УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
DEVICE FOR LIQUID DISINFECTION WITH ULTRAVIOLET RADIATION

Изобретение относится к области обеззараживания жидкостей, в том числе воды, ультрафиолетовым (УФ) излучением. Устройство для обеззараживания жидкостей ультрафиолетовым излучением имеет герметичный цилиндрический корпус-реактор 1, внутри которого вдоль его оси расположена выполненная в виде прямой трубки УФ-лампа 2, помещенная в герметичный защитный кварцевый чехол 3, имеющий хотя бы с одной стороны открытый выход через торец корпуса реактора 1 для подключения электропитания лампы 2. Корпус-реактор имеет входной 4 и выходной 5 патрубки, расположенные у его торцов. Внутри корпуса-реактора 1 между входным 4 и выходным 5 патрубками установлены один или несколько рассекателей потока 6. Поток обрабатываемой жидкости входит через входной патрубок 4 в корпус-реактор 1 и движется вдоль его оси к выходному патрубку 5, при этом рассекатели 6 создают и поддерживают распределение продольной скорости потока такое, что она максимальна у поверхности защитного кожуха 3 и постепенно убывает при удалении от оси лампы. Зависимость продольной скорости потока от расстояния от оси лампы будет оптимальной, если ее вид будет приближен к виду зависимости от этого расстояния средней по длине лампы интенсивности УФ-облучения. Технический результат заключается в увеличении равномерности облучения УФ-излучением всего объема обрабатываемой жидкости и, как следствие, увеличение степени обеззараживания и/или производительности устройства. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области обеззараживания жидкостей, в том числе воды, с помощью обработки ультрафиолетовым (УФ) излучением с длиной волны бактерицидного диапазона.
Устройство для обеззараживания жидкостей ультрафиолетовым излучением имеет герметичный цилиндрический корпус-реактор, внутри которого вдоль его оси расположена выполненная в виде прямой трубки УФ-лампа, помещенная в герметичный защитный кварцевый чехол, имеющий хотя бы с одной стороны открытый выход через торец корпуса-реактора для подключения электропитания лампы. Корпус-реактор имеет входной и выходной патрубки, расположенные у его торцов. Внутри корпуса-реактора между входным и выходным патрубками установлены один или несколько рассекателей потока. Поток обрабатываемой жидкости входит через входной патрубок в корпус-реактор и движется вдоль его оси к выходному патрубку, при этом рассекатели создают и поддерживают распределение скорости потока такое, что она максимальна у поверхности защитного кожуха и постепенно убывает при удалении от оси лампы. Зависимость продольной скорости потока от расстояния от оси лампы будет оптимальной, если ее вид будет приближен к виду зависимости от этого расстояния средней по длине лампы интенсивности УФ-облучения.
Из существующего уровня техники известно устройство для обеззараживания жидкостей, в частности воды, воздействием УФ-излучения, состоящее из одной или нескольких ультрафиолетовых ламп, выполненных в виде длинных трубок с электродами на концах и помещенных в защитные кварцевые чехлы, которые находится внутри герметичного корпуса-реактора, имеющего патрубки для входа и выхода потока жидкости. Корпус-реактор выполнен, как правило, в виде цилиндра, лампы в защитных чехлах располагаются параллельно его оси так, что имеется доступ к электродам ламп через отверстия в торцах корпуса для подачи электропитания, а патрубки входа и выхода расположены у торцов цилиндра. Обрабатываемая жидкость поступает через входной патрубок внутрь корпуса-реактора и протекает вдоль его к выходному патрубку, подвергаясь бактерицидному воздействию УФ-излучения.
Недостатком описанного устройства является невысокая эффективность обеззараживания, вызванная неравномерностью облучения объема обрабатываемой жидкости. В каждой точке объема корпуса-реактора даже при условии полной прозрачности жидкости для УФ-лучей интенсивность излучения, поступающего от каждой лампы, зависит от расстояния до этой лампы. При протекании вдоль корпуса-реактора те части потока, которые находятся вдали от ламп, могут получать дозы излучения в разы меньшие, чем части потока вблизи защитных чехлов ламп. Неравномерность распределения интенсивности излучения внутри корпуса-реактора становится еще больше, если имеет место поглощение УФ-излучения в обрабатываемой жидкости, например, из-за наличия растворенных веществ или взвешенных твердых примесей.
Указанный недостаток можно устранить, если обеспечить перемешивание потока так, чтобы каждый микрообъем жидкости подвергался одинаковому воздействию излучения. Для этих целей в патентах US 5352359, US 2007/0012883 A1, US 2009/0084734 A1, RU 2027678 C1, 1992, например, предлагались устройства с различными перегородками и лопастями внутри корпуса-реактора или же спиральные канавки на внутренней поверхности корпуса-реактора, как в RU 88345 U1, 2009. Однако спиральные канавки не дают должного перемешивания. С другой стороны, для перемешивания жидкости с помощью перегородок и/или лопастей, обеспечивающего эффективное усреднение получаемой жидкостью дозы облучения, они должны быть установлены перпендикулярно или под углом к оси корпуса-реактора и достаточно близко друг от друга, что создает значительные препятствия для излучения, распространяющегося под углом к оси ламп и снижает интенсивность облучения. Изготовление перегородок и лопастей из материалов, либо пропускающих УФ-излучение (кварц), либо эффективно отражающих его (анодированный алюминий), технологически сложно, поэтому не находит практического применения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство (патент US 2009/00884734 A1, опубл. 2.04.06.2009 г.), содержащее закрытый цилиндрический корпус-реактор с входным и выходным патрубками у его торцов, внутри которого имеется ультрафиолетовая лампа в виде прямой трубки, установленной параллельно оси корпуса-реактора, и ряд поперечных перегородок с отверстиями. Отверстия служат для создания турбулентности в потоке жидкости, обеспечивающей его перемешивание.
Увеличение равномерности облучения УФ-излучением всего объема обрабатываемой жидкости и, как следствие, увеличение степени обеззараживания и/или производительности в предлагаемом устройстве может быть достигнуто за счет действия рассекателей потока, при котором части потока, движущиеся вблизи лампы и подвергающиеся более интенсивному УФ-облучению, проходят обработку менее длительное время, чем части потока, движущиеся на расстоянии от лампы в областях меньших интенсивностей облучения.
Конструкция устройства поясняется на фиг. 1, 2 и 3.
Устройство для обеззараживания жидкостей ультрафиолетовым излучением имеет герметичный цилиндрический корпус-реактор 1, внутри которого вдоль его оси расположена выполненная в виде прямой трубки УФ-лампа 2, помещенная в герметичный защитный кварцевый чехол 3, имеющий хотя бы с одной стороны открытый выход через торец корпуса реактора 1 для подключения электропитания лампы 2. Корпус-реактор имеет входной 4 и выходной 5 патрубки, расположенные у его торцов. Внутри корпуса-реактора 1 между входным 4 и выходным 5 патрубками установлены один или несколько рассекателей потока 6, которые создают и поддерживают распределение скорости потока такое, что она максимальна у поверхности защитного кожуха и постепенно убывает при удалении от оси лампы. Зависимость продольной скорости потока от расстояния от оси лампы будет оптимальной, если ее вид будет приближен к виду зависимости от этого расстояния средней по длине лампы интенсивности УФ-облучения. Технический результат заключается в увеличении равномерности облучения всего объема обрабатываемой жидкости и, как следствие, увеличение степени обеззараживания и/или производительности устройства.
Работает устройство следующим образом. Поток обрабатываемой жидкости попадает внутрь корпуса-реактора 1 через входной патрубок 4 и проходит через ближний к этому патрубку рассекатель потока 6. После этого распределение скорости потока по сечению корпуса-реактора становится таким, что она максимальна у поверхности защитного чехла лампы 3 и убывает по мере удаления от него. Если зависимость продольной скорости потока от расстояния до оси лампы пропорциональна средней по длине лампы 2 интенсивности УФ-облучения для этого расстояния, то время прохождения через устройство части потока, движущейся на любом расстоянии от лампы, будет обратно пропорционально средней интенсивности облучения, которое на него воздействует. А это значит, что получаемая доза облучения, которая равна произведению интенсивности облучения на время облучения, для всех частей потока будет примерно одинаковой. Распределение скорости потока по сечению корпуса-реактора, полученное после прохождения жидкости через рассекатель, меняется по мере его дальнейшего продвижения. Поэтому для поддержания нужного распределения скорости потока могут быть установлены дополнительные рассекатели 6, количество которых будет зависеть от вязкости жидкости, размеров корпуса-реактора 1 и требуемой для обеззараживания дозы облучения.
Если расстояние от лампы значительно меньше ее длиныи расстояния до ее концов, то интенсивность УФ-облучения максимальна у поверхности защитного кожуха лампы и убывает приблизительно обратно пропорционально расстоянию от оси лампы, При увеличении расстояния от кожуха до значений, сравнимых с длиной лампы и/или расстоянием до ее концов, и при наличии поглощения УФ-излучения в обрабатываемой жидкости скорость убывания интенсивности облучения с расстоянием увеличивается. Поэтому для получения максимального эффекта рассекатели потока должны формировать и поддерживать зависимость продольной скорости потока обрабатываемой жидкости близкое к обратно пропорциональной от расстояния от оси лампы или с более быстрым убыванием от этого расстояния. Конкретный вид оптимального распределения скорости потока будет зависеть от геометрических размеров корпуса-реактора и коэффициента поглощения УФ-излучения в обрабатываемой жидкости.
Рассекатели потока могут быть выполнены в виде поперечных перегородок с отверстиями для прохода обрабатываемой жидкости, как это показано на фиг. 3. Перегородки разделены на концентрические кольцевые зоны равной ширины с общим центром на оси лампы. При этом первая зона, которая образована поверхностью защитного кожуха лампы 3 и краем перегородки-рассекателя 6, является полностью открытой для прохода жидкости, а остальные зоны имеют равномерно распределенные по ним проходные отверстия 7. Часть потока жидкости, проходящая через отверстия каждой из зон 7, образует после перегородки цилиндрический слой, движущийся со скоростью, пропорциональной отношению суммарной площади проходных отверстий этой зоны к площади зоны. Площадь каждой зоны пропорциональна ее среднему радиусу. Если при этом суммарная площадь проходных отверстий для всех зон одинаковая, то скорость потока в цилиндрических слоях потока после перегородки будет обратно пропорциональной средним радиусам соответствующих зон. Если средняя по длине лампы интенсивность облучения убывает с расстоянием от оси лампы быстрее, чем по обратно пропорциональной зависимости, то суммарная площадь проходных отверстий в каждой зоне должна быть меньше, чем этот параметр для зоны, ближней к ней со стороны лампы. Конкретная оптимальная зависимость суммарной площади проходных отверстий от среднего радиуса зоны будет определяться длиной лампы, поперечным размером корпуса-реактора и коэффициентом поглощения УФ-излучения в обрабатываемой жидкости.
На фиг. 4 показан пример сравнения зависимости продольной скорости V для потока воды Q=1,8 л/сек от рас 3Б, и расчетной оптимальной зависимости этой скорости ТЕОРЕТ., пропорционального средней по длине лампы интенсивности УФ-облучения, от того же расстояния R. Расчеты выполнены для следующих параметров: общий поток воды - 1,8 л/сек.; температура воды - 20°С; внешний диаметр защитного чехла лампы 3-4 см; внутренний диаметр корпуса-реактора 1-18 см; количество зон расположения проходных отверстий рассекателя - 7; суммарные площади проходных отверстий всех зон равны между собой; расстояние, проходимое водой после рассекателя - 40 см.