ES2289971T3 - Generador de ozono y electrodo para dicho generador. - Google Patents

Generador de ozono y electrodo para dicho generador. Download PDF

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Generador de ozono que comprende: - al menos un electrodo exterior tubular (4), - al menos un electrodo interior (7) constituido por una pluralidad de segmentos tubulares metálicos (8) cerrados, al menos parcialmente, por cada extremo y revestidos exteriormente de cerámica, estando estos segmentos tubulares dispuestos los unos detrás de los otros, mecánicamente desacoplados y conectados eléctricamente, - medios de sujeción (10) de los segmentos tubulares con relación al electrodo exterior para formar un intersticio (I) de descarga anular, - un vástago (11) que atraviesa axialmente los segmentos tubulares (8) y provisto en sus extremos de medios de apriete axial (12, 13) de los segmentos tubulares los unos contra los otros, para establecer el contacto eléctrico, - medios (14) para conectar todos los electrodos a una fuente de corriente alterna, y - medios (20, 21) para hacer circular un gas que contiene oxígeno por los intersticios, caracterizado porque cada segmento tubular metálico (8) está provisto, en cada extremo, de un fondo convexo hacia el exterior (8a, 8b), sustancialmente en forma de casquete esférico, incluyendo una zona central (18) para contacto eléctrico, y porque el revestimiento de cerámica (9) comprende al menos dos capas (9a, 9b) depositadas sucesivamente.

Description

Generador de ozono y electrodo para dicho generador.
La invención se refiere a un generador de ozono del tipo de los que comprenden:
-
al menos un electrodo exterior tubular,
-
al menos un electrodo interior constituido por una pluralidad de segmentos tubulares metálicos cerrados, al menos parcialmente, en cada extremo y revestidos exteriormente de cerámica, estando estos segmentos tubulares dispuestos los unos detrás de los otros, mecánicamente desacoplados y conectados eléctricamente,
-
medios de sujeción de los segmentos tubulares con relación al electrodo exterior para formar un intersticio de descarga anular,
-
un vástago que atraviesa axialmente los segmentos tubulares y provisto en sus extremos de medios de apriete axial de los segmentos tubulares los unos contra los otros, para establecer el contacto eléctrico,
-
medios para conectar todos los electrodos a una fuente de corriente alternativa, y
-
medios para hacer circular un gas que contiene oxígeno por los intersticios.
Un generador de ozono de este tipo es conocido, por ejemplo por la patente US nº 5.145.653. En un generador de este tipo, aplicando entre los electrodos una tensión alternativa que cumpla ciertas condiciones límites, tienen lugar descargas Corona en el intersticio entre la superficie del dieléctrico formado por el revestimiento cerámico y el electrodo exterior. Estas descargas crean la producción de ozono. La utilización de cerámica como revestimiento dieléctrico permite obtener rendimientos de producción de ozono más elevados que con un revestimiento de vidrio. En particular, el contenido en ozono en el gas que sale del generador puede sobrepasar el 12% en masa.
Sin embargo, el revestimiento cerámico es relativamente frágil y pueden aparecer fisuras que impidan un buen reparto de las cargas eléctricas en superficie, lo cual puede provocar localmente un sobrepase de la tensión admisible para la cerámica. Con ello puede resultar una ruptura del revestimiento cerámico y la puesta fuera de servicio del generador.
La tensiones mecánicas creadas por el apriete axial de los segmentos tubulares revestidos de cerámica pueden igualmente contribuir a la aparición de fisuras en el revestimiento cerámico.
La invención tiene por objeto, principalmente, proporcionar un generador de ozono que no presente más, o en un grado menor, los inconvenientes recordados anteriormente. En particular, es deseable que la concepción del generador permita una buena resistencia del revestimiento cerámico a las tensiones mecánicas y eléctricas de forma que el riesgo de fisuras del revestimiento cerámico sea sustancialmente reducido, y que el rendimiento del aparato sea mejorado.
Según la invención, un generador de ozono del tipo definido anteriormente se caracteriza porque cada segmento tubular metálico está provisto, en cada extremo, de un fondo convexo hacia el exterior, sustancialmente en forma de casquete esférico, que comprende una zona central para contacto eléctrico, y porque el revestimiento de cerámica comprende al menos dos capas depositadas sucesivamente. El conjunto presenta una resistencia mejorada respecto a las solicitaciones mecánicas y eléctricas.
Los riesgos de fisuración del revestimiento cerámico se encuentran sustancialmente disminuidos.
De preferencia, el conjunto está previsto para que cada electrodo interior resista sin fisuración del revestimiento cerámico a un par de apriete al menos el doble del par nominal, ejercido en el extremo del vástago axial.
El espesor de cada capa se encuentra de preferencia comprendido entre 50 y 300 \mum.
Cada capa del revestimiento cerámico se deposita ventajosamente por revestimiento con pasta ("slurry coating"), o revestimiento de polvo ("powder coating"), o pulverización de plasma ("plasma spraying").
La superficie exterior de los segmentos tubulares puede presentar una rugosidad, particularmente estrías, para mejor el agarre del revestimiento cerámico. La profundidad de las estrías o asperezas es ventajosamente del orden de 0,1 mm. En variante, la superficie exterior de los segmentos tubulares puede hacerse rugosas mediante proyección de arena.
La zona central de cada fondo de un elemento tubular comprende un orificio delimitado por un collarín cilíndrico que sobresale axialmente hacia el exterior, más allá del revestimiento cerámico, con relación al fondo.
De preferencia los electrodos exteriores e interiores y los segmentos tubulares se realizan en acero inoxidable.
La invención se refiere igualmente a un electrodo interior, para generador de ozono tal como se ha definido anteriormente, constituido por una pluralidad de segmentos tubulares metálicos cerrados, al menos parcialmente, por cada extremo y revestidos exteriormente de cerámica, estando estos segmentos tubulares dispuestos los unos detrás de los otros, mecánicamente desacoplados y conectados eléctricamente, atravesando un vástago axialmente los segmentos tubulares y estando provisto en sus extremos de medios de apriete axial de los segmentos tubulares los unos contra los otros, para establecer el contacto eléctrico, caracterizado porque cada segmento tubular metálico está provisto, en cada extremo, de un fondo convexo hacia el exterior, sustancialmente en forma de casquete esférico, incluyendo una zona central para contacto, y porque el revestimiento de cerámica comprende al menos dos capas depositadas sucesivamente.
La invención consiste, aparte de las disposiciones expuestas anteriormente, en un cierto número de otras disposiciones de las cuales será más explícitamente cuestión a continuación a propósito de un ejemplo de realización descrito con referencia a los dibujos adjuntos pero que no es en modo alguno limitativo. En estos dibujos:
La figura 1 es una sección longitudinal vertical esquemática de un generador de ozono según la invención.
La figura 2 es una sección vertical vista por el lado izquierdo según la línea II-II de la figura 1.
La figura 3 es una sección longitudinal vertical parcial, a mayor escala, similar a la figura 1.
La figura 4 es una sección transversal esquemática según la línea IV-IV de la figura 2 a mayor escala.
La figura 5 es una sección longitudinal parcial a mayor escala de la pared de un segmento tubular y de su revestimiento.
La figura 6 es una sección transversal parcial a mayor escala de la pared de un segmento tubular, antes del revestimiento, con estrías sobre su superficie exterior.
La figura 7 es una vista en perspectiva del extremo de un segmento tubular de electrodo interior según la invención, y
La figura 8 es una vista lateral del extremo de un segmento tubular a escala diferente de la figura 7.
Haciendo referencia a la Fig. 1 de los dibujos, se puede apreciar un generador de ozono dispuesto en un depósito 1 de forma general cilíndrica cerrado por sus extremos. El depósito 1 comprende en la proximidad de cada uno de sus extremos longitudinales una pared 2, 3 ortogonal al eje del depósito. Cada pared comprende unos orificios enfrentados en los cuales están acoplados unos tubos 4 que se extienden de una pared 2 a la otra pared 3. La longitud de los tubos 4 puede ser del orden de dos metros o más. Los extremos de los tubos 4 están soldados respectivamente a las paredes 2 y 3. Los tubos metálicos 4 constituyen los electrodos exteriores conectados al potencial de tierra. Se puede considerar que el conjunto de los tubos 4 forman un solo electrodo exterior. Por razones de claridad el número de tubos 4 representados en la Fig. 1 está limitado, pero en la práctica el número de tubos puede ser superior a 100.
Los tubos 4 van fijados de forma estanca en el interior del depósito y a las paredes 2, 3, las cuales van igualmente fijadas de forma estanca, particularmente mediante soldadura, a la pared cilíndrica del depósito 1. Un refrigerante, por ejemplo agua, se utiliza para refrigerar exteriormente los tubos 4. El refrigerante se introduce por una entrada 5 y es evacuado por una salida 6.
Un electrodo interior 7 está dispuesto en cada tubo 4. Cada electrodo interno 7 está constituido por una pluralidad de segmentos tubulares metálicos 8 cerrados al menos parcialmente por cada extremo y provistos exteriormente de un revestimiento cerámico 9. Los segmentos tubulares 8 están dispuestos los unos detrás de los otros, en alineamiento; son mecánicamente desacoplados y conectados eléctricamente por sus extremos en contacto.
Medios de sujeción 10 de los segmentos tubulares 8 con relación al electrodo exterior 4 están previstos para formar un intersticio I de descarga anular entre la superficie exterior del revestimiento cerámico 9 y la superficie interior del electrodo exterior 4. Los medios 10 están formados, por ejemplo, por salientes aislantes fijados sobre la pared interior de los tubos 4.
Un vástago metálico 11 atraviesa axialmente los segmentos tubulares 8 y sale por cada extremo. Las zonas extremas del vástago 11 están roscadas y provistas de una tuerca de apriete 12, 13 apoyado contra el fondo del último segmento 8 próximo. Un extremo de cada vástago 11, el situado a la derecha según la Fig. 1, está conectado eléctricamente con un conductor 14, así mismo conectado con el terminal de alta tensión de una fuente de tensión alternativa 15. Un aislador 16 rodea el conductor 14 a nivel de su travesía de la pared del recipiente 1.
Cada segmento tubular metálico 8 está provisto, en cada extremo, de un fondo 8a, 8b convexo hacia el exterior sustancialmente en forma de casquete esférico, particularmente sustancialmente hemisférico. El radio de curvatura del fondo 8a, 8b puede ser diferente del radio de la parte cilíndrica del segmento tubular 8.
\newpage
La zona central del fondo 8a, 8b comprende un orificio 17 para el paso del vástago 11. Este orificio 17 está delimitado por un collarín cilíndrico 18 vuelto hacia el exterior con relación al fondo 8a, 8b.
El revestimiento cerámico 9, para un espesor dado, está compuesto de al menos dos capas 9a, 9b (Fig. 4) de espesor reducido. La suma de los espesores de las capas 9a, 9b corresponde al espesor deseado. Las capas 9a, 9b se depositan sucesivamente sobre el segmento tubular 8. El número de capas 9a, 9b puede ser superior a dos, particularmente igual a tres. El espesor de cada capa 9a, 9b está de preferencia comprendido entre 50 y 300 \mum.
El revestimiento cerámico 9 recubre la parte cilíndrica y los fondos convexos 8a, 8b del segmento tubular pero el extremo axial del collarín 18 sobresale con relación al revestimiento 9. Así, los collarines 18 de dos segmentos tubulares 8 sucesivos pueden apoyarse y establecer el contacto eléctrico durante el apriete axial ejercido con la ayuda del vástago 11 y de las tuercas 12, 13.
Ventajosamente, la superficie exterior de los segmentos tubulares 8 presenta una rugosidad suficiente para mejorar el agarre del revestimiento cerámico 9.
Según una primera posibilidad, el segmento tubular 8 comprende sobre su superficie externa unas estrías 19 (Fig. 6), por ejemplo anulares de revolución alrededor del eje del segmento, cuya profundidad es del orden de 0,1 mm. En variante, la rugosidad de la superficie exterior de los segmentos 8 se obtiene por proyección de arena bajo presión de aire comprimido suficiente.
El tubo 4 y los segmentos tubulares 8 son de preferencia realizados en acero inoxidable, de igual modo que las paredes 2 y 3 y el depósito 1.
Medios para hacer circular en el generador un gas que contiene oxígeno, en particular aire, comprenden un conducto de entrada 21 al depósito que desemboca en el espacio comprendido entre la pared 3 y el fondo próximo al depósito. El gas puede circular por los intersticios I para llegar a una cámara limitada por la pared 2 y el otro fondo del depósito. El gas enriquecido con ozono es evacuado por un conducto de salida 20.
La cerámica utilizada para el revestimiento 9 es elegida para cumplir con las exigencias siguientes:
-
fuerte adherencia a la superficie del segmento tubular 8 de acero;
-
resistencia elevada a las tensiones mecánicas;
-
coeficiente de dilatación térmica apropiado;
-
resistencia dieléctrica elevada, superior a 10 kV/mm;
-
capacidad dieléctrica que pueda ser ajustada;
-
inercia respecto a los oxidantes.
Entre estas exigencias las dos primeras son las más difíciles de cumplir.
\vskip1.000000\baselineskip
La adherencia de la cerámica puede ser fácilmente comprobada con un martillo utilizado para golpear la superficie de la cerámica. La configuración de desconchado o de los saltos resultantes debe parecerse a orificios en forma de conos cuyas cúspides están formadas por puntos de acero de la pared de segmento tubular. Una configuración que refleja mayores zonas de la pared de acero del segmento tubular indica claramente una adherencia insuficiente de la cerámica.
La rugosidad de la superficie del segmento tubular 8, obtenida como se ha expuesto anteriormente, mejora considerablemente el agarre del revestimiento cerámico.
La resistencia mecánica del revestimiento cerámico puede comprobarse durante el ensamblado de los segmentos tubulares 8 en un generador. Para ello, se ejerce sobre las tuercas 12 ó 13 situadas en los extremos del vástago axial 11 un par de apriete superior al par nominal. Por ejemplo el par de apriete del ensayo es superior al doble del par nominal. Así, cuando el par de apriete de las tuercas 12, 13 está previsto para ser del orden de 1 NM, la prueba de resistencia mecánica del revestimiento cerámico se realizó bajo un par de apriete de aproximadamente 3 Nm. Según la invención, los segmentos tubulares 8 de fondos convexos revestidos con al menos dos capas 9a, 9b soportan dicho par de apriete sin que aparezcan las fisuras en el revestimiento cerámico.
La superficie convexa, sustancialmente en forma de casquete esférico, de los extremos 8a, 8b de los segmentos tubulares presenta un radio de curvatura que asegura una transición óptima para el campo eléctrico. La forma redondeada de los extremos 8a, 8b permite evitar ángulos demasiado vivos y variaciones demasiado brutales del campo eléctrico entre el electrodo exterior y el electrodo interno.
Un generador conforme a la invención conforme a la invención resiste bien a los choques de presión y/o de tensión y/o de temperatura. Tales choques aparecen, particularmente, como consecuencia de inestabilidades debidas a la descomposición del ozono cuando su contenido sobrepasa el 12% en masa en el gas. Para dicho contenido, en una descomposición del ozono, tienen lugar choques de presión con liberación de calor.
El funcionamiento del generador según la invención resulta inmediatamente de las explicaciones anteriores.
El aire que entra por el conducto 21 fluye por los intersticios I y se somete a descargas eléctricas debido a la tensión entre el electrodo interior 7, 8 y el electrodo exterior 4. Existe producción de ozono y el aire, enriquecido con ozono, sale por el conducto 20.
Un generador conforme a la invención ha funcionado correctamente:
-
bajo una alta tensión de ensayo de 16 kV en lugar de los 10 kV normalmente previstos;
-
con cargas que llegan hasta 12 kw/m^{2} en lugar de 6 kw/m^{2}, en funcionamiento normal, para provocar un defecto del aislamiento externo;
-
con pares mecánicos de apriete ejercidos sobre las tuercas 12 ó 13 que van de 6Nm, en lugar de 2 Nm normalmente previsto.
No obstante de estas condiciones extremas de funcionamiento, ninguna fisura ha aparecido en los revestimientos cerámicos de los segmentos tubulares 8.

Claims (12)

1. Generador de ozono que comprende:
-
al menos un electrodo exterior tubular (4),
-
al menos un electrodo interior (7) constituido por una pluralidad de segmentos tubulares metálicos (8) cerrados, al menos parcialmente, por cada extremo y revestidos exteriormente de cerámica, estando estos segmentos tubulares dispuestos los unos detrás de los otros, mecánicamente desacoplados y conectados eléctricamente,
-
medios de sujeción (10) de los segmentos tubulares con relación al electrodo exterior para formar un intersticio (I) de descarga anular,
-
un vástago (11) que atraviesa axialmente los segmentos tubulares (8) y provisto en sus extremos de medios de apriete axial (12, 13) de los segmentos tubulares los unos contra los otros, para establecer el contacto eléctrico,
-
medios (14) para conectar todos los electrodos a una fuente de corriente alterna, y
-
medios (20, 21) para hacer circular un gas que contiene oxígeno por los intersticios,
\vskip1.000000\baselineskip
caracterizado porque cada segmento tubular metálico (8) está provisto, en cada extremo, de un fondo convexo hacia el exterior (8a, 8b), sustancialmente en forma de casquete esférico, incluyendo una zona central (18) para contacto eléctrico, y porque el revestimiento de cerámica (9) comprende al menos dos capas (9a, 9b) depositadas sucesiva-
mente.
2. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque está previsto para resistir, sin fisuración del revestimiento cerámico (9), a un par de apriete al menos doble del par nominal, ejercido en el extremo del vástago axial (11).
3. Generador según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el espesor de cada capa (9a, 9b) de cerámica está comprendido entre 50 y 300 \mum.
4. Generador según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque cada capa (9a, 9b) del revestimiento cerámico se deposita por revestimiento de lechada ("slurry coating"), o revestimiento de polvo ("powder coating") o pulverización de plasma ("plasma spraying").
5. Generador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la superficie exterior de los segmentos tubulares (8) presenta una rugosidad para mejorar el agarre del revestimiento cerámico.
6. Generador según la reivindicación 5, caracterizado porque la superficie exterior de los segmentos tubulares (8) presenta estrías (19).
7. Generador según la reivindicación 6, caracterizado porque la profundidad de las estrías (9) es del orden de 0,1 mm.
8. Generador según la reivindicación 5, caracterizado porque la superficie exterior de los segmentos tubulares (8) se hace rugosa mediante proyección de arena.
9. Generador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona central de cada fondo de un elemento tubular comprende un orificio (17) delimitado por un collarín cilíndrico (18) que sobresale axialmente hacia el exterior, más allá del revestimiento cerámico (9), con relación al fondo.
10. Generador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los electrodos exteriores (4) e interiores (7) y los segmentos tubulares (8) se realizan en acero inoxidable.
11. Generador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el radio de curvatura del fondo (8a, 8b) del segmento tubular (8) es sustancialmente igual al radio de la parte cilíndrica del segmento tubular (8).
12. Electrodo interior para generador de ozono según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, constituido por una pluralidad de segmentos tubulares metálicos (8) cerrados, al menos parcialmente, por cada extremo y revestidos exteriormente de cerámica, estando estos segmentos tubulares dispuestos los unos detrás de los otros, mecánicamente desacoplados y conectados eléctricamente, atravesando un vástago (11) axialmente los segmentos tubulares y estando provisto en sus extremos de medios de apriete axial (12, 13) de los segmentos tubulares los unos contra los otros, para establecer el contacto eléctrico, caracterizado porque cada segmento tubular metálico (8) está provisto, en cada extremo, de un fondo (8a, 8b) convexo hacia el exterior, sustancialmente en forma de casquete esférico, incluyendo una zona central para contacto eléctrico, y porque el revestimiento de cerámica (9) comprende al menos dos capas (9a, 9b) depositadas sucesivamente.
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