Рециркулятор бактерицидный для обеззараживания воздуха
BACTERICIDAL RECIRCULATOR FOR AIR DISINFECTION

Рециркулятор бактерицидный для дезинфекции воздуха относится к устройствам санитарно-гигиенического назначения. Предполагаемое изобретение направлено на повышение коэффициента использования бактерицидного потока источника излучения, повышение бактерицидной эффективности и производительности рециркулятора.
Использование бактерицидного ультрафиолетового излучения для обеззараживания воздушной среды от патогенной микрофлоры известно и получило распространение с середины двадцатого века. Однако настоящий бум широкого использования ультрафиолетового бактерицидного излучения открылся с наступлением короновирусной эпидемии в стране и во всем мире. В чрезвычайно короткие сроки в стране и в мире созданы сотни мелких, средних и крупных предприятий по разработке и производству бактерицидных облучателей, в том числе рециркуляторов. В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч различных исполнений рециркуляторов. Несмотря на большое разнообразие, принципиально все они работают по единой технологии: в замкнутую оболочку помешается источник бактерицидного излучения, генерирующий лучистый поток в интервале длин волн от 205 до 315 им, через торцевые входные отверстия 8 замкнутую оболочку вентилятором, принудительно, или за счет естественной конвенции, втягивается воздух, забираемый из окружающего пространства. Проходя вдоль генерирующей бактерицидное ультрафиолетовое излучение лампы, содержащиеся в воздухе патогенные микроорганизмы подвергаются деструктивному воздействию бактерицидного излучения; очищенный от живых микроорганизмов воздух, выводится через выходное отверстие в окружающее пространство.
Многочисленные последующие разработки касались, главным образом, приданию устройству дополнительных функций: реле учета времени работы, таймер, комплектация дополнительным фильтром очистки воздуха от механических загрязнений, различных способов установки, монтажа, подключения, управления и др., и не затрагивали вопрос, касающийся повышения коэффициента использования бактерицидного потока в рециркуляторе.
Примером типичной конструкции устройства является рециркулятор Российского производителя (1). Устройство состоит из замкнутого, в форме параллелепипеда, сборного металлического корпуса, состоящего из основания, на котором смонтирована вся пускорегулирующая аппаратура и бактерицидная(ые) и лампа(ы), и крышки, окрашенных белой краской, корпус с обеих торцев снабжен торцевинами с окнами: входным окном, для забора очищаемого воздуха, и выходным окном, для вывода обезвреженного от микроорганизмов воздуха наружу. Внутри корпуса образована камера облучения с источником ультрафиолетового бактерицидного излучения, снабженная защитными экранами. Со стороны выходного окна установлен вентилятор, который создает направленный поток очищаемого воздуха внутри камеры, вдоль источника излучения.
Главными недостатками данного устройства являются: низкий коэффициент использования бактерицидного потока источника излучения, слабая устойчивость к ультрафиолетовому излучению и невысокий коэффициент отражения белой краски в области жесткого бактерицидного ультрафиолетового излучения; неоптимальные форма корпуса и схема размещения в нем лампы, ведут к большим безвозвратным потерям бактерицидного потока в процессе его переотражения внутри камеры.
Другим примером может служить рециркулятор бактерицидный типа AIR UF фирмы Philips (2). Корпус устройства выполнен из пластмассовой трубы, внутри которой размещена бактерицидная лампа, вентилятор и аппаратура управления, по торцам размещены входное и выходное окна для воздуха. На внутренней поверхности корпуса, по контуру, размещен металлический отражатель, который защищает пластмассовый корпус от дестуктивного воздействия ультрафиолетового излучения на пластмассу и повышает степень отражения бактерицидного потока.
Недостатком приведенной конструкции является то, что форма отражателя определена формой корпуса, то-есть имеет форму цилиндра, что приводит к концентрации отраженного отражателем лучистого потока на расположенной по центру корпуса лампе. Результатом являются дополнительные безвозвратные потери активного потока излучения.
Наиболее близким к предлагаемому автором решению, является рециркулятор компании ЭКО-ОРИОН (3). Рециркулятор состоит из корпуса, выполненного в виде трубы из нержавеющей стали. Торцы корпуса закрыты защитными экранирующими решетчатыми - крышками с окнами для ввода очищаемого воздуха в зону облучения бактерицидным излучением и вывода, после обработки, в окружающее пространство. В корпусе смонтирована(ы) бактерицидная ртутная лампа(ы) низкого давления мощностью 15 или 30 Вт и вся аппаратура управления режимами работы ламп(ы). На выводном торце корпуса, перед решетчатой крышкой, установлен вентилятор, обеспечивающий принудительную протяжку воздуха через камеру облучения, вдоль лампы, и вывод его, после обработки излучением, наружу.
Конструкция отличается высокой стойкостью корпуса к ультрафиолетовому излучению, что гарантирует высокий срок службы арматуры облучателя. Однако конструкция не лишена очевидных недостатков. Сталь, даже в полированном виде, имеет невысокий коэффициент отражения в ультрафиолетовой зоне оптического излучения. Цилиндрическая форма корпуса-отражателя не обеспечивает оптимальное распределение лучистого потока после отражения, с точки зрения минимума потерь энергии излучения в процессе переотражений.
Предлагается конструкция рециркулятора бактерицидного для дезинфекции воздуха в помещениях от опасных для жизни и здоровья патогенных микроорганизмов. Устройство представлено на фиг. 1. Оно состоит из замкнутого корпуса, совмещенного с отражателем 1, внутри которого размещен источник бактерицидного излучения 2, например ртутная разрядная лампа, вентилятора(ров) 3 для продува очищаемого воздуха через внутренний объем камеры, устройства управления режимом зажигания и работы источника излучения 4, электроустановочных изделий для монтажа и подключения источника излучения к устройству управления 5.
Отличительной особенностью устройства является то, что отражатель фиг. 2, выполнен из материала с высоким направленным коэффициентом отражения бактерицидного ультрафиолетового излучения, например, полированного анодированного зеркального алюминия ALANOD (4), VUV-C (5) и др. и состоит из четырех одинаковой формы соосных секторов 10, фиг 3 координаты точек профиля отражающей поверхности каждого сектора, определяются выражениями (6):
X=R*CosA+R*A*SinA; Y=R*SinA - R*A*CosA,
при этом координаты X и Y точек профиля связаны выражением
Y=R*{CosA*(1-A)+SinA*(1+A)} - X,
где:
R - радиус окружности - развертки, выбирается конструктивно из условия: R больше или равен радиусу окружности, описанной вокруг источника излучения,
А - угол, ориентирующий соответствующий радиус-вектор, в радианах.
Примеры профилей отражателей, построенных на основе приведенных формул, с тремя разными радиусами R1, R2, R3 приведены на фиг. 6, 7, 8, 9, 10.
Приведенные расчетные криволинейные профили известны под названием эвольвента (6), представляют собой развертку окружностей, называемых эволютами (6). Особенностью каждой пары профилей является то, что касательная к эволюте является нормалью к соответствующей точке эвольвенты.
При такой зависимости, если в центр расположения эволюты поместить источник излучения, то все лучи, идущие от источника (эволюты) на отражатель (эвольвенту), после отражения от отражателя (эвольвенты), вновь попадут на отражатель, минуя при этом первоисточник. Благодаря указанному эффекту, исключаются потери энергии излучения, возникающие при падении их, после отражения от отражателя, обратно на источник. Схема хода лучей представлена на фиг. 7, 8, 9. Лучи, идущие от источника на отражатель, показаны сплошными линиями, а отраженные от отражателя - штрихпунктирными линиями. Потеря излучения из-за поглощения его лампами и конструктивными элементами внутри камеры облучения, а также из-за низкого значения коэффициента отражения ультрафиолетового излучения отражателя, приводят к существенному снижению коэффициента использования бактерицидного потока излучения источника, низкой производительности рециркулятора и показателя бактерицидной эффективности.
В предлагаемой конструкции устройства ультрафиолетовые лучи, исходящие от источника излучения, после первого отражения от отражателя, возвращаются повторно на активную поверхность отражателя и т.д., минуя безвозвратные потери от падения лучей на источник излучения и другие конструктивные элементы, которые в предложенной конструкции вынесены за пределы активной зоны камеры; в результате, в объеме камеры облучения создается повышенная объемная плотность бактерицидного потока, существенно превышающая объемную плотность излучения, создаваемую только прямым излучением источника, что губительно воздействует на патогенные микроорганизмы. Объективность заключения подтверждается тем, что теоретические исследования и практические испытания реальных устройств показывают, что реально существующие рециркуляторы обеспечивают коэффициент использования бактерицидного потока ламп на уровне 0,3 - 0,5, то-есть рационально используется только 30 -50% генерируемого бактерицидного ультрафиолетового излучения (7).
Отражатель выполнен методом штамповки или профилирования из одинаковых профилей 9, 10 фиг 2, 3, соединенных с обжатием фиг. 2, вариант 2, вид А или продольными фигурными планками 11 фиг. 4, вариант 1 фиг. 2. На корпус - отражатель с обеих сторон плотно вмонтированы торцевины 13 фиг. 6. Наружный профиль торцевин 13 соответствует по форме и размерам поперечному сечению отражателя 9 фиг. 5, что придает ему дополнительную жесткость и устойчивость. Вторцевинах предусмотрены окна (отверстия) 14 для ввода очищаемого воздуха с одной стороны и вывода очищенного воздуха с другого торца и отверстия для прохода ламп при их установке.
С обеих сторон на корпус-отражатель установлены крышки 7 с решетчатыми окнами 8 фиг. 1, для ввода очищаемого и вывода очищенного воздуха, с бортиком по внутреннему контуру,
соответствующему наружному контуру поперечного сечения отражателя, так что, после установки крышек, кромки отражателя с обеих сторон оказываются зажатыми, в поперечном сечении, между торцевинами 13 и крышками 7, что дополнительно стабилизирует расчетную форму отражателя.
Работу оптической системы рециркулятора можно представить в виде следующей схемы: лучистый поток от источника излучения величиной Ф падает на отражатель, от отражателя отразится лучистый поток величиной , часть отразившегося потока вновь упадет на отражатель, а другая часть упадет на другие элементы, расположенные внутри камеры, часть на источник излучения, и торцевые зоны камеры. Долю лучистого потока, отразившуюся от отражателя и вновь упавшую на отражатель, обозначим буквой Uoo, величина этого потока составит , другая часть упадет на торцевые части, лампу(ы) и др. элементы и фактически эта часть потока будет потеряна. Обозначим долю потерянного потока буквой Uоп. Величина этой части потока составит . Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не установится баланс потоков. Соотношение между величиной установившегося в камере лучистого потока и лучистого потока, поступающего от источника излучения, определяется через коэффициент многократных отношения, равный
где:
Фа - поток, установившийся в камере в результате многократных отражений,
Ф - лучистый поток источника излучения,
- коэффициент отражения отражателя,
Uоп - доля потерянного потока излучения, упавшего после отражения от отражателя на лампу, торцевые части камеры и другие элементы конструкции, внутри облучательной камеры.
Из приведенного выражения видно, что установившийся в облучательной камере лучистый поток Фо, тем больше лучистого потока источника излучения Ф, чем выше коэффициент отражения отражателя р и чем меньше доля потерь излучения Uоп на элементах конструкции внутри облучательной камеры.
Предлагаемая конструкция изделия направлена на оптимизацию конструкции устройства, с целью повышения эффективности целевых параметров рециркулятора, несколькими источниками оптического излучения.
При этом источник бактерицидного излучения выполнен в виде ртутной разрядной лампы, а отражатель выполнен из двух одинаковых симметричных половин, соединенных в единое целое двумя продольными профилями. Кроме того, для подключения ламп использованы накидные патроны с фиксацией на цоколи лампы, что позволяет устанавливать и снимать лампы со стороны торцев, не снимая и не разбирая отражатель. Также с учетом условий окружающей среды, отражатель, может быть вмонтирован в дополнительный защитный корпус. Рециркулятор бактерицидный состоит из нескольких равнозначных блоков, собранных в единую конструкцию - батареи, либо выполнен в монолитном исполнении с несколькими источниками оптического излучения.
Библиографические данные:
1. Каталог продукции ОАО «АСТЗ», www.astz.ru
2. Каталог продукции фирмы Philips, AIR UF
3. Каталог продукции компании ЭКО ОРИОН
4. Каталог фирмы ALANOD, ALANOD Aluminium - Veredlung GmbH Co. KG
5. Каталог фирмы ALMECO GROUP, Almeko Spa, www.almecogroup.com
6. СПРАВОЧНИК ПО МАТЕМАТИКЕ для инженеров и учащихся втузов. И.Н. БРОНШТЕЙН и К.Н. СЕМЕНДЯЕВ, Москва «НАУКА», 1986 г.
7. Проектирование и эксплуатация ультрафиолетовых бактерицидных установок. А.Л. Вассерман, Москва, Дом Света, 2009 г.
8. Основы светотехники, В.В. Мешков, Москва, Энергия, 1979 г.