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Eezeichnung: ELEKTROLYSE - APPARAT
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Oie Erfindung betrifft einen Elektrolyse-Aoparat zur Erzeugung von
Natriumhypochlorit (NaC10), aus Kochsalz (NaCl), zur intkeimung von Trink- und Schwimmbadwasser.
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Kochsalz wird durch eine Bypass-Anordnung des externen Wasserkreislaufes
gelost und in eine gesättigte wässrige Lösung (sole) überführt. Diese dringt gemäR
Zeichnung Figur 1 in die Elektrolysezelle Figur 1-01, in der sich Kathode und Anode
Figur 1-02 befinden und an welche eine transformierte und gleichgerichtete Spannung
gelegt wird, die den folgenden Elektrolyevorgang bt-3-wirkt: a) beim Lesen von NaCl
in H20 spaltet sich das Salz in sin positiv geladenes Na# -Ion und ein negativ galadenes
fl -Ton.
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b) Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Salzlösung (H20»NaCl)
werden die Na4 -Ionen zur Kathode (-K) und die cr -Ionen zur Anode y A) angezogen:
Es bilden sich somit wieder zwei neutrale Atome.
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c) Der Reagenzvorgang verlauft so:
das sich bildende Wasserstoffgas erzeugt eine gewollte Turbulenz in der Elektrolysezelle.
Die in der ersten chemischen Reaktion entstandene Natronlauge (NaOH) und die unterchlorige
Saure (HOCl) mischen sich dabei schlagartig und es entsteht ein neuer Stoff:
nämlich das erwähnte Natriumhypochlorit und Wasser.
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Dieses Natriumhypochlorit ist unstabilisiert und nicht zu verwechseln
mit der bekannten hochkonzentrierten
Chlorbleichlauge.
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NaC10 ist ein äußerst rasch und hochwirksames Desinfektionsmittel,
das eine vorschriftsmäßige Wasseraufbereitung und sichere Entkeimung gewährleistet.
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Dies ist ein bekanntes Laborverfahren (Hoffmann'scher Wasser-Zersetzungsapparat).
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Es sind Elektrolyse-Apparate bekannt (Herstellerfirma Ospa Stuttgart
und A.W. Korthals Ru"schlikon/Schweiz). Bei den Apparaten der Fa. Ospa erfolgt die
Umwandlung von NaCl über eine Diaphragma-Elektrolyse, bei der in der einen Kammer
unterchlorige Säure und in der anderen Kammer Natronlauge entsteht. Bei den Apparaten
der Fa. A.W. Korthals wird zwar auch durch Anlegen einer gleichgerichteten Spannung
an Kathode und Anode in einer Elektrolysezelle Natriumhypochlorit aus NaCl erzeugt
und, obwohl ein Steinwollfilter am Fußpunkt der Elektrolysezelle das Eindringen
von ungelõstem Salz oder Schmutz verhindern soll, kann es passieren, daß dieser
Steinwollfilter beim Transport oder durch Wasserströmung oder das Auswechseln der
Elektrolyssstäbe (Kathode und Anode) verrutscht, zwischen Kathode und Anode gerät
und somit keine einwandfreie Filterwirkung gewahrleistet. Bei den Korthals-Apparaten
kann durch das Ausbleiben des notwendigen Wasserdurchflusses sich die Elektrolysezelle
so stark erhitzen, daß durch die Ausdehnung des erhitzten Wassers und durch den
Überdruck des erzeugten Wasserstoffs in der Elektrolysezelle der gesamte PVC-Kessel
zerplatzen kann. Außerdem ist bei den Korthals-Gsraten der Schaltschrank bzw. das
elektrische Versorgungsteil von der eigentlichen Elektrolysezelle räumlich getrennt
und mit einer flexiblen Verbindungslsitung verbunden und erlaubt außerdem keinen
allpoligen Anschluß an das elektrische 220 Volt Stromnetz, da eine Verwechslung
zwischen Phase und Null-Leiter zu einer gefährlichen und VDE -mäßig nicht mehr zulässigen
Beruhrungsspannung an den außen angebrachten zugänglichen Gleichrichter-Kuhlkorpern
fuhren kann.
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Im Vergleich zu bisher bekannten Geräten werden sämtliche Parameter,
die für eine optimale Steuerung erforderlich sind, erfaßt und meßtechnisch ausgewertet.
So wird hier z.B. nicht nur
der Spannungsnulldurchgang sondern auch
der Stromnulldurchgang gemessen und über digitale Verknupfungen in die Steuerung
einbezogen.
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Die Gesamtheit aller erfaßten Parameter sichert eine gute Funktior
über den gesamten Arbeitsbereich und gewährleistet optimalen Wirkungsgrad.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Saizvorratsbehälter
und integrierte Elektrolysezelle mit dem Strornversorgungsteil, bestehend aus: GFK-Aufsatz
(Fig. 1/053 mit einge bautem Gleichrichter, Steuer-Elektronik im Europa-Karten -Einschubsystem,
erweiterungsfahig durch Einschub auf Digital- oder Analog-Anzeige und vollautomatisch
messend und regelnde Einschubkarte für rH- und pH-Wertautomatik> und Leistungselektronik
im gleichen GFK-Gehäuse, getrennt durch einen GFK-Zwisc#enboden, zu einer Kompakteinheit
zusammen zu fassen (Fig.1).
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Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, den Steinwollfilter
(Fig. 1-03) durch einen in das Rohr der Elektrolysezelle eingeschweißten Anschlag-Grobfilter
(Fig. 1-04) zu fixieren und gleichzeitig damit ein Verrutschen oder unbe#bsichtiges
Herausziehen beim Reinigen der Elektroden zu verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt ausserdem die Aufgabe zugrunde.
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durch den in den Elektrolysekopf (Fig. 1-06) eingelassenen Thermofühler
(Fig. 1-07), eine Überhitzung über den kritischen Temoeraturpunkt für den PVC-Kessel
zu verhindern und durch s:3lbsttätiges Abschalten der Leistungselektronik einer
Zerstörung des gesamten PVC-Behälters entgegen zu wirken.
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Die Erfindung betrifft im speziellen die elektronische Steuer-und
Regeleinheit für das Elektrolysegerät Typ RTS 22 mit einer Leistung von 22 gr. Natriumhypochlorit
(NaClO) pro Stunde 2 l.O Allgemeine Beschreibung: Die genannte Elektronik übernimmt
die gesamte Steuerung und Regelung für Wasserentkeimungsanlagen nach dem Elektrolyseorinzip.
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1.1 Prinzip: Durch Trafo und sekundärer Gleichrichterschaltung wird
eine Gleichspannung an eine Elektrolysezelle gelegt. Der dadurch bedingte Strom
wird gemessen und durch die lineare Reglerelektronik mit einem eingestellten Sollwert
verglichen.
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Eine daraus resultierende Abweichung verändert den Stromflußwinkel
des Leistungstsiles. Die Leistungselektronik schaltet direkt die Primärwicklung
des Transformators und regelt so eine Abweichung in positiver oder negativer Richtung
aus.
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2.0 Mechanischer Aufbau: Der Aufbau der verschiedenen elektronischen
Einheiten erfolgt auf Europa-Karten l00x160 mm, die mit eigenen Frontplatten unterschiedlicher
Breite ausgerüstet sind. Die Frontplatten nehmen alle Bedien- und Melde-Organe auf.
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Die Karten sind mit einer 31-poligen Stiftleiste ausgertstet.
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Je nach Ausstattungsgrad werden die verschiedenen Karten in einen
Kartenträgerrahmen eingeschoben. Dieser ist mit Buchsenleisten ausgerüstet. Ober
diese werden alle srforderlichen Querverbindungen zwischen den Karten hergestellt,
sowie alle abgehenden und ankommenden Signale geführt. Somit ergibt sich ein modules
System. Bereits der Grundstandard von 2 Karten erfüllt alle regel- und steuerungstechnische
Aufgaben. Mit weiteren Elektronikmodulen 13Bt sich durch einfaches Zustecken das
System ausbauen.
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3.0 Das elektronische System: Das System besteht in maximaler Konfiguration
aus folgenden Modulen: 3.1 Netzkontrolle: Die Einspeisung der 220 Volt Versorgungsspannung
erfolgt über einen 2-poligen Netzschalter und einer Feinsicherung.
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Die Kontrolle erfolgt Ober eine Miniatur-Neonlampe. Diese Teile sind
an der Frontplatte zugänglich.
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3.2 Stromversorgungskarte: Die Stromversorgungskarte übernimmt die
Gleichstromversorgung aller weiteren elektronischen Einheiten. Die Einspeisung von
220
Volt erfolgt Ober eine eigene Absicherung. Diese ist vorn an der Frontplatte zugängig.
Am Ausgang stehen an der Fsderlsiste die geregelten internen Versorgungsspannungen
zur Verfügung. Eine Anzeige und Kontrolle erfolgt mit grunen Leuchtdioden auf der
Frontplatte. Die Ausgänge esind auf der Karte zusätzlich abgesichert.
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3.3 Reglerkarte: Ein als aktive Glättung geschalteter fRnerationsv6rstRirker
verstärkt den an einem Shunt gemessenen Strom-Istwert.
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Dieses Signal wird dem eigentlichen Regelverstärker aufge schaltet.
Dieser vergleicht Ist- und Sollwert und steuert mit seinem Ausgangssignal eine Phasenanschnittsteuertjng.
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Diese ermittelt laufend die Nulldurchgänge von Strom und Spannung
und erzeugt in Abhängigkeit hiervon Zündimoulse für einen Triac. Der Triac schaltet
die Primärwicklung des Transformators und verändert entsDrechend der Sollwertvor
gabe und Regeldifferenz den Stromflußwinkel. Nach diesem Prinzip läßt sich die Spannung
und damit der Strom durch die Elektrolysezelle einstellen und entsprechend dem geforderten
Wert konstant halten Die Einstellung erfolgt mit einem Potentiometer an der Frontplatte.
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Weiter ist eine Temperatu rubsrwachung mit Speicherverhalten integriert.
Ein Meßfühler mißt die Temperatur direkt in der Elektrolysezelle zwischen Anode
und Kathode. Wird ein bestimmtsr einstellbarer Wert überschritten, erfolgt die Reglersperre.
Es werden keine Zündimpulse mehr erzeugt und der Stromfluß im Transformator unterbrochen.
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Die Reglersperre muß nach abgeklungener Übertemperatur mit einem
Taster rückgesetzt werden. Taster sowie Leuchtdioden zur Meldung der Übertemperatur
befinden sich auf der Frontplatte.
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Durch die Auslegung der Elektronik wird eine völlige galvanische
Trennung zwischen 220 Volt und der Niederspannung erreicht. Hierzu Wirk-Schalt#lan
(Fig. 2).
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3.4 pH- rH- Messung: Im Grundaufbau besteht diese Karte aus einer
sehr genauen
rH-MsEsinrichtung. Die Anzeige erfolgt von vorn ablesbar
mit einer mehrstelligen Flüssigkristellenzeigs. Entsprechend einem an der Frontplatte
vorgegebenen Wert werden von einem 3-Punktreglar Signale zur Steuerung der analogen
Regelung (3.3) erzeugt.
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Als Tochterkarte kann eine unabhängige pH-Messung aufgesteckt werden.
Sie besitzt einen eigenen 3-Punktregler, dessen Ausgangsstufe zur Steuerung einer
externen Säurepumpe verwendet werden kann. Die Anzeige kann an der Frontplatte mit
einem Schalter wahlweise rH- oder pH-Werte anzeigen.
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3 Elektrolyse-Apparat RTS 22, Funktionsbeschreibung.
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In den PVC-Kesssl (Fig. 1-00) wird Ober den geöffneten Einfullstutzen
(Fig. 1-24) Kochsalz eingefüllt. Bei diesem Vorgang sind die beiden externen Absperrventile
natürlich geschlossen. Nach Befüllung wird der Salzeinfüllstutzen (Fig. 1-24) mit
einer dichtenden Schraubkappe verschlossen. Nun werden die beiden externen Absperrventile
wieder geöffnet. Durch eine Bypass-Schaltung eines zu behandelnden Wasserkreislaufes
dringt, bedingt durch leichte Drosselung des Drosselventils das wasser Ober die
Einlauftülle (Fig. 1-22) in den im Kesseldeckel untergeschweißten Zwischenboden
(Fig. 1-11) und fließt durch denselben hindurch und verläßt den Zwischenboden (Fig.
1-11) an der Auslauftülle (Fig. 1-23). Durch eine Bohrung (Fig. 1-12) im Zwischenboden
(Fig. 1» fließt so lange Wasser (Fig. 1-16), bis der Kessel (Fig. 1-00) bis oben
befüllt ist. Das sich im Kessel befindende Salz (Fig. 1-15) wird durch das Wasser
angelöst und dringt Ober 4 Schlitzbohrungen (Fig. 1-14) durch den Filter (Fig. 1-03)
und den Anschlag-Grobfilter (Fig. 1-04) in die Elektrolysezelle (Fig. 1-013. Am
Elektrodenkopf (Fig. 1-06) befindet sich in der Mitte die Kohlekathode (Fig. 1-17)
als Minuspol und 3 symmetrisch angeordnete Elektroden (Fig. 1-18) als Pluspol sowie
ein Thervnofühler (Fig. 1-07), der die Aufgabe hat, bei Obertemperatur die Leistungselektronik
(Fig. 1-20) über die Steuerelsktronik (Fig. 1-19) auszuschalten, so daß zwischen
Plus und Minus (Kathode und Anode) kein Strom mehr fliessen kann. Die Kathode
(Fig.
1-17) besteht aus einem Kohle/Grafitstab mit 25 mm Durchmesser und 40 cm Länge.
Die 3 Elektroden als Anode (Fig. 1-18) bestehen aus je einem platinierten Titan-Stab
mit 4 mm Durchmesser und 40 mm Länge. Die Titan-Stäbe sind mit 2 my Platin beschichtet.
Dieser komplette Elektrodensatz (Fig. 1-02) wird in das Elektrolyserohr (Fig. 1-01)
gesteckt und der Elektrodenkopf (Fig. 1-06) wird durch eine GF-Überwurfmutter fest
abgedichtet.
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Nun befindet sich der Elektrodensatz (Fig. 1-02) in einer gssättigten
Salzlosung, die wie vor beschrieben über die Schlitzbohrungen (Fig. 1-14), den Filter
(Fig. 1-03) und den Anschlaggrobfilter (Fig. 1-04) in das Elektrolyserohr (Fig.
1-01) gedrungen ist.
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Mit dem PVC-Behälter (Fig, 1" ist die Steuer- und Leist;ungs-Elektronik
(Fig. 1-19 1-20), eingebaut in ein GF-Gshäuss (Fig. 1-05) gem. Detailzeichnung (Fig.
3,4 u. 5), fest zu einer Kompakteinheit verbunden.
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über Schuko-Netzstecker (Fig. 1-21) wird das Gerät an ein 220 V/50
Hz-Stromnstz angeschlossen.
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Über die Rsgel- und Leistungselektronik (Fig. 2) wird durch Potentiometereinstellung
in Abhängigkeit des Leitwertes in der Elektrolysezelle (Fig. 1-013 ein gleichgerichteter
Strom uf Kathode und Anode geschickt. Hierbei erfolgt die durch den Hoffmann'schen
Wasserzersetzungsapparat und ähnlicher Apparate bekannte Umwandlung von NaCl in
NaClD unter gleichzeitiger Freisetzung von Wasserstoff. Das Verfahren selbst ist
bekannt.
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Daraus sollen selbstverständlich keine PatentansprOche abgeleitet
werden, sondern lediglich die neue und spezielle Art bzw. Konstruktion des beschriebenen
kompletten Elektrolyse-Apparates.
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Durch die Bildung von Wasserstoff (H) entsteht in der Elektrolysezelle
(Fig. 1-01) ein Überdruck. Dieser bewirkt, da das in der Elektrolysezelle (Fig.
1-01) entstendene Natriumhynochlorit durch eine Schlitzbohrung (Fig. 1-13) in den
Zwischenboden (Fig 1-11) gedrückt und vom Wasserstrom, der über den Einlaufstutzen
(Fig. 1-22) durch diesen Zwischenboden strömt und ihn am Auslaufstutzen (Fig. 1-23)
wieder verläßt, mitgerissen wird. Das erzeugte Natriumhypochlorit vermischt sich
mit dem durchstrBmenden
Wasser, verläßt den Apparat und tritt durch
die Bypass-Anordnung, die extern vorhanden sein muß, wieder in den Hauptwaseerstrom.
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Diese Stelle nennt man Impfstelle.
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Besonderer Hinweis: Auch auf diese Bypass-Anordnung werden keine PatentansprOche
abgeleitet.
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Sobald das Salz im PVC-Behälter (Fig. 1-00) verbraucht ist - dies
sieht man an im PVC-Behälter angebrachte FUllstands-Kontrollfenster, muß der Behälter
erneut mit Salz befullt werden. Dies geschieht auf folgende Weise: Der Apparat wird
durch einen in der Frontplatte angebrachten Hauptschalter strommäßig abgeschaltet.
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Die beiden externen Absperrventile messen geschlossen werden.
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Dann wird die Schraubkappe zu dem Einfüllstutzen (Fig. 1-24) entfernt
und Salz wird mittels eines Trichters eingefüllt. Hierzu muß das sich im Kessel
befindliche Wasser verdrängt werden.
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Dies geschieht Ober den zu öffnenden Ablaßhahn (Fig. 1-09). Ist der
Salzfüllstand erreicht, wird der Ablaßhahn (Fig. 1-09) wieder geschlossen, der Einfullstutzen
(Fig. 1-14) ebenfalls. Danach werden die externen Absperrventile wieder geöffnet
und das Gerät wird am Netzhauptschaltsr eingeschaltet und somit wieder betriebsbereit
gemacht.
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In dem Ablaßhahn (Fig. 1-09) ist ein Sicherheits-Oberdruckventil (-Fig.
1-08) eingearbeitet. Dies besteht aus einem Passitz, in dem ein O-Ring eingelegt
ist. Davor liegt eine dichtende Glaskugel, die über eine Hastloy-Feder mit einer
Vordruckspannung von 1,5 bar an den O-Ring angepreßt wird.
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O-Ring, Hasteloy-Feder und Regulierschraube befinden sich im Zapfen
des Ablaßhahnes (Fig. 1-09) und enthalten eine Längs- und vier Querbohrungen.
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Tritt ein für den Kessel (Fig. 1-00) kritischer Überdruck von mehr
als 1,5 bar auf, drückt die Glaskugel die Hasteloy-Feder zurück, gibt ihre dichtende
Passitzposition an dem O-Ring auf, so daß Überdruckwasser durch die Längs- und Duerbohrungen
austritt und über die normale Schlauchtulle des Ablaßhahnes (Fig. 1-09) abfliessen
kann.
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Zum Auswechseln des Filters (Fig. 1-03) wird die Schraubkappe (Fig.
1-10) entfernt. Danach kann der alte Filter herausgezogen und der neue eingesetzt
werden. Die Schraubkappe wird wieder aufgesetzt und dichtet das Elektrolyserohr
(Fig. 1-01 nach unten hin durch einen C ing ab.
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