CN101790497A - 用于流体介质的在线紫外消毒装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用紫外辐射对船舶上的压舱水进行消毒的装置，所述装置具有用来装载和排放压舱水的泵管，其中所述泵管被多个在所述泵管的方向上依次排列的紫外透明护套管穿过，并且其中紫外辐射器排列为用于将紫外辐射发射到所述泵管中，并且沿所述泵管的周向依次排列的护套管相对于彼此偏移角度α。

Description

用于流体介质的在线紫外消毒装置

本发明涉及具有权利要求1的前序部分特征的用于流体介质的紫外消毒装置，优选具有低透射率和高的所需紫外强度，特别是用于船舶的压舱水。

船上装载压舱水是为了在载货少时在水中获得更稳定的位置。为此，提供压载舱，在载货少的航程之前，在出发港将海水直接从海港泵抽到压载舱中。这样在装载压舱水的同时，也装载了生物体，该生物体在压载舱中得以航行运输。所装载的水仅仅经过粗过滤。

然后，为了再次恢复船舶的全负载能力，在目的港排放压舱水。在目的港的港外或港内时，将压舱水从舱中抽出到环境水中。因为出发港和目的港形成有不同的生态系统，尤其是在海外航行时，应当避免将与压舱水一起装载的生物体排放到异域生态系统的风险。为了实现该目的，在装载和/或排放压舱水时对其进行消毒。

根据现有技术，消毒装置被引入泵管中，特别是利用辐射单元与流动方向呈横向排列形式的紫外辐射源进行消毒。在该情况下，辐射单元沿流动方向顺次排列在一个平面上，或者同样沿流动方向顺次排列在两个平面上但是以彼此间隔一定距离的方式偏离管的中轴。已知另一变化方案，其中多个紫外辐射器排列在平行于管的中轴的两个平面上，但是与流动方向成一定角度排列。这样，在管的直径给定的情况下可以使用更大的照射长度。

所提及的辐射器排列的共同之处在于：在辐射器组所排列的平面附近，形成具有低强度紫外辐射的流路。这些流路在所提及的第一变化方案中位于辐射器平面的上方和下方，并且在第二和第三已知的变化方案中还位于辐射器平面之间，在这些流路中，水中所含生物体的生存概率过大。在压舱水对于紫外辐射的透射率受限制的情况下，尤其如此。

使用这些装置，只有在使用高辐射功率时才能实现期望的消毒性能。为此，需要大量高性能的辐射器，这相应地导致高成本。

因此，本发明的一个目的是提供用于压舱水的紫外消毒装置，所述紫外消毒装置在排列于泵管中时，使用数目相当的辐射器和相近的能耗产生显著更优的消毒性能。

该目的通过具有权利要求1的特征的消毒装置来实现。

因为在流动方向上顺次排列的紫外辐射器以相对于径向的一定角度彼此偏移，因此待消毒的介质中所含的微生物或其他物质沿紫外强度不足的流路通过装置的可能性降低。

本发明的其他实施方案提供在从属权利要求中。

如果角度α等于15°～45°并且优选为30°时产生良好效果。根据实施方案，角度α例如可以根据管的直径来选择。

如果护套管相对于泵管的径向倾斜的角度β为30°～70°，则可以使用发射长度更大的辐射器。

如果提供至少两组护套管，其中每种情况下一根护套管设置为相对于泵管的中轴与另外一组的一根护套管相邻，并且其中每一组形成单独的螺旋形列，则实现对所有可能的流路的宽照射。对于特别高的通量和/或具有特别低的紫外透射率的介质，可以在径向平面上彼此相邻地排列三个或更多个辐射器。在这种情况下，如果护套管排列在离中轴一定距离处，则也到达接近壁的泵管区域。

如果两组离中轴的间距不同，即第一组间距大而第二组间距小，则结果特别好。此外，第一组可以相对于径向以50°～70°的大角度β排列，而第二组可以相对于径向以30°～49°的小角度β排列，使得两组可以配备相同的辐射器。

优选地，所述较大间距可以等于泵管半径的60％以上，而所述较小间距可以等于泵管半径的40％以下。特别是，其中一个间距可以为泵管半径的75％，而第二间距可以为泵管半径的20％。如果在组内变化轴向间距，例如如果第一组的平均间距为半径的60％，但是以半径的+/-10％波动，而第二组的平均间距为半径的20％，但同样以半径的+/-10％波动，则可以避免形成具有不期望的高流速或低强度的流路。

如果每一组护套管包括总共12根护套管，则在使用的辐射器数目和所达到效果之间得到特别好的比例。

下文根据附图和两个实施方案更加详细地描述本发明。附图是：

图1：根据现有技术的具有单列辐射器排列的消毒装置，其具有与流动方向成90°角度排列的辐射器；

图2：具有在径向上离轴一定距离处排列的两列辐射器的消毒装置，其同样与流动方向成90°角度；

图3：具有彼此间隔一定径向距离的两列辐射器的消毒系统，其中辐射器与介质的流动方向成约50°的角度；

图4：根据本发明的具有以螺旋形排列的单列辐射器的消毒装置；

图5：类似于图4的具有在径向上彼此间隔一定距离排列的两列辐射器的消毒装置，其中每一列都以螺旋形排列；和

图6：根据图5的图解透视排列图。

为了解释技术前提，应当首先描述紫外消毒系统用于消毒压舱水的用途。在这种情况下，消毒是指减少其中所含的活的微生物。

压舱水通过泵管抽取并储存在舱中。在目的港，再次通过泵管排放压舱水。因此，其中所有水必须接受特定紫外照射剂量的消毒程序可以仅在泵管自身中进行，因为不可能照射舱中的所有区域。因此，在没有安装附加元件的情况下，不能利用紫外辐射在航行过程中进行舱中消毒。因为在压舱水中可能残余消毒介质，因此不应当进行化学消毒。

此外，由于压舱水的装载和排放应尽可能快地进行以使航行时间和滞留时间尽可能短，因此期望在泵管中采用高流量。为了使水接受最小的紫外照射剂量，因此在照射位置即泵管中，需要高紫外强度。该强度是通过多个高性能紫外辐射器实现的。辐射器本身设置在护套管中。这些护套管由石英制成，并且在泵管中以密封插入壁内的方式设置。然后，依次将辐射器插入到护套管中，使得它们不与压舱水接触，但是可以发出辐射透过护套管对压舱水施加作用。

在第一实例中，可以基于图1-3来解释现有技术。图1示出具有基本圆形横截面的泵管1。流动方向为泵管1的纵向，由流动箭头2指示。对称轴3表示泵管1的中轴并且代表装置的轴向对称轴。可以定义两个角度，即从水平对齐的半径沿周向和顺时针方向测量的一个角度α，和从半径向外朝对称轴3的方向测量的第二角度β。

位于泵管1内部的是多个与流动方向2横向排列的紫外辐射器。在图1中，它们被描绘成水平的，即它们位于与中轴3相关的一个平面上。辐射器4设置在泵管1的最大直径区域。在上面所解释的角度定义的意义上，角度α测量为0°并且角度β同样为0°。各个辐射器4与中轴3精确横向相交并且被其穿透。

对于根据图1的实施方案，它实际上导致在辐射器4的上方和下方形成紫外照射剂量相对低的流路，因此只能利用辐射器4的非常高的输出来实现有效消毒。

图2示出了另一现有技术，其中辐射器5设置在对称轴3上方的一个平面上，而第二组辐射器5’设置在对称轴3的下方。两组辐射器5和5’与对称轴3具有相同的间距。辐射器水平排列并且平行于泵管1的直径。角度α和β同样都等于0°。中轴3与辐射器单元5和5’之间的距离d都等于泵管1半径的约50％。该实施方案也形成接受较低紫外照射剂量的流路，特别是对于具有低透射率的压舱水而言。

最后，图3示出了另一现有技术。对于该实施方案，如同图2，紫外辐射器6和6’设置在平行于泵管1的中轴的两个平面上。在这种情况下，不同于图1和图2的实施方案，各个辐射器6和6’相对于泵管1的半径倾斜。角度β等于约40°。间距d与图2相当。角度α为0°。

该构造也产生流路。尽管因为高流速，在所有情况下泵管1中的流动均为湍流，但在泵管的横向上不会发生泵抽介质的完全互混。相反，尽管泵抽介质中的各个粒子在输送方向2的横向上移动，但是平均而言，这些粒子保留在平行于中轴3的路径上。

在此，本发明开始生效，其中辐射器的排列选择为允许每一个可能的流路在泵管期间与紫外辐射器碰撞至少一次。

在对应于图1-3的图4的示意图中示出了本发明实施方案的的第一实例。图4示出了具有多个辐射器7的泵管1，每一个辐射器7都相对于彼此偏移角度α。在该情况下，角度α等于约30°。对于该实施方案，彼此相邻排列的两个辐射器的间距d相同。

图5示出了另一实施方案，此处为在泵管1的中轴3方向上的正视图。该示意图示出多个护套管，其从前到后顺序编号。位于第一平面上的是两个护套管10和10’。位于该平面之后的第二平面包括两个护套管11和11’；第三平面包括护套管12和12’；以此类推。此处术语“平面”不应严格理解为径向平面，而应理解为相对于泵抽介质的流动方向彼此相邻的两个辐射器所在的区域。

可以看出，护套管10、11、12、13...具有与中轴3的间距r1，其等于泵管1半径的约75％。护套管10’、11’、12’、13’...与护套管1的中轴3的间距等于护套管1的半径的约18％。

尽管对于根据图4的实施方案，在每种情况下，在中轴3处径向彼此相邻排列的两个辐射器之间的间距相同，但在图5所示的实施方案中，彼此相邻的两个辐射器之间的间距不同。因此该实施方案是优选的。

从待消毒的流体的流动方向看，根据图5的排列表示一种双螺旋或超螺旋的类型。

对于根据图5的实施方案，护套管10、11、12、13...的可用弦长短于护套管10’、11’、12’、13’...的可用弦长。如从图6可以看出，这通过相对于泵管1的纵轴3的不同角度β来补偿。

图6示意性示出在对应于图5的构造中具有分别排列于其中的护套管11-15和11’-15’的泵管1的透视图。护套管10、11、12、13...的角度β等于60°，而更接近轴3的护套管10’、11’、12’、13’...的角度β等于40°。因此可用于将紫外辐射照射入介质的护套管长度在每种情况下大致相同。

这里，仅提供图解示意图来表示辐射器的护套管穿过泵管1的壁并因此可从外部进入。于是将紫外辐射器自身插入这些护套管中，使得它们的辐射能力能够发射到泵管1内部的泵抽介质中。

为了获得根据图1-6的不同在线消毒系统的性能能力之间的对比，已经根据称为CFD(计算流体动力学)法进行了模型计算。至于模拟参数，选择通流体积为2,300m³/h，水透射率为75％/1cm，辐射器能力为120W/cm＝每个辐射器8,400W＝每个辐射器750W紫外-C[生物效率(biol.eff.)]以及枯草芽孢杆菌(bacillus subtilis)的细菌浓度为1×10⁸CFU/ml(CFU＝菌落形成单位)。

得到以下细菌存活率：

图1：4.7×10⁷CFU/ml

图2：6.3×10⁶CFU/ml

图3：1.7×10⁶CFU/ml

图4：5.6×10⁵CFU/ml

图5和6：7.8×10²CFU/ml

因此，对于根据图5和6的实施方案，计算得到更优的消毒性能，其中辐射器以双螺旋形卷绕列顺次排列，其中两列具有与泵管1的中轴不同的间距r1和r2，每种情况下顺次排列的辐射器彼此之间具有30°的角度α，并且更接近中轴排列的辐射器列相对于径向的倾斜角度β＝40°，而离中轴较远排列的辐射器列相对于径向的倾斜角度β＝60°。

尽管在以上说明中已经基于用于泵管1的直圆筒管对结构进行了解释，但是泵管也可以是卷绕的、成角度的或具有其它横截面的。因而辐射器在泵管中的排列要相应调整。

除了具有平行的成对辐射器的均匀盘绕的实施方案以外，辐射器还可以进行不同的排列；例如，在流动方向上一对辐射器相互置换也是可以的。在流动方向上，一个平面上的成对辐射器可具有非平行关系并且同一对辐射器可以具有不同的角度β。

Claims (12)

1.一种利用紫外辐射对流体介质进行消毒的装置，所述装置具有可用来装载和排放压舱水的泵管(1)，其中所述泵管(1)被多个在所述泵管(1)的方向上依次排列的紫外透明护套管(7；10-15；10’-15’)穿过，并且在所述护套管中紫外辐射器排列为用于将紫外辐射发射到所述泵管(1)中，其特征在于，沿所述泵管(1)的周向依次排列的护套管(7；10-15；10’-15’)相对于彼此偏移角度α。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述角度α等于15°～45°，并且优选为30°。

3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述护套管(7...)相对于所述泵管(1)的径向倾斜的角度β为30°～70°。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，提供至少两组护套管(10，11，12，...-15；10’，11’，12’，...-15’)，其中在每种情况下，一组(10-15)的一根护套管相对于所述泵管(1)的中轴(3)与另外一组(10’-15’)的一根护套管相邻排列，并且其中在每种情况下所述组形成螺旋形的列。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述护套管(7；10-15；10’-15’)排列为与所述中轴(3)具有间距(d，r1，r2)。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述组(10-15；10’-15’)与所述中轴(3)具有不同的间距(r1，r2)，即第一组(10-15)具有大间距(r1)，而第二组(10’-15’)具有小间距(r2)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一组(10-15)排列为相对于所述径向具有50°～70°的大角度β，而所述第二组(10’-15’)排列为相对于所述径向具有30°～49°的较小角度β。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述间距r1大于所述泵管(1)的半径的50％，而所述间距r2小于所述泵管(1)的半径的50％。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述间距r1等于所述泵管(1)的半径的75％，而所述间距r2等于所述泵管(1)的半径的20％。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，在一组内轴向间距是变化的，其中所述第一组具有平均间距r1，其按照所述泵管的半径的+/-10％变化，而所述第二组具有平均间距r2，其同样按照所述泵管的半径的+/-10％变化。

11.根据前述权利要求4-9中任一项所述的装置，其特征在于，所述护套管组(10-15；10’-15’)各自包括总共12根护套管。

12.根据前述权利要求1-11的装置用于船舶上压舱水消毒的用途。

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