Министерство образования и науки Российской Федерации Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского Физико-технический институт

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

На тему: «РАСЧЕТ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОЙ

АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ»

По дисциплине: «Химические источники энергии и водородная энергетика»

для студентов дневной и заочной форм обучения специальности:

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Симферополь, 2015 г

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Химические источники энергии и водородная энергетика» для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».-[сост.: к.т.н., доц. Муровский С.П., к.т.н., ст. пр. Муровская А.С.] - Симферополь: ФТИ, КФУ им. Вернадского, 2015 г. – 27 с.

Одобрено и рекомендовано к печати на заседании учебно-методической комиссии ФТИ «____» сентября 2015 г, протокол №___.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Электроэнергетики и электротехники», «30» августа 2015 г, протокол № 1.

Составители: Муровский С.П., к.т.н., доцент каф. ЭиФ;

Муровская А.С., к.т.н., ст. пр. каф. ЭиФ.

Рецензент: Сокут Л.Д., к.т.н., доцент каф. ЭиФ.

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой энергоснабжения и физики Бекиров Э.А., д.т.н., проф.

2

СОДЕРЖАНИЕ
	стр.
Введение……………………………………………………………...	4
Общие положения……………………………………………………	4
Основные элементы свинцово-кислотных аккумуляторных
батарей………………………………………………………………...	7
1.1.Разновидностипластинсвинцово-кислотных
аккумуляторных батарей…………………………………………….	8
1.2 Зависимость емкости аккумулятора при разряде от
температуры и плотности тока……………………………………...	9
1.3. Сепараторы………………………………………………………	10
1.4. Электролит……………………………………………………….	12
1.5. Уход за свинцовыми аккумуляторами…………………………	14
Пример расчета свинцово-кислотной аккумуляторной батареи….	16
Правила оформления расчетно-графической работы……………...	22
Вопросы к защите расчетно-графической работы…………………	23
Приложение 1…………………………………………………...........	24
Приложение 2…………………………………………………...........	25
Приложение 3…………………………………………………...........	26
Список литературы…………………………………………………..	27

3

ВВЕДЕНИЕ

Химическими источниками электрической энергии называются устройства, превращающие энергию какой-либо химической реакции в электрическую. Для такого превращения необходимо, чтобы процессы, связанные с изменением зарядов у электродов (т.е. окислительный и восстановительный процессы), были разделены пространственно и электроны проходили через внешнюю цепь.

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен в 1859 г французским ученым Гастоном Планте. Его конструкция представляла собой электроды из листового свинца, разделенные сепараторами из полотна, которые были свернуты в спираль и помещены в сосуд с 10% раствором серной кислоты.

Простейший свинцово-кислотный аккумулятор состоит из положительного электрода (катод) из двуокиси свинца РbО₂ и отрицательного электрода (анод) из губчатого свинца Рb, помещенных

• сосуд с электролитом - 25÷30 процентный водный раствор серной кислоты (Н₂SO₄+Н₂О), что соответствует плотности электролита (ρ), равной 1,25 - 1,31 г/см³.

Объяснение процессов, протекающих в свинцово-кислотных аккумуляторах, наиболее достоверно может быть дано общепринятой теорией двойной сульфатации. Согласно этой теории при разряде на обоих электродах происходит образование одного и того же продукта – сульфата свинца PbSO₄, вследствие восстановления двуокиси свинца РbO₂ на положительном электроде и окисления губчатого свинца Рb на отрицательном.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

По режиму эксплуатации аккумуляторные батареи делятся на

три группы:

1. Батареи для работы в буферном режиме (режим постоянного подзаряда). Основное назначение – резервный источник питания. В буферном режиме работают батареи резервного питания базовых станций мобильной связи, АТС, сетевые коммутаторы провайдеров Интернет, источники бесперебойного питания персональных компьютеров и серверов (UPS) и т.д.

2. Батареи для работы в циклическом режиме, который характерен их разрядом в течение какого-то времени и последующим зарядом. Примером такого режима можно назвать работу электротранспорта и устройств с автономным питанием.

3. Батареи для работы в смешанном режиме, например автомобильные батареи.

4

По конструкции свинцово-кислотные аккумуляторные батареи можно разделить на группы в зависимости от условий эксплуатации (рис. 1).

Рисунок 1. Виды свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

• настоящее время производятся и активно эксплуатируются аккумуляторные батареи трех поколений:

1. Батареи первого поколения – батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 до 5328 А·ч и срок службы от 10 до 20 лет.

2. Батареи второго поколения, к ним относятся герметизированные гелиевые батареи.

3. Батареи третьего поколения – это герметизированные батареи с абсорбированным в сепараторах электролитом.

При разряде и заряде в свинцово-кислотном аккумуляторе происходит следующая обратимая реакция:

( )

PbO₂ 2H ₂SO₄ Pb H ₂ O ^разряд

(аккумулятор заряжен)

( ) ( )

PbSO4 H2O 4H 2O PbSO4

заряд

(аккумулятор разряжен)

Кислотные аккумуляторы выпускают одиночными элементами и моноблоками, называемыми аккумуляторными батареями. Кислотные аккумуляторы состоят из банок, положительных и отрицательных пластин, сепараторов, крышек и электролита. Отрицательных пластин на одну больше. Это необходимо для предотвращения коробления положительных пластин при их

5

одностороннем разряде.

• таблице 1 приведены данные о некоторых важнейших типах свинцовых аккумуляторов.

Таблица 1

Характеристики различных свинцовых аккумуляторов и батарей

	Число аккумуляторов в батарее, шт.	Габаритные			Толщина			Количество электролита в батарее, л				Зарядн			Разрядны
					пластин,		2					ый ток,						Емкость, А·ч
		размеры, мм			мм		Поверхность пластин одногознаказарядаваккумуляторе,дм	Вес с электролитом, кг		Номинальное напряжение,В	А			й ток, А
														при 10-часовом режимеразряда		при стартерном режимеразряда		при 10-часовом режимеразряда	при				Срок службы, годы
Тип батарей																			стартер-
					положительных	отрицательных													ном
		ширина		высота							I ступень		II ступень						режиме
			длина																разряде
																			при 3ОºС			при - (-) 18ºС
			Стартерные аккумуляторные батареи для автомобилей
ЗСТ-70	3	194	157	230	2,6	2,4	17,0	2,50		18,2	6	6,5	-		7		210	70		19,2			7,8	1,5-
																								2,0
ЗСТ-84	3	188	272	230	2,6	2,4	20,4	2,65		21,5	6	8,0	-		8,4		250	84		22,8			9,3	1,5-
																								2,0
ЗСТ-98	3	188	308	230	2,6	2,4	23,8	3,50		23,2	6	10,0	-		9,8		295	98		27,0			11,0	1,5-
																								2,0
ЗСТ-	3	180	335	240	2,6	2,4	34,4	4,90		29,3	6	10,0	-		13,5		405	135		37,1			15,1	1,5-
135																								2,0
6СТ-54	6	182	283	237	2,05	1,8	15,2	3,75		24,1	12	5,0	-		5/4		160	54		14,6			6,0	1,5-
																								2,0
6СТ-68	6	183	358	236	2,05	1,8	19,1	5,00		30,0	12	6,0	-		6,8		205	68		18,7			7,6	1,5-
																								2,0
					Авиационные аккумуляторные батареи
12А-30	12	163	369	214	2,3	2,0	-	3,60		27,8	24	3,5	1,8		3,0		107	26		8,9			-	2
12АСА-	12	712	735	338	1,2	1,0	-		17,50	190	24	16		8	18 запусков по 30 сек									2
14															током 140-250, А
				Аккумуляторы для стационарных установок
С-1	1	215	80	270	12	8	5,86	3,0		12,2	2	9	3,6		3,6		-	36		-			-	10
С-10	1	260	220	485	12	8	57	15.5		69,3	2	90	36		36		-	360		-			-	10
С-40	1	485	270	588	10,4	8	256	69,0		296	2	360	144		144		-	1440		-			-	10
С-100	1	1040	470	593	10,4	8	640	164		702	2	900	360		360		-	3600		-			-	10
С-148	1	1485	470	598	10,4	8	947	245		1043	2	1332	533		532,8		-	5328		-			-	10

6

Основные элементы свинцово-кислотных

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

На рисунке 2 показано устройство свинцово-кислотной

аккумуляторной батареи, состоящей из следующих основных частей:

а) положительных пластин различной конструкции, в которых

активным материалом является двуокись свинца;

б) отрицательных пластин с активным материалом – губчатым

свинцом;

в) электролита - раствора серной кислоты;

г) токоведущих частей: бареток, состоящих из мостиков, свя-зывающих в один полублок параллельно включенных пластин одного знака заряда и выводных штырей – борнов. Для последовательного включения аккумуляторов в батареи служат межэлементные соединения;

д) изолирующих разделителей-сепараторов, предохраняющих пластины от коротких замыканий между пластинами разного знака заряда;

е) аккумуляторных сосудов из кислотоупорных материалов. Все переносные аккумуляторные батареи имеют сосуды с

крышками. Герметичность укупорки достигается заливкой специальными мастиками. Для выхода газов и доливки электролита крышки имеют съемные пробки с отверстиями.

5 1 4 11 6

Рисунок 2. Устройство свинцово-кислотной аккумуляторной батареи: 1 - сепаратор; 2 и 3 - блоки положительных и отрицательных пластин электродов; 4 - соединительная шина; 5 и 6 - положительный и отрицательный выводы (борны); 7 - предохранительный щиток; 8 - собирательный мостик (баретка); 9 - опорный выступ; 10 - крышка секции; 11 - пробка заливного отверстия; 12 - моноблок (корпус с электролитом)

7

1.1. Разновидности пластин свинцово-кислотных

аккумуляторных батарей

Основные детали свинцово-кислотных аккумуляторов – пластины, имеют несколько разновидностей в зависимости от условий эксплуатации аккумуляторов.

Положительные пластины бывают: поверхностные, панцирные

• намазные (пастированные); отрицательные - коробчатые и намазные (пастированные).

Поверхностные пластины отливают из чистого свинца в виде листов толщиной 10-12 мм с большим числом прорезей, благодаря чему в 8-10 раз увеличивается поверхность соприкосновения свинца с электролитом.

Электрохимическим путем на поверхности свинца создается слой активного материала - двуокиси свинца. При работе аккумулятора по мере осыпания наружного активного слоя прорабатываются более глубоко лежащие слои свинца. Значительная толщина обеспечивает поверхностным пластинам длительный срок службы (до 10 лет и более). ГОСТ предусматривает три размера поверхностных пластин; данные о них приведены в таблице 2.

			Таблица 2
	Характеристики поверхностных пластин
Тип пластин	Размеры	Вес пластин,	Емкость при 10-
	пластин, мм	кг	часовом разряде, А·ч
И-1	174 х 168 х 12	2,8	36
И-2	340 х 168 х 12	5,2	72
И-4	365 х 350 х 10,4	10,4	144

Поверхностными эти пластины называют потому, что они работают только за счет своего наружного слоя. Иногда их называют пластинами типа Планте, по имени изобретателя свинцового акку-мулятора французского ученого Гастона Планте (1860 г), предложившего способ изготовления аккумуляторов путем электрохимического формирования листов свинца в серной кислоте.

Для стартерных аккумуляторов (автомобили, авиация и др.) необходимы минимальный вес и объем, механическая прочность, достаточная для того, чтобы выдержать толчки, тряску и вибрацию, плотная укупорка предохраняющая от разбрызгивания электролита, но допускающая выход газов при заряде. Такие аккумуляторы собирают только из намазных пластин и сборку их осуществляют в баках из пластмассы с крышками. Чем выше требуются характеристики при разрядах большими токами (стартерный «короткий» режим), тем

8

тоньше берут пластины, срок службы аккумуляторов при этом уменьшается. Отрицательных пластин берут на одну больше чем положительных.