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Die Erfindung betrifft eine UV-Wasserbehandlungseinheit zur Desinfektion von Wasser, vorzugsweise zur Trinkwasseraufbereitung oder für technische Anwendungen.
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Der Stand der Technik beschreibt Wasseraufbereitungseinheiten mit einer Beaufschlagung von UV-Licht in einer Desinfektionskammer. Die Desinfektionskammer wird von dem zu behandelnden Wasser durchströmt und weist hierfür einen Zu- und einen Ablauf auf. Das Hauptelement bildet eine UV-Lampe, die vom Wasser umströmt wird. Nach dem Stand der Technik werden längsersteckte UV-Quarzlampen als Lichtquelle eingesetzt, die als Tauchlampen an ihrer Oberfläche von dem zu behandelnden Wasser umspült werden.
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Ein Nachteil dieser Lösungen ist, dass für UV-Quarzlampen besondere Aufwendungen erforderlich sind, um einen Bruch zu vermeiden oder im Falle eines Bruchs eine Kontamination zu verhindern. Der Einsatz von UV-Quarzlampen gelangt daher unter eine zunehmende Reglementierung, so dass die Zulässigkeit eines weiteren Betriebs solcher Anlagen unsicher ist.
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Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass die UV-Quarzlampe, eingeschoben in eine Desinfektionskammer, in einem Ringspalt um die Lampe herum umströmt wird. Im Querschnitt betrachtet, gibt es so Bereiche, über dem die Strahlung als Gradient abfällt. Daher ist das Einwirken der UV-Strahlung auf das Medium unterschiedlich, so dass entferntere Bereiche eine zu geringe Dosis erhalten oder dass Effizienzverluste durch eine Überdimensionierung der näheren Bereiche in Kauf genommen werden müssen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik und vorzugsweise unter Verwendung von bereits vorhandenen Reaktorbehältnissen eine UV-Wasserbehandlungseinheit bereitzustellen, die eine hohe Desinfektionswirkung bei gleichzeitiger hoher Effizienz und Betriebssicherheit sowie einen geringen Montageaufwand ermöglicht. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein UV-Austauschmodul zur Ertüchtigung und Optimierung von bestehenden UV-Wasserbehandlungsanlagen bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die UV-Wasserbehandlungseinheit weist als Grundkomponenten ein Reaktorbehältnis und eine UV-LED-Einsatzeinheit auf.
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Das Reaktorbehältnis als solches ist aus dem Stand der Technik bekannt und besitzt eine zylindrische Grundform, wodurch ein vorzugsweise ebenfalls zylindrischer Innenraum aufgespannt wird. Das Reaktorbehältnis weist ferner einen ersten Medienanschluss und einen zweiten Medienanschluss auf. Die Medienzugänge stellen eine Verbindung von außen zu dem Innenraum bereit. Der erste Medienanschluss ist für einen Medienzulauf und der zweite Medienanschluss für einen Medienablauf ausgebildet. Die Medienanschlüsse sind bevorzugt an der Zylindermantelfläche des Reaktorbehältnisses angeordnet und weisen zudem einen axialen Versatz auf.
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Mittels des axialen Versatzes der Medienanschlüsse ist der Innenraum erfindungsgemäß für eine axiale Durchströmung eines zu behandelnden Mediums ausgebildet. Das Medium strömt dabei axial in Richtung von dem Medienzulauf zu dem Medienablauf.
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Als Medium wird eine zu behandelnde Flüssigkeit verstanden, wobei es sich vorzugsweise um Wasser handelt. Insbesondere kann es sich um Trinkwasser oder Wasser in technischen Anwendungen handeln.
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Das Reaktorbehältnis weist ferner an einer Reaktorbehältnisstirnseite, nachfolgend auch bezeichnet als Stirnseite, eine axiale Zugangsöffnung auf. Als Stirnseite wird dabei die dem Medienablauf zugeordnete Seite verstanden.
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Die axiale Zugangsöffnung stellt einen axialen Zugang zu dem Innenraum bereit. Das Reaktorbehältnis und die axiale Zugangsöffnung sind nach ihrer Geometrie in der Regel so ausgebildet, dass über diese eine UV-Quarzlampe in ihrer Längserstreckung axial in der Weise in den Innenraum eingeführt werden kann, dass der Abstrahlbereich von dem Medium umgeben ist und dass der Sockelabschnitt der UV-Quarzlampe außerhalb des Innenraums und ohne Medienberührung angeordnet ist. Eine solche UV-Quarzlampe ist nicht Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dient lediglich der Beschreibung der Beschaffenheit des Reaktorbehältnisses.
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Der axialen Zugangsöffnung ist ein Kopplungsabschnitt zugeordnet. Der Kopplungsabschnitt dient der Befestigung der UV-LED-Einsatzeinheit und der Abdichtung.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere durch die UV-LED-Einsatzeinheit gekennzeichnet. Die erfindungsgemäße UV-LED-Einsatzeinheit weist einen Grundkörper und eine UV-LED-Anordnung auf.
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Der Grundkörper der UV-LED-Einsatzeinheit weist einen Innenraumabschnitt und einen Kopplungsgegenabschnitt auf.
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Die UV-LED-Einsatzeinheit und das Reaktorbehältnis sind mittels der Kopplungsabschnitte zu einem Montagezustand koppelbar, wobei in dem Montagezustand die UV-LED-Einsatzeinheit und das Reaktorbehältnis eine feste Lageziehung aufweisen und die Kopplungsabschnitte den Innenraum dichtend abschließen.
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Als die Kopplungsabschnitte werden zusammengefasst der Kopplungsabschnitt des Reaktorbehältnisses und der Kopplungsgegenabschnitt des Grundkörpers der UV-LED-Einsatzeinheit bezeichnet. Die Kopplungsabschnitte können insbesondere als Flanschkopplungen, Gewindekopplungen, Bajonettkopplungen oder als Kopplungen mit vorzugsweise werkzeuglos zu betätigenden Überwurfmuttern ausgebildet sein.
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Die UV-LED-Einsatzeinheit ist nach ihrer Geometrie so ausgebildet, dass sie sich über die axiale Zugangsöffnung in das Reaktorbehältnis einschieben lässt.
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Die UV-LED-Anordnung ist zur Emission einer UV-Strahlung ausgebildet und ist an dem Innenraumabschnitt angeordnet. Bevorzugt handelt es sich bei der UV-LED-Anordnung um ein LED-Array mit einer Vielzahl parallel gerichteter Einzel-LED. Auf diese Weise können vorteilhaft ausreichend hohe UV-Lichtströme erzeugt werden.
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Die UV-LED-Anordnung weist erfindungsgemäß eine axiale Abstrahlrichtung auf. Als axiale Abstrahlrichtung wird eine im Wesentlichen zu der Hauptlängsachse des Innenraums parallele Richtung verstanden. Die axiale Abstrahlrichtung ist ferner erfindungsgemäß der axialen Durchströmung entgegengerichtet. Somit liegt eine axiale Anströmung des Mediums an die UV-LED-Anordnung vor.
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Vorzugsweise weist die UV-LED-Anordnung eine quer zur Hauptlängsachse angeordnete flächige Abstrahloberfläche auf, so dass infolge der Anströmung des Mediums vor der Abstrahloberfläche ein Strömungsabschnitt mit einer turbulenten Strömung erzeugt wird. Dieser Strömungsabschnitt wird nachfolgend auch als Turbulenzströmungsabschnitt bezeichnet.
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Bevorzugt weist der Grundkörper der UV-LED-Einsatzeinheit korrespondierend zu dem Reaktorbehältnis ebenfalls eine zylindrische Grundform auf, wobei dieser einen geringeren Durchmesser aufweist. Dadurch entsteht ein Ringspalt, über den das Medium aus dem Turbulenzströmungsabschnitt zu dem Medienablauf abströmt.
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Die erfindungsgemäße UV-Wasserbehandlungseinheit weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf.
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Es wurde überraschend gefunden, dass entgegen dem aus dem Stand der Technik bekannten Streben nach einer möglichst laminaren und definierten Strömung mittels einer im wesentlichen senkrechten Anströmung an eine flächige UV-Lichtaustrittsfläche einer UV-LED-Lichtquelle eine besonders gründliche und ausreichend lange Belichtung des vorbeiströmenden Mediums mit der UV-Strahlung gewährleistet wird, indem ein Turbulenzströmungsabschnitt unmittelbar vor der UV-Lichtaustrittsfläche geschaffen wird.
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Besonders vorteilhaft wird hierbei in Funktionsintegration die flächige Abstrahlcharakteristik der UV-LED-Lichtquelle mit deren strömungsmechanischen Eigenschaften zur Erzeugung einer turbulenten Strömung kombiniert. Aufgrund der der Strömung entgegen gerichteten UV-Strahlung und der turbulenten Strömung an der senkrechten Frontseite der UV-LED-Einsatzeinheit, ist sichergestellt, dass jeder diskrete Teil des Mediums mit der im Wesentlichen gleichen Strahlungsintensität getroffen wird.
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Zudem kann vorteilhaft die intensive Anströmung der UV-LED-Anordnung an deren Lichtausstrittsfläche sowie die Umströmung des Innenraumabschnitts des Grundkörpers der UV-LED-Einsatzeinheit für eine wirksame Kühlung der UV-LED genutzt werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße UV-Wasserbehandlungseinheit die Geometrie bestehender, insbesondere bisher mit UV-Quarzlampen versehener Reaktorbehältnisse einschließlich der Medienanschlüsse ausnutzt. Bereits ohne weitere Zusatzmittel wird durch die UV-LED-Einsatzeinheit statt der bisher um die UV-Quarzlampen in einem Ringspalt laminar ausgebildete Strömung in dem vorhandenen Bauraum ein Turbulenzströmungsabschnitt mit einer turbulenten Strömung geschaffen.
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Besonders vorteilhaft kann der Kopplungsgegenabschnitt der UV-Einsatzeinheit in gleicher Weise ausgebildet werden wie bei den bisherigen UV-Quarzlampeneinsätzen, so dass durch einfachen Austausch einer bisherigen UV-Quarzlampe gegen eine erfindungsgemäße UV-Einsatzeinheit eine UV-Wasserbehandlungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen wird.
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Vorteilhaft kann zudem durch eine geeignete Grundkörperform oder -länge der UV-Einsatzeinheit eine einfache Anpassung an unterschiedliche Bauformen oder - längen von bisher eingesetzten UV-Quarzlampen erfolgen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die UV-Wasserbehandlungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass die UV-LED-Einsatzeinheit einen Strömungsleiteinsatz aufweist und ausgebildet ist, die axiale Durchströmung auf die UV-LED-Anordnung zu lenken.
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Der Strömungslenkungseinsatz ist vorzugsweise als ein Leitblech, insbesondere ein trichterförmiges Leitblech, ausgebildet. Es kann sich auch um einen Kunststoffeinsatz oder eine Leitkontur an oder in der Außenwandung des Reaktorbehältnisses handeln.
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Der Strömungsleiteinsatz ist so geformt und angeordnet, dass unmittelbar oder mittelbar eine Verwirbelung der Strömung vor der UV-Lichtaustrittsfläche der UV-LED-Anordnung bereitgestellt oder unterstützt wird. Insbesondere kann der Strömungseinsatz so ausgebildet sein, dass in einer konzentrischen Mittelzone der axialen Durchströmung eine höhere Strömungsgeschwindigkeit geschaffen wird, so dass das Medium ausgehend von der Mittelzone eine starke Turbulenz direkt an der UV-Lichtaustrittsfläche ausbildet, die sich dann exzentrisch ausbreitet. Das Medium strömt dann nach der UV-Beaufschlagung über den Ringspalt zwischen dem Innenraumabschnitt des Grundkörpers der UV-LED-Einsatzeinheit und dem Reaktorbehältnis ab.
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Durch das turbulente Überströmen wird eine bessere Qualität bei der Desinfektion gewährleistet.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist die UV-Wasserbehandlungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsleiteinsatz an der UV-LED-Einsatzeinheit angeordnet ist.
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Der Strömungsleiteinsatz ist gemäß dieser Weiterbildung mechanisch mit der UV-LED-Einsatzeinheit verbunden. Zum einen wird somit vorteilhaft eine besonders präzise Lagebeziehung zwischen dem Strömungsleiteinsatz und insbesondere der UV-Lichtaustrittsfläche der UV-LED-Anordnung gewährleistet. Zum anderen wird vorteilhaft zudem die Montage vereinfacht und der Strömungsleiteinsatz zugleich mit der Montage der UV-LED-Einsatzeinheit ohne zusätzliche Verfahrensschritte positioniert sowie umgekehrt bei einer Demontage wieder entnommen.
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Entsprechend einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist die UV-Wasserbehandlungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktorbehältnis zur Aufnahme eines UV-Quarzlampeneinsatzes ausgebildet und die UV-LED-Einsatzeinheit in dem für den UV-Quarzlampeneinsatz aufgespannten Bauraum angeordnet ist.
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Gemäß dieser Weiterbildung wird eine zu bisherigen Bestandsanlagen kompatible Lösung bereitgestellt.
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Aufgrund des hohen Energieverbrauchs und sonstiger Nachteile der nach dem Stand der Technik eingesetzten Quarz-UV-Lampen ist der Weiterbetrieb derartiger UV-Behandlungsanlagen sehr problematisch. Aufgrund der Bereitstellung einer kompatiblen Lösung können die bestehenden Anlagen vorteilhaft als eine erfindungsgemäße UV-Wasserbehandlungseinheit weiterverwendet werden. Hierfür kann die UV-Quarzlampe einfach und kostengünstig durch die UV-LED-Einsatzeinheit ausgetauscht werden. Dies bedeutet, dass die UV-LED-Einsatzeinheit als bauraumkompatibles Austauschmodul gestaltet ist.
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Nach einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist die UV-Wasserbehandlungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass den Kopplungsabschnitten eine Überwurfmutter zugeordnet ist.
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Die besondere Weiterbildung ermöglicht eine einfache, besonders bevorzugt werkzeuglose Montage und Demontage. Insbesondere kann eine bestehende UV-Quarzlampe in einer Weise entnommen werden, indem die Überwurfmutter gelöst und die UV-Quarzlampe axial aus dem Innenraum des Reaktorbehältnisses entnommen wird. Nachfolgend kann unmittelbar die UV-LED-Einsatzeinheit eingeschoben und durch das Verschrauben und Anziehen der Überwurfmutter sowohl positionssicher befestigt als auch gegenüber dem zu behandelnden Medium dichtend angeordnet werden. Vorteilhaft kann somit ein Reaktorbehältnis aus dem Bestand ohne strukturelle Modifizierungen weiterverwendet werden.
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Nach einem weiteren Aspekt betrifft die erfindungsgemäße Lösung eine UV-LED-Austauscheinsatzeinheit.
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Die UV-LED-Austauscheinsatzeinheit weist einen Grundkörper und eine UV-LED-Anordnung auf. Der Grundkörper weist einen Innenraumabschnitt und einen Kopplungsgegenabschnitt auf.
Die UV-LED-Einsatzeinheit ist in ein Reaktorbehältnis einer UV-Wasserbehandlung einsetzbar und mittels des Kopplungsabschnitts mit dieser zu einem Montagezustand koppelbar ausgebildet. In dem Montagezustand weisen die UV-LED-Austauscheinsatzeinheit und das Reaktorbehältnis eine feste Lagebeziehung zueinander auf und die Kopplungsabschnitte schließen den Innenraum dichtend ab.
Die UV-LED-Anordnung ist an dem Innenraumabschnitt angeordnet. Diese ist zudem zur Emission einer UV-Strahlung ausgebildet und weist eine axiale Abstrahlrichtung auf.
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Für die UV-LED-Austauscheinsatzeinheit gelten die Beschreibungsinhalte zur UV-LED-Einsatzeinheit in entsprechender Weise unter Berücksichtigung, dass sich dieser Nebenanspruch auf der Schutz für die UV-LED-Austauscheinsatzeinheit als separate Baugruppe bezieht.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 schematische Schnittdarstellung der UV-Wasserbehandlungsvorrichtung mit Strömungsleiteinrichtung
- 2 schematische Schnittdarstellung der UV-Wasserbehandlungsvorrichtung mit Strömungsleiteinrichtung mit einer Überwurfmutter
- 3 schematische Schnittdarstellung einer UV-Wasserbehandlungsvorrichtung nach dem Stand der Technik
näher erläutert.
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Die 1 stellt in einer schematischen Schnittdarstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der UV-Wasserbehandlungsvorrichtung mit einer Strömungsleiteinrichtung 13 dar.
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1 zeigt als Grundkomponenten das Reaktorbehältnis 1 und die UV-LED-Einsatzeinheit 7.
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Die UV-LED-Einsatzeinheit 7 ist in das Reaktorbehältnis 1 an der axialen Zugangsöffnung 5 eingesteckt. Die axiale Zugangsöffnung 5 befindet sich an der Reaktorbehältnisstirnseite 4. Die UV-LED-Einsatzeinheit 7 und das Reaktorbehältnis 1 als die beiden Grundkomponenten werden durch den Kopplungsabschnitt 6 des Reaktorbehältnisses 1 und den Kopplungsgegenabschnitt 10 der UV-LED-Einsatzeinheit 7 formschlüssig und lösbar verbunden und so zueinander positioniert. Die Kopplungsabschnitte 6, 10 sind zudem zueinander dichtend ausgebildet, so dass das Medium dort nicht ausstritt.
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An den ersten Medienanschluss 3.1 wird eine Zuleitung des Mediums angeschlossen, sodass das Medium hier zugeführt wird. Das Medium strömt dann durch den ersten Medienanschluss 3.1 in den Innenraum 2 des Reaktorbehältnisses 1 ein. Hier wird die Strömung axial umgelenkt und so eine axiale Durchströmung 12.1 ausgebildet. Das Medium wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zudem über den Strömungsleiteinsatz 13 geleitet und gedrosselt, so dass einer Mittelzone eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vorliegt.
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Im weiteren axialen Verlauf trifft die Fließfront der Strömung senkrecht auf die UV-LED-Anordnung 11 auf und wird dort unter Ausbildung des Turbulenzströmungsabschnitts 12.2 stark verwirbelt. In diesem Bereich findet die UV-Licht-Desinfektion statt. Danach fließt das Medium in den Ringspalt, gebildet aus dem zylindrischen Innenraumabschnitt 9 des Grundkörpers 8 der UV-LED-Einsatzeinheit 7 und dem zylindrischen Innenraum 2 des Reaktorbehältnisses 1. Dadurch wird das Medium in Richtung zweiten Medienanschluss 3.2 geleitet. An diesem ist dann ein weiteres Rohr zur Medienabführung angeschlossen. Über den zweiten Medienanschluss 3.2 strömt das Medium dann ab. Ferner ist axiale Beabstandung 3.3 zwischen dem ersten Medienanschluss 3.1 und dem zweiten Medienanschluss 3.2 sowie die räumliche Zuordnung des zweiten Medienanschlusses 3.2 zu der axialen Zugangsöffnung 5 dargestellt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Befestigungslösung mit einer Überwurfmutter 12.
Der Grundaufbau stimmt mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 überein, so dass die Beschreibungsinhalte zu 1 zunächst auch für 2 gelten.
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Der Gewindeabschnitt der Überwurfmutter steht im Eingriff mit einem Außengewinde im Bereich des Kopplungsabschnitts 6 des Reaktorbehältnisses. Der Überkragungsabschnitt der Überwurfmutter 12 wirkt hierbei in dem Bereich des Kopplungsgegenabschnitts 10 axial auf eine distale axiale Ringfläche des Grundkörpers 8 der UV-LED-Einsatzeinheit 7, wodurch diese mittels einer proximalen axialen Ringfläche auf einen O-Ring wirkt, der seinerseits auf eine distale Ringfläche an dem Kopplungsabschnitt 6 des Reaktorbehältnisses 1 presst, so dass eine Dichtebene bereitgestellt wird.
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3 zeigt eine UV-Wasserbehandlungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zur Darstellung der Kompatibilität der erfindungsgemäßen UV-Wasserbehandlungsvorrichtung.
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Das Reaktorbehältnis 1 nimmt nach dem Stand der Technik eine UV-Quarzlampe a in ihrem Innenraum auf. Diese ist mit einem Schutzrohr b umhüllt, um im Falle eines Bruchs einen Kontakt mit dem zu behandelnden Medium zu verhindern. Ferner weist die UV-Quarzlampe einen Lampensockel c auf, über den die lösbare Befestigung mit dem Reaktorbehältnis 1 erfolgt. Durch Austausch der UV-Quarzlampe a mit Schutzrohr b und Lampensockel c gegen eine UV-LED-Einsatzeinheit 7 oder eine UV-LED-Austauscheinheit wird zusammen mit dem Reaktorbehältnis 1 eine ertüchtigte UV-Wasserbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktorbehältnis
- 2
- Innenraum
- 3.1
- erster Medienanschluss
- 3.2
- zweiter Medienanschluss
- 3.3
- axialer Versatz
- 4
- Reaktorbehältnisstirnseite
- 5
- Zugangsöffnung
- 6
- Kopplungsabschnitt
- 7
- UV-LED-Einsatzeinheit
- 8
- Grundkörper
- 9
- Innenraumabschnitt
- 10
- Kopplungsgegenabschnitt
- 11
- UV-LED-Anordnung
- 12.1
- axiale Durchströmung
- 12.2
- Turbulenzströmungsabschnitt
- 13
- Strömungsleiteinsatz
- 14
- Überwurfmutter
- a
- UV-Quarzlampe
- b
- Schutzrohr
- c
- Lampensockel
