Химические источники тока

Химические источники тока: основные характеристики

Уже более двух столетий человечество использует энергию химических реакций между различными веществами для получения постоянного тока.

Принцип работы

Окислительно-восстановительная реакция, протекающая между веществами, обладающими свойствами окислителя и восстановителя, сопровождаются выделением электронов, движение которых образует электрический ток. Однако, чтобы использовать его энергию, необходимо создать условия для прохождения электронов через внешнюю цепь, в противном случае она при простом смешивании окислителя и восстановителя выделяется во внешнюю среду теплом.

Поэтому все химические источники тока имеют два электрода:

анод, на котором происходит окисление;

катод, осуществляющий восстановление вещества.

Электроды на расстоянии помещены в сосуд с электролитом — веществом, проводящим электрический ток за счет процессов диссоциации среды на ионы.

Принцип преобразования химической энергии в электрическую

На рисунке показано, что электроды размещены в отдельных сосудах, соединенных солевым мостиком, через который создается движение ионов по внутренней цепи. Когда внешняя и внутренняя цепь разомкнуты, то на электродах протекают два процесса: переход ионов из металла электрода в электролит и переход ионов из электролита в кристаллическую решетку электродов.

Скорости протекания этих процессов одинаковы и на каждом электроде накапливаются потенциалы напряжения противоположных знаков. Если их соединить через солевой мостик и приложить нагрузку, то возникнет электрическая цепь. По внутреннему контуру электрический ток создается движением ионов между электродами через электролит и солевой мостик. По внешней цепи возникает движение электронов по направлению от анода на катод.

Практически все окислительно-восстановительные реакции сопровождаются выработкой электроэнергии. Но ее величина зависит от многих факторов, включающих объемы и массы используемых химических веществ, примененных материалов для изготовления электродов, типа электролита, концентрации ионов, конструкции.

Наибольшее применение в современных химических источниках тока нашли:

для материала анода (восстановителя) — цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие металлы;

для материала катода (окислителя) — оксид свинца PbO2, оксид марганца MnO2, гидроксооксид никеля NiOOH и другие;

электролиты на основе растворов кислот, щелочей или соли.

Способы классификации

Одна часть химических источников тока может повторно использоваться, а другая нет. Этот принцип взят за основу их классификации.

Классификация химических элементов

Электродвижущая сила гальванических элементов, в зависимости от конструкции, достигает 1,2÷1,5 вольта. Для получения больших значений их объединяют в батареи, соединяя последовательно. При параллельном подключении батарей увеличивается ток и мощность.

Принято считать, что первичные химические источники тока не поддерживают повторную зарядку, хотя более точно это положение можно сформулировать по-другому: ее проведение экономически не целесообразно.

Резервные первичные химические источники тока хранятся в состоянии, когда электролит изолирован от электродов. Это исключает протекание окислительно-восстановительной реакции и обеспечивает готовность к вводу в работу. Они не используются повторно. Срок хранения резервных химических источников тока ограничен в 10÷15 лет.

Аккумуляторы успешно перезаряжаются приложением внешней электрической энергии. Благодаря этой возможности их называют вторичными источниками тока. Они способны выдерживать сотни и тысячи циклов заряда-разряда. ЭДС аккумулятора может быть в пределах 1,0÷1,5 вольта. Их тоже объединяют в батареи.

Электрохимические генераторы работают по принципу гальванических элементов, но у них для проведения электрохимической реакции вещества поступают извне, а все выделяющиеся продукты удаляются из электролита. Это позволяет организовать непрерывный процесс.

Основные рабочие характеристики химических источников тока

1. Величина напряжения на разомкнутых клеммах

В зависимости от конструкции единичный источник может создавать только определенную разность потенциалов. Для использования в электрических устройствах их объединяют в батареи.

2. Удельная емкость

За определенное время (в часах) один химический источник тока может выработать ограниченное количество тока (в амперах), которые относят к единице веса либо объема.

3. Удельная мощность

Характеризует способность единицы веса или объема химического источника тока вырабатывать мощность, образованную произведением напряжения на силу тока.

4. Продолжительность эксплуатации

Еще этот параметр называют сроком годности.

5. Значение токов саморазряда

Эти побочные процессы электрохимических реакций приводят к расходу активной массы элементов, вызывают коррозию, снижают удельную емкость.

6. Цена на изделие

Зависит от конструкции, применяемых материалов и ряда других факторов.

Лучшими химическими источниками тока считаются те, у которых высокие значения первых четырех параметров, а саморазряд и стоимость низкие.

Принципы заряда аккумуляторов

Среди вторичных химических источников тока большую популярность набирают литий ионные модели, которые стали массово применяться для питания электронных устройств. У них материалом положительного электрода используется LiMO2 (M Co, Ni, Mn), а отрицательного — графит.

При заряде ионы лития от приложенной внешней энергии выделяются из металла катода, проходят через электролит и проникают в пространство между слоями графита, накапливаясь там.

Когда энергия зарядного устройства отсутствует, а к электродам подключена нагрузка, то ионы лития в электролите двигаются в противоположную сторону.

Если заряд и разряд не проводятся, то энергия в аккумуляторе не расходуется, а сохраняется. Но ее количество ограничивается свойствами применяемых материалов. К примеру, у литий-ионных аккумуляторов значение удельной электроемкости составляет 130÷150 мАч/г. Оно лимитировано свойствами материала анода. Для графита емкость выше примерно в два раза.

Ученые сейчас ищут способы повышения емкости аккумулятора, изучают возможности использования химической реакции, проходящей между литием и кислородом воздуха. Для этого разрабатываются конструкции с воздушным, не расходуемым катодом, используемые в отдельных аккумуляторах. Этот метод может до 10 раз увеличить плотность энергии.

Эксплуатация химических источников тока требует знания основ электротехники, электрохимии, материаловедения и физики твердых тел.

Химия. 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 8. Химические источники тока. Ряд стандартных электродных потенциалов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён устройству и принципу работы гальванического элемента и других химических источников тока. Учащиеся получат представление о ряде электродных потенциалов и возможностях его использования.

Гальванический элемент – химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Электрод – электрический проводник, имеющий электронную проводимость и находящийся в контакте с ионным проводником — электролитом. В электрохимии — это часть электрохимической системы, включающая в себя проводник и окружающий его раствор

Анод – электрод, на котором происходит процесс окисления

Катод – электрод, на котором происходит процесс восстановления

Аккумулятор – химический источник тока многоразового действия

Топливный элемент – устройство, обеспечивающее прямое преобразования химической энергии в электрическую

Электрохимия – наука, которая изучает закономерности взаимного превращения химической и электрической форм энергии

Ряд стандартных электродных потенциалов – ряд металлов, расположенных в порядке возрастания значения их стандартных потенциалов

Стандартные условия – температура 25 о С, концентрация солей 1моль/л, давление 0,1МПа

Стандартный водородный электрод – электрод, использующийся в качестве электрода сравнения при различных электрохимических измерениях

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Химические источники тока

Рассмотрим знакомую нам окислительно-восстановительную реакцию. В раствор сульфата двухвалентной меди опустим цинковую пластинку. Со временем на поверхности цинка образуется красноватая пленка кристаллической меди. Синяя окраска раствора постепенно ослабевает. Это говорит о том, что протекает химическая реакция.

Cu 2+ + Zn = Zn 2+ + Cu

Молекулы воды отрывают ион цинка. Отдавая электроны, цинк является восстановителем. Ион меди – окислитель – принимает электроны. Электроны передаются от цинка к меди в месте соприкосновения металлов.

Давайте немного изменим условия проведения реакции. Цинковую пластинку опустим в сосуд с раствором сульфата цинка. Медную поместим в другой сосуд с раствором сульфата меди. Соединим пластинки с помощью металлического проводника. Теперь на цинковой пластинке идет окисление атомов цинка, а на медной восстанавливаются ионы меди. Электроны для их восстановления передаются теперь не напрямую, а по проводнику. Направленное движение электронов по этой внешней цепи и есть не что иное, как электрический ток.

Таким образом, произошло превращение энергии, полученной в результате химической реакции в электрическую. Устройство, в котором это осуществилось, получило название гальванический элемент.

Металлические пластинки или стержни называются электродами. Электроны перемещаются по внешней цепи от анода (цинка) к катоду (меди).

Образовавшиеся на аноде ионы цинка выходят в раствор и придают ему избыточный положительный заряд. В это же время у катода катионы меди восстанавливаются (принимают электроны), а оставшиеся в растворе анионы SO4 2- заряжают раствор отрицательно. Это препятствует дальнейшему течению процесса.

Чтобы не допустить этого, соединим сосуды стеклянной трубкой, которую заполним раствором хлорида калия с желатином. Теперь анионы будут двигаться в сторону цинка, а катионы – наоборот. Так будет поддерживаться электронейтральность растворов.

Гальванический элемент будет продолжать работу до полного растворения цинкового электрода или до восстановления всех ионов меди.

Впервые установку, в которой химическая реакция породила электрический ток, собрал Алессандро Вольта в 1800 году. Название «гальванический элемент» она получила позднее.

Теперь наука, которая изучает химические процессы, проходящие под действием электрического тока, а также процессы, в результате которых энергия химических реакций преобразуется в электрическую энергию, называется электрохимия.

Химические источники тока применяются очень широко. Знакомые нам «батарейки» – это разные варианты гальванических элементов. К сожалению, разрядившаяся батарейка уже не может быть восстановлена.

Этого недостатка лишены аккумуляторы, которые тоже представляют собой химические источники тока. Они устроены так, что израсходовав в процессе работы материалы электродов и электролит, способны вновь восстановить рабочие свойства после зарядки.

В свинцовом аккумуляторе чередуются решетчатые пластины, заполненные губчатым свинцом и диоксидом свинца. Электролитом служит серная кислота. Во время работы аккумулятора металлический свинец окисляется, а диоксид свинца восстанавливается.

Когда аккумулятор заряжают, то подключают его таким образом, чтобы ток шёл в направлении, противоположном тому, в котором двигались электроны во время работы. Благодаря этому, процессы окисления и восстановления на электродах поворачивают вспять. Теперь протекают обратные реакции, в результате которых снова появляются свинец, диоксид свинца и серная кислота.

Аккумулятор снова готов к работе.

Еще один источник преобразования химической энергии в электрическую – топливный элемент. Он подобен гальваническому элементу с той лишь разницей, что реагенты постоянно поступают в него извне. Поэтому он не разряжается и не требует электричества для повторной зарядки. Примером может служить водородный топливный элемент, перспективный для водородной энергетики.

Ряд стандартных электродных потенциалов

Вернемся к электродам и посмотрим поближе, что происходит там, где металл граничит с раствором.

Молекулы воды поляризованы и способны отрывать ионы металла. Удерживающиеся на поверхности электроны образуют отрицательно заряженный слой. К нему притягиваются из раствора катионы, образуя второй слой – положительный. Возникающую в двойном слое разность потенциалов называют электродным потенциалом, но определить его величину напрямую невозможно.

Однако есть такой электрод, которым пользуются для сравнения электродных потенциалов разных металлов. Он сделан из платины, но называется водородным, потому что водород пропускается через кислоту, в которой находится электрод. Благодаря платине, выступающей как катализатор, часть молекул водорода распадаются на атомы, которые окисляются на границе с кислотой. Одновременно идет и обратная реакция.

Разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое водородного электрода, условно принимается за ноль.

Потенциал металла, измеренный относительно стандартного водородного электрода при концентрации ионов металла 1 моль/л и температуре раствора, равной 25 о С, называют стандартным электродным потенциалом металла.

Соберём гальванический элемент, соединив электрод из исследуемого металла со стандартным водородным электродом. Электролитом для металлического электрода послужит раствор соли этого металла, а для водородного, как всегда, кислота.

Зная, что электродвижущая сила вычисляется как разность потенциалов двух электродов, и, подставив ноль в случае водородного электрода, мы видим, что измеренная ЭДС и будет потенциалом исследуемого электрода.

Металлы, расположенные в порядке возрастания значений их стандартных потенциалов, составляют электрохимический ряд напряжений металлов или ряд стандартных электродных потенциалов. Еще одно название – ряд активности металлов.

Имея в своем распоряжении ряд напряжений, мы можем характеризовать химические свойства металлов:

  1. Чем меньше значение электродного потенциала металла, тем больше его восстановительная способность;
  2. Каждый металл, начиная с магния, вытесняет все следующие за ним металлы из растворов их солей (это касается металлов, не взаимодействующих с водой);
  3. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, вытесняют его из разбавленных кислот (кроме азотной).

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

  1. Решение задачи на использование электрохимического ряда напряжений металлов

Условие задачи: Учитель загадал металл и дал ученикам три подсказки:

  • из соли ртути он вытеснит ртуть;
  • но не вытеснит водород из растворов кислот;
  • вам отгадать поможет вполне таблица, висящая на стене.

– Конечно, это ___, – засмеялись ученики, – только один металл подходит под ваше описание.

Вставьте в текст название металла.

Шаг первый: из таблиц выбираем «Электрохимический ряд напряжений металлов»

Шаг второй: находим металлы левее ртути, т.к. они вытесняют ртуть из растворов солей.

Шаг третий: из выбранных металлов находим те, что расположены правее водорода, т.к. они не вытесняют водород из растворов кислот.

Этим условиям отвечает только один металл – медь.

2. Решение задачи на расчеты по уравнению реакции

Условие задачи: Мастер решил покрыть железную фигурку слоем меди и поместил её в сосуд с раствором медного купороса. Он знал, что на изготовление фигурки было использовано ровно 120 г железа. Когда мастер достал фигурку из раствора, её масса оказалась уже 121,56 г. Сколько граммов меди осело на фигурке?

Шаг первый: Запишем уравнение реакции

Шаг второй: Выразим массу железа через массу меди.

Из уравнения реакции следует, что количество вещества выделившейся меди равно количеству вещества прореагировавшего железа

m(Fe)/56 = m(Cu)/64, тогда

Шаг третий: Рассчитаем массу меди.

Так как масса пластинки уменьшилась на величину массы прореагировавшего железа и увеличилась на величину массы выделившейся меди, можно записать равенство:

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Электрохимические элементы, используемые в качестве источников электрического тока, называют химическими источниками тока. Для применения в этом качестве ячейка должна отвечать определенным требованиям. Эти требования отличаются от тех, что предъявляются в аналитической химии или в термодинамических исследованиях. Одним из важнейших является способность элемента поставлять приблизительно постоянную мощность в течение длительного времени. Далеко не всякий гальванический элемент может удовлетворять этому требованию.

Мощность равна произведению разности потенциалов и силы тока. Разность потенциалов, которую имеет гальванический элемент на клеммах при силе тока, отличной от нуля, называется разрядным напряжением элемента. Оно меньше, чем ЭДС, по двум причинам.

Одна причина связана со скоростью химической реакции в элементе. Когда элемент включают во внешнюю цепь, с его анода отбираются электроны, а на катод поставляются электроны, что ведет к частичному «выравниванию» их потенциалов. Это явление называется поляризацией электродов или перенапряжением. Чтобы поддерживать постоянную разность потенциалов, реакция в элементе должна протекать с достаточно большой скоростью. Чем она медленней, тем больше поляризация электродов и тем меньше разрядное напряжение. Грубо говоря, медленная реакция не успевает поставлять электроны на анод или забирать электроны с катода, из-за чего разрядное напряжение снижается. С другой стороны, элемент имеет определенное внутреннее сопротивление /?, на котором происходит падение напряжения //?. Его называют омическими потерями (от названия единицы измерения сопротивления «ом»). Таким образом, разность между ЭДС и разрядным напряжением зависит от скорости электродных реакций и от внутреннего сопротивления элемента. Если скорость реакции очень мала, то после включения нагрузки, отбирающей некоторый ток, разрядное напряжение уменьшается вплоть до нуля, как показывает схематически кривая 1 на рис. 9.7. Такой элемент не пригоден в качестве источника тока.

Если скорость реакции достаточно велика, то разрядное напряжение слегка уменьшается при включении нагрузки, а затем остается приблизительно постоянным до тех пор, пока не будет израсходован запас одного из участников окислительно-восстановительной реакции (кривая 2 на рис. 9.7). Это при условии, что ЭДС элемента не зависит от степени расходования участников реакции. Такой элемент пригоден для службы в качестве источника тока.

Рис. 9.7. Схематическое изменение разрядного напряжения во времени у элемента с большим (1) и малым (2) перенапряжением

Химические источники тока подразделяют на три группы:

  • 1) первичные элементы, которые предназначены для однократного использования и не подлежат перезарядке;
  • 2) вторичные элементы, которые после израсходования участников реакции могут быть перезаряжены путем электролиза;
  • 3) топливные элементы, для которых участники окислительновосстановительной реакции поставляются непрерывно извне.

Первичные элементы обычно называют сухими батареями, а вторичные — аккумуляторами.

Типичное устройство сухой батареи включает в себя внешнюю оболочку, пористый разделитель катодного и анодного отделений, металлический электрод, пасту из материала другого электрода с электролитом и сборщик (коллектор) электронов для их переноса

Рис. 9.8. Схематическая конструкция элемента Лекланше

из пасты во внешнюю цепь, или наоборот. Например, в классическом элементе Лекланше (рис. 9.8) катодное отделение содержит пасту, состоящую из окислителя Мп02, электролита МН4С1 и воды. Паста отделена пористой перегородкой от цинкового анода, выполненного в виде цилиндрического стакана. Электролит анодного отделения находится в узком зазоре между цинковым анодом и перегородкой. В анодном отделении происходит полуреакпия окисления Zn(^) = = Zn 2+ (щ) +

, а в катодном — восстановление Мп(1У). Стехиометрия катодной реакции в этом элементе точно неизвестна (реакция имеет несколько продуктов восстановления). Электрический контакт пасты с внешней цепью осуществляется с помощью графитового стержня.

Элемент Лекланше имеет очень давнюю историю и применяется в основном для переносных электрических фонарей. Однако в современном варианте в отличие от классического электролит является не нейтральным, а щелочным. Соответствующий элемент называют марганцево-щелочным.

К другим первичным элементам относятся ртутно-цинковые и серебряно-цинковые батареи. Серебряно-цинковые батареи могут быть изображены схемой

с реакцией в анодном отделении 1п(т) + 20Н“(ац) = гпО(т) + + Н20(ж) + 2е“, а в катодном отделении А§20(т) + Н20(ж) + 2е“ = = 2А§(т) + 20Н“(ац). Общая реакция:

Как видно, в реакции участвуют только чистые твердые фазы. Благодаря этому ЭДС не меняется по мере расходования этих материалов, а разрядное напряжение зависит только от включенной нагрузки и составляет от 1,3 В до 1,1 В. Аналогично в ртутно-цинковом элементе происходит реакция с участием только конденсированных чистых фаз:

что обеспечивает постоянное разрядное напряжение при данной нагрузке. Это является достоинством «сухих» батарей. Они применяются во многих видах современной электронной техники (в наручных часах, калькуляторах, компьютерах, аудиотехнике, видеокамерах и т.д.).

К вторичным элементам относится, например, свинцово-кислотный аккумулятор. Его схема:

На аноде протекает окисление свинца (0) до свинца (II):

На катоде РЬ(1У) восстанавливается до РЬ(П):

Общая реакция элемента представляет собой окисление свинца (0) оксидом свинца (IV):

Как видно из этой реакции, ЭДС элемента зависит от активности серной кислоты в растворе. Однако в нем применяется концентрированная серная кислота, что позволяет сохранять долгое время приблизительно постоянное разрядное напряжение — около 2,0 В. Обычно шесть таких элементов собирают вместе и получается аккумулятор с разрядным напряжением 12 В. Такой аккумулятор применяется повсеместно в автомобилях. Когда он «садится», его перезаряжают от внешнего источника тока. При этом реакции на электродах протекают в обратном направлении с образованием РЬ02, РЬ и серной кислоты из сульфата свинца и воды. При надлежащем уходе этот аккумулятор может служить до 20 лет, но часто срок службы оказывается меньше.

Другим примером вторичных элементов может служить никель- кадмиевый аккумулятор (никад) с полной реакцией

Так как в реакции участвуют только чистые конденсированные фазы, ЭДС этого элемента не зависит от степени прохождения реакции. В результате он имеет более стабильное разрядное напряжение, чем свинцово-кислотный элемент. Его наиболее известное применение — освещение на железнодорожном транспорте.

Первичные и вторичные элементы служат, по существу, для хра-

Рис. 9.9. Схематическая конструкция топливного элемента Н2(г) + 02(г)

нения определенного запаса электрической энергии, которую можно востребовать при необходимости. В отличие от этого топливным элементом называют электрохимическую систему, служащую для производства электрической энергии из топлива и окислителя, которые подаются в анодное и катодное отделение извне. Примером служит водородно-кислородный элемент (рис. 9.9). В нем электроды выполнены из пористого проводника электричества (графита, никеля или другого проводника), который содержит катализатор для реакции и допускает контакт окислителя и восстановителя с электролитом. Электролитом служит концентрированный раствор щелочи, находящийся в пространстве между электродами.

В анодном отделении (на поверхности анода) водород окисляется до воды: Н2(г) + 20Н – ^) = Н20(ж) + 2е _ . В катодном отделении кислород восстанавливается до гидроксид-ионов: 02(г) + 2Н20(ж) + + 4е _ = 40Н“(ац). В сумме реакция представляет собой контролируемое (холодное) горение водорода 2Н2(г) + 02(г) = 2Н20(ж).

Водородно-кислородный элемент применялся в качестве автономных электростанций на космических кораблях серии «Аполло» (США). В последние годы активно разрабатываются новые топливные элементы для различных целей, в частности, для замены двигателей внутреннего сгорания в автомобильном транспорте.

Химические источники тока

Обозначение на схеме и устройство химических источников тока

К химическим источникам тока причисляют гальванические элементы и аккумуляторы. Есть и другие химические источники тока, но они менее распространены. В обиходе гальванический элемент получил название батарейка. Это не совсем верное определение, так как батарейкой можно назвать несколько отдельных гальванических элементов соединённых вместе – это и есть батарея питания или батарейка.

На принципиальных схемах гальванический элемент обозначается так.

Так обозначают один гальванический элемент или один элемент аккумулятора.

Но поскольку номинальное напряжение на одном гальваническом элементе обычно не более 1,5 вольта, их соединяют в батареи питания. Батарея питания на принципиальной схеме обозначается вот так.

Здесь показано, что батарея питания состоит из двух отдельных гальванических элементов. Общее напряжение на полюсах этой составной батареи – 3 вольта из расчёта, что каждый из элементов имеет на полюсах напряжение 1,5 вольта. Также на схемах можно встретить и такое обозначение.

Это тоже условное изображение батареи питания или батарейки на принципиальной схеме, только здесь не уточняется, сколько именно гальванических элементов используется в батарее, а указано лишь общее напряжение на полюсах батареи.

Одиночный аккумуляторный элемент обозначается на схемах так же, как и отдельный гальванический элемент. Номинальное напряжение одного аккумуляторного элемента обычно составляет около 1,25 вольт. Чтобы получить аккумулятор с большим напряжением аккумуляторные элементы соединяют вместе – получается аккумуляторная батарея или просто аккумулятор. Обозначение аккумуляторной батареи на схемах такое же, как и батареи, составленной из гальванических элементов.

Чем гальванический элемент отличается от аккумулятора?

Дело в том, что гальванический элемент сам является источником постоянного тока, который образуется за счёт необратимой химической реакции. Гальванический элемент причисляют к первичным источникам тока.

Аккумулятор является так называемым вторичным источником тока. Почему? Потому, что перед тем, как использовать аккумулятор, его нужно предварительно зарядить от источника постоянного тока – зарядника. Только после полной зарядки аккумулятор сможет питать электронное устройство. Отличительным качеством аккумуляторов является то, что их можно заряжать и разряжать много раз. В отличие от аккумулятора, гальваническая батарея питания после своего полного разряда не может быть использована повторно.

Какие существуют батарейки?

Наибольшее распространение в настоящее время получили щелочные батареи питания. Их ещё называют алкалиновыми – производное от английского слова alkaline – «щелочь».

Работа щелочной батарейки основана на окислительно-восстановительной химической реакции между цинком и диоксидом марганца. Результатом, а точнее полезным продуктом этой реакции является электрический постоянный ток и тепло, которое не используется. Электрическая ёмкость щелочной батарейки составлет около 1700 – 3000 мАч. По величине своей ёмкости, щелочные батарейки лидируют по сравнению с солевыми батарейками, электроёмкость которых меньше и составляет 550 – 1100 мАч.

Щелочная батарейка устроена следующим образом. Взглянем на рисунок.

Корпусом элемента является никелированный стальной стакан. Он же является плюсовым контактом батарейки « +». Активная масса представляет собой смесь диоксида марганца (MnO2) и графита. Анодная паста – это смесь порошка цинка (Zn) и густого щелочного электролита. Электролитом обычно служит раствор гидроксида калия (KOH). Анодная паста отделена от активной массы сепаратором. Сепаратор разделяет реагенты, исключая их перемешивание и нейтрализацию заряда. Также сепаратор пропитан электролитом.

Отрицательный потенциал снимается с латунного стержня, который окружён анодной пастой. Стальная тарелка контактирует с латунным стержнем – токосъёмником и является отрицательным контактом элемента «».

Прокладка изолирует никелированный стальной стакан от стальной тарелки, препятствуя тем самым короткому замыканию. Кроме этого прокладка сдерживает давление газа, который в незначительном количестве образуется при химической реакции. В толще прокладки имеется защитный клапан или по-другому предохранительная мембрана. Защитный клапан служат для того, чтобы при чрезмерном давлении газа сработать и выпустить его наружу. Это предотвращает взрыв щелочного элемента, но и приводит к его разгерметизации. Как правило, разгерметизация приводит к течи электролита.

Иногда, забыв вынуть уже подсевшие батарейки, через некоторое время можно обнаружить, что в батарейном отсеке появилась какая-то жидкость. Это и есть потёкший электролит. Он может вызвать коррозию контактов. Поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов. Теперь вы знаете, зачем это нужно делать.
Итак, с устройством разобрались, теперь поговорим о том, как работает щелочной элемент.

Как работает щелочной элемент.

Для начала, маленькое отступление…
Как вы заметили, почему то анодная паста соединяется с помощью токосъёмника с отрицательным контактом элемента – стальной тарелкой. А ведь анод – это « +». Получается нестыковочка…

В чём тут дело? А дело в том, что в электронике есть один каламбур. По умолчанию, за направление тока в электрической цепи считается направление от плюса (анода) к минусу (катоду) – так повелось ещё с тех времён, когда электроника ещё зарождалась.

Но ведь электрический ток, как известно, это упорядоченное движение электронов, которые имеют отрицательный заряд. И поэтому, ток течёт оттуда, где есть избыток электронов, в направлении, где есть нехватка отрицательных зарядов (это и есть плюс – недостаток электронов). При этом получается, что ток течёт в реальности от отрицательного контакта к положительному. Именно поэтому образуется эта нестыковка, которая порой вводит начинающих радиолюбителей в ступор.

В электрохимии анодом принято считать тот электрод, на котором происходит процесс окисления. Так вот в щелочной батарейке (и не только) на аноде в результате окисления образуется избыток электронов. То есть по сути – это катод, «минус». Но, как уже говорилось, в электрохимии всё наоборот. Итак, электроны вырабатываются анодной пастой – смесью цинкового порошка (Zn) и густого электролита (раствора KOH).

Катодом же считается электрод, где происходит реакция восстановления. Далее электроны, которые были получены в результате реакции окисления, проходят по электрической цепи электронного прибора, и возвращаются опять в батарейку, но уже на катод, где эти электроны используются для восстановительной химической реакции. Катод – это диоксид марганца. Токоприёмником катода служит никелированный стальной стакан, который контактирует с активной массой – диоксидом марганца (MnO2).

Вот такая игра в наоборот. Напомню ещё раз, что в электронике за направление тока в цепи считается направление от плюса-«анода» к минусу-«катоду». В электрохимии всё наоборот. С этим и связаны особенности в названии реагентов химического источника тока.

Можно ли заряжать батарейки?

Также часто можно слышать вопрос: «Можно ли заряжать батарейки?» Ответим: «Лучше не стоит». Дело в том, что для вырабатывания электрической энергии в батарейках используется необратимая химическая реакция. Поэтому батарейка и является первичным источникам тока.

А вот в аккумуляторах используется обратимая химическая реакция, которая позволяет заряжать и разряжать их множество раз. Поэтому аккумуляторы и называют вторичными источниками тока.

Несмотря на это, известно, что щелочные элементы допускают перезарядку, т.е. их можно зарядить и использовать повторно. Но такие, перезаряжаемые щелочные элементы имеют свою особую конструкцию. Также стоит отметить, что даже такие элементы нельзя перезаряжать много раз, обычно не более 25. В широкой продаже такие щелочные элементы не встречаются. Их маркируют как Rechargeable Alkaline Manganese.

Из всего этого следует, что заряжать обычные щелочные батарейки категорически не стоит. Такие эксперименты могут завершиться взрывом батарейки и разбрызгиванием электролита. А это не есть гуд +опасно для здоровья .

Чтобы замедлить химическую реакцию в щелочном элементе и, тем самым, продлить срок её хранения и снизить саморазряд батареи, в них раньше добавляли кадмий и ртуть. Эти вещества замедляли химическую реакцию, и цинк окислялся медленнее. Но, из-за токсичности ртути и кадмия их сейчас не используют, а применяют другие, менее вредные ингибиторы.

На многих батарейках можно даже увидеть надпись – 0% кадмия и ртути или 0% Hg & Cd. Это своеобразный маркетинговый ход, как бы намекающий на то, что данные батарейки безопасны.

Если вы с успехом дошли до этих строк, то теперь вас можно поздравить, ведь теперь вы знаете, как устроена и работает щелочная батарейка. И поэтому её и не обязательно разбирать . Кроме щелочных элементов питания существуют и другие, но об их устройстве мы расскажем в другой раз.

Типы систем рекуперации тепла в системах вентиляции

При постройке дома необходимо выбрать и установить систему для рекуперации тепла в системах вентиляции. Существует несколько модификаций вентиляционного оснащения, которое выбирают в зависимости от его производителя. Оборудование природного импульса включает в себя нагнетательные клапаны для стен и окон, обеспечивающие поступление свежего воздуха в комнаты. Для удаления запахов из туалетных и ванных комнат, а также из кухонь устанавливают вытяжные воздуховоды.

  • 1. Преимущества и недостатки воздухообмена
  • 2. Типы рекуператоров
    • 2.1. Разветвлённая система утилизации тепла
    • 2.2. Аппараты смешанного действия
    • 2.3. Вторичное применение материалов и энергии
    • 2.4. Особенности пластинчатой и роторной конструкций

Воздухообмен получается из-за разницы температур в комнате и за её пределами. В летнее время температуры выравниваются как внутри, так и снаружи комнат. То есть воздухообмен приостанавливается. В зимний период эффект проявляется более оперативно, но при этом потребуется больше энергозатрат для нагрева холодного уличного воздуха.

Составная вытяжка является системой с принудительной вентиляцией и с естественной циркуляцией воздуха. Недостатками являются:

  • большая нагрузка на систему отопления;
  • слабый воздухообмен в доме.

К преимуществам можно отнести невысокую цену и отсутствие внешних природных факторов. Но при этом по качеству и функциональности аэрация не может считаться полноценной вентиляцией.

Для обеспечения комфортных условий в новых жилых домах устанавливают универсальные системы вынужденной аэрации. Системы с рекуператором обеспечивают поступление свежего воздуха нормальной температуры с одновременным удалением отработанного воздуха из помещений. Вместе с этим происходит теплоотвод из нагнетательного потока.

В зависимости от типов рекуператоров и размеров помещений, в которых установлена вентиляция, происходит улучшение микроклимата более или менее эффективно. Но даже при установленной рекуперации при коэффициенте полезного действия всего лишь 30% экономия энергоресурсов будет значительной, а также происходит улучшение общего микроклимата в комнатах. Но имеются у теплообменников и недостатки:

  • увеличение потребления электроэнергии;
  • выделение конденсата, а зимой возникает обледенение, что может привести к поломке рекуператора;
  • сильный шум при работе, доставляющий большие неудобства.

Теплообменные аппараты или теплоутилизаторы в системах вентиляции с усиленной теплошумоизоляцией работают очень тихо.

Рекуператоры направленного движения теплоносителей предполагают вентиляцию и утилизацию тёплого отработанного воздуха. Аппарат осуществляет перемещение воздуха в двух направлениях с одинаковой скоростью. С теплоутилизаторами повышается комфортность жизни в домах.

При этом значительно снижаются расходы на отопление и вентиляцию, соединяя оба серьёзных процесса в один. Такие аппараты можно использовать как в жилых, так и в производственных помещениях. Таким образом, экономия денежных средств составит приблизительно от тридцати до семидесяти процентов. Теплоутилизаторы можно разделить на две группы: теплообменники простого действия и тепловые насосы для увеличения запаса утилизируемой теплоты. Теплообменники можно использовать лишь в тех случаях, когда ресурсы источников больше ресурсов микроклимата, которому передаётся теплоэнергия.

Устройства, передающие тепло от источников к потребителям при помощи промежуточных рабочих тел, например, жидкостей, циркулирующих в замкнутых контурах, состоящих из циркуляционных насосов, трубопроводов и теплообменников, находящихся в нагреваемых и охлаждаемых камерах, называются рекуператорами с промежуточными теплоносителями. Такое оборудование широко применяется в разных теплообменниках и циркуляционных насосах при больших расстояниях между источником и потребителем тепла.

Этот принцип используется в разветвлённой системе утилизации тепла и энергопотребителей с разными характеристиками. Работа теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем состоит в том, что процесс в нём протекает в диапазоне водяного пара с изменением агрегатного состояния при постоянной температуре, давлении и объёме. Эксплуатация утилизаторов с тепловыми насосами отличается тем, что движение рабочей жидкости в них производится компрессором.

Для утилизации тепла вытяжного воздуха и для согревания приточного воздуха применяют обменники рекуператорного или контактного типа. Могут также устанавливаться аппараты смешанного действия, то есть один — рекуператорного действия, а второй — контактного. Желательно устанавливать промежуточные теплоносители безвредные, недорогие, не вызывающие коррозию в трубопроводах и теплообменниках. До недавнего времени в роли промежуточных теплоносителей выступали только вода или водные гликоли.

В настоящий момент их функции успешно выполняет холодильный агрегат, который работает как тепловой насос в комбинации с рекуператором. Теплообменники располагаются в приточных и вытяжных воздуховодах, а при помощи компрессора осуществляется циркуляция фреона, потоки которого переносят тепло из вытяжного воздушного потока в приточный и обратно. Всё зависит от времени года. Такая система состоит из двух и более приточных и одной вытяжной установки, которые объединяет один холодильный контур, что обеспечивает синхронную работу установок в разных режимах.

С подорожанием материалов или энергии всё актуальнее становится возвращение частей материалов и энергии для вторичного применения в этом же технологичном процессе. Из-за всё большего потребления энергии возникает необходимость в приобретении природного газа, каменного угля, мазута. Вентиляционные и охлаждающие системы используют тепло отводимого воздуха при нагревании нагнетательного микроклимата, что позволяет понизить вдвое расходование тепла системой вентиляции.

Самая простая конструкция у пластинчатого рекуператора. Основой такого теплообменника является герметическая камера с параллельными воздуховодами. Его каналы разделяются стальными или алюминиевыми теплопроводными пластинками. Недостатком этой модели является образование конденсата в вытяжных каналах и появление ледяной корки в зимнее время. При размораживании оборудования поступающий воздух идёт на теплообменник, а тёплые исходящие воздушные массы способствуют растапливанию льда на пластинах. Для предотвращения подобных ситуаций предпочтительнее использовать пластины из алюминиевой фольги, пластика или целлюлозы.

Роторные рекуператоры являются самыми высокоэффективными аппаратами и представляют собой цилиндры с гофрированными металлическими прослойками. При вращении барабанной установки в каждую секцию входит тёплый или холодный поток воздуха. Так как коэффициент полезного действия обуславливается темпом вращения ротора, таким аппаратом возможно управлять.

К достоинствам можно отнести возвращение тепла приблизительно 90%, экономичное расходование электричества, увлажнение воздуха, кратчайшие сроки окупаемости. Чтобы рассчитать эффективность рекуператора, необходимо измерить температуру воздуха и вычислить энтальпию всей системы по формуле: H = U + PV (U — внутренняя энергия; P — давление в системе; V — объём системы).

Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла для частного дома: сколько стоит оборудование и как работает

Когда возникает вопрос установки вентиляции, начинаются долгие раздумья, какую выбрать систему. Либо ограничиться естественным притоком и оттоком воздуха, либо делать принудительный монтаж и не зависеть от капризов природы. Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла для частного дома позволяет добиться постоянного воздухообмена. Не зависит от времени года, направления ветра, разницы температур внутри и снаружи помещения. Тратится больше энергии, чем в естественной вентиляции, но с рекуператором экономия тепла очевидна.

Устройство и принцип действия приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла

Чтобы обеспечить постоянный воздухообмен в помещении, очистку поступающего воздуха от пыли и нагрев температуры в частном доме или квартире необходимо установить принудительную вентиляцию. Приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией тепла подает очищенный воздух. Экономия тепловой энергии при номинальной мощности составляет около 6 кВт. Рекуператор это устройство, которое возвращает тепло в дом. Относится к категории энергозависимых конструкций, требует подключения к источнику электрической энергии.

При проектировании учитывается:

  1. Количество помещений в доме;
  2. Ожидаемое количество людей;
  3. Назначение помещения.

Расчет сети воздуховодов по дому производится, исходя из потерь давления, которое присутствует в системе вентиляции. В здании с установленной принудительной системой приточно-вытяжной вентиляции воздушный поток поступает с улицы. При прохождении через конденсационный агрегат, воздух очищается от пыли, нагревается до необходимой температуры и поступает в помещение. Достоинство системы в том, что в дом подается очищенный и подогретый воздух в необходимом объеме.

Процесс работает круглосуточно:

  • Воздух с улицы поступает по вентиляционному каналу через шумоглушитель в вентиляционный агрегат;
  • В агрегате воздух очищается от пыли, нагревается и подается через шумоглушитель по вентиляционному каналу в помещение;
  • Отработанный воздух из санузлов и подсобных помещений возвращается обратно в вентиляционную установку и передает свое тепло входящему воздуху, который поступает с улицы;
  • Проходя через вентиляционную установку, уже охлажденный и отработанный воздух выходит на крышу улицы.

С помощью встроенного пульта управления можно настраивать:

  • Температуру входящего воздуха;
  • Скорость работы вентилятора, необходимого при воздухообмене;
  • Интервал замены фильтра регулируется по неделям.

Если необходимо, чтобы ночью или в определенные дни недели воздухообмен был меньше, делаются соответствующие настройки. Например,

  • Температура поступающего воздуха в приточную установку -9 ◦ C;
  • Температура воздуха, которая подается в помещение +15 ◦ C;
  • Температура выходящего из установки отработанного воздуха -3 ◦ C.

При таком режиме калорифер (нагреватель) внутри приточного столба выключен — электроэнергия не тратится впустую для нагрева воздуха. Таким образом, обеспечивается экономия тепловой энергии.

Как работает вентиляционный агрегат

Представляет собой утепленный звукоизолированный металлический ящик. Для правильной работы вентиляционной установки и отображения температур устанавливается датчик для выходящего на улицу воздуха и поступающего из помещения отработанного состава.

  • Холодный воздух с улицы:
    1. Поступает через фильтр;
    2. Очищается от пыли;
    3. Проходит через рекуператор;
    4. В помещение воздух поступает через вентилятор, который создает разницу давлений.

  • Отработанный воздух из помещения:
    1. Проходит через фильтр;
    2. Очищается от крупной пыли;
    3. Проходит через рекуператор.
    4. Через вентилятор уходит на улицу.
  • В агрегат устанавливается роторный теплообменник. Внутри находится тонкий лист алюминия, свернутый в соты. Двигатель вращает соты. Холодный воздух, который заходит с противоположной стороны, нагревается и поступает в помещение.

    При выходе на крышу монтируется приточная установка. Сколько кубометров воздуха поступает, столько кубов вытягивается на улицу. В стояк монтируются вентиляционные трубы. Терморегулятор регулирует температуру, подающего воздуха.

    Вытяжные вентиляторы, устанавливаются отдельно, в зависимости от объема помещения. Воздух по одной трубе из приточной установки подается по воздуховоду в определенные комнаты. По другой трубе воздух выходит из вытяжного зонта на улицу. При работе создается разряжение воздуха.

    Виды блоков рекуперации тепла

    Рекуперация тепла в системе приточной вентиляции явление относительно новое и пока мало распространенное. Существует несколько типов устройств и большой выбор моделей по каждому виду. Приточно-вытяжная вентиляция с подогревом воздуха и рекуперацией выполняет следующие функции:

    • Возврат тепловой энергии;
    • Экономия топлива;
    • Снижение стоимости оборудования;
    • Обеспечение экологических норм;
    • Сокращение транспортных расходов;
    • Снижение стоимости газоочистки;
    • Снижение затрат на систему отопления.

    Роторный (барабанный)

    Теплообменник подходит для местности с суровым климатом. Барабан изготовлен из фольги алюминия. Поступательными движениями тепло переходит от вытягиваемого к подаваемому воздуху:

    • Тепло передается подаваемому воздуху;
    • Смешивание потоков составляет менее 0,1%;
    • Возвращается теплый и увлажненный воздух.

    Помещения меньше высыхают. Полезная мощность составляет 92%.

    Пластинчатый перекрестный рекуператор

    Предназначен для местности с мягкими погодными условиями. Встречные потоки пластинчатого рекуператора разделяются алюминиевой фольгой.

    • Тепло передается подаваемому воздуху;
    • Формируется конденсат;
    • Необходим отвод воды.

    Тепло удаляемого воздуха через алюминиевые пластины нагревает подаваемый воздух. На пластинах теплообменника конденсируется влага, которая попадает из помещений.

    Во время отогрева КПД теплообменника равна нулю, тепловозврат не происходит. Общая эффективность вентиляционной установки падает. Система возвращает до 95% тепла.

    Тепловые трубки

    Данный вид производится как герметично запаянная трубка из материала с хорошей тепловой проводимостью. Внутрь заливается фреон. Рекуператор помещается в воздуховод вертикально (допустимо устанавливать под небольшим градусом). Нижний конец помещается в вытяжке, верхний в приточной вентиляции.

    Теплый воздух проходит по нижнему воздуховоду по дну трубки. Фреон закипает, пары поступают в верхнюю часть и встречаются с приточным воздухом, забирая тепло от фреона. Конденсат оседает на дно трубки, цикл повторяется. Достоинство: нет движущихся частей. Недостаток: слабая работоспособность, система работает на фреоне.

    Устройство с промежуточным теплоносителем

    В качестве теплоносителя используется вода или специальный раствор.

    • Два теплообменника сообщаются между собой трубопроводами;
    • Один из них находится в канале, который вытягивает воздух и получает теплоту;
    • Теплота через теплоноситель переходит во второй теплообменник, размещенный в канале приточного воздуха, где происходит нагрев.

    Потоки не смешиваются друг с другом, но промежуточный теплоноситель снижает эффективность работы до 50%. Дополнительно КПД можно увеличить насосом. Достоинство промежуточных теплоносителей в том, что теплообменники можно устанавливать на расстоянии друг от друга. Монтаж производится в вертикальном и горизонтальном положении.

    Грунтовый теплообменник

    Стоимость эксплуатации системы снижается на 5-10%. Если нет грунтового теплообменника, воздух, попадающий в систему рекуперации, проникает непосредственно с улицы. С грунтовым теплообменником на глубине порядка двух метров в земле прокладывается труба. Температура воздуха ниже промерзания грунта остается всегда стабильной в районе +10◦C.

    Воздух проходит по трубе в земле и попадает в рекуперацию тепла. Разницу температур компенсировать гораздо проще. ТЭНы включаются реже, экономия тепла становится больше.

    Грунтовый теплообменник необходимо делать по проекту. В зависимости от площади дома подбирается система рекуперации, которая определенный объем воздуха забирает с улицы и, проводя через весь грунтовый теплообменник, его разогревает. Важно обратиться к опытному проектировщику. Именно он сможет рассчитать длину и глубину канала.

    Технические характеристики, на которые следует обратить внимание при выборе

    • Металлические устройства эффективны в эксплуатации до -10ºС. При пониженных температурах работоспособность заметно снижается. Вследствие чего применяется электрические преднагревательные элементы;
    • При выборе следует изучить толщину корпуса, материал мостиков холода. Толщина 3 см подлежит дополнительной изоляции, когда температура на улице станет ниже -5ºС. Вдвойне придется использовать изоляционный материал, если каркас сделан из алюминия;
    • Следует обращать особое внимание на показатели свободного напора вентиляторов. Может случиться так, что на 500 м 3 напор может полностью отсутствовать. Об этом потребители узнают, как правило, когда рекуператор выходит из строя;
    • Большой плюс, когда к автоматической системе можно подключить дополнительные функции. Благодаря усовершенствованной автоматике, снижаются издержки в эксплуатации и повышается работа всего прибора;
    • Основной показатель для принятия решения, на каком рекуператоре остановить свой выбор – это вентиляционный напор и мощность. Предварительно делается расчет, сколько воздуха должно поступать в дом за один час.

    Лучшие приточно-вытяжные системы с рекуперацией тепла

    Vakio

    Это не просто вентилятор с фильтром. По отзывам потребителей, качество модели во много раз превышает цену. Расход электроэнергии от 5 до 20 Ватт в час. Малый расход в связи с тем, что нет греющего элемента, который нагревает воздух.

    Цикл притока и оттока воздуха длится по 40 секунд каждый. Вентилятор разворачивается и работает беспрерывно, выполняя разные функции. Он просто меняет направление воздуха. При этом нет перепадов шума.

    Работает в диапазоне от -47 ◦ C до +50 ◦ C. Есть режим сброса наледи. Устройство снабжено фильтром класс F6: не пропускает не только пыль, но и пыльцу, что особенно важно для тех, кто страдает аллергией. Полностью российская сборка (производитель г. Новосибирск). А значит, прибор идеально подходит для суровой зимы.

    Mitsubishi Electric VL-100EU5-E Lossnay

    Позволяет избежать сквозняков при проветривании и сохраняет микроклимат. Принцип работы предельно прост:

    • Воздух из помещения втягивается вентилятором в камеру с теплообменником;
    • В результате возникающего в комнате разряжения, поступает воздух с улицы;
    • Внутри камеры происходит обмен теплом и влажностью.

    Главный элемент системы: теплообменник Lossnay («Без потерь»). В нем происходит теплообмен между уличным и комнатным воздухом. Летом поступает охлажденный воздух, зимой – теплый. Коэффициент теплообмена рекуператора составляет 80%. Особая конструкция теплообменника позволяет снизить уровень внешнего шума в два раза. Не дает проникнуть с улицы вредным веществам из выхлопным газам.

    За счет тонких стенок в фильтре происходит активный обмен кислородом и влажностью. Теплообменник достаточно время от времени пылесосить, а фильтры промывать водой. К фильтру прилагается защитная сетка вытяжного вентилятора. При необходимости ее тоже можно снять и прочистить.

    Прана

    Компактное недорогое решение для вентиляции в частных домах. Прана решает несколько проблем:

    • Обеспечивает приток свежего воздуха в помещении;
    • Фильтрует и нагревает воздух до нужной температуры за счет тепла удаляемого воздуха;
    • Вытягивает отработанный воздух наружу.

    Рекуператор экономит до 80% затрат, связанных с вентиляцией. Прибор оснащен дистанционным (реостатным) управлением, способен плавно регулировать уровень воздухообмена. Воздух обновляется столько раз, сколько потребуется. Устройство, без внутреннего и внешнего блока устанавливается в течение нескольких часов.

    • Не требует дорогого сервисного обслуживания;
    • Значительно дешевле подвесной вентиляционной системы;
    • Не имеет альтернативы по сумме характеристик и стоимости.

    Можно ли самому сделать систему с рекуперацией

    Системы рекуперативной вентиляции становятся особенно актуальными после установки пластиковых окон. В окнах есть режим микровентиляции, но хотелось бы управлять процессом. Результатом решения вопроса у многих становится самодельная рекуперация.

    Есть множество вариантов самодельных установок. Самые простые, даже, если пульт управления не впечатляет внешним видом, в целом, неплохо справляются с задачей. Основная часть блок управления. Внутрь стены вставляется блок вентиляции. С другой стороны окна монтируется дополнительный блок. Провода лучше закладывать в стенку.


    Основная задача системы менять воздух в комнате, оставляя тепло:

    • Используется два цилиндра: диаметр — 110 мм; длина – 310 мм. С одной стороны трубы встраивается реверсивный вентилятор. Он способен переключать направление подачи воздуха и продувать теплообменник;
    • Два обычных вентилятора подключаются спина к спине. Периодически включаются то один, то другой. Вентилятор способен подавать воздух сквозь трубу в обоих направлениях. Реверсивную модель можно заменить бюджетным вариантом от старых компьютерных системных блоков. Но тогда вместо двух понадобится четыре штуки;
    • В основную часть трубы вставляют теплообменник. Задача забирать тепло у воздуха, выходящего из помещения, и отдавать тепло холодному воздуху с улицы.

    Рекуператор работает циклично, поэтому называется реверсивным. Некоторое время он вытягивает воздух из помещения, нагревая теплообменник. Потом затягивает воздух с улицы, отдавая запас накопленного тепла. Два блока включают для большей эффективности. Пока один вытягивает воздух из помещения, другой подает и наоборот. Такая схема работы позволяет избежать выпадения конденсата.

    Теплообменник представляет собой массу маленьких стеклянных трубочек, которые плотно набиваются в трубу. Они заменяют производственных соты, через которые проходит воздух. Вместо трубочек можно использовать более эффективный вариант – небольшие стеклянные шарики. Воздух в работе постоянно огибает шарики, путь прохождения удлиняется, больше отдается и поступает тепла.


    Блок управления рекуперативной вентиляцией включает:

    • Трансформатор от обычного блока питания;
    • Диодные выпрямители 4 шт.;
    • Интегральный стабилизатор 12 вольт;
    • Выпрямитель на 6-12 вольт, собранный на базе стабилизатора 5 вольт.

    Резистор регулирует напряжение от интегрального стабилизатора 6 12 вольт, подается на вентилятор. Схема управления рекуперативного цикла работает от 12 вольт.

    Отдельно вставляется микросхема таймера, который задает интервалы. Можно установить оптимальное время переключения. Две группы вентиляторов монтируются в двух блоках рекуперативной вентиляции.


    Режим:

    • Вытяжка воздуха;
    • Всасывание воздуха;
    • Обратный возврат — рекуперация.

    Пока один вентилятор засасывает воздух, другой удаляет его из помещения. Через установленное время цикл меняется.

    Дом должен иметь максимально герметичную теплоизоляцию. Естественная вентиляция заведомо не сможет обеспечить необходимый уровень воздухообмена. Механические системы вентиляции успешно справляются с работой. Лучшее решение на сегодняшний день установить принудительную систему с рекуперацией, что позволяет экономить тепловую энергию, особенно, в загородных домах средней и большой площади.

    Что такое рекуперация воздуха в вентиляции: принцип работы и монтаж

    Высокие затраты на электроэнергию рано или поздно заставляют нас задуматься о способах экономии. Не все владельцы жилых и офисных помещений догадываются о том, что потери тепла зимой в значительной степени вызваны вентиляцией. Согласно статистике, вместе с удаляемым из помещений воздухом уходит от 30% до 60% тепла. Приточно-вытяжная вентиляция с рекуператором — разумный компромисс между энергосбережением и надлежащей вентиляцией помещения. Рассказываем об основным принципах работы оборудования.

    Что такое рекуператор и почему он используется в приточно-вытяжных системах?

    Рекуператор — «сердце» приточно-вытяжной вентиляции с функцией теплообмена. Именно это устройство отвечает за передачу тепла отработанного воздуха — свежему. Данная технология востребована во всех типах помещений, где важно поддерживать комфортный микроклимат. Приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает эффективную циркуляцию воздушного потока. Аналогичная вентустановка с рекуператором подает в помещение не просто свежий, но и предварительно подогретый воздух.

    Принцип работы приточно вытяжной вентиляции с рекуперацией

    Как это работает? Прибор забирает тепло из выходящего потока и передает его поступающему с улицы. В итоге температура свежего воздуха близка к комнатной и почти не требует нагрева. Это экономит наши расходы на электроэнергию.

    Поговорим о конструкции оборудования. Внешне рекуператор представляет собой короб с входными и выходными отверстиями. Внутри находится ключевой компонент — теплообменник, который отвечает за передачу тепловой энергии. Встречные потоки воздуха проходят через это устройство, но не смешиваются благодаря пластинчатой или мембранной перегородке. Рекуператор также оснащен фильтрами, которые очищают и поступающий, и выходящий поток. Это важно для здоровья людей в помещении и для защиты теплообменника от пыли и мусора. За движение воздушного потока отвечают вентиляторы. Надежную работу и надлежащую изоляцию обеспечивают кожухи. Как правило, оборудование оснащается автоматикой, позволяющей регулировать мощность работы вентиляционной системы в соответствии с запросами пользователей. Более подробно о составных частях системы вентиляции.

    Виды рекуператоров, их особенности, преимущества и недостатки

    На рынке представлены различные типы рекуператоров. Поговорим о каждом из них.

    Пластинчатые представляют собой блок-кассету с металлическим корпусом, внутри которого установлены пластины (отсюда название) из оцинковки, фольги, пластика или полимеризованной бумаги. Пластины разделяют потоки воздуха и мешают им смешиваться. Эффективность данного вида рекуператоров зависит от материала пластин:

    • металлические — не лучший выбор. Замерзают в мороз и долго оттаивают. При обмерзании воздух периодически приходится пускать через обводной канал, минуя рекуператор, сразу в помещение;
    • пластиковые такой проблемы не имеют, но стоят дороже. В эксплуатации — гораздо эффективнее. Их можно использовать в помещениях с высокой влажностью. И пластиковые, и металлические пластины образуют конденсат, для сбора которого в конструкции предусмотрен поддон. При установке таких рекуператоров нужно предусмотреть дренаж;
    • теплообменники из полимеризованной бумаги высокоэффективны, не образуют конденсат и не сушат воздух. Не подойдут для влажных помещений.

    Роторные рекуператоры имеют цилиндрическую форму и состоят из алюминиевого ротора, заключенного в корпус из оцинкованной стали. Барабан при вращении нагревается в зоне вытяжного канала и охлаждается в зоне приточного, возвращая тепло уличному воздуху. Роторные рекуператоры более эффективны, чем пластинчатые. Автоматика регулирует скорость вращения ротора и предупреждает обмерзание. Следовательно, не требуется разморозка.

    Энтальпийные — технически более продвинутое оборудование. Возвращают не только тепло, но и влагу. Результативность установки оценивается в 80-85% благодаря эффективному теплообмену. Принцип работы заключается с многоступенчатой рекуперации. Что это значит? Внутри рекуператора находится мембрана, которая работает как губка: поглощает тепло и влагу из выходящего воздуха и передает приточному. Смешивания потоков не происходит. Конденсат не образуется: мембранная поверхность впитывает строго определенный объем влаги.

    Плюсы энтальпийных рекуператоров:

    • высокая эффективность;
    • отсутствие конденсата;
    • не промерзают;
    • качественная циркуляция воздуха с дополнительным увлажнением.

    Оборудование не так давно вошло в обиход. На сегодняшний день накоплено мало статистических данных по реальному сроку службы, надежности и долговечности энтальпийных рекуператоров. Производители заявляют срок до 10 лет, но реальным практическим опытом эксплуатации это не подтверждено. На данный момент такие устройства используются главным образом в вентиляционных установках с относительно небольшим расходом воздуха.

    Насколько целесообразно заказывать вентиляцию с рекуперацией?

    Установка приточно-вытяжной рекуперации — долгосрочная инвестиция. Цена вентустановки с рекуператором в среднем на 50% дороже. Данное оборудование с годами обязательно окупит себя. Срок окупаемости и целесообразность установки зависит и от климатических условий. Полезный материал на тему — что такое приточно-вытяжная система вентиляции.

    ВАЖНО! Рекуператор хорошо проявляет себя при большой разнице температур. Если на улице -15°C, а в здании должно быть +20°C, установка приточной-вытяжной вентиляции с рекуперацией экономически целесообразна.

    Если вы живете в мягком, южном климате, переплачивать за рекуператор смысла нет: разница температур невелика. Данное оборудование оптимально для умеренного и северного климата с суровыми зимами и затяжным межсезоньем.

    Особенности монтажа вентиляции с рекуперацией

    Качественно работающая вентиляция — результат правильно подобранной конструкции, оборудования, тщательного, профессионального проектирования и монтажа. Для того, чтобы система рекуперации работала эффективно и экономично, должны быть соблюдены 3 условия:

    • профессионально составленный инженерный проект;
    • надежное исполнение системы вентиляции;
    • рекуператор хорошего качества.

    Определяющее значение имеют профессиональные знания, квалификация, опыт и навыки монтажной компании. Важным шагом является соответствующая настройка системы в соответствии с предполагаемыми параметрами:

    1. Каналы вентиляции — это «кровеносная система» всей системы рекуперации. Критически важны оптимальные трассы вентиляционных каналов. Чтобы система рекуперации выполняла свою задачу, трубы должны иметь правильно подобранные диаметры для подачи нужного количества воздуха и качественно заизолированы.
    2. Правильное направление воздушного потока в установке обеспечивают вентиляторы рекуператора. Продуманное распределение вентканалов обеспечивает оптимальную и тихую подачу воздуха, который эффективно проветривает все помещения.
    3. Не менее важен выбор рекуператора соответствующей мощности. Чтобы правильно подобрать теплообменник, необходимо произвести тщательные расчеты. Только на основании этого параметра нужно приобретать рекуператор соответствующей мощности. Слабое оборудование не справится с поддержанием комфортного микроклимата в доме и повлияет в конечном итоге на экономическую целесообразность.

    При выборе оборудования избегайте искушения купить то, что подешевле. Зачастую бюджетный агрегат означает худшую производительность и в конечном итоге снижает энергоэффективность всей системы в целом. Установку приточно-вытяжной вентиляции стоит доверять профессиональной монтажной компании, которая занимается проектированием, сможет корректно рассчитать объемы воздушного потока и качественно установить систему.

    Вывод

    Вентиляция с рекуперацией — эффективное решение для циркуляции воздуха в умеренной и северной климатической зоне. Современное оборудование позволяет эффективно перерабатывать тепло, восполнять затраты на отопление и экономить на счетах за электроэнергию. В этом обзоре мы постарались затронуть основные принципы работы и виды оборудования. Отдельное внимание уделили профессионализму проектировщиков и монтажников.

    Остались вопросы? — Закажите бесплатную консультацию.
    Наши специалисты помогут подобрать инженерные системы для промышленного и коммерческого объекта, исходя из технических параметров и ваших потребностей, а также проконсультируют по вопросу рекуперации в вентиляции и монтажа системы.

    Читайте также:
    Теплый пол электрический под плитку: плюсы и минусы
    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: