УСТАНОВКА ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ СО СВЕТОДИОДНЫМ МОДУЛЕМ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ ВОЗДУХА И МОДУЛЬ СВЕТОДИОДНЫЙ ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ФОТОКАТАЛИЗАТОРА УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
PHOTOCATALYTIC DEVICE WITH LED MODULE FOR DECONTAMINATION AND AIR PURIFICATION AND LED MODULE FOR PHOTOCATALYST ULTRAVIOLET EXPOSURE

Группа изобретений относится к области фотокаталитического обеззараживания и очистки воздуха, а именно к устройствам, использующими принцип окисления органических и неорганических загрязнителей, адсорбированных на поверхности фотокатализатора под действием ультрафиолетового света с длиной волны меньше 400 нм, и может найти применение в лечебно- профилактических, административных, общественных, офисных, жилых помещениях, в школьных и дошкольных учреждениях, где требуется обеззараживание и очистка воздуха в присутствии людей.
Устройства для фотокаталитической очистки воздуха, характеризующиеся универсальностью при уничтожении органических и многих неорганических загрязнителей, имеют широкое распространение и являются наиболее применяемыми и перспективными по сравнению с другими типами очистителей воздуха, что определяет актуальность ведения работ по их дальнейшему совершенствованию.
Известно адсорбционно-фотокаталитическое устройство для очистки воздуха от летучих загрязнителей, содержащее корпус, установленные в корпусе вентилятор, фильтр воздушной очистки, фотокаталитический блок, включающий фотокаталитический фильтр в виде пористого носителя с фотокатализатором и ультрафиолетовую лампу как источник ультрафиолетового излучения. Данное устройство предпочтительно снабжено пылевым фильтром с возможным включением в его состав органического и неорганического адсорбента (RU 33035, B01J 20/00, F24F 3/16, 2003).
Недостатком данного известного очистителя является низкая эффективность процесса очистки, зависящая от использования недостаточно эффективных источников ультрафиолетового излучения для эффективного функционирования фотокаталитического фильтра, что повышает энергетические затраты.
Известно устройство фотокаталитическое по обеззараживанию и очистке воздуха - рециркулятор, содержащее корпус со съемной решеткой, установленные внутри корпуса, по меньшей мере, два вентилятора, фотокаталитический блок, включающий фотокаталитический фильтр в виде пористого носителя с фотокатализатором и ультрафиолетовую лампу как источник ультрафиолетового излучения, снабженное блоком управления (RU 97810, B01J 20/00, F24F 3/00, 2006). Принято за прототип первого технического решения из группы изобретений.
Основным недостатком известного устройства является пониженная эффективность процесса фотоокисления из-за недостаточной эффективности использования светового потока от использованного в нем источника ультрафиолетового излучения. Неэффективное использование световой энергии отрицательно сказывается на скорости и активности процесса фотоокисления. Этим же обусловлена повышенная энергоемкость устройства.
Общим недостатком указанных технических решений является использование в качестве источника излучения ультрафиолетовых ламп, не обеспечивающих достаточную освещенность фотокатализатора и равномерность светового поля, чтобы его активности хватало для проведения реакции, ведь на интенсивность массопереноса реагентов при работе фотокаталитической системы влияет площадь освещенной поверхности фотокатализатора. На процессах фотоокисления отрицательно сказывается наличие стробоскопического эффекта (мерцания ультрафиолетовой лампы), так как эффективность функционирования фотокаталитического фильтра связана с эффективностью использования света ламп и равномерностью светового потока. Поскольку мощность ультрафиолетовых ламп ограничена, это приводит к тому, что скорость окисления органических веществ также имеет свой предел. Увеличение мощности ультрафиолетового излучения, например, за счет увеличения числа ламп, делает данные устройства дорогостоящими для практического использования. Непропорционально большой поток воздуха сквозь фотокаталитический фильтр, объем которого от вентиляторов не согласуется с предельной скоростью фотокаталитического процесса окисления молекулярных загрязнителей, которая определяется уровнем мощности используемых ультрафиолетовых ламп, дающих недостаточную освещенность. Распределение воздушного потока через поверхность фотокаталитического фильтра в форме трубы с лампой, расположенной внутри каждой трубы по ее оси, сильно неравномерно. Это приводит к значительному увеличению общего перепада давления ввиду квадратичной зависимости сопротивления от линейной скорости воздушного потока.
2
Известно, что источниками ультрафиолетового излучения могут служить не только флуоресцентные лампы, но и светодиоды, излучающие в соответствующем диапазоне длин волн (A.V. Vorontsov, 1 I.V. Stoyanova, D.V. Kozlov, V.I. Simagina, and E.N. Savinov. Kinetics of the Photocatalytic Oxidation of Gaseous Acetone over Platinized Titanium Dioxide. Journal of Catalysis 189, 360-369 (2000); Alexandre V. Vorontsov, Claude Lion, Evgueni N. Savinov, and Panagiotis G. Smirniotis. Pathways of photocatalytic gas phase destruction of HD stimulant 2-chloroethyl ethyl sulfide. Journal of Catalysis 220 (2003) 414-23; P.A. Kolinko, D.V. Kozlov, A.V. Vorontsov, S.V. Preis. Photocatalytic oxidation of 1,1-dimethyl hydrazine vapours on TiO: FTIR in situ studies. Catalysis Today 122 (2007) 178-185), которые в настоящее время начали интенсивно использоваться в качестве источников излучения на замену различных типов ламп. Этому способствовало и распространение светодиодной продукции в виде ламп, лент и линеек, модулей и др., которое предопределили хорошо известные характеристики светодиодов: низкое потребление энергии, высокая механическая прочность, длительный срок эксплуатации, возможность использования в различных температурных режимах без снижения световых характеристик, а также, учитывая, что светодиод - прибор низковольтный, безопасность.
Известно устройство обеззараживания и очистки воздуха от болезнетворных микроорганизмов, органических веществ и запахов, содержащее, по меньшей мере, один фотокаталитический блок, каждый в виде носителя с нанесенным на его поверхности фотокатализатором и, по меньшей мере, один или более светодиодов в качестве источника освещения поверхности фотокатализатора ультрафиолетовым излучением (RU 93697, B01J 19/12, 2010). Принято за прототип второго технического решения из группы изобретений.
Однако и данное устройство не лишено недостатков из-за неполного использования уникальных возможностей таких современных приборов как светодиоды. Неравномерное освещение поверхности фотокатализатора не обеспечивает полноценное прохождение процесса окисления, может приводить к проскоку молекул загрязнителей через слабо освещенные области фотокаталитического фильтра, что понижает общую эффективность процесса фотокаталитической очистки воздуха и повышает энергопотребление. Существенная доля светового потока теряется, понижая эффективность работы устройства. Неравномерное распределение воздушного потока через фотокаталитический блок и слабый теплоотвод приводит к низкой степени защиты установки от перегорания светодиодов, что понижает срок их службы. Недостаточно эффективное использование световой энергии светодиодов отрицательно сказывается на скорости и активности процесса фотоокисления. Потеря большой доли светового потока снижает общую эффективность установки.
Очевидно, что несмотря на многочисленность существующих в данной области разнообразных технических решений, они не лишены недостатков, которые необходимо устранять с учетом того, что в современных условиях требуется создавать достаточно экономичные устройства для возможности внедрения энергосберегающих технологий.
Задачей является создание высокоэффективной установки фотокаталитической для обеззараживания и очистки воздуха с пониженным энергопотреблением и увеличенным сроком службы путем внесения конструктивных изменений для улучшения светотехнических и теплофизических параметров.
Под эффективностью установки следует понимать степень обеззараживания или очистки воздуха в помещении заданного объема, достигаемую при определенных затратах электрической энергии. Таким образом, повышение эффективности установки может быть достигнуто за счет увеличения интенсивности потока ультрафиолетового излучения, уменьшения потребляемой мощности, защиты от аварийных режимов и оптимизации охлаждения (теплоотвода).
Технический результат заключается в увеличении фотокаталитической активности установки путем повышения степени обеззараживания и очистки воздуха при одновременном снижении энергопотребления. Дополнительно достигается повышение ресурса работоспособности установки, упрощение обслуживания и повышение удобства эксплуатации.
Сущность первого технического решения группы состоит в том, что в установке для обеззараживания и очистки воздуха фотокаталитической, содержащей корпус, размещенные в корпусе и соединенные с источником питания и блоком управления, по меньшей мере, два вентилятора и фотокаталитический блок в виде цилиндрического пористого носителя с нанесенным на его поверхность фотокатализатором и источника ультрафиолетового излучения для облучения изнутри поверхности фотокатализатора, особенность состоит в том, что в качестве источника ультрафиолетового излучения фотокаталитический блок оборудован светодиодным модулем в виде, по меньшей мере, трех плат на основе пластин из теплопроводящего материала, которые расположены продольно по внешней круговой образующей модуля на равных угловых расстояниях между собой посредством их крепления к соответствующим окончаниям ветвей несущих элементов, при этом на каждой плате линейно установлены с возможностью взаимного перекрытия исходящих от них потоков излучения, по меньшей мере, три светодиода диапазона 380-385 нм с углом излучения 120 градусов, все светодиоды в модуле подсоединены последовательно, каждый светодиод дополнительно снабжен параллельно подсоединенным к нему полупроводниковым элементом защиты от обрыва электрической цепи, несущие элементы выполнены из диэлектрического материала, а блок управления оборудован драйвером и стабилизированным источником питания. Особенность также и в том, что предпочтительно блок управления дополнительно снабжен встроенным микроконтроллером и выполнен с возможностью индикации неисправного состояния установки световым индикатором, при этом желательно использованы вентиляторы со встроенными в них таходатчиками. В этом случае микроконтроллер соединен с источником питания, таходатчиками и светодиодным модулем. Несущие элементы модуля могут быть выполнены из пластмассы. Целесообразно, чтобы платы светодиодного модуля были выполнены из алюминия или алюминиевых сплавов. Светодиоды на платах преимущественно расположены на равном расстоянии друг от друга. Желательно чтобы платы были снабжены токоведущими дорожками с покрытием, устойчивым к ультрафиолетовому излучению. В частности, модуль включает девять светодиодов, которые расположены по три на каждой плате, а каждый несущий элемент выполнен Y-образной формы с равными угловыми расстояниями между ветвями. В этом случае использованы, например, светодиоды типа RF-UVXC35LN-UE, элементы защиты от обрыва ОР05СВ. Предпочтительно исполнение, когда носитель фотокатализатора выполнен из полиэфирного нетканого материала, или пористой пенокерамики, или пористого алюминия. Установка может быть дополнительно оборудована, по меньшей мере, одним фотокаталитическим блоком. Блок управления снабжен преимущественно клавишным переключателем. Установка может быть дополнительно снабжена сменным воздушным фильтром, разделенным с носителем фотокатализатора, при этом в состав фильтра может быть включен органический или неорганический адсорбент, для которого теплота адсорбции органических соединений с молекулярным весом до 100 а.е. находится в диапазоне от 4 до 12 ккал/моль, например, синтетический цеолит ZSM. В частности, может быть установлен воздушный фильтр класса НЕРА EUR05. Корпус предпочтительно выполнен со съемной решеткой. В любом исполнении корпуса он преимущественно выполнен из АБС-пластика.
Сущность второго технического решения группы состоит в том, что в модуле светодиодном для облучения фотокатализатора ультрафиолетовым излучением, содержащем светодиоды, особенность состоит в том, что выполнен в виде, по меньшей мере, трех плат на основе пластин из теплопроводящего материала, которые расположены продольно по внешней круговой образующей модуля на равных угловых расстояниях между собой посредством их крепления к соответствующим окончаниям ветвей несущих элементов, при этом на каждой плате линейно установлены с возможностью взаимного перекрывания исходящих от них потоков излучения, по меньшей мере, три светодиода диапазона 380-385 нм с углом излучения 120 градусов, все светодиоды в модуле подсоединены последовательно, каждый светодиод дополнительно снабжен параллельно подсоединенным к нему полупроводниковым элементом защиты от обрыва электрической цепи, а несущие элементы выполнены из диэлектрического материала. Кроме этого, платы предпочтительно выполнены из алюминия или алюминиевых сплавов. Светодиоды на платах желательно расположены на равном расстоянии друг от друга. Целесообразно, чтобы платы были снабжены токоведущими дорожками с покрытием, устойчивым к ультрафиолетовому излучению. В частности, модуль включает девять светодиодов, которые расположены по три на каждой плате, а каждый несущий элемент выполнен Y-образной формы с равными угловыми расстояниями между ветвями, при этом могут быть использованы светодиоды типа RF-UVXC35LN-UE с элементами защиты от обрыва ОР05СВ. Несущие элементы выполнены преимущественно из пластмассы.
Повышение эффективности функционирования фотокаталитического фильтра связано, в том числе, с эффективным использованием света источника ультрафиолетового излучения, облучающего фотокатализатор. Использование в фотокаталитическом блоке светодиодов, объединенных в предлагаемой конструкции светодиодного модуля, увеличивает степень освещенности фотокатализатора ультрафиолетовым излучением, что повышает его активность для проведения реакции. При этом увеличивается массоперенос реагентов, а значит и производительность. Использование светодиодов вместо ламп позволяет значительно снизить потребляемую мощность, следовательно, существенно уменьшить энергопотребление. Эффективное использование светового потока, облучающего фотокатализатор, обеспечивает эффективность функционирования фотокаталитического фильтра. Модульная компоновка светодиодов позволяет достигнуть предельной степени очистки воздуха за один проход сквозь пористые фотокаталитические элементы. Светодиоды установлены в положении, обеспечивающем максимальную однородность распределения светового потока. При этом воздушный поток продувается сквозь носитель в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через ось модуля.
Расположение по три светодиода на каждой пластине, закрепленных на соединительных элементах, отстоящих друг от друга, при последовательном соединении всех светодиодов обеспечивает улучшение теплообмена, что позволяет им работать без перегрева даже при отсутствии дополнительной циркуляции-обдува воздуха.
Расположение пластин со светодиодами в модуле с шагом 120 градусов в сочетании с углом излучения каждого из светодиодов 120 градусов обеспечивает перекрывание всего диапазона при облучении внутреннего пространства фильтра-фотокатализатора. Создание направленного излучения от светодиодов улучшает процесс фотоокисления, повышает интенсивность светового потока при снижении потребляемой мощности.
При поглощении квантов ультрафиолетового излучения с длиной волны 350-385 нм фотокатализатором образуются электронно-дырочные пары, которые могут либо напрямую окислять адсорбированные молекулы, либо взаимодействовать с адсорбированными гидроксильными группами с образованием сильного окислителя - гидроксильных радикалов (ОН), являющихся главными окисляющими агентами. А количество образующихся ОН радикалов, как известно, определяется, в том числе, и интенсивностью падающего на фотокатализатор ультрафиолетового излучения.
Использование пористого носителя цилиндрической формы обеспечивает полное использование светового потока от источника ультрафиолетового излучения, что снижает потери световой энергии и увеличивает освещенность фотокатализатора. Использование пористых носителей фотокатализатора, выполненных из полиэфирного нетканого материала, пористой пенокерамики или пористого алюминия позволяет существенно увеличить площадь его поверхности и значительно увеличить скорости окисления за счет распределения света по большой площади поверхности фотокатализаторов. Излучение с длиной волны 350-385 нм проникает в микропористую систему носителя на большую глубину, что задействует большую часть поверхности фотокатализатора, что напрямую увеличивает доступную для фотокатализа площадь фотокатализатора. В случае фотохимических реакций светодиодный модуль может обеспечить интенсивное и равномерное освещение фотокатализатора на всю глубину его слоя.
Использование драйвера позволяет уменьшить энергопотребление установки и увеличить срок службы светодиодного модуля.
Светодиоды не представляют опасность при утилизации, повышая экологическую безопасность. Значительный срок службы светодиодов существенно повышает срок службы установки в целом.
Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе, от химического состава используемых в нем полупроводников. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн. К примеру, для ультрафиолетового излучения требуется использовать нитрид галлия (GaN) или нитрид бора (BN).
Использование съемной решетки, выполненной из АБС пластика, расширяет возможности проведения дезинфекции всего корпуса, что особенно актуально в медучреждениях.
Расположение плат в модуле с использованием нескольких крепежных элементов позволяет воздушному потоку хорошо отводить тепло от плат, охлаждая светодиоды, что увеличивает срок их службы и, значит, эффективность очистки.
Стабилизированный источник питания обеспечивает защиту от аномального напряжения сети.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет добиться значительного увеличения потока ультрафиолетового излучения, уменьшения потребляемой мощности, интенсификации охлаждения и обеспечения защиты от аварийных режимов работы ультрафиолетовых излучателей, а, следовательно, повысить эффективность фотокаталитических процессов, интенсифицировать их (увеличить производительность), повысить срок службы при снижении энергопотребления.
На фиг. 1 представлена схема установки с пористым носителем, выполненным в виде трубы; на фиг. 2 представлено изображение светодиодного модуля; на фиг. 3 представлена схема размещения светодиодов на алюминиевой плате; на фиг. 4 представлена электрическая блок-схема установки; на фиг. 5 представлен график фотоокисления ацетона установкой со светодиодным модулем; на фиг. 6 представлен график фотоокисления ацетона установкой с ультрафиолетовой лампой.
Установка (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором размещены вентиляторы 2 и фотокаталитический блок, соединенные с источником питания и блоком 3 управления. Фотокаталитический блок включает фотокаталитический фильтр в виде пористого носителя 4 с нанесенным на его поверхность фотокатализатором и светодиодный модуль 5 как источник ультрафиолетового излучения для облучения поверхности фотокатализатора. Термин «источник ультрафиолетового излучения» использован как для определения устройства, которое испускает излучение в ультрафиолетовой области, например, лампа, светодиод, так и для определения конкретного устройства, которое испускает излучение, например, светодиодный модуль. Установка может быть снабжена вентиляторами 2 в количестве не менее двух или более чем двумя вентиляторами 2 и одним или более чем одним фотокаталитическим блоком в зависимости от геометрической формы корпуса 1.
Светодиодный модуль 5 в сборе (фиг. 2) включает светодиоды 6, линейно установленные на печатных платах 7 на теплопроводящем основании, которые закреплены к несущим элементам 8 с возможностью образования по внешней круговой образующей модуля 5 многосторонне закрепленных продольно расположенных плат 7, размещенных на равных угловых расстояниях между собой.
В модуле 5 использованы светодиоды 6, генерирующие свет ультрафиолетового спектра с длиной волны 350-385 нм и углом излучения светового потока 120 градусов с дополнительно установленными на платах 7 (параллельно подсоединенных к каждому светодиоду) отдельными для каждого светодиода 6 полупроводниковыми защитными элементами 9 от обрыва электрической цепи. Расположение плат 7 со светодиодами 6 на равных угловых расстояниях между платами 7 в совокупности с углом излучения светодиодов 6 в 120 градусов перекрывает весь диапазон при облучении изнутри фотокаталитического фильтра. Печатные платы 7 выполнены в виде прямоугольных пластин, целесообразно из алюминия или из алюминиевых сплавов в количестве трех или более чем три. Платы 7 служат одновременно и для крепления светодиодов 6, и для отвода тепла от них, что обеспечивает лучший теплообмен и позволяет светодиодам 6 работать без перегрева даже при отсутствии дополнительной циркуляции-обдува воздуха. Также на платах 7 (фиг. 3) находятся токоведущие дорожки 10 для электрического соединения и светодиодов 6, и защитных элементов 9. Токоведущие дорожки 10 покрыты специальным покрытием, устойчивым к ультрафиолетовому излучению. На каждой плате 7 светодиоды 6 расположены в количестве не менее трех или более чем три таким образом, чтобы их ультрафиолетовое излучение не создавало «мертвых зон» и было достаточным для получения фотокаталитического эффекта на носителе 4 фотокатализатора (фиг. 3). Для этого светодиоды 6 размещены линейно, желательно на равных расстояниях друг от друга с возможностью взаимного перекрывания исходящих от них потоков ультрафиолетового излучения. Все светодиоды 6 (не менее девяти шт. ) в модуле 5 подсоединены последовательно. Таким образом, обеспечена возможность получения светового потока, направленность которого и плотность оптимальны для процесса окисления. Для подключения питания светодиодов 6 на блок 3 управления выведены провода с разъемом 11. Рабочий ток установлен на уровне 400 мА, что с практически нулевыми пульсациями светового потока обеспечивает светодиодам 6 максимальный срок жизни. Но, несмотря на комфортный режим работы светодиодов 6, дополнительно установленные защитные элементы 9 позволяют продолжить функционирование излучающего элемента установки в случае выхода из строя до трех любых светодиодов 6, то есть работа установки продолжиться, но с меньшей эффективностью, с числом светодиодов 6 не менее шести штук, при неизменном питающем токе 400 мА. На каждом защитном элементе 9 при этом будет меньшее падение напряжения, чем на отдельном светодиоде 6. Несущие элементы 8 выполнены из диэлектрического материала, например пластмассы, разветвленными на несколько ветвей с равными угловыми расстояниями между ветвями, например, Y-образной формы с угловым расстоянием между ветвями 120 градусов. Используются три или более трех несущих элементов 8, количество которых при увеличении длины плат 7 увеличивается. Каждая плата 7 закреплена к соответствующим окончаниям ветвей несущих элементов 8, например, саморезами. Таким образом, светодиоды 6 с углом излучения 120 градусов установлены на платах 7, которые расположены по внешней образующей модуля на равных угловых расстояниях между ними. Светодиодный модуль 5, в котором выполнено многогранное крепление пластин (плат 7), позволяет увеличить полезное использование облучающего потока ультрафиолетового излучения, а, следовательно, и увеличить эффективность фотокаталитических процессов. Предлагаемые несущие элементы 8 позволяют уменьшить общее аэродинамическое сопротивление всего фотокаталитического блока и интенсифицировать скорость воздушного потока и охлаждение светодиодов 6.
Носитель 4 выполнен из пористого материала, выбранного из ряда: полиэфирный нетканый материал, пористая пенокерамика, пористый алюминий, поэтому имеет большую поверхность, покрытую фотокатализатором. Данные материалы обладают высокой пористостью, и соответственно низким сопротивлением для прокачки очищаемого воздуха и не подвергаются химическому разрушению фотокатализатором. В качестве фотокатализатора может быть использован, например, модифицированный диоксид титана и др. При другой форме корпуса могут быть другие формы исполнения носителя 4. Сечение носителя 4 в принципе может быть различное: круглое, овальное, многоугольное, или любой другой формы, в том числе, многогранной из пластин, но наиболее целесообразна цилиндрическая форма.
Собранный таким образом фотокаталитический блок может быть установлен в различные по форме и конструкции очистители воздуха в количестве от одного или более, геометрия которых должна обеспечить хороший контакт реагентов с фотокатализатором в местах его облучения, то есть эффективный массоперенос, и равномерное облучение фотокатализатора на всю глубину его слоя.
Предлагаемый светодиодный модуль 5 может быть изготовлен на любом предприятии, в том числе и не специализирующемся в данной отрасли, так как для этого требуются известные материалы и комплектующие, а также стандартное оборудование для механосборочных работ с элементами электромонтажа, широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью.
Корпус 1 предпочтительно выполнен из АБС пластика и для удобства обслуживания снабжен съемной решеткой 12, выполненной предпочтительно также из АБС пластика. Корпус 1 образует пространственный профиль установки и выполнен с возможностью циркулирования воздушного потока, обеспечиваемого вентиляторами 2. Целесообразно использовать вентиляторы 2 со встроенными таходатчиками.
Блок 3 управления (фиг. 4) оборудован драйвером 13 и стабилизированным источником питания. Для контроля работоспособности светодиодного модуля 5 и управления режимом работы вентиляторов 2 блок
3 управления снабжен встроенным микроконтроллером 14, который соединен с источником питания, драйвером 13, индикатором 15, таходатчиками и светодиодным модулем 5 с возможностью индикации неисправного состояния установки световым индикатором 15. Блок 3 управления предпочтительно выполнен с клавишным переключателем 16. Блок 3 управления с драйвером 13 и преобразователем 17 обеспечивает постоянный стабилизированный ток и предназначен для управления и питания светодиодов 6 и вентиляторов 2. Микроконтроллер 14 снабжен светодиодным индикатором 15, что повышает надежность контроля и эффективность процесса обеззараживания и работы установки в целом. Драйвер 13 предназначен для управления светодиодов 6 и преобразователь 17 для питания вентиляторов 2.
Обычно установка дополнительно содержит сменный воздушный (пылевой и адсорбционный) фильтр 18, например, класса НЕРА EURO 5, который разделен с носителем 4 фотокатализатора. В состав воздушного фильтра 18 предпочтительно включен органический или неорганический адсорбент, например, вещество, для которого теплота адсорбции органических соединений с молекулярным весом до 100 а.е. находится в диапазоне от 4 ккал/моль до 12 ккал/моль, в частности, синтетический цеолит ZSM.
Установка работает следующим образом.
Установку, находящуюся в обеззараживаемом помещении, подключают к источнику питания (электрической сети). Рабочий ток светодиодов 6 установлен на уровне 400 мА, что с практически нулевыми пульсациями светового потока обеспечивает максимальный срок жизни излучающих светодиодов 6 и светодиодного модуля 5 в целом.
После подключения установки с помощью вилки электрошнура к сети питания 220 В 50 Гц следует длинный звуковой сигнал, при этом установка переходит в дежурный режим - световой индикатор 15 мигает зеленым светом для последующего запуска установки через блок 3 управления. После пуска установка переходит в рабочий режим (основной и дополнительный), при этом световой индикатор 15 загорается зеленым светом. При подключении установки к источнику электропитания через блок 3 управления ток идет на светодиодный модуль 5, а светодиоды 6 преобразуют его в свет.
Очистка и обеззараживание воздуха в установке происходит следующим образом. Вентиляторы 2 перемещают воздух через сменный воздушный фильтр 18, который задерживает взвешенные частицы, а, кроме этого, растягивает во времени залповый выброс загрязнителя. После этого механически очищенный воздушным фильтром 18 воздух поступает в фотокаталитический блок. В этом случае в фотокаталитический блок загрязнитель попадает разбавленным более чем в двадцать раз и промежуточных продуктов при окислении органических молекул на выходе фотокаталитического блока не наблюдается. Вентиляторы 2 создают пониженное давление, под действием которого загрязненный воздух вначале проходит через воздушный фильтр 18, на котором происходит его очистка от крупной пыли и аэрозолей размером более 0,01 мкм, соответственно. Далее воздух попадает на фотокаталитический фильтр и проходит через поверхность пористого цилиндрического носителя 4, облучаемого светодиодами 6 модуля 5. При этом происходит разложение молекулярных примесей. Далее в фотокаталитическом блоке на поверхности фотокатализатора под воздействием ультрафиолетового излучения светодиодного модуля 5 происходит фотокаталитическое окисление органических воздушных загрязнителей и разрушение микробиологических объектов (бактерии, вирусы, грибы). После этого очищенный и обеззараженный воздух перемещается из установки.
ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ
В светодиодном модуле 5 (фиг. 2) использованы девять ультрафиолетовых светодиодов 6 Refond серии UVXC35 диапазона 380-385 нм (RF-UVXC3 5LN-UE) с углом излучения 120 градусов, каждый из которых дополнительно снабжен параллельно подсоединенным к каждому светодиоду 6 полупроводниковым защитным элементом 9 (Open LED Protectors) Ruilon серии OP05CB. Все девять светодиодов 6 соединены последовательно и расположены на трех алюминиевых платах 7 - по три шт. на каждой, для лучшего теплообмена, что позволяет им работать без перегрева даже при отсутствии дополнительной циркуляции-обдува воздуха. Токоведущие дорожки 10 покрыты специальным покрытием, устойчивым к ультрафиолетовому излучению. Алюминиевые платы 7 со светодиодами 6 закреплены к окончаниям ветвей на трех пластмассовых несущих элементах Y-образной формы, имеющими равные угловые расстояния между ветвями, с продольным расположением трех плат по внешней круговой образующей модуля 5 на равных угловых расстояниях между собой (расположены с шагом 120 градусов), что в совокупности с углом излучения 120 градусов самих светодиодов 6 перекрывает весь диапазон при облучении изнутри фотокатализатора. Данное крепление оптимально для цилиндрического носителя 4. Рабочий ток светодиодов 6 установлен на уровне 400 мА. Дополнительно установленные защитные элементы 9 позволяют продолжить функционирование излучающего элемента установки в случае выхода из строя до трех любых светодиодов 6, то есть работа прибора продолжится, но с меньшей эффективностью, с числом светодиодов 6 не менее шести, при неизменном питающем токе 400 мА. На каждом защитном элементе 9 при этом будет меньшее падение напряжения, чем на отдельном светодиоде 6. При выходе из строя более четырех светодиодов 6, а также при обрыве или коротком замыкании питания всех светодиодов 6, дальнейшая работа установки блокируется встроенным микроконтроллером 14 с индикацией неисправного состояния красным цветом индикатора 15. Установка оборудована двумя вентиляторами 2 с питанием по двенадцать вольт каждый. Микроконтроллер 14 также отслеживает скорость работы вентиляторов 2 обдува (импульсы со встроенных в них таходатчиков поступают в микроконтроллер 14) и в случае нарушения (уменьшение скорости более чем на 50%, остановка или обрыв питания) блокирует работу всей установки с индикацией красным цветом световым индикатором 15 неисправного состояния. В установке был использован клавишный переключатель 16 - двухполюсный переключатель без фиксации.
Блок 3 управления оборудован драйвером 13 (LED драйвер) и стабилизированным источником питания (для стабилизации использован AC/DC преобразователь 17, а также сетевой фильтр и выпрямитель 19).
Для проверки работоспособности установки со светодиодным модулем 5 было использовано устройство РНОТОСАТ-Т (разработано в Сибирском отделении Российской Академии Наук Институт Катализа им. Г.К. Бореского специально для производства фотокаталитических очистителей воздуха в г. Липецке). Устройство используется при контроле работоспособности фотокаталитического очистителя воздуха, при поведении опытно-конструкторских работ, а также при проведении научных исследований.
Работа устройства основана на измерении скорости уменьшения количества ацетона в рабочем объеме камеры при его разложении проверяемой установкой при заданной температуре в рабочей камере. Количество ацетона в камере устройства определяется термокаталитическим датчиком. Скорость уменьшения количества ацетона определяется как усредненная по заданному интервалу времени уменьшения количества ацетона в замкнутом объеме камеры. Устройство состоит из рабочей камеры, микропроцессорного электронного блока управления и обработки сигналов, персонального компьютера. Установка управляется специальной компьютерной программой.
В камеру (замкнутый объем 90 л) РНОТОСАТ- Т помещена предлагаемая установка. Затем в камеру при температуре 30°С через штуцер ввода пробы впрыскивается ацетон объемом 40-50 мкл. Включается установка и начинается реакция фотоокисления ацетона при его разложении. Скорость уменьшения концентрации ацетона составляет 0,75 мкл в минуту. При этом потребляемая мощность установки равна 18 Вт.
Как видно из графика (фиг. 5) исполнение установки со светодиодным модулем 5 увеличивает скорость протекания фотоокисления при снижении мощности потребления электроэнергии в среднем на 25% по сравнению с графиком (фиг. 6) исполнения установки мощностью 24 Вт с ультрафиолетовой лампой.
Применение светодиодного модуля позволяет:
- повысить эффективность процесса фотоокисления;
- увеличить срок службы источника ультрафиолетового излучения;
- уменьшить потребляемую мощность;
- обеспечить экологическую безопасность.
Применение драйвера в составе блока управления позволяет:
- обеспечить защиту от аварийных режимов работы светодиодов в составе светодиодного модуля;
- расширить диапазон колебаний входного напряжения установки;
- осуществить защиту от аварийных режимов работы установки.
Данная установка позволяет высокоэффективно и безопасно устранять из воздуха различные загрязнители при низком энергопотреблении. Позволяет сохранить работоспособность в более широком диапазоне концентраций загрязняющих веществ. Позволяет повысить качество и экологическую безопасность очистки воздуха в помещениях. Предлагаемое техническое решение может найти применение как в существующих устройствах, так и во вновь разрабатываемых.