INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA DE ALIMENTACION EN EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO, CONCENTRACION Y TASA DE PRODUCCION DE OZONO DEL GENERADOR DE OZONO A BASE DE NEON.

Francisco A. PereaDepartamento de Ingeniería Eléctrica

Universidad Nacional de ColombiaCarrera 30, calle 45, edificio nuevo of. 224

fapeream@unal.edu.co

AbstractPara poder obtener los máximos beneficios de ozono se requiere modelar el comportamiento de la generación de ozono al variar las condiciones eléctricas, especialmente la frecuencia de la fuente. Aplicando 64 k calorías al oxígeno presente en el aire puro se obtiene ozono. Variando la frecuencia de la fuente se puede controlar, la cantidad de ozono generado. Esta monografía se concentra primero en el generador que se utilizaría para probar la relación entre la frecuencia y ozono generado.

1. IntroducciónEl ozono es uno de los oxidantes y antiséptico más potente encontrado en muchas aplicaciones médicas e industriales. A pesar del progreso que se ha tenido en los generadores de ozono, sigue siendo un problema de ingeniería, la generación de ozono simple y efectiva. Normalmente la investigación se centra en probar diversas fuentes de energía y generadores, pero aún no se establece un modelo que describa la generación de ozono de forma general. Por ello se plantea crear el modelo, a partir de medidas hechas en un generador de ozono a base de neón, de forma que se pueda establecer inicialmente la correlación entre frecuencia y los parámetros de generación del ozono.

2. Caracterización del ozonoEl ozono es una forma alotrópica del oxígeno, esto es “derivada”. Su molécula (03) se produce a partir de la avivación de la molécula de oxígeno (02) según la reacción endotérmica (que necesita un aporte de energía):

64.800 cal + 302 203

Esto es, se necesita aplicar 64 kilo calorías (por cualquier medio) a tres moléculas de oxígeno, para producir dos moléculas de ozono.En condiciones normales de presión y temperatura, el ozono es inestable aumentando dicha inestabilidad por el aumento de temperatura y humedad. De aquí se desprende que el ozono tiene un tiempo de vida corto. El oxigeno que se transforma en ozono, para aplicaciones médicas o industriales, opera sobre el aire o el agua y su remanente o excedente es otra vez oxígeno. Esto conlleva a otra característica del gas: una vez se produce ozono, cerca al generador se puede obtener en poco tiempo oxígeno, que contribuye a producir ozono. Esta característica debe reflejar un punto de inflexión de crecimiento no lineal, al aumentar la frecuencia en un generador de descargas parciales. Algunas de las características técnicas del ozono se presentan a continuación:

Temperatura de condensación -112°C Ozono líquidoTemperatura de Fusión -192°C Ozono sólidoPresión crítica 54 atmósferas

Por las características de inestabilidad y la alta temperatura de fusión o condensación, es difícil conservarlo en estado sólido o líquido, por lo cual es necesario producirlo en sitio para su uso. El único uso industrial actualmente usado se efectúa con el ozono en su forma natural de gas.

3. Formas de producción del ozonoEl ozono se puede producir artificialmente o encontrarse en forma natural en la atmósfera:a. Producción natural del ozono El ozono se encuentra en la atmósfera baja en pequeñas proporciones. Su principal formación natural es debida a la acción de las descargas eléctricas atmosféricas (rayos) y por la interacción de los rayos ultravioleta procedentes del sol con el oxígeno de la atmósfera.

También se puede formar debido a reacciones entre los óxidos de nitrógeno (NOX) y diversos compuestos orgánicos volátiles (COV) producidos por actividades humanas o naturales en presencia de luz solar. Se halla en el ambiente en mayor o menor proporción, en una franja de la atmósfera contigua a la superficie de la tierra, la troposfera, acentuándose su presencia después de tormentas eléctricas. También se encuentra de forma natural en una capa de la alta atmósfera conocida como la ozonósfera (Capa de Ozono), producida por rayos ultravioleta.

b. Formación artificial La producción de ozono se puede realizar por diversos métodos físico-químicos:o Por electrólisis del ácido perclórico concentrado a -50°C entre cátodo de plomo y ánodo de

platino. Este procedimiento no es rentable desde el punto de vista industrial y mucho menos doméstico.

o Por lámparas ultravioleta con longitudes de onda entre 1942 a 1949 Amstrong. Este sistema no es muy seguro debido a que las longitudes de onda son muy cercanas a los rayos X que emiten fotones que destruyen los tejidos vivos. Adicionalmente es un proceso radiactivo exotérmico, (Genera grandes cantidades de calor) que no son muy eficientes energéticamente.

o Por el método de descargas parciales, ionizando el aire u oxigeno alrededor de los electrodos.

4. Producción de ozono por método de descargas parciales

Figura 1. Generación de ozono

Para generar ozono por el método de descargas parciales, se aplica una tensión entre dos electrodos (condensador) separados por una capa de aire u oxigeno, construyendo un modelo similar al mostrado en la Figura 1.

AIRE NO CONTAMINADO, LIMPIO Y SECOCOMPONENTES PRINCIPALES

PORCENTAJE DE VOLUMEN (%)

NITROGENO 78.09OXIGENO 20.95ARGON 0.95DIOXIDO DE CARBONO

0.052

COMPONENTES MENORESNEON 0.0018HELIO 0.00052METANO 0.00315CRIPTON 0.0001HIDROGENO 0.00005OXIDO NITROSO 0.00002MONOXIDO CARBONO

0.00001

XENON 0.000008OZONO 0.000002AMONIACO 0.0000006DIOXIDO DE NITROGENO

0.0000001

OXIDO NITRICO 0.00000006DIOXIDO DE AZUFRE 0.00000002SULFURO DE HIDROGENO

0.00000001

Tabla 1. Composición típica del aire

El aire es un material aislante por naturaleza; se sabe, por experimentación, por ejemplo que en las condiciones atmosféricas de Bogotá el aire se convierte en conductor eléctrico si se aplican 30.000V a un centímetro de distancia entre los electrodos, si el aire tiene las características normales presentadas en la Tabla 1.Esta propiedad varía al cambiar las condiciones de temperatura y presión. En Barranquilla, a mayor temperatura, se necesita más voltaje para producir el mismo efecto. Se esperaría entonces, que al mantener constantes las condiciones del generador, referentes a la distancia de los electrodos, se garantice una producción de ozono probablemente constate en distintos ambientes.

El aire es también un material autorrecuperable, es decir, una vez retirado el potencial eléctrico este retoma, luego de un breve tiempo, estimado entre 10-6 a 10-8 segundos, sus propiedades eléctricas originales, como la determina la teoría de descargas en gases [5].El efecto corona ocurre cuando un conductor cargado de electricidad, empieza a ionizar el aire alrededor de él a partir de cierto voltaje aplicado. En las líneas de alta tensión se observa un anillo o corona alrededor del conductor cuando a éste se le eleva el voltaje por encima de 80kV. Este fenómeno hace que el aire circundante al cable se torne conductor también. Si se acercan lo suficiente los electrodos, se produce una descarga entre ellos, debido al efecto previo corona.En un generador de ozono, se aplica un voltaje alto (6.000 a 20.000 v) entre los electrodos a corta distancia, lo cual ioniza el aire alrededor del conductor y permite inyectar las 64k calorías al oxígeno necesarias para su transformación en ozono. El nivel de tensión varía de acuerdo a las condiciones del generador y las condiciones atmosféricas. Normalmente la distancia entre los electrodos se fija aproximadamente en 1 mm, de forma que sólo es necesario aplicar la décima parte del voltaje, 3.000 v, a la altura de Bogotá para producir una ionización que produce ozono y puede terminar en un arco o disrupción eléctrica. Esto no es regla. Puede usarse menos o más voltaje para producir ozono, más o menos distancia o variar algún otro parámetro eléctrico y mecánico en la geometría del generador [2][3]. También se puede variar la frecuencia, para incrementar o disminuir la cantidad de descargas que se producen entre los electrodos, o utilizar generadores por armónicos como se expone en [3].

Cuando un gas es sometido a un campo que varía de forma sinusoidal, el proceso de ionización puede ser marcadamente diferente del caso de campos estáticos. Teniendo en cuenta que el proceso de disrupción se completa en aproximadamente entre 10-6 a 10-8

segundos [5], existiría una limitante para la máxima frecuencia que se puede aplicar a un generador de ozono de descargas parciales, antes de llegar al punto donde la señal de voltaje se reversa en polaridad muy rápido antes de que el proceso de disrupción se inicie.

Figura 2. Disrupción de voltaje entre dos esferas en aire atmosférico a un incremento de voltaje.

Nota: Tomado de Nasser, Essam, “Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics”, Wiley-Interscience, 1971. Figura 12.2

En la Figura 2 la curva 1, muestra el voltaje de ruptura en campos con voltaje y baja frecuencia estáticos hasta 110 kHz. Una ligera reducción en el voltaje de disrupción primero se experimenta en 140 kHz, como lo muestra la curva 2. A medida que la frecuencia se aumenta, la reducción en el voltaje de disrupción se incrementa apreciablemente como se indica en las curvas 3, 4, y 5.También a medida que la frecuencia aumenta y se mantiene constante la distancia entre electrodos y la tensión aplicada debería tenerse un aumento en la cantidad de disrupciones, aumentando la cantidad de ozono generado.

Figura 3. Variación del voltaje relativo de disrupción con la frecuencia del campo para un gap uniforme de 1.0 cm de aire a presión atmosférica

Nota: Tomado de Nasser, Essam, “Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics”, Wiley-Interscience, 1971. Figura 12.3

La Figura 2 muestra que existe una reducción del voltaje necesario para producir una disrupción en la medida que la frecuencia aumenta. Si se mantiene constante el voltaje y se varía la frecuencia se esperaría tener una variación significativa en la producción de ozono con los generadores de tubos de neón. Teniendo en cuenta que el ozono es muy inestable y se recombina rápidamente para formar oxígeno otra vez, este comportamiento facilita un aumento gradual en la producción de ozono, pues el primer insumo con que se alimenta el generador es aire, del cual se transforma una parte del oxígeno contenido en él en ozono y debido a su inestabilidad se reconvierte en oxígeno, que a su vez facilitaría la nueva producción de ozono. En esto el tiempo de respuesta es crítico, pues depende de la velocidad con la que se produce la ionización, el tiempo que dura la descarga si se produce, el tiempo de transformación de oxígeno en ozono, el tiempo de la autorecuperación del aire en caso de descarga y el tiempo de recombinación del ozono. Todas las anteriores son procesos períodicos en el tiempo, lo que supone que el comportamiento de la frecuencia determina la cantidad de ozono producido, la velocidad con la que se produce y se puede establecer una relación entre la cantidad de gas producido y la energía aplicada: tasa de producción.

Cuando se utiliza aire como gas de insumo, la concentración de ozono se encuentra entre el 4 y el 12 por ciento, en términos de peso. Esto hace que sea más eficiente usar oxígeno puro para el generador, que utilizar aire, sin embargo por los altos costos de tener oxigeno en estas condiciones, es mejor variar el tamaño o cambiar el valor de las variables, por ejemplo la frecuencia como muestra [2], a fin de obtener ozono a partir del aire.

Mucha de la energía aplicada al generador en condiciones normales se convierte en calor que es evacuado normalmente por la corriente de aire u oxigeno circulante; es necesario entonces optimizar el generador con el fin de obtener una máxima eficiencia de energía aplicada y ozono generado, reduciendo la transformación de calor, de la cual se ha logrado experimentalmente una relación de 3W/gr de ozono producido. El rendimiento energético y las pérdidas en calor de los generadores dependen de su geometría. Por ello se han tratado muchos generadores y sus características siendo el más común aceptado el generador con aislante en vidrio.

Figura 4. Generador de ozono básico

El generador que se muestra en la Figura 4 es el prototipo que se usa como modelo final. El, utiliza un tubo de vidrio sellado al vacío que contiene un gas conductor (neón). De acuerdo con el modelo presentado con las ecuaciones de Cassie y Mayr para descargas en neón presentado en [1], al mantener cierto nivel de tensión entre los electrodos separados por neón, este último se comportará como un conductor con muy bajas pérdidas.Esta configuración es más adecuada para el trabajo eléctrico, pues el electrodo central estaría conectado al voltaje alto, mientras la malla externa estaría conectada a tierra, de forma que se minimice el riesgo de una descarga eléctrica hacia afuera del generador. Además también facilita la operación del mismo, disminuye el calor generado, aumenta la eficiencia del sistema y facilita la construcción de las fuentes de alto voltaje.

Normalmente se utilizan como fuente transformadores, que en ocasiones resultan más simples y fiables que el uso de semiconductores. Sin embargo experimentalmente, se han hallado resultados interesantes, variando la forma de onda y la frecuencia, usando una combinación de semiconductores y transformadores que, a la larga, reducen el costo final de las fuentes [Faltan referencias]. La combinación puede ser necesaria para tener control sobre algunas de las propiedades del transformador, como histéresis y resonancia.

Figura 5. Diagrama esquemático del generador

El diagrama del circuito se presenta en la Figura 5 en donde C1 representa la capacitancia del vidrio entre los dos electrodos que los separa y C2 la capacitancia entre la malla de acero y el vidrio que contiene el aire u oxígeno a procesar.El campo eléctrico en el gap de aire está dado por:

Donde: U es el voltaje del generador, k es el factor por la geometría de la malla, y dx

corresponde a las distancias de las capacitancias. De aquí se presume que un cambio en la frecuencia varíe el campo eléctrico y de esta forma se tenga mayor o menor cantidad de ozono generado, debido a que la impedancia del circuito sería la equivalente a dos condensadores en serie cuya impedancia individual está dada por:

Donde: f es la frecuencia, y C es la cpacitancia por C1 ó C2.

El tubo que se utilizaría tendría la forma que se describe en la Figura 6.Contiene las siguientes partes:

Conexión externa de aluminio, que permite conectar una fuente de alto voltaje al electrodo coaxial (interno) de aluminio

Campana de vidrio, que se encarga de sostener los contactos eléctricos del electrodo central

Contactos de cobre, encargados de unir el contacto externo con el tubo interno. Van soldados al vidrio

Tubo de vidrio, de espesor cercano a 1 mm y de longitud variable, según los requerimientos de ozono que se hallan determinado en la investigación técnica

Gas interno, neón o argón con propiedades eléctricas de conductor, definidas en la investigación técnica

Electrodo interno, tubo coaxial de aluminio o latón como segundo electrodo

Figura 6. Detalle del generador de ozono

5. Conclusiones La generación de ozono depende de las características de los gases y la geometría del

generador. Los parámetros de producción del ozono deberían cambiar significativamente a medida que

se varíe la frecuencia entre los electrodos. La humedad, la temperatura, la presión atmosférica y el tipo de gas usado para producir

ozono varía los parámetros de producción, pero debería ser constante al variar temperatura y presión.

Al generar ozono, parte del mismo se recombina en oxígeno, que facilita la producción de ozono, por lo cual la curva de ozono vs. frecuencia no debería ser lineal.

6. Bibliografía[1] Shan Lu, Zhongyuan Cheng, Bin Wu, “Modeling of Neon Tube Powered by High Frequency Converters”, IEEE 2002[2] S. Korenev, and I. Korenev, “COMPACT PULSED OZONE GENERATOR”, IEEE 2004[3] C. Boonseng, P. Apriratikul, “Harmonic Analysis of Corona Discharge 0zone GeneratorUsing Brush Electrode Configuration”[4] Torres-Sánchez, Horacio, “El rayo, mitos, leyendas, ciencia y tecnología”, Universidad Nacional de Colombia, 2002[5] Nasser, Essam, “Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics”, Wiley-Interscience, 1971