Проектування свинцево-кислотного акумулятора

1 КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК

Розрахунки різноманітних параметрів роботи АБ необхідні для правильного використання обладнання; для визначення ефективності роботи акумулятора, його ККД; його енергетичних характеристик; щоб визначити чи не використовується енергія марно, та чи достатньо її; для розрахунків балансів напруги та матеріальних розрахунків.

1.1 Розрахунок фонду робочого часу

Кожне виробництво якусь певну частину часу простоює у зв'язку з проведенням обслуговування, поломками, ремонтом і ін. Тому в час, що залишився, апарат повинен випустити більше продукції. Спочатку розраховують час експлуатації апарату або фонд робочого часу.

Розрізняють календарний, номінальний і ефективний фонд робочого часу.

Виробництво акумуляторних батарей відноситься до виробництв зі змінним режимом роботи. Такі виробництва не працюють у вихідні і святкові дні. Також маємо знати кількість робочих змін.

Номінальний фонд робочого часу в такому відділенні складає:

, (2.1)

де 104 - кількість суботніх і недільних днів в році,

8 - число державних святкових днів,

41 (година) - тривалість робочого тижня,

5 - кількість робочих днів в тиждень, n - число змін.

ч.

Маємо різноманітні зупинки на проведення профілактичних ремонтів, але в даному випадку вони не враховуються, тому що дрібний ремонт і обслуговування устаткування проводиться в нічний час або у вихідні дні.

Т_еф розраховуємо за формулою:

Т_еф = (Т_к-Т_в-Т_св)·t_зм·n_зм-Т_тз-Т_ППР, (2.2)

де Т_к - календарний фонд часу, дні;

Т_в і Т_св - відповідно сумарна тривалість вихідних та святкових днів, днів;

Т_тз - сумарна тривалість технологічно неминучих зупинок протягом року, що не перекриваються зупинками на вихідні та святкові дні, годин;

Т_ППР - сумарна тривалість планово-попереджувальних ремонтів протягом року, що не перекриваються зупинками на вихідні та святкові дні, годин.

Так як виробництво працює в 2 зміни по 12 годин без свят та вихідних, тому розраховуємо календарний фонд часу:

Т_к=(365-5)24=8640 годин.

де 5 - дні для ремонту та наладки устаткування.

1.2 Розрахунок робочої програми виробництва

Для подальших розрахунків початку розрахуємо робочу програму цеху (виробництва) та фонд часу. Робоча програма враховує брак роботи виробництва та неминучі втрати речовинивідрізняється і саме цим відрізняється від запланованого об'єму продукції.

Розрахуємо робочу програму цеху за формулою:

, (2.3)

, (2.4)

де G- обсяг виробництва цеху (відділення або апарату), заданий проектом,

Р_Ц - виробнича програма,

К _ПОТ - коефіцієнт втрат речовини на всіх стадіях виробництва,

К_Б - коефіцієнт браку.

шт/р,

шт/р.

1.3 Розрахунок продуктивності

Продуктивність будь-якого апарату визначається кількістю продукції, що випускається в одиницю часу:

, (2.5)

шт/г.

1.4 Конструктивний розрахунок батареї свинцевих акумуляторів

В даному розділі приведемо також матеріальний розрахунок, оскільки конструктивний не може бути виконаний окремо від нього. Для таких розрахунків ми повинні мати наступні величини:

Q [А*год] - емність батареї акумуляторів (також позначається С);

I_р [А] - розрядний струм в стартерному режимі роботи (200-1200 А в залежності від емності акумулятора),

i [А/дм²]- габаритна щільність разрядного струму, (20А/дм² в стартерному режимі);

E [В]- ЭРС системи (близько 2 В);

U[В] - напруга на батареї акумуляторів (12 В);

a*h [мм] - прийняті довжина і висота решітки-токовідвода.

1.4.1 Визначимо кількість акумуляторів в батареї:

. (2.6)

1.4.2 Скомпонуємо електроди в батареї акумуляторів (рис.2.1.).

1-позитивні пластини, 2-негативні пластини, 3-борни (клеми виводу струму), 4-корпус.

Рисунок 2.1 - Схема з'єднання електродів в акумуляторній батареї (вид зверху).

В акумуляторній батареї електроди сполучені паралельно-послідовний; паралельно в одному блоці і послідовно в батареї. В цьому випадку розрядний струм і напруга батареї визначаються, як:

, (2.7)

, (2.8)

, (2.9)

де I^1АК_р - розрядний струм акумулятора,

U_1АК - напруга на одному акумуляторі,

I_i - струм одного електродного блока,

n_+,- - число однойменних електродів в блоці.

1.4.3 Визначимо площу однойменних електродів в одному акумуляторі

, (2.10)

дм²

1.4.4 Число однойменних електродів в блоці

n₊=6шт,

n_-=5шт.

1.4.5 Визначимо кількість позитивних, негативних і загальну кількість електродів в акумуляторній батареї

, (2.11)

, (2.12)

, (2.13)

шт,

шт.

шт,

1.4.6 Визначимо маси активних компонентів

З електрохімічної реакції, яка протікає в акумуляторі:

, (2.14)

розрахуємо електрохімічні еквіваленти всіх речовин, що беруть участь в реакції, у тому числі і води:

, (2.15)

г/А*ч;

г/А*ч;

г/А*ч;

г/А*ч;

г/А*ч;

Далі, за законом Фарадея визначаємо масу кожного компонента в одному акумуляторі:

, (2.16)

де k_и - коефіціент использования активной массы при выбранном режиме разряда.

k_PbO2=4.45,

k_Pb=3.86,

k_H2SO4=3.65,

k_PbSO4=11.3,

k_H2O=0.67,

г,

г,

г,

г,

г.

Активна речовина для токоотводів містить свинець, оксиди і сульфати свинцю змінного складу, сірчану кислоту та воду. Тому для правильного розрахунку необхідно знати вміст свинцю або оксиду свинцю в пасті.

1.4.7 Розрахуємо масу позитивної та негативної паст

Склад позитивної пасти:

Порошок - 650 кг [1];

Кількість свинцю в порошке (25% Pb,75% PbO):

Вода = 65 кг [1];

Кислота = 70 кг [1];

Поліпропіленове волокно - 0,9 кг [1].

Загальна маса позитивної пасти складає 785,9 кг, з співвідношення маси порошку та загальної маси компонентів позитивної пасти визначаемо концентрацію свинцю в позитивній пасті:

За пропорцією розрахуємо вміст свинцю :

25% від 650 кг порошку - 162 кг,

75% від 650 кг порошку - 488 кг,

m_{Pb у PbO2}= кг,

m=423+162=585 кг.

С= = 0,74;

Аналогічно проводимо теж саме для негативної пасти.

Склад негативної пасти:

Порошок - 650 кг;

Кількість свинцю в порошке (25% Pb,75% PbO):

Вода = 35 кг;

Кислота = 50 кг;

Суспензія розпушувача = 20 кг;

BaSO - 23 кг;

Поліпропіленове волокно = 0,9 кг.

Загальна маса негативної пасти - 778,9 кг.

Звідси:

С = = 0,75;

Визначимо масу позитивної пасти:

m= = 571.2 г;

Визначимо масу негативної пасти:

m = = 563.5 г;

Звідси:

m = 571.2+ 563.5 = 1134.7 г;

Для акумуляторної батареї маса активних компонентів дорівнює масі активного компонента в одному акумуляторі, помножити на число акумуляторів в батареї:

, (2.18)

1.4.8 Розрахунок товщини намазаного електроду

Паста вмазується в решітку-токовідвод, який містить свинець та невеликі домішки сурми та кальцію.

Обєм електрода визначаємо так:

, (2.19)

де V_ТО - обєм токовідвода, який знайдемо за рівнянням (2.20),

V_ПАСТИ - обєм пасти,який знайдемо за рівнянням (2.21),

, (2.20)

, (2.21)

де с_Pb - щільність свинцового сплаву, може бути прийнята рівною щільності свинцю,?

с_пасты - щільність пасти.

Розрахунок ведемо для позитивного та негативного електроду.

Приведемо щільності активних речовин, г/см³:

Pb - 11,34;

PbO₂ - 9,67;

PbSO₄ - 6,3;

початкова щільність H₂SO₄ - 1,3;

щільність H₂SO₄ після розряду - 1,06;

щільність пасти позитивного електроду - 4,27;

щільність пасти негативного електроду- 4,63.

, (2.22)

, (2.23)

, (2.24)

, (2.25)

,

.

Товщина ребер та жилок визначають механічну щільність, та масу токовідвода, можливість удержання пасти та коефіцієнт використання активної маси. В даний час використовуються литі і просічення витягнуті сітки.

Приведемо розрахунок товщини токовідвода:

, (2.26)

,

В процесі сушки, дозрівання і формування пластин відбувається зміна їх вологості, хімічного складу і щільності компонентів, Але геометричні розміри електродів не міняються. Реально, заряджені електроди характеризуються пористістю, рівною с₊ = 0,56, с_- = 0,67.

1.4.9 Визначення об'єму сірчаної кислоти в одному акумуляторі

Складемо рівняння матеріального балансу по електроліту і по сірчаній кислоті для наступних розрахунків.

Матеріальний баланс по електроліту при, наприклад, розряді аккумулятора можна представити у вигляді, враховуємо те, що в процесі розряду акумулятора сірчана кислота витрачається, а вода - виділяється; цим обумовлені знаки в рівнянні (2.27:

, (2.27)

де V_н, V_к - початковий та кінцевий обєм електроліту,

с_н , с_к - початкова та кінцева щільність електроліту,

m_H2SO4 - маса витраченої сірчаної кислоти,

m_H2O - маса води, що виділилася .

Запишімо матеріальний баланс за сірчаною кислотою:

, (2.28)

Тоді:

, (2.29)

де С_н, С_к - початкова і кінцева концентрації сірчаної кислоти.

Підставимо кінцевий об'єм з (2.28) в (2.27):

, (2.30)

Вирішимо рівняння (2.30) відносно початкового обєму:

, (2.31)

см³.

У всьому акумуляторі: V_Н=6*644,09=3864,6 см³

Знаючи початковий об'єм кислоти в акумуляторі, можна розрахувати кінцевий об'єм після проходження будь-якої кількості електрики.

см³.

Після розрахунків початкового та кінцевого об'ємів електроліту обираємо більший, тобто кінцевий .

V=3,86 л.

1.4.10 Розрахунок габаритів пакета електродів

При збірці акумулятора негативні пластини зашиваються в конверт з пористої поліетиленової стрічки. Розміри пакету перевищують розміри електроду (рис.2.2).

Довжина пакету рівна:

, (2.32)

де а_ЭП - довжина пакету,

l_БОК - ширина бокового шва, 5 мм.

Рисунок 2.2 - Схема електроду в пакеті (а) і параметри стрічки (б).

Розрахунок товщини пакету. Товщина пакету визначається товщиною електродів в пакеті. При цьому необхідно враховувати, що негативні електроди обернуті стрічкою з двох сторін. Товщина стрічки з ребрами складає близько 1 мм. Товщина електроду в пакеті складає:

, (2.33)

де д_эп - товщина електрода в пакеті,?

? - висота профілю стрічки.

=1,9+2*1=3,9мм.

=1,8+1=2,8мм.

Звідси товщина пакета:

, (2.34)

Высота пакета соответствует высоте решетки-токоотвода h.

1.4.11 Розрахунок габаритів корпусу одного акумулятора

Корпус акумулятора (банка) містить в собі блок позитивних і негативних електродів в сепараторові-конверті з поліетиленової стрічки і весь об'єм електроліту.

Габарити банки складають:

-довжина А= а_ЭП=153 мм;

-ширина ;

-висота H_бан - не менш висоти електрода з вушком: 117+15=132 мм

Визначити висоту банки можна зі співвідношення:

.

Також врахуємо, що електроліт заповнює собою пори електроду та пори стручки-сепаратора:

,

, (2.35)

де V_Л - обєм стрічки-сепаратора,

г_Л - пористость стрічки.

,

,

.

Також слід врахувати відстань від дна до електрода:

Н_бан=13,3+5=18,3 см.

1.4.12 Розрахунок габаритів корпусу акумуляторної батареї

Довжина і ширина корпусу акумуляторної батареї складаються з відповідних габаритів банок і товщини перегородок між ними. Врахуємо товщину стінок корпусу рис.2.3.

Довжина акумулятора:

, (2.36)

де l_К - товщина стінки корпусу.

Рисунок 2.3 - Габарити акумуляторної батареї.

У деяких акумуляторах є «ніжки» для токовідводів. АБ 6ст-44 невеликого розміру, тому не передбачені конструкторами-механіками.

Ширина акумулятора:

, (2.37)

А_АК=153+ 2*2=157мм.

Висота акумулятора:

, (2.38)

де h_к - конструктивна висота кришки,

h_д - товщина днища (определяется конструкторами-механиками, а не технологами).

1.4.13 Розрахунок кількості устаткування для виробництва заданої кількості акумуляторних батарей за даний час

Ливарна машина виробляє 13,98 здвоєних відливок за хвилину.

Так як в одному акумуляторі 66 пластин, а за годину потрібно виробити 253 акумуляторних батарей, то:

66253=16 698 пластин.

Так як ливарний апарат відливає здвоєні пластини, тоді:

16 6982=8 349 здвоєних пластин за годину.

За хвилину ливарний апарат виготовляє 13,98 здвоєних струмовідводів, тоді за годину по характеристикам заводу:

6013,98=838,8 здвоєних пластин за годину.

Для виробництва потрібної кількості здвоєних пластин за годину нам потрібно:

ливарних апаратів.

Приймаємо 10 ливарних апаратів.

Млин виробляє 12 тон PbO₂ за годину.

Так як весь оксид свинцю йде на приготування пасти, то за процентним співвідношенням з рецепту пасти знайдемо потрібну нам кількість PbO₂.

На одну акумуляторну батарею йде 3381 г негативної пасти. Знайдемо кількість PbO₂ у цій пасті:

3381 - 100

Х - 75

г.

Знайдемо кількість PbO₂ в позитивній пасті на один акумулятор:

3427.2 - 100

Х - 74

г.

Таким чином для виробництва однієї акумуляторної батареї нам потрібно:

2535.7 г+2536 г=5,07 кг PbO_2.

Для виробництва 253 акумуляторних батареї необхідно:

5,07 253=1265 кг.

Таким чином нам потрібно PbO₂ менше ніж виробляємість одного млина, приймаємо 1 млин.

Змішувач для приготування пасти виробляє 900кг свинцевої пасти за

годину 1.

а) В одній акумуляторній батареї 3381 г позитивної пасти. Для виробництва 253 акумуляторних батарей нам необхідно:

3427 253=867081г=867 кг

Так як змішувач робить 900 кг пасти за годину, то для виготовлення потрібної кількості пасти нам потрібно:

змішувачів.

Приймаємо 1 змішувач для виробництва позитивної пасти.

б) В одному акумуляторі 3381 г негативної пасти. В 253 акумуляторних батареях:

3381 253=855393 г=855 кг.

Так як негативної пасти потрібно менше ніж позитивної, то для виробництва негативної пасти теж приймаємо 1 змішувач.

Пастонамазочна лінія виробляє 120 здвоєних пластин за хвилину

За годину:

12060=7800 пластин.

Для виробництва 253 акумуляторних батарей за годину необхідно 8349 здвоєних пластин. Так як це більше ніж виробляємості лінії в 1,07 разів, то приймаємо 2 лінії для намазки позитивних пластин та 2 для негативних.

Камера дозрівання - 15 тис. здвоєних пластин за добу 1.

Так як для виробництва 253 акумуляторних батареї за годину нам потрібно 8349 здвоєних пластин, то за добу:

834924=200 376 здвоєних пластин.

Нам потрібно:

камер дозрівання.

Приймаємо 14 камер дозрівання.

Машина для розділення пластин - 160 одинарних пластин за хвилину 1.

За годину:

16060=9600 пластин

Для виробництва 253 акумуляторних батарей нам потрібно 16698 пластини.

Щоб виробити таку кількість пластин нам треба:

машин

Приймаємо 2 машини - 1 для позитивних пластин та 1 для негативних.

Пакетувальник - 90 пар одинарних пластин за хвилину (180 пластин).

За годину:

18060=10800 пластин

Для виробництва 253 акумуляторних батарей за годину нам потрібно 16698 пластин. Так як це більще виробляємості пакетувальника, то ми приймаємо 2 апарати.

Установка пайки блоків(C.O.S.) - 1,5 акумуляторні батареї за хвилину 1.

За годину:

1,560=90 шт.

Так як нам потрібно зробити аж 253 акумуляторних батарей за годину, то приймаємо 3 C.O.S.

Зборочна лінія - 1,5 акумулятора за годину 1.

Так як виробляємість лінії така-ж як і у C.O.S., то приймаємо 6 ліній.

Машина заливки - 1 акумуляторна батарея за хвилину 1.

За годину:

160=60шт.

Для виробництва 253 акумуляторних батареї приймаємо 5 машин.

(1) Машина доливки електроліту - 1 АКБ за хвилину,

(2) Машина мийки - сушки батарей - 1 АКБ за хвилину ,

(3) Машина перевірки великим струмом - 1 АКБ за хвилину ,

(4) Термопластавтомат - 1 моноблок (кришка) за хвилину 1.

2 БАЛАНС НАПРУГ ТА ЕНЕРГОТЕПЛОВІ РОЗРАХУНКИ

2.1 Баланс напруг

Баланс напруги в ХІТ можна записати як:

U = ( E- E) - - - U - U - U , (3.1)

де ( Е- Е) - ЭРС акумулятора, В;

( - ) - падіння напруги на поляризацію, В;

U - падіння напруги в електроліті, В;

U - падіння напруги в діафрагмі, В;

U - падіння напруги в контактах, В.

Процес в акумуляторіе протікає за реакцією (2.3). За цією реакцією визначимо величину стандартного електродного потенціалу за термодинамічними характеристиками речовинами за формулою:

Е= , (3.2)

де - змінення енергії Гибса, кДж / моль;

n - число електронів, які беруть участь в реакції;

F - число Фарадея, Кл.

Змінення енергії Гибса розрахуємо за формулою:

= - , (3.3)

де - стехіометричні коефіціенти в реакції.

 = 2+ 2 - - 2-, (3.4)

де = -193,89 кДж/моль;

= - 52,34 кДж/моль;

= -177,34 кДж/моль;

= - 56,69 кДж/моль;

= 0 кДж/моль.

ДG = ДG⁰_PbSO4 + 2ДG⁰_Н2О - 2ДG⁰_H2SO4 - ДG⁰_PbO2 =

= - 2?811,62 - 2?236,89 + 2?742,35 + 219,1 = - 393,22 кДж/моль.

Звідси:

.

ЭРС акумулятора знайдемо з рівняння Нернста з урахуванням активностей кислоти та води:

ЕРС акумулятора знаходять з рівняння Нернста з урахуванням активностей кислоти та води, отже:

(3.5)

де =3,84- активність водню;

= 0,166- активність сульфат іону;

=0,79 - активність води.

Активність води та сульфат іона взято для кислоти з концентрацією 27,32% (густиною 1,2 г/см³).

Звідси:

Е= 2,037 + 0,059 lg= 2,035 В.

Омічне падіння напруги складається з величини падіння напруги в електроліті, діафрагмі і контактах.

2.1.1 Розрахунок опору електроліту здійснимо за формулою:

r= , (3.6)

де ? - електропровідність електроліту, Омсм;

l - відстань між електродами, см;

S - сумарна площа електродів, см.

Електропровідність електроліту ? = 0,7271 Омсм [ ].

Визначаємо сумарну площу електродів за формулою:

S = 2na*h , (3.7)

де n- кількість пластин,шт;

a*h - розмір решітки-токовідвода,мм.

Маємо:

S = 2*6*11,7*14,3 = 2007,72 см,

S = 2*5*11,7*14,3 = 1673,1 см,

S_У=2007,72+1673,1=3680,82см².

Відстань між електродами розрахуємо як різницю товщини сепаратора та товщини плівки сепаратора:

l =д_с- д_п.с., (3.8)

l= 1,2 - 0,01 = 1,19 мм.

Значить опір електроліту:

r = = 0,0004415 Ом.

Падіння напруги в електроліті знаходимо для стартерного режиму, т.е.

I = 220А

U = r* I , (3.10)

U_ел-т= 0,0004415* 220 = 0,09713В.

2.1.2 Розрахуємо падіння напруги в сепараторі:

Uс= , ( 3.11)

де - товщина сепаратора, см;

- коефіціент звилистості пор;

i - щільність струму, А/см;

П - пористость сепаратора.

Приймемо, що = 1,32 , П = 0,6 и i =20 А/дм².

Uс = = 0,0096 В.

2.1.3 Розрахуємо опір решітки

Для решіток розміру 117*143 мм*мм використовуємо формулу :

R = , (3.12)

де - питомий опір сплаву , 2,5*10^-5 Ом*см;

m- маса решітки середня, 55 г;

- щільність сплаву, г/см;

- приведена товщина решітки токовідвода , мм.

Розрахуємо опір негативної решітки:

R= 2,5*10 = 0,0064 Ом.

Розрахуємо опір позитивної решітки:

R= 2,5*10 = 0,0064 Ом.

Сумарний опір:

= n*R+ n*R , (3.13)

= 5*0,0064 +6*0,0064 = 0,0704 Ом.

Отже, падіння напруги в решітці є таким:

U= I*, (3.14)

U= 220* 0,0704 = 15.5 В.

2.1.4 Розрахуємо падіння напруги в борнах

Для відведення і підведення струму акумулятор оснащується борнами. Падіння напруги на кожному складає 64 мВ, тоді:

Сумарне омічне падіння напруги в акумуляторі буде рівне:

= U+ Uс + U , (3.15)

= 0, 09713 + 0,0096 +0,064 = 0,07047 В.

Рівняння балансу напруги представимо у вигляді:

U = E- I( r + r) = E - Ir - Ir , (3.16)

Отже:

Ir = - = E - Ir - U. (3.17)

Для вирішення рівняння задаємося кінцевою напругою розрядженого акумулятора (U = 1,5 В), оскільки акумулятор не розряджається нижче за це значення напруги. Отже, приведемо останній розрахунок та запишімо усі статті щодо напруги розрядженого акумулятора в таблицю.

Ir = - , (3.18)

Ir = 2,035 - 0,07047 - 1,5 = 0,4645 В.

Всі статті балансу напруги зводимо в таблицю 3.1 :

Таблиця 3.1 - Зведена таблиця техніко-економічних показників.

Стаття приходу	ЕР,В	%	Стаття витрат	В	%
ЭРС	2,035	100	Розрядна напруга Uр.к	1,5	73.7
			Поляризація електродів з+ + з-	0,4656	22.8
			Омічні витрати U Uк Uс	0,0009713 0,064 0,0055	0,0370 2,4710 0,1132
Всього	2,035	100	Всього	2,035	100

2.2 Енерготепловий розрахунок

Виконуємо енерготепловий розрахунок щоб далі розрахувати питомі енергетичні характеристики, визначити кількість тепла, що виділяється та визначити розподілення енергії між складовими процесу.

2.2.1 Баланси потужності та енергії

Баланс потужності або енергії можна отримати, помноживши обидві частини балансу напруги на величину струму I або на кількість електрики. Таким чином, баланс потужності:

, (3.19)

N=1.5*220=330 В*A.

Баланс енергії:

, (3.20)

W=1.5*220*1=330 Дж.

Підведена до електрохімічного апарату енергія витрачається на здійснення корисної роботи (здобуття цільового продукту), на протікання побічних реакцій, на подолання поляризаційних і омічних опорів. Доля енергії, що витрачається на здобуття заданого продукту, визначається, таким чином, напругою розкладання процесу (різницею рівноважних потенціалів) і доль струму, що йде на цей процес (силоміць струму і виходом по струму). Енергія, що витрачається на подолання омічних і поляризаційних опорів.

Крім того, частина тепла виділяється (або поглинається) при протіканні власне електрохімічної реакції, навіть в умовах близьких до рівноважних, якщо відрізняється ентропія продуктів і вихідних речовин. В більшості випадків теплова частина енергії розсівається в тому, що оточує простори і втрачається безповоротно, інколи може використовуватися для підтримки заданого теплового режиму апарату (електроліз розплавлених середовищ).

2.2.2 Распределение энергии в электрохимической системе

Розрахунок зміни енергії в електрохімічній системі можна провести по

рівнянню Гіббса-Гельмгольца:

, (3.21)

де - змінення ентальпії речовин в ході реакції;

?H_пр - ентальпія продуктів реакції,

?H_исх - ентальпія вихідних речовин;

- змінення енергії Гіббса,

T - температура,

- змінення ентропії.



?H=(2*H(PbSO₄)+2*H(H₂O)) - (H(PbO₂)+H(Pb)+2*H(H₂SO₄))= = 2 * (-918.1*10³)+2*(-285.84*10³)-(-276.6*10³ )+0+2*(-811.3*10³)=- 508.68*10³Дж/моль.

ДG = ДG⁰_PbSO4 + 2ДG⁰_Н2О - 2ДG⁰_H2SO4 - ДG⁰_PbO2 = - 2?811,62 - 2?236,89 + 2?742,35 + +219,1 = - 393,22 кДж/моль.

?S=(2*147.28+2*69.96)-(76.44+0+2*156.90)=44.24Дж/моль*град.

Розділимо обидві частини рівняння Гіббса-Гельмгольца на nF, то отримаємо рівняння, яке використаємо в енерго-теплових розрахунках:

, (3.22)

де Е_Т = -?H/nF - напруга розкладення в ізотермічних умовах або теплова напруга розкладення;

Е_р = -?G/nF- різниця рівноважних потенциалів або напруга розкладення (ЭРС);

- складова ентропії напруги, вказує на зміну запасу енергії Гіббса при зміні температури (зміна напруги розкладання при зміні температури).

У ХДС, при зменшенні запасу енергії, знак мінус.

Е^P= = 2,037 В.

В

2.2.3 Розподілення енергії в хімічному джерелі струму в умовах, близьким до рівноважних

Приймемо для розрахунків, що в реакції бере участь 1 міль речовини, а хімічне джерело електричної енергії працює в умовах, що ідеалізуються, - процеси в нім протікають в умовах максимальний наближених до рівноважних, з мінімальною швидкістю, з практично відсутніми поляризаційними і омічними опорами (?R_пол =0, ?R_ом = 0).

Протікають хімічні і електрохімічні реакції, при яких корисна робота не здійснюється (електричний струм по зовнішньому ланцюгу не протікає - рис.3.1.а). Це явище називається саморозрядом.

Рисунок 3.1 - Схема перетворення енергії в ХДС.

При саморозряді в хімічному джерелі струму утворюються продукти реакції, ентальпія яких менша, ніж у вихідних речовин. Зменшення ентальпії речовин в реакціях саморазряда приводить до виділення еквівалентної кількості енергії у вигляді тепла.

. (3.23)

Оскільки ентальпія зменшується, а кількість тепла пропорційно збільшується, то ?H і Q мають різні знаки ?H записується із знаком “мінус”. Для реакцій, в яких ентропія ?S> 0 .

. (3.24)

Або

. (3.25)

Додаткова частина енергії, необхідна для здійснення роботи, черпається з

довкілля. В разі теплової ізоляції ХДС, він при роботі охолоджується.

Дж.

2.2.4 Перетворення енергії при розряді ХДС

Та частина енергії, яка витрачається на перенесення зарядів усередині і на подолання опорів, перетворюється на тепло, так само як і складова ентропії. Тому запишімо так:

, (3.26)

де Q_ХДС - тепло, яке виділяється в хімічному джерелі струму,

Q_R - тепло, яке виділяється на опорах різної природи,

Q_S - звязане тепло.

Тепло,яке виділяється при подоланні опорів:

. (3.27)

Падіння напруги на внутрішніх опорах - це різниця ЕРС хімічного джерела струму Е і напруги на його клемах U_ВНЕШ в заданому режимі розряду:

. (3.28)

Запишімо рівняння Джоуля-Ленца для розрахунку тепла, яке виділяеться в ХДС:

, (3.29)

кДж.

Оскільки ентальпія зменшується, а кількість тепла пропорційно збільшується ?H і Q мають різні знаки ?H записується із знаком “мінус”. У відкритій системі тепло, що виділилося, розсівається в довкіллі, в закритій системі йде на підвищення температури:

, (3.30)

, (3.31)

де m- маса речовини,

C - його теплоемність, С=0,130 кДж·кг^-1·K^-1

T_н , Т_к - початкова і кінцева температура.

(T_H-T_K)=Q/mC=Q/(m_Pb*с_Pb+V_Элт*с_Эл*c_Элт+m_то*с_то)=

=180/(283,1*6*0,13+644*1,28*1,62+55*0,13)=20 К.

2.2.5 Питомі енергетичні характеристики (для ХДС)

Термодинамічний ККД:

, (3.32)

.

Питома енергія, яка отримується від ХДС:

, (3.33)

Вт/ч.

де М - маса джерела струму.

Питома емність:

, (3.34)

А*ч/кг.