Исследование процесса нагрева аккумуляторных батарей - Физика и энергетика курсовая работа

Главная

Физика и энергетика
Исследование процесса нагрева аккумуляторных батарей

Принципы проектирования математической модели термического переходного процесса нагрева аккумуляторных батарей. Рассмотрение переходного процесса нагрева аккумулятора как системы 3-х тел с сосредоточенной теплоёмкостью: электродов, электролита и бака.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования Российской Федерации
Саратовский Государственный технический Университет
Кафедра технической кибернетики и информатики
Цель работы: построить математическую модель термического переходного процесса нагрева аккумулятора и с помощью ЭВМ исследовать этот процесс.
Оборудование и программное обеспечение, используемое при написании программы: персональные компьютеры AMD Athlon 950, AMD Duron 850, пакеты Microsoft Word, язык объектно-ориентированного программирования Delphi 5.0.
Курсовой проект выполнен в учебных целях.
Известно, что со снижением температуры электролита разрядная ёмкость аккумуляторных батарей (АБ) падает вследствие увеличения вязкости и активного сопротивления электролита, а также за счёт снижения скорости диффузии кислоты в поры активной массы аккумуляторных пластин и растворимости сульфата свинца. Указанные изменения ведут к уменьшению отдачи АБ, особенно при стартерных режимах разряда. Активное сопротивление АБ складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Удельное сопротивление электролита, равное 0,5 Ом.см при +30 С, возрастает в 20…30 раз при температуре -40 С. Кроме того, при низких температурах уменьшается растворимость сульфата свинца в серной кислоте, что приводит к закупорке пор активных масс.
Попытка увеличить электропроводность и уменьшить вязкость растворов серной кислоты при низких температурах путём введения различных добавок в настоящее время не увенчались успехом.
Понятно, что проблема приведения стартерного аккумулятора в состояние готовности перед пуском мощного теплового двигателя является насущей задачей.
Существует несколько способов подогрева АБ как перед пуском первичного теплового двигателя, так и в процессе движения: погрев с помощью проволочного нагревательного элемента внутри АБ, внешний подогрев с помощью отработавших газов, погрев переменным током в процессе заряд-разряд, подогрев АБ с помощью энергии СВЧ генератора.
Первые два способа пригодны лишь для поддержания температуры АБ в состоянии готовности, но не для начального подогрева его при низких температурах. Последний способ, хотя и является перспективным с точки зрения энергетических затрат и скорости подогрева для нашего случая является весьма проблематичным, поскольку АБ находится в непосредственной близости от водителя. Говорить в этом случае о серьёзной экранировки биологического объекта от воздействия поля СВЧ не приходится. Поэтому мы остановились на способе подогрева АБ симметричным переменным током частотой порядка 300…400 Гц методом заряда-разряда.
Обычно свинцово-кислотный аккумулятор состоит из положительного электрода (двуокись свинца PbO 2 ) и отрицательного электрода (губчатый свинец), помещённых в сосуд с электролитом, представляющий 25…30% раствор серной кислоты. Плотность электролита при этом составляет 1,25…1,31 г/см 3 .
Согласно теории двойной сульфатации при разряде на обоих электродах происходит образование одного продукта-сульфата свинца (PbSO 4 ) вследствие восстановления двуокиси свинца PbO 2 на положительном электроде и окислении губчатого свинца на отрицательном. При этом количество серной кислоты в электролите уменьшается, а количество воды увеличивается и соответственно понижается плотность электролита. В процессе заряда химические процессы проходят в обратном направлении и плотность электролита растёт.
Поскольку в обоих случаях изменяется плотность электролита, то по величине плотности можно судить о степени заряженности аккумулятора. Связь между ЭДС аккумулятора и плотностью электролита приближённо определяется эмпирической зависимостью:
где с - плотность электролита при температуре +15 С.
Температура электролита в значительной степени влияет на ёмкость АБ: изменение температуры приводит к изменению вязкости электролита и, следовательно, скорости его диффузии в поры пластин. С понижением температуры диффузионные процессы замедляются и ёмкость батарей снижается.
С увеличением разрядного тока ёмкость аккумулятора также уменьшается. По мере разряда на поверхности активного вещества пластин образуются кристаллы сульфата свинца, вызывающего уменьшение проходных сечений пор и, следовательно, замедление процесса диффузии. С увеличением тока разряда интенсивность реакции на наружных поверхностях пластин возрастает, а внутри пор пластин расход серной кислоты не успевает пополняться за счёт диффузионных процессов. При значительном разрядном токе внутренние слои активного вещества практически не участвуют в работе аккумулятора. Напряжение аккумулятора быстро падает.
Таким образом, основные параметры АБ - напряжение, ЭДС, ёмкость зависят от температуры электролита, от плотности электролита, интенсивности процессов разряда и саморазряда.
С понижением температуры электролита разрядная ёмкость АБ резко падает вследствие увеличения вязкости и электросопротивления электролитов, снижения скорости диффузии кислоты в поры активных масс и растворимости PbSO 4 . Указанные изменения ведут к уменьшению отдачи АБ при длительных и, особенно, при стартерных режимах разряда.
Попытка увеличить электропроводность и уменьшить вязкость растворов серной кислоты при низких температурах путём введения различных добавок (например, сульфата магния, церия) не увенчалась успехом.
Совершенным способом подогрева является подогрев АБ переменным током в процессе заряд-разряд. При этом интенсивность нагрева может быть значительно увеличена. Воздействие на аккумулятор асимметричного импульсного тока уменьшает процесс сульфатации пластин АБ. Этот метод не требует установки внутри АБ дополнительных элементов, а, следовательно, не снижает надёжность работы химического источника тока.
Согласно теории двойной сульфатации, которая достаточно достоверно описывает явления, происходящие в аккумуляторе, процессы заряда и разряда сопровождаются выделением серной кислоты на обоих электродах и воды на положительном электроде. Это приводит к практически пропорциональной зависимости концентрации электролита, а значит, и его плотности, от степени заряженности аккумулятора. Зависимость плотности электролита от степени заряженности - линейная:
где t - плотность электролита при температуре t, С
15 -плотность электролита при температуре +15, С
- температурный коэффициент, зависящий от 15 в диапазоне от 1,1 до 1,3 г/см 3 , изменяется от 0,00048 до 0,00075.
В зависимости от плотности электролита изменяется равновесная ЭДС:
Сопротивление электролита зависит от его плотности и температуры. С повышением температуры сопротивление понижается:
где R t - удельное сопротивление электролита при t, отличной от 20 0 ;
R 0 - удельное сопротивление электролита при температуре +20 0 ;
- температурный коэффициент, зависящий от температуры.
2. Теоретическое исследование процесса нагрева аккумуляторных батарей переменным током
При нагреве аккумулятора током, который попадает на его подвесные выводы, имеет место теплообмен между электродами, электролитом, баком и окружающим воздухом. Для исследования процесса нагрева АБ необходимо рассмотреть термический переходной процесс между указанными элементами. Указанный переходной процесс рассматривается при следующих допущениях: активные элементы аккумулятора представляются системой 3-х тел с сосредоточенной теплоёмкостью, ввиду относительно высокой внутренней теплопроводности активных элементов аккумулятора, температура внутри объёма каждого тела принимают одинаковой в любой точке, теплоёмкость окружающего воздуха принимается бесконечно большой.
Уравнения теплового баланса, описывающие термический переходной процесс при нестационарном нагреве аккумулятора как системы трёх тел, составляем в таком виде:
где P g dt,P t dt -количество теплоты, выделившееся в электродах и электролите за время dt.
K gt (Q g -Q t )dt - количество теплоты, переданное от электродов электролиту за время dt.
K tb (Q t -Q b )dt - количество теплоты, переданное от электролита баку за время dt.
K b Q b dt - количество теплоты, переданное от бака окружающему воздуху за время dt.
C g dQ g , C t dQ t , C b dQ b - количество теплоты аккумулируемое в электродах, электролите и баке.
P g , t - потери в электродах и электролите.
Q g , t , b - превышение температуры электродов, электролита и бака.
C g , t , b - полная теплоёмкость электродов, электролита и бака.
K gt - тепловая проводимость от электродов к электролиту.
K tb - тепловая проводимость от электролита к баку.
K b - тепловая проводимость от бака к окружающему воздуху.
В результате выполненных преобразований уравнений (4.1) получаем следующую систему неоднородных линейных дифференциальных уравнений первого порядка с постоянными коэффициентами, описывающую термический переходной процесс при нестационарном нагреве элементов аккумулятора:
a 1 =; b 1 =; l 1 =; a 2 =; b 2 =; c 2 =;
После определённых преобразований системы (4.2) получаем следующие дифференциальные уравнения третьего порядка с постоянными коэффициентами, описывающие термический переходной процесс при нестационарном нагреве:
Здесь приняты следующие обозначения:
B=a 1 b 2 -a 2 b 1 +b 2 c 3 -b 3 c 2 +a 1 c 3
C=a 1 b 2 c 3 -a 1 b 3 c 2 -a 2 b 1 c 3
D 1 =b 1 c 3 l 2 +b 2 c 3 l 1 -b 3 c 2 l 1
Как указано, коэффициенты дифференциальных уравнений (4.3);(4.4);(4.5)-постоянные величины. На самом деле, параметры, входящие в указанные коэффициенты, при нестационарном нагреве аккумулятора существенно зависят от температуры и плотности электролита. Поэтому интегрирование этих уравнений должно проходить методом последовательных интервалов. При этом принимаем, что на каждом участке определённой продолжительностью, указанные параметры являются постоянными величинами и соответствуют средней температуре данного элемента аккумулятора на рассматриваемом интервале времени его нагрева и принятой величине плотности электролита. Тогда величину коэффициентов А,B,C,D i можно принять постоянными на каждом рассматриваемом интервале. Общее решение дифференциального уравнения (4.3) таково:
Постоянные m 1 , m 2 , m 3 находятся из решения следующего характеристического уравнения:
По условиям рассматриваемой задачи все корни данного уравнения должны быть действительными и различными. Частное решение находится при следующих начальных условиях: в начале каждого интервала нагрева превышение температуры элементов аккумулятора равно их значению в конце предыдущего интервала - на первом интервале они все равны нулю. Коэффициенты M 1 , M 2 , M 3 , входящие в уравнение (4.7) определяются на основании начальных условий следующим образом: , то из (4.7) получаем первое алгебраическое уравнение:
термический аккумуляторный батарея теплоемкость
Из первого уравнения системы (4.2) при имеем:
При указанное уравнение примет вид:
Так как правые части (4.10) и (4.11) равны, то получаем второе алгебраическое уравнение для определения коэффициентов М i :
Из первого уравнения системы (4.2) получаем:
Продифференцируем указанное выражение, полученный результат подставим во второе уравнение (4.2) и после упрощения имеем:
Продифференцируем (4.7) дважды; полученное выражение при примет вид:
Подставим (4.11) и (4.14) в (4.13) и после преобразования полученного выражения с учётом начальных условий имеем третье алгебраическое уравнение для определения коэффициентов M i
В результате решения трёх алгебраических уравнений, относительно M i получаем значения коэффициентов М 1 , М 2 , М 3 . Таким образом частное решение уравнения (4.7) определено.
Общее решение дифференциального уравнения (4.4) таково:
Коэффициенты N 1 , N 2 , N 3 , входящие в уравнение (4.16) определяются на основании начальных условий следующим образом: , то из (4.16) получаем первое алгебраическое уравнение:
Из второго уравнения системы (4.2) при имеем:
При указанное уравнение примет вид:
Так как правые части (4.18) и (4.19) равны, то получаем второе алгебраическое уравнение для определения коэффициентов N i :
Из второго уравнения системы (4.2) получаем:
Продифференцируем указанное выражение, полученный результат подставим во второе уравнение (4.2) и после упрощения имеем:
Продифференцируем (4.16) дважды; полученное выражение при примет вид:
Подставим (4.19) и (4.13) в (4.22) и после преобразования полученного выражения с учётом начальных условий имеем третье алгебраическое уравнение для определения коэффициентов N i
В результате решения трёх алгебраических уравнений (4.17), (4.20) и (4.23), относительно N i получаем значения коэффициентов N 1 , N 2 , N 3 .
Общее решение дифференциального уравнения (4.5) таково:
Коэффициенты F 1 , F 2 , F 3 , входящие в уравнение (4.24) определяются на основании начальных условий следующим образом: , то из (4.24) получаем первое алгебраическое уравнение:
Из третьего уравнения системы (4.2) при имеем:
При указанное уравнение примет вид:
Так как правые части (4.26) и (4.27) равны, то получаем второе алгебраическое уравнение для определения коэффициентов F i :
Из третьего уравнения системы (4.2) получаем:
Продифференцируем указанное выражение, полученный результат подставим во второе уравнение (4.2) и после упрощения имеем:
Продифференцируем (4.24) дважды; полученное выражение при примет вид:
Подставим (4.27) и (4.30) в (4.29) и после преобразования полученного выражения с учётом начальных условий имеем третье алгебраическое уравнение для определения коэффициентов M i
В результате решения трёх алгебраических уравнений (4.25), (4.28) и (4.31), относительно F i получаем значения коэффициентов F 1 , F 2 , F 3 .
Структурная схема работы программы представлена на рис 1.
Рис.1 Структурная схема работы программы.
Основная форма программы представлена на рис.2. Графики переходных процессов представлены на рис.3. Блок-схема алгоритма расчёта процедуры Raschet() представлена на рис. 4.
Задавать можно как ток нагрева, так и температуру окружающего воздуха. По графикам можно проследить нагрев отдельных элементов аккумулятора, задав автономно температуру электролита, электродов, бака.
Рис. 3 Графики переходных процессов.
Рис.4 Блок-схема алгоритма расчёта процедуры Raschet().
В данной работе была спроектирована математическая модель термического переходного процесса и была составлена программа по методике расчёта в основу, которой положено рассмотрение этого переходного процесса нагрева аккумулятора как системы 3-х тел с сосредоточенной теплоёмкостью: электроды, электролит и бак. Были построены графики переходных процессов.
Исследование основных характеристик аккумуляторных батарей для источников бесперебойного питания. Анализ методов и средств тренировки аккумуляторных батарей. Электрохимические процессы в аккумуляторе. Рекомбинирование газов в стекловолоконном сепараторе. дипломная работа [2,8 M], добавлен 17.02.2013
Разработка зарядного устройства для аккумуляторов, доступного для изготовления в кружках технического творчества. Отказы аккумуляторных батарей и способы их восстановления. Расчет трансформатора. Изготовление печатной платы и монтаж элементов схемы. курсовая работа [1,9 M], добавлен 21.06.2013
Назначение, устройство и принцип работы аккумуляторных батарей (АБ). Общие правила и порядок эксплуатации АБ. Объем необходимых измерений при заряде и разряде АБ. Проверка АБ толчковым током. Требования по технике безопасности при обслуживании АБ. реферат [74,1 K], добавлен 26.09.2011
Разработка гибридной системы электроснабжения и комплектов, обеспечивающих резервное электроснабжение в доме при пропадании энергии в сети. Преимущества ветрогенераторов и солнечных батарей. Определение необходимого количества аккумуляторных батарей. презентация [1,4 M], добавлен 01.04.2015
Определение классическим и операторным методом переходного значения тока или напряжения на этапах последовательного срабатывания коммутаторов. Построение графического изображения переходного процесса включения катушки с током на синусоидальное напряжение. курсовая работа [535,6 K], добавлен 07.08.2011
Физическая сущность электроконтактного способа нагрева. Характеристика нагревательных установок. Характеристика материала заготовок. Особенности расчёта и проектирования. Основные технико-экономические показатели электроконтактного способа нагрева. курсовая работа [5,8 M], добавлен 23.05.2010
Анализ противоречий в механизмах протекания электрического тока в проводниках. Обзор изменения состава и структуры поверхности многокомпонентных систем, механизма диффузии и адсорбции. Исследование поверхности электродов кислотных аккумуляторных батарей. контрольная работа [25,0 K], добавлен 14.11.2011
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Исследование процесса нагрева аккумуляторных батарей курсовая работа. Физика и энергетика.
Реферат: Метод виокреслення лінійно незалежних векторів
Итоговая Контрольная Работа 9 5 Класс
Курсовая работа: Реінжиніринг бізнес-процесів зовнішньоекономічних фінансових розрахунків на базі вексельних технологій для ТОВ "УКР-ПАК"
Реферат: Художне осмислення образу князя Кия в романi В. Малика "Князь Кий"
Доклад: Горькому было несладко
Реферат по теме Ценообразование на услуги сотовой связи
Курсовая работа по теме Эмоциональная тональность рассказов А.И. Куприна
Реферат На Тему 7 Симфония Шостаковича
Реферат: Hazardous Waste Research Essay Research Paper 08IN
Сочинение Никогда Не Забуду Я Надолго
Путешествие В Питер Сочинение
Реферат: Schooling in Great Britain
Курсовая работа по теме Проект цеха сушки пиломатериалов на базе камер ЛСК-50Ф
Курсовая работа: Разработка и реализация проекта совершенствования системы сбыта продукции кондитерского цеха 7 Небо
Эссе Бородино М Ю Лермонтов
Сочинение Про Илью
Курсовая работа: Правонарушение и ответственность. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат по теме Конструкционные и строительные материалы
Сочинение На Тему Дымковская Игрушка 6 Класс
Русский Сочинение 2022 Сколько Слов
Методика применения спортивного массажа в подготовке пловцов-инвалидов - Спорт и туризм дипломная работа
Права потребителя - Государство и право контрольная работа
Исследование детско-родительских отношений в период ранней юности - Психология курсовая работа