3. Конструктивный расчет

   1. Исходные данные

Исходные данные для расчета приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1 Исходные данные

Наименование параметра	Значение параметра
Емкость, А·ч	140
Разрядный ток (при стартерном режиме работы), А	460
Габаритная плотность тока, А/дм^2	12
Габариты токоотводов (a·h), мм^2	133·143
Напряжение, В	12

2. Определение ЭДС реакции

В свинцовом аккумуляторе используется следующая электрохимическая система:

- Pb│H₂SO₄│PbO₂ +

В этой электрохимической системе протекает следующая реакция:

PbO₂+Pb+2H₂SO₄±2e↔2PbSO₄+2H₂O

Стандартные электродные потенциалы рассчитываются по уравнениям протекающих реакций и термодинамическим параметрам (энергия Гиббса G) участвующих в реакции веществ.

Где:

- электродвижущая сила системы;

- энергия Гиббса продуктов реакции;

- энергия Гиббса исходных веществ;

- изменение энергии Гиббса;

n - количество электронов, принимающих участие в реакции;

F - число Фарадея;

В

Если активность потенциалопределяющих компонентов в растворе отличается от 1, то потенциал анодной или катодной реакции можно рассчитать по уравнению Нернста

Где:

а_ox, а_red - активность окисленной и восстановленной форм вещества;

 - стехиометрический множитель.

а=С·_±

Где:

_± - коэффициент активности;

С - концентрация вещества.

Для свинцового аккумулятора уравнение Нернста примет вид:

Для раствора серной кислоты плотностью 1,3г/см³ _±=0,226;

Активность воды равна ;

В

Принимаем, что ЭДС реакции равно 2 В.

3. Определение количества аккумуляторов в батарее

Определим количество аккумуляторов в батарее

4. Определение площади одноименных электродов в одном аккумуляторе

дм²

5. Расчет одноименных электродов в банке

6. Определение общего количества электродов в аккумуляторе

Принимаем, что количество положительных и отрицательных пластин одинаковое.

7. Расчет количества положительных, отрицательных и общего количества электродов

8. Определение массы активных компонентов

Из электрохимической реакции, протекающей в аккумуляторе

рассчитываем электрохимические эквиваленты всех веществ, принимающих участие в реакции, в том числе и воды:

Далее, по закону Фарадея определяем массу каждого компонента в одном аккумуляторе

Где:

k_и - коэффициент использования активной массы при выбранном режиме разряда.

Коэффициент использования зависит от толщины и пористости электрода, температуры, режима разряда, культуры производства аккумуляторов и может колебаться в пределах от 0,5 - 0,65 при 20-часовом разряде аккумулятора.

Примем, что k_и=0,58.

г

г

г

г

г

3.9.Расчитываем массу пасты

Таблица.3.1.состав пасты

Наименование материала	Единица измерения	Паста позитивная	Паста негативная
Свинцовый порошек	кг	650	650
Серная кислота	кг	70	30
Вода	кг	90	50
Дубитель	кг		20
Сульфат бария	кг		3,25
Волокно пропиленовое	кг	0,9	0,9
Всего	кг	810,9	754,15

Так, как нам известно состав позитивной и негативной пасты мы можем определить часть свинца, который находится в составе пасты.

Для позитивной пасты:

810,9 - 100%

650 – x

%

Для негативной пасты:

754,15 - 100%

650 – x

%

Таким образом,получим : C⁺_Pb =0.801, C^-_Pb =0.86

Теперь имея все данные ,мы можем определить массу пасты :

г;

г.

Рассчитываем массу пасты для аккумуляторной батареи :

М_БАТ=m_пастыn_AK

г.

г.

9. Расчет толщины намазанного электрода

Паста вмазывается в решетку-токоотвод, изготовленную из свинца с небольшими добавками сурьмы или кальция. Объем электрода определяется объемом свинцового токоотвода и пасты

Где:

- объем токоотвода;

m_{токоотводов} – масса токоотвода ;

_Pb - плотность свинцового сплава, г/см

Масса токоотводов по данным равняется

60 г - маса позитивной токоотвода, 50г – маса негативного.

_Pb =11,34 - плотность свинцового сплава, может быть принята равной плотности свинца, г/см³;

_пасты - плотность пасты

см³;

см³.

Рассчитаем объем позитивной и негативной пасты:

,

де - плотность пасты, г/см .

Плотность позитивной и негативной пасты равняется 4,27 та 4,63 г/см .

см³;

см³.

Найдем объем позитивной и негативной пасты ,которая находится на одном электроде :

де n_+,- - количество негативных и позитивных электродов в одной банке.

см³

см³

Рассчитаем объем намазанного электрода :

V = V + V

см³;

см³.

Рассчитаем толщину намазанных электродов:

=

мм;

мм.

мм;

10. Определение объема серной кислоты в одном аккумуляторе

Масса кислоты и воды рассчитываются по закону Фарадея в зависимости от количества электричества, затраченного на заряд или полученного при разряде. Однако при разряде аккумулятора кислота не вырабатывается нацело, ее концентрация уменьшается от 36-42% (заряженный аккумулятор) до 5-10% в конце разряда. Для расчета начального объема серной кислоты необходимо составить уравнения материального баланса по электролиту и по серной кислоте. Материальный баланс по электролиту при, например, разряде аккумулятора можно представить в виде:

Где:

V_н, V_к - начальный и конечный объем электролита;

_н , _к - начальная и конечная плотность электролита соответственно,

m_H2SO4 - масса израсходованной серной кислоты,

m_H2O - масса выделившейся воды.

В процессе разряда аккумулятора серная кислота расходуется, а вода - выделяется.

Запишем баланс по кислоте

Где:

С_н, С_к -начальная и конечная концентрации серной кислоты.

С_к=525,28г/л=0,52528г/см³;

С_н=88,9г/л=0,0882г/см³;

_н=1,3г/см³;

_к=1,06г/см³;

см³

см³

Зная начальный объем кислоты в аккумуляторе, можно рассчитать конечный объем после прохождения любого количества электричества и объем кислоты в батарее из шести аккумуляторов.

11. Расчет габаритов пакета электродов

При сборке аккумулятора положительные пластины зашиваются в конверт из пористой полиэтиленовой ленты. Размеры пакета превышают размеры электрода (рис.1.7).

Длина пакета равна:

Где:

а_ЭП - длина пакета;

l_БОК=5 мм - ширина бокового шва.

- длина электрода;

мм

Расчет толщины пакета.

Толщина пакета определяется толщиной электродов в пакете. При этом необходимо учитывать, что положительные электроды обернуты лентой с двух сторон. Толщина ленты с ребрами составляет около 1,4 мм. Толщина электрода

в пакете составляет

Где:

_эп - толщина электрода в пакете;

 - высота профиля ленты.

мм.

Отсюда толщина пакета

мм.

Высота пакета соответствует высоте решетки-токоотвода h.

12. Расчет габаритов корпуса одного аккумулятора

Высота банки должна быть достаточно большей, чтоб помещать пакет электродов и электролит.

Рассчитаем объем банки аккумулятора по формуле:

V = n V (1- ) + n V (1- ) + V (1- ) + V ,

де _- - пористость негативного электрода;

₊ - пористость позитивного электрода;

- пористость ленты – сепаратора;

V - объем ленты – сепаратора ,см .

Объем ленты – сепаратора определяем по формуле ::

V = ,

де - толщина ленты - сепаратора, мм.

Толщина ленты равняется 0,1 мм.

V = = 152,152 см .

Пористость позитивного и негативного электродов равняется 0,56 і 0,67 соответственно. Отсюда :

V = см

Высота банки равняется :

Н ,

Принимаем, что внутренняя ширина и длина аккумулятора соответствует габаритам пакета электродов. Тесное размещение электродов в аккумуляторе повышает жесткость электродного набора и его стойкость к действию механических нагрузок при движении автомобиля.

Габариты аккумулятора в этом случае равняются :

Ширина В= =22,4мм;

Длина А= =153 мм.

При расчете необходимо учитывать заполнения электролитом пор электродов.

Отсюда :

Н = 66,22см.

13. Расчет габаритов корпуса аккумуляторной батареи

Длина и ширина корпуса аккумуляторной батареи складываются из соответствующих габаритов банок и толщины перегородок между ними. При этом необходимо также учитывать толщину стенок корпуса.

Длина аккумулятора:

Где:

l_К=5 – толщина стенки корпуса, мм;

=3 - толщина внутренней стенки, мм.

Ширина аккумулятора:

Высота аккумулятора:

Где:

h_к=5 - конструктивная высота крышки, мм;

h_д=6 – толщина днища, мм.