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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Vergünstigung gemäß 35 U.S.C. §119(e) der am 22. September 2014 eingereichten vorläufigen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 62/071,348, deren Inhalt durch Verweis hiermit in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ihrer Aspekte betrifft die vorliegende Erfindung eine Ablenkplatte zur Verwendung in einer Fluidbehandlungsvorrichtung. Gemäß einem andere ihrer Aspekte betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Behandeln eines Fluids.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Die Ultraviolett-Behandlung (UV-Behandlung) von Wasser erfolgt typischerweise entweder durch Niederdruck- oder Mitteldruck-Quecksilberdampflampen, die in Abhängigkeit von der Anwendung (z. B. Behandlung von Umweltschadstoffen oder Desinfektion) Licht mit einer Wellenlänge von 185 nm bis 254 nm aussenden. Unabhängig vom Lampentyp werden in bestehenden UV-Reaktoren typischerweise regelmäßig geformte Ablenkplatten verwendet, um die Strömung an oder in der Nähe der Lampen abzulenken. Die Ablenkplatten sind bis zu einem spezifischen Abstand von den Wänden des Reaktors fest.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, wenigstens einen der oben genannten Nachteile des Stands der Technik abzumildern oder zu beseitigen.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Ablenkplatte zu schaffen.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Fluidbehandlungsvorrichtung zu schaffen.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zur Behandlung eines Fluids mit Licht zu schaffen.
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Gemäß einem ihrer Aspekte schafft die vorliegende Erfindung daher eine Ablenkplatte, umfassend eine durchgehende Außenkante und einen inneren Abschnitt, der von der Außenkante umschlossen ist und mit der Außenkante verbunden ist, wobei der innere Abschnitt eine Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten umfasst, wobei jeder zahnförmige Abschnitt Folgendes umfasst: (i) einen Spitzenabschnitt, der zur Mitte der Ablenkplatte hin gerichtet ist, (ii) einen Basisabschnitt, der an die Außenkante angrenzt, und (iii) eine Zahnkante, die den Spitzenabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet, wobei wenigstens ein Abschnitt der Zahnkante wenigstens einen Abschnitt einer Öffnung definiert, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite der Ablenkplatte erstreckt.
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Gemäß einem anderen ihrer Aspekte schafft die vorliegende Erfindung eine Fluidbehandlungsvorrichtung, umfassend einen Einlass für unbehandeltes Fluid, das in die Vorrichtung eintritt, einen Auslass für behandeltes Fluid, das aus der Vorrichtung austritt, ein Gehäuse, eine oder mehrere lichtaussendende Lampen und eine oder mehrere Ablenkplatten, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei wenigstens eine Ablenkplatte der einen oder der mehreren Ablenkplatten Folgendes umfasst: eine durchgehende Außenkante und einen inneren Abschnitt, der von der Außenkante umschlossen ist und mit der Außenkante verbunden ist, wobei der innere Abschnitt eine Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten umfasst, wobei jeder zahnförmige Abschnitt Folgendes umfasst: (i) einen Spitzenabschnitt, der zur Mitte der Ablenkplatte hin gerichtet ist, (ii) einen Basisabschnitt, der an die Außenkante angrenzt, und (iii) eine Zahnkante, die den Spitzenabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet, wobei wenigstens ein Abschnitt der Zahnkante wenigstens einen Abschnitt einer Öffnung definiert, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite der Ablenkplatte erstreckt, und wobei die Öffnung die eine oder die mehreren lichtaussendenden Lampen aufnimmt.
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Gemäß einem weiteren ihrer Aspekte schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Behandeln eines Fluids, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einführen von unbehandeltem Fluid in das Gehäuse der im vorhergehenden Absatz definierten Fluidbehandlungsvorrichtung (einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen); Durchleiten des unbehandelten Fluids durch die Öffnung; und Bestrahlen des unbehandelten Fluids mit der von der lichtaussendenden Lampe ausgestrahlten Strahlung.
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D. h. die betreffenden Erfinder haben erkannt, dass das Strömungsfeld in einem UV-Reaktorsystem derart modifiziert werden kann, dass es auf das Lichtintensitätsfeld von Interesse (zum Beispiel 254 nm zur Desinfektion oder 185 nm zur Vernichtung von Umweltschadstoffen) abgestimmt ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer gezahnten Ablenkplatte zur Annäherung an ein ideales Geschwindigkeitsprofil eines Fluids in einem Einzellampen-Strömungsreaktor, einem Mehrlampen-Parallelströmungsreaktor oder einem Mehrlampen-Querströmungsreaktor.
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Ein Vorteil der Anwendung der hier beschriebenen Ablenkplatte besteht darin, dass die Leistungsfähigkeit des Reaktors (z. B. Dosisabgabe in Bezug auf die Eingangsleistung) gegenüber bestehenden Ablenkplatten-Ausgestaltungen erhöht ist, während gleichzeitig Leistungsverluste aufgrund einer Lichtabsorption durch die Reaktorwand minimiert werden, da die Größe des Reaktormantels erhöht werden kann. Die Verwendung von Ablenkplatten gemäß der vorliegenden Erfindung zur Modifizierung des Fluidstroms in einem Reaktor in Kombination mit einem relativ großen Reaktormantel kann auch zu einer Anordnung mit geringem Druckverlust führen, wobei eine bessere Leistung als mit bestehenden Reaktoren erzielt werden kann, was die abgegebene Dosis pro Einheit des hydraulischen Widerstands betrifft.
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Andere Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann bei der Lektüre der vorliegenden Beschreibung ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nun sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, und wobei:
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1(a) eine von der Seite gesehene perspektivische Ansicht einer Fluidbehandlungsvorrichtung mit einer Einzellampen-Konfiguration und herkömmlichen Ablenkplatten ist, wie sie im Stand der Technik bekannt ist;
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1(b) eine von oben gesehene perspektivische Ansicht einer Fluidbehandlungsvorrichtung mit einer Doppellampen-Konfiguration und herkömmlichen Ablenkplatten ist, wie sie im Stand der Technik bekannt ist;
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2(a) eine von der Seite gesehene perspektivische Ansicht einer Fluidbehandlungsvorrichtung ist, die eine Einzellampenkonfiguration und gezahnte Ablenkplatten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
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2(b) eine von oben gesehene perspektivische Ansicht einer Fluidbehandlungsvorrichtung ist, die eine Doppellampen-Konfiguration und gezahnte Ablenkplatten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
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3(a) eine von oben gesehene perspektivische Ansicht einer Fluidbehandlungsvorrichtung ist, die Ablenkplatten mit dreieckförmigen Zähnen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
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3(b) eine von der Seite gesehene perspektivische Ansicht einer Fluidbehandlungsvorrichtung ist, die Ablenkplatten mit trapezförmigen Zähnen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist;
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4 ein Beispiel eines modifizierten Geschwindigkeitsprofils in einem Einzellampen-Reaktor darstellt, wobei (a) die Basiskonfiguration von Sägezahn-Ablenkplatten zeigt und (b) die CFD-Ergebnisse des durch die Sägezahn-Ablenkplatten modifizierten Geschwindigkeitsprofils zeigt;
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5 ein Diagramm ist, das ein typisches Intensitätsfeld zeigt, das aus einer Lampe durch eine Fluidschicht mit einer UV-Durchlässigkeit (UVT) von 95% abgestrahlt wird;
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6 ein Diagramm ist, das einen Vergleich zwischen dem idealen Geschwindigkeitsprofil zum Erreichen einer Zieldosis von 55,8 mJ/cm2 bei einer spezifischen ringförmigen Reaktorkonfiguration (durchgezogene Linie), dem Geschwindigkeitsprofil mit Sägezahn-Ablenkplatten (fein gestrichelte Linie) und dem Geschwindigkeitsprofil mit herkömmlichen Ablenkplatten (grob gestrichelte Linie) zeigt;
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7 ein Diagramm ist, das einen Vergleich der Dosisverteilungen zeigt, die den Geschwindigkeitsprofilen von 6 entsprechen: ideales Geschwindigkeitsprofil (durchgezogene Linie), Sägezahn-Ablenkplatten (feiner strichlierte Linie), herkömmliche Ablenkplatten (gröber strichlierte Linie);
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8 Sägezahn-Ablenkplatten zeigt, die in einem Mehrlampen-Parallelstrbmungsreaktor angewendet werden, wobei (a) die Basiskonfiguration zeigt und (b) die CFD-Ergebnisse des durch die Sägezahn-Ablenkplatten modifizierten Geschwindigkeitsprofils zeigt;
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9 eine Sägezahn-Ablenkplatte in einem Einzellampen-Reaktor zeigt;
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10 eine Sägezahn-Ablenkplatte in einem Reaktor mit mehreren Lampen parallel zur Strömung zeigt; und
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11 eine Sägezahn-Ablenkplatte in einem Reaktor mit mehreren Lampen quer zur Strömung zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß einem ihrer Aspekte schafft die vorliegende Erfindung eine Ablenkplatte, umfassend eine durchgehende Außenkante und einen inneren Abschnitt, der von der Außenkante umschlossen ist und mit der Außenkante verbunden ist, wobei der innere Abschnitt eine Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten umfasst, wobei jeder zahnförmige Abschnitt Folgendes umfasst: (i) einen Spitzenabschnitt, der zur Mitte der Ablenkplatte hin gerichtet ist, (ii) einen Basisabschnitt, der an die Außenkante angrenzt, und (iii) eine Zahnkante, die den Spitzenabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet, wobei wenigstens ein Abschnitt der Zahnkante wenigstens einen Abschnitt einer Öffnung definiert, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite der Ablenkplatte erstreckt. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens können eines oder eine Kombination von zwei oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
- • die Zahnkante des zahnförmigen Abschnitts erstreckt sich bis zur Außenkante;
- • die Basis des zahnförmigen Abschnitts wird durch die Außenkante definiert;
- • die Basis des zahnförmigen Abschnitts ist radial von der Außenkante versetzt;
- • der zahnförmige Abschnitt ist im Wesentlichen dreieckförmig;
- • der zahnförmige Abschnitt ist im Wesentlichen trapezförmig;
- • die Ablenkplatte ist derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen eben ist;
- • die Ablenkplatte umfasst eine Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten, die ringförmig oder nicht ringförmig um die Mitte der Ablenkplatte angeordnet sind;
- • jeder zahnförmige Abschnitt der Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten weist im Wesentlichen die gleiche Form auf; und/oder
- • der radiale Winkel jedes Zahns der Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten ist im Wesentlichen gleich.
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Gemäß einem anderen ihrer Aspekte betrifft die vorliegende Erfindung eine Fluidbehandlungsvorrichtung, umfassend einen Einlass für unbehandeltes Fluid, das in die Vorrichtung eintritt, einen Auslass für behandeltes Fluid, das aus der Vorrichtung austritt, ein Gehäuse, eine oder mehrere lichtaussendende Lampen und eine oder mehrere Ablenkplatten, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei wenigstens eine Ablenkplatte der einen oder der mehreren Ablenkplatten eine durchgehende Außenkante und einen inneren Abschnitt umfasst, der von der Außenkante umschlossen ist und mit der Außenkante verbunden ist, wobei der innere Abschnitt eine Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten umfasst, wobei jeder zahnförmige Abschnitt Folgendes umfasst: (i) einen Spitzenabschnitt, der zur Mitte der Ablenkplatte hin gerichtet ist, (ii) einen Basisabschnitt, der an die Außenkante angrenzt, und (iii) eine Zahnkante, die den Spitzenabschnitt mit dem Basisabschnitt verbindet, wobei wenigstens ein Abschnitt der Zahnkante wenigstens einen Abschnitt einer Öffnung definiert, die sich von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite der Ablenkplatte erstreckt, und wobei die Öffnung die eine oder die mehreren lichtaussendenden Lampen aufnimmt. Bevorzugte Ausführungsformen dieser Verwendung können eines oder eine Kombination von zwei oder mehreren der folgenden Merkmale aufweisen:
- • die Zahnkante des zahnförmigen Abschnitts der wenigstens einen Ablenkplatte erstreckt sich bis zur Außenkante;
- • die Basis des zahnförmigen Abschnitts der wenigstens einen Ablenkplatte wird durch die Außenkante definiert;
- • die Basis des zahnförmigen Abschnitts der wenigstens einen Ablenkplatte ist radial von der Außenkante versetzt;
- • der zahnförmige Abschnitt der wenigstens einen Ablenkplatte ist im Wesentlichen dreieckförmig;
- • der zahnförmige Abschnitt der wenigstens einen Ablenkplatte ist im Wesentlichen trapezförmig;
- • die Vorrichtung nach Anspruch 16 umfasst eine Vielzahl von lichtaussendenden Lampen;
- • die wenigstens eine Ablenkplatte ist im Wesentlichen eben;
- • die lichtaussendende Lampe ist eine Lampe, die UV-Strahlung aussendet;
- • die Vorrichtung ist als Einzellampen-Reaktor ausgebildet;
- • die Vorrichtung ist als Mehrlampen-Parallelströmungsreaktor ausgebildet;
- • die Vorrichtung ist als Querströmungsreaktor ausgebildet;
- • die Vorrichtung umfasst ferner einen Wischerhülsenmechanismus;
- • die Vorrichtung nimmt Fluid vom Eingang auf;
- • das Fluid strömt durch die Öffnung der einen oder der mehreren Ablenkplatten, wenn das Fluid vom Eingang zum Ausgang strömt;
- • das Gehäuse umfasst eine Gehäusewand, die eine Innenfläche und eine Außenfläche aufweist, wobei die Außenkante der einen oder der mehreren Ablenkplatten die Innenfläche der Gehäusewand berührt;
- • die Geschwindigkeit des Fluidstroms durch die Öffnung variiert entlang eines Radius, der sich von der Mitte der Öffnung zur Innenfläche der Gehäusewand erstreckt;
- • die Geschwindigkeit des Fluidstroms durch die Öffnung ist an einem Punkt auf dem Radius vermindert, der sich relativ gesehen näher zur Gehäusewand befindet als ein zweiter Punkt entlang des Radius;
- • die Ablenkplatte umfasst eine Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten, die ringförmig oder nicht ringförmig um die Mitte der Ablenkplatte angeordnet sind; und/oder
- • jeder zahnförmige Abschnitt der Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten weist im Wesentlichen die gleiche Form auf.
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Vorrichtung nach Anspruch 29 oder Anspruch 30, wobei der radiale Winkel jedes Zahns der Vielzahl von zahnförmigen Abschnitten im Wesentlichen gleich ist.
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1(a) und 1(b) zeigen im Stand der Technik bekannte Ablenkplatten 2 zur Verwendung in Niederdruck- und Mitteldrucklampenreaktoren. 1(a) zeigt einen Reaktor 4 mit regelmäßig voneinander beabstandeten Ablenkplatten 2, die Öffnungen 8 aufweisen, durch die sich eine Lampe 6 erstreckt. 1(b) zeigt einen Doppellampen-Reaktor 4, der Ablenkplatten 2 mit einer erweiterten Öffnung 8 aufweist, die zwei Lampen 6 aufnimmt. Jede Ablenkplatte 2 der Reaktoren 4 lenkt den Fluidstrom an den Hochintensitäts-UV-Lampen 6 vorbei. Die Ablenkplatten 2 umfassen typischerweise eine flache Platte mit einer einzigen abgerundeten Öffnung 8, um den Strom zu den Bereichen der Lampe 6 mit höherer Intensität umzulenken. Jede Öffnung 8 verengt den Fluidstrom, um einen einzigen konzentrierten Fluidfluss oder -strahl zu erzeugen, der zu dem Hochintensitätsbereich der Lampe 6 oder – im Fall von Mehrlampen-Reaktoren 4 – der Lampen 6 gerichtet ist.
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In 2(a) und 2(b) sind Beispiele von Fluidbehandlungsvorrichtungen 104 dargestellt, in denen gezahnte Ablenkplatten 102 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung untergebracht sind. 2(a) zeigt eine Fluidbehandlungsvorrichtung 104, die regelmäßig voneinander beabstandete Ablenkplatten 102 umfasst, die Öffnungen 108 aufweisen, durch die sich eine Lampe 106 erstreckt. 2(b) zeigt eine Doppellampen-Fluidbehandlungsvorrichtung 104, die Ablenkplatten 102 mit einer erweiterten Öffnung 108 aufweist, welche die zwei Lampen 106 aufnimmt. In den in 2(a) und 2(b) dargestellten Ausführungsformen ist jede Ablenkplatte 102 aus mehreren ”Sägezahn”-Platten gebildet, deren Umriss jeweils eine derartige Form aufweist, dass eine Vielzahl von Zähnen 110 gebildet wird, die den Fluidstrom auf eine differenziertere Weise an der Hochintensitäts-Lampe 106 vorbeilenken, als dies bei den Ablenkplatten des Stands der Technik der Fall ist. Wie dies weiter unten beschrieben wird, ermöglicht es die gezahnte Ausgestaltung (z. B. die ”sägeartige” oder ”haifischartige” Form) jedes Zahn 110 einer Ablenkplatte 102, das Geschwindigkeitsprofil des Fluids genauer auf das Lichtintensitätsfeld um die Lampe 106 abzustimmen, was zu einer gleichförmigeren Verteilung der Dosis und somit zu einer effizienteren Fluidbehandlungsvorrichtung führt.
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Gemäß 9 umfasst jeder Zahn 110 eine Spitze 112, die zur Mitte der Ablenkplatte 102 hin gerichtet ist, eine Basis 116, die an eine Außenkante 118 angrenzt und die in Umfangsrichtung verlaufende Grenze des Zahns 110 definiert, sowie eine Zahnkante 114, welche die Spitze 112 mit der Basis 116 verbindet. Jede Zahnkante 114 definiert einen Abschnitt der Öffnung 108, die in 9 die an die Lampe 106 angrenzende Fläche sowie die Zwischenräume 128 zwischen den Zähnen 110 einschließt. In 9 erstreckt sich die Zahnkante 114 jedes Zahns 110 bis zur Außenkante 118 der Ablenkplatte 102, wobei die Basis 116 des Zahns 110 durch die Außenkante 118 definiert wird. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. In einigen Ausführungsform ist es möglich, dass sich die Zahnkante 114 nicht bis zur Außenkante 118 der Ablenkplatte 102 erstreckt, sondern stattdessen in einer bestimmten Entfernung radial einwärts von der Außenkante 118 endet. Bei diesen Ausführungsformen befindet sich die in Umfangsrichtung verlaufende Grenze des Zahns 110 (d. h. die Basis 116) nicht an der Außenkante 118, sondern ist stattdessen radial einwärts verschoben. In diesen Fällen ist die Basis 116 durch eine Linie definiert, die parallel zur Außenkante 118 ist und ein Ende der Zahnkante 114 mit dem anderen Ende der Zahnkante 114 verbindet.
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Wie in 9 dargestellt, umfasst die Ablenkplatte 102 einen inneren Abschnitt 120, der die Zähne 110 umfasst, und einen äußeren Abschnitt, der die Außenkante 118 umfasst. Der innere Abschnitt 120 kann auch Nichtzahnmaterial umfassen (zum Beispiel wenn sich die Basis 116 von einem oder mehreren Zähnen 110 der Ablenkplatte 102 nicht bis zur Außenkante 118 erstreckt). Der innere Abschnitt 120, einschließlich jedes Zahns 110, ist typischerweise eben (d. h. er definiert eine Ebene) und weist zwei gegenüberliegende Seiten auf, die an der Außenkante 118, der Zahnkante 114 und der Spitze 112 miteinander verbunden sind. Wie zu verstehen sein wird, erstreckt sich die Öffnung 108 von einer Seite zur gegenüberliegenden Seite quer zur Ebene der Ablenkplatte durch die Ablenkplatte 102. Die Ablenkplatte 102 ist typischerweise scheibenförmig (d. h. die Außenkante 118 der Ablenkplatte 102 definiert einen Kreis oder ein Oval), obwohl andere Formen der Ablenkplatte 102, wie z. B. quadratische oder dreieckige Formen, ebenfalls in Betracht kommen.
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Die Zähne 110 der Ablenkplatte 102 können durch jedes dem Fachmann bekannte Mittel gebildet werden. Beispielsweise kann jeder Zahn 110 aus einer separaten Platte gebildet sein, die durch eine oder mehrere Schweißstellen an der Außenkante 118 oder an angrenzenden Zähnen 110 befestigt ist. Alternativ dazu können die Zähne 110 der Ablenkplatte 102 als Teil einer einzigen Platte gearbeitet sein. Die Anzahl der Zähne 110 an einer Ablenkplatte 102 kann von einem Zahn 110 bis zu vielen Zähnen 110 variieren.
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In 2(a) und 2(b) sind die Formen der Zähne 110 dreieckig (d. h. ”sägezahnförmig”). Die Formen der Zähne 110 können jedoch variieren und müssen nicht dreieckig/sägezahnförmig sein. 3(b) zeigt zum Beispiel trapezförmige Zähne. Die Form der Zähne 110 in einer einzelnen Ablenkplatte 102 kann variieren, und/oder die Form der Zähne in unterschiedlichen Ablenkplatten 102 der gleichen Fluidbehandlungsvorrichtung 104 kann variieren. So kann es zum Beispiel wünschenswert sein, trapezförmige Zähne zu verwenden, um eine zusätzliche Struktur wie z. B. den Antrieb für ein Reinigungssystem aufzunehmen.
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Der Abstand von der Spitze 112 zur Basis 116 (d. h. die Länge des Zahns) kann ebenfalls variieren.
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3(a) zeigt Zähne 110, die Folgendes aufweisen: Spitzen 112, die direkt angrenzend an die Hülse der Lampe 106 angeordnet sind, und Basen 116, die durch die Außenkante 118 der Ablenkplatte 102 definiert werden. Bei einer solchen Ausführungsform kann eine maximale Modifikation des Fluidgeschwindigkeitsprofils in der Fluidbehandlungsvorrichtung 104 erreicht werden, da das Fluidgeschwindigkeitsprofil von einem Bereich direkt angrenzend an die Lampe 106 bis zu den Wänden der Fluidbehandlungsvorrichtung 104 (d. h. durch das Vorhandensein der Zwischenräume 128 zwischen den Zähnen 110) reguliert wird.
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3(b) zeigt hingegen Zähne 110, die Folgendes aufweisen: Spitzen 112, die radial von der Hülse der Lampe 106 getrennt sind, und Basen, die durch die Außenkante 118 definiert werden. Bei einigen Ausführungsformen sind kürzere Zähnen vorhanden, um für einen ausreichenden Freiraum für einen Wischermechanismus (der z. B. an der Außenseite der Hülse der Lampe 106 montiert ist, um die Hülse zu reinigen) oder andere innere Komponenten zu schaffen, die sich um die Ablenkplatte 102 spannen. Aus den obigen Ausführungen geht klar hervor, dass die Länge der Zähne 110 typischerweise umgekehrt mit der Gesamtfläche der Öffnung 108 korreliert.
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In bevorzugten Ausführungsform ist der radiale Winkel jedes Zahns 110 der Ablenkplatte 102 im Wesentlichen gleich (wenn er zur Beschreibung eines Winkels verwendet wird, ist mit dem Begriff ”im Wesentlichen” eine Abweichung von ±5° gemeint). Der radiale Winkel eines Zahns 110 ist als Bruchteil des von der Basis 110 eingenommenen Umfangs eines Kreises definiert, der derart gezeichnet wird, dass er die Basis 116 als Teil des Umfangs einschließt. Wenn die Basis 116 zum Beispiel durch die Außenkante 118 der Ablenkplatte 102 definiert wird, ist der radiale Winkel des Zahns 110 der Bruchteil des 360 Grad betragenden Umfangs der Ablenkplatte 102, der von der Basis 116 des Zahns 110 eingenommen wird. In einigen Ausführungsformen variieren die radialen Winkel unterschiedlicher Zähne 110 der gleichen Ablenkplatte 102, und/oder es variieren die radialen Winkel von Zähnen 110 an unterschiedlichen Ablenkplatten 102 der gleichen Fluidbehandlungsvorrichtung 104.
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Während des Betriebs können eine oder mehrere Ablenkplatten 102 auf eine dem Fachmann bekannte Weise in einem Gehäuse 124 einer Fluidbehandlungsvorrichtung 104 angeordnet sein. Das Gehäuse 104 kann zum Beispiel eine oder mehrere abnehmbare Montageplatten 126 (in 2(a) dargestellt) umfassen, die, wenn sie entfernt sind, Zugang zum Inneren der Fluidbehandlungsvorrichtung 104 verschaffen. Wenn die Montageplatte 126 entfernt wird, können eine oder mehrere Lampen 106 durch die Öffnungen 108 von einer oder mehreren Ablenkplatten 102 entlang der Länge des Gehäuses 124 eingeführt werden. Jede Ablenkplatte 102 kann in dem Gehäuse durch im Fachgebiet bekannte Mittel gehalten werden (z. B. durch eine oder mehrere Streben, die sich in Längsrichtung entlang der Länge der Fluidbehandlungsvorrichtung erstrecken). Typischerweise berührt die Außenkante 118 jeder Ablenkplatte 102 eine Innenfläche einer Wand des Gehäuses 124. Die Fluidbehandlungsvorrichtung 104 umfasst typischerweise das Gehäuse 124, eine oder mehrere Ablenkplatten 102 und Lampen 106, die in dem Gehäuse 124 befestigt sind, einen Fluideinlass zur Aufnahme von unbehandeltem Fluid und einen Fluidauslass, durch den das behandelte Fluid die Vorrichtung verlässt. Das in die Fluidbehandlungsvorrichtung 104 eintretende Fluid steht typischerweise unter Druck und wird entlang der Länge der Vorrichtung 104 durch Ultraviolettlicht behandelt, das durch die eine oder die mehrereb Lampen 106 ausgesendet wird. Wenn das unter Druck stehende Fluid durch die Öffnungen 108 der Ablenkplatten 102 strömt, wird das Fluid in verschiedene Grade der Nähe zu dem Hochintensitäts-UV-Licht gebracht, das von der einen oder den mehreren Lampen 106 ausgesendet wird.
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Was die Mechanik des Betriebs einer Fluidbehandlungsvorrichtung 104 betrifft, die eine oder mehrere Ablenkplatten 102 umfasst, so ermöglicht es die gezahnte Ausgestaltung jeder Ablenkplatte 102, das Strömungsfeld eines Fluids derart zu modifizieren, dass es im Wesentlichen auf das Lichtintensitätsfeld von Interesse (z. B. 254 nm zur Desinfektion; 185 nm zur Vernichtung von Umweltschadstoffen) abgestimmt ist. Dies steht im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten nicht gezahnten Ablenkplatten 2 (z. B. 1(a) und 1(b)), bei denen kein Mechanismus vorhanden ist, um das Strömungsfeld des Fluids mit dem Lichtintensitätsfeld in Einklang zu bringen.
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5 zeigt ein typisches Intensitätsfeld, das aus einer Lampe durch die Fluidschicht mit einer UV-Durchlässigkeit von 95% abgestrahlt wird. Das Intensitätsfeld ist rotationssymmetrisch und zeigt einen signifikanten Abfall mit dem radialen Abstand von der Lampe. Das Intensitätsfeld wäre mit anderen UV-Durchlässigkeitswerten gleich. Wenn das Intensitätsfeld durch die Radialfunktion I(r), die Lampenlänge L und eine gewünschte Zieldosis Dt dargestellt wird, kann ein ideales Geschwindigkeitsprofil v(r) für eine Fluidbehandlungsvorrichtung 104 definiert werden.
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Unter der Annahme, dass die Fluidpartikelwege vorwiegend parallel zur Lampe 106 sind, kann die erforderliche Verweilzeit t(r) als Funktion des radialen Abstands von der Lampe definiert werden: t(r) = Dt / I(r) (1)
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Das ideale Geschwindigkeitsprofil kann wie folgt geschrieben werden: v(r) = L / t(r) (2)
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Das Einsetzen von t(r) in v(r) ergibt: v(r) = I(r)L / Dt (3)
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Die Gleichung 3 kann nun verwendet werden, um das ideale Geschwindigkeitsprofil für eine ringförmige Fluidbehandlungsvorrichtung mit einer einzelnen Lampe zu definieren.
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In der Praxis ist jedoch das ideale Geschwindigkeitsprofil in realen Reaktoren aufgrund von Wandreibung und Grenzschichteffekten schwer zu erreichen, welche die Geschwindigkeit an der Lampe und der äußeren Wand dazu zwingen, auf null zu sinken. Es wurden jedoch CFD-Simulationen verwendet, um zu zeigen, dass die Sägezahn-Ablenkplatte der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um eine stärkere Annäherung an das ideale Geschwindigkeitsprofil als mit herkömmlichen Ablenkplatten zu erzielen.
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6 zeigt zum Beispiel zum Vergleich ein ideales Geschwindigkeitsprofils, das für einen spezifischen ringförmigen Reaktor berechnet wurde, um eine mittlere Zieldosis von 55,8 mJ/cm2 zu erzielen (durchgezogene Linie). 6 zeigt auch Geschwindigkeitsprofile, die mit Sägezahn-Ablenkplatten (fein gestrichelte Linie) und herkömmlichen Ablenkplatten (grob gestrichelte Linie) erzielt wurden. Für den Vergleich wird die Längskomponente der Geschwindigkeit (X-Richtung) verwendet, um den Effekt zu demonstrieren, da die Geschwindigkeit X in diesem Beispiel vorherrschend ist. Es ist offensichtlich, dass die Sägezahn-Ablenkplatten ein Geschwindigkeitsprofil erzeugen, das näher am idealen Geschwindigkeitsprofil liegt als jenes von herkömmlichen Ablenkplatten. Der Fachmann wird verstehen, dass die Form der Sägezahn-Ablenkplatten eingestellt werden kann, um das Geschwindigkeitsprofil weiter zu verbessern, so dass es besser mit dem idealen Geschwindigkeitsprofil übereinstimmt. Der Fachmann wird weiter verstehen, dass das oben beschriebene Funktionsprinzip für Parallelströmungsreaktor-Konfigurationen sowohl mit einer einzelnen als auch mit mehreren Lampen zutrifft. Ein ähnlicher Ansatz gilt auch für Querströmungsreaktoren.
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Um das Funktionsprinzip weiter zu veranschaulichen, zeigt 7 einen Vergleich der Dosisverteilungen, die den Geschwindigkeitsprofilen von Sägezahn-Ablenkplatten und herkömmlichen Ablenkplatten gemäß 6 entsprechen, mit jener des idealen Geschwindigkeitsprofils. Es ist zu sehen, dass die durch ein ideales Geschwindigkeitsprofil in der Theorie erzeugte Dosisverteilung zu einer Spitze bei der Zieldosis von 55,8 mJ/cm2 (durchgezogene Linie) führen würde, während der Reaktor mit den herkömmlichen Ablenkplatten eine breite Verteilung erzeugt (grob gestrichelte Linie). Der Reaktor mit den Sägezahn-Ablenkplatten (fein gestrichelte Linie) führt zu einer engeren Verteilung, was das Prinzip bestätigt. Da die Breite (d. h. der Streubereich) der Dosisverteilung mit der Leistungsfähigkeit des Reaktors zusammenhängt, führen die Sägezahn-Ablenkplatten zu einer signifikanten Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Reaktors. Eine höhere Leistungsfähigkeit bedeutet, dass mit einem größeren Anteil an Fluidpartikeln eine Dosis näher an der mittleren Zieldosis von 55,8 mJ/cm2 erreicht wird.
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Tabelle 1 zeigt die CFD-Ergebnisse für die oben beschriebenen Beispiele unter den gleichen Betriebsbedingungen. Die engere Dosisverteilung der Sägezahn-Ablenkplatte führt zu einer verbesserten Desinfektionsleistung, was durch den höheren RED-Wert angezeigt wird. Tabelle 2 zeigt einen reduzierten Datensatz, der bei Bedarf im Patent offenbart wird.
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Der Fachmann wird verstehen, dass es möglich wäre, das oben beschriebene Funktionsprinzip für Parallelströmungsreaktor-Konfigurationen sowohl mit einer einzelnen als auch mit mehreren Lampen anzuwenden.
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Was Mehrlampen-Reaktoren betrifft, so zeigen 8 und 10 ein Beispiel für gezahnte Ablenkplatten 102 (z. B. Sägezahn-Ablenkplatten), die in einem Mehrlampen-Parallelströmungsreaktor 104 angewendet werden. Ein wesentlicher und deutlich zu erkennender Vorteil der Anordnung der gezahnten Ablenkplatten 102 (z. B. Sägezahn-Ablenkplatten) am Umfang der Gruppe von Lampen 106 besteht darin, dass ein ungehinderter Betrieb eines üblichen Wischermechanismus möglich ist, während gleichzeitig höhere Reaktorleistungen erzielt werden können. Der Fachmann auf dem Gebiet des Reaktoraufbaus kann die Sägezahn-Ablenkplatten in verschiedenen Mehrlampen-Parallelströmungsreaktor-Konfigurationen optimieren.
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Die folgenden Parameter können variiert und eingestellt werden, um das Strömungsfeld zu optimieren, um es auf das Strahlungsintensitätsfeld im Fluidbehandlungsbehälter abzustimmen:
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Anzahl der ”Zähne” oder Platten
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- – regelmäßiges Rotationsmuster;
- – unregelmäßiges Rotationsmuster; und
- – Abstand zwischen den Platten.
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Form der ”Zähne” oder Platten
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- – Anzahl der Seiten;
- – Krümmung der Seiten; und
- – Ausrichtung der Trunkierung.
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Größe der ”Zähne” oder Platten
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- – Breite der Basis;
- – Höhe des Scheitels oder der Spitze; und
- – Breite und Höhe der Trunkierung.
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Porosität
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- – Perforation; und
- – Riefelungen.
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Strukturelle Steifigkeit
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- – rippenverstärkt; und
- – netzverstärkt.
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Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Ablenkplatten umfasst eines oder zwei oder mehrere der folgenden Merkmale:
- • 12 bis 24 Zähne oder Platten am Umfang;
- • regelmäßiges Rotationsmuster;
- • 3- seitige und 4-seitige Form;
- • Abstand 0 bis 20 mm (2 bis 15 mm bevorzugt);
- • Scheitelhöhe 2,5 bis 500 mm (25 bis 250 mm bevorzugt); und
- • Breite der Basis 1,5 bis 300 mm (15 bis 150 mm bevorzugt).
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Die vorliegende gezahnte Ablenkplatte (z. B. Ablenkplatte mit Sägezähnen) in einem Querströmungsreaktor kann eine Durchgangsöffnung schaffen, die das Geschwindigkeitsfeld derart modifiziert, dass ein Geschwindigkeitsgradient geschaffen wird, der auf die Intensitätsgradienten abgestimmt ist, die durch die stromabwärts befindlichen Lampen erzeugt werden; der resultierende Effekt ist bei einer Strömung quer zu den Lampen gleich wie bei einer Strömung parallel zu den Lampen. Auf diese Weise ist es möglich, die oben beschriebenen Ausführungsformen, die auf eine Lampenausrichtung parallel zur Strömung fokussiert sind, im Hinblick auf einen Reaktor abzuändern, in dem die Lampen quer (z. B. im rechten Winkel oder in einem anderen Winkel) in Bezug auf die Richtung des Fluidstroms durch den Reaktor angeordnet sind. Ein Beispiel für einen solchen Ansatz ist in 11 dargestellt.
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Obwohl diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen und Beispiele beschrieben wurde, sollte die Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden. So werden für den Fachmann bei der Lektüre dieser Beschreibung verschiedene Abänderungen der veranschaulichenden Beispiele sowie andere Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich sein. In der gesamten Beschreibung wurden zum Beispiel zahnförmige Abschnitte erwähnt. Der Fachmann wird erkennen, dass ”gezahnt”, ”sägezahnförmig”, ”flossenförmig” oder ”blütenblattförmig” gleichwertige Beschreibungen für die ”zahnförmigen” Abschnitte sind. Es wird daher davon ausgegangen, dass die beiliegenden Ansprüche alle solchen Abänderungen oder Ausführungsformen abdecken.
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Alle Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen, auf die hier verwiesen wird, sind durch Verweis in ihrer Gesamtheit in gleichem Maß in dieses Dokument aufgenommen, als wenn bei jeder einzelnen Veröffentlichung, jedem einzelnen Patent oder jeder einzelnen Patentveröffentlichung angemerkt wäre, dass sie/es durch Verweis in ihrer/seiner Gesamtheit in dieses Dokument aufgenommen ist. Tabelle 1 – CFD-Ergebnisse, die die verbesserte Desinfektionsleistung von Sägezahn-Ablenkplatten beweisen
Table 2 – CFD-Ergebnisse, die die verbesserte Desinfektionsleistung von Sägezahn-Ablenkplatten beweisen
| Fall | Q [MGD] | UVT [%] | MS2 D10 [mJ/cm^2] | AD [mJ/cm^2] | RED [mJ/cm^2] | RED/AD | HL [m] |
| 1) Sägezahn- Ablenkplatten | 0,65 | 0,95 | 20 | 55,8 | 40,9 | 0,73 | 0,109 |
| 2) Herkömmliche Ablenkplatten | 0,65 | 0,95 | 20 | 55,2 | 34,0 | 0,62 | 0,091 |
