8 Энергетический расчёт

1 Расчет ЭДС электрохимической системы Pb/ Н₂SO₄/ PbO₂

ЭДС может быть рассчитана по формуле [3];

(62)

где a(H₂O) - активность воды в аккумуляторе, [6];

a(H₂SO₄) - активность кислоты в аккумуляторе [6];

при плотности кислоты 1.27 г/см³ a(H₂O)=0,69, a(H₂SO₄)=0,93

Может быть рассчитана через изменение термодинамического потенциала Гиббса по ЭДС-определяющей реакции:

E = - ΔG / z F (63)

ΔG_Pb = 0 ккал/моль

ΔG_PbО2 = -52,34 ккал/моль

ΔG_Н2SО4 =-177,34 ккал/моль

ΔG_Н2О = -56,69 ккал/моль

ΔG_PbSО4 = -193,89 ккал/моль

ΔG = ΔG_кон -  ΔG_нач = 2* ΔG_PbSО4 +2* ΔG_Н2О - ΔG_Pb - ΔG_PbО2 – 2* ΔG_Н2SО4 (64)

ΔG = -2*193,89 -2*56,69 – 0 +52,34+2*177,34 = -94,14 ккал/моль = -394,45 кДж.

E = - (-394,45) / 2*96500 = 2,044 B

2 Напряжение в конце заряда можно вычислить по формуле:

(65)

где ( )- разность потенциалов положительного и отрицательного электродов, В

- падение напряжения в электролите, В;

- падение напряжения за счёт газонаполнения, В;

(66)

Падение напряжения в электролите с учетом сепарации рассчитывается по формуле

(67)

где - плотность тока при заряде, А/см²;

- межэлектродное расстояние, 0,13 см;

- удельная электропроводность электролита;

(для ) [6];

- коэффициент извилистости пор сепаратора, =3 [4];

- пористость сепаратора, =0,65 [4];

Плотность тока при заряде рассчитывается по формуле:

(68)

где – зарядный ток, А;

- площадь электрода, 181,44 см² ;

- число положительных электродов, 14;

Зарядный ток рассчитывается по формуле:

= = =19 А (69)

где - номинальная ёмкость аккумулятора, 190 А/ч;

- время заряда, 10 ч ;

Разность потенциалов положительного и отрицательного электродов

рассчитывается по формуле:

(70)

где -равновесные потенциалы кислородного и водородного электродов В;

- перенапряжение выделения кислорода и водорода на электродах В;

(71)

(72)

[2]; (73)

[2]; (74)

За счёт того, что электрод пористый, истинная поверхность электродов примерно в 2 раза будет превосходить их геометрическую поверхность[2];

Напряжение в конце заряда аккумуляторной батареи

2,41 · 6 = 14,46 В (75)

9 Материальный расчёт

Масса свинцового порошка в пасте положительного электрода

g_п1=113,586 г (конструкционный расчёт)

В одном аккумуляторе 14 положительных электрода, значит всего в аккумуляторной батарее 6СТ-190 84 положительных электрода.

Масса свинцового порошка в пасте, где 84 электродов g_п, рассчитывается по формуле:

g_п=g_п1∙84=9541 г = 9,541 кг (76)

Масса серной кислоты для приготовления положительной активной массы.

На изготовление 100 кг пасты используют 15 л раствора Н₂SO₄ плотностью 1,07г/см³ и 2,85 л плотностью 1,4г/см³. [4]

Для приготовления 1 л электролита плотностью 1,07г/см³ при температуре 20°С необходимый объем в кубических сантиметрах концентрированной серной кислоты плотностью 1,83 г/см³ и воды можно определить по формуле[10]:

Vк =Vэ (77)

Vв =Vэ (78)

где Рэ и Рк – соответственно плотность электролита и кислоты, г/см³; Мк – массовая частица серной кислоты, %; Мэ – массовая частица серной кислоты в электролите, %; Vэ – объем электролита, см³. Vэ= 1000см³

Мэ = 11% для водного раствора серной кислоты удельной плотности 1,07г/см³; [10] ;

Мк.= 91,8 % для концентрированной серной кислоты плотностью 1,830 г/см³ [10];

Vк =1000 =70,1 см³ Vв =1000 = 941,8 см³

mк = 1,83 г/см³ · 70,1 см³ = 128г = 0,128кг (79)

Для приготовления 1 л электролита плотностью 1,40г/см³ при температуре 20°С необходимый объем в кубических сантиметрах концентрированной серной кислоты плотностью 1,83 г/см³ и воды можно определить по формуле[10]:

Vк =1000 = 425 см³ (80)

Vв =1000 =623 см³ (81)

где Мэ = 51% для водного раствора серной кислоты удельной плотности 1,07г/см³; [10];

Мк.= 91,8 % для концентрированной серной кислоты плотностью 1,830 г/см³ [10];

mк = 1,83 г/см³ · 425см³ = 778г = 0,778 кг (82)

Таким образом, один литр раствора Н₂SO₄ плотностью 1,07г/см³ содержит 0,128 кг H₂SO₄ плотностью 1,83 г/см³. Один литр раствора серной кислоты плотностью 1,4г/см³ содержит 0,778 кг H₂SO₄ плотностью 1,83 г/см³

Масса Н₂SO₄ для приготовления положительной активной массы на 84 электрода g_H2SO4 ,кг, рассчитывается по формуле:

g_H2SO4 = , (83)

g_H2SO4 = 0,426 кг

На 100 кг свинцового порошка используют 100 г полиэстера (волокно).

Масса полиэстра, входящей в состав положительной активной массы на 84 электрода q_н г, будет составлять 0,0095кг

100кг св. пор. – 0,1кг полиэстра (84)

9,541 кг – x

g_н = 0,0095 кг

Масса Pb-Sb сплава в положительной решетке (низкосурьмянистый сплав)

g_реш=62,35 г (конструкционный расчёт)

Масса свинца в 84 решетках g_Pb рассчитывается по формуле:

g_Pb=g_реш∙ 0,979 ∙84=5,12 кг (85)

Масса сурьмы в 84 решетках gSb рассчитывается по формуле:

g_cd= g_реш∙. 0,018∙84 = 0,94кг (86)

Масса олова в 84 решетках g_Sn рассчитывается по формуле:

g_Sb= g_реш ∙ 0,00115∙84 = 0,0061 кг (87)

Масса мышьяка в 84 решетках g_As рассчитывается по формуле:

g_As = g_реш ∙ 0,0013∙84 = 0,0068 кг (88)

Масса меди в 84 решетках g_Cu рассчитывается по формуле:

g_Cu = g_реш ∙ 0,00030∙84 = 0,00157 кг (89)

Масса селена в 84 решетках g_Se рассчитывается по формуле:

g_Se = g_реш ∙ 0,00028∙84 = 0,00146 кг (90)