WO1990006899A1 - Vorrichtung zur entkeimung von flüssigkeiten mit ultravioletter strahlung - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, durch ultraviolette Strahlung. Die UV-Entkeimungsvorrichtung für Flüssigkeiten oder Gase besteht aus einem UV-Strahler und einem die Strahlen auf das zu bestrahlende Medium sammelnden Reflektor. Der Reflektor (4) weist eine hohlzylindrische Form mit elliptischem Querschnitt auf, wobei der Strahler (1) in der einen Ellipsen-Brennachse des Reflektors (4) angeordnet ist. In der anderen Ellipsen-Brennachse des Reflektors (4) ist ein für UV-Strahlen durchlässiges Rohr (2) angeordnet, durch das das zu entkeimende Medium (3) strömt.
Description
Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten
mit ultravioletter Strahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entkeimung von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, durch ultraviolette Strahlen.
Die aus dem bisherigen Stand der Technik bekannten UV-Entkeimungsanlagen für Flüssigkeiten wurden gemäß den folgenden Konstruktionsweisen ausgeführt:
Bei kleinen Leistungen und kleinen Flüssigkeitsdurchsatzmengen wird üblicherweise ein innen im Flüssigkeitsstrom zentrisch angeordneter Strahler verwendet. Das bedeutet, daß in der Mitte einer Strömungskammer, durch die die zu desinfizierende Flüssigkeit fließt, ein UV-Brenner angebracht ist. Der UV-Brenner ist eine elektrisch betriebene Gasentladungslampe. Die elektrischen Anschlüsse müssen gegenüber der Flüssigkeit hinreichend isoliert werden. Ferner muß der UV-Brenner von einem UV-durchlässigen, gleichzeitig wasserbeständigen und gleichzeitig dem extremen Temperaturgefälle zwischen UV-Brenner und Flüssigkeit gewachsenen Material hergestellt werden. Bei größeren Anlagen wählt man stattdessen die sogenannte intern konzentrische Strahleranordnung. Dabei werden in der Strömungskammer mehrere UV-Brenner konzentrisch und meistens in gleichem Abstand voneinander angeordnet. Als weitere Ausführungsform ist noch die sogenannte extern konzentrische Strahleranordnung bekannt. Hierbei werden die UV-Brenner außerhalb der
Strömungskammer angeordnet. Die Strömungskammer wird dabei von
einem UV-durchlässigen Rohr gebildet. Die beiden letzteren Anordnungen haben den Nachteil, daß eine große Anzahl von Brennern erforderlich ist und diese Systeme daher nur bei großen Anlagen sinnvoll angewendet werden können. Eine weitere Ausführungsform ist schließlich ein quer zur Strömungsrichtung angeordneter Strahler. Hierbei ist jedoch meist mit einer zu geringen Strahlungsintensität bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten zu rechnen.
Allen diesen Ausführungsformen ist jedoch der Nachteil gemeinsam, daß in dem Fall, bei dem in der Flüssigkeit Feststoffpartikel die UV-undurchlässig sind vorhanden sind, Schatten entstehen. Im Schatten der Partikel tritt keine Entkeimung auf. Eine gleichmäßige Desinfektion des Mediums ist nicht möglich. Dadurch entsteht die Gefahr, daß Krankheitskeime dieses Desinfektionsverfahren überleben. Außerdem haben alle diese Anordnungen den großen Nachteil, daß die Strahlungsintensität über den Querschnitt der Strömungskammer außerordentlich ungleichmäßig verteilt ist.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine UV-Entkeimungsgerät zu schaffen, welches eine sehr gleichmäßige und absolut schattenfreie Bestrahlung des zu entkeimenden Mediums
sicherstellt.
Diese Aufgabe wird allgemein erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gerät aus einem elliptischen innen verspiegelten Hohlkörper besteht, in dessen einer Brennachse das Medium in einem für UV-Strahlen durchlässigen Rohr geführt wird. Der UV-Brenner befindet sich in der anderen Brennachse. Alle Strahlen werden von allen Seiten auf die Strömungskammer für das zu entkeimende Wasser aus der anderen
Brennachse des Hohlzylinders mit elliptischem Querschnitt, der innen verspiegelt ist, gerichtet. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung kann auf der Seite der Strömungskammer in der durch die beiden Brennpunkte definierten großen Achse der Ellipse eine Fotozelle angeordnet werden, die eine genaue Messung der Gesamtabsorption des durchströmenden Mediums erlaubt. Es kann dann beispielsweise bei zu starkem Abfallen der Beleuchtungsstärke der Fotozelle ein Alarm ausgelöst werden, der besagt, daß das Medium eine so hohe Absorption aufweist, daß eine sichere Desinfektion des gesamten Querschnittes nicht mehr gewährleistet ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein weiterer großer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß keine direkte Berührung zwischen der Außenwand des UV-Brenners und der Wand der Strömungskammer gegeben ist. Eine unerwünschte Erwärmung des durchströmenden Mediums wird somit
verhindert. Hierdurch eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur Hochleistungsentkeimung (große Wassermengen oder hohe Entkeimungsgrade) da auch Hg-Hochdruckstrahler eingesetzt werden können, die sehr hohe UV-Strahlungsergiebigkeit aufweisen.
Den hohen thermischen Belastungen durch Hochdrucksstrahler waren die Entkeimungsvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik bisher nicht gewachsen. Die Vermeidung einer Berührung des zu entkeimenden
Mediums mit dem Strahler hat noch weitere Vorteile.
So ist eine Verschmutzung der Brennerwand durch Ablagerungen aus dem Medium vermieden. Dadurch ergeben sich auch bei langen Betriebszeiten keine absorbierenden Schichten. Sowohl der Brenner als auch die
Strömungskammer lassen sich reinigen.
Vorteilhafterweise können jetzt erfindungsgemäß mit einer hochbelasteten Hochdrucklampe Entkeimungswirkungen erzielt werden, für die bisher 3, 5 oder mehr Lampen erforderlich waren. Dadurch verbessert sich der elektrische Wirkungsgrad.
Weiterhin erlaubt die erfindungsgemäße örtliche Trennung von Lampe und Bestrahlungsobjekt einen erheblich einfacheren Austausch der Lampen. Gleichzeitig ist durch die räumliche Trennung von Elektrik und
Flüssigkeit/Gas eine einfachere und betriebssicherere Gerätekonstruktion möglich.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen
Entkeimungsanlage;
Figur 2 eine Schnittdarstellung quer zur Strömungsrichtung des
Mediums durch eine Ausführungsform eines
erfindungsgemaßen Entkeimungsgerätes;
Figur 3 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen
Entkeimungsgerätes von oben;
Figur 4 Diagramme der unterschiedlichen Strahlungsdichten gemäß
dem Stand der Technik (zentrale Lampenanordnung) und der Erfindung (eiliptische Strahlungsgeometrie).
Figur 1 stellt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen UV-Entkeimungsanläge für Flüssigkeiten und Gase, insbesondere für Wasser dar. In diesem Gerät sind ein länglicher UV-Strahler 1 und ein
Quarzrohr 2, durch das das zu entkeimende Medium 3 strömen kann, im wesentlichen parallel zueinander mit einem bestimmten Abstand
angeordnet. Strahler 1 und Quarzrohr 2 sind von einem elliptischen Reflektor 4 umgeben. Dieser Reflektor 4 weist die Form eines
elliptischen Hohlzylinders auf. Er ist so angeordnet, daß sich der UV-Strahler 1 in der einen Ellipsen-Brεnnachse befindet, während das Quarzrohr in der anderen Ellipsen-Brennachse angeordnet ist. Die
Kurvenform der Ellipse beschreibt sich durch die folgende mathematische Funktion:
Hierbei läuft x entlang der Hauptachse der Ellipse, y die Nebenachse der Ellipse, a ist der größte Radius und b der kleinste Radius der Ellipse.
Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des UV-Entkeimungsgerätes werden die vom Strahler 1 ausgehenden Strahlen an dem elliptischen Reflektor so reflektiert, daß sie von allen Seiten radial einwärts durch das Quarzrohr in die zu entkeimende Flüssigkeit eindringen.
Vorteilhafterweise kann in der Ebene der Hauptachse der Ellipse auf der Seite, an der das Quarzrohr montiert ist, eine Öffnung in dem Reflektor vorgesehen sein, an der eine Fotozelle 5 angebracht ist. Außerdem kann auch eine Ausgestaltung gewählt werden, bei der die Öffnung einen bestimmten Öffnungswinkel aufweist, und der die Fotozelle umgebende Bereich des Reflektors sich in diesem Winkel von der Ellipse nach außen erstreckt.
Figuren 2 und 3 zeigen ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei besteht der Reflektor 4 aus vier einander gleichen Umfangsabschnitten 10, die in einander gegenüberliegender
Spiegelsymmetrischer Anordnung die Ellipsenform des Reflektors 4 ergeben. Die Teilung der Umfangsabschnitte 10 verläuft im Bereich der Haupt- und Nebenachse der Ellipse, wobei die Umfangsabschnitte 10 an der Nebenachse aneinander anliegen, während im Bereich der Hauptachse eine Öffnung in den einander zugewandten Enden der Umfangsabschnitte 10 oder ein Schlitz zwischen diesen vorhanden ist, so daß hier auf der Seite des Quarzrohrs 2 eine Fotozelle 5 angebracht werden kann. Auf der gegenüberliegenden Seite, also hinter dem Strahler, kann diese Öffnung, die sich auf dieser Seite zwangsläufig ebenfalls durch die Symetrie der Umfangsabschnitte ergibt, zur Befestigung oder zum Anschluß des UV- Strahlers 1 genutzt werden.
Der große Vorteil der vorliegenden Erfindung wird in Figur 4 deutlich. Diese Figur zeigt einen Vergleich zwischen einer zentralen
Lampenanordnung, die bei kleineren Entkeimungsgeräten die bisher einzig wirtschaftliche Lösung dargestellt hat, im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Anordnung. Die oberste Zeile der Figur 4 zeigt jeweils die UV-Intensität für den Fall, daß die Entkeimungsvorrichtung ohne zu entkeimendes Medium betrieben wird. Dabei wird erkennbar, daß in diesem Fall die Verteilung der UV-Intensität bei beiden Anordnungen im wesentlichen gleich ist. In der nächsten Zeile ist nun die
Abschwächung der Strahlung durch die Transmissionsdämpfung des
Mediums für das Beispiel Wasser angegeben. Hierbei wird der große Vorteil der vorliegenden Erfindung deutlich.
Bei der zentralen Lampenanordnung wird die Strahlung nach außen hin noch zusätzlich durch die Transmissionsdämpfung des Mediums reduziert, während bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Idealfall die Dämpfung des Mediums den Anstieg der UV-Intensität zum Brennpunkt der Ellipse hin genau ausgleicht. Dies wird aus den Diagrammen in der dritten Zeile der Figur 4 sehr deutlich. Man erkennt, daß bei der zentralen
Lampenanordnung, die dem bisherigen Stand der Technik entspricht, direkt in der Nähe des UV-Strahlers eine extrem hohe Strahlungsdichte erreicht wird, während im Außenbereich die Strahlung fast gegen Null geht. Somit ist mit dieser Anordnung nach dem Stand der Technik keine gleichmäßige Bestrahlung des zu entkeimenden Mediums möglich.
Demgegenüber zeigt die Zeile 3 der rechten Seite einen näherungsweise konstanten Verlauf. Aus diesem Verlauf wird erkennbar, daß die
Bestrahlungsdichte über den gesamten Innenquer-schnitt des Quarzrohrs hinweg nahezu konstant bleibt, und somit eine extrem gl eichmäßige
Bestrahlung ermöglicht wird. Außerdem wird sichergestellt, daß eventuell im Medium mitgeführte lichtabsorbierende Teilchen, die bei Anordnungen nach dem Stand der Technik stets eine Schattenseite im Bezug auf die
UV-Bestrahlung aufgewiesen haben, bei der erfindungsgemäßen Lösung von allen Seiten gl eichmäßig bestrahlt werden. Das Überleben
irgendwelcher Keime im Schattenbereich kann somit ausgeschlossen
werden.
Die besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung mit dem UV-Strahlungssensor in der Hauptachse der Ellipse auf der Seite des
Quarzrohrs ermöglicht eine sehr gute Kontrolle der Entkeimungswirkung. Sollte nämlich ein zu stark getrübtes Medium durch das Quarzrohr
fließen, oder sollte das Quarzrohr durch Beschlagen, Verschmutzen oder ähnliches weniger durchlässig für die UV-Strahlung geworden sein, kann durch diesen Sensor mit hoher Empfindlichkeit ein Alarm ausgelöst werden, der dem Benutzer der Entkeimungsanlage anzeigt, daß die
Entkeimungswirkung herabgesetzt ist. Die Anordnung der Fotozelle gemäß dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erlaubt es, mit einer einzigen Fotozelle den gesamten Querschnitt des Quarzrohres bezüglich eventueller Trübungen oder Verschmutzungen zu überwachen.
Durch die Fotozelle 5 kann auch ein eventueller Rückgang der
Reflektionsfähigkeit des Reflektors 4 leicht erkannt werden.
Die erfindungsgemäße Entkeimungseinrichtung eignet sich für alle
flüssigen Stoffe und Gase. Abhängig von der Transmission des jeweiligen Mediums muß höchstens der Durchmesser des Quarzrohres angepaßt
werden, wenn stets eine absolut gleichmäßige Bestrahlung über den gesamten Querschnitt sichergestellt werden soll.
Im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen erzielt die neue elliptische
Reflektorgeometrie eine erheblich bessere Wirkung und Wirtschaftlichkeit. Die Konzentration des zu behandelnden Mediums in der zweiten
Brennlinie führt bei geeigneten Absorptionskoeffizienten zu einer gleichmäßigen Durchstrahlung von Wasser. Die Gleichmäßigkeit der
Durchstrahlung ist zwar abhängig von der Transparenz des Wassers. Die
in der Praxis zu entkeimenden Wasserqualitäten weisen jedoch gerade Absorptions-koeffizienten auf, die zu guter Gleichmäßigkeit in gesamten Volumen führen. Gegenüber herkömmlichen Systemen bildet die
elliptische Geometrie eine etwa dreifach bessere Gleichmäßigkeit. Die Gesamtkosten des elliptischen Gerätes, d.h. Abschreibung, Ersatzlampen und Stromkosten liegen bei 1,96 Pfg./m3 entkeimten Wassers, während herkömmliche Anlagen Kosten zwischen 4 bis 9,5 Pfg./m3 verursachen.
Es wurde ein Versuchsgerät untersucht. Das eingesetzte UV-Gerät hat einen elliptischen Reflektor. Es arbeitet im Wellenlängenbereich 200 bis 300 nm, wobei ein Maximum bei ca.250 nm gegeben ist. Das
wasserführende Quarzrohr hat einen Innendurchmesser von 15 mm, der Strahlung ausgesezt ist eine Rohrlänge von 175 mm.
Die Bestrahlungsdauer wurde auf ca.0,5 Sekunden festgesetzt, woraus ein einzustellender Wasserdurchsatz von 220 l/h resultiert.
Das zu desinfizierende Rohwasser wurde in einem Kunststofftank (500 l Fassungsvermögen) angesetzt und während der Versuche mit einem
Rührer kräftig durchmischt. Der Durchsatz durch das UV-Bestrahlungsgerät wurde mit Hilfe eines Rotameters auf 220 l/h
eingestellt. Damit die desinfizierende Wirkung des UV-Bestrahlungsgerätes besser abgeschätzt werden konnte, wurde
vorgeklärtes kommunales Abwasser verwendet mit einer Gesamtkeimzahl von 106 - 107/ml. Es wurde mit Trinkwasser 1 : 10 verdünnt, um die
Absorption der UV-Strahlungsdosis durch andere Wasserinhaltsstoffe zu verringern.
Das UV-Bestrahlungsgerät wurde jeweils eine halbe Stunde vor dem
Versuch eingeschaltet und mit dem Rohwasser durchspült. Die
Bestimmung der Gesamtkeimzahl erfolgte durch das Gußplattenverfahren entsprechend den Deutschen Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasserund Schlammuntersuchung (DEV). Als Nährboden wurde DEV-Nähragar
(Merck, Nr. 11471) verwendet. Die Nährböden wurden bei 20ºC und 36°C über 48 h bebrütet. Die quantitative Bestimmung der coliformen
Bakterien und der fäkalen Coliformen wurde nach der MPN-Methode
durchgeführt. Für den Vortest auf Coliforme kam eine MacConkeyBouillon (Merck, Nr.5396), für den Bestätigungstest Brila-Bouillon (Merck, Nr.5454) zur Anwendung. Die Bebrütungstemperaturen betrugen
36ºC und 44ºC für 48 h. Der Test auf fäkale Coliforme wurde mit
Tryptophan-Bouillon durchgeführt. Die Trübungsmessungen erfolgten mit einem Hach Ratio Turbidimeter.
Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengefaßt. Bei einem Rohwasser-Durchsatz von 220 1/h durch das UV-Gerät betrug die Reduktion der Gesamtkeimzahl für 20ºC 99,94 % und für 36ºC 99,98 %. Eine ähnl ich hohe Reduktion konnte bei den
col iformen Bakterien mit 99,98 % und bei den fäkalen Col iformen mit 99,98 % festgestellt werden. Während der fünf Versuchsl äufe war eine nur geringe Trübung gemessen worden, die zwischen 11 und 16 NTU
(nephelometric turbidity units) l ag.
(Gesamtkeimzahl) wie auch die Grenzwerte (coliforme Bakterien, E.coli) der Trinkwasserverordnung durch die UV-Bestrahlung mit dem neuen Gerät unterschritten werden.
Claims
1. UV-Entkeimungsvorrichtung für Flüssigkeiten oder Gase, insbesondere für Wasser, mit einem UV-Strahler und einem die Strahlen auf das zu bestrahlende Medium sammelnden Reflektor,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektor (4) eine hohlzylindrische Form mit elliptischem Querschnitt aufweist, daß der Strahler (1) in der einen EllipsenBrennachse des Reflektors (4) angeordnet ist und daß in der
anderen Ellipsen-Brennachse des Reflektors (4) ein für UV-Strahlen durchlässiges Rohr (2) angeordnet ist, durch das das zu entkeimende Medium (3) strömt.
2. UV-Entkeimungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzei chnet,
daß das Rohr (2) aus Quarz besteht.
3. UV-Entkeimungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichet,
daß der Reflektor (4) aus wenigstens zwei Spiegel symmetrisch zueinander angeordneten Umfangsabschnitten (10) zusammengesetzt ist.
4. UV-Entkeimungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichet,
daß die Teilungsfugen der Umgangsabschnitte (10) an der Haupt und/oder der Nebenachse der Ellipse verlaufen.
5. UV-Entkeimungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichet,
daß in der Hauptachse der Ellipse auf der Seite des Rohrs (2) im Reflektor (4) eine Öffnung (6) vorgesehen ist, in der eine Fotozelle (5) angebracht ist.
6. UV- Entkeimungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umfangsabschnitte (10) Strangpreßprofile sind.
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