ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАЗГОНА В НИКЕЛЬ- КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ С ЛАМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАЗГОНА В НИКЕЛЬ-

КАДМИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРАХ С ЛАМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Галушкин Дмитрий Николаевич,

доктор технических наук, доцент, Институт сферы обслуживании и предпринимательства (филиал) Донского Государственного Технического Университета, город Шахты

Попов Владимир Павлович ведущий инженер, Южный Федеральный Университет, город Ростов-на-Дону

Галушкин Николай Ефимович

доктор технических наук, профессор, Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского Государственного Технического Университета, город Шахты

Язвинская Наталья Николаевна

кандидат технических наук, доцент, Донской Государственный Технический Университет, город

Ростов-на-Дону

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE PHENOMENON OF THERMAL ACCELERATION (THERMAL RUNWAY) IN NICKEL-CADMIUM BATTERIES WITH LAMELLAR ELECTRODES

Galushkin Dmitry Nikolaevich, Doctor of Engineering, Professor, Institute Sphere of Service and Business

Don State Technical University town of Shakhty, Rostov Province

Popov Vladimir Pavlovich, lead engineer, Souse Federal University town Rostov-on-Don

Galushkin Nicolay Ephimovich, Doctor of Engineering, Professor Institute Sphere of Service and Busines (branch), Don State Technical University, town of Shakhty, Rostov Province

Yazvinskaya Nataliya Nikolaevna, Candidate of Engineering, AssociateProfessor of Don State Technical University, town Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты исследования процесса теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с ламельными электродами.

Ключевые слова: никель-кадмиевый аккумулятор; тепловой разгон. ABSTRAKT

This article presents the results of the research process thermal acceleration (thermal runway) in Nickel-Cadmium batteries with lamellar electrodes.

Keywords: Nickel-Cadmium battery; thermal acceleration (thermal runway).

В данной работе исследована возможность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с ламельными электродами. Для исследования были взяты аккумуляторы 3ШНК-10-05, КН-10, НК-13 и НК-28.

Заряд аккумуляторов проводился при постоянных напряжениях согласно таблице 1. Там же приведены режимы разряда и контрольно-тренировочных циклов. Результаты циклирования данных аккумуляторов представлены в сводной таблице 2.

В экспериментальных исследованиях, как правило, использовались аккумуляторы со сроком эксплуатации в два раза большим, чем их гарантийный срок эксплуатации. Анализ литературных данных показывает, что этот выбор должен способствовать росту вероятности возникновения теплового разгона.

Исследование данных никель-кадмиевых аккумуляторов с ламельными электродами показало, что, несмотря на длительный срок эксплуатации этих аккумуляторов и выполненных 320-ти зарядно-разрядных циклов для каждого типа, ни один из исследуемых аккумуляторов не пошел на тепловой разгон. При аналогичных условиях циклирования никель-кадмиевых аккумуляторов с метал-локерамическими и намазными электродами, а именно аккумуляторов НКБН-25-У3, НКБН-40-У3, они всегда шли на тепловой разгон [1, 2, 3].

Проведенные исследования показывают, что вероятность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с ламельными электродами намного ниже вероятности теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с металлокерамическими и намазными электродами. В подтверждение этого приведём следующие аргументы.

Во-первых: в данном исследовании (табл. 2) приведены результаты циклирования аккумуляторов 3ШНК-10-05, КН-10, НК-13 и НК-28, когда совместно циклировались аккумуляторы только с ламельными электродами. За десять лет исследований теплового разгона в нашей лаборатории аккумуляторы КН-10, НК-13 и НК-28, 3ШНК-10-05 во многих сериях экспериментов циклировались в сочетании с другими типами аккумуляторов (заряд проводился при напряжении 1,87 В) более 2000 раз каждый и при этом также не наблюдалось ни одного случая теплового разгона.

Во-вторых: статистические исследования эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов с ламельными электродами КН-10, НК-13, НК-28, 3ШНК-10-05 и др. на предприятиях Ростовской области, за 25-30 лет [4, 5] показали, что ни одного случая теплового разгона в указанных аккумуляторах не наблюдалось. В отечественной, и в зарубежной литературе [6] нет никаких данных о возможности теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с ламельными электродами.

Таблица 1

Режимы циклирования ламельных никель-кадмиевых аккумуляторов

Тип аккумулятора Заряд Разряд Кон.-тр. заряд

Напряжение, В Время, ч Ток, А Конечное напряжение, В Ток, А Время, ч

НК-28 2,75 1 7 6

НК-13 1,87 10 1,25 1 3,3 6

КН-10 2,2 1,25 1 2,5 6

3ШНК-10-05 1 1 1 15

Таблица 2

Результаты циклирования ламельных никель-кадмиевых аккумуляторов_

Тип аккумулятора Число используемых аккумуляторов Число зарядно-разрядных циклов Число тепловых разгонов Гарантийный срок службы, лет (циклы) Срок службы используемых аккум., лет

НК-28 10 320 0 3 (1000) Больше 7

НК-13 10 320 0 3 (1000) Больше 7

КН-10 10 320 0 3 (1000) Больше 7

3ШНК-10-05 10 320 0 1,5 (500) Больше 3

В работе [6] тепловой разгон объясняется прорастанием дендритов через сепаратор и уменьшением сопротивления в местах их прорастания. Как следствие, прорастание дендритов приводит к резкому увеличению тока в местах расположения дендритов. Этим объясняется прогорание сепаратора в результате теплового разгона в виде круглых пятен. В работах [7-13] рассматриваются аналогичные механизмы теплового разгона.

Таким образом, одной из причин начала теплового разгона, является прорастание дендритов через сепаратор. Дендриты резко сокращают расстояние между электродами, и, следовательно, в местах расположения дендритов электроды сильно разогреваться из-за того, что сопротивление в этих местах будет значительно меньше, а средняя плотность тока значительно выше, чем на соседних участках электродов. Это может стать причиной запуска теплового разгона по механизму, предложенному в работах [14,15]. Предлагаемый в данной работе механизм запуска теплового разгона соответствует полученным экспериментальным результатам.

В аккумуляторах с ламельными электродами и со свободным расположением электродов, в качестве сепараторов используются резиновые шнуры, эбонитовые палочки, и т.д. А в аккумуляторах с ламельными электродами и плотной упаковкой электродов используются микропористые, щёлочестойкие сепараторы

В первом случае, дендриты прорасти, практически, не смогут, так как между электродами большие расстояния. При этом, свободная конвекция электролита между электродами и отсутствие механической поддержки для дендритов в виде сепараторного материала не способствуют прорастанию дендритов в таких аккумуляторах. Поскольку в них не могут образоваться надежные дендриты, способные привести к сильному локальному разогреву электродов, то и не может быть и теплового разгона.

В аккумуляторах с плотной упаковкой электродов и тонкими сепараторами сильный локальный разогрев электродов также невозможен. Если допустить, что дендрит всё же прорастет между электродами данной конструкции, то он замкнет на металлическую ламель проти-

воположного электрода и сгорит, не вызвав при этом значительного локального разогрева из-за высокой проводимости металла ламели.

Следовательно, в аккумуляторах с ламельными электродами мощный локальный разогрев электродов, связанный с прорастанием дендритов, невозможен, а именно он является причиной начала теплового разгона [4, с.20-23]. Поэтому в аккумуляторах данного типа (с ламельными электродами и тонкими сепараторами), по всей вероятности, тепловой разгон вообще невозможен. Данное утверждение требует всё же дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. Тем не менее, проведенные экспериментальные исследования однозначно показывают, что вероятность теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах с ламельными электродами значительно меньше вероятности теплового разгона в аккумуляторах с металлокерамическими и намаз-ными электродами. Полученные результаты исследования аккумуляторов с ламельными электродами могут иметь практическое применение при разработке новых типов никель-кадмиевых аккумуляторов, устойчивых к тепловому разгону.

Список литературы

1. Галушкина Н.Н., Галушкин Н.Е., Галушкин Д.Н. Исследование процесса теплового разгона в никель-кадмиевых аккумуляторах // Электрохимическая энергетика. - 2005. - Т. 5, - № 1. - С. 40-42.

2. D.N. Galushkin, N.N. Yazvinskaya, N.E. Galushkin. Investigation of the Process of Thermal Runaway in Nickel-Cadmium Accumulators // Journal of Power Sources. - 2008. - V. 177. - №2. - P. 610-616.

3. Н.Е. Галушкин, В.Ф. Кукоз, Н.Н. Язвинская, Д.Н. Галушкин. Тепловой разгон в химических источниках тока: монография в 2 ч. Ч.1. - Шахты: ГОУ ВПО ЮР-ГУЭС, 2010. - 212c.

4. Галушкин Д.Н., Румянцев К. Е., Галушкин Н.Е. Нестационарные процессы в щелочных аккумуляторах: монография. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. - 107с.

5. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в никель кадмиевых аккумуляторах большой ёмкости с ламельными

электродами. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2012. - №3. - С. 89-92.

6. Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 11(1).

- С. 116-119.

7. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Тепловой разгон в щелочных аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2013. - № 6 (175). - С. 62-65.

8. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2013.

- № 2 (171). - С. 75-78.

9. Г Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Исследование причин теплового разгона в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах //Электрохимическая энергетика. - 2012. - Т. 12. - № 4. - С. 208-211.

10. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкин Д.Н. Тепловой разгон в никель-кадмиевых аккумуляторах с

металлокерамическими и прессованными электродами // Электрохимическая энергетика. - 2012. - Т. 12. - № 1. - С. 42-45.

11. Галушкин Н.Е., Язвинская Н.Н., Галушкина И.А. Возможность теплового разгона в цилиндрических и дисковых никель-кадмиевых аккумуляторах // Химическая промышленность сегодня. - 2012. - № 7. - С. 54-56

12. Галушкина Н.Н., Галушкин Д.Н., Галушкин Н.Е. Нестационарные процессы в щелочных аккумуляторах: монография. Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2005. -107с.

13. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Thermal Runaway in Sealed Alkaline Batteries // International Journal of Electrochemical Scienc. - 2014. - Vol. 9. - P. 3022-3028.

14. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N., Galushkina I.A. Causes Analysis of Thermal Runaway in Nickel-Cadmium Accumulators // Journal of The Electrochemical Society. - 2014. - 161 (9). - A1360-A1363.

15. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. The mechanism of thermal runaway in alkaline batteries // Journal of The Electrochemical Society. - 2015. - 162 (4). - A749-A753.

О ФОРМИРОВАНИИ АДЕКВАТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БИБЛИОТЕКИ ПАКЕТА ANSYS ДЛЯ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ГТУ

Порошин Вадим Борисович

кандидат технических наук, доцент, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Дружинин Павел Сергеевич

инженер Отдела технической поддержки группы компаний Делкам -Урал, г. Екатеринбург

Шахова Светлана Александровна

студентка Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск

SELECTION OF ADEQUATE MODELS OF THE DEFORMATION PROPERTIES OF METALLIC ALLOYS BASED ON ANSYS LIBRARY TO DETERMINE THE STRESS-STRAIN STATE OF THE WORKING BLADES OF GAS TURBINE

Poroshin Vadim Borisovich, Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor of South Ural State University, Chelyabinsk Druzhinin Pavel Sergeevich, Engineer of Technical Support Department (Dynamics and Strength of Machines), Delcam-Ural, LLC, Ekaterinburg

Shahova Svetlana Alexsandrovna, graduate student of South Ural State University, Chelyabinsk АННОТАЦИЯ

Выполнен подбор оптимального сочетания моделей реологических свойств (пластичность, ползучесть) одного из жаропрочных сплавов из стандартной библиотеки МКЭ-пакета ANSYS Mechanical путем сопоставления с одной из наиболее адекватных на сегодняшний день - структурной моделью упруговязкопластической среды. На этой основе выполнен анализ кинетики напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки ГТД в течение типового полетного цикла. ABSTRACT

Completed selection of the optimum combination of rheological properties (plasticity, creep) models for one of the heat-resistant alloys from the standard library FEM package ANSYS Mechanical by comparison with one of the most adequate theories - structural model elasto viscoplastic environment (или solid). On this basis, was made the analysis of the kinetics of the stress-strain state of the rotor blade turbine engine during a typical flight cycle.

Ключевые слова: математические модели реологических свойств; пакет ANSYS Mechanical; структурная модель упруговязкопластической среды; расчет кинетики напряженно-деформированного состояния рабочей лопатки ГТД.