DE102008026904A1

DE102008026904A1 - Quecksilberamalgamstrahler mit gefaltetem Entladungsweg

Info

Publication number: DE102008026904A1
Application number: DE200810026904
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Riepe
Original assignee: Wedeco AG
Current assignee: Xylem IP Holdings LLC
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-31
Also published as: WO2009146945A2; WO2009146945A3

Abstract

Es wird ein Quecksilberniederdruckamalgamstrahler mit einem zylindrischen, zwei Enden aufweisenden und für UV-Strahlung durchlässigen Kolben vorgeschlagen, bei dem ein Ende des Kolbens die Elektroden trägt und das andere Ende des Kolbens mit dem Amalgamdepot versehen ist. Auf diese Weise wird ein insbesondere bei hängender Montage besonders robuster Strahler mit kompakten Abmessungen erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen UV-Strahler von der Bauart eines Quecksilberniederdruckamalgamstrahlers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Quecksilberniederdruckstrahler werden seit Langem in der Beleuchtungstechnik als Leuchtstofflampen ebenso eingesetzt wie in der Umwelttechnik. Bei der ersten Anwendung wird die entstehende UV-Strahlung von einem Leuchtstoff absorbiert, der dann seinerseits sichtbares Licht emittiert. Bei der zweiten Anwendung wird die UV-Strahlung zu Desinfektionszwecken genutzt. Quecksilberniederdruckstrahler emittieren mit hohem Wirkungsgrad eine UV-Linie bei 253,7 nm.
Der Wirkungsgrad eines solchen Strahlers hängt unter anderem vom Druck des zur Verfügung stehenden Quecksilbers ab. Dieser wird bei Hochleistungsstrahlern durch ein Amalgamdepot, beispielsweise Indiumamalgam, im Innern des Strahlers geregelt.
Die zu Desinfektionszwecken verwendeten Amalgamstrahler sind gerade, langgestreckte Strahler mit einem Quarzrohr und Elektroden an beiden Enden. Diese Strahler werden bevorzugt in Strömungskanälen von Trinkwasser- und Abwasserdesinfektionsanlagen angeordnet, in denen sie horizontal ausgerichtet sind und in denen die Flüssigkeitsströmung parallel zur Längsachse der Strahler verläuft. Die Strömung ist relativ langsam, so dass die Verweilzeit der zu desinfizierenden Flüssigkeit und der darin enthaltenen schädlichen Organismen ausreichend groß ist, um diese auch bei einer beschränkten Intensität der UV-Strahlung zuverlässig zu inaktivieren.
Andere Strömungsverhältnisse ergeben sich in geschlossenen Kanälen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit wesentlich höher sein kann, und in denen zusätzlich der Bauraum für UV-Strahler beschränkt ist. Bei solchen Applikationen kommen fast ausschließlich Mitteldruckstrahler zum Einsatz. Diese Mitteldruckstrahler zeichnen sich durch eine hohe UV-Intensität in einem breiten Spektralbereich aus. Der elektrische Wirkungsgrad und die Ausbeute in dem für Desinfektionszwecke wesentlichen Wellenlängenbereich ist aber deutlich geringer als bei Niederdruckstrahlern. Der Einsatz von Mitteldruckstrahlern erhöht deshalb die Betriebskosten insbesondere durch den relativ hohen Energieverbrauch.
Es wurden schon zahlreiche Versuche, besonders in der Beleuchtungstechnik, unternommen, um Niederdruckstrahler in kompakter Bauform und mit hoher Strahlungsleistung herzustellen. Zu diesem Zweck wurden rohrförmige Strahler einseitig geschlossen ausgeführt. Der Innenraum wurde mit einer Trennwand in zwei Hälften aufgeteilt, die an dem geschlossenen Ende des Rohres miteinander in Verbindung stehen. Der Strahler wurde dann einseitig mit je einer Elektrode für jeden Halbraum versehen. Auf diese Weise wird ein Strahler geschaffen, der bei ähnlicher Baulänge eine doppelt so lange Entladungsstrecke aufweist, wie ein gestreckter, beidseitig kontaktierter Strahler. Solche Anordnungen sind beispielsweise aus den Patentschriften US 1,951,138 , US 2,121,333 , US 3,024,383 und aus der Offenle gungsschrift DE 29 28 025 A1 bekannt. Bei diesen Strahlern handelt es sich nicht um Amalgamstrahler.
Ein Amalgamstrahler mit gefaltetem Entladungsweg als Leuchtstofflampe ist aus der Offenlegungsschrift DE 2725412 A1 bekannt. Bei dieser Lampe wird ein gefalteter Endladungsweg dadurch geschaffen, dass innerhalb eines äußeren, einseitig geschlossenen Rohres ein zweites Rohr angeordnet ist, welches am Sockel dicht eingesetzt ist und am gegenüberliegenden Ende frei mit dem Innenraum des äußeren Rohres in Verbindung steht. Der Innenraum und der Außenraum sind im Sockelbereich jeweils mit einer Elektrode kontaktiert, so dass der Entladungsweg zunächst durch die innere Röhre und dann durch den Außenraum zurück verläuft. Diese Anordnung ist auf der Innenseite des äußeren Glaskolbens mit einem Leuchtstoff versehen, der die entstehende UV-Strahlung in sichtbares Licht umwandelt. Es wird in einem Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, den Strahler mit einem Amalgamdepot zu versehen. Das Amalgam soll in Form von Punkten auf einer Metallplatte angebracht werden, die mit Hilfe eines Trägerdrahtes an der Oberseite des Innenrohres an einer verhältnismäßig kalten Stelle in der Lampe befestigt ist.
Diese Anordnung des Amalgamdepots innerhalb der Leuchtstofflampe ist aufwändig herzustellen und im Betrieb insbesondere bei Vibrationen störungsanfällig. Für UV-Strahler in Desinfektionsanlagen ist diese Anordnung nicht geeignet.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Quecksilberniederdruckamalgamstrahler mit gefaltetem Entladungsweg zu schaffen, der eine hohe Intensität an UV-Strahlung erzeugt und der für den Einsatz in der Wasser- und Abwasseraufbereitung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird von einem UV-Strahler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wasserbehandlungsanlage mit einem geschlossenen Strömungskanal zu schaffen, die gegenüber Anlagen mit Mitteldruckstrahlern eine wesentlich verbesserte Energieeffizienz ausweist.
Diese Aufgabe wird von einer Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Weil ein Ende des Kolbens die Elektroden trägt und weil das Amalgamdepot innen an dem anderen Ende des Kolbens angebracht ist, kann ein Amalgamstrahler mit gefaltetem Entladungsraum geschaffen werden, der gemessen an der Länge des Strahlers eine höhere UV-Emissionsleistung liefern kann, als es mit langgestreckten, beidseitig kontaktierten Quecksilberniederdruckamalgamstrahlern möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dieser Strahler für eine hängende Montage geeignet ist, bei der die Elektroden oben angeordnet sind und das Amalgam unten angeordnet ist. Die bekannten Amalgamstrahler konnten bislang in Wasserbehandlungssystemen praktisch nur horizontal eingesetzt werden, da sich das Amalgam in Betrieb im flüssigen Aggregatzustand befindet und schon bei Vibrationen die Gefahr besteht, dass das Amalgam abfällt.
Eine Ausführungsform, die eine in Umfangsrichtung gleichförmige Abstrahlung ermöglicht, sieht vor, dass der Kolben eine innenliegende Trennwand aufweist, die sich von den Elektroden aus in den Entladungsraum hinein erstreckt und die in einem Abstand von dem anderen Ende endet. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Trennwand den Entladungsraum in zwei etwa gleich große Halbräume aufteilt, die nur an dem anderen Ende, an dem sich das Amalgam befindet, für einen Gasaustausch miteinander in Verbindung stehen.
Der Kolben kann bei dem Amalgamdepot eine von außen nach innen eingebrachte Einprägung oder Einschnürung aufweisen, auf deren Innenseite das Amalgamdepot angeordnet ist. Das Amalgamdepot ragt dann in den Entladungsraum hinein und wird von der Entladung vorteilhaft erreicht. Dies fördert die Abgabe des gasförmigen Quecksilbers im Betrieb. Weiter kann auf der Außenseite der Einprägung oder der Einschnürung ein elektrisches Heizele ment angeordnet sein, dass in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kolben steht. Mit einem solchen Heizelement kann die Temperatur des Amalgams, in Abhängigkeit von einer elektronischen Steuerung, gezielt erhöht werden.
Wenn die Trennwand UV-durchlässig ist, strahlen beide von der Trennwand begrenzte Halbräume nahezu isotrop ab. Die UV-Strahlung des einen Halbraums kann den jeweils anderen Halbraum ungestört durchdringen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Trennwand UV-reflektierend ist. Dann strahlt jeder Halbraum des Entladungsraums nur in einem Winkel von etwa 180° in Umfangsrichtung ab. Verluste sind vernachlässigbar, da die in Richtung auf die Trennwand abgegebenen UV-Photonen reflektiert und nicht absorbiert werden.
Bei einer Wasserbehandlungsanlage mit einem geschlossenen Kanal zur Führung des zu behandelnden Wassers (Trinkwasser oder Abwasser) in einer Strömungsrichtung mit einer Anzahl von UV-Strahlern, die in den Strömungskanal hineinragen, wird bei den im allgemeinen gegebenen begrenzten Platzverhältnissen eine zuverlässige Desinfektionsleistung bei relativ geringem Energieaufwand erreicht, wenn die Strahler Quecksilberniederdruckamalgamstrahler mit einem zylindrischen, zwei Enden aufweisenden und für UV-Strahlung durchlässigem Kolben sind, wobei der Kolben einen Entladungsraum umgibt und mit wenigstens zwei Elektroden versehen ist, die in den Entladungsraum hinein reichen. Weiter ist wenigstens ein in dem Entladungsraum angeordnetes Amalgam vorgesehen, wobei im Betrieb das oben befindliche Ende des Strahlers die Elektroden trägt und das Amalgamdepot an der Innenseite des Kolbens an dem anderen, im Betrieb unten befindlichen Ende des Kolbens angebracht ist. So kann der Niederdruck-Amalgamstrahler eine Strahlungsleistung erreichen, die auch für hohe Strömungsgeschwindigkeiten in geschlossenen Kanälen ausreichend ist. Andererseits kann die vertikale, hängende Anordnung der Strahler gewählt werden, bei der das Amalgamdepot unten im Strahler angeordnet ist und auch bei Vibrationen und mechanischen Erschütterungen keine Gefahr besteht, dass das im Betrieb flüssige Amalgam von dem vorgesehenen Einbaupunkt abfällt. Der Strahler ist auf diese Weise sehr robust ausgestaltet und kann mit wenigen Anpassungen in Applikationen eingesetzt werden, in denen ansonsten Mitteldruckstrahler erforderlich wären.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1: den Elektrodenbereich eines zylindrischen Strahlers mit mittiger Trennwand in einem Längsschnitt;
2: das geschlossene Ende des Strahlers nach 1 in einem Längsschnitt;
3: den Strahler gemäß 1 und 2 in einem Querschnitt entlang der Linie III-III; sowie
4: eine andere Ausführungsform des geschlossenen Endes eines Strahlers nach 1.
Die 1 zeigt den Anschlussbereich eines etwa zylindrischen UV-Strahlers mit einem rohrförmigen Kolben 1, der in bekannter Weise aus Quarzglas UV-durchlässig ausgebildet ist. Endseitig ist der Kolben 1 verjüngt und umschließt gasdicht zwei Anschlussleitungen 2 für elektrische Kontakte 3. Die Anschlussleitungen 2 sind in das Quarzglas des Kolbens 1 eingeschmolzen. Die Kontakte 3 sind mechanisch von einem vorzugsweise aus Keramik hergestellten Sockel 4 getragen.
Der Kolben 1 umgibt weiter einen Entladungsraum 5, in den zwei Elektroden 6 und 7 hinein ragen. Die Elektroden 6 und 7 sind elektrisch mit den Anschlussleitungen 2 kontaktiert. Die Elektroden 6 und 7 sind in an sich bekannter Weise aus Draht als Wendel ausgebildet und mit einem Material beschichtet, das die Elektronenemission fördert. Zwischen den Elektroden 6 und 7 liegt eine Trennwand 8, die den Entladungsraum 5 in zwei Halbräume 10 und 11 aufteilt. Die Trennwand 8 ist im Sockelbereich mit der äußeren Wandung des Kolbens 1 und den Anschlussleitun gen 2 gasdicht verschmolzen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kolben 1 entlang der Entladungsstrecke kreiszylindrisch ausgebildet, so dass die ebene Trennwand 8 die Halbräume 10 und 11 im Querschnitt etwa halbkreisförmig begrenzt.
Die 2 zeigt das gegenüberliegende Ende des Strahlers gemäß 1. Die Trennwand 8 endet in einem Abstand von einem geschlossenen Ende 12 des Kolbens 1. Das Ende 12 weist eine Einprägung 13, auf deren Innenseite ein Amalgamdepot 14 angeordnet ist. Der Abstand zwischen einem freien Ende 15 der Trennwand 8 und dem Amalgamdepot 14 ist so gewählt, dass der entstehende freie Querschnitt etwa dem Querschnitt der Entladungsräume 10 und 11 entspricht, also ein im Wesentlichen ungestörter Gas-, Elektronen- und Innenaustausch zwischen den Halbräumen 10 und 11 möglich ist. An der Außenseite des freien Endes 12 des Kolbens 1 ist ein elektrisches Heizelement 20 angeordnet, das über Anschlussleitungen 21 und 22 mit einer Stromversorgung (nicht dargestellt) verbunden ist. Das Heizelement 20 ist dazu eingerichtet, bei Beaufschlagung mit Strom das Amalgam 14 aufzuheizen, beispielsweise um beim Start des UV-Strahlers bereits eine ausreichenden Quecksilberdampfdruck zu gewährleisten.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch den Strahler im Bereich der Trennwand 8, also beispielsweise entlang der Linie III-III aus 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trennwand 8 einstückig mit dem Kolben 1, wie es beispielsweise durch Extrudieren erreichbar ist. Die entstehenden Halbräume 10 und 11 sind, wie oben beschrieben, in diesem Querschnitt etwa halbkreisförmig.
Die 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für das geschlossene Ende 12 des Strahlers. Gleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugsziffern. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Amalgamdepot 25 ringförmig zwischen zwei Einschnürungen 26 gelegt. In den Einschnürungen 26 liegen zwei ringförmig umlau fende Heizelemente 27, die über Anschlussleitungen 28 mit Strom versorgt werden können. Das Amalgamdepot 25 kann über die Heizelemente 27 vorgeheizt werden. Die Einschnürungen 26 sichern das Amalgam gegen Herabfallen bei Vibrationen. Bei der dargestellten vertikalen Einbaulage, bei der sich das geschlossene Ende 12 des Kolbens 1 unten befindet, ist es jedoch auch unschädlich, wenn ein Teil des Amalgamdepots 25 im Betrieb abfällt und sich unten im Bereich des Endes 12 sammelt. An dieser Stelle erreicht das Amalgam im Betrieb dennoch die erforderliche Betriebstemperatur, so dass die Strahlungsleistung des UV-Strahlers durch das Abfallen eines Teils des Amalgams nicht beeinträchtigt wird.
Im Betrieb kann der dargestellte Strahler mit dem maximalen Strom beaufschlagt werden, der bei Quecksilberniederdruckamalgamstrahlern für UV-Desinfektionsanwendungen derzeit erreichbar ist. Die ausschlaggebenden Komponenten, die Gasfüllung, die Elektroden und das Amalgam, sind mit den bekannten kanggestreckten Strahlern identisch. Damit wird auch die derzeit den Stand der Technik darstellende Strahlungsleistung pro Entladungslänge erreicht. Da hier aber ein gefalteter Entladungsraum vorliegt, ist die Entladungslänge nahezu doppelt so groß wie die Baulänge des Strahlers. Bei gegebener Baulänge wird deshalb eine nahezu doppelt so große Strahlungsleistung erzielt. Dies macht den gezeigten Strahler geeignet für Anwendungen, in denen nur ein eingeschränkter Bauraum verfügbar ist. Außerdem ist durch die beschriebene Anordnung der Elektroden und des Amalgamdepots der Strahler gegenüber Vibrationen und Erschütterungen sehr unempfindlich. Dies macht den Strahler besonders geeignet für den Einbau in vertikaler Ausrichtung und damit für Wasserbehandlungsanwendungen, bei denen der Strahler quer zur Strömungsrichtung in geschlossenen Wasser- oder Abwasserführungskanälen angeordnet ist. Gegenüber den sonst in solchen Einbausituationen verwendeten Mitteldruckstrahlern ergeben sich als Vorteile ein geringerer Energieverbrauch durch den besseren Wirkungsgrad im UV-Bereich und eine höhere Verfügbarkeit durch die höhere Lebensdauer.

1: Rohrförmiger Kolben
2: Anschlussleitungen
3: Elektrische Kontakte
4: Sockel
5: Entladungsraum
6: Elektrode
7: Elektrode
8: Trennwand
10: Halbraum
11: Halbraum
12: Geschlossenes Ende
13: Einprägung
14: Amalgamdepot
15: Freies Ende
20: elektrisches Heizelement
21: Anschlussleitung
22: Anschlussleitung
25: Amalgamdepot
26: Einschnürungen
27: Heizelemente
28: Anschlussleitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 1951138 [0006]
- US 2121333 [0006]
- US 3024383 [0006]
- DE 2928025 A1 [0006]
- DE 2725412 A1 [0007]

Claims

Quecksilberniederdruckamalgamstrahler mit einem zylindrischen, zwei Enden aufweisenden und für UV-Strahlung durchlässigen Kolben (1), der einen Entladungsraum (5, 10, 11) umgibt und mit wenigstens zwei Elektroden (6, 7), die in den Entladungsraum (5, 10, 11) hinein reichen, sowie mit wenigstens einem in dem Entladungsraum angeordneten Amalgamdepot (14, 25), dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Kolbens die Elektroden (6, 7) trägt und dass das Amalgamdepot (14, 25) innen an dem anderen Ende (12) des Kolbens (1) angebracht ist.
Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) eine innen liegende Trennwand (8) aufweist, die sich von den Elektroden (6, 7) aus in den Entladungsraum (5, 10, 11) erstreckt und die in einem Abstand von dem anderen Ende (12) endet.
Strahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (8) den Entladungsraum (5) in zwei etwa gleich große Halbräume (10, 11) aufteilt, die nur an dem anderen Ende (12) für einen Gasaustausch miteinander in Verbindung stehen.
Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) bei dem Amalgamdepot (14, 25) eine von außen nach innen weisende Einprägung (13) oder Einschnürung (26) aufweist, auf deren Innenseite das Amalgamdepot (14, 25) angeordnet ist.
Strahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite der Einprägung (13) oder Einschnürung (26) ein elektrisches Heizelement (20, 27) angeordnet ist und in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kolben (1) steht.
Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (8) UV-durchlässig ist.
Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (8) UV-reflektierend ist.
Wasserbehandlungsanlage mit einem geschlossenen Kanal zur Führung des zu behandelnden Wassers in einer Strömungsrichtung, mit einer Anzahl von UV-Strahlern, die in den Strömungskanal hineinragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler Quecksilberniederdruckamalgamstrahler mit einem zylindrischen, zwei Enden aufweisenden und für UV-Strahlung durchlässigen Kolben (1), der einen Entladungsraum (5, 10, 11) umgibt und mit wenigstens zwei Elektroden (6, 7), die in den Entladungsraum (5, 10, 11) hinein reichen, sowie mit wenigstens einem in dem Entladungsraum (5, 10, 11) angeordneten Amalgamdepot (14, 25) sind, wobei ein im Betrieb oben befindliches Ende des Kolbens (1) die Elektroden (6, 7) trägt und wobei das Amalgamdepot (14, 25) innen an dem anderen, im Betrieb unten befindlichen Ende des Kolbens (1) angebracht ist.