DE102021202957A1

DE102021202957A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestrahlen einer flüssigkeit

Info

Publication number: DE102021202957A1
Application number: DE102021202957.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Gleitsmann; Ulrich Hartwig
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2022-09-29
Also published as: CN115120753A; US20220305155A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Bestrahlen einer Flüssigkeit mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Entkeimen einer insbesondere fließenden Flüssigkeit (26) mittels UV-Strahlung (UV-Reaktor), umfassend einen Behälter (20) mit einem Zulauf (22) zum Aufnehmen der Flüssigkeit (26) und mit einem Ablauf (24) zum Abgeben der Flüssigkeit (26) aus dem Behälter (20), wobei innerhalb des Behälters (20) eine veränderbare bzw. einstellbare Bestrahlungszone (40) vorgesehen ist zum Bestrahlen der Flüssigkeit (26) mit von einer Strahlungsquelle (38) emittierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere UV-Strahlung. In der Bestrahlungszone (12) ist die Flüssigkeit (26) in Form einer Flüssigkeitsschicht der Schichtdicke H ausgebildet, die sich zwischen der Unterseite (36) des Behälters (20) und einer sich oberhalb der Flüssigkeitsschicht ausdehnenden Gasblase (30) erstreckt. Durch Anpassen der Ausdehnung der Gasblase (30) innerhalb des Behälters (20), beispielsweise durch Ändern des Gasdrucks, und dadurch resultierend der Schichtdicke H der Flüssigkeit (26) in der Bestrahlungszone (40), wird ein effizienter Betrieb des (UV-)Reaktors (10) bei unterschiedlichen Trübungsgraden der Flüssigkeit (26) erzielt. Optional wird die Eindringtiefe der Strahlung mit einem Sensor (52) erfasst und die Schichtdicke H anhand des Sensorsignals passend eingestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Bestrahlen einer Flüssigkeit, insbesondere einer fließenden Flüssigkeit, mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Entkeimen einer Flüssigkeit mittels Ultraviolett-Strahlung. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter mit einem Zulauf zum Aufnehmen der Flüssigkeit und mit einem Ablauf, an dem die Flüssigkeit nach dem Durchfließen aus dem Behälter abgegeben werden kann. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Strahlungsquellen, vorzugsweise LEDs, die jeweils dafür ausgelegt sind, die in einem Innenraum des Behälters fließende Flüssigkeit mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit Wellenlängen im Bereich der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, zu bestrahlen. Solche Vorrichtungen werden auch als UV-Reaktoren bezeichnet.
UV-Reaktoren können vielfältig eingesetzt werden, etwa zur Aufbereitung von Trinkwasser oder zur Sterilisation bzw. Entkeimung von Brauchwasser oder Betriebswasser, welches beispielsweise in gewerblichen, landwirtschaftlichen oder hauswirtschaftlichen Anwendungen (z.B. Spülmaschinen, etc.) eingesetzt wird. Auch andere Flüssigkeiten als Wasser wie beispielsweise Blut oder Milch können durch solche UV-Reaktoren entkeimt werden.
Besonders wirksam erweist sich dabei die Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 280 nm, die gem. DIN 5031-7 auch als Ferne UV bzw. FUV-Strahlung bezeichnet wird. Hinzu kommt der sich daran anschließende Bereich von 100 nm bis 200 nm, der entsprechend als Vakuum UV bzw. VUV-Strahlung bezeichnet wird.
Die oben angegebenen Wellenlängenbereiche bis hin zu 280 nm werden in vorliegender Anmeldung als UV-C Strahlung, jene von 280 nm bis 315 nm als UV-B Strahlung sowie jene von 315 nm bis 380 nm als UV-A Strahlung zusammengefasst und überwiegend in UV-Reaktoren eingesetzt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird auch der Bereich von 10 nm bis 121 nm (Extremes Ultraviolett) von dem hier verwendeten Begriff UV-C Strahlung erfasst.
Für eine effiziente Entkeimung sollte dabei die Strahlendosis (Dosis = Intensität mal Zeit [Ws/m²]) pro Volumeneinheit der durchströmenden Flüssigkeit eine Konstante sein. Zumindest muss die Strahlendosis pro Volumeneinheit der durchströmenden Flüssigkeit aber oberhalb eines Grenzwertes liegen, der eine bestimmungsgemäße Entkeimung der jeweiligen Volumeneinheit gewährleistet.
Flüssige Medien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, insbesondere Streu- und Absorptionseigenschaften, z. B. aufgrund von Trübungen, weisen unterschiedliche Eindringtiefen von elektromagnetischer Strahlung auf. Wird elektromagnetische Strahlung verwendet, um durch eine Strahlungsdosierung eine Eigenschaft des Mediums zu verändern, muss die Geometrie des Aufbaus, die Leistung der Strahlungsquelle und die Strahlführung entsprechend auf dessen optische Eigenschaften angepasst sein.
In einem trüben Medium ist die Strahlungsintensität stark abhängig von dem Abstand zur Strahlungsquelle. Um die Dosis in größeren Abständen nicht zu weit abfallen zu lassen, ist es somit notwendig die Flussgeschwindigkeit über den Abstand zu variieren. Flussgeschwindigkeiten sind schwer innerhalb eines Reaktors über einen weiten Bereich zu kontrollieren. Sehr kleine Flussgeschwindigkeiten erhöhen des Weiteren die Gefahr von Ablagerungen. Insbesondere ist eine gleichmäßige Dosierung schwierig bei Medien, bei denen die Trübung über die Zeit variieren kann.
Die Trübung eines Mediums kann beispielsweise verursacht werden durch streuende oder absorbierende Partikel. Diese können organischen oder anorganischen Ursprungs sein. Beispiele wären Schmutzpartikel, Mikroorganismen, Algen oder Schwebteilchen, Kalkteilchen oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Trübung auch durch Emulsionen oder Mischung mit anderen Flüssigkeiten (z.B. mit Kolloid-Bestandteilen) hervorgerufen werden.
Ein Beispiel ist ein UVC-Reaktor zur Entkeimung von Wasser. Die Entkeimungsleistung eines UV-Reaktors wird an seinem Keim-Reduktionsfaktor RF = lg(N(t)/N₀) festgemacht, wobei N₀ die initiale Anzahl der Keime ist und N(t) die nach einer Zeit t reduzierte Anzahl von Keimen ist. Die Keimreduktion folgt vereinfacht in einem weiten Bereich der folgenden Abhängigkeit: N(t) = N₀-exp(-kD(t)), wobei D die Dosis ist und keine Keim- und Umgebungsspezifische Konstante ist.
Die Effizienz von UV-Reaktoren zur Entkeimung von Flüssigkeiten wird von der Eindringtiefe der Strahlung in das Flüssigkeitsvolumen beeinflusst. Insbesondere bei UV-C Strahlung und trüben Medien ist durch Absorption und/oder Streuung bereits nach wenigen Millimetern die eingestrahlte Lichtintensität auf wenige Prozent abgefallen, so dass keine relevante Desinfektionswirkung für bestrahlte Schichtdicken von einigen cm oder mehr erreicht werden können oder eine sehr hohe initiale optische Leistung verwendet werden müsste, um nach der Abschwächung noch eine ausreichende Wirkung zu erzielen. Um eine ausreichende Desinfektionswirkung abzusichern, werden in der Praxis Desinfektionsanlagen oft nur für eine max. UV Transmission zugelassen (siehe DVGW W 294-1:2006-06).
Um die Bedingung konstanter Dosis über das Gesamtvolumen zu gewährleisten bedarf es daher besonderer Vorkehrungen. Insbesondere dann, wenn sich die Eindringtiefe der Strahlung im Laufe der Zeit verändert.
Durch geeignete Erhöhung der Strahlungsleistung über einen kritischen Schwellwerte hinaus, beispielsweise um mehr als einen Faktor 10⁴, kann im Prinzip in allen zu desinfizierenden Bereichen der Flüssigkeit eine ausreichende Strahlungsleistung zur Reduktion der fortpflanzungsfähigen Keime erreicht werden.
In herkömmlichen UV-Reaktoren ist in der Regel ausreichend UVC-Strahlung vorhanden, um auch bei variierender Trübung immer eine ausreichende Dosis zu erzielen. Dazu wurden in der Vergangenheit UVC-Lampenquellen verwendet, insbesondere Gasentladungslampen. Eine massive Überdosierung der erforderlichen Strahlung ist hier möglich, da die Kosten der Quellen pro Watt Strahlungsleistung gering sind und die Strahlungsquellen prinzipiell in der Lage sind große Strahlungsmengen abzugeben (mehrere hundert bis mehrere tausend Watt je nach Lampenart). Im einfachsten Fall kann bei der Auslegung des Entkeimungssystems der „schlimmste Fall“ (trübste mögliche Flüssigkeit) angenommen werden und der Reaktor und die Strahlungsquelle auf diesen Fall ausgelegt werden. Dieser Lösungsansatz führt jedoch zu einer starken Reduktion der Energieeffizienz des Systems aufgrund von UV-Überdosierungen in einem Großteil des bestrahlten Bereiches. Diese Strategie ist bei Halbleiter-UVC-Quellen (z. B. LEDs) nicht wirtschaftlich, aufgrund der deutlich geringen maximalen UV-Strahlungsmengen und der hohen Kosten aktueller UV-LEDs, insbesondere UV-C-LED. Außerdem würde durch eine solche Herangehensweise Energie verschwendet in den Fällen, in denen die Trübung des Mediums vergleichsweise gering ist.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Bestrahlen einer fließenden Flüssigkeit mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, derart weiterzubilden, dass die vorgenannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll die Strahlungswirkung, insbesondere auch Entkeimungswirkung, auch bei sich ändernder Eindringtiefe, beispielsweise aufgrund sich ändernder Streu- und Absorptionseigenschaften der zu bestrahlenden bzw. entkeimenden Flüssigkeit, möglichst effizient gewährleistet werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestrahlen, insbesondere auch zum Entkeimen, einer fließenden Flüssigkeit mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
Ausgangspunkt ist eine Vorrichtung zum Bestrahlen/Entkeimen einer fließenden Flüssigkeit mittels UV-Strahlung, die ein Behälter umfasst mit einem Zulauf zum Aufnehmen der Flüssigkeit und mit einem Ablauf, an dem die Flüssigkeit nach dem Durchfließen aus dem Behälter abgegeben werden kann. Im Kern handelt es sich hier folglich um einen Durchflussreaktor. Gleichwohl schließt die Erfindung eine im Behälter stehende Flüssigkeit mit ein, die vorher eingelassen, mittels UV-Strahlung bestrahlt/entkeimt und später ausgelassen wird.
Innerhalb des Behälters ist für die zu bestrahlende Flüssigkeit eine Bestrahlungszone vorgesehen, wobei das Einstrahlen der elektromagnetischen Strahlung in diese Bestrahlungszone vom Boden, d.h. der Unterseite des Behälters aus erfolgen kann. Außerdem ist eine Gasblase über dem Flüssigkeitsspiegel vorgesehen. Der Begriff „Gas“ bzw. „Gasblase“ soll hier verallgemeinernd sowohl ein einzelnes Gas als auch eine beliebige Mischung verschiedener Gase, z. B. insbesondere auch Luft bzw. eine Luftblase umfassen. Der Flüssigkeitsspiegel stellt eine Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit im Behälter und der Gasblase dar und fungiert aufgrund des Brechungsindexunterschiedes der beiden Medien als Reflektor für die von der Unterseite des Behälters eingestrahlte Strahlung und trägt so zu einer Effizienzsteigerung bei. Über eine Gaszuführung, die vorzugsweise auf der Oberseite des Behälters angeordnete ist, kann der Gasdruck und damit die Ausdehnung der Gasblase innerhalb des Behälters und letztlich auch der Flüssigkeitsquerschnitt bzw. die Schichtdicke, respektive die Tiefe der Flüssigkeit in der Bestrahlungszone, eingestellt werden.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass über die gesamte Bestrahlungszone des Reaktors eine gewisse Mindestmenge an Strahlung die in ihrer Tiefe an die jeweilige Flüssigkeitseigenschaft, beispielsweise Trübung, angepassten Flüssigkeitsschichten durchdringt. Bei zunehmender Trübung der Flüssigkeit beispielsweise wird der Gasdruck erhöht, damit sich die Gasblase mehr ausdehnt und folglich die verbleibende Tiefe für die Flüssigkeit entsprechend verringert bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Umgekehrt kann der Gasdruck wieder verringert werden sobald sich die Trübung verringert, wodurch sich die Gasblase ebenfalls verringert und die Flüssigkeitstiefe folglich zunimmt bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein sensorbasierter Regelkreis vorgesehen, bei welchem die durchstrahlte Schichtdicke abhängig von der UV-Transmissivität des durchstrahlten Mediums eingestellt wird, z.B. in Abhängigkeit eines Sensorsignals des transmittierenden Lichts, beispielsweise von einer oder mehreren Fotodioden.
Eine Regelung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Druck eines mit der Gasblase verbundenen Gasvorrats (Gasballast) in Abhängigkeit vom Sensorsignal variiert wird. Die dazu nötige Änderung des Gasdrucks kann z.B. thermisch, mittels Pumpe oder per Volumenkompression („Ballonprinzip“) erfolgen. Die Regelung ist dabei so ausgelegt, dass beispielsweise mit trübungsbedingter Abnahme des Fotodiodensignals sich die Gasblase ausdehnt und dadurch den Flüssigkeitsquerschnitt bzw. die Flüssigkeitstiefe reduziert.
Eine Regelung kann beispielsweise auch so ausgelegt sein, dass mit zunehmender Trübung der Volumenstrom im Reaktor reduziert wird, z.B. mit Hilfe eines steuerbaren Ventils. Dadurch reduziert sich der Innendruck des Behälters bzw. des Zulauf- und Ablaufrohres. Damit kann sich die Gasblase ausdehnen und die Schichtdicke der durch die Bestrahlungszone fließenden Flüssigkeit nimmt bis zu einem Gleichgewichtswert ab.
Die Trübheit des Mediums kann im Ein- (Zulauf) bzw. Auslassbereich (Ablauf) gemessen werden. Dazu können beispielsweise zusätzliche sekundäre Strahlungsquellen (Hilfs- oder Messstrahlungsquellen) eingesetzt werden. Es können dabei eine oder mehrere Wellenlängen eingesetzt werden, um gezielt unterschiedliche Absorptions- und Streueigenschaften des Mediums zu adressieren.
Die Sensoren, beispielsweise Fotodioden, können den direkt durchstrahlten, den vorwärtsgestreuten und den rückwärtsgestreuten Anteil der Hilfsstrahlung messen und somit zwischen absorbiertem und gestreutem Anteil der Strahlung teilweise unterscheiden.
Sowohl die Strahlungsquellen (primär und sekundär) als auch die Sensoren können mit optischen Komponenten ausgestattet sein, z. B. Linsen, TIR-Linsen (Total Internal Reflection), CPCs (Compound Parabolic Concentrator), Blenden, Reflektoren, Linsenplatten und/oder optische Diffusoren.
Das Regelsignal kann auch ohne Hilfsstrahlung ermittelt werden, sondern mit Hilfe der primären Strahlung. Dazu sind die Sensoren (z.B. Fotodioden) am oder im Reaktorbehälter direkt angeordnet. In diesem Fall kann die Strahlung der primären Strahlungsquelle genutzt werden, um die optischen Eigenschaften des Mediums zu bestimmen. Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass sich die optischen Eigenschaften der Reaktorkammer auch mit der Lage der Grenzschicht verändern. Deshalb wird die Lage der Grenzschicht ermittelt, z. B. akustisch mittels Ultraschallwellen. Aus der Lage der Grenzschicht und den Fotodiodensignalen kann die optimale neue Lage der Grenzschicht ermittelt werden. In die Regelung des Gasdrucks gehen also die Fotodiodensignale und die momentane Position der Grenzschicht ein. Dabei hängt der funktionale Zusammenhang stark von der Reaktorgeometrie ab und muss entsprechend für jedes Reaktordesign individuell bestimmt werden.
Darüber hinaus kann eine Regelung der Größe der Gasblase und folglich der Schichtdicke der Flüssigkeit auch in Abhängigkeit des Lebensdauerverhaltens der Strahlungsquelle, beispielsweise von UVC-LEDs, erfolgen. Dadurch kann der Einfluss einer im Laufe der Zeit auftretenden Abnahme der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle auf die Entkeimung der Flüssigkeit ausgeglichen oder zumindest verringert werden.
Da die Bestrahlungsintensität im Reaktor mit dem Abstand zur UV-Strahlungsquelle abnimmt, ist es wünschenswert den Fluss des Mediums in der Bestrahlungszone über die Tiefe einstellen zu können, um eine gleichmäßige Dosierung der Strahlung über das Volumen zu erlangen.
Eine Ausführung sieht V-förmige Verengungen des Reaktors vor oder andere Formen von Leitblechen oder Leitplatten, die von oben in das Reaktorgefäß hineinragen. Auch eine bewegliche Lochplatte mit unterschiedlichen Lochgrößen ist möglich. Die Leitbleche oder -platten werden in Abhängigkeit von der Lage der Grenzschicht eingestellt. Da die Bestrahlungsstärke nahe der Quelle am größten ist und mit dem Abstand abnimmt, verringert das Leitblech den Volumenstrom mit zunehmendem Abstand, so dass die Dosis, das Produkt aus Bestrahlungsstärke und Bestrahlungsdauer, unabhängig vom Abstand zur Quelle ist.
Um die Effizienz des Reaktors durch Optimierung der Grenzflächenreflektivität zu erhöhen, können auf der Flüssigkeitsoberfläche aufschwimmende und Strahlung reflektierende oder diffus zurückstreuende Objekte, z.B. Kugeln oder Bälle, eingebracht werden. Ebenfalls möglich ist eine schwimmende Folie.
Die Grenzschicht kann auch mit akustischen Wellen angeregt werden. Somit kann die Grenzschicht durch den Brechungsindexsprung zwischen der Flüssigkeit und dem Gas per totaler interner Reflektion wie ein Rückstrahler Strahlung zurückwerfen. Diese Anregung kann mit mehreren Aktuatoren auch 2-dimensionale Muster auf der Flüssigkeitsoberfläche erzeugen. Besonders vorteilhaft ist die Erzeugung der Wellen in Form von 4-seitigen oder 6-seitigen Pyramiden. Dazu muss entsprechend der Fourierreihe auch mit höheren harmonischen Frequenzen angeregt werden.
Auch ist es möglich einen dünnen Flüssigkeitsfilm mit einem anderen Brechungsindex als das primäre Medium auf dieses aufschwimmen zu lassen und somit einen Bragg-Spiegel zu realisieren. Durch konstruktive Interferenz der Wellen von den verschiedenen Oberflächen lässt sich eine wellenlangensensitive reflektierende Schicht realisieren. So kann zwischen Messwellenlänge und Wirkwellenlänge unterschieden werden. Die optische Weglänge durch die jeweiligen Schichten, gebildet aus dem Produkt von Brechungsindex und geometrischer Dicke der Schicht, muss dabei ein Viertel der Wirkwellenlänge sein.
Die Bestrahlung des Mediums kann auch von der Gasblasenseite aus erfolgen. Ein Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass eine Verschmutzung, z.B. die Bildung eines Bio-Films, oder Kalkablagerungen, auf der Grenzschicht nicht stattfinden kann.
Neben dem Luftblasenvolumen können mit den Sensorsignalen auch der Durchfluss (Volumenstrom), die Leitbleche und der Quellenstrom geregelt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu Luft kann die Blase mit weiteren Gasen gefüllt sein, welche beispielsweise eine zusätzliche Entkeimungswirkung aufweisen, z.B. O₃, Cl₂, ClO₂, H₂O₂.
Außerdem kann die obere Gefäßoberfläche im Bereich der Gasblase mit einer photokatalytisch aktiven Beschichtung versehen sein, um mit der UV-Strahlung, welche die Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Luft durchdrungen hat, zu wechselwirken (Strahlungsrecycling). Diese Beschichtung kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass sie:

die auftreffende Strahlung reflektiert oder diffus streut und damit nach außen eine Abschirmwirkung erzielt,
durch Absorption in einem fotokatalytisch aktiven Material, z.B. TiO2, ZnO, einen zusätzlichen Entkeimungseffekt generiert z.B. Photo Catalytic Oxidation (PCO).

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Gasblase zwischenzeitlich den gesamten Reaktorraum einnimmt. Durch dieses Trockenlegen des Reaktorraums können bei Entkeimungsreaktoren Biofilme gezielt bekämpft werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei können gleiche oder gleichartige Merkmale im Folgenden der Einfachheit halber auch mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines UV-Reaktors mit einer Gasblase gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Ablaufdiagramm für eine Ausführungsform der Regelung der Schichtdicke der Flüssigkeit im UV-Reaktor;
3 eine schematische Darstellung eines UV-Reaktors mit Leitblech gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Leitblechs für einen UV-Reaktors gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines UV-Reaktors mit auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmenden reflektierenden Bällen gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines UV-Reaktors mit gegenüber 1 geändertem Zu- und Ablauf.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer vereinfachten Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dargestellt ist ein UV-Reaktor 10 mit einem Behälter 20 und einem Zulaufrohr 22 sowie einem Ablaufrohr 24 für eine zu entkeimende Flüssigkeit 26. Die zulaufende bzw. ablaufende Flüssigkeit 26 ist durch entsprechende Pfeile symbolisiert. Anstatt wie in 1 dargestellt, können Zu- und Ablaufrohr alternativ auch anders angeordnet sein, beispielsweise an der Unterseite des Behälters (nicht dargestellt). Die Flüssigkeit 26 füllt typischerweise nur einen Teil des Behälters 20 aus, nämlich bis zum Flüssigkeitsspiegel 28. Die Höhe H des Flüssigkeitsspiegels 28 wird über eine Gasblase 30 eingestellt. Dazu wird über eine auf der Oberseite 32 des Behälters 26 angeordnete Gaszuführung 34 Gas in den Behälter 20 eingeströmt. Durch Verändern des Gasdrucks (angedeutet durch den breiten Doppelpfeil) kann die Ausdehnung der Gasblase 30 und damit die Höhe H des Flüssigkeitsspiegels 28 eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Höhe H des Flüssigkeitsspiegels 28 auch durch Ändern des Volumenstroms der Flüssigkeit 26 eingestellt werden. Dazu ist im Zulaufrohr 22 ein Regelventil 25 vorgesehen. Durch Verringern des Volumenstroms verringert sich auch der Flüssigkeitsdruck im Zulaufrohr 22 und damit im Behälter 20. Dadurch kann sich die Gasblase 30 auch bei konstantem Gasdruck mehr ausdehnen und die Höhe H des Flüssigkeitsspiegels 28 wird verringert.
An der Unterseite 36 des Behälters 26 ist eine Strahlungsquelle 38 angeordnete, die sich zumindest über einen Teil der Unterseite 36 erstreckt, vorzugsweise eine Mehrzahl UV-C-LEDs, beispielsweise vom Typ OSLON UV 3636 der Fa. OSRAM Opto Semiconductors. Im Betrieb bestrahlt die Strahlungsquelle 38 durch die strahlungsdurchlässige Unterseite 36 des Behälters 26 hindurch die Flüssigkeit 26 innerhalb einer Bestrahlungszone 40. Auf diese Weise wird also durch das Einstellen der Höhe H des Flüssigkeitsspiegels letztlich die Schichtdicke der zu bestrahlenden Flüssigkeit 26 in der Bestrahlungszone 40 eingestellt, je nach Trübungsgrad der Flüssigkeit 26. Alternativ kann die Strahlungsquelle 38 auch so angeordnet sein, dass die Bestrahlung der Flüssigkeit von der Seite der Gasblase aus erfolgt, beispielsweise indem die Strahlungsquelle auf der Oberseite des Behälters angeordnet ist oder auch innerhalb des Behälters (nicht dargestellt).
Optional ist ein sensorbasierter Regelkreis vorgesehen (nicht dargestellt), der die Einstellung einer geeigneten Schichtdicke respektive die Höhe H des Flüssigkeitsspiegels 28 in Abhängigkeit der gemessenen UV-Transmissivität der Flüssigkeit 26 selbständig einstellt und bei Bedarf nachregelt. Dazu ist im Bereich des Zulaufrohrs 22 eine sekundäre UV-Strahlungsquelle 50 angeordnet sowie drei zugeordnete Strahlungssensoren 52, 54, 56 für die Messung der direkten, gestreuten bzw. rückgestreuten UV-Strahlung. Anhand der Messsignale der Strahlungssensoren 52, 54, 56 wird der Gasdruck in der Gasblase 30 mit Hilfe eines regelbaren Gasvorrats bzw. Gasballasts (nicht dargestellt) geregelt.
Alternativ kann auch im Bereich des Ablaufrohrs 24 eine entsprechende Messung der UV-Transmissivität der ausströmenden Flüssigkeit 26 vorgesehen sein (nicht dargestellt).
In einer weiteren alternativen Ausführung sind die Strahlungssensoren im Bereich der Oberseite 32 (für die Messung der direkten und gestreuten Strahlung) sowie Unterseite 36 (für die Messung der rückgestreuten Strahlung) angeordnet (nicht dargestellt). In diesem Fall kann die Strahlung der primären Strahlungsquelle 38 genutzt werden, um die UV-Transmissivität der Flüssigkeit 26 zu bestimmen. Allerdings ist dabei noch die Position des Flüssigkeitsspiegels 28 zu berücksichtigen, also die Position der optischen Grenzschicht zwischen Flüssigkeit 26 und Gas 39, da sich die sich auf die optischen Eigenschaften der Reaktorkammer 10 auswirkt. Die Position der Grenzschicht 28 kann z.B. mittels Ultraschallwellen bestimmt werden. In 2 ist für diese Ausführungsform ein grobes Ablaufdiagramm 100 für die Regelung der Schichtdicke H bei Änderungen des Trübungsgrads der Flüssigkeit dargestellt. Sowohl die Messignale der Strahlungssensoren (Schritt S110) als auch die ermittelte Position der Grenzschicht (Schritt S120) gehen in die Bestimmung der neuen Position der Grenzschicht 28 (Schritt S130) ein. Im nächsten Schritt S140 wird der für die neue Position der Grenzschicht 28 erforderliche Gasdruck ermittelt. Bei der in 1 dargestellten Messung des Trübungsgrades mit einer zusätzlichen sekundären UV-Strahlungsquelle 50 entfällt der Schritt S120.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer vereinfachten Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der UV-Reaktor 10' weist ein Leitblech 42 auf, das ungefähr senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel 28 bzw. zu der Hauptströmungsrichtung 44 in die Flüssigkeit 26 eintaucht. Die Eintauchtiefe ist veränderbar (angedeutet durch den dünnen Doppelpfeil). Das Leitblech 42 dient der Einstellung des Flusses der Flüssigkeit 26 in verschiedenen Tiefen, um möglichst eine gleichmäßige Dosierung der Strahlung über das Flüssigkeitsvolumen in der Bestrahlungszone 40 zu erzielen.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Leitblechs 42 in einer Draufsicht in Hauptströmungsrichtung 44. Das Leitblech 42 hat eine rechteckige Grundform mit einer sich in Eintauchrichtung öffnenden V-förmigen Ausnehmung 46 der Länge L. Mit Hilfe dieser V-förmigen Ausnehmung 46 lässt sich das Strömungsprofil der Flüssigkeit 26 im Bereich der Bestrahlungszone 40 so beeinflussen, dass sich der Fluss mit dem Abstand von der Strahlungsquelle 38 verringert bzw. umgekehrt der Fluss mit der Tiefe bezüglich des Flüssigkeitsspiegels 28 erhöht. Dadurch kann die Gleichmäßigkeit der Dosierung der Strahlung in verschiedenen Tiefen verbessert werden. Vorzugsweise ist die Länge L der Ausnehmung 46 so bemessen, dass sie sich bis zur maximal vorgesehenen Höhe H des Flüssigkeitsspiegels 28 erstreckt, um eine geeignete Einstellung des Flusses zu gewährleisten. Eine alternative Ausführungsform für ein Leitblech sieht eine Lochplatte vor, bei der die Lochgröße vorzugsweise in Richtung zum Flüssigkeitsspiegel abnimmt (nicht dargestellt). Auch mehrere Leitbleche, z. B. eins vor und eins hinter der Gasblase sind möglich, um über einen weiteren Bereich die Strömung zu steuern.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer vereinfachten Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der UV-Reaktor 10'' weist eine Vielzahl von reflektierenden oder zumindest diffus zurückstreuenden Bällen oder Kugeln 48 auf, die auf dem Flüssigkeitsspiegel 28 schwimmen. Die Bälle 48 reflektieren zumindest einen Teil der von der Strahlungsquelle 38 kommenden und nach Durchqueren der Flüssigkeitsschicht verbleibenden Strahlung, die von der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit 26 und dem Gas der Gasblase 30 nicht reflektiert wird, sondern diese transmittiert, ebenfalls zurück in die Flüssigkeit 26. Dadurch wird die Effizienz des UV-Reaktors 10" erhöht.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer vereinfachten Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei diesem UV-Reaktor 10''' sind das Zulaufrohr 22 und das Ablaufrohr 24 an der Unterseite 36 des Behälters 20 angeordnet. Außerdem ist ein Gasvorratsbehälter 58 vorgesehen, der mit der Gaszuführung 34 an der Oberseite 32 des Behälters 20 und folglich mit der Gasblase 30 verbunden ist. Durch Erwärmen oder Abkühlen des Gasvorrats im Behälter 58 kann der Gasdruck erhöht bzw. vermindert und damit die Ausdehnung der Gasblase 30 vergrößert bzw. verkleinert werden. Dazu ist der Gasvorratsbehälter mit einer Wärme- und Kühlvorrichtung ausgerüstet (nicht dargestellt). Alternativ kann der Druck auch mittels Kompression erhöht werden, beispielsweise indem an der Gaszuführung ein Gaskompressor angeschlossen oder der Gasvorratsbehälter in der Art eines Blasebalgs kompressibel ausgelegt ist (nicht dargestellt).
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen einer Flüssigkeit mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Entkeimen einer insbesondere fließenden Flüssigkeit mittels UV-Strahlung (UV-Reaktor), umfassend einen Behälter mit einem Zulauf zum Aufnehmen der Flüssigkeit und mit einem Ablauf zum Abgeben der Flüssigkeit aus dem Behälter, wobei innerhalb des Behälters eine veränderbare bzw. einstellbare Bestrahlungszone vorgesehen ist zum Bestrahlen der Flüssigkeit mit von einer Strahlungsquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere UV-Strahlung. In der Bestrahlungszone ist die Flüssigkeit in Form einer Flüssigkeitsschicht der Schichtdicke H ausgebildet, die sich zwischen der Unterseite des Behälters und einer sich oberhalb der Flüssigkeitsschicht ausdehnenden Gasblase erstreckt. Durch Anpassen der Ausdehnung der Gasblase innerhalb des Behälters, beispielsweise durch Ändern des Gasdrucks, und dadurch resultierend der Schichtdicke H der Flüssigkeit in der Bestrahlungszone, wird ein effizienter Betrieb des (UV-) Reaktors bei unterschiedlichen Trübungsgraden der Flüssigkeit erzielt. Optional wird die Eindringtiefe der Strahlung mit einem Sensor erfasst und die Schichtdicke H anhand des Sensorsignals passend eingestellt.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10'', 10''': UV-Reaktor
20: Behälter
22: Zulaufrohr
24: Ablaufrohr
25: Regelventil
26: Flüssigkeit
28: Flüssigkeitsspiegel
30: Gasblase
32: Oberseite des Behälters
34: Gaszuführung
36: Unterseite des Behälters
38: Strahlungsquelle
40: Bestrahlungszone
42: Leitblech
44: Hauptströmungsrichtung
46: V-förmige Ausnehmung
48: Ball/Kugel
50: sekundäre Strahlungsquelle
52: Strahlungssensor
54: Strahlungssensor
56: Strahlungssensor
58: Gasvorratsbehälter
H: Höhe des Flüssigkeitsspiegels/Schichtdicke
L: Länge der V-förmigen Ausnehmung

Claims

Vorrichtung (10, 10', 10'', 10''') zum Bestrahlen einer Flüssigkeit (26), insbesondere einer fließenden Flüssigkeit, mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Entkeimen einer Flüssigkeit mittels UV-Strahlung (UV-Reaktor), umfassend: - einen Behälter (20) mit einem Zulauf (22) zum Aufnehmen der Flüssigkeit (26) und mit einem Ablauf (24) zum Abgeben der Flüssigkeit (26) aus dem Behälter (20), - wobei innerhalb des Behälters (20) eine Bestrahlungszone (40) zum Bestrahlen der Flüssigkeit (26) vorgesehen ist, - mindestens eine Strahlungsquelle (38), bevorzugt LED, die konfiguriert ist elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht mit Wellenlängen im Bereich der UV-Strahlung, bevorzugt der UV-C Strahlung, in die Bestrahlungszone (40) hinein abzugeben, - wobei die Vorrichtung (10, 10', 10", 10''') dafür ausgelegt ist, dass innerhalb des Behälters (20) und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (28) der im Behälter (20) befindlichen Flüssigkeit (26) eine Gasblase (30) erzeugbar ist, um damit die Schichtdicke (H) der Flüssigkeit (26) in der Bestrahlungszone (40) einzustellen.
Vorrichtung (10, 10', 10", 10''') nach Anspruch 1, mit einer einstellbaren Gaszuführung (34) zur Einstellung der Ausdehnung der Gasblase (30) innerhalb des Behälters (20) und damit der resultierenden Schichtdicke (H) der Flüssigkeit (26).
Vorrichtung (10, 10', 10'', 10''') nach Anspruch 2, wobei die Gaszuführung (34) an der Oberseite (32) des Behälters (20) angeordnet ist.
Vorrichtung (10''') nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ausdehnung der Gasblase (30) anhand des Gasdrucks eines mit der Gaszuführung (34) verbundenen Gasvorrats (58) eingestellt wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Sensor (52, 54, 56), der zur Messung einer Eigenschaft der Flüssigkeit, insbesondere des Trübungsgrades, ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer Messstrahlungsquelle (50), die dazu ausgelegt und angeordnet ist die Messstrahlung für den Sensor (52, 54, 56) zu emittieren.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Regelkreis, der dazu ausgelegt ist, die Einstellung der Ausdehnung der Gasblase (30) innerhalb des Behälters (20) in Abhängigkeit vom Messsignals des Sensors (52, 54, 56) zu regeln.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem oder mehreren auf dem Flüssigkeitsspiegel (28) aufschwimmenden, Strahlung zurückwerfenden Objekten, beispielsweise einer schwimmenden Folie oder schwimmenden Bällen (48).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Innenseite des Behälters (20) zumindest im Bereich der Gasblase (30) mit einer Beschichtung versehen ist, die die Strahlung reflektiert oder die ein fotokatalytisches Material mit einer Entkeimungswirkung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasblase (30) Luft enthält.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasblase (30) Gase mit einer Entkeimungswirkung enthält, z.B. O₃, Cl₂, ClO₂, H₂O₂.
Verfahren zum Bestrahlen einer Flüssigkeit mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zum Entkeimen einer Flüssigkeit (26), umfassend: Bereitstellen einer Vorrichtung (10, 10', 10'', 10''') gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; Verbinden des Zulaufes (22) der Vorrichtung (10, 10', 10", 10''') mit einer Quelle der Flüssigkeit (26), und der mindestens einen Strahlungsquelle (38) mit einer elektrischen Energieversorgungsquelle; Zulaufen der Flüssigkeit (26) durch den Zulauf (22) in den Behälter (20); Zuführen des Gases (30) in den Behälter (20) durch die Gaszuführung (34); Einstellen der Ausdehnung der Gasblase (30) innerhalb des Behälters (20) und damit der resultierenden Schichtdicke (H) der Flüssigkeit (26) in der Bestrahlungszone (40) gemäß zumindest einer Eigenschaft, beispielsweise dem Trübungsgrad, der Flüssigkeit (26).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Einstellen der Ausdehnung der Gasblase (30) durch einen oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte erfolgt: - Einstellen des Gasdrucks der Gasblase (30); - Einstellen des Volumenstroms der Flüssigkeit (26).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, zusätzlich umfassend: Messen zumindest einer Eigenschaft, beispielsweise des Trübungsgrads, der Flüssigkeit (26) mit Hilfe des Sensors (52, 54, 56) und Verwenden des Messsignals des Sensors (52, 54, 56) zum Anpassen der Ausdehnung der Gasblase (30) an eine Änderung des Messsignals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, zusätzlich umfassend: Rückführen der Flüssigkeit (26) zu der Quelle oder Überführen der Flüssigkeit (26) in ein anderes Reservoir über den Ablauf (24).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, zusätzlich umfassend: Ausdehnen der Gasblase (30) so, dass die Gasblase (30) für eine Zeitdauer den gesamten Raum im Behälter (20) einnimmt.