Вентиль на батарее отопления как пользоваться: регулятор, как регулировать температуру радиатора в квартире, батареи с регулятором тепла кранами, радиаторы с регулировкой

Содержание

Вентиль для батареи отопления — Микроклимат в квартире и доме

Регулировочные вентили и кран для батареи отопления

Чтобы батареи нормально функционировали, используется специальная запорная арматура. Она позволяет регулировать течение теплоносителя, увеличивая или уменьшая его объем. От правильного выбора подобного технического узла во многом зависит эффективность отопления. Вот почему так важно приобрести надежный регулирующий прибор. Чаще всего для решения таких задач используется шаровой кран для радиатора. В продаже он представлен в разных модификациях.

Какой вентиль лучше выбрать? Наши советы далее.

Разновидности прибора

Краны для металлопластика

Казалось бы, нет ничего сложного в том, чтобы пойти и выбрать качественный кран для батареи. Но не все так просто, как кажется на первый взгляд. Ведь в сантехническом магазине покупателю предложат сразу несколько разновидностей запорного механизма. Какая из них лучше? Ответить однозначно на этот вопрос сложно. А все потому, что у каждого устройства свое назначение и своя сфера использования.

Например, фланцевые шаровые краны имеют одну отличительную особенность. Она заключается в том, что вентиль можно использовать только в одном положении. Он может быть полностью открыт или закрыт. Поэтому такой клапан не сможет обеспечить среднюю проходимость теплоносителя. Ведь половинчатая регулировка невозможна.

Из-за этого фланцевые запорные механизмы устанавливаются только на трубопроводах. Для радиаторов они не подходят. Зато их конструкция хорошо справляется с нагрузкой, связанной с высоким давлением внутри трубопровода. Поэтому фланцевые краны долговечны, надежны в использовании и очень прочны.

Для радиаторов необходимо приобретать муфтовые шаровые краны. Эти запорные механизмы называются так потому, что имеют по краям резьбу. Она обеспечивает надежную фиксацию клапана на батарее. Но муфтовый вентиль можно использовать и при сборке водопроводящих магистралей, и при монтаже газопроводов.

Муфтовые краны представлены в большом ассортименте. Они отличаются друг от друга тем, что способны пропускать через свой механизм жидкость определенной плотности. И при покупке модели необходимо учитывать это обстоятельство. Как правило, все технические характеристики четко прописаны в паспорте изделия.

Какие еще краны подойдут для радиаторов?

Когда происходит монтаж радиаторов, закономерно возникает вопрос, какой регулировочный вентиль лучше выбрать. Специалисты рекомендуют отдавать предпочтение обычным шаровым запорным механизмам. Но не нужно забывать о том, что каждый радиатор должен быть снабжен еще одним элементом — игольчатым краном, известным и как кран Маевского. Что это за устройство?

Обычно подобный сантехнический прибор используется для того, чтобы спускать с батареи воздух. Теплоноситель в центральной сети всегда циркулирует неравномерно. Вместе с горячей водой в систему попадает воздух. Он формирует пузырьки, и если давление теплоносителя падает, в местах его особо низкой скорости образуется воздушная пробка, резко снижающая эффективность отопления. Устранить ее как раз и помогает вентиль Маевского. Его монтируют в верхней части радиатора.

Как работает такой регулировочный кран?

Его центральным механизмом является игольчатый клапан. Этот узел можно перемещать, используя ключ или запорный винт. Он имеет четырехгранную головку, которая легко вставляется в существующие пазы. Если ключа под рукой нет, вместо него может быть использована отвертка.

Устанавливается вентиль с противоположной стороны от входного отверстия для теплоносителя. Воздух, скопившийся внутри системы, поднимается и собирается в самой верхней точке радиатора, где установлен регулировочный кран. Если в системе есть кран Маевского, воздушную пробку легко можно удалить, приоткрыв игольчатый клапан. Его просто поворачивают на несколько поворотов против часовой стрелки, чтобы появилось характерное шипение. Как только оно прекратится, вентиль заворачивают обратно и плотно закрывают кран.

Воздух выйдет наружу через специальное отверстие. Оно может находиться либо в пластиковой прокладке, либо в самом латунном корпусе. Обе разновидности служат одинаково надежно и исправно. Однако если качество теплоносителя оставляет желать лучшего, описываемое отверстие очень быстро забивается. Поэтому специалисты рекомендуют периодически протыкать его обычной швейной иголкой. Делать это можно только при закрытом вентиле.

Обратите внимание! Если в системе отопления стоит циркуляционный насос, то перед описываемой процедурой его целесообразно выключить, подождать несколько минут и только потом включать кран Маевского. Если этого не сделать, воздушную пробку удалить не удастся. Просто воздух не успеет скопиться вверху радиаторов.

При включенном насосном оборудовании стравить воздушную пробку не получится. Под давлением через вентиль может политься вода, и будет трудно избежать потопа.

Автоматика на службе человеку

Производители все время стремятся совершенствовать свои изделия и предлагают потребителям запорные механизмы нового поколения. Обычный регулировочный кран Маевского не стал исключением. Его доработали и снабдили простейшей автоматизированной системой.

Выглядит новое ноу-хау, как обычный кран, который устанавливается на радиатор. Да и принцип работы запорного механизма остался тем же. Но если в верхней части радиатора скапливается воздух, специальный игольчатый поплавок опускается, клапан открывается, и воздух самостоятельно стравливается без участия человека. Очень удобно, не правда ли? Не нужно брать в руки отвертку и не нужно постоянно следить за состоянием радиаторов. Поставил кран и забыл о нем.

Но входное отверстие для ключа и отвертки в таком сантехническом приборе все равно предусмотрено. Случаи бывают разными, и иногда приходится действовать по старинке, стравливая воздух вручную.

Где можно устанавливать кран Маевского?

Как правило, описываемое устройство легко устанавливается на все современные виды радиаторов. Но потребители желают знать, можно ли пользоваться таким запорным механизмом, когда в наличии есть только чугунные батареи.

Автоматическую версию использовать в этом случае нельзя. Ведь чугунные стенки, хоть со временем и не ржавеют, но внутри постоянно осыпаются и покрываются слизью. От этого теплоноситель становится очень грязным.

Установка прибора на радиатор

Центральная система не снабжена фильтрами очистки, а для поддержания необходимой температуры в воду коммунальщики добавляют химические составы, которые тоже ухудшают качество горячей воды. Автоматика при таком раскладе очень быстро выходит из строя. Ежемесячно придется снимать кран Маевского и чистить его, открывая воздушное отверстие. Занятие это очень утомительное, поэтому цель не оправдывает ожиданий.

И еще один немаловажный момент! Радиаторы, подключенные к центральной системе отопления, частенько во время сезона простаивают. В это время в них скапливается большое количество воздуха. У описываемого сантехнического прибора отверстие, через которое спускается воздух, составляет всего 2 мм. Поэтому после вторичного подключения воздух из системы через такой маленький канал можно спускать часами.

Поэтому краны Маевского имеет смысл использовать только при сборке автономного отопления. На чугунный радиатор, подключенный к центральной системе, лучше поставить латунные шаровые краны, которые выпускает компания «Омес». Они способны выдержать сложные условия эксплуатации. Лабораторные испытания показали, что латунные вентили спокойно выдерживают гидравлические удары до 15 атмосфер.

Обратите внимание! В продаже можно найти отечественные краны для чугунных батарей. Они тоже имеют корпус, выполненный из латуни. Такие приборы спокойно выдерживают очень высокие температуры, поэтому их можно использовать даже при сборке паровой системы отопления.

Полезная информация для тех, кто хочет выбрать универсальное запорное устройство

Вентиль на батарее

Выбирая кран для батареи отопления. важно обращать внимание на материал, из которого он изготовлен. Запорное устройство работает в максимально агрессивной среде. Оно постоянно находится в воде, подвергается воздействию высоких температур и гидравлических ударов. Поэтому важно, чтобы материал мог выдержать все эти негативные факторы.

Чаще всего краны для радиаторов изготавливают из сплавов. Большинство моделей выполнено из латуни. Это очень прочный металл, который не боится коррозии. Но для еще большей прочности латунь сверху покрывается защитным металлическим составом. Это лучший вариант для использования в системе отопления.

Иногда вместо латунных кранов продавцы могут подсунуть их подделку — силуминовые регулировочные вентили, которые внешне, как две капли воды, похожи на оригинальные модели.

Через год эксплуатации нередко случаются поломки, способные привести к коммунальным авариям. Ведь изнутри силумин очень быстро ржавеет, и коррозия моментально разъедает корпус, делает его стенки очень тонкими. Поэтому любой гидроудар легко разрывает запорное устройство. Даже если этого не происходит, нередки случаи, когда при простом открытии или закрытии крана он просто остается в руках человека, отвалившись от основания. Если в это время внутри батареи есть горячая вода, обязательно возникнут ожоги. Поэтому остерегайтесь подделки!

Итак, кран для отопительной батареи должен быть обязательно сделан из латуни — только этот сплав легко переносит высокие температуры и гидравлические удары. Лучше выбирать шаровые запорные механизмы, которые имеют высокие гарантийные сроки и демонстрируют повышенную герметичность. Устанавливать такой кран можно и в горизонтальном, и в вертикальном положении.

Регулировочные вентили и кран для батареи отопления


Выбирая кран для батареи отопления, важно помнить, что подобное запорное устройство будет постоянно функционировать в экстремальных условиях. Оно находится в горячей воде и испытывает на себе гидравлические удары.

Источник: gidotopleniya.ru

Регулировочные краны для радиаторов отопления, установка вентиля

Слово «кран» применяют, когда речь идет о разных видах запорной арматуры. Также используют краны для батарей отопления, устанавливаемых как в квартирах, так и краны для радиаторов отопления в частных домовладениях.

Зачем устанавливают краны для радиаторов отопления

Запорная арматура выполняет следующие функции:

  • ее используют при полном отключении отдельного участка теплоснабжающей конструкции или отопительного прибора. Потребность в этом возникает при проведении ремонтных работ или изменении конфигурации системы теплоснабжения;
  • краны задействуют, чтобы отрегулировать проходимость теплоносителя в полуавтоматическом или ручном режиме и тем самым изменить температуру воздуха в помещении;
  • с ее помощью сбрасывают воздух или теплоноситель. В первом случае из отопительной системы удаляют воздушные пробки. Поскольку перепад давления в конструкции незначителен, то при возникновении в стояке или на отдельном участке контура завоздушивания, вода не сможет циркулировать по трубопроводам и батареям. В другом случае теплоноситель сбрасывают, чтобы промыть радиаторы или выполнить ремонтные работы.

Запорную арматуру устанавливают в следующих точках системы отопления:

  • на вводе теплотрассы в здание. Между ЖКХ и компаниями-поставщиками тепла существует раздел зон ответственности, при этом разграничение проходит там, где располагаются входные задвижки на трубах подачи и обратки;
  • в месте выхода из элеваторного узла;
  • на всех стояках отопления. Краны для радиаторов отопления позволяют не сбрасывать всю систему теплоснабжения в доме при необходимости ремонта или замены отдельной батареи, поскольку такое мероприятие трудоемкое и затратное. Но в ряде экстренных случаев будет быстрее сбросить и затем запустить отопление во всем доме, чем искать нужные вентили по подвалам и чердакам;
  • в частном домостроении она располагается на байпасе, который служит для переключения контура с естественной циркуляции теплоносителя на принудительное его передвижение. Для этого требуется смонтировать циркуляционный насос;
  • на некоторых отопительных радиаторах и перемычках, находящихся перед ними. Нередко потребителей интересует вопрос относительно того, зачем требуется установка кранов на батареи отопления. Но дело в том, что они позволяют повысить теплоотдачу прибора, не увеличивая его размеров, благодаря тому, что весь поток жидкости направляется через радиатор. Но что мешает просто убрать перемычку? А то, что в этом случае не будет возможности при необходимости регулировать теплоотдачу батарей;
  • в верхних точках отопительного контура. Ими могут быть соединенные попарно стояки в зданиях с нижним розливом, расширительные бачки, смонтированные наверху подающего розлива на чердачном помещении, или верхние пробки радиатора. Одним словом, краны ставят в тех местах, где возможно скопление воздуха и его нужно сбрасывать.

Правильный выбор регулировочных кранов

При создании отопительной системы самостоятельно, нужно знать, какие существуют виды запорной аппаратуры и что из них желательно предпочесть:

Элеваторный узел

В многоквартирных домах на входе и выходе из элеваторного узла системы отопления. как правило, монтируют задвижки. В их корпусе имеется два кольца из устойчивой к коррозии стали, которые опоясывают проход для теплоносителя (зеркала). Еще пара зеркал располагается на поверхности задвижки – ее подвижной части.

Когда заслонка находится в нижнем положении и опускается, она перекрывает движение воды, а вот, если она переходит в верхнее расположение, то выходит за пределы циркулирующего потока.
Для закрытия задвижки потребителю нужно вращать штурвал, который приводит в движение шток, имеющий винтовую нарезку. Обеспечить герметичность поможет сальник, набитый вокруг штока. Для отопления и горячей воды изделие должно быть графитовым. Данному устройству нет альтернативы при диаметре трубы от 50 миллиметров. Необходимо определить, какие лучше краны для радиаторов отопления.

При меньшем данном параметре рекомендуется использовать современные пробковые вентили, такие как на фото, поскольку задвижки имеют серьезные недостатки:

  • необходимо периодически набивать сальник, даже в том случае, когда задвижкой не пользуются, так как набивка, контактируя с водой, постепенно разрушается;
  • через незначительный период времени щечки начинают зарастать отложениями. Если задвижка простоит несколько лет без использования, ее невозможно будет полностью закрыть;
  • в случае возникновения аварийных ситуаций каждая секунда может оказаться решающей. Если для перекрытия пробкового вентиля потребуется буквально мгновение, то вращать штурвал задвижки придется продолжительное время, даже когда она полностью исправна.

Следует отметить, что пробковые вентили, представляющие собой шар, имеющий канал для воды, окруженный пластиковой оболочкой отличаются:

  • практичностью;
  • долговечностью;
  • надежным удержанием жидкости;
  • отсутствием потребности в обслуживании.

Специалисты-сантехники не рекомендуют приобретать и устанавливать винтовой вентиль на батарею отопления или такие же изделия любого другого типа.

У них есть существенные недостатки конструкционного решения:

  • сальник потребуется набивать периодически, если нет желания мириться с постоянной течью по штоку. Когда заменить вентиль или набить сальник сложно, то для устранения протечки вентиль нужно открыть до отказа с небольшим усилием. Течь прекратится благодаря тому, что резьба на штоке прижмет сальник:
  • резиновые прокладки для элементов отопительных конструкций имеют ограниченный срок годности. Вентиль для радиатора отопления с плоскими латунными клапанами по истечению определенного времени не держат воду по причине появления отложений на клапане и седле. Эти же запорные элементы с клиновидными клапанами из латуни после закрытия их с усилием часто заклинивает в седле;
  • все винтовые вентили устанавливают только по ходу воды. Для ориентировки на корпусе многих изделий изображают указатель – стрелку. Монтаж вентиля против водяного притока непременно завершится тем, что клапан оторвет и тогда воду перекроет намертво.

С работой клапана связана еще одна нежелательная перспектива – возможность гидроудара, если вентиль не полностью закрыт и в потоке воды возникает турбулентность, периодически перекрывающая седло.
Гидроудары – это кратковременные скачки давления, в результате которых разрушаются самые слабые участки отопительного контура.

Стояки и вентиль, отсекающий участки отопления

Рекомендации специалистов и в данном случае не отличаются оригинальностью решения, поскольку лучшим выбором считаются пробковые вентили. В стояках необходимо создать условия для сброса жидкого теплоносителя и для этой цели выбирают заглушки, но они не всегда удобны, так как довольно проблематично будет выкрутить заглушку на подающем стояке, по которому циркулирует водяной поток с температурой воды около 90 градусов.

В итоге вывод очевиден: следует поставить для сброса воды вентили.

В данной ситуации можно использовать винтовые устройства, так как они не будут иметь существенные недостатки:

  • если сальник установить правильно, он не будет иметь контакта с водяным потоком под давлением;
  • гидроудары становятся невозможными, поскольку вентиль в основном бывает закрыт;
  • чтобы заменить прокладки, не потребуется сбрасывать систему всего дома – достаточно будет остановить стояк.

 

Установка воздушников

Типичный кран для батареи отопления – это изделие Маевского. Кран представляет собой несложную конструкцию из латунного штока, в закрытом положении перекрывающим отверстие в седле, и резьбы, чтобы установить его в радиаторную пробку.

Такие краны для радиаторов отопления отличаются надежностью и в необходимости ремонта или замены нуждаются крайне редко, но:

  • их проходимость небольшая. Если поставить кран на стояк и подождать около 10 минут один раз на протяжении года, пока воздух выйдет несложно, то подобный воздушник на расширительном баке многоквартирного дома с верхним розливом устанавливать вряд ли стоит. Лучше отдать предпочтение обычному вентилю;
  • покупая кран Маевского, нужно выбирать изделие под отвертку, а не под специальный ключ, который перед запуском отопления не всегда удается быстро отыскать;
  • часть продукции данного типа позволяет выкрутить шток полностью, к сожалению, такие случаи нередки. Вкрутить шток на место, преодолевая при этом сопротивление горячего теплоносителя, никому еще не удалось.

Альтернативой крану Маевского является рассверленная радиаторная пробка или переходник с вкрученным пробковым вентилем. Иногда для данной цели задействуют обычный водоразборный кран, который ставят в перевернутом положении – носиком кверху.

Когда производится такая установка крана на радиатор отопления, нужно снять с вентиля ручку и барашек, так как маленького ребенка в доме будет привлекать яркий предмет, и он в итоге попытается его повернуть. Последствия будут малоприятными.

Промывочные краны

Сварочные промывочные краны можно приобрести в любом специализированном магазине. Состоят они из стального корпуса, длинного штока и резиновой прокладки и имеют достойный внешний вид. Их открывают при помощи пассатижей или газового ключа.

Но следует отметить, что промывочный кран на радиатор отопления – это не что иное как радиаторная пробка или переходник плюс пробковый вентиль. В процессе промывки возможно разрушение резиновой прокладки и в будущем без отключения стояков в подвале не обойтись.

Краны, регулирующие температуру батарей

Регулировочные краны для радиаторов отопления бывают следующих видов:

  • стандартными;
  • с термической головкой.

Самый удачный способ решения проблемы с температурой теплоносителя – это монтаж термостатической головки. После того, как ее отрегулировать подстроечным дросселем, она прослужит на протяжении отопительного сезона.

Регулировочный кран на радиатор отопления будет поддерживать комфортный температурный режим в помещении. Термостат монтируют на подающую нитку трубы подводки таким образом, чтобы термочувствительный элемент не подвергался нагреву за счет восходящего потока горячих воздушных масс.
Более дешевым вариантом считается дроссель, но его нужно подстраивать вручную в зависимости от необходимой степени обогрева помещений в доме, что конечно не очень удобно. Ведь и радиатор, и комнаты имеют большую инертность: температура воздуха может стабилизироваться только по истечению нескольких часов после того, как изменена проходимость дросселя.

Также для регулировки передвижения теплоносителя по трубе подводки пользуются обычным пробковым вентилем. В принципе для этого он не предназначается, но с его помощью настройка возможна.

Рекомендации специалистов

Специалисты в области теплотехники советуют:

  • для запорной арматуры не подходят винтовые вентили для регулировки, поскольку через незначительное время клапан непременно оторвется или разрушится;
  • необходимо приобретать муфтовые шаровые краны для радиаторов отопления;
  • для регулировки проходимости отопительной батареи требуется полностью открытая перемычка-байпас;
  • на второй линии подводки желательно поставить еще один вентиль, который в закрытом положении отсекает полностью отопительный прибор, после чего радиатор можно снять для ремонта.

Регулировочные краны для радиаторов отопления, установка вентиля


Регулировочные краны для радиаторов отопления: установка крана, вентиля на радиатор, какие лучше, фото и видео примеры

Источник: teplospec.com

Как пользоваться краном маевского на батарее отопления – кран для выпуска воздуха

Из статьи вы узнаете об основных способах развоздушивания батарей отопления. В материале описан подробный способ стравливания воздуха с современного радиатора, оснащенного краном Маевского.

Как спустить воздух из батареи отопления? Этим вопросом задаются жильцы типовых многоквартирных домов, когда приходит очередной отопительный сезон. За время летних профилактических работ внутрь отопительной системы попадает воздух, который препятствует равномерному прогреву радиатора. Процедуру развоздушивания системы лучше всего доверить специалистам, которые профессионально занимаются сантехническими работами.

Воздухоотводчики для систем отопления

Установленные на трубопроводе воздухоотводчики для систем отопления позволяют справиться с воздухом, появившимся в системе. С их помощью возможно вовремя спустить и отвести из труб скопившиеся в них лишние газы и воздух, обеспечив тем самым дальнейшее стабильное функционирование системы. Воздухоотводчики могут применяться в трубопроводных системах, рабочей средой в которых служит неагрессивная жидкость, как холодная, так и горячая.

В ассортименте компании «Терем» присутствует широчайший выбор ручных и автоматических воздухоотводчиков, предназначенных для систем отопления, от ведущих европейских производителей — лидеров рынка предохранительной арматуры – Itap, LUXOR, Watts.

Воздухоотводчик автоматический 1/2, 3/4

Представленные в каталоге нашего онлайн-магазина автоматические воздухоотводчики имеют различный диаметр подключения к трубопроводной системе. Например, в наличии имеется воздухоотводчик автоматический ду15 и воздухоотводчик автоматический (1/2, 3/4), цена которого весьма доступна. Также среди реализуемой интернет-магазином «Терем» продукции представлены воздухотводчики с боковым подключением и модели, имеющие прямой выпуск; ручные воздухоотводчики; угловые модели и модели с запорным клапаном. Вся предохранительная арматура данного типа изготовлена из исключительно высококачественных и надежных износостойких материалов – латуни или никелированной латуни и подходит для установки на трубопроводных системах квартир и домов.

Как убрать воздух из радиатора отопления: варианты решения проблемы

Наибольшее распространение в частных домах и квартирах получили два вида радиаторов отопления:

  • Современные (алюминий, биметалл).
  • Старые чугунные батареи.

В первом случае спустить воздух из радиатора отопления можно самостоятельно в домашних условиях, не прибегая к помощи специалистов. В конструкции такого радиатора предусмотрен специальный клапан – кран Маевского, благодаря которому можно быстро выпустить воздух из батареи и в ручном режиме провести развоздушивание системы отопления.

Если речь идет о старых чугунных батареях, то выгнать воздух из радиатора можно двумя способами – в межсезонье установить клапан Маевского (найти квалифицированного сантехника в Челябинске вы можете ).

Второй способ – выкрутить заглушку, которая находится в торце в верхней части радиатора. Главная сложность заключается в том, что раньше такие заглушки садились на паклю, а затем закрашивались. После нескольких покрасок радиатора выкрутить заглушку достаточно сложно, но при наличии сантехнического разводного ключа и грубой физической силы это реально. Чтобы стравливание воздуха из радиатора отопления не становилось ежегодной проблемой – рекомендуется установить на чугунную батарею клапан Маевского или обыкновенный кран.

Схемы подключения

Существует три основных способа подключения радиаторов к отопительной системе:

  1. Диагональный (перекрестный) тип подключения радиаторов;
  2. Боковой тип подключения;
  3. Нижний тип подключения (ленинградка).

Цифрами на схемах ниже обозначены:

  1. Кран Маевского
  2. Нагревательные приборы (радиаторы или батареи)
  3. Направление теплопотока (циркуляции теплоносителя)
  4. Гайка заглушка

Диагональная схема подключения

Такая схема может применяться и в однотрубной системе и в двухтрубной.

Диагональное подключение радиатора к системе отопления

В паспорте радиатора производитель указывает тепловую мощность прибора именно при диагональном подключении, это связано с тем, что именно при таком подключении достигается максимальная теплоотдача от каждого нагревательного прибора.

В диагональной (или перекрестной) схеме подключения батарей к общей отопительной системе, труба с горячей водой подходит сверху на одной стороне радиатора, а холодную трубу подводят снизу, с другой стороны.

Диагональное подключение, как правило, даже несколько эффективнее прямого типа.

Часто можно увидеть такую разводку в старых домах советской постройки, а также в общественных зданиях и учреждениях (школы, больницы).

Для длинных радиаторов (с длиной 10-15 секций) применяют только диагональную схему, другие не обеспечат эффективной работы, например при прямом подключении интенсивность прогрева таких радиаторов значительно ниже.

Боковая схема подключения

Наиболее часто встречается подключение труб с одной стороны радиатора. Еще это называется прямым подключением.

Боковое подключение радиаторов, подходит для двухтрубных систем

Горячая труба подключается к радиатору сверху, холодная труба – с этой же стороны снизу.

Эта схема является наиболее распространенной ввиду своей простоты и эффективности.

В двухтрубных системах отопления часто применяется именно прямая схема подключения радиаторов. Особенно если речь идет о дачах и коттеджах.

Если сравнивать с диагональной схемой, при боковом подключении теплоотдача снижается на 2-5%.

Если направление подачи воды меняется на противоположное (горячая снизу, холодная сверху), то эффективность обогрева снижается на 7%.

Боковой (прямой) способ подключения не подходит для длинных радиаторов отопления (длиной 10-15 секций), так как их мощность в этом случае не менее, чем на 10%.

Схема нижнего подключения

Такой тип подключения радиаторов еще называется «Ленинградский».

Схема нижнего варианта подключения батареи отопления

Этот способ применяется, если трубы коммуникаций проведены не вдоль стен, а по полу или рядом с плинтусом.

Для такого типа подключения существуют специальные модели радиаторов, которые предусматривают подводку труб снизу.

Нижняя схема менее эффективна по сравнению с диагональной или боковой, теплоотдача при ней снижается в среднем на 7%.

Несомненным преимуществом, при этом, является более эстетичный внешний вид батареи, поскольку все трубы расположены под полом и скрыты от обзора.

Видео с подробным объяснением схем подключения радиаторов к различным системам (однотрубная, двухтрубная, схема Тихельмана, Коллекторная схема):

Как спускать воздух из батареи с краном Маевского?

В современных радиаторах предусмотрена установка крана Маевского – специального клапана, который позволяет быстро выпустить воздух из батареи отопления.

Чтобы убрать воздух из радиатора отопления, оснащенного краном Маевского, понадобится специальный ключ для открытия клапана (в зависимости от конфигурации крана используют отвертку, плоскогубцы или стравливают воздух вручную без инструментов). Также запаситесь емкостью для стекающей воды.

Процедура удаления воздуха очень простая – аккуратно откройте кран Маевского. Вы должны услышать шипящий звук выходящего воздуха. Подставьте емкость для сбора воды под радиатор и держите клапан открытым до появления течи. Как только пошла вода – закрывайте кран Маевского. Согласно законам физики, теплоноситель «выдавит» из системы практически весь воздух, и теперь ваши батареи будут равномерно прогреваться во время всего отопительного сезона.

На нашем портале вы сможете без проблем найти профильных специалистов, которые не только знают, как спускать воздух из батареи отопления с краном Маевского, но и предоставляют другие услуги, начиная от монтажа канализации и заканчивая установкой любых инженерных систем в частном доме или квартире «под ключ».

Благодаря большому выбору вы сможете нанять мастера или бригаду специалистов для выполнения любых строительных или ремонтных работ в Челябинске и области. Определиться с выбором специалиста поможет его онлайн рейтинг на нашем портале, фотогалерея выполненных работ и отзывы от других заказчиков. Кроме того, вы сможете пообщаться с мастерами напрямую и обсудить объемы и сроки выполнения работ, а также договориться о выгодной цене на их услуги. Выбирая специалистов на одном сайте, вы экономите свое время и деньги, так как на нашем портале зарегистрированы представители всех строительных профессий.

Назначение и виды кранов Маевского

Нормальной циркуляции теплоносителя в системе может препятствовать воздух, скапливающийся в ее высших точках и в отопительных батареях. Ситуаций, из-за которых возникает воздушная пробка в системе отопления, всего две:

  • медленное заполнение или подпитка частично опорожненной системы. В этот момент завоздушиваются верхние дальние углы радиаторов и вертикальные стояки;
  • наличие большого количества растворенного кислорода в теплоносителе. Он путешествует по всей сети вместе с водой и постепенно скапливается в удобных для этого местах – верхних глухих участках батарей и труб;

Примечание. Лишний воздух в трубах отопления может собираться и на горизонтальных участках с П-образными компенсаторами или в других подобных случаях, когда из-за условий монтажа трубы образуют петли, повернутые кверху.

Чтобы избежать завоздушивания, наверху вертикальных стояков предусматриваются автоматические воздухоотводчики либо расширительный бак открытого типа. Для удаления воздуха из батарей или других каверзных мест применяется специальный ручной кран с игольчатым клапаном, изобретенный Ч. Б. Маевским еще в 30-х годах прошлого века. На данный момент изделие производится в следующих исполнениях:

  • традиционном, с наружной резьбой для монтажа в различных местах;
  • радиаторном, с колпачком из пластмассы, предназначенные только для работы с отопительными приборами;
  • комплектные устройства — шаровой кран с краном Маевского.

Автоматический кран Маевского

Ручной кран Маевского прост в эксплуатации, сложностей с ним не возникает даже у тех, кто никогда не занимался обслуживанием отопительных систем. Но в местах, где завоздушивание системы происходит регулярно, целесообразно установить автоматический воздухоотводчик. Такая проблема может случиться, если монтаж труб отопления был проведен с нарушениями. Кран с автоматической функцией удаления воздуха исключает необходимость вручную регулярно выполнять эту работу. Удобным такой вариант является для установки в труднодоступных местах.

Конструкции автоматических воздухоотводчиков могут быть различными, но принцип действия у них одинаковый. В корпусе имеется полое отделение с поплавком из пластмассы. Он при помощи флажка надавливает на шток с пружиной, доступ к атмосфере открывается, воздух выходит. Когда полость заполняется теплоносителем, поплавок надавливает на шток, закрывая отверстие, предотвращая выход воды.

Для удобства проведения ремонта в случае неисправности или замены изношенного крана, устройство оснащается отсекающим клапаном. Он вкручивается в отопительную систему, затем накручивается воздухоотводчик. Кран нажимает на флажок в клапане, исключая утечку теплоносителя. Автоматические воздухоотводчики в магазинах представлены в большом ассортименте. Они могут быть специальными, радиаторными, прямыми, угловыми. Поэтому подобрать такой элемент можно для любой отопительной системы.

Устройство разных моделей

Это устройство отличает простой принцип работы и надежность. С его помощью можно спустить излишки воздуха из магистрали отопления. Ручной кран состоит из:

  • Прочного корпуса, для изготовления которого используется латунь;
  • Игольчатый клапан из стали;
  • Кожуха из пластика.

В некоторых устройствах кожух из пластика двигается горизонтально, а в других устройствах имеется специальное отверстие на грани гайки клапана.

Ручной кран подходит для всех радиаторов и любого полотенцесушителя.

Кран Маевского открывается и закрывается путем перемещения рабочей детали клапана, используя винт, который разработан под специальный ключ.

Ключик крана Маевского – это устройство с четырехгранником внутри. Ключ производится из различных материалов. Самым надежным считается ключ из алюминия. Он в значительной мере превосходит аналоги из пластика. Алюминиевый ключ не очень надежный и не всегда может справиться со своей работой.

Покупать ключ рекомендуют вместе с радиаторами и комплектами для их подключения. Пользоваться ключом более надежно, но иногда эти инструменты можно заменить простыми пассатижами. Если использовать отвертку, а не ключ, то сломанная пластиковая накладка приведет к тому, что вода будет просто выливаться из батареи или полотенцесушителя.

Усовершенствованная вариация ручного прибора умеет встроенную ручку для открытия клапана, которая заменяет ключик.

Совет! Если упали температурные показатели радиаторов, а в системе высокая температура, то это свидетельствует, что образовался воздушный затор. Чтобы развоздушить систему, иногда ее можно не открывать. Если на термостате выставить максимальную температуру, то воздух выведет водяной поток большой скорости, чего и планировалось достичь.

Устройство автоматического воздухоотводчика

Автоматический кран Маевского устроен в форме металлического цилиндра, который имеет отверстие вверху. Кроме игольчатого клапана, внутри установлен датчик, который работает по принципу поплавка. Датчик реагирует на изменения количества собравшегося воздуха. Если собирается критическая величина воздуха, то клапан открывается. Когда лишний воздух покидает систему, клапан закрывается. Для функционирования этого прибора человеческое вмешательство не нужно.

Автоматический прибор чувствительный к засорениям воды. Узкое отверстие легко засоряется, из-за этого происходят ненужные открытия клапана, необходимо будет делать регулярную чистку. Эти засорения легко удаляются простой швейной иголкой.

Прибор с предохранительным клапаном

Это уже немного усложненный вариант модели ручного управления. Предохранительный клапан реагирует на давление воды в системе. Если давление достигает 15 атмосфер, то открывается клапан и вода выходит из отопительного контура. Это возникает при внезапных гидроударах, а клапан в такой ситуации позволяет избежать поломки элементов системы.

Советы на пользу дела

Прежде чем принимать решение о покупке устройств отвода воздуха, рекомендуется внимательно изучить схему расположения приборов в отопительном контуре.

Небольшими по размерам специальными ключами удобно пользоваться в стеснённых условиях, где применению отвёртки мешают близко расположенные иные предметы

В зависимости от степени свободы доступа к оборудованию, следует устанавливать краны Маевского подходящей модификации.

Там, где сложно работать отвёрткой, лучше подойдут модели под ключ, а где сложно работать ключами, разумно разместить автоматические устройства. Внимательный анализ поможет сделать обслуживание устройств более эффективным и сэкономить на покупке.

Автоматические воздухоотводчики традиционно монтируются на линиях трубопроводов, в точках потенциального скопления воздушных масс. На батареях отопления такие приборы, как правило, не используют

Ручные устройства имеют максимально упрощённую конструкцию, к примеру, по сравнению с автоматическими воздухоотводчиками. Но, как показывает практика, простота – залог надёжности.

Если в системе отопления используются чугунные радиаторы, надёжными для такой системы больше видятся именно ручные краны, нежели автоматы. Между тем, степень надёжности конструкции во многом зависит от качества металла (латуни), из которого сделан воздушный отводчик.

Кран Маевского в сборе на капроновой пробке. Конструкция, специально подготовленная для установки в системе, построенной на полипропиленовых трубах

Ещё можно упомянуть опыт внедрения кранов Маевского в схемы отопления, построенные на пластиковых трубах. Этот материал вполне надёжно держит стабильное давление и температуру, но слаб против гидроударов.

Установка крана Маевского в паре с предохранительным клапаном или полноценной группой безопасности повышает надёжность системы для таких случаев. И вообще, для схем, где стабильность давления под вопросом, рекомендуется применять краны в качестве стабилизаторов.

Что это такое?

Воздухоотводчик (кран Маевского), механический, применяется для сброса повышенного давления или спуска воздуха в системе подачи горячей воды и отопления. Может иметь несколько диаметров 1⁄2 или 3⁄4. В современных конструкциях отопления могут применяться автоматические краны сброса. Они имеют отличительные конструктивные особенности от механических вариантов.

В данной статье речь пойдёт о механических вариантах. Кран Маевского относится к механическим устройствам стравливания воздуха в системе. Название Маевского — это общепринятый вариант в народном исполнении. Правильно с технической точки зрения это устройство называется воздухоотводчик. Но при покупке в магазине название «кран Маевского» никого не удивит. Клиенту предложат выбор диаметра и фирму изготовитель.

Основные места использования следующие:

Многоквартирные дома. Высокоэтажные жилые комплексы. Отопительные системы жилых кварталов и административных зданий. Производственные помещения администрации (конторы, офисы).

Еще в 1931 году данное устройство придумал минский сантехник Роев. Но это была примитивная конструкция. Спустя два года инженер Маевский модернизировал или кардинально изменил конструкцию Роева. С тех пор кран получил последний вариант названия.

Устройство

Кран имеет металлический корпус с небольшим технологическим отверстием, пластиковою внутреннюю обойму. Внутри обоймы установлена конусная резьба с зажимным болтом. В пластмассовой обойме проделано отверстие спуска воды. Для удобства пользования обойма вращается на 360 градусов.

Назначение и принцип работы

Прежде чем описывать принцип работы необходимо сделать небольшое отступление, для чего был сконструирован кран Маевского. Жидкостная система отопления работает на основе законов циркуляции горячей воды в помещении по трубопроводам и батареям.

Последние используются для большей теплоотдачи от горячей воды в комнату. Когда на определённом отрезке системы возникает воздушная пробка, то кругооборот горячей воды в отдельных местах заметно уменьшается, что будет препятствовать нормальному обогреву помещения.

На ранних стадиях отопления квартир, при развоздушивании использовали обыкновенные вентильные краны. Они стояли в батареях, сверху или в верхней точке всей магистрали. Всё бы ничего, но предприимчивые владельцы многоквартирных домов решили, что с помощью вентильных кранов, можно не только спускать воздушные пробки, но производить забор горячей воды для хозяйственных нужд. Причём в неограниченных количествах.

Хорошо если это система горячего водоснабжения, а если отопление осуществляется с использованием котельных. Принцип работы котельных пунктов заключается в подаче горячей жидкости по кварталам (квартирам) в закольцованном режиме. К примеру, заправили в систему 10 тонн воды, эта десятка и должна циркулировать по принципу замкнутого цикла по радиаторам и трубам определённых абонентов. А если каждый будет отливать с системы воду, даже в малых количествах, то оборудование котельной может внезапно выйти из строя, это в худшем случае. Обычным вариантом считалась постоянная доливка жидкости в систему, что способствовало потерям времени на новый нагрев воды до определённой температуры и дополнительным финансовым затратам.

Для предотвращения «воровства» воды из радиаторов сантехнические службы ЖЕКов стали использовать кран Маевского. Функция устройства заключается на ручном спуске воздуха при помощи отвёртки.

Установка и пользование

Согласно физическим принципам процесса циркуляции воды в замкнутом пространстве, воздуховод (кран Маевского) устанавливается в верхних точках системы. Обычно это радиаторы (батареи), полотенцесушители или места непосредственно на стояках в квартирах, верхних этажей. Стравливать воздух необходимо с помощью отвёртки, откручивая винт в левую сторону. В процессе отворотов появится характерный звук шипения. Сначала можно подумать, что из-под винта хлынет струя горячей воды. Но это не так. При дальнейшем откручивании вода начнёт сочиться тонкой струйкой или будет капать.

Конструкция крана Маевского с внутренней стороны предусматривает технологическое отверстие небольшого диаметра для выхода воздуха. Поэтому шипение указывает на выход воздуха. А последующая течь жидкости указывает на то, что система освободилась от воздушного затора. Рекомендуется в процессе спуска воздуха дождаться, пока через отверстие крана не будет проходить водяная струя без шипящих звуков и характерных пузырьков воздуха.

В пластиковой обойме для выхода воздуха предусмотрено специальное отверстие. Для полного спуска воздушной пробки, рекомендуется сделать два, три оборота винта. Полностью винт выкручивать из конусной резьбы нельзя. При большом давлении его обратно будет очень сложно, а в отдельных ситуациях невозможно. Максимального эффекта можно достичь при открученном винте в несколько оборотов, а полное извлечение его из корпуса лучших результатов не даст.

Как стравить воздух при отсутствии крана Маевского?

Обычно система централизованного отопления работает без погрешностей. Но иногда могут возникнуть непредвиденные ситуации. В помещении становится прохладно, батареи издают неопределённые звуки (похожие на металлические удары из нутрии). Что вносит определённую долю дискомфорта в места проживания. Возникает естественный вопрос, что это за звуки и почему похолодало. Как правило, присутствие таких «симптомов» говорит об образовании пробки из воздуха на конкретном участке (квартире, другом помещении). Как быть, если отсутствует кран Маевского.

Завоздушенность батарей подразумевает спонтанное накопление воздуха, в батареях или полотенцесушителях. Обычно это случается в многоквартирных зданиях с большим количеством этажей. Обычно это квартиросъёмщики, последних этажей. Распространенными причинами считаются следующие варианты:

  • Проведение ремонтов на нижних этажах. В случае проведения ремонтов отопительной системы, определённое количество воздуха может попасть в рабочую магистраль.
  • Непредвиденная утечка жидкости в трубах или батареях, что потребует немедленной проверки, профилактики или восстановительных мероприятий.
    Конструкция и устройства тёплых полов (сложные схемы ответвлений в большом количестве). В частых случаях это является бичом многоквартирных зданий.
  • В воде с высокой температурой всегда содержится воздух. При частой замени жидкости в отопительном контуре котельной, постепенно собирается воздух, что повышает вероятность возникновения воздушной пробки.
  • Общий пуск отопительной магистрали в частых случаях вызывает завоздушенность в некоторых местах системы.

В частных домах эти варианты не работают. Так как система отопления имеет свои особенности и период замены теплоносителя.

Большинство квартирных радиаторов оборудуются, клапанами для стравливания: кран Маевского или автоматическое устройство. А если в квартире стоят старые батареи из чугуна, их конструкция не предусматривает использование клапана. Вместо него стоит металлическая заглушка, со старым уплотнителем и покрытая толстыми слоями краски от многочисленных окрасок.

Демонтировать ржавую заглушку практически невозможно. Единственным подходящим выходом можно назвать «поход» к соседям. У них наверняка должен стоять кран Маевского. А если соседей нет дома или место скопления последний этаж, что делать в этом случае? Остаётся последний вариант старый дедовский способ.

Главное сделать запас тряпок и приготовить глубокий таз. Далее потребуется разводной ключ (крокодил), и растворитель для краски. Сначала нанести растворитель на место установки заглушки и подождать 15 минут. После указанной выдержки по времени, плотно закрепить крокодил на гранях заглушки и методом проворачивания вверх, вниз по несколько миллиметров, постараться сорвать заглушку на резьбе. Это необходимо делать аккуратно, что бы ни отломать (сорвать) старые, ржавые резьбы заглушек и радиаторов. Для справки, заглушка откручивается против движения часовых стрелок.

Когда тело заглушки начнёт нормально откручиваться, появится звук шипение спускаемого воздуха. Нельзя заглушку откручивать до конца. В процессе стравливания из батареи может просочиться определённое количество воды, но это не страшно. После того, как шипение прекратилось, можно считать, что воздух отсутствует. Аккуратно закрепить на резьбе заглушки уплотнительный материал и произвести обратную затяжку. В конце стык, можно закрасить краской. Это единственный, актуальный вариант стравить воздух, если отсутствует кран Маевского.

Читайте так же:

Технические характеристики

Ассортимент предлагаемых на рынке изделий невелик. Причина этому проста: прибор исполняет лишь одну функцию, не требующую создания множества типоразмеров кранов для разных трубопроводов. По сей день достаточно только двух — ½’’ и ¾’’, в них диаметр крана (по резьбе) составляет соответственно 15 и 20 мм. Разновидности изделий по своему назначению мы перечислили выше, так же как и тот факт, что головки винта могут предлагаться в разном исполнении – под отвертку и различные ключи.

Примечание. Иногда пользоваться краном Маевского можно и вручную, без инструмента. Некоторые модели воздухосбрасывателей для монтажа в батареях отопления выпускаются с винтом, вращающимся пластмассовой рукояткой. Но не стоит торопиться их покупать, особенно в частный дом, где есть маленькие дети. Ребенок, случайно открутив вентиль, может получить ожоги от горячей воды.

Радиаторный вентиль Маевского рассчитан на рабочее давление теплоносителя до 10 Бар (1 МПа). Такого вполне достаточно для установки в радиаторы трехэтажного частного дома. В том случае, если расчетное давление в системе выше, то ставится традиционный кран с пределом 16 Бар (маркировка РУ16). Все изделия нормально функционируют при температуре теплоносителя до 120 ºС.

Ввиду простоты конструкции клапана Маевского срок его службы определяется лишь качеством применяемого материала – латуни. Изделие из хорошего материала спокойно служит 30 лет и более. В то же время устройства, сделанные кустарным способом, могут начать быстро протекать или сразу же треснуть при монтаже. Также устройство нормально действует в условиях, когда в качестве теплоносителя в системе используется незамерзающая жидкость вместо воды.

Как монтируют воздухоотводящий механизм?

Ручной кран Маевского является самоуплотняющимся приспособлением. В комплекте изделия присутствует уплотнительное кольцо, выполненное из каучука, поэтому нет необходимости применять какие-то дополнительные уплотняющие материалы.

Традиционно монтаж ручных клапанов для стравливания воздуха подобного типа исполняется в паре с радиаторными футорками (1 дм х ½ дм; 1 дм х ¾ дм). В качестве монтажного инструмента используют специально предназначенный для работы с футорками и пробками накидной ключ.

Ключ сантехнический накидной под установку радиаторных футорок и пробок. 1 – ключ накидной, 2 – футорка радиаторная, 3 – пробка радиаторная. С этим инструментом и деталями нередко оперируют при установке кранов, отводящих воздух

Эксплуатация кранов Маевского (воздухоотводчиков) допустима только при оговоренных в нормативах значениях давлений и температуры. Эти значения определяются технической характеристикой устройства.

Техническая характеристика воздухоотоводчика

Необходимые функциональные свойства представлены в следующей таблице:

Техническая характеристика Допустимое значение Единицы измерения
Давление (рабочее) 10 АТИ
Температура (максимум) 120 ºС
Диаметр прохода 25,4 или 20,0 мм
Диаметр резьбовой части 25,4 или 20,0 мм
Рабочая среда вода и др. неагрессивные жидкости
Срок службы 20 – 25 лет
Класс герметичности «А»

В процессе эксплуатации не исключаются нарушения в работе устройств. Частой причиной утраты работоспособности кранов Маевского становится мелкий мусор, перемещаемый теплоносителем.

Если кран засорился и утратил работоспособность, рекомендуется провести несложное техобслуживание:

  1. Отсечь радиатор от системы запорными вентилями.
  2. Выпустить из батареи примерно 1/3 объёма воды.
  3. Снять прибор с корпуса батареи.
  4. Прочистить проходное отверстие тонким (неметаллическим) острым предметом.

Системы отопления не всегда комплектуются радиаторами, на которых есть пробки с готовыми отверстиями под краны Маевского. В таких случаях терминалы под воздухоотводчики придётся делать своими руками. Особых сложностей в этом деле не предвидится. Нужно всего лишь высверлить отверстие под установочный размер крана и нарезать резьбу.

Установке кранов в корпусе чугунных батарей отопления следует уделять повышенное внимание. Здесь традиционно применяют изделия, сделанные из высококачественного надёжного материала

Отверстие высверливается сверлом по металлу с помощью дрели, а резьбу нарезают метчиком. Конечно же, диаметр сверла выбирают на 1 – 1,5 мм меньше установочного размера крана, а метчик точно под размер.

Технология установки крана Маевского на радиатор из чугуна

Установка любой модели крана Маевского начинается с освобождения системы от теплоносителя. После того, как вся вода из системы слита, работа производится в следующем порядке:

  • Необходимо выкрутить заглушку, находящуюся в верхней части батарейной секции.
  • Установить вместо нее кран. Вкручивая модель, необходимо позаботиться о герметизации отверстия. Для этой цели в комплекте устройства имеется резиновая прокладка, предназначенная для обеспечения герметичности установки. Чтобы усилить герметизацию, на резьбу крана накручивают льняные волокна, пропитанные маслом, или ФУМ-ленту.

Важно: для установки в радиаторах, изготовленных из чугуна, рекомендуется использовать кран Маевского, изготовленный из латуни. Данный материал имеет повышенную прочность.

При необходимости установки крана Маевского на старую чугунную батарею , у которой верхняя заглушка закреплена наглухо, то есть, не выкручивается, необходимо подготовить место для установки устройства. Для этого в чугунной заглушке нужно просверлить отверстие. Его диаметр должен быть чуть меньше, чем у резьбы крана.

Затем с помощью метчика в отверстии нарезается резьба, соответствующая резьбе крана. Проведя проверку соответствия резьбы, можно установить кран на место. Не следует забывать об обязательной герметизации места вкручивания устройства.

Бывает, что возникает необходимость замены крана Маевского . Для снятия старого устройства необходимо использовать два разводных ключа. Одним из них выкручивается кран, а второй в это время должен придерживать заглушку на радиаторе. Это необходимо, чтобы в момент выкручивания крана заглушка не ослабла, нарушив герметичность батареи.

Публикации по теме:

  • Водонагреватели на кран

    Данный обзор поможет разобраться с особенностями работы нагревателя воды на кран, его достоинствами и недостатками,…

  • В какую сторону открутить кран

    Из старого баллона можно соорудить различные полезные приспособления, начиная от мангала и заканчивая самодельной печкой.…

  • Течет кран на батарее

    Течет батарея отопления что делать, как устранить течь в короткие срокиСодержание:1. Течет батарея отопления -…

  • Кран балка своими руками

    3 лучших самоделки для строительства загородного дома Самостройщик, это — всегда самодельщик. Ведь при строительстве…

  • Кран для машинки стиральной

    Дата: 06.10.2015Для того чтобы подключить стиральную машину к водопроводу, необходимо провести ряд сантехнических работ. Ничего…

В какую сторону открывается кран на радиаторе?

Что-то приключилось с радиатор и не понятно, закрыли вы его или нет? Рассказываем, в какую сторону открывается кран на батареее!

Разновидности вентилей

Чтобы определить положение устройства, и узнать, как открывается или закрывается вентиль, в первую очередь требуется узнать вид установленного устройства.

В бытовых системах чаще всего устанавливаются:

  • шаровые вентили. В корпусе устройства располагается металлический шар, который является запорным механизмом. Корпус и запорный элемент, как правило, изготавливаются из прочных металлов (латуни, стали, бронзы), что обеспечивает длительный период использования устройства;

Вентиль с запорным механизмом в виде шара

  • пробковые вентили. Запорными элементами в данном типе устройств являются пробки цилиндрической или конусной формы. Корпус пробкового вентиля также изготавливается из высокопрочного металла. Устройство запорного механизма позволяет использовать вентиль в трубопроводах с агрессивными средами.

Вентиль с цилиндрической пробкой

В большинстве случаев шаровые вентили устанавливаются на системы отопления и водоснабжения, а пробковые вентили на газопровод.

Источник: http://vse-o-trubah.ru/otkrytyj-ventil.html

Стандарты и правила

В советское время при монтаже водопровода строители использовали СНИП III-28-75. Который гласил, что трубы горячего водоснабжения должны проходить с правой стороны от холодного трубопровода. Сейчас это правило устарело, а новые требования данный вопрос ни как чётко не регламентируют.

Согласно европейским стандартам принято горячую воду подводить с левой стороны, а холодную с правой. Сторонники данного монтажа ссылаются на то что большинство людей в мире правши и открывая воду они первым делом хватаются за кран находящийся с правой стороны.

Таким образом в целях безопасности правильнее трубы с горячей водой подводить слева, а холодные с права.

Но данный метод подходит не для всех помещений. Например, во многих домах старой постройки в туалетной комнате, как правило маленького размера, используется один смеситель для ванны и раковины.

И если он расположен с левой стороны, то правой рукой им просто не удобно пользоваться. К тому же многие люди сейчас устанавливают однорычажные устройства для смешивания и регулировки горячей и холодной воды. Одним словом, чётких разъяснений и рекомендаций по поводу расположения горячих и холодных стояков нет.

Вопрос расположения водопроводных труб, как правило возникает во время капитального ремонта квартиры.

При монтаже трубопровода ориентироваться нужно исходя из размера и расположения помещения. А самое главное, следует соблюдать последовательность действий. Если труба с горячей водой в ванной находится с правой стороны, то и в кухне она должна располагаться там же. Иначе в последствии хозяева квартиры будут всё время путаться.

Ещё по теме:Стоит ли вызывать сантехников для замены счётчиков воды или лучше всё сделать самому

Приятель рассказал, как с помощью шланга можно оживить не работающий счётчик воды

Источник: http://zen.yandex.ru/media/hausmaster/santehnik-iz-jeka-gramotno-raziasnil-s-kakoi-storony-doljen-nahoditsia-kran-s-goriachei-vodoi-603637aaebccc75161651e09

Немного о терминологии

Судя по отзывам, часто новички путают кран с вентилем. Поэтому перед тем как открутить кран, следует разобраться в терминологии. Вентиль и кран являются абсолютно разными элементами. Например, первый оснащен с обоих концов резьбой и монтируется в разрыв трубы. Через него вода бежать не может, поскольку задача вентиля ее только перекрывать. Кран устанавливают на самый конец трубы. Крепят его к патрубкам или фитингам. В мойке и раковине он соединен с системой посредством специального шланга, который с одного торца оборудован резьбой. Через второй осуществляется вывод воды из системы. Краны устанавливают над раковинами, в ванных комнатах и душевых кабинах. Внутреннюю часть устройства оснащают специальным механизмом, задача которого регулировать подачу воды. Есть также прибор, с помощью которого смешивается горячая и холодная вода. Это объясняет, почему его еще называют смесителем. Он может комплектоваться либо двумя отдельными кранами, либо единым интегрированным. Как открутить кран? Что для этого понадобится?

Источник: http://nicespb.ru/vodyanye/kran-otkryt-ili-zakryt.html

Инструменты

Перед тем как открутить кран на смесителе, нужно обзавестись следующим инструментом:

  • Газовым или несколькими торцевыми гаечными ключами. Для этой цели можно воспользоваться также переставными сварочными клещами.
  • Прочной тканью, с помощью которой вы будете работать с хромированными и никелированными поверхностями.
  • Плоской и крестовой отвертками.
  • Ножом.
  • Пинцетом. Он нужен, чтобы извлекать тонкие прокладки.
  • Фонариком и зеркальцем.

Источник: http://nicespb.ru/vodyanye/kran-otkryt-ili-zakryt.html

Маркировка для отбеливания и сушки

Отбеливание – это устранение с помощью химических средств загрязнений и нежелательной покраски белой ткани. Для отбеливания используют следующую маркировку:

  1. Треугольник – материал можно отбеливать.
  2. Треугольник с буквами CI – отбеливание можно производить хлорсодержащими средствами.
  3. Перечеркнутый треугольник должен означать, что отбеливание ткани не разрешается.
  4. Отбеливание без хлора, в зависимости от производителя, может иметь несколько обозначений: перечеркнутый треугольник с буквами CI либо треугольник с 2 диагональными линиями внутри.

Как самостоятельно почистить фильтр в стиральной машине

Основные знаки на ярлыках одежды, отвечающие за сушку:

  1. Квадрат – изделие можно сушить.
  2. Квадрат с тремя вертикальными линиями – изделие необходимо сушить только в вертикальном положении.
  3. Квадрат с одной горизонтальной линией в центре – горизонтальная сушка.
  4. Перечеркнутый квадрат – сушить не рекомендуется.

Символы на ярлыках для сушки могут иметь еще 2 дополнительные маркировки: сушка материала в затемненном месте (квадрат с тремя диагональными линиями в верхнем левом углу) и сушка исключительно в разложенном виде (квадрат, в центре которого круг с перевернутой цифрой 8).

Источник: http://melt-spb.ru/vodoprovodnye/v-kakuyu-storonu-otkryvaetsya-kran.html

О червячном

Тем, кто не знает, как открутить кран червячного типа, желательно в первую очередь ознакомиться с его устройством. Как утверждают специалисты, эта система считается достаточно устаревшей. Фрезерованный корпус крана изготавливают путем литья из бронзы или стали.

Он имеет резьбу для кран-буксы. Изделие с резьбовым подводящим патрубком, который расположен снизу. Вывод воды из системы выполняется через излив слева. Самым сложным узлом считается кран-букса, внутри которого с помощью двигающегося по резьбе вверх-вниз штока с резиновой прокладкой перекрывается вода. Вверху системы отведено место для рукоятки. Она может иметь вид штурвала или шайбы. Путем вращения рукоятки смещается шток, закрывая или открывая воду. Чтобы полностью открыть червячный кран, рукоятью приходится делать несколько оборотов. Смесители комплектуются двумя отдельными буксами для холодной и горячей воды.

Источник: http://nicespb.ru/vodyanye/kran-otkryt-ili-zakryt.html

. вентиль

Чтобы открыть вентиль чугунный или латунный надо маховик на штоке вращать «против часовой стрелки», а закрыть – «по часовой стрелке» (Фото 9). Перед тем как перекрыть убедитесь, что на штоке, особенно стальном, нет ржавчины. В противном случае надо зачистить шток и нанести на него немного смазки.

Если шток вентиля совсем не прокручивается или с большим трудом, тогда можно немного ослабить сальниковую гайку и попробовать попытку снова. А при отсутствии в трубопроводе жидкости можно сделать так: снять маховик, полностью открутить сальниковую гайку, снять втулку, потом удалить старую сальниковую набивку и поменять ее на новую. И все собрать в обратной последовательности (Фото 10).

Источник: http://nicespb.ru/vodyanye/kran-otkryt-ili-zakryt.html

Перечень ситуаций, когда это необходимо

Даже при отсутствии каких-то природных катастроф и серьезных проблем существует много ситуаций, когда в обязательном порядке необходимо перекрыть радиатор отопления.

Вот наиболее актуальные из них:

  1. переход на летнее время;
  2. проверка перед открытием отопительного сезона;
  3. замена, а также ремонт радиаторов;
  4. аварийная ситуация;
  5. если в помещении слишком жарко.

Источник: http://ottosteinach.ru/teplyj-pol/v-kakuyu-storonu-dolzhen-otkryvatsya-kran.html

Как правильно открывать и закрывать батарею для подачи тепла?

Отопление нельзя отнести к простейшим устройствам. Его работа основана на различных физических законах, в системе используются разнообразные по функциональному назначению приборы и механизмы, и для получения нужного результата необходимо обеспечить их согласование между собой. Одной из особенностей работы водяного обогрева является такой эффект, как гидроудар в системе отопления – резкое, пусть и кратковременное, повышение давления в системе.

Резкие манипуляции с запорной арматурой – открытие или закрытие – приводят к мгновенному изменению давления в зоне устройства. При закрытии повышается давление на арматуру и ее соединительные элементы. При этом часто повреждаются уплотнения резьбовых соединений, межфланцевые прокладки, а при высоком давлении – элементы запорного устройства. При быстром открытии в зоне за арматурой имеется область низкого давления. Жидкость мгновенно устремляется в нее, приобретая большую скорость. В этом случае разрушению подвержены элементы, расположенные после арматуры. Особенно подвержены гидроударам участки с большим гидравлическим сопротивлением – изгибы трубопроводов, отопительные приборы (радиаторы, конвекторы и так далее).

Как правильно открывать и закрывать батарею? В Каком порядке?

Гидравлические удары происходят от попадания пара в воду. Поскольку опасное паровое отопление давно не применяют в жилых помещениях, значит, смею предположить, что Вам бояться нечего. Однако, в любом случае, разумнее перекрыть сначала поступление воды в батарею, а уж потом выход ее из батареи. Ну ни к чему держать высокое давление в собственной батарее, целостность которой как раз от давления и зависит.

Как открыть кран (вентиль) в батарее отопления?

Делается это для подачи максимально возможного количества теплоносителя с целью обеспечения помещения теплом. Для регулировки механизма требуется повернуть рукоятку параллельно его собственной оси и трубе. Для удобства на корпусе крана присутствуют выступы, указывающие ограничения по степени его открытия. Выполняется это против часовой стрелки.

Как закрыть кран (вентиль) в батарее отопления?

При этом действии полностью прекращается циркуляция теплоносителя. Требуется это делать в том случае, когда возникает необходимость снизить температуру радиатора до минимума, например, летом. Рукоятка прибора в положении «перекрыто» должна образовывать с его осью и трубопроводом угол в 90 градусов. В соответствии с выступами движение ручки для остановки циркуляции жидкости должно выполняться по часовой стрелке.

В каком порядке необходимо открывать и закрывать краны (вентили) в батареях?

На батарее два крана. Говорят, что если закрывать их в неправильном порядке — может быть гидравлический удар.

Для поступления тепла, в первую очередь необходимо спустить воздух из радиатора, поэтому для начала открываем кран Маевского(спускник) и освобождаем место для дальнейшего поступления пара(воды).

Как только воздух спущен, открываем основной кран (на входе) и ждём когда батареи начнут прогреваться. Гидравлический удар — явление действительно существующее, но в квартирах случается крайне редко, поэтому во избежании аварии необходимо придерживаться простой инструкции.

  • При запуске радиатора отопления сначала нужно спустить с батареи воздух.
  • Поэтому сначала открываем воздушный клапан, затем кран на открытие.
  • После того, как из батареи через воздушный клапан пойдет вода, это будет означать, что воздух спущен.
  • Открываем оба крана на всю, система начнёт работать (вода циркулировать).

infobox24.ru

Источник: http://melt-spb.ru/vodoprovodnye/v-kakuyu-storonu-otkryvaetsya-kran.html

Заклинило шаровый кран – как его перекрыть?

Что делать в случае, если не перекрывается шаровый кран? Многие не знают, что шаровый кран необходимо хотя бы раз в месяц поворачивать следующим образом – перекрывать до конца на 90° в одну сторону и до конца на 90° в другую. Если ручка стоит параллельно крану – кран открыт, если перпендикулярно – кран закрыт.
Эта простая операция – открыть и закрыть кран – продлит крану срок службы. Если этого не делать, то примерно через 5-7 лет кран на холодной воде может зарасти сталактитами и шар просто заклинит – его будет невозможно перекрыть. Если вы столкнулись с подобной ситуацией, и у вас кран не перекрывается, вы можете попытаться перекрыть такой кран с помощью нехитрой операции.

  • Кран не перекрывается
  • Сломанный кран
  • Толстый и тонкий краны

Источник: http://nicespb.ru/vodyanye/kran-otkryt-ili-zakryt.html

На каких принципах оказываются услуги по перекрытию водяного трубопровода управляющими компаниями

Чтобы выключение осуществила УК, необходимо сначала обратиться в нее с заполненной заявкой, которая готовится в письменном виде. Также можно позвонить по телефону и оставить заявление оператору. Спустя несколько дней бригада приедет по указанному вами адресу, чтобы выполнить объем работы. Лучше заранее согласовать дату и время, чтобы вы били дома, смогли встретить их и объяснить, что нужно сделать.

Обратите внимание, что определенный перечень услуг предоставляется только на платной основе. К примеру, если требуется выполнение ремонта оборудования, которое находится внутри квартиры. Если же поломки и проблемы обусловлены дефектами общедомовой техники, то деньги, потраченные на восстановление и ремонт, будут списаны со счета всего дома.

Источник: http://ovteh.ru/blog/vodosnabzhenie/kak-perekryt-vodu-v-kvartire-polnostu-kak-otkluchit-goryachee-i-holodnoe-vodosnabzhenie-v-tualete-i-v-vannoj

Категории неисправностей

Вначале давайте перечислим основные категории, к которым можно отнести типичные проблемы запорной арматуры.

  • Вентиль не держит воду.

Уточним: в рамках статьи мы рассмотрим неисправности исключительно винтовых вентилей. Шаровые выходят из строя крайне редко; пробковые же практически не используются в квартирах и частных домах.

  • Из-под штока вентиля течет вода.
  • Кран или рычаг смесителя не перекрывает воду.
  • Вода не течет при открытых кранах смесителя.
  • Вода не переключается на душ.

Источник: http://melt-spb.ru/vodoprovodnye/v-kakuyu-storonu-otkryvaetsya-kran.html

Ликбез по вентилям на обратную подводку OVENTROP | Торговый дом «СантехУрал»

В двухтрубной системе отопления рекомендуется использовать вентиль на обратную подводку. Предлагаем разобраться, для чего и как он устанавливается.

Балансировочный вентиль (или клапан) применяется в качестве балансирующей терморегулирующей арматуры. Он устанавливается на выходе теплоносителя из радиатора.

Для чего нужен вентиль на «обратку»?

Главная его функция – это предварительная настройка расхода теплоносителя. Кроме того, зачастую он позволяет осуществить отключение отопительного прибора при полном перекрытии воды, без опорожнения системы. Это может понадобиться для проведения профилактических или ремонтных работ.

У разных моделей вентилей может быть разный функционал. Например, немецкая компания OVENTROP для удобства идентификации в названии вентилей использует цифры, которые означают количество функций:

— Combi 2️: преднастройка, отключение

— Combi 3: преднастройка, отключение и слив

— Combi 4️: воспроизводимая преднастройка, отключение, слив

Как сделать предварительную настройку:

1. Сначала нужно полностью закрыть вентиль. Для этого откручиваем защитный колпачок, а затем с помощью шестигранного ключа вращаем шток по часовой стрелке (вправо) до упора.

2. Далее следует настроить необходимый расход рабочей жидкости. Для этого поворачиваем шток с помощью того же ключа против часовой стрелки (влево). Количество оборотов штока определяем по специальной диаграмме, где указаны расход и потери давления.

Как правило, настройка производится один раз, при установке. Выбранное значение преднастройки не меняется при заполнении и опорожнении системы.

Можно ли установить вентиль Combi на «подачу»?

Обычно на «подачу» ставится термостатический вентиль и термоголовка. Это позволяет автоматически регулировать теплоотдачу на радиаторе отопления. Если такой необходимости нет, то можно установить балансировочный вентиль Combi и на «обратку», и на «подачу».

Где купить вентиль Combi?

Приобрести балансировочные клапаны для радиатора серии Combi 2 от немецкой компании OVENTROP можно в ТД «СантехУрал». Мы являемся официальным дилером в Уральском, Сибирском и Дальневосточном регионах. В нашем ассортименте более 100 наименований товаров этого бренда, в том числе клапаны на обратную подводку.

На данный момент в наличии представлены прямые и угловые вентили Combi 2 самых популярных диаметров: Ду15 и Ду 20. О возможности заказа других моделей просьба уточнять у менеджеров отдела продаж по телефону в Челябинске 8 (351) 729-88-58 или по электронной почте [email protected]

Привод клапана Пневматический

Loxone Valve Actuator Air — это беспроводной привод клапана с электроприводом для систем отопления. Используя обычные переходные кольца, его можно установить на широкий спектр клапанов, которые обычно используются для теплых полов и радиаторов.

Лист данных клапана привода воздуха

Содержание


Монтаж ↑

В состоянии при поставке клапан полностью открыт. Пневматический привод клапана выполняет калибровку после сопряжения, поэтому его необходимо установить перед первым запуском.Перед установкой убедитесь, что штифт клапана подвижный и не заржавел.

Затем защелкните привод на переходном кольце. Не применяйте чрезмерную силу. Убедитесь, что привод правильно установлен на арматуре. Используйте только переходники клапана, подходящие для клапана.

Затем вставьте батареи или подключите внешний источник питания 24 В постоянного тока.

Убедитесь, что на привод не может капать вода.
Хотя привод можно установить в любом положении, рекомендуется установить привод над клапаном, чтобы предотвратить капание воды на привод в случае протечки клапана или конденсации.
Если большое количество приводов клапана используют одну электрическую линию с небольшим поперечным сечением провода, может произойти значительное падение напряжения. В таком случае рекомендуется использовать провод большего сечения для линии питания 24 В и переключаться на меньшее сечение непосредственно перед подключением исполнительных механизмов.

Ввод в эксплуатацию ↑

В состоянии при поставке режим сопряжения будет активен после подачи питания.Об этом свидетельствует мигание светодиода состояния красным / зеленым / оранжевым светом.

Затем выполните процедуру сопряжения

Чтобы активировать режим сопряжения вручную, нажмите и удерживайте кнопку сопряжения не менее 5 секунд сразу после установки батареи.

После сопряжения запускается калибровка. Привод клапана определяет ход клапана и регистрирует положения 0% и 100%.

По умолчанию привод затем перемещается в положение 0% (клапан закрыт).Для повторного открытия клапана необходимо создать программу.

Доступные функции различаются в зависимости от того, работает ли устройство от батареи или подключено к внешнему источнику питания. Это определяется во время сопряжения. Следовательно, устройство должно быть сопряжено с тем же способом питания, которым оно будет эксплуатироваться позже.
Если позже способ питания изменится, устройство необходимо удалить из программирования и снова выполнить сопряжение.


Состояния светодиода ↑

Состояние светодиода Описание
Чередование красный-зеленый-оранжевый (частота 1 Гц) Устройство находится в режиме сопряжения.
3 раза зеленый, затем светодиод не горит постоянно Устройство было успешно сопряжено.
Мигающий оранжевый (частота 1 Гц) Air Устройство не в сети.
Быстрое мигание красным и зеленым цветом Идентификация (при питании от 24В).

Тестирование и калибровка прибора ↑

Привод можно полностью открыть или закрыть для целей тестирования.
Кроме того, привод можно откалибровать.

Если привод питается от батареи, его необходимо сначала разбудить.

Затем щелкните правой кнопкой мыши привод в дереве периферии и выберите вариант:

Тест устройства включен: Полностью открытый привод / клапан
Тест устройства выключен: Полностью закрытый привод / клапан
Повторная калибровка устройства: Выполните калибровочный прогон.


Замена батареи ↑

Чтобы заменить батареи, откройте крышку на задней стороне привода клапана. Выньте две батарейки AA. После установки новых батарей устройство перезапускается, и светодиодный индикатор состояния мигает зеленым 3 раза.

Привод полностью открывается и остается в этом положении 60 секунд. Это упрощает установку привода на клапан. Затем привод возвращается в положение, заданное логикой.


Датчики ↑

Сводка Описание Блок Диапазон значений
Температура Предоставляет измеренное значение встроенного датчика температуры ° -20 … 35
Ввод 1 Цифровой вход для использования кнопки (кнопка сопряжения)

Приводы ↑

Сводка Описание Диапазон значений
Привод клапана воздуха Аналоговый выход для управления приводом клапана
Привод клапана воздуха

Диагностические входы ↑

Сводка Описание Блок Диапазон значений
Уровень заряда батареи Показывает текущий уровень заряда батареи. % 0 … 100
Низкий заряд батареи Указывает на низкий заряд батареи, необходимо заменить батарею.
Клапан не обнаружен Клапан не обнаружен
Клапан заедает Указывает на заклинивание клапана
Онлайн-статус привода клапана воздуха Цифровой

Недвижимость ↑

Сводка Описание Блок Диапазон значений Значение по умолчанию
Монитор онлайн-статуса Если этот параметр выбран, вы будете уведомлены через System Status или Cloud Mailer, если устройство больше не доступно или перейдет в автономный режим.
Air серийный номер Серийный номер устройства Air
Тип устройства Пневматическое устройство типа
Цикл опроса Цикл опроса / передачи для положения клапана и температуры. мин. 5 … 20

Указания по технике безопасности ↑

При подключении к внешнему источнику питания установка должна выполняться квалифицированным специалистом в соответствии со всеми применимыми правилами.

Убедитесь, что устройство защищено от воды.

Устройство не должно использоваться в составе систем, важных для безопасности.


Документы ↑

Лист данных клапана привода воздуха


Контурная тепловая трубка с терморегулирующим клапаном для переменной теплопроводности

Джон Р. Хартенстайн 1 , Кара Л. Уокер 2 и Уильям Г. Андерсон 3
Advanced Cooling Technologies, Inc., Ланкастер, Пенсильвания, 17601, США
1 Менеджер, Aerospace Products, член AIAA, 2 Инженер-исследователь, Aerospace Products, 3 Главный инженер, член AIAA, [email protected] F

Аннотация

Ряд предлагаемых лунных посадочных устройств и марсоходов имеют блок теплой электроники (WEB) и батарею, оба из которых должны поддерживаться в довольно узком температурном диапазоне с использованием связи с переменной теплопроводностью. В течение лунного дня тепло должно передаваться от WEB к радиатору с максимальной эффективностью.В ночное время теплоотдача от WEB должна быть минимизирована, чтобы электроника и батареи оставались теплыми с минимальным энергопотреблением, даже с очень низким (100 K) радиатором. Мини-LHP имеет наивысший уровень технологической готовности, но требует электроэнергии для отключения в течение 14-дневной лунной ночи со значительным снижением массы батареи: 1 ватт электроэнергии соответствует 5 кг массы батареи и солнечного элемента. Мини-LHP с терморегулирующим клапаном (TCV) был разработан для отключения без электроэнергии.LHP алюминий / аммиак, который включает TCV в линии выхода пара из испарителя, был разработан, изготовлен и испытан. TCV может направлять пар в конденсатор или обходить конденсатор и направлять пар непосредственно обратно в компенсационную камеру, в зависимости от температурных условий. Во время испытаний температура конденсатора LHP была снижена до -60ºC, а потребляемая мощность снижена до почти нулевой мощности: испаритель оставался выше 0ºC. В этой статье будут описаны детали конструкции, изготовления и испытаний LHP и TCV.

I. Введение

Для

Future Lunar Landers и Rover потребуется переменная тепловая связь, которая может отводить тепло в течение дня и пассивно отключаться в течение лунной ночи без использования электроэнергии. В течение долгого лунного дня система терморегулирования должна отводить отработанное тепло от электроники и батарей, чтобы предотвратить перегрев. Поскольку доступная мощность нагревателя ограничена, требуется переменная тепловая связь, чтобы ограничить количество тепла, которое отводится от электроники и излучается в космос в течение долгой лунной ночи.

Обычные контурные тепловые трубки (LHP)

могут обеспечивать необходимую переменную теплопроводность, необходимую для поддержания температуры WEB / батареи. В течение лунного дня LHP будет передавать тепловую нагрузку на радиатор для отвода тепла. В течение четырнадцатидневной лунной ночи температура стока упадет, что потенциально снизит температуру LHP и WEB / батареи. Без какого-либо контроля LHP продолжит отключать питание в течение лунной ночи, охлаждая электронику и батареи до неприемлемо низких температур.В космическом корабле небольшой нагреватель обычно присоединяется к компенсационной камере LHP, чтобы предотвратить снижение LHP температуры WEB / батареи ниже требуемых условий. Нагреватель изменяет термодинамический баланс между переохлажденной жидкостью, возвращающейся из конденсатора, и тепловой энергией, передаваемой между испарителем и компенсационной камерой, что называется утечкой тепла. Нагреватель искусственно снижает переохлаждение, обеспечиваемое конденсатором, а LHP компенсирует его, работая при более высокой температуре насыщения.Такое поведение предотвращает достижение LHP температур ниже желаемых. Наказанием за это управление является дополнительная мощность, необходимая для работы нагревателя, которая оценивается примерно в 1 Вт для LHP от 50 до 100 Вт. Хотя это может показаться незначительным количеством энергии, по оценкам, 1 ватт мощности для эффективного отключения LHP в течение 14-дневной лунной ночи дает дополнительные 5 кг массы для батарей и солнечных панелей. Это очень большой штраф массы, и его следует избегать, если это вообще возможно.

II. Справочная информация

Окружающая среда на Луне создает ряд проблем при проектировании и эксплуатации радиаторных панелей. Поглотитель тепла может достигать 330 К в дневное время и может опускаться до 50 К ночью или в темных кратерах (Swanson and Butler, 2006). Посадка Аполлона была приурочена к лунному утру, поэтому окружающая среда была относительно благоприятной. Напротив, будущие миссии должны будут работать во всем температурном диапазоне. Типичные температуры поверхности Луны показаны на рисунке 1.Инструменты и оборудование, такие как батареи, необходимо поддерживать в пределах от -20ºC до 40ºC во время больших суточных колебаний температуры (Birur and Tsuyuki, 2009). Кроме того, в зависимости от миссии, тепловая система должна будет работать как на поверхности Луны после развертывания, так и во время перехода от Земли к Луне.

Рис. 1. Типичная температура поверхности Луны (Swason and Butler, 2006).

A. Петлевые тепловые трубки

LHP — это автономные и пассивные устройства с высокой теплопроводностью.На рисунке 2 показана схема LHP. Обратите внимание, что рисунок не в масштабе; паровые и жидкостные трубопроводы можно сделать намного длиннее. На рисунке 3 более подробно показан испаритель LHP. Тепло поступает в испаритель и испаряет рабочую жидкость на внешней поверхности фитиля. Пар собирается системой канавок и коллекторов. Пар стекает по паропроводу к конденсатору, где он конденсируется, поскольку тепло отводится охлаждающей пластиной (или в данном случае радиатором). Большая часть конденсатора заполнена двухфазной смесью.Небольшая секция в конце конденсатора обеспечивает небольшое переохлаждение. Сердцем LHP является испаритель и узел компенсационной камеры, которые содержат первичный и вторичный фитили.

Компенсационная камера (CC) или резервуар в конце испарителя рассчитана на работу при более низкой температуре, чем испаритель (и конденсатор). Поскольку температура ниже, давление насыщенной жидкости в компенсационной камере также ниже. Это более низкое давление позволяет конденсату течь из конденсатора по линии возврата жидкости в компенсационную камеру.Затем жидкость поступает в центральный байонет, где питает фитиль. Вторичный фитиль в испарителе и компенсационной камере позволяет жидкости в компенсационной камере питать фитиль испарителя, чтобы компенсировать утечку тепла, вызванную переносом массы жидкости из испарителя в компенсационную камеру. Жидкость в компенсационной камере и внутри фитиля должна быть возвращена на внешнюю поверхность фитиля, чтобы замкнуть цикл. Капиллярные силы делают это пассивно, вытягивая жидкость обратно на поверхность.Контурные тепловые трубки выполнены самовсасывающими за счет тщательного контроля объемов компенсационной камеры и других компонентов в LHP, так что жидкость в компенсационной камере и внутренней части фитиля должна возвращаться на внешнюю поверхность фитиля, чтобы закрыть цикл. Капиллярные силы делают это пассивно, вытягивая жидкость обратно на поверхность.

Контурные тепловые трубки сделаны самовсасывающими, благодаря тщательному контролю объема компенсационной камеры и других компонентов в LHP, так что жидкость всегда доступна для фитиля.Компенсационная камера и заряд жидкости настроены таким образом, чтобы в компенсационной камере всегда была жидкость, даже если все другие компоненты LHP полностью заполнены жидкостью. Таким образом, LHP по своей природе самовсасывающий. Launay, Sartre и Bonjour (2009) представили обзор параметров, влияющих на конструкцию LHP.

1. Петлевые тепловые трубки для планетарных поверхностей

Все LHP, использовавшиеся до настоящего времени в космосе, работали в условиях невесомости. Лаборатория реактивного движения NASA разработала и протестировала мини-LHP для программы Mars Rover (Pauken, Birur и Novak.2002). Эта система была аналогична по размеру и мощности якорному узлу. В конструкции JPL mini-LHP использовались один испаритель и один конденсатор; однако были рассмотрены и другие конструкции. В системе использовался аммиачно-алюминиевый испаритель с фитилем из спеченного никеля диаметром полдюйма и длиной 6 дюймов. Транспортные линии и конденсатор изготовлены из нержавеющей стали. Общий вес составлял примерно 0,3 кг. Мини-LHP имел пусковой подогреватель на испарителе. Для запуска LHP требовалось примерно 5 Вт в течение нескольких минут.Выключающий нагреватель использовался для выключения LHP на ночь. Это использовало приблизительно 1 Вт.

Рис. 2. Схема петлевой тепловой трубы (не в масштабе). Например, линии возврата пара и жидкости могут быть намного длиннее.

Рисунок 3. Испаритель с контурной тепловой трубкой.

Показано тепловых испытаний:

  • Надежный пуск и останов
  • Устойчивый перенос тепла
  • Переходная реакция на изменяющуюся мощность испарителя и изменяющуюся температуру стока конденсатора

Включены механические испытания:

  • Испытательное давление
  • Посадочные грузы на Марс
  • Случайная вибрация
  • Гибкость линий транспортировки пара и жидкостей
  • Утечка аммиака

В конструкции JPL использовался аммиак и позволял аммиаку замерзнуть в течение смоделированной марсианской ночи.Толстые трубопроводы для пара и жидкости из нержавеющей стали использовались, чтобы выдержать давление при оттаивании аммиака (радиатор оттаивал перед транспортными линиями). Квалификационные испытания показали, что система LHP может выдерживать замораживание / оттаивание аммиака в конденсаторе. Система успешно прошла 100 циклов замораживания / оттаивания в конденсаторе. Хотя JPL mini-LHP еще не летал, он прошел все испытания, которые будут проводиться перед испытанием в космосе.

B. Предыдущие исследования в области торговли и исследования

Был оценен ряд технологий для регулируемого теплового звена или «теплового выключателя», включая механические тепловые выключатели, контуры с насосом, тепловые трубы с регулируемой проводимостью (VCHP) и LHP.Эта работа обсуждается в Anderson, Walker, Hartenstine, and Farmer (2010). Тепловой выключатель был отключен из-за плохой теплопроводности, менее одной десятой, чем у VCHP или LHP, в то время как система с насосным контуром была отключена из-за движущихся частей, большей массы и более высоких требований к мощности. И VCHP, и LHP имеют одинаковую теплопроводность во включенном и выключенном состоянии, оба летали в космосе, и оба имеют одинаковую массу. Однако эти усилия были сосредоточены на разработке LHP с использованием терморегулирующего клапана для установления переменной связи.Автономный LHP не требует развития технологий и обычно используется для управления температурным режимом помещения: основное внимание уделяется добавлению клапана терморегулирования.

Гончаров (2001, 2005) был первым, кто использовал LHP с TCV для точного контроля температуры (± 0,5 ° C). Пар из испарителя поступает на пассивный двухходовой клапан; см. рис. 4. Клапан содержит герметичный сильфон, окруженный аргоном. По мере того, как давление и температура пара на клапане увеличиваются, в конденсатор подается больше пара, охлаждающего систему.По мере того, как давление и температура пара на клапане уменьшаются, больше пара возвращается в компенсационную камеру. Нагревается аргон, окружающий сильфон, для точного регулирования температуры.

Совсем недавно исследователи из Carlo Gavazzi Space, Милан, Италия (Molina et al, 2009, Franzoso et al., 2009) использовали аналогичный TCV в LHP для марсианского марсохода. LHP из алюминия / нержавеющей стали использует пропилен в качестве рабочего тела, чтобы избежать проблем с замерзанием. Термовыключатель LHP передает до 40 Вт через 1.Линии возврата пара и жидкости из нержавеющей стали длиной 3 м. Никелевый фитиль толщиной 0,7 мкм имеет диаметр 11 мм и длину 120 мм.

Как и в LHP, разработанном Гончаровым, термовыключатель ESA LHP использует байпасный клапан для обеспечения переменной тепловой связи. Контрольную температуру можно регулировать (перед полетом), регулируя давление аргона в сильфоне. Разница здесь в том, что тепло не применяется для точного контроля температуры.

Системы отвода тепла, использующие систему однофазного контура жидкости с механической накачкой (MPSL), были разработаны JPL для марсохода Mars Science Laboratory (MSL) (Birur et al., 2008). В этом случае для управления потоком, чтобы управлять изменяющимися тепловыми нагрузками на марсоход, использовался пассивно управляемый терморегулирующий клапан (TCV), разработанный Pacific Design Technologies. Стендовые испытания максимальной производительности с использованием TCV прошли успешно: летные испытания оборудования планировалось начать в начале 2009 года.

Рисунок 4. Конфигурация терморегулирующего клапана. (а) Клапан PDT для Марсианской научной лаборатории имеет привод, который не зависит от давления рабочей жидкости (Birur et al, 2008).(b) Дизайн TCV, использованный Гончаровым и др. (2001, 2005) зависит от давления рабочей жидкости для перемещения клапана.

В текущем проекте TCV, прошедший почти летную квалификацию, использовался для пассивного управления работой LHP, обеспечивая при необходимости регулируемую тепловую связь. TCV основан на дизайне, разработанном Pacific Design Technologies для JPL. TCV был выбран из-за его качества космических полетов, технологической зрелости и характеристик. Были оценены две конструкции TCV, включая конфигурации разделительного клапана и смесительного клапана.Конструкция клапана делителя была использована для демонстрационной установки LHP.

C. Терморегулирующий клапан

Схема конфигурации терморегулирующего клапана для Mars Science показана на рисунке 4, а также фотография двух клапанов, аналогичных тому, который использовался в этом проекте: смесительный клапан и разделительный клапан. Разница между конструкцией смесительного клапана и конструкцией разделительного клапана заключается во внутреннем отверстии. Для LHP использовалась конструкция с разделительным клапаном. Клапан был подобен клапану на Рисунке 4, за исключением того, что входной порт был расположен напротив двух выходных отверстий, охватывая два выходных отверстия.Чувствительная к температуре часть клапана была расположена напротив конца порта клапана (рядом с паспортными табличками на приведенной выше фотографии). Клапан был настроен на срабатывание в зависимости от температуры окружающей среды внутри WEB. Поскольку внутренний привод расширяется или сжимается в зависимости от температуры окружающей среды WEB, клапаны таковы, что входной поток направляется в порт радиатора, байпасный порт радиатора или комбинацию этих двух портов.

III. Контурная тепловая трубка с терморегулирующим клапаном

LHP TCV будет расположен в WEB.Рабочие условия терморегулирующего клапана LHP подробно описаны в таблице 1. В таблице подробно описаны температурные условия «включено» и «выключено» для тепловой трубы контура. TCV был установлен внутри паропровода LHP на выходе из испарителя; см. рисунок 5. Внутри TCV паропровод разделяется, направляя пар либо в радиатор для отвода тепла, либо в обратную линию жидкости для байпаса радиатора. Сценарии работы во время переменных лунных дневных и ночных температурных колебаний описаны в следующем разделе.

D. ​​Операция в лунный день

В течение долгого лунного дня система терморегулирования должна быть способна отводить отходящее тепло из WEB, чтобы предотвратить перегрев. Это удаление будет выполняться LHP, который будет передавать тепловую энергию через скрытую теплоту от испарителя, который будет взаимодействовать с WEB-электроникой, к конденсатору, который будет взаимодействовать с радиатором. Во время работы LHP в испарителе образуется пар. Этот пар покидает испаритель и попадает во входное отверстие TCV.Соотношение двух паровых потоков на выходе из клапана будет изменяться в зависимости от температуры на входе и соответственно отрегулировать золотник клапана. Повышение температуры жидкости приведет к увеличению потока, направляемого в радиатор. Снижение температуры жидкости приведет к увеличению байпасного потока. В режиме отвода тепла для эффективной работы желателен максимальный поток пара к радиатору. Любой пар, попадающий в байпасную линию, снова объединится с переохлажденной жидкостью, выходящей из радиатора, и повысит температуру обратной жидкости.Это представляет собой дополнительную утечку тепла и увеличивает рабочую температуру LHP. В показанном примере 95% пара течет

В режиме отвода тепла для эффективной работы желателен максимальный поток пара к радиатору. Любой пар, попадающий в байпасную линию, снова объединится с переохлажденной жидкостью, выходящей из радиатора, и повысит температуру обратной жидкости. Это представляет собой дополнительную утечку тепла и увеличивает рабочую температуру LHP. В показанном примере 95% пара проходит через радиатор, а 5% проходит через байпасную линию.Если радиатор слишком большого размера, результирующее изменение переохлажденной жидкости может быть незначительным и привести к небольшому увеличению общей температуры контура. Если размер радиатора не слишком велик, утечка тепла из байпасного потока пара может привести к чрезмерному повышению температуры или к снижению перепада давления, необходимого для циркуляции контура, и к остановке. Это одна из областей для дальнейшего изучения в будущих разработках для оценки требований к переохлаждению LHP и их взаимодействия с байпасным клапаном, конструкцией радиатора и компенсационной камерой.

Как указано выше, компенсационная камера должна работать при более низком давлении и температуре, чем испаритель, чтобы жидкость могла течь из испарителя в компенсационную камеру. Рабочая температура LHP задается 4 тепловыми потоками, см. Рисунок 6:

1. Утечка тепла из испарителя в компенсационную камеру, которую необходимо уравновесить переохлаждением в конденсаторе в установившемся режиме.

2. Утечка тепла из окружающей среды, которую также необходимо компенсировать переохлаждением в конденсаторе.

3. Нагрев или охлаждение от нагревателя или термоэлектрической системы, которая требует энергии и может повышать или понижать состояние насыщения системы, изменяя баланс между переохлаждением и утечкой тепла (необязательно).

4. Переохлаждение жидкости, возвращающейся в компенсационную камеру, при температуре ниже температуры насыщения, которая вместе с падением давления LHP определяет температуры насыщения испарителя и компенсационной камеры.

Радиатор должен быть спроектирован так, чтобы обеспечивать достаточное переохлаждение в компенсационной камере.Обратите внимание, что с точки зрения теплопередачи секция переохлаждения радиатора значительно менее эффективна, чем двухфазная часть радиатора. Это связано с высокими коэффициентами теплопередачи, связанными с конвективной конденсацией в двухфазной области, в дополнение к изотермической природе двухфазной теплопередачи.

Рис. 5. Схема тепловой трубы с регулируемой проводимостью в течение лунного дня. Большая часть пара проходит через радиатор. Показатели расхода 5% и 95% являются репрезентативными.

Рис. 6. Энергетический баланс компенсационной камеры с контурной тепловой трубкой.

E. Операция лунной ночи

В отличие от лунного дня, тепловая связь должна быть максимально неэффективной в течение лунной ночи; см. рис. 7. Это позволит поддерживать электронику и батарею в тепле с минимальным энергопотреблением, даже с очень низкотемпературным радиатором. Для повышения эффективности системы тепло может распределяться между электроникой и аккумулятором, хотя это и не требуется.

Отсоединение радиатора LHP от лунной раковины в ночное время будет поддерживать WEB и батареи в допустимых пределах.По мере снижения температуры стока соотношение двух выходных паровых потоков из TCV будет изменяться в ответ на падение температуры на входе и соответственно отрегулировать золотник клапана. Эта регулировка приведет к большему потоку, направленному от радиатора через байпасную линию. В этом случае желательно минимизировать количество пара, попадающего в радиатор, чтобы полностью отсоединить радиатор и ограничить отвод тепла, а также максимально увеличить количество пара через байпасную линию. В показанном примере 5% пара проходит через радиатор, а 95% проходит через байпасную линию.Горячий пар будет проходить через байпасную линию, немного переохлаждаться и попадать в CC. Поскольку величина переохлаждения будет значительно меньше той, которая достигается при циркуляции потока через конденсатор, состояние насыщения LHP установится на более высокой температуре, когда большая часть потока обходится. Существует вероятность того, что небольшая часть пара попадет в радиатор, в зависимости от степени закрытия клапана. В этом случае пар будет конденсироваться, и конденсат впоследствии переохлаждется и, возможно, замерзнет в трубопроводах при условиях низкой температуры стока.Конечным результатом является то, что пар будет обходить радиатор, что приведет к минимальному рассеянию (потере) тепла и достижению цели поддержания температуры WEB / батареи.

Выбор рабочей жидкости важен для удовлетворения требований к теплопередаче и замораживанию. Аммиак замерзнет в радиаторных трубопроводах при температуре раковины ниже 195K, а пропилен замерзнет при 88K. В предыдущей работе JPL использовала аммиак в качестве рабочей жидкости для мини-LHP и позволяла аммиаку замерзнуть в течение смоделированной марсианской ночи.Толстые трубопроводы для пара и жидкости из нержавеющей стали использовались, чтобы выдержать давление при оттаивании аммиака (радиатор оттаивал перед транспортными линиями). Система успешно прошла 100 циклов замораживания / оттаивания в конденсаторе (Pauken et al., 2002). Пропилен также может использоваться в качестве рабочей жидкости, и его легче оттаивать по сравнению с аммиаком.

Рис. 7. Схема тепловой трубы контура переменной проводимости в лунную ночь. Большая часть пара проходит через радиатор. 95% и 5% расхода являются репрезентативными.

IV. Контурная тепловая трубка с терморегулирующим клапаном, конструкция

Модель LHP была завершена для лунного приложения, в котором терморегулирующий клапан используется в качестве пассивного теплового звена во время лунных дневных и ночных рабочих условий. Модель окончательного LHP с интеграцией TCV можно увидеть на рисунке 8. LHP состоит из алюминиевого испарительного блока длиной 15,2 см (6 дюймов) с первичным фитилем из спеченного никеля. Аммиак использовался в качестве рабочего тела для текущей программы; однако оценка пропилена будет проводиться в будущем.В качестве конденсатора использовались экструдированные алюминиевые трубки со встроенными фланцами. Трубка крепилась к алюминиевой пластине и крепилась механическим соединением. Графойл использовался в качестве материала интерфейса между трубкой конденсатора и алюминиевой пластиной. TCV был установлен в паропроводе LHP. Внутри TCV паропровод разделяется, направляя пар либо в конденсатор для отвода тепла, либо в линию возврата жидкости для байпаса радиатора, в зависимости от сценариев эксплуатации. Пар, поступающий в конденсатор, будет переохлаждаться и возвращаться обратно к первичному фитилю в виде жидкости через возвратный трубопровод жидкости или байонет.Пар, попадающий в байпасную линию, может рекомбинировать с жидкостью из конденсатора или быть направлен обратно в компенсационную камеру. Конструкция LHP была изменена, чтобы учесть эти варианты при испытаниях, путем добавления клапанов в выкидные линии. Предыдущие LHP с TCV имели перепускной поток пара, непосредственно смешивающийся с линией возврата жидкости. В этом устройстве потоки пара и жидкости будут взаимодействовать друг с другом, что может вызвать нестабильность потока, когда два потока приходят в термодинамическое равновесие.Подача пара обратно непосредственно в компенсационную камеру должна минимизировать эти эффекты, позволяя смешивать потоки пара и жидкости в относительно большом объеме компенсационной камеры. Ручные клапаны, показанные на рисунке 8, позволяют проводить испытания с любым путем.

Рис. 8. Петлевые тепловые трубки с терморегулирующим клапаном.

Рис. 9. Фотография TCV для LHP с интеграцией TCV (слева) и тестированием производительности после сварки (справа) .

В.Контурная тепловая трубка с терморегулирующим клапаном Производство

Терморегулирующий клапан был разработан и изготовлен для интеграции в LHP. TCV работает путем регулировки внутреннего золотника в зависимости от температуры жидкости на входе. Конкретный диапазон от 0 ° C до + 20 ° C был установлен для TCV, который использовался в LHP; см. Таблицу 1. Характеристики TCV были проверены перед доставкой с использованием газообразного азота. Испытания проводились перед сваркой и после сварки. Результаты тестирования производительности после сварки можно увидеть на Рисунке 9.Результаты испытаний до и после сварки соответствуют ожидаемым. Когда температура падает с 20 ° C до 0 ° C, соотношение потоков меняется, так что поток переходит от выхода A к выходу B. Это продолжается примерно до 20 ° C, где выход A теперь составляет почти 100% потока, а выход B — почти 0% потока. Контурная тепловая трубка с TCV была изготовлена ​​с учетом проектных параметров, указанных выше. Фотография завершенного LHP показана на Рисунке 10.

Рис. 10. Конечный LHP с испытательной сборкой TCV.

VI. Контурная тепловая трубка с испытанием терморегулирующего клапана

F. Контрольно-измерительные приборы и план испытаний

LHP был оснащен 33 термопарами типа T. Сборка была изолирована минимум 3 дюймами изоляции с закрытыми ячейками, чтобы уменьшить утечку тепла. Чертеж, показывающий расположение термопар, показан на рисунке 11. Входная мощность испарителя обеспечивалась алюминиевым нагревательным блоком со встроенными картриджными нагревателями. Отвод тепла обеспечивала алюминиевая холодная пластина.Холодная пластина включает змеевиковый проход для потока жидкого азота.

Были проведены испытания для оценки эффективности TCV для обхода потока и поддержания температуры испарителя на основе температуры паров аммиака на входе. Чтобы продемонстрировать работу регулирующего клапана, на испаритель подавалась постоянная мощность, а затем температура стока снижалась ступенчато. Общий план испытаний LHP был составлен следующим образом:

  • Источник подачи жидкого азота был прикреплен к входу пластины конденсатора.Подача LN была подключена через соленоидный клапан, который управлялся терморегулятором. LN подавался на холодную пластину для поддержания значения температуры, установленного на контроллере.
  • Электроэнергия подавалась на испаритель с помощью патронных нагревателей в блоке испарителя и переменного трансформатора.
  • Температурный профиль LHP был измерен и записан до достижения установившегося состояния.
  • Температура конденсатора была уменьшена с помощью регулятора температуры LN.Потребляемая мощность испарителя оставалась постоянной.
  • Температурный профиль LHP был измерен и записан до достижения установившегося состояния.
  • Мощность снижалась ступенчато, поддерживая постоянную температуру конденсатора.
  • Впоследствии мощность была уменьшена с 110 Вт до 25 Вт, 5 Вт и 0 Вт.

План тестирования, описанный выше, изменялся на протяжении всего теста в зависимости от производительности LHP.

Рис. 11. LHP с расположением термопар для тестирования TCV.

G. Результаты испытаний и обсуждение

Результаты одного тестового прогона показаны на рисунках 12 и 13. В этом тесте байпасный пар подается непосредственно в компенсационную камеру. На рисунке 12 показаны все данные для всего профиля выполнения. На рис. 13 представлены уточненные данные в диапазоне температур от 4 ° C до 20 ° C, чтобы показать конкретные детали. В этом тестовом прогоне потребляемая мощность испарителя была установлена ​​на уровне 110 Вт, а температура стока снижалась ступенчато до -60ºC. При -60ºC входная мощность была уменьшена до 75 Вт, 50 Вт, 25 Вт, 5 Вт и 0 Вт.

Есть несколько наблюдений, демонстрирующих отключение контура с использованием TCV. Первоначально ΔT между испарителем и CC составляет приблизительно 2–3ºC, что свидетельствует о циркуляционном потоке. В это время TCV работает примерно при 19ºC: поэтому большая часть потока проходит через конденсатор. Температура пара, проходящего через байпасную линию, составляет 18-19ºC около температуры на входе клапана, что указывает на то, что пар практически не проходит через байпасную линию. В испарителе сохраняется температура 18-19ºC.При уменьшении мощности температура пара, поступающего в TCV, падает до 13ºC. Температура пара в байпасных линиях (байпас 1 и 2) временно повышается до 19 ° C, так как в линиях могло быть некоторое количество жидкости, но постепенно снижается до 5 ° C. Температура также падает на выходе из TCV. Эти условия указывают на поток через байпасную линию, где пар передается на вход CC. ΔT между испарителем и CC также уменьшается до <1ºC, что указывает на падение потока через контур и отключение контура.Кроме того, температура жидкости, поступающей в CC, увеличивается значительно выше температуры конденсатора, указывая на то, что жидкость обходится вокруг конденсатора. Температура в испарителе опускается до 5ºC и не продолжает падать до почти -60ºC, а фактически начинает повышаться. Обратите внимание, что температура испарителя не опускается ниже 5 ° C, даже когда мощность испарителя снижается до 0 Вт. Фактически, она все еще немного увеличивается, поскольку LHP не полностью достигал устойчивого состояния после каждого снижения мощности.

Рис. 12. Петельная тепловая трубка с профилем тепловых характеристик TCV. Температура конденсатора была снижена до -50ºC.

Рис. 13. Петельная тепловая трубка с профилем тепловых характеристик, такая же, как на рисунке выше, за исключением того, что данные уточнены в диапазоне температур от 4 ° C до 20 ° C.

Измерения температуры и мощности во время второго испытания показаны на рисунках 14 и 15. В этом испытании температура конденсатора была установлена ​​на -10 ° C, и пар байпаса подается непосредственно в компенсационную камеру.Переходные изменения температуры около 90 минут происходят из-за резкого снижения мощности и изменения количества холодной жидкости, возвращающейся в компенсационную камеру. ΔT между средней точкой компенсационной камеры и испарителем резко падает при включении питания, но по-прежнему поддерживает температуру испарителя около 15 ° C. Он также показывает, что температура пара в байпасной линии снижается по мере падения температуры TCV, указывая на поток в байпасной линии.

К 200 минутам LHP практически достиг устойчивого состояния.При мощности испарителя 25 Вт температура испарителя остается около 15 ° C, а конденсатора — около -10 ° C. Затем мощность была снижена до примерно 5 Вт, при этом температура испарителя практически не изменилась. В этом тесте были некоторые колебания температуры.

Мы не уверены, является ли это тем же явлением, о котором сообщают другие исследователи (Birur et al., 2009), или это вызвано способом установки температуры конденсатора (поток жидкого азота периодически включается и выключается).Таким образом, испытания показывают, что LHP с TCV может эффективно снижать и останавливать поток LHP и поддерживать температуру испарителя без необходимости добавления электроэнергии в компенсационную камеру.

Рис. 14. Петельная тепловая трубка с профилем тепловых характеристик TCV, при которой температура конденсатора снижена до -10 ° C.

Рис. 15. Петельная тепловая трубка с профилем тепловых характеристик TCV с пониженной температурой конденсатора на 10–10 ° C. Этот рисунок является деталью предыдущего рисунка.

Заключение

Поверхность Луны испытывает широкий диапазон тепловых условий окружающей среды от долгих жарких лунных дней до длинных холодных лунных ночей. В будущих миссиях на лунную поверхность потребуется переменная тепловая связь для управления температурным режимом, способная отводить отработанное тепло в течение лунных дней и ограничивать количество тепла, удаляемого в течение лунных ночей. Контурная тепловая трубка с терморегулирующим клапаном была разработана как решение этой проблемы. LHP с TCV способен отводить избыточное тепло в течение лунного дня, направляя горячий пар через TCV и в конденсатор для отвода, а также ограничивая тепло, отводимое в течение лунной ночи, направляя горячий пар через TCV и через байпасная линия непосредственно в компенсационную камеру.

Интегрированная система LHP и TCV была спроектирована, изготовлена ​​и испытана для работы в качестве переменного теплового звена. TCV был установлен внутри паропровода LHP, чтобы пар, образующийся в испарителе, направлялся в конденсатор или компенсационную камеру в зависимости от температуры пара. Выше максимальной уставки температуры 20ºC большая часть пара направлялась в конденсатор. Между 0ºC и 20ºC часть потока отводилась в компенсационную камеру. Ниже 0ºC большая часть потока обходится.При низких условиях стока и потребляемой мощности, -60ºC и 0-5 Вт, соответственно, испытания тепловых характеристик показывают, что LHP с TCV может эффективно снижать и останавливать поток LHP и поддерживать температуру испарителя без потребности в электроэнергии.

Аббревиатуры

Компенсационная камера CC

Международная лунная сеть ILN

LHP Loop Heat Pipe MSL Марсианская научная лаборатория

Терморегулирующий клапан TCV

Тепловая трубка с переменной проводимостью ВЧП

WEB Теплый блок электроники

Благодарности

Этот проект спонсировался Центром космических полетов им. Маршалла НАСА в соответствии с Законом о закупке SBIR №NNX10CF21P. Мы хотели бы поблагодарить технического наблюдателя Джеффри Фармера из NASA Marshall за многие полезные технические обсуждения. Тим Вагнер и Джеймс Бин были лаборантами, ответственными за изготовление и испытание демонстрационной тепловой трубы и анализ никелевого фитиля, а Майк Эллис выполнил анализ модели петлевой тепловой трубы. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этой статье, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.

Список литературы

Андерсон, У. Г., Хартенстайн, Дж. Р., Уокер, К. Л., и Фармер, Дж. Т., «Линия переменной теплопроводности для лунных аппаратов и вездеходов», 8-я Международная выставка IECEC, Нэшвилл, Теннесси, 25-28 июля 2010 г.

Бирур, Г., Прина, М., Бхандари, П., Карлман, П., Эрнандес, Б., Кинтер, Б., Уилсон, П., Баме, Д., Ганапати, Г., «Развитие пассивного Терморегулирующие клапаны с приводом для пассивного управления контурами однофазной жидкости с механической накачкой для космических приложений », SAE International Journal of Aerospace, апрель 2008 г., 1: 62-70.

Бирур, Г., Прина, М., Бхандари, П., Карлман, П., Эрнандес, Б., Кинтер, Б., Уилсон, П., Бэйм, Д., Ганапати, Г., «Развитие пассивного Терморегулирующие клапаны с приводом для пассивного управления контурами однофазной жидкости с механической накачкой для космических приложений », SAE International Journal of Aerospace, апрель 2009 г., 1: 62-70.

Бирур, Г., Цуюки, Г., «Дорожная карта усовершенствованного теплового контроля JPL — 2009», представленная на семинаре по тепловому контролю космических аппаратов, 10-12 марта 2009 г.

Франзосо, А., Молина, М., Фернандес, Ф.Р., и Барбагалло, Г., «Тепловые испытания теплового выключателя для европейского марсохода», ICES 2009, Саванна, Джорджия, 12–16 июля 2009 г.

Гончаров, К., Орлов, А., Тарабрин, А., Готтеро, М., Перотто, В., Тавера, С., и Зоппо, Г., «Развертываемый радиатор мощностью 1500 Вт с контурной тепловой трубкой», 31-я Международная конференция Конференция по экологическим системам, Орландо, Флорида, 9-12 июля 2001 г.

Гончаров, К., Шлитт, Р., Хильдебранд, У., «Петлевые тепловые трубки для высокоточного спутникового терморегулирования», Международный семинар по технологии двухфазного терморегулирования, Эль-Сегундо, Калифорния, 7-8 мая 2005 г. .

Лаунай, С., Сартр, В., и Бонжур, Дж., «Параметрический анализ работы петлевой тепловой трубы: обзор литературы», Международный журнал термических наук, 46 (7), стр. 621-636, июль 2007 г.

Молина, М., Франзосо А., Бурси, А., Фернандес, FR, и Барбагалло, Б., «Тепловой выключатель для европейского марсохода», 38-я Международная конференция по экологическим системам (ICES), Сан-Франциско, Калифорния, 29 июня — 2 июля 2008 г.

Паукен, М. Т., Бирур, Г. К., Новак, К. С., «Миниатюрная тепловая трубка, подходящая для марсоходов», 12-я Международная конференция по тепловым трубам, Москва, Россия, 2002.http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/handle/2014/11777

Суонсон, Т., и Батлер, Д., «Дорожная карта технологий управления температурой НАСА / Годдарда-2006», 17-й семинар по управлению температурным режимом аэрокосмических космических аппаратов, Лос-Анджелес, Калифорния, 14–16 марта 2006 г.

Battery 101: плюсы и минусы батареи с гелевым ковриком

Если вы когда-нибудь покупали аккумулятор, то знаете, что 1) их много и 2) все они имеют свои достоинств и недостатков. Аккумуляторы с гелевым ковриком ничем не отличаются.Понимание плюсов и минусов гелевой батареи — лучший первый шаг в определении , подходит ли вам этот тип батареи.

Что такое гелевый аккумулятор?

Прежде чем вы сможете определить плюсы и минусы гелевой батареи и то, как они повлияют на вас, важно понять, что именно представляет собой гелевый аккумулятор. Гелевый аккумулятор очень похож на традиционный свинцово-кислотный аккумулятор с добавлением диоксида кремния в электролит для создания гелеобразного вещества .

Это загустение электролита означает, что гелевые батареи можно устанавливать в различных положениях и не выделять столько дыма.

Pro Tip: Это позволяет использовать гелевые батареи в приложениях, где вентиляция ограничена.

Как это работает?

Гелевый аккумулятор (часто называемый гелевым аккумулятором) — это свинцово-кислотный аккумулятор с регулируемым клапаном . Когда электролит смешивается с серной кислотой и кремнеземом, он становится относительно неподвижным гелеобразным веществом.

Эта гелевая смесь позволяет батарее утилизировать кислоту и электролит так же, как и в традиционной свинцово-кислотной батарее, только без дополнительного обслуживания.

Плюсы

— Не требует обслуживания: Поскольку батареи состоят из геля, а не из жидкости, обслуживание батареи практически не требует обслуживания.

— Нет утечек: Даже несмотря на то, что аккумуляторные батареи с жидким электролитом запечатаны в пластиковом корпусе, все же существует вероятность того, что он протечет.Гелевые батареи также герметичны, но с клапаном, снимающим избыточное давление. Это значит, что между гелеобразным веществом и снятием давления смеси некуда деваться.

— Устанавливайте их где угодно: Гелевые батареи имеют то преимущество, что их можно использовать практически в любом положении, поскольку они не протекают и, как правило, не требуют обслуживания. Это значительно увеличивает количество применений, в которых можно использовать гелевые батареи.

— Минимальный риск: Когда происходит повреждение традиционной свинцово-кислотной батареи, вы сталкиваетесь с серьезной и опасной очисткой (не говоря уже о воздействии на все, с чем аккумуляторная кислота может контактировать во время процесса).Гелевые батареи не вытекут при повреждении корпуса, поэтому снижается риск повреждения оборудования и устранения опасностей.

— Устойчивость к вибрации: Одна из самых больших претензий к аккумуляторным батареям с жидким электролитом заключается в том, что они очень чувствительны к сильной вибрации и другим ударам. Гелевые аккумуляторы поглощают удары и вибрацию, что делает их отличными аккумуляторами для таких предметов, как квадроциклы.

— Без дыма: Поскольку эти батареи состоят из гелевого вещества, в результате использования образуется минимальное количество дыма.Это означает, что потребность в вентиляции снижается, что увеличивает потенциальные возможности использования гелевых аккумуляторов, а также упрощает их зарядку в любом месте.

— Устойчивость к смерти от разряда: При использовании батареи с жидким элементом важно не допускать чрезмерной разрядки батареи. В противном случае он никогда не перезарядится. Гелевые батареи не такие. Это батареи глубокого разряда , что означает, что они могут разряжаться больше и при этом заряжаться как новые.

Минусы

— Цена: В то время как преимущества гелевой батареи довольно велики, так же как и цена. Многие люди, желающие перейти с мокрых элементов на гелевые, видят в этом самый большой недостаток.

— Проблемы с зарядкой: При зарядке гелевого аккумулятора подумайте о том, чтобы дать ему дополнительное время. Для таких аккумуляторов довольно часто встречаются медленные циклы зарядки, но вы не можете уйти и бросить их.Поскольку это гель, а не жидкость, вам нужно будет снять его с зарядного устройства, как только он будет готов. Если оставить его включенным, в электролите могут образоваться пустоты, что является необратимым повреждением.

— Контроль нагрева: Это действительно недостаток большинства батарей, и гелевые батареи не исключение. Нагрев — один из самых быстрых способов сократить срок службы батареи. Контролируя нагрев аккумуляторов, вы можете продлить срок их службы и поддерживать работоспособность аккумулятора как новый.

Замена батарей в радиаторном клапане Genius — Служба поддержки HG (общедоступная)

  • Батареи в клапане радиатора Genius разряжаются, и их, вероятно, хватит еще на несколько недель, прежде чем клапан полностью перестанет работать.

    Снимите крышку аккумуляторного отсека. Для этого поместите ноготь в нижнюю часть крышки аккумуляторного отсека, потяните фиксатор вверх (в направлении экрана) и сожмите прорезь рядом с фиксатором.Крышка аккумуляторного отсека шарнирно закреплена на конце клапана с экраном.

  • Извлеките 2 батарейки AA (обратите внимание на ориентацию батарей: одна вверху, а другая внизу).

    Подождите 30 секунд перед тем, как вставить новые батареи.


  • Вставьте 2 новые батарейки AA, обратите внимание на ориентацию, показанную на экране.

    Не используйте аккумуляторные батареи, так как их напряжение слишком низкое (1,2 В, а не 1,5 В).

  • Выберите клапан Genius с разряженной батареей

    Старый номер клапана Genius может быть на передней панели устройства.
  • В вашей системе потребуется около дня, чтобы обновить значения ваших устройств и устранить любые ошибки.

  • Выведите радиаторный клапан Genius из спящего режима, кратковременно нажав одну из кнопок со стрелками.

  • Genius Hub проверит уровень заряда батареи, чтобы убедиться, что устройство сообщило о новом уровне заряда батареи.
  • Установите крышку аккумуляторного отсека, начиная сверху.

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

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

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

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

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

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

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

    Элемент и аккумулятор

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

    ИК-Фурье-спектроскопия

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

    Анализ ГХ / МС

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

    Моделирование

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

    Pre-TR вентиляция и анализ событий TR

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

    Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

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

    Загрузить рисунок:

    Стандартный образ Изображение высокого разрешения

    Все литий-ионные элементы содержат смеси коротких линейных алифатических карбонатов в качестве растворителей электролитов. 2,3,20,21 Элемент LG HG2 18650 содержит смесь диметилкарбоната (DMC), этиленкарбоната (EC) и пропиленкарбоната (PC). Температуры кипения ЭК и ПК при нормальной температуре и давлении практически идентичны (242 ° C). DMC кипит при 90 ° C. Нагревая переразряженную ячейку выше 200 90 324 o 90 325 ° C в течение более 3 часов, мы выпарили и удалили все растворители и оценили общую массу трех растворителей примерно в 4.4 г. Нагрев ячейки вызывает разрыв вентиляционных клапанов (дополнительный рис. S1), обычно между 125 ° C и 145 ° C T surf . Предположительно, внутренняя температура ячейки ниже, чем T surf , но выше точки кипения DMC. Продолжительность предварительной вентиляции TR составляет около 300 мс (дополнительный рисунок S7b). Температура сбрасываемого газа по вентиляционному каналу быстро снижается. На расстоянии 0,25 см от клапана температура DMC составляла 95 ° C, что указывает на то, что это газ, а на расстоянии 8 см и 20 см — 64 ° C и 21 ° C (температура окружающей среды) соответственно, что указывает на быструю конденсацию на коротких расстояниях. .Мы охарактеризовали газ, выходящий ниже 145 ° C, с помощью двух различных методов: ИК-Фурье-спектроскопия с временным разрешением на месте и автономный ГХ-МС анализ материала, собранного во время продувки. Большая часть материала, выходящего при температуре ниже 145 ° C, представляет собой DMC (рис. 2), независимо от состояния заряда вентиляционной ячейки. Спектр излучения FTIR показывает, что DMC выходит наружу в виде газа. Спектры испускания FTIR с временным разрешением показывают, что концентрация газа DMC уменьшается, тогда как спектры поглощения FTIR предполагают, что впоследствии он конденсируется в виде жидкости.

    Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

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

    Загрузить рисунок:

    Стандартный образ Изображение высокого разрешения

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

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

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

    Трехмерный CFD вентиляции до TR

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

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

    Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

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

    Загрузить рисунок:

    Стандартный образ Изображение высокого разрешения

    Моделирование теплового воздействия DMC, предварительно вентилируемого до TR, на принимающие клетки

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

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

    Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

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

    Загрузить рисунок:

    Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

    Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

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

    Загрузить рисунок:

    Стандартный образ Изображение высокого разрешения

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

    Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

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

    Загрузить рисунок:

    Стандартный образ Изображение высокого разрешения

    Распространение TR является многоступенчатым явлением.

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

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

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

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

    Поведение при горении крупномасштабной литиево-титанатной батареи

    Поведение при горении

    В этой работе элементы нагревались до возгорания с помощью электрического нагревателя. Процессы горения показаны на рисунке 1. Из рисунка 1 видно, что в разных состояниях литий-ионный аккумулятор демонстрирует схожее поведение при горении, однако есть и некоторые отличия.Поведение при горении можно разделить на стадии воспламенения, стабильного горения и тушения.

    Рисунок 1

    Поведение при сгорании батарей с 0%, 50% и 100% SOC.

    (a), (d), (g) и (h) — характеристики горения батареи 100% SOC; (b), (e) и (i) — характеристики горения батареи с 50% SOC; (c), (f) и (j) — характеристики горения батареи с 0% SOC.

    Этап I (зажигание): на этом этапе в течение некоторого времени нагревались три батареи. Для алюминиевого корпуса с 1.При толщине 44 мм аккумулятор на этом этапе не увеличивался. После 4629 с, 3900 и 1465 с нагрева для 0%, 50% и 100% батареи SOC, соответственно, лопнул клапан ограничения давления и из него хлынули газы. Горючие газы воспламенились от высокой температуры на электронагревателе и образовали струйное горение, как показано на рис. 1 (а), 1 (б), 1 (в). Для активных электрических материалов и органического электролита внутри происходили некоторые химические реакции. Согласно исследованиям Kim et al. 20 , на этом этапе по мере повышения температуры в батарее протекает серия экзотермических реакций.Атомы лития реагируют с органическим растворителем в электролите и выделяют большое количество алканолефиновых газов, таких как C 2 H 4 , C 3 H 6 , C 2 H 6 . Gachot et al. 21 предложила общую схему разложения электролита в диапазоне температур 100–250 ° C. Продукция может быть разделена на пять семейств: сложные эфиры, углеводороды, простые эфиры, карбонаты и спирты. Кроме того, воспламеняющийся электролит может испаряться из-за высокой температуры.Затем внутреннее давление увеличивается за счет образования газов (включая испарение электролита), когда оно превышает пороговое значение, газы будут выбрасываться из предохранительного клапана и воспламеняться от высокой температуры после полного смешивания с воздухом, как показано на рисунке 1 (а). к рисунку 1 (c). Сравнивая характеристики горения трех аккумуляторов, у одного с более высоким уровнем заряда (SOC) пламя горения после разрыва и воспламенения более длительное. Кроме того, с более высоким SOC время, необходимое для разрыва и воспламенения, уменьшается, что указывает на то, что степень и скорость внутренних реакций напрямую зависят от SOC.

    Стадия II (стабильное горение): Рисунок 1 (d) — Рисунок 1 (f) показывает, что длина пламени становится короче, но высота становится больше, чем на стадии I. На этой стадии горение батареи становится стабильным и пламя диапазон меняется медленно. Это явление сохранялось около 720 с (0% SOC) и 300 с (50% SOC). Это указывает на то, что реакции газообразования на этой стадии приближаются к стабилизации. На рис. 1 (g) показаны два струйных потока смешанного черного и белого дыма, выходящие как из катодного, так и из анодного предохранительного клапана.Это особое явление произошло через 540 секунд стабильного горения и проявилось только при 100% -ном сгорании батареи SOC. В это время произошли сильные реакции внутри полностью заряженной батареи, которые привели к возгоранию 100% SOC-батареи, что стало более сложным и трудно предсказуемым, что подробно обсуждалось в разделе обсуждения.

    Стадия III (тушение): область пламени постепенно уменьшалась и гасла в конце, как показано на Рисунках 1 (i) и 1 (j). На этом этапе реакция между электролитом и электродными материалами ослабляется, так как остаточное количество электролита уменьшается.Время горения составляет около 2160 с и 790 с для ячеек с 0% SOC и 50% SOC соответственно. Для ячейки 100% SOC он был погашен выбросом сильного дымового потока в 1990-е годы.

    Коэффициент потери массы

    На рисунке 2 показано, что полностью разряженный элемент (0% SOC) нагревается и сжигается дольше, чем полностью заряженный элемент (100% SOC), время нагрева двух элементов составляет 4560 с. и 1440 с, а время горения — 2820 с и 600 с соответственно. Время, используемое для наполовину заряженного элемента (50% SOC), находится между ними.Первые точки поворота трех кривых представляют момент воспламенения, а наклон кривых потери массы отражает степень сгорания трех батарей. Видно, что полностью заряженный аккумулятор сгорает сильнее других. Разница между 50% и 0% потерей массы батареи SOC составляет 1,94% (около 35 г), что указывает на то, что батареи испытали аналогичные процессы горения и коэффициент воспламенения аналогичен. Но для полностью заряженного элемента он потерял больше массы, чем у наполовину заряженного и разряженного элемента.За исключением аналогичного явления горения, потоки белого и черного дыма сильно выбрасывались из анодных или катодных клапанов и сдували струю пламени в 1988 г. (потеря 17,69% массы батареи). При этой температуре (более 300 ° C) материалы анода и катода очищаются от алюминиевой и медной пленки. И затем основной состав потока черного дыма — это материалы анода и катода. Следовательно, для полностью заряженной батареи общая потеря массы не означает, что она сгорела в большей степени, чем другие элементы.

    Рисунок 2

    Коэффициент потери массы аккумуляторных батарей при 0%, 50% и 100% SOC во время сгорания.

    0% SOC и 50% SOC батарея сгорела 13,04% и 15% от общей массы, батарея 100% SOC произошла два струйных возгорания и потеряла 28,96% массы.

    Поверхность элемента и температура пламени

    Четыре термопары были установлены на поверхности и шесть термопар были установлены рядом с электродами для определения температуры поверхности и пламени, как показано на рисунке 3. Неоднородные реакции в батарее могут влиять на распределение температуры поверхности .Ниже были проанализированы изменения температуры поверхности и пламени во время горения, чтобы выявить закономерности возникновения и развития возгорания батареи.

    Рисунок 3

    Кривая температуры поверхности и пламени батареи 0% SOC в течение всего процесса.

    (а) — температура поверхности, (б) — температура пламени.

    Температуры на катодном отводе, верхней поверхности, нижней поверхности и анодном отводе не изменяются с одинаковой скоростью. На рис. 3 (а), рис. 4 (а) и рис. 5 (а) показана история температуры поверхности батареи SOC 0%, 50% и 100% соответственно.На этапе нагрева нижняя температура быстро повышалась из-за прямого теплового излучения и вскоре стабилизировалась в определенном диапазоне температур, поскольку поглощение и излучение тепла уравновешиваются. По сравнению с температурами на катоде и аноде, температура верхней поверхности повышалась быстрее и оставалась на стабильном уровне после зажигания батареи. Распределение температуры поверхности при воспламенении показано на Рисунке 3 (а), Рисунке 4 (а) и Рисунке 5 (а). Интересно обнаружить, что критические температуры на выступе анода и верхней поверхности трех ячеек очень близки друг к другу, примерно от 112 до 121 ° C и от 139 до 147 ° C, соответственно.Температура верхней поверхности может напрямую отражать внутренние реакции ячейки, потому что повышение температуры вызывается только теплопроводностью от внутренней части к поверхности. На стадии горения резкие реакции внутренней батареи приводят к тому, что температура поверхности повышается быстрее, чем на стадии нагрева. Для батареи с 0% SOC самая высокая температура на нижней поверхности составляла 234 ° C при 7320 с, на верхней поверхности составляла 183 ° C при 7444 с и на анодном выступе была 143 ° C при 7479 с. Для батареи с 50% SOC температурные кривые TC3 и TC E5 на рисунке 4 (a) показывают резкое увеличение через 49 минут 26 секунд (2966 секунд).Это была температура катодного пламени от горения пластиковой упаковки. Внезапное прекращение температур TC3 и TC4 происходит из-за того, что термопары на наполовину заряженной ячейке сброшены с поверхности в результате плавления пластиковой упаковки. Но анодная термопара все еще может регистрировать температуру поверхности. Для батареи со 100% SOC температура поверхности резко увеличивается с 2027 до 2101 с, что отличается от температуры ячеек 0% SOC и 50% SOC. В этот период температура поверхности, протестированная с помощью TC1, TC2, TC3, увеличилась до 163 ° C, 208 ° C и 151 ° C за 3 минуты.В этот период пожар батареи отличался сильным потоком дыма, выбрасываемым из предохранительного клапана. Этот выброс длился около 20 с, и батарея потеряла 300 г массы в этом сегменте, как показано на Рисунке 2. В этот момент внутри батареи 100% SOC происходили усиленные реакции, в результате чего выделялось большое количество тепла с обильными газами. Если газы не были выброшены из предохранительного клапана вовремя, гигантские газы внезапно увеличат внутреннее давление и, возможно, приведут к взрыву.

    Рисунок 4

    Кривая температуры поверхности и пламени 50% -ной батареи SOC в течение всего процесса.

    (а) — температура поверхности, (б) — температура пламени.

    Рисунок 5

    Кривая температуры поверхности и пламени батареи 100% SOC.

    (а) — температура поверхности, (б) — температура пламени.

    На рис. 3 (b), рис. 4 (b) и рис. 5 (b) показана температура пламени трех батарей. Для батареи с 0% SOC TC E5 (на 100 мм выше E4) обнаружил более высокую температуру пламени, чем другие термопары на стороне катода, и самая высокая температура составляет 849 ° C через 87 минут 3 секунды (5223.51 с). Для 50% и 100% батареи SOC TC E2 (на 100 мм выше E1) обнаружил более высокую температуру, чем два других на анодной стороне, и самая высокая температура пламени составляет 711 ° C и 750 ° C для двух элементов соответственно. Таким образом, температура пламени составляет от 700 до 900 ° C, а центр пламени находится примерно на 100 мм выше предохранительного клапана.

    Ширина и высота пламени

    Горючие газы, выбрасываемые из клапана ограничения давления, воздух и высокая температура, образуют три основных элемента пожара.Пламя последовательно увлекает окружающий воздух для подачи окислителя и находится под влиянием вертикальной плавучести, что приводит к искажению и вибрации пламени. Расстояние по горизонтали между границей пламени и предохранительным клапаном определяется как ширина, а расстояние по вертикали между верхней точкой пламени и предохранительным клапаном определяется как высота. Согласно теории огненного шлейфа, пожарный шлейф можно разделить на три зоны: зона непрерывного пламени, зона прерывистого пламени и зона дальней зоны 22 .Эта теория используется здесь для анализа возгорания батареи. В прерывистой зоне высота пламени быстро колебалась в диапазоне 0-555,7 мм, как показано на Рисунках 6 (b) и 6 (d). Таким образом, средние значения соседнего пламени считались высотой пламени. Ширина пламени зависит от скорости потока газов, выходящих из предохранительного клапана. Можно обнаружить, что ширина возгорания трех батарей различается на Рисунке 6 (а) и Рисунке 6 (б). На рис. 6 (а) показано, что батарея 0% SOC имеет относительно небольшую и стабильную ширину пламени, а ее средняя ширина пламени составляет около 100 мм за 750 с.Когда батарея 50% SOC загорается, ширина возгорания сначала достигает 270 мм, а затем медленно спадает, пока не погаснет. Полностью разряженный аккумулятор горит более стабильно, а пламя меньше, чем у наполовину заряженного аккумулятора. Ширина возгорания батареи 100% SOC изначально составляет 300 мм, что, согласно видеозаписи, рассматривается как возгорание или испарение электролита. Затем он снижается до 50 мм и снова поднимается до 199 мм. Горючие газы, такие как газообразные алканы, были образованы и сгорали в процессе этого процесса, и в конце батарея перешла в режим теплового разгона.

    Рисунок 6

    Ширина и высота пламени для ячеек 0% SOC, 50% SOC и 100% SOC.

    (b) и (d) — это фактические расчетные значения трех ячеек ширины и высоты пламени из видео. (a) и (c) являются дальнейшей обработкой из (b) и (d).

    Решение проблем с нагревом батареи с помощью теплопередачи

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

    Хотя литий-ионные батареи являются лучшими перезаряжаемыми батареями, доступными на сегодняшний день, они страдают двумя основными недостатками: (1) они разлагаются, хотя и медленно, и (2) они довольно чувствительны к нагреванию. В этой статье мы сосредоточимся на втором аспекте — более конкретно, мы рассмотрим использование численного моделирования для понимания управления температурой и теплопередачи в аккумуляторных технологиях.Хотя большая часть следующего обсуждения касается аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях, оно применимо к любой технологии, в которой используется литий-ионная технология.

    На производительность и срок службы батареи, помимо прочего, влияют конструкция батареи, используемые материалы и рабочая температура. Для аккумуляторных блоков, используемых в электрических или гибридных транспортных средствах, рабочая температура (обычно в диапазоне 20 ° C — 35 ° C) имеет решающее значение для достижения максимальной эффективности. Работа при более низких температурах влияет на емкость, в то время как более высокие температуры снижают срок службы.Отчеты показывают, что пробег электромобилей может снизиться на 60% при температуре окружающей среды ниже –6 ° C и примерно на 50% при эксплуатации при 45 ° C. Еще одним фактором, влияющим на срок службы аккумуляторных блоков, является внутреннее распределение температуры. Разница более чем примерно на 5 ° C в элементе / модуле (многие из которых могут находиться внутри блока) снижает общий срок службы, а также емкость. На Рис.01 показано распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке.

    Рис.01: Распределение температуры в стандартной аккумуляторной стойке.Температура указана в Кельвинах. (Источник: SimScale Public Projects)

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

    Обзор подхода на основе моделирования

    Численное моделирование систем терморегулирования оказалось отличным способом разработки и улучшения конструкции батареи при значительно меньших затратах, чем при физических испытаниях.Хорошо продуманный и продуманный подход к моделированию может помочь точно предсказать теплофизику внутри батареи и, следовательно, может выступать в качестве полезного инструмента на ранних этапах процесса проектирования.

    Для оценки тепловых характеристик аккумуляторной батареи использовалось множество различных имитационных моделей — от простых моделей сосредоточенной емкости на одном конце спектра до полномасштабных трехмерных имитационных моделей на другом. Однако все эти модели построены с использованием одних и тех же основных частей фундаментального уравнения баланса энергии: (а) Каковы источники тепловыделения? б) Каковы геометрические и термические свойства аккумуляторных элементов? И, наконец, (c) Какой механизм охлаждения используется? В разных моделях эти компоненты учитываются с разной степенью точности, чтобы соответствовать желаемой точности и соображениям стоимости.

    Тепло вырабатывается из двух источников:

    1. Электрохимический режим, связанный с выделением тепла в результате химических реакций внутри батареи.
    2. Джоулевое нагревание, также известное как омическое нагревание или тепло, выделяемое за счет электрического тока.

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

    Геометрия аккумуляторных элементов и всего блока также может играть потенциально важную роль в характеристиках теплопередачи системы. Все более распространенным становится использование полных трехмерных геометрий (представленных в виде моделей САПР) в качестве исходных данных для анализа, а не относительно упрощенного двухмерного приближения. Свойства материалов различных компонентов получены из данных производителя или из других экспериментальных исследований.

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


    Изучите три основных механизма теплопередачи в нашей мастерской термического анализа. Посмотрите наше тепловое моделирование прямо сейчас!


    Собираем все вместе

    Возможно, самый простой подход — это использование модели сосредоточенной емкости. Это метод переходной проводимости, который предполагает, что температура твердого тела пространственно однородна и является функцией только времени.Не вдаваясь в подробности, нетрудно заметить, что этим подходам недостает значительных деталей. Тем не менее, бывают случаи, когда эти модели при тщательном внедрении могут предоставить довольно точные данные о переходных процессах при очень низких затратах.

    С другой стороны, подробное тепловое моделирование (например, предоставляемое SimScale) может обеспечить более целостный обзор задействованной термодинамики, учитывая поток жидкости и теплопередачу внутри аккумуляторного модуля или блока. Таким образом, можно разработать более совершенные системы охлаждения аккумуляторов.Это моделирование позволяет использовать точные спецификации свойств материала, геометрических деталей, а также начальных и граничных условий. Если все настроено эффективно, можно ожидать очень точных результатов. Методы CFD были с большим успехом применены к термическому анализу. Инструменты облачного моделирования позволяют значительно снизить общие вычислительные затраты, одновременно предоставляя подробные пространственные и переходные данные. Это может иметь неоценимое значение для установления фундаментально правильного понимания рассматриваемой теплофизики.

    Моделирование конструкции батареи с помощью CFD

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

    Рис. 02: Установка CFD для аккумуляторного модуля LIB (Источник: J. Yi, B. Koo и CB Shin, «Трехмерное моделирование теплового поведения литий-ионного аккумуляторного модуля для гибридных электромобилей», Энергия, т.7, pp. 7586-7601 (2014)

    Полученное распределение температуры внутри модуля после 1620 секунд разряда и теплопередачи показано на рис. 03.

    Рис. 03: Распределение температуры ячеек LIB после 1620-х годов (Источник: Дж. Йи, Б. Ку и CB Шин, «Трехмерное моделирование теплового поведения модуля литий-ионной батареи для гибридных электромобилей», Энергия, т. 7, с. 7586-7601 (2014)

    Выводы

    Мультифизический характер этой проблемы означает, что в каждом из этих подходов были внесены упрощения в несколько аспектов.Поэтому всегда есть возможности для улучшения. В приведенном ниже списке показаны лишь некоторые из этих сложных аспектов:

    • Более точное моделирование химического состава аккумулятора и циклов заряда / разряда;
    • Батареи, которые состоят из широкого спектра материалов, включая тонкие слои металлов (покрывающих элементы), пористые материалы и т. Д .;
    • Если в конструкции батареи используется несколько слоев из разных материалов, внутренний материал может быть анизотропным по своей природе;
    • Если свойства материала конструкции батареи, как правило, не очень хорошо известны, это может значительно повлиять на точность моделирования; и
    • Моделирование потока охлаждающей жидкости всегда является сложной задачей из-за сложной геометрии и возможной турбулентности жидкости.

    Увеличение вычислительной мощности позволило исследователям точно и эффективно учитывать большее количество этих аспектов. Повышение нашей уверенности в предсказательной способности такого моделирования. Несмотря на остающиеся проблемы, численное моделирование внесло огромный вклад в разработку более совершенных систем терморегулирования при проектировании батарей и будет продолжать делать это в обозримом будущем!

    Посетите все наши блоги SimScale здесь, чтобы найти больше полезных статей!


    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *