БАКТЕРИЦИДНЫЙ ОБЛУЧАТЕЛЬ

Заявляемое техническое решение относится к средствам стерилизации и очистки и представляет интерес для обеззараживания и очистки воздушных потоков с использованием бактерицидного ультрафиолетового излучения, очистки воздуха в помещениях и системах кондиционирования.
3
3
Бактерицидное действие ультрафиолетового излучения на биологические объекты (клетки, бактерии, вирусы и пр.) хорошо известно. К бактерицидному диапазону прежде всего относят излучение диапазона длин волн, ориентировочно, 200÷300 нм, это излучение за счет фотохимических реакций в клетке приводит к ее необратимым повреждениям, в том числе ДНК и РНК (а также белков и других компонентов клетки). Этим обусловлен универсальный характер действия ультрафиолетового излучения на микроорганизмы, в результате которого они теряют способность к нормальной жизнедеятельности и размножению, то есть к гибели в первом или последующем поколении. Важно однако отметить, что доза ультрафиолетового облучения, обеспечивающая гибель, например, 99,9% микроорганизмов, может изменяться в широких пределах в зависимости от спектра источника излучения и конкретного вида микроорганизма, изменяясь от ~0,4 кДж/м для золотистого стафилококка до ~25,7 кДж/м для вируса табачной мозаики при использовании излучения ртутной лампы низкого давления с длиной волны 253,7 нм ([1]: Руководство Р 3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях»).
3
1
1
1
1
0
1
0
Бактерицидное действие света позволяет эффективно использовать ультрафиолетовые излучатели соответствующего диапазона для стерилизации воздуха. В качестве таких источников наиболее часто применяются ртутные лампы низкого давления (РЛНД) как в безозоновом варианте (излучаемая длина волны 253,7 нм, соответствующая резонансному переходу атома ртути 6P-6S), так и в варианте излучения на обеих длинах волн основных резонансных переходов атома ртути, включая переход 6P-6S с длиной волны 184,9 нм ([1], [2]: сайт компании «ЛИТ» http://www.lit-uv.com/ru/company/). В ряде случаев предпочтительным, прежде всего для подавления репарационных возможностей клеток, является использование широкополосных источников излучения, таких как ртутные лампы высокого давления ([1]), импульсно-периодические ксеноновые лампы ([3]: сайт компании «НПП Мелитта» http://www.melitta-uv.ru/technology/worky), а также эксимерные (эксиплексные) лампы ([4]: патент RU 2440147, длины волны и ширины полос излучения основных эксимерных молекул представлена, например в [5]: Ломаев М.И., Скакун B.C., Соснин Э.А. и др. «Эксилампы - эффективные источники спонтанного УФ- и ВУФ-излучения». УФН, 2003, т. 173, №2, с. 201-217). В качестве источника света бактерицидного диапазона могут использоваться эксимерные лампы на молекулах XeBr* (полоса излучения около 282 нм), XeI* (253 нм), KrCl* (222 нм), а также полосы излучения гомоядерных молекул Cl2* (259 нм) и Br2* (289 нм); в определенных условиях в эксимерной лампе может быть реализовано одновременное излучение на нескольких полосах бактерицидного диапазона, например KrCl* и Cl2*.
При обеззараживании воздуха источники бактерицидного света могут применяться в открытом виде, в этом случае обработка проводится в отсутствие людей. Однако чаще бактерицидные лампы (бактерицидные источники света) устанавливаются в так называемый закрытый бактерицидный облучатель, включающий помимо самой лампы (ламп) корпус, большая часть внутренней поверхности которого выполнена светоотражающей, а выход бактерицидного излучения из облучателя тем или иным образом блокируется. Как правило, в состав такого облучателя входят источник питания лампы (ламп) и по меньшей мере один вентилятор для прокачки стерилизуемого воздушного потока. Кроме того, закрытый бактерицидный облучатель во многих случаях включает дополнительные (прежде всего противопылевые) фильтры и вспомогательные элементы для крепления облучателя на потолке или стене помещения.
Заявляемый бактерицидный облучатель относится к группе закрытых облучателей (рециркуляторов), когда бактерицидный световой поток от лампы (ламп), расположенных в замкнутом пространстве корпуса облучателя, не имеет прямого выхода наружу ([1]). Обеззараживание воздуха в таких установках стерилизации осуществляется путем его облучения в процессе прокачки воздушного потока от входа корпуса к его выходу, а соответствующий воздушный поток создается с помощью вентилятора (вентиляторов). В качестве источника бактерицидного излучения используется ртутная лампа низкого давления, имеющая высокий КПД (до 40%) и длину волны излучения 253,7 нм, которая блика к максимуму бактерицидной эффективности света (265 нм).
Закрытые бактерицидные облучатели указанного типа широко применяются для обеззараживания воздуха в присутствии людей. В случае использования генерирующих озон ртутных ламп, излучающих длины волн 254 и 185 нм (это дополнительный канал обеззараживания воздушного потока), на выходе облучателя устанавливаются поглощающие озон фильтры.
Известно большое количество закрытых бактерицидных облучателей для обеззараживания воздуха разных производителей, отличающихся теми или иными деталями конструкции и системы управления, включая, например анализаторы ресурса работы, температуры и/или влажности окружающей среды, и/или напряжения сети, и/или времени работы применяемой в облучателе лампы и даже датчики микроорганизмов, использование тех или иных фильтров на входе, чаще всего противопылевых, и на выходе из корпуса облучателя для удаления, например, озона ([6]: патент RU 2542508, [7]: патент RU 2340360, [8]: патент RU 2521321, [9]: патент RU 2270696) и т.д.
Специфика использования бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в закрытых облучателях состоит в том, что лишь ничтожно малая доля излученной мощности реально расходуется на подавление жизнедеятельности микроорганизмов, а основная часть излучения поглощается поверхностью корпуса облучателя. Это обусловлено тем, что длина поглощения бактерицидного излучения в воздухе даже со значительным количеством микроорганизмов (и пыли) составляет десятки и даже сотни метров, что во много раз превосходит габариты корпуса облучателя.
ф
Таким образом, для увеличения эффективности работы бактерицидного облучателя целесообразно максимально увеличить коэффициент использования бактерицидного потока ламп K ([1]). Этот результат достигают, выполняя по меньшей мере часть поверхности внутренней поверхности корпуса облучателя светоотражающей, чаще всего используется зеркально отражающие нержавеющая сталь или алюминий. Рост эффективной дозы по данным компании HOWATHERM Klimatechnik GmbH ([10]: http://www.howatherm.de/web/EN/) составляет около 1,3 для отражающей поверхности корпуса облучателя из нержавеющей стали и до двух раз для отражающей поверхности корпуса облучателя из полированного алюминия.
ф
3
3
Например, полированный нержавеющий корпус применяется в бактерицидном облучателе (рециркуляторе) Аэролит-400 производства компании ЛИТ ([2]) на базе амальгамных ртутных ламп низкого давления. Известное техническое решение позволяет увеличить K от стандартной для закрытых рециркуляторов величины 0,3÷0,4 ([1]) до ≈(385*400)/(3600*80)=0,53, здесь Е=385 Дж/м - потребная для степени стерилизации золотистого стафилококка 99,9% объемная доза излучения ртутной лампы, 400 м/час - производительность рециркулятора, 80 Вт × 3600 с - излученная за час энергия бактерицидного излучения в конце срока службы ламп.
ф
ф
Еще большее значение K удается получить за счет отдельного алюминиевого отражателя, как в закрытых облучателях Goodman серии UVX ([11]: http://goodmanrussia.ru/index.php/produkciya/sterilizator-vozduha/2-sterilizator) или, что предпочтительно за счет нанесения слоя алюминия, например методом вакуумного напыления, на внутреннюю поверхность корпуса облучателя, выполненного цельнолитым из ударопрочного химически стойкого пластика, как в облучателе ДЕЗАР-4 ([12]: http://www.panfundus.ru/dezinfekcia/baktericid/dezar-4.html). В последнем случае, исходя из представленных технических характеристик, удалось реализовать K около 0,6. Аналогичный алюминиевый отражатель используется и в продукции компании Sanuvox Technologies Inc. ([13]: https://www. sanuvox.com/en/index. php).
ф
ф
3
3
Однако полученные в известных бактерицидных облучателях с зеркально отражающей бактерицидное излучение поверхностью корпуса значения K далеки от потенциально возможных. В частности, эффективное значение K снижается в известных облучателях с зеркальным отражением излучения вследствие значительной разницы в дозах облучения вблизи источника света и вблизи корпуса облучателя. С учетом того обстоятельства, что при снижении дозы бактерицидного облучения всего в 2÷2,5 раза доля выживших микроорганизмов увеличивается многократно - например, в 50 раз для золотистого стафилококка при уменьшении дозы с 385 Дж/м, до 167 Дж/м, можно сделать вывод, что именно минимальная доза бактерицидного излучения по объему корпуса стерилизатора должна соответствовать требуемой степени стерилизации. Соответственно, средняя по объему доза облучения и, как следствие, полная мощность бактерицидного излучения и потребляемая облучателем мощность возрастают при неоднородном распределении излучения по объему стерилизатора.
3
3
3
3
Л
Для современных закрытых бактерицидных облучателей (рециркуляторов) достаточно большой производительности (от ~ 200 м/час) потребная для степени стерилизации 99,9% по золотистому стафилококку мощность УФ излучения составляет ~ 0,25 Вт/м, что с учетом КПД амальгамных ртутных ламп η ~ 33% соответствует потребляемой мощности ~ 0,75 Вт/м. Кроме этого, часть мощности питания рециркулятора затрачивается на прокачку воздушного потока, причем обычно потребная для прокачки мощность относительно мала и составляет не более 7÷10% мощности источника света в отсутствие дополнительных противопылевых фильтров и до 15% при использовании таких фильтров. В результате потребляемая известными рециркуляторами мощность питания составляет обычно 0,8÷1 Вт на каждый кубометр прокачиваемого за час воздуха, то есть рециркулятор с производительностью 3000 м/час для обеспечения степени очистки 99,9% по золотистому стафилококку потребляет 2,5÷3 кВт электрической мощности, из которых 85÷90% идет на генерацию бактерицидного излучения.
3
Таким образом, для повышения энергоэффективности бактерицидных облучателей необходимо прежде всего увеличивать эффективность использования бактерицидного излучения. Это особенно важно, если необходимо стерилизовать воздух, содержащий более устойчивые к УФ излучению микроорганизмы, например ротавирусы с необходимой для степени стерилизации 99,9% дозой облучения 1400 Дж/м ([1]) и т.д. - в этом случае потребляемая облучателем мощность возрастает кратно (в ~ 4 раза для ротавирусов).
Резкий рост эффективности использования бактерицидного излучения может быть реализован при диффузно отражающей внутренней поверхности корпуса облучателя. Такое техническое решение описано в заявке US 2012/0315184 А1 с приоритетом от 04.05.2012 г. ([14]) и принято за прототип. Согласно указанному техническому решению, внутренняя поверхность корпуса облучателя выполняется из диффузно отражающего материала с эффективным коэффициентом отражения не менее 95%, что позволяет многократно увеличить интенсивность излучения внутри объема рециркулятора, в том числе по сравнению с рециркуляторами с внутренней поверхностью из зеркально отражающих материалов (нержавеющая сталь, алюминий), а также обеспечить более высокую (по сравнению с зеркальным отражением) однородность излучения в объеме облучателя (рециркулятора). В качестве материала с коэффициентом диффузного отражения бактерицидного излучения >95% в прототипе указывается выпускаемый компанией "W.L. Gore and Associates" (США) экспандированный фторопласт (e-PTFE), то есть фторопласт-4 (тефлон) с достаточно равномерно распределенными в нем многочисленными мельчайшими воздушными порами, занимающими обычно ~ 60÷70% объема. Рассеяние света на многочисленных границах фторопласт-воздух при соответствующей толщине материала обеспечивает эффективный коэффициент диффузного отражения от него >95%, здесь принципиально важно то, что чистый фторопласт-4 (тефлон) практически не поглощает УФ излучение бактерицидного диапазона.
Под диффузно рассеивающей поверхностью здесь и далее в настоящем изобретении мы понимаем по существу диффузно отражающую поверхность - такую, для которой диффузная составляющая рассеянного (отраженного) света существенно превосходит зеркальную составляющую, например такую поверхность, для которой доля диффузной составляющей в отраженном свете превосходит  (≥70%). На длине волны излучения РЛНД коэффициент преломления тефлона менее 1,4 и, таким образом, при нормальном падении коэффициент зеркального отражения <3%.
Здесь также важно указать, что по существу диффузным отражение становится и в том случае, если поверхность является шероховатой с достаточно мелкомасштабными неровностями, в частности отражение от шероховатой поверхности алюминия является по существу диффузным. Однако в этом случае эффективный коэффициент диффузного отражения от шероховатой поверхности алюминия не больше коэффициента отражения от гладкой зеркальной поверхности алюминия и, соответственно, использование матированной (шероховатой) алюминиевой поверхности корпуса осветителя не дает существенного преимущества в эффективности бактерицидного облучателя.
П
Если в полости из диффузно рассеивающего материала с высоким коэффициентом отражения R находится источник (источники) света мощностью Q, то в отсутствие поглощения в материале полости интенсивность I падающего на поверхность полости излучения определяется из закона сохранения энергии:
здесь S - общая площадь внутренней поверхности полости с диффузно отражающим покрытием, α - доля площади внутренней поверхности полости, которая поглощает излучение или через которую излучение покидает полость (доля так называемых геометрических потерь). Приведенная формула корректна, когда α << 1 и за счет диффузного характера отражения излучение в полости «хорошо перемешано». Отсюда
П
то есть интенсивность падающего на поверхность такой полости излучения увеличивается в N=1/[1-R(1-α)] раз по сравнению с I=(Q/S) для полости, в которой внутренняя поверхность поглощает излучение. Например, для α=0,02 и R=0,99 рост интенсивности падающего на стенки полости излучения составляет N=33,6, для α=0,04 и R=0,98 получим N=16,9. Из приведенных примеров и формулы (2) следует, что для значительного усиления излучения даже при R→1 необходима малая величина α (для α=0,1 даже при R=0,995 величина N≈9,5).
3
3
В примере прототипа корпус облучателя имеет форму прямоугольного параллелепипеда длиной 183 см (72'') и поперечным сечением S=61×122 см (24''×48''), через который прокачивается воздух с номинальным расходом ΔV ≈ 1,65 м/с или почти 6000 м/час (3500 кубических футов в минуту), скорость прокачки воздуха в зоне облучения ν=Q/S ≈ 2,2 м/с. Прямоугольное сечение воздушного потока используется также в описанных выше закрытых бактерицидных рециркуляторах (облучателях) Аэролит-400 и ДЕЗАР-4.
Вблизи четырех вершин прямоугольного сечения облучателя располагаются четыре ртутные лампы низкого давления (фиг. 7А, 7В прототипа [14]), обеспечивающие необходимый бактерицидный поток. Для уменьшения неизбежных геометрических потерь излучения на входе и выходе рециркулятора устанавливаются диафрагмы из того же диффузно рассеивающего материала с выполненным в них набором относительно небольших отверстий для прохода воздуха (фиг. 7В). Потребляемая облучателем мощность составила 3,2 кВт, соответственно удельные затраты мощности составили около 0,5 Вт на каждый кубометр прокачиваемого за час воздуха.
В
ПР
В
2
Следует отметить значительные затраты мощности на прокачку воздуха: перепад давления ΔР в прототипе составил 200 Па, что при типичном КПД часто используемых осевых вентиляторов η ~ 30% соответствует потребляемой системой прокачки мощности W=ΔV*ΔР/η ~ 1 кВт. Перепад давления в прототипе многократно (в ~ 66 раз, по 33 раза на входе и выходе из облучателя) превосходит динамический напор воздушного потока в зоне облучения ρν/2≈3 Па и обусловлен потерями на используемом для «запирания» бактерицидного излучения варианте реализации малой величины геометрических потерь α - экранах с отверстиями малой площади. Высокий перепад давления предъявляет серьезные требования к системе прокачки воздуха как по потребляемой мощности, так и по необходимому перепаду давления.
Необходимо также отметить, что часть предложенных в прототипе технических решений принципиально не верна. В частности таковым является предложение использовать облучатель с диффузно отражающим покрытием для уменьшения концентрации озона в воздушном потоке за счет его фотодиссоциации, например от 40 ppm до 2 ppm. Фотодиссоциация озона
2
О3+hν→O+О,
-17
2
hν - фотон с длиной волны 254 нм (сечение фотодиссоциации σ ~ 1,4*10 см) не приводит к уменьшению его концентрации за счет быстрого обратного трехчастичного процесса
2
3
О+O+М→O+М,
-34
6
М - третье тело. Даже без учета молекулы азота в качестве третьего, уже М - молекулы кислорода константа указанной реакции ~ 6*10 см/с такова, что время конверсии атома кислорода в молекулу озона меньше 1 мс (0,001 с) при времени пролета через облучатель >0,5 с (реально схема процессов после диссоциации озона несколько сложнее, но результат получается именно такой - в воздухе после фотодиссоциации озон восстанавливается). Это означает, что фотодиссоциация озона приводит фактически только к потере фотона с длиной волны 254 нм без уменьшения концентрации озона.
3
К недостаткам прототипа следует также отнести относительно высокие затраты энергии на стерилизацию воздушного потока (>0,5 Вт/(м/час), а также значительную стоимость корпуса облучателя, поскольку удовлетворяющий требованиям прототипа материал с эффективным коэффициентом диффузного отражения предпочтительно >98÷99% имеет очень высокую цену в расчете на единицу площади поверхности. Кроме того, описанное в прототипе расположение ртутных ламп низкого давления является, как будет показано ниже, существенно неоптимальным и приводит к заметному снижению эффективности использования излучения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение стоимости бактерицидных облучателей и значительное увеличение их эффективности, то есть снижение их энергопотребления.
Технический результат достигается тем, что в бактерицидном облучателе, включающем по меньшей мере одну ртутную лампу низкого давления в качестве источника ультрафиолетового излучения бактерицидного диапазона для облучения стерилизуемого воздушного потока, корпус облучателя с входным и выходным сечениями для стерилизуемого воздушного потока, охватывающий облучаемую источником ультрафиолетового излучения область воздушного потока, основная часть внутренней поверхности которого выполнена диффузно отражающей, по меньшей мере один вентилятор для прокачки воздушного потока через облучатель, корпус облучателя выполнен по существу осесимметричной формы с расположенной вблизи его оси ртутной лампой низкого давления и геометрическими параметрами в соответствии со следующими условиями: s/(s+S)<0,1; d/D<0,2, где s - площадь внутренней поверхности облучателя без диффузно отражающего покрытия, включая входное и выходное сечения воздушного потока, S - площадь внутренней поверхности облучателя с диффузно отражающим покрытием, d - диаметр ртутной лампы низкого давления, D - характерный внутренний поперечный размер (диаметр) корпуса облучателя.
В рамках настоящего изобретения «корпус» или «корпус бактерицидного облучателя» - это оболочка, охватывающая источник света и стерилизуемый поток, которая выполнена из диффузно отражающего материала или на внутреннюю сторону которой нанесено диффузно-отражающее покрытие. Таким образом определенный корпус облучателя может не быть его несущим (конструкционным) элементом, в качестве которого тогда используется дополнительный конструкционный элемент, охватывающий и фиксирующий описанный в формуле изобретения корпус бактерицидного облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью.
Использование осесимметричной формы корпуса облучателя с расположением ртутной лампы вблизи его оси позволяет при той же мощности источника света реализовать большую интенсивность (соответственно, дозу) бактерицидного излучения при той же производительности облучателя, то есть большую его эффективность по следующим причинам:
1. При одной и той же площади сечения воздушного потока окружность имеет минимальный периметр и, как следствие, исходя из (2), реализуется большая интенсивность излучения в соответствующей полости. Например, при одной и той же площади сечения у окружности и квадрата длина окружности в  раза меньше - соответственно, интенсивность излучения и бактерицидная доза может быть на 13% больше. Для примера из прототипа, когда сечение корпуса облучателя является прямоугольником с отношением сторон 1:2, длина окружности той же площади в  раза меньше - бактерицидная доза на 20% больше. Таким образом, при одной и той же скорости прокачки воздушного потока и одной и той же производительности облучателя генерируемая ртутной лампой бактерицидная доза больше именно в осесимметричном варианте.
Меньший периметр сечения корпуса облучателя позволяет также снизить площадь и вес необходимого для облучателя диффузно поглощающего материала, то есть снизить стоимость облучателя.
Соотношение между площадью диффузно отражающей внутренней поверхности облучателя и общей площадью его внутренней поверхности s/(s+S)<0,1, то есть, условие, что не менее 90% («основная часть») площади внутренней поверхности, включая площадь входного и выходного сечений воздушного потока, является диффузно отражающей, обусловлено условием получения достаточно большого усиления бактерицидного излучения внутри рециркулятора, см. формулу (2). В то же время, в отличие от прототипа, в настоящем техническом решении оптимальным авторы считают величину геометрических потерь «не слишком малую» - в диапазоне 2÷5%, поскольку при меньшем «живом сечении» на входе в облучаемую бактерицидным светом область и на выходе воздушного потока из этой области резко возрастает потребный для прокачки воздуха перепад давления ΔР и, соответственно, затраты мощности на прокачку воздуха.
2. Авторами настоящей заявки обнаружено, что существенным является следующее обстоятельство: ртутная лампа низкого давления в полости из диффузно рассеивающего материала с высоким эффективным коэффициентом отражения является поглотителем собственного резонансного излучения, снижая его усиление. Для наиболее типичной ситуации, когда длина лампы близка к длине облучателя (точнее, к длине облучаемой бактерицидным излучением области), доля поглощаемого излучения β пропорциональна отношению диаметра лампы d к характерному поперечному размеру облучателя D:β=k(d/D), причем коэффициент пропорциональности, по измерениям авторов, составляет 0,5÷0,7, когда ртутная лампа расположена вблизи оси (на оси) осесимметричной полости из диффузно отражающего материала. Условие d/D<0,2 в этом случае означает, что потери на собственное поглощение в бактерицидном излучателе (ртутной лампе низкого давления) не превышают 10%, предпочтительна меньшая величина таких потерь.
Для другого расположения лампы (ламп) потери на поглощение больше вследствие, в том числе, и того, что доля поглощенного излучения пропорциональна минимальному расстоянию от оси лампы до поверхности полости. В частности, для расположения ртутных ламп в углах корпуса облучателя прямоугольного сечения значительная часть света, излучаемого «в углы» корпуса облучателя, после диффузного рассеяния (до 20%) снова поглощается лампами. Соответственно, оптимальным с точки зрения минимизации поглощения является осесимметричная геометрия облучателя с расположенной вблизи оси или на оси симметрии ртутной лампой низкого давления.
3
3
ПР
В
Потери, связанные с поглощением в ртутной лампе, существенны и, в том числе, в значительной степени определяют минимальный диаметр корпуса облучателя для относительно малых расходов газа. Например, при производительности облучателя 150 м/час (ΔV=0,042 м/с) внутренний диаметр корпуса облучателя D=100 мм, казалось бы, является приемлемым и соответствует скорости воздушного потока 5,3 м/с с динамическим напором около 16 Па. При цилиндрической форме облучателя длиной L=150 см при оптимизации газодинамического контура перепад давления может превосходить динамический напор всего в 2÷2,5 раза (см. ниже) и составлять ΔР ~ 40 Па, что соответствует затратам мощности на прокачку воздуха W=ΔV*ΔP/η ~ 5 Вт. Геометрические потери для указанной формы облучателя с «открытыми» входом и выходом воздушного потока в первом приближении составляют α ≈ D/(2L+D) ~ 3% и достаточно малы. В то же время потери на самопоглощение в ртутной лампе распространенного диаметра 19 мм составляют β≈0,6(d/D) ~ 11% и существенно превосходят другие типы потерь даже для R=95% и тем более для R>95%. Таким образом, внутренний диаметр облучателя ≤120÷150 мм не целесообразен даже для малых расходов воздуха либо предпочтительно использовать специальные ртутные лампы малого диаметра ~ 10 мм (при этом может снижаться ее ресурс) или лампы с длиной, которая существенно меньше длины корпуса рециркулятора. В последнем случае для потерь, связанных с самопоглощением резонансного излучения в ртутной лампе низкого давления, расположенной в полости облучателя с поверхностью из диффузно рассеивающего материала, появляется дополнительный множитель  где  - длина разрядного промежутка лампы, L - характерная длина облучаемой области рециркулятора. В последнем случае условие d/D<0,2 модернизируется следующим очевидным образом: (d/D)*()<0,2.
П
При типичном диаметре ртутной лампы низкого давления 15÷35 мм и поперечном размере (диаметре) облучателя на расход воздуха 0,1÷5 тыс.кубических метров в час 150÷600 мм потери, связанные с поглощением в лампе составляют 3÷7(10)% и могут быть сопоставимы с геометрическими потерями. Отметим, что при увеличении диаметра корпуса облучателя связанные с самопоглощением в лампе потери, как правило, уменьшаются, а геометрические потери увеличиваются и, таким образом, не связанные с отражением общие потери в облучателе в практически важных случаях ≥4÷6%. Это, в том числе, означает, что в качестве диффузно отражающей внутренней поверхности облучателя могут эффективно использоваться менее экзотические и дорогие (по сравнению с прототипом) материалы или покрытия, в частности фторопласт-4 и его прозрачные в области 254 нм сополимеры. Как установлено авторами, фторопласт-4 (тефлон, PTFE) уже при толщине 1,5÷2 мм обеспечивает эффективный коэффициент диффузного отражения >88÷90%, а при несколько большей толщине достижима величина R ~ 92÷94%. В результате может быть обеспечен коэффициент усиления падающего на поверхность облучателя излучения N ~ 8÷12 и в целом интенсивность бактерицидного излучения в полости увеличивается в 15÷20 раз за счет дополнительного множителя (1+R) по отношению к I.
Для цилиндрической геометрии облучателя диаметром D и длиной L, когда боковая поверхность цилиндра является диффузно отражающей, а входное и выходное сечения воздушного потока - это круг диаметром D, на котором отражение излучения отсутствует, геометрические потери в первом приближении составляют отношение соответствующих площадей: α=D/(D+2L), здесь учтена малость диаметра ртутной лампы по сравнению с диаметром облучателя. При более точном расчете необходимо вычислять соответствующие телесные углы с учетом диаграммы направленности диффузного отражения и реальной геометрии облучателя, однако в качестве первого приближения приведенное соотношение дает достаточно корректные результаты. Отсюда условие малости соответствующих потерь приобретает вид L/D>(n-1)/2, где 1/n - геометрические потери. Для геометрических потерь 15% отсюда получим условие L/D>3, при L/D>5 геометрические потери <10%, эти критерии приняты авторами настоящего технического решения.
3
4
Как указывалось выше, диаметр облучателя должен быть не слишком мал и возрастает, в том числе, при росте производительности рециркулятора, поскольку потери давления при прокачке (без противопылевого фильтра) ~ (ΔV)/D. В этом случае для цилиндрической геометрии облучателя разумно малые геометрические потери могут быть реализованы при существенном росте длины рециркулятора, то есть при существенном росте его габаритов, веса и, следовательно, стоимости, что не желательно. Отметим, что для реальных параметров облучателя течение воздуха в нем является турбулентным и само по себе увеличение длины корпуса облучателя, внутренняя поверхность которого выполнена из материала типа фторопласта с малыми потерями на трение, незначительно увеличивает потребный для прокачки воздуха перепад давления даже при L/D ~ 10÷15.
2
2
3
3
С целью обеспечения достаточно малой величины геометрических потерь при умеренной длине корпуса облучателя в одном из вариантов реализации заявляемого технического решения площадь поперечного сечения (диаметр) корпуса облучателя на входе и/или выходе воздушного потока из облучаемой области выполняется меньше, чем площадь поперечного сечения (диаметр) основной части корпуса облучателя. Такая геометрия облучателя может быть реализована за счет применения системы типа конфузор-диффузор, причем расширяющиеся (сужающиеся) части газодинамического контура также имеют диффузно-отражающее покрытие или выполнены из диффузно отражающего материала. При плавно выполненных переходах с большего диаметра поперечного сечения на меньшее (и наоборот) облучатель остается достаточно компактным, геометрические потери излучения существенно снижаются уже для отношения площадей на входе/выходе облучателя и его основной части 0,5÷0,6 (предпочтительное отношение площадей <0,7), при этом дополнительные потери давления могут быть не велики и сопоставимы с динамическим напором воздушного потока ρν/2 (в общем случае потери давления обычно выражают через динамический напор: ΔР=ζ*ρν/2, ζ - численный коэффициент). То есть, для корректно выполненной системы конфузор-диффузор ζ ~ 1 (и даже ζ<1), что при типичной скорости потока в основной области облучателя ~ 5 м/с соответствует ΔР ~ 15 Па. В результате при характерной производительности облучателя 0,03÷1,5 м/c (100÷5000 м/час) рассматриваемый вариант применения системы диффузор-конфузор требует дополнительную мощность на прокачку 1,5÷75 Вт. Такая величина дополнительных энергозатрат на прокачку воздуха может быть приемлемой, поскольку потребляемая источником бактерицидного света мощность может при этом быть уменьшена на существенно большую величину.
3
3
Скорость потока в основной части облучателя 3÷6 м/с является предпочтительной, поскольку затраты мощности на прокачку воздуха при этом могут быть относительно не велики, а габариты облучателя остаются приемлемыми. Например, при производительности облучателя ΔV=3000 м/час (0,83 м/c) диаметру основной части облучателя 500 мм соответствует скорость воздушного потока 4,2 м/с и динамический напор ~10 Па. Необходимо специально выделить важность оптимизации газодинамического контура в заявляемом техническом решении, поскольку вследствие многократного снижения затрат мощности на бактерицидное излучение доля затрат мощности на прокачку становится существенной.
3
Например, в известных аналогах с производительностью 3000 м/час затраты мощности на излучение составляют >2000 Вт, а на прокачку воздушного потока ~ 150÷200 Вт и в этом смысле изменение затрачиваемой на прокачку мощности в диапазоне 100÷250 Вт не принципиально, поскольку потребляемая в целом мощность изменяется при этом в пределах ±2÷3%. В то же время, при уменьшении потребной мощности бактерицидного излучения всего 8÷10 раз такое же изменение мощности прокачки приведет к изменению потребляемой бактерицидным облучателем мощности в пределах ±15÷20% или до полутора раз. В частности, элементом оптимизации газодинамического контура облучателя может быть реализация плавно сужающегося сечения воздушного потока на входе в облучатель и/или его плавное расширение на выходе из облучателя, что позволяет значительно уменьшить соответствующие потери давления ([15]: Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992 - 672 с).
Вариант реализации заявляемого изобретения показан на фиг. 1, здесь 1 - источник бактерицидного излучения (ртутная лампа низкого давления), 2 - корпус осветителя с расширяющейся частью 3 и сужающейся частью 4, входом воздушного потока (ВхП на фиг. 1) в область его стерилизации 5 и выходом из нее 6 (ВыхП на фиг. 1). Соответственно, на фиг. 1 внутренняя поверхность облучателя между сечениями 5 и 6 площадью S выполнена диффузно отражающей, а площадь внутренней поверхности облучателя без диффузно отражающего покрытия s - это сумма площадей сечений 5 и 6. Здесь необходимо указать, что общая площадь внутренней поверхности облучателя может существенно превосходить S - например, «выше по воздушному потоку» во входной области облучателя 7 могут быть размещены вентилятор, противопылевые фильтры и пр. Эта область 7 может быть выполнена как с, так и без диффузно отражающего покрытия или не из диффузно отражающего излучение материала, в последнем случае она уже не участвует в бактерицидном облучении воздушного потока.
Отметим также, что на фиг. 1 не показаны обычно входящие в состав облучателя (рециркулятора) источник питания ртутной лампы низкого давления, вентилятор, системы фиксации лампы в корпусе облучателя и блокирования выхода бактерицидного излучения за пределы облучателя (см. ниже), используемые в некоторых облучателях дополнительные противопылевые и другие фильтры и т.д. и т.п., поскольку эти компоненты облучателя не являются предметом заявляемого технического решения за исключением описанных ниже вариантов. В то же время элементы облучателя, находящиеся внутри его ограниченной диффузно отражающим покрытием области, в предпочтительном варианте выполняются также диффузно отражающими - например, элементы фиксации лампы в корпусе облучателя в могут быть изготовлены из тефлона или выполнены с диффузно отражающим покрытием. Аналогично, электродные узлы ртутной лампы могут быть выполнены с диффузно отражающим покрытием или «закрыты» тефлоновой трубкой соответствующего диаметра и толщины.
Как указывалось выше, материалом, который обеспечивает высокий коэффициент диффузного отражения в бактерицидном диапазоне спектра при умеренной стоимости и толщине является фторопласт-4 (тефлон, PTFE) и некоторые его сополимеры. Известный и указанный в прототипе экспандированный фторопласт (e-PTFE) обеспечивает несколько больший коэффициент диффузного отражения при меньшей толщине и может использоваться в заявляемом техническом решении, однако стоимость такого материала существенно выше. Кроме того, при реальных потерях света в облучателе, связанных, в том числе, с его геометрией и поглощением в РЛНД, величина коэффициента диффузного отражения R≈98÷99% и выше практически не требуется. Известны также и другие материалы, как правило, на основе фторопласта или его аналогов, например «Spectralon» компании из США LABSPHERE, INC., материал референсного отражателя WS-2 производства нидерландской компании Avantes BV и т.д.
4
Высокий коэффициент диффузного отражения может также быть обеспечен за счет соответствующих покрытий, например на основе порошков окиси магния (MgO) или сульфата бария (BaSO), такого типа покрытие предлагает, например, компания из США LABSPHERE, INC. (https://www.labsphere.com/labsphere-products-solutions/materials-coatings-2/) Здесь корпус облучателя может быть выполнен из стандартного конструкционного материала (от нержавеющей стали, алюминия или алюминиевого сплава до различных пластиков), на внутреннюю поверхность которого нанесено соответствующее диффузно-отражающее покрытие.
2
2
3
2
2
Помимо известных диффузно-отражающих покрытий аналогичные свойства поверхности (высокий коэффициент диффузного отражения) возможно реализовать за счет многократного перерассеяния света на вариациях показателя преломления в прозрачной для излучения (то есть, в не поглощающей излучение) среде. Такую среду можно получить в покрытии, представляющем собой прозрачное для излучения бактерицидного диапазона связующее (матрицу) с распределенными в нем также прозрачными для излучения бактерицидного диапазона частицами с показателем преломления, отличающимся от показателя преломления связующего. Указанные частицы могут представлять собой, например, оксиды кремния SiO и/или оксиды алюминия AlO и/или оксида магния MgO. В качестве связующего может использоваться, например силицированное жидкое стекло NaO⋅nSiO.
С целью реализации покрытия разумной (умеренной) толщины по указанному варианту необходимо создать достаточное количество границ раздела сред с разными показателями преломления, для чего целесообразно использовать частицы малого размера, предпочтительно не более 30÷50 мкм. В этом случае покрытие может наноситься, в частности, распылением, как жидкая краска (связующее и микропорошок предварительно перешиваются с водой для уменьшения вязкости, затем после нанесения на поверхность вода испаряется при сушке), и уже при толщине 1 мм такое покрытие обеспечивает коэффициент диффузного отражения 90-95% для λ ~ 250 нм. Дополнительно снизить толщину описанного покрытия и увеличить эффективный коэффициент отражения возможно, если в качестве частиц использовать заполненные воздухом полые микросферы, например алюмосиликатные микросферы, поскольку рассеяние на границе с воздухом соответствует максимальному относительному показателю преломления и эффективность такого рассеяния максимальна.
Вариант облучателя, когда на внутреннюю поверхность его корпуса нанесено диффузно отражающее покрытие 8, представлен на фиг. 2, остальные обозначения совпадают с фиг. 1.
С целью дополнительно улучшить однородность светового поля в объеме облучателя внутренняя поверхность его корпуса может быть выполнена волнообразной в окружном направлении.
При использовании корпуса облучателя по существу вытянутой цилиндрической формы нанесение диффузно отражающего покрытия на его внутреннюю поверхность представляет значительную трудность. С целью упрощения решения этой задачи авторы предлагают в одном из вариантов реализации заявляемого технического решения выполнить корпус облучателя состоящим из по меньшей мере двух независимо изготовленных частей, которые, например, могут представлять собой половины корпуса, «разрезанные» вдоль его образующей (вдоль оси стерилизуемого потока), один из возможных вариантов такого технического решения с волнообразной в окружном направлении внутренней поверхностью облучателя представлен на фиг. 3 (при изготовлении облучателя из листа или экструзией толщина стенок корпуса может быть и постоянной), обозначения совпадают с предыдущими. Нанесение как известных диффузно-отражающих материалов, так и предложенного выше прозрачного покрытия с рассеивающими микрочастицами на такие «открытые» поверхности не представляет проблемы, а затем части корпуса облучателя соединяют в единое целое, например, с помощью силового зацепления, с помощью хомутов или специальных фланцев с болтовым соединением. Части корпуса (внешние для бактерицидного излучения части корпуса) облучателя могут быть изготовлены, в том числе, из алюминия (алюминиевого сплава) или пластика, например экструзией или литьем.
Как указывалось выше, уменьшение геометрических потерь увеличивает световой поток внутри облучателя с диффузно рассеивающей внутренней поверхностью (что является важным преимуществом), но при этом практически всегда в той или иной степени увеличиваются газодинамические потери (увеличивается коэффициент ζ) и возрастают затраты мощности на прокачку воздушного потока (что является значительным недостатком), примером такой ситуации является прототип. Авторы заявляемого технического решения в одном из вариантов его реализации предлагают использовать для уменьшения геометрических потерь тот компонент бактерицидного облучателя, который обязательно присутствует в его газодинамическом контуре - вентилятор. Предлагается по меньшей мере часть поверхности вентилятора (прежде всего его лопастей), обращенную в сторону облучаемой области воздушного потока, выполнить диффузно отражающей бактерицидное излучение ультрафиолетового диапазона. С указанной целью лопасти вентилятора (а также его центральная часть) может быть выполнена из тефлона или его сополимеров либо на соответствующие поверхности может быть нанесено диффузно отражающее покрытие.
Возможные (но не единственные) варианты реализации предлагаемого технического решения приведены на фиг. 4, на котором 9 - вентилятор, используемый для прокачки воздушного потока, 10 - его диффузно отражающая поверхность, остальные обозначения совпадают с приведенными на фиг. 1-3. Вентилятор с диффузно отражающим покрытием поверхности может быть установлен со стороны входящего воздушного потока (фиг. 4а), со стороны выходящего воздушного потока (фиг. 4b), а также с обеих сторон (фиг. 4 c-d). Габарит (диаметр) лопастей вентилятора может быть близок к диаметру основной части корпуса облучателя (фиг. 4d) и может существенно от него отличаться, если вентилятор расположен в расширяющейся или сужающейся части корпуса облучателя (фиг. 4с).
В указанном случае без внесения дополнительных газодинамических потерь геометрические потери излучения в соответствующем сечении (входном и/или выходном) могут быть существенно уменьшены: по результатам измерений авторов эффективное поперечное сечение, через которое бактерицидный свет может выходить за пределы облучаемой области, может уменьшиться до трех раз и даже более в зависимости от конкретной геометрии и числа лопастей вентилятора. В результате для цилиндрической геометрии облучателя, как показано на фиг. 4d (без системы конфузор-диффузор, что упрощает конструкцию и технологичность изготовления облучателя), cL=100 см D=15 см при установке на вход и выход облучателя модернизированных вентиляторов согласно предлагаемому варианту, когда эффективное сечение геометрических потерь для излучения снижается втрое, геометрические потери могут существенно снизиться: от α=D/(D+2L)=7,0% до α=D/(D+6L)=2,1%. Как следствие, интенсивность бактерицидного излучения в облучателе может увеличиться в 1,5-2 раза.
4
5
Для закрытых облучателей (рециркуляторов), которые работают в присутствии людей, принципиально важной и необходимой является блокировка бактерицидного излучения, чтобы оно не выходило в открытое пространство - за пределы рециркулятора. Как правило, такого рода блокировка излучения выполняется за счет наклонных решеток-жалюзи, типичным примером является бактерицидный рециркулятор Аэролит-400 производства компании ЛИТ ([2]). Однако в известном варианте такого рода технические решения приводят к резкому увеличению газодинамических потерь: для наклонных решеток с геометрией, обеспечивающей эффективную блокировку излучения коэффициент ζ>1 (обычно даже ζ>4÷5). Существенно снизить потери давления можно различными способами, например, как предлагают авторы, за счет поворота воздушного потока на входе и выходе облучателя соответствующими воздуховодами, причем внутренняя поверхность воздуховода выполнена из материала, поглощающего ультрафиолетовое излучение бактерицидного диапазона. Целесообразная величина угла поворота воздушного потока Ф составляет не менее 60°, (предпочтительно от 80÷90°), а предпочтительная длина поглощающей излучение области такова, чтобы излучение дважды попадало на поглощающую поверхность - в этом случае бактерицидное излучение гарантированно не выходит за пределы облучателя. Предпочтительный радиус поворота воздушного г потока определяется условием малости дополнительных газодинамических потерь, уже для r=D (D - диаметр воздушного потока на входе в поворот) и достаточно гладких стенок ζ<1 (даже ζ<0,3 для типичного числа Рейнольдса воздушного потока в облучателях ~ 3*10÷3*10, соответствующих турбулентному режиму течения [15]). На фиг. 5 представлен вариант реализации заявляемого решения, здесь 11 - воздуховоды с поворотом воздушного потока на угол Ф=90° с внутренней поверхностью из поглощающего бактерицидное излучение материала, вход воздушного потока выполнен с плавным сужением 12 для дополнительного снижения газодинамических потерь, остальные обозначения совпадают с предыдущими.
3
3
max
12
-3
Важно указать, что в предпочтительном варианте заявляемого технического решения используется безозоновая ртутная лампа низкого давления либо лампа с существенно пониженной мощностью на второй резонансной длине волны атома ртути 185 нм. Это обусловлено тем, что при потенциально значительном усилении светового потока внутри облучателя - в N ~ 10 и более раз - поглощение бактерицидного излучения генерируемым такой лампой озоном значительно увеличивает потери и снижает эффективность использования облучателя с высоким коэффициентом диффузного рассеяния. В самом деле, при габарите (диаметре) облучателя D характерная длина пробега бактерицидного излучения в облучателе ~ ND и условие малости потерь на поглощение озоном имеет вид σ[O]ND≤0,01÷0,02 (предполагая допустимыми потери на поглощение в облучателе 1÷2%). Отсюда для достаточно производительного бактерицидного облучателя с D=20÷50 см получим следующее ограничение на концентрацию озона: [О]<0,015/(σND) ~ 2*10 см или ~ 0,1 ppm, что близко к ПДК озона.
185
3
3
max
254
3
-18
Поскольку поглощение в воздухе одного фотона с длиной волны 185 нм создает две молекулы озона и эти молекулы в облучателе гибнут только за счет взаимодействия с микроорганизмами и химическими примесями в воздухе, то ограничение на допустимую мощность излучения лампы на этой длине волны имеет следующий вид: W ≈ [О]ΔVε/2<[О]ΔVε/2 ~ 1 Вт для объемного расхода воздуха 1 м/c, ε ≈ 10 Дж - энергия кванта с длиной волны 185 нм. В то же время для указанного расхода при той же величине усиления бактерицидного излучения N=10 потребная для степени стерилизации 99,9% по золотистому стафилококку мощность света на длине волны 254 нм составляет W>EΔV/N ~ 40 Вт.
Таким образом, отношение мощности бактерицидного (254 нм) и вакуумного (185 нм) излучения РЛНД в рамках настоящего технического решения должно быть >40 (при необходимости обеспечить стерилизацию более устойчивых к бактерицидному излучению микроорганизмов, то есть при большей величине Е - и больше 100), при этом для «озоновых» РЛНД указанное соотношение обычно ~ 5÷6. Специально подчеркнем, что в заявляемом облучателе безозоновая ртутная лампа используется не потому, что озон вреден сам по себе - эта проблема решается использованием специальных фильтров на выходе из облучателя, а потому, что озон существенно снижает выигрыш по интенсивности бактерицидного излучения в облучателе с высоким коэффициентом его диффузного отражения.
14
-3
16
3
3
Заявляемое техническое решение может быть реализовано с любой ртутной лампой низкого давления, однако в предпочтительном варианте используется амальгамная РЛНД, что, как указано выше, дает значительные преимущества с точки зрения экологии и последующей утилизации использованных ламп. В этом случае источником паров ртути во время работы лампы является по меньшей мере один амальгамный источник атомов ртути, размещенный на внутренней поверхности лампы (для ламп значительной длины может применяться несколько амальгамных источников, представляющих собой фольгу из соответствующего сплава ртути диаметром обычно 5÷8 мм). Температура, при которой концентрация паров ртути в лампе является оптимальной ~ (1÷2)*10 см, составляет обычно 100÷130°С в зависимости от конкретного состава амальгамы, а для лампы в нерабочем состоянии (при комнатной температуре) концентрация паров ртути в ней ничтожна и не представляет угрозы при нарушении герметичности лампы. Если лампа теряет герметичность во время работы, то питание разряда автоматически отключается (опция источника питания) и лампа быстро остывает. При этом в объеме работающей лампы находится не более 6*10 атомов ртути (для объема лампы 300 см, например для лампы с наружным диаметром 19 мм длиной 150 см), то есть масса «свободной» ртути в лампе не более 20 мкг, что соответствует ПДК в объеме воздуха ~ 60 м. Как результат, короткое проветривание помещения вполне достаточно даже если амальгамная лампа потеряет герметичность в процессе работы.
3
3
Амальгамные РЛНД имеют следующую особенность: для них достаточно сложно реализовать малую мощность излучения при высоком КПД, поскольку погонная мощность энерговклада и, соответственно, излучения должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить температуру стенок лампы не меньше рабочей температуры амальгамы. В то же время с заявляемым техническим решением для производительности облучателя ΔV=0,08 м/c (300 м/час) вполне достаточна мощность бактерицидного излучения до 3÷4 Вт. Тогда для типичной погонной мощности излучения амальгамных ламп от 0,5 Вт/см достаточно длины положительного столба 6÷8 см, однако в этом случае КПД лампы снизится, как минимум, вдвое, поскольку приэлектродное падение напряжения 12÷14 В превысит напряжение положительного столба разряда в лампе. Таким образом, предпочтительная для высокой эффективности длина межэлектродного расстояния в амальгамной РЛНД >30÷40 см. Снижение погонной мощности излучения за счет значительного уменьшения диаметра лампы, как правило, приводит к быстрому падению ее ресурса.
14
-3
Для решения задачи снижения мощности амальгамной РЛНД при сохранении ее высокой эффективности авторы предлагают учесть, что температура 100÷120°С необходима только в области амальгамного пятна, а вся остальная поверхность лампы может иметь температуру 45÷50°С, для которой концентрация насыщенного пара ртути уже превосходит оптимальную для работы лампы величину (концентрация насыщенного пара ртути 10 см соответствует температуре 31÷32°С, вдвое большая концентрация - температуре около 40°С). Для поддержания указанной температуры стенок достаточна кратно меньшая погонная мощность в положительном столбе разряда, чем у стандартных амальгамных РЛНД, что позволяет в несколько раз увеличить длину положительного столба для лампы той же мощности излучения и значительно увеличить ее эффективность. Однако в этом случае необходим специальный нагрев участка внутренней поверхности лампы с амальгамным «пятном», для чего ртутная лампа низкого давления имеет по меньшей мере один источник дополнительного нагрева по меньшей мере одного амальгамного источника, размещенный на внешней поверхности лампы в области размещения амальгамного источника. Как показали расчеты и эксперименты авторов, при характерном диаметре амальгамного пятна 5÷8 мм и толщине стенки лампы из кварцевого стекла ~1,5 мм мощности тепловыделения ~ 0,3÷0,4 Вт вполне достаточно для обеспечения необходимой температуры то есть энергопотребление дополнительного источника нагрева амальгамы мало и практически не снижает КПД даже маломощной амальгамной лампы.
В предпочтительном варианте амальгамная РЛНД с дополнительным нагревом амальгамы включает колбу из прозрачного для излучения ртутной лампы материала, охватывающую лампу и в оптимальном варианте колба выполнена герметичной. В этом случае воздушный поток через облучатель практически не охлаждает лампу, что позволяет дополнительно снизить потребную погонную мощность тепловыделения и дополнительно увеличить эффективность маломощной амальгамной лампы. Для герметичной дополнительной колбы, заполненной газом с низкой теплопроводностью (например, ксеноном) или откачанной до низкого давления, теплоотдача от стенок лампы дополнительно затруднена, что позволяет еще более снизить погонную мощность излучения такой лампы и увеличить ее эффективность.
Один из возможных вариантов реализации описан ниже и представлен на фиг. 6. Ртутная лампа (излучатель) выполнена по стандартной технологии и представляет собой цилиндр 13, предпочтительно небольшого диаметра, например 12÷15 мм, из кварцевого стекла с размещенными на концах трубки электродами 14 (реально это электродный узел с электродами сложной формы, например трифилярными и пр.). На внутренней поверхности лампы, например в ее центральной части, располагают амальгамный источник паров ртути 15 с характерным диаметром 5÷8 мм. На внешней стороне лампы напротив амальгамы, отделенный от нее только стенкой, размещен дополнительный к выделяемому разрядом теплу локальный источник нагрева (тепловыделения) 16, например омического нагрева. Коаксиально с трубкой лампы расположена труба («колба») из кварцевого стекла большего диаметра 17, например с внутренним диаметром 22÷25 мм и толщиной стенки -1,5 мм. С помощью фланцев 18-19, расположенных на торцах этой колбы, она герметично охватывает лампу-излучатель. Промежуток между внешней поверхностью лампы и внутренней поверхностью колбы 20 может быть откачан до низкого давления («вакуума»), чтобы минимизировать теплообмен между стенками лампы и колбы, а также заполнен воздухом или газом с меньшей теплопроводностью, например одним из тяжелых инертных газов.
При включении лампы параллельно с разогревом электродов и/или начальной стадией протекания разряда в буферном газе с помощью дополнительного источника тепловыделения проводится разогрев участка лампы, на котором размещен амальгамный источник атомов ртути. Для этого может использоваться независимый источник питания, а также, в ряде случаев, дополнительный источник тепловыделения может быть включен в цепь основного разряда между электродами лампы, тока которого при сопротивлении дополнительного омического источника тепла ~ 3 Ом уже может быть достаточно.
В итоге, как показывают эксперименты авторов, удается снизить ток разряда в 4÷7 раз, например от ~1,2 А до ~ 0,2 А в амальгамной ртутной лампе диаметром 15 мм, при этом напряженность поля в положительном столбе разряда значительно увеличивается. Аналогично, высокий КПД амальгамной РЛНД был получен при низкой плотности тока и для ламп большего диаметра. В частности, для описанной выше геометрии и заполненном ксеноном атмосферного давления промежутке между лампой (∅15 мм) и колбой (внутренний ∅22 мм, толщина стенок 1,5 мм) была реализована мощность излучения около 8-9 Вт при межэлектродном расстоянии 780 мм и техническом КПД ~ 45%, то есть для потребляемой лампой мощности около 17÷18 Вт.
Затрачиваемая на нагрев амальгамы мощность составила в описанных условиях около 0,3 Вт - ее легко реализовать за счет омического нагрева и влияние соответствующих энергетических затрат на КПД излучателя минимально. Более того, при токе лампы ~0,3 А сопротивления омического нагревателя ~ 5 Ом в цепи основного разряда оказывается уже достаточно для дополнительного нагрева амальгамы, в то же время сопротивление положительного столба составляет до 500 Ом (при уменьшении тока напряжение разряда возрастает) и потери на нагрев амальгамы составляют <1%.
В некоторых случаях необходимую температуру амальгамы возможно также получить за счет размещения амальгамного пятна вблизи (на соответствующем расстоянии) от электродов основного разряда, поскольку температура используемых нагревных электродов превышает 650-700°С и, следовательно, на некотором расстоянии от них температура составляет 100-130°С. Это расстояние для конкретной геометрии лампы может быть определено экспериментально.
Уменьшение погонной мощности обеспечивается за счет снижения тока разряда и, соответственно, концентрации электронов и положительных ионов в разряде. Это позволяет повысить как эффективность амальгамной РЛНД (увеличивается температура электронного газа и эффективность возбуждения атомов ртути, снижается влияние электронного тушения), так и ее ресурс за счет снижения частоты ионной бомбардировки стенок лампы, приводящей к снижению ее прозрачности для бактерицидного излучения.
Рост эффективности и ресурса описанной амальгамной РЛНД приводит, в том числе, к значительному снижению эксплуатационных расходов на заявляемый авторами бактерицидный облучатель, особенно с учетом того обстоятельства, что основные компоненты бактерицидных облучателей умеренной производительности от вентилятора до источника питания излучателя имеют ресурс в несколько раз больший, чем ресурс современных амальгамных ламп ~12 тыс.часов (сменные противопылевые фильтры, конечно, имеют относительно низкий ресурс, но и низкую стоимость при простоте замены).
Для ряда микроорганизмов облучение широкополосным или многочастотным бактерицидным излучением обеспечивает более высокую степень стерилизации при той же суммарной дозе ([3]). С целью реализовать указанную возможность в одном из вариантов заявляемого технического решения наряду с ртутной лампой низкого давления в состав бактерицидного облучателя включают по меньшей мере один источник бактерицидного ультрафиолетового излучения, представляющий собой эксимерную лампу. Предпочтительными вариантами являются лампы на переходах молекул XeBr* (~ 280 нм), KrCl* (~ 222 нм), возможно также использование переходов на близких к 254 нм полосах молекул KrF* (~ 248 нм), XeI* (~ 253 нм) и Cl2* (~ 258 нм).
Важным свойством сред эксимерных ламп является отсутствие сколько-нибудь заметного поглощения как собственного излучения, так и поглощения излучения ртутной лампы на длине волны 254 нм, аналогично и ртутная лампа не поглощает излучение эксимерных ламп. Как результат, эксимерная лампа не вносит дополнительных потерь в объем бактерицидного облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью, не снижает эффективность использования РЛНД и, в свою очередь, может быть размещена практически в любой области такого облучателя.
Диффузно отражающие маетриалы и покрытия имеют достаточно стабильный коэффициент отражения в широком диапазоне длин волн, причем во многих случаях коэффициент отражения таких материалов возрастает при увеличении длины волны в области 250÷300 нм, что согласуется с данными авторов. В результате, с учетом отсутствия поглощения в объеме облучателя, для эксимерной лампы на XeBr* эффективный коэффициент усиления излучения в заявляемом облучателе значительно выше, чем для РЛНД, с учетом фактора (1+R) достигаются значения усиления 30÷35 и выше. Фактически это означает существенно большую эффективность использования света указанной эксимерной молекулы по сравнению с излучением резонансной линии ртути 254 нм, что увеличивает синергетической эффект при стерилизации воздушного потока таким многочастотным излучением. Как следствие, мощность излучения эксимерной лампы и потребляемая такой лампой мощность источника питания могут быть значительно снижены. В итоге при сопоставимом энергопотреблении такого бактерицидного облучателя с несколькими различными излучателями степень стерилизации может быть увеличена, что особенно важно для помещений медицинского назначения (больничные палаты, операционные), помещений с детьми (детские сады, школы) и пр.
Охватывающие РЛНД прозрачные колбы известны и широко применяются, например, в системах бактерицидной обработки воды и в качестве защитного футляра предохраняют поверхность лампы от загрязнений, выполняя также функцию теплоизолятора от достаточно холодного водного потока, при этом выделяемая в разряде мощность сама по себе достаточна для нагрева поверхности лампы до требуемой для амальгамы температуры. Дополнительный источник для нагрева амальгамы был предложен в патенте US 2004/0232846 ([16]) прежде всего для обеспечения оптимального температурного режима именно амальгамы при изменении температуры обрабатываемого потока, например в случае изменения температуры облучаемой воды от холодной до горячей. Нужно заметить, что на практике подобные ситуации практически не возникают, поскольку системы очистки весьма специализированы, а при стерилизации воздуха в помещениях его температура вообще изменяется незначительно. В случае [16] мощность тепловыделения в лампе достаточно высока и, соответственно, теплоизолирующие свойства промежутка между двумя стенками (лампы и колбы) никак не регламентированы. КПД и ресурс лампы также не меняются. Кроме того, укажем, что современные амальгамы обеспечивают достаточно стабильную концентрацию паров ртути в широком диапазоне температур, от ~ 100°С до ~140°С, что решает сформулированную в [16] задачу без использования дополнительных источников нагрева амальгамы и что невозможно в заявляемом техническом решении, когда теплоизолирующая колба используется при обработке воздушного потока. То есть, сопровождающее введение дополнительного (к тепловыделению в разряде) нагрева амальгамы и теплоизолирующей колбы резкое, многократное снижение тока разряда является принципиально важным отличием предлагаемого авторами варианта, обеспечивающим рост КПД и ресурса работы амальгамной РЛНД в составе бактерицидного облучателя.
Важно указать, что предлагаемый авторами вариант реализации амальгамной РЛНД с малой погонной мощностью представляет практический интерес именно для бактерицидного облучателя, корпус которого выполнен согласно заявляемому техническому решению и обеспечивает резкий рост бактерицидной эффективности, что и позволяет кратно уменьшить мощность источника бактерицидного излучения. Практически во всех других случаях целью производителей амальгамных РЛНД является увеличение погонной мощности этого источника света, в связи с чем предлагаются технические решения по дополнительному охлаждению (а не нагреву) амальгамы.
Кроме того, авторами обнаружено, что поглощение собственного резонансного излучения ртутной лампой низкого давления в существенной степени влияет на интенсивность излучения в полости с диффузно отражающей внутренней поверхностью, что ограничивает соотношение размеров лампы и облучателя, а также определяет оптимальные геометрию облучателя и расположение РЛНД в нем.
2
2
Вариант применения по существу диффузно-отражающей поверхности корпуса бактерицидного облучателя позволяет, как показано авторами, также резко снизить потребную мощность излучения эксимерной лампы при ее использовании в качестве дополнительного источника бактерицидного ультрафиолетового света. Уменьшение мощности излучения для эксимерных ламп предпочтительно может быть достигнуто за счет уменьшения тока разряда без применения описанных выше технических решений для амальгамной РЛНД (дополнительный источник нагрева, термоизоляция). Это связано с тем, что уже при комнатной температуре давление насыщенных паров типичных галогенсодержащих молекул, вводимых в состав рабочей среды (Br, I, IBr, Cl2 и пр.), является достаточным для эффективной работы эксимерной лампы. Как известно и также подтверждено авторами заявки, при уменьшении тока разряда КПД эксимерной лампы увеличивается. Кроме того, при уменьшении мощности энерговклада и тока разряда и, как следствие, уменьшении концентрации реакционно-активных атомов и ионов галогенов, весьма вероятно увеличение ресурса эксимерной лампы. Отметим, что концентрации активных частиц в плазме тлеющего или емкостного разряда для постоянного состава газовой смеси в первом приближении пропорциональна  (j - плотность тока разряда), то есть при уменьшении тока в 4 раза концентрация частиц, вызывающих деградацию лампы, падает приблизительно вдвое.
Далее, поскольку напряженность поля в разряде эксимерной лампы слабо зависит от тока (от концентрации электронов) и определяется прежде всего составом газовой смеси, то уменьшение тока разряда означает соответствующий рост сопротивления разрядного промежутка. Это, в частности, позволяет для слаботочных эксимерных ламп эффективно использовать емкостной разряд ([5]), обеспечивающий более высокий ресурс работы эксимерных ламп, по крайней мере на йод и бромсодержащих галогенидах.
Далее техническое решение поясняется с помощью примеров, которыми оно однако не ограничено.
Использовалась безозоновая амальгамная ртутная лампы низкого давления диаметром 15 мм и межэлектродной длиной 780 мм. На внутренней поверхности лампы вблизи ее середины располагалось амальгамное «пятно» диаметром около 7 мм. В штатном режиме работы, выход на который происходил за ~ 3 минуты, потребляемая от сети мощность ≈140 Вт при мощности бактерицидного излучения на длине волны 253,7 нм около 44 Вт, технический КПД около 31,5%. Ток источника питания лампы можно было видоизменять (уменьшать) с помощью специального пульта управления, что позволяло варьировать мощность ультрафиолетового излучения в пределах 35÷44 Вт, большинство экспериментов проводилось при мощности бактерицидного излучения 40 Вт. Мощность излучения лампы при разной мощности разряда определялась в отсутствие корпуса (в свободном пространстве) с помощью известной формулы Кейтца.
Эксимерная лампа представляла собой кварцевый цилиндр с внешним диаметром 15 мм и внутренним диаметром 12,6 мм, излучающую на полосе В-Х молекулы XeBr* с максимумом около 280 нм. Лампа возбуждалась слаботочным тлеющим разрядом, межэлектродное расстояние составляло 60 см, за счет изменения тока разряда мощность излучения эксимерной лампы могла изменяться в пределах 0(1)÷20 Вт. Крепление лампы внутри облучателя было выполнено из тефлона, электродные узлы также были закрыты тефлоновыми трубками.
Корпус облучателя в большинстве экспериментов представлял собой трубу разного диаметра длиной 1000 мм, изготовленную из тефлонового (PTFE) листа толщиной 3 мм; лампа располагалась по оси корпуса симметрично относительно его входа и выхода, крепление лампы было выполнено из тефлона, электродные узлы лампы также были закрыты тефлоновыми трубками.
Интенсивность излучения на поверхности корпуса могла отдельно измеряться специальным приемником излучения диаметром 4 мм с косинус-корректором, вставлявшимся в отверстие в корпусе диаметром 6 мм. Такие отверстия были выполнены в различных участках корпуса и без приемника излучения закрывались специальными тефлоновыми пробками, чтобы минимизировать влияние на распределение световых потоков в корпусе облучателя. За счет спектрального разложения в приемнике интенсивность падающего на поверхность корпуса облучателя бактерицидного излучения могла измеряться отдельно на длине волны резонансного излучения атома ртути и в полосе излучения эксимерной молекулы XeBr*, далее полученные значения усреднялись по всем положениям приемника.
Воздушный поток направлялся в облучатель с помощью вентиляторов с различным расходом воздуха. В части экспериментов на вход и выход корпуса облучателя устанавливались соответствующие диффузоры/конфузоры в соответствии с фиг. 2.
2
3
1. При внутреннем диаметре цилиндрического корпуса облучателя 152 мм (d/D ≈ 10) и мощности излучения лампы около 40 Вт интенсивность падающего на поверхность облучателя светового потока увеличилась в ~ 7 раз по сравнению со случаем открытой лампы (≈ 9 мВт/см). Соответственно, интенсивность излучения внутри облучателя увеличилась в ~ 13 раз с учетом фактора (1+R), R ~ 0,9. При этом затраты мощности на прокачку воздушного потока с расходом воздуха 300 м/час составили около 7 Вт, а общие затраты мощности - до 150 Вт.
2
2
3
3
3
3
ф
Бактерицидная доза при такой производительности составила, ориентировочно (предполагая однородность света по объему облучателя): Q=63 [мВт/см] * 1,9 * 1500π [см] * 3600 [с] / 300 [м] ≈ 6700 Дж/м, второй сомножитель - это фактор (1+R), третий - площадь внутренней поверхности облучателя. Это во много раз больше бактерицидной дозы, которая была бы создана в стандартном облучателе-рециркуляторе со стенками из алюминия или нержавеющей стали: принимая достаточно высокое для таких закрытых облучателей значение коэффициента использования бактерицидного потока K=0,5, получим Q=40 [Вт] * 3600 [с] 0,5 / 300 [м]=240 Дж/м, чего не достаточно даже для качественной стерилизации золотистого стафилококка (необходимая для степени стерилизации 99,9% мощность лампы в полтора раза больше - около 60 Вт).
-1
При изготовлении аналогичного по геометрии облучателя из тефлона толщиной 1 мм выигрыш в интенсивности падающего на поверхность облучателя светового потока составил ~ 3,5 раза раза по сравнению со случаем открытой лампы. Существенно меньший выигрыш обусловлен тем обстоятельством, что диффузное отражение в тефлоне и его сополимерах (включая экспандированный тефлон) имеет объемный характер и, таким образом, для обеспечения достаточно высокого эффективного коэффициента отражения необходим слой такого материала достаточной толщины. Согласно нашим измерениям, для экспандированного фторопласта (тефлона) толщина слоя 1 мм является уже достаточной, для «обычного» тефлона предпочтительна толщина слоя ≥2 мм. Отметим, что при одинаковых механических и электрофизических свойствах фторопластов, изготовленных по разным технологиям, потребная для целей заявляемого технического решения толщина слоя тефлона может существенно отличаться, для конкретной технологии изготовления потребная толщина слоя определяется экспериментально. Здесь также полезно дополнительно указать важность контроля чистоты используемого тефлона, поскольку при наличии поглощающих в бактерицидной области спектра примесей («грязи» и поглощающих сополимеров, а также других поглощаюших примесей) именно поглощение излучения ограничивает возможную толщину материала корпуса облучателя. Например, при коэффициенте поглощения излучения на 254 нм δ=10 см (коэффициент поглощения может быть и на порядки больше) использование слоя такого материала с толщиной >1 мм уже не имеет смысла. Такое же замечание относится к чистоте и технологии нанесения диффузно отражающих покрытий.
2
3
При внутреннем диаметре цилиндрического корпуса облучателя 90 мм (d/D ≈ 6) интенсивность падающего на поверхность облучателя светового потока дополнительно увеличилась до ≈ 95 мВт/см - в ~ 1,5 раз по по сравнению с интенсивностью на поверхности облучателя с внутренним диаметром 152 мм. Однако при этом радиус облучателя снизился в ≈1,7 раза (площадь сечения облучателя уменьшилась в 2,8 раза) и, таким образом, фактическая эффективность использования излучения РЛНД снизилась несмотря на уменьшение геометрических потерь излучения на входе и выходе из зоны облучателя с диффузно отражающей внутренней поверхностью. Кроме того, затраты мощности на прокачку воздуха с той же производительностью 300 м/час увеличились до ~ 65 Вт. При последующем уменьшении внутреннего диаметра облучателя до 60 мм (d/D ≈ 4) эффективность использования излучения РЛНД уменьшилась еще на 30%.
2
При сдвиге оси РЛНД на 25 мм от оси цилиндрического облучателя диаметром 90 мм средняя по поверхности облучателя интенсивность падающего бактерицидного излучения составила 80 мВт/см, то есть уменьшилась более чем на 15%. Кроме того, увеличилась неоднородность распределения света по поверхности (и, следовательно, объему, облучателя). Аналогично, интенсивность падающего на внутреннюю поверхность облучателя излучения снизилась на 10-12% в случае, когда сечение облучателя было близким к квадратному со стороной 80 мм (площадь такого квадрата близка к площади круга диаметром 90 мм).
2
3
При использовании на входе и выходе из цилиндрического облучателя диаметром 152 мм достаточно коротких диффузора и конфузора (в соответствии с фиг. 2, длина конфузора и диффузора по потоку около 80 мм каждый) с проходным диаметром 100 мм из того же тефлона толщиной 3 мм интенсивность падающего на поверхность облучателя светового потока увеличилась в ~ 7,5 раз по сравнению со случаем открытой лампы (до ≈ 68 мВт/см) плюс на ~ 20% увеличилась площадь диффузно отражающей внутренней поверхности облучателя (увеличился и его объем), то есть дополнительный выигрыш в бактерицидной дозе составил около 25% по сравнению с цилиндрической геометрией, на такую же величину потенциально может быть уменьшена потребляемая лампой мощность (на ~ 35 Вт) при той же степени (дозе) стерилизации. При этом затраты мощности на прокачку воздушного потока с расходом воздуха 300 м/час составили около 11 Вт, увеличившись только на ~ 4 Вт.
2. В облучателе в виде цилиндра с внутренним диаметром 152 мм располагались как амальгамная РЛНД, так и эксимерная лампа на XeBr*, причем РЛНД размещалась на оси облучателя, а эксимерная лампа в 45 мм от оси облучателя.
Измерения показали, что включение эксимерной лампы при работающей РЛНД не влияет на интенсивность падающего на поверхность облучателя света с длиной волны 254 нм (излучения ртутной лампы). Аналогично, включение РЛНД при работающей эксимерной лампе не влияет на интенсивность падающего на поверхность облучателя света с длиной волны около 280 нм (излучения эксимерной лампы).
3
3
3
3. Как указано в примере 1, уже для цилиндрического корпуса облучателя диаметром 152 мм при мощности излучения РЛНД 40 Вт и производительности 300 м/час генерируемая бактерицидная доза в ~ 15 раз превышает достаточную для степени стерилизации золотистого стафилококка 99,9%, при этом затраты мощности на бактерицидное излучение составляют около 140 Вт, а на прокачку воздуха - 7 Вт. Существенное, например, в 5÷10 раз, увеличение производительности такого облучателя, исходя из значения бактерицидной дозы, потребовало бы резкого роста затрат на прокачку (в первом приближении пропорционально ΔV), кроме того для помещений объемом ~ 200 (до 500) м такой производительности просто не требуется.
Таким образом, для облучателей указанной производительности согласно заявляемому техническому решению актуальной является задача резкого снижения мощности излучения амальгамной РЛНД при сохранении и даже увеличении ее КПД. Эта задача может быть решена в предложенном авторами варианте выполнения амальгамной РЛНД с дополнительным нагревом амальгамы.
3
3
3
3
Для описанной выше РЛНД применялся дополнительный нагрев амальгамы расположенным на внешней поверхности лампы «напротив» амальгамного пятна источником тепловыделения мощностью около 0,3 Вт. Лампу герметично охватывала цилиндрическая кварцевая трубка (колба) с внутренним диаметром 25 мм и наружным диаметром 28 мм, промежуток между лампой и внешней кварцевой колбой был заполнен ксеноном атмосферного давления или мог быть откачан. При токе разряда ~ 0,15 А потребление мощности лампой составило ≈18 Вт, а мощность ультрафиолетового излучения - 8÷8,5 Вт. Таким образом, технический КПД лампы составил ~ 45%, что для производительности облучателя 300 м/с обеспечило бактерицидную дозу ~ 1300 Дж/м и очень высокую степень стерилизации при общей потребляемой мощности около 25 Вт вместо 150 Вт - затраты мощности на стерилизацию (со степенью стерилизации выше 99,9% по золотистому стафилококку) 1 кубометра воздуха в час составляют менее 0,1 Вт по сравнению с ~ 1 Вт/(м/час) у коммерческих закрытых рециркуляторов и ~ 0,5 Вт/(м/час) в прототипе.
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемой полезной модели совокупностью признаков, является оптимизация закрытых бактерицидных облучателей, а именно значительное увеличение их эффективности при уменьшении энергопотребления, а также снижение стоимости таких облучателей. Кроме того, использование амальгамных ртутных ламп с дополнительным источником нагрева амальгамы в облучателях умеренной производительности обеспечивает рост ресурса таких ламп и, следовательно, значительный рост ресурса бактерицидного облучателя, как целого.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели и известных аналогов выявляет наличие отличительных признаков по сравнению с наиболее близким аналогом, что обеспечивает ей соответствие критерию «новизна».
Возможность создания заявляемого бактерицидного облучателя на базе известных комплектующих и технологий (например, листов или труб из тефлона необходимой толщины и чистоты, технологии формирования диффузно отражающего покрытия с коэффициентом отражения 90÷95% в бактерицидном диапазоне спектра, амальгамных РЛНД и эксимерных ламп и пр.), как и возможность изготовления описанного в заявке варианта амальгамной лампы с дополнительным источником нагрева амальгамы и герметичным теплоизолирующим прозрачным для излучения колпаком обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «промышленная применимость», некоторые конкретные варианты его реализации были описаны выше.
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения закрытого бактерицидного облучателя, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, на входе в корпус облучателя могут располагаться фильтр (фильтры) предварительной очистки и различные турбулизаторы и вращатели потока (которые также могут быть размещены в объеме корпуса облучателя), могут быть использованы различные системы управления и контроля параметров бактерицидного облучателя и окружающей среды (стерилизуемого потока), могут применяться дополнительные фильтры на выходе корпуса облучателя, а также различные варианты исключения выхода ультрафиолетового излучения за пределы корпуса облучателя и т.д. Нагрев амальгамы в слаботочной РЛНД может проводиться током разряда за счет соответствующей модификации разрядной цепи или независимым источником питания, в последнем случае указанный источник может включать элемент обратной связи для поддержания оптимальной температуры амальгамы, газовый промежуток между лампой и герметично охватывающей ее прозрачной колбой может быть заполнен различным составом газа или быть откачан (вакуумирован) и т.д., некоторые возможные модификации заявляемого бактерицидного стерилизатора также были указаны в описании.