COVID19 und UVC – eine Bauanleitung aus dem Herbst 2020
Das Virus ist empfindlich gegen ultraviolette Strahlung. Verwendet man die richtige Wellenlänge, wird mit wachsender Bestrahlungsenergie ein immer höherer Anteil der infektiösen Viren inaktiviert.
Das ist gut erforscht:
https://www.dw.com/de/corona-licht-an-virus-tot/a-54782083
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7112912/
https://www.researchsquare.com/article/rs-65742/v1
Fazit:
Die 254nm-Strahlung aus den Quecksilber-Niederdruckgasentladungslampen ist passgenau, um das Virus ungefährlich zu machen.
Für eine Reduktion der funktionierenden Viren um eine Zehnerpotenz benötigt man bei dieser Wellenlänge höchstens eine Energie von 10 mWs/cm² (10 mJ/cm²). Die zitierten Untersuchungen wurden an auf Oberflächen fixierten Virensammlungen vorgenommen. Einer Übertragung der Ergebnisse auf aerosolgetragene Viren steht nichts entgegen.
Eine Apparatur zur Entkeimung muss also die aerosolbelastete Luft einer Bestrahlungsenergie von mindestens 10mJ/cm² aussetzen, und dabei so viel Luft wie möglich bearbeiten. Die Luftleistung kann nicht beliebig erhöht werden, da sonst die aufgewendete UV-Energie pro Luftvolumen sinkt und die Inaktivierung der Viren nur zu einem geringen Teil erfolgen kann.
Grundprinzip
Kern der Apparatur ist eine einseitig gesockelte UV-C Doppelrohrlampe mit 55W Leistung. Die Lampe ist auf die Wellenlänge 254nm optimiert und gibt eine UV-Leistung von 17W ab. Kurzwelliges UV wird zurückgehalten, so dass kein Ozon gebildet wird. Der einseitige Anschluss macht die Verdrahtung einfacher. Ein Lüfter saugt die Luft durch den Reaktor.
| Abbildung 1: Hauptkomponenten |
KG-Rohr wird als Reaktorbehälter benutzt und dient zur Strahlungsabschirmung und Luftführung. Ein KG-Bogen optimiert die Luftführung.
Der Reaktor wird im Bereich der Lampe mit Alu-Folie ausgekleidet.
Der Trick
Übliche Ansätze zur Luftreinigung saugen Luft unten an und geben die gereinigte Luft oben ab.
Unser Ansatz stellt den Reaktor senkrecht und saugt die kontaminierte Luft dort an, wo sie ausgeatmet wird: OBEN!!!
Der Abstand zwischen Ansaugöffnung und Ausblasöffnung ist sehr groß gewählt, um die Ansaugströmung zu optimieren.
Hier sieht man den Grund:
Die gewählte Anordnung saugt oberhalb der Kopfebene die belastete Luft ab und gibt sie in Bodennähe desinfiziert wieder aus. Das Atemminutenvolumen des Durchschnittsmenschen beträgt 8l /min, ca. 0,5 m³ pro Stunde. Eine gruppennah angebrachte Absaugung mit dem hundertfachen Durchsatz sollte die Virenkonzentration deutlich senken. Insbesondere ein aufwärts gerichteter Luftstrom oberhalb der Kopfebene wird nützlich sein. Berechnen könnten das die Japaner in Kobe mit ihrem Supercomputer (s.u.).
Die Leute tragen allerdings keine Maske. Eine eindrucksvolle Veröffentlichung zur Wirkung von Masken siehe hier:
https://www.unibw.de/lrt7/bericht_atemschutzmaske_unibw_lrt7_06_04_2020.pdf
Berechnungen
Der ideale Reaktor ist ein Rohr mit mittig axial angeordneter Lampe. Wichtig für die Gesamtleistung ist die UV-Remission Rho der Reaktorwand. Ist der Remissionsgrad null, so ist wird sämtliche auf die Wand treffende Strahlung in Wärme umgewandelt. Schade drum. Kleidet man den Reaktor mit Aluminiumfolie aus, ist ein Rho von 0,6 realistisch. Für die Berechnungen wird benutzt:
| Puv | UV-Leistung in W (hier 17 W für eine 55W Doppelrohrlampe) |
| Ee | Bestrahlungsstärke an der Reaktorwand in W/m² |
| ρ | UVC-Remissionsgrad der Reaktorwand |
| l | Lampenlänge in m |
| d | Rohrdurchmesser in m |
| Qemin | minimale Bestrahlungsenergie zum Inaktivieren in Ws/m² (hier 100 Ws/m²) |
| t | Verweilzeit der Luft im Reaktor zum Erreichen von Qemin in s |
| v | Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft in m/s |
| CADR | Luftdurchsatz im m³/h (clean air delivery rate) |
| π | 3,1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 ….. 🙂 |
Deckel und Boden des Reaktors werden vernachlässigt.
Die Apparatur braucht also eine möglichst hohe Lampenleistung, einen möglichst großen Reaktordurchmesser und eine gut UV-reflektierende Auskleidung des Reaktors. Und das alles zu geringsten Kosten.
Eine Beispielrechnung mit P = 17 W, l = 0,505 m, d= 0,15 m, Rho = 0,6 ergibt CADR = 43 m³/h.
Die Rechnung mit P = 17 W, l = 0,505 cm, d= 0,235 m, Rho = 0,6 ergibt CADR = 72 m³/h und v=0,46 m/s.
Aufbau
Einen ansehnlichen Reaktordurchmesser bietet KG-Rohr DN 250 mit einem Innendurchmesser von 23,5 cm.
Der Luftdurchsatz wird mit einem gleichstrombetriebenen Lüfter an einem variablen Netzteil fein eingestellt. Der Lüfter wird in einen KG-Muffenstopfen montiert, der die Basis des Aufbaus bildet.
Der Muffenstopfen lässt sich gut auf einen ausgesägten Transportroller schrauben. Damit hat man eine Basis, auf die man die Rohre aufstecken kann. Die Gummidichtungen sollte man herausnehmen, sonst ist die Montage und Demontage eine Qual.
Abbildung 3: Lüfter in Muffenstopfen moniert, beides auf Transportroller verschraubt
Der Sockel der Lampe wird mittig auf ein Holz von ca. 23,5 cm Länge montiert, unterhalb hängend findet das elektronische Vorschaltgerät Platz.
Das Querholz als Lampenträger wird ca. 54 cm vom unteren Rohrende eingesetzt, damit ist die Lampe vom oberen Rohrende her gut einsetzbar. Es bleibt am oberen Ende noch Platz für eine Strahlungsabschirmung.
Das KG-Rohr mit der eingebauten Lampe wird durch ein zweites KG-Rohr verlängert, je nach Raumhöhe kann / muss das gekürzt werden. Den Abschluss nach oben bildet der 87° Bogen, der auf das Emissionsgeschehen ausgerichtet werden sollte.
Abbildung 4: 2G11 Sockel auf Querholz montiert, darunter Alu-Lochblech als Abschirmung geschraubt
Die Verdrahtung von Vorschaltgerät und Lampe wird hier NICHT ERKLÄRT. Wer das nicht beherrscht, soll die Apparatur BITTE NICHT SELBST NACHBAUEN!
Abbildung 5: montierte Lampe, Rohrwand mit Al-Folie ausgekleidet
Die Rohrinnenwand im Bereich der Lampe wird mit Alufolie ausgekleidet (hochglänzende Seite zur Lampe hin).
Der Reaktorbereich wird oberhalb und unterhalb der Lampe mit einem rund zugeschnittenen Alu-Lochblech abgedeckt. Die hochglänzende Seite zeigt zur Lampe. Das vermindert die austretende UV-Strahlung und erhöht den Wirkungsgrad.
Zusätzliche runde Zuschnitte aus Filtermatten für Aquariumsanwendungen werden ober- und unterhalb des Reaktionsraumes in das Rohr gesteckt und absorbieren die durch die Lochbleche austretende Reststrahlung.
Abbildung 6: Filterschaum aus zusätzlicher Absorber
Abbildung 7: Al-Lochbleck als obere Abschirmung In das obere Lochblech kann aus festerem Draht eine Kippsicherung für das freie Lampenende eingebaut werden.
Stückliste
| Pos. | Stück | Bezeichnung | Lieferant | Art.-Nr. | Preis gesamt |
| 1 | 2 | KGEM Rohr DN 250, 1m | Hornbach | 8042031 | 34,12 |
| 2 | 1 | KGM Muffenstopfen DN250 | Hornbach | 8042122 | 9,60 |
| 3 | 1 | KGB Bogen DN250 87° | Hornbach | 8042047 | 29,15 |
| 4 | 1 | Filterschaum blau grob | Hornbach | 4030364014036 | 11,69 |
| 5 | 1 | Filterschaum schwarz grob | Hornbach | 4030364014159 | 7,79 |
| 6 | 1 | Transportroller | Hornbach | 2007005774064 | 10,67 |
| 7 | 1 | OSRAM Puritec HNS L 55W 2G11 | Richard Schahl | 25012 | 11,10 |
| 8 | 1 | OSRAM EVG QTP-OPTIMAL 1×54-58 | Elektro4000.de | 0540952 | 8,58 |
| 9 | 1 | Houben-Fassung 2G11 | Elektro4000.de | 0107023 | 1,93 |
| 10 | 1 | Axiallüfter 12V / 0,4A | Reichelt.de | RND 460-00033 | 13,43 |
| 11 | 1 | Uni-Netzteil 3-12V, 600 mA | Reichelt.de | APS 300 | 6,89 |
| 12 | 1 | Einbaubuchse aussen 5,6mm | Reichelt.de | HEBLM 25 | 0,83 |
| 13 | 1 | Kleingerätestecker | Reichelt.de | MPE 42R511122 | 0,91 |
| 14 | 1 | Netzkabel | Reichelt.de | ADC 030 SW GG | 0,85 |
| 15 | 1 | Steckdosenleiste 3-fach | Reichelt.de | LOGILINK LPS230B | 2,94 |
| 16 | 2 | Alu-Lochblech d=0,8 mm 235*235 mm | Metallparadies.de | AlRv2 | 1,82 |
| Gesamt netto | ca. 150,00 |
Tabelle 1: Stückliste
Der Filterschaum Pos. 4 und 5 ist alternativ, je nach Angebot. Dazu kommen Alufolie, etwas Holz, ein paar Schrauben und Litze.
Messung der Reststrahlung
Entscheidend für die sichere Anwendung ist es, die UV-Strahlungsbelastung an den Öffnungen des Gerätes unterhalb der Grenzwerte zu halten. Für einen 8-stündigen Arbeitstag ist eine UV-Exposition des Menschen mit 30 J/m² zulässig.
https://www.dguv.de/medien/ifa/de/pub/rep/pdf/rep07/biar0307/rep2_07.pdf
Das entspricht einer konstanten Bestrahlungsleistung von ca. 0,001 W/m². Zum Vergleich: im Reaktor erreichen wir ca. 100 W/m².
Gemessen wurde direkt am Lufteinlass und Luftauslass des Gerätes mit einem „Safester UV-C“ der Firma SGlux Berlin, das auf 254 nm kalibriert war. Angezeigt werden die UV-C Gesamtstrahlung, die biologisch effektive Bestrahlungsstärke und der Grenzwert der Aufenthaltsdauer pro Tag. Der Sensor wurde unter verschiedenen Winkeln über die Ansaugfläche geführt und dabei Maximum der Bestrahlungsstärke aufgezeichnet.
| Lochbleche | Filterscheibe | Max. Bestrahlungsstärke µW/cm² | Max. Aufenthaltsdauer am Messort |
| 1 | 1 grob schwarz 30mm dick | 0,4 | 4 h |
| 1 | 1 grob blau 50mm dick | 0,05 | >24 h |
| 1 | 2 grob schwarz je 30mm dick | 0,03 | >24 h |
| kein | keine | 160 | < 1 Minute |
| 1 | keine | 68 | 1 Minute |
| 2 in 20 mm Abstand | keine | 27 | 3 Minuten |
| 3 in 20 mm Abstand | keine | 15 | 5 Minuten |
Tabelle 2: UV-Messung am Lufteinlass
Die Lochbleche alleine schirmen die Strahlung nur ungenügend ab. Die zusätzlich verwendeten groben Filtermatten liefern ab 50mm Gesamtdicke eine ausreichende Abschirmung. Unterhalb des Luftauslasses wurden bei der Kombination 1 Lochblech + 1 grobe Schaumplatte schwarz 30mm eine maximale Bestrahlungsstärke von 0,03 µW/cm² gemessen, was eine dauerhafte Exposition gestatten würde.
Messung des Luftdurchsatzes
Entscheidend für die Wirkung ist der richtige Luftdurchsatz. Lt. Beispielrechnung sind 0,46 m/s am Einlass optimal. Je nach verwendeter Kombination aus Lochblechen und Filterscheiben muss die Betriebsspannung des Lüfters angepasst werden.
Gemessen wurde mit einem E+E Omniport20 mit Sensor „air velocity hand probe 0-20 m/s“.
Zunächst wurde die Geschwindigkeitsverteilung der Luft in der Reaktorkammer geprüft. Es zeigte sich, dass die Lochbleche Verwirbelungen vermeiden und zu einer gleichmäßigen Durchströmung des Reaktorzylinders führen. Andere Blendenkonstruktionen bewirkten stark inhomogene Strömungsbilder, bei denen ein kleiner Querschnitt mit hoher Luftgeschwindigkeit nahezu den gesamten Volumenstrom lieferte.
Die Betriebsspannung des Lüfters wurde mit 9V so gewählt, dass die am Einlass gemessene mittlere Luftgeschwindigkeit ca. 0,45 m/s betrug.
| Betriebsspannung V | Luftgeschwindigkeit am Einlass m/s |
| 12 | 0,52 |
| 9 | 0,44 |
| 7,5 | 0,37 |
| 6 | 0,26 |
| 4,5 | 0,15 |
Tabelle 3: Lüfterspannung und Luftgeschwindigkeit, 1 Lochblech + 1 Filterscheibe grob 30mm unten, 1 Lochblech + 1 Filterscheibe grob 50 mm oben
Ergebnisse
Es zeigt sich, dass der gewählte Lüfter mit einem nominellen Fördervolumen von 145 m³/h @ 12V Betriebsspannung gut geeignet ist. Beim Betrieb mit 9V desinfiziert der Apparat 68 m³/h mit 10,4mJ/cm². Bei Betrieb mit 12V werden auf 80 m³/h noch 8,3mJ/cm² aufgebracht. Auch diese Dosis könnte noch zur Inaktivierung von 99,9% der Viren ausreichen.
Der Apparat läuft bei 9V mit unauffälliger Geräuschkulisse, niedrigere Lüfterleistungen reduzieren den Geräuschpegel weiter.
Arbeitsschutz
Bei Verwendung des KG-Rohres als Gehäuse kann die Apparatur in Schutzklasse 2 aufgebaut werden.
Der hier gezeigte Transportroller ist nicht kippsicher – bei kleinen Kindern oder Haustieren im Haushalt das Rohr also zusätzlich gegen Kippen sichern oder einen größeren und schwereren Unterbau verwenden.
Vor Öffnen des Rohres UNBEDINGT DIE LAMPE ABSCHALTEN. Die zulässige Exposition wäre bei eingeschalteter Lampe schon nach 0,3 Sekunden erreicht!
Die Lampe vorsichtig behandeln, wie in allen Niederdruck-Leuchtstofflampen ist auch hier Quecksilber enthalten.
Haftungsausschluss
Für die sichere und ordnungsgemäße Ausführung ist der Bastler selbst verantwortlich! Der Verfasser haftet nicht!
Es wurde keine Patentrecherche durchgeführt, da eine Herstellung für den eigenen Gebrauch in jedem Fall zulässig ist.
Dankeschön
Ohne Messgeräte ist dieser Apparat nicht zu überprüfen und zu dimensionieren. Die habe ich geliehen.
Ohne Leihgebühr hat sich Dr. Roland Wernecke von der Dr. Wernecke Feuchtemesstechnik GmbH für 4 Wochen von einem präzisen Anemometer getrennt, das für die Messung der niedrigen Luftgeschwindigkeiten perfekt geeignet war.
Eine Leihgebühr hatte ich zu entrichten für das UV-C Radiometer der Firma SGlux GmbH, das allerdings für die Sicherheitsbeurteilung des Apparates unverzichtbar war.
Eine nicht zu nennende große Berliner Forschungseinrichtung hat für einige Tage ein UV-Dosimeter für hohe Strahlungsleistungen beigesteuert, mit dem die Erhöhung der Bestrahlungsstärke durch die Auskleidung des Rohres mit Al-Folie um den Faktor 2,5 nachgewiesen werden konnte.
Mit all seinen Beziehungen stand Klaus Bienert bereit für den Fall, dass Mangel an Messgeräten entstehen würde.
Zusatzliteratur
https://www.unibw.de/lrt7/raumluftreiniger.pdf
Hinweise und Verbesserungsvorschläge bitte an: mailto:uv@lquadrat.de
Dezember 2020, Einar List