Термоклапан на батареи: Термостатическая головка Heizen для радиаторного клапана M30x1.5 TW-1

Термостатические радиаторные клапаны используются в США, Европе и России с одинаковым успехом. Эти устройства не устаревают и не выводятся из производства. В комплекте с клапанами могут продаваться и термоголовки, их также можно приобретать отдельно. Термоголовки автоматизируют процесс регулирования температуры в помещении. Внутри устройства находится термочувствительный элемент — сильфон. Именно он реагирует на температуру в помещении, и в случае её повышения или понижения, позволяет автоматически регулировать нагрев или охлаждение радиатора.

Европейские производители выпускают термоклапаны как для однотрубной, так и для двухтрубной отопительной системы. Чтобы правильно подобрать устройство и не ошибиться в выборе, нужно знать какой объем теплоносителя будет проходить через клапан в радиатор. Всё зависит от того, к какой из двух отопительных систем подключен дом. Так, для однотрубной системы производятся клапаны с большей пропускной способностью, а для двухтрубной — с меньшей. В ассортименте продукции PROFACTOR есть все виды клапанов. Например, угловой ½ дюймовый клапан PF RVT 382 целесообразно устанавливать в однотрубной системе, а прямой клапан ½ дюйма PF RVT 380 — в двухтрубной. Если ошибиться и установить не тот термоклапан, велика вероятность что регулировать температуру в радиаторе не получится.

В советскую эпоху жестко экономили на всём, поэтому в России и других республиках бывшего СССР широко распространилась однотрубная система отопления. У неё, конечно, были свои преимущества: гидродинамическая устойчивость, легкость проектирования и монтажа, малые затраты материалов и средств, так как требуется установка только одной магистрали для теплоносителя. Так, в советских многоэтажках по одной магистральной трубе (стояку) теплоноситель подавался на самый верхний этаж откуда по нисходящей магистрали последовательно распределялся по всем радиаторам дома. Пока теплоноситель достигал нижних этажей, он остывал, из-за этого верхние этажи обогревались интенсивнее, чем нижние. Жители советских многоэтажек, сохранившихся не только в Москве, но и во многих регионах России, до сих пор жалуются, что на верхних этажах дома зимой очень жарко, а на нижних — холодно. Увы, но радиаторный клапан в этом случае может помочь только тем, кто живёт на верхних этажах дома с однотрубной системой отопления. Устройство может снизить жар от батарей, уменьшив поток теплоносителя, но повысить его температуру клапан не в состоянии.

Нужно отметить, что во многих советских высотках и пятиэтажках типа «хрущёвка» устанавливались тяжелые чугунные радиаторы. Увы, термоклапаны на «чугунках» работают неэффективно, так как эти отопительные приборы долго нагреваются и ещё дольше остывают. Термоклапаны предназначены для быстронагревающихся и быстроостывающих приборов, например — радиаторов из стали, алюминия или биметаллических.

Однотрубная система отопления вполне себя оправдывает в малоэтажных жилых домах, в школах, больницах и других социальных учреждениях. Если в доме не более 2-3 этажей, то однотрубная магистраль равномерно распределяет теплоноситель по всем радиаторам, и они не успевают остывать. В этом случае, чрезмерно разогретые радиаторы требуют установки термостатических клапанов для однотрубной системы отопления, например — углового ½ дюймового клапана PF RVT 382.

Основной недостаток однотрубной системы отопления — невозможность регулировать и направлять поток теплоносителя в отдельно взятые радиаторы. По магистрали он поступает на все присоединенные обогревательные приборы, в том числе и ненужные, что приводит к высоким теплопотерям. В СССР это называлось «отапливать улицу». Эта проблема существует и сейчас в оставшихся советских домах, а таких в России немало.

Хоть двухтрубная система отопления и считается более дорогой и сложной по схеме подключения, её монтаж осуществляется гораздо тяжелее, но эти недостатки компенсируются в зимнее время, когда в доме происходит максимальная аккумуляция тепла.

В двухтрубной системе циркуляция теплоносителя происходит более эффективно. По одной ветке горячий теплоноситель распределяется по радиаторам, а по второй — охлажденная жидкость возвращается в котел. При этом, трубы по помещениям разводятся по особой коллекторной системе, что обеспечивает независимость работы радиаторов в цепи. То есть, в случае аварии или ремонта, любой радиатор можно отключить, при этом, не прерывая работы всей отопительной системы. Радиатор также легко отключается на время в целях экономии или за ненадобностью.

Ещё на этапе проектирования двухтрубной системы отопления предусматривается установка автоматических терморегуляторов для радиаторов отопления и, следовательно, возможность регулирования температуры в каждой комнате. Компания-застройщик приобретает термоклапаны с термоголовками и устанавливает их во всём доме, где есть радиаторы. Однако, как показывает практика и исследования специалистов PROFACTOR Armaturen GmbH, не всегда монтаж термоголовок оказывается правильным, даже если его произвели сами застройщики. Тем более, если эту работу взять на себя, то следует знать в каком положении термоголовка должна находиться по отношению к радиатору.

Как в Европе, так и в России попадаются застройщики, которые устанавливают термоголовку вертикально над клапаном. Конечно, это выглядит эстетично, но грубо нарушает правила и условия работы устройства. Если оно расположено таким образом, то поток горячего воздуха от металлического клапана и радиатора устремляется непосредственно на термоголовку. Жар поднимается вверх и постоянно греет устройство. Находящийся внутри него сильфон решает, что в помещении достаточно тепло, поэтому уменьшает подачу теплоносителя в радиатор. При этом в комнате может быть довольно прохладно, но из-за неправильной установки термоголовка получает «ложный сигнал». Так, радиатор будет отключаться всякий раз, и довольно часто, не успевая как следует обогревать помещение. Поэтому термоголовка ни в коем случае не должна находиться в потоке горячего воздуха, поступающего от отопительных элементов. То есть, её нужно устанавливать только параллельно полу!

На практике специалисты PROFACTOR наблюдали и другие случаи, когда нерадивые мастера монтировали термоголовку вместе с радиатором в глубокой нише или под подоконником, то есть в ограниченном пространстве, где температура воздуха не такая, как во всём помещении. Вновь получая «ложный сигнал» и решив, что в комнате жарко, сильфон снижает теплоподачу. Увы, «переубедить» термоголовку, уединившуюся с радиатором под подоконником или в нише, не получится, ей будет всегда жарко.

Неправильная установка термоголовки может привести и к её «замерзанию». К примеру, это случается если устройство расположить на краю оконного проема, откуда идёт нисходящий поток холодного воздуха. Тогда, термоголовка охлаждается и считает, что в помещении холодно, и чтобы его согреть в радиатор будет беспрерывно закачиваться теплоноситель.

Учитывая вышеприведенные примеры, специалисты PROFACTOR предостерегают потребителей: неэффективная работа или преждевременная поломка термоголовки на радиаторном клапане может оказаться следствием неблагоприятного внешнего воздействия из-за непрофессиональной установки устройства.

Работа любого термостатического радиаторного клапана зависит ещё от одного важного фактора — направления движения теплоносителя. На всех устройствах PROFACTOR и других европейских производителей это направление указывается стрелкой. Устанавливать клапан требуется строго по направлению стрелки, а для этого нужно знать в каком направлении подаётся в радиатор теплоноситель — сверху или снизу. Более того, в одной квартире, но в разных комнатах, теплоноситель может подаваться в разных направлениях. Это, как правило, происходит в домах с двухтрубной системой отопления.

Если термоголовка считается капризным прибором, который может неэффективно работать в случае неправильной установки, то термостатический радиаторный клапан абсолютно неприхотлив, прост и надёжен.

Термоклапан устанавливается на входе в радиатор, посредством маховика можно вручную регулировать поток теплоносителя и самостоятельно устанавливать температуру в помещении. Если маховик закручивать, то поток теплоносителя уменьшается, что позволяет снизить температуру. И наоборот, открытый маховик пропускает в радиатор поток теплоносителя и максимально поднимает температуру в помещении.

Но тут есть важный нюанс! Если на входе в радиатор ставится обычный термоклапан, то на выходе обязательно монтируется настроечный клапан, который ограничивает поток теплоносителя в системе. Оба клапана выступают в дуэте и одинаково отвечают за температуру радиатора. Если какой-либо из двух клапанов неправильно отрегулирован, то добиться нужной температуры в радиаторе будет сложно.

Однако без второго клапана в отопительной системе можно вполне обойтись, если на входе в радиатор поставить термоклапан с предварительной настройкой. Дело в том, что в преднастроечном клапане есть функции, как регулировки, так и настройки потока теплоносителя. Последнее как раз и позволяет не ставить на выходе радиатора настроечный клапан.

Если с термоголовкой всё предельно ясно — она автономна и работает без вмешательства человека, — то с самим термоклапаном не всё так просто. Рассмотрим последнее поколение этих устройств — термостатический радиаторный клапан с предварительной настройкой. Под маховиком, на корпусе клапана, выгравированы цифры от 1 до 6 (они расположены по окружности и напоминают циферблат часов). Так, например, выглядит продукция PROFACTOR с артикулами PF RVT 980 и PF RVT 982. Цифры обозначают объем потока теплоносителя, проходящего через клапан. С их помощью мастер-сантехник может отрегулировать, то есть предварительно настроить клапан в нужном положении, посредством шестигранного ключа. После этого через устройство будет проходить требуемый, согласно проектировочным документам, объем теплоносителя.

«Циферблат» на корпусе преднастроечного клапана, с цифрами от 1 до 6, соответствует мощности потока теплоносителя, где 1 — это обозначение минимального открытия клапана, а 6 — максимального. Это удобство настройки отличает термоклапан с преднастройкой от настроечного собрата, так как в последнем операция настройки совершается «вслепую». Мастер может знать какое количество оборотов приводит к уменьшению потока внутри системы, а может просто догадываться. Поэтому «слепая» ручная настройка считается условной и приблизительной, она не гарантирует точности регулировки температуры радиатора.

В этой связи, термоклапан с преднастройкой более удобен, так как позволяет соединить в одном устройстве две функции — регулировку и настройку потока теплоносителя.

Задача термоклапанов — предотвращать переизбыток тепла в радиаторах и устанавливать в помещениях максимально-комфортную для человека температуру. Главное — не ошибиться в выборе устройства, обратить внимание на его технические характеристики, правильно установить, а при наличии термоголовки — создать такие условия для ее функционирования, при которых она не получала бы «ложные сигналы».

Почему шумит батареяМастер водовед

07 марта 2013г.

Написать эту статью побудило, по банальной казалось на первый взгляд  причине. Последнее время часто пишут о том, что шумят батареи отопления в квартире.

Мы попробовали разобраться лишь в нескольких случаях, так как все они уникальны и, как правило, требуют подробного разбирательства.

Почему шумят батареи отопления

термоклапан

устройство клапана RTD-N

При замене приборов отопления стали применять радиаторный терморегулятор, который состоит из двух частей, одна из которых это термоклапан.

Клапаны радиаторных терморегуляторов бывают двух типов:

•  RTD-N (для двухтрубных насосных систем отопления)
•  RTD-G (для однотрубных насосных и двухтрубных гравитационных систем)

Клапан RTD-N повышенного гидравлического сопротивления с монтажной настройкой бывают прямые и угловые. Устройство регулировки представляет собой дросселирующий цилиндр,связанный с поворотной коронкой.

регулирующая коронка

 Разные положения коронки и цилиндра соответствуют значениям пропускной способности теплоносителя через клапан терморегулятора.

На коронке нанесены цифры положений настоечного элемента и выставлены против сверления

 на корпусе клапана.Настройка производится без какого-либо инструмента.

В случае засорения клапана  настройки достаточно повернуть настроечную коронку до положения N- и клапан промоется водой.

регулировка проходного сечения

Клапан RTD-G пониженного гидравлического сопротивления без устройства для ограничения пропускной способности, производится  без регулировки  сечения.

Конвекторы отопления и стальные панельные радиаторы комплектуются клапанами терморегуляторов как для двухтрубной, так и для однотрубной системы отопления. Остальные приборы отопления с этими терморегуляторами работают только с двухтрубной системой.

Поэтому делаем вывод, если у вас до замены радиатора не было шума   а после установки термо клапана появился, значит:

1. Смотрим маркировку термо клапана.
2. Направление движения теплоносителя.
3. Регулировку проходного сечения в клапане.
4. Термо клапан должен стоять строго на подаче теплоносителя.

Но по опыту работ наши наблюдения показали, что при однотрубной горизонтальной разводке требуется устанавливать,радиаторные  терморегуляторы с проходными регулирующими клапанами пониженного гидравлического сопротивления.

Шум батарей с  насосной циркуляцией

Еще шум в приборах отопления может происходить из за неправильной подборки насоса отопления,что приводит к сильному гидравлическому сопротивлению в системе отопления.

Чтобы обеспечить бесшумную работу водяной системы отопления с насосной циркуляцией, скорость движения теплоносителя не должна превышать: в трубопроводах, прокладываемых в основных помещениях жилых зданий, при условных проходах труб 10, 15 и 20 мм и более соответственно 1,5; 1,2 и 1 м/с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных помещениях жилых зданий — 1,5 м/с; в трубопроводах, прокладываемых в вспомогательных зданиях — 2 м/с.

И в заключении хотелось отметить что  правильный подбор оборудования дает хорошие результаты!

Клапан для нижнего подключения радиатора. Арматура и комплектующие для отопительных радиаторов

угловые, регулировочные, внутренние, пружинные, видео-инструкция по монтажу своими руками, термоэлектрический привод, термоклапан для радиатора отопления, фото и цена

Контроль работы системы отопления очень важен. Это касается как экономии энергоресурсов, так и безопасности её эксплуатации. Один из приборов, помогающих оптимально настроить отопительное оборудование – это радиаторный регулирующий клапан.

О нём и пойдёт речь в данной статье.

Фото радиаторного клапана

Общие положения

Можно выделить три прибора, позволяющих ограничивать или перекрывать движение теплоносителя по батарее отопления:

Термоклапан для радиатора отопления автоматически регулирует подачу теплоносителя

Таким образом, если нам необходима именно запорная арматура на перекрытие движения воды в батарею, то наиболее эффективно установить простой шаровый кран. Но, если требуется постоянный контроль и регулирование потока, то, несомненно, стоит остановиться на монтаже радиаторного клапана, который предоставит массу преимуществ:

Достоинства

• Экономия энергоресурсов. Когда в комнате достаточно тепло, клапан для радиатора отопления сокращает подачу теплоносителя, тем самым значительно снижая предстоящие счета за коммунальные услуги.

Совет: если дом имеет более одного этажа, то в первую очередь рекомендуется оборудовать термостатами самые высокие точки. Ведь, как мы все знаем из школьного курса физики, тепло поднимается вверх, следовательно,клапаны там принесут наибольшую пользу.

• Предотвращение возникновения аварийных ситуаций. При возникновении в системе критической температуры или давления, термостат полностью перекроет движение воды до нормализации ситуации.

Клапан для нижнего подключения радиатора предотвращает возникновение аварийных ситуаций

Совет: после срабатывания полной блокировки подачи жидкости терморегулятором, стоит проверить его состояние и заменить в случае обнаружения деформаций. Иначе в следующий раз прибор может попросту не сработать.

• Простая инструкция установки. Вы легко в любой момент можете заменить любую запорную арматуру на термоклапан без вызова дорогостоящих профессиональных сантехников.

Монтаж терморегулятора своими руками не составит труда

• Привлекательный внешний вид, который не портит общий интерьер комнаты.

Радиаторный угловой клапан гармонично вписывается в общую концепцию системы отопления

• Лёгкость в эксплуатации. Вам достаточно установить прибор, после чего он будет выполнять свои функции автоматически.
• Невысокая цена, которая в сравнении с предоставляемыми удобствами и вовсе кажется незначительной.

Конструкционные особенности

Регулировочный клапан для радиаторов имеет следующую конструкцию:

Устройство и принцип работы

Строение термостата

Принцип работы таких устройств очень прост. В случае чрезмерного повышения температуры окружающей среды термочувствительная жидкость расширяется, вытягивая сильфон, который в свою очередь перемещает контактирующий с ним шток в клапане, за счёт чего и осуществляется сужение канала подачи.

Количество теплоносителя в результате сокращается, и радиатор охлаждается, нормализуя микроклимат в помещении.

После того, как условия нормализуются, весь процесс происходит в обратной последовательности, увеличивая нагрев оборудования.

Вариации

Радиаторный клапан для подключения снизу или угловой термостат являются наиболее распространёнными моделями.

Но стоит рассмотреть и ещё пару возможных вариантов:

1. Внутренний пружинный, который, как и следует из названия, скрывается внутри батареи. В случае повышения давления в системе пружина сжимается, и золотник перекрывает подачу теплоносителя.

Предохранительный внутренний пружинный клапан для радиатора

2. Электронный терморегулятор.

Этот вариант стоит гораздо дороже своих механических аналогов, описанных выше, но зато обладает значительно расширенным функционалом:

• Во-первых, у него имеется дисплей, демонстрирующий точную температуру в батареи.
• Во-вторых, его чувствительность намного выше, что позволяет реагировать на термальные изменения гораздо быстрее.
• В-третьих, такие устройства можно программировать. То есть, вы можете, к примеру, установить более низкую температуру на время своего отсутствия, что приведёт к ощутимой экономии.

Термоэлектрический привод клапана радиатора отопления обладает дополнительными функциями

Заключение

Клапаны для радиаторов отопления позволяют контролировать движение по их каналам теплоносителя. Это даёт экономию используемых энергоресурсов и уверенность в безопасной работе всей отопительной системы.

Батарея, оснащённая термоклапаном работает более экономно и безопасно

Видео в этой статье ознакомит вас с дополнительными материалами, которые имеют непосредственное отношение к изложенной информации.Позаботьтесь о безопасной и экономной работе системы отопления в собственном доме.

gidroguru.com

Запорная арматура и комплектующие — кронштейны, краны, накладки, вентили и крепеж

Различные комплектующие для радиаторов отопления, которые необходимы для крепления радиаторов отопления, а также их подключения, — накладки на радиаторы отопления, эксцентрики для радиаторов отопления, отражающие экраны за радиаторами отопления и многое другое – не входят в базовый комплект. Поэтому их придется приобрести самостоятельным образом. Выбирая кронштейн для радиатора отопления, нужно руководствоваться таким расчетом, что на 3 секции радиатора необходим один крепеж для батарей отопления. Радиатор отопления должен быть расположен исключительно горизонтальным образом.

Если использовать хороший комплект для подключения радиаторов отопления и выполнить качественно все работы, связанные с креплением и установкой радиаторов, то отопительная система будет работать с максимальной эффективностью и надежностью.

Эффективность отопительной системы во многом зависит и от того, правильно ли выбран тип радиатора отопления и арматура для радиатора отопления, включая узлы подключения радиаторов отопления.

Радиаторы отопления можно разделить на две основные группы: секционные радиаторы и панельные радиаторы. Первые могут быть биметаллическими или изготовленными из алюминия, а вот панельные радиаторы изготавливаются из стали. В случае с секционными радиаторами обычно используется подключение бокового или диагонального типа, а вот для панельных радиаторов используется подключение бокового или нижнего типа. Для всего этого потребуется разная фурнитура для батарей отопления и расходные материалы (к примеру, герметик для радиатора отопления).

Подключение отопительных радиаторов

Выбор схемы подключения батарей отопления может зависеть от следующих факторов (а от него будет зависеть запорная арматура для радиаторов отопления):

• Этажность дома;
• Тип радиаторов отопления, а также их габариты;
• Тип отопительной системы: однотрубная или двухтрубная;
• Напор теплоносителя в отопительной системе.

Отопительные приборы можно подключить по одной из трех схем:

• Схема диагонального подключения предполагает, что вода входит сверху, а выходит с противоположной нижней стороны. Такая схема обычно используется для домов частного типа, где устанавливаются батареи многосекционного типа. Схему можно использовать не только для однотрубных, но также и для двухтрубных отопительных систем. Такую схему подключения нельзя использовать в тех системах отопления, где рабочее давление является высоким.

• В многоэтажных домах, чаще всего встречается боковая схема подключения одностороннего типа. Такая схема подходит для тех систем отопления, в которых используется теплоноситель с довольно высокой температурой. В случае подключения такой схемы вода будет поступать сверху, а выходить снизу, но с этой же стороны.

• Схема нижнего типа подключения используется для таких типов радиаторов, у которых подключение является нижнего типа. В данном случае вся отопительная система спрятана под полом, так как трубы системы отопления уходят в пол. Длина батареи не играет никакой роли, если выбрать данный тип подключения, так как батарея будет нагреваться равномерным способом.

В зависимости от выбора схемы подключения или типа радиаторов отопления, необходимо будет выбрать определенный монтажный комплект, куда будут входить арматура и комплектующие, крепления для батарей отопления.

В стандартный набор подключения батарей отопления входят такие компоненты как:

• Заглушка;
• Резьбовая заглушка;
• 4 футорки;
• Кронштейн для батарей отопления, крепление радиаторов отопления;
• Кран Маевского;
• Прокладки для радиаторов отопления из паронита или силикона.

Переходники обычно входят в комплект парами, с правой и левой резьбой под трубу наружного типа.

Вкручиваются они в батарею отопления с левой и правой стороны. Резьба внутреннего типа под вентиль для радиатора отопления и краны для радиаторов отопления является одинаковой у всех переходников.

Кран Маевского полезен в такой ситуации, когда радиаторы отопления перестают греть помещение из-за того, что в них накопился воздух. Чтобы вернуть радиатору его былую работоспособность и эффективность, необходимо всего лишь открыть кран. Обычно такой клапан для радиатора отопления изготавливается из такого материала, как латунь, и обладает покрытием хромированного типа.

Резьбовая заглушка необходима для того чтобы обеспечить герметизацию всех резьбовых отверстий, у которых диаметр составляет один дюйм. Для того чтобы уплотнить ниппельное соединение радиаторных секций, используются различные прокладки.

Для того чтобы закрепить радиатор отопления на стену, необходим крепеж для радиаторов отопления.

Кронштейны могут быть углового или анкерного типа. Кронштейны штыревого типа можно использовать для любого вида стен, а вот для деревянных стен можно использовать только угловые кронштейны.

Иногда в монтажный комплект могут входить прокладки, которые устанавливаются между стеной и радиатором отопления. Если в схему включить такой компонент, как байпас для радиаторов отопления, то такая перемычка на батарею отопления будет регулировать температуру батареи. Можно использовать и термостат, термо датчик на батарею отопления или утеплитель для радиатора отопления, а также счетчик на батарею отопления, однако данный способ более дорогостоящий.

Выбираем комплект для подключения радиатора отопления

Диаметр труб подводящего типа играет важную роль при выборе монтажного комплекта. Полудюймовый комплект подойдет для полимерных труб с диаметром в 16 и 20 мм.

Если необходимо подключить панельные батареи из стали с подключением бокового типа, то нужно будет купить только заглушку и кран Маевского. Комплекты стандартного типа для подключения радиаторов не требуются, так как у таких радиаторов с нижней и верхней стороны уже имеется внутренняя резьба с полудюймовым диаметром. Благодаря наличию такой резьбы трубы можно вкручивать сразу без переходников.

Не нужно забывать о том, что могут понадобиться такие расходные материалы, как: герметик для батарей отопления из силикона, фум-лента или пенька. Обычно такие материалы не входят в базовый комплект.

Также часто ставят теплоотражающие экраны за радиаторами отопления. Они призваны увеличить эффективность и теплоотдачу. Отражатели тепла за батареей отопления делают из фольги, пенофола, порилекса с фольгой. Отражатели для радиаторов отопления должны быть сделаны из такого материала, который имеет низкий коэффициент теплопроводности. Если ваши тепловые экраны для батарей отопления – только из фольги, то она отдаст часть тепла стене. Поэтому нужно делать прослойку. Отражатели для батарей отопления может также быть сделан из рулонного пенопласта.

Вся арматура для батареи отопления, комплектующие и дополнительные материалы– перемычка на радиаторе отопления, коллектор для радиаторного отопления, пробки для радиаторов отопления, испаритель на батарею отопления, вентилятор на батарею отопления, сушилка на радиатор отопления и многое другое – такие же неотъемлемые элементы системы отопления. Без них она не работала бы так эффективно.

otoplenie-doma.org

Клапаны для стальных панельных радиаторов

Узел нижнего подключения прямой термостатический

Узел нижнего подключения угловой термостатический

Узел нижнего подключения прямой, для двухтрубных систем

Узел нижнего подключения прямой, для двухтрубных систем, компактный

Узел нижнего подключения угловой, для двухтрубных систем

Узел нижнего подключения угловой, для двухтрубных систем, компактный

Узел нижнего подключения прямой, для одно- и двухтрубных систем

Узел нижнего подключения угловой, для одно- и двухтрубных систем

Переходник с герметичной прокладкой

ru.giacomini.com

Регулирующий термостатический вентиль для радиаторов

Кран и вентиль для радиатора отопления – это абсолютно разные узлы, функции которых отличаются. Кран может либо полностью открыть условный проход, либо закрыть. Работа вентиля заключается в частичном перекрытии пути теплоносителя. Этот вид арматуры применяется для регулировки температуры в батареях и балансировки системы отопления.

Отличие вентиля от крана

Шаровой кран в разрезе.

Если вы введете в строку поиска запрос «вентиль для радиатора отопления», то выдача будет касаться абсолютно всей арматуры для обвязки батарей, начиная с шаровых кранов. А ведь между вентилями и кранами есть концептуальное отличие, что не может ставить эти два узла в один ряд.

Кран – это трубопроводная арматура, которая работает на полное открывание или перекрытие пути теплоносителю. В качестве затворного элемента выступает шар с отверстием. Он вращается только вокруг своей оси. Никаких смещений по осям Х и У нет.

Вентили для радиаторов отопления могут перекрывать путь теплоносителю частично, ограничивая поток. Затворная часть перемещается перпендикулярно потоку. В верхнем положении условный проход полностью открыт, а в нижнем, когда запорный конус опускается в седло, вентиль перекрыт.

В отличие от кранов, где шар перекрывает условный проход вследствие вращения, в вентилях все несколько иначе:

• вращается только шток клапана, создавая давление на перекрывающий конус;
• конус опускается вниз, перекрывая поток.

Конструкция вентилей для радиаторов отопления может быть двух видов: с ручным и автоматическим управлением. Ручное управление – это когда нет возможности заменить вращающийся шток на термоголовку. Разница в том, что термоголовка не крутится, а просто давит на золотник за счет теплового расширения сильфона.

Сейчас медные трубы и фитинги для отопления используются редко, полимеры почти полностью вытеснили металлы.

Подробнее про пластиковые отопительные трубы вы можете почитать тут.

Термостатические вентили для радиаторов

Термовентиль в разрезе.

Первыми рассмотрим вентили, которые за счет уменьшения условного прохода могут регулировать температуру в батареях. Они называются термостатические вентили для радиаторов отопления. Как мы уже сказали, есть ручные и полуавтоматические. Полуавтоматические – потому что могут работать в обоих режимах.

Есть разные конфигурации:

• прямые;
• угловые;
• с обычной и повышенной пропускной способностью – вторые применяются для однотрубных систем.

Вентили для радиаторов термостатические устанавливаются на подаче. Если арматура работает в ручном режиме, то настройка осуществляется один раз. Опытным путем вы выставляете необходимое положение затворного конуса, ориентируясь по температуре батарей. Неудобство в том, что с изменением погоды температура воздуха в помещении будет скакать. А если у вас центральное отопления, то появляется еще один нестабильный фактор – теплоноситель. Степень его нагрева тоже меняется в зависимости от погоды, за этим следят уже в котельной.

Если на термовентиль для радиатора отопления установлена термоголовка (если есть техническая возможность), то перепады температуры теплоносителя и изменения погоды не влияют на микроклимат в помещении.

В головке есть сильфон – это капсула, в которой есть рабочее вещество. За счет его теплового расширения капсула увеличивается в объёме и давит на запорный конус. В механических термоголовках нельзя влиять на степень теплового расширения рабочего вещества, поэтому регулировка осуществляется изменением расстояния от сильфона до конуса. В электрических головках вокруг сильфона намотана спираль, за счёт ее нагрева происходит тепловое расширение. В этом случае можно контролировать подачу тока на спираль, соответственно, влиять на изменение размеров конуса. Встроенный датчик температуры контролирует этот процесс.

Балансировочные вентили для радиаторов

Настроечный болт скрыт под крышкой.

Этот вид радиаторной арматуры предназначен для гидравлической балансировки системы отопления. Чтобы теплоноситель проходили равномерно по каждому теплообменнику в контуре нужно выровнять их гидравлическое сопротивление.

Балансировочный регулирующий вентиль для радиатора настраивается согласно проекту. В централизованных системах эта работу могут выполнять только сотрудники обслуживающей организации. Самовольное вмешательство в контур запрещено, даже поменять батарею без разрешения ЖЭКа нельзя. В небольших автономных системах эти вентили не нужны, только если контур большой и имеет несколько разных по длине веток.

Балансировочные вентили устанавливаются на обратке – это там, где теплоноситель покидает батарею. Бывают прямыми и угловыми, вполне могут заменить запорную арматуру (шаровые краны).

С недавних пор полиэтиленовые трубы для отопления (РЕХ) стали использоваться наравне с полипропиленом.

Соотношение внутреннего и наружного диаметра стальных труб отопления смотрите здесь.

Комбинированные регулирующие вентили для нижнего подключения

Комбинированный вентиль.

Есть такие двойные вентили для радиатора отопления похожие на бинокль. Обратите внимание на наличие крышечки сбоку. Она скрывает шток для балансировки системы. Если крышечки нет, то перед вами просто два совмещенный шаровых крана. Это уже не вентиль, а запорная арматура.

Комбинированные вентили помимо простой балансировки, могут еще и регулировать температуру в радиаторе. Например, четырехходовой термостатический узел для нижнего подключения радиатора. При этом метод монтажа тоже может отличаться. Есть узлы, которые работают в тандеме с термостатическими клапанами, а есть и такие, на которые можно накручивать термоголовки. Во втором случае обвязка намного аккуратнее.

utepleniedoma.com

Подключение радиаторов снизу — Инжиниринг навсегда

Рис. 1.

Однако в жизни нередко применяется подсоединение радиатора к системе отопления «снизу-снизу» (рис. 2).

Рис. 2.

Например, в широко известной схеме «Ленинградка» (рис 3).

Рис. 3.

Данная схема подключения радиатора отопления считается не очень эффективной по теплоотдаче — по сравнению с приведенным выше диагональным подключением. А при большой секционности (более 8 секций) радиатора применять такую схему подсоединения категорически не рекомендуется, в этом случае плохо прогреваются верхние углы радиатора, работа отопительного прибора становится неэффективной.

Популярность подсоединения «снизу-снизу» очевидна. Не нужно штробить стену или прокладывать трубы открыто по стене. При частном домостроении трубы легче скрыть, например, спрятать за плинтус или уложить между чистовым и черновым полом в деревянном доме, при коллекторной разводке в многоэтажном доме пластиковые трубы удобно расположить в стяжке.

Рис. 4.

Если использовать данный клапан (рис. 5), радиатор отдает максимум тепла. Важно, что длина радиатора при этом не имеет никакого значения.

Клапан подходит для любых моделей радиаторов с шириной секции 80 мм и резьбой коллектора 1″.

Рис. 5.

Устройство поставляется вместе с переходником 1″х½» или 1″х¾» в левом и правом исполнении, что позволяет осуществлять подачу теплоносителя в радиатор с нужной стороны и подключать радиатор кранами и вентилями с резьбой ½» и ¾».

realengineering.livejournal.com

— обзор

15.4.2 Добавки к отрицательно активному материалу, снижающие выделение водорода на свинцово-углеродном электроде

Потери воды в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее с клапаном (VRLA) зависят от скорости выделение водорода, коррозия решеток положительной пластины и окисление углеродных частиц.

Кислород, образующийся на положительных пластинах, диффундирует к отрицательным пластинам и восстанавливается там, тем самым снижая потенциал отрицательных пластин.Следовательно, скорость выделения водорода снижается.

Недавно были проведены обширные исследования, направленные на поиск подходящих добавок к отрицательному активному материалу, которые подавили бы водородную реакцию и сульфатирование отрицательных пластин. На рис. 15.23 показано влияние добавок оксида галлия (Ga ₂ O ₃ ) или оксида висмута (Bi ₂ O ₃ ) к NAM на характеристики батареи [29].

Рисунок 15.23. Перенапряжение водорода при зарядке и напряжение разряда Pb – C электрода батарей, содержащих разное количество (A) Ga ₂ O ₃ или (B) Bi ₂ O ₃ в отрицательной активной массе в зависимости от количества высокопроизводительных циклы частичного состояния заряда [33].

Батарея с 0,01% Ga ₂ O ₃ в NAM, что соответствует 2% Ga ₂ O ₃ в активированном угле, имеет срок службы в три раза дольше, чем у батареи без Ga ₂ O ₃ присадка (рис. 15.23A). Этот уровень загрузки Ga ₂ O ₃ увеличивает перенапряжение выделения водорода на 120 мВ, что приводит к снижению потерь воды и, следовательно, увеличению срока службы в условиях HRPSoC [33].

Батарея с 0.02% Bi ₂ O ₃ в NAM, что соответствует 4% Bi ₂ O ₃ в активированном угле, снижает скорость выделения водорода и, таким образом, продлевает срок службы батареи в 2,6 раза. по сравнению с аккумулятором без добавки Bi ₂ O ₃ (рис. 15.23B) [33].

Добавление оксида индия (In ₂ O ₃ ) к NAM также увеличивает перенапряжение выделения водорода, тем самым снижая скорость реакции водорода и в конечном итоге продлевая срок службы батарей VRLA в цикле HRPSoC [34].Батареи с 0,02% In ₂ O ₃ в NAM имеют как минимум в четыре раза больший срок службы, чем эталонные батареи без этой добавки. Кроме того, добавка In ₂ O ₃ в NAM подавляет накопление сульфата свинца в отрицательных пластинах и, таким образом, ингибирует их прогрессирующее сульфатирование, облегчая реакцию восстановления сульфата свинца до свинца, т.е. отрицательные электроды при включении батареи.

Различные углеродные добавки к NAM в разной степени снижают перенапряжение водорода.Так, например, когда к отрицательному активному материалу добавляются 0,02% углеродной сажи (CB) или 0,5% ацетиленовой сажи (AB), или 2,0% чешуйчатого графита (FG), или 1,5% расширенного графита (EG), повышается водородное перенапряжение. только на 20–30 мВ. Однако добавление 0,5% активированного угля (AC) в NAM снижает поляризацию электрода на 190 мВ, поскольку это значительно увеличивает активную поверхность NAM [35].

Добавление оксидов редкоземельных металлов в электролит увеличивает перенапряжение выделения водорода на отрицательных пластинах, содержащих 0.2% технического углерода, погруженного в 1,28 гр. H ₂ SO ₄ раствор, содержащий 0,025% соответствующей добавки. На рис. 15.24A показаны поляризационные кривые выделения водорода на отрицательных пластинах с 0,2% углеродной сажи в NAM в присутствии различных добавок в электролите. Положительное влияние конкретной добавки на замедление реакции выделения водорода указано в следующем порядке:

Рисунок 15.24. Поляризационные кривые выделения водорода на отрицательных пластинах, содержащих: (A) 0.2% технического углерода в отрицательной активной массе (NAM) и 0,025% оксидов редкоземельных элементов в 1,28 кв. H ₂ SO ₄ раствор и (B) 0,5% активированного угля в NAM и 1,28 s.g. H ₂ SO ₄ раствор, содержащий политетрафторэтилен различной концентрации [35].

Gd ₂ O ₃ > La ₂ O ₃ > Dy ₂ O ₃ > Nd ₂ O ₃ > Sn ₂ O ₃

Эти оксиды растворимы в растворах H ₂ SO ₄ , и ионы редкоземельных металлов адсорбируются на поверхности NAM, препятствуя диффузии ионов H ⁺ к поверхности и, вероятно, переносу электронов через фазовую границу.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ), добавленный в пасту для отрицательных пластин, увеличивает перенапряжение при выделении водорода. На рис. 15.24В представлены поляризационные кривые реакции водорода в растворах с различными концентрациями ПТФЭ. При содержании ПТФЭ в электролите 0,025% добавка оказывает наиболее сильное влияние на катодную поляризацию электрода в результате реакции водорода, когда NAM содержит 0,5% активного углерода [35].

(PDF) Тепловое исследование свинцово-кислотных батарей с клапанным регулированием и камеры для электроники, используемых в автономном уличном освещении

1

Тепловое исследование свинцово-кислотных аккумуляторов с клапанным регулированием и

Камера для электроники, используемая на автономной улице Освещение

Приложения

J.Skaalum, T. Jamieson, D. Groulx *

Mechanical

Engineering

Департамент, Университет Далхаузи

* Автор, ответственный за переписку: P.O. Box 15 000, Галифакс, Новая Шотландия, Канада, B3H 4R2, [email protected]

Аннотация: В этой статье представлено исследование тепловыделения

свинцово-кислотных батарей с клапанным регулированием

(VRLA), используемых в Некоторые автономные улицы —

осветительные приборы от PoleCo, компании из Галифакс

.Одна из целей проекта состояла в том, чтобы

произвести проверенные модели COMSOL корпуса

, в котором находятся эти батареи VRLA. Затем эту модель

можно использовать для исследования методов

снижения температуры батарей на основе

в зависимости от условий окружающей среды. Чтобы обеспечить

этой проверки, были построены модели экспериментов COMSOL

, и результаты сравнивались с экспериментальными данными

.Для моделей

, связанных с теплопроводностью твердых тел, модели

COMSOL давали очень точные результаты

. Для моделей, включающих естественную конвекцию

и влияние дополнительных электрических компонентов

, создание точных моделей

COMSOL оказалось более сложной задачей.

Ключевые слова: производство тепла, тепловая батарея

Управление, теплопроводность, естественная конвекция.

1. Введение

PoleCo — это компания

из Галифакса, Новая Шотландия, которая разрабатывает и поставляет независимые системы уличного освещения в сети

.Эти уличные фонари

получают всю свою энергию из возобновляемых источников

с использованием небольших ветряных турбин, солнечных батарей,

или их комбинации. Для хранения энергии

каждый уличный фонарь имеет

(VRLA) с регулируемым клапаном. Эти батареи накапливают энергию

, генерируемую, например, солнечной панелью в течение

дня, так что уличный фонарь может надежно потреблять энергию

всю ночь.Батареи

выбираются из-за их долговечности и длительного срока службы, так что они

могут непрерывно работать в течение длительного времени в

полевых условиях. Замена этих батарей стоит дорого

как из-за их удельной стоимости, так и из-за затрат

на отправку ремонтных бригад в удаленные удаленные от сети

местоположения, где обычно устанавливаются уличные фонари

. Следовательно, PoleCo

проявляет большой интерес к способам продления срока службы

батарей.

Одна из областей, где батареи VRLA

особенно уязвимы, — это управление температурой

. В общем, когда свинцово-кислотная батарея

получает плавающий заряд при температуре на

на 10 ° C выше предполагаемой рабочей температуры, срок службы батареи

сокращается вдвое [1]. Этот температурный эффект

особенно неприятен для уличных фонарей

PoleCo, потому что многие из них

установлены в местах с очень высокой дневной температурой

, таких как Ямайка и

Катар.Кроме того, сами батареи

выделяют некоторое количество тепла из-за эффектов внутреннего сопротивления

току, а также химического состава электролита

внутри элементов [1].

Для лучшего понимания

характеристик тепловыделения их уличной осветительной системы

, PoleCo сотрудничает с лабораторией прикладной многофазной теплотехники

(LAMTE) Университета Далхаузи.В ходе проекта

были проведены эксперименты с батареями VRLA

и сопутствующим оборудованием

. Одним из этапов этого проекта является создание и проверка числовых моделей экспериментов

с помощью COMSOL Multiphysics 4.4.

Это приведет к следующему этапу проекта,

с использованием проверенных числовых моделей системы

для тестирования методов уменьшения тепловыделения

в этой системе, например, за счет экранирования солнечной энергии

или активного охлаждения через фанаты.

В этом документе будет представлено краткое изложение

экспериментальной работы, выполненной в рамках этого проекта

, а затем подробно описаны модели COMSOL

, предназначенные для моделирования экспериментов.

Результаты этих симуляций будут

по сравнению с соответствующими экспериментами как

для проверки моделей, так и для проверки точности расчетов

, направленных на прогнозирование повышения температуры

батарей.

2. Использование COMSOL Multiphysics

2.1 Эксперимент с изолированной батареей

2.1.1 Геометрия и материалы

Первые эксперименты, проведенные с батареей

, были предназначены для измерения ее температуры

при разной скорости заряда.

Снижение теплового разгона литий-ионных аккумуляторов

Контекст и масштаб

Обеспечение безопасности является высшим приоритетом при применении литий-ионных аккумуляторов. ионные батареи в системах хранения электроэнергии.Частые аварии с неясными механизмами отказа подрывают уверенность отрасли в использовании литий-ионных аккумуляторов. Более того, у литий-ионных аккумуляторов есть уникальная проблема отказа, называемая «тепловым разгоном», механизм которой до сих пор не ясен. Тепловой разгоном связан с химическими реакциями, короткими замыканиями, дымом, огнем и взрывом, что делает ситуацию более сложной, чем мы можем себе представить. Реальный процесс, который приводит к отказу, скрывается за обманчивыми наблюдениями. Эта перспектива предлагает стратегии смягчения проблемы теплового разгона литий-ионных батарей.Насколько нам известно, механизм теплового разгона был исследован с использованием карты временной последовательности. Переход между состояниями на карте временной последовательности четко интерпретирует лежащие в основе механизмы для всех видов наблюдений в тестах теплового разгона. Были предложены эффективные стратегии смягчения последствий, основанные на сознательном понимании механизмов теплового разгона. К счастью, мы можем должным образом регулировать опасность теплового разгона и значительно снизить вероятность отказа батареи, используя предложенные стратегии управления, которые могут работать на уровне материала, элемента или системы в практических ситуациях.

Резюме

В этом документе резюмируются стратегии снижения теплового разгона литий-ионных батарей. Стратегии смягчения воздействий действуют на материальном уровне, уровне ячеек и уровне системы. Карта временной последовательности с состояниями и потоками, которые описывают эволюцию физических и / или химических процессов, была предложена для интерпретации механизмов как на уровне клетки, так и на уровне системы. На уровне ячейки карта временной последовательности помогает прояснить взаимосвязь между тепловым разгоном и возгоранием.На системном уровне карта временной последовательности отображает взаимосвязь между ожидаемым распространением теплового разгона и нежелательной траекторией возгорания. Стратегии смягчения последствий реализуются путем отсечения определенного потока преобразований между состояниями на карте временной последовательности. Условия неправильного обращения, которые могут вызвать тепловой разгон, также описаны для полной защиты литий-ионных батарей. Эта перспектива обеспечивает направления для обеспечения безопасности литий-ионных батарей для приложений хранения электроэнергии в будущем.

Ключевые слова

литий-ионный аккумулятор

безопасность

тепловой разгон

накопитель энергии

электромобили

внутреннее короткое замыкание

пожар

система управления аккумулятором

контроль температуры аккумулятора

химические реакции

химические реакции статьи (0)

© 2020 Elsevier Inc.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Управление тепловым режимом электромобиля — MATLAB и Simulink — MathWorks 中国

В этом примере моделируется система терморегулирования аккумуляторного электромобиля.Система состоит из двух контуров охлаждающей жидкости, холодильного контура и контура отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в кабине. Тепловой нагрузкой являются аккумуляторные батареи, трансмиссия и кабина.

Два контура охлаждающей жидкости можно соединить вместе в последовательном режиме или разделить в параллельном режиме с помощью 4-ходового клапана. В холодную погоду контуры охлаждающей жидкости работают в последовательном режиме, поэтому тепло от двигателя согревает батареи. При необходимости обогреватель может обеспечить дополнительное тепло. В теплую погоду контуры охлаждающей жидкости остаются в последовательном режиме, а батареи и трансмиссия охлаждаются радиатором.В жаркую погоду контур охлаждающей жидкости переключается в параллельный режим и разъединяется. Один контур охлаждает трансмиссию с помощью радиатора. Другой охлаждает батареи с помощью чиллера в холодильном контуре.

Холодильный контур состоит из компрессора, конденсатора, ресивера жидкости, двух расширительных клапанов, чиллера и испарителя. Чиллер используется для охлаждения охлаждающей жидкости в жаркую погоду, когда одного радиатора недостаточно. Испаритель используется для охлаждения салона автомобиля при включении кондиционера.Компрессор регулируется таким образом, что конденсатор может рассеивать тепло, поглощаемое одним или обоими охладителем и испарителем.

Контур HVAC состоит из нагнетателя, испарителя, нагревателя с положительным температурным коэффициентом и кабины транспортного средства. Нагреватель PTC обеспечивает обогрев в холодную погоду; испаритель обеспечивает кондиционирование в жаркую погоду. Вентилятор управляется таким образом, чтобы поддерживать заданную заданную температуру в кабине.

В этой модели настроено три сценария. Сценарий ездового цикла имитирует условия вождения при 30 градусах Цельсия с включенным кондиционером.Скорость автомобиля основана на NEDC, после чего следует 30 минут высокой скорости, чтобы увеличить тепловую нагрузку аккумулятора. Сценарий охлаждения имитирует неподвижное транспортное средство в погоду 40 ° C с включенным кондиционером. Наконец, сценарий холодной погоды имитирует условия вождения при температуре -10 ° C, что требует, чтобы нагреватель батареи и нагреватель PTC нагрели батареи и кабину соответственно.

Модель

Подсистема сценария

Эта подсистема устанавливает условия среды и входные данные для системы для выбранного сценария.Потребляемый ток аккумуляторной батареи и тепловая нагрузка трансмиссии зависят от скорости автомобиля на основе табличных данных.

Подсистема управления

Эта подсистема состоит из всех контроллеров для насосов, компрессора, вентилятора, нагнетателя и клапанов в системе управления температурой.

Подсистема клапана параллельного-последовательного режима

4-ходовой клапан в этой подсистеме контролирует, работает ли контур охлаждающей жидкости в параллельном или последовательном режиме. Когда порты A и D подключены, а порты C и B подключены, он находится в параллельном режиме.Два контура охлаждающей жидкости разделены собственными баками охлаждающей жидкости и насосами.

Когда порты A и B подключены, а порты C и D подключены, он находится в последовательном режиме. Два контура охлаждающей жидкости объединены, и два насоса синхронизированы для обеспечения одинаковой скорости потока.

Подсистема насоса с двигателем

Этот насос приводит в действие контур охлаждающей жидкости, который охлаждает зарядное устройство, двигатель и инвертор.

Подсистема зарядного устройства

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг зарядного устройства, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема двигателя

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг двигателя, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема инвертора

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг инвертора, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема радиатора

Радиатор представляет собой теплообменник прямоугольной формы с трубчатыми ребрами, который отводит тепло охлаждающей жидкости в воздух. Воздушный поток управляется скоростью автомобиля и вентилятором, расположенным за конденсатором.

Подсистема перепускного клапана радиатора

В холодную погоду радиатор обходится, так что тепло от трансмиссии можно использовать для нагрева батарей. Это контролируется трехходовым клапаном, который либо направляет охлаждающую жидкость к радиатору, либо в обход радиатора.

Подсистема аккумуляторного насоса

Этот насос приводит в действие контур охлаждающей жидкости, который охлаждает аккумуляторные батареи и преобразователь постоянного тока в постоянный.

Подсистема чиллера

Предполагается, что чиллер представляет собой теплообменник кожухотрубного типа, который позволяет хладагенту поглощать тепло от хладагента.

Подсистема перепускного клапана чиллера

Чиллер работает в двухпозиционном режиме в зависимости от температуры батареи. Это контролируется 3-ходовым клапаном, который либо направляет хладагент в чиллер, либо в обход чиллера.

Подсистема нагревателя

Нагреватель батареи моделируется как источник расхода тепла и тепловая масса. Включается в холодную погоду, чтобы температура батареи не превышала 5 градусов Цельсия.

Подсистема DCDC

Эта подсистема моделирует рубашку охлаждающей жидкости вокруг преобразователя постоянного тока в постоянный, которая представлена ​​источником теплового потока и тепловой массой.

Подсистема батарей

Батареи моделируются как четыре отдельных блока, окруженных рубашкой охлаждающей жидкости. Батарейные блоки вырабатывают напряжение и тепло в зависимости от текущего потребления. Предполагается, что охлаждающая жидкость течет в узких каналах вокруг аккумуляторных блоков.

Подсистема пакета 1

Каждый аккумулятор моделируется как набор литий-ионных элементов, соединенных с тепловой моделью. Тепло генерируется за счет потерь мощности в ячейках.

Подсистема компрессора

Компрессор управляет потоком в контуре хладагента.Он регулируется для поддержания давления 0,3 МПа в охладителе и испарителе, что соответствует температуре насыщения около 1 ° C.

Подсистема конденсатора

Конденсатор представляет собой теплообменник прямоугольной формы с трубчатыми ребрами, который отводит тепло хладагента в воздух. Воздушный поток управляется скоростью автомобиля и вентилятором. Ресивер жидкости обеспечивает хранение хладагента и пропускает только переохлажденную жидкость в расширительные клапаны.

Подсистема расширительного клапана чиллера

Этот расширительный клапан измеряет поток хладагента в чиллер для поддержания номинального перегрева.

Подсистема расширительного клапана испарителя

Этот расширительный клапан измеряет поток хладагента в испаритель для поддержания номинального перегрева.

Подсистема испарителя

Испаритель представляет собой теплообменник с прямоугольными трубками и ребрами, который позволяет хладагенту поглощать тепло из воздуха. Он также осушает воздух, когда он влажный.

Подсистема нагнетателя

Воздуходувка управляет потоком воздуха в контуре ОВК. Он контролируется для поддержания заданной температуры в кабине.Источником воздуха может быть окружающая среда или рециркулируемый воздух кабины.

Подсистема рециркуляционной заслонки

Рециркуляционная заслонка моделируется как два ограничения, действующие противоположным образом, чтобы пропускать воздух из окружающей среды или кабины к воздуходувке.

Подсистема PTC

Нагреватель PTC моделируется как источник расхода тепла и тепловая масса. Его включают в холодную погоду для обогрева кабины автомобиля.

Подсистема кабины

Кабина автомобиля моделируется как большой объем влажного воздуха.Каждый пассажир в автомобиле является источником тепла, влаги и CO2.

Подсистема теплопередачи кабины

Эта подсистема моделирует тепловые сопротивления между внутренней частью кабины и внешней средой.

Результаты моделирования с осциллографами

В следующей области показаны скорость автомобиля, тепловыделение, температура кабины, температуры компонентов и команды управления для сценария ездового цикла. Вначале контур охлаждающей жидкости находится в последовательном режиме. Примерно через 1100 с он переключается в параллельный режим, и чиллер используется для поддержания температуры батарей ниже 35 ° C.

Результаты моделирования из журнала Simscape

Этот график показывает мощность, потребляемую системой управления температурой для охлаждения компонентов транспортного средства и кабины. Наибольшее потребление энергии происходит в компрессоре хладагента, когда чиллер используется для охлаждения батарей.

Предотвращение распространения теплового разгона от ячейки к ячейке в литий-ионных батареях

Предполагается, что тепло, выделяемое триггерной ячейкой при тепловом разгоне (TR) в многоэлементных литий-ионных батареях, передается соседним элементам в основном за счет конвекции выбрасываемого горячего вещества (и в меньшей степени за счет прямого контакта и радиационной теплопередачи. ).Следовательно, удаление находящихся под напряжением материалов (выброса) из аккумуляторного отсека должно предотвратить распространение TR от ячейки к ячейке. Однако технические решения по удалению выброса из TR отдельной ячейки не в состоянии предотвратить распространение TR, что впоследствии приводит к возгоранию батареи. ИК-Фурье-спектроскопия in situ в реальном времени выбросов из ячейки, введенной в TR, демонстрирует, что большие количества сложных эфиров карбоната уже выбрасываются из ячейки, прежде чем она попадет в TR. Отводимые горячие газы охлаждаются и конденсируются на поверхности соседних ячеек.Впоследствии, когда триггерная ячейка достигает TR, этот конденсат воспламеняется, передавая тепло и потенциально переводя принимающие ячейки в TR. Вычислительная гидродинамика и тепловое моделирование этого пути подтверждают экспериментальные данные. Численные результаты показывают, что часть растворителя, выпущенного из триггерной ячейки, достаточна для эффективного распространения TR. Наши результаты проливают новый свет на распространение тепла в многоэлементных литий-ионных батареях и предлагают новые методы предотвращения распространения TR.

В многоэлементной литий-ионной (литий-ионной) батарее распространение теплового разгона (TR) от одного элемента к другому представляет наибольший риск для пользователей батареи и ее рабочей среды. Распространение TR может генерировать большое количество тепла и огня, а также токсичных и коррозионных материалов, даже если TR начинается только с одной («триггерной») ячейки. Каскадные отказы между несколькими ячейками также могут привести к образованию высокоэнергетической шрапнели. Наиболее яркими примерами таких неудач являются крупные (например.g., электромобиль) по сравнению с отказами одноячеистых мобильных телефонов (последнее из-за плохо спроектированных элементов). Возрастающий рыночный спрос на электромобили, электросамокаты, роботы, летательные аппараты, электросети и развлекательную электронику требует больших многоячеечных литий-ионных аккумуляторов в огромных количествах. По мере увеличения количества таких батарей возрастает вероятность более крупных отказов батарей, которые могут вызвать пожары и взрывы.

Большая часть экспериментальных работ и моделирования TR в больших батареях была сосредоточена на процессах, происходящих внутри отдельного литий-ионного элемента. ^1–3 До сих пор процессы распространения TR от ячейки к ячейке обсуждались только с точки зрения прямого контакта и радиационной теплопередачи, а также одновременной или последующей конвекции выбрасываемых горячих газов и твердых тел. Таким образом, существующие в настоящее время меры по предотвращению распространения TR ограничиваются использованием теплоизоляторов и противопожарных перегородок между ячейками, ^4–6 естественной конвекцией и принудительным охлаждением, при котором хладагенты циркулируют вокруг ячеек, ^5,6 химикатов, изменяющих фазу, ⁷ и антипирены, смешанные с электролитом. ^8–11 Недавняя работа Lopez et al. предполагает, что увеличение расстояния между соседними ячейками может снизить риск распространения. ¹² За исключением естественного и принудительного охлаждения, большинство других методов не получили распространения в аккумуляторной промышленности в качестве мер по предотвращению распространения TR.

Хотя цели таких исследований ^3,4,12 заключались в предотвращении распространения тепла, соответствующие протоколы предполагают, что они лучше подходят для задержки генерируемого внутри TR.Основное допущение при распространении TR состоит в том, что и энергия, и материал от триггерной ячейки транспортируются к «принимающим» ячейкам — всем клеткам, взаимодействующим с триггерной ячейкой и / или затронутым ею. Такое распространение TR происходит в основном за счет тепловой конвекции (и в меньшей степени за счет теплопроводности и излучения, как указано Lamb et al., ¹³ , и эта теплопередача инициирует TR в приемных ячейках. Таким образом, утверждается, что ^5,6 которые отводят тепло от батарейного отсека за счет естественной или принудительной конвекции (например,g., вентиляционные каналы) должны исключить распространение TR от клетки к клетке. Например, естественная или принудительная конвекция может способствовать охлаждению элементов за счет резистивного тепла, выделяемого во время нормальной зарядки и разрядки. ^5,6 Однако методы конвективного транспорта, обычно используемые в электромобилях, не реализованы в других больших литий-ионных батареях, корпус которых герметичен. Герметичные кожухи батареи являются эффективными ловушками тепла от TR в одной ячейке, тем самым способствуя распространению TR на другие ячейки в батарее.

Большинство технологических подходов, описанных выше ^4–7,12 , имеют ограниченное применение в производстве батарей. Например, противопожарные перегородки и теплоизоляторы могут помочь предотвратить распространение TR, но они также предотвратят рассеяние тепла во время нормального заряда и разряда, тем самым увеличивая вероятность повреждения элементов и TR, вызванного нагревом. Добавление антипиренов к электролиту увеличивает внутреннее сопротивление элемента, увеличивая джоулев нагрев (или ² R нагрев). ^8–11 Идеальные свойства антипиренов в электролитах, описанные более десяти лет назад, по-прежнему остаются недосягаемыми. ¹⁴ Химические вещества с фазовым переходом не получили широкого распространения, вероятно, из-за увеличения веса и объема, которые по своей природе уменьшают гравиметрическую и объемную плотности энергии батареи. Снижение вероятности распространения TR за счет увеличения расстояния между клетками, предложенное Lopez et al. ¹² представляется наиболее практичным среди всех предложенных методов.Увеличение расстояния увеличит объем батареи при небольшом увеличении ее веса, что является достойным компромиссом для повышения безопасности от пожара и взрыва. Моделирование теплового распространения также показало, что соответствующие воздушные зазоры и слюдяная изоляция в сочетании с теплопроводящей матрицей могут снизить риски TR в литий-ионных батареях. ¹⁵ Охлаждение через мини-каналы соответствующей конструкции было предложено в качестве метода подавления распространения TR от ячейки к ячейке. ¹⁶

Здесь мы сообщаем о другом физико-химическом пути, который направляет более половины тепловой энергии, передаваемой от триггера к приемным ячейкам, через режим, не связанный с тремя описанными в настоящее время режимами (проводимость, конвекция и излучение). ⁴ Мы обнаружили, что обычно наблюдаемое, но в большинстве случаев игнорируемое явление, а именно выброс газообразного вещества из триггерной ячейки по мере того, как она прогрессирует, но до того, как она подвергнется действительной TR, по-видимому, в первую очередь отвечает за распространение TR. Мы используем методы высокоскоростной гиперспектральной визуализации и инфракрасного преобразования Фурье (FTIR), автономный химический анализ газовой хроматографии-масс-спектрометрии (GC-MS) сброшенных газов и гравиметрию для определения температуры, химического состава и масса предварительно вентилируемого вещества TR.Фактически, перед переходом в TR триггерная клетка выделяет большое количество органических эфиров карбонатов, которые легко воспламеняются. На выходе из ячейки выпущенные горячие газы охлаждаются и конденсируются в виде жидкости поверх соседних приемных ячеек. Впоследствии, когда триггерная ячейка переходит в режим TR, пламя воспламеняет жидкий растворитель, который горит на поверхности принимающих ячеек, передавая им тепло и потенциально переводя их в TR. Вычислительная гидродинамика (CFD) и тепловое моделирование этого четырехступенчатого пути — удаление растворителей из триггерной ячейки до TR; конденсация растворителя на приемных ячейках; перетекание горячего выброса из ТР в приемные ячейки; и выжигание растворителя на поверхности приемных ячеек — дополняют экспериментальные исследования.Численные результаты показывают, что небольшая часть общего растворителя, выпущенного из триггерной ячейки, достаточна для успешного распространения TR. Наши результаты проливают новый свет на процессы распространения тепла в многоэлементных литий-ионных батареях и предлагают новые методы предотвращения распространения TR.

Элемент и аккумулятор

В наших экспериментах были охарактеризованы элементы модели LG HG2 18650 (LG Corp, Южная Корея). Содержимое элементов LG HG2, включая угольный анод, органические растворители на основе карбоната, соль LiPF ₆ в электролите, плавильные сепараторы и катод NMC, является типичным представителем наиболее часто используемых материалов в большинстве литий-ионных аккумуляторов. ионные элементы, производимые сегодня.Существует ряд опубликованных исследований, в которых обсуждается поведение TR в ячейках с аналогичным содержанием. ^17,18 Свежеприготовленные элементы LG HG2 были подвергнуты циклическому кондиционированию: сначала разрядили при 21 ° C, со скоростью C / 4 до 2,7 В, затем полностью зарядили с использованием постоянного тока (скорость C / 4) — постоянного напряжения (CC- CV) до 4,2 В. Принудительный тепловой разгон был инициирован с помощью тонкопленочного нагревателя мощностью 20 Вт, намотанного вокруг цилиндрической поверхности ячейки. Термопара K-типа, прочно закрепленная рядом с положительным выводом, контролировала температуру поверхности ячейки (T _surf ).Никелевые вкладки, приваренные к клеммам ячейки, были подключены к анализатору частотной характеристики Solartron, SI 1250 (Франция) через электрохимический интерфейс, SI 1287 (Франция). Нагреватель и провода удерживались на месте, оборачивая их каптоновой лентой. Напряжение ячейки, импеданс и T _surf постоянно контролировались во время нагрева. Собранная ячейка плотно удерживалась внутри трубки FR4 длиной 10 см и диаметром 19,2 см, при этом положительный конец был утоплен примерно на 0,5 см от одного конца трубки.В этой сборке ячеек, когда инициировался тепловой разгон, ячейка почти всегда разрывалась на положительном конце, а не на отрицательном конце, и боковая стенка клетки повреждалась редко. Разрыв положительного вывода обычно приводил к образованию отверстия диаметром 0,6 см в месте расположения положительного вывода без повреждения обжима. Рентгеновский компьютерный томограф высокого разрешения (North Starr X-50) с разрешением вокселей 12,8 мкм м × 12,8 мкм м × 12.8 мкм м использовалось для сканирования внутренней части интактной клетки до и после вентиляции перед TR (дополнительный рисунок S1, доступный онлайн на stacks.iop.org/JES/167/020559/mmedia). Мы также измерили температуру сбрасываемого газа вдоль выпускного канала с помощью термопар К-типа, расположенных в разных местах от выпускного клапана ячейки. Ячейку взвешивали до и после вентиляции, чтобы определить количество вентилируемого материала.

ИК-Фурье-спектроскопия

Испытания теплового разгона проводились на открытом воздухе, что позволило провести спектральные измерения выбросов путем правильного размещения гиперспектральных формирователей изображений и инфракрасных изображений с преобразованием Фурье (FTIR).Гиперспектральный формирователь изображения представляет собой спектрограф Starlight Xpress, содержащий направляющую камеру Lodestar CCD для визуального выравнивания и прикрепленный к монохромной охлаждаемой астрономической камере QHYCCD (модель QHY163M), используемой для сбора спектрального света. Возможности измерения прибора включают диапазон длин волн от 350 до 900 нм (с шагом ~ 300 нм), спектральное разрешение 0,25 нм со скоростью захвата 400 кадров в секунду. Длину волны калибруют с помощью источника лампы низкого давления Hg-Ar. Прибор FTIR представляет собой FTIR-спектрорадиометр ABB Bomem (модель MR304), содержащий детекторы MCT и InSb для одновременного сбора данных в средневолновом ИК-диапазоне (3–5 мкм, м) и длинноволновом ИК-диапазоне (8–12 мкм м). спектральное излучение и откалибровано с помощью источника черного тела, отслеживаемого NIST.Два формирователя изображения находились подальше от камеры, они были сфокусированы на пути выброса. Две высокоскоростные (1 кадр мс ^-1 ) видеокамеры (Photron, модель SA4) фиксировали события до TR и TR. ИК-спектры излучения и поглощения с временным разрешением записывались со скоростью 2,5 мс на кадр с расстояния 170 см от трубки FR4 (удерживающей узел ячейки) при фокусировке на 12 см × Площадь поперечного сечения 12 см перед трубкой, из которой вышел выброс.Узел ячейки, провода, ведущие к измерителю импеданса, высокоскоростной видеокамере, гиперспектральным и ИК-спектрометрам показаны на дополнительном рис. S2.

Анализ ГХ / МС

Растворители, выпущенные клеткой до того, как она испытала TR, были охарактеризованы с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС). В качестве прибора использовали газовый хроматограф 7890 Agilent Technologies, США, с масс-спектрометром 5977 A. Выпущенные растворители сначала собирали в стеклянную бутыль, экстрагировали и подвергали анализу ГХ-МС (дополнительный рис.S3).

Моделирование

Пакет CFD ++ (Metacomp Technologies Inc., Агура-Хиллз, Калифорния) использовался для проведения моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) выброшенного газа и выброшенного вещества. ATLAS (Аэротепловые нагрузки и напряжения: программа моделирования, разработанная в Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса) использовалась для теплового моделирования для оценки теплопередачи от горячего выбрасываемого вещества к приемным ячейкам. Чертеж САПР геометрии вентиляционного канала для моделируемой батареи 3С15П показан на дополнительном рис.S4. Входные параметры, используемые в CFD-моделировании потока эжекции после TR в триггерной ячейке, перечислены в дополнительной таблице I. Тепловые свойства материалов элементов и батарей, а также параметры, используемые в CFD-моделировании вентиляции диметилкарбоната перед TR ( DMC) перечислены в дополнительных таблицах II и III соответственно.

Вентиляция перед TR и анализ событий TR

Химические компоненты литий-ионного элемента могут быть весьма реактивными, хотя они стабильны при температурах ниже 80 ° C. ³ Нестабильность начинается, когда ячейка нагревается выше 85 ° C, когда защитный межфазный слой твердого электролита (SEI) на угольном аноде начинает разрушаться. ¹⁹ Затем следует экзотермическая реакция между анодом и электролитом, а также испарение и разложение органических растворителей при температуре от 85 ° C до 125 ° C. Большинство ячеек имеют выпускные клапаны и разрывную мембрану, которая содержится в устройстве прерывания тока (CID). Повышение температуры выше 85 ° C сопровождается выделением газов и повышением внутреннего давления.Когда давление достигает заданного значения (около 1224 кПа в большинстве ячеек), клапаны и разрывная мембрана открываются, чтобы выпустить газы и снизить внутреннее давление ячейки (дополнительный рисунок S1). Удаление воздуха обычно происходит, когда T _surf находится в диапазоне от 125 ° C до 145 ° C. Выбрасываемые газы часто содержат легковоспламеняющиеся органические химические вещества, температура кипения которых может быть ниже 125 ° C. Существует несколько способов запуска TR в литий-ионном элементе, ¹³ , но в каждом случае возникновению TR предшествует повышение температуры элемента и вентиляция ячейки.Если температура элемента поднимается только до 145 ° C, он может не испытывать TR, но, скорее всего, он будет вентилироваться. Если температура элемента превышает 170 ° C, элемент может перейти в режим теплового разгона и сгореть в диапазоне от 190 ° C до 200 ° C. Зависимость между температурой поверхности ячейки (T _surf ), напряжением ячейки (E _cv ) и последовательностью вентиляции и TR показана на рис. 1.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 1. Напряжение элемента (E _cv ) как функция температуры поверхности элемента (T _surf ) при равномерном нагреве. При температуре около 130 ° C камера удаляет газообразные органические растворители (летучие и легковоспламеняющиеся эфиры карбоната). И E _cv , и T _surf не чувствительны к вентиляции клеток перед TR. Следовательно, устройства контроля напряжения ячеек и устанавливаемые на поверхность термопары не обнаруживают это событие вентиляции. Спустя более 30 секунд после вентиляции E _cv колеблется перед падением до 0 В, предположительно из-за активации устройства прерывания тока в ячейке.

Загрузить рисунок:

Все литий-ионные элементы содержат смеси коротких линейных алифатических карбонатов в качестве растворителей электролитов. ^2,3,20,21 Элемент LG HG2 18650 содержит смесь диметилкарбоната (DMC), этиленкарбоната (EC) и пропиленкарбоната (PC). Температуры кипения ЭК и ПК при нормальной температуре и давлении практически идентичны (242 ° C). DMC кипит при 90 ° C. Нагревая переразряженную ячейку выше 200 ^o ° C в течение более 3 часов, мы выпарили и удалили все растворители и оценили общую массу трех растворителей примерно в 4.4 г. Нагрев ячейки вызывает разрыв вентиляционных клапанов (дополнительный рис. S1), обычно между 125 ° C и 145 ° C T _surf . Предположительно, внутренняя температура ячейки ниже, чем T _surf , но выше точки кипения DMC. Продолжительность предварительной вентиляции TR составляет около 300 мс (дополнительный рисунок S7b). Температура сбрасываемого газа по вентиляционному каналу быстро снижается. На расстоянии 0,25 см от клапана температура DMC составляла 95 ° C, что указывает на то, что это газ, а на расстоянии 8 см и 20 см — 64 ° C и 21 ° C (температура окружающей среды) соответственно, что свидетельствует о быстрой конденсации на небольших расстояниях. .Мы охарактеризовали газ, выходящий ниже 145 ° C, с помощью двух различных методов: ИК-Фурье-спектроскопия с временным разрешением на месте и автономный ГХ-МС анализ материала, собранного во время продувки. Большая часть материала, выходящего при температуре ниже 145 ° C, представляет собой DMC (рис. 2), независимо от состояния заряда вентиляционной ячейки. Спектр излучения FTIR показывает, что DMC выходит наружу в виде газа. Спектры испускания FTIR с временным разрешением показывают, что концентрация газа DMC уменьшается, тогда как спектры поглощения FTIR предполагают, что впоследствии он конденсируется в виде жидкости.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. (a) Спектры испускания FTIR, собранные за 35 мс, 27 мс и сразу (0 мс) до вентиляции перед TR (b) Спектры поглощения FTIR, собранные во время вентиляции перед TR. Красные графики на (a) и (b) — это спектры излучения и поглощения отходящего газа и жидкости, соответственно. Сравнение пиков на (а) со стандартом спектра излучения показывает, что газ представляет собой DMC; уменьшение пиковой интенсивности со временем указывает на пониженную концентрацию газа, поскольку он конденсируется в жидкость ближе к вентиляции перед TR.Черный график на (b) — это спектр поглощения контрольного образца (жидкий ДМК). Сопоставление со спектром конденсирующейся жидкости подтверждает, что выпущенный газ является ДМК. Синий график на (b) — это спектр поглощения окружающей среды (фон), собранный примерно за 1 с до вентиляции перед TR.

Загрузить рисунок:

Мы также проанализировали газ, выделяющийся во время вентиляции ячейки, собирая все выпущенные газы в чистую стеклянную бутыль при нагревании ячейки до 141 ° C (дополнительный рис.S3). Через несколько минут после выпуска весь выпущенный газ конденсируется в виде жидкости. Мы также проанализировали конденсированную жидкость с помощью ГХ-МС, и результаты подтверждают присутствие DMC в качестве доминирующего компонента с EC и PC в качестве второстепенных компонентов (дополнительный рисунок S3). Гравиметрические измерения показывают, что DMC составляет примерно 2,1 г.

Во время нагревания существует двухминутный интервал между продувкой до TR и TR, что позволило нам очистить ячейку от растворителя DMC. Если DMC не удален до TR, то при воспламенении выпущенных газов в свободном пространстве возникает пламя на расстоянии более 5 футов от ячейки, продолжающееся от 250 до 900 мс, как следует из высокоскоростного видео (дополнительный рис.S7a). Вентиляция, связанная с TR, приводит к выбросу 30 граммов твердых веществ, жидкостей и газов из ячейки в течение 1 с или меньше. Если DMC был удален во время продувки перед TR, пламя во время TR намного меньше. Когда DMC воспламеняется искровым устройством, он горит в течение примерно 300 мс, что свидетельствует о недолговечности события выброса горючего растворителя перед TR. После TR выбросы не содержат трех органических растворителей (DMC, EC и PC). Присутствуют CO ₂ , CO и H ₂ O, скорее всего, в результате полного окисления (сжигания) DMC, EC и PC.В выброшенном веществе также присутствует газообразный HF, который может растворяться в H ₂ O с образованием фтористоводородной кислоты, мощного коррозионного реагента. Начальная температура всех газов во время TR составляет примерно 1500 ° C, которая снижается менее чем за секунду до примерно 600 ° C.

Walker et al. измерил тепло, выделяемое элементом LG HG2 18650 во время TR, с помощью «теплового калориметра разгона». Выделяемое тепло составляет около 49,8 кДж. ¹⁸ В их установке не было вентиляционного канала для выхода выпущенных газов.Это также продемонстрировало, что окислители, необходимые для горения, поступали не из внешней среды, а полностью из ячейки. Наши тесты TR проводятся на открытом воздухе, обеспечивая достаточное количество кислорода для горения. Они предположили, что основным компонентом, способствующим возгоранию во время TR, является DMC. Во всех наших тестах, при нагревании ячейки, ячейки сначала испускали DMC около 130 ° C, а затем TR около 190 ° C. Что еще более важно, изображения , FTIR показывают, что выброшенное вещество содержит все катодно-активные материалы.Они химически не повреждены, хотя их физическое состояние изменилось. Испытание методом ИК-Фурье на месте (данные не показаны) также выявило присутствие оксида кобальта и оксида марганца в парообразном состоянии, а также оксида никеля, появляющегося в виде твердого вещества, когда элемент подвергается TR. Эти три оксида металлов могут полностью окислять все органические растворители без воздействия кислорода воздуха, как было хорошо установлено. ²² Основываясь на стехиометрии химической реакции, мы определили, что количество оксидов, присутствующих в каждой ячейке LG HG2, достаточно для воспламенения и поджигания органических растворителей внутри ячейки.

Трехмерный CFD сброса до TR

Наши первоначальные результаты CFD выделяют контуры, соответствующие давлению, температуре, скорости и числу Маха в вентиляционном канале батареи без явного моделирования типа удаляемого газа (дополнительный рис. S5 ). Эти результаты предполагают, что для выбранной геометрии вентиляционного канала распространения TR не должно происходить. На самом деле эксперименты показывают, что даже в этом случае происходит распространение ТИ. Таким образом, мы расширили наше моделирование CFD, чтобы включить явное выделение DMC перед TR клетками и его распределение по каналу.Входные параметры, используемые в этом расширенном моделировании CFD, перечислены в дополнительной таблице III.

Поскольку длительность вентиляции перед TR составляет около 300 мс, мы использовали 10 мк с в качестве временного шага в моделировании. Как уже было установлено, температура в вентиляционном канале составляет <90 ° C, что ниже точки кипения DMC. Поэтому в моделировании предполагается, что ДМК внутри канала находится в жидкой фазе. На рисунке 3 показаны результаты моделирования через 300 мс. В верхнем левом квадранте показано распределение массы DMC (объемные доли) вдоль вентиляционного канала (соответствующие значения массы DMC, нанесенного на верхнюю часть каждой приемной ячейки, перечислены в дополнительной таблице IV).Приблизительно 300 мг DMC выходит через пространство между верхним открытым концом вентиляционного канала и стенкой аккумуляторного контейнера. Никакой DMC не ускользнет через другой конец канала. Большая часть DMC остается внутри канала в виде жидкости, оседая на поверхности принимающих ячеек. Большая часть DMC откладывается поверх первых четырех клеток, при этом третья клетка получает приблизительно 391 мг. Количество DMC, нанесенного на участки после 9-й ячейки, незначительно. Распределение изолиний температуры и давления предполагает, что они падают ближе к температуре окружающей среды за 9-й ячейкой.Изолинии скорости указывают на неламинарный поток по каналу.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. Результаты моделирования CFD выхода диметилкарбоната (DMC) из триггерной ячейки. Распределение жидкости DMC, а также распределения температуры, давления и скорости вдоль вентиляционного канала строятся через 300 мс после вентиляции перед TR.

Загрузить рисунок:

Моделирование тепловых эффектов предварительно вентилируемого DMC на принимающих клетках

Результаты моделирования CFD показывают, что более 200 мг DMC может накапливаться на поверхности каждой из по крайней мере пяти принимающих клеток.Критически важным для наших обсуждений, касающихся вентилируемого ДМК и распространения тепла в приемных ячейках, является теплота сгорания из-за ДМК. DMC представляет собой легковоспламеняющееся органическое соединение с ΔH _c около 1,37 МДж · моль ^-1 (молекулярная масса DMC: 90,04 г · моль ^-1 ). Для 2,1 грамма DMC ΔH _c составляет приблизительно 32 кДж, что составляет более 60% от 49,8 кДж тепла, выделяемого элементом во время TR без удаления DMC. ¹⁸ Масса DMC (M _dmc ), отложившаяся на приемной ячейке, тепло (ΔH _c ), выделяемое наверху ячейки во время горения DMC, и доля этого тепла (ΔH _f ) перенесенный в ячейку будет определять повышение внутренней температуры (T _int ) и возможность перевода этой ячейки в TR.Используя методы CFD и теплового моделирования, мы оцениваем M _dmc , ΔH _f и T _int на принимающих ячейках, чтобы определить критическое количество M _dmc , необходимое для перевода принимающей ячейки в TR. Мы оцениваем вероятность инициирования TR в приемной ячейке при двух различных рабочих условиях. Первая итерация моделирования предполагает, что DMC, нанесенный на принимающую ячейку, воспламеняется до того, как триггерная ячейка переходит в TR. В таком упрощенном сценарии сгорание осажденного растворителя является единственным источником тепла.Во втором, более реалистичном сценарии моделирования, DMC, нанесенный на принимающую ячейку, воспламеняется одновременно с горячим выбросом из потока триггерных ячеек поверх принимающих ячеек. Во втором случае тепло от горячего выброса может добавляться к теплу от горючего растворителя, уже осажденного на приемной ячейке, и часть теплоты сгорания может быть унесена текущим выбросом. Первый случай, когда поток выброса отсутствует, представляет собой более простой сценарий, позволяющий обучать и оценивать производительность алгоритмов моделирования.

Для первого сценария (DMC, нанесенный на принимающую ячейку, зажигается до того, как триггерная ячейка переходит в TR), были сделаны следующие упрощающие предположения. Предполагается, что ДМК равномерно осаждается поверх ячейки, а толщина слоя определяется на основании данных в дополнительной таблице IV. Результаты теплового и массового потока при моделировании CFD канала выброса (рис. 3) , а не накладываются на однонаправленный тепловой поток от горения ДМК в верхней части приемной ячейки.Выделяющие тепло химические взаимодействия между растворителями и слоем SEI на аноде и катоде представляют собой термические реакции неуправляемого нагрева. Значения тепловых свойств электродов с желейным валом, жидкого электролита, стенки стальной банки и реакций теплового разгона взяты из Hatchard et al. ²³ Тепловой поток от горящего ДМК распространяется только в одном направлении — внутрь ячейки. Предполагается, что все реакции завершатся через 10 с от начала. Сетка теплового моделирования одиночной приемной ячейки LG HG2 18650 представлена ​​на рис.4а. Результаты моделирования теплового потока через 10 с для двух крайних случаев осаждения ДМК (22 мг и 103 мг) показаны на рис. 4б и 4в соответственно. На рис. 5 показано графическое изображение эволюции T _surf в результате теплового потока и возможных экзотермических реакций внутри ячейки, инициированных тепловым потоком. Тепло от 103 мг DMC при горении может вызвать TR, о чем свидетельствует резкое повышение температуры, начиная примерно с 245 ° C. Тепло от 22 мг DMC увеличивает температуру примерно до 50 ° C, но этого недостаточно для инициирования экзотермических реакций, ведущих к TR.Тепло от 95 мг и менее также не вызывает TR. Однако, если T _surf достигает 150 ° C, потенциально эти клетки могут начать вентилировать и добавлять DMC поверх других ячеек, способствуя большему тепловыделению и направляя больше ячеек в TR (этот сценарий здесь не моделировался).

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. (a) Сетка теплового моделирования (20 мм × 20 мм × 65 мм призматической формы), представляющая одну цилиндрическую ячейку LG HG2 18650, окруженную воздухом.DMC — это отложения на верхней части ячейки, где он воспламеняется. (b) и (c): результаты моделирования теплового потока для 22 мг и 103 мг осажденного ДМК соответственно, демонстрирующие распределение температуры через 10 с после воспламенения. Значения тепловых свойств ячейки: SEI анода = 257 Дж · г ^-1 ; массовая доля 0,15; Литированный анод графит = 1714 Дж · г ^-1 ; массовая доля 0,75; Катод = 314 Дж · г ^-1 ; массовая доля 0,04; Остаточная массовая доля = 0,12. ²³

Загрузить рисунок:

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 5. Изменение температуры поверхности клетки в зависимости от массы осажденного ДМК, горящего на поверхности клетки.

Загрузить рисунок:

В более реалистичном втором сценарии (комбинированный тепловой эффект выброса из триггерной ячейки и горения ДМК) мы предполагаем, что не все тепло от горения ДМК передается в приемную ячейку. На самом деле тепло распространяется во многих направлениях; кроме того, тепло, исходящее от горячего выбрасываемого вещества, течет также через канал.Кроме того, DMC сгорает только тогда, когда триггерная ячейка достигает TR и оксиды металлов в выбросах (оксиды кобальта, никеля и марганца) доступны для поддержания горения. Следовательно, два источника тепла будут действовать одновременно, и оба должны учитываться при оценке теплового потока. Кроме того, направление теплового потока должно быть как к ячейке, так и от ячейки, например, по каналу выброса. При выполнении теплового моделирования с использованием вышеуказанных предположений генерируются данные, показанные на рис.6. Как видно из рис. 5, 103 мг горящего ДМК повышают температуру поверхности приемной ячейки примерно до 200 ° C. С другой стороны, результаты моделирования, показанные на рис. 6, предполагают, что даже несмотря на то, что выбрасываемое вещество намного горячее (1500 ° C), этому тепловому потоку, по-видимому, частично противодействует динамика газового потока. Тепло от сжигания всего 200 мг DMC вызывает распространение TR, о чем свидетельствует внезапное повышение температуры, начинающееся примерно через 2 с после запуска TR в триггерной ячейке. Следовательно, и в этом случае для инициирования TR в принимающей клетке будет достаточно приблизительно 200 мг депонированного DMC.Как уже отмечалось, моделирование CFD демонстрирует (рис. 3), что несколько клеток получают более 200 мг DMC во время вентиляции перед TR. Эти результаты предполагают, что функциональные каналы выброса могут не препятствовать распространению TR.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 6. Изменение температуры поверхности клетки в зависимости от массы осажденного ДМК, горящего на поверхности принимающей клетки. Тепловые потоки, генерируемые в TR, также включены в моделирование.

Загрузить рисунок:

Распространение TR — это многоступенчатое явление.

Распространение TR включает в себя несколько последовательных процессов, некоторые из которых фактически предшествуют TR в триггерной ячейке. Во-первых, триггерная ячейка выпускает газообразные органические растворители еще до того, как она подвергнется TR. Затем удаленные растворители конденсируются на внешней поверхности принимающих ячеек. После того, как триггерная ячейка переходит в TR, она выделяет тепло и обеспечивает окислители для воспламенения растворителя, нанесенного ранее на верхнюю часть принимающих ячеек.Пока горючий растворитель начинает нагревать приемные ячейки, горячие выбросы из триггерной ячейки продолжают проходить по ним. Часть тепла от этих двух независимых источников — горящего растворителя и горячего выброса — передается в приемные ячейки. Наши результаты показывают, что если количество растворителя, осажденного на принимающей ячейке, составляет порядка 200 мг, принимающая ячейка сама перейдет в TR, облегчая распространение TR внутри батареи.

Распространение TR, возможно, является основной причиной возгорания и возгорания в больших многоэлементных литий-ионных батареях.Хотя вероятность самопроизвольного TR в отдельном литий-ионном элементе мала — примерно один к десяткам миллионов — такое событие TR, ведущее к возгоранию и взрыву аккумулятора, увеличивается с увеличением количества элементов в аккумуляторе, а также количества батареи развернуты по всему миру. Следовательно, предотвращение распространения TR имеет первостепенное значение. Обычно считается, что горячий выброс из триггерной ячейки в TR при вентиляции через правильно спроектированные вентиляционные каналы будет препятствовать распространению TR. Наши эксперименты и результаты CFD и теплового моделирования показывают, что распространение TR в многоячеечной литий-ионной батарее является сложным процессом.В частности, органические растворители, выходящие наружу до того, как клетка испытает TR, играют важную роль в распространении TR от клетки к клетке. Наше открытие в конечном итоге имеет значение для инновационных технических решений, направленных на предотвращение пожаров и взрывов больших многоэлементных батарей.

Мы благодарим Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов за финансовую поддержку по контракту номер HR0011–17-D-0001. RS выражает признательность за стипендию JHUAPL Janney, использованную для подготовки этой рукописи.

Упоминание коммерческих продуктов и / или товарных знаков в этом тексте не подразумевает рекомендации или одобрения и включено только в информационных целях.Выраженные взгляды принадлежат исключительно авторам и не обязательно отражают точку зрения каких-либо агентств правительства США.

Температурный разгон свинцово-кислотных аккумуляторов с клапаном

предлагает смягчение теплового разгона с помощью металлических-воздушных батарей

Помимо снижения цен на аккумуляторы и повышения плотности энергии, производители электромобилей ставят перед собой цель сделать свои автомобили максимально безопасными.Это подразумевает смягчение последствий теплового разгона, наиболее частой причины возгораний электромобилей. Что происходит, так это то, что литий-ионный аккумулятор нагревается так сильно, что выделяет горячие газы, которые сжигают все вокруг. Новый патент Tesla хочет предотвратить это с помощью металлического аккумулятора, подключенного к основному.

Вы можете задаться вопросом, как это будет работать, но принцип относительно прост. Согласно патенту, два аккумуляторных блока должны быть соединены трубками и клапанами. Если начнется тепловой разгон, клапаны откроются и позволят горячему газу пройти через металлическую аккумуляторную батарею, охлаждая газ, прежде чем он уйдет в окружающую среду автомобиля.

Металло-воздушные батареи имеют огромное количество проблем, которые необходимо решить, чтобы стать практическим решением для электромобилей, но тепловые разгоны не входят в число этих проблем по простой причине: им для работы нужен воздух. Их катод — это окружающий воздух, а это значит, что они «дышат» для выработки электричества.

Мы понятия не имеем, насколько вреден этот горячий газ, исходящий из литий-ионной аккумуляторной батареи, для металл-воздушного блока, но, вероятно, он будет для него смертельным. Тем не менее, учитывая, что это решение для смягчения последствий, это будет меньшее из двух зол.

Такой патент заставляет задуматься, откроет ли Tesla Battery Day какой-либо прорыв в области металло-воздушных батарей. В конце концов, это имело бы смысл только в том случае, если бы к существующей батарее можно было добавить практичный металлический аккумулятор. Без него это все равно, что сказать, что можно предотвратить издевательства, заставив Санта-Клауса пропускать дома плохих парней на Рождество.

Металлические элементы с воздухом имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем литий-ионные, но их цикличность низкая. Другими словами, батареи умирают после нескольких сеансов подзарядки.Решила бы Тесла эту проблему? Будет ли это реальное решение металл-воздух? Tesla Battery Day должна быть умопомрачительной, чтобы соответствовать всем ожиданиям, которые она порождает.

Источники: USPTO через EVUnite