стен. По такому пути идут, например, в Скандинавии. Проектировщик инженерных систем Вадим Жуков, который уже 14 лет живет в Норвегии, показывает, какими толстыми за счет утепления получаются здесь стены — и это помогает жильцам экономить!

В Европе, кстати, принято платить за реально потребленное тепло — его измеряют при помощи счетчиков, которые сравнивают температуру воды, поступившей в квартиру, с той, что на выходе. Впрочем, центральное отопление есть далеко не везде. Многие люди используют электрические радиаторы, но это дорого. И в собственном доме Вадим применил более эффективную автономную систему — тепловой насос — по сути, это кондиционер, только рассчитанный на работу в режиме обогрева даже в морозы.

Главное — при помощи компрессора и трубок с хладагентом он умеет извлекать тепло даже из окружающего холодного воздуха и оказывается экономичнее простых обогревателей. Но в сильные морозы такая система, конечно, требует помощи и Вадим с семьей растапливает печку. Случается это нечасто — помогает хорошая теплоизоляция.

Отказаться от батарей пытаются и кое-где в России. Например, в Екатеринбурге 5 лет назад построили «умную» многоэтажку. Здесь нет форточек. Чтобы не выпускать тепло на улицу, вентиляция оборудована системой воздушной рекуперации, которая забирает энергию у выходящего воздуха. А вместо батарей — теплые полы. Жильцы включают отопление, когда захотят и не зависят от графиков ЖЭКа и температуры за окном.

Самовольно срезать радиаторы и установить теплые полы, чтобы экономить на тепле, в обычных домах проблематично. Сначала нужно получить на это разрешение. И если в доме центральное отопление, то придется «платить за соседей».

Впрочем, европейский опыт у нас тоже внедряется — с 2012 года во всех новостройках, по закону, должны ставить поквартирные счетчики тепла. Сбавил градус — заплатил меньше. На практике, правда, работает это только при условии исправности счетчиков у всех жильцов, и ссылаясь на это, управляющие компании иногда по-старому делят расходы на всех. Уже есть те, кто судится по этому поводу! Судя по всему, в итоге дело придет к тому, что мы привыкнем беречь тепло, и может быть, это даже станет выгодно.

Благодарим за помощь в подготовке сюжета:

— Компанию Royal Thermo и лично Александра Сонина и Максима Торунова за приглашение на производство радиаторов отопления, профессионализм и подробную информацию про особенности алюминиевых и биметаллических радиаторов

— ОАО НИИ Сантехники и лично Германа Бершидского и Максима Галькевича за участие в съёмках, консультацию на протяжении всего сюжета, готовность помочь со всеми нашими задумками, и экспертную помощь во всех вопросах связанных с радиаторами отопления.

— Ассоциацию Производителей Радиаторов Отопления и лично руководителя аппарата АПРО Загородневу Екатерину Юрьевну за профессиональную, многоплановую поддержку организации съемок, экспертную оценку и участие в съемках

— ОБИ Химки за гостеприимство, информационную поддержку и помощь в организации съемок

— Петра Вахрамеева за то, что взялись помочь нам заменить радиатор отопление у героя дома, за высокопрофессиональный подход к работе, позитивный настрой, и экспертную консультацию. Теперь мы знаем к кому обращаться, если батареи не греют, и всем советуем!

— УК «Академический» за помощь в организации съемки в «умном доме» и гостеприимство

— Частного юриста Алексея Тимофеева за экспертное мнение

— ООО «Даджет» за возможность снимать видео в инфракрасном спектре, и показать теплоотдачу радиаторов отопления

Полный выпуск «Чуда техники с Сергеем Малоземовым» от 25 ноября доступен по ссылке.

Все полные выпуски программы «Чудо техники» находятся здесь.

Как помыть отопительные батареи внутри от пыли?

Батарея отопления относится к числу таких мест, к мытью которых многие хозяйки подступаются с большим трудом. Во время уборки радиаторы порой и вовсе остаются без внимания, поскольку перспектива изгонять пыль и грязь из их «внутренних лабиринтов» не вызывает энтузиазма. Хотя существуют различные и весьма эффективные способы очистить батареи от загрязнений.

Зачем нужно чистить радиатор?

Как и любые места в квартире, тепловые элементы требуют чистки изнутри. На них постоянно скапливается пыль, а когда дома открывают окна, то от движения воздуха она поднимается вверх, что недопустимо по соображениям обычного соблюдения порядка. Кроме того, пыль может негативно повлиять на самочувствие всех проживающих в квартире, поэтому время от времени приходится добираться до самых неудобных мест в обогревателе. Бывают на таких приборах и жирные загрязнения, удалить которые очень сложно.

Чтобы качественно вымыть радиатор и не повредить отделочный материал на стенах вокруг него, их укрывают пленкой или клеенкой. Также поступают и с полом под отопительным прибором.

Сам способ очистки будет зависеть от особенностей устройства радиатора.

Специальные средства

Отмыть батарею можно с помощью средств бытовой химии, которых сегодня великое множество на прилавках магазинов. Это могут быть кислородные отбеливатели типа «Ваниша», порошки и жидкие составы, так или иначе приобретаемые для бытовых нужд. Прежде чем использовать определенное средство на радиаторе из конкретного материала (чугуна, алюминия, биметалла), лучше удостовериться в том, что использование состава не противопоказано в данном случае. Едкие препараты могут испортить внешний вид радиатора.

Чтобы отопитель не покрывался ржавчиной, можно выбрать особый состав, предупреждающий ее появление. Лучше не использовать в чистке химию с содержанием фосфатов или хлора, вредных для организма человека.

Иногда проще всего очистить радиатор обычным мылом — хозяйственным, банным или жидким, которое разводится в воде. Этим раствором обрабатывается вся батарея.

Необходимые приспособления

Союзниками в борьбе с грязью на отопительных элементах являются разные приспособления, которые обычно есть в доме.

Прочистить радиатор можно с помощью:

• пылесоса;
• фена для сушки волос;
• пульверизатора;
• парогенератора;
• щетки для мытья;
• ерша для чистки бутылок;
• кисточки.

Популярные методы

Поскольку батареи отопления могут быть совершенно разными по своему устройству (от традиционных чугунных «гармошек» до биметаллических или алюминиевых, имеющих внешние ровные поверхности и хитроумное расположение планок внутри), приходится применять различные ухищрения, чтобы удалить пыль и грязь между секциями.

Подойдут как механические, так и химические средства воздействия.

Механические

Самое простое — воспользоваться пылесосом со специальными узкими насадками, которые можно просунуть в отсеки радиатора. Это особенно эффективно, если батарею чистить каждый раз при очередной уборке, чтобы в ней не успевали накопиться более сложные загрязнения, помимо пыли. Цивилизованно решить вопрос с чисткой радиатора можно, если импользовать специальную щетку, предназначенную для этих целей. Она позволяет делать как сухую, так и влажную уборку батареи.

При большом скоплении пыли можно воспользоваться феном. За батарею нужно поместить мокрую тряпку, лучше всего хлопчатобумажную (подойдет старая наволочка или пеленка), и продуть радиатор сильной струей воздуха. Это позволит быстро избавиться от загрязнений между секциями, и пыль при этом не разлетится по всей комнате.

Основательная очистка может потребовать применения кипятка. Необходимо взять чайник с только что закипевшей водой, тряпки, ведро и поддон (можно приспособить под это противень из печи), затем следует пролить батарею кипятком. Воду, накопившуюся в результате этой процедуры в поддоне, остается перелить в ведро, а оттуда в унитаз. Саму батарею лучше протереть губкой, чтобы на ней не осталось потеков.

Работать с кипятком нужно осторожно, чтобы не обжечь руки.

Для мытья внутри радиатора могут пригодиться ершик или кисточки для покраски, имеющие загнутый ворс и длинную ручку. Также подойдет обычная узкая кисточка, к ручке которой скотчем или изолентой приматывается линейка. С помощью такого нехитрого устройства можно добраться в наиболее отдаленные закутки прибора отопления.

Если в доме имеется парогенератор, он отмоет от грязи самые неудобные места в батарее, а заодно и продезинфицирует всю поверхность внутри и снаружи. В случае такого решения проблемы лучше очень тщательно защитить пол и стены от влаги, иначе можно испортить обои и напольное покрытие.

Химические

Для мытья батареи-гармошки на кухне лучше воспользоваться средствами бытовой химии — там обычной водой не обойтись, поскольку специфическая жирная кухонная грязь смывается с большим трудом. Радиатор можно тщательно опрыскать соответствующим составом из пульверизатора и оставить отмокать. Неплохо, например, растворить в воде несколько капель средства для мытья посуды. Под прибор лучше заранее подложить тряпку, чтобы жидкость не натекла на пол. Затем губкой или тряпкой остается смыть образовавшийся налет.

Народные способы

Качественно помыть радиаторы отопления можно, если следовать советам опытных хозяек, так как многие из них действуют весьма изобретательно в этом вопросе.

Хорошо почистить и дополнительно продезинфицировать батарею поможет перекись водорода. Это особенно актуально в домах, где живут аллергики. Средство нужно нанести на тряпку. Тряпкой обмотать ершик (или просто палку) и методично протереть отопительный прибор в каждой секции.

Бывает так, что в батарее не просто скопилась грязь, но и поселился неприятный запах. Это возможно, если на элементе отопления, например, просушили плохо постиранную вещь. В этом случае поможет лимонная кислота. Нужно растворить три чайные ложки средства в стакане с теплой водой. Таким составом протереть радиатор со всех сторон и между секциями.

Также для мытья можно воспользоваться девятипроцентным уксусом. Им протирают батарею или распыляют это средство на нее (без разбавления водой). Если в хозяйстве есть только уксусная эссенция, ее следует растворить в воде (на одну часть эссенции берется десять частей воды). После обработки кислым составом батарею нужно как следует протереть или просто ополоснуть чистой водой.

Также в дело можно пустить обычную пищевую соду, растворенную в воде. Для верности этот состав дополняют яблочным уксусом и раствором мыла. Эффект от мытья будет более заметным.

Также для обработки батареи используют мел, растворенный в воде.

Чтобы точно добраться до самых неудобных мест в батарее, хозяйки советуют воспользоваться намыленными хозяйственными перчатками. Их нужно надеть на руки, пропитать мыльным раствором и вычистить грязь из самых узких мест с помощью пальцев. Если нет перчаток, можно воспользоваться старым носком. Если батарея горячая, подойдут и ненужные рукавицы.

Для чистки самых неудобных и узких мест некоторые наиболее терпеливые люди пускают в дело вышедшую из употребления зубную щетку.

Чтобы не приходилось прибегать к использованию хитроумных способов для очистки радиаторов, лучше всего мыть их при каждой уборке дома. Это избавит батарею от скопления большого количества загрязнений. Тогда генеральные уборки отопительных элементов придется устраивать лишь пару раз в год — до и после окончания отопительного сезона.

Более подробно о том, как помыть батареи внутри, смотрите в следующем видео.

Как работают тепловые батареи?

Что такое тепловая батарея?

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

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

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

MIT Solar House через Викимедиа

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

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

Тепловая батарея MIT Solar House через Викимедиа

Что такое тепловые батареи с фазовым переходом?

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

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

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

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

Как построить тепловую батарею:

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

Удельная теплоемкость:

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

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

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

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

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

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

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

q = м Cp ΔT

где:

q = энергия [Дж]

m = масса материала [кг]

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

ΔT = разница температур [K или ° C]

Подробнее о проектировании домов на пассивных солнечных батареях см. Здесь

Схема тепловой батареи предоставлена ​​компанией Alternative-Photonics.com /

Диаграммы тепловых батарей любезно предоставлены компанией Alternative Photonics.

Как работает аккумулятор — Любопытно

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Химия батареи

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

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

Электроды

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

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

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

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

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

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

• Стандартные потенциалы полуреакций

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

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

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

  Источник: UC Davis ChemWiki

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

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

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

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

Электролит

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

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

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

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

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

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

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

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

Зарядка аккумулятора

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

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

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

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

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

Эффект памяти и саморазряд

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Почему так много типов?

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

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

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

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

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

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

для солнечной печи

ОБНОВЛЕНИЕ: GoSun отменила производство тепловой батареи из-за сложностей с коммерциализацией этой технологии. В то время как первоначальные испытания в 2014-15 годах дали отличные результаты, дальнейшие испытания показали слишком сильное ухудшение качества материала ПКМ.

В будущем резервный обогрев GoSun Grill будет осуществляться с помощью небольшого электрического нагревательного элемента.Команда разработчиков GoSun работает над этим решением, выпуск которого запланирован на 2017 год.

Следующая веб-страница остается источником вдохновения для тепловой батареи для тех, кто хочет узнать об этой концепции.

Тепловая батарея GoSun Grill — это революционная инновация как для потребителей солнечной энергии, так и для кулинарии.

Это умный способ улавливать жару перед дождем, ночью, облаками или когда вы на улице.

Как это работает?

Простой четырехфунтовый (1,8 кг) модуль помещается внутрь GoSun Grill для предварительного нагрева в течение нескольких часов перед приготовлением. Используя скрытую теплоемкость нашего патентованного PCM (сокращение от Phase Change Material), заключенного в алюминиевый профиль, тепловая батарея способна накапливать гораздо больше энергии, чем материал, имеющий только физическое тепло (например, бетон или песок). В процессе плавления ПКМ при температуре примерно 310 ° F или 155 ° C энергия Солнца сохраняется для использования в течение дня.Это тепло, которое может достигать температуры выше 400 ° F или 205 ° C, полностью изолируется, оставаясь внутри вакуумной камеры.

Когда сковороды помещаются на тепловую батарею, начинается обратный цикл плавления, когда PCM начинает передавать накопленное тепло холодным, сырым продуктам. Электропроводность между горячей тепловой батареей и пищей очень сильная, поскольку они практически контактируют друг с другом, разделенные двумя слоями металла.Пища готовится быстро, так как тепло поднимается от батареи, и PCM медленно остывает (фактически меняет фазы, иначе говоря, замерзает) обратно в твердое состояние.

Насколько это безопасно?

Это не электрическая батарея. Он не имеет кислотной основы и не вызывает коррозии. Это безопасный, нетоксичный органический воск, заключенный в алюминиевый сосуд. При использовании для приготовления пищи внутри гриля GoSun модуль тепловой батареи располагается под сковородой.Риск перекрестного заражения отсутствует, поскольку тепловая батарея герметично закрыта.

Как использовать тепловую батарею?

Термобатарея сначала помещается в гриль GoSun, на верхнюю часть подноса, примерно за два часа до приготовления еды, чтобы дать ей достаточно времени, чтобы нагреться. После предварительного нагрева противень осторожно открывается, чтобы сковороды можно было поставить поверх батареи.Затем лоток задвигается обратно в трубку, чтобы еда могла готовиться в хорошо изолированной камере.

Это продлится?

PCM способен выполнять большое количество полностью обратимых циклов замораживания / плавления, поэтому он рассчитан на долгие годы. После обширных испытаний, проведенных нашими партнерами, мы не обнаружили заметного ухудшения характеристик негорючего, нетоксичного PCM.

Сколько времени это займет?

Тепловой батарее требуется примерно два часа, чтобы нагреться до максимальной температуры на полном солнце.После предварительного нагрева время приготовления значительно сокращается, так как пища находится в прямом контакте с теплом, когда кладется на батарею.

Сколько энергии доступно?

Тепловая батарея была разработана с достаточной емкостью, чтобы автономно приготовить еду для восьми человек без посторонней помощи. Например, это может быть четыре фунта курицы или четыре буханки хлеба. При полной зарядке от тепла вырабатывается около 300 Вт · ч (ватт-часов) энергии.Если бы тепловая энергия и электрическая энергия были одинаковыми, это преобразовалось бы в одинаковую энергию примерно 55 iPhone.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Литий-ионные батареи

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

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

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

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

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

Температура батареи

: контролируете ли вы ее?

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

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

Как тепло влияет на температуру батареи

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

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

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

Последующие улучшения

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

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

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

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

Рассеивание тепла

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

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

2. Рассеяние выделяемого тепла, которое приводит к отводу тепла от батареи, чтобы избежать температур, которые могут ее повредить.Тепло рассеивается за счет конвекции, теплопроводности и излучения.

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

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

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

Защита зарядного устройства

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

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

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

Требуются датчики температуры

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

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

Заключение

Менеджеры парка

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

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

Как работают литий-ионные батареи | HowStuffWorks

Литий-ионные аккумуляторные батареи бывают всех форм и размеров, но все они выглядят примерно одинаково внутри.Если бы вы разобрали аккумуляторную батарею ноутбука (что-то, что мы НЕ рекомендуем из-за возможности короткого замыкания аккумулятора и возникновения пожара), вы обнаружите следующее:

• Литий-ионные элементы могут быть либо цилиндрическими батареями, которые почти идентичны элементам AA, либо они могут быть призматическими , что означает, что они квадратные или прямоугольные. Схема преобразователя и регулятора напряжения для поддержания безопасных уровней напряжения и тока
• Экранированный разъем для ноутбука , который позволяет питанию и информации поступать в аккумуляторный блок и из него
• Отвод напряжения , который контролирует энергоемкость отдельные элементы в аккумуляторном блоке
• Монитор состояния заряда аккумулятора , который представляет собой небольшое вычисление r, который выполняет весь процесс зарядки, чтобы аккумуляторы заряжались как можно быстрее и полностью.

Если аккумуляторная батарея становится слишком горячей во время зарядки или использования, компьютер отключит подачу питания, чтобы попытаться остыть. Если вы оставите ноутбук в очень горячей машине и попытаетесь использовать ноутбук, он может не дать вам включиться, пока все не остынет. Если элементы когда-либо полностью разряжаются, аккумуляторная батарея отключится из-за разрушения элементов. Он также может отслеживать количество циклов зарядки / разрядки и отправлять информацию, чтобы индикатор заряда батареи ноутбука мог сказать вам, сколько заряда осталось в аккумуляторе.

Это довольно сложный маленький компьютер, питающийся от батарей. Такое энергопотребление является одной из причин, по которой литий-ионные батареи теряют 5 процентов своей мощности каждый месяц, когда они простаивают.

Литий-ионные элементы

Как и у большинства батарей, внешний корпус сделан из металла. Здесь особенно важно использование металла, потому что аккумулятор находится под давлением. В этом металлическом корпусе есть чувствительное к давлению вентиляционное отверстие . Если аккумулятор когда-либо станет настолько горячим, что может взорваться из-за избыточного давления, это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление.Батарея, вероятно, впоследствии станет бесполезной, так что этого следует избегать. Отверстие строго предусмотрено в качестве меры безопасности. Так же и переключатель с положительным температурным коэффициентом (PTC) , устройство, которое должно предохранять аккумулятор от перегрева.

Этот металлический корпус содержит длинную спираль, состоящую из трех спрессованных вместе тонких листов:

• A Положительный электрод
• A Отрицательный электрод
• A сепаратор

Внутри корпуса эти листы погружены в органический растворитель, который действует как электролит.Эфир — один из распространенных растворителей.

Сепаратор представляет собой очень тонкий лист пластика с микроперфорацией. Как следует из названия, он разделяет положительный и отрицательный электроды, позволяя ионам проходить через них.

Положительный электрод изготовлен из оксида лития-кобальта или LiCoO ₂ . Отрицательный электрод изготовлен из углерода. Когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются через электролит от положительного электрода к отрицательному и прикрепляются к углю. Во время разряда ионы лития возвращаются в LiCoO ₂ из углерода.

Движение этих ионов лития происходит при достаточно высоком напряжении, поэтому каждая ячейка вырабатывает 3,7 вольт. Это намного выше, чем 1,5 В, типичные для обычного щелочного элемента AA, который вы покупаете в супермаркете, и помогает сделать литий-ионные батареи более компактными в небольших устройствах, таких как сотовые телефоны. См. Раздел «Как работают батареи» для получения подробной информации о батареях различного химического состава.

Мы рассмотрим, как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, и выясним, почему они могут взорваться в следующий раз.

Увеличение срока службы батареи за счет нагрева

Наблюдение невооруженным глазом за аморфными / фрактальными дендритами лития.Предоставлено: Асгар Арианфар.

Пока не вставляйте свои электронные устройства в тостер, но для того, чтобы использовать аккумулятор с более длительным сроком службы, вы можете когда-нибудь нагреть их, когда они не используются. Со временем на электродах внутри аккумуляторной батареи могут вырасти крошечные ветвистые нити, называемые дендритами, вызывая короткие замыкания, которые убивают батарею или даже воспламеняют ее. Но благодаря новым экспериментам и компьютерному моделированию исследователи из Калифорнийского технологического института подробно изучили, как более высокие температуры могут разрушить эти дендриты и, возможно, продлить срок службы батарей.

Элемент батареи состоит из положительного и отрицательного электрода, называемых катодом и анодом. Поскольку батарея вырабатывает электрический ток, электроны текут от анода через цепь вне батареи и обратно в катод. Потеряв электроны, генерирующие ток, некоторые из атомов в аноде — электропроводящем металле, таком как литий, — становятся ионами, которые затем перемещаются к катоду, перемещаясь через проводящую жидкую среду, называемую электролитом.

Зарядка батареи меняет процесс, ионы возвращаются и прилипают к аноду. Но когда они это делают, ионы прикрепляются неравномерно. Вместо этого они образуют микроскопические шишки, которые в конечном итоге превращаются в длинные ответвления после нескольких циклов зарядки. Когда эти дендриты достигают катода и контактируют с ним, они образуют короткое замыкание. Электрический ток теперь течет по дендритам, а не по внешней цепи, делая батарею бесполезной и мертвой.

Ток также нагревает дендриты, и поскольку электролит склонен к воспламенению, дендриты могут воспламениться.Даже если дендриты не замыкают аккумулятор накоротко, они могут полностью оторваться от анода и плавать в электролите. Таким образом, анод теряет материал, и батарея не может хранить столько энергии.

«Дендриты опасны и уменьшают емкость аккумуляторных батарей», — сказал Асгар Арианфар, ученый из Калифорнийского технологического института, который руководил новым исследованием, опубликованным на этой неделе на обложке журнала The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing. Хотя исследователи изучили литиевые батареи, которые являются одними из самых эффективных, их результаты можно широко применить.«Проблема дендритов характерна для всех аккумуляторных батарей», — сказал он.

Наблюдение невооруженным глазом за дендритами лития, созданными при i = 2 мА. см? 2 для t = 24 часа (a) до и (b) после погружения в масляную баню с T = 78 ° C на t = 48 часов. Доля заполненной площади уменьшена с 64 до 41 процента. Предоставлено: Асгар Арианфар.

Исследователи выращивали дендриты лития на тестовой батарее и нагревали их в течение пары дней. Они обнаружили, что температура до 55 градусов по Цельсию сокращает дендриты на целых 36 процентов.Чтобы выяснить, что именно вызвало эту усадку, исследователи использовали компьютер для моделирования воздействия тепла на отдельные атомы лития, составляющие дендрит, который был смоделирован с помощью простой идеализированной геометрии пирамиды.

Моделирование показало, что повышение температуры заставляло атомы перемещаться двумя способами. Атом на вершине пирамиды может опуститься на более низкие уровни. Или атом на более низком уровне может двигаться и оставлять пустое место, которое затем заполняется другим атомом.Атомы перемещаются, генерируя достаточно движения, чтобы опрокинуть дендрит.

По словам Арианфара, подсчитав количество энергии, необходимое для изменения структуры дендрита, исследователи смогут лучше понять его структурные характеристики. И хотя многие факторы влияют на долговечность батареи при высоких температурах, например, ее способность разряжаться сама по себе или возникновение других химических реакций на стороне, эта новая работа показывает, что для оживления батареи все, что вам может понадобиться, — это немного дополнительного тепла. .

---

Дендритовый ластик: новый электролит устраняет короткозамыкающие волокна в батареях

---

Дополнительная информация: «Кинетика отжига электроосажденных дендритов лития», Асгар Арианфар, Тао Ченг, Агустин Дж.Колусси, Борис В. Меринов, Уильям А. Годдард III и Майкл Р. Хоффманн. The Journal of Chemical Physics 1 октября 2015 г. DOI: 10.1063 / 1.4930014 Предоставлено Американский институт физики

Ссылка : Увеличение срока службы батареи за счет нагрева (1 октября 2015 г.) получено 3 июня 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-10-battery-life.html

Этот документ защищен авторским правом.