Теплоотдача батареи: Теплоотдача радиаторов отопления – сравнение и расчет мощности

Содержание

Теплоотдача радиаторов отопления – сравнение и расчет мощности

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

 Как правильно рассчитывается реальная теплоотдача батарей

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

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

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

Подставим известное значение температурного напора и получим такое уравнение:

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

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

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

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

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

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

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

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

Порядок расчета теплоотдачи

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

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

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

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

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

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

Сравнение по тепловой мощности

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

Трудновато сравнивать отдачу теплоты плоскими панелями и ребристыми поверхностями сложной конфигурации

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

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

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

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

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

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

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

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

Сравнение по другим характеристикам

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

стальные, алюминиевые, чугунные, биметаллические или медные?

В этой статье:

От радиатора требуется немногое: чтобы грел хорошо и был безопасен. Исходя из этих простых требований и выбирается прибор. В продаже имеется несколько видов радиаторов отопления, которые отличаются формой, материалом и техническими характеристиками. Геометрия и материал, из которого он изготовлен, влияют на его мощность (теплоотдачу). В паспорте производитель в обязательном порядке указывает, при каких величинах температуры и давления теплоносителя эксплуатация изделия отвечает требованиям безопасности.

Все эти параметры и являются главными критериями в решении вопроса, какие радиаторы отопления самые лучшие.

Особенно следует обратить внимание на рабочее и опрессовочное давление тем пользователям, жилье которых отапливается при помощи центрального отопления.

Кроме того, не все батареи способны долго выдерживать плохое качество теплоносителя.

Биметаллические

Биметаллическая батарея

Биметаллический радиатор – довольно неприхотливый прибор, способный выдержать давление теплоносителя в сети многоэтажных домов. Да и к качеству воды он довольно лоялен.

Устройство этого типа представляет собой комбинацию двух металлов:

  • сталь – используется для изготовления коллектора;
  • алюминий – применяется для изготовления ребер.

Такой тандем позволяет компенсировать недостатки каждого из материалов:

  • сталь неплохо переносит гидроудары и некачественную в плане химсостава воду;
  • алюминий обладает хорошей теплопроводностью, что положительно сказывается на общей теплоотдаче отопительной батареи.

Больше о плюсах и минусах читайте в нашем обзоре.

Изделия из биметалла плохо сочетаются с твердотопливными котлами из-за их высокой теплоотдачи. Если у вас газовый котел, а температура теплоносителя превышает 60 градусов, можете смело ставить биметалл.

В общем, биметаллическую батарею можно было бы назвать лучшей заменой традиционной чугунной

, если бы не высокая цена: биметалл в два раза дороже.

Чугунные

Радиатор из чугуна

Привычные «советские» радиаторы изначально проектировались под централизованную отопительную систему:

  • они без проблем выдерживают гидроудары и плохое качество воды;
  • их можно использовать и в системах автономного теплоснабжения;
  • они достаточно эффективно греют помещение.

Но этот металл обладает высокой инертностью, поэтому устанавливать на радиаторы терморегуляторы бесполезно. Впрочем, именно инерционность в сочетании с большим объемом теплоносителя в батарее способствуют равномерному обогреву помещения.

Долговечность и низкая стоимость делает чугунные радиаторы самыми востребованными как для квартиры, так и для частного дома. Перейдя по этой ссылке вы узнаете, какие чугунные батареи лучше с точки зрения дизайна, технических характеристик, тепловой мощности и способу установки.

Если в доме используется твердотопливный котел, изделия из чугуна будут самым правильным выбором. Они будут долго сохранять тепло после того, как топливо прогорит.

Алюминиевые

Обогреватель из алюминия

Легкие, привлекательные на вид и удобные в монтаже алюминиевые радиаторы отопления пользуются достаточно большим спросом у потребителя. Алюминий не инерционный — он быстро нагревается, и также быстро отдает тепло. Благодаря этому свойству, батареи хорошо работают в паре с терморегуляторами.

Но один существенный недостаток не позволяет широко их использовать: алюминий очень плохо переносит контакт с плохо подготовленной водой.

Высокая щелочность теплоносителя способна за короткий срок «убить» алюминиевый радиатор. Какого качества вода в центральном отоплении, мы все знаем. Но и в случае автономной отопительной системы далеко не каждый домовладелец в состоянии организовать водоподготовку.

Тем не менее, эти модели используются во многих загородных домах, особенно в тех случаях, когда в доме планируется внедрение автоматической системы управления теплом.

Но имейте в виду, что температура теплоносителя должна быть не менее 60 градусов. Перейти к полному перечню технических характеристик этих моделей.

Стальные радиаторы: панельные и трубчатые

Панельный радиатор представляет собой сварную конструкцию. Она двух пластин, на которых при помощи штамповки сформованы коллекторы и соединительные каналы.

Для изготовления прибора используют листовую сталь толщиной 1,25 – 1,5 мм. Естественно, выдержать гидроудары, присущие центральным отопительным системам, батарея такого типа не в состоянии. При давлении 13 атм её может порвать или раздуть, да и оставлять надолго без воды не рекомендуется: сталь подвержена коррозии. А центральные системы отопления до наступления отопительного сезона стоят пустые.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод: стальные панельные батареи можно использовать только в автономной системе, где для них можно создать режим наибольшего благоприятствования.

Причем система должна быть закрытой: это позволит защитить батареи от попадания в них воздуха, а, следовательно, предотвратить образование коррозии металла.

Стальные трубчатые батареи

Трубчатые радиаторы лучше переносят резкие перепады давления теплоносителя. На этом основании некоторые поставщики утверждают, что они пригодны для установки в многоэтажных домах.

Но не стоит обольщаться: толщина стенки трубы всего 1,5 мм, а наличие сварных швов ставит это заявление под сомнение.

Трубчатые батареи из стали лучше всего подходят для малоэтажных построек с отопительными системами закрытого типа.

С точки зрения теплоотдачи они неэффективны, да и стоимость таких конструкций в пересчете на 1 кВт очень высокая.

Специалисты заявляют, что эти модели скорее относятся к предметам декора. И действительно, трубе можно придать самую причудливую форму. Единственное преимущество трубчатого прибора – гигиеничность (у него отсутствуют труднодоступные места, где может скапливаться пыль).

Здесь можно больше узнать, какая модель больше подойдет в каждом конкретном случае.

Медные батареи — самые лучшие

Нажмите на фото для увеличения

Для большинства наших соотечественников медные радиаторы не по карману. Если бы не цена, они были бы самыми востребованными.

У какого радиатора лучше теплоотдача? У медного!

Теплопроводность меди в значительной степени превышает аналогичный показатель у стали, чугуна и алюминия. Это означает, что медные радиаторы являются самыми эффективными приборами отопления.

Они превосходно держат гидроудары и, что немаловажно, совершенно не боятся химических примесей в теплоносителе.

На внутренней поверхности секций образуется окисная пленка, которая надежно защищает металл от разрушения. Их можно использовать как в централизованной, так и автономной системах отопления любого типа.

Сравнительные характеристики разных моделей

По мнению нашей редакции оптимальный выбор (соотношение цены и качества) — чугунные радиаторы, но пальма первенства у медных!

ПараметрыМедныеЧугунныеБимет-иеПанельныеТрубчатыеАлюм-ые
Теплоотдача, Втсвыше 100080 — 160130 — 200180 — 73520 — 700125 — 180
Рабочее давление, атм1610 — 12до 356 – 8,58 — 10до 16
Опрессовочное давление, атм5015 — 1852,51313 — 1524

Каждый из представленных обогревателей обладает преимуществами и недостатками. Немаловажное значение имеет не только свойства металла, но и его качество.

Вертикальные батареи отопления идеально подходят для помещений, где нет места радиаторам стандартных размеров.

Не секрет, что многие (а может быть и большинство) производителей используют в производстве радиаторов вторичное сырье. Это может отразиться на долговечности изделия (больше всех «страдают» алюминиевые батареи). За внушительную сумму покупатель рискует приобрести обогреватели, которые выйдут из строя уже через несколько лет.

Какие радиаторы лучше греют, какая реальная теплоотдача

Радиаторы в домашних условиях не дают той мощности, которая прописана в документации. Чтобы узнать реальную теплоотдачу от радиатора нужен небольшой расчет. Данные о мощности на прилавках скорее рекламируют изделие, чем информируют нас. Мы же можем рассчитывать на более скромную теплоотдачу, рассмотрим, как определить реальную мощность разных радиаторов.

 

Что означает мощность радиаторов указанная в документации

Мощность радиатора будет напрямую зависеть от их температуры. Чем она больше, и чем холоднее в комнате, тем больше тепла будет отдаваться.  Но сколько в действительности?

Открыв паспорт, прилагаемый к радиатору, можно узнать, что одна секция радиатора обладает тепловой мощностью, например, 180 Вт. Но при маленькой оговорочке, — при «Δt = 50 град».

Что это?

Обозначение в документации Δt, или dt, или DT, или «Разница Температур», —  это разница между средней температурой радиатора и температурой воздуха в комнате. Например, 60 град, минус 20 град – получаем  Δt равную 40 град.

Производители указывают мощность своих радиаторов обычно при для  Δt равной 50 град. Но может ли такая разность температур  быть в реальности?

 

Какие реальные температуры отопления и воздуха

Что такое средняя температура радиатора?
Это среднее значение температур подачи и обратки.  Например, — подача 70 град, обратка 50 град. Тогда в среднем в радиаторах +60 град.

Котлы имеют ограничение нагрева +80 градусов. Но их на  максимум обычно никто не выкручивает и ограничиваются температурой подачи +70 град, чтобы не обжигаться о радиаторы, по крайней мере. Тогда реальная средняя температура в радиаторах окажется +60 град С.

Прохладный воздух в комнате +20 град обычно не устраивает жильцов,они стараются разогреть до +25- +27 град. В дальнейшем для расчетов примем скромные +23 град.

Таким образом, реальная Δt оказывается: 60 – 23 = 37 град.

 

Вычисление реальной мощности и количества радиаторов

Δt = 37 град – разница температур при «обычной» работе домашнего котла, и когда «не слишком то тепло» в доме.
Какая же будет мощность радиаторов при этом?
Оказывается, что в 1,5 раза меньше от заявленной мощности при Δt 50 градусов.

Для вычисления реальной теплоотдачи пользуются поправочными коэффициентами, чтобы не вдаваться сложные расчеты.
Если паспротная мощность указана при «Δt = 50 град», то метод вычилсения количества секций следующий.

  • Определяется количество секций по паспортной мощности радиатора.
  • Полученное значение умножается на  1,5.

Например, в комнату 10 кв. м с теплопотерями 1 кВт, нам нужно по расчету 6 секций с паспортной мощностью 180 Вт (указанной при Δt = 50 град). Тогда в реальности требуется установить, чтобы не перегревать котел, 6х1,5= 10 секций.

Но производители иногда указывают мощности и при условии «Δt = 70 град» (подача 100, обратка 80, комната 20). При Δt 70 лучше воспользоваться поправочными коэффициентами к указанной производителями мощности. Они зависят от реальной Δt.

Приведены реальная Δt в градусах, затем поправочный коэффициент.

40 – 0,48
42 – 0,51
45 – 0,56
47 – 0,60
50 – 0,65
55 – 0,73
60 – 0,82
65 – 0,91
70 – 1,0
75 – 1,09

Так, при реальной Δt 40 (63 — 23, например), нам нужно заявленную мощность умножить на 0,48, например, 210х0,48, получаем 100 Вт реальной теплоотдачи на одну секцию и отсюда вычисляем нужное количество секций.

 

Какая тепловая мощность у чугунных и стальных радиаторов

Мощность радиатора зависит не только от температур теплоносителя и воздуха в комнате, но и еще от двух параметров:

  • Площади поверхности радиатора (площадь теплоомбена).
  • Теплопроводности материла радиатора, — от того с какой скоростью передается тепло от теплоносителя к воздуху. Напомним, что у алюминия это значение примерно 170 Вт/м*К,  а у стали и чугуна около 70 — 90 Вт/м*К

Следовательно:

  • У алюминиевых и биметаллических радиаторов ощутимой разницы по площади оребрения, и в материале нет, их принято считать одинаковыми по теплоотдаче, если размеры сходные.
  • Для чугунного радиатора с такими же габаритами, как и у алюминьки, мощность будет на 20% меньше. Сказывается заниженная площадь теплообмена и материал. Поэтому, если нет паспортных данных на чугун, можно посчитать по аналогии с алюминием и умножить на 0,8.
  • Для стальных панельных, при одинаковых высоте и ширине с алюминиевым радиатором, но при глубине в 1,5 раза больше (тип 30), мощность будет примерно такой же, может чуть меньше. Большей глубиной у цельных панелей добирается недостающая им площадь теплообмена.

В целом же можно сказать, что все радиаторы «греют неплохо» и мощность не является решающей характеристикой при выборе…

Выводы

  • При проектировании расстановки радиаторов важно правильно посчитать их реальную теплоотдачу в условиях своего дома. Нужно определиться с приемлемыми температурами теплоносителя и воздуха. Чаще принимается +70 град подача и +25 в доме. Отсюда все остальные расчеты.
  • Оптимальным выбором для домов и квартир остаются алюминиевые радиаторы, но качественно сделанные, с хромовым покрытием внутри. Приборы дешевле биметалла на 20%,  удовлетворяют всем потребностям домашней сети отопления, имеют наибольшую удельную мощность с линейного размера, хоть это и не критически важно.
  • Для современных систем отопления важной характеристикой остается и тепловая инертность отопительного прибора. Чем она меньше, тем меньше температурные колебания воздуха в комнатах при обычном режиме котла «нагрел-остановился». Чугунные радиаторы в этом плане проигрывают — долго разогреваются и долго же остывают, утягивая за кривой своей тепловой инертности и наш комфорт в колебания…

 

Расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления: биметаллических и чугунных

Главное предназначение радиатора отопления – максимальный обогрев помещения. Расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления – необходимое условие определения эффективности прибора. Каждая модель прибора имеет свои параметры теплоотдачи в зависимости от разных факторов (особенности расположения, тип подключения и т.д.). Теплоотдача (тепловая мощность, мощность радиатора) – это количество тепловой энергии, переданное прибором за определенный отрезок времени. Единица измерения теплоотдачи – Ватт. Иногда расчет можно осуществить в калориях в час (1 Вт=859,8 кал/ч). Тепло устройства отопления производят в результате процессов:

  1. Теплообмена.
  2. Конвекции.
  3. Излучения (радиации).

Процентное соотношение всех типов отдачи тепла у каждой модели для отопления разное.

Радиаторы отопления: сущность и особенности характеристики теплоотдачи

Радиаторами принято называть приборы, у которых теплоотдача путем прямого излучения составляет не меньше 25%. Но сегодня встречаются устройства, которые полностью работают по конвекторному принципу. Они очень простые и при этом надежные. Небольшие размеры конвекторов дают возможность при обустройстве комнаты не ограничивать себя рамками. И стоимость конвекторов относительно не дорогая. Но минусом конвекторов является небольшой уровень теплопередачи и конвекционный метод обогрева, а не радиаторный. Так создается сильная циркуляция воздуха в комнате и получается сквозняк.

В таблице представлены значения коэффицента теплопередачи.

Чтобы выбрать устройство для отопления дома или квартиры, нужно опираться на точные расчеты необходимой мощности. Учесть все факторы, конечно, очень сложно. Методов расчета нужной теплоотдачи отопительных приборов несколько. Суть самого простого метода основана на количестве окон и стен. Если имеется одна наружная стена и одно окно на ней, то рассчитывается норма мощности 1кВт на каждые 10 кв.м. площади. Другой метод более сложный, но благодаря ему можно получить более точный показатель необходимой мощности. Формула расчета: S x h x41 (S – площадь помещения, h – высота потолков, 41 – показатель минимальной мощности на 1 куб.м помещения).

Выбираем радиатор: сравнение существующих вариантов

Теплоотдача радиаторов отопления из разных материалов отличается. В поиске подходящего варианта для отопления помещения нужно провести сравнение разных моделей, ведь часто похожие по форме и объемам приборы отличаются по мощности. Теплоотдача поверхности чугунных радиаторов относительно небольшая, поскольку теплопроводность чугуна достаточно низкая. Большой плюс чугунных батарей отопления – достаточно большой внутренний просвет, что увеличивает их работоспособность. Но все-таки эти батареи имеют больше недостатков, чем достоинств.

Коэффициент отдачи тепла чугуна значительно ниже, чем у других материалов (алюминия, стали, меди и т.д.). Чугун – хрупкий материал, и стенки батареи достаточно толстые, а это еще больше уменьшает теплоотдачу. В лабораторных условиях мощность одной секции чугунной батареи при температуре носителя тепла 90 °С составляет 180 Ватт. Значения теплоотдачи приблизительно 130-150 Вт на одну секцию. Например, для комнаты площадью 15 метров нужно 12 чугунных секций (16 х 100 / 125 = 12). Но учитывая разные факторы, в жизни этот показатель значительно ниже. При централизованном отоплении значительная часть тепла теряется по дороге к потребителю, и теплоотдача одной батареи может быть 60-70 Ватт.

На рисунке изображен чугунный радиатор.

Современной альтернативой чугунных радиаторов являются стальные. Это положительное сочетание в себе секционных устройств и конвекторов. Они имеют гладкую ровную поверхность, что отличает их от чугунных радиаторов. Для увеличения теплоотдачи устройства к панелям привариваются дополнительные секции, которые работают в качестве конвекторов. Но все-таки отдача тепла обогревателей из стали не значительно больше, чем теплоотдача чугунных радиаторов. А при уменьшении температуры теплоносителя, устройство из стали существенно снижает теплоотдачу. Хотя если сделать сравнение с чугунными батареями, они уступают по весу и имеют более привлекательный внешний вид. При температуре воды в системе 70 °С показатели отдачи тепла могут давать другие показатели, чем таблица производителя.

Алюминиевые и биметаллические модели – современное решение

В отличие от стальных и чугунных радиаторов, радиаторы из алюминия имеют гораздо большую теплоотдачу – до 200 Ватт. Они очень популярны на Западе и в США, где люди живут в основном в малоэтажных домах. Но алюминиевые батареи не пригодны для систем обогрева с высоким давлением. Поэтому их предпочтительно устанавливать в домах, где есть собственная система отопления. К тому же, загрязнения теплоносителя могут подвергать алюминиевую поверхность батареи коррозии. Расчет радиаторов отопления из алюминия производится так же, как и для других приборов. Температура в них зачастую зависит от температуры теплоносителя.

Алюминиевые отопительные батареи различных размеров.

Сегодня растет популярность биметаллических радиаторов, которыми предпочитают заменять старые батареи. Отдача тепла биметаллических моделей не меньше, чем алюминиевых. Теплоотдача одной секции прибора с биметаллом составляет около 170 Вт. Расчет биметаллических устройств стоит делать с запасом, учитывая климатические и погодные условия. Следовательно, расчет секций биметаллических радиаторов проводить следует так, чтобы мощность оказалась выше, чем мощность чугунных радиаторов, стоявших здесь ранее.

Обычно покупаются устройства на одну-две секции больше, чем предыдущие чугунные. Если нужно сделать расчет биметаллических радиаторов для новостроя, то следует опираться на свойства теплоотдачи каждой секции. Обычно берется 100Вт на каждую секцию и 70-100 Вт на метр квадратный комнаты. Учитывайте, что со временем теплоотдача отопительных средств снижается. Желательно, чтобы расчет был с запасом. Точно все рассчитать довольно сложно. Нужно учитывать высоту помещения, теплоизоляционные качества дверей и окон, пола. Ведь большая часть тепла уходит именно из-за плохой теплоизоляции. Стоимость биметаллических радиаторов выше, чем отопительных приборов из других материалов.

Биметаллический радиатор.

Уровень теплоотдачи и способ подключения прибора

Теплоотдача радиаторов может зависеть еще и от способа подключения. Для эффективной теплоотдачи желательно прямое одностороннее подключение. Поэтому расчет мощности производится при прямом подключении. Диагональный тип подключения используется, если устройство для отопления насчитывает более 12 секций. Это сильно снижает потери тепла. Самым невыгодным в плане мощности является однотрубное подключение. Теплопотери могут достигать 40%. Каким образом можно увеличить теплоотдачу, приобретая такой прибор?

  1. Один из способов – постоянная влажная уборка и чистка поверхности обогревателя. Чище радиатор – выше его теплоотдача и качественнее отопление.
  2. Правильная окраска тоже влияет на теплоотдачу. Очень толстый слой краски снижает отдачу тепла.
  3. Эффективным будет применение специальных красок с низким сопротивлением передачи тепла для труб и устройства.

Немаловажно также правильно сделать монтаж батареи. Частые ошибки при монтаже радиаторов: установка очень близко к полу либо к стене, перекрытие обогревателей ненужными предметами декора.

Не лишним будет проверить внутренность радиатора, чтобы устранить недостатки, которые в будущем могут препятствовать нормальному движению теплоносителя. Чтобы сократить бесполезную теплопотерю, используют теплоотражающие экраны из фольгированного материала. Расход тепла можно уменьшить на 5-7%, поставив теплоотражающие экраны за прибором обогрева. Они изолируют стены от нагрева, что позволяет повысить температуру воздуха в помещении на один-два градуса. Теплоотражающие экраны используются достаточно широко: в жилых помещениях, административных зданиях, больницах, школах и т.д. Особенно эффективна эта установка для радиаторов, смонтированных на наружных стенах помещения.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

чугунный или биметаллический, сравнительная таблица теплоотдачи

На стадии проекта дома выбираются радиаторы отопления помещений. В частном строительстве часто это право передается владельцу дома. Как выбрать необходимый радиатор: чугунный, биметаллический, алюминиевый? Не всегда в выборе преобладает здравый смысл и реальные данные приборов отопления, перевешивает экономическая составляющая стоимости дома. Не всегда что дешево, правильный выбор, постараемся раскрыть параметры теплоотдачи разных радиаторов.

Радиатор отопления, сравнение нескольких видов

Основной характеристикой отопительного устройства является теплоотдача, это способность радиатора создать тепловой поток необходимой мощности. Выбирая отопительное устройство, надо понимать, что для каждого из них существуют определенные условия, при которых создается указанный в паспорте тепловой поток. Основными радиаторами выбора в отопительных системах являются:
  1. Секционный чугунный радиатор.
  2. Алюминиевый прибор отопления.
  3. Биметаллические секционные приборы отопления.

Сравнивать разного вида отопительные устройства будем по параметрам, которые влияют на их выбор и установку:

  • Величина тепловой мощности прибора отопления.
  • При каком рабочем давлении, происходит эффективное функционирование прибора.
  • Необходимое давление для опрессовки секций батареи.
  • Занимаемый объем теплового носителя одной секцией.
  • Какой вес отопительного прибора.

Необходимо отметить, что в процессе сравнения не стоит учитывать максимальную температуру теплового носителя, высокий показатель этой величины разрешает применение этих радиаторов в жилых помещениях.

В городских тепловых сетях всегда разные параметры рабочего давления теплового носителя, этот показатель надо учитывать, выбирая радиатор, а также параметры испытательного давления. В загородных домах, в поселках с коттеджами теплоноситель почти всегда ниже показателя в 3 Бар, но в городской черте централизованное отопление подается с давлением до 15 Бар. Повышенное давление необходимо, так как много зданий с большим количеством этажей.

Важные аспекты выбора радиатора

Выбирая радиатор надо помнить о гидравлическом ударе, который происходит в сетях централизованного отопления при первых запусках системы в работу. По этим причинам не каждый радиатор подходит для этого вида систем отопления. Теплоотдачу прибора отопления желательно проводить с учетом характеристик прочности отопительного устройства.

Важными показателя выбора радиатора являются его вес и вместимость теплового носителя, особенно для частного строительства. Емкость радиатора поможет в расчетах нужного количества теплового носителя в системе частного отопления, провести расчет расходов на энергию нагрева его до необходимой температуры.

Необходимо при выборе отопительных устройств учитывать и климатические условия региона. Радиатор крепится обычно к несущей стене, по периметру дома располагаются приборы отопления, поэтому их вес необходимо знать для расчета и выбора способа креплений. В качестве сравнений теплоотдачи радиаторов отопления таблица, в ней приводятся данные известной компании RIFAR, выпускающие отопительные устройства из биметалла и алюминия, а также параметры чугунных приборов отопления марки МС-410.

ПараметрыАлюминиевый от.прибор межосевое 500 мм.Алюминиевый от.прибор межосевое 350 мм.Биметалл. устройство межосевое 500 мм.Биметалл. устройство межосевое 350 мм.Чугунный от.прибор межосевое 500 мм.Чугунный от.прибор межосевое 300 мм.
Тепловая отдача секция (Вт.)183139204136160140
Давление рабочее (Бар.)2020202099
Давление испытательное (Бар.)303030301515
Емкость секции (Л.)0,270,190,20,181,451,1
Вес секции (кг.)1,451,21,921,367,125,4

Пояснения сравнительных величин приборов отопления

Из представленных выше данных, видно, что наиболее высоким показателем теплоотдачи обладает биметаллическое отопительное устройство. Конструктивно такой прибор представлен компанией RIFAR в ребристом алюминиевом корпусе, в котором располагаются металлические трубки, вся конструкция крепится сварным каркасом. Этот вид батарей ставится в домах с большой этажностью, а также в коттеджах и частных домах. К недостатку этого вида отопительного устройства относится его дороговизна.

Более востребованы алюминиевые отопительные приборы, у них на немного ниже параметры теплоотдачи, но стоят значительно дешевле биметаллических устройств отопления. Показатели испытательного давления и рабочего позволяют этот вид батарей устанавливать в зданиях без ограничения этажности.

Важно! Когда этот вид батарей ставится в домах с большим количеством этажей, рекомендуется иметь собственную котельную станцию, в которой есть узел водоподготовки. Это условие предварительной подготовки теплоносителя связано со свойствами алюминиевых батарей, они могут подвергаться электрохимической коррозии, когда он поступает в некачественном виде через центральную сеть отопления. По этой причине отопительные приборы из алюминия рекомендуется ставить в отдельных системах отопления.

Чугунные батареи в этой сравнительной системе параметров значительно проигрывают, у них низкая теплоотдача, большой вес отопительного прибора. Но, несмотря на эти показатели, радиаторы МС-140 пользуются спросом населения, причиной которого являются такие факторы:

  1. Длительность безаварийной эксплуатации, что важно в отопительных системах.
  2. Стойкость к негативному воздействию (коррозии) теплового носителя.
  3. Тепловая инерционность чугуна.

Данный вид устройств отопления работает более 50 лет, для него нет разницы в качестве подготовки теплового носителя. Нельзя их ставить в домах, где, возможно, высокое рабочее давление сети отопления, чугун не относится к прочным материалам.

Как правильно сделать расчет тепловой мощности

Грамотное обустройство системы отопления в доме не может обойтись без теплового расчета мощности отопительных устройств необходимых для обогрева помещений. Существуют простые проверенные способы расчета тепловой отдачи отопительного прибора, необходимой для обогрева комнаты. Здесь также учитывается расположение помещения в доме по сторонам света.

Что надо знать для расчета тепловой мощности:
  • Южная сторона дома обогревается на метр кубический помещения 35 Вт. тепловой мощности.
  • Северные комнаты дома на метр кубический обогреваются 40 Вт. тепловой мощности.

Для получения общей тепловой мощности необходимой для обогрева помещений дома надо реальный объем комнаты умножить на представленные величины и сложить их по количеству комнат.

Важно! Представленный вид расчета не может быть точным, это укрупненные величины, ими пользуются для общего представления необходимого количества отопительных приборов.

Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия. По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT).

Что это такое, как понимать? Паспортный тепловой поток секции батареи может быть получен при соблюдении условия подачи теплового носителя с температурой 105 градусов. Для получения в обратной системе отопления дома температуры 70 градусов. Начальная температура в комнате принимается за 18 градусов тепла.

Важно! Надо понимать, что данные для батарей показаны, когда теплоноситель нагрет до 105 градусов, что в реальных системах бывает редко, означает и меньшую теплоотдачу. Для расчета реального теплового потока надо определить величину DT, это делается при помощи формулы:

DT= (температура носителя подачи + температура носителя обратки)/2, минус комнатная температура. Затем данные в паспорте изделия умножить на коэффициент поправочный, которые для разных значений DT приводятся в специальных справочниках. На практике это выглядит так:

  • Система отопительная работает в прямой подаче 90 градусов в обработке 70 градусов, комнатная температура 20 градусов.
  • По формуле получается (90+70)/2-20=60, DT= 60

По справочнику ищем коэффициент для этой величины, он равен 0,82. В нашем случае тепловой поток 204 умножаем на коэффициент 0,82, получаем реальный поток мощности = 167 Вт.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

видео-инструкция как рассчитать своими руками, особенности приборов мощностью 160 ВТ, характеристики стальных батарей, таблица, цена, фото

Задача любого радиатора заключается в эффективном обогреве помещения. Поэтому одним из самых важных параметров этих приборов является теплоотдача, от которой как раз и зависит то, насколько качественно радиатор будет справляться с поставленной задачей. Ниже мы рассмотрим, какие факторы влияют на этот параметр, какая теплоотдача у разных типов радиаторов отопления и как ее рассчитать.

Схема прямой теплоотдачи батареи

Что такое теплоотдача

Итак, теплоотдачей называют показатель, обозначающий количество тепла, которое передает прибор за определенный промежуток времени. Зачастую это параметр еще называют тепловой мощностью, мощностью радиатора либо тепловым потоком. Измеряется он в Ваттах, сокращенно – Вт.

Правда, в некоторых источниках данный параметр измеряю в калориях в час – 1 Вт соответствует 859,8 кал/ч. Однако, такое измерение встречается редко.

Следует отметить, что теплопередача от батареи осуществляется тремя процессами:

  • Теплообменом;
  • Конвекцией;
  • Излучением.

Каждая батарея переносит тепло всеми тремя способами, но у разных отопительных приборов соотношение разное. По сути, радиаторами называются только те устройства, у которых путем прямого излучения передается не менее 25 процентов тепла. Однако, этот термин получил более широкое значение, в результате чего он используется и для конвекционных приборов.

Схема вариантов теплоотдачи

Расчет теплоотдачи

При обустройстве системы отопления своими руками внимания заслуживает расчет необходимой мощности приборов. От этого зависит выбор и их количество. С одной стороны каждый хозяин старается сэкономить, поэтому не имеет смысла приобретать лишние батареи, но с другой – если их будет недостаточно, то не получится поддерживать в жилье комфортную температуру.

Существует два метода как рассчитать теплоотдачу радиатора, необходимую для обогрева помещения:

  • Приблизительный расчет, который осуществляется исходя из того, что на 10 квадратных метров помещения, имеющего одно окно и одну наружную стену, требуется один киловатт мощности. Если же помещение обладает двумя наружными стенами, то для его обогрева требуется 1,3 кВт.
  • Расчет по формуле – это более сложный способ, но в то же время позволяющий получить более точное значение.

Ниже подробней ознакомимся с каждым из этих методов.

Схема зависимости мощности батарей от количества секций и температуры теплоносителя

Приблизительный расчет

Чтобы выполнить расчет теплоотдачи радиатора батарей отопления, необходимый для обогрева комнаты, нужно знать следующие параметры:

  • Тип батареи;
  • Ее размер;
  • Параметры помещения.

Ниже приведена таблица теплоотдачи радиаторов отопления, выполненных из разных материалов:

Тип Эффективность одной секции при температуре теплоносителя в 80 градусов
Чугунные 125-160 Вт
Алюминиевые 200 Вт
Биметаллические 204 Вт

Обратите внимание!
На эффективность батарей отопления влияет способ их подключения.
Наиболее эффективным считается одностороннее подключение, при котором теплоноситель подается сверху, а обратка выходит снизу.
Для приборов с большим количеством секций более эффективным является диагональное подключение.

Схема зависимости эффективности батарей от способа их подключения

К примеру, помещение имеет площадь 18 метров квадратных, и в нем планируется установить чугунные батареи. Так как теплоотдача радиатора 160 Вт на одну секцию, в нашем случае понадобится – (18:150)x100= 11,25~12 секций.

Обратите внимание!
В продаже можно встретить стальные сплошные панели.
Чтобы рассчитать их необходимую мощность понадобится таблица теплоотдачи стальных радиаторов отопления, которую обычно предоставляют их производители.

Расчет по формуле

Чтобы получить искомое значение, необходимо воспользоваться следующей формулой – P=Sxhx41, где:

  • P – искомое значение.
  • h – Высота помещения.
  • S – его площадь.
  • 41 – является нормативным показателем минимальной мощности на кубический метр объема.

Полученное значение следует поделить на номинальную мощность секции, чтобы узнать необходимое их количество.

Совет!
Если в результате расчетов получилось дробное число, округлять его нужно в большую сторону, так как недостаток мощности гораздо больше скажется на комфорте помещения, чем его избыток.

Чугунная батарея

Особенности приборов разных типов

Как мы выяснили, характеристики теплоотдачи радиаторов отопления во многом зависят от материалов, из которых они выполнены.

Ниже подробней ознакомимся с особенностями теплопередачи батарей разного типа:

  • Чугунные – отличаются наиболее низкой эффективностью. Причем данный параметр во многом зависит от межосевого пространства. С этим и связан большой его разбег – от 120 до 160 Вт.
    Обмен теплом в основном происходит за счет прямого излучения и только 20 процентов приходится на конвекцию.

Устройство стальной панели

  • Панельные – теплоотдача стальных радиаторов ненамного выше, чем у чугунных, однако, для улучшения теплообмена конструкцию выполняют из нескольких панелей, между которыми располагаются ребра. Таким образом, значительно увеличивается доля конвекционной передачи тепла.
  • Алюминиевые – эффективность существенно выше, чем у двух предыдущих типов приборов, однако, область применения таких батарей ограничена. Дело в том, что они не рассчитаны на высокое давление, которое имеется в централизованных системах, а также предназначены для работы исключительно на очищенном теплоносителе.

На фото – биметаллический прибор

  • Биметаллические – по эффективности даже незначительно превосходят алюминиевые приборы, и при этом являются более прочными, что позволяет использовать их в централизованных системах. Конечно, и цена этих устройств наиболее высокая, но, за счет высокой мощности, можно установить радиаторы с меньшим количеством секций, чем немного сэкономить.

Обратите внимание! Чтобы радиатор работал на полную мощность, он должен быть правильно установлен – без наклонов и на определенном расстоянии от стены, как того требует инструкция . Также увеличить эффективность поможет использование отражающего пенофола, закрепленного на стене.

Вот, пожалуй, и все наиболее важные моменты, которые следует знать о тепловом потоке батарей отопления, чтобы правильно рассчитать систему обогрева и не ошибиться с их выбором.

Вывод

Тепловая мощность радиаторов является одной из важнейших их характеристик. Поэтому на ее основе выполняется расчет отопительной системы жилья, без которого невозможно обеспечить его комфортный обогрев в зимнее время.

Ознакомиться с дополнительной полезной информацией по озвученной теме вы можете из видео в этой статье.

Мощность и теплоотдача алюминиевых радиаторов и других батарей

Монтаж новых батарей отопления всегда влечет за собой проблему выбора, притом у большинства людей нет конкретной информации о том или другом виде радиаторов. Проведем сравнение таких важных параметров, как допустимое рабочее давление, теплоотдача алюминиевых радиаторов и других видов батарей, что поможет решить, какие радиаторы лучше, и сделать правильный выбор. Именно материал изготовления оказывает решающее влияние на основные характеристики отопительного оборудования.

Сравнение теплоотдачи радиаторов разных видов

Одним из принципиально главных параметров является тепловая мощность, есть и другие факторы, чье значение не менее важно. Выбирать радиатор только по одной этой характеристике – неправильно. Необходимо знать, при каких условиях определенный тип отопительных обогревателей выдаст определенный тепловой поток, и какой период времени он может прослужить.

Правильнее будет все технические характеристики секционных радиаторов, а конкретнее:

  • алюминиевые;
  • биметаллические;
  • чугунные.

Сравним отопительные батареи по следующим ключевым характеристикам, которые напрямую влияют на их подбор:

  • тепловая мощность;
  • допустимое рабочее давление;
  • давление опрессовки;
  • объем;
  • вес.

Важно! Максимальный уровень нагрева теплоносителя не входит в расчеты, поскольку у любого типа радиаторов данный параметр достаточно высок, что уже делает их пригодными для установки в жилых помещениях.

В частных загородных домах или коттеджах давление теплоносителя бывает не выше 3 Бар, в домах подключенных центральной системе отопления этот параметр бывает 6 -15 Бар, все зависит от того, сколько этажей в здании.

Необходимо помнить и гидроударах, данное явление не является редкостью во время пуска в работу центральных тепловых сетей. Из-за этого в такую систему подойдут не все типы радиаторов, а параметр теплоотдачи необходимо сравнивать, учитывая параметры прочности изделия.

Вес и вместительность радиаторов также играют немаловажную роль в подключении их в систему отопления в частном доме. Если знать емкость радиатора, можно легко рассчитать общий объем воды в системе и, таким образом, сделать расчет теплоотдачи конкретного радиатора или батарей отопления. Вес изделия необходимо знать, чтобы определить метод крепления к наружной стене, которая построена, к примеру, из какого-либо пористого материала (газобетон) либо по каркасной технологии.

Теплоотдача различных радиаторов отопления таблица:

У стальных радиаторов теплоотдача находится на уровне около 120 Вт.

Самая высокая тепловая мощность у медных приоров отопления – около 400Вт!

Как рассчитать сколько нужно секций?

Чтобы обогреть все помещения потребуется знать мощность, которая потребуется для каждого помещения, только после этого расчет теплоотдачи батареи. Расчет тепла, которое потребуется для обогрева помещения, необходим для того, чтобы узнать из скольких секций должен состоять радиатор.

Чтобы определить, сколько тепла потребуется для обогрева комнаты применяется довольно простая формула. Исходя от места расположения, количество берется то количество теплоты, которое потребуется на 1м3 помещения, для южной стороны это значение будет 35 Вт/ м3 и 35 Вт/м3 для северной. Таким образом, объем требуемого помещения на одну из величин и в итоге узнаем необходимую мощность.

Для расчета мощности биметаллических или алюминиевых батарей, нужно учитывать параметры указанные производителем в паспорте. Исходя из этих данных, для одной секции батареи при DT = 70. Это говорит о том чему равняется тепловой поток при температуре подачи 105 ºС, а в обратке – 70 ºС. Это учитывая что температура внутри помещения будет около 18ºС.

Исходя из данных нашей таблицы, у биметаллического радиатора, одна секция с межосевым размером 500 мм составляет 204 Вт, но с учетом того что температура теплоносителя в подаче будет 105ºС.

Расчет мощности. Нынешние системы, тем более индивидуальные настолько сильно не нагревают теплоноситель, а это означает, что тепловой поток будет меньше.  Для получения реальных значений необходимо просчитать характеристику DT для конкретных условий по формуле:

DT = (tпод + tобр) / 2 – tкомн,

где: tпод – температура воды в подающем трубопроводе; tобр – то же, в обратке;  tкомн – температура внутри комнаты.

После этого теплоотдачу, указанную в паспорте изделия, необходимо умножить на поправочный коэффициент, который принимается в соответствии от значений DT по таблице:

К примеру, температура теплоносителя составляет 80/60оС, температура в комнате будет равна 21оС  характеристика DT будет равна (80 + 60) / 2 – 21 = 49, поправочный коэффициент при этом составит – 0.63.  В этом случае тепловой поток от одной секции такого же биметаллического радиатора будет равняться 204*0.63 = 128.5 Вт. Руководствуясь этими данными, подбирается необходимое количество секций, которые будут хорошо прогревать комнату.

У каких радиаторов теплоотдача лучше?

Как это видно из приведенной таблицы, где сравниваются теплоотдачи отопительных батарей, самая высокая мощность у биметаллических радиаторов отопления. Они представляют собой ребристый алюминиевый корпус, внутри которого находится прочный сварной каркас из металлических трубок, предназначенных для протока теплоносителя.

Данный вид отопительного оборудования отлично подойдет как для установки в частном доме с индивидуальной системой, так и для централизованной системы отопления. Главным минусом таких изделий является их высокая стоимость. Однако наилучшая теплоотдача биметаллических отопительных радиаторов, часто, позволяет сделать выбор в их сторону.

Несколько ниже теплоотдача у батарей из алюминия, но они немного легче и дешевле биметаллических. Данный вид радиаторов тоже можно монтировать в любых помещениях, но с условием наличия индивидуальной котельной с узлом водоподготовки. Одним из главных недостатков таких изделий является низкая устойчивость алюминия к электрохимической коррозии из-за теплоносителя низкого качества, который, как правило, свойственен центральным теплосетям. Батареи из этого материала лучше всего монтировать в индивидуальных системах.

Довольно сильно от остальных отличается теплоотдача чугунных радиаторов, которая гораздо ниже, несмотря на большую массу и емкость секций. Кажется, что подобные  данные не позволяют данным изделиям конкурировать с предыдущими. Но их главным преимуществом являются – долгий срок службы и устойчивость к коррозии. Радиаторы из серого чугуна могут прослужить полвека, абсолютно не реагируя на качество теплоносителя.

А кроме этого из-за своей вместительности и массивности у подобных радиаторов самая большая тепловой инерцией. Это говорит о том, что чугунные батареи будут оставаться теплыми достаточно долго. Если рассматривать устойчивость к высокому давлению, то здесь радиаторам из чугуна похвастаться нечем. Устанавливать их в систему с высоким давлением довольно рискованно.

Радиаторы, изготовленные из стали, будут оптимальным решением для монтажа в автономных отопительных системах. Для центрального отопления подобные изделия не самый удачный вариант, из-за низкой устойчивости к высокому давлению.

Из положительных свойств данных изделий хочется выделить небольшой вес, высокую тепловую инертность, устойчивость к коррозии и достаточно хорошие показатели теплоотдачи. Из-за более узкого проходного отверстия, чем у стандартных стояков, они забиваются гораздо  реже.

Но теплоотдача не является единственным параметром, который влияет на выбор нужной модели. Конечное решение должно приниматься только после того, как будут изучены и такие параметры как прочность, рабочее давление, устойчивость к коррозии и  естественно цена.

Если разобрать более широкий спектр производителей, то ведущие позиции отдаются алюминиевым изделиям, благодаря высокой теплоотдаче и другим параметрам. Биметаллические будут стоить дороже, хотя единственным их преимуществом можно назвать, пожалуй, только рабочее давление.

Более бюджетное решение – стальные радиаторы отопления, чугунные – наоборот, для ценителей. Если не смотреть на советскую модель чугунных батарей марки МС140, стандартную «гармошку», то ретро радиаторы одни из самых дорогих.

Как отвод тепла от аккумулятора электромобиля?

Температура ядра элементов используемой литий-ионной аккумуляторной батареи не должна превышать 80–90 ° C. Тем не менее, эти умеренные значения не являются случайностью: они являются результатом управления температурным режимом батарей, при котором тепловыделение согласовывается с регулированием мощности. В частности, какие методы используются для отвода этого тепла?

Почему необходимо отводить тепло, выделяемое используемой батареей?

Аккумуляторная батарея состоит из модулей, которые сами состоят из ячеек.Каждая ячейка имеет ограниченное количество энергии, и перед производителями стоит задача разработать батареи с максимально возможной плотностью энергии.

Неизбежное производство тепла

Электрические батареи выделяют тепло естественным образом, поскольку протекающие химические реакции являются экзотермическими. Итак, чем мощнее батарея, тем больше тепла она выделяет . Следовательно, рассеивание калорий электрической батареи имеет двойную цель:

  • для ограничения термического старения компонентов;
  • , чтобы увеличить количество энергии, которое может генерировать каждая ячейка.

Полезная информация

Аккумуляторы для электромобилей имеют диапазон заряда / разряда от 20 до 80%

Плотность энергии: количество электроэнергии, которое может храниться в данном объеме.

Плотность мощности: , насколько быстро аккумулятор может обеспечить энергию.

Какие материалы можно использовать для отвода тепла, выделяемого электрической батареей?

Существует ряд материалов, которые после резки и обработки способны удалять калории, вырабатываемые элементами электрических батарей.Однако следует иметь в виду, что хороший электрический изолятор редко бывает отличным проводником тепла. Таким образом, выбор материалов, способных рассеивать тепло, является вопросом компромисса между:

  • диэлектрические свойства,
  • термический класс,
  • механические характеристики,
  • Стоимость
  • ,
  • любые другие ограничения, указанные в технических характеристиках батареи.

Пленки теплопроводящие

Основное назначение этих пленок — электрическая изоляция, большинство коммерческих пленок имеют относительно низкую теплопроводность, редко превышающую 0.2 Вт / мК. Тем не менее, продукты , такие как Kapton® MT +, имеют более высокую теплопроводность , около 0,75 Вт / мК. В любом случае всегда можно наложить несколько типов пленки, чтобы получить более эффективный многослойный материал.

Термоклейкие ленты

Эти термоленты изготовлены из клеящих масс, которые обладают хорошей теплопроводностью (от 1 до 2 Вт / мК). У них две функции:

  • механическая сборка;
  • тепловыделение.

Термопрокладки

Эти гибкие материалы силиконового или акрилового типа обладают очень высокой теплопроводностью, иногда более 3 или даже 4 Вт / мК. Если разрезать по нужным размерам, они могут быть размещены между элементами батареи и вставлены вместе с охлаждающими пластинами и радиаторами (теплоотводом) , как в электронике.

Элементы можно дополнительно изолировать друг от друга с помощью пенопласта.Эти материалы, также называемые «компрессионными подушками», обеспечивают тепловой контакт и оптимальное рассеивание тепла, поддерживая постоянное давление на ячейки.

Термомастики и пасты

Мастики и пасты из-за их консистенции наносятся с помощью шприца или аналогичного устройства. Их можно использовать для герметизации стыков между системой охлаждения и аккумуляторной батареей с целью рассеивания тепла.

Жидкие продукты

Также доступны теплопроводники в жидкой форме, называемые «заполнителями зазоров», поскольку они используются для заполнения пустых пространств.Они позволяют исключить наличие пузырьков, а воздух является очень хорошим теплоизолятором. Также имеется теплопроводников в виде жидких клеев .

Заключение

В аккумуляторах электромобилей производство тепла неизбежно. Это тепло можно отводить с помощью материалов в виде пленок, липких лент, подушечек, термопластов или даже жидких продуктов.

Исследование характеристик рассеивания тепла пространственной компоновки литиевых батарей в АНПА

Для удовлетворения требований энергопотребления автономных подводных аппаратов (АПА) источник питания обычно состоит из большого количества групп высокоэнергетических литиевых батарей.Свойства рассеивания тепла литиевой батареей не только влияют на характеристики подводного аппарата, но и создают определенные риски для безопасности. Основываясь на широко распространенном применении литиевых батарей, литиевые батареи в АПА взяты в качестве примера для исследования характеристик рассеивания тепла пространственной компоновкой литиевых батарей в АПА. С целью повышения безопасности литиевых батарей разработана модель процесса теплопередачи, основанная на уравнении сохранения энергии, и проанализированы характеристики рассеивания тепла батареями пространственной компоновки.Результаты показывают, что наиболее подходящее расстояние между ячейками и перекрестное расположение лучше, чем расположение последовательности с точки зрения характеристик охлаждения. Температурный градиент и изменение температуры внутри кабины со временем в первую очередь зависят от скорости навигации, но они мало связаны с температурой окружающей среды.

1. Введение

Поскольку автономные подводные аппараты (АНПА) развиваются в направлении больших расстояний и высоких скоростей, для поддержки навигации срочно требуется все больше мощности.Поскольку электрохимические реакции, происходящие в литий-ионных батареях, будут генерировать тепло, батарейный отсек автономных подводных аппаратов долгое время работает на крупномасштабных интегрированных литий-ионных аккумуляторных батареях в ограниченном пространстве, и, таким образом, будут существовать проблемы с безопасностью и надежностью. В [1] тепло можно разделить на две части. С одной стороны, в аккумуляторной кабине происходит накопление тепла, потому что тепло от аккумуляторной батареи не может рассеиваться своевременно. С другой стороны, неравномерно излучающий тепло аккумуляторный блок вызовет локальную разницу температур, что приведет к неравномерной работе аккумуляторов и, в конечном итоге, повлияет на общую производительность аккумуляторов.

В настоящее время отечественные и зарубежные ученые сосредоточили свое внимание на проблеме безопасности АПА, использующих литиевые батареи для проведения соответствующих исследований. В [2–7] было проведено исследование стратегии управления тепловым балансом литиевой батареи и системы терморегулирования, рассчитанной на непостоянное влияние срока службы батареи. В [8–10] метод сопряженной теплопередачи между жидкостью и твердым телом был использован для создания математической физической модели процесса теплопроводности внутри аккумуляторной кабины АПА применительно к проблеме охлаждения аккумуляторной батареи АПА.Кроме того, ток разряда аккумуляторной батареи и теплопроводность аккумуляторной батареи навигационных устройств также были проанализированы в [11], в которой программа анализа методом конечных элементов ANSYS использовалась для анализа температурного поля группы литиевых аккумуляторов АПА и обсуждения влияния различного времени разрядки. и граничные условия на поле температуры батареи. В [12], стационарный анализ теплового моделирования кабины аккумуляторной батареи АНПА был выполнен в соответствии с процессом теплопередачи ключевой точки проекта пассивного терморегулирования конструкции.Что касается тепловых аспектов аккумуляторных батарей в исследовательских работах, основное внимание уделяется области электроэнергии для транспортных средств на новой энергии. В [13] модель крупномасштабного аккумуляторного блока была создана для исследования рассеивания тепла аккумуляторным блоком; в первую очередь он был сосредоточен на области электроэнергетики для транспортных средств на новой энергии. В [14, 15] модель для прогнозирования производительности литиевых батарей была создана для электромобилей, и влияние различных групп на производительность батареи было проанализировано в том же режиме охлаждения с 9 одноэлементными батареями в качестве батареи. пакет.Кроме того, с использованием принудительного воздушного охлаждения и материалов с фазовым переходом, охлаждающая способность автомобильного аккумуляторного блока была проанализирована на основе метода вычислительной гидродинамики в [16, 17]. Подходящая модель аккумулятора необходима для правильного проектирования и работы аккумуляторных систем с использованием BMS. Доступны несколько подходов к моделированию: эмпирические модели, статистические модели и электрические модели [18, 19]. В [20] локальное тепловыделение в односекционном литий-ионном аккумуляторном элементе было исследовано в зависимости от -скорости и состояния заряда (SOC).В [21] комбинированная модель использовалась для изучения тепловыделения и рассеивания тепла, а также их влияния на температуру аккумуляторной батареи с вентилятором и без него при разряде постоянного тока и разряде переменного тока на основе вождения электромобиля (EV). циклы.

Существующие исследования в основном сосредоточены на разработке системы контроля теплового баланса аккумуляторной батареи. Что касается исследований схемы охлаждения аккумуляторной батареи АПА, анализ проводился только для навигации в температурном поле аккумуляторного отсека, но с исследованиями структурной схемы тепловых характеристик аккумуляторной батареи мало что связано.Кроме того, по сравнению с электромобилями аккумуляторная кабина АПА представляет собой замкнутое компактное пространство, и использование обычных методов охлаждения, таких как охлаждение холодным ветром и растворителем, ограничено. Теплопроводность аккумуляторной батареи может быть достигнута только через корпус аккумуляторной батареи и морскую воду, и физические проблемы связаны с тем, как реализовать охлаждение аккумуляторной батареи с помощью воздушного потока, вызываемого локальными колебаниями температуры внутри аккумуляторной кабины и конструкции теплопроводности.

Основной вклад этой статьи двоякий: (i) мы анализируем процесс теплообмена аккумуляторной батареи транспортного средства и устанавливаем модель естественной конвекции и теплопередачи для ограниченного пространства аккумуляторного отсека и (ii) мы исследуем тепло передаточные характеристики литиевых батарей в различных пространственных распределениях.

2. Моделирование литиевого аккумуляторного отсека АПА с внешним охлаждением

В соответствии с внутренней структурой аккумуляторного отсека АПА и теоретическими знаниями в области теплообмена, тепло, передаваемое от аккумулятора к внешней морской воде, можно резюмировать следующим образом: аспекты теплопроводности. Первая часть теплопроводности включает тепло, выделяемое аккумуляторной батареей, и процесс теплообмена между аккумуляторной кабиной и стенкой корпуса. Вторая часть процесса теплопроводности происходит между стенкой корпуса кабины и внешней стенкой корпуса.Наконец, третья часть теплопроводности — это теплообмен батареи между внешней стенкой корпуса кабины и морской водой. Процедура показана на рисунке 1.


Чтобы облегчить анализ распределения температуры в аккумуляторной кабине при различных рабочих условиях, процесс теплопередачи в аккумуляторной кабине был предположен и упрощен следующим образом: (1) Концы аккумуляторная кабина и внутренний аккумуляторный блок изолированы. (2) Распределение температуры внутри аккумуляторной кабины и аккумуляторного блока изменяется только в радиальном направлении и остается практически неизменным в осевом направлении.(3) При работе аккумуляторной кабины тепловые параметры не меняются со временем.

На основе приведенного выше анализа модель рассеивания тепла ограниченного пространства аккумуляторной кабины эквивалентна задачам постоянных свойств, внутреннего источника тепла и трехмерной нестационарной теплопередачи.

2.1. Батарея внутри модуля Анализ тепла

Процесс внутренней теплопередачи в литиевой батарее можно упростить до обычного физического, трехмерного нестационарного процесса теплопередачи внутри источника тепла.По этой причине уравнение энергии внутренней литий / тионилхлоридной батареи может быть выражено как Граничные условия: где — скорость тепловыделения во всей батарее (), — это теплопроводность батареи (Вт / (м · k)), — плотность батареи (), — число Био, — удельная теплоемкость батареи (Дж / (кг · К)), — диаметр батареи.

Когда число Био батареи меньше 0,1 в условиях естественной конвекции, можно считать, что внутренняя температура батареи распределена приблизительно равномерно.Согласно гипотезе Бернарди, скорость тепловыделения в отдельной батарее постоянна, что приблизительно можно выразить следующим образом: где — объем отдельной батареи (), — напряжение холостого хода батареи (), — разряд напряжение батареи, — внутреннее сопротивление батареи (), — радиус батареи (), — это ток отдельной батареи.

Тепловая конвекция отдельных ячеек происходит в основном за счет конвекции воздуха и лучистого теплопереноса в соответствии с уравнением идеального газа: плотность воздуха

Как показано в приведенном выше уравнении, изменение температуры может вызвать изменение плотности воздуха в аккумуляторная кабина, а естественная конвекция формируется под действием силы тяжести.Без учета влияния объемной силы и силы вязкости уравнение сохранения количества движения воздуха в аккумуляторной кабине можно выразить следующим образом: где — кинематическая вязкость воздуха (Па · с), — ускорение свободного падения (9,8 м /), — молярная масса воздуха, — давление воздуха (), — температура воздуха ().

Интегральное уравнение сохранения энергии в форме уравнения работы аккумуляторной батареи кабины можно выразить следующим образом: где — общее количество тепла, выделяемого аккумуляторным блоком (), — это тепло, рассеиваемое из аккумуляторной кабины наружу ( ), и — тепло, поглощаемое аккумуляторной кабиной ().

Теплообмен между аккумулятором и стеной автомобиля происходит в основном за счет естественной конвекции воздуха, а тепло, выделяемое аккумуляторной частью, рассеивается в окружающую среду через кожух. Другая часть тепла поглощается корпусом транспортного средства, что приводит к повышению температуры аккумуляторной кабины. Целью данного исследования является увеличение и уменьшение доли, тем самым снижая температуру аккумуляторного модуля: Граничные условия: где — площадь теплопередачи внутренней стенки транспортного средства (), — объем воздуха внутри аккумуляторной кабины (), — плотность воздуха (), — удельная теплоемкость воздуха (Дж / (кг · К)), — теплопроводность корпуса транспортного средства (Вт / (м · К)), является коэффициент конвективной теплопередачи воздуха в аккумуляторной кабине (Вт / (м 2 · k)), это температура морской воды (° C) и начальная температура в аккумуляторном отсеке (° C).

2.2. Теплообмен между внутренней и внешней стенками аккумуляторной кабины

Теплообмен от внутренней стены к внешней стене аккумуляторной кабины можно рассматривать как теплопроводность цилиндрической стены, которую можно выразить следующим образом: где — общая тепло, проходящее через переборку и водообмен (), — площадь теплопередачи внутренней стенки (), — эквивалентная теплопроводность стенки батареи (Вт / (м · k)), — температура внутренней части батареи стена (° C).

2.3. Теплообмен между внешней стенкой корпуса транспортного средства и морской водой

Во время движения под водой между внешней стенкой аккумуляторной кабины и морской водой происходит принудительная конвекция теплопередачи, которую можно выразить следующим образом: где происходит теплообмен между аккумуляторной кабиной и морской воды (), — площадь теплопередачи внутренней стенки (), — внешний диаметр корпуса транспортного средства (), — температура внешней стенки (° C), — температура морской воды (° C), — коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней стеной и морской водой (Вт / (м 2 · K)).

Коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней стенкой и морской водой связан со скоростью движения, которая может быть определена числами Рейнольдса и Нуссельта конвективной теплопередачи между внешней стенкой и морской водой: без учета потока морской воды, где — теплопроводность морской воды (Вт / (м · К)), — число Нуссельта конвективной теплопередачи между корпусом транспортного средства и морской водой, Re — число Рейнольдса конвективной теплопередачи между корпусом транспортного средства и морской водой, Pr — Число Прандтля морской воды, — кинематическая вязкость морской воды (), — относительная скорость () между морской водой и транспортным средством, — это барицентрическая скорость транспортного средства (), и — характерная длина аккумуляторной кабины ().

3. Анализ влияния пространства и расположения на характеристики рассеивания тепла аккумуляторной батареи

На основе литий-ионной аккумуляторной батареи для внешней тепловой модели подводного пространства и поскольку аккумуляторный отсек АПА представляет собой закрытое и компактное пространство, расстояние между батареями и комбинированные типы для распределения температурного градиента внутри батарейного отсека имеют большое значение. В этой статье в качестве примера для анализа ячеек с разным пространством и различными перестановками выбрана обмоточная литий-тионилхлоридная батарея с названием 18650.Числовые параметры, относящиеся к одной батарее 18650, показаны в таблице 1.

Длина [м]

Параметр Значение

Диаметр [м] 0,010 0,065
Масса [кг] 0,048
Внутреннее сопротивление [] 0,03–0,06
Плотность [кг · м −3 ]
Удельная теплоемкость [Дж · кг −1 · K −1 ] 1000
Эквивалентная теплопроводность [Вт · м −1 · K −1 ] 3
Номинальное напряжение [В] 3.6
Номинальная мощность [Ач] 2,5

3.1. Влияние расстояния между батареями на температурное поле батарейного блока

Область описывается с помощью треугольных элементов, общее количество которых составляет примерно 20 000. Сетки, наиболее близкие к профилям батарей, были уточнены треугольными граничными элементами для описания граничного потока с достаточной точностью. Расстояние между двумя соседними ячейками одинаковое, а расстояние между границей и батареями остается постоянным.Расстояния между батареями постоянно меняются в зависимости от формы и постоянного количества батарей.

Используя 5 одиночных батареек 18650 в качестве объектов, исследуется пространство между батареями (). Температура батарейного отсека определяется, когда значения равны,,,,,,,,, и (где — диаметр батареи). Распределение температуры показано на рисунке 2.

Таблица 2 представляет разницу температур внутри аккумуляторного отсека, когда батареи расположены на разном расстоянии между элементами.Различия в разнице температур в аккумуляторном отсеке при различных расстояниях между элементами показаны на рисунке 3.


Расстояние между элементами (м)
Значение разности температур (° C) 0,68 0,63 0,59 0.56 0,53 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47


батареи, расстояние между которыми увеличивается по мере увеличения расстояния между батареями в таблице 2 и на рисунке 3. температурный градиент постепенно уменьшается. Изменение температуры внутри батарейного отсека стабильное, и при увеличении расстояния между батареями температура снижается на 0,01 ° C, с.Следовательно, оптимальное расстояние между батареями.

3.2. Влияние расположения батарей на температурное поле блока батарей

Исходя из наиболее подходящего расстояния () до батареи внутри модели, 15 отдельных батарей 18650 разделены на три части как объекты, каждая из которых состоит из 5 батарей и расстояние между батареями. В этой статье мы исследуем влияние последовательного расположения и перекрестного расположения батарей на температурное поле аккумуляторной батареи.Первый ряд и третий ряд батарейного блока перемещаются влево на, а второй ряд перемещается вправо на. Распределение температурного поля в аккумуляторной батарее показано на рисунке 4.


(a) Последовательное расположение
(b) Поперечное расположение
(a) Последовательное расположение
(b) Поперечное расположение

Рис. показывает, что разница температур между аккумуляторными блоками составляет 1,19 ° C при последовательном расположении и что разница температур между аккумуляторными блоками составляет 1.06 ° C при перекрестном расположении. Сравнение двух наборов данных показывает, что перекрестное расположение лучше последовательного с точки зрения температурного градиента.

4. Анализ теплового моделирования пространственной компоновки аккумуляторной батареи подводного аппарата

На основе предыдущего обсуждения возьмите батареи, расположенные крест-накрест. Дополнительно выберите расстояние между батареями как; команда проекта разработала литиевый аккумулятор для АПА определенного типа для исследования (рис. 5).Изучается пространственная структура и компоновка его батареи. Более того, моделирование распределения температуры в аккумуляторном отсеке АПА при различных скоростях и различной температуре моря выполняется для исследования влияния скорости транспортного средства и температуры воды на распределение температуры в салоне.


4.1. Схема пространственной структуры аккумуляторной батареи подводного аппарата

Некоторые технические характеристики силовой передачи подводного аппарата показаны в таблице 3.Согласно энергетическим оценкам, для аккумуляторной батареи требуется не менее 189 батарей при использовании 18650 литий / тионилхлоридных батарей.


Параметр Значение

Скорость 4 kn
9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 9020 180 Вт
Рабочее напряжение 21 В ~ 30 В

Формула для расчета количества аккумуляторов выглядит следующим образом: где количество необходимых аккумуляторов, это полет (), — мощность АПА (), — скорость АПА (), — номинальное напряжение батареи 18650 (), — номинальная емкость батареи 18650 ().

Батарейный блок объединяет 189 батарей в 7 последовательных групп, каждая из которых включает 27 параллельных батарей. Аккумуляторный блок был установлен в аккумуляторной кабине диаметром 200 мм, чтобы обеспечить рабочее напряжение от 21 до 30 В. См. Рисунок 6 для конструкции.


4.2. Анализ теплового моделирования литиевой батареи AUV

Согласно предположениям анализа, модель рассеивания тепла ограниченного пространства аккумуляторной кабины эквивалентна задачам постоянных свойств, внутреннего источника тепла и двумерной нестационарной теплопередачи.Поперечное сечение аккумуляторной кабины было принято в качестве расчетной области, и программа предварительной обработки ANSYS была использована для построения модели анализа методом конечных элементов путем выбора типа ячейки, определения параметров материала, геометрического моделирования и генерации ячеек.

Домен описывается треугольными элементами, общее количество которых составляет примерно 72 000. Общее количество узлов составляет примерно 7300, и некоторые сетки, наиболее близкие к профилям батарей и навигационной оболочки, были уточнены треугольными граничными элементами для описания граничного потока с достаточной точностью.Сетка модели была разделена, как показано на рисунке 7.


4.2.1. Влияние скорости плавания на температуру внутри аккумуляторного отсека, изменяющуюся во времени

Аккумуляторы для подводных кают имеют разную температуру нагрева в единицу времени при плавании с разной скоростью. После анализа направление, в котором транспортное средство испытывает сопротивление (направление скорости центра тяжести), противоположно направлению навигации. А именно, линия скорости находится в направлении, противоположном оси.Безразмерные коэффициенты могут быть выражены как Мощность транспортного средства может быть выражена следующим образом: где — сопротивление транспортному средству, — коэффициент сопротивления, — плотность морской воды и — максимальная площадь поперечного сечения транспортного средства.

Следовательно, ток через одну батарею равен выходной мощности отдельной батареи () и ее номинальному напряжению (). — общее количество ячеек батареи в теле.

Видно, что выделение тепла отдельной батареей связано со скоростью транспортного средства.Выберите скорость автомобиля 4 узла, 5 узлов и 6 узлов. Рабочие параметры батарей при различных скоростях показаны в Таблице 4.


Скорость / кН Ток одной батареи / А Коэффициент поверхностной теплопередачи (Вт / (м 2 · K)) Тепловая мощность (Вт / м 3 )

4 0,27 1564 172
5 0.52 2854 655
6 0,90 4094 1958

После анализа разряда батарей в течение 10 часов аккумуляторная кабина выглядит так, как показано на рисунке 4, когда температура морской воды составляет 15 ° C, а скорость плавания составляет 4 узла, 5 узлов и 6 узлов. Более того, кривая изменения максимальной температуры во времени представлена ​​на рисунке 8.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 9.


Как показано на рисунках 8 и 9, температура забортной воды составляет 15 ° C, а температура разряда время 10 ч. При скорости плавания 4 узла разница температур составляет 1,58 ° C; при скорости 5 узлов разница температур составляет 4,60 ° C; а при скорости 6 узлов разница температур составляет 10,96 ° C.

Таким образом, по мере увеличения скорости автомобиля максимальная температура внутри аккумуляторного отсека увеличивается, и соответственно увеличивается разница температур.Причины этого явления резюмируются следующим образом: по мере увеличения скорости подводного аппарата скорость производства тепла увеличивается, и в единицу времени выделяется больше тепла. Поскольку коэффициент поверхностной теплопередачи мал, тепловыделение батареи в единицу времени меньше, чем теплораспределение кожуха в единицу времени, что приводит к концентрации тепла и увеличению максимальной температуры. Кроме того, минимальной температурой всегда является температура окружающей среды, которая остается неизменной, а температура аккумуляторного отсека увеличивается по мере увеличения скорости автомобиля.

4.2.2. Влияние различных температур окружающей среды на зависимость температуры внутри кабины от времени и зависимости от времени

Для точности выберите навигационные скорости 4 узла, 5 узлов и 6 узлов, чтобы изучить влияние температуры морской воды на распределение температуры внутри кабины аккумуляторной батареи, когда температура воды составляет 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C соответственно.

После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что, когда крейсерская скорость автомобиля составляет 4 узла, температуры морской воды составляют 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C, и показано распределение температуры аккумуляторного отсека. на рисунке 10.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 11. Как показано на рисунках 10 и 11, после того, как подводный аппарат плывет со скоростью 4 узла и непрерывно работает в течение 10 часов, разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 1,57 ° C при температуре воды 10 ° C; разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 1,58 ° C при температуре воды 15 ° C; а внутренняя разница температур в аккумуляторном отсеке равна 1.59 ° C при температуре воды 20 ° C.


После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что, когда крейсерская скорость транспортного средства составляет 5 узлов, температура морской воды составляет 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C, а также распределение температуры аккумуляторного отсека. показана на рисунке 12.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов кривая максимальной температуры аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 13. Как показано на рисунках 12 и 13, после того, как подводный аппарат плывет со скоростью 5 узлов и непрерывно работает в течение 10 ч, разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 4.55 ° C при температуре воды 10 ° C; разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 4,60 ° C при температуре воды 15 ° C; а внутренняя разница температур в аккумуляторном отсеке составляет 4,65 ° C при температуре воды 20 ° C.


После непрерывной разрядки аккумуляторов в течение 10 часов анализ моделирования показывает, что, когда крейсерская скорость транспортного средства составляет 6 узлов, температура морской воды составляет 10 ° C, 15 ° C и 20 ° C, а также распределение температуры аккумуляторного отсека. показан на рисунке 14.

После непрерывной разрядки в течение 10 часов максимальная температура внутри аккумуляторного отсека с течением времени показана на рисунке 15. Как показано на рисунках 14 и 15, после того, как подводный аппарат плывет со скоростью 6 узлов и непрерывно работает в течение 10 часов. , разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 10,84 ° C при температуре воды 10 ° C; разница внутренней температуры аккумуляторного отсека составляет 10,96 ° C при температуре воды 15 ° C; а внутренняя разница температур в аккумуляторном отсеке составляет 11.07 ° C при температуре воды 20 ° C.


Подводя итог, можно сказать, что температура воды практически не влияет на разницу температур внутри аккумуляторных отсеков. Причины этого явления резюмируются следующим образом: скорость выделения тепла батареями в единицу времени и коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней стенкой транспортного средства и морской водой не изменяются и почти равны при постоянной скорости движения. Когда температура морской воды увеличивается, общая температура в аккумуляторной кабине увеличивается, но разница температур в основном не меняется.

5. Заключение

В этой статье, используя теоретический анализ в сочетании с реальной ситуацией и программой конечных элементов ANSYS, мы устанавливаем объем литиевых батарей для подводной тепловой модели. Затем мы изучаем пространственное расположение тепловых характеристик и делаем следующие выводы: (1) существует корреляция между температурой подводного батарейного отсека и расстоянием между батареями. По мере увеличения расстояния между батареями градиент температуры постепенно изменяется, и когда он достигает определенного порога, градиент постепенно стабилизируется.(2) Различные варианты и комбинации батарей влияют на температурный градиент. Перекрестное расположение лучше, чем последовательное, с точки зрения температурного градиента. (3) Скорость движения влияет на изменение температурного градиента и максимальной температуры внутри аккумуляторной кабины с течением времени. Чем выше скорость и ток разряда батареи, тем больше тепла выделяют батареи. Затем температура увеличивается быстрее, и для достижения устойчивого состояния требуется меньше времени.(4) Повышение температуры морской воды может вызвать общее повышение температуры в аккумуляторной кабине. Однако это почти не влияет на температурный градиент и однородность.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC) в рамках гранта 51509205 и Китайским фондом естественных наук провинции Шэньси 2015JQ5136.

Обзор эффективности рассеивания тепла аккумуляторной батареей с различными конструкциями и условиями эксплуатации

Автор

Abstract

В этой статье рассматриваются характеристики рассеивания тепла аккумуляторными блоками различной конструкции (включая: продольный аккумуляторный блок, горизонтальный аккумуляторный блок и изменение положения впуска и выпуска воздуха) и условий эксплуатации (включая: состояние SOC, скорость заряда и разряда, а также практические условия эксплуатации), и, наконец, приходит к следующим выводам: средняя тепловая мощность мономера литий-ионного аккумулятора 55 Ач уменьшается вместе с повышением температуры окружающей среды, снижением состояния SOC и падением скорости заряда и разряда; максимальное повышение температуры и разность температур аккумуляторного блока не только связаны с расходом, но также связаны с конструкцией воздуховода; аккумуляторный блок с воздухозаборниками с обеих сторон больше способствует принудительному воздушному охлаждению; скорость потока аккумуляторной батареи в состоянии SOC 70% является максимальной, максимальное повышение температуры и разница температур аккумуляторной батареи в состоянии SOC 70% минимальны, а в состоянии 90% SOC максимальны; скорость потока и среднее падение давления между воздухозаборником и воздуховыпуском уменьшаются вместе с увеличением скорости заряда и разряда, но максимальное повышение температуры и разница температур аккумуляторной батареи увеличиваются; Что касается практических условий эксплуатации аккумуляторной батареи, скорость заряда и разряда составляет от 0.5C и 0,8C, а максимальное повышение температуры и максимальная разница температур аккумуляторной батареи составляют 7,61 ° C и 4,29 ° C. Затем предлагается справочная база для анализа характеристик поля теплового потока и проектирования конструкции аккумуляторной батареи.

Предлагаемое цитирование

  • Сюй, X.M. & Он, Р., 2014. « Обзор характеристик рассеивания тепла аккумуляторной батареи с различными конструкциями и условиями эксплуатации », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.29 (C), страницы 301-315.
  • Обозначение: RePEc: eee: rensus: v: 29: y: 2014: i: c: p: 301-315
    DOI: 10.1016 / j.rser.2013.08.057

    Скачать полный текст от издателя

    Поскольку доступ к этому документу ограничен, вы можете поискать его другую версию.

    Ссылки на IDEAS

    1. Моура, Педро С. и де Алмейда, Анибал Т., 2010 г. « Многоцелевая оптимизация смешанной системы возобновляемых источников энергии с управлением спросом », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.14 (5), страницы 1461-1468, июнь.
    2. Хуанг, К. Давид и Цзэн, Шэн-Чунг и Чанг, Вэй-Чуань, 2005 г. « Энергосберегающий гибридный автомобиль с пневмо-силовой установкой », Прикладная энергия, Elsevier, т. 81 (1), страницы 1-18, май.
    3. Чой, Хёндо и О, Инха, 2010 г. « Анализ эффективности гибридных автомобилей и политики продвижения », Энергетическая политика, Elsevier, vol. 38 (5), страницы 2262-2271, май.
    4. Ю, Сангсок и Чон, Дохой, 2008.« Стратегия управления температурой для системы топливных элементов с протонообменной мембраной с большой активной площадью ячейки », Возобновляемая энергия, Elsevier, vol. 33 (12), страницы 2540-2548.
    5. Ричардсон, Дэвид Б., 2013. « Электромобили и электросеть: обзор подходов к моделированию, воздействия и интеграции возобновляемых источников энергии », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 19 (C), страницы 247-254.
    6. Скерлос, Стивен Дж. И Вайнбрейк, Джеймс Дж., 2010.« Ориентация на политику подключаемых гибридных электромобилей для увеличения социальных пособий », Энергетическая политика, Elsevier, vol. 38 (2), страницы 705-708, февраль.
    7. Panwar, N.L. И Кошик, С.С. и Котари, Сурендра, 2011. « Роль возобновляемых источников энергии в охране окружающей среды: обзор ,» Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 15 (3), страницы 1513-1524, апрель.
    8. Амджад, Шайк и Нилакришнан, С. и Рудрамурти, Р., 2010. « Обзор проектных соображений и технологических проблем для успешной разработки и внедрения подключаемых гибридных электромобилей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.14 (3), страницы 1104-1110, апрель.
    9. Jegadheeswaran, S. & Pohekar, Sanjay D., 2009. « Повышение производительности системы аккумулирования скрытого тепла: обзор », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 13 (9), страницы 2225-2244, декабрь.
    10. Джавани, Н., Динсер, И., Натерер, Г.Ф., 2012. « Термодинамический анализ утилизации отработанного тепла для систем охлаждения гибридных и электромобилей », Энергия, Elsevier, т. 46 (1), страницы 109-116.
    11. Рао, Чжунхао и Ван, Шуангфэн, 2011 г. « Обзор управления тепловой энергией аккумуляторной батареи », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 15 (9), страницы 4554-4571.
    12. Куперман, Алон и Аарон, Илан, 2011. « Гибриды батарея-ультраконденсатор для импульсных токовых нагрузок: обзор ,» Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 15 (2), страницы 981-992, февраль.
    13. Брэдли, Томас Х. и Фрэнк, Эндрю А., 2009.« Дизайн, демонстрация и оценка воздействия на экологичность подключаемых гибридных электромобилей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 13 (1), страницы 115-128, январь.
    14. Даллингер, Дэвид и Витчел, Мартин, 2012 г. « Интеграция энергосистемы с прерывистыми возобновляемыми источниками энергии с использованием подключаемых электромобилей с учетом цены », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 16 (5), страницы 3370-3382.
    15. Вайнерт, Джонатан X.И Огден, Джоан М. и Сперлинг, Дэн и Берк, Энди, 2008. « Будущее электрических двухколесных транспортных средств и электромобилей в Китае », Институт транспортных исследований, серия рабочих документов qt0d05f8v9, Институт транспортных исследований, Калифорнийский университет в Дэвисе.
    16. Waag, Wladislaw & Käbitz, Stefan & Sauer, Dirk Uwe, 2013. « Экспериментальное исследование характеристики импеданса литий-ионной батареи в различных условиях и состояниях старения и ее влияние на приложение », Прикладная энергия, Elsevier, т.102 (C), страницы 885-897.
    17. Фаяз, Х., Сайдур, Р., Разали, Н., Ануар, Ф.С. И Салеман, А. И Ислам, М.Р., 2012. « Обзор водорода в качестве автомобильного топлива », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 16 (8), страницы 5511-5528.
    18. Вайнерт, Джонатан и Огден, Джоан и Сперлинг, Дэн и Берк, Эндрю, 2008 г. « Будущее электрических двухколесных транспортных средств и электромобилей в Китае », Энергетическая политика, Elsevier, vol. 36 (7), страницы 2544-2555, июль.
    19. Тан, Юн и Юань, Вэй и Пань, Миньцян и Ван, Чжэньпин, 2011 г. « Экспериментальное исследование динамических характеристик гибридной системы топливный элемент / аккумулятор на основе ПЭМ для применения в легких электромобилях », Прикладная энергия, Elsevier, т. 88 (1), страницы 68-76, январь.
    Полные ссылки (включая те, которые не соответствуют элементам в IDEAS)

    Цитаты

    Цитаты извлекаются проектом CitEc, подпишитесь на его RSS-канал для этого элемента.


    Цитируется по:

    1. Jiang, Z.Y. И Ку, З.Г., 2019. «Управление температурой литий-ионной батареи с использованием тепловой трубки и материала с фазовым переходом во время цикла разряд-заряд: всестороннее численное исследование », Прикладная энергия, Elsevier, т. 242 (C), страницы 378-392.
    2. E, Jiaqiang & Yi, Feng & Li, Wenjie & Zhang, Bin & Zuo, Hongyan & Wei, Kexiang & Chen, Jingwei & Zhu, Hong & Zhu, Hao & Deng, Юаньван, 2021 г.« Анализ влияния на повышение эффективности рассеивания тепла литий-ионной аккумуляторной батареи с тепловой трубкой для центральных и южных регионов Китая », Энергия, Elsevier, т. 226 (С).
    3. Ри-Гуан Чи, Вон-Сик Чунг и Сок-Хо Ри, 2018. « Тепловые характеристики системы охлаждения с колеблющейся тепловой трубкой для литий-ионных аккумуляторов электромобилей », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 11 (3), страницы 1-16, март.
    4. Кай Чен, Зею Ли, Имин Чен, Шумин Лонг, Цзюньшэн Хоу, Мэнсюань Сон и Шуангфэн Ван, 2017.« Проектирование параллельной системы терморегулирования аккумуляторной батареи с воздушным охлаждением посредством численного исследования », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 10 (10), страницы 1-22, октябрь.
    5. Ван, Тао и Цзэн, К.Дж. И Чжао, Цзиюнь и Вэй, Чжунбао, 2014. « Тепловое исследование модуля литий-ионной батареи с различными структурами расположения ячеек и стратегиями принудительного воздушного охлаждения », Прикладная энергия, Elsevier, т. 134 (C), страницы 229-238.
    6. Ян, Чжиле и Ли, Кан и Фоли, Aoife, 2015.« Вычислительные методы планирования для интеграции подключаемых электромобилей с энергосистемами: обзор », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 51 (C), страницы 396-416.

    Самые популярные товары

    Это элементы, которые чаще всего цитируют те же работы, что и эта, и цитируются в тех же работах, что и эта.
    1. Рао, Чжунхао и Ван, Шуангфэн, 2011 г. « Обзор управления тепловой энергией аккумуляторной батареи », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.15 (9), страницы 4554-4571.
    2. Риба, Хорди-Роджер и Лопес-Торрес, Карлос и Ромераль, Луис и Гарсия, Антони, 2016 г. « Двигатели без редкоземельных элементов для электромобилей: технологический обзор », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 57 (C), страницы 367-379.
    3. Фариа, Рикардо и Маркес, Педро и Моура, Педро и Фрейре, Фаусто и Дельгадо, Хоаким и де Алмейда, Анибал Т., 2013. « Влияние структуры и профиля использования электроэнергии на оценку жизненного цикла электромобилей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.24 (C), страницы 271-287.
    4. Йылмаз, Мурат, 2015. « Ограничения / возможности технологий электрических машин и подходов к моделированию для проектирования и анализа электродвигателей в приложениях для подключаемых электромобилей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 52 (C), страницы 80-99.
    5. Чжан, Чженин и Ван, Цзяю и Фэн, Сюй и Чанг, Ли и Чен, Янхуа и Ван, Синго, 2018. « Решения для систем кондиционирования воздуха для электромобилей: обзор », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.91 (C), страницы 443-463.
    6. Ван, Цянь и Цзян, Бин и Ли, Бо и Ян, Юйин, 2016. « Критический обзор моделей терморегулирования и решений литий-ионных аккумуляторов для разработки чистых электромобилей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 64 (C), страницы 106-128.
    7. Бизон, Нику, 2013. « Энергоэффективность архитектур многопортовых преобразователей мощности последовательного и параллельного типа гибридных источников питания, используемых в транспортных средствах с подключаемыми модулями / V2G на топливных элементах », Прикладная энергия, Elsevier, т.102 (C), страницы 726-734.
    8. Raijmakers, L.H.J. & Данилов, Д. И Эйхель, Р.-А. И Ноттен, P.H.L., 2019. « Обзор различных методов индикации температуры для литий-ионных аккумуляторов », Прикладная энергия, Elsevier, т. 240 (C), страницы 918-945.
    9. Гарсия-Вильялобос, Дж. И Замора, И. и Сан-Мартин, Дж. И. И Асенсио, Ф.Дж. и Аперрибай, В., 2014. « Электромобили с подзарядкой от электросети в электрических распределительных сетях: обзор умной зарядки приближается к », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.38 (C), страницы 717-731.
    10. Алегри, Сусана и Мигес, Хуан В. и Карпио, Хосе, 2017. « Моделирование электрического и параллельно-гибридного электромобиля с использованием среды Matlab / Simulink и планирование зарядных станций с помощью географической информационной системы и генетических алгоритмов », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 74 (C), страницы 1020-1027.
    11. О, Ки-Ён и Епуряну, Богдан И., 2016. « Характеристика и моделирование термомеханики литий-ионных аккумуляторных элементов », Прикладная энергия, Elsevier, т.178 (C), страницы 633-646.
    12. Ян, Чжиле и Ли, Кан и Фоли, Aoife, 2015. « Вычислительные методы планирования для интеграции подключаемых электромобилей с энергосистемами: обзор », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 51 (C), страницы 396-416.
    13. Рахими, Эхсан и Раби, Абдорреза и Агаи, Джамшид и Муттаки, Кашем М. и Эсмаил Нежад, Али, 2013. « Об управлении непостоянством ветроэнергетики , г.» Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.28 (C), страницы 643-653.
    14. Махмудзаде Андвари, Амин и Песиридис, Апостолос и Раджу, Шритар и Мартинес-Ботас, Рикардо и Исфаханян, Вахид, 2017. « Обзор технологии аккумуляторных электромобилей и уровней готовности », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 78 (C), страницы 414-430.
    15. Кристофферсен, Трине Крог и Капион, Карстен и Мейбом, Питер, 2011 г. « Оптимальная зарядка электромобилей в рыночных условиях », Прикладная энергия, Elsevier, т.88 (5), страницы 1940-1948, май.
    16. Рахман, Имран и Васант, Пандиан М. и Сингх, Балбир Сингх Махиндер и Абдулла-Аль-Вадуд, М. и Аднан, Надия, 2016. « Обзор последних тенденций в методах оптимизации подключаемых гибридных систем и инфраструктур зарядки электромобилей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 58 (C), страницы 1039-1047.
    17. Ромо Р. и Мишелуд О., 2015. « Качество электроэнергии реальных сетей с подключаемыми электромобилями при наличии возобновляемых источников энергии и микросетей », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol.46 (C), страницы 189-200.
    18. Андриосопулос, Костас и Бигерна, Симона и Боллино, Карло Андреа и Микели, Сильвия, 2018. « Влияние возраста на отношение итальянских потребителей к автомобилям, работающим на альтернативном топливе », Возобновляемая энергия, Elsevier, vol. 119 (C), страницы 299-308.
    19. Гихан Эканаяке и Махеш Суреш Патил, Со Джэ-Хён и Ли Му-Ён, 2018. « Численное исследование характеристик теплопередачи системы электронного блока управления 36 В для электрического велосипеда », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol.11 (10), страницы 1-17, сентябрь.
    20. Синай, Джулия К. и Шеппард, Колин Дж. Р. и Абхьянкар, Никит и Гопал, Ананд Р., 2020. « Снижение эксплуатационных расходов сети и сокращение использования возобновляемых источников энергии с помощью управления зарядкой электромобилей », Энергетическая политика, Elsevier, vol. 136 (С).

    Исправления

    Все материалы на этом сайте предоставлены соответствующими издателями и авторами. Вы можете помочь исправить ошибки и упущения. При запросе исправления укажите идентификатор этого элемента: RePEc: eee: rensus: v: 29: y: 2014: i: c: p: 301-315 .См. Общую информацию о том, как исправить материал в RePEc.

    По техническим вопросам, касающимся этого элемента, или для исправления его авторов, заголовка, аннотации, библиографической информации или информации для загрузки, обращайтесь:. Общие контактные данные поставщика: http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/600126/description#description .

    Если вы создали этот элемент и еще не зарегистрированы в RePEc, мы рекомендуем вам сделать это здесь. Это позволяет связать ваш профиль с этим элементом.Это также позволяет вам принимать потенциальные ссылки на этот элемент, в отношении которого мы не уверены.

    Если CitEc распознал библиографическую ссылку, но не связал с ней элемент в RePEc, вы можете помочь с этой формой .

    Если вам известно об отсутствующих элементах, цитирующих этот элемент, вы можете помочь нам создать эти ссылки, добавив соответствующие ссылки таким же образом, как указано выше, для каждого элемента ссылки. Если вы являетесь зарегистрированным автором этого элемента, вы также можете проверить вкладку «Цитаты» в своем профиле службы авторов RePEc, поскольку там могут быть некоторые цитаты, ожидающие подтверждения.

    По техническим вопросам, касающимся этого элемента, или для исправления его авторов, заголовка, аннотации, библиографической информации или информации для загрузки, обращайтесь: Catherine Liu (адрес электронной почты указан ниже). Общие контактные данные поставщика: http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/600126/description#description .

    Обратите внимание, что исправления могут занять пару недель, чтобы отфильтровать различные сервисы RePEc.

    Как обеспечить своевременный отвод тепла при использовании аккумуляторов электромобилей? _Shandong Goldencell Electronics Technology Co., Ltd.

    Аккумуляторы электромобилей выделяют много тепла во время зарядки и использования. Если их вовремя не эвакуировать, температура будет слишком высокой или даже естественной. Поэтому производители аккумуляторов для электромобилей уделяют этой проблеме большое внимание при проектировании и производстве. Однако, судя по результатам маркетинговых исследований, многие пользователи не очень обеспокоены тепловыделением, поэтому электромобиль часто перегревается и даже загорается. Так как же этого избежать? Как обеспечить своевременное охлаждение аккумулятора электромобиля во время использования?

    Во-первых, место установки аккумулятора должно быть разумным.

    С момента появления первого электромобиля развивались разные марки и в несколько этапов.У разных этапов разные характеристики и разные преимущества. Среди них несколько изменений претерпела конструкция аккумуляторного отсека электромобиля. Например, первоначальная установка относительно безопасна, но она приведет к удлинению кабеля, увеличению сопротивления, быстрому повышению температуры кабеля и высокому энергопотреблению. Слишком близко не способствует тому, чтобы люди ехали.

    Слева налево может вызвать множество проблем во время езды, включая падение или другую аварию.

    Во-вторых, должна быть хорошая вентиляция.

    Несмотря на то, что большинство батарей обнажены, внутри электромобиля все еще много спрятано. Если теплоотвод и вентиляция плохие, это приведет к плохому отводу тепла. Плохое рассеивание тепла неизбежно будет накапливаться в аккумуляторном отсеке, что отрицательно скажется на комфорте пользователя и сроке службы аккумулятора.

    В-третьих, должно быть высоким, но не низким

    Батарея содержит влагу, которая является гарантией химической реакции батареи.Серьезная нехватка воды в батарее повлияет на ее электролитическую реакцию. Поэтому в установочном положении лучше выбрать более высокую позицию. Кроме того, аккумулятор не может попасть в воду, и если аккумулятор будет слишком низким, он станет влажным под дождем, что приведет к неисправности аккумулятора.

    В-четвертых, выбирайте аккумулятор высокого качества

    Согласно данным опроса, 90% людей выберут более качественный аккумулятор для электромобиля для длительного использования.

    Аккумулятор электромобиля — это сердце электромобиля. Сердце хорошее, и электромобиль достаточно хорош, чтобы бежать дальше и энергичнее. А если сердце плохое, даже если оно новое, долго им пользоваться не удастся. Поэтому рекомендуется, чтобы друзья, которые хотят купить аккумуляторы для электромобилей, перед покупкой сравнили их и выбрали наиболее экономичную покупку.

    Аккумулятор Tesla Model 3 может передавать вдвое больше тепла, чем Model S P100D

    Данные треков подтверждают наш подробный термический анализ

    В предыдущей статье мы объяснили словами, почему охлаждение батареи Tesla Model 3 было значительно улучшено.Подводя итог этой статье, основными причинами являются лучшая теплопередача между ячейками и охлаждающей трубкой (поскольку ячейки теперь приклеены непосредственно к охлаждающей трубке), большая пропускная способность в трубке, лучшее покрытие трубки на ячейке и меньше клеток на каждом проходе трубки.

    Старая конструкция модели S = ​​много ячеек на охлаждающей трубке

    Улучшенная конструкция модели 3 = меньшее количество ячеек на каждой охлаждающей трубке

    В той статье мы также сказали, что наш постоянный инженер по теплообмену Кейт Риттер работал над компьютерной моделью Model 3 TMS.Кейт подготовил модель и дает некоторые цифры того, насколько лучше система TMS Model 3, чем старая модель S P100D TMS. Передает вдвое больше тепла !! Не только это, но если вы внимательно посмотрите на данные трека , они подтвердят анализ . Кроме того, это улучшенное охлаждение позволит использовать нагнетатели версии 3 с более высокой мощностью зарядки и скоростью зарядки до 626 миль в час и 157 кВт, как мы объясняли здесь.

    По нашим оценкам, система TMS модели 3 может поддерживать расчетную температуру ячеек пакета в 45 градусов.C, при скорости заряда до 2 C, или около 157 кВт. Это также близко соответствует номинальному току 450 А кабеля 3/0 между портом зарядки и аккумулятором.

    Данные трека подтверждают наш анализ

    В то время как у старой Model S были серьезные проблемы с перегревом на трассе, у Model 3 LR RWD их нет, а у Model 3 Performance проблем с перегревом еще меньше. Он все еще не идеален, но это не гоночная машина, это трамвай.

    320 HP M3 LR RWD делает много кругов на Laguna Seca (2.2 мили) без проблем с перегревом

    из Teslarati :

    «Возможно, даже более примечательным было то, что Model 3 смогла пройти круги без каких-либо проблем с перегревом, подобных тем, которые были у ранней модели S’ при жесткой езде по трассе в течение продолжительных периодов времени. По словам Кэмерона, он смог без проблем проехать в общей сложности 15 кругов по трассе за весь день ».

    450 HP M3 Performance делает известковую породу без перегрева на 3 или 4 жестких (1.5 миль) кругов (известняковая скала быстрее, чем Laguna Seca)

    из Road and Track :

    «Хорошо, хорошо, так что вещь может дрейфовать. Что с батареями?

    На полной скорости каждый круг 1,5-мильной трассы сжигал около девяти миль запаса хода батареи во время нашего тестирования.

    Тепловыделение неизбежно. После трех или четырех кругов на полной скорости автомобиль начинает снижать выходную мощность.Это сбалансированное, постепенное мероприятие ».

    Рассчитываем среднюю мощность = 140 кВт. Обратите внимание, это СРЕДНЯЯ мощность. Он представлен только для того, чтобы указать, что автомобиль Model 3 Performance выдавал БОЛЬШЕ мощности, чем Teslarati Model S на Laguna Seca (описанный ниже), с минимальными проблемами, в то время как Teslarati Model S имел серьезное ограничение мощности на треке, требующем МЕНЬШЕ власть.

    Teslarati # 48 Model S испытывает серьезное ограничение мощности на Laguna Seca

    из Teslarati :

    «Это не лучшая трасса для Tesla Model S.Ограничение мощности из-за перегрева было довольно серьезным, до такой степени, что он даже не ускорялся в гору на полном газу после поворота 6.

    Гусеница потребляла много энергии, немного выше, чем обычно, вероятно, из-за значительных перепадов высот. Потребляемая мощность составила 1350 Вт / милю. В то время как на большинстве треков мы использовали 4 расчетных мили на 1 фактическую пройденную милю, на этом треке оно составило 5,5 расчетных миль на 1 фактическую пройденную милю. Это также объясняет, почему ограничение мощности было более серьезным.”

    Рассчитываем среднюю мощность = 90-117 кВт

    Подробные выводы и методология

    В нашем анализе мы использовали данные члена нашей команды Скотта Фока модели X 100D. Скотт собирает данные о своей машине через «Сканировать мою Tesla» и «Teslafi». Эти два приложения позволили нам получить доступ ко всем температурам батареи, а также другим данным, необходимым для нашего анализа.

    Данные для модели X 100D

    После того, как у нас появилась модель X 100D, мы внесли в нее изменения, чтобы имитировать Модель 3.Мы уменьшили внутреннее сопротивление батареи из-за более крупных 2170 ячеек. Мы также уменьшили внутреннее сопротивление еще на 10%, чтобы учесть улучшения в конструкции нового элемента 2170.

    Внутреннее сопротивление — ключевой вопрос в конструкции TMS. Нагрев — это функция квадрата тока, поэтому любые проблемы с отводом тепла усугубляются очень быстро, когда мы начинаем увеличивать мощность зарядки и / или бегать по трассе.

    Вот более подробная информация о результатах модели:

    Общая площадь поверхности контакта ячейки блока с охлаждающей трубкой:

    Модель 3 = 30600 кв.см

    Модель S = 27 200 кв. См

    Модель 3 имеет на 10% большую площадь контакта теплопередачи

    Коэффициент теплопроводности между ячейкой и гликолем в трубке:

    Модель 3 = 0,15 Вт / кв. см / град. K

    Модель S = 0,075 Вт / кв. см / град. K

    Модель 3 имеет вдвое большую проводимость на квадратный сантиметр модели S из-за тонкого теплопроводящего клея между ячейкой и стенкой трубки модели 3 по сравнению с толстой силиконовой термопрокладкой трубок модели S.

    Полная способность отводить тепло при одинаковой разнице температур :

    Модель 3 = 4700 Вт / град. K

    Модель S = 2000 Вт / град. K

    Обладая большей площадью контактной поверхности и более высоким коэффициентом проводимости, система охлаждающих трубок Model 3 может отводить в 2,3 раза больше тепла от блока, чем модель S .

    Пропускная способность охлаждающего гликоля пакета через систему охлаждающих трубок:

    Модель 3 = 35 л / мин

    Модель S = 19 л / мин

    Гликолевая система модели 3 может подавать в пробирки почти вдвое больше гликоля и передавать вдвое больше тепла от упаковки, чем гликольная система модели S .Это связано с тем, что в пакете Model 3 имеется больше охлаждающих трубок, по которым гликоль течет параллельно, и каждая трубка имеет большую площадь поперечного сечения, чтобы обеспечить больший поток, а также меньшую длину, что снижает падение давления и энергию насоса.

    Следите за обновлениями. Впереди еще много интересных открытий. В частности, наши предположения о том, что Porsche сделает, чтобы заставить Taycan превзойти Tesla на треке, без перегрева… и, возможно, последствия для Tesla Roadster 2020 года.

    * Эта статья была исследована и написана в сотрудничестве с Китом Риттером (HVACman) и Скоттом Фоке (scottf200)

    Спасибо, что прочитали наши статьи.

    Джордж, Кейт и Скотт

    TESLA МОДЕЛЬ 3

    47 Фото

    TESLA МОДЕЛЬ 3 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

    47 Фото

    Анализ сопряженной теплопередачи при управлении температурой литий-ионной аккумуляторной батареи | J. Electrochem.En. Конв. Сторона

    Управление температурным режимом литий-ионных аккумуляторных батарей — критическая технологическая проблема, которая напрямую влияет на безопасность и производительность. Отвод тепла, выделяемого в отдельных литий-ионных элементах, в окружающую среду — довольно сложная проблема, включающая несколько режимов теплопередачи. В этой статье разрабатывается итеративный аналитический метод моделирования сопряженной теплопередачи при управлении температурой на основе охлаждающей жидкости литий-ионной аккумуляторной батареи. Решения для основных уравнений сохранения энергии для теплопроводности и конвекции выводятся и связываются друг с другом итеративным образом для определения окончательного распределения температуры.Аналитическая модель используется для исследования зависимости температурного поля от различных геометрических и материальных параметров. Эта работа показывает, что расход охлаждающей жидкости, необходимый для эффективного охлаждения, можно значительно снизить за счет улучшения теплопроводности отдельных литий-ионных элементов. Кроме того, эта работа помогает понять ключевые термо-электрохимические компромиссы при проектировании управления температурой для литий-ионных аккумуляторных батарей, такие как компромисс между повышением температуры и плотностью накопления энергии в аккумуляторной батарее.

    Эффективный отвод тепла от литий-ионных элементов и аккумуляторных блоков является важной технологической задачей для повышения производительности, безопасности и надежности систем электрохимического преобразования и хранения энергии [1–3]. Некоторые инженерные приложения, такие как электромобили, стационарные системы накопления энергии и т. Д., Включают в себя большие аккумуляторные блоки, содержащие несколько литий-ионных элементов, способных индивидуально накапливать и преобразовывать энергию.Тепло, выделяемое в каждом литий-ионном элементе во время заряда / разряда, должно в конечном итоге отводиться в окружающую среду. Этот процесс должен происходить с минимальным тепловым сопротивлением, чтобы минимизировать повышение температуры в каждой литий-ионной ячейке [4,5]. Путь передачи тепла изнутри каждой ячейки в окружающую среду несколько затруднен [6]. Во время этого процесса тепло должно проходить через материалы и границы раздела в каждой ячейке, затем в любые окружающие материалы, а затем конвекция в охлаждающую жидкость, которая уносит тепло от аккумуляторной батареи и, в конечном итоге, отводит его в окружающую среду [7].Управление температурой на уровне блока играет ключевую роль в общих тепловых характеристиках аккумуляторной батареи [3]. Однако для эффективного активного управления температурой могут потребоваться такие компоненты, как каналы охлаждающей жидкости, насос и т. Д., Которые не способствуют накоплению энергии и даже могут потреблять энергию. Хотя система терморегулирования должна обеспечивать эффективный отвод тепла, неэлектрохимические компоненты в упаковке должны быть сведены к минимуму, чтобы увеличить плотность аккумулирования энергии и снизить общий вес. Разработка точных инструментов теплового моделирования имеет решающее значение для согласования таких конструктивных компромиссов и проектирования аккумуляторных блоков, которые максимизируют плотность хранения энергии, ограничивая при этом повышение температуры и температурный градиент внутри блока.

    Имеются значительные прошлые работы как по экспериментальным измерениям, так и по моделированию терморегулирования литий-ионных аккумуляторных батарей на уровне блока. Были исследованы различные подходы к управлению температурным режимом, включая охлаждение на основе тепловых трубок, конвективное охлаждение и т. Д. Управление температурой на основе воздуха и жидкости было экспериментально продемонстрировано для литий-ионных аккумуляторных батарей [8–14]. Вода — наиболее часто исследуемый жидкий хладагент.Исследовано использование пластин жидкостного охлаждения. Различные конфигурации элементов в литий-ионной аккумуляторной батарее вместе с различными конфигурациями охлаждающих каналов были экспериментально оценены для воздушного охлаждения [8–11]. Аналогичным образом сообщалось о жидкостном охлаждении с использованием охлаждающих пластин с микроканалами различной конфигурации, размещенными между батареями [12–14]. Также существуют работы по использованию диэлектрических жидкостей с низкой температурой кипения для управления температурой [15,16]. Тепловые трубки и материалы с фазовым переходом были вставлены в аккумуляторную батарею, чтобы поглощать тепло, выделяемое в элементе, и минимизировать повышение температуры [17–30].В ряде статей использовалось моделирование методом конечных элементов для численного описания характеристик таких систем управления температурным режимом. Подходы к управлению температурой на основе воздуха [10,11,21–36], жидкости [12–14,37–40], тепловых труб [36] и материалов с фазовым переходом [27,41,42] были оценены на уровне упаковки симуляции. Было выполнено моделирование различных конфигураций охлаждения [31–33], расположения ячеек [10,11,34] и конструкции проточного канала [32] для усиленной естественной конвекции. Аналогичным образом с помощью моделирования были проанализированы стратегии управления температурным режимом на основе жидкостного охлаждения.Это включает в себя проектирование пластины жидкостного охлаждения [12,13,38–40], тепловую оптимизацию [38–40] и оценку различных стратегий охлаждения [14,37]. Также сообщалось о численном моделировании использования материалов с фазовым переходом [41,42] и тепловых труб [36] для управления температурой на уровне блока. В то время как значительное снижение температуры было продемонстрировано в этих различных анализах, основанных на моделировании, влияние этих стратегий охлаждения с точки зрения пониженной плотности накопления энергии на уровне блока часто игнорировалось.

    Хотя моделирование методом конечных элементов обеспечивает удобство определения повышения температуры в конкретной геометрии, настройка и выполнение такого моделирования часто может занять много времени. Что еще более важно, часто возникают проблемы при взаимодействии таких симуляций с системой управления батареями, что является критической необходимостью для управления характеристиками батарей с тепловым приводом. Альтернативой моделированию методом конечных элементов является аналитический вывод решения уравнений сохранения энергии, которые управляют температурным полем в системе.Хотя с математической точки зрения такой подход к аналитическому моделированию является более сложным, он приводит к решениям в замкнутой форме для распределения температуры, которые обеспечивают полезное физическое понимание процесса теплопередачи, что невозможно с помощью моделирования. Например, как только доступно решение в замкнутой форме для температурного поля, можно быстро оценить влияние различных геометрических параметров и теплофизических свойств. Решения в закрытой форме также легче взаимодействовать с другими вычислительными инструментами, такими как электрохимические модели, для совместной оптимизации мультифизики в процессе проектирования или во время работы в реальном времени.Однако аналитические подходы являются более сложными с математической точки зрения, чем моделирование методом конечных элементов, и могут потребоваться геометрические аппроксимации. Воздушное / жидкостное охлаждение литий-ионной аккумуляторной батареи представляет собой сопряженную проблему теплопередачи, включающую как теплопроводность в твердой батарее, так и тепловую конвекцию в поток охлаждающей жидкости. Моделирование таких сопряженных задач непросто. Хотя модели сопряженной теплопередачи были разработаны для простых условий, имеется относительно ограниченная работа по анализу сопряженной теплопередачи в более сложных ситуациях, таких как те, которые могут возникнуть в реалистичных аккумуляторных блоках.В недавнем прошлом был разработан общий итерационный метод аналитического моделирования сопряженного теплообмена в областях твердое тело – жидкость [43], например, охлаждение литий-ионных ячеек с использованием потока охлаждающей жидкости. Этот метод основан на раздельном решении задач теплопроводности и конвекции. Используя согласование температуры и теплового потока на границе твердое тело-жидкость, выходные данные одной задачи используются для решения другой итеративным способом. Было показано, что этот подход хорошо работает для широкого класса сопряженных задач, связанных с внешним и внутренним потоком [43].

    В этой статье представлен анализ сопряженной теплопередачи для охлаждения литий-ионной аккумуляторной батареи. Итерационный аналитический подход используется для исследования фундаментальных процессов, которые определяют повышение температуры в литий-ионной аккумуляторной батарее. Исследована зависимость температурного поля от различных геометрических и материальных параметров. Аналитическая модель помогает понять терморегулирование литий-ионных аккумуляторных батарей и помогает понять и количественно оценить различные термо-электрохимические компромиссы, возникающие при проектировании литий-ионных аккумуляторных батарей.Эти результаты могут способствовать улучшению теплового дизайна и тепловых характеристик во время работы литий-ионных аккумуляторных батарей.

    Проблема охлаждения литий-ионного элемента в аккумуляторном блоке потоком текучей среды, например воздуха или воды, схематично показана на рис. 1, где несколько элементов в аккумуляторном блоке должны охлаждаться. На рисунке 1 также обозначен элементарный элемент, который повторяется в аккумуляторной батарее. Температурное поле внутри этой элементарной ячейки должно быть определено как функция геометрии, рабочих параметров ячейки, таких как C-скорость, тепловые свойства, а также параметров и свойств, связанных с охлаждающей жидкостью.Конкретные представляющие интерес величины могут включать в себя пиковое повышение температуры в ячейке, градиент температуры внутри ячейки, падение давления в охлаждающей жидкости и т.д. переход на охлаждающую жидкость. В то время как проблемы, связанные только с проводимостью или конвекцией, легче решать путем прямого решения лежащего в основе уравнения сохранения энергии в твердом или жидком теле, сопряженная проблема значительно усложняется из-за взаимодействия между твердым телом и жидкостью.В этом случае для решения сопряженной задачи используется итерационный аналитический метод [43]. Этот метод использует непрерывность сохранения температуры и энергии на границе твердое тело-жидкость для итеративного решения проблем проводимости и конвекции по отдельности [43]. Решение каждой проблемы обеспечивает граничное условие для другой задачи. Итерационный процесс решения продолжается до тех пор, пока не будет достигнута достаточная точность.

    Рис.1

    Схематическое изображение геометрии воздушно-жидкостного охлаждения призматической литий-ионной аккумуляторной батареи, также показывающее основной тепловой элемент в пунктирных линиях

    Рис. 1

    Схематическое геометрическое изображение воздушно-жидкостного охлаждения призматического элемента Литий-ионный аккумулятор, также показывающий основной тепловой элемент в пунктирных линиях

    В этом конкретном случае на рис. 2 (а) показана сплошная область сопряженной задачи в тепловой элементарной ячейке.Установившееся повышение температуры в твердой области, T s ( x , y ) удовлетворяет следующему уравнению сохранения энергии:

    kx, s∂2Ts∂x2 + ky, s∂2Ts∂y2 + Q ‴ = 0

    (1) и следующие граничные условия:

    kx, s∂Ts∂x = hTs при x = 0

    (2)

    −kx, s∂Ts∂x = hTs при x = L

    (3)

    ∂Ts∂y = 0 при y = 0

    (4)

    −ky, s∂Ts∂y = q0 ″ (x) при y = H

    (5)

    Рис.2

    Определения отдельных ( a ) твердых и ( b ) жидкостных проблем, составляющих сопряженную проблему теплопередачи

    Рис. 2

    Определения отдельных ( a ) твердых тел и ( b ) проблемы с жидкостью, составляющие проблему сопряженной теплопередачи

    Q ″ ′ — объемное тепловыделение из-за заряда / разряда, k x, s и k y, s — ортотропная теплопроводность, а h — коэффициент конвективной теплопередачи на края ячейки.Обратите внимание, что q0 ″ (x) представляет собой тепловой поток на границе твердое тело – жидкость и заранее не известен. Жидкая область тепловой элементарной ячейки включает поток хладагента, показанный на рис. 2 (b). Распределение повышения температуры в области жидкости определяется соотношением

    αf∂2Tf∂y2 = u∂Tf∂x + v∂Tf∂y

    (6)

    , где не учитывается вязкая диссипация.

    Наконец, на границе твердое тело – жидкость и

    тыс. лет, s∂Ts∂y = kf∂Tf∂y

    (8) для непрерывности температуры и сохранения энергии соответственно.Сопряженная проблема, описанная в уравнениях. (1) — (8) решается итерационным подходом. Для жидкой области уравнение. (6) решается на основе задачи обтекания плоской пластины с предполагаемым распределением температуры T 0 ( x ) на границе раздела. Решение этой проблемы было получено путем интегрирования эффекта бесконечно малых участков плоской пластины с заданным повышением температуры границы раздела [44].Окончательное решение для распределения температуры в охлаждающей жидкости дается формулой [44]

    Tf (x, y) = ∫0x [1 − θ (ξ, x, y)] dT0dξdξ + ∑i = 1k [1 − θ ( ξi, x, y)] T0 (i)

    (10) где функция θ ( ξ , x , y ) задается как

    θ (ξ, x, y) = 0,331 Pr1 / 3 Rex1 / 2yx [1− (ξx) 3/4] 1 /3−0.005405 Pr Rex3 / 2y3x3 [1− (ξx) 3/4]

    (11)

    В формуле.(10) интегрирование и суммирование учитывают непрерывное изменение и ступенчатые изменения в T 0 соответственно. Это уравнение предполагает, что размеры поперечного сечения канала охлаждающей жидкости больше ожидаемого максимального размера пограничного слоя.

    Тепловой поток на границе раздела может быть рассчитан по формулам. (10) и (11) следующим образом [44]:

    q0 ″ (x) = — ky∂Tf∂y | y = 0 = ky [∫0x∂θ∂y (ξ, x, 0) dT0dξdξ + ∑i = 1k∂θ∂y (ξi, x, 0) T0 (i)]

    (12)

    Этот тепловой поток используется для решения твердой задачи, определяемой уравнениями.(1) — (5), сначала разделив проблему на две задачи, а затем применив технику разделения переменных [45].

    Повышение температуры в твердой области, T s ( x , y ) может быть определено путем разделения на два компонента [45] Две составляющие распределения температуры равны

    s (x) = Q ‴ 2kx, s [x (L − x) + L2BiL]

    (14) и

    w (x, y) = ∑n = 1∞CnCosh (kx, sky, sμny) ⋅ [μnLCos (μnx) + BiLSin (μnx)]

    (15) Коэффициенты C n в уравнении.(15) даются как

    Cn = −1L∫0Lq0 ″ (x) ⋅ [μnLCos (μnx) + BiLSin (μnx)] dx12⋅ [(μnL) 2 + BiL2) (1 + BiL (μnL) 2 + BiL2) + BiL] ⋅ [μnkx, небо, skySinh (kx, небо, sμnH)]

    (16) Собственные значения μ n получаются из корней трансцендентного уравнения

    Tan (мкл) = 2BiL⋅ (мкл) (мкл) 2-BiL2

    (17) В твердой задаче распределение температуры интерфейса T 0 ( x ) вычисляется путем замены y = H в уравнении.(3), который снова используется для решения проблемы жидкости. Итерационный процесс продолжается до достижения сходимости. На практике распределение температуры на границе раздела обновляется до сочетания недавно вычисленных и более старых распределений. Если T 0, старый ( x ) представляет температуру границы раздела в текущей итерации, новое распределение температуры границы раздела получается как

    T0, новое (x) = βTs (x, y = H) + ( 1 − β) T0, старый (x)

    (18)

    Коэффициент смешения β поддерживается достаточно низким, чтобы предотвратить расхождение в распределении температуры при увеличении числа итераций.

    Таким образом, итерационный подход, используемый здесь, начинается с предполагаемого профиля температуры на границе твердое тело – жидкость, решает проблему жидкости, обеспечивая ввод теплового потока, который позволяет решить проблему твердого тела [43]. Затем решение проблемы твердого тела используется для определения нового температурного профиля на границе твердое тело – жидкость. Этот процесс повторяется итеративно до сходимости [43]. На рисунке 3 показана схема этой итерационной процедуры.

    Рис. 3

    Схема итерационной процедуры решения задачи сопряженной теплопередачи

    Рис. 3

    Схема итерационной процедуры решения задачи сопряженной теплопередачи

    Аналитическая модель, описанная в разд. 2 проверяется несколькими способами.Решена сопряженная задача теплопередачи с параметрами, характерными для водяного охлаждения призматических литий-ионных элементов, разряжающихся при 5 ° C. Основываясь на недавно представленных данных по измерению мощности тепловыделения [46], этот КП соответствует 98,5 кВт / м 3 мощности тепловыделения. Тепловые свойства литий-ионной ячейки взяты из недавних измерений [47]. В частности, предполагается тепловая анизотропия с теплопроводностью, параллельной и перпендикулярной плоскости электрода, равной 30.0 и 0,2 Вт / м · К соответственно. Толщина ячейки принята 8 мм. Скорость потока теплоносителя принята равной 0,001 м / с. Во всех случаях, рассмотренных в этом разделе, предполагается, что температура окружающей среды составляет 25 ° C, поэтому используются стандартные значения комнатной температуры для различных теплофизических свойств охлаждающего воздуха.

    Итерационный аналитический подход выполняется три отдельных раза, принимая три различных начальных значения для температуры поверхности раздела.На рисунке 4 показана зависимость температуры интерфейса от x для всех трех случаев в конце ряда итераций. На рисунке 4 показано, что для каждого случая распределение температуры сходится примерно за 30 итераций и после этого существенно не меняется. Исходя из этого, количество итераций консервативно принято равным 60 для последующих исследований в этой статье. На рисунке 4 также показано, что распределение температуры сходится к одной и той же кривой независимо от первоначально принятого распределения температуры.Эта независимость от первоначального предположения важна и обеспечивает надежное решение, даже если первоначальное предположение далеко от фактического распределения температуры.

    Рис. 4

    График, показывающий влияние начального распределения температуры на эволюцию температуры границы раздела твердое тело – жидкость с количеством итераций. Этот график показывает, что в каждом случае распределение температуры в конечном итоге сходится к одной и той же кривой.

    Рис. 4

    График, показывающий влияние начального распределения температуры на эволюцию температуры границы раздела твердое тело – жидкость с количеством итераций. Этот график показывает, что в каждом случае распределение температуры в конечном итоге сходится к одной и той же кривой.

    Хотя решение уравнения теплопроводности в твердом теле состоит из последовательного суммирования бесконечных членов, на практике этот ряд должен быть усечен до конечного числа членов.На рис. 5 показано сходящееся распределение температуры на границе раздела для задачи с теми же параметрами, что и на рис. 4, для разного числа собственных значений. На рисунке 5 показано, что температурное решение быстро меняется при небольшом количестве собственных значений, но сходится к стабильному решению примерно при 50 собственных значениях. Добавление дополнительных собственных значений существенно не меняет прогнозируемое распределение температуры. Это важное наблюдение для снижения вычислительной нагрузки без значительного ухудшения точности.Исходя из этого, всего 50 собственных значений рассматриваются на всех последующих рисунках в этой статье.

    Рис. 5

    График, показывающий влияние количества собственных значений в задаче теплопроводности на сходящееся распределение температуры

    Рис. 5

    График, показывающий влияние количества собственных значений в задаче теплопроводности на сходящуюся температуру распределение

    Итерационный метод определения распределения температуры во время охлаждения литий-ионного элемента также подтверждается сравнением с моделированием методом конечных элементов.В этих симуляциях используется тот же набор параметров, что и в итеративном методе. Всего используется около 500 тыс. Элементов, проверена независимость от сети. Сетка достаточно детализирована вблизи передней кромки, чтобы улавливать высокую скорость теплопередачи, и близко к границе раздела твердое тело-жидкость, чтобы улавливать эффекты пограничного слоя в области жидкости. Жидкая область определяется как намного больше ожидаемой толщины пограничных слоев скорости и тепла. На рисунке 6 (a) показана зависимость температуры интерфейса от x для двух разных значений C-rate, 4C и 5C, с использованием одного и того же 0.001 м / с расход воды для охлаждения. Показатели выработки тепла при 4C и 5C составляют 67,8 кВт / м 3 и 98,5 кВт / м 3 соответственно [46]. Показаны графики моделирования методом конечных элементов и аналитической модели. Рисунок 6 (а) показывает очень хорошее согласие между ними. Кроме того, тепловой поток от твердого тела в охлаждающую жидкость также показан как функция x для моделирования методом конечных элементов и аналитической модели на рис. 6 (b). Как и в случае распределения температуры, имеется очень хорошее согласие для распределения теплового потока.По сравнению с моделированием методом конечных элементов итеративная аналитическая модель предлагает улучшенное время вычислений, устранение необходимости в трудоемком построении сетки и лучшее физическое понимание сопряженной проблемы, которая управляет жидкостным охлаждением литий-ионного элемента.

    Рис. 6

    Сравнение конечно-элементного моделирования и аналитической модели для сопряженной задачи теплопередачи. Это сравнение показано для двух разных C-ставок.( a ) показывает сравнение температуры интерфейса, а ( b ) показывает сравнение теплового потока интерфейса.

    Рис. 6

    Сравнение конечно-элементного моделирования и аналитической модели для сопряженной задачи теплопередачи. Это сравнение показано для двух разных C-ставок. ( a ) показывает сравнение температуры интерфейса, а ( b ) показывает сравнение теплового потока интерфейса.

    Утвержденная аналитическая модель может использоваться для теплового расчета на уровне блока.В частности, можно эффективно проанализировать зависимость тепловых характеристик от различных параметров, таких как геометрия, теплофизические свойства и т. Д. На рис. 7 (a) представлена ​​цветовая карта всей ячейки для конкретного случая работы 5C, соответствующей 98,5 кВт / м 3 при охлаждении потоком воды 0,001 м / с. График температуры, показанный на рис. 7 (а), ясно показывает повышение температуры внутри ячейки из-за выделения тепла и охлаждающий эффект потока хладагента. Рисунок 7 (b) дополнительно иллюстрирует температурное поле путем построения графика роста температуры как функции y при x = 15 мм.Начиная с поверхности ячейки, повышение температуры увеличивается по направлению внутрь и, как и ожидалось, является максимальным в ядре ячейки.

    Рис.7

    ( a ) Двумерная палитра температуры для определенного набора параметров, показывающая всю область твердой ячейки и ( b ) рост температуры как функцию от y в центре ячейки

    Рис.7

    ( a ) Двумерная палитра температуры для определенного набора параметров, показывающая всю область твердой ячейки и ( b ) рост температуры как функцию от y в центре ячейки

    Ряд других исследований терморегулирования на уровне агрегата возможен с помощью итеративной аналитической модели.На рис. 8 (а) показана пиковая температура внутри призматической ячейки как функция C-скорости для двух различных расходов воды в качестве хладагента. Этот график показывает резкое увеличение пикового повышения температуры в ядре ячейки с увеличением C-скорости, что соответствует ожидаемым линиям, поскольку скорость тепловыделения увеличивается квадратично с C-скоростью [46]. На рис. 8 (b) показана зависимость максимальной температуры от расхода воды в качестве хладагента над призматической ячейкой, работающей с двумя разными скоростями углерода. Этот график показывает снижение пиковой температуры по мере увеличения потока охлаждающей жидкости, но этот эффект несколько усиливается при более высоких расходах.Это важное наблюдение, поскольку оно показывает, что простое увеличение расхода охлаждающей жидкости не обязательно приводит к улучшению общей производительности, а скорее приводит к уменьшению отдачи при больших расходах. Причина, по которой повышение температуры не падает до незначительного уровня при более высоких скоростях потока, заключается в ненулевом тепловом сопротивлении в материале ячейки, которое остается постоянным независимо от скорости потока хладагента за пределами ячейки.

    Рис.8

    ( a ) Максимальное повышение температуры как функция от C-скорости для двух разных расходов охлаждающей жидкости и ( b ) максимальное повышение температуры как функция от расхода охлаждающей жидкости для двух разных C-rate

    Рис. 8

    ( a ) Максимальное повышение температуры в зависимости от скорости C для двух разных расходов охлаждающей жидкости и ( b ) максимальное повышение температуры в зависимости от скорости потока охлаждающей жидкости для двух разных значений C

    Представляет интерес сравнить характеристики различных охлаждающих жидкостей.На рис. 9 показан график зависимости температуры поверхности от x для двух различных коэффициентов углерода и сравнение характеристик воды и диэлектрической жидкости FC72. На рисунке 9 показано, что для обеих скоростей C рост температуры воды ниже по сравнению с FC72 из-за превосходных теплофизических свойств воды. Однако ключевым недостатком воды является возможность электрического повреждения в случае утечки. Из-за своей диэлектрической природы FC72 не представляет такого риска, но имеет несколько более низкие тепловые характеристики.

    Рис. 9

    Температура интерфейса как функция x для воды и FC72 при двух разных значениях C-rate

    Рис.9

    Температура интерфейса как функция x для воды и FC72 при двух разных C- ставки

    Итеративная аналитическая модель также может использоваться для изучения влияния геометрии на тепловые характеристики потока теплоносителя.На рисунке 10 показана зависимость температуры поверхности литий-ионного элемента от разной ширины литий-ионного элемента, при этом объемная скорость тепловыделения остается постоянной на уровне 98,5 кВт / м 3 . На рис. 10 показано, что при той же C-скорости более толстая ячейка приводит к большему повышению температуры, чем более тонкая ячейка. Это представляет собой важный компромисс в конструкции, поскольку более толстая ячейка также приведет к более высокой плотности накопления энергии на уровне блока, что, хотя и желательно, достигается за счет увеличения пиковой температуры в более толстых ячейках.

    Рис.10

    Повышение температуры границы раздела в зависимости от x для разной толщины элемента при скорости разряда 5 ° C

    Рис.10

    Повышение температуры границы раздела в зависимости от x для элементов разной толщины при скорости разряда 5 ° C

    Стратегии повышения теплопроводности в литий-ионных элементах были предложены в прошлом [6].Представляет интерес проанализировать влияние такого улучшения на уровне ячеек на управление температурным режимом на уровне блока. Анализ проводится для определения необходимой скорости охлаждающей жидкости для нескольких значений теплопроводности ячейки k y, s , чтобы поддерживать такое же максимальное повышение температуры в ячейке, что и в базовом случае. Здесь используется мощность тепловыделения 98,5 кВт / м 3 , соответствующая расходу 5C. Результаты, представленные на рис. 11, показывают значительное снижение требуемой скорости жидкости при увеличении k y, s с 0.От 2 Вт / м · К до 0,4 Вт / м · К. Однако дальнейшее повышение теплопроводности не считается столь же выгодным, поскольку сопротивление конвективной теплопередаче теперь начинает преобладать над сопротивлением теплопроводности. Этот анализ показывает, что повышенная теплопроводность составляющих литий-ионных элементов может положительно повлиять на требования к потоку охлаждающей жидкости на уровне системы, такие как работа насоса, размер коллектора охлаждающей жидкости и т. Д., И, в конечном итоге, на плотность накопления энергии на уровне блока.

    Рис.11

    Скорость потока охлаждающей жидкости, необходимая для поддержания определенной пиковой температуры ячейки в зависимости от теплопроводности через плоскость ячейки k y ячейки

    Рис. 11

    Скорость потока охлаждающей жидкости, необходимая для поддержания определенной максимальной температуры ячейки как функция теплопроводности через плоскость k y ячейки

    Наконец, рис.12 анализируется влияние не выделяющей тепла пластины, вставленной между литий-ионным элементом и потоком хладагента. На практике это может быть сделано для физического отделения теплогенерирующей ячейки от хладагента. Однако это приведет к повышенному повышению температуры в ячейке из-за дополнительного термического сопротивления пластины. Итерационная аналитическая модель может учесть это, включая дополнительное одномерное тепловое сопротивление в процессе взаимодействия моделей теплопередачи твердого тела и жидкости.На рисунке 12 показана зависимость максимальной температуры в ячейке, работающей при 5 ° C, от толщины интерфейсной пластины, которая, как предполагается, сделана из пластикового материала с теплопроводностью 1,0 Вт / м К. На рисунке 12 показано значительное влияние температура интерфейса пластины от температуры ячейки, которая ухудшается с увеличением толщины пластины. Это подчеркивает важное соображение при проектировании терморегулирования на уровне блока.

    Рис.12

    Пиковое повышение температуры элемента в зависимости от толщины материала на границе раздела в разрядной ячейке 5C, охлаждаемой потоком воды 0,001 м / с

    Рис. Расход воды 0,001 м / с

    Компромиссы при проектировании, подобные проиллюстрированным выше, трудно проанализировать с помощью инструментов моделирования методом конечных элементов из-за вычислительной сложности.С другой стороны, такие компромиссы можно легко проанализировать с помощью описанного здесь итеративного аналитического метода, который позволяет быстро анализировать влияние различных вариантов конструкции, а также влияние различных геометрических параметров и теплофизических свойств на характеристики блока. уровень терморегулирования.

    Обратите внимание, что существенным недостатком представленной здесь аналитической модели является то, что она ограничена анализом характеристик в установившемся режиме.Переходные условия часто важны для работы литий-ионной аккумуляторной батареи, и в этом случае представленная здесь модель должна быть расширена для учета переходных явлений. В общем, получение решений для переходных процессов непросто, особенно для проблемы потока в области текучей среды. Тем не менее, настоящая модель предоставляет полезные рекомендации по проектированию систем терморегулирования для литий-ионной аккумуляторной батареи, как показано на рис. 9–12.

    Оптимизация структуры рассеивания тепла жидкостного охлаждения для литий-ионной аккумуляторной батареи в электромобилях

    Требования к охлаждению и снижению веса литий-ионных аккумуляторных батарей в электромобилях становятся все более важными.В этой статье разработана и оптимизирована конструкция отвода тепла с жидкостным охлаждением. Прежде всего, с помощью вычислительной гидродинамики исследуется влияние диаметра трубы, расстояния между ними, толщины и расположения охлаждающей пластины на рассеивание тепла аккумуляторной батареей. Затем на основе оптимальных результатов однофакторного анализа строится ортогональная таблица с четырьмя факторами и тремя уровнями для выполнения одноцелевой оптимизации, где минимизация максимальной температуры является объектом оптимизации.Тем временем проводится эксперимент для проверки точности имитационной модели. Для дальнейшего уменьшения массы охлаждающей пластины выполняется многокритериальная оптимизация, при которой минимизация максимальной температуры и массы являются объектами оптимизации. Максимальная температура увеличивается на 10,9% при многоцелевой оптимизации по сравнению с таковой при однокритической оптимизации. Однако масса охлаждающей пластины при многоцелевой оптимизации может снизиться на 82.4%.

    • URL записи:
    • URL записи:
    • Наличие:
    • Дополнительные примечания:
      • Перепечатано с разрешения Sage Publications, Ltd.
    • Авторов:
      • Се, Цзиньхун
      • Занг, Мэнъянь
      • Ван, Шуангфэн
      • Ge, Zijing
    • Дата публикации: -11-2017

    Язык

    Информация для СМИ

    Предмет / указатель терминов

    Информация для подачи

    • Регистрационный номер: 01651780
    • Тип записи: Публикация
    • Файлы: TRIS
    • Дата создания: 27 октября 2017 г.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *