Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur UV-Bestrahlung eines strömenden Mediums, insbesondere zur Desinfektion von Wasser, mit einem vorzugsweise durch ein Hüllrohr seitlich begrenzten Strömungspfad für das Medium und einer Gasentladungslampe, die ein koaxial zu dem Strömungspfad ange- ordnetes, einen Plasmaraum für ein UV-Strahlung emittierendes Lampenplasma einschließendes, vorzugsweise ringförmiges Lampengefäß und eine Anregungsspule zur elektrodenlosen induktiven Strahlungsanregung des Lampenplasmas aufweist. Aus der DE 102015218053.0 ist eine UV-Bestrahlungsvorrichtung zur Wasserdesinfektion bekannt. Dort ist eine zweiendige Gasentladungslampe mit endseitigen Elektroden in einem Leitrohr vorgesehen, um das außenseitig vorbeiströmende Medium mit UV-Strahlung zu beaufschlagen. UV-Mitteldrucklampen weisen typisch einen UVC-Ausbeute zwischen ca. 10% und 15% auf, bei hohen Leistungsdichten (elektrische Leistung) von ca. 20 bis 60 W/cm ³ Plasmavolumen, während UV-Niederdrucklampen eine hohe UVC- Ausbeute von ca. 30% bis 45% aufweisen, bei jedoch deutlich kleineren Leistungsdichten von weniger als ca.0,5W/cm ³ .

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen UV- Bestrahlungsreaktor für strömende Medien anzugeben, der mit hoher Effizienz arbeitet und mit einer elektrodenlosen Lampenart den besonderen Anforderungen insbesondere hinsichtlich der Strömungsgeometrie und der Lam- penanregung gerecht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Dementsprechend wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, dass in dem Strömungspfad ein Strömungsleitkörper angeordnet ist, wobei der Strömungsleitkörper durch seine Form und/oder seine Position dazu eingerichtet ist, die Strömung des Mediums für eine gleichmäßige Strahlungs- absorption zu beeinflussen. Damit lässt sich erreichen, dass jedes die Lampe passierende Volumenelement des strömenden Mediums eine weitgehend einheitliche Strahlungsdosis erhält.

In diesem Zusammenhang ist es von besonderem Vorteil, wenn der Strö- mungsleitkörper axial in einem von der Gasentladungslampe bestrahlten Ringraum des Strömungspfades angeordnet ist, und wenn der Strömungsleitkörper ein von dem Medium frontal angeströmtes, insbesondere kugelförmiges Kopfstück aufweist. Ein Zusatznutzen für eine Erfassung und ggf. Regelung der Bestrahlung lässt sich dadurch erreichen, dass in einem für UV-Strahlung durchlässigen Bereich des Strömungsleitkörpers ein UV-Sensor zur Erfassung einer Bestrahlungsstärke der durch die Gasentladungslampe emittierten Strahlung angeordnet ist.

Der Einsatz eines solchen Sensors kann dadurch weiter vereinfacht werden, dass der Strömungsleitkörper einen in den Bereich eines Anschlussflansches für den Strömungspfad geführten Endabschnitt aufweist, und dass der UV- Sensor über den Endabschnitt einführbar und entnehmbar ist.

Ein weiterer Erfindungsaspekt sieht vor, dass das Lampengefäß einen mit dem Plasmaraum kommunizierenden Lampenfortsatz zur Einstellung des Dampfdruckes einer Komponente des Lampenplasmas aufweist, wobei eine Temperiereinrichtung mit dem Lampenfortsatz zur Temperatureinstellung gekoppelt ist. Auch dadurch lässt sich die Strahlungsausbeute der Plasmaentladung weiter optimieren.

In einer besonders einfachen Ausführung, die von dem magnetischen Wechselfeld für die Lampenanregung weitgehend unbeeinflusst bleibt, weist die Temperiereinrichtung eine zur geregelten Zuführung von Kühl- oder Heizluft zu dem Lampenfortsatz ausgebildete Luftführung auf.

Alternativ oder ergänzend ist es auch denkbar, dass die Temperiereinrichtung ein an den Lampenfortsatz thermisch angekoppeltes Peltierelement und/oder elektrisches Heizelement aufweist. Dabei kann eine autarke Lösung dadurch realisiert werden, dass die Temperiereinrichtung über eine Auskoppelspule mit elektrischer Energie versorgt ist, wobei die Auskoppelspule die Energie aus dem durch die Anregungsspule erzeugten elektromagnetischen Wechselfeld entnimmt. Ein weiterer Erfindungsaspekt sieht vor, dass an dem Strömungspfad stromauf und/oder stromab von der Gasentladungslampe mindestens ein Strahlungsreflektor zur Reflexion von UV-Strahlung in das Medium angeordnet ist. Dadurch können seitlich aus der Lampe austretende Strahlungsanteile mehrfach reflektiert werden, was insbesondere bei sehr transparenten Medien zu einer Erhö- hung der Reaktoreffizienz führt.

In diesem Zusammenhang kann es auch von Vorteil sein,, wenn der vorzugsweise als zylindrischer Hüllrohrspiegel ausgeführte Strahlungsreflektor einen vorzugsweise Aluminium enthaltenden leitfähigen Abschnitt und einen vor- zugsweise aus PTFE bestehenden nicht-leitfähigen Abschnitt aufweist, wobei der nicht-leitfähige Abschnitt nahe der Gasentladungslampe und der leitfähige Abschnitt weiter von der Gasentladungslampe entfernt angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt wird vorgeschlagen, dass das Lampengefäß und die Anregungsspule in einem zur Abschirmung von elektromagnetischen Wechselfeldern ausgebildeten Abschirmgehäuse eingeschlossen sind, so dass außerhalb davon zulässige EMV-Grenzwerte eingehalten werden können.

Um bei einer Leckage oder einem Leitungsbruch einen zusätzlichen Schutz zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn das Abschirmgehäuse an einer Ar- matur zur Durchleitung des Mediums dicht angeschlossen ist.

Eine hohe Bestrahlungseffizienz lässt sich vorteilhaft auch dadurch erreichen, dass die ringförmige Gasentladungslampe radial innen und außen von dem Medium durch- bzw. umströmt wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Durchflussreaktor zur Wasserdesinfektion enthaltend eine elektrodenlose Gasentladungslampe und einen Strömungsleitkörper in einem Strömungspfad im Axialschnitt;

Fig. 2 eine Schaltung für eine Temperiereinrichtung an einem Lampenfortsatz eines Lampengefäßes der Gasentladungslampe;

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsformen mit mehreren Strahl ungsreflektoren und mehreren Gasentladungslampen im Axialschnitt; eine weitere Ausführungsform mit abgewandeltem Strömungspfad für das zu bestrahlende Wasser. Der in Fig. 1 dargestellte Durchflussreaktor 10 dient zur Strahlungsbehandlung eines in einem Strömungspfad 12 geführten Mediums und insbesondere zur Wasserdesinfektion mittels UV-Strahlung. Hierbei durchströmt das zu behandelnde Wasser ein zylindrisches Hüll- bzw. Leitrohr 14, das einlass- und aus- lassseitig mit Anschlussflanschen 16, 18 zum Einbau in eine Wasserleitung versehen ist. Eine ringförmig-zylindrische Gasentladungslampe 20 ist koaxial zu dem Leitrohr 14 angeordnet und durch eine äußere Anregungsspule 22 zur Strahlungserzeugung induktiv angeregt. In dem Leitrohr 14 befindet sich ein Strömungsleitkörper 24, der zugleich zur Aufnahme eines von der Gasentla- dungslampe 20 emittierte Strahlung erfassenden UV-Sensors 26 dient.

Die Gasentladungslampe 20 umfasst ein ringförmiges Lampengefäß 28 aus Quarzglas, das einen Plasmaraum 30 für ein aus Quecksilber und Edelgas gebildetes Niederdruckplasma umschließt. Das Lampengefäß 28 kommuni- ziert mit einem Lampenfortsatz 32 zur Einstellung des Quecksilberdampfdruckes, wobei eine Temperiereinrichtung 34 mit dem Lampenfortsatz 32 zur Temperatureinstellung gekoppelt ist.

Zur Effizienzerhöhung kann zwischen Anregungsspule 22 und Lampengefäß 28 ein Lampenspiegel 36 eingebracht sein, welcher die Nutzstrahlung in den Plasmaraum 30 zurückwirft und für die Wechselfelder der Anregungsspule 22 durchlässig ist. Der Lampenspiegel 36 kann durch Aufbringen einer Spiegelschicht auf das Lampengefäß 28 realisiert werden. Die Gasentladungslampe 20 kann mit einer sehr hohen elektrischen Leistung von bis zu ca. 1 kW pro 0,1 m Lampenlänge (gemessen in Strömungsrichtung) betrieben werden. Der Plasmaraum 30 kann dabei eine radiale Ausdehnung von bis zu ca. 5cm aufweisen, während das Leitrohr 14 einen Durchmesser von beispielsweise 30cm besitzt. Für besondere Anwendungen sind auch eher miniaturisierte Reaktoren 10 denkbar, beispielsweise mit einer Gesamtleistung von 100W und einem Leitrohrdurchmesser von 1 cm. Die Trennung des zu bestrahlenden Mediums bzw. Fluids (Flüssigkeit und/oder Gas) mittels des Leitrohrs 14 ermöglicht die thermische Entkopplung des Lampengefäßes 28 und somit das Erreichung des optimalen Arbeitspunktes (beispielsweise ca. 30 bis 60 °C je nach Füllung). Denkbar ist auch eine Kühlung der Lampe 20 durch das Fluid selbst und ggf. auch durch eine zusätzliche aktive oder pas- sive Kühlung auf der dem Leitrohr 14 abgelegenen Lampenseite. Im Betrieb kommt es in dem Plasmaraum 30 zu einer Gasentladung mit Aussendung von UV-Strahlung, insbesondere UVC-Strahlung bei 253,7nm, die zur Entkeimung von Flüssigkeiten oder Fluiden besonders effizient ist. Zur Reduzierung der von der Anregungsspule 22 abgestrahlten Felder außerhalb der Reaktoranordnung ist ein Abschirmgehäuse 38 vorgesehen. Dieses kann im einfachsten Fall, je nach Arbeitsfrequenz, aus sehr gut leitenden Metallen wie Aluminium oder Kupfer bestehen. Werden nicht ausreichend leitfähige Metalle (Eisenguss etc.) verwendet, so besteht die Möglichkeit der Aus- kleidung oder Beschichtung durch leitfähige Schichten auf der Gehäuseinnenseite. Das Abschirmgehäuse sollte so ausgeführt sein, dass es bei einem eventuellen Bruch des Leitrohres 14 oder Lampengefäßes 28 auch ein Austreten von Stoffen verhindert wird. Es muss daher entsprechend für den Arbeitsdruck ausgelegt sein und mit Dichtungen 40 zu den Flanschen 16, 18 hin zuverlässig abdichten.

Der UC-Sensor 26 ermöglicht die Erfassung der UV-Bestrahlungsstärke in einem relevanten Spektralbereich zur Bewertung der von der Gasentladungslampe 20 abgegebenen Strahlungsleistung direkt in dem strömenden Medium. Dies kann unter Berücksichtigung der Transparenz des Mediums sowie der Durchlässigkeit des Leitrohres 14 sowie ggf. einer auf dem Leitrohr sich ablegenden Verschmutzung erfolgen.

Der UV-Sensor 26 wird zweckmäßig in einem für das Fluid dichten Halteab- schnitt 44 des Strömungsleitkörpers 24 angeordnet. Dabei kann der Strömungsleitkörper 24 einen in den Bereich des Anschlussflansches 18 geführten Endabschnitt 46 aufweisen, über welchen der UV-Sensor 26 einführbar und entnehmbar ist.

Um die Bestrahlungseffizienz vor allem bei sehr transparenten Fluiden durch Rückstreuung zu steigern, ist der Halteabschnitt 44 mit einer UV- Spiegelschicht 48 ummantelt, die im Bereich des Sensors 26 unterbrochen bzw. für die UV-Strahlung durchlässig ist.

Der Strömungsleitkörper 24 ermöglicht es, die Strömung des Fluids derart günstig zu beeinflussen, das die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eine hohe Reaktoreffizienz ermöglicht. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Strömungsgeschwindigkeit sich entsprechend der Bestrahlungsstärke an jedem Ort einstellt, so dass den Reaktor 10 durchströmte Fluid-Volumenelement möglichst dieselbe Dosis an Strahlung absorbiert und diese Dosis einen Ma- ximalwert bezogen auf die eingesetzte Lampenleistung erzielt. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass eine starke Verwirbelung durch den Strömungsleitkörper 24 für eine hohe Durchmischung des Fluids sorgt.

Der Strömungsleitkörper 24 kann wie dargestellt axial im Zentrum der Strö- mung angeordnet sein und im Durchmesser so groß sein, dass der effektive mit Fluid durchströmte Bereich kleiner wird als die optische Weglänge in einem stark absorbierenden Fluid. Vorteilhafterweise ist der Strömungsleitkörper 24 hierfür mit einem von dem Medium frontal angeströmten, insbesondere kugelförmigen Kopfstück 50 versehen.

Wie in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 dargestellt, erfolgt die Anregung der Induktions- bzw. Anregungsspule 22 der Gasentladungslampe 20 über ein elektronisches Vorschaltgerät 52. Dieses arbeitet mit sinusförmigen Frequenzen von ca. 500 kHz bis 5 MHZ, idealerweise ca. 2 MHZ. Eine zu niedrige Frequenz führt zu hohen Induktionsströmen und damit schlechterem Wirkungsgrad der Gesamtanordnung, während eine höhere Frequenz zu geringerem Wirkungsgrad des die Hochfrequenz erzeugenden Vorschaltgerä- tes 52 führt.

Fig. 2 zeigt auch eine zweckmäßige Ausführung der Temperiereinrichtung 34 für den Lampenfortsatz 32, welche die zur Kühlung und Regelung erforderliche Energie aus dem Magnetfeld der Anregungsspule 22 durch eine eigene sekundäre Auskoppelspule 54 entnimmt. Diese autarke Lösung hat den Vorteil, dass keine äußere Verkabelung notwendig ist. Die Kühlung und Heizung eines Bereiches im Appendix bzw. Lampenfortsatz 32 erfolgt durch ein Peltierelement 56 und einer zugehörigen Regeleinheit 58 zur elektronischen Regelung und Temperaturmessung. Zum Heizen wird der Schalter 60 geschlossen, und zum Kühlen wird Schalter 62 geschlossen. Für die Regelung ist ein Temperaturfühler 64 vorgesehen. Um den Lampenfortsatz 32 herum kann eine zusätzliche Abschirmung implementiert werden, die ggf. ein durch das magnetische Wechselfeld induziertes unbeabsichtigtes Aufheizen des Quecksilbers oder Amalgams in der durch den Lampenfortsatz 32 begrenzten Kaltkammer verhindert (nicht gezeigt). Typische optimale Kaltkammertemperaturen liegen je nach Füllung bei ca. 35°C (reine Hg-Edelgas-Ent- ladung) bis ca. 100°C (Hg gebunden in Amalgam).

Auf einfache Art und Weise ist auch eine Kühlung/Heizung des Lampenfortsatzes 32 mittels temperiertem Luftstrom möglich, da Luft und geeignete Luftführungselemente nicht in Wechselwirkung mit dem magnetischen Wechsel- feld treten.

Wie in Fig. 3 illustriert, können Reflektoren 66, 68 auf der Außenseite des Leitrohres 14 vor allem bei sehr transparenten Fluiden, in denen die optische Wegstrecke wesentlich größer als der Leitrohrdurchmesser ist, zu einer Erhöhung der Reaktoreffizienz führen, da seitlich aus der Lampe 20 austretende Strahlungsanteile 70 mehrfach reflektiert werden können. Die Lampe 22 strahlt in erster Näherung isotrop in alle Richtungen, und nur der im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung austretende Strahl 72 wird in der gegenüberliegenden Plasmaschicht re-absorbiert.

Die in Lampennähe angeordneten Reflektoren 66 sollten aus elektrisch nicht- leitenden Materialien sein (z.B. PTFE), und dürfen für die Arbeitsfrequenz des Wechselfeldes nicht absorbierend (feldschwächend) sein. Ansonsten wird das magnetische Feld ungünstig verändert, was zu erheblicher Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Anordnung führt. Optional kann in einiger Entfernung zur Lampe (ca. Lampenaußendurchmes- ser) der Reflektor 68 auch elektrisch leitfähig sein, wobei dann eine hohe Leitfähigkeit dafür sorgen sollte, dass die entstehenden Wirbelströme nicht zu hohen elektrischen Verlusten führen. Der Vorteil kann darin liegen, dass hier auch günstige Aluminiumspiegel zum Einsatz kommen können. Ferner schirmt ein elektrisch leitender Reflektor 68 die Felder in Richtung der Flansche 16, 18 ab.

Wie in Fig. 4 veranschaulicht, kann es bei sehr transparenten Fluiden (Luft, Reinstwasser) vorteilhaft sein, mehrere kürzere und damit leistungsschwä- chere Einzellampen 22 aneinander zu reihen und die Zwischenräume jeweils mit einer Leitrohrverspiegelung 70 zu versehen. Hierdurch kann die optische Effizienz des Reaktors 10 erhöht werden und damit die erforderliche Lampenleistung reduziert werden. Der Abstand zwischen den Einzellampen 22 ist hierbei typischerweise größer als die Lampenlänge. Optional können die Stirnflä- chen der Lampengefäße 28 zur Effizienzsteigerung mit nicht-leitenden Spiegeln 72 (z.B. aus PTFE) versehen werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Durchflussreaktors 10 ist die Gasentladungslampe 20 sowohl außen als auch innen von dem zu be- strahlenden Medium bzw. Fluid umflossen. Bei Flüssigkeiten ist die Lampe 20 zweckmäßig in einem ringförmigen Leitrohr 14 angeordnet, während dies bei Gasen in der Regel nicht erforderlich ist. Die Induktionsspule 22 sollte in dieser Konfiguration auf möglichst hohe optische Durchlässigkeit hin optimiert sein, d.h. große Zwischenräume zwischen den einzelnen Windungen und schmale Leiter aufweisen. Da die Strahlungsauskopplung nach außen und innen erfolgt und die direkte Verwertung der Strahlung effizienter ist als die Reflexion an einem Reflektor, kann eine deutlich höhere Effizienz des Gesamtsystems im Vergleich zu einer bloß zentralen Durchströmung erreicht werden.