RU2119209C1

RU2119209C1 - Bactericidal apparatus

Info

Publication number: RU2119209C1
Application number: RU97109412A
Authority: RU
Inventors: Александр Валерьевич Сирота; Юрий Иванович Сергиенко; Владимир Петрович Скляров; Владимир Петрович Титарчук; Владимир Иванович Пушкарь; Владимир Васильевич Чернов; Лев Александрович Мардакин
Original assignee: Научно-исследовательский институт по решению проблем внедрения передовых технологий и изобретений
Priority date: 1997-06-03
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: sterilization of air and aqueous media by action of ultraviolet radiation. SUBSTANCE: apparatus has low-pressure germicidal lamp with standard power supply circuit and three spiral electrodes put on envelope of lamp. Two extreme electrodes are located near lamp electrodes and central electrode is positioned in central part of lamp. Extreme spiral electrodes are moved away from lamp electrodes by length of cathode space and are electrically interconnected. High- voltage pulses of alternating polarity are fed to spiral electrodes from additional high- voltage source synchronized with network feeding lamp. EFFECT: improved functional efficiency and reliability of apparatus. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для стерилизации воздушных или водных сред путем воздействия на них ультрафиолетового излучения. The invention relates to devices for sterilizing air or aqueous media by exposure to ultraviolet radiation.

Известно, что эффективным бактерицидным средством является ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны ≈ 260 нм (Соколов В.Ф. Обеззараживание воды бактерецидными лучами, М., Минкомхоз РСФСР, 1954). Также известно, что сильным бактерицидным действием обладает озон. Одновременное действие УФ-излучения и озона повышает бактерецидный эффект (синергидный эффект). It is known that an effective bactericidal agent is ultraviolet (UV) radiation with a wavelength of ≈ 260 nm (Sokolov V.F. Water disinfection with bactericidal rays, M., Ministry of Agriculture of the RSFSR, 1954). It is also known that ozone has a strong bactericidal effect. The simultaneous action of UV radiation and ozone increases the bactericidal effect (synergistic effect).

Известен бактерицидный аппарат для обеззараживания воды, использующий синергидный эффект (авт.св. СССР 1768520, C 02 F 1/32, БИ N 38, 1992). Аппарат содержит вертикальную цилиндрическую камеру с патрубками подвода и отвода воды, внутри которой установлен эжектор, соединенный своим диффузором с патрубком отвода воды, бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения и защитный кварцевый чехол, лампа установлена внутри эжектора и соосно с ним. При работе аппарата в зоне смешивания воды с воздухом под действием УФ-излучения образуется озон. Known bactericidal apparatus for disinfecting water, using the synergistic effect (ed. St. USSR 1768520, C 02 F 1/32, BI N 38, 1992). The apparatus contains a vertical cylindrical chamber with water inlet and outlet pipes, inside which an ejector is installed, connected by its diffuser to a water drain pipe, an ultraviolet germicidal lamp and a protective quartz cover, the lamp is installed inside the ejector and coaxially with it. When the apparatus is operated in the zone of mixing water with air, ozone is formed under the influence of UV radiation.

Недостатком данного устройства является его низкая эффективность. The disadvantage of this device is its low efficiency.

Существующие бактерицидные лампы имеют максимум излучения в области 253 нм, обладающей небольшим бактерицидным действием. Для образования же озона необходимо излучение с длиной волны меньше 200 нм, это связано с тем, что наиболее вероятный переход молекулы O₂ из основного состояния в метастабильное отвечает энергии 7-8 эВ. Такой переход молекулы O₂ вызывает ее активацию и ведет к образованию озона (Кондратьев В.Н. Кинетика химических газовых реакций. М.: АН СССР, 1958). Таким образом, длина волны излучения, необходимого для образования озона (150 нм), существенно меньше длины волны с максимальным бактерицидным действием (250 нм). Мощность излучения бактерицидной лампы в диапазоне короче 200 нм очень мала. Поэтому при работе бактерицидной лампы небольшой мощности образующегося озона оказывается совершенно недостаточно для использования его с целью обеззараживания текучих сред.Existing bactericidal lamps have a maximum radiation in the region of 253 nm, which has a small bactericidal effect. For the formation of ozone, radiation with a wavelength of less than 200 nm is necessary, this is due to the fact that the most probable transition of the O ₂ molecule from the ground state to the metastable state corresponds to an energy of 7-8 eV. Such a transition of the O ₂ molecule causes its activation and leads to the formation of ozone (Kondratiev V.N. Kinetics of chemical gas reactions. M: Academy of Sciences of the USSR, 1958). Thus, the wavelength of radiation necessary for the formation of ozone (150 nm) is significantly less than the wavelength with a maximum bactericidal effect (250 nm). The radiation power of a bactericidal lamp in the range shorter than 200 nm is very small. Therefore, when a bactericidal lamp is used, the low power of the generated ozone is completely insufficient for using it to disinfect fluids.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является "Способ обеззараживания текучих сред и установка для его осуществления" (патент РФ 2039475, A 23 L 3/28, БИ 20, 1995). Устройство содержит корпус и импульсные разрядники УФ-излучения с диапазоном 180-400 нм. Облучение ведут с частотой 10 Гц. Благодаря импульсному воздействию УФ-излучения из воздуха вырабатывается озон. Образование максимальной концентрации озона запаздывает относительно импульса облучения. Преждевременное появление следующего импульса приводит к фоторазложению озона. Поэтому максимальная частота следования импульсов - 10 Гц. Closest to the proposed invention is the "Method of disinfection of fluids and installation for its implementation" (RF patent 2039475, A 23 L 3/28, BI 20, 1995). The device contains a housing and pulsed arresters of UV radiation with a range of 180-400 nm. Irradiation is carried out with a frequency of 10 Hz. Due to the pulsed effect of UV radiation, ozone is produced from the air. The formation of the maximum concentration of ozone is delayed relative to the irradiation pulse. The premature appearance of the next pulse leads to photodegradation of ozone. Therefore, the maximum pulse repetition rate is 10 Hz.

Недостатком данного изобретения является то, что озон наиболее эффективно образуется под действием УФ-излучения с длиной волны ≈ 150 нм, а использование УФ-излучения с длиной волны в 180-400 нм малоэффективно и не позволяет в полной мере использовать синергидный эффект. The disadvantage of this invention is that ozone is most effectively formed under the influence of UV radiation with a wavelength of ≈ 150 nm, and the use of UV radiation with a wavelength of 180-400 nm is ineffective and does not allow the full use of the synergistic effect.

В основу изобретения поставлена задача создания бактерицидного аппарата, максимально использующего синергидный эффект, в котором бактерицидная лампа, имеющая стандартную схему питания, дополнительно снабжена тремя спиральными электродами, установленными на оболочке лампы и подключенными к высоковольтному импульсному источнику питания, и за счет этого повысить эффективность бактерицидного действия аппарата. The basis of the invention is the task of creating a bactericidal apparatus that makes the most of the synergistic effect, in which a bactericidal lamp having a standard power circuit is additionally equipped with three spiral electrodes mounted on the lamp shell and connected to a high-voltage switching power supply, and thereby increase the effectiveness of the bactericidal action apparatus.

Поставленная задача решается за счет того, что в бактерицидном аппарате, содержащем бактерицидную лампу и схему ее включения, согласно изобретению дополнительно содержится высоковольтный импульсный источник питания, а на оболочке лампы установлены три спиральных электрода, два крайних электрода удалены от электродов лампы на расстояние равное длине катодного пространства, электрически соединены между собой и подключены к одному полюсу высоковольтного источника питания, а к другому полюсу подключен средний электрод, причем высоковольтный источник питания синхронизирован по частоте с напряжением, питающим лампу, и вырабатывает импульсы чередующейся полярности. The problem is solved due to the fact that in the bactericidal apparatus containing a bactericidal lamp and a circuit for its inclusion, according to the invention additionally contains a high-voltage switching power supply, and three spiral electrodes are installed on the lamp shell, two extreme electrodes are removed from the lamp electrodes by a distance equal to the cathode length spaces electrically interconnected and connected to one pole of the high-voltage power source, and the middle electrode is connected to the other pole, and the high-voltage The original power supply is synchronized in frequency with the voltage supplying the lamp and generates pulses of alternating polarity.

Размещение на оболочке лампы трех электродов обеспечивает увеличение мощности излучения УФ-лампы без уменьшения ресурса ее работы и позволяет вырабатывать из воздуха необходимое количество озона за счет скользящих разрядов вблизи витков спиральных электродов. Placing three electrodes on the lamp shell provides an increase in the radiation power of the UV lamp without reducing its operating life and allows you to generate the necessary amount of ozone from the air due to sliding discharges near the turns of spiral electrodes.

Синхронизация высоковольтного источника с питающей сетью вызывает вспышку мощности излучения лампы. Подача на спиральные электроды разнополярных импульсов предотвращает образование на оболочке лампы поверхностных зарядов и тем самым повышает эффективность образования озона. Synchronization of a high-voltage source with the mains causes a flash of the radiation power of the lamp. The application of bipolar pulses to the spiral electrodes prevents the formation of surface charges on the lamp shell and thereby increases the efficiency of ozone formation.

Размещение спиральных электродов на оболочке лампы устраняет влияние влажности воздуха на эффективность их работы, поскольку в процессе работы лампа подогревается и предотвращается конденсация влаги на ее поверхности. The placement of spiral electrodes on the lamp shell eliminates the influence of air humidity on the efficiency of their operation, since during operation the lamp is heated and moisture condensation on its surface is prevented.

Благодаря тому что спиральные электроды удалены от электродов лампы на длину катодного пространства, предотвращается разрушение оксидного слоя электродов лампы при подаче высоковольтных импульсов на спиральные электроды. Due to the fact that the spiral electrodes are removed from the lamp electrodes by the length of the cathode space, the oxide layer of the lamp electrodes is not destroyed when high voltage pulses are applied to the spiral electrodes.

Отличительные признаки предлагаемого изобретения являются общими существенными признаками, т.к. их наличие позволяет более полно использовать синергидный эффект, что обеспечивает повышение эффективности работы бактерицидного аппарата. Distinctive features of the invention are common essential features, because their presence makes it possible to more fully use the synergistic effect, which ensures an increase in the efficiency of the bactericidal apparatus.

На фиг. 1 и 2 приведены схема предлагаемого устройства и эквивалентная схема озонатора. In FIG. 1 and 2 show a diagram of the proposed device and the equivalent circuit of an ozonizer.

Бактерицидный аппарат содержит бактерицидную лампу 1, схему питания 2 лампы, высоковольтный импульсный источник 3, спиральный центральный электрод 4, два спиральных электрода 5. Электроды 5 удалены от электродов 6 лампы на расстояние 1, равное длине катодного пространства. Высоковольтный источник 3 синхронизирован по частоте с питающей лампу 1 сетью. The bactericidal device contains a bactericidal lamp 1, a power supply circuit 2 of the lamp, a high voltage pulse source 3, a spiral central electrode 4, two spiral electrodes 5. The electrodes 5 are removed from the electrodes 6 of the lamp at a distance of 1 equal to the length of the cathode space. The high voltage source 3 is synchronized in frequency with the supply lamp 1 network.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Поскольку бактерицидные лампы обычно питаются от сети переменного тока с промышленной частотой, рассмотрим работу устройства при работе от сети с частотой 50 Гц. Лампа 1 через стандартную схему питания 2 включена в сеть 50 Гц. Каждые полпериода, когда ток лампы достигает максимального значения (а следовательно, проводимость газового столба максимальна), на спиральные электроды 4 и 5 с высоковольтного источника 3 поступает высоковольтный импульс. Since bactericidal lamps are usually powered by an alternating current main with an industrial frequency, let us consider the operation of the device when operating from a network with a frequency of 50 Hz. Lamp 1 through a standard power circuit 2 is connected to a 50 Hz network. Every half period, when the lamp current reaches its maximum value (and therefore, the conductivity of the gas column is maximum), a high voltage pulse is supplied to the spiral electrodes 4 and 5 from the high-voltage source 3.

Из-за большого градиента напряжения вблизи каждого витка электродов возникает поверхностный (скользящий) разряд. Под действием поверхностного разряда из воздуха образуется озон. Во время работы лампа слегка перегрета относительно температуры окружающего воздуха, и ее поверхность остается сухой. Это обеспечивает устойчивый поверхностный разряд. Расстояние l₂ между центральным 4 и крайними электродами 5 должно быть таким, чтобы исключить искровой пробой между электродами 4 и 5. Поскольку лампа питается переменным током, каждый ее электрод поочередно служит анодом и катодом. Электроды 5 расположены на краю катодного пространства электродов 6 лампы. Благодаря этому импульсный ток между электродами 4 и 5 протекает только по столбу сильно ионизированного газа и практически не влияет на ток катода лампы. Если ток катода имеет величину ~ 0,1 - 0,5 А, амплитуда тока между электродами 4 и 5 по столбу ионизированного газа достигает 10 А и более. Это вызывает вспышку излучения, т.е. лампа работает в режиме, когда на фоне относительно больших периодов нормального излучения возникают короткие, но мощные импульсы. Т.е. лампа переходит в режим внешней подпитки и средняя мощность ее излучения возрастает. Поскольку ток катодов при этом не изменяется, ресурс лампы остается прежним. Для предотвращения влияния на работу устройства поверхностных зарядов на электроды 4 и 5 необходимо подавать импульсы чередующейся полярности.Due to the large voltage gradient, a surface (sliding) discharge occurs near each coil of electrodes. Under the influence of a surface discharge, ozone is formed from the air. During operation, the lamp is slightly overheated relative to the ambient temperature, and its surface remains dry. This provides a steady surface discharge. The distance l ₂ between the central 4 and the outermost electrodes 5 should be such as to exclude a spark breakdown between the electrodes 4 and 5. Since the lamp is supplied with alternating current, each of its electrodes alternately serves as the anode and cathode. The electrodes 5 are located on the edge of the cathode space of the electrodes 6 of the lamp. Due to this, the pulsed current between electrodes 4 and 5 flows only along the column of highly ionized gas and practically does not affect the cathode current of the lamp. If the cathode current has a value of ~ 0.1 - 0.5 A, the amplitude of the current between electrodes 4 and 5 along the column of ionized gas reaches 10 A or more. This causes a flash of radiation, i.e. the lamp operates in a mode when short but powerful pulses occur against the background of relatively large periods of normal radiation. Those. the lamp goes into external recharge mode and the average power of its radiation increases. Since the cathode current does not change, the lamp life remains the same. To prevent the influence of surface charges on the operation of the device, electrodes 4 and 5 must be supplied with pulses of alternating polarity.

Благодаря непрерывному движению воздуха (которое происходит как под действием естественной конвекции из-за перегрева лампы, так и под действием электрических разрядов) образовавшийся озон быстро уносится из зоны разрядов и не подвергается многократным превращениям, что имеет место в традиционных озонаторах. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить мощность излучения УФ-лампы и одновременно вырабатывать озон, что дает возможность более полно реализовать синергидный эффект и повысить эффективность бактерицидного действия аппарата. Due to the continuous movement of air (which occurs both under the influence of natural convection due to overheating of the lamp and under the influence of electric discharges), the formed ozone is quickly carried away from the discharge zone and does not undergo multiple transformations, which takes place in traditional ozonizers. Thus, the present invention allows to increase the radiation power of the UV lamp and at the same time generate ozone, which makes it possible to more fully realize the synergistic effect and increase the effectiveness of the bactericidal action of the apparatus.

На фиг. 2 показана эквивалетная схема озонатора. Импульсное напряжение с высоковольтного блока 3 подается на средний электрод 4 и на крайние электроды 5, соединенные между собой. Поскольку лампа включена и газ внутри оболочки 1 лампы ионизирован, общее активное сопротивление столба газа имеет величину ≈ 100 - 200 Ом, которое равномерно распределено по всей длине лампы (исключая приэлектродные области). Между каждым витком электродов 4 и 5 и проводящей плазмой лампы образуется ряд емкостей C_c - емкость стекла, и C_в - емкость по воздуху. Т.к. активное сопротивление столба плазмы очень мало по сравнению с емкостным сопротивлением C_c и C_в, им можно пренебречь для простоты рассмотрения работы озонатора. Импульсное напряжение, приложенное к электродам 4 и 5, распределяется между емкостями C_c и C_в. При этом напряжение на C_в существенно превышает напряжение на C_c (так как ε стекла выше чем ε воздуха). При достижении пробивного значения напряжения на C_в происходит пробой воздушного промежутка вблизи электрода. Емкость C_в равномерно распределена вдоль проводника электрода, поэтому пробой имеет вид множества локальных разрядов по поверхности стекла вблизи витков электродов. В результате пробоя C_в напряжение на C_c достигает напряжения источника питания 3. После снижения напряжения до нуля на выходе источника 3 к емкости C_в оказывается приложенным напряжение C_c. Если сопротивление утечки достаточно велико и C_c не успевает разрядиться, может произойти повторный пробой C_в, но уже в обратном направлении. Если же сопротивление утечки недостаточно велико, напряжение на C_c к моменту окончания импульса оказывается недостаточным и повторного пробоя C_в не происходит. При подаче на электроды 4 и 5 импульса противоположной полярности остаточное напряжение на C_c суммируется с напряжением источника 3, что облегчает пробой C_в. Таким образом, подача на электроды 4 и 5 импульсов чередующейся полярности облегчает пробой воздушных промежутков вблизи электродов и увеличивает протяженность зоны разрядов. Это в конечном итоге повышает эффективность устройства в целом.In FIG. 2 shows an equivalent von ozonator circuit. The pulse voltage from the high-voltage unit 3 is supplied to the middle electrode 4 and to the extreme electrodes 5 connected to each other. Since the lamp is turned on and the gas inside the shell 1 of the lamp is ionized, the total resistance of the gas column is ≈ 100 - 200 Ohms, which is uniformly distributed along the entire length of the lamp (excluding the electrode regions). Between each turn of the electrodes 4 and 5 and the conductive plasma lamp produced a number of containers _{C c} - glass container, and _a C - capacity of the air. Because the active resistance of the plasma column is very small compared with the capacitive resistance of C _c and C _in , it can be neglected for ease of consideration of the operation of the ozonizer. The pulse voltage applied to the electrodes 4 and 5 is distributed between the capacitances C _c and C _in . In this case, the voltage at C _in significantly exceeds the voltage at C _c (since ε of the glass is higher than ε of air). When the breakdown value of the voltage at C _in is reached, a breakdown of the air gap near the electrode occurs. The capacitance C _{in is} uniformly distributed along the electrode conductor; therefore, the breakdown has the form of a multitude of local discharges over the glass surface near the turns of the electrodes. As a result of the breakdown of C _{into the} voltage at C _{c, it} reaches the voltage of the power source 3. After reducing the voltage to zero at the output of the source 3, the voltage C _c appears _to be applied to the capacitor C _in . If the leakage resistance is large enough and C _c does not have time to discharge, a second breakdown of C _in may occur, but in the opposite direction. If the leakage resistance is not large enough, the voltage at C _c at the moment of the end of the pulse is insufficient and a repeated breakdown of C _in does not occur. When a pulse of opposite polarity is applied to electrodes 4 and 5, the residual voltage at C _{c is} added to the voltage of source 3, which facilitates the breakdown of C _c . Thus, applying alternating polarity pulses to electrodes 4 and 5 facilitates the breakdown of air gaps near the electrodes and increases the length of the discharge zone. This ultimately improves the efficiency of the device as a whole.

Claims

1. A bactericidal device containing a bactericidal lamp and a circuit for switching it on, characterized in that it additionally contains a high-voltage switching power supply, and three spiral electrodes are installed on the lamp shell, two extreme electrodes are removed from the lamp electrodes by a distance equal to the length of the cathode space, are electrically connected interconnected and connected to one pole of a high-voltage power source, the middle electrode is connected to another pole.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the high-voltage power source is synchronized in frequency with the voltage supplying the lamp.

3. The apparatus according to claim 1, characterized in that the high-voltage source generates pulses of alternating polarity.