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UV-EL GmbH & Co. KG

UV Applications & Electrodeless UV Lamps Moritzburger Weg 67 01109 Dresden - Germany [email protected] www.uv-el.de +49 (351) 8838 3104

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Auslegung von UV-Anlagen 

Allg. Kenngrößen zur Bestimmung der Wasserqualität  



UV-Transmission SAK / SSK

Begriffsbestimmungen für  

Bestrahlungsstärke Fluenz …



Kriterien für die Auslegung und Dimensionierung



Notwendige Bestrahlung H [J/m²] für unterschiedliche Desinfektionsanwendungen



Kenngrößen für die Auslegung

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Schwächung der UV-Strahlung bezogen auf ( = 254 nm) 1)

Wasser oder zu desinfizierendes Medium



UVC Strahlung wird durch im Wasser gelöste Stoffe geschwächt. Vor allem durch:    

1)

Eisen Mangan Huminsäuren oder andere organische Inhaltsstoffe (spez. Desinfektion in der Lebensmittelindustrie usw.)

Die Schwächung ist sehr stark von der Wellenlänge abhängig. Betrachtung der für die Desinfektion wirksamen Wellenlänge von 254 nm.

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UV-Strahlung [%]

UV-Transmission 100 90 80

f 0 .... UVC Strahlungsleistung am Strahler (100%)

70 60 50 40 30

T (%) 

nach 1 cm sind nur noch 80% der UVC Strahlungsleistung vorhanden

Reaktorw and

(s) UV - Strahlung im Abstand s

nach 10 cm sind nur noch 15% der UVC Strahlungsleistung vorhanden

20 10 0

 (s )  100% o

0

von der UV – Quelle UV – Strahlung

UV Strahler 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Abstand vom UV - Strahler [cm]

Typische Werte der UV-Transmission Reinstwasser

99-100%/1cm

Trinkwasser

85 – 98 %/1 cm (65 – 80 %/ 10 cm)

Abwasser

50-75%/1cm

Regenwasser

75-85%/1cm

Es sind aber auch Transmissionen von nur 5%/1cm möglich (Gartenbau, Prozesswässer)

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Modells der abnehmenden Bestrahlungsstärke als Funktion des Abstandes vom UV-Strahler für verschiedene UV-Transmissionen Bestrahlungsstärke E (W/m²) am Beispiel eines 60 W Strahlers 250

UV-Strahler im Tauchrohr

E (W/m²)

200

150

100

50

E (W/m²) bei T=60%/1cm (Abwasser) E (W/m²) bei T=98%/1cm (Trinkwasser, Reinstwasser) E (W/m²) bei T=7%/1cm (Spezialanwendung)

0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Abstand von der Reaktormitte nach außen (mm) Es gibt zwei typische Werte für die UV-Transmission:

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T 10 T 100

bezogen auf 10 mm bezogen auf 100 mm

z.B. üblich in Deutschland (DVGW) z.B. üblich in Österreich (ÖNORM)

5

Charakteristische Parameter bezogen auf ( = 254 nm)

auf eine bestimmte Schichtdicke angegebener Transmissionsgrad in % (meist 10 oder 100 mm)

UV-Transmission

(Bestimmung aus einer unfiltrierten Probe)

Spektraler Absorptionskoeffizient

SAK

Spektraler Schwächungskoeffizient

SSK

Beschreibt die Schwächung der UV-Strahlung im Medium (die Angabe erfolgt in [1/m] (Bestimmung in einer filtrierten Probe) zusätzlich zum SAK wird noch die Lichtstreuung durch suspendierte Stoffe berücksichtigt. (Bestimmung aus einer unfiltrierten Probe)

Hinweis: Für die Auslegung können sowohl die UV-Transmission als auch der SSK verwendet werden. Es ist eine Umrechnung zwischen SSK und UV-Transmission möglich.

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Zusammenhang zwischen SSK254nm und UV-Transmission 30 25

SSK

20 15

SSK [m-1]

T [%/1cm]

0,44

99

0,88

98

1,32

97

1,77

96

2,23

95

2,69

94

… 30

10

50

T 1 cm (%)   log   100   SSK  0,01

5

T 1 cm ... UV Transm. % / 1cm

0 50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

UV-Transmission (%/1cm)

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Begriffsbestimmungen Bestrahlungsstärke

Verweilzeit des Wassers im Reaktor (Strahlungsfeld des UV-Strahlers)

Bestrahlung (UV Dosis, Fluenz)

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E

 A

(W / m²)

(s)

Auftreffende Strahlungsleistung f je Flächeneinheit. Zur genauen Kalkulation von UV- Anlagen muss zusätzlich der Raumwinkel beachtet werden. Hierzu hat UV-EL leistungsfähige Software. Dies wird zum größten Teil durch das effektive Reaktorvolumen bestimmt. (Das effektive Reaktorvolumen ist kleiner als das Gesamtvolumen.) H wird nicht DIN konform häufig auch als Bestrahlungsdosis bezeichnet. Dies stammt aus dem engl. „UV-Dose“. Bei einer turbulenten Strömung kann man unter Beachtung eines Korrekturfaktors näherungsweise auch das Produkt aus der mittleren Bestrahlungsstärke und der mittleren Verweilzeit verwenden.

Kriterien für die Auslegung und Dimensionierung Es muss eine turbulente Strömung unter Vermeidung von Kurzschlussströmungen und Totzonen im Reaktor vorhanden sein. Möglichst gleiche Aufenthaltsdauer aller Wasserteilchen in der Bestrahlungszone.

Die Verweilzeit im Reaktor muss so groß sein, dass die Minimale Bestrahlung (Fluenz) den technologisch vorgegeben Sollwert für die Desinfektion oder andere Anwendungen überschreitet.

Die Bestrahlungsstärke an der Reaktorwand muss einen minimalen Wert überschreiten.

Die Durchlässigkeit für UV-Strahlung für UVC (bei Niederdruckstrahlern nur 254 nm) des Mediums (von Wasser bis Sirup) muss ausreichend hoch sein. (Gemessen durch die UV-Transmission)

Als Faustformel gilt: Eine Halbierung des Volumenstromes verdoppelt die Fluenz Bestrahlung. www.uv-el.de

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Ergänzungen zur Auslegung 

Für die Ermittlung der Bestrahlung gibt es neben der Simulation noch weitere Verfahren:  

Chemische Aktinometrie (z.B. mit Uridin) Biodosimetrie



Unsere Modellrechnungen werden regelmäßig mit Ergebnissen der oben genannten Methoden verglichen und optimiert.



Für Modellrechnung gehen u.a. noch folgende Kenngrößen ein:  

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Transmission des Quarzrohres Reflexion und Brechung der UV-Strahlung im Reaktor

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Notwendige Bestrahlung H [J/m²] für unterschiedl. Desinfektionsanwendungen 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Trinkwasserdesinf.

Lebensmittelind.

Pharma. / Mikroelektr.

Kosmetikind.

Abwasser

Die Bestrahlungsstärken insbesondere für den TOC Abbau und die Restozonvernichtung können deutlich höher sein. www.uv-el.de

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UV-Empfindlichkeit verschiedener Trinkwasserrelevanter Keime

500 450 400

Notwendige Dosis zur Desinfektion (um 4 Log-Stufen) H=400 J/m²

350 300

250 200 150

mit Photoreaktivierung

100

ohne Photoreaktivierung

50 0

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[1] Untersuchungen zur Sicherheit des technischen Einsatzes von UV-Strahlern zur Trinkwasserdesinfektion Abschlussbericht 1994, Forschungsvorhaben gefördert durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie 02• WT 9078. 12

Notwendige Bestrahlung H für unterschiedliche Mikroorganismen (99,9%) Inaktivierung 1200

Min. Auslegung (Trinkwasser) Bakterium Coli (im Wasser) B. megatherium sp. B. subtilis spores Escherichia coli Neisseria catarrhalis Pseudomonas aeruginosa Shigella paradysenteriae Staphylococcus aureus Streptococcus viridians Infectus Hepatitis

1000 800 600

Max. Auslegung (Pharma) Bacillus anthracis B. parathphosus Cornynebacterium diphter. Legionella pneumophila Phytomonas tumefaciens Pseudomonas fluorescens Spirilim rubrum Streptococcus hemolyticus Bacillus tuberculi Influenza

B. enteritidis B. prodigiosus Eberthella typhosa Micrococcus sphaeroides Proteus vulgaris Dysentery bacilli Staphylococcus albus Streptococcus lactis Polivirus

400 200 0

Auslegung

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Beispiele von Mikroorganismen 13

Kenngrößen für die Auslegung 

Die wesentlichsten Kenngrößen für die Auslegung einer UV-Anlage sind Folgende:        



Weiterhin sind noch folgende Informationen notwendig:   

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Herkunft des Wassers Art des Mediums (Wasser, Sirup ..) UV-Transmission des Wassers und Trübung Wassertemperatur und Temperaturschwankungen Fe, Mn – Gehalt pH-Wert Calcidabscheidekapazität Huminstoffe

Anforderungen an die verwendeten Materialen Notwendige Bestrahlung (z. B. erhöhte Forderungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie) und weitere … 14

UV-Sensoren und Auswerteeinheiten für eine online-Überwachung der Desinfektion Mittels eines UV-Sensors können vor allem folgende Fehlerquellen der UV-Anlage erfasst werden:

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

nachlassende Strahlungsleistung des UV-Strahlers



Belagbildung (Verschmutzung) des Quarztauchrohres



Verringerung der UV-Transmission durch eine Verschlechterung der Wasserqualität



Ausfall des UV-Strahlers



Verschmutzung der Sensoroberfläche

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