§ 19. КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Устройство. Аккумуляторные батареи применяют в качестве резервных, аварийных, а иногда — основных источников питания для малого аварийного освещения, средств внутрисудовой связи, радиотехнических средств и сигнализации (телефонной, пожарной). Кроме того, они служат для питания стартеров дизелей.
Батареи являются независимым автономным источником питания, дающим постоянный ток без пульсации и высших гармоник. Их недостатки: необходимость, систематического ухода, частых подзарядок, контроля и замены электролита; низкий к. п. д.; незначительное время действия в режиме разряда; большие стоимость и масса.
В аккумуляторах может запасаться (аккумулироваться) энергия благодаря химическим преобразованиям, происходящим в активных материалах при заряде. Эту энергию можно сохранить в течение некоторого времени и использовать в виде электрического тока. Отдача аккумуляторами электроэнергии происходит посредством химических преобразований, при взаимодействии входящих в состав аккумуляторов активных материалов. Электроды в аккумуляторах должны быть нерастворимыми в электролите.
В электрических установках применяют .кислотные, щелочные, железоникелевые, кадмиево-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторные батареи.
Кислотный аккумулятор состоит из пластин с положительным 4 и отрицательным 1 зарядами (рис. 38, а, б), расположенных в сосуде 5 с электролитом — раствором химически чистой серной кислоты H2S04 в дистиллированной воде.
Сосуды для аккумуляторных батарей могут быть пластмассовыми, эбонитовыми и деревянными. Положительные пластины сделаны из перекиси свинца, а отрицательные — из губчатого металлического свинца.
Рис. 38. Кислотный аккумулятор
Положительные пластины выполняют поверхностными, панцирными и решетчатыми, а отрицательные — коробчатыми и решетчатыми. Поверхностную пластину, отлитую из чистого свинца, изготовляют ребристой. В панцирной пластине несколько трубчатых каналов с прорезями шириной 0,2 мм расположены друг над другом на расстоянии 1,3 мм. В каналах помещаются стержни каркасов, а пространство между стержнями и стенками каналов заполнено активной массой, взаимодействующей с электролитом через прорези. Решетчатую пластину изготовляют из сплава химически чистого свинца с сурьмой. Коробчатая пластина состоит из двух решеток с крупными ячейками, заполненных активной массой.
В сосуде аккумуляторной батареи положительные пластины размещаются между отрицательными. Отрицательных пластин всегда на одну больше, чем положительных. Между ними устанавливают пластинки из эбонита или другого пористого материала (2— выводные зажимы; 3 — соединительный мостик; 6 — межэлементное соединение; 7 — пробка). Пластины опираются на специальные призмы 8, установленные на дне бака. Химические реакции, протекающие в аккумуляторных батареях, обратимы. В процессе разряда кислотных аккумуляторов перекись свинца положительных пластин и губчатый свинец отрицательных переходят в сульфат свинца. При этом на пластинах выделяется сернокислый свинец и уменьшается плотность электролита (по ее изменению определяют степень зарядки аккумулятора).
Допустимый разряд батареи определяется конечным напряжением каждого элемента, которое должно быть не ниже 1,8 В. В процессе разряда накопленная химическая энергия превращается в электрическую. Для возвращения первоначальных свойств аккумулятор необходимо зарядить постоянным током от внешнего источника. При этом в аккумуляторе возникают электрохимические процессы, обусловливающие поляризацию электродов.
В процессе заряда сульфат свинца положительных пластин превращается в перекись свинца, а сульфат свинца отрицательных — в губчатый свинец.
Заряд аккумулятора производят определенным током, при этом э. д. с. на зажимах постепенно возрастает. На конечной стадии зарядки выделяют кислород, который производит окисление металлов в аккумуляторе, и водород, выделяющийся в атмосферу. Вследствие этого на поверхности электролита появляются пузырьки, создающие впечатление кипения. Водород в смеси с воздухом
образует взрывчатый гремучий газ, который должен быть немедленно удален.
Рис. 39. Кривые изменения напряжения кислотного аккумулятора
На судах применяют стартерные аккумуляторы — кислотные, предназначенные для транспортных машин, их технические данные приведены в табл. 6 приложения, а также специальные типа 6-СТК-135.
Изменение плотности электролита (главным образом внутри пластин) влияет на э.д.с. и, соответственно, на напряжение аккумулятора при разряде и заряде. На основании исследований установлена формула, определяющая зависимость э. д. с. Е аккумулятора от плотности d электролита:
(18)
где 0,84 — постоянная слагаемая э. д. с.
Пользуясь выражением (18), можно получить следующие зависимости для напряжений:
(19)
где /р, /з — разрядный и зарядный токи, А;
Rв — внутреннее сопротивление, равное 0,0005 Ом.
Из равенств (19) видно, что разрядное напряжение зависит почти исключительно от плотности электролита в порах активных масс пластин, так как внутреннее падение напряжения незначительно и изменяется в течение разряда. Отсюда можно сделать вывод: кривая разрядного напряжения кислотного аккумулятора по своему характеру аналогична кривой изменения плотности электролита в порах активных масс.
Кривую разряда 1 (рис. 39) можно разделить на три участка, из которых средний, самый значительный по времени, представляет собой почти прямую линию, медленно снижающуюся вследствие общего снижения плотности электролита во всем объеме аккумулятора. Первый участок кривой характеризуется заметным снижением напряжения вследствие такого же снижения плотности электролита внутри активных масс до момента установления равенства между расходованием кислоты в порах на химические реакции и поступлением ее в поры вместе с плотным электролитом из пространства между пластинами. Последний участок кривой характеризуется еще большим снижением напряжения из-за ослабления диффузии электролита вследствие закрытия пор сульфатом свинца. Разряд заканчивается, когда напряжение достигает 1,8 В.
После окончания разряда вместе с повышением плотности электролита в порах возрастает э. д. с. аккумулятора (падение напряжения IRB равно нулю). Через некоторое время э. д. с. становится постоянной по времени (кривая 4) и равной Е=0,84+d.
Кривая заряда 2 (см. рис. 39) аккумулятора выражается зависимостью между напряжением и временем процесса. Кривая соответствует изменению плотности электролита в порах только до некоторого момента, после которого начинается ее резкое отклонение, обусловленное газовыделением, поляризацией электродов и возрастанием внутреннего сопротивления из-за наличия на пластинах пузырьков водорода и кислорода. Указанные причины вызывают рост зарядного напряжения.
В конце заряда вследствие прекращения реакции восстановления сульфата на пластинах в соответствующие активные массы зарядный ток целиком расходуется на электролиз воды, поэтому происходит бурное выделение газов—аккумулятор «кипит». Плотность электролита практически становится постоянной, зарядное напряжение не возрастает, в аккумуляторе происходит интенсивное выделение газов.
Кривую заряда можно разделить на четыре участка, которые характеризуются значением зарядного напряжения: 1 — подъем напряжения из-за увеличения плотности электролита в порах активных масс; 2 — очень медленный подъем напряжения в связи с повышением плотности электролита во всем аккумуляторе; 3 — крутой подъем напряжения вследствие поляризации пластин и увеличение вторичного сопротивления из-за покрытия пластин пузырьками водорода и кислорода; 4 — напряжение не возрастает вследствие постоянства плотности электролита в порах (кривая проходит параллельно оси времени).
После окончания заряда аккумулятора напряжение снижается из-за уменьшения э. д. с. Через 25—30 мин оно практически перестает уменьшаться и становится равным э. д. с. заряженного аккумулятора (кривая S).
Напряжение в конце заряда имеет прямую зависимость от силы зарядного тока. В конце заряда оно равно 2,5—2,8 В.
Емкость аккумуляторной батареи — это количество электричества, которое отдается при разряде до минимально допустимого напряжения в течение определенного времени. Емкость определяется формулой
С = It,
где С — емкость, К;
/ — разрядный ток, А; t — время разрядки, ч.
Емкость зависит от типа пластин, количества активной массы, состояния, плотности и температуры электролита, разрядного тока.
Зависимости емкости от разрядного тока и температуры электролита определяются формулами:
где Ст, C1— емкость при разряде током;
— значение тока соответственно в данный промежуток времени и текущее;
п — коэффициент, зависящий от типа аккумулятора (равен 1,31—1,41);
С25 — емкость аккумулятора при температуре +25° С, гарантированная заводом-изготовителем, А-ч; t — температура электролита, ° С.
Из формул следует, что с повышением температуры электролита емкость кислотного аккумулятора повышается, так как теплый электролит менее вязок и легче проникает в поры активной массы пластин.
Аккумуляторная батарея при разряде не может отдать всей энергии, полученной при заряде, так как часть энергии затрачивается на нагревание электролита, нормальный саморазряд и разложение воды. Нормальная саморазрядка (потеря заряженным аккумулятором с течением времени части энергии) обусловлена наличием посторонних металлов в электролите, разностью потенциалов в отдельных частях электролита, химическим действием кислорода на пластины, появлением в них местных токов.
В аккумуляторных батареях различают коэффициент отдачи по емкости и по энергии.. Коэффициент отдачи по емкости — отношение количеств электричества, отданного при разряде, к полученному при заряде. Коэффициент отдачи по энергии — отношение электроэнергии, отданной батареей при разряде, к сообщенной ей при заряде.
Коэффициенты отдачи определяются по формулам (%):
где Ср, /р, φ, Up — соответственно емкость, ток, время и среднее напряжение разряда;
Сз, Is, t3, U3 — то же, заряда.
В аккумуляторах коэффициент отдачи по энергии меньше, чем по емкости. При нормальном режиме заряда-разряда аккумуляторов коэффициенты отдачи по емкости составляют 85—90%, а по энергии — до 65—70%.
Коэффициенты отдачи характеризуют потери количества энергии в аккумуляторных батареях. Коэффициент отдачи по энергии повышается, если батареи работают параллельно с генератором и напряжения при заряде и разряде отличаются незначительно. В этом случае коэффициенты отдачи по энергии и емкости близки.
Обслуживание. Для приведения новой аккумуляторной батареи в рабочее состояние необходимо:
очистить ее элементы от пыли и ползучей соли, смазать вазелином зажимы и междуэлементные соединения;
приготовить электролит из раствора серной кислоты в дистиллированной воде. Кислоту следует разводить до плотности 1,4, затем из раствора приготовить электролит нужной плотности, соответствующей требованиям заводских инструкций, с учетом времени года и климатических условий. Для электролита использовать посуду, стойкую против серной кислоты, — керамическую, стеклянную, свинцовую;
Рис. 41. Кривые изменения напряжения кислотных аккумуляторов при различных зарядных режимах
Рис. 40. Кривые изменения тока (1) и напряжения (2) при ступенчатом заряде кислотного аккумулятора
освободить пробки и герметические диски, залить элементы аккумулятора электролитом с температурой не более 25° С;
через 4—6 ч после заливки измерить напряжение, уровень электролита и температуру во всех элементах (уровень электролита должен быть выше 12—15 мм предохранительного щитка сепараторов, температура электролита — не более 30° С). Для каждого типа аккумуляторов рекомендован ток заряда, продолжительность цикла 25—30 ч в зависимости ог длительности их хранения.
Аккумуляторные батареи целесообразно заряжать зарядным током не максимальным, а нормальным (0,75 максимального) с последующим его снижением до 0,25—0,5 при начавшемся газообразовании. Такой ступенчатый заряд (рис. 40) предохраняет пластины от разрушения при сильном выделении газов, которые отрывают от пластин (в основном от положительных) кусочки активных масс.
Для быстрого заряда кислотных батарей начальный зарядный ток не должен превышать максимально допустимого для данного типа батарей. Заряд чрезмерными токами разрушает и коробит пластины аккумуляторов. Окончание заряда характеризуется повышением напряжения на каждом элементе до 2,6—2,8 В, плотностью электролита до 1,4, температурой не более 45° С, сильным газообразованием и изменением цвета пластин (положительные пластины становятся темно-коричневыми, а отрицательные —- светло-серыми).
При неисправности батарей (систематических недозарядах, чрезмерно глубоких разрядах, использовании электролита повышенных плотности и температуры, частых форсированных зарядах, отсутствии заряда в течение нескольких суток) пластины подвергают сульфатации.
Сульфатация — образование в активной массе пластин слоя крупнокристаллического сернокислого свинца (сульфата), который является плохим проводником электрического тока, поэтому при заряде ток не проходит полностью в активные вещества пластин. Сульфатированные аккумуляторы имеют пониженную емкость, при заряде — повышенное напряжение (до 3 В и более), а при разряде — пониженное.
Для устранения сульфатации батареи заряжают постоянным током путем их подключения через регулировочный резистор к зарядной сети с неизменным напряжением. При этом аккумуляторы соединяют последовательно с учетом напряжения (на каждом аккумуляторе— около 2,75 В). В процессе заряда напряжение возрастает, а зарядный ток уменьшается. Для поддержания тока неизменным необходимо постепенно выводить регулировочный реостат. Один раз в месяц аккумуляторы заряжают током нормального режима.
Для устранения остатков сульфата свинца и уравнивания характеристик отдельных элементов аккумуляторы, залитые электролитом, один раз в 6 мес подвергают контрольно-тренировочному циклу. Он состоит из заряда батарей нормальным зарядным током с последующим разрядом током 10-часового режима. Заряд длится до постоянства плотности электролита и напряжения в течение 4 ч, затем прерывают заряд на 1 ч и после перерыва продолжают ее в течение 2 ч. После часового перерыва вновь включают аккумулятор на заряд. Если через 2 мин начинается обильное газовыделение, заряд считают законченным. При контрольно-тренировочном цикле заряда плотность электролита доводят до требуемой для данной климатической зоны. После заряда батарею разряжают током 10-часового режима до напряжения на аккумуляторе 1,7 В (контрольный разряд).
Если при нормальном разряде аккумуляторной батареи отдаваемая ею энергия составляет 90% гарантируемой, то батарея считается работоспособной.
Кислотный аккумулятор можно разряжать в любом из допустимых по продолжительности режимов. Кривые разряда большими токами начинаются при меньших напряжениях и расположены ниже, чем при заряде нормальным током, при разряде меньшими токами кривые располагаются выше (рис. 41).
Конец разряда характеризуется понижением напряжения аккумулятора до 1,8—1,45 В, уменьшением плотности электролита до 1,17—1,15, изменением цвета пластин (положительные пластины становятся бурыми, отрицательные — темно-серыми). В процессе разряда батарей контролируют напряжение, силу разрядного тока, температуру и плотность электролита, исправность вентиляции. После окончания разряда следует протереть все зажимы и элементные соединения, смазать их техническим вазелином, прочистить вентиляционные отверстия пробки, остудить аккумулятор в течение 3—4 ч при открытых пробках, затем завернуть их.
В процессе эксплуатации аккумулятор нельзя разряжать до напряжения менее 1,83 В и током выше указанного в инструкции по обслуживанию, недозаряжать или перезаряжать его.
Ставить на заряд разряженные батареи следует в течение времени, оговоренного в инструкции. Не реже одного раза в месяц аккумуляторы необходимо подвергать эксплуатационному и контрольно-тренировочному зарядам. Готовят электролит из чистой серной кислоты и дистиллированной воды. Следует систематически протирать аккумуляторы чистой ветошью, смоченной слабым раствором соды или нашатырного спирта, и вытирать насухо, доливать электролит и периодически удалять осадки активной массы пластин со дна сосудов.
В процессе эксплуатации необходимо в специальный журнал вносить данные о режимах заряда и разряда, состоянии электролита, а также о замеченных неисправностях аккумуляторов и выполненных ремонте и чистке.
В помещениях, где устанавливают и заряжают аккумуляторы, должна быть надлежащая вентиляция, так как аккумуляторы выделяют водород, который в смеси с кислородом воздуха образует взрывчатую смесь. В этих помещениях категорически запрещается курить, зажигать спички и выполнять работы, вызывающие искрообразование. Обслуживающий персонал должен иметь фартуки, резиновые перчатки и обувь, а также 100%-ный раствор соды для нейтрализации серной кислоты в случае попадания ее на кожу или одежду.
