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