Источник ультрафиолетового излучения для обработки воздушных сред

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для очистки или обеззараживания воздушных сред при больших скоростях обдува. Источник излучения состоит из ртутной амальгамной лампы низкого давления, вокруг которой непосредственно в месте расположения амальгамы установлена воздухонепроницаемая насадка. Боковые стенки лампы и насадки образуют между собой воздушный зазор, служащий для теплоизоляции амальгамы и поддержания ее температуры оптимальной. Величину воздушного зазора преимущественно выбирают от 1 до 6 мм. Воздухонепроницаемую насадку выполняют из материала, устойчивого к воздействию ультрафиолетового излучения. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области производства источников ультрафиолетового (УФ) излучения на основе газоразрядных амальгамных ламп низкого давления, например бактерицидных, которые могут быть использованы для очистки и дезинфекции преимущественно воздушных сред.

Основным параметром, определяющим эффективность бактерицидных ламп низкого давления с разрядом в парах ртути и инертном газе, является интенсивность излучения резонансной линии ртути с длиной волны 253,7 нм. Для ртутных ламп интенсивность бактерицидного излучения зависит от давления паров ртути и максимальна при температуре колбы порядка 40°С.

В высокомощных лампах и при работе ламп в среде с повышенной температурой для поддержания оптимального давления паров ртути и избежания уширения спектральных линий излучения используются амальгамы на основе различных металлов - индия, кадмия, цинка и др. Амальгамные лампы обладают более высокой мощностью и интенсивностью излучения по сравнению с ртутными лампами, а их электрические и световые характеристики в меньшей степени зависят от температуры окружающей среды. Однако при эксплуатации таких ламп основной технической проблемой является поддержание температуры амальгамы в оптимальном интервале, который зависит от состава амальгамы и определяет интенсивность излучения и электрическую мощность лампы. Указанная проблема решается путем защиты лампы от окружающей среды при помощи чехлов, а также применением специальных средств регулирования температуры амальгамы, предназначенных для ее нагрева или охлаждения.

Известен источник УФ-излучения, включающий ртутную амальгамную лампу низкого давления, установленную с воздушным промежутком в защитном чехле и снабженный средством влияния на температуру индиевой амальгамы, расположенным в области нахождения амальгамного слоя по оси лампы. В качестве указанного средства применяется подвижная биметаллическая полоска, установленная между ламповой колбой и защитным чехлом, или нагревательный элемент (омический резистор, резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления). Лампа предназначена для использования в качестве источника бактерицидного УФ-излучения при обеззараживании воды. Если обрабатываемая вода имеет низкую температуру, то температура лампы будет недостаточной для оптимальной работы амальгамы (90-95°С). В этом случае биметаллическая полоска тесно прилегает к лампе в области амальгамы и отводит выходящее излучение во внутреннее пространство лампы, а температура амальгамы возрастает. В случае высокой рабочей температуры обрабатываемой воды (60°С) биметаллическая пластина растягивается и приближается или прижимается к защитному чехлу, за счет чего избыточное тепло отводится на чехол, а место расположения амальгамы охлаждается. Таким образом, указанный элемент препятствует нагреванию амальгамы сверх оптимальной температуры (WO 03/06095, заявка РФ 2003125635, H01J 61/28, 2002 г.).

Известен также источник УФ-излучения, состоящий из ртутной амальгамной лампы низкого давления, заключенной в защитный чехол, в котором лампа имеет механический контакт с чехлом в области нахождения амальгамы. Механический контакт представляет собой кольцо из теплопроводящей пленки вокруг лампы в области нахождения амальгамы и служит как тепловой мостик между лампой и чехлом для передачи тепловой энергии и охлаждения амальгамы (Патент США 2006/0261735, Н01J 17/26, 2006 г.).

Конструкции источников УФ-излучения на основе амальгамных ламп, описанных в известных технических решениях, позволяют регулировать температуру амальгамы в зависимости от внешних условий, однако область их применения ограничивается в основном водной средой, где обязательно наличие чехла для защиты лампы и ее электрических контактов, а для эффективной работы лампы требуются специальные средства нагрева-охлаждения амальгамы.

Известна ртутная амальгамная лампа низкого давления, предназначенная для дезинфекции водных и воздушных сред, заключенная в защитный чехол, на внутренней стенке колбы которой расположен по крайней мере один металлический наполнитель, образующий амальгаму для генерации УФ-излучения в диапазоне длин волн 170-280 нм. Указанный металлический наполнитель расположен между электродами лампы и внешней стенкой колбы внутри специальных выступов, радиально направленных наружу, или, по крайней мере, в непосредственной близости от них. Место расположения наполнителя находится в контакте со специальным охлаждающим элементом, отводящим тепло на внешний чехол (Патент Германии №19613468, H01J 61/28, 1996 г.). Для обеспечения максимального выхода излучения на заданных длинах волн лампа требует постоянного охлаждения, которое обеспечивает указанный специальный элемент.

Недостатками данной лампы является ограничение интервала рабочих температур, так как лампа не может работать в холодных системах, как водяных, так и воздушных, поскольку ее конструкция не рассчитана на нагрев амальгамы. В условиях обдува воздухом теплосъем с указанной лампы будет больше, чем в водной среде, что приведет к переохлаждению лампы и падению интенсивности ее излучения.

Другим существенным недостатком лампы, особенно при обработке воздушных сред, является наличие защитного чехла.

Особенность эксплуатации амальгамных ламп в воздушных средах заключается в том, что в этом случае чехол практически становится «балластом» по следующим причинам:

- чехол поглощает 15-17% полезного излучения, а также загрязняется в процессе работы, что снижает интенсивность излучения лампы;

- необходимо охлаждать воздушным потоком всю систему «лампа-чехол», а не только места расположения амальгамы, что требует больших скоростей обдува. Это значительно ограничивает рабочие условия лампы, которая не сможет эффективно работать в стоячем или горячем воздухе. Особенно это критично для чувствительных к температуре индиевых амальгам;

- наличие чехла влечет за собой увеличения веса, габаритов и стоимости источника излучения, так как стоимость чехла сравнима со стоимостью самой лампы.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания источника излучения для обработки воздушных сред на основе газоразрядной ртутной амальгамной лампы низкого давления, стабильно работающего вне зависимости от температуры обрабатываемой среды в широком интервале скоростей потока воздуха, обтекающего лампу. Кроме того, достигается упрощение конструкции источника излучения, а также уменьшение его массы, габаритов и стоимости.

Поставленная задача решается за счет того, что в источнике излучения, включающем ртутную амальгамную лампу низкого давления, содержащую, по крайней мере, один слой амальгамы, и средство поддержания оптимальной температуры амальгамы, размещенное в месте нахождения амальгамы, согласно изобретению средство поддержания оптимальной температуры амальгамы выполнено в виде воздухонепроницаемой насадки, установленной вокруг лампы непосредственно в месте расположения амальгамы, с образованием воздушного зазора между лампой и насадкой.

Наиболее эффективно выполнение воздушного зазора величиной от 1 до 6 мм. Целесообразно для выполнения насадок выбирать материал, устойчивый к ультрафиолетовому излучению.

Сущность изобретения состоит в том, что указанной конструкции источника УФ-излучения поддержание оптимальной температура амальгамы достигается за счет ее термоизоляции, обеспечиваемой воздушной прослойкой между внешними стенками колбы лампы и внутренней стенкой воздухонепроницаемой насадки, окружающей лампу в области расположения амальгамы и полностью закрывающей эту область. В отличие от известных технических решений сохранение температуры амальгамы обеспечивается пассивно без ее нагрева или охлаждения, а также без участия каких-либо специальных конструктивных элементов, устанавливаемых между чехлом и амальгамой. Воздушный зазор в данном случае не является отводящей или рассеивающей тепло средой, как в известных излучателях, а выполняет функцию термостатической прослойки, обеспечивающей тепловую изоляцию области расположения амальгамы.

Воздухонепроницаемость насадки необходима для исключения эжекции воздуха внутрь насадки, которая может возникнуть из-за разницы скоростей и давлений вдоль основной поверхности чехла и около насадки при обтекании их воздушным потоком, что приведет к охлаждению амальгамы.

Целесообразно, чтобы величина воздушного зазора составляла 1-6 мм, так как прослойка указанной толщины достаточна для термоизоляции амальгамы. Кроме того, выдержать зазор менее 1 мм технологически затруднительно. Зазор свыше 6 мм требует выполнения насадки более выпуклой формы, что увеличивает сопротивление воздушному потоку и снижает скорость потока.

Для выполнения насадок исходя из сроков эксплуатации ламп следует выбирать материал, устойчивый к ультрафиолетовому излучению

Таким образом, за счет использования в качестве средства для поддержания оптимальной температуры амальгамы воздушной прослойки между стенками колбы и воздухонепроницаемой насадки, локально окружающей лампу в месте расположения амальгамы, можно использовать источники УФ-излучения с амальгамными лампами без защитных чехлов, которые способны работать в воздушной среде при различных температурах и скоростях обдува от 1 до 10 м/сек.

Применение таких источников в оборудовании для обработки (например, обеззараживания) воздуха УФ-излучением позволяет оптимизировать параметры амальгамных ламп в условиях набегающего воздушного потока, расширить рабочий диапазон скоростей обдува и существенно увеличить производительность процесса.

На фиг.1 представлена область колбы лампы 1, в которой расположено амальгамное пятно 2, на которую надета воздухонепроницаемая насадка 3. Между стенками насадки и стенками колбы лампы выполнен воздушный зазор 4. Ширина Н воздушного зазора составляет от 1 до 6 мм.

На фиг.2 и 3 показаны графические зависимости относительной интенсивности УФ-излучения различных амальгамных ламп от скорости обдува воздушным потоком с термоизолирующей воздухонепроницаемой насадкой и без нее.

Пример 1

Исследовалась ртутная амальгамная лампа типа ALC 170/70 с многокомпонентной амальгамой, оптимальный интервал температур для которой составлял от 90 до 135°С. Электрическая мощность лампы - 170 Вт, мощность УФ-излучения - 50 Вт. Лампа диаметром 19 мм имеет длину 845 мм при величине разрядного промежутка 625 мм. На колбу лампы нанесен один слой амальгамы в виде пятна диаметром 6 мм на расстоянии 200 мм от цоколя. Для теплозащиты амальгамы на колбу лампы в месте нанесения амальгамы была надета термоизолирующая бочкообразная насадка, выполненная из кварца длиной 40 мм, с входным диаметром 20 и 28 мм посередине. Толщина стенок насадки - 1,5 мм. Величина воздушного зазора между внутренней стенкой насадки и колбой лампы составляла 4 мм. Воздухонепроницаемость обеспечивалась плотной посадкой насадки на колбу лампы и обмоткой тефлоновой термоусадочной лентой, которая фиксировала насадку на колбе в области расположения амальгамы. Размеры насадки значительно превышали область расположения амальгамы и полностью закрывали ее.

В реактор-трубу последовательно помещали лампу в защитном чехле, лампу без чехла и без термоизолирующей воздухонепроницаемой насадки, лампу без чехла и с термоизолирующей воздухонепроницаемой насадкой. Лампу устанавливали таким образом, чтобы ее вертикальная ось была перпендикулярна направлению потока обдува. Лампы ориентировались амальгамой вниз, причем амальгама находилась в дальней по потоку части лампы. Поток воздуха формировался вентиляторами. Скорость обдува изменяли от 1 до 10 м/сек. Одновременно УФ-датчиком при разных скоростях обдува измерялась интенсивность УФ-излучения лампы.

В качестве предельно допустимого снижения излучения было выбрано падение УФ-излучения на 10% от максимального, что являлось критерием рабочего интервала скоростей обдува. Скорость потока воздуха измерялась анемометром.

На фиг.2 показана графическая зависимость относительной интенсивности УФ-излучения лампы ALC от скорости обдува с термоизолирующей воздухонепроницаемой насадкой и исходной лампы (без насадки). Зависимость интенсивности для лампы, установленной в защитном чехле, практически совпадает с зависимостью для лампы без чехла и насадки и отдельно не показана. Приведенная зависимость показывает, что для предлагаемого источника излучения, снабженного термоизолирующей воздухонепроницаемой насадкой при отсутствии защитного чехла, рабочий интервал скоростей обдува расширяется с 1,5 до 10 м/сек при спаде излучения 10% от максимального.

Пример 2

По указанной методике испытывалась амальгамная ртутная лампа производства фирмы Philips PXX с диаметром колбы 19 мм, длиной 1600 мм и размером разрядного промежутка 1440 мм. Лампа содержит два амальгамных слоя в виде пятен диаметром 6 мм, нанесенных на стенку колбы лампы на расстоянии 200 мм от цоколей. Измерения проводились для лампы с защитным чехлом, лампы без насадок и лампы с двумя термоизолирующими воздухонепроницаемыми насадками, установленными в области расположения амальгамы. Насадки изготовлялись из фторопласта длиной 40 мм с диаметром на входе 20 мм и 30 мм в середине. Толщина стенок насадок составляла 1 мм. Толщина воздушного зазора между внутренней стенкой насадки и колбой лампы составляла 6 мм. На фиг.3 приведена графическая зависимость относительной интенсивности УФ-излучения лампы Philips от скорости обдува с термоизолирующими воздухонепроницаемыми насадками и исходной лампы (без насадок). Зависимость интенсивности для лампы, установленной в защитном чехле, практически совпадает с зависимостью для лампы без чехла и насадок и отдельно не показана. Приведенная зависимость показывает, что для источника излучения, снабженного термоизолирующей воздухонепроницаемой насадкой при отсутствии защитного чехла, рабочий интервал скоростей обдува расширяется до 2-8 м/сек при спаде излучения 10% от максимального.

1. Источник УФ-излучения, включающий ртутную амальгамную лампу низкого давления, содержащую, по крайней мере, один слой амальгамы, и средство поддержания оптимальной температуры амальгамы, размещенное в области расположения амальгамы, отличающийся тем, что средство поддержания оптимальной температуры амальгамы выполнено в виде воздухонепроницаемой насадки, установленной вокруг лампы непосредственно в месте расположения амальгамы, с образованием воздушного зазора между боковыми стенками лампы и насадки.

2. Источник УФ-излучения по п.1, отличающийся тем, что величина воздушного зазора составляет от 1 до 6 мм.

3. Источник УФ-излучения по п.1, отличающийся тем, что воздухонепроницаемая насадка выполнена из материала, устойчивого к воздействию ультрафиолетового излучения.