MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

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1 MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO BATERÍA ALCALINA DE NIQUEL-CADMIO CON PLACAS DE BOLSA TABLA DE CONTENIDOS ÍTEM CONTENIDOS PÁGINA 1. Aplicaciones (2) 2. Principales características de la celda y de la batería (3) 3. Funcionamiento de la batería (4) 4. Preparación antes del uso (6) 5. Operación y mantenimiento (7) 6. Almacenamiento de la batería (10) 7. Averías y solución de averías (11) Apéndice 1. Elección de electrolito, preparación y almacenamiento (13) 1

2 1. Aplicaciones Las baterías alcalinas de almacenamiento con placa de bolsa de níquel cadmio pueden clasificarse en baterías de baja capacidad, de media capacidad o de alta capacidad dependiendo de su aplicación (diferentes corrientes de descarga). Pueden utilizarse en temperaturas que van desde los -40 C a los +45 C luego de haber sido cargadas de manera normal y a una temperatura ambiente de C. Son muy utilizadas en equipos eléctricos, en telecomunicaciones, iluminación y UPS como reserva o como suministro de corriente continua. También pueden utilizarse en motores a aceite o en motores DC eléctricos de arranque, en vehículos de transporte y en celdas de energía solar, entre muchos otros ejemplos. 2

3 2. Principales características de la batería Las celdas se caracterizan por tener un excelente funcionamiento eléctrico, mayor vida útil, construcción resistente, buena resistencia a la sobrecarga y a la sobredescarga, alta confiabilidad, fácil mantenimiento, etc. La construcción de electrodos varía según las diferentes corrientes de descarga de la operación. 2.1 Construcción de las celdas Los materiales activos negativos y positivos se introducen respectivamente en las láminas de acero perforadas y se presionan contra las placas formando electrodos positivos y negativos. Hay un separador entre los electrodos positivos y los negativos. Los grupos de electrodos se colocan firmemente en el contenedor plástico y en la tapa hay un orificio para llenarlo con electrolitos. Este orificio por lo general contiene una tapa que puede abrirse en cualquier momento cuando sea necesario rellenar. Esta tapa puede soltar el gas que se ha generado dentro e la batería y también impedir que el polvo y las impurezas entren en la batería Construcción de la batería Las celdas individuales necesarias se instalan de manera firme en tramas de acero, madera o plástico y se conectan en series utilizando conectores interceldas de acero (o cobre). La construcción tiene una gran fuerza mecánica y puede utilizarse en condiciones de shock o vibraciones Principio operativo de la batería Durante la carga, ocurre una reacción de oxidación en el electrodo positivo y una reducción en el electrodo negativo. Durante la descarga, ocurre lo contrario. Las reacciones de carga y descarga pueden ilustrarse mediante la siguiente ecuación: Carga 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2 <============> 2NiOOH + Cd + 2H2O descarga 3

4 3. Principal funcionamiento de la celda (baterías) Las baterías alcalinas de almacenamiento con placa de bolsa de níquel cadmio de baja capacidad son adecuadas para períodos de descarga de más de 3 horas a una corriente de descarga de 0.1~0.5C5 A. Para las de capacidad media se prefiere una corriente de descarga de 0.5~3.5 C5 A con períodos de descarga de entre 30 y 90 minutos y las celdas de alta capacidad están especialmente diseñadas para aplicaciones donde se requieren corrientes mucho mayores y períodos de descarga menores a 1 hora Voltaje nominal de la celda El voltaje nominal de la celda es 1.20 V y el voltaje nominal de la batería 1.20 V x n (n es el número de las celdas que están conectadas en series) Funcionamiento de descarga de la celda La celda debe cargarse durante 8 horas a 0.2 C5A y a una temperatura ambiente de 20 C. La duración de la descarga a varios niveles no debería ser menor que el mínimo especificado en la tabla 1. Tabla 1 Condiciones de descarga Duración mínima de la descarga Nivel de corriente Voltaje Final (V) Baja capacidad Capacidad media constante (A) 0.2C H 5H 1C Min 2C Min Funcionamiento de descarga a -18? La celda deberá cargarse durante 8 horas a una temperatura ambiente de 20 C, luego la celda deberá descargarse a una temperatura de -18? y la duración de la descarga no deberá ser menor a los requisitos expresados en la Tabla 2. Tabla 2 Condiciones de descarga Duración mínima de la descarga Nivel de corriente Voltaje Final (V) Baja capacidad Capacidad media constante (A) 0.2C H 30 Min 3H 1C Min Nota: La información expresada en las Tablas 1 y 2 se adecua a los estándares de funcionamiento de descarga. 4

5 3.3. Autodescarga de la celda La celda puede cargarse a 0.2 C5A durante 8 horas a una temperatura ambiente de ?, luego la misma puede guardarse en las mismas condiciones durante 28 días y noches y luego descargarse a 0.2 C5A a un voltaje final de 1.0 V. La duración de la descarga no debe ser menor a 4 horas Vida de ciclo Un ciclo implica la carga y descarga total de una celda. La vida de ciclo de una celda no debería ser menor a 900 ciclos. De acuerdo a las normas IEC, debería ser de 500 ciclos como mínimo. En caso de una aplicación de carga flotante la vida del ciclo puede ser mayor Almacenamiento El funcionamiento eléctrico de una celda que ha estado almacenada durante 4 años y de acuerdo a las especificaciones de almacenamiento deberá cumplir los requisitos de los ítems mencionados en 3.2, 3.3 y

6 4. Preparación previa al uso. Generalmente la batería sale de fábrica descargada y sin electrolito. Antes de comenzar a utilizarla es necesario realizar la siguiente preparación: 4.1. Verificaciones Verifique que los accesorios sean aquellos que se especifican en la lista de contenido. Verifique si hay algún daño en la caja de la batería Verifique la tensión de los circuitos abiertos una por una. Si el valor es menor a 0.5 V, se puede llenar con cierta cantidad de electrolito, luego mida nuevamente. Si el voltaje sube a 0.5 V o más, la celda se considerará apta Verifique que los tornillos, los pernos y las tuercas estén bien ajustados Llenado con electrolito Desatornille la tapa de la batería y coloque el electrolito necesario en la misma con embudo y cilindro graduado (el electrolito estándar y el método de preparación se detalla en el Apéndice 1). El nivel de electrolito deberá estar entre las dos marcas de mínimo y máximo en la pared contenedora de la celda. Atornille la tapa y limpie cualquier resto de electrolito que se pueda haber caído Conexión La batería debe sumergirse durante 4 horas luego de haberla llenado con el electrolito. Luego deberá ajustarse el nivel de electrolito. Conecte el terminal positivo con el terminal negativo de la celda vecina, el resto puede deducirse por analogía. Al finalizar, conecte el último Terminal positivo con el plomo positivo del cargador y el Terminal negativo con el plomo negativo del cargador Carga inicial Luego de la conexión antes mencionada, verifique para asegurarse de que no exista ningún error. Luego cargue la batería de la siguiente manera: Una batería que haya estado guardada entre 3 y 6 meses deberá cargarse a 0.2 C5A durante 15 horas. Luego puede ponerse en funcionamiento Una nueva y una batería que haya estado guardada por más de 6 meses deberá cargarse a 0.2 C5A durante 12 horas, luego deberá descargarse a 1.0 V/ celda y repetir esta carga y descarga por 3-5 ciclos. Si la duración de la descarga no es menor a 5 horas y si el voltaje de la batería no es menor 1.0 V/ celda, ésta puede ponerse en normal funcionamiento de acuerdo a la Tabla 3. 6

7 5. Funcionamiento de la batería y mantenimiento 5.1. Carga de la batería (Ver Tabla 3) Tabla 3 Régimen de carga Corriente de carga (A) Voltaje de carga (V) Duración de la carga (h) Carga normal 0.2 C5 8 Sobre-carga 0.2 C5 12 Carga 0.2 C5 No estipulado complementaria Carga rápida 0.4 C5 convertidos en 0.2 C Carga flotante 1.48~ 1.50V/celda (para celdas de baja capacidad) 1.42~ 1.45V/celda (para celdas de capacidad media) Temperatura de carga (?) Carga de compensación 1.55~ 1.60V/celda Selección de varios regimenes de carga Generalmente, la batería puede cargarse a un nivel de carga normal. En casos de emergencia puede utilizarse el método de carga rápida. La batería debe estar sobrecargada cuando esté sobredescargada, cargada inversamente con una corriente baja, descargada en intervalos o cuando la capacidad no sea suficiente en caso de haber estado mucho tiempo sin ser utilizada. Cuando la batería haya estado almacenada entre 1 y 3 meses luego de la carga, es necesario cargarla utilizando el método complementario antes de ponerla en funcionamiento. Si la batería se utiliza como fuente de energía de reserva y está conectada en paralelo con la carga, deberá utilizarse corriente flotante. Cuando se detienen la corriente flotante y la corriente de carga, primero deberá utilizarse la carga de compensación y luego cambiarse a carga flotante. Si la batería está en carga flotante por mucho tiempo, ésta debería cargarse utilizando el método de compensación entre 1 y 3 veces al año Descarga La batería de capacidad baja puede cargarse a una corriente de 0.1C5A~0.5 C5A (l C5A es para una descarga de poco tiempo). La batería de capacidad media puede descargarse a 0.2 C5A ~3.5 C5A. Durante la descarga, la temperatura del electrolito no deberá exceder los 45? y si así lo hiciera, reduzca la corriente de descarga o tome las medidas de enfriamiento necesarias de manera inmediata. El régimen de descarga de la batería se especifica en la Tabla 4. Tabla 4 Descarga continua (A) Voltaje final de descarga (V) Duración de descarga Comentarios 7

8 0.1 C5 = h aprox. 0.2 C5 = h aprox C5 = h aprox. El voltaje final de descarga es 0.9V/celda para celdas de baja capacidad 0.5 C5 = h aprox. El voltaje final de descarga es 0.7V/celda para celdas de baja capacidad 1 C5 = min. aprox. Sólo para celdas de capacidad media 2 C5 = min. aprox Mantenimiento durante la operación Recarga de agua La gravedad del electrolito aumentará como consecuencia de la evaporación del agua y de la electrólisis de carga. Es necesario verificar el nivel de electrolito y su densidad. Debe verificarse en caso de permanente carga y descarga de corriente continua. En caso de carga con voltaje constante, verifique una vez cada tres meses. En caso de carga con corriente flotante, verifique una vez cada seis meses (la recarga de agua puede depender de la temperatura). Los requisitos de agua del electrolito deben cumplir con el estándar Si la batería se utiliza a una temperatura de , el electrolito debería contener LiOH. De lo contrario, se reducirá su vida útil Si la batería se utiliza a una temperatura mayor a los 35?, el electrolito debería ser NaOH con LiOH. Esto sería beneficioso para la capacidad de la batería y para su vida útil. Debido a la alta temperatura ambiente, la eficacia de carga de la batería declinará, por lo tanto es recomendable tomar mediadas de enfriamiento durante la carga Si la batería se utiliza a una temperatura de -40?, deberá utilizarse el electrolito de N 3 y N 4 de la Tabla 6. Esto evitará que el electrolito se congele y por lo tanto que la eficacia de carga no se vea afectada. Debido a que las bajas temperaturas afectan la eficacia de la carga, es recomendable cargarla a una temperatura normal y luego operarla en temperatura fría. Esto será beneficioso para su funcionamiento. Si la batería tuviera que cargarse a una baja temperatura, deberá adoptarse el nivel de sobrecarga Durante el almacenamiento, el lugar debe ser seco y ventilado con una temperatura de Está prohibido guardar la batería alcalina con la batería ácida u otros materiales ácidos en el mismo lugar. Todas las herramientas e instrumentos no deberán utilizarse para la batería ácida No tocar la batería con herramientas de metal. Al ajustar las tuercas, la herramienta no puede tocar los terminales positivo y negativo al mismo tiempo. El polo negativo no deberá estar en contacto con el contenedor de metal de la batería para evitar cortocircuitos La batería debe estar limpia y si se volcara electrolito hacia fuera, limpiarlo inmediatamente. El contenedor de plástico puede limpiarse con agua limpia. Las partes oxidadas del contenedor de acero o de las partes metálicas pueden limpiarse con una tela con electrolito. Luego colocar una fina capa de vaselina. 8

9 5.4. Cambio de electrolito Período de reemplazo de electrolito Durante el funcionamiento, el electrolito dentro de la batería absorbe fácilmente el CO2 en el aire y lo convierte en carbonato. Esto aumenta la resistencia interna. Cuando el carbonato excede los 60g/litro, o cuando el electrolito está contaminado, ocasionará una disminución de la capacidad y por lo tanto habrá que vaciar la celda y reemplazar el electrolito. En el caso de la carga flotante, verifique el contenido de carbonate cada 3 años y, si fuera necesario, reemplace el electrolito Verificación de funcionamiento El mantenimiento de la batería deberá ser realizado por personal especializado y la exactitud de corriente de carga y el tiempo suficiente de carga deberán estar garantizados, especialmente durante la carga. De lo contrario, la batería no recibirá la carga suficiente Calibración de instrumentos Los galvanómetros, los voltímetros, los termómetros y los hidrómetros deben calibrarse periódicamente para mantener su exactitud. 9

10 6. Almacenamiento de las baterías El almacenamiento y el mantenimiento de las baterías deberán cumplir con los requisitos específicos para prolongar sus vidas útiles Almacenamiento a largo plazo Si la batería se guarda por un período de tiempo prolongado, es recomendable atornillar la tapa de ventilación firmemente en posición de descarga. También es recomendable limpiar las partes metálicas, cubrirlas con vaselina y guardarlas en un lugar seco, fresco y ventilado donde la temperatura no sea mayor a 25 C y donde la humedad relativa no sea mayor al 75% Almacenamiento a corto plazo Una batería que se almacena durante un período menor a un año, puede guardarse llena de electrolito pero en posición de descarga. Ajustar el nivel de electrolito y ajustar los tornillos de las ventilaciones antes de almacenar. Mantener la batería en un lugar seco, fresco y bien ventilado donde la temperatura no sea mayor a los 25 C. 10

11 7. Averías y Solución de averías AverÍas Causas Solución de la avería La capacidad de la batería disminuye 1. El electrolito ha sido utilizado por mucho tiempo y en contenido de carbonato en el mismo es demasiado alto 2. El electrolizo no se utiliza de la manera adecuada 3. El electrolito no es suficiente y el nivel del mismo está por debajo de las placas superiores 4. Demasiadas impurezas en el electrolito 5. El mecanismo de carga7descarga no es correcto Reemplace el electrolito Reemplace el electrolito Agregue agua destilada y ajuste la densidad, luego sobrecargue Reemplace el electrolito luego de realizar una limpieza Utilice el mecanismo de carga7descarga correcto 6. Cortocircuito en la celda Reemplace la celda en cortocircuito 7. Cortocircuito fuera de la celda Mantenga la celda a temperatura seca 8. Los instrumentos utilizados no son correctos Verifique y rectifique el galvanómetro y el voltímetro El voltaje es incorrecto 1. El circuito interno de la celda es Limpie la celda o reemplace el electrolito corto o está cortado, el electrolito se ha filtrado 2. El circuito externo de la celda es Mantenga la celda seca y verifique corto o está cortado 3. Falla de contacto Verifique y repare Burbujas en el interior de la celda El contenedor de la celda se hincha El electrolito d li El electrolito contiene impurezas orgánicas Reemplace el electrolito 1. Se hincha la placa positiva Si es necesario, cambie la celda 2. La ventilación se encuentra bloqueada Limpie con agua caliente o reemplace 3. El circuito interno de la celda es Verifique y reemplace el electrolito corto o hay muchas impurezas en el electrolito 1. El nivel de electrolito es muy alto Drene el electrolito de la superficie 11

12 se desliza hacia afuera 2. La ventilación del terminal no está sellado Reemplace las partes selladas y ajuste los tornillos 3. Fluye demasiado electrolito Limpie y mantenga seco El electrolito sale del container plástico El electrolito sale del container de acero Existen poros y rajaduras ocasionadas por el transporte o por el funcionamiento o el contenedor y la tapa no se han adherido satisfactoriamente 1. Hay poros o la estructura soldada del contenedor y de la tapa se desgarra. 2. Derrame ocasionado por corrosión electromecánica durante la operación. Pegue las rajaduras con adhesivo disolviendo resina ABS en dicloroetano o en acetona. Limpie el alcalino en las partes de adherencia antes de pegar. Sumerja la batería en solución alcalina diluida luego de sacar el electrolito. La soldadura debe estar entre 10 y 15 cm. por encima de la solución alcalina Vuelva a soldar las rajaduras con un soplete pequeño N 4 o una punta de electrodo N 5. Se recomienda sellar la ventana de llenado al dar vuelta la batería. El contenedor deberá reemplazarse si el electrolito se derrama de otro lugar además de la soldadura en el contenedor o en la tapa. Si la corrosión está en la soldadura del fondo y de la tapa, puede volver a soldarse con un soplete pequeño. Si la corrosión está en otras partes del contenedor, éste deberá reemplazarse y mantenerse aislado y seco. 12

13 Apéndice 1 Elección del electrolito, preparación y almacenamiento 1. Elección del electrolito 1.1. La densidad, la composición y los aditivos se determinan según la temperatura operativa de la batería tal como se especifica en la siguiente tabla: Nº Temperatura de operación (?) Densidad (g/cm3) Composición de electrolito 1 < NaOH+20g/L LiOH 1: KOH+40g/L LiOH 1: ~ KOH 1: ~ KOH 1:2 Radio de peso (alcalino: agua) 1.2. Los requisitos técnicos del electrolito se indican en la Tabla 7 a continuación: (La densidad de referencia es g/cm3) Tabla 7 ÍTEMS REQUISITOS TÉCNICOS Apariencia externa ELECTROLITO NUEVO Sin color, transparente, ausencia de sustancia suspendida VALOR LIMITE DURANTE LA OPERACIÓN Densidad (15? Contenido (g/l) KOH:240~ 270NaOH:215~ 240 KOH:240~ 270, NaOH:215~ 240 CI-(g/L) < K2CO3(g/L) < Ca2+ Mg2+(g/L) <

14 Fe/KOH(NaOH)(%) < Requisitos técnicos para materia prima KOH: químico puro (GB ) o clase industrial (GB ) NaOH: químico puro (GB629-81) o clase industrial (GB209-84) LiOH H2: químico puro, el LiOH no debe ser menor al 50% Agua: agua destilada, agua de intercambio iónico, agua suavizada o agua de electro- ósmosis 2. Recipientes y accesorios Los envases para la preparación del electrolito deben ser plásticos, objetos con esmalte vitrificado o de acero sin mastiques de hierro óxido y sin costuras ni soldaduras. Las herramientas incluyen: metro ascensional (rango de 1.10 ~ 1.30), termógrafo, cilindro con medidas, embudo, balanza de plataformas, agitador o varilla plástica. 3. Preparación y almacenamiento 3.1. De acuerdo a la Tabla 6, pese la cantidad necesaria de alcalino. Coloque el agua en el recipiente, agregue el alcalino lentamente, siempre revolviendo. Luego agregue el hidróxido de litio en el recipiente y revuelva para disolver completamente. Enfríe a 20? 5?. Finalmente, mida la densidad y ajuste al nivel necesario Almacenamiento: El electrolito preparado debe guardarse en envases herméticos de plástico o porcelana. Manténgalo alejado de ácidos y otras impurezas. 4. Medidas de seguridad a tener en cuenta Al preparar el electrolito, el alcalino se le debe agregar al agua muy lentamente. Está prohibido colocar agua en el alcalino. Para la preparación del electrolito se deben utilizar guantes de goma, cubre zapatos de goma o ropa de trabajo para proteger la piel del alcalino. Si el alcalino entrara en contacto con la piel, se debe lavar inmediatamente con solución de ácido bórico al 3% o buscar ayuda médica inmediatamente. Esto también aplica para el contacto con ojos y mucosas. 14