CH648155A5

CH648155A5 - Quecksilber-niederdrucklampe.

Info

Publication number: CH648155A5
Application number: CH5225/79A
Authority: CH
Inventors: Georg Horstmann
Original assignee: Georg Horstmann
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1979-06-05
Publication date: 1985-02-28
Also published as: DK233879A; SE7904810L; CA1147011A; NL183555B; FR2428323B1; DE2825018C2; US4323810A; GB2027265A; DE2825018A1; NL7904412A; AT379710B; ATA398279A; JPS5525992A; BE876755A; GB2027265B; NL183555C; FR2428323A1; NO791869L

Description

Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Niederdrucklampe mit einem mit Niederdruck-Quecksilberdampf gefüllten Lampenrohr und endseitigen Elektroden sowie eine Bestrahlungsanordnung mit einer solchen Lampe.

Niederdruckdampflampen bestehen üblicherweise aus einem mit Metalldampf mit einem Dampfdruck um z.B. 13,5 Pa gefüllten Quarzrohr mit zwei endseitigen Elektroden, das mit einem Hüllrohr umgeben und gegebenenfalls auch noch gekühlt sein kann. Im Betrieb bildet sich zwischen diesen Elektroden eine Bogenentladung aus, die zur Lichterzeugung ausgenutzt wird. Unter den Niederdruckdampflampen haben die Quecksilber-Niederdrucklampen einen sehr grossen Anteil, weil sie sehr geeignete Geräte zur Erzeugung von UV-Strahlung darstellen. Das von ihnen ausgesandte Licht ist nämlich ein reines Linienspektrum, welches einen hohen UV-Anteil aufweist und bei 254 nm eine besonders starke Linie besitzt.

In neuerer Zeit gewinnt die Durchführung von photochemischen Reaktionen mit Hilfe von UV-Strahlung steigende Bedeutung, wobei photochemische Entkeimungs- und Sterili-sierungsvorgänge ein besonders wichtiges Gebiet darstellen. Eine Anzahl dieser Reaktionen, und vor allem auch die photochemischen Entkeimungs- und Sterilisierungsvorgänge zeigen dabei eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Strahlungsintensität, so dass es entscheidend auf eine möglichst hohe Strahlungsintensität ankommt. Das ist darauf zurückzuführen, dass die betreffenden Reaktionen eine gleichzeitige Anwesenheit einer bestimmten Mindestzahl von (z.B. 4 oder 5) Lichtquanten an der zu reagierenden Molekülstelle benötigen und deshalb bei Anwendung einer Strahlung geringer Intensität, die diese Mindestzahl von Lichtquanten nicht gleichzeitig zur Verfügung zu stellen vermag, nicht ablaufen können. Dem kann dann auch nicht durch beispielsweise eine Verlängerung der Bestrahlungsdauer abgeholfen werden.

Insbesondere für diese stark intensitätsabhängigen Reaktionen sind die bisherigen Quecksilber-Niederdrucklampen nicht besonders gut geeignet, da die an ihrer Aussenfläche abgegebene Strahlungsdichte praktisch nicht über einen bestimmten Maximalwert von etwa 30 mW/cm2 gesteigert werden kann. Das reicht oftmals nicht aus, zumal auch aus Gründen eines technisch sinnvollen Reaktionsumsatzes meistens die zu bestrahlenden Volumina nicht zu klein sein dürfen. Man hat sich deshalb bisher in diesen Fällen damit beholfen, die Strahlung mehrerer Lampen, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Reflektoren, in das gleiche Reaktionsvolumen zu bündeln, was aber sehr aufwendig ist und auch zu einer schlechten Energiebilanz führt.

Bei den bekannten Quecksilber-Niederdrucklampen ist die relativ geringe abgegebene Strahlungsdichte durch den bisher stets runden Querschnitt des Lampenrohrs bedingt. Dadurch nimmt das strahlende Plasma im Lampenrohr zwangsläufig die Form eines Zylinders an, der im Vergleich zu seinem Volumen nur eine geringe Oberfläche besitzt. Dies hat nun zur Folge, dass die in dem inneren Kern des Plasmas erzeugte Strahlung weitgehend in den äusseren Plasmaschichten wieder absorbiert wird und damit als Wärme verloren geht, so dass praktisch nur die in der äussersten Plasmaschicht erzeugte Strahlung nutzbar nach aussen abgegeben werden kann. Diese Erscheinung ist weitgehend unabhängig vom Durchmesser des Lampenrohres, es sei denn, der Durchmesser wird sehr klein gehalten, aber dann ergibt sich der Nachteil einer viel zu kleinen Gesamtstrahlungsleistung.

Ziel der Erfindung ist, eine Quecksilber-Niederdrucklampe zu schaffen, welche auf einer grossen Strahlungsfläche eine wesentlich höhere Strahlungsdichte abgeben kann und welche die Konstruktion besserer und wirkungsvollerer Bestrahlungsanordnungen möglich macht. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass es nicht zur inneren Absorption eines Teiles der erzeugten Strahlung kommt, da das leuchtende Plasma nunmehr die Form eines «Brettes», d.h. eines Körpers mit grosser Breite und nur geringer Tiefe hat. Auf diese Weise kann nunmehr praktisch die gesamte erzeugte Strahlung auch nutzbar vornehmlich über die beiden Breitseiten des Lampenrohres nach aussen abgegeben werden, und das Ergebnis ist eine Lampe mit einer (gegenüber einer runden Lampe gleicher Querschnittsfläche) erhöhten Strahlungsfläche und mit einer wesentlich erhöhten Strahlungsdichte, die bei gleicher Energieaufnahme mehr als das Doppelte der bisher erreichbaren Werte betragen kann. Überraschend ist dabei die ausserordentlich hohe Stabilität des leuchtenden Plasmas.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist es auch noch, dass die durch Strahlungsabsorption erzeugte Wärme zum Fortfall kommt. Dadurch und durch die Tatsache, dass ein Rohr von länglich-flachem Querschnitt ohnehin leichter zu kühlen ist als ein entsprechendes rundes Rohr, lässt sich die Lampe nunmehr auch mit sehr viel höherer Energieaufnahme betreiben als bisher, wodurch die Strahlungsdichte zusätzlich ganz erheblich erhöht werden kann.

Die Tatsache, dass die erfindungsgemässe Lampe ihre Strahlung im wesentlichen nur an ihren beiden Breitseiten, dort aber mit ausserordentlich hoher Strahlung abgibt, gestattet die Konstruktion von einer Bestrahlungsanordnung mit einer Lampe sowie mit einem Hüllrohr und mit Kühleinrichtungen, die durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

648 155

anspruches 4 gekennzeichnet ist. Derartige Bestrahlungsanordnungen können in verschiedenen Ausführungsformen einfach hergestellt werden und haben, da sie optimal auf die Strahlungsgeometrie der Lampen abgestimmt sind, eine ausserordentlich hohe Wirksamkeit. Ausserdem ermöglichen sie auch noch weitere Vorteile.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Lampe durch dichten Verschluss des Hüllrohres als Tauchlampe zum Eintauchen in ein zu bestrahlendes Medium ausgebildet und das zum Abzug des ozonhaltigen Gases vorgesehene Rohr in das gleiche Medium geführt, in welches die Lampe eintaucht.

Es ist bekannt, dass sich durch UV-Bestrahlung von gasförmigem Sauerstoff Ozon bildet. Die Ausbeute war dabei bislang jedoch gering, so dass in der Praxis zur Ozonerzeugung anderen Verfahren (z.B. die Einwirkung von stillen elektrischen Entladungen auf Sauerstoff) der Vorzug gegeben wurde. Der schlechte Wirkungsgrad bei der Ozonerzeugung mittels UV-Strahlung beruht u.a. darauf, dass sich das zunächst gebildete Ozon bei längerer Einwirkung insbesondere der Wellenlänge 254 nm wieder zersetzt. Da man bisher bei der Ozonerzeugung mittels UV-Strahlung den Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas in Axialrichtung eines (von einem entsprechenden Hüllrohr umgebenen) runden Lampenrohres führen musste, war dieser Zersetzungsprozess unvermeidlich, und zwar selbst bei Verwendung nur sehr kurzer Lampenrohre. Die Ozonausbeuten blieben deshalb durchweg unterhalb von 0,15 g pro 20 W Lampenleistung. Mit der erfindungsgemässen Lampe können dagegen wesentlich höhere Ausbeuten an gasförmigem Ozon erreicht werden und überdies ist es bei der damit bestückten Bestrahlungsanordnung möglich, dass der im Wasser gelöste Sauerstoff unmittelbar in Ozon umgewandelt werden kann.

Die Einzelheiten der Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellen dar:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Lampe zusammen mit einer als Tauchrohr ausgebildeten Bestrahlungsanordnung,

Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt für eine etwas abgewandelte Ausführungsform der Lampe,

Fig. 4 und 5 je einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt für Bestrahlungsanordnungen zur Erzeugung von Ozon in der Gasphase,

Fig. 6 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemässen Lampe,

Fig. 7 und 8 schematisch in Draufsicht bzw. in Seitenansicht einen Bestrahlungsreaktor für strömende Medien,

Fig. 9 ein Detail des Reaktors gemäss Fig. 7 und 8 im ver-grösserten Massstab,

Fig. 10 und 11 schematisch zwei abgewandelte Ausführungsformen des Reaktors gemäss Fig. 7 und 8,

Fig. 12 schematisch im Schnitt einen anderen Bestrahlungsreaktor für strömende Medien,

Fig. 13 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform des Reaktors gemäss Fig. 12 und

Fig. 14 schematisch eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Reaktors gemäss Fig. 7 und 8.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen beziffert und funktionsmässig gleiche Abwandlungen dieser Teil mit zusätzlichen Indexstrichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist eine Quecksilber-Niederdrucklampe 1 gezeigt, deren Lampenrohr 9, wie am besten aus Fig. 2 zu ersehen ist, einen länglich-flachen Querschnitt besitzt und aus Quarzglas oder einem entsprechenden UV-durchlässigen Material besteht. An ihren Enden ist das Lampenrohr mit Sockeln 2 versehen, durch welche jeweils zwei Elektrodenanschlüsse 3

hindurchgeführt sind, zwischen denen sich in Breitenrichtung des Lampenrohrs eine längliche Elektrode 19 erstreckt. Die äusseren Elektroden-Verbindungen sind dabei nicht mehr weiter dargestellt. Gefüllt ist die Lampe 1 mit Quecksilberdampf im üblichen Niederdruckbereich.

Die in Fig. 1 gezeigte Lampe 1 kann bei Ausführung für 220 V Betriebsspannung eine Querschnittsfläche von etwa 10 x 30 mm und eine wirksame Länge von etwa 80 cm haben. Die Elektroden 19 sind dabei, etwas abhängig vom jeweiligen Elektrodenmaterial, etwa 15 bis 20 mm lang. Wenn eine solche Lampe mit einer Leistungsaufnahme von z.B. 120 W betrieben wird, liefert sie eine Strahlungsdichte von mehr als 260 mW/cm2, d.h. mehr als das Zehnfache einer herkömmlichen Lampe in Rundausführung. Die Strahlung wird dabei, was ein wichtiger weiterer Vorteil ist, im wesentlichen nur auf beiden Breitseiten des Lampenrohres 9, also senkrecht zur Längsmittelebene der Lampe abgegeben.

Die Leistungsaufnahme der Lampe 1 lässt sich allerdings nicht beliebig erhöhen, weil ab einem bestimmten Grenzwert, der für das vorangehende Zahlenbeispiel bei etwa 150 W liegt, der leuchtende Plasmabogen instabil wird. Es ist jedoch möglich, das leuchtende Plasma auch bei höheren Leistungsaufnahmen noch stabil zu halten, wenn, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, an jedem Lampenende anstelle einer Elektrode 19 zwei oder noch mehr unabhängige Elektroden 19' angeordnet werden und das Lampenrohr entsprechend verbreitert wird. Bei zwei Elektrodenpaaren und damit zwei Plasmabögen pro Lampe lässt sich, bezogen auf das vorangehende Zahlenbeispiel, die Leistungsaufnahme der Lampe ohne weiteres auf 250 W steigern, was - da das Lampenrohr nicht auf den doppelten Wert verbreitert zu werden braucht - auch eine zusätzliche Erhöhung der Strahlungsdichte zur Folge hat. Mit drei und mehr Elektrodenpaaren können dann entsprechend noch höhere Leistungen der Lampe 1 ohne Schwierigkeiten erzielt werden.

Da die Lampe 1, gleichgültig, ob ihre Elektroden gemäss Fig. 1 oder gemäss Fig. 6 ausgebildet sind, die Strahlung auf beiden Breitseiten des Lampenrohres in gleicher Weise abgibt, ist für die UV-Bestrahlung von Flüssigkeiten, z.B. für die UV-Entkeimung von Wasser oder dergleichen, ihr Einsatz als Tauchlampe bevorzugt. Im Beispiel der Fig. 1 ist die Lampe 1 (die auch die alternative Ausführung gemäss Fig. 6 haben kann) zu diesem Zweck von einem Hüllrohr 4 umgeben, das ebenfalls aus Quarz oder einem entsprechenden Material bestehen muss. Dieses Hüllrohr besitzt eine der Lampe 1 angepasste, also ebenfalls länglich-flache Querschnittsform und ist allseits verschlossen, beispielsweise durch Deckel 5 oder aber, wie am unteren Ende der Fig. 1 gezeigt, durch eine integrierte Abschlusswand 6. Durch den Deckel 5 sind dabei im Beispiel der Fig. 1 zwei Kühlrohre 7 und 8 hindurchgeführt, die sich längs der beiden Schmalseiten der Lampe 1 erstrecken und z.B. mit Kühlgas beschickt werden. Das Kühlgas durchströmt die Rohre 7 und 8, verlässt diese an deren unterem Ende und strömt dann in den Zwischenraum zwischen der Lampe 1 und dem Hüllrohr 4 wieder zurück, bis es durch einen im Deckel 5 vorgesehenen Aus-lass 10 wieder nach aussen gelangt.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Lampe 1 zu kühlen, und weiter unten werden auch noch Ausführungsbeispiele mit ungekühlten Lampen beschrieben. Falls eine Kühlung vorgesehen ist, braucht diese auch nicht unbedingt in der zuvor beschriebenen Weise zu erfolgen. Beispielsweise kann die Kühlung auch derart durchgeführt werden, dass die beiden Rohre 7 und 8 an ihren unteren Enden miteinander verbunden und mit Kühlwasser durchströmt werden, wobei dann eines der Rohre das Einlassrohr und das andere Rohr das Auslassrohr bilden.

Weiterhin ist es auch möglich, die Kühlrohre in die

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

648155

4

Lampe 1 einzufügen, indem, wie in Fig. 3 gezeigt, an den beiden Schmalseiten des Lampenrohres 9' zwei Kammern 7' und 8' ausgebildet werden, die von dem Kühlmedium durchströmt werden. Wichtig ist es in jedem Fall nur, dass die Kühlrohre, seien sie nun gesonderte Bauteile oder mit der Lampe verbunden, längs der Schmalseiten der Lampe verlaufen und dadurch die an den beiden Lampenbreitseiten austretende Flächenstrahlung hoher Strahlungsdichte nicht beeinträchtigen. Die an den beiden Schmalseiten austretende Strahlung, die ohnehin nur einen sehr geringen Anteil der Gesamtstrahlung ausmacht, kann demgegenüber nur sehr viel schlechter (beispielsweise mit Hilfe zusätzlicher Reflektoren) nutzbar gemacht werden, so dass in diesem Bereich die Kühlrohre überhaupt nicht stören.

In einer etwas abgewandelten Ausführung kann die in Fig. 1 dargestellte Bestrahlungsanordnung (mit Lampen 1, deren Elektroden gemäss Fig. 1 oder aber gemäss Fig. 6 ausgebildet sein können) auch hervorragend zur Ozonerzeugung in der Gasphase eingesetzt werden. Es ist dazu lediglich erforderlich, das Lampenrohr 9 aus einem auch für die Wellenlänge von 183 nm ausreichend durchlässigen Quarz herzustellen und anstelle der Kühlrohre 7 und 8 gemäss Fig. 1 zwei Produktführungsrohre vorzusehen, die so ausgebildet sind, dass Sauerstoff (bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas) quer über die Breitseiten des Lampenrohres 9, also von der einen Schmalseite zur anderen, strömen kann. Dadurch kann das bestrahlte Gas schon nach sehr kurzer Verweilzeit, bevor sich die das Ozon wieder abbauende Strahlung der Wellenlänge von 254 nm nennenswert auswirken kann, wieder aus dem Bereich der Strahlung herausgebracht werden, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Ozonausbeute führt. Es ist dabei möglich, die Anordnung als reinen Ozongenerator einzusetzen und die Betriebsbedingungen in Hinsicht auf diesen Verwendungszweck zu optimieren. Ebenso ist aber auch ein kombinierter Einsatz möglich, indem Ozon erzeugt und zugleich die Lampenstrahlung auch noch für andere photochemische Reaktionen ausgenutzt wird. Besonders für den Fall der Entkeimung von Flüssigkeiten, z.B. Wasser, ist dabei ein solcher kombinierter Einsatz günstig, indem z.B. die mit einem UV-durchlässigen Hüllrohr versehene Lampe 1 als Tauchlampe in das Wasser gebracht und zugleich mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas unter Verwendung der zuvor beschriebenen «Querströmung» überströmt wird, worauf das erzeugte Ozon an anderer Stelle, zur Vor- oder Nachentkeimung, ebenfalls in das Wasser eingeleitet wird. Ein solcher Einsatz ist mit herkömmlichen Quecksilber-Niederdrucklampen nicht durchführbar.

Wenn die Lampe 1 in der letztgenannten Weise bei der UV-Entkeimung zugleich auch noch gasförmiges Ozon als Nebenprodukt liefern soll, sind die Produktführungsrohre 17 und 18 zweckmässig in der in Fig. 4 gezeigten Weise analog den in Fig. 1 gezeigten Kühlrohren 7 und 8 angeordnet, aber an ihren unteren Enden verschlossen und im übrigen in Abständen mit Düsenansätzen 11 und 12 versehen, die sich parallel zu den beiden Breitseiten des Lampenrohres 9 öffnen. Wenn Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas (z.B. Luft) unter leichtem Druck über z.B. das eine Rohr 17 mit dessen Düsenansätzen 11 zugeführt und unter leichtem Sog über das andere Rohr 18 mit dessen Düsenansätzen 12 als ozonhaltiges Gas wieder abgezogen wird, stellt diese Anordnung sicher, dass das bestrahlte Gas zumindest im Bereich der zusammenwirkenden Paare von Düsenansätzen in einer ausreichend guten Querströmung über das Lampenrohr geführt wird, also schnell wieder aus dem Einfluss der Strahlung herausgelangt. Entsprechend hohe Ozonausbeuten sind die Folge.

Zur alleinigen Erzeugung von gasförmigem Ozon wird eine Lampe in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 bevorzugt. Bei dieser Lampe sind zwei Halbschalen 13 und 14 vorgesehen, die die beiden Schmalseiten des Lampenrohres 9 unter Freilassung zweier gleich grosser Ringspalte 15 bzw. 16 umgeben und aus Edelstahl oder einem entsprechenden, gegen Ozon beständigen Material bestehen. Einer der beiden Ringspalte, z.B. der der Halbschale 13 zugeordnete Ringspalt 15 wird dabei mit dem sauerstoffhaltigen Gas unter Druck beschickt, während der andere Ringspalt 16 zum Abzug des ozonhaltigen Gases dient. Die beiden Breitseiten des Lampenrohres 9 werden auf diese Weise mit einer ausgezeichneten Querströmung überströmt, die je nach der Breite des Lampenrohres nur wenige Zentimeter lang ist und auch nur eine Schichtdicke von etwa 3 mm maximal besitzt. Zur Zufuhr und zum Abzug der Gase sind dabei die Produktführungsrohre 17' und 18' längs des Lampenrohres 9 in Abständen mit den beiden Ringspalten 15 und 16 verbunden.

Um zu verhindern, dass das in den Ringspalten 15 und 16 in Axialrichtung des Lampenrohres 9 strömende Gas einer Strahlung insbesondere der für Ozon schädlichen Wellenlänge 254 nm ausgesetzt bleibt, können die beiden Schmalseiten des Lampenrohres 9 durch Schwärzung oder durch Anbringung je einer weiteren Halbschale aus Metall, die dann die Ringspalte zum Lampenrohr hin begrenzt, strahlungsundurchlässig gemacht sein. Ebenso können auch die beiden Innenflächen der beiden Halbschalen 13 und 14 mit einer die Reflexion herabsetzenden Beschichtung versehen sein, falls die Halbschalen aus einem UV-reflektierenden Material bestehen. Weiterhin ist es auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 zweckmässig, die beiden Schmalseiten des Lampenrohres strahlungsundurchlässig zu machen, wenn dort die Rohre 17 und 18 mit den Düsenansätzen 11 und 12 nicht aus Metall, sondern z.B. aus Quarzglas bestehen. Im übrigen braucht zum Einsatz als alleiniger Ozonerzeuger kein Hüllrohr 4 aus einem UV-durchlässigen Material vorgesehen zu sein, es genügt dann ein Hüllrohr aus z.B. Edelstahl.

Sofern andererseits kein gasförmiges Ozon erzeugt zu werden braucht, sondern allein eine UV-Bestrahlung von Flüssigkeiten oder gegebenenfalls Gasen, z.B. eine UV-Entkeimung von Wasser oder dergleichen erfolgen soll, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Anzahl von Lampen 1 in der Ausführung gemäss Fig. 1 oder Fig. 6 ohne zusätzliche Kühleinrichtungen als Tauchlampen in einen von der Flüssigkeit durchströmten Bestrahlungsreaktor mit rechteckigem Querschnitt einzubauen. Rechteckige Strömungsquerschnitte für das zu bestrahlende Medium ergeben nämlich, weil die Lampen 1 ihre Strahlung im wesentlichen nur an ihren Breitseiten senkrecht zur Lampen-Längsmittelebene abgeben, eine optimale Anpassung an die Ozonsgeometrie der Lampen. Ausserdem sind sie ausserordentlich billig (z.B. aus Edelstahl oder gegebenenfalls auch aus Teflon) herstellbar und ermöglichen eine Konstruktionsweise, bei der die einzelnen Lampen schnell und bequem auch während des laufenden Betriebs ausgewechselt werden können.

Ein typisches Beispiel eines solchen, für die UV-Entkei-mung von Wasser bestimmten Bestrahlungsreaktors 20 ist in Fig. 7 in Draufsicht und in Fig. 8 in Seitenansicht veranschaulicht. Dort ist ein flachliegendes längliches Reaktorgehäuse 21 von rechteckiger Querschnittsform vorgesehen, das in seiner Längsrichtung von dem Wasser durchströmt wird. In der Längsmittelebene des Gehäuses 21 erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung des Wassers, also über die Breite des Gehäuses 21, eine Anzahl von Lampen 1 in der Ausführung gemäss Fig. 1 oder Fig. 6. Einlaufseitig ist das Gehäuse 21 mit einem Einlaufteil 22 versehen, welches die Aufgabe hat, die im runden Einlaufstutzen 23 ankommende Strömung möglichst gleichmässig und ohne Ausbildung von unterschiedlich schnell durch den Reaktor durchlaufenden Stromfäden auf den rechteckigen Strahlungsquerschnitt des Gehäuses zu ver5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

648155

teilen. Dieses Einlaufteil 22 ist ein im wesentlichen kastenförmiges Gebilde, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Gehäuses 21 entspricht und das über zwei Anschlussleitungen 24, vor deren Mündungen sich jeweils eine Prallplatte 25 befindet, an den Einlaufstutzen 23 angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen dem Einlaufteil 22 und dem Gehäuse 21 ist über eine Lochplatte 26 hergestellt. Auslaufseitig geht das Gehäuse 21 über einen Auslaufkonus 27 in den Auslaufstutzen 28 über.

Der Reaktor 20 kann in seinem Inneren eine einzige Bestrahlungskammer bilden, aber in vielen Fällen ist es zweckmässig, das Gehäuseinnere durch weitere Lochbleche 26 so zu unterteilen, dass sich eine Anzahl von kaskadenartig hintereinandergeschalteten Bestrahlungskammern ergibt, von denen jede z.B. zwei oder drei Lampen 1 enthält. Dies führt zu dem Vorteil, dass mit zunehmender Anzahl von Kaskadenkammern das Verweilzeitspektrum des durchströmenden Wassers zunehmend schmaler wird, d.h. dass die tatsächliche Verweilzeit eines beliebigen Volumenelementes auch sehr weitgehend seiner vorgegebenen mittleren durchschnittlichen Verweilzeit im Reaktor angenähert wird. Dadurch wird eine besonders gleichmässige Behandlung aller Volumenelemente des strömenden Wassers sichergestellt, wobei im allgemeinen bereits drei bis fünf Kaskadenkammern genügen. Natürlich lässt sich eine Kaskadenwirkung auch dadurch erzielen, dass die entsprechende Anzahl von nichtunterteilten, also jeweils eine einzige Bestrahlungskammer bildenden Gehäuse 21 hintereinandergeschaltet wird;

aber dann wird die Baulänge des Reaktors grösser.

Die einzelnen Lampen 1 können direkt mit einer geeigneten Dichtung in entsprechende Öffnungen der Wandung des Gehäuses 21 eingesetzt sein. Das kann unter Umständen aber zu einer zu starken Kühlung der Lampen 1 führen, und ausserdem ist dann ein evtl. notwendiges Auswechseln von ausgebrannten Lampen nur bei Betriebsunterbrechung möglich. Deshalb ist bevorzugt, wie in Fig. 9 gezeigt, in das Gehäuse 21 für jede Lampe 1 ein von der einen bis zur gegenüberliegenden Gehäusewand durchgehendes Hüllrohr 29 eingebaut, das aus dem gleichen UV-durchlässigen Material besteht wie die Lampenrohre und das mit einer Dichtung 30 so gegen die Gehäusewand abgedichtet ist, dass seine beiden Enden offen von aussen zugänglich sind. Die Hüllrohre 29 sind dabei geringfügig grösser als die Lampen 1, so dass die Lampen sich leicht in die Hüllrohre einschieben und, ohne dass der Reaktor entleert zu werden braucht, auch wieder herausnehmen lassen. Zwar entsteht durch die Hüllrohre ein geringfügiger Strahlungsverlust, der aber wegen der ausserordentlich hohen Strahlungsleistung der Lampen 1 kaum ins Gewicht fällt und im übrigen durch die Vorteile der Hüllrohre mehr als wettgemacht wird.

Wenn sowohl die Lampen 1 als auch die Hüllrohre 29 bei dem Reaktor 20 aus einem solchen Quarzmaterial bestehen, das auch die Wellenlänge von 183 nm durchlässt, ergibt sich als Folge der ausserordentlich hohen Strahlungsdichte, die in das Wasser abgegeben wird, noch ein ganz besonderer Effekt dahingehend, dass der im bestrahlten Wasser gelöste Sauerstoff unmittelbar, also ohne Umweg über die Gasphase, in Ozon umgewandelt wird. Dieser Effekt lässt sich hervorragend zur kombinierten Behandlung des Wassers durch Ozon-Einwirkung und gleichzeitige UV-Einwirkung anwenden, wobei die (bei der Ozonerzeugung in der Gasphase nachteilige) Tatsache, dass das unter dem Einfiuss der Wellenlänge von 183 nm gebildete Ozon durch die gleichzeitig mit abgestrahlte Wellenlänge von 254 nm wieder abgebaut wird, nunmehr als erheblicher Vorteil nutzbar gemacht werden kann. Der Abbau des Ozons läuft nämlich über die Stufe des atomaren Sauerstoffs, so dass im Wasser gleichzeitig mit der starken Entkeimungswirkung der Wellenlänge von 254 nm auch die sehr starke Oxidationswirkung des atomaren Sauerstoffs zur Verfügung steht. Ausserdem lässt sich durch den bereits im Reaktor stattfindenden Abbau des Ozons auch erreichen, dass der Ablauf aus dem Reaktor wieder frei von Ozon (und auch von Wasserstoffsuperoxid, das sich aus der Reaktion des Ozons bzw. des atomaren Sauerstoffs mit Wasser bilden kann) wird.

Eine Anwesenheit von Ozon oder Wasserstoffsuperoxid im fertig aufbereiteten Wasser ist normalerweise unerwünscht, lässt sich bei einer herkömmlichen Ozonisierung durch gasförmiges Ozon aber kaum vermeiden. Bei dem Reaktor 20 gemäss Fig. 7 und 8 hingegen kann in einfacher Weise gewährleistet werden, dass das aus dem Reaktor ablaufende Wasser auch keinerlei Reste an Ozon oder Wasserstoffsuperoxid enthält, die im Reaktor nicht mehr durch die Wellenlängen von 254 nm bzw. durch ablaufende Oxidationsvor-gänge zum Verschwinden gebracht worden sind. Dazu brauchen lediglich die in Strömungsrichtung des Wassers letzte oder letzten Lampen 1 (bzw. die Lampen in der letzten Kaskadenkammer 31) nebst ihren Hüllrohren 29 aus einem entsprechend dotierten Quarz zu bestehen, welcher den Wellenlängenbereich um 183 nm nicht durchlässt und nur den Wellenlängenbereich um 254 nm liefert. Unter der Voraussetzung, dass auch diese letzte oder letzten Lampen 1 eine ausreichend hohe Strahlungsdichte von mindestens 150-200 mW/cm2 haben, bauen sie kurz vor dem Auslauf des Wassers alle darin etwa noch verbliebenen Reste an Ozon und Wasserstoffsuperoxid mit Sicherheit ab.

Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Reaktor 20 hat, unter Berücksichtigung des weiter vorn gegebenen Zahlenbeispiels für die Lampen 1, eine Breite von etwa 80 cm und eine Höhe von etwa 18-20 cm. Bei dieser Höhe, die einem Abstand von etwa 9-10 cm zwischen einer Lampenbreitseite und der zugeordneten Gehäusewand entspricht, hat die Strahlung auch im Bereich der Gehäusewand selbst bei starker Verschmutzung des Wassers noch eine ausgezeichnet hohe Intensität, die die volle Wirksamkeit der Strahlung auch im Bereich der Gehäusewand sicherstellt. Hierbei ist zu bemerken, dass die Strahlungsintensität im wesentlichen nur durch Absorption längs des Strahlungsweges und kaum aus geometrischen Gründen mit zunehmendem Abstand von den Lampen abnimmt. Im Bedarfsfall kann im übrigen die Innenseite der Gehäusewand hochreflektierend ausgebildet sein, obgleich das normalerweise nicht nötig ist.

Die Länge des Reaktors 20 gemäss Fig. 7 und 8 hängt von der Anzahl der vorhandenen Lampen 1 ab, die sich ihrerseits nach dem verlangten Wasser-Durchsatz richtet. Mit drei Lampen 1 sind (bei dem als Zahlenbeispiel angenommenen Strömungsquerschnitt von rund 20 x 80 cm) Durchsätze bis zu 100 mVh möglich, mit vier Lampen 1 solche bis zu 150 mVh, und mit sechs Lampen 1 solche bis 250 mVh, wobei die einzelnen Lampen, wie weiter vorn schon erwähnt, innerhalb des Gehäuses in einer einzigen Bestrahlungskammer oder aber in mehreren aufeinanderfolgenden Kaskadenkammern 31 untergebracht sein können, und wobei die Lochplatten 26 beispielsweise 220 Löcher von je 1 cm Durchmesser aufweisen können. Bei sechs Lampen 1 führt dies zu einer maximalen Länge des Reaktors von nur etwa 40 cm. Derartig kleine Bau-grössen des Reaktors für derartig hohe Durchsätze sind mit herkömmlichen Lampen in Rundausführung grundsätzlich nicht erreichbar.

Ein besonderer Vorteil dieser kleinen Baugrösse ist es,

dass ein grösserer Durchsatzbereich mit einem einzigen Reaktor 20 bewältigt werden kann, indem der Reaktor auf die obere Grenze dieses Durchsatzbereichs (also z.B. auf einen Durchsatz von 250 mVh mit sechs Hüllrohren für die Anordnung von maximal sechs Lampen 1) ausgelegt wird und dann in den Reaktor nur soviele Lampen eingesetzt werden, wie für

5

m

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

648 155

6

den vorgegebenen Durchsatz tatsächlich benötigt werden (also z.B. nur drei oder vier Lampen). Dadurch braucht nicht für jeden Durchsatz ein gesonderter Reaktor konstruiert zu werden.

Auch sehr hohe Durchsätze von mehr als 250 mVh sind bei dem vorangehend angenommenen Strömungsquerschnitt von rund 20 x 80 cm möglich, wenn die Zahl der Lampen entsprechend erhöht wird. Da das aber unter Umständen unerwünscht grosse Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers erforderlich macht, ist es für sehr hohe Durchsätze im allgemeinen zweckmässiger, zwei oder mehrere der Reaktoren 20 gemäss Fig. 7 und 8 parallel zu schalten und z.B. aufeinanderzustellen. Wegen der geringen Baugrösse der einzelnen Reaktoren ergibt dies keine besonderen Probleme.

In Fig. 10 ist eine alternative Ausführungsform eines Reaktors 32 für einen" sehr hohen Durchsatz in Seitenansicht dargestellt. Dieser Reaktor 32 ist dadurch entstanden, dass bei zwei aufeinandergestellten Reaktoren 20 gemäss Fig. 7 und 8 die mittleren Gehäusewände fortgelassen sind, so dass die aufeinanderfolgenden Lampen 1 in zwei im Abstand übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind. Hinsichtlich der weiteren Einzelheiten entspricht der Reaktor 32 dem Reaktor 20. Im Bedarfsfall kann der Reaktor 32 gemäss Fig. 10 natürlich die Lampen auch in drei oder noch mehr übereinanderliegenden Ebenen enthalten, und ausserdem kann die Anordnung (z.B. aus strömungstechnischen Gründen) auch so getroffen sein, dass die Lampen 1 gestaffelt aufeinanderfolgen, wie dies die Fig. 11 für den Reaktor 32' andeutet.

Bei den vorangehend beschriebenen Reaktoren 20 bzw. 32 oder 32', die für mittlere bis hohe und sehr hohe Durchsätze bestimmt sind, verlaufen mehrere Lampen 1 jeweils auféinan-derfolgend quer zur Strömungsrichtung des Wassers. Für kleine Durchsätze genügen dagegen im allgemeinen eine einzige oder allenfalls zwei Lampen 1, und dann ist es zweckmässig, die Lampen in Strömungsrichtung des Wassers anzuordnen.

Ein Beispiel für einen solchen Reaktor 33 mit nur einer einzigen Lampe 1 ist in Fig. 12 gezeigt. Das Reaktorgehäuse 34 erstreckt sich dort in Strömungsrichtung des Wassers in der Länge der Lampe 1, und das Hüllrohr 36 für die Lampe ist in der in Fig. 9 beschriebenen Art in die Gehäusestirnwände eingesetzt. Am einen Ende der einen breiten Gehäuseseitenwand befindet sich ein in Fig. 12 erkennbares Einlaufteil 38, das das einlaufende Wasser vom Einlaufstutzen 37 aus in die beiden Bestrahlungsräume 35 neben den beiden Breitseiten der Lampe 1 verteilt. Innerhalb des Einlaufteils 38 ist dabei das Hüllrohr 36 durch eine Prallplatte 39 abgedeckt. Das Auslaufteil 40 am anderen Ende des Reaktorgehäuses 34 ist analog beschaffen, weist aber keine Prallplatte 39 auf.

Auch ein mit nur einer Lampe bestückter Reaktor kann so ausgebildet werden, dass er zwei kaskadenartig hintereinandergeschaltete Bestrahlungskammern aufweist. Dies ist in Fig. 13 für den Reaktor 33' veranschaulicht. Der Reaktor 33' ist dem Reaktor 33 gemäss Fig. 12 weitgehend ähnlich, jedoch ist bei dem Reaktor 33' das Hüllrohr 36' entlang seiner beiden Schmalseiten gegen die zugeordneten breiten Seitenwände des Reaktorgehäuses abgedichtet, so dass der Innenraum des Reaktors in zwei getrennte Bestrahlungskanäle 42 und 43 unterteilt wird. Das Einlaufteil 38' und das Auslaufteil 40'

sind dabei am gleichen Reaktorende an den beiden schmalen Seitenwänden angeordnet, so dass sie nur jeweils mit dem einen Bestrahlungskanal 42 oder dem anderen Bestrahlungskanal 43 in Verbindung stehen, und die beiden Bestrahlungskanäle sind am anderen Reaktorende miteinander über eine Verbindungsleitung 41 verbunden. Auf diese Weise durchströmt das Wasser im Reaktor 33' aufeinanderfolgend zunächst den einen Bestrahlungskanal 42 und dann den anderen Bestrahlungskanal 43.

Bei dem Reaktor 33' gemäss Fig. 13 kann weiterhin eine spezielle bifunktionale Lampe 1' zum Einsatz kommen, deren eine, dem Bestrahlungskanal 42 zugewandte Breitseite aus einem auch für die Wellenlänge von 183 nm durchlässigem Quarz besteht, während deren andere, dem Bestrahlungskanal 43 zugewandte Breitseite aus einem entsprechend dotierten Quarz gebildet ist, der nur die Wellenlänge von 254 nm durchlässt. Mittels einer solchen bifunktionalen Lampe 1 ' lässt sich auch mit dem Reaktor 33' die weiter vorn für den Reaktor 20 beschriebene Betriebsweise dahingehend durchführen, dass in dem Bestrahlungskanal 42 im bestrahlten Wasser eine Ozonerzeugung mit gleichzeitigem Ozonabbau erfolgt und in dem anschliessenden Bestrahlungskanal 43 ein sicherer Abbau aller noch verbliebenen Ozonreste stattfindet. Das Hüllrohr 36' muss dabei natürlich in seiner UV-Durchlässigkeit an das von der Lampe 1' abgestrahlte Spektrum angepasst sein, und ausserdem muss auch wiederum die Voraussetzung erfüllt sein, dass die Lampe 1' auf beiden Seiten eine ausreichend hohe Strahlungsdichte von mindestens 150-200 mW/cm2 liefert. Die Herstellung von solchen bifunktionalen Lampen 1', deren beide Breitseiten aus unterschiedlich durchlässigem Material bestehen, ist erstmals durch die Erfindung möglich geworden, da die Verbindung (Verschmelzung) der unterschiedlich durchlässigen Materialien im Bereich der Schmalseiten der Lampe 1, die für die abgegebene Strahlung ohnehin bedeutungslos sind, vorgenommen werden kann.

Die bifunktionalen Lampen 1' der vorangehend beschriebenen Art, die auf ihrer einen Breitseite die Wellenlängen 183 nm und 254 nm abgeben und auf ihrer anderen Breitseite nur die Wellenlänge 254 nm durchlassen, können zusammen mit entsprechend ausgebildeten Hüllrohren auch in einem Mehrlampen-Reaktor 20' der in Fig. 7 und 8 für den Reaktor 20 beschriebenen Art eingesetzt werden, wenn wiederum, wie beim Reaktor 33', dafür gesorgt ist, dass das Wasser in definierter Weise zunächst einen Bestrahlungskanal 42' auf der einen Lampenseite und dann einen zweiten Bestrahlungskanal 43' auf der anderen Lampenseite durchströmt, und wenn die Strahlung von 183 nm und 254 nm dem zuerst durchströmten Bestrahlungskanal, die Strahlung von nur 254 nm dagegen dem anschliessend durchströmten Bestrah-lungs'kanal zugeordnet ist. Das ist in Fig. 14 schematisch dargestellt. Dort ist zu erkennen, dass die Hüllrohre 29' der Lampen 1' grundsätzlich in der in Fig. 7 und 8 gezeigten Art angeordnet, aber an ihren Schmalseiten gegeneinander abgedichtet sind, so dass sich im Reaktor die beiden getrennten Bestrahlungskanäle 42' und 43' ausbilden. Diese beiden Bestrahlungskanäle sind an einem Reaktorende über eine Verbindungsleitung 41' miteinander und am anderen Reaktorende gesondert jeweils mit dem Einlaufteil 22' bzw. dem Auslaufkonus 27' verbunden. In der Wirkungsweise entspricht damit der Reaktor 20' dem Reaktor 33'.

Die Reaktoren sind vorangehend am Beispiel der UV-Bestrahlung von Wasser zum Zwecke der Wasserentkeimung beschrieben worden, aber es versteht sich, dass sie ebenso auch zur Bestrahlung anderer flüssiger oder gasförmiger Medien eingesetzt werden können, um darin Photo-Reaktio-nen zu erzeugen. In diesem Sinne sind auch alle vorangehend angegebenen Zahlenwerte für die Abmessungen der Reaktoren und der Lampen, die Durchsätze der Reaktoren und die Anzahl der Lampen pro Reaktor nicht bindend, sondern dienen lediglich der Erläuterung. Diese Zahlenwerte können für einen anderen Einsatzzweck der Reaktoren mehr oder weniger stark von den vorangehend angegebenen Zahlenwerten abweichen. Im übrigen kann auch die Konstruktion der Reaktoren in mancher Hinsicht abgeändert werden, ohne

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

648 155

dass dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. So kann z.B. das Einlaufteil der Reaktoren, wie in den Fig. 10 und 11 angedeutet, als üblicher Einlaufkonus mit darin angeordneten Strömungsleitplatten 44 zur Verteilung des einströmenden Mediums ausgebildet sein, oder es können in die Reaktoren noch zusätzliche Stromführungselemente zur Erzeugung einer möglichst laminaren oder gegebenenfalls auch einer möglichst turbulenten Strömung eingebaut sein. Auch brauchen die Reaktoren keinen streng rechteckförmi-

gen Querschnitt zu besitzen, sondern können z.B. leicht abgerundete Kanten aufweisen. Schliesslich müssen die Lampen 1 auch nicht unbedingt die Wellenlängen von 183 nm bzw. 254 nm liefern, sondern es können auch Lampen mit anderen 5 Strahlungsbereichen verwendet werden, wenn dies die jeweils beabsichtigte Photo-Reaktion erforderlich macht. Wichtig ist aber auch dabei, dass die Lampenrohre mit länglich-flachem Querschnitt und mit länglichen Elektroden ausgebildet sind, um eine erhöhte Strahlungsdichte abgeben zu können.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

648155

1. Quecksilber-Niederdrucklampe mit einem mit Nieder-druck-Quecksilberdampf gefüllten Lampenrohr und endseiti-gen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, dass das Lampenrohr (9) mit einem von der Kreisform abweichenden länglichflachen Querschnitt ausgebildet ist und sich die Elektroden (19) in Breitenrichtung des Lampenrohres erstrecken.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ende des Lampenrohres (9) mindestens zwei nebeneinanderliegende Elektroden (19') angeordnet sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Breitseiten des Lampenrohres (9) aus zwei Materialien mit unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit bestehen und diese Materialien im Bereich der Schmalseiten des Lampenrohres miteinander verbunden sind.

4. Bestrahlungsanordnung mit einer Lampe nach einem der Ansprüche 1-3 sowie mit einem Hüllrohr und mit Kühleinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Schmalseiten des Lampenrohres (9) zwei Rohre (7, 8; 7', 8'; 17, 18; 17', 18') vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (17, 18) mit Düsenansätzen (11, 12) ausgerüstet sind, welche sich parallel zu den Breitseiten des Lampenrohres (9) öffnen.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Halbschalen (13, 14) vorgesehen sind, welche die Schmalseiten des Lampenrohres (9) unter Freilassung je eines Ringspaltes (15, 16) umfassen.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) durch dichten Verschluss des Hüllrohres (4) als Tauchlampe zum Eintauchen in ein zu bestrahlendes Medium ausgebildet ist und dass ein zum Abzug des ozonhaltigen Gases vorgesehenes Rohr (18, 18') in das gleiche Medium geführt ist, in welches die Lampe eintaucht.