Induktiv angeregte quecksilberfreie Hochdruckplasmen für den Einsatz in UV-Desinfektionssystemen

Nicht nur aufgrund der Ausbreitung der SARS-CoV-2-Pandemie im Jahr 2020, sondern auch aufgrund eines stetig wachsenden Bewusstseins der Bevölkerung für die Verbreitung von Infektionskrankheiten durch kontaminierte Luft und kontaminiertes Wasser rücken Desinfektionsanlagen immer mehr in den Fokus der Öffentlichkeit. Hierbei bieten UV-Desinfektionssysteme besondere Vorteile, wie z.B. relativ niedrige Betriebs- und Wartungskosten. Der Nachteil der zur Zeit genutzten Anlagen stellen die verwendeten Quecksilber-Niederdruckstrahler dar.

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurden die ersten UV-Strahlungsquellen auf Quecksilberbasis vorgestellt. ... mehrAuch wenn die Effizienz dieser Strahler durch permanente Forschung verbessert werden konnte, war es bisher nicht realisierbar, das giftige und umweltschädliche Quecksilber in der UV-Erzeugung durch unbedenkliche Materialien zu ersetzen. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit an.

Mitte der 2000er Jahre konnten durch die Entwicklung von Leistungstransistoren aus Siliciumcarbid (SiC) effiziente Vorschaltgeräte für Leistungen > 1 kW bei Frequenzen im MHz-Bereich realisiert werden. Somit ergibt sich ein neuer Ansatz, um induktiv angeregte Strahlungsquellen zu betreiben. Durch den elektrodenlosen Betrieb können jegliche Elektrodenreaktionen vernachlässigt werden. Dies eröffnet eine große Auswahl an möglichen Füllkomponenten.

Die Erforschung der induktiv angeregten quecksilberfreien Hochdruckplasmen erfolgte in Bezug auf die spätere Anwendung, dem Einsatz in UV-Desinfektionssystemen. Das Verfahren zur Auswahl von Füllkomponenten der UV-Strahler stellt hierbei einen wichtigen Punkt dar und wird genau betrachtet. Des Weiteren wird auf die Messmethoden und die genutzte Leistungsversorgung eingegangen. Da es sich bei den untersuchten Strahlungsquellen um geschlossene Systeme handelt, wurde ein Simulationsmodell entwickelt, um interne Prozesse unter Einbezug des Startgases sowie bei der Nutzung von Halogenidkomponenten darzustellen. Die aus der Auswahl resultierenden Füllkomponenten wurden in Laborsystemen umgesetzt und die Spektren als auch die Effizienz der Plasmen bestimmt. Um eine verlässliche Zündung der Plasmen sowie einen effizienten Betrieb zu ermöglichen, folgte eine Geometrie- und Parameteruntersuchung. Auch die Zündhysterese und die Temperaturverteilung wurden in diese Untersuchungen mit einbezogen. Aus den vorgestellten Ergebnissen resultiert eine Prototyp-Konfiguration, welche erstmals eine Alternative zur derzeitigen Quecksilber-Technologie bieten könnte.

Not only due to the spread of the SARS-CoV-2 pandemic in 2020, but also due to a steadily growing public awareness of the spread of infectious diseases through contaminated air and water, disinfection systems are increasingly becoming the focus of public attention. Here, UV disinfection systems offer particular advantages, such as relatively low operating and maintenance costs. The disadvantage of current systems are the low-pressure mercury lamps used for UV generation.

The first mercury-based UV radiation sources were already introduced at the end of the 19th century. ... mehrEven though the efficiency of these emitters could be improved through permanent research, it has not yet been possible to replace the toxic and environmentally harmful mercury in UV generation with harmless materials. This is the starting point of the present work.

In the mid-2000s, the development of power transistors made of Silicon carbide (SiC) made it possible to realise efficient ballasts for powers > 1 kW at frequencies in the MHz range. This results in a new approach to operate inductively excited radiation sources. Due to the electrodeless operation, any electrode reactions can be neglected. This opens up a wide range of possible filling components.

The research into inductively excited mercury-free high-pressure plasmas was carried out with regard to the later application, the use in UV disinfection systems. The procedure for selecting filling components for UV lamps is an important point and is examined in detail. Furthermore, the measuring methods and the power supply used are discussed. Since the radiation sources investigated are closed systems, a simulation model was developed to illustrate internal processes including the starting gas and the use of halide components. The filling components resulting from the selection were implemented in laboratory systems and the spectra as well as the efficiency of the plasmas were determined. In order to enable reliable ignition of the plasmas as well as an efficient operation, a geometry- and parameter-investigation followed. The ignition hysteresis and the temperature distribution were also included in these investigations. The results presented resulted in a prototype configuration, which for the first time could offer an alternative to the current mercury-based technology.