Технология снижения выбросов сероводородных соединений аккумуляторов

Сложные условия работы акку­муляторных станций бесперебой­ного электроснабжения не позво­ляют соблюдать условия снижения выбросов в атмосферу сероводо­родных соединений. Экологичес­кая обстановка требует макси­мального снижения выброса газо­вой смеси сероводорода, атомар­ного кислорода и водорода, изме­нения технологии заряда и восста­новления элементов аккумулято­ров. Особенно это актуально при восстановлении мощных аккумуля­торов емкостью свыше 2000 А*ч на элемент.

Существенную добавку смеси сероводорода вносит автотранс­порт, зарядка аккумулятора во вре­мя движения создает выход газов не менее 1500 мл'ч, от которого бо­леют люди, ускоренно ржавеют ме­таллические части автомобилей и конструкций. Заменить дешевые аккумуляторы пока нечем. Выход - в изменении технологии регенера­ции пластин.

Данная технология, разработан­ная авторским коллективом и апро­бированная в течение десяти лет, получила высокую оценку на меж­дународной выставке ЭКСПО-2003, позволяет снизить выделение се­роводорода и кислорода в атмос­феру до естественного испарения, качественно восстановить пластины аккумуляторов при минимальных затратах средств и времени. Ре­зультаты подтверждены протоко­лами испытаний.

Процесс разложения электроли­та при пропускании через него электрического тока называется электролизом. Внутри электролита происходит движение атомов или групп атомов, представляющих со­бой части молекулы растворенно­го вещества. При пропускании че­рез раствор электролита электри­ческого тока на электродах аккуму­лятора оседают продукты разложе­ния электролита. На катоде выде­ляется водород и металлы, на ано­де - ионы кислотных остатков и гидроксильной группы. Часть ато­мов элементов перестают участво­вать в химической реакции из-за несовершенной технологии и выде­ляются в атмосферу в виде серо­водородных соединений.

Анализ работы зарядных уст­ройств и технологий восстановле­ния электродов аккумуляторов ука­зывает на повышенное выделение газов при отсутствии в цикле вос­становления периода разряда и пе­риода "пауза".

Цикл восстановления (ЦВ) = Тзаряда+Тпауза+Тразряда + Тпауза.

Время заряда (Тзаряда) в за­водских зарядных устройствах по­стоянного тока не имеет периода разряда и паузы, необходимых для рекомбинации ионов свинца. Ис­следования -показывают, что для

полного использования в химичес­ком процессе электролиза всех элементов требуется Тразряда не менее 1/4 цикла восстановления при токе не более 1/10 Тзаряда.

Ионы элементов, по каким-либо причинам (не хватило времени заря­да, препятствия от примесей, боль­шая плотность ионов элементов на пластинах электродов, снижение ско­рости ионов при падении энергии поля) не успевшие своевременно достигнуть пластин электродов, при отрицательном импульсе тока вос­становления возвращаются на рас­стояние, достаточное для последую­щего разгона при движении к элект­родам - при положительной поляр­ности поля. Поскольку этим ионам не надо проходить полное расстояние между положительными и отрица­тельными электродами, то и мощ­ность отрицательного периода вос­становления незначительна по срав­нению с положительным (рис. 1). Для восстановления энергии ионов, пе­ред последующим движением заряд­ного тока, они проходят рекомбина­цию - перестроение во время паузы.

Заряд импульсными токами - постоянными по направлению, но переменными по величине хорошо снижает внутреннее сопротивление аккумулятора, продлевается срок его эксплуатации, снижается нагрев электролита и пластин ак­кумулятора, выход смеси газов не превышает естественного испаре­ния поверхности электролита - по сравнению с зарядом постоянным током. Восстановление перемен­ным током еще более улучшает экологическое состояние восстано­вительного цикла.

Технология восстановления мощ­ных низковольтных аккумуляторов большой емкости типа 22СН-2200 подтвердила правильность выб­ранных режимов восстановления по технологии "4Т" - четыре пери­ода восстановления.

Восстановление кислотных ак­кумуляторов проводят по несколь­ким технологиям (таблица 1).

Выделение газа одним элемен­том при напряжении заряда 2,15 В - 172 мл*час, 2,3 В - 1720 мл*час, 2,4 В - 4590 мл*час, при примене­нии технологии заряда постоянным током с режимом от 99 А до 396 А с временем восстановления до 15-ти суток. Ускоренное восстановление с применением больших токов за­ряда сопровождается высоким вы­делением сероводородных соеди­нений. Без мощной вытяжной вен­тиляции заряжать такие аккумуля­торы невозможно из-за опасности отравления и возможного взрыва смеси водорода и кислорода. При заряде цепи элементов аккумулято­ра в 240 В выброс газовой смеси составляет более 10 м³ в сутки.

Снижение выбросов сероводо­родных соединений возможно с ис­пользованием циклических зарядно-разрядных устройств, имеющих возможность рекомбинации ионов атомов свинца с переходом в амор­фный свинец. Короткие по време­ни и мощные по амплитуде импуль­сы заряда позволяют расплавить кристаллы сульфата свинца и пе­ревести их в аморфное состояние.

Имеется существенная разница предлагаемой в статье технологии по сравнении с предложенными ра­нее [1-12]. Выброс сероводородных соединений ниже в 8 раз, чем при заряде постоянным током при на­пряжении заряда 2,3 В на элемент, а время восстановления - в семь раз меньше.

Практически на достижение данных результатов ушло трое суток с учетом подборки режимов вос­становления и отключения на ночь по пожарным требованиям в отсут­ствии дежурного персонала. Поме­щение не имело принудительной вентиляции кроме форточки в окне, запах сероводорода присут­ствовал на уровне испарений, ки­пения электролита в аккумуляторе не наблюдалось даже при достиже­нии конечной плотности.

Диагностика восстановленных по предлагаемой технологии акку­муляторов методом десятичасово­го разряда показала паспортную плотность в конце разряда, что подтверждает полный заряд за указанное время.

По данной технологии проводи­лось восстановление кислотных аккумуляторов открытого типа, применяемых для питания релей­ной автоматики подстанций желез­ной дороги, общим напряжением 110 В и показала высокие резуль­таты со снижением внутреннего со­противления аккумуляторов, ко­нечного напряжения, температуры и существенного снижения выбро­сов сероводорода в атмосферу от аккумуляторов, но и дополнитель­ного расхода топлива электростан­циями.

Расход электроэнергии за счет уменьшения времени заряда и сни­жении мощности вытяжных устано­вок снизился в 12 раз.

Схема

Зарядно-восстановительное ус­тройство (рис. 2) служит для вос­становления одного элемента кис­лотного аккумулятора и может быть переработана на любое напряжение батареи кислотных аккумуляторов от 2 до 30 В постоянного тока с то­ком восстановления от 1 до 50 А (рис. 3).

В основе схемы определен гене­ратор импульсов прямоугольной формы, позволяющий иметь на каж­дом выходе генератора интервал в 1/4 от полного времени цикла.

Импульсы тока заряда, имея высокую амплитуду и короткое вре­мя действия, не приводят к чрез­мерному нагреву электролита и пластин аккумулятора, время пауз позволяет рассеять тепло, к тому же при таком режиме более полно ис­пользуются элементы химической реакции, что заметно по значитель­ному снижению выделения серово­дорода и отсутствии электролиза.

Генератор прямоугольных импуль­сов выполнен на элементах DD1.1.. .DD1.3 цифровой микросхемы серии К561. Частота генерации F за­висит от номиналов элементов частотозадающей RC-цепи: F=0,44/R1 С1.

Частота генератора практичес­ки не изменяется от напряжения источника питания. Резистором R1 устанавливается время импульса и скорость переключения выходов счетчика DD2.

Сформированный генератором на микросхеме DD1 прямоугольный импульс с вывода 10 инвертора DD1.1 поступает на вход CN (вывод 14) двоично-десятичного счетчика на микросхеме DD2. Счетчик имеет десять выходов, которые, позволя­ют при определенном включении использовать для формирования временных интервалов цикла вос­становления: заряд - пауза - раз­ряд - пауза. В данном устройстве для восстановления элемента акку­муляторной батареи используются равные временные интервалы.

При низком уровне на входе разрешения CP (вывод 13) DD2 счетчик выполняет свои операции синхронно с положительным пере­падом на тактовом входе CN (14).

При высоком уровне на входе сброса R (15) счетчик очищается до нулевого отсчета. Это происходит, когда на выводе 9 DD2 присутству­ет высокий уровень.

Индикатор на светодиоде HL 1 указывает на состояние счета им­пульсов.

Питание микросхем DD1 и DD2 выполнено от аналогового стаби­лизатора напряжения на микросхе­ме DA1.

Для организации интервалов восстановления элемента аккуму­лятора, выходы 0-1 DD2 использу­ются для заряда аккумулятора, со временем 1/4 всего периода цикла. Сумматор на диодах VD1, VD2 при положительных уровнях счета на выводе 3 или 2 DD2 передает им­пульс прямоугольной формы через резистор R4 на резистор R6 - ре­гулятора тока заряда и далее на затвор полевого транзистора п- типа VT1. Транзистор открывается в ключевом режиме и подает в ак­кумулятор GB1 с цепи питания им­пульс тока, короткий по времени, но высокий по амплитуде.

После периода заряда происхо­дит период паузы с прохождением выводов 2 DD2 и 3 DD2. При появ­лении высокого уровня на выходе 4 или 5 DD2 на выводе 11 инверто­ра DD1.4 высокий уровень пере­ключится на низкий, полевой тран­зистор VT2 (прямой проводимости) откроется и разрядит элемент GB1 на нагрузку R8 током, зависящим от напряжения на затворе транзи­стора и номинала резистора.

Светодиод индикатора HL2 ука­зывает на наличие тока разряда.

Выходы 6 и 7 DD2 отрабатыва­ют интервал второй паузы и при по­явлении высокого уровня на выхо­де 8 DD2 счетчик по входу R очи­щается до исходного состояния, светодиод HL1 гаснет и счет повто­рится с высокого уровня на выхо­де 0 DD2.

Для контроля состояния напря­жения и зарядного тока элемента GB1 аккумулятора в схеме уста­новлены: амперметр FA1 с шунтом и вольтметр PV1.

Амперметр регистрирует алгеб­раическую сумму тока заряда и разряда.

Среднее значение тока разряда можно примерно определить по откло­нению амперметра в отрицательные величины (левее нуля шкалы) при снижении тока заряда до нуля ре­зистором R6.

В отсутствии напряжения элек­тросети разряд отключится.

Светодиодный индикатор HL3 свечением указывает на правиль­ную полярность подключения эле­ментов аккумулятора GB1 в заряд- но-разрядную цепь.

Резистор R10 в цепи питания устройства восстановления кис­лотных аккумуляторов ограничива­ет бросок тока при случайном ко­ротком замыкании в цепи аккуму­лятора или неверной полярности подключения.

Детали

Источник питания выполнен на мощном трансформаторе Т1 и ди­одном мосте VD3. При емкости ак- * кумуляторов до 200 А*ч достаточ­но использовать трансформатор на мощность в 70... 100 Вт с ампер­метром на 10 А постоянного тока. При изготовлении силового транс­форматора применить трансфор­матор от ламповых телевизоров или магнитофонов с исправной первичной обмоткой, вторичная на­матывается исходя из количества витков обмотки на 6,3 В.

Резисторы R8, R10 - проволоч­ные.

Полевые транзисторы и диод­ный мост закреплены на отдельных радиаторах, используемых от бло­ков питания компьютеров.

Наладка

Для проверки работоспособнос­ти схемы на место элемента GB1 до­статочно подключить аккумулятор на напряжение 2,4... 12 В или еди­ничный элемент емкостью 1-10 А*ч. Предварительно регулятор тока за­ряда R6 вывести в нижнее положе­ние, по амперметру установить ток разряда регулятором R5-b0,01C10. Резистором R6 поднять ток заря­да с нуля до 0.2С10. Резистором R1 можно опытным путем выставить ско­рость восстановления пластин эле­ментов аккумулятора с минимальным выходом сероводородной смеси, при минимальной температуре элек­тролита и отсутствии электролиза.

Литература

1. в. Коновалов, А. Разгильдеев. Восстановление аккумуляторов. - Радиомир, 3/2005, с.7.

2. В. Коновалов, А. Вантеев. Технология гальванопластики. - Радиолюбитель, 9/2008.

3. В. Коновалов. Пульсирующее эарядно-восстановительное устройство. - Радиолюбитель, 5/2007, с.ЗО.

4. В. Коновалов. Ключевое зарядное устройство. - Радиомир, 9/2007, с. 13.

5. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. - Москва, Изумруд, 2003 г.

6. В. Коновалов. Измерение R-вн АБ". - Радиомир, 8/2004, с.14.

7. В. Коновалов. Эффект памяти снимает вольтдобавка. - Радиомир, 10/2005, с. 13.

8. В. Коновалов. Зарядно-восстановительное устройство для Nl-Cd аккумуляторов. - Радио, 3/2006, с.53.

9. В. Коновалов. Регенератор АКБ. - Радиомир, 6/2008, с.14.

10.      В. Коновалов. Импульсная диагностика аккумулятора. - Радиомир, 7/2008, с.15.

11.      В. Коновалов. Диагностика аккумулятора сотовых телефонов. - Радиомир, 3/2009, с.11.

12.      В. Коновалов. Восстановление аккумуляторов переменным током. - Радиолюбитель, 07/2007, с.42.

Творческая лаборатория "Автоматики и телемеханика Иркутского областного Центра ДТТ

Владимир Коновалов, Александр Вантеев

г. Иркутск-43, а/я 380