DE2724837A1

DE2724837A1 - Verbesserung einer vorrichtung zum entkeimen von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2724837A1
Application number: DE19772724837
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Huerlimann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-06-16
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1978-11-09
Also published as: CH605420A5; GB1584385A; AT362076B; FR2354971A1; ATA336577A; FR2354971B1; IT1080885B; ES459612A1

Description

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BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Zusatzpatent zu Hauptpatentanmeldung P 26 30 496.1

Verbesserung einer Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft die Verbesserung einer Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels Ultraviolettstrahlung von mehrheitlich 254 nm Wellenlänge nach Anspruch 1 der Hauptpatentanmeldunp; P 26 30 496.1.

Bei der Entkeimung von Flüssigkeiten mittels Ultraviolettstrahlen hängt die Abtötungsrate näherungsweise exponentiell von der applizierten Strahlendosis ab. Empfängt ein Massenelement eine zu geringe Dosis, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass in diesem Gebiet eine Anzahl Keime der Abtötung entgehen, d.h. es verbleibt eine gewisse Restkeimzahl. In einem solchen Fall dürfte die untere Grenze der Abtötungsrate näherungsweise durch das Verhältnis des ausreichend zum unterdosiert bestrahlten Massenanteil festgelegt sein.

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Daraus ergibt sich die Konsequenz, dass alle Massenanteile, unabhängig von ihrem Weg durch die Bestrahlungsvorrichtung, mit der gleichen Strahlendosis bestrahlt werden sollten, d.h. das zu behandelnde Medium ist möglichst homogen zu bestrahlen. Hierzu ist, insbesondere bei Bestrahlungsstufen für grosse Durchsatzleistungen, die Strömungsführung innerhalb der Bestrahlungsvorrichtung geeignet zu konzipieren.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass zwecks gezielter Strömungsführung des zu entkeimenden Mediums Einbauten im Leitungsrohr stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Strahlungsquelle und/oder um diese herum angeordnet sind.

Der Vorteil dieser Massnahme ist insbesondere darin zu sehen," dass die angestrebte hohe Keimtötungsrate auf sehr einfache Art erzielt wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.

Es zeigt

Fig.11 das Prinzip der erfindungsgemässen Einbauten in einer einstufigen Entkeimungsvorrichtung im Teillängsschnitt

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Fig.12 ein Raumbild einer dreistufigen Entkeimungsvorrichtung mit Einbauten

Fig.13 eine Strahlungsquelle mit Reinigungsvorrichtung

Fig.l4 einen Querschnitt der Vorrichtung mit einer mögliehen Anordnung von Wandblenden

Fig.15 eine Abwandlung der Anordnung der Einbauten gemäss Fig. m.

Für die gleichen Elemente sind in den verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, welche ebenfalls jenen in der Hauptpatentanmeldung entsprechen. Die Strömungsrichtung in der Entkeimungsvorrichtung ist mit Pfeilen dargestellt. Erfindungsunwesentliche Teile wie beispielsweise die Befestigung der Einbauten in der Vorrichtung sowie die Anordnung der Vorrichtung in einem Leitungsstrang sind nicht dargestellt.

In Fig. 11 ist in einer einstufigen Entkeimungsvorrichtung im Leitungsrohr 3 mit der Kanalweite D die Strahlungsquelle und das sie umgebende Quarzschutzrohr 6 schematisch nur mit ihrem grössten Durchmesser d angegeben. Zum besseren Verständnis der Erfindung sei dem Leitungsrohr 3 ein kreisförmiger Querschnitt zugeordnet und sei das Verhältnis vom

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Quarzschutzrohrdurchmesser d zu Kanalweite D respektive Leitungsrohr-Innendurchmesser mit 0,35 angenommen.

Die erfindungsgemässen Einbauten sind zunächst Blenden 14, welche beim gewählten Beispiel Ringform aufweisen. Sie sind sowohl zustromseitig (14') sowie abstromseitig (14") angeordnet und zwar symmetrisch zur Längsachse 9 des Quarzschutz rohres 6. Die Distanz zwischen den Blenden 14' und 14" entspricht etwa der dreifachen Blendenhöhe h, wodurch sich folgendes Strömungsbild ergibt: Es entsteht zwischen den beiden Blenden 14 ' und 14" ein eigentliches Totwassergebiet mit einer rezirkulierenden Strömung. Dies führt für das zu entkeimende Medium 1 zu einer etwa doppelt so langen Verweilzeit gegenüber einer direkten Durchströmung. Die in diesem Totwassergebiet ohnehin schwächere Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 10 wird demnach besser ausgenutzt, d.h. die Abtötungsrate für Keime wird grosser. Bei einer derartigen Anordnung ist es sinnvoll, die Höhe h der Blenden annähernd mit d/2 zu wählen.

Die Blenden 14 bewirken eine Beschleunigung der Strömung auf der Rückseite des Quarzschutzrohres 6 sowie eine anschliessende Verzögerung der Strömung und, sofern stromabwärts ein weiteres Quarzschutzrohr und eine weitere Blende vorgesehen sind, eine Wiederbeschleunigung. Soll dieser Effekt optimal genützt werden, d.h. eine höchstmögliche

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Wirkung der Blenden erzielt werden, so bedingt dies, dass die Blenden 14', 14" in^voller Höhe h vom zu entkeimenden Medium angeströmt werden. Dieser, in der Zeichnung nicht dargestellte Fall trifft dann zu, wenn bei symmetrischer Anordnung der Blenden 14· und 14" deren Distanz zueinander etwa der 7~f&chen Blendenhöhe h entspricht. Die an der umströmten Blende 14' zunächst abreissende Strömung liegt nach dieser Distanz erneut an der Wand des Leitungsrohres an, d.h., die Blende l4'^! wird über die volle Höhe h angeströmt. Wählt man diese Konfiguration, so entspricht vorzugsweise die Blendenhöhe h etwa 1/7 des Durchmessers d des Quarzschutzrohres 6.

Selbstverständlich ist es nicht erforderlich, die Blenden über den ganzen Innenumfang des Leitungsrohres 3 anzuordnen. So zeigt Fig. 15 eine Lösung, bei welcher Blenden 14 nur an jenen Stellen am Querschnitt angeordnet sind, an denen die Strahlungsintensität der Quelle am geringsten

ist. Fig. l4 zeigt eine Lösung, bei welcher die vom zu entprofiliert, z.B. keimenden Medium umströmte Blendenfläche/gezackt ausgeführt ist. Auf diese Weise können in der Strömung dreidimensionale Störungen angefacht werden, welche eine periodische Wirbelbildung im Abstrom des Quarzschutzrohres 6 erschweren oder sogar verhindern. Denkbar sind ebenso nicht gezeigte Ausführungen, die dasselbe Resultat anstreben und bei denen eine Blende in der Vertikalebene der Längsachse 9 des Quarz-

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schutzrohres 6 angeordnet ist.

Weitere Einbauten, die einen ähnlichen Zweck verfolgen sind in Fig. 11 in Form von Leitblechen 15 gezeigt. Zum besseren Verständnis deren Funktion in der Vorrichtung sei folgender bekannte Zusammenhang kurz wiederholt: Bei der ungestörten Umströmung eines quer angeströmten Zylinders, wie beispielsweise des Quarzschutzrohres 6, löst die laminare Wandgrenzschicht alternierend ab und rollt sich zu diskreten Wirbeln auf, welche im Abstrom eine Wirbelstrasse bilden. Das Strö-' mungsbild zeichnet sich also dadurch aus, dass die sich aufrollenden Wirbel Reihen bilden, welche gegeneinander jeweils um eine halbe Teilung versetzt sind und voneinander deutlich getrennt sind. Vom bestrahlungstechnischen Standpunkt aus zeigt sich demnach folgendes Bild:

Die sich ablösenden Wirbel enthalten im wesentlichen die aufgerollte Grenzschicht des Quarzschutzrohres 6, d.h. eine Schicht mit hoher bzw. höchster -Strahlendosis und mit geringem Massenanteil am Gesamtdurchsatz des zu entkeimenden Mediums. Man kann deshalb annehmen, dass die Intensität der Bestrahlung derartiger wandnaher Stromröhren zur Keimabtötung ausreicht. Dies jedoch bedeutet, dass die Bestrahlungsintensität im Bereich der Wirbelstrasse schlechter ausgenützt wird und dass die Wirbelstrasse eine gewisse Abschirmwirkung auf die benachbarten Strömungsbereiche ausübt.

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Die erfindungsgemässen Einbauten, welche der Erhöhung des Ausnutzungsgrades der Strahlungsquelle dienen, bezwecken eine Elimination oder zumindest eine Reduzierung dieser Abschirmwirkung.

Bei den Einbauten 15 handelt es sich einerseits um ein zustromseitig in der Symmetrieebene angeordnetes Leitblech 15', dessen Erstreckung in Strömungsrichtung vorzugsweise etwa das 2 bis 4-fache des Durchmessers d des Quarzschutzrohres 6 beträgt. Der Abstand zu letzterem wird zweckmässigerweise zwischen 0 und 0,5 d gewählt. Mit dieser Massnahme wird eine dickere Grenzschicht erzeugt, d.h. es wird eine Zone geringer Strömungsgeschwindigkeit in Wandnähe geschaffen, wodurch die Bildung von Längswirbeln erleichtert wird.

Andererseits handelt es sich um ein abstromseitig in der Symmetrieebene angeordnetes Leitblech 15", mit welchem ein gleichmässiger Abstrom hinter dem Quarzschutzrohr 6 bewirkt wird. Je nach Erstreckung des Leitbleches 15" und dessen Abstand zum Quarzschutzrohr 6 ist es möglich, die Wirbelstrasse entweder schmal zu gestalten oder-weiter stromabwärts zu verlegen, oder ganz zu eliminieren. Die letzterwähnte Wirkung wird erzielt mit einem sehr langen Leitblech 15", das sich unmittelbar an das umströmte Rohr 6 anschliesst. Es entsteht eine Totwasserzone mit rezirkulatorischer Strömung, welche einer erhöhten Strahlendosis

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ausgesetzt ist. Die Abschirmwirkung eines derartigen Nachlaufes ist minimal. Die_zweitgenannte Wirkung lässt sich mit einem Leitblech 15" erzielen, dessen Erstreckung etwa dem Durchmesser d des umströmten Rohres 6 entspricht und das sich in einem Abstand von etwa 2xd vom Rohr 6 befindet. Die Verlagerung der Wirbelbildungsstelle stromabwärts ist eine Folge der gegenseitigen Beeinflussung der ablösenden Grenzschichten sowie der Vorderkantenumströmung am Leitblech 15". Die Abschirmwirkung des Nachlaufes ist gering.

Eine Wirbelstrasse minimaler Breite wird erzielt mit einem Leitblech 15"» dessen Erstreckung in Strömungsrichtung ungefähr lxd beträgt und das unmittelbar am umströmten Rohr 6 angeordnet ist. Die Oszillationen der Ablöse- und Wirbelbildungsstellen werden ausgeschaltet, wodurch die Abschirmwirkung des Nachlaufes reduziert wird.

Mit den Einbauten 15 wird demnach die Bildung von grossflächigen Wirbeln verlangsamt bzw. unterdrückt, während mit den Einbauten 14 die Durchmischung des Bereiches der Wirbelstrasse gefördert wird, d.h. die Stabilität von Bildung und vom Abschwimmen der Wirbel wird verringert durch eine Anfachung von dreidimensionalen Störungen. Beide Effekte erhöhen den Ausnutzungsgrad der Strahlungsquelle.

In Fig. 12 wird in isometrischer Darstellung eine Entkeimungs-

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vorrichtung mit drei Entkeiraungsstufen gezeigt. Das Leitungsrohr 3 ist der besseren Uebersichtlichkeit wegen nur strichpunktiert angedeutet. Eine bestrahlungstechnische Betrachtung für mehrere in Strömungsrichtung hintereinander liegende Entkeimungsstufen zeigt zunächst, dass der Abstand a zwischen den Längsachsen 9 der Strahlungsquellen 10 grosser als 2d sowie aus konstruktiven Gründen kleiner als 5d ist. Die rückwärtige Stufe liegt demnach im Nachlauf der ersten Stufe und beide beeinflussen sich gegenseitig je nach Achsabstand a.

10· Strömungstechnisch wird festgestellt, dass bei a-<.2,5 d die rückwärtige Stufe im zeitlichen Mittel keinen Strömungswiderstand erfährt. Die Ablösefrequenz der Wirbel im Vergleich zu jener der Einzelstufe ist bei der zweiten Stufe auf 50 - 70 % reduziert, während bei der ersten Stufe die Wirbelbildung ganz unterdrückt ist und der Nachlauf oszilliert. Nachdem der rückwärtige Zylinder strömungstechnisch wie ein langes Leitblech 15" wirkt, ist das Anbringen eines derartigen Leitbleches nur hinter einer zweiten Stufe, welche gleichzeitig letzte Stufe ist, sinnvoll.

Ist der Achsabstand a > 3d, so findet eine Wirbelablösung an der ersten Stufe statt und der Abstrom schwingt, so dass Ablöse- bzw. Wirbelbildungsstellen an der stromabliegenden zweiten Stufe stärker fluktuieren. Diese zweite Stufe steht gewissermassen in pulsierender Strömung und es kann festgestellt werden, dass die Ablösefrequenz der Wirbel im Ver-

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gleich zu jener an der Einzelstufe auf 40 - 60 % reduziert ist. Eine Dämpfung der Wirbelbildung durch die Einbauten 15 und/oder 14 ist demnach sinnvoll.

Ist wie in Fig. 12 gezeigt eine dritte Entkeimungsstufe vorhanden, so gilt folgendes: Diese dritte, letzte Stufe erfährt im zeitlichen Mittel einen Widerstand von rund 30 50 % jenes der ersten Stufe. Aus oben Gesagtem kann man nun schlussfolgern, dass die mittlere zweite Stufe nur einen schwachen Nachlauf aufweist. Es zeigt sich, dass die Ablösefrequenz der Wirbel im Vergleich zu jener an der Einzelstufe auf rund 30 - 40 % reduziert ist und zwar gleichmässig für alle drei Stufen. Dementsprechend ist auch bei einer dreistufigen Entkeimungsvorrichtung eine Dämpfung der Wirbelbildung sinnvoll. Im vorliegenden Beispiel geschieht dies durch jeweils symmetrisch angeordnete Blenden I¹J sowie durch ein zustromseitig angeordnetes Leitblech 15'» das sich über die volle Breite in der Symmetrieebene erstreckt. Abstromseitig ist ebenfalls ein Leitblech 15" angeordnet. Zweckmässigerweise ist die ganze Anordnung der Einbauten symmetrisch, wodurch eine problemlose Umkehr der Strömungsrichtung des zu entkeimenden Mediums ermöglicht wird und allfällige Erleichterungen beim Einbau der Vorrichtung in bestehende Leitungsstränge erzielt werden.

In Fig. 13 ist eine Lösung zur Wirbelbeeinflussung darge-

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stellt, die darin besteht, dass die Ablösezone beim Umströmen des Quarzschutzrohres 6 in einzelne voneinander unabhängige Zellen aufgeteilt wird. Auf diese Art werden longitudinale Wirbel gebildet, d.h. der Nachlauf des quer angeströmten Rohres 6 wird durch Umgestaltung der Wirbelstrasse beeinflusst, und zwar in der /vrt, dass er stärker gedämpft wird. Das Mittel zum lirreichen dieses Zieles besteht in der für das gute Funktionieren der Entkeimungsvorrichtung unerlässlichen Reinigungsvorrichtung, welche in der Regel die Form einer Bürste aufweist. Diese Bürste 12' liegt schraubenförmig um das Quarzschutzrohr 6 herum und ist mit einem überkragenden Abreissblech 16 versehen. An diesem Abreissblech 16 löst sich die Ueberströmung ab und rollt sich zu stärkeren Längswirbeln auf. Diese Wirbel können sich im Abstrom paarweise verseilen. Eine gute Wirkung wird mit einer zweigängigen Bürstenanordnung erzielt, d.h. zwei Bürsten 12' (nicht gezeigt) verlaufen schraubenförmig um das Quarzschutzrohr 6, wobei der Steigungswinkel nicht grosser als 25 sein sollte. Die zellenförmige Unterteilung der Wirbelstrasse wird durch die eigentliche Kanalisierung der Rohrumströmung, durch die Bildung von Längswirbeln und durch Bildung von Dissipationszonen, welche eine gleichzeitige Wirbelablösung längs des ganzen Rohres 6 verhindern, erreicht. Die Reinigung des Quarzschutzrohres 6 kann durch einfaches Drehen der schraubenförmigen Bürste 12' vollzogen werden; eine Massnahme, die durchaus im Rahmen

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fachmännischen Könnens liegt und auf irgendeine bekannte Art durchgeführt werden_kann.

Selbstverständlich kann diese letzte Massnahme zur Wirbel beeinflussung entweder mit den Einbauten 14 oder mit den Einbauten 15 oder mit beiden kombiniert werden.

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Claims

BBC Baden 42/77 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten mittels Ultraviolettstrahlung von mehrheitlich 254 nm Wellenlänge nach Anspruch 1 der Hauptpatentanmeldung P 26 30 496.1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks gezielter Strömungsführung des zu entkeimenden Mediums (1) Einbauten (14, 15, 12') im Leitungsrohr (3) stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Strahlungsquelle (10) und/oder um diese herum angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten am Leitungsrohr (3) angeordnete Blenden (14) sind.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (14) bei einer Anordnung stromaufwärts oder stromabwärts der Strahlungsquelle eine Höhe von maximal 50 % des Durchmessers d des die Strahlungsquelle (10) umgebenden Quarzschutzrohres (6) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (14) sich nur über einen Teil des Umfanges des Leitungsrohres (3) erstrecken.

5. Vorrichtung riach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

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die Blenden (14) an ihrer umströmten Fläche in Umfangsrichtung profiliertausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten Leitbleche (15) mit parallel zur Achse (9) der Strahlungsquelle (10) verlaufender Längsachse sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbauten aus einer Reinigungsbürste (12') bestehen, welche das Quarzschutzrohr (6) mindestens annähernd schraubenförmig umgibt und mit einer vorstehenden Abreisskante (16) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7₃ dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmige Reinigungsbürste (12') zweigängig ausgebildet ist und einen Steigungswinkel von

höchstens 25° aufweist.

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