Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n15.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n15.htm

 Раздел 21. Электролиз. Аккумуляторные батареи.



Электролиз.

В 1800 году при исследовании проводимости растворов было замечено, что электрический ток, идущий между двумя проводами, погруженными в разбавленную водой серную кислоту, вызывает выделение газообразного водорода на катоде - проводе, соединенном с отрицательным полюсом батареи, - и выделяет кислород на другом проводе, называемом анодом. Этот процесс можно записать в виде уравнения химической реакции:

2О = 2Н2 + О2

вода разлагается на водород и кислород

Это уравнение показывает, что вода, разлагаясь, дает газообразный водород и кислород. Разложение вещества посредством пропускания через него электрического тока называется электролизом.

Это открытие в точности согласуется с тем, которое было сделано за тридцать лет до того, когда было установлено, что газообразные водород и кислород, соединяясь, дают воду (а попросту говоря, при сжигании водорода в кислороде конечный продукт - вода):

2 + О2 = 2Н2О

водород и кислород, сгорая, дают воду

Эти первые опыты привели к основанию совершенно новой науки, названной электрохимией.

В электроэнергетике в основном используются два вида установок, выполненных на базе электрохимии - это электролизные установки и аккумуляторные батареи. Электролизные установки, как правило, устанавливаются на электростанциях и предназначаются для получения водорода, используемого в системах охлаждения генераторов. Для тех, кто имеет с ними дело в своей практической работе, рассмотрим процесс электролиза немного подробнее. Для этого придется ознакомиться с таким понятием, как диссоциация (иначе не очень понятно, зачем в электролизере вода разбавляется серной кислотой или КОН, ведь все равно разлагается только вода).

Рассмотрим процесс прохождения тока через разбавленный водный раствор серной кислоты (рассмотрим именно такой процесс, поскольку в дальнейшем он нам пригодится и при анализе работы аккумулятора). При прохождении тока через раствор на катоде выделяется водород, а на аноде - кислород. Логично предположить, что молекулы воды (НОН), как и молекулы серной кислоты (H2SO4) диссоциируют (распадаются) на заряженные частицы водорода и кислорода. Заряженные атомы и части молекул называются ионами. Отрицательные ионы содержат лишние электроны; напротив, положительным ионам "не хватает" электронов. Так как водород освобождается на катоде, а разноименные заряды притягиваются, то ионы водорода должны иметь положительный заряд, и соответственно кислорода (или иона, содержащего в своем составе кислород) - отрицательный.

Поскольку при электролизе воды количество серной кислоты не уменьшается, естественно предположить, что ионы, на которые распадается молекула серной кислоты, способствуют процессу прохождения тока, но не осаждаются на электродах. Молекула воды в растворе диссоциирует на положительный ион Н+ и отрицательный ион ОН-. Ион водорода и ион гидроксила ОН- каждый несут положительный и отрицательный единичные заряды, то есть:

НОН = Н+ + ОН-

Молекула воды => ион водорода + ион гидроксила

На самом деле внутри раствора происходят сложные события. Однако, в конечном счете, дело обстоит следующим образом. Положительно заряженный ион водорода направляется к отрицательно заряженному катоду и выбивает из него один электрон, что нейтрализует ион и превращает его в нейтральный атом водорода; два водородных атома объединяются и образуют молекулу водорода. Несколько таких молекул собираются в пузырек газообразного водорода, который вытесняет раствор из емкости над катодом.

Перед Вами схема электролиза воды, при котором получаются два объема водорода на один объем кислорода (левый рисунок). На правом рисунке приведена схема движения заряженных ионов в растворе:



 
Отрицательный гидроксильный ион направляется к аноду, где теряет один избыточный электрон и также на мгновение становится нейтральным. Затем четыре частицы гидроксила соединяются, образуя воду и кислород:

2ОН + 2ОН =2Н2О + О2

Наконец, кислород собирается пузырьками на аноде, поднимается вверх и вытесняет жидкость из емкости над анодом. Результат состоит в том, что положительные водородные ионы отбирают электроны у катода, а отрицательные гидроксильные ионы отдают свои избыточные электроны аноду. Это совершенно аналогично тому, как если бы раствор проводил ток электронов от катода к аноду. Движение заряженных ионов в растворе приводит к тому же результату, что и движение электронов в твердом проводнике.

Отсюда можно сделать некоторые практические выводы.

Во-первых, производительность электролизера необходимо регулировать, поскольку в процессе работы потребность в водороде меняется (периодические подпитки генераторов или полный перевод генератора на водород после ремонта). Производительность электролизера регулируется величиной пропускаемого через электролизер тока - это должно быть понятно без дополнительных объяснений.

Во-вторых, известно, что чистая вода - хороший изолятор, то есть она очень слабо диссоциирована. Для того, чтобы обеспечить хорошую проводимость воды, в нее необходимо добавить вещество (в нашем случае H2SO4). Если вещество при своем растворении не ионизируется и не диссоциирует, то раствор не будет пропускать тока. Проводимость раствора возможна лишь благодаря его ионизации. Но ионизация не вызывается самим током - она возникает самопроизвольно сразу же после растворения вещества.

Аккумуляторные батареи.

Второй тип установок, выполненных на базе электрохимии и широко применяющийся в электроэнергетике - это аккумуляторные батареи. Аккумуляторные батареи являются "запасом" электрической энергии и вступают в работу именно тогда, когда нет других источников энергии - генераторов и невозможно взять энергию от сети.

Поэтому от них получают питание именно те потребители, которые в данных условиях должны сохранять свою работоспособность. К таким потребителям относятся цепи оперативного тока, предназначенные для изменения состояния коммутационной аппаратуры, цепи релейных защит, ряд приборов, механизмов и приводов арматуры, приводы защитно-предохранительных устройств в технологических частях энергоустановок и т.д. Важность всех этих потребителей трудно переоценить - это контроль, управление и защита... Наверное, эта глава заинтересует и автомобилистов...

История изобретения аккумулятора начинается с истории изобретения гальванического элемента типа хорошо всем известных батареек для карманного фонарика. Было замечено, что если поместить в раствор кислоты два разнородных металла, например, медь и цинк, то пластина цинка приобретает отрицательный заряд, указывающий на избыток электронов, а медь - положительный заряд, свидетельствующий о недостатке электронов. Но как это может быть, если оба металла находятся в одной и той же жидкости?

Если исследовать отработавший гальванический элемент, то можно убедиться, что медная пластинка лучше сохранилась, нежели цинковая. Это говорит о том, что цинковая пластинка растворяется значительно быстрее, чем медная. Когда атомы металла переходят в раствор в виде положительно заряженных ионов, в металлической пластинке остаются избыточные электроны. Это объясняет отрицательный заряд цинка, но не положительный заряд меди. Почему же в гальваническом элементе медь не приобретает отрицательный заряд подобно цинку?

Как мы уже выяснили, молекула серной кислоты H2SO4 в воде распадается на два иона Н+ и один ион SO4 - -:

H2SO4 = 2 Н+ + SO4- -

Серная кислота = ионы водорода + ионы сульфата

Положительные ионы цинка (Zn++), переходя в раствор, отталкивают положительные ионы водорода и оттесняют их к медной пластине. Здесь каждый водородный ион (Н+) приобретает один электрон, превращаясь в нейтральный атом; последний, соединяясь с другим водородным атомом, образует молекулу газообразного водорода. Несколько таких молекул образуют газовый пузырек. Поскольку медная пластина теряет электроны, она заряжается положительно. Но этот процесс не продолжается бесконечно. Как только медная пластина заряжается положительно, она начинает отталкивать приходящие к ней положительные водородные ионы. Последние, уходя в глубь раствора, в свою очередь отталкивают положительные ионы цинка и этим затрудняют их переход из цинковой пластины в раствор. Ионы цинка также притягиваются отрицательно зарядившейся цинковой пластиной. Когда все эти силы приходят в равновесие (а это происходит очень быстро), на отрицательной цинковой пластинке появится избыток электронов. На положительной медной пластине - недостаток. В результате на обеих пластинах возникает разность потенциалов, составляющая около 1,1 вольта и зависящая только от материала самих пластин элемента, но не от их размеров. Увеличение размеров пластин, однако, позволяет получить больший ток. Если обе пластины соединить проводником, электроны с отрицательной цинковой пластины побегут на медную пластину, стремясь нейтрализовать заряд. По цепи потечет электрический ток.

Если необходим источник, который давал бы большой ток в течение достаточно длительного времени, то подобные элементы для этой цели оказываются слишком дорогими. Дело в том, что цинк в них расходуется достаточно быстро - в соответствии с законом сохранения энергии расход цинка в элементе так же неизбежен, как расход горючего в автомобильном двигателе, и отработавший элемент остается лишь выбрасывать. Если бы каким-либо способом химические процессы, протекающие в элементе, можно было обратить, чтобы восстановить израсходованные химикалии, то стоимость элементов можно было бы снизить. Такая попытка сделана в аккумуляторах. Аккумулятор можно изготовить аналогично гальваническому элементу, используя для этой цели две свинцовые пластины размером, например, 5 Х 15 см. Раствор должен содержать одну часть по объему серной кислоты на пять частей воды. Для зарядки аккумулятора соединяют последовательно эти две пластины и пропускают через них ток. Эта напоминает рассмотренную ранее электролизную установку. Химические процессы в обоих случаях совершенно одинаковы.

Как только через аккумулятор начинает идти ток, возле катода возникают пузырьки водорода. На аноде, как следовало ожидать, освобождается кислород. Однако его выделением дело не заканчивается. Пластина анода постепенно приобретает темно - коричневый цвет вследствие образования на ее поверхности перекиси свинца (PbO2) за счет того, что некоторое количество кислорода соединяется химически с материалом пластины. При образовании PbO2 ток заряда падает, указывая на возрастающее сопротивление аккумулятора. Почему это так происходит, мы рассмотрим чуть позже. Когда такой аккумулятор зарядится полностью, присоединяемый к нему вольтметр покажет напряжение несколько более 2 вольт.

Если после зарядки аккумулятора отключить его от сети и присоединить последовательно к звонку и амперметру, звонок заработает, а амперметр покажет наличие тока, идущего в направлении, противоположному току зарядки. Ток в цепи, по мере того как энергия аккумулятора расходуется на работу звонка, будет постепенно уменьшаться. Сущность процесса зарядки состоит в том, что две одинаковые вначале пластины аккумулятора вследствие электролиза становятся разными; одна из них по-прежнему остается свинцовой, материал же другой превращается в перекись свинца. Последняя пластина становится положительной, аналогично медной пластине в обычном гальваническом элементе. Свинцовая пластина, приобретающая отрицательный заряд, соответствует цинковой пластине элемента.

Напряжение аккумулятора имеет противоположную полярность по сравнению с полярностью источника, который обеспечивал зарядный ток. Это и объясняет падение зарядного тока, начиная с момента зарядки. Химические реакции в аккумуляторе протекают следующим образом (в процессе зарядки реакции идут слева направо, при разрядке - в обратном направлении):

Зарядка >

<Разрядка

2PbSO4 + 2H2O <=> PbO2 + Pb + H2SO4

сульфат свинца + вода <=> перекись свинца + губчатый свинец + серная кислота  

При производстве промышленных аккумуляторов положительные пластины покрывают очень толстым слоем перекиси свинца. Отрицательные пластины делают из пористого губчатого свинца. Размеры пластин во много раз превышают размеры пластин описанного выше аккумулятора. Однако увеличение площади пластин не повышает напряжения аккумулятора, которое при полной зарядке составляет немногим более 2 вольт, а увеличивает количество запасенной в аккумуляторе химической энергии, а значит, и количество отдаваемой им электрической энергии.

Соединяя последовательно подобные аккумуляторы (банки), из них набирают аккумуляторные батареи на нужное напряжение. Например, автомобильная аккумуляторная батарея для напряжения 12В собирается из 6 банок; для питания цепей оперативного тока атомных электростанций =220В общеблочные батареи набираются из 130 банок (108 рабочих + 22 автоматически последовательно подключаются по мере разрядки батареи при переводе нагрузки на нее в аварийных режимах) и т.д.

Коэффициент полезного действия аккумуляторной батареи - около 75%; эта цифра указывает ту долю запасенной в аккумуляторе электрической энергии, которая может быть использована при разрядке его. Эта последняя обычно проставляется на батарее; она выражается в единицах ампер-часов. Например, батарея может быть рассчитана на 120 ампер-часов. Это означает, что полностью заряженная батарея может давать ток 1 Ампер в течение 120 часов, или 2 Ампера в течение 60 часов и т.д.

Кислотные аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление; это является одной из причин того, что с их помощью можно получать очень большие токи.

Напомним основные правила обращения с аккумуляторами:

1. Самое основное правило обращения со свинцовыми аккумуляторами - это не получать от них силу тока, больше дозволенного значения. Это одна из основных причин, почему на электростанциях в нормальных условиях и при хорошем уходе аккумуляторные батареи работают до 15 лет, в то время как автомобильные аккумуляторы, особенно эксплуатирующиеся зимой в режимах частых пусков - не более 5 лет. Нарушение этого правила ведет к искривлению пластин, выпадению активной массы;

2. Второе не менее важное правило - нельзя слишком сильно разряжать свинцовый аккумулятор или оставлять его надолго без подзарядки, даже если он не находится в работе. Когда напряжение на клеммах аккумулятора упадет ниже 1.8 В на каждую банку, то начнется процесс сульфатации - пластины покрываются нерастворимым налетом сульфата свинца, удалить который впоследствии не удается. Степень зарядки батареи определяется с помощью ареометра. Это возможно потому, что при разрядке батареи в электролите возрастает доля воды (удельный вес 1) по отношению к доле серной кислоты (удельный вес 1.84), так что плотность электролита понижается. Когда батарея полностью разряжена, плотность электролита падает до 1.13 - 1.15. Но не следует допускать и чрезмерный подзаряд батареи - кроме ненужного электролиза воды (аккумулятор "кипит") это ведет к выпадению темно-коричневого шлама (излишний износ пластин);

3. Не следует даже кратковременно эксплуатировать аккумулятор с низким уровнем электролита в нем - отрицательные электроды, находящиеся на воздухе, быстро разогреваются и бесповоротно выходят из строя;

4. Поскольку при зарядке (а тем более перезарядке) батареи аккумуляторов содержащаяся в них вода разлагается, к электролиту время от времени нужно доливать воду. Однако, обычная вода для этих целей непригодна - она содержит растворенные соли и другие примеси, в результате чего заряженный аккумулятор очень быстро самопроизвольно разрядится (это явление называется "саморазряд аккумулятора"). Поэтому необходимо доливать только дистиллированную воду, причем очень высокого качества. Особенно распространенными примесями являются хлор и железо. При содержании в электролите 0.015% железа интенсивность саморазряда аккумулятора увеличивается в 3 раза, а при 0.5% заряженный аккумулятор полностью разрядится за 8-10 суток. Второй по значению загрязняющей примесью являются соединения хлора. Наличие в электролите 0.02% соляной кислоты в 2-4 раза увеличивает саморазряд аккумулятора. Наиболее эффективным способом удаления хлора из электролита являются заряды-разряды. При этом хлористые соединения превращаются в газообразный хлор и выделяются из аккумулятора. Для удаления хлора достаточно провести три - четыре цикла заряд- разряд. Более редкой, но опасной примесью является марганец, попадающий в аккумуляторы обычно с серной кислотой. Аккумуляторы с электролитом, загрязненным марганцем, безвозвратно теряют емкость. Все эти факторы заставляют вести жесткий химический контроль качества применяемой для составления электролита серной кислоты и дистиллированной воды.

И в заключение несколько слов о других типах аккумуляторов. Существуют щелочные аккумуляторы, которые имеют ряд преимуществ: они выдерживают перегрузку при зарядке и могут без гибельных последствий разгружаться до нуля, не теряют зарядки при длительном хранении, не замерзают на холоде. Но их ЭДС всего 1.25В на банку против 2В у свинцовых аккумуляторов. Серебряно-кадмиевые и серебряно-цинковые аккумуляторы замечательны тем, что они в 5-6 раз легче свинцовых и железно-никелевых аккумуляторов. Кроме того, они отличаются высокой механической прочностью и простотой ухода. И несколько слов о газовых аккумуляторах. Первый газовый аккумулятор был построен в 1839г. Вильямом Грове. Платиновые электроды помещались в цилиндры, один из которых содержал кислород, другой водород. Цилиндры открытыми концами погружались в сосуд с раствором серной кислоты. Электрод, находившийся в кислороде, должен был служить положительным полюсом, в водороде - отрицательным. Но так как реакция с молекулярными газами не идет (необходимы газы в атомарном состоянии), то для перевода их в это состояние электроды покрывались губчатой платиной как катализатором. Во время работы этого аккумулятора происходит выделение газов в обратном порядке: на положительном полюсе элемента выделялся водород, а на отрицательном - кислород. В том и другом случае при соединении кислорода и водорода образовывалась вода. Элемент работал до истощения запаса газов в цилиндрах.



© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н. Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации