книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

Аккумуляторные батареи в зависимости от мощности устанав­ ливаются на судах в специальных аккумуляторных помещениях, ящиках или шкафах. Так как во время работы аккумуляторы вы­ деляют газы, которые могут образовать взрывчатую смесь, акку­ муляторные помещения оборудуют вентиляцией, не связанной с вентиляцией других помещений. Вентиляция может быть как есте­ ственной, так и искусственной. Кислотные и щелочные аккумуля­ торы не должны располагаться в одном помещении или в одном ящике. Сосуды и приборы, предназначенные для батарей с разны­ ми электролитами, должны устанавливаться отдельно. Агрегаты для заряда аккумуляторов, зарядные щиты, выключатели, штеп­ сели устанавливают вне аккумуляторных помещений. В аккумуля­ торных помещениях не должно быть транзитных кабелей, пред­ назначенных для других установок. Освещаются аккумуляторные помещения светильниками взрывобезопасного исполнения или через простеночные иллюминаторы. На входных дверях в акку­ муляторные помещения или около них, а также на ящиках с ак­ кумуляторами должны быть предостерегающие надписи об опас­ ности взрыва. Вход в такие помещения с открытым огнем кате­ горически запрещается. Аккумуляторные помещения, в которых во время эксплуатации температура может понизиться до +5°С, должны отапливаться за счет тепла смежных помещений или во­ дяными и паровыми радиаторами. Клапаны системы отопления должны находится вне аккумуляторных помещений.

Установку аккумуляторов производят на стеллажах. Крепле­ ние аккумуляторов должно обеспечивать свободное их обслужива­ ние и выемку, а также устойчивость при кренах.

Аккумуляторные помещения, где установлены батареи, долж­ ны иметь выход на открытую палубу.

Обслуживание аккумуляторных батарей на судне сводится к наблюдению за их работой. Необходимо следить за тем, чтобы наружные поверхности аккумуляторов, стеллажи и ящики были чистыми и сухими. Металлические сосуды, крышки и соединения аккумуляторов должны быть предохранены от разъедающего действия электролитов, для чего их смазывают вазелином. Кон­ тактные соединения аккумуляторных батарей должны быть всег­ да хорошо поджаты. Необходимо строго следить за тем, чтобы на банках аккумуляторных батарей были установлены соответствую­ щие пробки с газоотводными отверстиями. Эти отверстия должны быть чистыми, время от времени их необходимо прочищать тонкой деревянной палочкой.

Наблюдая за работой аккумуляторных батарей, необходимо следить за уровнем электролита в банках и величиной напряже­ ния. Уровень электролита в аккумуляторах должен быть выше

150

всех батарей, а на зажимах каждого элемента, так как во время работы один элемент может разрядиться сильнее других. Изме­ рять напряжение удобнее всего специальным аккумуляторным пробником. Обслуживать аккумуляторы надо в резиновых или кожаных перчатках и галошах.

При работе аккумуляторной батареи необходимо внимательно следить за тем, чтобы отдаваемый батареей в цепь ток не превы­ шал величины, максимально допустимой для данного типа бата­ реи. Величина максимального разрядного тока указывается в за­ водской инструкции.

Уход за аккумуляторными батареями включает периодические осмотры, измерения плотности электролита, замену электролита свежим, зарядку батарей, формовку новых аккумуляторов и конт­ рольные испытания.

Осмотры батарей необходимо производить ежемесячно. При этом стирают пыль, грязь и налеты солей; все металлические ча­ сти покрывают вазелином, устраняют короткие замыкания между пластинами и соединения между стенками отдельных элементов.

Плотность электролита заряженных батарей измеряют арео­

изготовлении раствора электролита для кислотных аккумуляторов необходимо лить кислоту в воду, а не наоборот. Использовать для приготовления раствора разрешается только стойкую против

с защитной упаковкой. При приготовлении электролита для щелоч­ ных аккумуляторов концентрированный раствор щелочи выливают в воду и перемешивают. Электролит должен приготовляться в чи­ стой железной, чугунной или стеклянной посуде. Если щелочь представляет собой твердую массу, то ее кладут небольшими кус­ ками в сосуд с водой и перемешивают стеклянной палочкой или железным прутиком. Раствору дают отстояться до полного освет­ ления, а затем сливают в бутыль с плотно закрывающейся проб­ кой. Для удлинения срока службы щелочных аккумуляторов ре­ комендуется применять составной электролит с добавкой моно­ гидрата лития.

Перед сменой электролита аккумуляторы следует разрядить: кислотные—до напряжения 1,7 В, щелочные — до 1 В. После удаления старого электролита аккумуляторы тщательно промы­ вают, а затем заполняют свежим электролитом и заряжают.

Заряжать аккумуляторы можно только постоянным током со­ ответствующего напряжения. При наличии сети переменного тока

151

заряд аккумуляторов осуществляется с помощью электромашинных преобразователей переменного тока в постоянный или выпря­ мителей.

Для кислотных аккумуляторов заряды бывают: нормальный и первый.

Н о р м а л ь н ы й з а р я д является основным режимом заряда аккумулятора и производится током нормального зарядного ре­ жима в соответствии с паспортом аккумулятора.

П е р в ы й з а р я д производится токами, указанными в пас­ порте, в течение 25—50 ч в зависимости от длительности хранения батарей до пуска в эксплуатацию.

Признаком окончания заряда кислотного аккумулятора служит постоянство в течение 2—3 ч напряжения 2,6—2,7 В и плотности электролита 1,24—1,27, а также обильное газовыделение во всех элементах.

Кислотные аккумуляторы один раз в месяц должны быть заря­ жены током нормального заряда.

Для предотвращения преждевременного выхода из строя кис­ лотные аккумуляторы должны один раз в 6 месяцев подвергаться контрольно-тренировочному циклу. Во время этого цикла они за­ ряжаются и разряжаются, при этом устраняются обнаруженные недостатки и заменяются аккумуляторы недостаточной емкости. После окончания контрольно-тренировочного цикла аккумулято­

аккумуляторов и производится током нормального режима в те­ чение 7 ч в соответствии с паспортами аккумуляторов.

У с и л е н н ы й з а р я д применяется к аккумуляторам, в кото­ рых электролит заменен после глубоких разрядов, когда напря­ жение снижается ниже допустимой величины. Такой заряд длит­ ся в течение 12 ч двумя ступенями: первая ступень — в течение

рам, полученным в сухом виде, а также после их переборки и ре­ монта. Такой заряд выполняется 2—3 раза в следующем порядке: заряжают аккумулятор нормальным током в течение 6 ч; затем еще 6 ч током, равным половине нормального; разряжают акку­ мулятор током восьмичасового режима в течение 4 ч. После окон­ чания формовочного цикла осуществляют нормальный заряд ак­ кумулятора.

У с к о р е н н ы й з а р я д применяется в случае крайней необ­ ходимости, когда недостаточно времени для нормального заряда. Такой заряд производится в течение 4,5 ч, из них 2,5 ч двойным током нормального режима и 2 ч нормальным током.

152

Признаком окончания заряда щелочных аккумуляторов явля­

для конца заряда. Лучше всего режим заряда вести по времени. Во время заряда кислотных и щелочных аккумуляторов необ­ ходимо вести наблюдение за величинами напряжения и зарядно­ го тока, за температурой электролита (измерять каждый час), за плотностью электролита (у кислотных аккумуляторов), за исправ­ ной работой вентиляции. Результаты замера вносятся в аккуму­

ляторный журнал.

Аккумуляторы, периодически бездействующие (от 1 месяца до 1 года), могут храниться с электролитом: кислотные — в заряжен­ ном, щелочные — в разряженном или полуразряженном состоя­ нии. При хранении аккумуляторов в течение года и более их раз­ ряжают, опоражнивают от электролита и консервируют.

Новые типы аккумуляторов. Рассмотренные кислотные и ще­ лочные аккумуляторы допускают небольшую плотность разрядно­ го тока с активной поверхности пластин, имеют большой вес и объем, удельная энергия их невелика.

В настоящее время разработаны и применяются серебряно­ цинковые и золото-цинковые аккумуляторы, представляющие со­ бой одну из разновидностей щелочных аккумуляторов.

У серебряно-цинковых аккумуляторов в качестве положитель­ ного электрода служат пластины, состоящие из чистого серебра, а в качестве отрицательного — пластины из окиси цинка. Электроли­ том является раствор едкого калия в дистиллированной воде с плотностью 1,4. Отрицательные пластины помещены в защитные пакеты из пластмассы, которые хорошо пропускают электролит и задерживают металлические частицы. Электролит в химических реакциях аккумулятора участия не принимает. Поэтому количе­ ство электролита, необходимое для нормальной работы аккумуля­ тора, невелико, и аккумулятор может устанавливаться на рабочем месте как в вертикальном, так и в горизонтальном положении.

Рабочее напряжение серебряно-цинковых аккумуляторов в за­

допускают большую плотность разрядного тока, доходящую до 0,5 А/см2, с активной поверхности пластин. Это позволяет полу­ чить весьма большие токи от небольших аккумуляторов. Благо­ даря малому саморазряду заряженные серебряно-цинковые аккумуляторы могут храниться длительное время.

Важным положительным свойством таких аккумуляторов яв­ ляется возможность их работы в очень широком диапазоне темпе­ ратур от +70 до —30°С. При температуре —20°С емкость аккуму­ лятора составляет около 40%. Серебряно-цинковые аккумуляторы обладают способностью быстрого заряда, сравнительно не­ большим внутренним сопротивлением, могут работать в импульс­ ном режиме.

153

Удельная энергия серебряно-цинкового аккумулятора очень высока и соответствует 50 Вт-ч/кг, а у отдельных образцов дохо­ дит до 90 Вт-ч/кг. При одинаковой емкости заряда серебряно-цин­ ковые аккумуляторы в 2,5—5 раз легче и меньше по габаритам, чем обычные щелочные аккумуляторы.

Золото-цинковые аккумуляторы отличаются от серебряно-цин­ ковых тем, что в качестве положительного электрода у них ис­ пользуются пластины из золота.

Основными недостатками, ограничивающими применение се­ ребряно-цинковых и золото-цинковых аккумуляторов, являются их небольшой срок службы и высокая стоимость. На судах при­ менение таких аккумуляторов возможно для питания радиоаппа­ ратуры.

В связи с необходимостью понижения стоимости аккумулято­ ров и уменьшения их веса и габаритов в последнее время начали разрабатывать новые типы аккумуляторов: цинко-воздушный, ли- тий-никелевый, натриево-сернистый.

Цинко-воздушный аккумулятор не требует дорогостоящих ма­ териалов и обладает удельной энергией около 20 Вт-ч/кг. Для ус­ корения процесса заряда в аккумуляторе предусмотрено переме­ шивание электролита.

Литий-никелевый аккумулятор обладает удельной энергией порядка 25 Вт-ч/кг, но имеет малый ток заряда. В комбинации с никель-кадмиевым аккумулятором он может обладать хорошими

§ 35. Новые источники электроэнергии для судов

происходит с выделением большого количества тепла. При этом химическая энергия топлива превращается в тепловую.

Если рассмотреть современные способы получения электриче­ ской энергии, то можно обнаружить неоднократные превращения одного вида энергии в другой. На каждой ступени превращения происходят невосполнимые потери энергии. Действительно, при любом способе сжигания топлива химическая энергия его прев­ ращается в тепловую, но часть тепла уходит в окружающую сре­ ду. Далее тепловая энергия превращается первичным двигателем в механическую энергию, которая затем генератором преобразу­ ется в электрическую, но все эти преобразования неизбежно соп­ ровождаются дополнительными потерями энергии. Вот почему к. п. д. современной дизель-генераторной электростанции не пре­ вышает 40%, а турбогенераторной—25%.

,154

Двигатели внутреннего сгорания и турбины достигли в неко­ тором роде своего совершенства, и сколько-нибудь значительное повышение их экономичности в дальнейшем не предвидится.

Таким образом, для существенного повышения экономичности электростанций необходимо прежде всего исключить из общей цепи получения электроэнергии механическое звено, а в отдель­ ных случаях — и тепловое. Исключение механического звена поз­ воляет, кроме того, уменьшить эксплуатационные расходы, обус­ ловленные наличием подвижных частей, и упростить обслужива­ ние электростанции.

Способы прямого получения .электрической энергии из тепло­ вой и химической энергии топлива известны давно, но из-за целого ряда причин они долго не могли получить практического^ применения. Только в последние два десятилетия во многих раз­ витых странах ведется интенсивное исследование и разработка различных способов прямого преобразования энергии.

В перспективе на судах, в той или иной степени, могут найти применение четыре типа статических генераторов электроэнер­ гии: топливные элементы; магнитогидродинамические, термоэлект­

энергия топлива непосредственно превращается в электрическую, минуя тепловую ступень.

Для того чтобы лучше понять принцип действия топливного элемента, вспомним, как происходит процесс горения. К примеру, рассмотрим простейший случай горения, когда горючим является водород, а окислителем — кислород.

Как известно, поджигание топлива связано с предварительным разогревом горючего и окислителя до определенной температуры. При этом происходят следующие три реакции:

1)Н2^ Н + Н;

2)2Н +:2Н+ -1-2е~ (окислительная реакция);

3)0 2^ 0 +0 .

В результате этих реакций молекулы водорода и кислорода разрываются на атомы, а-атомы водорода распадаются на прото­ ны и электроны. Затем начинается процесс горения, который про­ текает с выделением большого количества тепла. Этот процесс можно условно представить в виде двух реакций:

4) О -f 2е~ 0= (восстановительная реакция);

5) 2Н++ 0 = -> Н20.

Подобным же образом происходит горение и любого другого топлива, но количество реакций будет значительно больше и оп­ ределяется сложностью химического состава топлива.

Внимательно просматривая весь процесс горения, нетрудно заметить, что электроны от атомов водорода все время переходят

-155

ление электронов от атомов горючего (окислительные реакции) происходили не за счет повышения температуры, а каким-то дру­ гим путем, например за счет специальной конструкции и катали­ тического действия электродов. В-третьих, нельзя допустить непо­ средственного протекания реакции (5). Для соединения ионов водорода с ионами кислорода можно использовать третье проме­ жуточное вещество, например электролит.

Все эти условия так или иначе выполняются в топливных эле­ ментах. Существуют топливные элементы с твердым, жидким и газообразным топливом. В качестве горючего могут использовать­ ся водород, окись углерода, природные газы, спирты, нефте­ продукты, альдегиды, углерод, щелочные металлы и другие ве­ щества. Окислителем могут быть кислород, хлор и некоторые кислоты.

В настоящее время наиболее перспективными и отработанны­ ми для практического применения являются топливные элементы с газообразным топливом, и в первую очередь с водородом и кис­

На водородном электроде молекулы водорода разлагаются на атомы, которые теряют свои электроны. Таким образом, на аноде образуется отрицательный потенциал. При замкнутой электриче­ ской цепи электроны с анода переходят на катод (электрический ток), где, соединяясь с атомами кислорода и с молекулами воды, образуют гидроксильные ионы ОН- . Гидроксильные ионы и явля­ ются носителями заряда внутри топливного элемента. Они свобод­ но проходят через электролит и соединяются с положительными

156

ионами водорода, образуя воду. Конструкция катода такова, что газообразный кислород не может проникнуть в электролит.

Реакции, протекающие на катоде и аноде, можно записать следующими формулами:

2Н2 + 40Н " ^ 4 Н 20 + 4е~;

0 2 + 2НаО + 4е~ 40Н~;

а суммарное уравнение процесса

2Н2+ 0 2 -> 2Н2 О.

Здесь важно отметить, что в отличие от реакций, протекающих при горении, в топливном элементе молекулы водорода распада­

раствором. На катоде в реакции между кислородом и электрона­ ми участвует вода. В результате отрицательно заряженные ча­ стицы (ионы гидроокислов ОН- ) переходят в раствор, а на ме­ талле (катоде) появляется положительный заряд.

При работе топливного элемента из него должно происходить непрерывное удаление воды, что связано с определенными техни­ ческими трудностями.

Практически к. п. д. топливных элементов достигает 70%, хо­ тя он может быть и выше. При работе топливных элементов отсутствуют выхлопные газы и нет шума. Соединяя отдельные топливные элементы в батареи, можно получить статические гене­ раторы электроэнергии большой мощности и напряжения.

Широкому внедрению топливных элементов в народное хозяй­

Движущихся частей, высокий к. п. д., отсутствие следности при работе, возможность работы без связи с атмосферой, высокая готовность к действию, способность выдерживать большие пере­ грузки и др.

В будущем топливные элементы могут найти применение на различных типах судов и в первую очередь на подводных лодках

и судах небольшого водоизмещения для питания гребных электро­ двигателей.

Весьма заманчиво применение топливных элементов для элект­ родвижения паромов городских переправ, портовых буксиров, ка­ теров, речных пассажирских трамваев и т. д.

законе электромагнитной индукции. Напомним, что в соответствии с этим законом в проводнике, который движется в однородном

157

магнитном поле с линейной скоростью v, индуктируется э. д. с., равная

е = Bvl,

где В — индукция поля;

I — длина проводника.

В обычном генераторе проводником является металл (медная проволока), а в МГДГ— ионизированный газ (плазма). Степень ионизации, а значит, и электропроводность газа зависят от его температуры. Вообще электропроводность ионизированного газа зависит еще и от его состава, от давления и от напряженности магнитного поля. Практически в МГДГ может использоваться плазма с температурой от 2000°К и выше.

На рис. 93 показан принцип действия магнитогидродинамиче­ ского генератора.

Ионизированный газ 1 с большой скоростью движется в трубе 2 и пересекает магнитное поле, созданное электромагнитной ка­ тушкой возбуждения 3. В движущейся плазме индуктируется э. д. с., которая при помощи электродов 4 замыкается на внешнюю цепь с нагрузкой Ra.

Реальная энергетическая установка с МГДГ включает в себя камеру сгорания, теплообменники, компрессоры и насосы, а так­ же турбины для использования тепла отработанных газов. К. п. д. такой электростанции составляет 50—60%, и она может работать на любом топливе.

Несмотря на то что принцип действия МГДГ прост, практиче­ ское осуществление его представляет немалые трудности. Преж­ де всего эти трудности связаны с высокой температурой плазмы. Как уже отмечалось выше, электропроводность плазмы повыша­ ется с ростом ее температуры. В реально существующих МГДГ применяется плазма с температурой 2500—2600°С. Обычно же продукты сгорания имеют температуру около 1500°С. Для повы­ шения температуры плазмы воздух перед подачей в камеру сго­ рания подогревают и обогащают кислородом; Электропроводность

158

проводником.

В электромашинных генераторах магнитный поток возбужде­ ния проходит по железу и только в двух местах пересекает неболь­ шой воздушный зазор. Для создания этого потока требуется от­ носительно небольшая 'намагничивающая сила обмотки возбужде­ ния. В МГДГ магнитный поток почти целиком замыкается по не­ магнитным материалам и по воздуху. Поэтому для его создания требуется огромная намагничивающая сила. Расчеты показывают, что для создания магнитного поля МГДГ мощностью 25000 кВт обычным способом требуются электромагниты весом 400 т. Вели­ ка и мощность, потребляемая этими электромагнитами, что непо­ средственно отражается на к. п. д. всей установки.

В настоящее время задача создания магнитного поля МГДГ успешно решается за счет использования явления сверхпроводи­ мости. Электромагниты конструируются из сверхпроводящих об­ моток. Обмотки, выполненные, например, из сплава ниобия с оло­ вом или ниобия с цирконием при очень низких температурах ста­ новятся сверхпроводящими, т. е. их электрическое сопротивление равно нулю. Это обстоятельство позволяет пропускать через них очень большой ток при малых затратах электроэнергии. Такие электромагниты создают поле напряженностью в несколько десят­ ков тесл и тем самым позволяют значительно увеличить удельную мощность МГДГ при скорости движения плазмы до 600 м/с.

В СССР работает электростанция полупромышленного типа с МГДГ мощностью 25000 кВт. Опыт работы этой электростанции позволит решить ряд сложных научно-технических проблем, и тог­ да встанет вопрос о применении магнитогидродинамических гене­ раторов на судах с мощными энергетическими установками.

в цепи, состоящей из двух различных металлов, сплавов или полу­ проводников, если одно из контактных соединений (спаев) этой цепи нагревать, а другое — охлаждать. Такая цепь (рис. 94, а) в технике получила название термопары. Величина э. д. с. одного термоэлемента определяется формулой

Е = а (Г / — Т2),

159