CN1803643A - 一种环型紫外灯管净水器 - Google Patents

Abstract

一种采用环型紫外灯管的净水器，由至少一个环型紫外灯管环绕在透明石英玻璃水管外面，环型紫外灯管还可以是将若干只直型紫外灯管沿石英玻璃管的周向外侧安置成环型。本发明可以采用透明石英玻璃水管，或两端用传统材料制作的水管中间密封连接一段透明石英玻璃管制成的水管，环型紫外灯管环绕在透明石英玻璃管处。环型紫外灯管的外侧设有一反光罩，以将紫外灯管发出的紫外线全部反射到石英玻璃管内。

Description

一种环型紫外灯管净水器

技术领域

本发明涉及一种水处理装置，具体地说，涉及一种利用紫外线进行水处理的净水器。本发明可用于饮用水净化系统和污水消毒系统中。

背景技术

紫外线(UV)是指波长范围在100～400nm的光能，它在光谱中处于X射线与可见光之间。大多数紫外消毒设备使用紫外光谱的短波长部分，这部分称为UV-C，波长在200～280nm之间。

紫外线能够杀灭一系列病原体，如细菌、病毒和原生生物，这些病原体可导致如阿米巴痢疾、霍乱、骨髓灰质炎和黄热病等各种各样的疾病。紫外辐射通过破坏DNA分子的化学键结构来起作用，它影响正常的DNA复制，使有机体死亡或者失活。目前，紫外线水消毒用于饮用水、污水和水产养殖业，紫外技术在这些行业中的进展确定了一些影响紫外消毒系统运行效果的参数。

UV-C技术被美国环保署(EPA)认定为水灭菌的四种认可方法之一，而且由于在费用及效率方面的优势，UV-C(UV-C作用几乎是瞬时的，不会在水中有任何化学残留)比其他三种方法(氯、臭氧和蒸馏)更胜一筹。目前，美国环保署(EPA)和美国食品及药品管理局(FDA)都认定UV-C辐射是一种安全、高效的水处理方法。该方法快速，不改变水的PH值和味道，且没有使用过量的危险，是一种非化学的微生物杀灭方法，不会产生有毒副产品。同时，UV-C也是世卫组织认可的水消毒方法。

微生物的杀灭程度是暴露时间和辐射强度的共同函数。假设暴露时间和辐射强度的乘积(即紫外线剂量)保持不变，短时间高强度的辐射与长时间低强度的辐射的效果相同。紫外强度和暴露时间取决于紫外系统的几何形状和流体动力特性。紫外系统根据水所获得的杀灭微生物所需的最低紫外剂量设计，剂量单位通常为μW·s/cm²。杀灭细菌的辐射剂量为3～30mJ/cm²，杀灭病毒需30～100mJ/cm²。另外，最近的研究表明，紫外辐射对引起体内病变的贾弟虫和隐孢子虫也有作用，只要使其暴露于数十mJ/cm²的剂量下就可消除隐患。

目前传统的紫外消毒器如图1所示。直型紫外灯管a位于水管b中心，水流过一个环形区域。紫外灯管半径为R_B(m)，外管半径为R_P(m)，消毒器长度为L(m)，水的体积流量为G(m³/s)，灯管功率为P_B(m)。流水经过水管时，由一盏紫外灯照射。于是就需要更大的功率达到对水的有效处理。上述设计有两个缺陷。其一是由于水对光的吸收，紫外线强度随距灯表面的距离增加而递减，紫外线剂量在这样的系统中分布极不均匀，远离灯管的地方可能会因剂量太低而无法杀死微生物；其二是，当环形流动面积随半径增大时，紫外线强度递减。结果，管中的剂量分布梯度非常大，需要在管中心使用很高的功率才能达到管壁处所需的最低剂量，而增加紫外灯的功率或者紫外灯管的长度，都会增加水处理装置的体积和能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用环型紫外灯管的净水器。

为实现上述目的，本发明提供的环型紫外灯管净水器，其结构为：

至少一环型紫外灯管，环绕地设置在石英玻璃水管外面。

其中的环型紫外灯管可以由若干直型紫外灯管沿石英玻璃管的周向外侧安置成环型。

本发明可用于家庭饮用水消毒，水场或其他供水设施，也可用于污水处理设施。

本发明提供的净水器，可在整个水流道中产生一个较强的紫外强度场，使水接收到高强度的、较均匀的紫外光剂量。

与传统技术相比，本发明的优点是：

1)传统技术中，灯管在流道的中央，如果要达到更高的剂量，需要加大紫外灯的功率或降低流速。本发明不需加大紫外灯功率或降低流速，所以可以节约能量或在单位时间提高处理量。

2)本发明的紫外灯安置在水管外，可以保证万一紫外灯破裂(发生事故等)时，紫外灯内的水银不会污染水管中的水。

3)由于采用了环型灯管，系统的总长度将大大缩短，可节省安装空间。

附图说明

图1为传统技术中水处理装置的示意图。

图2为本发明净水器的示意图，其中图2a所示为环型紫外灯管，其水管为透明石英玻璃制成；图2b所示为由直型紫外灯管组成的环型紫外灯管，其水管为两端由传统材料制成的水管将一段透明的石英玻璃管密封夹在中间而形成一体水管。

图3为本发明反光罩数学模型的坐标建立示意图。

图4为本发明反光罩的三维图，其中a)为反光罩整体三维视图；b)为反光罩纵剖视图；c)为反光罩横剖视图。

图5为本发明反光罩的轮廓示意图。

图6为本发明环型紫外灯管在水管中的紫外能量分布示意图。

图7为本发明水管内水流量为G＝0.0061m³/s(100GPM)、净水器长度为L＝0.1m、净水器·半径为R_B＝0.3m、灯管的紫外输出功率分别为20W、30W和50W时，净水器内紫外线的强度分布示意图。

图8为本发明装置与背景技术装置的性能比较。

具体实施方式

请参阅图2，为本发明的净水器结构示意图。

从图2a中可以看出，本发明的净水器由至少一个环型紫外灯管1环绕在石英玻璃水管2的外面。至于环型紫外灯管1的具体安装数量可根据需要而定。

请参阅图2b，本发明的水管还可以采用传统材料制作的水管2’，在环型紫外灯管1环绕之处密封连接一段石英玻璃水管2。按照本发明制作的水管，实际形成了两端为传统材料制成的水管将一段透明的石英玻璃管密封夹在中间而形成一体水通道。环型紫外灯管环绕在石英玻璃管处。

再结合图2b，本发明的环型紫外灯管1还可以是将若干只直型紫外灯管1’沿石英玻璃管2的周向外侧安置成环型。

由于本发明采用了环型灯管，系统的总长度将大大缩短，可节省安装空间。本发明的紫外灯管应尽可能地接近石英玻璃管，最大间距不能超过10厘米。为提高本发明的净水效果，上述两种紫外灯管的外侧还可以安置紫外线反光罩，该反光罩内侧为紫外反射镀层。紫外线反光罩可以保证紫外线完全不泄漏，并且拆装方便。

关于紫外线反光罩，通过对环形紫外强度场的分析可知，从紫外灯管发出的紫外能量一部分直接透过石英玻璃管照射到反应器中流过的水上，另一部分要通过一个反光罩反射后才能照射到水上。在设计条件下，反射能量占灯管发出的紫外总能量的大部分

$\frac{180+\mathrm{arctg}\frac{0.9}{5}}{360}=55.6\%$

因此，本发明提供的紫外线反光罩按照以下所述进行设计，以得到设计流量下的杀菌率的紫外线反光罩。

设光能在灯管表面均匀分布，光线自灯管径向发出后，通过反光罩的折射后沿石英玻璃管的径向入射到反应器中。由此可知，该反光罩大致为一轮胎型。

由于紫外强度场在环形灯管两端是对称分布的，反光罩也应该是关于灯管的轴线对称的，所以在数学模型中可以简化处理，只考虑一半即可。

令石英玻璃管的任一条母线为x轴，对应同一剖面上的灯管中心为

O₁(0，m)[设m＝d+r_uv]，

光线沿灯管径向出射后交反光罩上的一点P(x，y)，达到P后立刻反射到石英玻璃管上，即，反射光线与石英玻璃管壁面垂直。

根据物理模型建立反光罩的坐标如图3所示。假设有一条未知曲线在第一象限，通过曲线上任一点P(x，y)作该曲线的切线PC，过点P在作曲线的法线延长交x轴与点B；过点P作PAx轴，垂足为A；连接O₁P，总是有∠0₁PB＝∠BPA成立，即BP是∠0₁PA的角平分线。设角θ为0₁P与x轴的正向夹角，设角γ为CP与x轴的正向夹角。经分析可知 $\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 的关系始终成立，且 $\mathrm{\γ}\∈[-\frac{5\mathrm{\π}}{18},0].$

设曲线方程为y＝f(x)，则反光罩的数学模型可建立如下：

f′(x)＝tg(π-|γ|)＝-tg|γ|＝tgγ

f′(x＝0)＝0

$f(x=\frac{L}{2})=0$

其中，

$\mathrm{tg\γ}=\mathrm{tg}(\frac{\mathrm{\θ}}{2}-\frac{\mathrm{\π}}{4})$

∵ $\mathrm{tg}(\mathrm{\α}-\mathrm{\β})=\frac{\mathrm{tg\α}-\mathrm{tg\β}}{1+\mathrm{tg\αtg\β}}$

∴ $\mathrm{tg\γ}=\frac{\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}-1}{1+\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}}$

又∵ $\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\α}}{2}=\frac{\sin \mathrm{\α}}{1+\cos \mathrm{\α}}$

∴ $\mathrm{tg}=\frac{\frac{\sin \mathrm{\θ}}{1+\cos \mathrm{\θ}}-1}{1+\frac{\sin \mathrm{\θ}}{1+\cos \mathrm{\θ}}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}-\cos \mathrm{\θ}-1}{\sin \mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\θ}+1}$

由图3可知 $\sin \mathrm{\θ}=\frac{y-m}{\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}},\cos \mathrm{\θ}=\frac{x}{\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}},$ 带入上式并整理后得到：

$\mathrm{tg\γ}=\frac{y-m-x-\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}}{y-m+x+\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}}$

带入上面方程后可以得到反光罩的数学模型最终结果如下式：

$f^{\′}\left(x\right)=\frac{y-m-x-\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}}{y-m+x+\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}}$

BC：f′(x＝0)＝0； $f(x=\frac{L}{2})=0$

根据上述分析，可以描绘出本发明反光罩三维视图的基本形状，如图4a、b、c所示。由此得到一个包含51个点的数值文件，当其他几何条件不变时，反光罩的加工可以按照此数值文件结果执行。数值文件参见表1。

               表1反光罩CAD数值点(单位：cm)

N	x	Y	n	x	Y
						0	0	3.679	26	2.6	2.916
1	0.1	3.679	27	2.7	2.847
						2	0.2	3.679	28	2.8	2.774
3	0.3	3.679	29	2.9	2.698
						4	0.4	3.679	30	3	2.618
5	0.5	3.678	31	3.1	2.534
						6	0.6	3.674	32	3.2	2.447
7	0.7	3.666	33	3.3	2.355
						8	0.8	3.653	34	3.4	2.26
9	0.9	3.637	35	3.5	2.16
						10	1	3.617	36	3.6	2.056
11	1.1	3.595	37	3.7	1.947
						12	1.2	3.57	38	3.8	1.833
13	1.3	3.541	39	3.9	1.714
						14	1.4	3.511	40	4	1.591
15	1.5	3.477	41	4.1	1.461
						16	1.6	3.44	42	4.2	1.326
17	1.7	3.395	43	4.3	1.185
						18	1.8	3.353	44	4.4	1.038
19	1.9	3.315	45	4.5	0.884
						20	2	3.266	46	4.6	0.723
21	2.1	3.216	47	4.7	0.555
						22	2.2	3.162	48	4.8	0.378
23	2.3	3.105	49	4.9	0.194
						24	2.4	3.046	50	5	0
25	2.5	2.983

根据上述分析，本发明的反光罩其轮廓剖面如图5所示。

有关反光罩的安装方法是一公知技术，因此本发明不作详细描述，也不推荐附图。

本发明的净水器，在使用与传统水处理装置相同功率的紫外灯管条件下，沿半径方向由于面积的减小，管中心的紫外线强度要高于外侧的强度(如图6所示)。这对降低能量消耗非常有帮助。本发明比传统水处理装置可节能20～80％。另外本发明的另外一个优点是紫外灯安置在水管外，可以保证万一紫外灯破裂(发生事故等)时，紫外灯内的水银不会污染水管中的水。

通过计算可知，当净水器的直径大于32厘米时，本发明与目前传统的水处理装置相比，最大节能率可达80％，具体的物理模型和计算如下：

设从紫外灯管发出的紫外线全部被水吸收，在灯管表面处的紫外线强度应为：

$I_0=\frac{P_B}{2\mathrm{\π}{R}_{B}L}$

其中灯管半径为R_B(m)，净水器长度为L(m)，紫外灯管发出的紫外线功率为P_B(W)。对于图2所示的净水器结构，紫外线的强度分布为：

$I=\frac{P_B}{2\mathrm{\πrL}}{e}^{-2.3(R_B-r)}---\left(2\right)$

图7为净水器半径为0.3米时紫外线的强度分布。从图7中可以看出，紫外线的强度的最小值是在紫外灯管的表面，而最大值出现在净水器的中心。紫外线的辐照值D的分布如下

$D=\frac{P_B{R}_B^2}{2\mathrm{rG}}{e}^{-2.3(R_B-r)}---\left(3\right)$

其中水的体积流量为G(m³/s)。图6为水流量为G＝0.0061m³/s(100GPM)、净水器长度为L＝0.1m、净水器·半径为R_B＝0.3m、灯管的紫外输出功率分别为20W、30W和50W时，净水器内辐照值D的分布。从图6所示的结果可以看出，灯管的紫外输出功率仅为20W，净水器内紫外线的辐照最小值已超过标准值。因此灯管的紫外输出功率为：

$P_B\≥\frac{{2\mathrm{GD}}_c}{R_B}---\left(4\right)$

图8是本发明与传统水处理装置性能比较。从图中可以看出，本发明的节能率可达80％。

Claims (5)

1.一种采用环型紫外灯管的净水器，其结构为：至少一环型紫外灯管，环绕地设置在透明石英玻璃水管外面。

2.权利要求1的净水器，其特征在于，所述环型紫外灯管由若干直型紫外灯管沿透明石英玻璃管的周向外侧安置成环型。

3.权利要求1或2的净水器，其特征在于，所述紫外灯管与透明石英玻璃管的间距为0-10厘米。

4.权利要求1或2的净水器，其特征在于，所述紫外灯管的外侧安置有紫外线反光罩，该反光罩内侧为紫外反射镀层，该反光罩的形状符合公式

$f\left(x\right)=\frac{y-m-x-\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}}{y-m+x+\sqrt{{(y-m)}^2+x^2}}$

$\mathrm{BC}:f(x=0)=0;f(x=\frac{L}{2})=0.$

5.权利要求1的净水器，其特征在于，所述水管为两端用传统材料制成的水管将一段透明的石英玻璃管密封夹在中间而形成的一体水管，环型紫外灯管环绕在石英玻璃管处。

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