Кислотные аккумуляторы.
Аккумуляторами называются гальванические элементы позволяющие запасать энергию постоянного тока и затем расходовать ее по мере надобности.
Если в сосуд, наполненный раствором серной кислоты, опустить две совершенно одинаковые свинцовые пластины, то через некоторое время они под действием кислоты покроются слоем соли сернокислого свинца (сульфат).
Если же теперь пропустить через прибор постоянный ток, то под действием его будет происходить химическая реакция — электролиз, т. е. на пластине, соединенной с положительным полюсом (анод), станет выделяться кислород, а на пластине, соединенной с отрицательным полюсом (катод), — водород. Под действием электролиза свинцовые пластины также претерпевают изменения.
Положительная пластина, на которой выделяется кислород, постепенно покрывается слоем перекиси свинца — темно-коричневой массой.
На отрицательной пластине, где выделяется водород, происходит восстановление свинца из сульфата в виде мельчайших частиц металла. Поверхность пластины покрывается тонким слоем так называемого губчатого свинца серого цвета.
Когда сульфат свинца на положительных пластинах полностью перейдет в перекись свинца, а на отрицательных — в губчатый свинец, дальнейшее прохождение тока вызовет лишь бесполезное разложение электролита с выделением водорода и кислорода у пластин. Бурное выделение газов указывает, что процесс зарядки окончен. Если после зарядки аккумулятора к его электродам подключить вольтметр, то он покажет в цепи напряжение немного более 2 в.
Если к аккумулятору подключить какую-либо нагрузку, то его напряжение будет снижаться и, наконец, упадет до нуля. Аккумулятор полностью разрядился.
При разрядке также происходит процесс электролиза, но только в обратном направлении. Когда аккумулятор заряжался, ток шел через электролит от положительной к отрицательной пластине. Когда же он стал разряжаться на нагрузку, ток через электролит пошел в обратном направлении. Поэтому в таком случае водород будет выделяться на положительной пластине, раскисляя перекись свинца в сульфат. На отрицательной пластине выделяется кислород, окисляющий губчатый свинец в окись, которая, соединяясь с кислотой, образует также сульфат. Следовательно, к концу разрядки положительные и отрицательные пластины приходят в свое первоначальное состояние, различие между ними исчезает, одновременно пропадает и разность потенциалов между ними.
Электродвижущая сила (э. д. с.) аккумулятора, находящегося без нагрузки, равна в среднем 2 в. Она не зависит от размеров аккумуляторов и определяется только степенью зарядки.
В небольших пределах э. д. с. может изменяться в зависимости от плотности электролита, т. е. от содержания кислоты в растворе. Эти изменения можно учесть так: э. д. с.=0,84+удельный вес электролита при 15 С.
Поэтому может оказаться, что разряженный аккумулятор с более высокой плотностью электролита будет иметь э. д. с. выше заряженного аккумулятора с более слабым раствором электролита. Из этого следует, что степень зарядки аккумулятора можно определить, только подключив к нему нагрузку.
Щелочные аккумуляторы.
Электролитом в щелочных аккумуляторах служит щелочь, т. е. 20—24-процентный раствор (в зависимости от времени года) едкого кали или едкого натра. Электроды щелочных аккумуляторов выполняются в виде пластин, составленных из плоских коробочек, внутри которых запрессована активная масса. Коробочки изготовляются из никелированной перфорированной жести и вставляются в стальные рамки пластин. В качестве активной массы положительных пластин служит гидрат окиси никеля, который для лучшей проводимости смешивается с графитом. Активная масса отрицательных пластин состоит из губчатого железа.
При разрядке аккумулятора происходит раскисление гидрата •жнеи никеля положительных пластин и окисление губчатого железа отрицательных пластин.
В процессе зарядки происходит обратная реакция. В химических процессах зарядки и разрядки аккумулятора электролит не участвует и поэтому его плотность во время работы не меняется, так как выделяющиеся при электролизе кислород и водород перемещаются с одного полюса на другой, а сам раствор не принимает участия в химической реакции.
Э. д. с. заряженного щелочного аккумулятора равна приблизительно 1,34—1,36 в. При разрядке напряжение тока составляет примерно 1,25 в и падает в конце разрядки до 1,1 в. Ниже напряжения 1 в щелочные аккумуляторы разряжать не следует. При зарядке напряжение тока быстро поднимается до 1,75—1,85 в и остается неизменным до конца ее. Э. д. с. таких аккумуляторов не зависит от плотности электролита и определяется только степенью заряженности аккумулятора. Поэтому о величине заряда можно судить не только во время зарядки, но и когда аккумулятор бездействует Напряжение тока аккумулятора, замеренное без нагрузки, будет отличаться от напряжения, замеренного под нагрузкой, только на величину падения напряжения на внутренней цепи аккумулятора.
Емкость щелочного аккумулятора мало зависит от величины разрядного тока, но несколько уменьшается с его увеличением. Изменение температуры электролита щелочных аккумуляторов влияет на емкость в большей степени, чем у кислотных аккумуляторов. Понижение температуры электролита на 1°С снижает емкость примерно на 1%. Повышение температуры электролита увеличивает емкость, но при нагреве свыше 45°С аккумуляторы безвозвратно теряют более половины своей емкости.
Саморазряд щелочных аккумуляторов невелик. Долгое пребывание в полуразряженном состоянии мало сказывается на электрическом качестве аккумулятора.
К. п. д. щелочных аккумуляторов ниже, чем кислотных, и составляет 65—70% по ампер-часам и 50—55% по ватт-часам. К достоинствам щелочных аккумуляторов следует отнести их работоспособность в течение семи—десяти лет.
Аккумуляторные батареи.
Отдельный кислотный аккумуляторный элемент независимо от его размеров имеет ток напряжением около 2 а, а щелочной — 1,25 в. Для освещения вагона требуется ток напряжением 52 в, поэтому составляют батарею из последовательно соединенных элементов. При этом соединении отрицательный полюс одного элемента соединяют с положительным полюсом другого, а отрицательный полюс другого — с положительным полюсом следующего элемента и т. д. В этом случае полное напряжение тока аккумуляторной батареи окажется равным сумме напряжений отдельных элементов батареи, а емкость всей батареи останется равной емкости одного элемента.
Все вновь строящиеся отечественной промышленностью пассажирские вагоны оборудуются только щелочными аккумуляторными батареями типа 40ТЖН-250. Такие батареи установлены и на большей части эксплуатируемых вагонов отечественного производства. Кроме щелочных аккумуляторных батарей, в вагонах применяются также и кислотные типа 26ВПМЦ-400.
На вагонах, построенных зарубежными заводами, применяются чаще всего кислотные батареи типа 26ХГО-50 и 26ВП50/10.
На вагонах постройки заводов ГДР последних лет выпуска стали применяться и щелочные типа 13Χ3-Ι3Κ375Η.
Щелочная аккумуляторная батарея типа 40ТЖН-250 имеет следующую расшифровку обозначения: 40 —количество элементов в батарее; Т — назначение аккумулятора — тяговый, ЖН— система аккумулятора — железоникелевый, 250—номинальная емкость в ампер-часах.
Аккумулятор типа ТЖН-250 состоит из блоков положительных 9 (рис. 66) и отрицательных пластин, изолированных друг от друга эбонитовыми сепараторами. Одноименные пластины собраны на шпильке 7, стянуты гайками 6 и имеют выводы (борцы) 5 с гайками 1. Борны выведены через отверстия в крышке, уплотнены резиновыми сальниками 2, изолированы от крышки шайбами 3 и зажаты гайками 1 и металлическими шайбами 4.
Пластины аккумулятора состоят из ламелей, представляющих собой спрессованную плоскую коробку из перфорированной стальной ленты, заполненную активной массой. Ламели соединены между собой и укреплены с обеих сторон ребрами, к которым приварены контактные пластины 8 с отверстиями для сборки на шпильке. Блоки пластин помещены в стальном никелированном баке 11. Блок положительных пластин изолирован от бака листовым винипластом Ня крышке бака имеется гордовина 12 с крышкой-клапаном для заливки аккумулятора электролитом и для выхода из него газа. Сосуд аккумулятора помещен в резиновый чехол 10.
Техническая характеристика аккумулятора типа ТЖН-250
Номинальная емкость, α· ч .. 250
Зарядный ток. а 63
Нормальное время зарядки, ч ...7
Разрядный ток, а .. 50
Предельно допустимое напряжение тока при разрядке, в ...1
Количество электролита, л ...3
Вес аккумулятора, без электролита, кг ..14,5
Вес аккумулятора с электролитом, кг ...18
Размеры аккумулятора в резиновом чехле, мм:
высота с борнами ...363±5
ширина .. ...62+4,5
толщина .124+8
Для питания потребителей тока на вагоне монтируется аккумуляторная батарея из 40 элементов типа ТЖН-250. Аккумуляторы соединяются последовательно внутри двух стальных подвагонных ящиков. Друг от друга аккумуляторы изолированы резиновыми чехлами, а от ящика — деревянными щитами. Деревянные щиты и внутренняя поверхность ящика окрашиваются асфальтовым или битумным лаком. Между собой аккумуляторы соединяются стальными никелированными перемычками. Для выводов применяется гибкий провод сечением 35 мм2.
Техническая характеристика аккумуляторной батареи типа 40ТЖН-250
Номинальная емкость при 8-часовой разрядке, а. 250
Количество аккумуляторов, шт. . 40
Номинальное напряжение, в 50
Предельно допустимое напряжение при разрядке, в ...40
Номинальный зарядный ток, а ..65
Минимальный » » . » ...15
Время зарядки, ч ..7
Разрядный ток, а .50
Количество электролита, л .. .120
Максимально допустимый разрядный ток, а 250
Для аккумуляторов типа ТЖН-250 применяются составные электролиты. При температуре окружающей среды от —15 до +35°С электролит приготовляется из водного раствора едкого кали плотностью 1,19—1,21 с добавкой 20 г/л моногидрата лития. Если аккумуляторы эксплуатируются при температуре ниже —15°С, то в качестве электролита применяется водный раствор едкого калия плотностью 1,25—1,27. Пользоваться электролитом такой плотности при температурах свыше 10°С не разрешается.
Электролит можно приготовлять из следующих материалов: твердого едкого кали (ГОСТ 9225—59, высший сорт или сорт А); составной щелочи .(сорт А; смесь едкого кали и лития с соотношением второго к первому 0,04 : 0,045); едкого лития (ГОСТ 8595-57).
Для приготовления электролитов используется дистиллированная вода, дождевая вода, собранная с чистой поверхности, и конденсат. Перед приготовлением электролита воду нужно подщелочить твердой щелочью в количестве 5—10 г/л или 20—25 см2 электролита. После этого вода должна отстояться в течение суток и светлую часть ее можно применять для приготовления электролита.
Таблица 7
Электролит готовится в стальных баках с плотно закрывающимися крышками и двумя кранами — для забора отстоявшегося электролита и слива отстоя. Необходимое количество подщелоченной воды наливается в бак и добавляется небольшими кусками нужное количество твердой щелочи.
В процессе эксплуатации батареи вследствие испарения уровень электролита в аккумуляторах уменьшается, поэтому необходимо
его поддерживать не менее 15 мм и не более 35 мм над верхним краем пластин. Уровень электролита определяется с помощью стеклянной трубки, которую опускают в аккумулятор до пластин, а затем, плотно закрыв пальцем верхний конец, вынимают трубку из аккумулятора. Высота оставшегося в трубке электролита будет равна уровню электролита над пластинами в аккумуляторе.
Если плотность электролита выше нормальной, то аккумуляторы доливаются подщелоченной водой, а если ниже, то добавляется электролит повышенной плотности.
Неисправности щелочных аккумуляторов приведены в табл. 7.
Щелочная батарея типа 13Χ3-13Κ375Η (13 — количество батарей, входящих в состав общей батареи; 3 — количество элементов, из которых составлены отдельные батареи; 13К — система аккумулятора — кадмиево-никелевая; 375Н — емкость батареи в ампер-часах). Элементы батарей помещены в деревянную обрешетку, установлены в ней на фарфоровых изоляторах и разделены один от другого деревянными планками, пропитанными специальным составом.
Элементы соединены между собой стальными никелированными перемычками. Выводные клеммы установлены на лицевой стороне обрешетки.
Техническая характеристика аккумуляторной батареи типа 13х313К375Н
Номинальная емкость при пятичасовой разрядке, а-ч 375
Номинальный зарядный ток. а... 80
Номинальное время зарядки, ч
Номинальная сила тока разрядки, а 75
Предельно допустимое напряжение тока на элементе при
разрядке, в . I
Количество электролита в элементе, л 3.5
Вес одного элемента с электролитом, кг 19,5
Максимальное зарядное напряжение на элемент, в:
при температуре выше 0°С ... 1,8
» ниже 0°С 2.2
Среднее напряжение батареи, в... 52
Количество элементов о батарее, шт 39
Уровень электролита над верхней кромкой пластин, мм:
номинальный ...40
минимальный ..5
Плотность электролита, г/см:
при температуре от —20 до +35°С 1,19—1,21
» » ниже -20°С ...1,24-1,26
Кислотная батарея типа 26ВПМ-400 на пассажирских вагонах устанавливается очень редко. Чаще всего она встречается на почтовых вагонах. Поэтому приводится только краткая характеристика ее аккумулятора.
Техническая характеристика кислотного аккумулятора типа ВПМ-400
Количество положительных пластин, шт 11
»отрицательных » ..12
Вес без электролита, кг . 40
Приготовляется электролит из раствора аккумуляторной кислоты (ГОСТ 667—53) в дистиллированной воде.
Делается это в стеклянных, эбонитовых, свинцовых или винипластовых сосудах путем вливания кислоты в воду тонкой непрерывной струей.
Кислотная аккумуляторная батарея типа 26ХГО-50 (26 число последовательно соединенных аккумуляторов, X — количество положительных пластин, ГО — конструкция положительных пластин, 50 — теоретическая емкость одной положительной пластины при разрядке минимальным током до полного истощения) применяется для освещения купированных и мягких вагонов постройки заводов ГДР и ВНР.
Общий вид аккумулятора показан на рис. 67. Деревянный футляр аккумулятора помещен при постановке аккумулятора в батарейный ящик.
В футляр вставлен эбонитовый бак 1, в котором размещены комплекты положительных пластин 10 и отрицательных 14.
Рис. 67. Аккумулятор типа ХГО-50
Положительные пластины соединены в блок свинцовым мостиком 9, а отрицательные — мостиком 16. Оба мостика имеют по два прилива 3, в которые запрессованы латунные гайки двух болтов 2, укрепляющих выводные шины. Болты 2 имеют квадратные свинцовые головки со знаком «+» для положительных пластин и «—» для отрицательных. Чтобы не перепутать полярность аккумулятора, болты имеют разный диаметр.
Отрицательные и положительные пластины имеют по два выступа 8 и 15 с резиновыми колпачками 6, которые опираются на стекло 11, удерживая блоки пластин в висячем положении и амортизируя их при толчках поезда. В пространство 13 между дном бака и пластинами аккумулятора собирается выпадающая из пластин активная масса.
Положительные пластины отделяются от отрицательных стеклянными трубками — сепараторами 12. На торцовой стенке деревянного футляра установлены контактные зажимы, к которым подводятся выводные шины.
Для предохранения контактных зажимов от замыкания с крышкой батарейного ящика под ними установлен деревянный выступ. Сверху бак аккумулятора закрывается эбонитовой крышкой с отверстиями для приливов 3 и для заливки аккумулятора электролитом.
Приливы проходят сквозь отверстия в крышке через резиновые уплотняющие манжеты, отверстия для заливки электролита закрываются пробкой 4 с вентиляционными каналами 5 для выхода газа. Крышка имеет уплотнение 7.
Положительные пластины применены поверхностного типа. Они отливаются в специальных формах из химически чистого свинца. Большая емкость у них при небольших габаритных размерах достигается увеличением действующей поверхности. Это обеспечивается особой формой пластин, снабженных большим числом мелких ребер, соединенных между собой узкими поясками. В верхней части пластин имеется отросток, который припаивается к соединительному мосту. Изготовленные пластины подвергаются электрохимической обработке, в результате которой их поверхность покрывается тонким слоем активной массы (перекись свинца), и приобретают темно-коричневую окраску. Поверхностные пластины отличаются большой прочностью, не разрушаются при тряске, легко переносят большие зарядные и разрядные токи. Недостатком их является большой вес и повышенный по сравнению с другими типами саморазряд.
В качестве отрицательных пластин в аккумуляторе ХГО-50 применены решетчатые пластированные пластины. Они отличаются от поверхностных наличием на поверхности с обеих сторон пластины тонких свинцовых перфорированных листов. Основа пластины представляет рамку с большими ячейками, отлитую из свинца. Активная масса в виде пасты из свинцовой пыли и сернокислого бария, замешанных на серной кислоте, заполняет ячейки не полностью, отчего при разбухании она не выпадает, а лишь плотнее прижимается к перфорированному листу. Пластины такой конструкции отличаются большим сроком службы.
Техническая характеристика аккумулятора типа ХГО-50
Кислотная аккумуляторная батарея типа 26ВП50/10 изготовляется заводами ПНР. Обозначение типа батареи расшифровывается следующим образом: 26 — число элементов в батарее; ВП50 — тип пластин; 10 — количество положительных пластин.
Элементы батареи по конструкции пластин схожи с элементами аккумуляторной батареи 26ХГО-50.
Аккумуляторный элемент типа ВП50/10 состоит из десяти положительных и одиннадцати отрицательных пластин. Отрицательные и положительные пластины соединены в определенном порядке свинцовыми мостиками в два блока и разделены между собой эбонитовыми палочками — сепараторами.
Блоки пластин помещаются в эбонитовые банки и закрываются крышками, уплотненными резиновыми прокладками. Эбонитовые банки с блоками аккумуляторных пластин опускаются в деревянные ящики, окрашенные кислотоупорной краской.
Аккумуляторные элементы соединяются между собой специальными перемычками и клеммами, расположенными на торцовой стенке ящика.
Техническая характеристика аккумулятора типа ΒΠ50/10
Длина футляра, мм ..478+
Ширина » » 300+
Высота » » 368+
Максимальный зарядный ток, а 87
Емкость при 5-часовой разрядке, а-ч .. 300
» » 10-часовой
» » ...370
Плотность электролита, г/см 1,22±0,01