Алюминиевые радиаторы отопления объем воды в секции

Как рассчитать объем воды в системе отопления, радиаторах, трубах.

Расчет объема воды (теплоносителя), заполняющего систему отопления, будет одним из первых при выборе котла.

Это необходимо для понимания какой оптимальный объем может прогреть ваш котел или другой источник тепла. Параметры труб очень сильно влияют на данный показатель: при наличии насоса вы смело можете выбрать трубу меньшего диаметра и установить больше секций отопления.

Если выбрать трубы большого диаметра, то при максимальной мощности котла можно получить недогрев теплоносителя: большой объем воды будет раньше остывать, прежде чем дойдет до крайних точек системы отопления. Что в свою очередь приведет к дополнительным финансовым расходам.

Приблизительный расчет объема воды в системе отопления производится из соотношения 15 л воды на 1 кВт мощности котла.

Чтобы определить какой объем воды нужен для системы отопления дома, рассмотрим простой пример.

Мощность котла 4 кВт, тогда объем системы равен 4 кВт*15 литров = 60 литров. Но необходимо учитывать размеры и количество секций радиаторов при этом.

Если у вас дом на 4 комнаты, то это не значит, что надо ставить по 12-15 секций в каждую: у вас будет очень жарко, котел будет работать неэффективно. Если комнат больше, то и экономить на радиаторах не стоит: 1 современная секция эффективно отдает тепло для 2…2,5 м2 площади.

Формулы для расчета объема жидкости (воды или другого теплоносителя) в системе отопления

Объем воды в системе отопления можно рассчитать как сумма составляющих:

V =V(радиаторов)+V(труб)+V(котла)

Объем системы должен учитывать объем воды в трубах, котле и радиаторах. В расчет объема теплоносителя не входит объем расширительного бака. Объем бачка учитывается при расчете критических состояний работы системы (когда вода будет поступать в него при нагреве).

Формула для расчета объема жидкости в трубе:

V (объем) = S (площадь сечения трубы) * L (длина трубы)

Важно! Размеры могут отличаться у различных производителей, в зависимости от типа трубы, материала, ее технологии производства. Поэтому расчет удобнее вести по реальному внутреннему диаметру трубы, который проще промерить с помощью инструмента. Как правило, такой расчет необходимо выполнять больше специалисту, когда система отопления разветвленная и сильно протяженная.

Объемы воды для различных элементов системы отопления

Объем воды (литры) в секции радиатора

Материал/тип радиатора	Габариты*: высота×ширина, мм	Объем, л
Алюминий	600×80	0,450
Биметалл	600×80	0,250
Современная чугунная батарея (плоский)	580×75	1,000
Чугунная батарея старого образца ()	600×110	1,700

*ВАЖНО! Габариты в таблице даны ориентировочно.

В большинстве моделей современных производителей они составляют ±20 мм по ширине, высота радиаторов отопления может варьироваться от 200 до 1000 мм.

Объем сильно отличающихся по высоте радиаторов можно приблизительно рассчитать из данной таблицы по правилу пропорции: необходимо объем разделить на высоту и умножить после на высоту выбранной модели. Если система отопления протяженная, то лучше уточнить параметры объема у производителя.

Объем воды в 1 погонном метре трубы

• ø15 (G ½») — 0,177 литра
• ø20 (G ¾») — 0,310 литра
• ø25 (G 1,0″) — 0,490 литра
• ø32 (G 1¼») — 0,800 литра
• ø40 (G 1½») — 1,250 литра
• ø50 (G 2,0″) — 1,960 литра

Основные размеры внутренних диаметров труб (взят ряд значений от 14 до 54 мм), с которыми может столкнуться потребитель.

Какой объем воды должен быть в радиаторах отопления: таблица заполнения батарей

От автора: здравствуйте, дорогие читатели! Если вам понадобилась показывающая объем воды в радиаторе отопления таблица, то, скорее всего, вы живете в частном доме. Обитателям многоквартирников редко нужна данная информация, поскольку они никак не могут повлиять на уровень заполнения батарей — да это, собственно, и ни к чему, поскольку всем занимается соответствующая организация. Единственное знание, которое вам необходимо в данном случае — это уровень давления, который может выдерживать тот или иной радиатор. Эту информацию вы можете получить из соответствующей статьи на нашем портале.

Что касается частных домов, то здесь картина иная. Автономная система отопления, ее создание, обслуживание — все это зависит исключительно от хозяев жилища. В этом деле важна каждая деталь: материал изготовления труб, мощность отопительного котла, тип радиатора и многое другое. Все это приходится учитывать при обустройстве отопительной системы.

И не последним фактором является то, сколько теплоносителя вам понадобится для ее заполнения. От этого зависит многое:

• вес заполненного радиатора. Например, этот момент очень актуален для чугунных батарей.
  Они и сами по себе не отличаются низкой массой, а уж будучи заполненными теплоносителем становятся еще тяжелее. Учитывая, что батареи подвешиваются на стену, можно понять, что к их весу стоит относиться довольно трепетно;
• расчет мощности нагревательного котла и циркуляционного насоса. Естественно, эти показатели зависят от того, с каким количеством теплоносителя придется работать оборудованию. Грубо говоря, если котел рассчитан на 50 литров, а вы запустите в систему сто, то для нагрева такого объема прибору придется работать на износ, что приведет и к его быстрому выходу из строя, и к некачественному прогреву всех элементов отопительной системы;
• выбор размера радиатора. Для этого необходимо учитывать то, какой тип циркуляции будет применяться в вашей отопительной системе. В случае с естественной радиатор должен быть большим и, соответственно, помещать в себя немалое количество жидкости. В случае с принудительной циркуляцией на размер батарей можно не обращать особого внимания, поскольку насос успешно доставит теплоноситель по всем конечным целям, сохранив ему нужный уровень нагрева;
• работа с антифризом. Нередко этот состав используется для заполнения отопительной системы. О преимуществах такого подхода на нашем портале есть немало информации, и при необходимости вы легко сможете ее найти. Здесь же напомним вот о чем: для заполнения системы антифриз необходимо разводить водой. Естественно, для этого вам понадобится знать, какое именно количество готового теплоносителя пойдет в систему. Во-первых, так вы сможете закупить именно нужное количество антифриза. Во-вторых, сможете грамотно разбавить его водой так, чтобы концентрация получилась на должном уровне;
• выбор расширительного бака. Понятно, что его объем также зависит от общего количества жидкости в отопительной системе.

Естественно, для всего этого вам нужно учесть, сколько теплоносителя необходимо для заполнения каждого элемента отопительной системы: нагревательного котла, труб и батарей. В принципе, любые необходимые технические показатели вы можете взять из документации, которая прилагается ко всем этим элементам.

Проведение расчетов

Если же сопровождающие документы по каким-то причинам недоступны, то стоит знать, как провести расчеты самостоятельно. Конечно, они могут не дать абсолютно верный результат, но вам и не нужна точность вплоть до миллилитра.

Расчет обычно делается по секциям — то есть, сколько литров жидкости помещается в один сегмент батареи. Соответственно, при наращивании или удалении этих элементов вам будет легко подогнать нужное значение в соответствии с количественным изменением.

Существуют стандартные средние показатели для каждого вида радиатора. Именно на них можно опираться — берете определенное значение, умножаете на количество секций, вот и весь расчет. Изначальный показатель зависит от того, к какой разновидности принадлежит радиатор — а точнее, из какого материала он сделан. Но об этом давайте подробнее.

Алюминиевый радиатор

Одна из самых популярных разновидностей батарей делается из алюминия. Он легкий, прочный, обладает эстетичным видом и долгим сроком эксплуатации. Что касается показателей объема теплоносителя, то в каждую секцию алюминиевой батареи помещается около 450 мл жидкости.

Конечно, стоит учитывать, что данное значение приведено для батареи стандартных размеров. Если ваш радиатор отличается от обычных — например, сделан довольно маленьким для лучшей гармонизации с интерьером — то лучше все же поискать техническую документацию, которая прилагалась к изделию, или обратиться к производителю с данным вопросом.

Чугунная батарея

Чугун ничуть не уступает популярностью алюминию. Это наиболее привычная многим из нас разновидность батареи, поскольку раньше чугунные изделия устанавливались повсеместно. Грубоватый вид компенсировался высокой прочностью и долговечностью. Кроме того, чугун не ржавеет и не обрастает накипью — в общем, это один из самых подходящих вариантов для обустройства отопительной системы.

При вычислении показателя объема теплоносителя следует учитывать, какие именно изделия будут использоваться в вашем доме — старые или новые. Дело в том, что последние обладают несколько иной конструкцией. Внутри них теплоносителю отводится гораздо меньше места, чем в случае со старыми. К слову, на качестве работы изделия это никак не сказывается.

Так вот, в одну секцию новой чугунной «гармошки» помещается всего литр воды. А если вы решили использовать старые радиаторы, то вам понадобится гораздо больше теплоносителя — 1,7 литра на каждый сегмент.

Биметаллический радиатор

В производстве биметаллических агрегатов используется два вида металла: алюминий и сталь. Из первого делается корпус. А вот трубка, по которой течет теплоноситель, стальная. Стоит отметить, что в случае с биметаллом секций обычно нет, поэтому расчет жидкости идет сразу на весь радиатор. Как правило, для него достаточно 250 мл воды.

При расчетах также следует учесть, насколько новым является радиатор. Трубка, по которой течет жидкость, со временем немного сужается из-за различных отложений. Этот фактор нужно учитывать. Поэтому вам может пригодиться эта таблица:

С ее помощью вы сможете получить нужный показатель как для радиаторов, так и для всей отопительной системы в вашем доме.

Простой способ

Существует и другой способ определения объема теплоносителя, не требующий обладания какой-либо информацией. Все предельно просто. Закрываете на батарее все заглушки и наполняете ее водой с помощью мерной емкости. При этом, естественно, считаете, сколько жидкости влезло.

По окончании процедуры сливаете из радиатора все набранное. Конечно, производить все эти операции необходимо либо в ванной, либо во дворе, чтобы не затопить дом. На основании полученного показателя вы вполне можете сориентироваться по общему объему теплоносителя для вашей отопительной системы. Успехов!

В соответствии с действующим законодательством, Администрация отказывается от каких-либо заверений и гарантий, предоставление которых может иным образом подразумеваться, и отказывается от ответственности в отношении Сайта, Содержимого и его использования.
Подробнее: https://seberemont. ru/info/otkaz.html

Статья была полезна? Расскажите друзьям

Объем воды (теплоносителя) в трубе и радиаторе: как выполняется расчет

Объем воды или теплоносителя в различных трубопроводах, таких как полиэтилен низкого давления (ПНД труба) полипропиленовые трубы, металлопластиковые трубы, стальные трубы, необходимо знать при подборе какого либо оборудования, в частности расширительного бака.

К примеру в металлопластиковой трубе диаметр 16 в метре трубы 0,115 гр. теплоносителя.

Вы знали? Скорее всего нет. Да и вам собственно зачем это знать, пока вы не столкнулись с подбором, к примеру расширительного бака. Знать объем теплоносителя в системе отопления необходимо не только для подбора расширительного бака, но и для покупки антифриза. Антифриз продается в неразбавленном до -65 градусов и разбавленном до -30 градусов виде. Узнав объем теплоносителя в системе отопления вы сможете купить ровное количество антифриза. К примеру, неразбавленный антифриз необходимо разбавлять 50*50 (вода*антифриз), а значит при объеме теплоносителя равном 50 литров, вам необходимо будет купить всего 25 литров антифриза.

Предлагаем вашему вниманию форма расчета объёма воды (теплоносителя) в трубопроводе и радиаторах отопления. Введите длину трубы определенного диаметра и моментально узнаете сколько в этом участке теплоносителя.

Объем воды в трубах различного диаметра: выполнение расчета

Расчет объема воды в трубах

Расчет объема воды в радиатора отопления

Объем воды в некоторых алюминиевых радиаторах

Уж теперь то вам точно не составит труда подсчитать объем теплоносителя в системе отопления.

Расчет объема теплоносителя в радиаторах отопления

Для того чтобы подсчитать весь объем теплоносителя в системе отопления нам необходимо еще прибавить объем воды в котле. Его можно узнать в паспорте котла или же взять примерные цифры:

• напольный котел — 40 литров воды;

• настенный котел — 3 литра воды.

Помог ли вам калькулятор? Смогли ли вы рассчитать сколько в вашей системе отопления или в трубе теплоносителя? Отпишитесь пожалуйста в комментариях.

Краткое руководство по использованию калькулятора «Расчет объема воды в различных трубопроводах»:

1. в первом списке выберите материал трубы и его диаметр (это может быть пластик, полипропилен, металлопластик, сталь и диаметры от 15 — …)
2. во втором списке пишем метраж выбранной трубы из первого списка.
3. Жмем «Рассчитать».

«Рассчитать количество воды в радиаторах отопления»

1. в первом списке выбираем меж осевое расстояние и из какого материала радиатор.
2. вводим количество секций.
3. Жмем «Рассчитать».

Объем воды в системе отопления: как посчитать и на что он влияет?

Объем воды в системе отопления

Многие из нас, сталкиваясь с установкой или реконструкцией системы отопления задаются вопросом, а как посчитать сколько воды в системе отопления?

Ответ простой – берем лист бумаги, ручку и калькулятор. Прежде всего нужно понимать, что общий объем будет равняться сумме объемов каждого элемента системы. Ниже мы приведем значения для наиболее распространенных элементов.

Подсчет теплоносителя в радиаторах:

Для стальных панельных радиаторов:

• 11 тип – 0,25 л на каждые 10 см длинны радиатора (для моделей радиаторов высотой 500 мм)
• 22 тип – 0,5 л на каждые 10 см длинны радиатора (для моделей радиаторов высотой 500 мм)

Если нужно вычислить объем для радиаторов не стандартной высоты (например 300, 400, 600 мм), — используйте метод интерполирования. Например, объем радиатора отопления 22 типа высотой 300 = 0,5 л / 500 * 300 = 0,3 л. В зависимости от производителя данные могут колебаться, но не значительно.

Для секционных радиаторов:

• алюминиевые – 0,45 – 0,5 л на секцию
• биметаллические – 0,3 – 0,35 л на секцию
• чугунные новые 1 л на секцию, старые 1,8 -2 литра

Количество теплоносителя в трубах:

для пластиковых труб:	для металлических труб:
диам. 20 мм – 0,17 л/метр погонный трубы диам. 25 мм – 0,3 л/м диам. 32 мм – диам. 40 мм – диам. 50 мм –	диам. 1/2 дюйма (15 мм) – л/метр погонный трубы диам. 3/4 дюйма (20 мм) – диам. 1 дюйм (25 мм) – диам. 1,5 дюйма (40 мм) – диам. 2 дюйма (50 мм) –

Объем воды в котле

Для настенных газовых котлов 3-6 литров.

Для напольных газовых котлов и парапетных газовых котлов, в зависимости от мощности и соответственно размера котла, значение колеблется в пределах 10-30 литров. Более точно можно посмотреть в характеристиках самого аппарата.

Таким нехитрым способом, сложив все значения. мы можем определить объем системы.

Обратите внимание:

Целесообразным подсчет количества теплоносителя в системе будет в случае, если:

1. мы определяем какого объема нам нужен расширительный бак
2. сколько теплоносителя нам нужно (если заливаем антифриз)
3. мы выбираем циркуляционный насос
4. теоретически допускаю, что что-то упустил. Если вы это обнаружили, пишите в почту обязательно учту!

Категорически нет смысла считать объем, чтобы:

1. посчитать на сколько меньше станет потребление газа в случае замены труб на радиаторы (зависимость есть, но не прямо пропорциональная, расчет не будет корректным).
2. выбрать мощность котла. Выбирать котел, отталкиваясь от количества воды в системе — не логично. Ведь конечная наша цель обеспечить не нагрев воды, а возмещение тепловых потерь, которые несет наше здание.

Вот таким нехитрым способом производится расчет объема теплоносителя в системе отопления. Надеюсь статья была полезна. Тепла Вам и уюта!

Алюминиевые радиаторы — технические характеристики (мощность, размеры, объем воды в радиаторе)

Автор Михаил Стахов На чтение 5 мин. Просмотров 20.9k. Опубликовано 23.09.2014

Алюминиевые радиаторы отопления все чаще становятся альтернативой устаревшему чугуну и вытесняют на задний план более дорогие образцы из нержавеющей стали и биметалла. Они справятся с возложенной на них задачей обогрева зданий, если выбраны и установлены по всем соответствующим правилам. Технические характеристики алюминиевых радиаторов помогут вам сделать это наиболее правильно.

Алюминиевые радиаторы

 Особенности конструкции и классификация

Материалом для изготовления секции алюминиевого радиатора служит не чистый алюминий, а его сплав с кремниевыми добавками. Это придает новому прибору большую прочность и устойчивость к коррозии, продлевая срок его службы. Начальное сырье проходит специальную обработку, проходя затем через пресс высокого давления для получения элементов будущих аппаратов.

Алюминиевые радиаторы, предлагаемые в магазинах отопительного оборудования, имеют разные внешние характеристики. Их различают:

1. По общему внешнему виду:

• панельные,
• трубчатые.

2. По строению одной, отдельно взятой секции:

• цельные, уже готовые к использованию (литые),
• экструзионные, которые составляются из отдельных элементов при помощи внутреннего крепления болтами с силиконовыми и паронитовыми прокладками.

3. По габаритам:

• Имеющие стандартные размерные характеристики. Размеры алюминиевых радиаторов стандартного вида таковы: ширина — около 40 см, высота — примерно 58 см.
• Низкие алюминиевые радиаторы могут быть вышиной всего 15 см, что позволяет умещать их даже на очень ограниченных площадях. Сейчас некоторые фирмы даже предлагают так называемые «плинтусные» батареи алюминиевого исполнения высотой всего 2-4 см.
• Высокие, или вертикальные. При малой ширине в высоту могут достигать 2-х — 3-х метров. Рабочее положение их в высоту помещения дает возможность обогреть большой объем воздуха, а оригинальный вид добавляет им еще и декоративную функцию.

Трубчатый прибор

Внимание! Срок службы купленных вами алюминиевых радиаторов отопления не зависит от того, сколько элементов содержит прибор, каковы его размеры и внутренний объем. Качество прибора определяется только качеством исходных материалов и добросовестностью фирмы-изготовителя.

Технические свойства батареи из алюминия

Технические характеристики радиаторов из алюминиевых сплавов составляются из их возможностей удобства и долговечности при наилучшем выполнении основной функции — обогрева помещения:

• Рабочее давление. Возможное в алюминиевых радиаторах рабочее давление теплоносителя может колебаться от 6-ти и до 25-ти атм, так как при заводском контроле на качество они выдерживают давление воды до 30-ти атм. Это дает возможность установки их практически в любую систему отопления, при выполнении стандартных условий (использование воды в качестве теплоносителя, исключение ее закипания в системе и гидроударов).
• Мощность (или теплоотдача) одной секции алюминиевого радиатора системы отопления очень велика — до 230-ти Вт. Такая теплоотдача (тепловая мощность) позволяет обогреть комнату в кратчайший срок. Это достигается благодаря высокой способности алюминия к теплопередаче. Параметр «мощность» играет наиважнейшую роль при расчете того, сколько необходимо установить радиаторов. Числовые размеры этой характеристики для одной секции можно  найти в паспорте прибора.
• Температурный диапазон нагревания воды в алюминиевом радиаторе превышает 100⁰ C.
• Объем секции. Для заполнения алюминиевых радиаторов требуется гораздо меньший объем теплоносителя, чем, например, для чугунного прибора такой же мощности. Это дает экономию на работе обогревательных котлов и большую скорость движения воды, благодаря чему алюминиевые приборы почти не засоряются.
• Вес одной секции алюминиевых приборов намного меньше, чем стальных либо чугунных, имеющих такие же технические размеры. Поэтому они не требуют дополнительного усиления стены, к которой крепятся приборы. Это наиболее важно для вертикальных радиаторов, имеющих большие размеры и содержащих больший объем воды.
• Дизайн алюминиевых радиаторов позволяет им гармонично вписываться в интерьеры любого дизайна. Компактные размеры секции и нейтральный цвет могут сделать их как практически незаметными в вашей комнате, так и выполняющими дополнительные декоративные функции.
• Срок службы алюминиевых приборов — 15-20 лет.

Недостатки отопления из алюминия

Недостатками алюминиевых батарей являются:

• Слишком низкая величина такого параметра, как рабочее давление теплоносителя в приборе. Это не исключает разрыва батареи при большом напоре воды, что бывает в системах центрального отопления. Впрочем, в системах автономного отопления малоэтажек давление воды всегда остается в норме (не бывает гидроударов), и здесь можно смело пользоваться алюминиевыми приборами.
• Возможность вялотекущих химических реакций внутри прибора, при которых образуется нежелательный объем газа. Для исключения последствий такого газообразования необходимо устанавливать автоматические воздушные клапаны в верхней части батареи, которые в нужный момент сбросят столько воздуха, сколько нужно.

Впрочем, эти недостатки с лихвой компенсируют такие высокие технические характеристики алюминиевых аппаратов, как хорошая мощность (теплоотдача), рабочее состояние без частых промываний и отличный внешний вид. Кроме этого, они не требуют регулярной покраски, что не умаляет их эстетичность и достаточно долгий срок службы.

Особенности монтажа и уход

При установке алюминиевого радиатора в систему отопления и последующем пользовании нужно помнить, что:

• При планировании устройства отопления потребуется расчет количества секций. Он индивидуален для каждого вида батареи, поэтому вам потребуется информация о том, какая мощность у выбранного вами прибора.
• Установка радиатора требует соблюдения некоторых числовых параметров: расстояние до подоконника не менее 10-ти см, а до пола — не менее 6-ти см.
• Прибор не должен касаться стены, до нее должно быть не менее 3-х см.
• Возможность гидроударов, т.к. излишнее давление теплоносителя может повредить прибор.
• Разные способы подключения (верхнее, нижнее, диагональное, боковое).

Внимание! Не забудьте, что при нижнем и особенно однотрубном подключении теплоотдача прибора снижается на 10-20 %.

В интерьере

Мощность секции алюминиевого радиатора и количество секций для помещения

Радиаторы отопления – один из важных элементов отопительной системы, их функция заключается в проведении тепла в жилые помещения, в том числе квартиры, коттеджи, дачи, офисные и промышленные территории. Теплоотдача отопительного радиатора зависит от таких показателей, как конвекция и излучение.

Если пространство более 20 кв.м., необходима установка дополнительного радиатора.

Тепловые характеристики алюминиевого радиатора отопления

Конвекция – это естественный самостоятельный перенос тепла, который свойственен жидкостям и газам при перемешивании, которое происходит при нагревании. Естественная конвекция малоэффективна, поэтому с целью повысить коэффициент теплоотдачи в современных системах отопления наиболее часто используют принудительную конвекцию. Осуществляется этот процесс с помощью циркуляционного насоса. Таким образом, воздушные массы, находящиеся в непосредственной близости к поверхности радиатора, нагреваются и поднимаются вверх, а на их место поступает холодный воздух. Именно так происходит конвекционное нагревание воздуха в отдельной комнате.

Излучение – это передача тепловой энергии инфракрасным излучением, которая осуществляется через воздух. Излучение характерно для нагревательных процессов, в том числе обогрев от огня (костер или камин), от спиральных электронагревателей, также и от поверхности радиатора отопления. Передача тепла при помощи излучения напрямую зависит от температуры нагрева самого отопительного прибора(батареи).

Алюминиевые радиаторы отопления – виды, рабочие характеристики, объем, мощность, теплоотдача

К алюминиевому радиатору можно установить терморегулятор и управлять тепловым потоком.

Алюминиевые радиаторы имеют 2 вида – радиаторы из первичного алюминия и вторичного, то есть первый вид изготавливается из чистого сырья, а второй вид переплавляется из вторичного сырья (лома, грязных сплавов). Естественно, батареи из чистого сплава стоят дороже, но они более надежные, качественные и имеют длительный срок службы.

Алюминиевые радиаторы, независимо от фирм-производителей, имеют секционную структуру и 2 основных варианта конструкции – литые и экструзионные. В литых моделях каждая секция сделана отдельно, а экструзионные выполнены по технологии соединения 3-х частей, и вместо сварки отдельных секций используется склеивание или скручивание болтами.

Рабочие характеристики – это один важнейших критериев при выборе модели радиатора. К рабочим характеристикам относятся рабочее давление и мощность теплоотдачи отопительного прибора. Рабочее давление – показатель давления воды-теплоносителя, который выдерживает прибор без риска разрыва и повреждения. Современные производители указывают рабочее давление от 6 до 16 атм. Батареи с низким показателем давления могут быть использованы в системах отопления, где давление теплоносителя контролируется самим пользователем, и риск скачков давления сведен к нулю (частный дом, квартира, дача, коттедж). Чем выше показатель рабочего давления, тем надежнее и прочнее радиатор, так при установке радиатора в коммунальной системе отопления, где риск внезапного повышения давления (гидроудара) вполне ожидаем, лучше брать приборы с высоким показателем рабочего давления.

Читайте также: Чем лучше утеплить дом снаружи
Подробнее о подключении терморегулятора
Установка терморегулятора на радиатор отопления – читайте здесь.

Примеры установки радиаторов

Теплоотдача характеризует количество тепла, которое может отдать одна секция радиатора. Секция алюминиевого радиатора имеет стандартный размер 110-140 мм в глубину, высоту 350-1000 мм, толщину стенки 2-3 мм, объем для теплоносителя 0,35-0,5 л, площадь нагревания 0,4-0,6 кв.м.;. Теплоотдачу алюминиевого радиатора на 50-60% составляет излучение, 40-50% конвекция.

Высокая теплоотдача такой батареи обеспечивается тем, что алюминий обладает высокой теплопроводностью, которая в 3 раза превышает показатели стали и чугуна, а также конструкцией радиатора.

Применение тонких поперечных ребер во внутренней части каждой секции призвана увеличить и без того высокие показатели теплоотдачи прибора в системе отопления. Такое устройство алюминиевой батареи позволяет увеличить теплоотдачу на 80%. Также преимуществом конструкции алюминиевых батарей являются широкие водные каналы, которые обеспечивают отличную и надежную теплопередачу, даже при теплоносителе низкого качества. Максимальная температура теплоносителя (воды внутри отопительной системы), которую выдерживают алюминиевые радиаторы, составляет 130°С.

Вернуться к оглавлению

Рассчитать мощность секции батареи

Расчет необходимой мощности радиатора.

Тепловая мощность одной секции алюминиевой батареи, объем которой 0,5 л, декларируется производителями на уровне до 180 Ватт, реально при температуре воды-теплоносителя 65-70°C она составляет не меньше 140 Ватт. Просматривая характеристики радиатора, потенциальные покупатели могут увидеть формулу теплоотдачи ∆t 70 °C – 160/200 Вт.

Обозначение ∆t представляет собой разность между средней температурой воздуха в помещении и усредненной температурой в отопительной системе. То есть для показателя ∆t 70°C будет применимы температура воздуха в помещении 20°C, а средняя температура в системе отопления должна составлять 100°C при подаче и 80°C в обратке, но такие цифры в реальности вряд ли возможны.

Поэтому при расчете теплоотдачи одной секции корректно брать показатель ∆t 50°C. Если взять среднюю секцию батареи, размер которой 100х600х80 мм, то она может обогреть около 1,5 кв.м. площади, что соответствует теплоотдаче 140-160 Ватт. При подборе необходимого количества секций для конкретной комнаты необходимо учитывать расположение и состояние стен данного помещения. Если это угловая комната или одна из стен по каким-то причинам сильно промерзает, то соответственно эти факты нужно учитывать.

Кроме того, рассчитать количество секций батареи со стандартными харктеристиками (объем, теплоотдача) можно по следующей формуле К = S*100/P, где К – число необходимых секций, S – площадь отапливаемого помещения, Р- мощность одной секции. Если брать среднюю мощность секции 150 Ватт и площадь комнаты 25 кв.м., то расчет будет выглядеть так 25х100/150. Получается, что для эффективного отопления комнаты в 25 кв.м., нужно 16 секций. По такой формуле можно рассчитать объем необходимого количества секций для помещения любой площади.

Алюминиевые радиаторы являются одним из самых распространенных на сегодняшний день видов батарей, которые используются как в общих коммунальных, так и в индивидуальных системах отопления. При установке данного вида радиаторов необходимо строго придерживаться правил монтажа, чтобы исключить действие коррозии, учитывать рабочее давление в системе, а расчет мощности и количества секций производить при учете особенностей и условий данного помещения.

Объем воды и другие характеристики радиаторов отопления

Определение объема воды или другого теплоносителя в радиаторе – важный этап проектирования отопительной системы собственного загородного дома. 

Зачем знать объем теплоносителя в батареи

Расчет объема теплоносителя в батарее делают для того, чтобы:

• выбрать правильное крепление радиатора. Оно должно выдерживать не только вес изделия, но и вес воды, которая заполняет все внутреннее пространство. Вес жидости равен объему;
• выбрать котел нужной мощности. Если он будет слабым, он будет создавать малое давление, и вода будет двигаться медленно;
• выбрать расширительный бак необходимого объема. Многие отказываются от этого элемента. Однако его лучше использовать, поскольку он компенсирует давление, созданное увеличенным в объеме нагретым теплоносителем. Например, при нагревании объем жидкости растет на 4%. Если ей некуда деться, то давление на батареи и трубы растет. Рано или поздно тепловое расширение «порадует» протечкой;
• определить общую потребность в теплоносителе. Для этого нужно учесть внутренний объем труб с малым гидравлическим сопротивлением, а также объем нагревательного котла, способного создать нужное давление;
• выдержать верную концентрацию антифриза. Это касается тех случаев, когда вода будет смешиваться с антифризом. Такое делать можно, и в некоторых случаях образованная жидкость для радиаторов отопления замерзает при более низких температурах, чем 100% антифриз;
• подобрать тип циркуляции. Теплоноситель может двигаться естественным способом (сверху вниз) или перемещаться под давлением, созданным насосом. Естественный тип циркуляции выбирают в случае батарей с большим внутренним объемом и малым сопротивлением нагретой жидкости. Что касается второго типа, то размер и вес батарей значения не имеет.

Способы расчета объема

Величину внутреннего пространства батарей можно определить двумя способами:

1. Заглянуть в техническую документацию и найти среди указанных характеристик нужную цифру. Далее необходимо провести простые математические операции.
2. Залить воду и измерить ее объем или вес.

Определяем объем с помощью документации

Начальные цифры можно взять, как из документации с техническими характеристиками, так и из специальных составленных производителями таблиц. В обоих случаях указывается определенный показатель, которому соответствует такой объем воды, который может уместиться в погонном метре радиатора.

Этим показателем является межосевое расстояние. Под ним понимают расстояние, которое разделяет верхний и нижний коллекторы. Многие производители выпускают батареи, соблюдая стандартные значения межосевого расстояния. Чаще всего оно составляет 30 и 50 см.

Расчет объема воды предусматривает такие шаги:

1. Определение длины панельных радиаторов или количества секций алюминиевых или биметаллических батарей с гладкими внутренними стенками (такие стенки позволяют снизить гидравлическое сопротивление).
2. Определение объема воды на погонный метр. Для этого в таблице смотрят на межосевое расстояние. Напротив его величины ищут объем воды. Если устройство для отопления секционное, то узнают, сколько воды может поместиться внутри одной секции.
3. Умножение полученных величин.

Этот метод сложно использовать для трубчатых радиаторов и батарей, выполненных по индивидуальным заказам. Это потому, что для первых устройств производители используют различные, прошедшие проверку на ГОСТ, трубы. Они имеют разные диаметры, толщину стенок и длину. Поэтому таблиц с усредненными значениями объема и расстояния между коллекторами нет. На помощь может прийти документация с техническими характеристиками и составленная производителем таблица. В ней кроме межосевого расстояния также может указываться сопротивление нагретой жидкости и вес устройства с этой жидкостью.

Для устройства отопления, изготовленного по желанию клиента, может и не быть технической документации с очень детальными характеристиками. Ведь оно выпускается только в малой партии, и нет смысла высчитывать все характеристики, включая объем и сопротивление воде.

Усредненные значения объема

Для примера взяты радиаторы с межосевым расстоянием 500 мм. Объем таков:

• 1,7 л на каждую секцию рассчитанного на большое давление чугунного радиатора ЧМ-140;
• 1 л на каждую секцию этой же батареи нового образца;
• 0,25 л на каждые 10 см панельного устройства типа 11. Для конструкций с двумя и тремя рассчитанными на небольшое давление панелями этот показатель составляет 0,5 и 0,75 л на 10 см;
• 0,45 л на каждую легкую по весу секцию батарей из алюминия;
• 0,25 л на одну секцию биметаллического радиатора.

Универсальный метод

Он подходит для любого типа нагревательного устройства с любым межосевым расстоянием.

Измерение осуществляют так:

1. Устанавливают заглушки на два нижних отверстия.
2. Наливают воду до тех пор, пока она не начнет вытекать из второго свободного отверстия.
3. Ставят заглушку на этом отверстии и медленно заливают воду до тех пор, пока вся батарея не будет полностью заполнена. Во время наливания подсчитывают количество вылитых емкостей. Это можно делать и во время спускания воды из радиатора. Придется спускать воду в ведро или что-то другое и потом ее выливать.
4. Умножение количества вылитых емкостей на их объем. Конечная цифра является объемом батареи.

Алюминиевые радиаторы отопления и их особенности

Алюминиевые радиаторы отопления и их особенности.

В последнее время на рынке отопительных устройств всё большую популярность приобретают алюминиевые радиаторы отопления. Став преемником чугунных, они обзавелись современными формами, стильным дизайном и, что самое главное – удачными эксплуатационными параметрами. В сравнении со многими другими видами радиаторов они считаются более эффективными. Причина — высокая теплоотдача алюминия, из которого эти отопительные приборы производятся. Благодаря этому они способны быстро нагреть помещение. В то же время они также быстро остывают при отключенном отоплении, так как в них помещается небольшой объем теплоносителя. Эти свойства позволяют быстро корректировать температуру в помещении. Например, зимой можно быстро прогреть помещения при заморозках, а при резком наступлении потепления также быстро предотвратить повышение температуры.

Начать стоит с универсальности этих приборов – они пригодны для монтажа как в закрытых, так и в открытых отопительных системах. Для алюминиевых радиаторов рекомендуется установить термоголовки для автоматического регулирования проходимости нагретой воды. Тем самым мы можем добиться комфортной температуры в том или ином помещении. Тепловая мощность алюминиевого радиатора небольшая, поэтому термоголовка отреагирует на изменение температуры нагретой воды буквально за 5-10 минут – откроет или прикроет проходимость горячей воды. Особенность работы алюминиевых радиаторов отопления состоит в том, что примерно половина генерируемого ими тепла отдается вследствие излучения, а вторая половина — конвекцией. Сочетая оптимальным способом эти два метода теплопередачи, подобные отопительные приборы наиболее эффективно генерируют тепло в квартире или доме.

Достоинства алюминиевых радиаторов отопления.

1. Высокая теплоотдача. Наличие более тонкого, чем у стальных (и тем более – чугунных) радиаторов оребрения, которое технологически смонтировано внутри корпуса, значительно повышает эффективную поверхность отдачи тепла. При значительной площади теплосъёма и компактности алюминиевого радиатора объём теплоносителя будет меньше, следовательно, повышается возможность теплорегулирования при одновременном снижении теплоинерционности прибора. Таким образом, изменения в действии радиатора будут заметны уже через несколько минут, чем обеспечивается большая экономия тепловых ресурсов.

2. Небольшой вес. Данное обстоятельство облегчает установку таких радиаторов, а меньшие габариты позволяют «вписывать» отопительную систему даже в небольшие по площади помещения.

3. Наличие многостадийной антикоррозионной защиты. Известно, что алюминий является химически активным металлом, как следствие, только наличие оксидной плёнки предотвращает его коррозию. Поэтому рабочие поверхности элементов алюминиевых радиаторов подвергают антикоррозионной обработке, что увеличивает срок их эксплуатации.

4. Повышенная надёжность и эффективность в работе. В алюминиевых радиаторах применяются увеличенные сечения проходных трубок, соединяющих между собой отдельные коллекторные секции, что уменьшает зависимость работы радиатора от качества теплоносителя. Интенсификации теплообмена способствуют также достаточно высокие значения рабочего давления – до 18 атмосфер.

5. Элегантный дизайн. Внешний вид современных приборов отопления очень практичен — строгие прямоугольные формы. Разнообразие конструктивных решений предоставляет возможность потребителю подобрать такую модель отопительного прибора, которая по своему внешнему виду впишется в интерьер любого помещения.

Если говорить кратко о достоинствах алюминиевых радиаторов, то это легкость, компактные габариты, внешний вид, самый большой уровень теплоотдачи, а также высокое рабочее давление, их не нужно красить, так как они окрашены изначально у производителя. Поэтому не нужны дальнейшие затраты на краску, растворитель и не нужно каждый год обновлять поверхность радиатора. Из-за высокой теплоотдачи циркуляция воздуха в помещении происходит быстрее, тем самым нагрев помещении идет равномерно по всей площади.

Выбирая радиаторы отопления алюминиевые, цена которых относительно невысокая, следует знать и о недостатках. Один из них заключается, прежде всего, в возможной коррозии во внутренних каналах. Коррозия появляется из-за разнотипных металлов, с которыми алюминий может вступить в химическую реакцию, например с таким металлом как медь. Поэтому рекомендуется соединять систему пластиковыми трубами и заливать в эту систему дистиллированную воду или специальную жидкость. В таком случае продлевается срок эксплуатации. При не соблюдении определенных правил, отопительный прибор подвергается коррозии и дальнейшему разрушению. Именно такие факторы влияют и на отопительное оборудование. В процессе это начинает влиять на расход топлива и эффективность самой системы.

При правильно смонтированной системе с алюминиевыми радиаторами внутри происходит реакция и создается оксидная пленка на стенках каналов прибора. Поэтому вода либо жидкость не соприкасается напрямую с металлом, и не происходит реакция, приводящая к коррозии металла. Тем самым не нарушается сама работа нагревательного оборудования и не забивается система.

Лучше всего использовать алюминиевые радиаторы в системе автономного отопления, потому что радиаторы этого типа рекомендуются использовать при температуре воды от 45 до 60 градусов, так как у них высокая теплоотдача, температура ближе к 85 градусам является некомфортной. Эти радиаторы не боятся влаги и конденсата, поэтому их можно устанавливать в ванной комнате или в комнате с повышенной влажностью, в том случае если нет дефектов на наружных поверхностях радиатора. Эти радиаторы рассчитаны не только высокое давление, но и на давление низкое.

Алюминиевые радиаторы можно использовать и для других систем отопления при правильном расчете и в соответствии с требованиями эксплуатации, например для центрального отопления, и отопления на твердом топливе. Неважно, какая система для них используется, важно соблюдать все технические и механические характеристики для наилучшей и экономной эксплуатации систем с алюминиевыми радиаторами.

технические характеристики, размеры и объем секций, срок службы

Технические характеристики алюминиевых радиаторов отопления максимально приспособлены для обогрева зданий с различными отопительными системами — как центральными, так и автономными.

Варианты

Данный тип радиаторов изготавливается из сплава алюминия с кремниевыми добавками, спрессованными в виде обычных секций или коллекторов. Бывают в двух основных вариантах:

• литые, когда каждая секция сделана отдельно;
• экструзионные, когда секции состоят из трех элементов, соединенных между собой болтами.

Секции производятся методом литья под высоким давлением и соединяются изнутри при помощи специальных резьбовых элементов. Далее соединения герметизируются с применением паронитовых прокладок, высокотемпературного силикона или иных материалов.
Также производитель предлагает и панельные алюминиевые батареи.

Наиболее популярными стали алюминиевые радиаторы, размеры которых в глубину достигают 100 мм, в высоту от 350 до 1000 мм.

Особенности

У данного типа радиаторов есть несколько особенностей. Во-первых, алюминиевые батареи нуждаются в воде определенной кислотности (уровень рН) — для стальных радиаторов кислотность воды не имеет значения.

Во-вторых, рынок наполнен множеством моделей как отечественных, так и импортных производителей. При выборе нужно учесть, что иностранные алюминиевые радиаторы обычно имеют лучший дизайн и компактные размеры, но их установка возможна лишь при наличии в доме современной системы отопления: в противном случае их срок службы окажется очень коротким.

Пример моделей радиаторов одного популярного производителя.

Теплоотдача

Половину тепла алюминиевые радиаторы отдают в процессе излучения, а вторую половину — с помощью конвекции (воздушной циркуляции снизу вверх). Теплоотдача алюминиевых радиаторов увеличивается за счет ребристой поверхности внутренней части секций.

Параметры

Алюминиевые радиаторы имеют следующие технические характеристики:

• рабочее давление в системах порядка 6-25 атмосфер;
• испытательное давление — порядка 30 атмосфер;
• максимальная температура теплоносителя — порядка 130оС.

Если говорить о размерах, то главным параметром для алюминиевых радиаторов является расстояние между осями: как правило, оно составляет 35 или 50 см. А вот длина не ограничена: чем длиннее радиатор, тем больше объем секций и, соответственно, их мощность. Этот параметр при покупке батарей определяется в соотношении с обогреваемой площадью.

Пример характеристик.

Достоинства

Алюминиевые батареи в эксплуатации имеют следующие положительные технические характеристики:

• позволяют экономить до 35% топлива, а само устройство компактно, и представлено в разных дизайнерских решениях;
• терморегулирующее устройство реагирует на малейшие изменения в температуре воздуха, поддерживая комфортный режим;
• высокий уровень теплоотдачи благодаря уменьшенному объему теплоносителя – помещение нагревается через 10-15 минут после запуска отопительного устройства.

Недостатки

Алюминиевые радиаторы отопления имеют и отрицательные характеристики:

• риск возникновения течи между секциями в случае нарушений в работе системы отопления;
• концентрация тепла на ребрах;
• подверженность коррозии;
• низкая конвективная способность и высокая вероятность газообразования.

Последний минус особенно опасен – даже небольшой объем воздуха может привести к полному выходу отопительной системы из строя. Поэтому обязательно нужно установить автоматический отводчик!

Предотвратить коррозию, которая связана с активностью металла, помогает использование оксидной, химически неактивной пленки, а также дополнительная антикоррозионная подготовка.

Из металла высокой очистки

Интересны анодированные батареи, которые изготавливаются из алюминия высокой степени очистки и последующим оксидированием анодом. Это позволяет менять структуру алюминия и делает его устойчивым к коррозии.

Внутренняя поверхность батареи становится гладкой, благодаря соединению анодированных радиаторов наружными муфтами, а не ниппелями. Теплоотдача анодированных моделей существенно выше, чем у простых, а рабочее давление составляет 50-70 атмосфер.

Подбор

При выборе батарей важно правильно рассчитать число необходимых для нормального обогрева секций. Их количество напрямую зависит от размеров помещения: на 1 м2 должно приходиться 100 Вт мощности.

Расчет количества секций производится следующим образом:

1. Определяется объем необходимой общей мощности на обогрев путем умножения площади помещения на 100 Вт;
2. Полученная сумма делится на мощность секции, что и даст нужное количество радиаторов.

Приведем пример. Для квартиры площадью в 50 м2 нужно установить алюминиевые радиаторы с мощностью секции в 200 Вт. Соответственно, расчет будет следующим: 50*100/200, итог – для дома нужен объем в 25 секций.

Но это простой вариант, а на практике надо учесть и случайные факторы, а потому радиаторы – не только алюминиевые — покупаются с 20% запасом. В данном случае уместно 30 секций.

Установка

В качестве инструментария для установки достаточно приобрести универсальный набор для монтажа: специальные настенные кронштейны, заглушки, прокладки и воздухоотводы.

Главное правило установки алюминиевых радиаторов – не соединять их с трубами из меди, так как при контакте друг с другом эти металлы могут вызвать скопление воздуха. Срок службы отопительных приборов варьируется от 5 до 15 лет, а отдельные производители увеличили его до 20-25 лет.

Алюминиевые радиаторы для частного дома: какие лучше?

Алюминиевые радиаторы: особенности конструкции и производства

Выбор алюминиевых радиаторов для отопления частного дома стоит начать с изучения методов производства. В производстве батарей основным материалом используют алюминий. Прочности легкому материалу добавляют специальные кремниевые примеси. Из полученного вещества либо отливают коллектор целиком, либо создают отдельные секции. В зависимости от технологии производства различаются алюминиевые батареи для дома изготовленные по методу экструзии или литья.

В производстве батарей методом литья каждая секция отливается отдельно. Для изготовления батарей используют силумин — это особый сплав алюминия с добавлением кремния. Секции отливаются под действием высокого давления, что позволяет получить самую различную форму. Подобная батарея выдержит давление до 15 атмосфер. Также в конструкции батареи сконструированы широкие протоки для воды и утолщенные стенки.

Изготовление алюминиевых радиаторов для отопления частного дома экструзией также предполагает изготовление батареи частями. Однако по этому методу выдавливаются из алюминия только вертикальные детали. А коллектор изготавливается из силуминового сплава целиком. Такой способ изготовления батарей дешевле, чем литье. Существует один недостаток — такую батарею невозможно улучшить в процессе эксплуатации, так как батареи изготавливаются уже фиксированного размера, и добавить либо удалить дополнительную секцию нельзя.

Среди алюминиевых радиаторов для частного дома существуют батареи анодированного типа. Такие конструкции в процессе изготовления подвергаются процессу оксидирования, который позволяет получить алюминий высокого качества. Подобный материал устойчив к коррозии и прослужит дольше, чем обычная алюминиевая модель. Анодированные алюминиевые радиаторы выдерживают давление до 70 атмосфер. Следует заметить, что улучшение характеристик повлияло на стоимость. Такой радиатор стоит намного дороже обычной модели.

Характеристики батарей из алюминия

Выбор алюминиевых радиаторов отопления следует осуществлять, учитывая основные характеристики. Рассмотрим подробно каждую из них.

• Расстояние между осями. Стандартными размерами для производства батарей из алюминия стали параметры 200 мм, 350 мм и 500 мм. Такие модели найти легко. Существуют радиаторы и с большим размером. Можно найти модель с размерами до 800 мм. При выборе и покупке радиатора необходимо измерить расстояние под подоконником. Выбранная модель должна помещаться туда с запасом не менее 3 см от стены, 10 см от подоконника и пола. Если модель помещается плохо, то лучше выбрать поменьше. В противном случае циркуляция воздуха в помещении будет затруднена.
• Характеристики батарей из алюминияВ техническом паспорте указано два значения давлений. Это рабочее давление и опрессовочное. Иногда указывают еще максимальное давление. Следует знать, что это за характеристики и на какую стоит рассчитывать при выборе радиатора. Значение рабочего давления показывает возможную нагрузку в системе, при котором используется радиатор. Обычно указывается значение в 15 атмосфер. В системах городского отопления давление часто поднимается до 30 атмосфер. Поэтому алюминиевые батареи противопоказано применять в квартирах. Это идеальное решение для частного дома, где давление редко бывает больше 2-3 атмосфер. Очень важно понимать, что означает опрессовочное давление. В теплый период года, когда не нужно обогревать помещение, вода из батарей сливается. Перед отопительным сезоном нужно проверить герметичность системы. Герметичность проверяют посредством опрессовки. Это означает, что систему испытывают при давлении, которое минимум в 1,5 раза больше рабочего. Таким образом, следует выбирать алюминиевый радиатор с показателями по давлению с запасом. Тогда можно быть абсолютно уверенным, что оборудование выдержит перепады давления в системе и гидроудары.
• В технологическом паспорте указывается также теплоотдача батареи. Половина выработанного алюминиевыми батареями тепла составляют тепловые лучи. Остальной эффект достигается за счет конвекционного движения воздуха (когда теплый воздух поднимается вверх). В результате общая теплоотдача достигает весьма значительных показателей. В паспорте коэффициент теплоотдачи указан на одну секцию в ваттах. Умножим это значение на количество секций в модели и получим реальное значение теплоотдачи радиатора.

Следует знать, что на рынке обогревательных систем алюминиевые радиаторы отопления для частного дома обогнали всех своих конкурентов по теплоотдаче. Алюминий нагревается быстрее, чем чугун или биметалл. Это позволяет нагревать воду в котле до меньшей температуры, тем самым увеличивая его длительность эксплуатации. Так и котел изнашивается не так быстро, и экономится энергия для нагрева, тем самым создается дополнительная экономия финансов.

Одним из преимуществ алюминиевых радиаторов становится их дизайн. В настоящее время модели выпускаются с различным внешним видом, которые впишутся в любой интерьер.

Плюсы и минусы радиаторов из алюминия

Подводя итоги, можно выделить все преимущества использования алюминиевых батарей в частном доме:

• алюминиевые радиаторы экономичны. Они быстрее нагреваются, экономят ресурсы котла и газ или электроэнергию для нагрева;
• алюминиевые радиаторы идеальны для использования в замкнутых системах отопления частных домов. Батареи из алюминия плохо подходят для квартир, так как их рабочее давление редко превышает 30 атмосфер. Значение давления в системах централизованного отопления часто подвержено перепадам и гидроударам, поэтому гарантировать спокойную службу батарей из алюминия в квартирах крайне сложно. Однако это отличный вариант для частного дома, где давление в системе редко выше 3 атмосфер; Для квартир же используются биметаллические.
• алюминиевые радиаторы имеют широкий выбор по размерам, что позволяет подобрать их для комнаты с любой площадью;
• батареи имеют малый вес. Это отличное свойство позволяет легко их транспортировать и монтировать в доме;
• высокий коэффициент теплоотдачи. Среди всех своих аналогов батареи из алюминия бьют абсолютный рекорд по теплоотдаче. Они быстрее греются, поэтому требуют меньше ресурсов и берегут котел;
• большинство моделей оснащаются теплорегулятором, благодаря которому температуру в комнате можно изменять;
• легкость в монтаже;
• оригинальный дизайн и возможность подобрать модель, которая впишется в любой интерьер;
• цена батареи доступна широкому потребителю;

Выбирая алюминиевые батареи в частном доме, следует учесть несколько важных эксплуатационных качеств. Рассмотрим каждое из них:

• возможность утечки на межсекционных стыках. В процессе эксплуатации алюминий изнашивается, поэтому через несколько лет возможны утечки в слабых местах радиатора;
• тепло распределяется неравномерно. Основное тепло накапливается на ребристой поверхности радиатора;
• не слишком длительный срок эксплуатации. Максимально возможный гарантийный срок, который указан производителем, составляет 25 лет. Тогда как радиаторы из других материалов могут прослужить более 40 лет;
• повышенная возможность газообразования;
• главная негативная особенность батареи — это подверженность алюминия коррозийным процессам, поэтому батарею следует обработать специальным антикоррозийным раствором, который увеличит длительность эксплуатации оборудования.

Следует заметить, что алюминий подвержен действию теплоносителя. Вода с примесью, повышенной кислотностью или добавлением химических веществ агрессивной природы негативно влияет на материал батареи. Некачественная вода может значительно уменьшить срок службы алюминиевых батарей и привести к прорыву. Именно поэтому следует применять алюминиевые радиаторы только в частных домах, где нейтральная среда воды абсолютно не повредит батарее.

В поисках недорогих и качественных батарей для собственного дома радиаторы из алюминия становятся настоящей находкой. Они недороги, имеют хорошие технологические характеристики, интересный дизайн и высокую теплоотдачу. Однако подобные радиаторы следует обработать специальными антикоррозийными веществами, а также обращать внимание на качество воды в системе отопления.

Где купить

Прежде чем купить алюминиевые радиаторы отопления для частного дома, следует изучить множество возможных моделей, провести их сравнительный анализ, а также тщательно замерить пространство под подоконником. В процессе выбора у потребителя обычно возникает множество вопросов. Внести ясность в процесс выбора алюминиевого радиатора поможет консультация специалиста. Компания «Ламмин» предлагает вам свою помощь в выборе алюминиевого радиатора для частного дома. Мы занимаемся только проверенной высокотехнологичной продукцией, которая прослужит долгие годы. Вы можете получить консультацию в наших магазинах в Москве или по телефону, указанному на сайте.

В нашем каталоге представлен возможный ассортимент продукции, приобрести которую вы можете в нашем магазине в Москве либо в другом регионе, заказав доставку любой транспортной компанией. Предложение компании «Ламмин» интересны как оптовым, так и розничным покупателям. Мы имеем тридцатилетний опыт работы с системами отопления, поэтому вы можете быть уверены в нашем профессионализме. Мы заслужили доверие многих монтажных компаний в России. Выбирая нашу компанию в качестве партнеров, вы получите продукцию высокого качества, а также грамотную консультацию специалистов и помощь в выборе. Мы ждем вас в наших магазинах!

Сезонное хранение энергии в алюминии для 100-процентного солнечного тепло- и электроснабжения

Основные моменты

•

Окислительно-восстановительные циклы алюминия являются многообещающими кандидатами для сезонного хранения энергии.

•

Энергия, которая хранится химически в Al, может достигать 23,5 МВтч / м ³ .

•

Power-to-Al может использоваться для хранения солнечной или другой возобновляемой энергии в алюминии.

•

Водород и тепло могут быть получены при низких температурах из алюминия и воды.

•

≈500 кг алюминия требуется для 100% солнечной энергии в жилищах в Центральной Европе.

Реферат

Чтобы уменьшить антропогенное глобальное потепление, правительства всего мира решили резко сократить выбросы CO ₂ от ископаемого топлива в течение следующих десятилетий. В умеренном и холодном климате большие количества ископаемого топлива используются для отопления помещений и производства горячей воды зимой. Хотя на ежегодной основе солнечная энергия доступна в больших количествах в этих регионах, меньше всего солнечных ресурсов доступно зимой, когда требуется большая часть энергии.Следовательно, необходимы решения для хранения и передачи возобновляемой энергии с лета на зиму. В этой статье предлагается сезонный накопитель энергии на основе окислительно-восстановительного цикла алюминия (Al ³⁺ → Al → Al ³⁺ ). Для зарядки электричество от солнечной или других возобновляемых источников используется для преобразования оксида алюминия или гидроксида алюминия в элементарный алюминий (Al ³⁺ → Al). В процессе разгрузки алюминий окисляется (Al → Al ³⁺ ), выделяя водород, тепло и гидроксид алюминия или оксид алюминия в качестве побочного продукта.Водород используется в топливном элементе для производства электроэнергии. Тепло, вырабатываемое в процессе окисления алюминия и топливным элементом, используется для производства горячей воды для бытовых нужд и отопления помещений. Представлены химические реакции и энергетические балансы, а также показаны результаты моделирования для системы, которая покрывает всю потребность в энергии для электричества, отопления помещений и горячего водоснабжения нового многоквартирного дома с фотоэлектрической энергией на крыше в сочетании с сезонной энергией алюминия. цикл хранения.Он показывает, что для разных климатических условий Швейцарии потребуется 7–11 кВт фотоэлектрических установок и 350–530 кг алюминия на квартиру. Данные жизненного цикла окружающей среды показывают, что потенциал глобального потепления и потребление невозобновляемых первичных энергоресурсов можно значительно снизить по сравнению с сегодняшней обычной практикой отопления с помощью природного газа и использования электроэнергии из сети ENTSO-E. Предположительная стоимость была оценена и указывает на возможную экономическую конкурентоспособность этой системы в ближайшем будущем.

Сокращения

CED

Суммарный спрос на энергию

ENTSO-E

Европейская сеть операторов систем передачи электроэнергии

ESCO

Energy Service Company

GWP

Потенциал глобального потепления (IPCC 100 лет)

HHV

Более высокая теплотворная способность — общая теплотворная способность кВтч / кг)

IPCC

Межправительственная группа экспертов по изменению климата

MFH

Многосемейный дом (многоквартирный дом)

SIA

Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein — Швейцарское общество инженеров и архитекторов

TES

Накопление тепловой энергии

Министерство энергетики США

Департамент США энергии

Ключевые слова

Сезонное накопление энергии

Power-to-X

Алюминиевый окислительно-восстановительный цикл

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2019 Авторы.Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Развитие анодных материалов на основе алюминия для литий-ионных аккумуляторов

rsc.org/schema/rscart38″> Алюминий считается многообещающим кандидатом на анод для литий-ионных аккумуляторов из-за его низкой стоимости, высокой емкости и низкого равновесного потенциала для литирования / делитирования. Однако компактный поверхностный оксидный слой, недостаточная кинетика диффузии лития и существенное изменение объема анодных материалов на основе алюминия серьезно препятствуют их расширенному применению.Таким образом, значительные усилия были направлены на решение этих проблем в практическом применении. В этом обзоре мы сначала сосредотачиваемся на электрохимическом механизме накопления лития и представляем наше текущее понимание описанных реакций, объясняющих снижение производительности. Затем мы суммируем стратегии, применяемые для повышения эффективности хранения лития в анодных материалах на основе алюминия, включая конструкцию наноструктуры, модификацию поверхности, назначение сплава и оптимизацию электролита.Наконец, представлены текущие проблемы и перспективы использования анодных материалов на основе алюминия. Мы надеемся, что этот обзор дает общую картину последних достижений в области анодных материалов на основе алюминия и вдохновляет на дальнейшие исследования в будущем.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?

Немецкая фирма превратила алюминиевый завод в «виртуальную батарею»

Trimet, крупнейший производитель алюминия в Германии, испытывает технологию, позволяющую превратить свои плавильные заводы в «виртуальную батарею», способную обеспечить 1. 12 гигаватт-часов гибкой мощности.

Семейный бизнес инвестирует 36 миллионов евро (39 миллионов долларов) в двухлетнюю пилотную промышленную разработку систем, которая позволит увеличить или уменьшить потребление энергии через 120 электролизных ячеек на 25 процентов в любом направлении, на срок до несколько часов.

Пилотный проект проводится на единственной производственной линии алюминиевого завода Trimet в Эссене.

Производственная линия сможет компенсировать колебания в электросети, что упростит управление периодически возобновляемыми источниками энергии.Концепция виртуальной батареи основана на регулируемых теплообменниках, разработанных с помощью Университета Вупперталя в земле Северный Рейн-Вестфалия, которые могут поддерживать энергетический баланс в каждой электролизной ячейке независимо от изменения потребляемой мощности.

Эта технология также гарантирует, что колебания мощности не влияют на магнитные поля в электролизерах. Производительность одной тестовой производственной линии сопоставима с мощностью гидроаккумулирующей электростанции среднего размера.

«При КПД от 90 до 95 процентов виртуальная батарея намного эффективнее, чем такие технологии, как резервуары для газа или сжатого воздуха», — сказал источник в компании.«Кроме того, новые линии электропередач не нужны, поскольку завод уже интегрирован в высоковольтную сеть».

Как крупный промышленный потребитель электроэнергии, Trimet уже участвует в программах реагирования на спрос в Германии, переводя алюминиевые заводы в автономный режим на короткие периоды, когда это необходимо для стабилизации энергосистемы в условиях скачков нагрузки.

Согласно отчету Bloomberg за 2014 год, компания использует 14 мегаватт-часов энергии для производства каждой тонны алюминия.

В 2015–2016 финансовом году, который завершился в конце июня прошлого года, компания произвела 775 000 тонн продукции из алюминия и чугуна, что на 5 процентов больше, чем в 2014–2015 годах.

Trimet прилагает усилия, чтобы замаскировать воздействие на окружающую среду этого почти 100 тераватт-часового годового уровня потребления, например, перерабатывая 95 процентов всех производственных остатков и размещая ветряную электростанцию ​​с тремя турбинами на своем плавильном заводе в порту Гамбурга.

В Эссене, где Trimet производит 300000 тонн литых алюминиевых изделий в год и является крупнейшим промышленным работодателем, компания использовала пилотный проект виртуальной батареи в качестве маяка в выигравшем тендере города на получение Зеленой столицы Европы в 2017 году.

Trimet заявляет, что внедрение ее технологии на четырех алюминиевых заводах Германии, тремя из которых она владеет, могло бы обеспечить способность реагирования на спрос, равную трети от 40 гигаватт-часов гидроаккумулирующих мощностей Германии.

Тим Грейтак, аналитик по хранению энергии в Lux Research, отметил, что концепция Тримета отличается от настоящей расплавленной батареи, такой как конструкция из жидкого металла, которую разрабатывает Амбри.

Как сообщается в GTM, технология Ambri основана на экономии за счет масштаба, которой способствует современная электрометаллургия и алюминиевый завод.Но Амбри строит настоящую батарею.

«Чтобы было ясно, Trimet не делает ничего подобного, а просто экономит на том, как он покупает свою мощность», — сказал Грейтак.

«Нельзя сказать, что это плохая идея», — добавил он.

«Крупные промышленные и коммерческие диспетчерские нагрузки, такие как алюминиевые заводы, можно компенсировать с помощью программ реагирования на спрос, которые откладывают включение в периоды пикового спроса или поощряют включение в периоды низкого спроса», — сказал он.

Дорожная карта для передовых водных аккумуляторов: от дизайна материалов до приложений

Zn-основанные AB (ZnAB), первая электрохимическая батарея, восходящая к гальванической батарее, изобретенной А. Вольта в конце 19 века. С тех пор из-за очень хорошей электрохимической обратимости цинка были разработаны десятки батарей на основе цинка. В настоящее время одна треть мирового рынка аккумуляторов состоит из аккумуляторов на основе цинка, что подчеркивает их важность как источника питания для широкого спектра применений.В зависимости от катода и электролита ZnAB можно разделить на щелочные цинковые батареи (AZAB; такие как Zn-Ni, щелочные Zn-MnO ₂ , Zn-Ag и Zn-воздух), почти нейтральные Zn-ионные батареи. батареи (NZIB; такие как Zn-MnO ₂ и Zn-V ₂ O ₅ ZIB и электролитический Zn-Mn аккумулятор), а также проточные окислительно-восстановительные батареи на основе цинка (такие как Zn-Br, Zn-V, Zn-Ce и Zn-I). В последние годы в водных батареях на основе цинка были достигнуты некоторые прорывы (см. Рис. 4A). Данные о зависимости удельной емкости от рабочего напряжения для различных типов батарей показаны на рис.4B, исходя из массы катода.

Щелочные АБ на основе цинка . Щелочные батареи на основе Zn, включая Zn-Ni / Co, Zn-MnO ₂ , Zn-Ag ₂ O и Zn-воздушные батареи, которые зависят от обратимой окислительно-восстановительной реакции Zn / ZnO с окислительно-восстановительным потенциалом −1,35 В по сравнению с SHE, представляют собой старую и зрелую технологию аккумуляторов, но в последнее время они привлекают к себе большое внимание. Это в основном вызвано слабой стабильностью из-за неизбежного образования дендрита Zn, изменения формы, коррозии и пассивации. Для решения вышеуказанных проблем используются различные стратегии ( 23 ), включая легирование другими металлами (например, Bi, Sn и In) для подавления коррозии, гибридизации или модификации поверхности с помощью добавок [таких как BaO, Bi ₂ O ₃ и In (OH) ₃ и Ca (OH) ₂ ] для подавления эволюции H ₂ , геометрии и конструкции (например, Zn-волокна, стержни, стержни и листы различной толщины и длины). для смягчения изменения формы и образования дендритов цинка, а также добавок к электролитам (таких как KF, K ₂ HPO ₄ , K ₂ CO ₃ , полиэтиленгликоль и насыщенный ZnO) для уменьшения растворения Zn и ингибирования дендрита Zn были использованы.В 2017 году Ролисон и его коллеги ( 52 ) исследовали 3D-губки из цинка в качестве анодных материалов при высокой DoD (DoD _Zn ). Как показано на рис. 4C, благодаря монолитной, пористой и непериодической архитектуре Zn-губок такой 3D-анод из цинка обеспечивает высокое использование 91% DoD _Zn и не содержит дендритов с повторяющимися 50000 циклов при <1% DoD _Zn . Вдохновленные этим случаем, были разработаны различные долговечные аноды из цинка, основанные на стратегии построения трехмерного каркаса (например, нанопроволока из никеля, углеродная ткань, пена Cu и пена графен).Кроме того, квазитвердотельная конструкция не только наделяет батареи высокой гибкостью, но и стабилизирует Zn-анод, подавляя коррозию и растворение Zn-анода.

Для катодных материалов MnO ₂ как нетоксичный, недорогой, богатый землей и обладающий большой емкостью (617 мАч г ⁻¹ ) материал является многообещающим кандидатом для AZAB. В щелочных Zn-Mn батареях побочные продукты спинномозговой фазы Mn ₃ O ₄ (образованные Mn ²⁺ и материнским MnO ₂ ) и ZnMn ₂ O ₄ [образованные MnOOH и Zn (OH) ₄ ^2-9 ] накапливаются после повторных циклов при глубокой DoD, что приводит к снижению емкости и возможному выходу из строя батареи.В общем, легирование элементами Bi, Cu, Ni, Co и т. Д. Или объединение соответствующих оксидов с катодом и использование электролита LiOH является эффективным методом увеличения емкости и перезаряжаемости MnO ₂ ( 23 ). В 2017 году Банерджи и его сотрудники ( 74 ) реализовали двухэлектронное использование (617 мАч г ⁻¹ ) MnO ₂ с 6000 циклами жизни с использованием катода из би-бирнессита с интеркалированной медью. Как показано на рис. 4D, ключ к перезаряжаемости основан на окислительно-восстановительных потенциалах Cu для обратимого внедрения в слоистую структуру би-бирнессита во время процесса растворения и осаждения для стабилизации и улучшения характеристик переноса заряда.Такие стратегии электрохимической настройки беспрецедентно решают основные проблемы использования катода MnO ₂ в щелочных батареях, демонстрируя глубокое использование с высокой стабильностью.

Катодные материалы на основе Ni / Co из-за их превосходной электрохимической обратимости и приемлемой теоретической емкости широко используются для изготовления Zn-Ni аккумуляторов с конца 19 века. Среди различных АКБ Zn-Ni / Co батареи особенно выгодны из-за их уникальных достоинств более высокого рабочего напряжения (около 1.От 7 до 1,8 В; см. рис. 4B), впечатляющую теоретическую плотность энергии (~ 372 Вт · ч · кг ^-1 ), высокую мощность и низкую стоимость. Однако из-за низкого срока службы цинкового анода по прошествии более 100 лет Zn-Ni батареи продавались компанией PowerGenix (теперь называемой ZincFive Inc.) до 2003 года. Как правило, коммерческие Zn-Ni батареи получали из β-фазы Ni. (OH) ₂ катод обеспечивает плотность энергии от 70 до 100 Вт · ч кг ^-1 , пиковую плотность мощности 2000 Вт · кг ^-1 и срок службы около 500 циклов.Общие электрохимические характеристики далеко не удовлетворительны для постоянно растущего спроса на накопители энергии. Помимо плохой стабильности цинкового анода, исследователи склонны объяснять такие плохие электрохимические характеристики реактивной удельной емкостью, необратимостью и низкой электроактивностью катода на основе Ni / Co. К счастью, некоторые достижения в разработке катодных материалов на основе Ni / Co с наноархитектурой в последние годы вселили надежды. В 2014 году Дай и его сотрудники ( 75 ) представили сверхбыструю Zn-Ni-батарею высокой емкости на основе сверхтонкого катода с нанопластинчатым слоем из двойного гидроксида и углеродных нанотрубок (LDH / CNT) со слоем NiAlCo, в котором стабилизировалось совместное легирование Al и Co. α-Ni (ОН) ₂ .Благодаря высокой емкости (354 мА · ч, ⁻¹ ), высокому расходу (278 мА · ч · г ⁻¹ при 66,7 А · г ⁻¹ ) и хорошей стабильности (сохранение емкости 94% после 2000 циклов) Катод NiAlCo LDH / CNT, собранная Zn-Ni батарея обеспечивает удельную энергию 274 Вт · ч · кг ⁻¹ и удельную мощность 16,6 кВт · кг ⁻¹ вместе с хорошей стабильностью при циклировании (сохранение емкости 85% после 500 циклов ). До сих пор вдохновленные этой работой, различные материалы на основе Ni и Co, такие как NiAlCo-LDH / CNT ( 75 ), Ni ₃ S ₂ ( 76 ), Co ₃ O ₄ ( 77 ) и NiCo ₂ O ₄ ( 78 ) были тщательно исследованы для Zn-Ni аккумуляторов.

Помимо оптимизации состава, рациональный дизайн наноархитектуры (например, наночастиц, нанопроволок, наностержней и нанолистов) может обеспечить уникальные преимущества в механических и электрических свойствах, таких как более высокая площадь поверхности и более короткие пути для переноса ионов и электронов, и преодолеть присущие объемным материалам проблемы, такие как плохая электропроводность и большое объемное расширение. Кроме того, модификация поверхности, такая как покрытие поверхности PANI и легирование поверхности фосфат-ионами, может дополнительно повысить электрическую проводимость электродов ( 76 , 78 ).Однако следует отметить, что разработанные усовершенствованные автономные катоды все еще далеки от практического применения, хотя они достигли замечательной гравиметрической емкости, высокой скорости и длительного срока службы. Их емкость обычно ниже, чем 1,0 мАч см ^-2 , что намного ниже емкости промышленного уровня ∼35 мАч см ^-2 ( 79 ). Поэтому дальнейшее развитие материалов на основе Ni и Co для Ni-Zn или Co-Zn аккумуляторов, которые одновременно обладают высокой гравиметрической емкостью, высокими скоростными характеристиками и длительным сроком службы при большой массовой нагрузке, остается труднодостижимым.

Нейтральные ЗИБ . NZIB, в которых в качестве электролита используются нейтральные или слабокислые водные среды, содержащие Zn ²⁺ , в последние годы привлекают все большее внимание мировой общественности из-за их потенциала для крупномасштабного накопления электроэнергии. Еще в 1986 г. Ямамото и др. Впервые исследовали перезаряжаемую батарею Zn-MnO ₂ с катодом из MnO ₂ и анодом из Zn в электролите 2 M ZnSO ₄ . ( 80 ), но механизм реакции не ясен.До 2012 года Канг и его сотрудники ( 81 ) обнаружили обратимое интеркалирование Zn ²⁺ в α-MnO ₂ и предложили концепцию объединения NZIB с цинковым анодом и мягким ZnSO ₄ или Zn. (NO ₃ ) ₂ водный электролит. С тех пор интенсивные усилия были посвящены NZIB с целью раскрытия механизма реакции и разработки современных электродных материалов. В отличие от AZAB, накопление заряда в аноде зависит от обратимого гальванического покрытия / удаления Zn / Zn ²⁺ с окислительно-восстановительным потенциалом -0.763 В против SHE. Хотя сильная коррозия и растворение Zn устранены, самые большие проблемы заключаются в подавлении образования дендрита цинка. До сих пор были изучены различные меры, включая модификацию поверхности, структурную оптимизацию ( 37 ) и оптимизацию электролита ( 47 ) для устранения образования дендрита цинка. Например, высокопроизводительный гибкий квазитвердотельный ZIB, созданный из анода с массивом Zn на основе графеновой пены и гелевого электролита, может обеспечить долговечность в 2000 циклов при 89% начальной емкости ( 37 ).Более того, недавно Арчер и его коллеги ( 82 ) указали, что графен с низким рассогласованием кристаллической решетки для Zn эффективен при осаждении Zn с заблокированной кристаллографической ориентацией, что обеспечивает исключительную обратимость Zn анод.

Другой проблемой, которая препятствует применению NZIB, является отсутствие прочных катодных материалов-хозяев для быстрого и обратимого хранения Zn ²⁺ из-за высокой плотности заряда и большого гидратированного ионного радиуса Zn ²⁺ .До сих пор, хотя были предложены различные катодные материалы, такие как оксиды марганца, V на основе, PBA и органические материалы ( 14 ), разработка катодных материалов для ZIB все еще находится на начальной стадии. Это в основном объясняется следующими четырьмя аспектами: (i) механизм реакции все еще остается спорным, (ii) быстрое снижение емкости, (iii) неудовлетворительная удельная емкость и (iv) низкая производительность. Соединения на основе V, особенно оксиды ванадия, являются привлекательными материалами-хозяевами для хранения Zn ²⁺ .Из-за присущих им свойств множественных валентных состояний ванадия и большой структуры открытого каркаса, материалы на основе V обладают достоинствами высокой емкости (даже до 400 мАч изб. ⁻¹ ), быстрой динамикой и низкой стоимостью. Что касается механизма реакции, он обычно рассматривается как введение / извлечение Zn ²⁺ из основных материалов во время соответствующего процесса разрядки / зарядки. Недавно, при наблюдении сульфата гидроксида цинка [Zn ₄ (SO ₄ ) (OH) ₆ · nH ₂ O, ZHS] в системах Zn-V, H ⁺ также рассматривается как носитель заряда для участия в электрохимической реакции ( 83 ).На основе одновременного процесса введения / экстракции H ⁺ и Zn ²⁺ , батарея Zn / NaV ₃ O ₈ · 1,5H ₂ O, предложенная Ченом и его сотрудниками ( 51 ) обеспечивает превосходную обратимую емкость (380 мАч g ⁻¹ ) и высокую долговечность (сохранение емкости 82% после 1000 циклов). Помимо изучения механизма, необходимы дополнительные работы по усовершенствованным материалам для улучшения удельной емкости, скоростных характеристик и срока службы катода на основе V. До сих пор некоторые стратегии оптимизации, включая морфологический и структурный контроль (например, проектирование различных наноархитектур; предварительная вставка Li, Na, K, Zn, Ca и т. Д., Ионов металлов; и корректировка структурной воды), интеграция с проводящими добавками, были предприняты попытки конструирования электродов без связующего и оптимизации электролитов ( 83 ). Десятки соединений на основе V, таких как V ₂ O ₅ · nH ₂ O ( 84 ), Zn _0,25 V ₂ O ₅ · nH ₂ O ( 85 ) и Zn ₂ (OH) VO ₄ ( 37 ).В общем, оксиды на основе V могут иметь сверхвысокую разрядную емкость, превышающую 400 мАч г ^-1 , в то время как их рабочее напряжение относительно ниже, чем у материалов на основе Mn (рис. 4B). Например, батарея Zn / Zn _0,3 V ₂ O ₅ · 1,5H ₂ O, изготовленная Wang et al. ( 86 ) обеспечивает среднее напряжение разряда 0,8 В и высокую удельную емкость 426 мАч g ⁻¹ при 0,2 A g ⁻¹ вместе с беспрецедентной стабильностью при циклических нагрузках (поддерживает 214 мАч g ^{— 1} после 20000 циклов при 10 А г ⁻¹ ).

PBA, как и системы LiAB, NaAB и KAB, также могут использоваться в качестве катодных материалов для NZIB. В 2015 году Лю и его коллеги впервые предложили NZIB на основе PBA, построенный на ZnHCF ( 87 ), с относительно высоким рабочим напряжением ~ 1,7 В, разрядной емкостью ~ 65,4 мА · ч, г ^-1 , и плотность энергии 100 Вт · ч кг ^-1 . С тех пор различные другие NZIB на основе PBA, такие как CuHCF-Zn (56 мАч г ^-1 , 1,73 В), FeHCF-Zn (120 мАч г ^-1 , 1.1 В), NiHCF-Zn (56 мАч г, ^-1 , 1,2 В) и MnHCF-Zn (137 мАч г, ^-1 , 1,7 В) ( 14 ). Однако обратите внимание, что из-за низкой емкости плотность энергии NZIB на основе PBA все еще неконкурентоспособна. Помимо неорганических материалов, упомянутых выше, некоторые органические, такие как ПАНИ (191 мАч г ^-1 , 1,0 В) ( 88 ) и каликс [4] хинон (335 мАч г ^-1 , 1,0 В) ( 89 ), были разработаны. До сих пор разработка органических катодных материалов для NZIB все еще находится на начальной стадии. Благодаря широкому выбору функциональных групп и молекулярной массы остается огромный потенциал для оптимизации электрохимических характеристик органических электродов.

Оксиды марганца, с достоинствами обильных кристаллографических полиморфов (α, β, γ, δ, λ, ε и типы тодорокита), высокой теоретической емкостью (308 мАч г ⁻¹ ), низкой стоимостью и большим количеством земли , были расценены как многообещающие кандидаты в катод для NZIB. В целом, с соответствующими исследованиями различных полиморфов MnO ₂ для NZIB, в основном существуют концепции с четырьмя потоками, как показано на рис.4E о механизме накопления энергии: (i) введение / извлечение Zn ²⁺ , (ii) введение / извлечение H ⁺ с отложением ZHS, (iii) совместное введение / извлечение как H ⁺ , так и Zn ²⁺ на различных этапах заряда / разряда, и (iv) электролиз / электроосаждение MnO ₂ / Mn ²⁺ , которые систематически обобщались в отчетах ( 14 , 41 ).

Хотя механизм реакции остается спорным, первые три механизма предполагают, что сильное растворение Mn ²⁺ в процессе разряда отвечает за быстрое снижение емкости.До сих пор использовались некоторые эффективные стратегии, включая предварительное добавление соли Mn в электролит ( 50 ), покрытие поверхности [например, легированный азотом углерод ( 90 ) и PEDOT ( 91 )] и включение тесно связанных ионов. [например, K _0,8 Mn ₈ O ₁₆ ( 92 )], были использованы для подавления растворения Mn ²⁺ и повышения стабильности NZIB при циклировании. В частности, устойчивость батареи Zn-MnO ₂ к циклическому режиму может быть значительно улучшена путем предварительного добавления Mn ²⁺ , что позволяет достичь срока службы в 10 000 циклов без очевидного снижения емкости ( 93 ).Следует отметить, что такая превосходная циклическая стабильность объясняется не только стабилизированным MnO ₂ за счет подавления растворения Mn ²⁺ , но также дополнительной емкостью, обеспечиваемой повторно нанесенным MnO ₂ в процессе загрузки ( 94 ). Кроме того, большое изменение объема и структурный коллапс, вызванные многократным введением гидратированных ионов Zn ²⁺ , также приводят к быстрому ослаблению емкости. Таким образом, были исследованы различные усилия, такие как морфологический контроль пористой структуры ( 90 ), связывание с графеном и УНТ ( 95 ) и стабилизация структуры катионным легированием и интеркаляцией PANI ( 96 ).Например, нанослой MnO ₂ , интеркалированный PANI, может обеспечивать стабильную разрядную емкость около 125 мАч g ^-1 в течение 5000 циклов ( 96 ).

Несмотря на то, что был достигнут большой прогресс, как видно из рис. 4A, нынешние щелочные батареи на основе цинка и нейтральные или слабокислые батареи Zn ²⁺ показали ограниченное выходное напряжение (<1,8 В) и разрядную емкость ниже 450 мАч г ⁻¹ . В наших последних исследованиях мы обнаружили скрытый высоковольтный процесс электролиза MnO ₂ в обычном ZIB и предложили ранее неизвестную электролитическую систему Zn-Mn (см. рис.4F) через активную динамику протонов и электронов ( 41 ). Четырехступенчатый процесс электролиза MnO ₂ был впервые проанализирован расчетами теории функционала плотности. Эта Zn-Mn электролитическая система обеспечивает выходное напряжение до 1,95 В, внушительную гравиметрическую емкость около 570 мА · ч · г ^-1 и плотность ~ 409 Вт · ч · кг ^-1 на основе как анодных, так и катодных активных материалов. Опытный образец проточной окислительно-восстановительной батареи был также построен в нашей электролитической батарее Zn-Mn.Таким образом, выходное напряжение (~ 2 В), энергоэффективность (88%) и стоимость электролита [от 3 до 5 долларов США (кВт · ч) ⁻¹ ] превосходят другие интегрированные системы с окислительно-восстановительными парами AB (рис. 4G). ), такие как Zn-Fe, Zn-Br ₂ , Zn-Ce, и все ванадиевые проточные батареи ( 41 ). Ожидается, что с дальнейшими судебными разработками, такими как использование более селективного электролита, повышение эффективности Zn и эффективная конструкция проточной батареи, эта конструкция Zn-Mn электролитической батареи будет применима для практического хранения энергии и, в частности для крупномасштабного сетевого хранения энергии.

Алюминий как топливо — Краткие технические сведения

Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института, Лексингтон, Массачусетс

Батареи и двигатели внутреннего сгорания имеют определенные преимущества и ограничения. Аккумуляторы имеют простую конструкцию и работают бесшумно; однако их плотность энергии (т. е. энергия на единицу объема) низкая, а литий-ионные батареи представляют потенциальную опасность возгорания. Плотность энергии двигателей внутреннего сгорания выше, чем у батарей, но двигатели внутреннего сгорания относительно громкие и выделяют токсичные газы.

Компоненты аварийного блока питания мощностью 30 Вт на алюминиевом топливе.

Была разработана система питания, которая может обеспечить преимущества простой конструкции, бесшумной работы и высокой плотности энергии. В энергетической системе используется топливо на основе алюминия, которое потенциально более безопасно, надежно и легче заправляется, чем альтернативные варианты. Кроме того, систему питания на алюминиевом топливе проще запускать и останавливать, чем бензиновые двигатели, и система работает в экстремальных условиях, например, на дне моря.

Основной химический состав алюминия как топлива основан на реакции с водой с образованием водорода и тепла в соответствии со следующим:

2Al + 6H ₂ → 2Al (OH) ₃ + 3H ₂ O + Q (Тепло)

Эта реакция высвобождает примерно 84 МДж / л энергии (почти равномерно распределяется между тепловой энергией и потенциальной энергией в виде водорода), что более чем в два раза превышает объемную плотность энергии дизельного топлива и более чем в 3,5 раза. что лития.

Однако взаимодействие алюминия с водой является сложной задачей, поскольку очень стабильный оксидный слой, который образуется на поверхности сырого алюминия, обычно препятствует реакции, когда алюминий подвергается воздействию воздуха или воды. Этот тонкий, но непроницаемый слой является причиной того, что алюминиевые банки из-под газировки не вступают в реакцию с напитком внутри. Поскольку проникновение в этот оксидный слой или его подавление является ключом к высвобождению энергии, хранящейся в алюминии, исследователи исследовали ряд методов удаления или разрушения оксидного слоя на алюминии, включая нанесение сильных кислот, нагрев алюминия и сплавление алюминия с другими металлами. .

Концепция ингибирования оксидного слоя в этой работе заключается в обработке поверхности алюминия тонким эвтектическим (т.е. смесью двух или более соединений) слоем галлия, индия и олова. В результате этой обработки получается топливо, состоящее примерно из 98% алюминия и 2% галлия, индия и олова. Это топливо вступает в реакцию с водой в широком диапазоне температур. Но что еще более важно, это безопасное и высококалорийное топливо можно хранить без разложения со временем.

Водород, выделяемый алюминиевым топливом, можно использовать в относительно простой системе для выработки электроэнергии с помощью промышленного топливного элемента.Согласно этой концепции, вода дозируется в реакционную камеру, содержащую топливо, а водород из реакции алюминия с водой подается в топливный элемент. Если система работает на воздухе, газообразный кислород, также необходимый для топливного элемента, может быть извлечен из окружающего воздуха. Если система работает под поверхностью океана, то ей нужен отдельный источник кислорода, такой как сжатый или жидкий кислород. Альтернативы газообразному кислороду включают химические соединения, такие как хлорат натрия (который диссоциирует на хлорид натрия и кислород при нагревании) или перекись водорода (которая диссоциирует на воду и кислород в результате каталитической реакции с серебром).

Было разработано, построено и испытано несколько прототипов систем, демонстрирующих масштабируемость энергосистемы алюминий-вода в различных приложениях. Эти прототипы производили мощность от 30 Вт до 3 кВт. Самый маленький прототип выдает мощность 30 Вт и предназначен для размещения в рюкзаке спешенного полевого солдата или туриста.

Блок аварийного питания состоит из одноразовой камеры реактора, содержащей алюминиевое топливо, процессора с топливным элементом и резервуара для воды (см. Рисунок).Пакет прототипа весит 734 грамма и был разработан для выработки 30 Вт в течение 10 часов.

Настольная система мощностью 200 Вт была разработана для питания беспилотных подводных аппаратов среднего размера (БПА). Эта энергосистема UUV была построена до оптимизации алюминиевого топлива и использовала другой подход для преодоления слоя оксида алюминия. Вместо использования эвтектического покрытия на алюминии, система 200W включает резервуар с жидким галлием, в который вводится сырой алюминий. Алюминий растворяется в ванне с галлием, и когда вводится вода, алюминий вступает в реакцию с водой.В результате этой реакции образуется водород, но поскольку топливный элемент также требует кислорода и должен работать под поверхностью океана, была разработана отдельная кислородная система, в которой используется хлорат натрия.

Эта система, которая поглощает морскую воду из окружающей среды для стимулирования реакции, была разработана для питания БПА среднего размера в течение 30 дней на трех узлах, что в десять раз больше общей энергии по сравнению с литий-ионными батареями.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Николасом Пульсоном, Advanced Undersea Systems & Technology Group, по адресу Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов.У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

---

Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в апрельском выпуске журнала Tech Briefs за апрель 2018 года.

Прочитать больше статей из этого номера здесь.

Больше статей из архива читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Включение быстрой зарядки — тепловые характеристики аккумулятора (Журнальная статья)

Кейзер, Мэтью, Песаран, Ахмад, Ли, Кибо, Сантханагопалан, Шрирам, Смит, Кандлер, Вуд, Эрик, Ахмед, Шабир, Блум, Ира, Дуфек, Эрик, Ширк, Мэтью, Мейнц, Эндрю, Кройцер, Кори, Мичельбахер, Кристофер, Бернхэм, Эндрю, Стивенс, Томас, Франсфорт, Джеймс, Карлсон, Барни, Чжан, Цзюкай, Виджаягопал, Рам, Харди, Кит, Диас, Фернандо, Моханпуркар, Маниш, Скоффилд, Дон, Янсен, Эндрю Н. , Таним, Танвир, и Маркел, Энтони. Включение быстрой зарядки - тепловые характеристики аккумулятора . США: Н. П., 2017. Интернет. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2017.07.009.

Кейзер, Мэтью, Песаран, Ахмад, Ли, Кибо, Сантханагопалан, Шрирам, Смит, Кандлер, Вуд, Эрик, Ахмед, Шабир, Блум, Ира, Дуфек, Эрик, Ширк, Мэтью, Мейнц, Эндрю, Кройцер, Кори, Мичельбахер, Кристофер, Бернхэм, Эндрю, Стивенс, Томас, Франсфорт, Джеймс, Карлсон, Барни, Чжан, Цзюкай, Виджаягопал, Рам, Харди, Кит, Диас, Фернандо, Моханпуркар, Маниш, Скоффилд, Дон, Янсен, Эндрю Н., Таним, Танвир и Маркел, Энтони. Включение быстрой зарядки - тепловые характеристики аккумулятора . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.009

Кейзер, Мэтью, Песаран, Ахмад, Ли, Кибо, Сантханагопалан, Шрирам, Смит, Кандлер, Вуд, Эрик, Ахмед, Шабир, Блум, Ира, Дуфек, Эрик, Ширк, Мэтью, Мейнц, Эндрю, Кройцер, Кори, Мичельбахер, Кристофер, Бернхэм, Эндрю, Стивенс, Томас, Франсфорт, Джеймс, Карлсон, Барни, Чжан, Цзюкай, Виджаягопал, Рам, Харди, Кит, Диас, Фернандо, Моханпуркар, Маниш, Скоффилд, Дон, Янсен, Эндрю Н. , Таним, Танвир, и Маркел, Энтони. Пн. «Включение быстрой зарядки - тепловые характеристики аккумулятора». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.009. https://www.osti.gov/servlets/purl/1408689.

@article {osti_1408689,
title = {Включение быстрой зарядки - соображения по нагреву аккумулятора},
автор = {Кейзер, Мэтью и Песаран, Ахмад и Ли, Кибо и Сантханагопалан, Шрирам и Смит, Кандлер и Вуд, Эрик и Ахмед, Шабир и Блум, Ира и Дуфек, Эрик и Ширк, Мэтью и Мейнц, Эндрю и Крейцер, Кори и Мишельбахер, Кристофер и Бернхэм, Эндрю и Стивенс, Томас и Франсфорт, Джеймс и Карлсон, Барни и Чжан, Джукаи и Виджаягопал, Рам и Харди, Кит и Диас, Фернандо и Моханпуркар, Маниш и Скоффилд, Дон и Янсен, Эндрю Н.и Таним, Танвир и Маркел, Энтони},
abstractNote = {Термобарьеры аккумулятора проверены на предмет сверхбыстрой зарядки. Современные системы управления температурой для аккумуляторных электромобилей неадекватны для ограничения максимального повышения температуры аккумулятора во время чрезвычайно быстрой зарядки. Если система терморегулирования батареи спроектирована неправильно, температура ячеек может достигнуть недопустимой температуры и потенциально привести к тепловому разгону элементов. Кроме того, необходимо усовершенствовать конструкцию соединения элемента и батареи, чтобы удовлетворить ожидания потребителя в течение срока службы.Каждый из этих аспектов исследуется и решается, а также описывается, где в элементе выделяется тепло, эффективность силовых и энергетических элементов, а также какие типы решений по управлению температурным режимом аккумуляторных батарей доступны на сегодняшнем рынке. Здесь регулирование температуры не является ограничивающим условием в отношении сверхбыстрой зарядки, но необходимо учитывать множество факторов, особенно для будущих ячеек с высокой удельной плотностью энергии, чтобы соответствовать целям Министерства энергетики США по стоимости и объему.},
doi = {10.1016 / j.jpowsour.2017.07.009},
url = {https://www.osti.gov/biblio/1408689}, journal = {Journal of Power Sources},
issn = {0378-7753},
число = C,
объем = 367,
place = {United States},
год = {2017},
месяц = ​​{10}
}

Теплопередача, удельная теплоемкость и калориметрия — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните явления с участием тепла как формы передачи энергии
• Решение проблем, связанных с теплопередачей

В предыдущих главах мы видели, что энергия — одно из фундаментальных понятий физики. Тепло — это тип передачи энергии, вызванный разницей температур, и он может изменять температуру объекта. Как мы узнали ранее в этой главе, теплопередача — это движение энергии от одного места или материала к другому в результате разницы температур. Теплообмен является основой таких повседневных действий, как отопление и приготовление пищи, а также многих производственных процессов. Он также составляет основу тем, которые рассматриваются в оставшейся части этой главы.

Мы также вводим понятие внутренней энергии, которая может быть увеличена или уменьшена путем передачи тепла.Мы обсуждаем еще один способ изменить внутреннюю энергию системы, а именно выполнение работы над ней. Таким образом, мы начинаем изучение взаимосвязи тепла и работы, которая лежит в основе двигателей и холодильников и является центральной темой (и источником названия) термодинамики.

Внутренняя энергия и тепло

Тепловая система имеет внутренней энергии (также называемой тепловой энергией ) , которая является суммой механических энергий ее молекул. Внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре.Как мы видели ранее в этой главе, если два объекта с разной температурой приводят в контакт друг с другом, энергия передается от более горячего объекта к более холодному, пока тела не достигнут теплового равновесия (то есть они имеют одинаковую температуру). Ни один из объектов не совершает никакой работы, потому что никакая сила не действует на расстоянии (как мы обсуждали в разделе Работа и кинетическая энергия). Эти наблюдения показывают, что тепло — это энергия, спонтанно передаваемая из-за разницы температур. (Рисунок) показывает пример теплопередачи.

(а) Здесь безалкогольный напиток имеет более высокую температуру, чем лед, поэтому они не находятся в тепловом равновесии. (b) Когда безалкогольный напиток и лед могут взаимодействовать, тепло передается от напитка ко льду из-за разницы температур до тех пор, пока они не достигнут одинаковой температуры, что приводит к достижению равновесия. Фактически, поскольку безалкогольный напиток и лед находятся в контакте с окружающим воздухом и скамейкой, конечная равновесная температура будет такой же, как и температура окружающей среды.

Значение «тепла» в физике отличается от его обычного значения.Например, в разговоре мы можем сказать «жара была невыносимой», но в физике мы бы сказали, что температура была высокой. Тепло — это форма потока энергии, а температура — нет. Между прочим, люди чувствительны к тепловому потоку , а не к температуре.

Поскольку тепло — это форма энергии, в системе СИ единицей измерения является джоуль (Дж). Другой распространенной единицей энергии, часто используемой для получения тепла, является калория (кал), определяемая как энергия, необходимая для изменения температуры 1,00 г воды — в частности, между и, поскольку существует небольшая температурная зависимость.Также обычно используется килокалория (ккал), которая представляет собой энергию, необходимую для изменения температуры 1,00 кг воды на. Так как масса чаще всего указывается в килограммах, то килокалория удобна. Как ни странно, пищевые калории (иногда называемые «большими калориями», сокращенно Cal) на самом деле являются килокалориями, и этот факт нелегко определить по маркировке упаковки.

Механический эквивалент тепла

Также можно изменить температуру вещества, выполняя работу, которая передает энергию в систему или из нее.Это понимание помогло установить, что тепло — это форма энергии. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) провел множество экспериментов, чтобы установить механический эквивалент тепла — работа, необходимая для получения тех же эффектов, что и передача тепла . В единицах, используемых для этих двух величин, эквивалентность равна

.

Мы считаем, что это уравнение представляет преобразование между двумя единицами энергии. (Другие числа, которые вы можете увидеть, относятся к калориям, определенным для температурного диапазона, отличного от.)

(рисунок) показывает одну из самых известных экспериментальных установок Джоуля для демонстрации того, что работа и тепло могут производить одни и те же эффекты, и измерения механического эквивалента тепла. Это помогло установить принцип сохранения энергии. Гравитационная потенциальная энергия ( U ) была преобразована в кинетическую энергию ( K ), а затем рандомизирована по вязкости и турбулентности в увеличенную среднюю кинетическую энергию атомов и молекул в системе, что привело к увеличению температуры.Вклад Джоуля в термодинамику был настолько значительным, что в его честь была названа единица энергии в системе СИ.

Эксперимент Джоуля установил эквивалентность тепла и работы. По мере того как массы спускались, они заставляли весла работать на воде. Результатом стало повышение температуры, измеренное термометром. Джоуль обнаружил, что он пропорционален W и, таким образом, определил механический эквивалент тепла.

Увеличение внутренней энергии за счет теплопередачи дает тот же результат, что и увеличение ее за счет выполнения работы.Следовательно, хотя система имеет четко определенную внутреннюю энергию, мы не можем сказать, что она имеет определенное «теплосодержание» или «рабочее содержание». Четко определенная величина, которая зависит только от текущего состояния системы, а не от истории этой системы, называется переменной состояния . Температура и внутренняя энергия являются переменными состояния. Подводя итог этому абзацу, тепло и работа не являются переменными состояния .

Между прочим, увеличение внутренней энергии системы не обязательно увеличивает ее температуру.Как мы увидим в следующем разделе, температура не меняется, когда вещество переходит из одной фазы в другую. Примером является таяние льда, которое может быть достигнуто путем добавления тепла или выполнения работы трения, например, когда кубик льда трется о шероховатую поверхность.

Изменение температуры и теплоемкость

Мы отметили, что теплопередача часто вызывает изменение температуры. Эксперименты показывают, что без фазового перехода и без какой-либо работы с системой или с ее помощью передаваемое тепло обычно прямо пропорционально изменению температуры и массы системы в хорошем приближении. (Ниже мы покажем, как действовать в ситуациях, когда приближение неверно.) Константа пропорциональности зависит от вещества и его фазы, которая может быть газом, жидкостью или твердым телом. Мы опускаем обсуждение четвертой фазы, плазмы, потому что, хотя это наиболее распространенная фаза во Вселенной, она редка и недолговечна на Земле.

Мы можем понять экспериментальные факты, заметив, что передаваемое тепло — это изменение внутренней энергии, которая представляет собой полную энергию молекул.В типичных условиях полная кинетическая энергия молекул составляет постоянную долю внутренней энергии (по причинам и за исключениями, которые мы увидим в следующей главе). Средняя кинетическая энергия молекулы пропорциональна абсолютной температуре. Следовательно, изменение внутренней энергии системы обычно пропорционально изменению температуры и количеству молекул, N . Математически зависимость от вещества в значительной степени обусловлена ​​разной массой атомов и молекул. Мы рассматриваем его теплоемкость с точки зрения его массы, но, как мы увидим в следующей главе, в некоторых случаях теплоемкость на молекулу одинакова для разных веществ. Зависимость от вещества и фазы также является результатом различий в потенциальной энергии, связанной с взаимодействиями между атомами и молекулами.

Значения удельной теплоемкости обычно необходимо измерять, потому что нет простого способа их точно рассчитать. (Рисунок) показывает типичные значения теплоемкости для различных веществ.Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в 10 раз больше, чем у железа, что означает, что для повышения температуры воды на определенную величину требуется в пять раз больше тепла, чем у стекла, и в 10 раз больше. столько, сколько по железу. Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельных теплоемкостей среди всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Удельная теплота газов зависит от того, что поддерживается постоянным во время нагрева — обычно от объема или давления. В таблице первое значение удельной теплоемкости для каждого газа измерено при постоянном объеме, а второе (в скобках) измерено при постоянном давлении. Мы вернемся к этой теме в главе, посвященной кинетической теории газов.

В общем, удельная теплоемкость также зависит от температуры. Таким образом, точное определение c для вещества должно быть дано в терминах бесконечно малого изменения температуры. Для этого отметим это и заменим на d :

За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая при нормальных температурах.Поэтому мы обычно принимаем удельную теплоемкость постоянными на значениях, указанных в таблице.

(рисунок) иллюстрирует повышение температуры, вызванное работой. (Результат такой же, как если бы такое же количество энергии было добавлено с помощью паяльной лампы, а не механически.)

Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной на грузовике с веществом. Тормоза, используемые для контроля скорости на спуске, выполняют свою работу, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала ((рисунок)).Это преобразование предотвращает преобразование потенциальной гравитационной энергии в кинетическую энергию грузовика. Поскольку масса грузовика намного больше массы тормозного материала, поглощающего энергию, повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло от тормозов передавалось в окружающую среду; Другими словами, тормоза могут перегреться.

Дымящиеся тормоза на грузовике с торможением — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

Рассчитайте повышение температуры 10 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью, если материал удерживает 10% энергии от спускающегося грузовика массой 10 000 кг 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, приравниваем ее к увеличению внутренней энергии тормозов, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале.

Решение Сначала мы вычисляем изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика:

Поскольку кинетическая энергия грузовика не изменяется, закон сохранения энергии говорит нам, что потерянная потенциальная энергия рассеивается, и мы предполагаем, что 10% ее передается внутренней энергии тормозов, так что возьмите.Затем мы рассчитываем изменение температуры от переданного тепла, используя

, где м — масса тормозного материала. Вставьте указанные значения, чтобы найти

Значение Если бы грузовик ехал какое-то время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше температуры окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к очень сильному повышению температуры тормозного материала, поэтому этот метод непрактичен.Вместо этого грузовик использовал бы технику торможения двигателем. Другая идея лежит в основе новейшей технологии гибридных и электрических автомобилей, в которой механическая энергия (кинетическая и гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию в аккумуляторе. Этот процесс называется регенеративным торможением.

В задачах общего типа объекты с разными температурами контактируют друг с другом, но изолированы от всего остального, и им позволяют прийти в равновесие.Контейнер, который предотвращает передачу тепла внутрь или наружу, называется калориметром, а использование калориметра для измерения (обычно теплоемкости или удельной теплоемкости) называется калориметрией.

Мы будем использовать термин «проблема калориметрии» для обозначения любой проблемы, в которой рассматриваемые объекты термически изолированы от своего окружения. Важная идея при решении задач калориметрии состоит в том, что во время теплообмена между объектами, изолированными от их окружения, тепло, полученное более холодным объектом, должно равняться теплу, теряемому более горячим объектом, из-за сохранения энергии:

Мы выражаем эту идею, записывая, что сумма тепла равна нулю, потому что полученное тепло обычно считается положительным; тепло потеряно, отрицательно.

Расчет конечной температуры в калориметрии. Предположим, вы наливаете 0,250 кг воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, снятую с плиты, с температурой 0 ° C. Предположим, что теплообмен не происходит ни с чем другим: кастрюлю кладут на изолирующую подкладку, и не учитывают передачу тепла воздуху за короткое время, необходимое для достижения равновесия. Таким образом, это проблема калориметрии, даже если не указан изолирующий контейнер. Также предположим, что выкипает незначительное количество воды.Какова температура, при которой вода и поддон достигают теплового равновесия?

Стратегия Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода. Теплопередача восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и поддон соприкасаются; он останавливается, когда достигается тепловое равновесие между поддоном и водой. Тепло, теряемое кастрюлей, равно теплу, полученному водой — это основной принцип калориметрии.

Решение

1. Используйте уравнение теплопередачи, чтобы выразить тепло, потерянное алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечную температуру:
   
2. Выразите количество тепла, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру:
   
3. Обратите внимание, что и и что, как указано выше, они должны быть в сумме равными нулю:
   
4. Поместите все термины с левой стороны, а все другие термины с правой стороны.Решение для
   

   
   и введите числовые значения:
   

Значение Почему конечная температура намного ближе к, чем к? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, следовательно, претерпевает меньшее изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры. Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико.Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму).

Проверьте свое понимание Если для повышения температуры породы необходимо 25 кДж, от какого количества тепла необходимо нагреть камень?

В хорошем приближении теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж. (Как мы увидим в следующем разделе, ответ был бы другим, если бы объект был сделан из некоторого вещества, которое меняет фазу где-то между и.)

Температурно-зависимая теплоемкость При низких температурах удельная теплоемкость твердых тел обычно пропорциональна. Первое понимание этого поведения было связано с голландским физиком Питером Дебаем, который в 1912 году рассмотрел атомные колебания с помощью квантовой теории, которую Макс Планк недавно использовал для излучения. Например, хорошее приближение для удельной теплоемкости соли NaCl: Константа 321 K называется температурой Дебая NaCl, и формула хорошо работает, когда Используя эту формулу, сколько тепла требуется для повышения температуры 24.0 г NaCl от 5 К до 15 К?

Решение Поскольку теплоемкость зависит от температуры, нам нужно использовать уравнение

Мы решаем это уравнение для Q путем интегрирования обеих частей:

Затем подставляем данные значения и вычисляем интеграл:

Значение Если бы мы использовали уравнение и удельную теплоемкость соли при комнатной температуре, мы получили бы совсем другое значение.

.