4.Tensión 5. Densidad del electrolíto
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4.Tensión La tensión que puede entregar una celda es una característica fundamental de los elementos que la componen. Dos metales cualesquiera sumergidos en un electrolito conductor producirán una tensión, la cual en la mayoría de los casos no tiene valor práctico. La celda de plomo-ácido tiene la tensión más alta por celda (2 Volt) aunque este valor dependerá de la densidad del electrolito y si la celda esta cargada o descargada. Por lo tanto una batería de tres celdas será de 6 Volt y una de 110 celdas será de 220 Volt. A circuito abierto la tensión de la celda dependerá de la densidad del electrolito y estará representada muy aproximadamente por la siguiente fórmula: Volt x celda = densidad + 0,84 Dada esta igualdad, una celda que tenga una densidad de 1.210 estará entregando una tensión a circuito abierto de 2,05 Volt. Cuando una celda comienza a descargarse, la tensión medida en los bornes de la celda cae debido a la caída de tensión originada por la resistencia interna de la celda al circular la corriente de descarga. Esta caída de tensión aumenta con el aumento de la corriente de descarga bajando más la tensión de la celda. A una corriente de descarga constante, la tensión baja gradualmente hasta que, cuando la capacidad de la batería esta casi agotada baja muy rápidamente hasta llegar a un valor para el cual la batería ya no es útil para .la aplicación para la cual fue diseñada. A esta tensión se la denomina tensión final o mínima. 5. Densidad del electrolíto La densidad es la relación del peso por unidad de volumen del electrolito. El valor de esta densidad en una batería debe ser lo suficientemente alta para que el electrolito contenga una cantidad de ácido sulfúrico adecuada, para cumplir con los requerimientos electroquímicos de la celda, sin que esto tenga efectos químicos directos en ciertas partes de la celda. Entre estos dos rangos, el valor estará definido teniendo en cuenta la capacidad necesaria; uso; temperatura de régimen y vida útil esperada de la batería. Algunos valores representativos de densidad de electrolito: 1.300 REV 00 Baterías de fuerza motriz para equipos de movimiento de materiales eléctricos. IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 1.290 Baterías para trabajo pesado tales como camiones industriales. 1.260 Baterías para uso automotriz. 1.245 Baterías de ciclos parciales tales como iluminación de vagones ferroviarios y baterías de arranque de grandes máquinas. 1.215 Baterías, en servicio estacionario o emergencia. El electrolito forma parte de las reacciones químicas que se producen en la batería por lo tanto su valor en cualquier momento es una indicación muy aproximada del estado de carga de la batería. Por ejemplo si una batería tiene-una densidad a carga completa de 1.300 y una caída de densidad de 125 puntos cuando se la descarga en 8 horas y tomamos la densidad con un densímetro y ésta es de 1.250, implica que se está 50 puntos por debajo de la carga completa, por lo tanto se está a un 50/125 % de su capacidad. Es muy importante que los valores tomados sean corregidos por diferencia de temperatura. Se debe tener en cuenta que la difusión del electrolito no es uniforme durante el proceso de carga, por lo que debe permitirse la homogeneización del mismo antes de tomar la lectura, con el densímetro. La densidad varia con los cambios de temperatura, esto no es debido a una característica de la batería sino meramente al hecho que el electrolito se dilata a medida que la temperatura sube y por lo tanto se hace menos denso, resultando una lectura de la densidad más baja, lo opuesto ocurre cuando la temperatura es más baja. Este cambio es igual a un punto (0,001) en la densidad por cada 1,66 grados centígrados ( tres ° F ) de cambio en la temperatura. La densidad también varia cuando el nivel del electrolito aumenta o disminuye, por la vaporización causada por la carga o el agregado de agua. Por ejemplo la densidad podrá subir 15 puntos con cada 1/2" de disminución en el nivel del electrolito. Para poder comparar densidades tomadas en distintos momentos, se deberán tener en cuenta todas las correcciones mencionadas. La densidad de carga total podrá bajar levemente en valor mientras la batería envejece debido a pequeñas pérdidas de ácido por salpicado, pero esto es totalmente despreciable, no superando en ningún caso unos pocos puntos por año. 6. Capacidad La capacidad de una batería industrial , es decir su habilidad de entregar energía, es usualmente expresada en Amper-hora, lo que resulta de! producto de la corriente de descarga de la batería por el número de horas. Este valor de capacidad carece de sentido por si solo, ya que REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 debe estar acompañado de una serie de factores que influyen en dicha capacidad. Los factores principales son: a. Régimen de descarga: Cuanto mas alto sea el régimen de descarga en amperes al que estará sometida la batería, menor será el total de amperes hora que la batería entregará en condiciones similares. Esto varía con diferentes tipos de placas y construcción de celdas. Esto se debe a dos causas fundamentales. La primera es la falta de difusión inmediata del electrolito ya que, en cada. instante, la proporción de electrolito útil es aquella que se encuentra en los poros de las placas en real contacto intimo con el material activo. A medida que el ácido en este lugar se agota, el electrolito debe difundirse o circular para llevar mas ácido al material activo donde sea necesario. Cuanto mas alto es el régimen .de descarga más rápida debe ser esta circulación para mantener la tensión normal de la celda. A medida que el régimen de descarga aumenta, esta difusión no aumenta en la misma proporción, dando como resultado que el electrolito en los poros de las placas es menos denso reduciéndose la tensión de la celda y limitándose así su capacidad. La otra causa fundamental es que a mayor corriente aumenta la caída de tensión interna de la celda reduciendo también la tensión externa. El valor mas comúnmente utilizado como estándar es una descarga en 6 y l0 hs para el uso industrial. Sin embargo como excepción encontramos las baterías automotrices que usualmente están basadas en la corriente de arranque a -18 grados ó capacidad en 20 hs. Cualquier valor es apropiado para usar y los fabricantes entregan tablas con varios regímenes de descarga, incluyendo casi siempre el de 6 y 10 hs, para la conveniencia de los usuarios al hacer comparaciones y pruebas. b. La Temperatura: Muchas reacciones químicas son aceleradas a temperaturas más elevadas y éste es el caso de las reacciones que tienen lugar en el interior de la batería durante un ciclo de descarga. La resistencia y viscosidad del electrolito se reducen disminuyendo la caída de tensión interior dando como resultado una tensión final más elevada. c. Densidad del electrolito: Esto también afecta la capacidad de la batería, debido a que electrolitos de diferentes densidades tendrán diferentes cantidades reales de ácido por unidad de volumen. Electrolitos de mayor densidad tienen mayores cantidades de ácido en contacto con el material activo de las placas que los de menor densidad. REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 El grado en el cual la densidad afecta la capacidad de la celda varia considerablemente con los distintos tipos de diseños de placas, pero una regla empírica frecuentemente aplicada es que una diferencia de 25 puntos en la densidad cambiará la capacidad en 8 al 10%. La elección de la densidad depende del diseño de la celda y del uso que se le dará. Algunos de los efecto son producidos por diferentes densidades manteniendo los demás parámetros constantes son: MAYOR DENSIDAD MENOR DENSIDAD Mayor Capacidad Menor Capacidad Menor Vida Útil Mayor Vida Útil Menor Volumen Mayor Volumen Mayor Régimen de Descarga Instantánea Menor Régimen de Descarga Instantánea Menos Adaptable para Operar a Flote Más Adaptable para Operar a Flote Más Rápida Pérdida de Capacidad Más Lenta Pérdida de Capacidad d. Tensión final: Es la tensión mínima útil para esa celda dependiendo del uso que se le dará. Es el valor para el cual se obtendrá la máxima corriente de descarga, antes que la tensión de la celda comience su rápida declinación, a medida que se aproxima al punto de agotamiento. Para bajos regímenes de descarga (72 hs) la tensión final puede ser tan alta como 1,85 Volt por celda; por el contrario para fuertes corrientes de descarga como ser el arranque de una máquina puede ser tan bajo como 1.0 Volt. Sin embargo un valor usado como estándar es 1.75 Volts por celda. Como conclusión, el valor de la capacidad de una celda o batería debe ser calificada por una serie de parámetros, los cuales dependerán del uso para el que esté diseñado. Una correcta definición seria: Batería de 110 celdas con una capacidad de 890 Amper - hora en descarga de 8 hs a una temperatura de 25 grados .centígrados a una tensión final de 1.75 Volt por celda con una densidad de electrolito de 1.250. 7. Características de descarga En general las baterías pueden ser descargadas sin dañarlas a cualquier rango de corriente; pero la descarga no deberá sin embargo ser continuada más allá del punto donde, las celdas se acercan a su agotamiento o cuando la tensión cae por debajo de un valor mínimo. REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 Como ya se vio anteriormente, cuando la descarga se efectúa a corriente constante, la tensión inicial dependerá del régimen de descarga y del tipo de celda. A medida que la descarga continúa la tensión de la celda decrecerá lentamente durante el primer 70 a 80 % del tiempo total para luego caer más rápidamente pasando por sobre el codo de la curva de descarga hasta la tensión final de celda. Ese codo es más pronunciado a bajos regímenes de descarga. Es generalmente cierto que si se usan regímenes de corriente decrecientes, se puede obtener aproximadamente el total de amperes horas previsto por un cierto régimen horario durante ese periodo de tiempo, sin tener en cuenta regímenes de mas altas corrientes durante la primera parte de la descarga. La figura siguiente, muestra el efecto aproximado de descarga de una celda a sucesivamente más bajos regímenes de corriente, llevando cada uno a la misma tensión final. Este resultado no será posible obtenerlo cuando la corriente está al final del periodo de descarga ya que en ese momento no hay oportunidad de difusión suficiente del electrolito para mantener la tensión de celda. Durante la descarga de una batería, la temperatura aumenta debido al calor generado por la resistencia interna de la misma. Parte del calor generado, es absorbido por la reacciones químicas producidas durante la descarga y el resto se disipará para lo cual las baterías deberán tener una disposición que permita esa disipación. Una batería no debería descargarse más allá del punto de agotamiento, produciéndose una sobredescarga ya, que esto puede dar como resultado daños permanentes particularmente si la batería no es cargada en forma rápida. En toda descarga se forma una cierta cantidad de sulfato de plomo, lo cual es totalmente normal y necesario para la reacción. Este sulfato de plomo ocupa más lugar que el plomo metálico o esponjoso de la placa negativa, por lo tanto durante la descarga el material de la placa se expande levemente. Si la descarga va mas allá de los limites establecidos el material activo puede expandirse hasta que el mismo se separa y pierde contacto con la red metálica de la placa y por lo tanto con el circuito eléctrico. REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 Este material no podrá recibir la corriente de carga y permanecerá como sulfato, en vez de volver a su estado normal como plomo metálico, reduciendo la capacidad de la batería. Esto puede darse también si la batería fue descargada a regímenes normales y luego permaneció un largo período de tiempo sin carga. En este caso parte del sulfato puede hacerse de naturaleza cristalina, siendo difícil reconvertirlo a plomo puro. Este material así perdido disminuye la capacidad de la celda y tiende a caer de la superficie de la placa hacia el fondo de la celda como sedimento. 8. Características de carga En general una batería puede ser cargada a cualquier régimen de carga en amperes que no produzca un gaseo excesivo o temperaturas mayores de 43 grados centígrados .Todo régimen será seguro mientras no supere una tensión final de celda de 2,4 Volts, mientras la corriente está por encima de lo normal o del régimen de finalización de la carga. El fabricante determina el régimen de carga normal o final para cada tipo y tamaño de celda. Este valor de corriente puede ser usado con seguridad en cualquier momento que se requiera carga y puede continuarse hasta completar la carga sin causar gaseo excesivo o alta temperatura. Este régimen final esta normalmente entre 4 y 10 Amper por cada 100 Amper-hora de capacidad de la batería ( en 8 horas ) dependiendo del tipo de celda. En los casos que celdas de alta capacidad sean unidas para formar una batería, la superficie para disipar el calor es mucho menor que en las celdas individuales separadas, y por lo tanto deben usarse regímenes de carga final comparativamente más bajos para evitar altas temperaturas. Una batería que está, completamente descargada o parcialmente cargada absorberá corrientes mucho más altas que las de terminación de carga, se puede llegar hasta 10 veces ese valor, pero a medida que se aproxima a la carga completa, la corriente debe ser reducida en forma gradual o en pasos hasta llegar al valor de corriente final de carga. En cualquier servicio, una batería debería recibir la cantidad correcta de carga, es decir la suficiente para cargarse correctamente y / ó mantenerla en esa condición. Entregar mayor carga a la batería no mejorará su condición sino que, por el contrario ocasionará problemas. Una insuficiente cantidad de carga, aunque sea muy pequeña pero en forma continuada, causará la sulfatación gradual de las placas negativas con la consecuente pérdida de capacidad y reducción de la vida útil de la batería. Una sobrecarga tenderá a corroer las rejillas de las placas positivas transformándolas en peróxido de plomo, debilitándolas físicamente y aumentando su resistencia eléctrica. Si la REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 sobrecarga llega a regímenes mas altos el gaseo será excesivo y tenderá a lavar el material activo de las placas produciendo mayor evaporación del agua del electrolito reduciendo la capacidad y acortando la vida útil. Si la batería está siendo bien cargada, la densidad estará en los valores de carga completa al final de una recarga y la cantidad de agua requerida por las celdas será mínima. Es difícil especificar en términos generales los requerimientos normales de agua, ya que esto varía con diferentes tipos de baterías y usos. Sin embargo, el fabricante lo podrá especificar para cada tipo de batería. Es correcto concluir que el equipo cargador es parte fundamental en el sistema, ya que de él dependerá en gran medida la vida útil y la capacidad útil de la batería. Dentro de los tipos de cargas de baterías encontramos las siguientes: a) Ciclo de carga: Se refiere a la carga completa de una batería luego de haber sido parcial o totalmente descargada siendo un buen ejemplo la batería de un autoelevador. Para este tipo de carga se toma usualmente ocho horas de tiempo ya que no se puede hacer con seguridad en un período de tiempo mas corto, aunque por supuesto puede extenderse a un período mas largo de tiempo. Una correcta suposición es que alrededor del 100% de los amperes hora descargados deben ser retornados para cargar la batería completamente. Esto requiere, para comenzar, un régimen de 20 a 30 Amper por cada 100 Amper hora de capacidad de la batería. Esta corriente deberá ser reducida gradualmente a un régimen de terminación de carga en un 80 – 85 % de la carga completa, si la carga es del tipo “doble régimen”. b) Carga de flote: Este tipo de carga consiste en mantener permanentemente conectada la batería a un sistema eléctrico, compuesto por un cargador y una carga. Este cargador esta diseñado para mantener una tensión constante cualquiera sea la corriente de carga. El valor de esta tensión es tal, que suministra suficiente corriente para mantenerla totalmente cargada y compensar sus pérdidas internas. Después de cualquier descarga, la batería tomara la corriente necesaria para llegar a su carga completa y luego se reducirá nuevamente al valor de corriente de flote. Un ejemplo típico es el de las baterías para los mecanismos de control y de conmutación en usinas generadoras, plantas industriales y sub-estaciones de transformación. REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 Tensión de Flote Densidad de Electrolito Antimonio Tubular Manchex Calcio 1.170 2,13 a 2,20 -- 1.215 2,15 a 2,22 2,17 a 2,26 1.250 -- 2,21 a 2,30 1.300 -- 2,25 a 2,34 En estos casos, la batería, cargador, y carga están conectados en forma paralela a barras comunes. Usualmente existe una pequeña carga continua consistente en lámparas piloto, reles, plaquetas, etc, y cargas comparativamente grandes, instantáneas o de corto tiempo tales como operación de llaves para apertura de circuitos, operación de motores y válvulas. La alimentación a la carga es mantenida por el cargador a la tensión normal de flote y la batería toma su propia corriente de mantenimiento a flote al mismo tiempo. Cualquier carga adicional que exceda la capacidad del cargador bajará levemente su tensión, al punto donde se descargará la batería para suministrar el resto de corriente. Si hubiera una falla en el suministro de energía normal, la batería suministra la corriente de la carga total hasta que la energía es restituida y luego se recarga a si misma automáticamente. La corriente que toma una batería para mantenerse a flote varía con la edad y el estado de uso. Para baterías de plomo – antimonio, la corriente de flote oscilara entre 19 y 300 miliamper para una tensión de celda que varía entre 2,17 y 2,41 Volt respectivamente, mientras que en una batería de calcio la corriente tomará valores entre 4 y 58 miliamper por cada 100 Amper hora de capacidad. Tensión de Flote (Vpc) REV 00 Miliamper x cada 100Ah en 8 hs Antimonio Calcio 2,15 15 – 60 -- 2,17 19 –80 4 2,20 26 – 105 6 2,23 37 – 150 8 2,25 45 – 185 11 2,27 60 – 230 12 2,33 120 – 450 24 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 2,37 195 – 700 38 2,41 300 – 1100 58 c) Ciclo parcial: Este tipo de operación es similar a la carga a flote, pero se aplica cuando la corriente de carga esta disponible solo una parte del tiempo. Por ejemplo, la batería de un vagón de tren de pasajeros es cargada desde un generador impulsado por el eje del vagón y por lo tanto puede abastecerse corriente solo cuando el vagón se encuentre en movimiento. En este tipo de servicio, la tensión de flote debe ser llevada a un valor considerablemente más alto para que la batería tome suficiente corriente para ser recargada en el momento en el que la corriente se encuentre disponible. d) Corriente constante promedio Si bien en ciertos casos no es posible predefinir la carga que necesitará la batería en cada momento, si resulta posible estimar la carga que necesitará recibir durante un período de 24 hs y entregar un valor promedio, teniendo como resultado un balance en dicho período. Este sistema solo es útil en algunas aplicaciones como ser un circuito ferroviario señalizado y debe ser controlado frecuentemente para detectar el caso de una descarga profunda excepcional, que deje a la batería sin carga. La ventaja de este método radica solamente en el bajo costo del equipo cargador. e) Carga de mantenimiento: Este término se aplica a cargas constantes de corriente continua, aplicadas con el fin de mantener en condición de carga completa a una batería sin cargas externas conectadas a la misma. Este método es muy utilizado para baterías que están almacenadas, o en usos donde su única actividad es ante la falla de suministro de energía eléctrica o la falta de ésta en forma programada. f) Carga ecualizadora: Para evitar el exceso de sulfatación la batería debe ser llevada al estado de carga completa evitando la sobrecarga. Para lograrlo es práctica común suspender la carga diaria cuando la batería esta nominalmente pero no completamente recargada y luego dar una carga de ecualización periódica. Esto es simplemente una continuación de la carga regular hasta alcanzar un estado completo de carga. REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2 En teoría esta carga debería ser continuada hasta que en sucesivas lecturas la densidad y la tensión no muestren ningún aumento por período de varias horas. La frecuencia de estas cargas varía con la aplicación a la cual está dedicada la batería y podrá ser entre una frecuencia semanal para baterías de ciclo industrial, y varios meses para baterías en servicio auxiliar de flote. El requerimiento de corriente de flote estará en función del tipo de aleación de las rejillas, la tensión de la fuente de carga, la temperatura ( un aumento de 15 F duplicará la corriente), y la antigüedad de la batería. g) Equipo de carga: La carga de una batería se realiza con sofisticados rectificadores controlados electrónicamente, que permiten que una batería esté continuamente en carga a flote o recargar una batería descargada. Cuando una batería es puesta a cargar, tomará una corriente relativamente alta que estará próxima a la máxima capacidad del cargador. Luego de transcurridos pocos minutos la corriente se adecuará al estado de descarga de la batería, permaneciendo alta si la batería está descargada, o disminuyendo a un valor mas bajo si la batería está parcialmente descargada. El régimen de carga es controlado por una unidad de estado sólido. Los cargadores modernos , para baterías de tracción, utilizan un sistema de carga de “Corriente constante – Tensión constante – Corriente constante”. Este método permite cargar la batería sin riesgo de sobrecarga. El cargador deberá estar diseñado para suministrar una corriente de 16 – 17 A por cada 100 Ah de capacidad (corriente constante). Cuando la tensión se eleva a un valor de 2,37 Vpc, la tensión es entonces mantenida constante (tensión constante) hasta que la corriente de carga disminuye a 4 – 5 A por cada 100Ah. Este régimen final es mantenido constante (corriente constante) hasta que se desconecta el cargador. Un regulador electrónico de carga, suministra los medios para proteger la batería del exceso de carga. REV 00 IMP: 14/12/2006 ITBATIND2
