DE3624169A1 - Vorrichtung zur entkeimung von fluessigkeiten durch bestrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten aller Art in erster Linie jedoch zur Entkeimung von Trink- und/oder Produktwasser durch ultraviolette Strahlen der bakteriziden Wellenlänge um 2537 Angström. Diese Entkeimungsart ist in vielen Fällen vorteilhaft, ja sogar notwendig, da es sich um eine rein physikalische Entkeimungsart handelt, die ohne jeden Einsatz von Chemikalien erfolgt.

Das Prinzip der Entkeimung von Flüssigkeiten mittels ultravioletter Strahlen ist seit langem bekannt und es gibt ein großes Angebot der verschiedensten UV- Entkeimungsgeräte.

Jeder Konstrukteur hat dafür zu sorgen, daß mittels einer UV-Lampe eine definierte Bestrahlungsenergie eine ausreichende Zeitlang im zu entkeimenden Wasser, beziehungsweise in der zu entkeimenden anderen Flüssigkeit als Wasser vorhanden ist, um die gegen diese energiereichen Strahlen empfindlichen Keime soweit zu schädigen, daß sie selbst absterben und sich nicht mehr vermehren können. Die für die jeweiligen Keime, wie Bakterien, Viren, Sporen, Pilze u. a. nötigen Abtötungsdosen (W × Sek./cm²) sind erforscht und in Fachkreisen seit langem bekannt, die Wirksamkeit der UV-Bestrahlung ist erwiesen.

Bei der Mehrzahl aller Konstruktionen von UV-Entkeimungsgeräten leitet man die zu entkeimende Flüssigkeit durch eine Entkeimungskammer, in der eine oder mehrere UV-Lampen installiert sind, welche zum Schutze gegen die Feuchtigkeit in UV-durchlässigen Quarzmänteln installiert sind. Die Flüssigkeit umspült diese Quarzmäntel, wobei die UV-Strahlen dieselben durchdringen und ihre bakterizide Wirkung in der zu entkeimenden Flüssigkeit ausüben. Die Auslegung erfolgt normalerweise nach dem UV-Strahleneinfall auf die Kammer­ wandung, d. h. nach Durchgang durch die längste Durchdringungstrecke in der zu entkeimenden Flüssigkeit in Wattsekunden/cm² und damit an der un­ günstigsten Stelle in der Entkeimungskammer.

Es gibt Konstrukteure, die in der vorgenannten Auslegungsweise einen tech­ nischen Nachteil sehen, weil ja die Strahlendichte vom Mittelpunkt der Entkeimungskammer zur Peripherie hin verhältnismäßig schnell abnimmt. Aufgrund dieser Betrachtungsweise entwickelte man Geräte, bei denen die Entkeimungskammer aus einem UV-Strahlen-durchlässigen Quarzglas besteht, also aus einem Quarzglasrohr, durch das die zu entkeimende Flüssigkeit fließt und um das, auf einen Teilkreis angeordnet, eine ausreichende Anzahl von UV-Lampen gestellt wird, die an der Peripherie des UV-Strahlen-durchlässigen Quarzrohres durch ihre Nähe eine größere Leistung pro Flächeneinheit, als in dem erstgenannten Gerätetyp vorhanden, erzeugen. Die nachlassende Be­ strahlungsleistung in der nunmehr von den UV-Lampen entfernteren Mitte der Kammer wird ausgeglichen, indem dort die Strahlen der peripher aufgestellten UV-Lampen "fokusiert", d. h. zusammgefaßt werden.

Der Nachteil solcher Geräte besteht darin, daß hier das Material der röhren­ förmigen Entkeimungskammer, das hier an Stelle von Metall für die Entkei­ mungskammer verwendet wird, vom Wasserdruck auf Zug anstatt auf Druck beansprucht wird. In umgekehrter Weise, nämlich auf Druck belastet, ist die Verwendung von Quarzglas von Natur aus bis zu erheblich größeren Drücken und mit viel größerer Sicherheit konstruktiv möglich, so daß man sagen kann, daß solche Geräte hinsichtlich Festigkeit nach einem falschen mechanischen Prinzip konstruiert sind. Zudem ist der Aufbau solcher Geräte mit um eine Entkeimungskammer aus Quarzglas herumgestellten UV-Lampen vergleichsweise kompliziert und dementsprechend aufwendig. Der richtige Einsatz von Quarz­ glas als Wandmaterial für eine Entkeimungskammer hinsichtlich der Belastungs­ art ist daher auch ein wesentlicher Vorteil einer bestimmten Anwendungsart der hier geltend gemachten Erfindung, auf den später eingegangen wird.

Es kann gesagt werden, daß die überwiegende Anzahl aller UV-Entkeimungs­ geräte nach dem erstgenannten Prinzip gebaut werden, nämlich zylindrische Entkeimungskammer aus nicht UV-Strahlen-durchlässigem Material mit darin, d. h. im Wasser angeordneten UV-Lampen.

Bei den handelsüblichen UV-Entkeimungsgeräten handelt es sich in den meisten Fällen um einkammerige Geräte für relativ kleine Leistungen, die sich zwischen 1 und etwa 20 m³/h Durchflußleistung bewegen. Solche Geräte können immer einfach und preiswert bleiben, da es nur eines geringen tech­ nischen Aufwandes und Materialwertes bedarf, solche UV-Entkeimungsleistungen zu realisieren.

Die doppelte oder dreifache Leistung beherrscht man leicht und ebenso ein­ fach, indem man einkammerige UV-Entkeimungsgeräte hintereinandergeschaltet und, wenn der Durchflußwiderstand zu groß wird, hintereinandergeschaltete UV-Entkeimungskammern in Gruppen parallel anordnet. Aber auch solche Konstruktionen haben ihre vernüftige Obergrenze, weil sie letzten Endes bei noch größeren Leistungen zu einem Wirrwarr von Entkeimungskammern führen, deren Zusammenschaltung sehr verästelte Rohrleitungen bedingt, die Zugängig­ keit einzelner Kammern zum UV-Lampenwechsel und anderer Arbeiten nicht in gewünschter Weise gewährleistet ist, und besonders deshalb, weil diese Kombination schon wieder teuer werden, verglichen mit den einfachen Lösungen, wo eine einzige oder zwei Entkeimungskammern alles sind, was man hierzu braucht.

Bei großen Leistungen, die in der UV-Entkeimungstechnik etwa 50 m³/h an­ fangen, behilft man sich indessen mit größeren Entkeimungskammern, in die viele leistungsfähige UV-Entkeimungslampen eingebaut werden, wobei man versucht, mittels Leitvorrichtungen eine kontinuierliche Strömung an den UV- Lampen vorbei zu bewirken. Die Schwierigkeit liegt darin, daß sich wirklich jedes zu entkeimende Flüssigkeitsteilchen die genau definierte Bestrahlungszeit innerhalb der Entkeimungskammer aufhält und keine bevorzugten Strömungen auftreten, die sich beim Durchströmen von Behältern nur allzu gerne bilden und die Entkeimungsberechnungen unsicher machen. Handelt es sich daher um eine für die UV-Entkeimungstechnik wirklich große Entkeimungsleistungen, d. h. große Durchflußleistungen, so kann man aus wirtschaftlichen Gründen weder auf die eine noch auf die andere vorgenannte Konstruktion zurückgreifen. Der Erfinder ist zudem der Meinung, daß es nicht die optimale Lösung sein kann, einfach große Tanks über den ganzen kreiförmigen Querschnitt mit UV- Entkeimungslampen zu bestücken und Leitbleche einzubringen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion geht davon aus, daß an der Peripherie eines Kreises schon mit einer geringen Breite eine Kreisringfläche erhalten wird, die der Fläche des Innenkreises entspricht. Ersetzt man nun ein tank­ förmiges zylindrisches UV-Entkeimungsgerät, das auf dem ganzen Kreisquer­ schnitt mit UV-Lampen besetzt ist, durch eines mit Ringquerschnitt der gleichgroßen Querschnittsfläche, dann erhält man zwischen den beiden zy­ lindrischen Wänden einen flachen Durchströmungsraum, der sich für die Ein­ haltung einer gleichmäßigen durchschnittlichen Durchströmungsgeschwindigkeit besser eignet, und darauf kommt es an:

Flacher Querschnitt, d. h. kurze UV-Strahlen-Durchdringungsstrecken und verhältnismäßig langer Durchflußweg in der Abwicklung. So kommt man einem flachen Plattenbestrahlungsgerät mit Laminarströmung sehr nahe, gleich, ob man nun die UV-Lampen in der zu entkeimenden Flüssigkeit, d. h. in diesem durchströmten Ringraum installiert oder unter Verwendung eines UV-Strahlen- durchlässigen Innenzylinders aus Quarzglas die UV-Lampen im "trockenen" Innenraum kreisförmig anordnet, wobei, nunmehr im Gegensatz zu den be­ kannten Geräten mit Entkeimungskammern aus Quarzglas, das Quarzglasrohr von außen durch den Flüssigkeitsdruck beaufschlagt wird, also auf Druck belastet ist und dieses in der UV-Entkeimungstechnik unentbehrliche Material naturgemäß, d. h. im Hinblick auf seine Sprödigkeit und seine Mangel an Dehnfähigkeit schließlich richtig eingesetzt wird. Der Konstrukteur wird sich im unteren Durchflußleistungsbereich und geringen Drücken eher für das UV- durchlässige Innenrohr aus Quarzglas entscheiden und bei größeren Leistungen und höheren Drücken für ein Gerät mit Innen- und Außenwand aus Metall.

Ein solches Gerät, das im Folgenden noch eingehender beschrieben wird, ist mit heute handelsüblichen Materialien und Abdichtungselementen leicht zu bauen, daher soll hier nur auf die wesentlichen Merkmale des erfindungs­ gemäßen Prinzips eingegangen werden und nicht so sehr auf die konstruktiven Einzelheiten, die dem Konstrukteur überlassen werden können. Der erfindungs­ gemäße Gedanke soll beispielhaft anhand Fig. 1a und 1b erklärt werden. Es handelt sich hierbei um eine zylindrische UV-Entkeimungskammer von ringförmigen Querschnitt 8.

Fig. 1a zeigt die Draufsicht im Schnitt mit Außenzylinderwand 1 und Innenzylinderwand 11. Die Entkeimungskammer hat einen Zulauf 2 und einen Ablauf 3 sowie eine Trennwand 4. Auf einem mittleren Teilkreis in der Ringkammer 8 liegen die UV-Entkeimungslampen 6, die in Quarzmänteln 7 aus UV-Strahlen-durchlässigen Qurazglas installiert sind.

Fig. 1b zeigt einen Teil des Längsschnittes durch die ringförmige UV- Entkeimungskammer ohne Zu- und Ablauf.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind sowohl die zylinderförmige Innenwand 11 sowie die zylinderförmige Außenwand 1 aus einem Metall hergestellt, das für die UV-Strahlen nicht durchlässig ist, wie Metall oder Kunststoff.

Bei 5 sind jeweils Zonen, die für eine Verteilung der eintretenden Flüssig­ keit auf den ganzen rechteckigen Durchströmungsquerschnitt sorgen, bzw. die austretende Flüssigkeit aus der Ringkammer in gleichmäßiger Weise dem Ablauf zuführen. Es kann dies ebenso ein in der Abwicklung sich konisch erweiternder, respektive verengender, Querschnitt, wie auch eine Anzahl von Leitblechen, ein Leitapparat oder ähnliches, sein. Die auf diese Weise eingeleitete Flüssigkeit wird nunmehr gleichmäßig um den Innzylinder 11 herum die Ringkammer 8 durchströmen. Bevorzugte und damit schnellere Durchströmungswege sind nicht denkbar. Durch eine entsprechende Dimen­ sionierung der Ringbreite und der Durchmesser der Quarzmäntel 7 kann diese quasilaminare Strömung noch mit kleinen örtlichen Wirbeln versehen werden, welche erfahrungsgemäß die Entkeimungsleistung erhöhen und sicherer machen. In den Spaltzonen 10 wird die zu entkeimende Flüssigkeit näher an die UV-Strahlenquelle gebracht, deren Intensität mit dem Quadrat des Abstandes zunimmt und damit trotz größerer Strömungsgeschwindigkeit in den verengten Zonen 10 eine größere Bestrahlungsintensität entsteht. Man kann diese Zonen 10 so verengen, daß sich hinter den Quarzmänteln 7 eine regelrechte Zone kleiner Wirbel 12 befindet, die die Entkeimungswirkung durch Wenden der zu bestrahlenden Mikroorganismen verbessert.

Stellt man die zylindrische Innenwand des Gerätes aus einem UV-Strahlen- durchlässigen Material her, so erhält man das in Fig. 2a und 2b dargestellte System. Wiederum handelt es sich um eine ringförmige Entkeimungskammer 8 zwischen zwei konzentrischen Zylinderwänden 1 und 13, jedoch sind die UV- Lampen 6 innerhalb des inneren UV-Strahlen-durchlässigen Zylinders 13 "trocken" aufgestellt. Einfache Reflektoren 14 sorgen dafür, daß nahezu die ganze Abstrahlungsleistung der UV-Lampen 6 in den ringförmigen Entkeimungs­ raum 8 gelangt. Auch hier sind Schikaneeinrichtungen wie Leitbleche etc. möglich, welche streckenweise ein- oder mehrmals die Wasserteilchen in die unmittelbare Nähe der UV-Strahlenquelle bringen und für eine örtliche Verwirbelung sorgen. Dies ist beispielshaft bei 15 in der Fig. 2a dargestellt. Sicherlich kann diese Bauart wie unter Fig. 2a und 2b dargestellt nur bis zu bestimmten Flüssigkeitsdrücken und bis zu bestimmten Durchmessern für den inneren UV-strahlendurchlässigen Zylinder 13 eingesetzt werden, beispielsweise für Schwimmbadwasserentkeimung, wo die Drücke im Umwälzsystem stets gering sind.

Größere tankförmige und handelsübliche Entkeimungskammern haben eine Vielzahl von UV-Entkeimungslampen, die über den ganzen kreisförmigen Quer­ schnitt verteilt sind, wodurch stets eine Anzahl davon nicht am Rande der UV-Entkeimungskammer angeordnet ist. Daher ist es bei dieser Bauart nicht möglich, allen UV-Entkeimungslampen einen UV-Meßsensor zuzuordnen, der deren individuelle Abstrahlungsleistung durch die größte Flüssigkeitsdurch­ dringungsstrecke innerhalb der UV-Entkeimungskammer mißt und so die Alarmgabe bei einer unter die Alarmschwelle abgesunkener UV-Intensität ermöglicht. Bei einer UV-Entkeimungskammer, bei der erfindungsgemäß alle UV-Strahlenquellen auf einem Teilkreis innerhalb einer Entkeimungskammer aus zwei konzentrischen Zylindern liegen, kann nun auf einfachste Weise bewerk­ stelligt werden, daß jeder einzelnen UV-Strahlenquelle jeweils ein individueller Meßsensor zugeordnet wird, der in einem Sensorfenster im äußeren Wand­ zylinder oder auf andere Weise installiert wird. Durch ein so angeordnetes Senorfenster kann auch eine visuelle Lampenkontrolle erfolgen, wie sie im Schwimmbadbetrieb völlig ausreichend wäre, wenn man die UV-Lampenlebens­ dauer kontrolliert.

Fig. 3 zeigt eine solche tankförmige UV-Entkeimungskammer von zylindrischer Form in der Draufsicht.

Die zu entkeimende Flüssigkeit tritt beispielsweise bei 2 in die rechte Kammerhälfte ein, steigt in dieser hoch, um im Oberteil der Kammer in die linke Kammerhälfte überzutreten, um in derselben nach unten zu strömen und bei 3 die UV-Entkeimungskammer behandelt wieder zu verlassen. Es mögen in jeder Kammerhälfte noch etagenartige Leiteinrichtungen vorhanden sein, um eine annähernde konstante Durchschnittsgeschwindigkeit für die einzelnen Flüssigkeitsteilchen zu erreichen und bevorzugte Strömungswege zu verhindern. Es müssen alle UV-Strahlenquellen 6 gleichmäßig über den kreisförmigen Querschnitt des tankförmigen Behälters verteilt werden, wie es die Fig. 3 zeigt. Es ist bei dieser Anordnung nicht möglich, jede UV-Strahlenquelle einzeln durch die größte vorkommende Durchdringungsstrecke der UV-Strahlen durch die zu entkeimende Flüssigkeit hindurch zu messen, jedenfalls nicht in einer wirtschaftlichen Weise mit Mitteln nach dem Stand der Technik.

Dafür ist es bei der erfindungsgemäßen UV-Entkeimungskammer nach Fig. 4 besonders einfach, die einzelnen UV-Strahlungsquellen mit jeweils einem zu­ geordneten Meßsensor zu überwachen. In Fig. 4 ist 17 ein elektronischer UV- Meßsensor, der in einem von außen zugängigen Sensorfenster installiert ist.

So kann man am Umfang gut zugängig für jede einzelne UV-Quelle einen Meßsenor vorsehen und so den Ausfall oder das Nachlassen jeder einzelnen UV-Strahlenquelle feststellen, was bei einer UV-Strahlenquellenanordnung nach Fig. 3 eben nicht oder nur mit einem technischen größeren Aufwand möglich ist.

Es wird ferner durch die zu entkeimende Flüssigkeit hindurch gemessen, wobei auch womögliche Trübungen in der zu entkeimende Flüssigkeiten, d. h. die Entkeimung mindernde Erscheinungen, erfaßt werden. Die Meßstrecken durch die zu entkeimende Flüssigkeit sind zudem alle gleichlang, was die einzelnen Meßungen ohne weitere Maßnahmen vergleichbar macht.

Claims (8)

1) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung, vorzugsweise mittels ultravioletter Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zu entkeimende Flüssigkeit im Hohlraum zwischen mindestens zwei, vorzugsweise jedoch nur zwei konzentrischen Zylindern, welche die Entkeimungskammer bilden, befindet, die sie vorzugsweise in Umfangsrichtung durchströmt und worin sie mittels keimtötender Strahlen, welche die Flüssigkeit durchdringen, behandelt wird

2) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach An­ spruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Entkeimungskam­ mer auch anders als in Umfangsrichtung durchflossen wird wie beispielsweise in axialer oder halbaxialer Richtung oder spiralig nach tangentialem Eintritt und/oder Austritt der zu entkeimenden Flüssigkeit oder auf eine andere Weise.

3) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach Anspruch 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Zylinder aus einem strahlenundurchlässigen Material, wie beispielsweise Metall oder Kunststoff bestehen und sich die Strahlenquelle wie beispielsweise die UV-Lampen bei Anwendung von ultravioletten Strahlen in der zu entkeimenden Flüssigkeit, d. h. innerhalb der konzentrischen Zylinder befinden, welche die Entkeimungskam­ mer bilden.

4) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach Anspruch 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der die erfindungsge­ mäße Entkeimungskammer nach außen abschließenden konzentrischen Zylinder aus einem strahlendurchlässigen Material wie beispielsweise Quarzglas bei Anwendung von ultravioletten Strahlen besteht und die Strahlenquelle, wie beispielsweise die UV-Lamen bei Anwendung von ultravioletten Strahlen, außerhalb der zu entkeimenden Flüssigkeit angeordnet sind, d. h. in einer trockenen Umgebung.

5) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach Anspruch 1), 2), 4), 6), 7) und 8), speziell jedoch nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vorzugsweise die erfindungsgemäße Entkeimungskammer aus zwei konzentrischen Zylindern besteht, wobei der innere derselben aus einem strahlendurchlässigen Material, bei Anwendung von UV-Strahlen beispielsweise aus Quarzglas, besteht und sich mittig in der Achse der erfindungsgemäßen Entkeimungskammer nur eine einzige Strahlenquelle befindet, die zur Ent­ keimung der Flüssigkeit in der erfindungsgemäßen Entkeimungskammer aus­ reicht.

6) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach Anspruch 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, daß sich in der erfindungsgemäßen Entkeimungskammer Leitvorrichtungen zur Erzeugung einer bestimmten Durch­ flußweise und/oder zur Erzeugung örtlicher Verwirbelungen befinden.

7) Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach Anspruch 1) bis 6), dadurch gekennzeichnet, daß sich in der erfindungsgemäßen Entkeimungskammer am Ein- und Austritt derselben eine Vorrichtung befindet, welche das ein- bzw. austretende Wasser über den gesamten Strömungsquer­ schnitt der erfindungsgemäßen Entkeimungskammer gleichmäßig verteilt bzw. aus demselben Querschnitt das Wasser wieder gleichmäßig herausleitet.

8. Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten durch Bestrahlung nach Anspruch 1) bis 7), dadurch gekennzeichnet, daß sich an einem oder an beiden der die erfindungsgemäße Entkeimungskammer nach außen abschließenden kon­ zentrischen Zylindern ein oder mehrere Meßsensoren befinden, welche durch die zu entkeimende Flüssigkeit hindurch die Strahlenquelle, bei Anwendung von ultravioletten Strahlen die UV-Lampen, kontrollieren.