DE2630496A1

DE2630496A1 - Vorrichtung zum entkeimen von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2630496A1
Application number: DE19762630496
Authority: DE
Inventors: Gerold Dipl Phys Dr Braendli; Hermann Egger
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1977-12-29
Also published as: DE7621448U1; CH598139A5

Description

Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels Ultraviolett-Strahlung von mehrheitlich 254 nm Wellenlänge, wobei eine Strahlungsquelle mit zylindrischer Begrenzung vom zu entkeimenden Medium quer angeströmt wird.
Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten mit Ultraviolett-Strahlen bestimmter spektraler Zusammensetzung, insbesondere der charakteristischen 254 nm-Hg-Linie wirksam entkeimt werden können. Auf dem Markt sind vor allem Ent.keimungsgeräte bekannt, die mit konventionellen Niederdruck-UV-Strahlern ausgerüstet sind. Da die W-Strahlungsleistung dieser Art von Strahlungsquellen sowohl absolut wie auch spezifisch (gemessen in mW/cm ) klein ist, sind entweder dem Entkeimungsgrad oder der Durchflussmenge des zu entkeimenden Mediums verhältnismässig tiefe Grenzen gesetzt.
Die bevorzugte Ausführungsform von UV-Strahlungsquellen für Vorrichtungen zur Entkeimung von Flüssigkeiten ist diejenige mit kreiszylindrischer Begrenzung, wobei das betreffende Quarzschutzrohr vom zu entkeimenden Medium entweder längs oder quer angeströmt wird. Derartige Vorrichtungen sind in grosser Anzahl bekannt, worunter hier vor allem diejenigen it Queranströmung der Strahlungsquelle interessieren (z.B. Oe-PS 321 829; US-PS 3 637 342; US-PS 3 837 800). Die Verwirklichung von Entkeimungsvorrichtungen stösst auf erhebliche konstruktive Schwierigkeiten. Es muss u.a. dafür gesorgt werden, dass keine toten Räume im Strömungsbild entstehen, was oft zustzlIche Mittel zur Erhöhung der Turbulenz erfordert (z.B. CH-PS 477 825 für Längsströmung im Mantelraum zwischen koaxialen Rohren).
In der Praxis werden für Trinkwasserentkeimung Durchflussmengen von 5 m3/h pro UV-Strahler bei einer Abtötungsrate von 500 für Bacterium E. Coli (Verhältnis der Keime vor und nach der Entkeimung) angegeben. Dies erfordert bei grösseren Durchflussmengen die Parallel- oder Serieschaltung einer grossen Anzahl von Strahlungsquellen (z.B. US-PS 3 634 025).
Die bekannten Entkeimungsvorrichtungen verwenden Niederdruck- UV-Strahlungsquellen herkömmlicher Art, wodurch sich bei hohen Durchflussmengen und weit getriebenem Entkeimungsgrad komplizierte, aufwendige und kostspielige Geräte ergeben. Dies hängt mit der geringen Einheitsleistung konventioneller Niederdruck-Strahler zusammen. Weiter fällt die komplizierte, nicht zu umgehende periodische Reinigung der Quarzschutzrobre umso mehr ins Gewicht, je grösser ihre Anzahl und je verwickelter der Aufbau der Vorrichtung ist, was sich oft aus ober-genannten strömungstechnischen Gründen nicht umgehen lässt. Die hohe Raumbeanspruchung und die meist erforderlichen Umlenkungen im Leitungsstrang des zu entkeimenden Mediums erschweren zudem den Einbau derartiger bekannter Geräte. Die Leistung tre SV ,trahler kann zwar durch Verwendung von Hg-lIochdruck-Str-othlungsquellen erhöht werden. Solche Strahler haben jedoch einen gegenüber Niederdruck-Einheiten wesentlich geringer 'irkungsgrad bezogen auf die Intensität an wirksamer 'J~Z-trahlung und belasten durch ihre Erwärmung das zu entkeimende medium unter Umständen in unzulässiger Weise. Die verhältnismässig kurze Lebensdauer von Hochdruck-Strahlern stellt ihrer Verwendung weitere Hindernisse in den Weg.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten anzugeben, die bel hoher Abtötungsrate grosse Durchflussmengen des zu entkeimenden Mediums pro Strahlungseinheit zu verarbeiten gestattet, einfachen konstruktiven Aufbau, hohe Betriebssicherheit und niedrigen Preis besitzt sowie einen platzsparenden einfachen Einbau und eine einfache Reinigung ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass als LeItung für das zu entkeimende Medium ein Leitungsrohr vorgesehen ist, das von mindestens einem zylindrischen Quarzschutzrohr durchdrungen ist, welches als Strahlungsquelle ein NiedcrucX-Hochstrom- Quecksilberdampfentladungsrohr mit einer Entadungsstromdichte von mindestens lA/cm und einem Quecksilberda:pfdruck von höchstens 0,5 Torr enthält, derart, dass besagtes Medium das Quarzschutzrohr umströmt.
Strahlungsquellen der vorstehend genannten Art sind bekannt (z.B. DT-OS 24 12 997 der Anmelderin).
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigt: Fig. 1 Aufriss und Grundriss eines Grundtyps der Entkeimungsvorrichtung in Bezug auf seine relative Lage im Leitungsstrang, Fig. 2 eine schematische Darstellung der die Vorrichtung aufbauenden Grundelemente und ihrer geometrischen Beziehungen, Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung mrnt zur Strömungsrichtung schief stehendem Quarzschutzrohr der Strahlungsquelle, Fig. 4 teilweiser Querschnitt, teilweise Ansicht in Strdmungsrichtung der Vorrichtung nach Fig. 3, Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Vorrichtun mit zur Strömungsrichtung senkrecht stehendem Quarzschutzrohr der Strahlungsquelle, Fig 6 teilweiser Querschnitt, teilweise Ansicht In Strömungsrichtung der Vorrichtung nach Fig. 5, Fig. 7 teilweiser Querschnitt, teilweise Ansicht i. Scrömungsrichtung einer Ausführung mit ovalem Leitungsrohr, Fig. 8 teilweiser Querschnitt, teilweise Ansicht i rj Strömungsrichtung einer Ausführung mit rechteckigem Leitungsrohr, Fig. 9 den Aufriss einer Entkeimungsvorrichtung mit drei je eine Strahlungsquelle enthaltenden Quarzschutzrohren in Bezug auf ihre relative Lage im Leitung,sst-ang, Fig. 10 die relative Abtötungsrate in Funktion der Durchflussmenge für Trinkwasser mit einer Eindringtiefe für UV-Strahlung von 15 cm.
Fig. 1 zeigt die Entkeimung:3vorrichtung in ihrer relativen Lage zum Leitungsstrang. Das zu entkeimende Isedium. 1 wird der Vorrichtung durch die ankommende Leitung 2 zugeführt, durch strömt das Leitungsrohr 3 der Vorrichtung und verlässt dieselbe durch die abgehende Leitung 4. Das Leitungsrohr 3 ist mit Rohrflanschen 5 in herkömmlicher Weise mit der ankommenden und abgehenden Leitung verbunden. Auf seinem Wege durch die Vorrichtung umströmt das Medium 1 das die UV-StrahlunqueIle enthaltende Quarzschutzrohr 6 derart, dass die Strorng im wesentlichen quer zu dessen Längsachse verläuft. 7 stellt den Kühlkörper der hier nicht gezeichneten, im Innern des !uarzschutzrohres untergebrachten Strahlungsquelle dar Das Leitungsrohr 3 hat eine wirksame Länge L und im Falle eines kreisförmigen Querschnitts einen Innendurchmesser D, wogegen der Aussendurchmesser des Quarzschutzrohres d ist. Daraus ergibt sich für die maximale halbe Breite des Wirkungsquerschnitts die Beziehung = D-d 2 Zur Erzielung einer optimalen Ausnutzung der UV-StrahXun, müssen bestimmte geometrische Verhältnisse der Dimensionen D, d und L eingehalten werden. Siehe Fig. 2. Von dieser, in Fig.
dargestellten Grundform der Entkeimungsvorrichtung leiten sich die verschiedenen Ausführungsformen ab, die in den Figuren 3 bis 9 näher beschrieben sind. Dabei kann der Querschnitt des Leitungsrohres 3 auch von der Kreisform abweichende Gestalt haben. Das Quarzschutzrohr 6 kann ausserdem in einem schiefen Winkel zur Strömungsrichtung stehen.
In Fig. a sind die geometrischen Verhältnisse der Vorrichtung schematisch dargestellt. Das zu entkeimende Medium 1 fliesst mit Strömungsrichtung von links nach rechts durch das Leitungsrohr 3 mit Längsachse 8. ie Längsachse 3 de die Strahlungsquelle enthaltenden Quarzschutzrohres 6 schlieset mit der Längsachse 8 (= Strömungsrichtung) den Winkel α ein, der vorzugsweise im Bereich von 450 bis 1350 liegt. Di Ausführungsformen der sich gegenseitig durchdringenden Rohre sind nicht auf das in Fig. 2 dargestellte Beispiel sich cchneidender Längsachsen 8 und 9 beschränkt. Letztere können si ich auch kreuze, d.h. windschief zueinander stehen. Unter gewissen Umständen, z.B. bei Einführung von Mess-Sonden oder Anbreigung von Beobachtungsfenstern im Wirkungsquerschnitt kar:' eine derartige unsymmetrische Anordnung wünschenswert sein. Die Bemessung erfolgt derart, dass ein im Punkt A bzw. B senkrecht aus dem Quarzschutzrohr 6 austretenderUV-Strahl dc 24 nm-Hg-Linie mit der Intensität 10 nach Auftreffen auf der Innenwandung des Leitungsrohres 3 im Punkt A' bzw. B' noch die Intensität 0,2 10 bis 0,5 10 besitzt. Die Absorption längs der Strecke AA' = BB' = # = D-d/2 soll also 50% bis 80% betragen. Die Länge L des Leitungsrohres 3 wird in vorteilhafter Weise zu 1 bis 3 mal D dimensioniert. Eine vorzugsweise se Ausführung ist diejenige mit L = 2D.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen einen Längs- und einen Querschnitt bzw. teilweise Ansicht einer Vorrichtung mit Leitungsrohr 3 mit kreisförmigem Querschnitt. Die UV-Strahlungsru--lle 1S, vorzugsweise in Einkolbenausführung, wird vom Quazseutzrohr 6 mit Längsachse 9 koaxial umschlossen. In aer neten Ausführungsform bildet die Längsachse 9 des Quarzschutzrohres 6 (=Längsachse der Strahlungsquelle 10) den Winkel g; mit der Längsachse 8 des Leitungsrohres 3. Das Quarzschutzrohr 6 wird an seinen beiden Enden durch Stopfbüchsen ll gehalten und gegenüber dem Flüssigkeitsdruck im Innern des Leitungsrohres 3 abgedichtet. 12 ist eine nach herkömrlicher Art aufgebaute und in bekannter Weise verwendete Reinigungsvorrichtung bestehend aus einer oder mehreren achsial hintereinander liegenden ring- oder torusförmigen Bürsten, die mittels Betätigungsgriff 13 von Hand betätigt wird. Die Reinigung der Oberfläche des Quarzrohres erfolgt nach Massgabe der Zusammensetzung des zu entkeimenden Mediums in periodischen Abständen, um die Ablagerung von Feststoffen die die Wirksamkeit der UV-Strahlung beeinträchtigen, zu unterbinden. Die übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Figuren 1 und 2.
Eine in konstruktiver Hinsicht besonders einfache Ausführungsform zeigen Fig. 5 und Fig. 6 in Länge- und Querschnitt bzw.
teilweiser Ansicht. Die Bezugszeichen entspreche:. r: en der Figuren 3 und 4. Die Längsachse 9 des Quarzschutzrohres 6 und der zugehörigen Strahlungsquelle 10 steht hier senkrecht auf der Längsachse 8 des Leitungsrohres 3.
In Fig. 7 und Fig. 8 sind zwei Ausführungsformen mit flächen Leitungsrohren 3 dargestellt. Im Falle Fig. 7 ha um ein Leitungsrohr 3 mit ovalem bzw. elliptischem iritt, während Fig. 8 ein Leitungsrohr 3 mit rechteckigs chnitt zeigt. Im letzteren Fall werden die ecken des Rec: mässigerweise aus strömungs- und festigkeitstechnischen Gründen in geeigneter Weise abgerundet. Als bestimmendes Mass fur die UV-Strahlung erscheint hier neu die Breite (= minimale innere lichte Weite) des Leitungsrohres 3. Analog wird in er Formel gemäss Fig. 2 das Mass "D" durch das Mass "E" ersetzt AA' BB' = = ß = 2d E-d . Die Aus führungs formen gemäss Fi. 1 und 2 Fig. 8 sind besonders für die Entkeimung von Medien geringerer Eindringtiefe für UV-Strahlung, z.B. für Salzwasser geeignet, da sie eine günstigere Ausnutzung des Wirkungsquerschnitts für eine gegebene Durchflussmenge erlauben. Es versteht ich von selbst, dass die Querschnitte gemäss Fig. 7 und Fig. 8 auch für Ausführungen nach Fig. 3 mit schief gestellter Längsachse 9 des Quarzschutzrohres 6 bezüglich Längsachse 8 des Leitungsrohres 3 verwendet werden können.
Für sehr hohe Durchflussmengen oder Medien mit hoher Absorption bzw. geringer Eindringtiefe für UV-Strahlung wird in vorteilhafter Weise eine Hintereinanderschaltung mehrerer Strahlungsquellen, maximal deren vier, verwendet. Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform mit total drei Strahlungsquellen, wobei die Bezugszeichen denjenigen von Fig. 1 entsprechen.
In Fig. 10 ist die relative Abtötungsrate N0/N in Funktion der Durchflussmenge Q (m3/h) für eine Vorrichtung gemäß Fig. 5 und Fig. 6 für Trinkwasser mit einer Eindringtiefe vo = 15 cm 0 für 254 nm-Hg-Strahlung dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse in einem reziproken Masstab von rechts nach links wachsend die Durchflussmenge Q in m3 /h aufgetragen. Die Ordinate hat logarithmischen Masstab. N ist die Anzahl der Keime vor, N die 0 Anzahl nach der Entkeimung bezogen auf die Volumeneinheit des Mediums. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um Bacterium E. Coli. Die Eindringtiefe # der UV-Strahlung ist definiert als der Abstand von der Oberfläche des Quarzschutzrohres 6, in welchem die Intensität der 254 nm-Strahlung nach Durchlaufen des zu entkeimenden Mediums auf den im Falle paralleler Strahlung 1/einen Teil abgesunken ist (e=2,718), d.h., in welchem die Strahlstärke (=Strahlungsleistung/Raumwinkel; DIN 5031, B1. 1, Aug. 1970) auf den l/e-ten Teil abgesunken ist. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass bei sehr hohen Durchflussmengenvon 100 m3/h mit Ser erfindungsgemässen Vorrichtung mit nur einer einzigen Strahlungsquelle eine Abtötungsrate von mindestens 103 fdr den Typ Bacterium E. Coli erzielt wird, d.h. mindestens 99,9 % der ursprünglich vorhandenen Keime vernichtet werden.
Durch die erfindungsgemässe neue Vorrichtung zur : !;e wlung von Flüssigkeiten wurde ein Gerät geschaffen, das :c hk,chstmöglicher konstruktiver Einfachheit, geringstmöglischem aumbedarf und niedrigem Preis eine geringe Wartung aufweist bei gleichzeitig hoher Durchflussmenge und hoher Abtötungsrate für das zu entkeimende Medium. Insbesondere erübrigt die erfindungsgemässe Vorrichtung Umlenkungen und aufwendige Zusatzarbeiten am Leitungsstrang. Die Reinigung des Quarzschutzrohres kann in herkömmlicher und äusserst einfacher Weise periodisch durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche 1, Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels Ültraviolett-Strahlung von mehrheitlich 254 nm Wellenlänge, wobei eine Strahlungsquelle mit zylindrischer Begrenzung vom zu entkeimenden Medium quer angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Leitung für das zu entkedrende Medium (1) ein Leitungsrohr (3) vorgesehen ist, da von r.indestens einem zylindrischen Quarzschutzrohr (6) wendrungen ist, welches als Strahlungsquelle (10) ein Niede Hochstro-uecksilberdapentladungsrohr mit eir r Entladungsstromdichte von mindestens 1 A/cm2 und eine: @ecksilberdampfdruck von höchstens 0,5 Torr enthält, derart, das besagtes Medium (1) das Quarzschutzrohr (6i umströmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, di5S das Leitungsrohr (3) kreisförmigen Querschnitt aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsrohr (3) ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsrohr (3) rechteckigen Querschnitt aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (8; 9) des Quarzschutzrohres (6) und des Leitungsrohres (3) miteinander einen Winkel α zwischen 45° und 135° bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeicnrct, dass die Längsachse (9) des Quarzschutzrohres (6) auf der Längsachse (8) des Leitungsrohres (3) senkrecht steht,
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in cm gemessene Aussendurchmesser d des Quarzschutzrohres (6) mindestens ó cm beträgt, und die Intensität der 254 nm-Linie der Strahlungsquelle (10) an der Oberfläche des Quarzschutzrohres (6) grösser als 30 6 cm mW/cm2.

d
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass h5chstens vier je eine Strahlungsquelle (10) enthaltende, das Leitungsrohr (3) durchdringende Quarzschutzrohre (6) vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser D bzw. die minimale liznte eite E des Leitungsrohres (3) und der Durchmesser d des Quarzschutzrohres (6) derart bemessen sind, dass die Absorption der Strahlung der 254 nm-Hg-Linie auf dem Weg von einem Punkt (A; B) auf der Oberfläche eines Quarzschutzrohres (6) zu einem Punkt (A'; B') auf der Innenwand des Leitungsrohres (3) längs einer Geraden, die sowohl auf der Oberfläche des Quarzschutzrohres (6) wie auf derjenige des Leitungsrohres (3) senkrecht steht, durch das zu entkeimende Medium hindurch 50 bis 80 g beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L des Leitungsrohres (3) gemessen an seinem Innendurchmesser D der Beziehung D < L <3D gehorcht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle ein Niederdruck-Hochstrom-Quecksilberdampfentladungsrohr in Einkolbenausführung vorgesehen ist.
12. Verwendung einer Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeitten nach Anspruch 1 in Anlagen mit einer Durchflussmenge des zu entkeimenden Mediums (1) von mehr als 40 . # m3/h, 0 wobei # die in cm gemessene Eindringtiefe der 254 nm-UV-Strahlung in das zu entkeimende Medium (1) und ) = 15 cm ist.
13. Verwendung nach Anspruch 12 für eine Durchflussmenge von mehr als 40 m3/h pro Strahlungsquelle (10), wobei das zu entkeimende Medium (1) eine Eindringtiefe ß O : 15 cm aufweist
14. Verwendung nach Anspruch 12 bei der Trinkwasseraufbereitung, Meerwasserentkeimung und in geschlossenen Preis läufen von Schwimmbädern und der Lebensmittelindustrie.