авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Тепловой разгон в щелочных аккумуляторах: закономерности и технологические рекомендации

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 621.355.8.001.891.573

Галушкина Наталья Николаевна

ТЕПЛОВОЙ РАЗГОН В ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРАХ: ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

05.17.03 – "Технология электрохимических процессов и защита от коррозии"

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск - 2006

Работа выполнена в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) на кафедре "Технология электрохимических производств" и в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса на кафедре "Радиоэлектронные системы" г. Шахты.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Кукоз Федор Иванович

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Гутерман Наум Ефимович

кандидат химических наук, доцент Демьян Василий Васильевич

Ведущая организация: Всероссийский Электровозостроительный проектно-конструкторский и технологический научно-исследовательский институт («ВЭлНИИ»), г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Машиностроителей, 3.

Защита состоится "27" июня 2006 года в 11 часов в ауд. 107 на заседании диссертационного совета Д 212.304.05 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Автореферат разослан " 26 " мая 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета И.Ю. Жукова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Химические источники тока (ХИТ) являются основными источниками питания в автономных, переносных, резервных и т.д. электротехнических и радиоэлектронных устройствах как бытового, так и специального назначения. Однако до сих пор многие явления в ХИТ и вопросы их оптимальной эксплуатации изучены недостаточно. К ним, в первую очередь, можно отнести процесс теплового разгона. Явление теплового разгона довольно часто встречается в никель-кадмиевых батареях, стоящих в буферном режиме в современных самолетах, тем не менее, его природа до сих пор изучена недостаточно. Особенно высока вероятность появления теплового разгона в батареях с длительным сроком эксплуатации. В случае теплового разгона батарея может разогреться, закоротить систему электропитания, что, в свою очередь, часто приводит к выходу из строя различных блоков самолета. В связи с этим, тепловой разгон аккумуляторов в авиации создает аварийные ситуации различной степени сложности, а, по мнению многих специалистов, обслуживающих самолеты, является причиной ряда катастроф. Данное явление исследовалось в лаборатории "Нестационарного электролиза" под руководством профессоров Кукоза Ф.И. и Кудрявцева Ю.Д., а также упоминалось и обсуждалось в работах профессора Теньковцева В. В. Однако до сих пор не ясны причины и источники такого мощного выделения энергии в результате теплового разгона, которое сопровождается резким повышением температуры внутри ХИТ до больших значений, что, в свою очередь, приводит к прогоранию сепаратора между пластинами и вскипанию электролита. Также нет детальных исследований состава газовой смеси, выделяющейся при тепловом разгоне. Не очень ясны причины и условия, приводящие к тепловому разгону, за исключением только того, что он происходит, как правило, в аккумуляторах с большим сроком эксплуатации в условиях длительного перезаряда. Практически отсутствуют попытки математического моделирования этого процесса. Недостаточная изученность теплового разгона не позволяет надежно предсказать его возникновение, или, по крайней мере, оценить предрасположенность различных аккумуляторов к этому явлению, а, следовательно, в настоящее время невозможно эффективно предотвращать его опасные последствия. Кар­ди­наль­ное ре­ше­ние обозначенной про­бле­мы воз­мож­но толь­ко при детальном изучении этого явления и построении на­деж­ной практической мо­де­ли процесса теплового разгона.

Изучение явления теплового разгона в никель-кадми­евых аккумуляторах является актуальным для обеспечения безопасной и надежной работы ХИТ в различных электротехнических и радиоэлектронных устройствах.

Цель ра­бо­ты:

- исследовать явление теплового разгона в никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторах при различных режимах заряда;

- вскрыть механизм накопления водорода в электродах щелочных аккумуляторов;

- установить форму существования водорода в электродах щелочных аккумуляторов;

- выявить механизм теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах;

- построить надежную, с практической точки зрения, математическую модель теплового разгона;

- дать практические рекомендации по предотвращению теплового разгона в щелочных аккумуляторах.

Для дос­ти­же­ния по­став­лен­ной це­ли тре­бо­ва­лось:

- произвести статистические исследования возникновения тепловых разгонов в щелочных аккумуляторах различных типов;

- изучить причины и условия, при которых никель-кадмиевые аккумуляторы идут на тепловой разгон;

- выполнить анализ состава газовой смеси, накапливаемой в кадмиевом, оксидно-никелевом и железном электродах;

- изучить динамику выделения газов из электродов щелочных аккумуляторов при различных температурах;

- изучить изменение количества водорода в электродах щелочных аккумуляторов в зависимости от срока эксплуатации;

- изучить изменения в активной массе и металлической матрице в процессе эксплуатации аккумулятора;

- произвести визуальный анализ и оценку последствий теплового разгона;

- произвести анализ полученных экспериментальных результатов с целью вскрытия: механизма запуска теплового разгона, механизма процесса теплового разгона, источников выделения энергии при тепловом разгоне;

- разработать математическую модель теплового разгона.

На­уч­ная но­виз­на ра­бо­ты. Экспериментально доказано, что в процессе теплового разгона из различных типов никель-кадмиевых аккумуляторов выделяется парогазовая смесь: количество пара в ней определяется количеством электролита в аккумуляторе; оставшийся газ на 85-95% состоит из водорода, на 5-14% из кислорода и менее 1% прочих газов. Причем количество выделившегося водорода из негерметичных аккумуляторов больше, чем его содержится во всем электролите, если его разложить на водород и кислород.

Термическим разложением электродов никель-кадмиевых аккумуляторов с длительным сроком эксплуатации показано, что выделившийся из них газ в среднем на 99% состоит из водорода, 0,7% кислорода и 0,3% прочих газов. Таким образом, в никель-кадмиевых аккумуляторах с длительным сроком эксплуатации содержится большое количество водорода. Например, в аккумуляторах НКБН-25-У3, используемых в авиации со сроком эксплуатации более 5 лет, содержится примерно 805 л водорода.

Термическим разложением электродов никель-кадмиевых аккумуляторов с различными сроками эксплуатации показано, что водород накапливается в электродах в процессе их эксплуатации. Причем в электродах новых аккумуляторов водород отсутствует.

Экспериментально доказано, что водород накапливается внутри металлической никелевой матрицы оксидно-никелевого электрода в виде металлогидридов.

С помощью анализа энергетического баланса теплового разгона доказано, что основным источником энергии, выделяемой в результате теплового разгона, является мощная экзотермическая реакция, а не внешнее зарядное устройство или электрическая энергия, накопленная в аккумуляторе.

Предложен возможный механизм теплового разгона, соответствующий полученным экспериментальным данным.

Прак­ти­че­ская цен­ность ра­бо­ты. Экспериментальные исследования показали, что тепловой разгон приводит к двум опасным последствиям для любых устройств, содержащих аккумуляторы, а именно: к короткому замыканию электропроводки вследствие прогорания сепаратора и к выделению большого количества водорода, который может привести к образованию гремучей смеси и к взрыву. Это особенно опасно для самолетов и устройств, в которых аккумуляторные батареи находятся в замкнутых помещениях.

Предложены возможные конструктивные изменения в аккумуляторах, исключающие возможность возникновения теплового разгона, а также режимы заряда переменным асимметричным током, препятствующие накоплению водорода в пластинах никель-кадмиевых аккумуляторов и процессу дендритообразования на кадмиевом электроде и тем самым исключающие причины возникновения теплового разгона.

Производственные испытания данных режимов в ЗАО "Гуковуголь" и ООО ЦОФ "Шолоховская" для аккумуляторов 3ШКНП-10М показали, что газовыделение сокращается в среднем в 45-50 раз, срок службы увеличивается в 1,5-2 раза. Экономический эффект от внедрения: 4,5 млн. руб. и 2 млн. руб. в год.

Предложен способ анализа никель-кадмиевых аккумуляторов на предрасположенность к тепловому разгону. Результаты помещены в заключительный отчет научно-исследовательской работы "Разработка и исследование элементов радиотехнических систем и средств сервиса", № ГР 01.200.116399, Инв. № 02.20.0504403.

На защиту выносятся:

- результаты измерений параметров для различных типов никель-кадмие-вых аккумуляторов в процессе их теплового разгона;

- результаты качественного и количественного анализа парогазовой смеси, выделившейся при тепловом разгоне;

- механизм накопления водорода в оксидно-никелевых, кадмиевых и железных электродах щелочных аккумуляторов в процессе их эксплуатации;

- экспериментальные доказательства формы существования водорода в электродах щелочных аккумуляторов;

- результаты анализа энергетического баланса теплового разгона;

- практические рекомендации по предотвращению теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах.

Апробация работы. Материалы, содержащиеся в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах: I Всероссийской научно-технической конференции "Современные промышленные технологии", 2004 г., Нижний Новгород; VI Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", 2005 г., Новочеркасск; XIII Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", 2005 г., Нижний Новгород; XIII Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы математики и естествознания", 2005 г., Нижний Новгород; IV Всероссийской научно-технической конференции "Современные промышленные технологии", 2005 г., Нижний Новгород; XVI Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве", 2005 г., Нижний Новгород; Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации", 2005 г., Новосибирск; XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", 2006 г., Москва; IV Общероссийской конференции с международным участием "Новейшие технологические решения и оборудование", 2006 г., Москва.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в монографии и 43 научных статьях и докладах, включая 12 статей в центральной печати. Список основных 15 публикаций приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 152 стр. текста (без приложений); содержит 25 рисунков, 24 таблицы. Список литературы содержит 221 наименование. Приложены акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Литературный обзор состоит из восьми разделов, в которых рассматривается современное состояние вопроса по исследованию теплового разгона в аккумуляторах разных типов и дан обзор материалов – возможных накопителей водорода в этих аккумуляторах. Несмотря на всю важность данной проблемы в отечественной литературе крайне мало работ по изучению явления теплового разгона. По данным ВИНИТИ за последние 20 лет было опубликовано только пять работ по этой теме. В зарубежной литературе значительно больше работ по изучению теплового разгона. Однако и там основная масса работ выполнена менеджерами по продажам аккумуляторов и имеет статистический или описательный характер, а не научно-исследовательский. Такое незначительное внимание к явлению теплового разгона малооправдано, так как данный процесс является причиной многих аварийных ситуаций в авиации, на транспорте и в связи.

В первом разделе дана общая характеристика теплового разгона в аккумуляторах разных типов. Отмечено, что по современным представлениям механизм теплового разгона в аккумуляторах любых электрохимических систем в общем подобен. Даже в случае различия механизмов теплового разгона в различных аккумуляторах между ними бесспорно много общего, это видно хотя бы по внешним признакам. Поэтому в работе дан обзор всех исследований по тепловому разгону, независимо от типа аккумуляторов.

В разделах два - пять дан обзор работ по исследованию теплового разгона в никель-кадмиевых, никель-металлогидридных, никель-водородных, свинцово-кислотных, литиевых, литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторах. Отмечено, что в целом тепловой разгон является малоизученным процессом, хотя это явление в литиевых аккумуляторах изучено значительно лучше, чем в аккумуляторах других систем.

В данной работе показывается, что в процессе эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов в их электродах накапливается очень большое количество водорода. Поэтому сделан обзор веществ, способных поглощать водород. В разделах шесть - восемь дан обзор работ по исследованию таких веществ. В частности дана классификация и общая характеристика накопителей водорода, рассмотрены исследования процесса накопления водорода в металлогидридах, в углеродных материалах (графит, сажа), которые являются наполнителями в ламельных, намазных и прессованных электродах щелочных аккумуляторов.

Вторая глава состоит из шести разделов и посвящена исследованию процесса теплового разгона в щелочных аккумуляторах.

В первом разделе на основании анализа литературных источников намечен план экспериментальных исследований. Во втором разделе описана методика циклирования щелочных аккумуляторов с целью обнаружения теплового разгона. Все аккумуляторы заряжались последовательно при постоянных напряжениях: 1,45; 1,67; 1,87; 2,2 В. Нижнее значение исследуемого диапазона зарядных напряжений соответствует буферному напряжению работы аккумуляторов. В третьем разделе описана установка для циклирования аккумуляторов и сбора выделившегося в результате теплового разгона газа и пара.

В четвертом разделе описаны результаты циклирования аккумуляторов НКБН-25-У3, НКБН-40-У3, НКГ-8К, НКГ-50СА (по 20 штук каждого типа). Заряд производился при постоянных напряжениях, отмеченных выше, а разряд и контрольно-тренировочные циклы (для исключения эффектов памяти при смене режима заряда) - в соответствии с инструкцией по эксплуатации конкретных батарей. На основании результатов эксперимента сделаны следующие выводы.

Во-первых, из 640 выполненных зарядно-разрядных циклов для каждого типа аккумуляторов тепловой разгон наблюдался только в четырех случаях для аккумуляторов НКБН-25-У3, в двух случаях для аккумуляторов НКБН-40-У3 и по одному случаю для аккумуляторов НКГ-8К и НКГ-50СА. Таким образом, можно утверждать, что тепловой разгон - редкое явление.

Во-вторых, во всех случаях теплового разгона аккумуляторы имели сроки эксплуатации, как правило, больше пяти лет при гарантийном сроке службы в три года. Данные экспериментальные результаты непосредственно подтверждают предварительные выводы о том, что вероятность появления теплового разгона увеличивается с ростом срока эксплуатации батарей.

В-третьих, во всех случаях наблюдения теплового разгона заряд аккумуляторов выполнялся при напряжениях 1,87 В и 2,2 В, что значительно превышает среднее напряжение эксплуатации данных аккумуляторов на объекте в буферном режиме (1,35-1,5 В). Таким образом, сделан вывод, что вероятность возникновения теплового разгона повышается с ростом напряжения заряда аккумуляторов.

Выполнены также экспериментальные исследования по измерению параметров аккумуляторов НКБН-25-У3, НКБН-40-У3, НКГ-8К, НКГ-50СА в процессе теплового разгона. Определяли изменение следующих параметров: зарядного тока, напряжения на клеммах аккумулятора, температуры электродов аккумулятора, динамики газовыделения. Исследования показали:

1. В процессе теплового разгона ток заряда резко возрастает до очень больших значений 6Q-14Q (Q – номинальная емкость аккумулятора), а затем, вследствие выкипания электролита и, следовательно, возрастания внутреннего сопротивления аккумулятора, резко падает. При этом температура электродов возрастает до очень больших значений (больше 250 0С).

2. Процесс теплового разгона может возникать неоднократно и спонтанно в течение одного заряда, при этом ток заряда то возрастает, то убывает. Предположено, что возникновение и затухание процесса теплового разгона в каком-либо месте электрода приводит сначала к резкому росту тока заряда, а затем к такому же резкому падению тока вследствие испарения электролита и образования газовой пробки в прогоревшем участке сепаратора. Это, в свою очередь, приводит к увеличению плотности тока в других местах электродов, что является причиной запуска теплового разгона в другом месте, возможно, между другой парой электродов и т.д.

3. Напряжение на клеммах аккумулятора в процессе теплового разгона резко падает. Это нельзя объяснить только уменьшением внутреннего сопротивления аккумулятора. Можно предположить, что в результате теплового разгона существенно изменяются потенциалы электродов как следствие восстановления гидроксидов никеля водородом на оксидно-никелевом электроде или окисления кадмия кислородом на кадмиевом электроде. То есть полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в результате теплового разгона происходит саморазряд оксидно-никелевого или кадмиевого электродов, или их обоих с существенным изменением потенциалов.

4. В результате теплового разгона из аккумулятора в течении 2-4 минут выделяется большое количество парогазовой смеси. Состав, которой представлен в таблице 1.

Таблица 1

Состав парогазовой смеси, выделившейся в результате теплового разгона



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.