УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА
AIR DISINFECTION SET

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для повышения эффективности обеззараживания воздуха в помещениях различного назначения.
Из уровня техники известно устройство для обеззараживания воздуха, содержащее один или несколько источников ультрафиолетового излучения в виде бактерицидных ламп на парах ртути, работающих в режиме непрерывного горения (RU 2153886 C1, A61L 9/20, 2000; RU 2153886 C1, A61L 9/20, 2007; ЕР 0220050, A61L 9/18, 1987). Основным недостатком известных устройств является невысокая производительность, обусловленная низкоинтенсивным монохроматическим характером излучения бактерицидных ламп, и, соответственно, большое время облучения для обеспечения эффективного обеззараживания воздуха.
Известна также установка для обеззараживания и дезодорации воздуха, содержащая корпус, в котором размещены блок питания и управления, включающий накопительный конденсатор, высоковольтный источник постоянного тока, генератор импульсов поджига, импульсный трансформатор на ферритовом сердечнике и схему управления, и закрепленный на корпусе источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, заключенной в трубчатый кварцевый кожух, охлаждаемый водой, при этом накопительный конденсатор и импульсная газоразрядная лампа образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике (RU 2092191 C1, A61L 9/20, 1997). Наличие водяного охлаждения импульсной газоразрядной лампы усложняет и утяжеляет конструкцию установки и снижает эффективностью обеззараживающей обработки воздуха.
Изобретение направлено на упрощение конструкции установки и повышение эффективности обеззараживания воздуха.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в установке для обеззараживания воздуха, содержащей корпус, в котором размещены блок питания и управления, включающий накопительный конденсатор, высоковольтный источник постоянного тока, генератор импульсов поджига, импульсный трансформатор на ферритовом сердечнике и блок программного управления, и закрепленный на корпусе источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы, заключенной в трубчатый прозрачный для бактерицидного излучения охлаждаемый кожух, при этом накопительный конденсатор и импульсная газоразрядная лампа образуют разрядный контур, связанный с генератором импульсов поджига посредством импульсного трансформатора на ферритовом сердечнике, согласно изобретению, импульсная газоразрядная лампа размещена в прозрачном для бактерицидного излучения кожухе с возможностью конвективного охлаждения воздухом за счет создания естественной тяги внутри кожуха, при этом в верхней части кожуха выполнены одно или несколько отверстий верхнего уровня, а в нижней части кожуха выполнены отверстия нижнего уровня, при следующем соотношении параметров:
где h - расстояние между отверстиями верхнего уровня и отверстиями нижнего уровня, м;
верхн
2
S - суммарная площадь отверстий верхнего уровня, м;
нижн
2
S - суммарная площадь отверстий нижнего уровня, м;
13
2
5
2
А=(2÷30)·10 Дж/мс - энергетический коэффициент согласования;
С - емкость накопительного конденсатора, Ф;
0
U - напряжение заряда накопительного конденсатора, В;
F - частота повторения импульсов генератора импульсов поджига, Гц.
Предпочтительно, чтобы источник ультрафиолетового излучения был установлен на корпусе вертикально.
При этом импульсная газоразрядная лампа может быть выполнена U-образной или цилиндрической.
При этом отверстия нижнего уровня могут быть выполнены в боковой поверхности кожуха.
Кроме того, источник ультрафиолетового излучения может быть установлен горизонтально, а отверстия верхнего и нижнего уровня могут быть выполнены в боковой поверхности кожуха.
13
2
5
2
Выполнение кожуха с отверстиями верхнего и нижнего уровня обеспечивает возможность конвективного охлаждения импульсной газоразрядной лампы восходящим потоком воздуха, протекающим за счет естественной тяги внутри кожуха, что упрощает конструкцию источника ультрафиолетового излучения и установки в целом, а заявленное соотношение (1), включающее энергетический коэффициент согласования и связывающее конструктивные и энергетические (режимные) параметры установки, которое получено экспериментальным путем, обеспечивает в заявленном диапазоне А=(2÷30)·10 Дж/мсоптимальность и эффективность одновременно протекающих процессов свободной конвекции и охлаждения импульсной газоразрядной лампы и процессов образования озона из кислорода воздуха за счет коротковолнового участка ультрафиолетового излучения и термического разрушения озона за счет тепла, выделяющегося при импульсном разряде электрического тока в газоразрядной лампе, что обусловливает надежную работу импульсной газоразрядной лампы и высокую степень обеззараживания воздуха при низком уровне наработки озона в обрабатываемом помещении.
На Фиг.1 изображен общий вид установки для обеззараживания воздуха с вертикальной U-образной газоразрядной лампой; на Фиг.2 - то же для варианта с вертикальной цилиндрической газоразрядной лампой; на Фиг.3 изображена конструкция импульсной газоразрядной лампы с горизонтальным расположением.
Установка для обеззараживания воздуха содержит корпус 1, в котором размещен блок питания и управления, включающий накопительный конденсатор 2, подключенный к высоковольтному источнику 3 постоянного тока, генератор 4 импульсов поджига, к которому подключен импульсный трансформатор 5 на ферритовом сердечнике, и блок 6 программного управления. На корпусе 1 закреплен источник ультрафиолетового излучения в виде импульсной газоразрядной лампы 7, образующей с накопительным конденсатором 2 и вторичной обмоткой импульсного трансформатора 5 на ферритовом сердечнике замкнутый разрядный контур. Импульсная газоразрядная лампа 7 выполнена в виде кварцевой трубки U-образной (Фиг.1) или цилиндрической (Фиг.2) формы, полость которой заполнена инертным газом ксеноном при давлении 300÷450 мм рт.ст., а на торцах вварены электроды 8 из торированого вольфрама, и размещена в кожухе 9 из прозрачного для бактерицидного излучения материала (например, из плавленого кварца, спектральный диапазон прозрачности которого обычно составляет 185÷2700 нм, или из сапфира), в котором выполнены отверстия 10 нижнего уровня и отверстия 11 верхнего уровня, расстояние между которыми составляет «h». Кожух 9 и импульсная газоразрядная лампа 7 установлены на корпусе 1, предпочтительно, вертикально с помощью диэлектрического фланца 12.
1
2
При выполнении импульсной газоразрядной лампы 7 в форме прямого цилиндра (Фиг.2) отверстия 11 верхнего уровня и отверстия 10 нижнего уровня могут выполняться в боковой поверхности цилиндрического кожуха 9, при этом расстояние между отверстиями 10 и 11 составляет «h». Возможно также размещение отверстий 13 нижнего уровня в нижнем диэлектрическом фланце 12, а отверстий 14 верхнего уровня - в верхнем диэлектрическом фланце 15, при этом расстояние между отверстиями 13 и 14 составляет «h».
3
4
В варианте горизонтального расположения импульсной газоразрядной лампы 7 и кожуха 9 (Фиг.3) отверстие 10 нижнего уровня может быть выполнено в середине нижней части боковой поверхности кожуха 9, а отверстия 11 верхнего уровня могут быть выполнены в верхней части боковой поверхности кожуха 9 вблизи торцов, при этом расстояние между отверстиями 10 и 11 составляет «h» и/или в диэлектрическом фланце 16 (отверстия 14) при этом расстояние между отверстиями 10 и 14 составляет «h».
Установка для обеззараживания воздуха характеризуется экспериментально полученным соотношением (1), связывающим конструктивные геометрические параметры кожуха 9 и энергетические (режимные) параметры работы импульсной газоразрядной лампы 7 установки:
где h - расстояние между отверстиями верхнего уровня и отверстиями нижнего уровня, м;
верхн
2
S - суммарная площадь отверстий верхнего уровня, м;
нижн
2
S - суммарная площадь отверстий нижнего уровня, м;
13
2
5
2
А=(2÷30)·10 Дж/мс - энергетический коэффициент согласования;
С - емкость накопительного конденсатора, Ф;
0
U - напряжение заряда накопительного конденсатора, В;
F - частота повторения импульсов генератора импульсов поджига, Гц.
13
2
5
2
Заявленный диапазон А=(2÷30)·10 Дж/мс обеспечивает оптимальность и эффективность одновременно протекающих процессов свободной конвекции внутри кожуха 9 и охлаждения импульсной газоразрядной лампы 7 и процессов образования озона из кислорода воздуха за счет коротковолнового участка ультрафиолетового излучения и термического разрушения озона за счет тепла, выделяющегося при импульсном разряде электрического тока в газоразрядной лампе 7, что обусловливает надежную работу импульсной газоразрядной лампы 7 и высокую степень обеззараживания воздуха при низком уровне наработки озона в обрабатываемом помещении.
В память блока 6 программного управления предварительно занесены тарировочные результаты микробиологических проб по определению времени облучения заданного объема помещения до получения требуемой бактерицидной эффективности обеззараживания воздуха для установки с конкретными техническими параметрами, удовлетворяющими соотношению (1).
Установка для обеззараживания воздуха работает следующим образом.
Перед началом работы установка размещается в середине помещения и оператор вводит в блок 6 программного управления данные об объеме помещения и требуемом уровне обеззараживания. Затем оператор включает установку в работу и выходит из помещения.
0
Через заданное время задержки (20÷30 секунд) блок 6 программного управления включает высоковольтный источник 3 постоянного тока, который заряжает накопительный конденсатор 2. По достижении заданного напряжения заряда (преимущественно, U=1,4÷2,8 кВ) блок 6 программного управления отключает источник 3 постоянного тока и запускает генератор 4 импульсов поджига, который вырабатывает импульсы амплитудой 0,7÷1,5 кВ и длительностью 0,1÷1 мкс, вызывающие протекание соответствующего тока в первичной обмотке импульсного трансформатора 5. Благодаря электромагнитной связи обмоток через общий ферритовый сердечник во вторичной обмотке импульсного трансформатора 5 индуцируется импульс напряжением до 20 кВ. Это напряжение оказывается приложенным к электродам 8 и вызывает первичный электрический пробой ксенона в полости импульсной газоразрядной лампы 7. По образовавшемуся каналу проводящей плазмы разряжается накопительный конденсатор 2, при этом первичная плазма интенсивно ионизируется, разогревается и расширяется, заполняя весь внутренний объем полости импульсной газоразрядной лампы 7. Температура плазмы в максимуме импульса разрядного тока достигает величин 12÷18 кК. Такая оптически плотная плазма интенсивно излучает в ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра, причем характер спектра непрерывный и полностью перекрывает бактерицидный диапазон (205÷305 нм). Это излучение проходит через прозрачные для бактерицидного излучения трубку импульсной газоразрядной лампы 7 и кожух 9 и, поступая в окружающий воздух помещения, осуществляет его обеззараживание.
После разряда накопительного конденсатора 2 ток через плазму прекращается, плазма остывает, деионизируется и переходит в обычное молекулярное состояние.
Далее процесс повторяется с частотой, определяемой мощностью высоковольтного источника 3 постоянного тока (преимущественно, F=2÷4 Гц). По истечении заданного времени обработки установка выключается.
Импульсы разрядного тока и, соответственно, импульсы излучения представляют собой периодическую последовательность, причем длительность импульса тока на полувысоте составляет 80÷120 мкс, а период повторения импульсов составляет 300÷500
мс, т.е. запасенная в накопительном конденсаторе электрическая энергия вкладывается в плазму в течение очень короткого времени, которое приблизительно в 3000÷5000 раз короче длительности паузы между импульсами.
Каждый импульс ультрафиолетового излучения, а точнее часть ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 210 нм, вызывает образование некоторого количества озона из кислорода воздуха в пространстве между кожухом 9 и импульсной газоразрядной лампой 7. Этот озон не может сразу попасть в окружающее пространство, поскольку задерживается кожухом 9, а для самопроизвольного выхода через отверстия в кожухе требуется значительное время.
По мере работы установки воздушно-озоновая смесь в пространстве между кожухом 9 и импульсной газоразрядной лампой 7 нагревается за счет значительного тепловыделения с поверхности трубки импульсной газоразрядной лампы 7 (в используемых режимах около 40% вложенной электрической энергии превращается в теплоту) и ее температура быстро растет. Экспериментальные данные показывают, что температура стенок кожуха 9, трубки импульсной газоразрядной лампы 7 и газа (озоновоздушной смеси) в пространстве между ними достигает квазистационарного значения уже через 40÷80 секунд с начала работы.
Разогрев озоновоздушной смеси в пространстве между кожухом 9 и трубкой импульсной газоразрядной лампы 7 активизирует два одновременно протекающих процесса: во-первых, при высокой температуре (более 200°С) озон быстро разлагается на атомарный кислород, который тут же переходит в молекулярную форму, и, во-вторых, за счет снижения плотности газа (озоновоздушной смеси) при его нагреве появляется значительная разность плотностей и давлений среды внутри и снаружи кожуха 9, которая приводит к возникновению восходящего конвективного потока воздуха (озоновоздушной смеси) внутри кожуха от отверстий нижнего уровня к отверстиям верхнего уровня (эффект естественной тяги). Этот восходящий поток нагретого воздуха, в котором озон уже восстановлен до молекулярного кислорода, уносит избыток тепла, охлаждая в режиме свободной конвекции импульсную газоразрядную лампу 7, и выходит из кожуха 9 в окружающий воздух при практическом отсутствии озона.
13
14
2
5
2
Взаимосвязь указанных физических процессов отражена в заявленном соотношении (1) между геометрическими параметрами кожуха 9 и режимами работы импульсной газоразрядной лампы 7, а экспериментально определенный энергетический коэффициент согласования А может принимать значения от 2·10 до 3·10 Дж/мс. В этом диапазоне значений обеспечивается установление оптимального баланса между протекающими в источнике ультрафиолетового излучения процессами интенсивного излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра и выделения значительного количества тепла в озоновоздушной смеси и процессом конвективного охлаждения поверхности трубки импульсной газоразрядной лампы 7 потоком воздуха, протекающего за счет естественной тяги, причем меньшее значение коэффициента А определяет достижение температуры интенсивного пиролиза озона, а большее значение определяет ограничение температуры стенок колбы импульсной газоразрядной лампы, связанное с тепловым размягчением материала колбы. При этом чем больше вкладываемая в импульсную газоразрядную лампу 7 электрическая мощность, тем больше вырабатывается ультрафиолетового излучения, тем больше образуется озона внутри источника ультрафиолетового излучения, и тем больше выделяется тепла и нагревается озоновоздушная смесь, и тем больше скорость термического разложения озона, и тем больше расход воздуха через отверстия в кожухе 9, и тем лучше условия конвективного охлаждения импульсной газоразрядной лампы 7.
Пример 1. Установка для обеззараживания воздуха мощностью 1 кВт с импульсной газоразрядной лампой U-образной формы, расположенной вертикально (Фиг.1) в кварцевом кожухе диаметром 50 мм, имеет следующие технические параметры:
-4
-4
2
-4
2
0
верхн=
нижн
С=100 мкФ = 10 Ф, U=2000 В, F=2,5 Гц, h=0,275 м, S2·10 м, S=1,7·10 м.
3
3
Установка размещается в помещении с размерами: длина: 3,70 м, ширина 3,05 метров, высота 3,85 м, общий объем помещения 29,2 м. Ранее выполненные микробиологические пробы для установки с данными параметрами показали, что для обеспечения бактерицидной эффективности обеззараживания воздуха, равной 99,9% (т.е. из каждых 1000 уничтожается 999 микроорганизмов) по санитарно-показательному микроорганизму St.Aureus, необходимое время работы установки составляет 36 секунд. Установка посредством блока 6 программного управления включается на указанное время, после чего с помощью газоанализатора ГАНК - 4 определяется содержание озона в воздухе и рассчитывается средняя по объему концентрация озона в воздухе, которая в указанных условиях составила 49 мкг/м.
3
Полученное значение не превышает ПДК озона для воздуха рабочей зоны согласно ГН 2.2.5.1313-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны" - 100 мкг/м.
Пример 2. Установка для обеззараживания воздуха мощностью 200 Вт с импульсной газоразрядной лампой в виде прямого цилиндра, расположенной горизонтально (согласно фиг.3) в кварцевом кожухе диаметром 20 мм, имеет следующие технические параметры:
-5
2
-4
2
2
-4
2
0
верхн
нижн
С=60 мкФ = 6·10 Ф, U=1400 В, F=2,5 Гц, h=20 мм = 0,02 м, S=21 см = 2·10 м, S=2 см = 2·10 м.
3
3
Установка размещается в том же помещении объемом 29,2 м. В соответствии с микробиологическими пробами для обеспечения бактерицидной эффективности обеззараживания воздуха, равной 99,9% по санитарно-показательному микроорганизму St.Aureus, необходимое время работы данной установки составляет 300 секунд. Установка посредством блока 6 программного управления включается на указанное время, после чего определяется средняя по объему концентрация озона в воздухе, которая в данном случае равна 84 мкг/м. Полученное значение также не превышает ПДК озона для воздуха рабочей зоны.