DE10201617A1

DE10201617A1 - Amalgamdotierter Quecksilberniederdruck-UV-Strahler

Info

Publication number: DE10201617A1
Application number: DE10201617A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fischer; Jan Boris Rudkowski; Dirk Riepe; Rolf Sief
Original assignee: Wedeco AG
Current assignee: Wedeco AG
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: JP2005515594A; KR20040069977A; EP1466347B1; US20040232846A1; US20050189864A1; NO20033963L; DE10201617B4; NO20033963D0; EP1466347A2; AU2002366982A1; CA2438613A1; WO2003060950A3; PL368614A1; US7049738B2; US7061173B2; WO2003060950A2; RU2003125635A; DE10201617C5; CA2438613C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlereinheit mit einem Strahler von der Bauart eines wenigstens ein Amalgamdepot aufweisenden Quecksilber-Niederdruck-Amalgamstrahlers sowie mit einem den Strahler umgebenden Hüllrohr, wobei zwischen dem Hüllrohr und dem Strahler ein Luftspalt vorgesehen ist. Bei dem neuen Strahler wird eine Regelbarkeit in einem großen Bereich erreicht, wenn in einer Axialrichtung des Strahlers im Bereich des wenigstens einen Amalgamdepots ein Mittel zur Beeinflussung der Temperatur des Amalgams vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlereinheit mit einem amalgamdotierten Quecksilberniederdruck-UV- Strahler mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Derartige Strahler sind aus der Praxis bekannt. Sie werden im Desinfektionsbereich für Wasser und Abwasser eingesetzt und zeichnen sich durch eine besonders hohe Leistung aus. Die hohe Leistung wird erreicht, indem bei einem Strahler mit niedrigem internen Druck das Quecksilber in einem Amalgam (vorzugsweise Indium) gebunden wird. Dieses Quecksilber wird in die Gasphase abgegeben, wenn der Strahler eine Betriebstemperatur von etwa 90°C erreicht. Ausschlaggebend für diese Betriebstemperatur ist die Temperatur des Amalgams.
Andere Bauarten von UV-Strahlern sind die nicht mit Amalgam ausgestatteten Niederdruckstrahler, deren optimale Betriebstemperatur etwa bei 40°C liegt, wobei diese Strahler eine geringere Leistung aufweisen, sowie die Mitteldrucklampen, die einen internen Druck von etwa 1.000 mbar aufweisen und deren Betriebstemperatur mehrere hundert Grad Celsius beträgt. Diese Strahler haben zwar eine relativ hohe Leistung im Kilowattbereich; der Wirkungsgrad, also das Verhältnis zwischen Strahlungsausgangsleistung im gewünschten Wellenlängenbereich und elektrischer Leistungsaufnahme ist jedoch geringer als der Wirkungsgrad der hier betroffenen amalgamdotierten Quecksilberniederdruckstrahler.
Um im Betrieb die optimale Temperatur von etwa 90 bis 120°C zu erreichen, werden die genannten Strahler nicht unmittelbar in die zu desinfizierende Flüssigkeit eingetaucht. Die dort herrschenden Temperaturen im Trinkwasser- oder Abwasserbereich sind zu niedrig, um die erforderliche Temperatur des Strahlers aufrecht zu erhalten. Sie werden deshalb von Hüllrohren umgeben, die zwischen ihrer Innenwandung und der Außenseite des Strahlers einen Luftspalt begrenzen, und bilden mit diesen zusammen die gattungsgemäße Strahlereinheit. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Luft gewährleistet im Betrieb des Strahlers, dass sich dieser nicht unter 90°C abkühlt. Voraussetzung ist allerdings eine ausreichend hohe elektrische Leistung.
Aus diesen Randbedingungen ergibt sich, dass die Strahler beim Betrieb in einem Hüllrohr nur eingeschränkt regelbar sind. So kann beispielsweise bei fabrikneuen Strahlern, die eine besonders hohe anfängliche UV-Ausbeute aufweisen, die elektrische Leistung nicht so weit abgesenkt werden, dass die abgestrahlte UV-Intensität auf das später im gealterten Zustand des Strahlers abgegebene Niveau gesenkt wird, ohne den Nachteil in Kauf nehmen zu müssen, dass der UV-Strahler dann zu kalt wird, was die Strahlungsausbeute verringert.
In einem anderen Fall kann der Betriebszustand eintreten, dass das zu behandelnde Wasser eine relativ hohe Temperatur aufweist, beispielsweise 60°C. Wenn in diesem Betriebszustand relativ alte Strahler verwendet werden, so muss diesen eine hohe elektrische Leistung zugeführt werden, um die erforderliche UV-Intensität zur Verfügung zu stellen. Die hohe Umgebungstemperatur führt dazu, dass der Strahler nicht wie bei niedrigeren Temperaturen auf den optimalen Arbeitsbereich abgekühlt wird. Der Wirkungsgrad des Strahlers sinkt, weil sich die Temperatur des Strahlers auf über 90°C einstellt. Dieser Betriebszustand ist unerwünscht.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen amalgamdotierten Quecksilberniederdruck-UV-Strahler dahingehend zu verbessern, dass er unabhängig von der Wassertemperatur und vorzugsweise mit variabler UV-Leistung betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird von einem Strahler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weil in Axialrichtung des Strahlers im Bereich des Amalgamdepots und insbesondere an der axialen Position des wenigstens einen Amalgamdepots ein Mittel zur Beeinflussung der Temperatur des Amalgams vorgesehen ist, kann bei niedrigen Amalgamtemperaturen die Temperatur erhöht werden. Vorzugsweise ist das Mittel zur Temperaturbeeinflussung auch so ausgestaltet, dass die Temperatur des Amalgams erniedrigt werden kann, falls diese gegenüber dem optimalen Arbeitsbereich zu hoch liegen sollte.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Band aus einem metallischen Material zwischen dem Strahler und dem Hüllrohr liegt. Das Band erstreckt sich vorzugsweise in Umfangsrichtung des Strahlers an der axialen Position des Amalgams. Dieses Band kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zumindest abschnittsweise als Bimetall ausgeführt sein, so dass sich die räumliche Anordnung in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Wenn das Band im Bereich des Amalgams am Strahler befestigt ist und ein gegenüber dem Strahler radial beweglicher Bereich vorgesehen ist, der sich innen an das Hüllrohr anlegen kann, kann das Band auch zur Ableitung von Wärme aus dem Bereich des Amalgams benutzt werden, so dass eine Kühlung möglich wird.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein elektrisches Heizelement auf der Außenseite des Strahlers im Bereich des Amalgams angeordnet ist. Dieses Heizelement kann als Ohmscher Widerstand oder PTC-Widerstand ausgeführt sein. Vorzugsweise liegt der Widerstand an der Außenseite des Strahlers im Bereich des Amalgams und an der Innenseite des Hüllrohrs an, so dass ohne Beaufschlagung des Heizelements mit elektrischem Strom ein Wärmetransport von dem Strahler zum Hüllrohr erfolgen kann und auf diese Weise das Amalgam gekühlt werden kann. Eine besonders einfache Beschaltung des Heizelements ist möglich, wenn dieses Heizelement parallel zu einem Glühwendel des Strahlers geschaltet ist. Die Heizung kann dann mit dem Heizstrom für den Heizwendel eingeschaltet werden. Es kann auch vorgesehen sein, das elektrische Heizelement parallel zu den Anschlüssen des Strahlers zu schalten, so dass die Heizung in Abhängigkeit von der Betriebsspannung des Strahlers arbeitet.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Strahlereinheit mit einem bandförmigen Mittel zur Temperaturbeeinflussung in einer Seitenansicht;
Fig. 2a, 2b die Strahlereinheit gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt in Radialrichtung im Bereich des Amalgams;
Fig. 3 eine Strahlereinheit mit einem elektrischen Heizmittel; sowie
Fig. 4 eine Strahlereinheit mit einem anders beschalteten elektrischen Heizmittel.
In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Strahlereinheit in einer Seitenansicht dargestellt. Die Stahlereinheit weist ein äußeres Hüllrohr 1 auf, das einen Strahler 2 von der Bauart eines amalgamdotierten Quecksilberniederdruckstrahlers umgibt. Zwischen dem Hüllrohr 1 und dem Strahler 2 befindet sich ein Luftspalt 3. Der Strahler 2 weist in an sich bekannter Weise endseitige Glühwendel 4 auf, die zum Starten und Aufrechterhalten der Gasentladung mit einer Glühspannung bzw. einer Betriebsspannung beaufschlagt werden können. In einem axialen Abstand von dem linken Glühwendel 4 ist ein Amalgamdepot 5 vorgesehen, das in ebenfalls bekannter Weise beispielsweise aus einem Indium-Quecksilber-Amalgam bestehen kann. Dieses Amalgam bewirkt im Betrieb des Strahlers eine Leistungssteigerung gegenüber nicht amalgamdotierten Niederdruckstrahlern.
Eine Metallspirale 6, die die axiale Ausdehnung des Amalgamdepots 5 geringfügig überschreitet, ist im Bereich des Amalgamdepots 5 außen an dem Strahler 2 befestigt und liegt in dem Luftspalt 3 zwischen dem Hüllrohr 1 und dem Strahler 2.
Der genauere Aufbau im Bereich der Linie II-II ist in den Fig. 2a und 2b näher veranschaulicht, die einen Querschnitt durch die Strahlereinheit gemäß Fig. 1 entlang dieser Linie zeigen.
Die Fig. 2a zeigt die Strahlereinheit mit dem Hüllrohr 1, das hier von der zu desinfizierenden Flüssigkeit 10 umgeben ist, bei niedriger Betriebstemperatur. Die Spirale 6 ist bei 11 wärmeleitend mit der Außenseite des Strahlers 2 verbunden, beispielsweise dort mit einem UV- beständigen Klebstoff aufgeklebt. Ausgehend von der Position 11 verläuft die Spirale 6 bis zu ihrem freien Ende etwa parallel zur Umfangsrichtung des Strahlers 2. Die Spirale 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Bimetall ausgebildet und aufgrund der niedrigen Temperaturen in einer räumlichen Gestalt, die etwa dem Umfang des Strahlers 2 entspricht. Sie liegt also bis zum ihrem freien Ende eng am Strahler an.
In der Fig. 2b ist die Konfiguration gemäß Fig. 2a bei höherer Betriebstemperatur dargestellt. Die Spirale 6 dehnt sich aufgrund des Temperatureinflusses aus, wobei die Befestigung an der Position 11 die Spirale 6 dort festhält. Das freie Ende der Spirale 6 nähert sich dem Hüllrohr 1 an. In dem dazwischen liegenden Bereich hebt sich die Spirale 6 von der Oberfläche des Strahlers 2 ab.
Im Betrieb arbeitet die insoweit beschriebene Strahlereinheit wie folgt:
Zunächst wird der Strahler 2 in bekannter Weise gezündet, so dass sich die Gasentladung im Inneren des Strahlers 2 ausbildet. Durch die Gasentladung heizt sich der Strahler 2 auf. Die im Strahler 2 produzierte Wärme wird über den Luftspalt 3 an das Hüllrohr 1 und dort an die Flüssigkeit 10 abgegeben, so dass sich ab dem Start zunächst die Temperatur im Inneren des Strahlers erhöht, bis sie einen Gleichgewichtszustand erreicht. Bei niedrigen Temperaturen der zu desinfizierenden Flüssigkeit 10, wie sie im Abwasser- und Trinkwasserbereich gelegentlich vorliegen, kann der Zustand eintreten, dass die Gleichgewichtstemperatur im Strahler 2 nicht ausreicht, um das Amalgam im Amalgamdepot 5 auf die optimale Betriebstemperatur zu bringen, die etwa bei 90-120°C liegt. In diesem Falle reflektiert die wie in Fig. 2a eng am Strahler 2 anliegende Spirale 6 die Strahlungsleistung an der axialen Position des Amalgamdepots 5 ins Innere des Strahlers 2, so dass an dieser Stelle die Temperatur im Strahler steigt. Außerdem nimmt die Spirale 6 die vom Strahler ausgehende Wärme auf. Zusätzlich heizt sich die Spirale durch absorbierten Strahlungsfluss aus dem Strahler 2 auf. Die Spirale 6 wird dadurch erwärmt und gibt diese Wärme über die wärmeleitfähige Verbindung an der Position 11 an das Amalgamdepot 5 weiter, so dass dieses sich in der Startphase zunächst schneller aufheizt, so dass der Strahler 2 gegenüber herkömmlichen Anordnungen schneller seine Betriebstemperatur und damit seinen hervorragenden Wirkungsgrad erreicht. Im Betrieb verhindert die Spirale 6bei niedrigen Temperaturen der Flüssigkeit 10 das Unterschreiten der Betriebstemperatur des Strahlers 2 und stellt damit ebenfalls dauerhaft einen guten Wirkungsgrad sicher. Zudem kann, falls die Betriebsbedingungen dieses zulassen, die dem Strahler 2 zugeführte elektrische Leistung gesenkt werden. Diese Absenkung der elektrischen Leistung kann beispielsweise gewünscht werden, wenn die Fließgeschwindigkeit der zu desinfizierenden Flüssigkeit 10 gering ist und deshalb eine geringe UV-Intensität zu einer ausreichenden Desinfektion führt. Die verringerte elektrische Leistung führt zu einer Abnahme der Gleichgewichtstemperatur im Inneren des Strahlers 2. Dieser Temperaturabnahme wirkt der oben beschriebene Effekt der Spirale 6 auf das Amalgamdepot 5 entgegen.
Die Fig. 2b zeigt den Strahler gemäß Fig. 2a in einem Betriebszustand bei höherer Temperatur. Die Spirale 6 hat sich aufgrund ihrer Bimetalleigenschaften ausgedehnt. Sie reicht im Luftspalt 3 näher an das Hüllrohr 1 heran oder kann sich bei weiter steigender Temperatur an das Hüllrohr anlegen. Die Spirale 6 führt dadurch Wärme, die im Bereich der wärmeleitenden Verbindung bei 11 aus dem Amalgamdepot 5 aufgenommen wird, an die kühlere Hüllrohrwandung des Hüllrohres 1 ab. Das Amalgamdepot 5 wird auf diese Weise gekühlt, so dass sich bei hoher elektrischer Leistung oder bei einer hohen Temperatur der Flüssigkeit 10 die Temperatur des Amalgamdepot 5 nicht übermäßig erhöht. Auf diese Weise kann die Spirale 6 einer Erwärmung des Amalgamdepots 5 über den Bereich der optimalen Betriebstemperatur hinaus entgegenwirken. Das Einhalten der Betriebstemperatur, die einen guten Wirkungsgrad sicherstellt, wird hierdurch gewährleistet.
Neben der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführung mit einer Bimetallspirale sind auch andere mechanische Lösungen denkbar, so z. B. Vorrichtungen, die bestimmte Eigenschaften von sogenannten Formgedächtnismetallen nutzen. So ist es z. B. auch möglich, zwischen dem Amalgamdepot 5 und dem Hüllrohr 1 eine Blende anzuordnen, die je nach Temperatur in Radialrichtung oder Axialrichtung des Strahlers 2 verschoben wird und so die Temperatur des Amalgamdepots 5 regelt. Es ist auch möglich, einen Strahlungsreflektor auf der dem Amalgamdepot 5 gegenüberliegenden Seite des Strahlers 2 anzuordnen, der allein die dort anfallende Strahlungsleistung auf das Amalgamdepot 5 zurückreflektiert und der gegebenenfalls seine Reflexionseigenschaften temperaturabhängig ändert. Es kann auch vorgesehen sein, im Bereich des Amalgamdepots eine Metallschicht ringförmig von außen auf den Strahler aufzudampfen oder einen Metallring oder ein elastisches Metallgeflecht über die Außenseite des Strahlers zu legen.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Bei dieser Ausführung ist nicht eine mechanische Vorrichtung zur Beeinflussung der Temperatur des Amalgamdepots 5 vorgesehen, sondern eine elektrische Heizvorrichtung 12. Die Heizvorrichtung 12 wird wärmeleitend auf der Außenseite des Strahler 2 im Bereich des Amalgamdepots 5 befestigt. Sie kann beispielsweise aus einem einfachen Heizwiderstand, einem PTC-Widerstand (positive temperature coefficient) oder einem VDR (voltage-dependent resistor) bestehen. Das Heizelement 12 ist in der Fig. 3 über Anschlussleitungen 13 und 14 parallel zu den Glühwendeln 4 geschaltet, so dass bei einem Einschalten der Heizspannung für die Glühwendel 4 auch die Heizspannung auf das Heizelement 12 gegeben wird. Auf diese Weise wird das Amalgam im Amalgamdepot 5 schon beim Startvorgang geheizt. Ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperatur ist dadurch möglich. Bei einem Absinken der zugeführten elektrischen Leistung kann die Heizspannung dann wieder eingeschaltet werden, um zu verhindern, dass der Strahler auskühlt. Vorzugsweise liegt das Heizelement 12 mit seiner Außenseite wärmeleitend an dem Hüllrohr 1 an, so dass ohne Beaufschlagung mit Heizspannung das Heizelement 12 aufgrund seiner eigenen Wärmeleitfähigkeit Wärme aus dem Amalgamdepot 5 an das Hüllrohr abführen kann und auf diese Weise zu einer Absenkung der Betriebstemperatur beitragen kann, falls die Temperatur in dem Strahler 2 über den optimalen Bereich ansteigt.
In der Fig. 4 ist die Strahlereinheit ebenfalls mit einem Heizwiderstand 12 in oben beschriebener Weise versehen. Die Anschlussleitungen 13 und 15 sind in der Fig. 4 jedoch so geführt, dass die Heizspannung des Heizelements 12 aus der Spannung abgegriffen wird, die zwischen den sich gegenüberliegenden Wendeln 4 anliegt. Die Heizspannung 12 wird also aus der Betriebsspannung des Strahlers gewonnen.
Diese Konfiguration kann genutzt werden, wenn der Strahler im Betrieb über den Strom gesteuert wird, also beispielsweise mit konstantem Strom betrieben wird. Je nach Betriebszustand und insbesondere je nach Temperatur im Strahler stellt sich dann die am Strahler anliegende Spannung ein. Dabei ist die Höhe der Strahlerspannung ein Indiz für die Temperatur des Amalgamdepots 5. In der Schaltung gemäß Fig. 4 würde (mit einer geeigneten Kennlinie des Heizelements 12 oder mit einer entsprechenden, hier nicht dargestellten elektronischen Schaltung) bei einem Sinken der Strahlerspannung unter einen bestimmten Wert die Heizung im Heizelement 12, das beispielsweise als PTC oder als passiver Widerstand ausgeführt ist, ansteigen. Die Temperatur im Amalgamdepot 5 würde aufgrund der zugeführten Heizleistung ebenfalls erhöhen, so dass die Betriebsspannung steigt. Es stellt sich mit der Zeit hier ein geregeltes Gleichgewicht ein, das bei geeigneter Auslegung des Heizwiderstandes 12 im Bereich der optimalen Betriebstemperatur liegt. Auch bei dieser Konfiguration kann ohne Beaufschlagung des Heizelements 12 mit der Heizspannung eine überschüssige Wärme aus dem Amalgamdepot 5 an das Hüllrohr 1 abgegeben werden, so dass bei hoher Leistung oder hoher Außentemperatur das Amalgamdepot 5 gekühlt wird.

Claims

1. Strahlereinheit mit einem Strahler von der Bauart eines wenigstens ein Amalgamdepot aufweisenden Quecksilber-Niederdruck-Amalgamstrahlers sowie mit einem den Strahler umgebenden Hüllrohr, wobei zwischen dem Hüllrohr und dem Strahler ein Luftspalt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Axialrichtung des Strahlers im Bereich des wenigstens einen Amalgamdepots ein Mittel zur Beeinflussung der Temperatur des Amalgams vorgesehen ist.

2. Strahlereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Beeinflussung der Temperatur des Amalgams an der axialen Position des wenigstens einen Amalgamdepots angeordnet ist.

3. Strahlereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Beeinflussung der Temperatur des Amalgams ein zwischen dem Strahler und dem Hüllrohr angeordnetes Band aus einem metallischen Material ist.

4. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Band an der axialen Position des Amalgams in Umfangsrichtung des Strahlers erstreckt.

5. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Band zumindest abschnittsweise als Bimetall ausgeführt ist, so dass sich die räumliche Anordnung in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.

6. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Band im Bereich des Amalgams am Strahler befestigt ist und ein relativ zu dem Strahler radial beweglicher Bereich vorgesehen ist, der sich innen an das Hüllrohr anlegen kann.

7. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement auf der Außenseite des Strahlers im Bereich des Amalgams angeordnet ist.

8. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als Ohmscher Widerstand oder PTC- Widerstand ausgeführt ist.

9. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand an der Außenseite des Strahlers im Bereich des Amalgams und an der Innenseite des Hüllrohrs anliegt, so dass ohne Beaufschlagung des Heizelements mit elektrischem Strom ein Wärmetransport von dem Strahler zum Hüllrohr erfolgen kann und auf diese Weise das Amalgam gekühlt werden kann.

10. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement parallel zu einem Glühwendel des Strahlers geschaltet ist.

11. Strahlereinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement parallel zu den Anschlüssen der Versorungsspannung des Strahlers geschaltet ist.