ES2934683T3 - Generación in situ sin transformador - Google Patents

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Abstract

Métodos y aparatos para electrólisis que no requieran el uso de un transformador para operar. El aparato comprende una o más celdas electrolíticas que comprenden el número de electrodos intermedios suficiente para permitir que la celda o celdas operen a la tensión de línea rectificada sin necesidad de regulación de tensión, o cerca de la tensión de línea rectificada con sólo alguna regulación de tensión, tal como menos del 20% de la tensión de línea rectificada. Tal regulación se logra mediante el uso de un convertidor reductor o elevador en lugar de un transformador, y se puede variar para acomodar las fluctuaciones en el voltaje de línea y/o la conductividad del electrolito, o variar para producir diferentes compuestos químicos en el mismo aparato. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Generación in situ sin transformador
Antecedentes de la invención
Campo de la invención (ámbito técnico):
La presente invención es un aparato y configuración para suministrar potencia a una o más celdas electrolíticas sin requerir un gran transformador para llevar la tensión de CA entrante a una tensión de CC más baja. Esta innovación supone una mejora sustancial en costes y espacio con respecto a otros diseños de celdas electrolíticas.
Antecedentes de la técnica:
Las celdas electrolíticas de configuración monopolar o bipolar para la generación in situ (OSG) de oxidantes suelen disponerse en configuraciones eléctricamente paralelas. Las tensiones utilizadas para una celda monopolar suelen variar entre 3,5 y 6,0 voltios de placa a placa. Las celdas electrolíticas bipolares suelen tener tensiones algo más elevadas, pero suelen funcionar con tensiones de CC de 9,0 a 42,0 voltios. Una fuente de alimentación de CC conmutada, o transformador acoplado con otros dispositivos (diodos, SCR, condensadores, etc.) se suele utilizar para tomar la tensión o tensiones de CA de entrada disponibles (por ejemplo 110V, 220 V, 400 V, 480 V, 600 V) para proporcionar una menor tensión CC constante en la celda. Esta metodología/aparato de reducción de la tensión tiene desventajas sustanciales. El coste de las mercancías vendidas (COGS) asociado al aparato de reducción de tensión suele ser una parte sustancial del coste total del generador in situ (a menudo entre el 10 y el 50 %). Reducir la tensión conlleva también a importantes pérdidas de potencia, aumentando el coste operativo de generar oxidantes u otros productos químicos in situ y creando más calor, que de alguna forma debe ser tratado con ventiladores de refrigeración, etc.
Finalmente, la huella y el peso asociados al aparato utilizado para reducir la tensión son una parte sustancial de la huella y el peso totales (normalmente entre el 10 y el 45 %).
El documento US 4085028 A describe un aparato para electrolizar una solución de salmuera acuosa diluida para la preparación electroquímica de hipocloritos o cloro a partir de soluciones acuosas diluidas de cloruros que comprende un puente rectificador de onda completa adaptado para conectarse eléctricamente de forma directa a una fuente de corriente alterna y un conjunto de electrodos conectados a través de dicho rectificador que comprende un electrodo negativo, un electrodo positivo, y uno o más electrodos bipolares.
Sumario de la invención (Divulgación de la invención)
Una realización de la presente invención es un aparato como se define en la reivindicación 1. El aparato comprende una o más celdas electrolíticas que comprenden un número de electrodos intermedios suficiente para permitir que el aparato funcione dentro de solo un porcentaje de una tensión de línea rectificada, manteniendo al mismo tiempo una tensión deseada de placa a placa entre electrodos intermedios adyacentes, no comprendiendo el aparato un transformador. El aparato incluye regulación de tensión proporcionada por un circuito convertidor reductor o un circuito convertidor elevador. La regulación de tensión puede variar una tensión a través de la una o más celdas electrolíticas hasta aproximadamente el veinte por ciento de la tensión de línea rectificada. Si se utiliza más de una celda electrolítica, se conectan preferiblemente en serie. El aparato comprende además una pluralidad de contactores en una configuración de puente en H para invertir la polaridad de una o más celdas electrolíticas para permitir la autolimpieza de una o más celdas electrolíticas.
Otra realización de la presente invención es un método para realizar electrólisis como se define en la reivindicación 4, comprendiendo el método la rectificación de la tensión de línea entrante; proporcionar una o más celdas electrolíticas que comprendan un número de electrodos intermedios suficiente para permitir que la una o más celdas electrolíticas funcionen dentro de solo un porcentaje de una tensión de línea rectificada, manteniendo al mismo tiempo una tensión deseada de placa a placa entre electrodos intermedios adyacentes; y variar la tensión de línea rectificada sin utilizar un transformador. La variación de la tensión de línea rectificada se realiza mediante un circuito convertidor reductor o un circuito convertidor elevador. La variación de la tensión de línea rectificada comprende preferiblemente la variación de una tensión a través de una o más celdas electrolíticas hasta aproximadamente el veinte por ciento de la tensión de línea rectificada. La variación de la tensión de línea rectificada permite, opcionalmente, adaptarse a las fluctuaciones de la tensión de línea entrante o modificar los productos químicos, por ejemplo, la cantidad de hidrógeno y la relación entre hipoclorito y peróxido de hidrógeno, producida por una o varias celdas electrolíticas. La variación de la tensión de línea rectificada comprende opcionalmente la adaptación de una conductividad variable del electrolito, tal como la producida por las fluctuaciones de salinidad y/o temperatura del agua de mar. Si se utiliza una pluralidad de celdas, el método comprende preferiblemente conectarlos en serie. El método comprende además invertir la polaridad de una o más celdas electrolíticas utilizando una pluralidad de contactores en una configuración de puente en H, autolimpiando así la una o más celdas electrolíticas. La variación de la tensión de línea rectificada mediante un circuito convertidor elevador comprende preferiblemente la captación de potencia de una fuente de alimentación de baja tensión o la adaptación de la salida de un conjunto solar a una tensión deseada a través de una o más celdas electrolíticas.
Los objetivos, ventajas y características novedosas, así como el alcance de aplicación de la presente invención se expondrán en parte en la descripción detallada que figura a continuación, tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, y en parte serán evidentes para los expertos en la materia tras examinar lo siguiente, o pueden aprenderse por la práctica de la invención. Los objetivos y ventajas de la invención pueden realizarse y alcanzarse por medio de los instrumentos y combinaciones señalados particularmente en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que se incorporan y forman parte de la memoria descriptiva, ilustran una realización de la presente invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. Los dibujos tienen tan solo la finalidad de ilustrar diversas realizaciones preferidas de la invención y no deben considerarse como una limitación de la invención. En los dibujos:
La Figura 1 es un diagrama de circuito de una realización de la presente invención.
La Figura 2 es un diagrama de circuito de la realización de la Figura 1 que comprende también un condensador de filtro.
La Figura 3 es un diagrama de circuito de la realización de la Figura 2 que comprende además un circuito de puente en H para realizar la limpieza de polaridad inversa de la celda o celdas.
La Figura 4 es un diagrama de circuito de la realización de la Figura 3 que comprende además un convertidor reductor.
La Figura 5 es un diagrama de circuito de la realización de la Figura 3 que comprende además un convertidor elevador.
Descripción detallada de realizaciones de la invención
Las realizaciones de la invención son métodos y aparatos para proporcionar potencia a una o más celdas electrolíticas. Los aparatos toman una potencia entrante de un tipo y la convierten en potencia adecuada para accionar un banco o línea de celdas electrolíticas dispuestas eléctricamente en serie y/o una única celda electrolítica bipolar de gran tamaño diseñada para gestionar las altas tensiones.
En la realización simple (no de acuerdo con la presente invención) mostrada en la Figura 1, la potencia CA entrante 10 pasa a través del fusible 30 y, por el control 20 del contactor, rectificador de diodos 40 y se aplica a continuación a una celda bipolar o a una pluralidad de celdas electrolíticas 50, estas últimas dispuestas preferiblemente en serie, que normalmente no pueden utilizar directamente la potencia CA convencional. El rectificador de diodos convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC) ondulada. La tensión CC efectiva en la celda o línea de celdas es de aproximadamente 1,4 x VAC. Por tanto, para varias celdas, N celdas electrolíticas diseñadas para funcionar a 1/N x (1,4 x VAC), cada una con tensiones de placa a placa entre electrodos intermedios de 3,5-7V, se disponen preferiblemente eléctricamente en serie, lo que permite eliminar el transformador.
La Figura 2 es una realización similar (no de acuerdo con la presente invención), en la que la potencia CA entrante 60 pasa a través del fusible 80, el rectificador de diodos 90 por el control 70 del contactor, y el condensador de filtro 95, lo que suaviza la tensión CC ondulada, que se aplica a continuación a una celda bipolar o a una pluralidad de celdas electrolíticas 100.
La Figura 3 es un esquema de otra realización (no de acuerdo con a la presente invención) que comprende contactores (es decir, interruptores y/o relés) dispuestos en una configuración de puente en H para invertir la polaridad a fin de limpiar las celdas electrolíticas (preferiblemente durante un breve periodo de tiempo y/o a corrientes más bajas). La potencia CA entrante 110 pasa a través del fusible 130, el rectificador de diodos 140 por el control 120 del contactor, y el condensador de filtro 145, y se aplica a continuación a una celda bipolar o a una pluralidad de celdas electrolíticas 150. Los relés 151, 152, 153, 154 están dispuestos preferiblemente en una configuración de puente en H y están controlados por la señal de polaridad directa 156 y la señal de polaridad inversa 158.
El circuito de la Figura 4 de una realización de acuerdo con la invención utiliza un convertidor reductor además de la configuración de la Figura 3. La potencia CA entrante 160 pasa a través del fusible 180, el rectificador de diodos 190 por el control 170 del contactor, y el condensador de filtro 195, y se aplica a continuación a una celda bipolar o a una pluralidad de celdas electrolíticas 200. Los relés 201, 202, 203, 204 están dispuestos en una configuración de puente en H y están controlados por la señal de polaridad directa 206 y la señal de polaridad inversa 208. El convertidor reductor, mediante la alteración de la señal de modulación de anchura de impulsos (PWM) 210 del interruptor MOSFET 220 proporciona una forma eficaz de reducir la tensión de la red rectificada. El convertidor reductor comprende también preferiblemente el diodo 230, el condensador de filtro 240, y el inductor 250.
Utilizar un convertidor reductor o un circuito similar tiene ciertas ventajas sobre el uso de un transformador para reducir la tensión, como es habitual en los sistemas existentes. En primer lugar, se puede seleccionar una tensión adecuada para la electroquímica requerida por el usuario. Es decir, utilizando diferentes tensiones de electrodo a electrodo, se pueden conseguir diferentes químicas. Por ejemplo, se puede aumentar o disminuir la producción de hidrógeno, o favorecer la producción de hipoclorito frente a la de peróxido de hidrógeno (o viceversa).
En segundo lugar, la presente invención puede compensar más fácilmente las diferentes tensiones de red que se encuentran en todo el mundo. La fabricación de equipos industriales para el mercado internacional requiere que los equipos utilicen diferentes tensiones de red CA. En todo el mundo, la corriente trifásica puede ser de 208, 220, 230, 240, 346, 380, 400, 415, 480, 600 o 690 VCA a 50-60 Hz. Normalmente, esto requiere transformadores especiales diseñados para un intervalo específico de tensiones o transformadores elevadores/reductores utilizados junto con un transformador estándar diseñado para el funcionamiento de la línea de celdas a una tensión establecida específica. Un ejemplo convencional es el de un primario de transformador diseñado principalmente para utilizar una red de 480 VCA y un secundario rectificado que produce 42 VCC. Si este transformador se conectara a una red de 380 VCA, la salida rectificada sería de 33,3 VCC, lo que sería demasiado bajo para impulsar la línea de celdas. Además del sistema estándar, sería necesario instalar en el sitio un transformador elevador de al menos la misma potencia y aproximadamente el mismo tamaño. Esto puede aumentar sustancialmente el coste total y la huella del sistema instalado. También se produce una disminución de la eficiencia energética global debido a las pérdidas por acoplamiento de dos transformadores.
En tercer lugar, si se utiliza agua de mar como única salmuera de alimentación del sistema, la fuente de alimentación debe ajustarse a la conductividad del agua de mar de forma dinámica, puesto que la conductividad del agua de mar varía en función de la salinidad y la temperatura y no es constante. La configuración reductora puede utilizar realimentación de corriente en lugar de tensión y convertirse así en una fuente de corriente constante. Esto es difícil o imposible de realizar con transformadores.
Porque un circuito sin transformador, tal como uno que comprende un convertidor reductor, no puede reducir normalmente más del 100 % de la tensión de línea rectificada (y normalmente menos, tal como menos del 80 %, menos del 50 %, menos del 25 %, o incluso menos del 20 %), la celda o celdas electrolíticas están diseñadas para acomodarse cerca de la tensión de línea rectificada sin ninguna regulación de tensión. En otras palabras, la celda o celdas están configuradas con el número de electrodos intermedios que permiten que el sistema funcione con una regulación de tensión de exactamente, o como alternativa solo un porcentaje de, la tensión de línea rectificada para funcionara la tensión placa a placa deseada en cada celda. Esto significa normalmente que la celda o celdas funcionan a una tensión global mucho más alta que las celdas normales de la técnica, y normalmente comprenden un mayor número de electrodos intermedios con el fin de lograr la tensión deseada de placa a placa. En el caso de celdas múltiples, esto es más fácil de lograr cuando las celdas están dispuestas en serie en lugar de en paralelo.
Otra realización (no de acuerdo con la invención) se muestra en la Figura 5. Se utiliza un convertidor elevador para elevar una tensión inferior de la batería 310 a una tensión adecuada para accionar una celda (preferiblemente bipolar) o una línea de celdas 320. El convertidor elevador se funciona preferiblemente a través de la señal PWM 300 y comprende un inductor 330, diodo 340, y Mosfet 350. El condensador de filtro 360 opcional suaviza la tensión. Los relés 370, 375, 380, 385 están dispuestos preferiblemente en una configuración de puente en H y están controlados por la señal de polaridad directa 390 y la señal de polaridad inversa 395. Esta configuración permite aprovechar la energía de, por ejemplo, unas pocas celdas solares o pequeños generadores alimentados por el hombre que pueden servir para alimentar pequeños equipos portátiles de tratamiento de agua. Esta configuración puede utilizarse también para optimizar aplicaciones de mayor tamaño sin conexión a la red que utilicen generación de energía fotovoltaica ajustando mejor la salida del conjunto solar a la línea de celdas requerida.
Ejemplo
Una sola celda monopolar (dos electrodos) capaz de producir 2,27 kg (cinco libras) de cloro al día con una tensión de celda de 5 voltios requería una corriente de celda de 100 amperios. En la Tabla 1, un sistema de 2,27 kg (cinco libras) se escala en tres configuraciones diferentes para producir 306,17 kg (675 libras) de cloro al día con una entrada trifásica de 480 voltios (VAC). Por tanto, la tensión de línea rectificada era de aproximadamente 672 V. La tensión de placa a placa para cada configuración era de 5 voltios. Las dos primeras configuraciones utilizan métodos convencionales. La última utiliza un enfoque de celda en serie (las celdas están conectadas en serie) que se adapta a la potencia entrante disponible. En este caso si N = 3 entonces tendríamos tres celdas electrolíticas en la línea de celdas, cada una con 45 cámaras.
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Aunque la invención se ha descrito en detalle con especial referencia a las realizaciones divulgadas, otras realizaciones pueden lograr los mismos resultados.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para la generación in situ de oxidante, estando el aparato configurado para funcionar con una potencia trifásica de 208, 220, 230, 240, 346, 380, 400, 415, 480, 600 o 690 V de corriente alterna a 50-60 Hz, comprendiendo el aparato una o más celdas electrolíticas que comprenden un número de electrodos intermedios suficiente para permitir que el aparato:
funcione dentro de solo un porcentaje de una tensión de línea rectificada mientras se mantiene una tensión deseada de placa a placa entre los electrodos intermedios adyacentes en el intervalo de 3,5 - 7 V, comprendiendo el aparato la regulación de tensión proporcionada por un circuito convertidor reductor o un circuito convertidor elevador, en donde dicha regulación de tensión puede variar una tensión a través de dicha una o más celdas electrolíticas hasta aproximadamente el veinte por ciento de la tensión de línea rectificada;
no comprendiendo dicho aparato un transformador,
comprendiendo además dicho aparato una pluralidad de contactores en una configuración de puente en H para invertir la polaridad de dicha una o más celdas electrolíticas para permitir la autolimpieza de dicha una o más celdas electrolíticas.
2. El aparato de la reivindicación 1 que comprende una pluralidad de celdas electrolíticas conectadas en serie.
3. El aparato de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el oxidante es cloro y la tensión de placa a placa es de 5,0 V.
4. Un método para realizar electrólisis para la generación in situ de oxidante, comprendiendo el método:
rectificar la tensión de línea entrante, siendo la tensión de línea entrante una potencia trifásica de 208, 220, 230, 240, 346, 380, 400, 415, 480, 600 o 690 V de corriente alterna a 50-60 Hz,
proporcionar una o más celdas electrolíticas que comprendan un número de electrodos intermedios suficiente para permitir que la una o más celdas electrolíticas:
funcionen dentro de solo un porcentaje de la tensión de línea rectificada mientras se mantiene una tensión deseada de placa a placa entre los electrodos intermedios adyacentes en el intervalo de 3,5 - 7 V; y variar la tensión de línea rectificada, en donde variación de la tensión de línea rectificada se realiza mediante un circuito convertidor reductor o un circuito convertidor elevador;
no usando dicho método un transformador;
comprendiendo además dicho método invertir la polaridad de una o más celdas electrolíticas utilizando una pluralidad de contactores en una configuración de puente en H, autolimpiando así la una o más celdas electrolíticas, controladas por señales de polaridad directa e inversa.
5. El método de la reivindicación 4, en donde el oxidante es cloro y la tensión de placa a placa es de 5,0 V.
6. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, en donde una pluralidad de celdas electrolíticas están conectadas en serie.
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