ES2611341T3 - Electrodo de ozono ligero e intrínsecamente seguro - Google Patents

Electrodo de ozono ligero e intrínsecamente seguro Download PDF

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Abstract

Disposición de electrodos para un generador de ozono con un electrodo externo (1) tubular, que rodea concéntricamente y a una distancia un dieléctrico (2) tubular, rodeando el dieléctrico (2) a una distancia concéntricamente una barra (3), y estando previsto en el espacio intermedio entre el electrodo externo (1) y el dieléctrico (2) un material de relleno (4), así como estando previsto en el espacio intermedio entre el dieléctrico (2) y la barra (3) un material de relleno (5), caracterizada porque la barra (3) es un aislante y el material de relleno (5) constituye un electrodo interno.

Description

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DESCRIPCION
Electrodo de ozono ligero e intrmsecamente seguro
La presente invencion se refiere a un dispositivo para la generacion de ozono de acuerdo con la reivindicacion 1. El ozono es un fuerte oxidante para sustancias organicas y para compuestos inorganicos que contienen elementos con varios niveles de oxidacion. De los multiples campos de aplicacion del ozono cabe mencionar, entre otros, su uso en el tratamiento de aguas.
Tecnicamente, el ozono puede generarse mediante descarga electrica silenciosa en un gas con contenido en oxfgeno. Por descarga electrica silenciosa se entiende, a diferencia de una descarga por chispa, una descarga de plasma estable o descarga por efecto corona. A este respecto se disocia oxfgeno molecular en oxfgeno atomico. Los atomos de oxfgeno muy reactivos se combinan entonces en una reaccion exotermica con oxfgeno molecular y forman moleculas de oxfgeno de tres atomos, es decir ozono. La produccion de ozono depende, entre otras cosas, de la intensidad de campo electrico y de la temperatura operativa.
Ademas se ha observado una dependencia de la composicion del gas. La dependencia de la temperatura operativa se basa en que el ozono a temperaturas superiores se descompone mas rapido de nuevo en oxfgeno molecular y, debido al desplazamiento condicionado por ello del equilibrio entre el ozono que se forma y el ozono que se descompone, la concentracion de ozono disponible es menor. Intensidades de campo superiores, que conducen igualmente a una mayor produccion de ozono, pueden lograrse entre otras cosas mediante una reduccion del entrehierro y mediante la eleccion de dielectricos con constante dielectrica relativa superior. Para dielectricos con constante dielectrica relativa alta se consideran vidrios dopados o materiales ceramicos. No obstante, los dielectricos de materiales ceramicos tienen la desventaja de que no son homogeneos y pueden tener practicamente una rigidez dielectrica menor que los materiales homogeneos. Ademas, los materiales ceramicos de alta calidad como piezas moldeadas de alta estabilidad dimensional son extremadamente caros. Los dielectricos mas delgados aumentan ademas el riesgo de una descarga disruptiva dielectrica.
Hay limitaciones a una reduccion del entrehierro debido a las inevitables tolerancias de fabricacion asf como flexiones y alabeos por cargas mecanicas y dilatacion termica en el funcionamiento. Puesto que un aumento de la intensidad de campo debido a la reduccion de la anchura de entrehierro y al uso de dielectricos con constante dielectrica grande conduce a un considerable incremento de los costes de produccion, se imponen aqu limitaciones economicas.
Un dispositivo del tipo mencionado al principio se conoce por el documento WO 93/16001. La disposicion permeable a los gases, electricamente conductora y termoconductora la forman, a este respecto, un numero de espiras de forma helicoidal, que configuran una serie de superficies curvas, entre las cuales y los electrodos adyacentes se forma una descarga electrica de efecto corona. El dispositivo previamente conocido esta realizado esencialmente con simetna cilmdrica. A este respecto, en todos los ejemplos de realizacion, la disposicion forma, junto con un conductor situado en la misma, el electrodo interno. Este conductor es un hilo o un tubo, esta dispuesto y centrado mecanicamente en el dielectrico tubular. La disposicion en sf misma es un relleno que no tiene funciones de centrado.
Por el documento JP 1-51303 se conoce un dispositivo del tipo mencionado al principio, que igualmente esta realizado esencialmente con simetna cilmdrica. Dos tubos se sostienen centrados uno contra otro mediante distanciadores en los lados de borde. El entrehierro anular que se encuentra entre los mismos esta rellenado con la disposicion, que se describe como material de relleno. Esta esta dispuesta de manera irregular, lo que sucede necesariamente con un material de relleno y no tiene la funcion de un centrado mecanico del tubo interior en el tubo exterior.
En los dos documentos mencionados esta previsto en el medio en la disposicion de electrodos como soporte para el material de relleno un conductor metalico, que tambien sirve para la puesta en contacto electrica del material de relleno.
El estado de la tecnica mas proximo se expone en el documento EP 0 789 666 B1. Este documento describe generadores de ozono con un electrodo externo directamente refrigerado y un electrodo interno metalico en forma de barra con un dielectrico situado entremedias. Entre los electrodos y el dielectrico esta dispuesta en cada caso una rejilla metalica que, por un lado, mejora la transferencia termica del gas de carga a los electrodos refrigerados y, por otro lado, representa un gran numero de espacios huecos para la descarga silenciosa.
Gracias a la disposicion permeable a los gases, electricamente conductora y termoconductora se consigue que, con una refrigeracion forzada de los electrodos, tambien se disipe mejor el calor producido por la descarga asf como por la reaccion exotermica del oxfgeno atomico con el molecular en el entrehierro entre el electrodo y el dielectrico asf como del dielectrico, puesto que, por una parte, existe una union termoconductora directa entre el electrodo y el dielectrico y, por otro lado, aumenta esencialmente la superficie de transferencia termica con respecto al gas que fluye, mientras que se reduce el trayecto de transferencia termica con respecto a todos los puntos dentro del entrehierro. Puesto que el ozono tiende a volver a descomponerse a medida que aumenta la temperatura y se ajusta por tanto un equilibrio dependiente de la temperatura entre el contenido en ozono y en oxfgeno, mediante una
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refrigeracion eficaz puede disminuirse la descomposicion del ozono y mejorarse de este modo la produccion.
A diferencia de un entrehierro normal, a traves del cual fluye gas con contenido en oxfgeno y el ozono generado en un flujo casi laminar, a traves de la disposicion permeable a los gases, electricamente conductora y termoconductora se fuerza un flujo turbulento en el entrehierro con la consecuencia de que las moleculas de gas tambien llegan una y otra vez a la superficie de los electrodos directamente refrigerables y de este modo pueden disipar mejor el calor.
Debido a los materiales utilizados y al gran numero de disposiciones de electrodos en un generador de ozono potente, el peso de un generador de ozono de este tipo es muy alto, lo que aumenta los costes de material y los costes de transporte. Tampoco es optimo el comportamiento en caso de salto de chispa entre el electrodo externo y el electrodo interno o las rejillas unidas con los mismos de manera electricamente conductora. Una descarga disruptiva debido a una ruptura del dielectrico conduce, en general, a un cortocircuito entre la barra de electrodo y el tubo intercambiador de calor que actua como electrodo externo, lo que conduce a una desconexion del generador de ozono global.
Partiendo de este estado de la tecnica, la invencion se basa en el objetivo de mejorar el dispositivo de la tecnica mencionada al principio en el sentido de que se reduzca el peso global del dispositivo y se mejore el comportamiento en caso de descarga disruptiva.
Este objetivo se consigue por una disposicion de electrodos con las caractensticas de la reivindicacion 1.
Debido a que en la disposicion de electrodos para un generador de ozono con un electrodo externo tubular, que rodea concentricamente y a una distancia un dielectrico tubular, rodeando el dielectrico a una distancia concentricamente una barra, y estando previsto en el espacio intermedio entre el electrodo externo y el dielectrico asf como en el espacio intermedio entre el dielectrico y la barra un material de relleno, siendo la barra un aislante, la disposicion de electrodos global puede realizarse mas ligera que en el estado de la tecnica. En particular, en caso de una descarga disruptiva debido a una ruptura del dielectrico, la disposicion de electrodos puede mostrar un comportamiento electrico intrmsecamente seguro, debido a que, en la descarga disruptiva, el electrodo interno esencialmente mas ligero, constituido solamente por el material de relleno, puede evaporarse, sin que el electrodo externo esencialmente con mas masa resulte danado. El generador de ozono puede permanecer en funcionamiento en general pese a la descarga disruptiva.
La fabricacion es especialmente sencilla, cuando la barra es maciza. Tambien puede estar previsto que la barra sea hueca, con lo cual el peso baja aun mas.
Una disposicion especialmente robusta se obtiene cuando la barra es redonda. Una barra angular puede simplificar, no obstante, la fabricacion.
Preferentemente, la barra esta fabricada de un vidrio tecnico, por ejemplo de un vidrio comercializado bajo las marcas DURAN o PYREX.
Preferentemente, el material de relleno esta fabricado a partir de una rejilla metalica, preferentemente de acero fino. Sin embargo tambien pueden estar previstos en aplicaciones sencillas una tela o tejido, una malla o una masa de alambre desestructurada.
Una estructura especialmente compacta se obtiene cuando el material de relleno (5) esta dotado en el espacio intermedio entre el dielectrico y la barra directamente de una conexion para una alimentacion de tension electrica.
A continuacion se describe un ejemplo de realizacion de la presente invencion con ayuda del dibujo. Muestran:
la figura 1: una disposicion de electrodos para un generador de ozono en una representacion acortada en seccion longitudinal; asf como
la figura 2: la disposicion de electrodos de la figura 1 en una representacion en perspectiva.
En la figura 1 se representa, de manera acortada y en una seccion longitudinal, una disposicion de electrodos de un generador de ozono con un electrodo externo 1 tubular, un dielectrico 2 igualmente tubular y una barra 3 situada por dentro. La disposicion presenta simetna de revolucion. El electrodo externo 1, el dielectrico 2 y la barra 3 estan orientados concentricamente entre sf.
Entre el electrodo externo 1 y el dielectrico 2 hay una rejilla metalica 4, que rellena el espacio intermedio. De manera correspondiente, entre el dielectrico 2 y la barra 3 esta prevista una rejilla metalica 5, que rellena igualmente el espacio intermedio que allf se encuentra. El electrodo externo 1 esta configurado de manera conocida como tubo de acero fino y se refrigera durante el funcionamiento desde fuera. La estructura mecanica esta realizada de modo que el electrodo externo 1 forma parte de un intercambiador de calor de haces de tubos, que presenta un gran numero de disposiciones de electrodos de acuerdo con la figura 1, alrededor de los cuales circula por fuera agua fria.
El dielectrico 2 es igualmente, de manera conocida, un tubo de vidrio. Las rejillas metalicas 4 y 5 estan fabricadas preferentemente como el denominado cordon hueco redondo igualmente de una malla metalica de acero fino. Estos componentes se conocen por el estado de la tecnica generico.
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La barra 3 dispuesta en el centro de la disposicion de electrodos es de acuerdo con la invencion un aislante, por ejemplo fabricado de vidrio o de otro material compatible con oxfgeno y ozono. La barra 3 puede estar realizada, como se representa en la figura 1, maciza.
Durante el funcionamiento se aplica de manera conocida a la disposicion de electrodos un gas de carga con contenido en oxfgeno, que atraviesa las rejillas metalicas 4 y 5 en la direccion de la flecha 6.
La figura 2 muestra la disposicion de electrodos de la figura 1 en una representacion esquematica en perspectiva, estando representados los componentes individuales extrafdos unos de otros en la direccion axial. Tal como se muestra en la figura 2, la barra 3 tambien puede estar realizada como tubo, por ejemplo como tubo de vidrio.
Esquematicamente se indica una alimentacion de tension electrica 10, que por un lado esta puesta en contacto con el electrodo externo 1 y por otro lado con la rejilla 5. La tension de funcionamiento proporcionada por la alimentacion de tension 10 provoca en los espacios huecos de las rejillas 4 y 5 una descarga electrica silenciosa, que genera ozono a partir del oxfgeno que fluye en la direccion de la flecha 6 a traves de las rejillas 4 y 5.
En la estructura representada en las figuras 1 y 2, el electrodo interno esta formado solo por la rejilla 5, mientras que la barra 3 ejerce en tanto que aislante una funcion de soporte, que garantiza el relleno uniforme del espacio interior del dielectrico 2 con la rejilla metalica 5. La barra 3 tambien puede facilitar el montaje de la rejilla metalica 5 en el dielectrico 2.
Se muestra que la barra 3 realizada como aislante presenta varias ventajas, en comparacion con los electrodos centrales electricamente conductores conocidos por el estado de la tecnica de acero fino, sin influir negativamente en las propiedades electricas y en particular en la eficacia de la disposicion de electrodos por lo que respecta a la generacion de ozono. Las ventajas de la barra 3 realizada como aislante consisten, por un lado, en el menor peso. Mientras que el acero fino habitualmente utilizado presenta una densidad de alrededor de 7.900 kg/m3, la densidad de un vidrio tecnico, que puede usarse para la barra 3, se indica con 2.230 kg/m3. Debido al gran numero de electrodos en un generador de ozono potente se reduce, de manera correspondiente, el peso global.
La superficie electricamente conductora necesaria para la descarga de barrera utilizada para la generacion de ozono puede reducirse a un tamano requerido mmimo.
Un aspecto importante cosiste en la proporcion de masas entre el electrodo externo 1 y la rejilla metalica utilizada como contraelectrodo 5. Mientras que el electrodo externo esta fabricado a partir de un tubo acero fino, que presenta un peso por metro de aproximadamente 350 g, el contraelectrodo se fabrica a partir de un alambre de acero fino con un diametro de alambre de aproximadamente 0,2 mm y pesa por metro solo alrededor de 12 g. La rejilla metalica 5 es por tanto considerablemente mas ligera que el electrodo externo 1. La capacidad termica, la temperatura de fusion y la energfa de fusion de los materiales usados para el electrodo externo 1 y para la rejilla metalica 5 son aproximadamente iguales. La barra 3 no participa en los procesos electricos en el caso de una descarga disruptiva y puede ignorarse a este respecto.
Esto significa que, en el caso de un fallo de aislamiento, que puede suceder por una ruptura del dielectrico 2 debido a carga mecanica, la disposicion de electrodos muestra un comportamiento intrmsecamente seguro. Si se produce un cortocircuito entre el electrodo externo 1 y la rejilla metalica 5, entonces debido a la relacion de masas anteriormente descrita la rejilla metalica 5 se evapora debido al salto de chispa electrico, hasta que se vuelve a establecer una distancia suficientemente grande entre la rejilla metalica 5 y el electrodo externo 1. El electrodo externo 1 no resulta danado ni afectado en este caso gracias a su masa esencialmente mayor. El electrodo danado puede permanecer por lo tanto en el generador de ozono y no tiene que sustituirse inmediatamente. Este comportamiento intrmsecamente seguro no puede conseguirse si se utiliza un conductor metalico como barra 3 central y por tanto como contraelectrodo en el centro de la disposicion de electrodos.
Como material para la barra 3 se consideran, sobre todo, vidrios tecnicos, que pueden realizarse como barra a partir de un material macizo redondo, a partir de material macizo angular o tambien como tubo. Los demas componentes de la disposicion de electrodos corresponden al estado de la tecnica generico descrito al principio, produciendose la puesta en contacto de la alimentacion de tension 10 directamente con la rejilla 5, mientras que en el estado de la tecnica la puesta en contacto puede producirse con el electro central.
Lista de referencias
1. electrodo externo
2. dielectrico
3. barra
4. rejilla metalica
5. rejilla metalica
6. direccion de flujo
10. alimentacion de tension electrica

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Disposicion de electrodos para un generador de ozono con un electrodo externo (1) tubular, que rodea concentricamente y a una distancia un dielectrico (2) tubular, rodeando el dielectrico (2) a una distancia concentricamente una barra (3), y estando previsto en el espacio intermedio entre el electrodo externo (1) y el
    5 dielectrico (2) un material de relleno (4), asf como estando previsto en el espacio intermedio entre el dielectrico (2) y la barra (3) un material de relleno (5), caracterizada porque la barra (3) es un aislante y el material de relleno (5) constituye un electrodo interno.
  2. 2. Disposicion de electrodos segun la reivindicacion 1, caracterizada porque la barra (3) es maciza.
  3. 3. Disposicion de electrodos segun la reivindicacion 1, caracterizada porque la barra (3) es hueca.
    10 4. Disposicion de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la barra (3) es
    redonda.
  4. 5. Disposicion de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la barra (3) esta fabricada de vidrio
  5. 6. Disposicion de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el material de 15 relleno (4) y el material de relleno (5) estan fabricados a partir de una rejilla metalica.
  6. 7. Disposicion de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el material de
    relleno (5) en el espacio intermedio entre el dielectrico (2) y la barra (3) esta dotado de una conexion para una
    alimentacion de tension electrica (10).
  7. 8. Disposicion de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la barra (3) 20 dispuesta en el centro de la disposicion de electrodos esta fabricada de vidrio o de otro material compatible con
    oxfgeno u ozono.
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