МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,УКРАЇНИ

ДВНЗ «УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Кафедра ТЕ

Розрахунково-пояснювальна записка

До курсового проекту з

«Устаткування електрохімічних виробництв»

«Розрахунок свинцево-кислої акумуляторної батареї 6-ст-140»

Виконала

ст. гр. 4-Е-82 Стефчук Ю.Г.

Керівник

Асистент Смирнова О.В.

М.Дніпропетровськ

2012

РЕФЕРАТ

Стр. Ил. Табл.

Ключевые слова: АККУМУЛЯТОР, СВИНЕЦ, ЭЛЕКТРОД, ЭДС, НАПРЯЖЕНИЕ, ПАСТА, ДИОКСИД СВИНЦА, СЕРНАЯ КИСЛОТА, ВОДА, ХИТ, СУРЬМА, ПОЛЯРИЗАЦИЯ, БАТАРЕЯ.

В литературном обзоре описывается принцип работы свинцового аккумулятора, его преимущества и недостатки. Описываются проблемы при его работе и некоторые решения для их устранения.

В конструктивном расчете ведется расчет параметров аккумулятора, определяется расход пасты на каждый токоотвод, определяется размеры сепаратора, принимается его габаритные размеры батареи аккумулятора и аккумуляторной батареи.

В балансе напряжений определяются энергозатраты при работе аккумуляторной батареи.

В тепловом расчете определяется интенсивность нагрева аккумулятора при стартерном режиме работы

1. Введение

Потребность в автономных источниках энергии интенсивно возрастает. Чтобы получить необходимые технико-технические характеристики различных автономных устройства, необходимо производить большое количество вариантов источников тока каждой из обеспеченных в сырьевом и технологическом отношении электрохимических систем [1].

Химические источники электрической энергии или, как их чаще называют, химические источники тока – устройства, позволяющие получать электрическую энергию за счет какой-либо химической реакции. В химических источниках тока переход химической энергии в электрическую осуществляется непосредственно без промежуточного образования тепловой и механической энергии, как это имеет место при использовании химической энергии горения топлива под паровыми котлами тепловых электростанций или в двигателях внутреннего сгорания.

Значение химических источников тока в современной технике и быту очень велико. Это объясняется тем, что очень много машин и аппаратов нуждается в автономном питании электрической энергией, не связанном со стационарными электросетями, а также тем, что высокая надежность химических источников тока делает их незаменимыми для всякого рода аварийных устройств. Область применения химических источников тока весьма велика, это приведение в действие стартеров, источники тяги (электровоз, электрокар), энергия для фонариков, освещения вагонов, питания различных средств связи, измерительной аппаратуры, аварийных устройств и др.

Химические источники электрической энергии изготавливают самых различных размеров: с массой в несколько грамм и до сотен килограммов.

Химические источники тока бывают однократного и многократного действия. Источники одноразового действия обычно называют первичными источниками тока, а источники многократного действия – аккумуляторами [2].

При выборе аккумуляторной батареи необходимо спрогнозировать режим ее работы, характер изменения нагрузки, диапазон изменения силы тока и напряжения, температуру окружающей среды и др. Исходя из этих параметров, можно выбрать ряд аккумуляторов, удовлетворяющих наши требования, но ключевым параметром при сравнении аккумуляторов этого ряда между собой будет их стоимость.

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока (около 70%). Обладая сравнительно высокой удельной мощностью в сочетание с надёжностью и относительно низкой стоимостью, эти аккумуляторы находят разнообразное применение. В основном это автомобилестроение, электростанции, телефонные станции и т.д. [3].

2. Литературный обзор

1. Разновидность свинцовых аккумуляторов

В зависимости от назначения различают следующие виды свинцовых аккумуляторов: стационарные, стартерные, авиационные, вагонные. В свинцовых аккумуляторах применяется 2 типа электродов: поверхностные и пастированые.

Поверхностный электрод состоит из свинцовой пластины, на поверхности которой электрохимическим способом формируется слой активной массы.

Пастированые электроды подразделяются на решетчатые (намазные), коробчатые и панцирные.

В решетчатых электродах активная масса удерживается в решетки из свинцово-сурьмяного сплава толщиной 1-4мм.

В коробчатых пластинах решетки с активной массой закрываются с двух сторон перфорированными свинцовыми листами.

Панцирные пластины состоят из свинцово-сурьмяных штырей, которые помещаются внутри пластмассовых перфорированных трубок, заполненных активированной массой. Для отрицательных электродов используются намазные и коробчатые пластины, для положительных – поверхностные, намазные и панцирные [4].

2. Теория свинцового аккумулятора

Свинцовые аккумуляторы, в принципе, состоят из следующих частей: положительных пластин из диоксида свинца, нанесенного на решетки-токоотводы из свинцово-сурьмяного сплава, отрицательных пластин из

свинцовой губки, также нанесенной на токоотводы-решетки, электролита – раствора серной кислоты, сепараторов – микропористых изоляторов, разделяющих положительные и отрицательные пластины, и сосудов с крышками.

Действие свинцовых аккумуляторов основано на реакциях:

• на положительном электроде:

PbO₂+H₂SO₄+2H⁺+2e↔PbSO₄+2H₂O

• на отрицательном электроде:

Pb+H₂SO₄-2e↔PbSO₄+2H⁺

• Реакция в аккумуляторе в целом:

PbO₂+Pb+2H₂SO₄±2e↔2PbSO₄+2H₂O

При заряде аккумулятора процессы идут слева направо, при заряде наоборот [3].

Используя уравнение Нернста можно определить ЭДС свинцового аккумулятора:

Где:

Е₀=2,041 – стандартній потенціал реакции;

R=8,31 – универсальная газовая постоянная, Дж/к·моль;

T – температура среды;

F – число Фарадея;

- активность сернойкислоты;

- активность воды;

Из уравнения видно, что ЭДС аккумулятора растет с увеличением концентрации H₂SO₄. Однако с увеличением концентрации кислоты возрастает скорость коррозии электродов, а при высоких концентрациях кислоты – растет сопротивление раствора э лектролита. Поэтому рабочая концентрация H₂SO₄ в заряженном аккумуляторе лежит в пределах 3,4-5,5 моль/л ( =1,2-1,31г/см³), а в заряженном – 1,3-2,9моль/Л ( =1,08-1,17г/см³).

3. Электрические характеристики

Как было сказано ранее, при заряде аккумулятора ионы свинца на положительном электроде отдают электроны и переходят в PbO₂, а на отрицательном электроде получают по 2 электрона и переходят в металлическую свинцовую губку. При этом во время заряда свинцовом аккумуляторе образуется серная кислота, ее концентрация в электролите растет и, следовательно, растет и ЭДС аккумулятора.

По мере расхода ионов свинца их концентрация в электролите пополняется за счет перехода в раствор PbSO₄ из заряженных активных масс. У поверхности снаружи и внутри пор активной массы, где, собственно, проходит процесс разряда, на который расходуются ионы свинца, их концентрация локально падает. Появляется концентрационная поляризация, которая при заряде вызывает рост потенциалов электродов, дополнительно к увеличению ЭДС за счет роста концентрации кислоты в электролите. К концу заряда потенциалы электродов достигают величины, достаточной выделения кислорода и водорода, и заряжаемый ток начинает расходоваться для разложения воды.

На рис. 2.1 представлены кривые зависимости ЭДС, напряжения и потенциалов электродов (по отношению к кадмиевому электроду сравнения) от продолжительности заряда током постоянной величины. В конце заряда все кривые переходят в горизонтальные прямые, так как идет только разложение воды с постоянной плотностью тока.

На рис. 2.2 представлены кривые, характеризующие заряд аккумуляторов. Концентрация кислоты при разряде падает, соответственно снижается ЭДС аккумуляторов. Поверхность активных масс постепенно покрывается тонким слоем сульфата свинца, не проводящим электрический ток и препятствующий контакту активных масс с электролитом. Пластины пассивируются, и их

потенциалы снижаются. Кроме того, в порах активных масс концентрация кислоты падает сильнее, чем в сосуде. Следовательно, имеет место и концентрационная поляризация, снижающая напряжение в аккумуляторе при заряде. К концу разряда кривые загибаются круче.

Для хорошего использования активных масс необходимо, чтобы процессы разряда и заряда происходили не только на поверхности электродов, но и в глубине пор. Чтобы ток прошел по электролиту внутрь пор, приходится тратить некоторое количество энергии на преодоление омического сопротивления в порах. При низкой плотности тока для относительно равномерного распределения тока по глубине достаточно небольшой разности потенциалов между поверхностью и глубиной пор. При больших плотностях тока (стартерном разряде) большая часть его приходится на поверхность пластин. Масса в глубине пор начинает работать интенсивней только к концу разряда, когда на поверхности уже израсходован активный материал. Поэтому к концу разряда состав массы по глубине пластин несколько выравнивается. При разрядах на холоду из-за большого электрического сопротивления в порах глубинные слои материала используются хуже.

Количество электричества, которое можно получить от хорошо заряженного аккумулятора, зависит от запаса активных масс и их степени

использования. Возможная степень использования активных масс зависит от температуры и плотности тока разряда, количества и концентрации электролита, толщины пластин и свойств сепаратора. Степень использования свинца в аккумуляторах очень мала. При разрядах токами малой плотности она получается, равна 50-70%, а при стартерных разрядах 15-18%. Если же считать весь свинец, который находится в аккумуляторе, то поскольку количество его в токоотводах и в пасте приблизительно одинаковый, то степень использования и того вдвое меньше. Полного использования активных масс достичь никогда не удастся, даже при избытке электролита. Ограничивает использование активных масс чаще всего их пассивация и иногда недостаточное количество кислоты в электролите. Так одно и тоже количество сульфата свинца скорее закроет поверхность активной массы, если кристаллизация будет проходить в виде мелкокристаллического плотного слоя, а не крупных рыхлых кристаллов [2].

Ухудшение электрических характеристик аккумулятора и выход из строя обусловлены коррозией решетки и оползанием активной массы положительного электрода. Срок службы аккумулятора определяется, в первую очередь, типом положительных пластин и условием эксплуатации.

В аккумуляторном производстве используется как чистый свинец, так и сплавы, содержащие сурьму, которая неоднозначно воздействует на эксплуатационные характеристики аккумуляторов.

Положительное воздействие сурьмы связано с тем, что положительные электроды с легированными сурьмой решетками выдерживают более сильные циклические зарядно-разрядные нагрузки. Наличие сурьмы способствует более прочному электрическому контакту активного материала с решеткой, в то время, как в бессурьмянистых решетках активная масса полностью отслаивается и отпадает уже после нескольких циклов разряда-заряда. В основном применяют сплавы, содержащие 1-10% сурьмы, а для тяговых батарей содержание сурьмы находится в пределах 4%. Следующее преимущество решеток содержащих сурьму в том, что на них не возникает блокирующего эффекта, который часто наблюдается в случае бессурмянистыми

пластинами. Блокирующий эффект состоит в образовании токонепроводящих прослоек между решеткой и активным материалом. Это, в свою очередь, может привести к большим колебаниям емкости даже на новых батареях.

Отрицательный эффект заключается в том, что увеличение содержания сурьмы увеличивает ток постоянного подзаряда и относительное его увеличение во время эксплуатации.

Уменьшение содержание сурьмы ниже 3% вызывает образование кристаллических структур материалов решеток, которые приводят к быстрому образованию трещин. Это делает невозможным изготовлен ие качественных решеток.

Существуют разработки сплавов, с малым содержанием сурьмы, которые имеют очень тонкую структуру и, поэтому, могут использоваться для изготовления качественных решеток. При этом выполняется такое требование, как неподверженность этого сплава повышенной коррозии.

По сравнению с сурмянистыми сплавами состоит в том, что в аккумуляторах с такими решетками не возникает блокирующих эффектов, они обладают стойкостью при циклических нагрузках хотя и меньшей чем в обычных сплавах, но отличается от них незначительно. Аккумуляторы, в которых используются малосурьмянистые сплавы, имеют достаточно низкий ток подзаряда, что объясняется специальными добавками в активной массе [5].

4. Процесс саморазряда

Свинец может существовать в растворах серной кислоты только благодаря тому, что водород выделяется на нем с очень большим перенапряжением. Но если на поверхность свинца попадут частицы других металлов, на которых перенапряжение выделения водорода меньше, чем на свинце, то водород, вытесняемый свинцом из раствора, начнет выделяться на них, а свинец будет переходить в раствор. При заряде использование тока на

выделение свинца упадет, так как ток начнет тратиться на выделение водорода. Чтобы избежать этих вредных явлений, необходимо при изготовлении аккумуляторов применять все материалы только высокой степени чистоты, в первую очередь не содержащие железа, меди и других металлов с низким перенапряжением для выделения водорода. Но избежать присутствия сурьмы,

которая имеет малое перенапряжение выделения водорода, в сплаве трудно. При заряде сурьма из токоотвода положительного электрода переходит в раствор и затем оседает на поверхности отрицательного электрода. Чтобы повысить перенапряжение выделения водорода на сурьме, в электролит или в активную массу добавляют специальные вещества – ингибиторы, в частности α-оксинафтойную кислоту. Это значительно уменьшает саморазряд и газовыделение в аккумуляторах [2].

Применение малосурьмянистых и бессурмянистых сплавов значительно уменьшает разложение воды, однако, неизбежно происходит некоторый расход воды на газообразование как неотъемлемое свойство свинцового аккумулятора [5].

Саморазряд положительного электрода возникает, в основном, в случае загрязнения электролита веществами, способными окислятся в контакте с PbO₂, в частности, ионами железа. Поскольку саморазряд, в основном, происходит из-за растворения свинца в серной кислоте, то естественно, что с ростом температуры и концентрации кислоты в электролите саморазряд увеличивается [2].

5. Усовершенствования

Свинцовый аккумулятор придумали очень давно еще в 1859 году. С тех пор его назначение, вид и электрические характеристики сильно изменились. Коэффициент отдачи аккумулятора, коэффициент использования активной массы возросли многократно. Было придумано новое исполнение, как аккумулятора, так и отдельных его частей. Сейчас используются новые сплавы

свинца для токоотводов аккумулятора. Но основные проблемы данного аккумулятора до сих пор не решены. Оплывание активной массы, саморазряд аккумулятора, коррозия пластин – все это требует тщательного исследования и нового исполнения. Необходима разработка новых сплавов, которые будут оказывать только положительное влияние на характеристики аккумулятора, чтобы он не только не уступал по характеристикам нынешним моделям аккумулятора, но и много кратно превосходил их. Необходимы новые материалы для корпуса аккумулятора, чтобы они имели большую прочность, чем полипропилен и эбонит, и имели меньший вес.

Многое в аккумуляторе поменялось с момента создания первого образца и много в нем еще поменяется.

6. Технологический процесс изготовления свинцовых аккумуляторов

Технологический процесс изготовления аккумуляторов включает в себя

• Отливка свинцовых цилиндриков и токоотводов.

• Производство свинцового порошка.

• Производство пасты, для намазки токоотводов.

• Дозревание и сушка намазанных токоотводов.

• Баковая формировка – для производства сухозаряженных аккумуляторов.

• Сборку аккумуляторов (если поступают электроды после баковой формировки - производятся сухозаряженные аккумуляторы, а если после электродного цеха - залитые аккумуляторы).

• Батарейная формировка – для производства залитых аккумуляторов.

7. Формировка батарей

   1. Баковая формировка

Формировка заряда электродов (формирование) осуществляется в формировочных баках, изготовленных из диэлектрических материалов (эбонит,

полипропилен) и оборудованы внутри постоянными токоподводящими шинами, а также сменными диэлектрическими гребенками (для фиксации сдвоенных пластин).

Пластины электродные устанавливаются в пазы гребенок поочередно, то есть положительные чередуются с отрицательными. Для формирования заряда пластин, контактирующих с шинами, шины подключаются к источнику постоянного тока.

В баках осуществляется так называемое беспайковое формирование. Это значит, что для обеспечения надежного контакта ушка пластины с шиной, в месте их соприкосновения, используется явление электрохимического осаждения на катоде.

Наибольшее осаждение происходит в местах наибольшей плотности тока, то есть в точках соприкосновения пластин с шиной, следовательно, место касания обрастает рыхлой массой свинца, обеспечивая надежный контакт с отрицательной шиной. Поэтому, отрицательный потенциал сначала подается на шину, контактирующую с положительными пластинами. В течение одного часа образуется надежный контакт положительных пластин с шиной. После этого. Изменяется полярность включения шин (переполюсовка) и отрицательный потенциал подается на шину, контактирующую с отрицательными пластинами. Образуется надежный контакт отрицательных пластин с шиной и далее продолжается формирование пластин по заданной программе. В результате формирования пластин, из сульфата свинца образуются: на положительном электроде – двуокись свинца, а на отрицательном – губчатый свинец.

Необходимо отметить, что во время формирования происходит постепенное растворение положительной шины, приводящее к ее очищению от сульфата свинца и осадков. А на отрицательной шине происходит накопление осадков, приводящее, в дальнейшем, к ухудшению контакта шины с устанавливаемыми на них пластинами. Поэтому, при формировании очередной

партии пластин, положительные и отрицательные пластины меняются местами и, следовательно, меняется полярность подачи напряжения на шины. Это обеспечивает очередную анодную чистку шин осадков, а также равномерный износ шин.

После формирования, положительные и отрицательные сдвоенные электроды выгружаются, раздельно, из формировочных баков в заполненные чистой обессоленной водой транспортировочные баки и транспортируются на промывку и сушку.

Высушенные сдвоенные электроды передаются для разделения на одинарные. После разделения, одинарные электроды передаются на сборку батарей.

1. Батарейная формировка

Аккумуляторные батареи, из сборочного цеха, на европоддонах, поступают в цех батарейного формирования. Поддон с батареями устанавливается на подъемный стол. С подъемного стола батареи перегружаются, вручную, на приемный конвейер заливочной машины. Залитые электролитом батареи, через системы конвейеров и раздаточную машину загружаются в одну из двенадцати формировочных ванн. В ваннах осуществляется формирование электрического заряда батарей, с применением водяного охлаждения, для сокращения времени формирования.

Для более эффективного охлаждения ванны оборудованы насосами рециркуляции воды и воздушной системой барботажа (перемешивание) воды, контроль за температурой воды осуществляется термодатчиком. Параметры работы формировочной ванны задаются с центрального компьютера.

Из формировочных вынн батареи, через машину выгрузки и систему конвейеров, передаются на дальнейшую обработку.

Дальнейшая обработка включает:

1. Слив и замена электролита, если необходимо, коррекция уровня электролита.

2. Контроль уровня электролита.

3. Отстой батарей в накопителе.

4. Монтаж пробок.

5. Промывка и сушка батарей.

6. Зачистка плоских выводов.

7. Испытание батарей большим током и высоким напряжением.

8. Клеймение.

9. Консервация полюсных выводов.

10. Окончательная сборка.

11. Установка этикеток.

12. Снятие с конвейера, погрузка на европоддоны и транспортировка батарей на склад готовой продукции.

Температура электролита при формировке должна быть в пределах 15-30°С. Плотность электролита 1,24±0,002 для формирования заряда батарей без замены электролита и 1,16±0,002 для формирования заряда батарей с заменой электролита.