УФ-РЕАКТОР ОБРАБОТКИ
UV TREATMENT REACTOR

Родственные заявки
Приоритетной по отношению к настоящей заявке является совместно рассматриваемая заявка на патент США №11/555930, поданная 2 ноября 2006 г., во всей своей полноте включаемая в настоящее описание.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для обработки текучих сред ультрафиолетовым (УФ) излучением, в частности, обеспечивается устройство, эффективно распределяющее дозу УФ излучения, что позволяет достичь повышенной эффективности обработки.
Уровень техники
Известно, что для инактивации микроорганизмов в текучих средах используют УФ излучение. Существует несколько типов УФ-систем, включая находящиеся под давлением, частично находящиеся под давлением, не находящиеся под давлением. Функционирование таких систем, как правило, основано на использовании ламп, расположенных рядами и погруженных в обрабатываемую текучую среду, такую как питьевая вода. Независимо от типа УФ-системы, важно, чтобы количество подводимого УФ излучения (доза или поток излучения) наиболее близко соответствовало задаче инактивации всех микроорганизмов во всем объеме протекающей через систему среды. Величина этой дозы или потока излучения равна произведению интенсивности излучения и времени. По мере прохождения микроорганизмов через УФ-систему они подвергаются воздействию УФ излучения некоторого диапазона интенсивности и времени, результатом чего является распределение доз. В идеальном случае УФ излучение и поток среды равномерны во всем объеме устройства для обработки УФ излучением, следовательно, все микроорганизмы получают одинаковую дозу. Задачей проектирования устройств для обработки УФ излучением является достижение узкого распределения доз, при котором все элементы текучей среды подвергаются воздействию дозы излучения, настолько близкой к идеальной, насколько это возможно.
Для получения такого идеального распределения доз в некоторых системах последовательные ряды ламп УФ излучения смещены таким образом, чтобы текучая среда, проходящая по пространству между лампами первого ряда, контактировала с лампами второго ряда. Однако проблемой таких систем является поглощение УФ излучения соседними лампами, поскольку излучение не может беспрепятственно распространяться вверх или вниз по ходу движения текучей среды. Этому способу также присуща более значительная потеря напора, необходимость использования большего числа ламп, хотя и меньшей мощности.
В другом способе с целью обеспечения воздействия на текучую среду УФ излучения некоторого диапазона интенсивности параллельно лампам размещают плоскую перегородку. В соответствии с некоторыми способами перегородки располагают между всеми группами ламп УФ излучения. Перегородки направляют текучую среду так, чтобы она проходила относительно близко от лампы или ламп.
Для этого способа характерно значительное падение давления в устройстве и наличие зон между перегородками с малым или почти нулевым потоком, поэтому в этих областях доза облучения больше, особенно, когда коэффициент пропускания УФ излучения водой высокий. Поэтому трудно получить устройство, обеспечивающее узкое распределение доз для всего диапазона величин коэффициента пропускания УФ излучения водой, для обработки которой данное устройство предназначено.
В других системах с целью совершенствования распределения доз УФ излучения лампы располагают, преимущественно, в виде кольцевой матрицы (например, как показано на фиг.3а). Однако даже в этих системах и УФ-системах с использованием подобных конфигураций существуют области, где на воду не оказывается воздействия и минимальным потоком УФ излучения. В таких системах текучая среда распределяется таким образом, что некоторый ее объем получает низкую дозу УФ излучения, а другой - высокую дозу, то есть, имеет место широкое распределение доз и, следовательно, вероятность того, что микроорганизмы, получившие более низкие дозы излучения, пройдут сквозь систему и не будут инактивированы.
Системам с расположением источников УФ излучения в виде кольцевой матрицы также свойственна недостаточная эффективность режима изменения параметров. Обычно, в системах с кольцевой матрицей для управления системой требуется отключение пар ламп, а не отдельных ламп, чтобы сохранять симметрию и, по возможности, равномерное распределение доз. Кроме того, в кольцевой матрице отключение двух ламп ведет к возникновению дефицита интенсивности облучения потока в областях, где лампы отключены, по сравнению с потоком излучения в областях, где оставшиеся включенными лампы могут быть расположены близко друг к другу. Результатом неравномерного распределения доз является низкая эффективность и, в некоторых случаях, неадекватное качество обработки или отсутствие обработки воды. В некоторых системах известного уровня техники для регулирования доз излучения требуются крупные узлы.
Таким образом, существует необходимость преодоления недостатков, свойственных системам известного уровня техники, включая нежелательные эффекты неоднородного распределения доз. Кроме того, желательно обеспечить компактное устройство для обработки УФ излучением с достаточной эффективностью при эксплуатации, гибким изменением параметров при отключении ламп и низкой стоимостью.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству для обработки текучих сред, включающему корпус с входным отверстием для текучей среды, выходным отверстием для текучей среды и реакционной камерой. В реакционной камере имеется комплект источников УФ излучения, расположенных, по существу, параллельно друг другу и, по существу, перпендикулярно направлению потока текучей среды. Этот комплект включает, по меньшей мере, две пары источников УФ излучения, каждая из которых размещена в плоскости, перпендикулярной направлению потока текучей среды. Источники первой пары источников УФ излучения расположены с расстоянием, или шагом, между ними, превышающим шаг между источниками второй пары источников УФ излучения. Плоскость, создаваемая двумя источниками УФ излучения, по одному из каждой первой и второй пары, расположенными у общей стенки реакционной камеры (например, верхними источниками УФ излучения), пересекается с плоскостью, создаваемой противолежащими источниками УФ излучения (например, нижними источниками УФ излучения) первой и второй пар источников УФ излучения. К комплекту, расположенному вдоль этих пересекающихся плоскостей может быть добавлена одна или более дополнительная пара источников УФ излучения, отдельный источник УФ излучения может быть помещен на линии пересечения этих плоскостей. В камере может находиться один или более дополнительный комплект источников УФ излучения; устройство для обработки УФ излучением может быть образовано одной или более камерами, в каждой из которых имеется один или более комплект источников УФ излучения. По выбору, верхнюю и нижнюю перегородки располагают выше и вблизи наиболее высоко и наиболее низко расположенных источников УФ излучения, то есть, пары, ближайшей к стенке реакционной камеры. Термины «выше» и «ниже» относятся только к расположению источников и перегородок относительно их ориентации в реакционной камере, как показано на прилагаемых чертежах, и ни коим образом не ограничивают их расположение в различным образом ориентированном устройстве. Например, источники УФ излучения и соответствующие перегородки могут быть ориентированы относительно противоположных боковых стенок.
Итак, устройство для обработки текучей среды, согласно настоящему изобретению включает в себя:
а. реактор для обработки потока текучей среды, в каковом реакторе имеется входное отверстие для текучей среды, выходное отверстие для текучей среды и, по меньшей мере, одна камера между ними; и
b. первую и вторую пары источников УФ излучения, размещенных в указанной камере, при этом каждая пара источников УФ излучения включает в себя верхний и нижний источник УФ излучения, где указанные верхний и нижний источники УФ излучения указанной первой пары указанных источников УФ излучения расположены с шагом, превышающим шаг между указанными верхним и нижним источниками УФ излучения указанной второй пары источников УФ излучения, каковая вторая пара источников УФ излучения размещена рядом с указанной первой парой источников УФ излучения выше или ниже по ходу потока текучей среды, каковые первая и вторая пары источников УФ излучения расположены, по существу, перпендикулярно направлению потока текучей среды.
Кроме того, устройство дополнительно включает в себя добавочный одиночный источник УФ излучения, расположенный выше или ниже по ходу потока относительно указанной второй пары источников УФ излучения и напротив указанной первой пары источников УФ излучения на расстоянии от указанной второй пары источников УФ излучения от нуля до двукратного расстояния между указанными первой и второй парами источников УФ излучения.
А также, устройство дополнительно включает в себя третью пару источников УФ излучения, состоящую из верхнего и нижнего источников УФ излучения и расположенную выше или ниже по ходу потока относительно указанной второй пары источников УФ излучения и напротив указанной первой пары источников УФ излучения на расстоянии от указанной второй пары источников УФ излучения от нуля до двукратного расстояния между указанными первой и второй парами источников УФ излучения с шагом между указанными верхним и нижним источниками УФ излучения указанной третьей пары источников УФ излучения меньшим, чем шаг между указанными верхним и нижним источниками УФ излучения указанной второй пары источников УФ излучения.
При этом шаг между верхним и нижним источниками указанной второй пары источников УФ излучения составляет, приблизительно, две трети шага между верхним и нижним источниками указанной первой пары источников УФ излучения, а шаг между верхним и нижним источниками указанной третьей пары источников УФ излучения составляет, приблизительно, одну треть шага между верхним и нижним источниками указанной первой пары источников УФ излучения.
Указанные источники УФ излучения представляют собой лампы УФ излучения среднего давления, лампы УФ излучения низкого давления, импульсные лампы УФ излучения, эмитирующие УФ излучение диоды или их сочетание.
Устройство дополнительно включает в себя комплект источников УФ излучения, состоящий, по меньшей мере, из двух пар источников УФ излучения, где в первой паре указанных источников УФ излучения указанные источники УФ излучения расположены друг относительно друга с шагом большим, чем шаг между источниками УФ излучения указанной второй пары указанных источников УФ излучения, каковые источники УФ излучения расположены, по существу, перпендикулярно потоку текучей среды.
В устройстве для обработки текучей среды одиночный источник УФ излучения расположен выше по ходу потока относительно второй пары источников УФ излучения. Устройство дополнительно включает в себя четвертый источник УФ излучения, расположенный ниже по ходу потока относительно одиночного источника УФ излучения, первой пары источников УФ излучения, и второй пары источников УФ излучения примерно, на середине шага между соседними источниками УФ излучения, состоящими из комбинации одиночного источника УФ излучения, первой пары источников УФ излучения, и второй пары источников УФ излучения и, как правило, перпендикулярно потоку текучей среды.
А также в устройстве для обработки текучей среды четвертый источник УФ излучения включает в себя более одного дополнительного источника излучения, каждый из которых расположен, примерно, на середине шага соседних пар первого, второго и третьего источников УФ излучения, как правило, перпендикулярно потоку текучей среды.
Кроме того, устройство для обработки текучей среды дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один источник УФ излучения, расположенный ниже по ходу потока относительно указанных первого, второго, третьего и четвертого источников УФ излучения в положении, соответствующем зеркальному отображению одного из указанных первого, второго, третьего и четвертого источников УФ излучения.
Также предлагается способ обработки потока текучей среды при помощи устройства для обработки текучей среды, заключающийся в пропускании указанной текучей среды через камеру и воздействии на указанную текучую среду излучением первой и второй пар источников УФ излучения, расположенных в указанной камере, при этом каждая из пар источников УФ излучения состоит из верхнего и нижнего источников УФ излучения, где указанные верхний и нижний источники УФ излучения указанной первой пары указанных источников УФ излучения расположены с шагом большим, чем шаг между указанными верхним и нижним источниками УФ излучения указанной второй пары источников УФ излучения, каковая вторая пара источников УФ излучения расположена рядом с указанной первой парой источников УФ излучения выше или ниже по ходу потока текучей среды, каковые указанные первая и вторая пары источников УФ излучения расположены, по существу, перпендикулярно направлению потока текучей среды. При этом указанная камера дополнительно содержит один или более модулей, УФ источников, каждый модуль предназначен для размещения УФ лампы.
Кроме того, предлагается способ обработки потока текучей среды, заключающийся в пропускании текучей среды через устройство для обработки текучей среды, воздействии на указанную текучую среду излучением указанных источников УФ излучения и отключении одной или двух пар указанных источников УФ излучения.
Таким образом, настоящее изобретение представляет собой существенное усовершенствование относительно известного уровня устройств для обработки УФ излучением. Один из вариантов настоящего изобретения представляет преимущество, реализованное в устройстве для обработки воды УФ излучением, имеющем эффективную конструкцию, гибкое в эксплуатации и относительно недорогое. Другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении комплекта источников УФ излучения, в котором источники УФ излучения расположены так, что обеспечивают, вообще, дозу УФ излучения, неизменную по поперечному сечению реакционной камеры, тем самым, достигается, большей частью, единообразие доз или узкое распределение доз. Другой задачей одного из вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение устройства с эффективным режимом изменения параметров, то есть, имеющего лампы, эксплуатируемые при сниженной или нулевой мощности с целью обеспечения эффективного изменения параметров. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения используется только столько ламп, сколько необходимо для достижения заданной дозы, причем возможно использование меньшего количества ламп, чем требуется в традиционных УФ-системах. Задачей одного из вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение расположения перегородок, заставляющих текучую среду двигаться в непосредственной близости от источников УФ излучения, тем самым, совершенствуя распределение доз.
Другие задачи, отличительные особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятны или очевидны из следующего подробного описания, чертежей и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой вид в изометрии устройства для обработки УФ излучением, соответствующего настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой вид спереди с поперечным сечением одного из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3а представляет собой вид сбоку с поперечным сечением устройства, в котором используется традиционная кольцевая матрица источников УФ излучения.
Фиг.3b представляет собой вид сбоку с поперечным сечением устройства, в котором используется пять ламп, образующих кольцевую матрицу.
Фиг.4 представляет собой вид сбоку с поперечным сечением, на котором показан комплект источников УФ излучения, расположенных в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5-7 показаны дополнительные виды сбоку с поперечным сечением устройства, включающего комплект источников УФ излучения и пары источников УФ излучения, расположенные в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.8-10 показан вид сбоку, демонстрирующий два или более комплекта источников УФ излучения и пар источников УФ излучения в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения.
Описание изобретения
1
2
Устройство для обработки текучих сред, соответствующее одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, показано, например, на фигурах 1, 2 и 4. Устройство для обработки текучих сред 10 включает корпус 11, в который подается поток текучей среды. Направление течения этого потока показано стрелкой А. В корпусе имеется входное отверстие для текучей среды 12, в которое подается поток текучей среды, реакционная камера 13 для обработки текучей среды и выходное отверстие для текучей среды 14, из которого отводится поток обработанной текучей среды. В реакционной камере 13 имеется первый комплект, включающий, по меньшей мере, две пары источников УФ излучения 15 и 16. Первая пара, 15а и 15b, и вторая пара, 16а и 16b, расположены параллельно друг другу и перпендикулярно потоку текучей среды. Источники УФ излучения 15а и 15b первой пары расположены друг относительно друга с шагом, превышающим шаг, разделяющий источники УФ излучения 16а и 16b. В контексте настоящего документа термин «шаг» означает расстояние между двумя лампами в паре. Для наглядности, каждая из пар показана, например, на фиг.4 на вертикальной пунктирной линии, V, V. Шаг представляет собой расстояние между лампами вдоль этой вертикальной линии. Первая и вторая пары установлены относительно друг друга так, что один источник первой пары (например, верхний источник) и источник второй пары, расположенный ближе к общей стенке камеры 13, чем источник первой пары (например, также верхний источник), образуют плоскость. Вместе с соответствующими вторыми источниками каждой из пар, эти две пары образуют две, по существу, пересекающиеся плоскости.
Источники УФ излучения 15а, 15b и 16а, 16b представляют собой лампы УФ излучения, предпочтительно, ртутные лампы среднего давления. В качестве альтернативы, они могут представлять собой лампы УФ излучения низкого давления, импульсные лампы УФ излучения, эмитирующие УФ излучение диоды или любой другой источник УФ излучения. Обычно, источник УФ излучения заключен в кварцевую трубку или стакан, герметично отделяющий его от текучей среды.
1
2
1
2
1
2
2
3
3
4
Как показано, например, на фиг. 4, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения вторая пара источников УФ излучения 16а, 16b расположена ближе к входному отверстию 12, чем первая пара источников УФ излучения 15а, 15b. Источники УФ излучения 15а, 15b и 16а, 16b отстоят друг от друга в корпусе устройства на расстояние, достаточно большое для того, чтобы скорость текучей среды между ними не была высокой, вызывающей избыточное падение давления в устройстве, но достаточно небольшое для того, чтобы поток УФ излучения не был слишком малым с точки зрения адекватности дозы облучения текучей среды в точке, наиболее удаленной от ламп. В контексте настоящего изобретения термин «расстояние» означает расстояние между одним источником УФ излучения или парой источников УФ излучения и другой парой источников УФ излучения (см. ниже) в направлении потока текучей среды. Для наглядности, горизонтальные пунктирные линии h и h на фиг. 4 представляют собой направление потока текучей среды. Расстояние между источниками УФ излучения измеряется вдоль этих горизонтальных линий и отображено как расстояние между двумя вертикальными пунктирными линиями, такими как V, V. Расстояние от первой пары источников УФ излучения 15а, 15b до второй пары источников УФ излучения 16а, 16b составляет, приблизительно, 0,2 и 1,25 шага между источниками УФ излучения 15а, 15b и источниками УФ излучения 16а, 16b. В примере устройства с двумя парами источников УФ излучения (как на фиг.4) шаг между второй парой источников УФ излучения 16а, 16b составляет, примерно одну треть шага первой пары источников УФ излучения 15а, 15b. В одном из примеров расстояние между лампами 15а и 16а такое же, как шаг между источниками УФ излучения 16а и 16b и расстояние между источниками УФ излучения 16b и 15b. Например, текучая среда, перемещающаяся горизонтально посередине между линиями h и h, получает, примерно, такую же дозу излучения, как и текучая среда, протекающая посередине между линиями h и h, а также как текучая среда, протекающая между h и h.
В другом примере, с пятью источниками УФ излучения (как на фиг.5) , шаг второй пары источников УФ излучения 16а, 16b составляет, примерно, половину шага первой пары источников УФ излучения 15а, 15b.
Такое расположение комплекта ламп позволяет текучей среде протекать между источниками УФ излучения, как правило, беспрепятственно, но не так далеко, чтобы текучая среда, перемещающаяся наиболее далеко от одних источников УФ излучения, проходила далеко от других источников УФ излучения, что означало бы, что текучая среда получает недостаточную дозу излучения. Следовательно, угол между двумя плоскостями с источниками УФ излучения, образованными верхними источниками УФ излучения 15а, 16а и нижними источниками УФ излучения, 15b, 16b, как показано на фиг. 4 (угол ∀), может составлять, ориентировочно, от 40 градусов до 140 градусов. Величины угла и расстояний между лампами и соответствующими стаканами составляют геометрию облучения. В качестве альтернативы, в другом варианте осуществления второй набор источников УФ излучения 16 расположен дальше по ходу потока и дальше от входного отверстия 12, чем первый набор 15, по-прежнему с меньшим шагом, чем первый набор 15, и с углом ∀.
Еще один вариант осуществления устройства 10 дополнительно включает третий источник УФ излучения 18, расположенный перпендикулярно к направлению потока текучей среды А, как показано, например, на фиг. 5. Третий источник УФ излучения 18, необязательно, состоит из пары источников УФ излучения, 18а, 18b, как показано на фиг. 6, расположенных, по существу, параллельно друг другу с меньшим шагом, чем шаг первой и второй пар источников УФ излучения, 15а, 15b и 16а, 16b. В одном из примеров, третья пара источников УФ излучения 18а и 18b расположена выше по ходу потока относительно первой и второй пар источников УФ излучения 15а, 15b и 16а, 16b.
1
2
В одном из вариантов осуществления изобретения третья пара источников УФ излучения 18а и 18b отстоит от второй пары источников УФ излучения 16а, 16b на расстояние, приблизительно равное расстоянию между первой парой источников УФ излучения 15а, 15b и второй парой источников УФ излучения 16а, 16b. Таким образом, верхние источники каждой из пар 18а и 16а, 16а и 15а находятся на, приблизительно, равном расстоянии друг от друга, как и соответствующие им нижние пары 18b и 16b, 16b и 15b. В качестве альтернативы, третья пара источников УФ излучения 18а и 18b не отстоит от второй пары источников УФ излучения 16а, 16b на расстояние, равное расстоянию между первой парой источников УФ излучения 15а, 15b и второй парой источников УФ излучения 16а, 16b. Это расстояние может быть любым от нуля (то есть, 18а и 18b находятся в той же вертикальной плоскости, что и 16а, 16b) до двукратного расстояния между первой парой источников 15а, 15b и второй парой источников 16а, 16b, что заметно не влияет на распределение доз и, следовательно, эффективность. В одном из примеров шаг этой пары составляет, приблизительно, одну треть шага между 16а и 16b и одну пятую шага между 15а и 15b. В другом примере с шестью источниками УФ излучения (как на фиг. 6) шаг второй пары источников УФ излучения 16а, 16b равен, примерно, три пятых шага первой пары источников УФ излучения 15а, 15b; а шаг третьей пары источников УФ излучения 18а, 18b составляет, примерно, одну пятую шага первой пары источников УФ излучения 15а, 15b. Таким образом, сохраняется одинаковое расстояние между последовательными горизонтальными линиями h, h и т.д., что обеспечивает равномерное распределение доз.
В одном из вариантов осуществления изобретения источник УФ излучения 18 включает один источник УФ излучения, расположенный внутри комплекта, состоящего из первой и второй пар источников УФ излучения 15а, 15b и 16а, 16b, в точке пересечения двух плоскостей под углом ∀; в этом случае образуется матрица источников УФ излучения и пар источников УФ излучения, напоминающая орнамент «шеврон». Вершина этой матрицы обращена либо вверх, против потока текучей среды, как показано на фиг. 5, либо, в другой компоновке, показанной на фиг. 7, вниз, по направлению потока текучей среды А. В одном из примеров третий источник УФ излучения 18 не обязательно находится в точке пересечения этих двух плоскостей. Расстояние между источником УФ излучения 18 и второй парой источников УФ излучения 16а, 16b может быть любым от нуля (то есть, 18 находится в той же вертикальной плоскости, что и 16а, 16b) до двукратного расстояния между первой парой источников 15а, 15b и второй парой источников 16а, 16b, что заметно не влияет на распределение доз и, следовательно, эффективность. Шаг между 16а и 16b должен составлять, приблизительно, половину шага между 15а и 15b.
Последующие источники УФ излучения и/или пары ламп, расположенные на, по существу, одинаковых расстояниях с уменьшающимся шагом, могут быть, по выбору, добавлены к конфигурации «шеврон», используемой в данном устройстве. Например, дополнительный одиночный источник УФ излучения может быть помещен выше по ходу потока (когда вершина шеврона указывает вверх) или ниже по ходу потока (когда вершина шеврона указывает вниз) относительно третьей пары источников УФ излучения на расстоянии от третьей пары источников УФ излучения, лежащем в диапазоне от нуля до двукратного расстояния между первой и второй парами источников УФ излучения. В другом примере четвертая пара источников УФ излучения расположена выше или ниже по ходу потока относительно третьей пары источников УФ излучения. От третьей пары источников УФ излучения четвертая пара расположена на расстоянии, лежащем в диапазоне от нуля до двукратного расстояния между указанными первой и второй парами источников УФ излучения, шаг между источниками указанной четвертой пары источников УФ излучения меньше, чем шаг между источниками указанной третьей пары источников УФ излучения. В другом примере с использованием, по меньшей мере, четырех пар источников УФ излучения, шаг второй пары источников УФ излучения равен, приблизительно, пяти седьмым шага первой пары источников УФ излучения, шаг третьей пары источников УФ излучения равен, приблизительно, три седьмых шага первой пары источников УФ излучения, шаг четвертой пары источников УФ излучения равен, приблизительно, одной седьмой шага первой пары источников УФ излучения.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг.8, расположение первого, второго и третьего источников УФ излучения, вообще, имеет конфигурацию «шеврон», а четвертый источник УФ излучения 22 расположен ниже по ходу потока относительно первого, второго и третьего источников УФ излучения, примерно, на середине шага между двумя такими соседними источниками. Средняя точка, по существу, соответствует каналам потока жидкости, образующимся между первым, вторым и третьим источниками УФ излучения (то есть, между источниками УФ излучения 15а и 16а, 16а и 18, 18 и 16b, 16b и 15b). По выбору, четвертый источник 22 включает более одного источника УФ излучения. Все эти дополнительные источники УФ излучения 22а, 22b и т.д., как правило, параллельны друг другу и установлены в камере 13 так, чтобы облучать воду, проходящую по каналам, образованным первым, вторым и третьим источниками УФ излучения. В одном из вариантов осуществления изобретения четвертый источник УФ излучения 22 состоит из четырех источников УФ излучения 22а, 22b, 22с и 22d, расположенных ниже по ходу потока относительно первого, второго и третьего источников УФ излучения. Источники УФ излучения 22а, 22b, 22с и 22d, как правило, находятся в одной плоскости, параллельно друг другу и перпендикулярно направлению потока текучей среды. Каждый из источников УФ излучения 22а, 22b, 22с и 22d расположен так, чтобы облучать воду, проходящую по каналам, образованным первым, вторым и третьим источниками УФ излучения. Каналы потока текучей среды образуются между источниками УФ излучения 15а и 16а, 16а и 18, 18 и 16b, 16b и 15b.
В другом варианте осуществления конфигурации «шеврон» с четвертым источником УФ излучения 22 (который состоит из одного или более источников УФ излучения) каждый из источников, первый, второй и третий источники УФ излучения, имеет дополнительный источник УФ излучения, расположенный в реакционной камере 13 ниже по ходу потока так, что образуется зеркальное отображение. Например, на фиг.9 показан вариант осуществления настоящего изобретения с конфигурацией «шеврон», четвертыми источниками УФ излучения 22а, 22b, 22с и 22d и дополнительным набором источников УФ излучения, расположенным в зеркальном отображении.
Как показано на фиг.5, в камере 13, необязательно, имеется верхняя перегородка 20а и нижняя перегородка 20b. В предпочтительном варианте осуществления изобретения верхняя и нижняя перегородки 20а и 20b расположены выше по ходу потока и смежно с источниками УФ излучения 15а, 15b, которые являются источниками УФ излучения, расположенными с наибольшим шагом и наиболее близко к верхней и нижней сторонам реакционной камеры 13, соответственно. Отклонители или перегородки 20а и 20b предназначены для отклонения потока текучей среды по направлению к источникам УФ излучения 15а, 15b так, чтобы обеспечить адекватную дозу облучения текучей среды, протекающей вдоль верха и низа реакционной камеры 13. Геометрия комплекта ламп и перегородок выполняет функцию направляющего устройства, так организующего поток текучей среды, чтобы повысить однородность распределения доз путем направления текучей среды в области, где возможна ее единообразная обработка. Шаг между задними, или самыми дальними внутренними, кромками верхней и нижней перегородок 20а и 20b больше, чем шаг между источниками УФ излучения 15а, 15b на, примерно, одну четверть шага между последовательными парами источников УФ излучения 16а, 16b и 15а, 15b. Однако шаг между задними или самыми дальними внутренними кромками верхней и нижней перегородок 20а и 20b может быть больше, чем шаг между источниками УФ излучения 15а, 15b на, примерно, 0,1 и 0,5 шага между последовательными парами источников УФ излучения 16а, 16b и 15а, 15b. Задние или самые дальние внутренние кромки верхней и нижней перегородок 20а и 20b расположены горизонтально так, что расстояние от задней или самой дальней внутренней кромки до источников УФ излучения 15а, 15b меньше, чем, приблизительно, половина расстояния по горизонтали между последовательными парами источников УФ излучения 16а, 15а и 16b 15b. Перегородки 20а и 20b могут быть расположены под углом, примерно, 90 градусов к каждой из противоположных стенок реакционной камеры (в зависимости от ориентации, верхней и нижней стенок), что обозначено на фиг.5 как угол ∃. Более предпочтительно, угол ∃ составляет от 20 до 90 градусов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, как показано на фигурах 5 и 6, угол ∃ равен 45 градусов, а плоскость, образованная перегородкой, проходит через источники УФ излучения 15а, 15b, соответственно.
В компоновке, в которой источник УФ излучения 22 состоит из одного или более источников УФ излучения (то есть, 22а, 22b, 22с и т.д.), перегородки 20 устанавливают на противоположных стенках 13а и 13b реакционной камеры. Одну перегородку 20а крепят к верхней стенке 13а реакционной камеры, а другую перегородку 20b крепят к нижней стенке 13b реакционной камеры, как, например, показано на фиг.8. Перегородки устанавливают для направления текучей среды к источнику УФ излучения, расположенному ближе других к стенке камеры. В варианте осуществления изобретения, показанному, например, на фиг. 8, верхняя перегородка 20а расположена выше и вблизи верхнего источника УФ излучения указанной первой пары источников УФ излучения, а нижняя перегородка 20b расположена ниже и вблизи нижнего источника УФ излучения первой пары источников УФ излучения. Перегородки могут быть использованы в варианте осуществления изобретения, дополнительно включающем один или более добавочный источник УФ излучения (то есть, 115, 116, 118, 122). В таком варианте осуществления перегородки 20 располагают выше по ходу потока и вблизи добавочных источников УФ излучения 115а, 115b, которые размещены с наибольшим шагом и ближе остальных к верхней и нижней сторонам реакционной камеры 13, соответственно, как показано, например, на фиг.9.
В еще одном варианте осуществления изобретения использовано два комплекта источников УФ излучения. Оба комплекта могут быть размещены в одной и той же реакционной камере 13. Как показано, например, на фиг. 10, каждый комплект состоит из пяти источников УФ излучения, а его вершина указывает вверх по ходу потока. Во втором комплекте необязательно должно быть такое же количество источников УФ излучения, как и в первом, однако, второй комплект, обычно, располагают по тому же принципу, что и первый, с уменьшенными величинами шага и образованием двух пересекающихся плоскостей.
Комплект источников УФ излучения проектируют так, чтобы текучая среда распределялась равномерно и подвергалась одинаковому облучению УФ излучением, что обеспечивает более узкое распределение доз, чем в традиционных устройствах для обработки УФ излучением, и относительно хорошую эффективность.
Управляемый поток текучей среды, реализованный в одном из вариантов осуществления изобретения, обеспечивает идентичную гидравлику независимо от того, все ли источники УФ излучения являются работающими. Так, чтобы снизить затраты, необязательно, чтобы все четыре, пять, шесть, девять, десять или восемнадцать источников УФ излучения (в вариантах осуществления изобретения, показанных на фигурах 4-10) содержали лампы, которые обязательно должны быть включены или отключены. Такая возможность является привлекательной ввиду высокой стоимости проверки пригодности подобных устройств в соответствии со стандартизованной методикой испытаний, такой как предписывается в документе UVDGM (Руководство по дезинфекции УФ излучением Управления по охране окружающей среды США, ноябрь 2006 г.). Для такой проверки устройство должно быть испытано при всех возможных комбинациях рабочих параметров, включая: поток, мощность ламп, коэффициент пропускания водой УФ излучения и количество включенных ламп. По этой причине экономически более эффективно проводить проверку единственной конфигурации устройства, например, при установке всех пяти кварцевых трубок и ламп (15а, 15b, 16a, 16b и 18) и поставлять устройство для обработки УФ излучением на водоочистную станцию с установленными в кварцевых трубках от одной до пяти ламп, тем самым, сводя к минимуму стоимость проверки и уменьшая стоимость устройства, если требуется менее, чем полный комплект из пяти ламп.
Кроме того, если в комплект поставки входят все пять УФ-ламп, устройство обладает большими возможностями изменения параметров, поскольку оно может эффективно работать с таким количеством ламп, какое необходимо. Таким образом, когда устройство прошло проверку с работающими от одной до пяти установленных ламп, лампы могут быть отключены для экономии электроэнергии и расходов на обслуживание ламп.
Устройство 10 пригодно для функционирования с меньшим количеством ламп, чем нужно в традиционных устройствах обработки УФ излучением, тем самым, можно снизить эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными системами. Например, в данном устройстве устранена необходимость, присущая устройствам известного уровня техники, отключать лампы парами для сохранения симметрии, требующейся для равномерного распределения доз. В традиционной кольцевой матрице (показанной для иллюстрации на фиг.3а) при отключении двух ламп, в той части потока, где лампы отключены, создаются условия недостаточной обработки. Оставшиеся включенными лампы расположены близко друг к другу, следовательно, имеет место передозировка излучения, что приводит к неравномерному распределению доз, следовательно, низкой эффективности.
Помимо гибкости, обеспечиваемой настоящим изобретением в части возможности отключения ламп по одной, так что остаются работающими одна, две, три, четыре или пять ламп, а не парами, так что остаются работающими две, четыре или шесть ламп, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения эта возможность обеспечивается наряду с поддержанием приемлемого распределения доз и повышенной эффективностью эксплуатации. В ходе функционирования устройства, если имеет место низкий расход жидкости через реакционную камеру или высокое качество воды, необязательно должны работать все источники УФ излучения, что дает возможность уменьшить расходы по эксплуатации такого устройства. Широкие возможности отключения ламп в реакционной камере привлекательны как с точки зрения настройки параметров устройства согласно его конкретному применению, так и эксплуатации устройства при снижении соответствующих расходов. Упомянутая выше проверка пригодности дает набор уравнений для эксплуатационных параметров, которые позволяют рассчитать необходимую для достижения конкретной дозы интенсивность излучения при любом количестве включенных ламп. Эта доза соответствует известной инактивационной дозе конкретного, являющегося объектом обработки организма. Следовательно, при сниженном расходе жидкости или высоком коэффициенте пропускания УФ излучения водой мощность оставшихся включенными ламп может быть уменьшена так, чтобы получить необходимую интенсивность излучения, измеряемую датчиком УФ излучения, что дополнительно снижает эксплуатационные расходы. Хотя отключение ламп приводит к наличию большего расстояния между лампами по сравнению с традиционными системами, уникальное расположение ламп в соответствии с настоящим изобретением позволяет получить более равномерное распределение доз, следовательно, проводить более эффективную обработку.
1
2
1
2
Особенно это относится к случаю, когда для получения требуемой дозы нужно только две лампы из пяти в соответствующем варианте осуществления изобретения. В таком варианте лампы 16а и 16b остаются включенными, а лампы 18, 15а и 15b могут быть выключены. Эти две лампы расположены в потоке текучей среды симметрично, лампа 18 расположена между ними, одна лампа 15а - ниже, и одна лампа 15b - выше них, тем самым, при высоком коэффициенте пропускания УФ излучения и/или уменьшенном расходе жидкости сохраняется равномерное распределение доз. В случае кольцевой матрицы, например, с шестью лампами, если оставить включенными две лампы, то либо возникает увеличенный шаг в центре реакционной камеры - если оставлены включенными лампы a и а, либо два зазора в верхней и нижней частях реакционной камеры - если оставлены включенными две смежные лампы b и b. В обоих случаях результатом является неравномерное распределение доз.
Кроме того, в одном из вариантов осуществления изобретения уникальное расположение источников УФ излучения 15а, 15b, 16а, 16b и 18 позволяет устранить необходимость, свойственную многим подобным устройствам, в которых задействовано до трех последовательных наборов ламп. Например, в некоторых устройствах для обработки текучей среды нужно до трех наборов ламп, каждый из которых состоит из двух или трех ламп. Такие устройства с несколькими наборами ламп могут быть эффективными, с широкими возможностями изменения параметров, однако, они длиннее, следовательно - громоздкие и более дорогие. Другим недостатком реакторов с серией из нескольких наборов ламп является необходимость установки больших по размеру отклоняющих перегородок, направляющих текучую среду ближе к небольшому количеству ламп в каждом наборе, в результате чего увеличивается скорость текучей среды и, следовательно, падение давления по сравнению с аналогичными параметрами настоящего изобретения. Настоящее изобретение позволяет получить хорошие результаты при наличии только одной зоны обработки текучей среды или одного набора ламп.
Пример 1
1
2
1
2
Для проведения сравнения с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения модифицировали устройство с обычной кольцевой матрицей. В таких устройствах необходимо, по меньшей мере, шесть или более ламп. Для сравнения с настоящим изобретением подготовили устройство с «кольцевой матрицей», состоящей только из пяти УФ-ламп, как показано на фиг.3b. В этой матрице лампы b и b расположены ниже по ходу потока относительно источников УФ излучения a и а для получения эффекта, по существу, кольцевой матрицы, сравниваемой с матрицей из пяти ламп в виде шеврона варианта осуществления, показанного
на фиг.5. Шаг между парами ламп был сохранен. Для определения эксплуатационных характеристик данного устройства при работе с пятью и с четырьмя лампами использовали численное гидрогазодинамическое моделирование совместно с моделированием поля потока излучения. Аналогичные испытания были проведены для варианта осуществления настоящего изобретения, в котором используется пять ламп, расположенных в виде шеврона, как показано на фиг. 5. Результаты сведены для сравнения в таблице 1, приводимой ниже.
Таблица 1
Расход, MGD* (м<sup>3</sup>/день)
6,2 (23467)
4,9 (18546,5)
Коэффициент пропускания УФ излучения
80
80
Количество работающих ламп
5
4
Доза при конфигурации «шеврон»
51,4
31,7
Доза при кольцевой конфигурации
43,4
27,6
% снижения дозы
-16%
-13%
* MGD - миллионов галлонов в день
3
2
2
3
2
2
Результаты сравнения указывают на эффективность настоящего изобретения относительно кольцевого расположения пяти ламп. При пяти работающих лампах расход в 6,2 млн галлонов в день (23467 м/день) и коэффициенте пропускания УФ излучения водой 80% устройство настоящего изобретения с конфигурацией «шеврон» позволяет обеспечить получение организмами, присутствующими в потоке текучей среды, дозы УФ излучения 51,4 мДж/см. Расположение ламп устройства, показанного на фиг.3b, напротив, обеспечивает дозу 43,4 мДж/см при аналогичных условиях расхода и коэффициента пропускания излучения водой. При четырех работающих лампах (отключена лампа 18 на фиг.5 и лампа с на фиг.3В), расходе 4,9 млн галлонов в день (18546,5 м/день) и коэффициенте пропускания УФ излучения водой 80%, доза для конфигурации «шеврон» составила 31,7 мДж/см, тогда как для пяти ламп кольцевой матрицы доза составила только 27,6 мДж/см. Это означает снижение показателей на 16% и 13% для пяти и четырех ламп, соответственно, для кольцевой матрицы по сравнению с матрицей «шеврон» настоящего изобретения.
Таким образом, приведенные выше данные свидетельствуют об улучшении на 16% работы устройства с матрицей «шеврон» относительно кольцевой матрицы с пятью лампами. Это говорит о том, что пять ламп матрицы «шеврон» имеют показатели, эквивалентные 5,8 лампам (5 1,15) кольцевой матрицы. Следовательно, ожидается, что пять ламп, расположенных в соответствии с конфигурацией «шеврон» одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, функционируют почти так же, как кольцевая матрица с шестью лампами.
Пример 2
В одном из примеров настоящего изобретения устройство 10 с пятью лампами, расположенными, по существу, в виде конфигурации «шеврон» в соответствии с настоящим изобретением было подвергнуто биологическому тестированию в соответствии с UVDGM с целью определения параметров его работы. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Расход, MGD* (м<sup>3</sup>/день)
10
8
6
4
1
(37850)
(30280)
(22710)
(15140)
(3785)
Коэффициент пропускания
85
88
88
88
95
УФ излучения, %
Количество не
5
4
3
2
1
отключенных ламп
Заданная доза, мДж/см<sup>2</sup>
40
40
40
40
40
Реальная доза при 10
44,9
44,9
49,4
40,2
42,1
кВт/лампа
Мощность лампы для
8,9
8,8
7,8
10,0
9,3
достижения дозы 40, кВт
3
2
2
3
3
2
3
3
При пяти работающих лампах, расходе 10 млн галлонов в день (37850 м/день), коэффициенте пропускания УФ излучения 85%, была получена доза 44,9 мДж/см. Для получения требуемой дозы 40 мДж/см мощность ламп можно уменьшить до 8,9 кВт/лампа. Чтобы продемонстрировать эффективность изменения параметров попеременно отключали разные лампы, одну лампу или пару ламп одновременно. В случае расхода 8 млн галлонов в день (30280 м/день) при коэффициенте пропускания УФ излучения 88% этих ламп было достаточно, так что для обеспечения нужной дозы требовалось только четыре лампы. Затем отключили вторую пару ламп, 16а и 16b, а лампу 18 включили, получив три работающие лампы. Вариант с тремя лампами был приемлемым, если, например, расход составлял 6 млн галлонов в день (22710 м/день) при коэффициенте пропускания УФ излучения 88%, и обеспечивал дозу более 40 мДж/сми, следовательно, обезвреживание целевых микроорганизмов. Кроме этого был предусмотрен комплект поставки устройства с установленными только тремя из пяти возможных ламп, представляющий собой более эффективное, менее дорогое устройство по сравнению с конструкцией с четырьмя лампами, необходимыми в традиционной кольцевой матрице при проектном (пиковом) расходе и таком коэффициенте пропускания УФ излучения, когда для достижения заданной дозы нужно только три лампы. Затем были отключены передняя лампа 18 и первая пара ламп 15а и 15b, работающими остались две лампы, которых оказалось достаточно для эффективной работы при уменьшенном расходе в 4 млн галлонов в день (15140 м/день) и коэффициенте пропускания УФ излучения 88%. Наконец, все лампы за исключением передней лампы 18 были отключены, то есть, осталась одна работающая лампа. Этот вариант с максимальным отключением и одной работающей лампой позволил достигнуть заданной дозы при расходе в 1 млн галлонов в день (3785 м/день) и коэффициенте пропускания УФ излучения 95%. Как видно из этого примера, настоящее изобретение обеспечивает устройство для обработки УФ излучением, включающее УФ-лампы, расположенные в воде симметрично особым образом, позволяющим получить приемлемое распределение доз и эффективность для обрабатываемой в устройстве текучей среды.
Дополнительным преимуществом одного из вариантов осуществления настоящего изобретения является то, что лампы сгруппированы в одной половине кольцевой торцевой пластины, являющейся основой для установки ламп и кварцевых трубок, образующих источники УФ излучения. В этом случае вторая половина остается свободной для размещения на ней дверцы отверстия для руки, которую удаляют для обеспечения доступа внутрь реакционной камеры при техническом обслуживании. В устройствах с кольцевой матрицей меньше места для размещения отверстия для руки, что затрудняет их обслуживание.
Когда используется, при желании, более крупное устройство с источниками УФ излучения с относительно большей длиной дуги, как в одном из примеров, самый нижний источник УФ излучения 15b работает с большей мощностью, чем лампы других источников УФ излучения 16, 18b и 15а с целью компенсации относительно более низкой интенсивности излучения этой лампы, направленного вниз, по сравнению с направленным вверх. Чем больше длина дуги, тем значительнее преимущество, ожидаемое авторами изобретения в этом случае. В качестве альтернативы, нижняя перегородка 20b может простираться дальше вглубь камеры 13 с целью уменьшения шага относительно самого нижнего источника УФ излучения 15b по сравнению с шагом между верхней перегородкой 20а и самым верхним источником УФ излучения 15а, таким образом, поток текучей среды отклоняется вверх, что компенсирует относительно более низкую интенсивность излучения этой лампы вниз, по сравнению с интенсивностью излучения, направленного вверх.
Кроме того, вместо размещения ламп точно в виде матрицы «шеврон», или
V-образно, можно переместить лампы 16а, 16b дальше вверх по ходу потока (фиг.5, 6) или вниз по ходу потока (фиг.7), приближая конфигурацию к полукругу или С-образной форме. То есть, хотя увеличение шага между соседними лампами или парами ламп должно быть более или менее одинаковым для обеспечения равномерного распределения УФ излучения, расстояние между лампой (лампами) 18 и 16а, 16b может составлять половину или два расстояния между 16а, 16b и 15а, 15b, что существенно не изменяет распределения УФ излучения. Кроме того, хотя наиболее эффективным является сохранение строго одинакового увеличения шага между соседними лампами или парами ламп при работе с 5 лампами, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения увеличение шага между лампами 16а, 16b составляет до 10% при уменьшении шага между лампами 15а, 15b до 10% с целью выравнивания распределения доз и, следовательно, эксплуатационных параметров при включенных двух лампах (16а, 16b) или трех лампах (18, 15а, 15b), соответственно. Это может быть сделано с незначительным ущербом для эксплуатационных параметров при 5 работающих лампах.
Хотя в данном документе продемонстрированы и описаны предпочтительные на настоящий момент варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что подробное описание вариантов осуществления и фигур приведено с целью разъяснения, а не ограничения. Настоящее изобретение может быть как-либо изменено или модифицировано без отступления от объема настоящего изобретения, определенного в формуле изобретения. Кроме того, специалистам в данной области ясно, что представленное устройство может быть установлено вертикально, так что текучая среда будет перемещаться в нем вертикально вверх или вниз. В случае использования такой ориентации термины вертикальный и горизонтальный, верхний и нижний в приведенных выше примерах изменятся, заменив друг друга. Количество ламп, которое может быть использовано для создания двух, по существу, пересекающихся плоскостей, как в матрице «шеврон», описанной в настоящем документе, не имеет определенных ограничений. Кроме того, для получения больших доз, если это нужно в конкретном варианте применения устройства, также могут быть использованы последовательные зоны для обработки текучей среды, в каждой из которых имеются пересекающиеся плоскости, образованные лампами.