CC BY
176
2015
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 217
УДК 629.7.064
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ
М.Г. ГОЛУБЕВА, А.Н. ЧЕПУРИН
В статье описаны основные характеристики авиационных аккумуляторов как кислотных, так и щелочных. Обсуждаются особенности их эксплуатации.
Ключевые слова: аккумуляторы, характеристики аккумуляторов, эксплуатация, преимущества и недостатки.
Настоящая работа содержит обзорный материал по авиационным аккумуляторам и анализ их эксплуатационных особенностей.
Аккумуляторы представляют собой химические источники электрического тока, в которых химическая энергия реакций окисления-восстановления превращается в электрическую. В отличие от гальванических элементов, в которых активные массы катода и анода не восстанавливаются после их срабатывания, в аккумуляторах процессы окисления-восстановления носят обратимый характер в результате зарядки аккумуляторов, т.е. подключения электродов катода и анода к соответствующим полюсам внешнего источника постоянного тока. По своему назначению авиационные аккумуляторы подразделяются на бортовые и аэродромные.
Бортовые аккумуляторы используются для обеспечения электроэнергией бортового оборудования воздушных судов при отказе генератора и для автономного запуска авиационного двигателя.
Аэродромные аккумуляторы применяются для проверки работоспособности аэродромного оборудования, запуска авиационных двигателей.
Основные характеристики аккумуляторов:
- электродвижущая сила, представляющая разность потенциалов между анодом и катодом, измеренная при разомкнутой внешней цепи (т.е. при отсутствии электрического тока) ЭДСаккумулятора= Еанода- Екатода>0 (В). Она зависит от величины электродных потенциалов, температуры и концентрации электролита;
- напряжение разряда (ир) представляет разность потенциалов между анодом и катодом при замкнутой внешней цепи, т.е. при проходе через аккумулятор электрического тока
ир _ ЭДСаккумулятора - ^К-вн р, где 1р - ток разряда (А); Явн р - внутреннее сопротивление аккумулятора (ОМ) при разряде;
- как следует из приведенного уравнения ир, всегда будет меньше ЭДСаккумулятора из-за потери напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора;
- напряжение заряда (из) - это разность потенциалов между анодом и катодом при зарядке аккумулятора внешним источником постоянного тока;
- Из =ЭДСаккумулятора +1зЯвн з, где 1з - ток заряда; Явн з - внутреннее сопротивление при заряде;
- внутреннее сопротивление аккумулятора (Явн) складывается из сопротивления электродов, электролита, переходных контактных сопротивлений. Следует заметить, что внутреннее сопротивление при разряде всегда ниже, чем внутреннее сопротивление при заряде, так как в полностью заряженном аккумуляторе более высокая электропроводность активных масс и электролита;
- емкость аккумулятора (Ср) - количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при его разрядке определенным током до определенного допустимого напряжения. Ср = Jр• ^ (А-ч), где Jр - ток разряда; ^ - время разряда (ч);
- коэффициент полезного действия (КПД аккумулятора) - отношение емкости разряда (Ср) к емкости заряда (Сз) в процентах. КПД аккумулятора = (Ср/Сз) • 100%.
Наиболее широкое применение в авиации нашли кислотные и щелочные аккумуляторы в зависимости от вида используемого электролита.
1. Кислотные аккумуляторы
Среди кислотных аккумуляторов самый распространенный - свинцовый. Он состоит из двух перфорированных свинцовых пластин, одна из которых заполнена губчатым металлическим свинцом, а другая двуокисью свинца PbO2. Обе пластины погружены в 30% раствор серной кислоты.
В свинцовом аккумуляторе проходят следующие процессы окисления-восстановления Pb0 +PbO2 + 2 H2SO4 заряд ~разряд 2 PbSO4 +2H2O.
В том числе:
на катоде - на аноде (PbO2) +
Pb0 - 2e - заряд ~разряд Pb+2 + 2е; Pb+4 + 2е заряд ~разряд - Pb+2 - 2е.
При разряде свинцового аккумулятора активные массы на катоде и аноде превращаются в PbSO4 (мелкокристаллический), который при заряде аккумулятора разрушается и на катоде восстанавливается до металлического РЬ0, а на аноде окисляется до РЬ+4 (РЬ02). При работе аккумулятора, т.е. при его разряде, образуется реакционная вода, которая постоянно разбавляет электролит и понижает его плотность. Поэтому о степени разряженности аккумулятора можно судить по изменению плотности электролита.
Особенности эксплуатации кислотного аккумулятора
Неисправности кислотных аккумуляторов подразделяются на внешние и внутренние.
К внешним неисправностям относятся:
- трещины моноблока;
- поломка или ослабление выводных клемм;
- трещины и оплавление мастики;
- поломка или засорение рабочих пробок.
К внутренним неисправностям относятся следующие:
1. Саморазряд и вредная сульфатация активных масс электродов. Они обусловлены высокой активностью электролита. Кроме того, происходит выкрашивание активных масс с последующим их оседанием на дно аккумулятора, что вызывает короткое замыкание. Саморазряд кроме того возможен при наличии в электролите вредных примесей, таких как, например, HMnO4.
На катоде 5Pb + 2HMnO4 +7H2SO4 ^ 5PbSO4 +2MnSO4 +8H2O Pb0 - 2e- ^ Pb+2 | 5 Mn+7 + 5е ^ Mn+2 | 2.
На аноде 5PbO2 + 2MnSO4 + H2O ^ 5PbSO4 +2MnSO4 +2H2O Pb+4 + 2e- ^ Pb+2 |5 Mn+2 - 5e- ^ Mn+7 |2.
Далее HMnO4 снова отправляется к катоду, и, таким образом, в неработающем аккумуляторе рабочие массы электродов превращаются в PbSO4, т.е. идет их сульфатация. Поэтому при приготовлении электролита следует использовать только дистиллированную воду.
Поскольку приведенные выше процессы протекают самопроизвольно и практически не управляются, вместо мелкокристаллического PbSO4 образуется крупнокристаллический, который при последующих зарядах растворяется крайне плохо и активные массы пластин восстанавливаются не полностью.
Признаками вредной сульфатации являются:
- повышенное напряжение в начале заряда и пониженное в конце заряда;
- медленное повышение плотности электролита при заряде;
- быстрое повышение температуры электролита при заряде;
- резкое падение напряжения, пониженная емкость при разряде.
Сульфатацию аккумулятора можно устранить, выполнив следующие операции:
- вылить электролит;
- залить дистиллированную воду;
- залить новый электролит;
- поставить аккумулятор на зарядку.
Если плотность электролита при этом будет повышаться, то перечисленные меры достигли цели.
2. Слипание пластин с сепараторами. Оно происходит при хранении аккумуляторных батарей (АБ) без электролита в разряженном состоянии, когда батареи перед установкой на хранение разряжались до напряжения ниже 1,7 В (на одной батарее). Кроме того, они не были герметично закрыты пробками и хранились при температуре свыше 300 С.
3. Повышенный износ пластин. Этот процесс имеет место при систематических зарядах батарей большими токами при температуре свыше 450 С, что приводит к обильному газовыделению, вызывающему разрушение пластин.
Преимущества и недостатки кислотных аккумуляторов
У кислотного аккумулятора одно единственное преимущество - высокие значения напряжения разряда (Цр = 2,1 В) и высокая емкость разряда (Ср), что обуславливает его сравнительно небольшие габариты и компактность.
Недостатки:
- большой вес (при проектировании воздушного судна идет борьба за каждый грамм веса);
- саморазряд (обусловлен высокой активностью электролита, выкрашиванием активных масс электродов с последующим их оседанием на дно аккумуляторной батареи, вызывающим короткое замыкание);
- неустойчивость к механическим нагрузкам (рыхлые активные массы электродов при ударах и встряхиваниях могут осыпаться на дно аккумулятора и приводить к его саморазряду);
- небольшой интервал рабочих температур (-15 - +350 С);
- пожаро- и взрывоопасен (при работе аккумулятора выделяется газообразный водород, и потому его нельзя устанавливать рядом с нагревательными приборами);
- ожого-опасен (опасность получения ожогов при контакте с электролитом - серной кислотой).
Щелочные аккумуляторы
Среди щелочных аккумуляторов наиболее широкое применение получили железо-никелевый, кадмий-никелевый и серебряно-цинковый.
Железо-никелевый аккумулятор
Представляет собой две перфорированные железные пластины, одна их которых заполнена дисперсным железом (порошком), а другая - гидратом закиси никеля [№(ОН)з]. Обе пластины
погружены в 30% раствор электролита КОН, при температуре -20 - +300 С. При работе этого аккумулятора имеют место следующие реакции окисления-восстановления
Fe + 2Ni(OH)з заряд ~разряд Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2.
При разряде-заряде: на катоде на аноде
Fe0 - 2e- заряд ~разряд Fe+2[Fe(OH)2] + 2e; Ni+3 + ^ заряд ~разряд Ni+2[Ni(OH)2]
При работе данного аккумулятора не выделяется реакционной воды, а следовательно, электролит не разбавляется, и его плотность не падает.
Аналогичные процессы окисления-восстановления протекают при работе кадмий-никелевого аккумулятора.
Кадмий-никелевый аккумулятор
Cd + 2Ni(OH)з заряд ~разряд Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.
При разряде-заряде: на катоде на аноде
Cd0 - 2e- заряд ~разряд Cd+2[Cd(OH)2] + 2e; Ni+3 + ^ заряд ~разряд Ni+2[Ni(OH)2]
Напряжение разряда каждой из приведенных выше щелочных аккумуляторных батарей составляет 1,4 В, что значительно ниже, чем для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей.
Хранить щелочные аккумуляторы следует в разряженном состоянии, когда отрицательные электроды (Fe и Cd), покрытые пассивирующим слоем гидроксидов, менее подвержены коррозии.
Серебряно-цинковый аккумулятор
Положительный электрод серебряно-цинкового аккумулятора представляет собой каркас из серебряной проволоки, спрессованный с серебряным порошком и завернутый в химически стойкую ткань - сепаратор (из капрона). Отрицательный электрод - спрессованная смесь оксида цинка с цинковым порошком, завернутая в целлофан (сепаратор). В качестве электролита используют 39% раствор КОН с растворенным в нем до насыщения оксидом цинка (ZnO). В результате в растворе образуется гидроксоцинкат калия K[Zn(OH)3]. При работе этого аккумулятора имеют место следующие процессы окисления-восстановления
(-) 2Zn + H2O + 2Ag2O заряд ~разряд Ag +ZnO + Zn(OH)2.
При разряде-заряде: на катоде на аноде
Zn + KOH +2OH - 2e заряд ~разряд K[Zn(OH)з] + 2e; Ag2O + H2O + 2e заряд ~разряд 2Ag + 2OH- -2e.
Напряжение разряда такого аккумулятора составляет 1,85 В, которое остается стабильным при разряде благодаря незначительной поляризации электродов.
Серебряно-цинковые аккумуляторы значительно превосходят рассмотренные выше щелочные аккумуляторы по удельной энергии (Вт-ч/кг). Серебряно-цинковая аккумуляторная батарея весом 4,5 кг и общим объемом 1800 см3 может давать ток до 1500 А.
Преимущества и недостатки щелочных аккумуляторов
Преимущества:
- устойчивость к саморазряду;
- широкий диапазон рабочих температур (-35 - +600 С);
- устойчивость к механическим воздействиям;
- пожаро- и взрыво-безопасность;
- безопасность эксплуатации, так как щелочной электролит менее ожоговый, чем кислотный;
- устойчивость к воздействию вредных примесей.
Единственным недостатком являются сравнительно небольшие значения напряжения разряда, что обуславливает их громоздкость и большие габариты.
В данном обзоре не рассмотрены перспективные аккумуляторы, например, газовые кислород-водородные, поскольку широкого применения в авиационной технике они пока не получили.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бокмицкий А.В. Автоматическое и электрическое оборудование летательных аппаратов. М.: Энергия, 2005.
2. Красношапка М.М. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1998.
3. Брускин Г.В., Синдеев П.Н. Электрические приборы и оборудование. М.: Транспорт, 1998.
OPERATIONAL FEATURES OF BATTERIES USED IN AVIATION EQUIPMENT
Golubeva M.G., Chepurin A.N.
The basic characteristics of aviation batteries both acid and alkaline are described. Their operational features are considered.
Keywords: batteries, battery characteristics, operation, advantages and disadvantages.
REFERENCES
1. Bokmitskiy A.V. Avtomaticheskoe i elektricheskoe oborudovanie letatelnyih apparatov. M.: Energiya. 2005. (In Russian).
2. Krasnoshapka M.M. Elektrosnabzhenie letatelnyih apparatov. M.: Transport. 1998. (In Russian).
3. Bruskin G.V., Sindeev P.N. Elektricheskie priboryi i oborudovanie. M.: Transport. 1998. (In Russian).
Сведения об авторах
Голубева Майя Георгиевна, окончила МХТИ им. Д.И. Менделеева (1959), кандидат технических наук, доцент авиатопливообеспечения и ремонта летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 250 научных работ, область научных интересов - проводники 2-го рода и электропроводимые материалы.
Чепурин Александр Николаевич, 1945 г.р., окончил Московский технологический институт мясной и молочной промышленности (1974), автор более 30 научных работ, область научных интересов - электропроводящие авиационные материалы.
