SK9614Y1 - Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu a zariadenie na sterilizovanie vzduchu - Google Patents

Abstract

Vzduch nútene preteká prietokovou pecou (1), kde sa zohrieva na inaktivačnú teplotu, výhodne na teplotu aspoň 100 °C, obzvlášť výhodne na 150 °C. Zádržný čas vzduchu v prietokovej peci (1) je aspoň 3 až 5 sekúnd v závislosti od hodnoty dosiahnutej inaktivačnej teploty. Po výstupe z prietokovej pece (1) vzduch vchádza do protiprúdového výmenníka (2) tepla, kde teplo odovzdáva vzduchu, ktorý vstupuje do prietokovej pece (1). Zariadenie zahŕňa výmenník (2) tepla, kde vstup vzduchu do prietokovej pece (1) a výstup vzduchu z prietokovej pece (1) sú pripojené k výmenníku (2). Vstup vzduchu do prietokovej pece (1) je pripojený k teplému koncu vstupnej vetvy výmenníka (2) a výstup vzduchu z prietokovej pece (1) je pripojený k teplému koncu výstupnej vetvy výmenníka (2). V prietokovej peci (1) môže byť aspoň jedna mriežka (5) na jeden meter dráhy vzduchu v prietokovej peci (1). Mriežka (5) je umiestnená naprieč vnútri kanálu, otvory v mriežke (5) sú určené na pretekanie vzduchu.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka prietokovej sterilizácie vzduchu, najmä veľkoobjemovej prietokovej sterilizácie vzduchu, pri ktorej sa nepoužívajú germicídne žiariče, a ktorá je spôsobilá na dlhodobú, trvalú prevádzku v priestoroch s ľuďmi a/alebo zvieratami. Technické riešenie tiež opisuje sterilizačné zariadenie s prietokovou pecou a s výmenníkom tepla, v ktorom sa vzduch vstupujúci do zariadenia predhrieva teplom získaným pri ochladzovaní vzduchu vystupujúceho z prietokovej pece.

Doterajší stav techniky

Na inaktiváciu patogénov, najmä vírusov a baktérií vo vzduchu sa bežne používa UV žiarenie s vhodnou vlnovou dĺžkou, vysokoteplotné pôsobenie, pôsobenie ozónom, mechanická filtrácia alebo pôsobenie dezinfekčných, chemických látok alebo kombinácia uvedených metód. UV žiarenie je nebezpečné pre ľudské zdravie a počas ošetrenia otvoreným UV žiarením sa nesmú v priestore nachádzať ľudia alebo zvieratá. Čiastočným riešením je uzavretie UV žiariča do oddelenej komory, cez ktorú preteká vzduch z miestnosti. Lampy generujúce UV svetlo majú relatívne nízku hodinovú životnosť a je tiež náročné zabezpečiť, aby pri vysokom prietoku vzduchu došlo k presvieteniu každej čiastočky vzduchu vnútri zariadenia.

Zverejnenie US US5441710A opisuje sterilizáciu vzduchu pomocou zvýšenej teploty, kde vzduch špirálovo prúdi vo valcovej komore s prvkami na podporu turbulentného prúdenia. Zariadenie má veľmi obmedzený objemový výkon a na súčasné požiadavky nie je použiteľné.

Článok „Thermal Disinfection of SARS-CoV-3 within an Airplane autora Austin Hehir z roku 2021 opisuje zariadenie umiestené na palube lietadla, ktoré zahŕňa ventilátor a vykurovaciu špirálu. Objemový výkon zariadenia je malý a veľkosť zariadenia v pomere k jeho objemovému výkonu je relatívne veľká, čo je tiež prekážkou širšieho nasadenia do prevádzky.

Súčasné poznatky pri skúmaní kontaminovaného aerosólu viedli k odporučeniam WHO, aby sa v zdravotníckych zariadeniach zabezpečila výmena čistého vzduchu na jedného pacienta až na úrovni 160 l/s, čo vedie k vysokým objemovým nárokom na príslušnú vzduchotechniku. Nasávanie vzduchu z exteriéru je energeticky náročné, keďže okrem filtrácie je potrebné zabezpečiť správnu teplotu vzduchu, kde ohrev alebo chladenie vzduchu na teplotu miestnosti si vyžaduje veľa pridanej alebo odobranej energie. V prípade, že čistý vzduch sa má získať mechanickou filtráciou vzduchu nasávaného v priestore, nastáva problém s rýchlym zanášaním filtračných vložiek, pričom ich výmenu, resp. čistenie komplikuje fakt, že môžu byť nebezpečne kontaminované. Všeobecne sa dá konštatovať, že prenos rôznych nákaz vzduchom je síce vedecky preukázaný, ale nie sú k dispozícii spôsoby a zariadenia, ktoré by mohli túto prenosovú cestu v požadovanom veľkoobjemovom meradle eliminovať.

Je preto žiaduce vytvoriť nový spôsob sterilizácie vzduchu a tiež zariadenie na jeho vykonávanie, ktoré umožní jednoducho a spoľahlivo ničiť alebo deaktivovať patogény obsiahnuté vo vzduchu vo veľkom objeme a pritom bez nežiaducich účinkov na prostredie s prítomnosťou ľudí a zvierat.

Podstata technického riešenia

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu pôsobením zvýšenej teploty, pri ktorom sa vzduch prietokovo zohrieva na teplotu aspoň 80 °C a na tejto teplote ostáva aspoň 3 sekundy podľa tohto technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že vzduch nútene preteká prietokovou pecou, kde sa vzduch zohrieva na inaktivačnú teplotu, po výstupe z prietokovej pece vzduch vchádza do protiprúdového výmenníka tepla, kde odovzdáva teplo vzduchu, ktorý vstupuje do prietokovej pece.

Vo výmenníku tepla sa predhrieva vzduch pred vstupom do prietokovej pece, a zároveň sa tým ochladzuje vzduch vystupujúci z prietokovej pece. Vzduch vystupujúci z prietokovej pece a následne vychádzajúci z výmenníka tepla vychádza zo zariadenia už bez aktívnych biologických štruktúr. Pojem sterilizácia v tomto spise všeobecne pomenováva proces eradikácie a/alebo inaktivácie, a/alebo degradácie patogénov vo vzduchu, najmä vírusov a baktérií v aerosólovom nosiči.

Dôležitou črtou predloženého technického riešenia je zapojenie prietokovej pece s výmenníkom tepla do plynotesnej sústavy tak, aby sa zabezpečil predohrev vzduchu, ktorý vstupuje do prietokovej pece, pričom na predohrev sa využije teplo, s ktorým sterilizovaný vzduch vystupuje z prietokovej pece. Výmenník tepla znižuje energetické nároky zariadenia a zároveň sa vzduch po zahriatí na inaktivačnú teplotu ochladí, vďaka čomu môže výstupný vzduch vchádzať do priestoru s ľuďmi.

Čističky vzduchu známe zo stavu techniky, ktoré používajú ohrev vzduchu, pracujú s relatívne malými prietokmi, aby sa dosiahol aspoň minimálny čas zotrvania vzduchu na potrebnej teplote. Pritom nie je podstatné, že vzduch na výstupe má relatívne vysokú teplotu, keďže celkové teplo odovzdané do priestoru je relatívne malé. Cieľom tohto vynálezu je dosiahnuť vysoké prietoky vzduchu, aby sa zabezpečila rýchla výmena vzduchu v danom priestore. V usporiadaní podľa tohto technického riešenia je preto dôležité dosiahnuť na výstupe zariadenia čo najmenší prírastok teploty oproti teplote na vstupe do zariadenia. Pomocou tepelného výmenníka sa nielen dosahuje tento cieľ, ale tiež sa znižuje energetická bilancia zariadenia.

Pojem prietoková pec v tomto spise pomenováva akékoľvek zariadenie, ktoré zahŕňa kanál na vedenie vzduchu, kde kanál je vybavený prvkami na ohrievanie vzduchu. Ohrievanie vzduchu môže byť zabezpečené rôznymi prostriedkami, napríklad plynovými horákmi alebo výhodne elektricky, čo poskytuje jednoduchú možnosť regulácie teploty. Prietoková pec môže byť tiež pomenovaná ako prietokový ohrievač alebo vyhrievaný kanál a podobne.

Inaktivačná teplota je teplota vzduchu, pri ktorej sa vírusy, baktérie alebo iné biologické patogény rozložia, poškodia alebo inak deaktivujú. Vzduch sa v prietokovej peci pri inaktivačnej teplote musí zdržať určitý čas, ktorý je nevyhnutný na dosiahnutie požadovaného procesu deaktivácie. Pritom platí, že čím vyššia je teplota, tým kratší čas je postačujúci na dosiahnutie účinkov sterilizácie, resp. na dosiahnutie účinkov sterilizácie aspoň na úrovni 95 %. Výsledky vykonaného výskumu podľa tabuľky na obrázku 1 preukazujú, že pri vyšších teplotách postačuje krátky zádržný čas, rádovo v sekundách, teda podstatne kratší, ako sa uvádza v stave techniky, kde sa opisujú rádovo minúty.

Vo výhodnom postupe sa vzduch zohrieva na teplotu aspoň 100 °C, obzvlášť výhodne na 150 °C. Pri teplote 150 °C postačuje zádržný čas 3 až 5 sekúnd. Zádržný čas požadovaný pri určitej inaktivačnej teplote určuje rýchlosť prietoku pri danej dĺžke kanálu prietokovej pece. Relatívne krátke zádržné časy umožňujú dosiahnuť vysoké objemové prietoky sterilizácie. Aby sa spoľahlivo dosiahli predpísané parametre teploty a zádržného času, je vhodné, ak postup zahŕňa meranie prietoku vzduchu a meranie skutočnej teploty aspoň v jednom mieste prietokovej pece a podľa nameraných hodnôt sa reguluje prietok vzduchu a/alebo sa riadi napájanie prvkov na ohrievanie vzduchu. Pritom sa môže pri riadení využívať krivka, ktorá definuje vzťah medzi inaktivačnou teplotou a zádržnou teplotou, pre konkrétny nebezpečný patogén, ktorý treba zo vzduchu odstrániť. Pri štarte zariadenia, kedy sa prietoková pec nahrieva, bude riadiaca jednotka nastavovať malý prietok vzduchu, čo zabezpečí dlhší zádržný čas. Otáčky ventilátora môžu byť riadené pomocou frekvenčného meniča. Prietok môže byť meraný snímačmi, výhodne mimo zón s inaktivačnou teplotou alebo môže byť prietok nepriamo hodnotený podľa skutočných otáčok ventilátora s využitím charakteristiky ventilátora pri danej tlakovej strate.

Priebeh postupu je ovládaný riadiacou jednotkou, ktorá má príslušný softvér, hodnotí údaje zo snímačov a okrem iného riadi rýchlosť pohybu vzduchu v prietokovej peci. Riadiaca jednotka je prispôsobená na aktualizáciu, ktorá môže aktualizovať krivku definujúcu vzťah medzi inaktivačnou teplotou a zádržnou teplotou podľa patogénu, ktorý práve prevláda v aktuálnom pandemickom stave. Napríklad po rozpoznaní charakteristík nového variantu vírusu sa môže nahrať aktualizovaná krivka a riadiaca jednotka udržuje príslušný zádržný čas a inaktivačnú teplotu.

Tepelný výmenník je zapojený tak, že vzduch vstupujúci do zariadenia je privedený na studený koniec vstupnej vetvy výmenníka. Vzduch postupuje k teplému koncu vstupnej vetvy výmenníka, teplý koniec vstupnej vetvy je pripojený na vstup prietokovej pece. Výstup z prietokovej pece je prepojený k teplému koncu výstupnej vetvy tepelného výmenníka, odkiaľ postupuje k studenému koncu výstupnej vetvy tepelného výmenníka. Vstupná a výstupná vetva tepelného výmenníka sú orientované tak, že vzduch vo vstupnej vetve prúdi oproti smeru prúdenia vzduchu vo výstupnej vetve, čím sa zabezpečuje priaznivý teplotný gradient v jednotlivých zónach tepelného výmenníka.

Nedostatky uvedené v stave techniky podstatným spôsobom odstraňuje aj samotné zariadenie na sterilizáciu vzduchu pôsobením zvýšenej teploty, ktoré zahŕňa ventilátor a prietokovú pec prispôsobenú na ohrev vzduchu aspoň na 80 °C, kde ventilátor je zapojený na nútený prietok vzduchu v prietokovej peci, podľa tohto technického riešenia, ktorého podstata spočíva v tom, že má tepelný výmenník, kde vstup vzduchu do prietokovej pece a výstup vzduchu z prietokovej pece sú pripojené k tepelnému výmenníku tak, že vstup do prietokovej pece je prepojený k teplému koncu vstupnej vetvy tepelného výmenníka a výstup vzduchu z prietokovej pece je pripojený k teplému koncu výstupnej vetvy tepelného výmenníka, a medzi vstupnou a výstupnou vetvou vo výmenníku je umiestnený teploprenosný prvok na prestup tepla medzi vetvami. Vo výhodnom usporiadaní je prietoková pec prispôsobená na ohrev vzduchu na aspoň 100 °C, obzvlášť výhodne na 150 °C.

Kanál prietokovej pece má dĺžku, ktorá zodpovedá x-násobku dráhy, ktorú prejde vzduch hnaný ventilátorom za jednu sekundu. Hodnota x vyjadruje zádržný čas. Ak bude zádržný čas 5 sekúnd, je dĺžka kanálu aspoň 5-násobkom dráhy pohybujúceho sa vzduchu za jednu sekundu. Napríklad pri rýchlosti prúdenia 1 m/s a zádržnom čase 5 sekúnd je dĺžka kanálu minimálne 5 metrov.

Prietoková pec je vybavená prvkami na ohrievanie vzduchu. Vo výhodnom usporiadaní má prietoková pec aspoň jeden elektrický vykurovací element, ktorého napájanie je ovládané riadiacou jednotkou. Elektrický vykurovací element môže mať formu komerčne dostupnej vykurovacej špirály, aká je používaná v elektrických peciach alebo kuchynských rúrach. Vykurovacia špirála môže byť umiestnená priamo vnútri kanálu prietokovej pece, kde má priamy styk s pretekajúcim vzduchom. Je tiež možné usporiadanie, kde prvok na ohrievanie vzduchu je vykurovaný odpadovým teplom z technologických zariadení v priemyselných prevádzkach alebo odpadovým teplom z motorov dopravných prostriedkov alebo plynovým horákom, alebo tepelným čerpadlom a podobne.

Kanál prietokovej pece je prispôsobený na prúdenie vzduchu, pričom teplotné pole v kanáli má byť čo najhomogénnejšie. Po stabilizácii prevádzkového režimu majú byť rozdiely teplôt v 80 % objemu kanálu minimálne, menšie ako ±5 °C. Na dĺžke prvých 20 % od začiatku kanálu sa predpokladá nerovnomerná teplota, nasledujúcich 80 % objemu kanálu má spoľahlivo zabezpečiť dosiahnutie inaktivačnej teploty vzduchu počas zádržného času.

Kanál musí mať nízky odpor prúdenia vzduchu a minimálne tepelné straty cez plášť kanálu. Prietokový prierez v každom mieste kanálu prietokovej pece dosahuje aspoň hodnotu referenčného prierezu. Referenčný prierez zodpovedá minimálnemu prietokovému prierezu celého zariadenia, ktorý môže byť výhodne definovaný prierezom vstupného otvoru zariadenia. Následne všetky prierezy kanálov v zariadení, teda prierezy v prietokovej peci, vo výmenníku a v spojovacích potrubiach, majú prietokovú plochu rovnakú alebo väčšiu, ako je referenčný prierez S. Zariadenie môže byť tiež skonštruované tak, že postupne v smere prietoku vzduchu narastá prierez kanálov, čím sa minimalizujú prietokové odpory a tlakové straty.

Na dosiahnutie vysokej účinnosti je potrebné, aby sa každá čiastočka vzduchu spoľahlivo prehriala na inaktivačnú teplotu a zotrvala na inaktivačnej teplote počas zádržného času. Na dosiahnutie tohto cieľa môže mať prietoková pec aspoň jednu mriežku vnútri kanálu s pretekajúcim vzduchom. Mriežka je umiestnená naprieč kanálom, aby vzduch bol nútený pretekať cez otvory v mriežke. Zvyšuje sa tým štatistická pravdepodobnosť, že každá čiastočka vzduchu sa stretne s pevnou horúcou plochou, ktorá jej odovzdá teplo. Mriežka môže byť umiestnená kolmo na smer prietoku vzduchu alebo so sklonom do 60 stupňov. Mriežka zasahuje aspoň do 90 % prierezu kanálu, zvyčajne bude prekrývať celý prietokový prierez kanálu. Otvory v mriežke sú relatívne veľké, aby mriežka podstatne nezvyšovala prietokový odpor a počas prevádzky sa nezanášala prachom, aby ju nebolo nutné čistiť. Zvyčajne budú otvory v mriežke mať plochu jednotlivo aspoň 4 mm². Sumárny prierez otvorov v mriežke bude zodpovedať aspoň referenčnému prierezu S. Mriežka má inaktivačnú teplotu a materiál mriežky svojou tepelnou vodivosťou homogenizuje teplotné pole.

Mriežka môže byť tvorená kovovou sieťovinou, ťahokovom, perforovaným plechom a podobne. Pri vynaliezaní sa ukázalo výhodné, ak je na každý meter dráhy kanálu umiestnená aspoň jedna mriežka, výhodne aspoň 5 mriežok. Tým narastá štatistická pravdepodobnosť, že pri akomkoľvek type prúdenia vzduchu sa každá čiastočka vzduchu dostane do kontaktu s nahriatym povrchom mriežky. Z technologického hľadiska je výhodné, ak sústava mriežok je vytvorená v jednom kuse z pásu perforovaného materiálu, ktorý je plisovito ohýbaný do záhybov, kde každý záhyb pásu predstavuje jednu mriežku sústavy. Pri tomto usporiadaní sa naplisovaný pás jednoducho prichytí vnútri kanálu.

Je tiež možné usporiadanie, kedy prvok na ohrev vzduchu má podobu mriežky. V takom prípade je namiesto bežnej vykurovacej špirály použitá napríklad odporová mriežka, ktorá na celej ploche generuje teplo. Okraje vykurovacej mriežky sú pritom prichytené v izolačnom ráme a celková plocha priechodných otvorov vo vykurovacej mriežke je aspoň na úrovni referenčného prierezu S.

Ventilátor funguje ako hnacia jednotka a môže byť zaradený na vstupe zariadenia alebo na výstupe zariadenia, kde nie je vystavený zvýšenej teplote, keďže aj na výstupe zariadenia je teplota vystupujúceho vzduchu zvýšená oproti vstupu len o niekoľko stupňov Celzia. Vo všeobecnosti môže byť ventilátor zaradený v ktoromkoľvek mieste zariadenia. Ak je ventilátor umiestnený na vstupe zariadenia, pracuje s kontaminovaným vzduchom, ktorý tlačí do zariadenia. Ak je ventilátor na výstupe zariadenia, nasáva vzduch, ktorý je už sterilizovaný. Na dosiahnutie požadovanej vysokej prietokovej kapacity zariadenia je vhodné, ak ventilátor alebo skupina ventilátorov má prietok minimálne 10 l/s, 36 m³/hod., výhodne aspoň 100 l/s, 360 m³/hod. Spotreba energie na nútený prietok vzduchu v zariadení podľa tohto technického riešenia je menšia ako 2 Wh/m³ prepraveného vzduchu, čo je rádovo menej ako pri mechanickej filtrácii vzduchu cez filtračné vložky schopné zachytiť biologické patogény. Požadovaná hlučnosť ventilátora alebo skupiny ventilátorov je nižšia ako 45 dB, zariadenie môže byť umiestnené priamo v miestnosti, kde sa čistí vzduch za prítomnosti osôb.

Prietoková pec, tepelný výmenník a tiež ich prepojenia sú hermeticky tesné, aby všetok vzduch vstupujúci do zariadenia prešiel bez únikov na výstup zariadenia. Keďže zariadenie nepotrebuje na svoju činnosť používať filtračné prvky, má nízku tlakovú stratu a nútený prietok vzduchu zabezpečí ventilátor s malou spotrebou a nízkou hlučnosťou. Zariadenie môže zahŕňať aj viacero ventilátorov, ktoré sú zapojené paralelne alebo sériovo.

Prietoková pec, výhodne aj tepelný výmenník a ich prepojenia sú tepelne izolované od prostredia, aby sa zabezpečila nízka tepelná strata zariadenia. Tým sa tiež zintenzívňuje prechod tepla v tepelnom výmenníku medzi vzduchom vstupujúcim a vystupujúcim z prietokovej pece. Ako tepelná izolácia sa môže využiť bežne dostupná stavebnotechnická tepelná izolácia, výhodne nehorľavá izolácia na báze minerálnej vlny. Už pri použití 50 mm hrubej izolácie sa dosahujú nízke celkové tepelné straty. Tepelné straty sa môžu ešte znížiť tak, že výstupná vetva tepelného výmenníka je zvonka obtekaná vzduchom vstupujúcim do zariadenia. Straty tepla povrchom zariadenia sú zvyčajne menšie ako 500 W/h v závislosti od kvality použitej izolácie. Minimalizácia tepelných strát je žiaduca najmä v letnom období. V prechodnom a zimnom období tepelná strata povrchom zariadenia môže prispievať k vykurovaniu priestoru.

Tepelný výmenník je vo výhodnom usporiadaní zostavený aspoň z troch článkov, ktoré sú samostatné alebo sú vzájomne tepelne oddelené, pričom články sú zapojené za sebou. Články môžu byť pritom zostavené do jedného celku. Pre terminologickú jednotnosť pojmy „tepelný výmenník a „výmenník tepla“ označujú v tomto spise jeden tepelný výmenník, a tiež celok pozostávajúci z viacerých výmenníkových článkov a zostavu viacerých tepelných výmenníkov zoradených do jednej sústavy.

Teploprenosný prvok, ktorý fyzicky oddeľuje vzduch vstupnej a výstupnej vetvy a ktorý pritom zabezpečuje prenos tepla medzi týmito vetvami, je tepelne oddelený (tepelne izolovaný) od teploprenosného prvku susedného článku. Rozdelením tepelného výmenníka na samostatné články alebo na články, ktorých teploprenosné prvky sú tepelne vzájomne izolované, sa zabezpečí, aby aj pri dlhodobej prevádzke nedošlo k vyrovnávaniu teplôt v zónach tepelného výmenníka dôsledkom prestupu tepla pozdĺž teploprenosného prvku. Je žiaduce, aby teplo v maximálnej miere prechádzalo naprieč teploprenosným prvkom, teda v podstate kolmo na smer prúdenia vzduchu. Teploprenosný prvok je vytvorený z materiálu s vysokou tepelnou vodivosťou, minimálne s tepelnou vodivosťou 100 W/mK, výhodne viac ako 150 W/mK. Vo výhodnom vyhotovení je teploprenosný prvok vyrobený z hliníka (tepelná vodivosť 180 až 226 W/mK), napríklad vo forme extrudovaného hliníkového profilu s rebrami.

Aby sa dosiahla kompaktná konštrukcia tepelného výmenníka, a tým tiež malá vonkajšia plocha, ktorú je potrebné tepelne izolovať, je vhodné, ak sú jednotlivé články tepelného výmenníka zostavené do jedného celku, kde výstup jedného článku priamo nadväzuje na vstup nasledujúceho článku, pričom sú však teploprenosné prvky oddelené doskou s nízkou tepelnou vodivosťou, teda s tepelnou vodivosťou menej ako 1 W/mK. Doska je plynotesná, vytvára priečku medzi článkami a je pritom výhodné, ak materiál dosky má malú tepelnú rozťažnosť (menej ako 2 . 10^-6 K^-1). Výhodne je doska vyhotovená zo skla. Sklo sa jednoducho čistí a má požadovanú nízku tepelnú vodivosť. Je výhodné, ak sklo je tepelne upravené a odolné proti vzniku trhlín.

Výmenník je zložený najmenej z troch, výhodne najmenej zo šiestich vzájomne tepelne odizolovaných teplovýmenných článkov usporiadaných sériovo tak, aby mali vzostupne rozdielnu teplotu od primárneho vstupu vzduchu, ktorá sa nevyrovná ani pri nepretržitej prevádzke. Vďaka tomuto usporiadaniu so vzájomnou izoláciou sa dá dosiahnuť veľmi malý teplotný rozdiel vzduchu na vstupe a výstupe, v poslednom článku môže byť teplotný rozdiel menej ako 2 °C. Pri inaktivačnej teplote 150 °C sa ukázal ako plne postačujúci počet 12 článkov.

Tepelný výmenník môže zahŕňať bajpasový ventil, ktorým sa vzduch z prietokovej pece vypúšťa na výstup zariadenia ešte pred úplným vychladením v poslednej sekcii tepelného výmenníka. Takéto zapojenie môže plniť vykurovaciu funkciu v zimnom alebo prechodnom období. V takom prípade sa vzduch po výstupe z prietokovej pece ochladzuje len na vykurovaciu teplotu, napríklad na 60 °C alebo na 40 °C a vypúšťa sa do vykurovaného priestoru. Pri tomto postupe sa výstupná teplota môže určiť na základe tepelného výkonu prietokovej pece, aby dostupný tepelný výkon prietokovej pece bol využitý primárne na ohriatie vzduchu pri jeho sterilizácii.

V zásade však bude platiť požiadavka na čo najmenší rozdiel teplôt vzduchu na vstupe a výstupe zariadenia, čo sa dosiahne pomocou čo najúčinnejšej výmeny tepla medzi zohriatym vzduchom vystupujúcim z prietokovej pece a vzduchom vstupujúcim do zariadenia. Vďaka tejto výmene tepla je vzduch vchádzajúci do prietokovej pece predhriaty a prietoková pec zvyšuje teplotu vzduchu z teploty predhriateho vzduchu na inaktivačnú teplotu. Požiadavka na dosiahnutie čo najmenšieho rozdielu teplôt vzduchu na vstupe a na výstupe zariadenia sleduje cieľ, aby v letnej prevádzke zariadenie nezvyšovalo teplotu v priestore s čisteným vzduchom. Ako ukázala prevádzka zariadenia podľa príkladu v tomto spise, je celkový tepelný prírastok zariadenia (preukázaný z odberu elektrickej energie po ustálení teplotných pomerov) na úrovni do 1 kWh/hod., čo približne zodpovedá tepelnému príkonu 6 ľudí pri veľmi ľahkej telesnej práci. Takýto tepelný prírastok je pritom zanedbateľný v priestoroch, kde sa predpokladá použitie zariadenia, ako sú napríklad telocvične, koncertné sály, verejné priestory, haly staníc a letísk a podobne.

Vstup vystupujúci z výstupnej vetvy tepelného výmenníka má teplotu vždy o niečo väčšiu ako vzduch vstupujúci do vstupnej vetvy tepelného výmenníka, keďže prenos tepla nastáva pri rozdielnych teplotných potenciáloch a nie je možné v krátkom čase dosiahnuť úplne alebo aspoň limitné vyrovnanie teplôt. Vzduch vystupujúci zo zariadenia bude mať zvyčajne teplotu vyššiu o 4 °C až 10 °C v závislosti od zvolenej teploty inaktivácie a počtu samostatných článkov výmenníka. Táto skutočnosť chráni chladiace zóny tepelného výmenníka pred zrážaním vodnej pary, keďže v celom procese spracovania nemá vzduch v zariadení nižšiu teplotu ako bola teplota vzduchu pri vstupe. To je dôležité na vylúčenie rizika zavodnenia zariadenia. Nie je však pritom vylúčené, že v závere výstupnej vetvy tepelného výmenníka alebo po výstupe vzduchu z výstupnej vetvy je vzduch ešte chladený, napríklad vodným chladičom, peltierovým článkom alebo odoberaním tepla do latentného skupenského tepla vhodného materiálu. Vhodným materiálom môže byť vosk, ktorý má teplotu tavenia nastavenú na úrovni teploty interiéru. Vosk pritom môže byť penetrovaný do bloku hliníkovej peny a bude slúžiť ako akumulátor tepla, z ktorého sa môže následne teplo odobrať napríklad pomocou prietoku úžitkovej vody.

Vo výhodnom vyhotovení tepelný výmenník zahŕňa šesť protiprúdových článkov. V takom prípade sa teplotný spád na jeden článok môže vyjadriť ako (T v peci - T okolia)/6. Články majú aj pri dlhodobej prevádzke rozdielnu teplotu teploprenosného prvku, kde táto teplota postupne stúpa od studeného konca vstupnej a studeného konca výstupnej vetvy až po teplý koniec vstupnej a výstupnej vetvy. Jednotlivé články sú usporiadané tak, aby nasávaný studenší vzduch prúdil opačnou stranou článku ako vyfukovaný teplejší vzduch, pričom medzi nimi prebieha prenos tepla z vyššej teploty na nižšiu. Teploprenosný prvok má plochu zväčšenú rebrovaním na oboch stranách. Rebrá sú v oboch vetvách priamo obtekané vzduchom. Plocha teploprenosného prvku by mala byť aspoň dvojnásobná, výhodne aspoň 5-násobná v pomere k ostatným plochám prieduchu článku. Je vhodné, ak ostatné steny prieduchu článku, teda steny mimo teploprenosného prvku sú vytvorené z materiálu s nízkou teplotnou vodivosťou, s teplotnou vodivosťou menej ako 1 W/mK. Zároveň by materiál použitý na steny prieduchov mal mať nízku teplotnú rozťažnosť, menej ako 2 . 10^-6 K^-1, aby sa minimalizovali napätia z dôvodu rozdielnej teploty prieduchu na vstupe a výstupe tepelného výmenníka. Výhodne je stena prieduchu vytvorená zo sklenej dosky, kde sklená doska zároveň tvorí izoláciu medzi teploprenosnými prvkami susedných článkov. Každý prieduch článkov má pritom voľný prietokový prierez na úrovni aspoň referenčného prierezu S.

Výhodou technického riešenia je vysoká prietoková kapacita zariadenia s minimálnymi energetickými nárokmi, pričom termické spracovanie vzduchu je neškodné pre ľudí aj zvieratá, neprodukuje škodlivé látky, nevytvára pri prevádzke odpady, ani si nevyžaduje jednorazový spotrebný materiál. Zariadenie môže dosahovať prietoky vzduchu na úrovni 100 l/s, 360 m³/hod., pričom postačuje pripojenie na jednofázovú elektrickú zásuvku. Energetická náročnosť a hlučnosť zariadenia je nízka. Zariadenie podľa predloženého technického riešenia nepotrebuje obsluhu, po zapnutí sa postupne teplotne stabilizuje a môže pracovať autonómne a nepretržite. Zariadenie nie je pre okolie nebezpečné, nevyžaruje škodlivé žiarenie, nevytvára ozón, ani v sebe neuchováva filtračné materiály, v ktorých by sa mohli zachytávať patogény nebezpečné pre servisnú obsluhu. Prevádzka zariadenia navyše výrazne znižuje nároky na pravidelnú údržbu, v zariadení nie sú žiadne filtre ani komponenty s obmedzenou životnosťou, ako je to v prípade čističiek využívajúcich UV žiarenie alebo ozón.

Dôležitou výhodou predloženého technického riešenia je kompaktná konštrukcia zariadenia vo vzťahu k objemovému výkonu, ktoré je schopné zariadenie zvládať v trvalej prevádzke. Zariadenie s približným vonkajším objemom 2 m³ je schopné sterilizovať 200 m³/hod. pri inaktivačnej teplote 150 °C a zádržnom čase 5 sekúnd. Tento pomer medzi relatívne malým objemom zariadenia a vysokým objemovým výkonom je dôležitý na široké uplatnenie zariadenia. V porovnaní so zariadeniami zo stavu techniky je tento pomer (100 m³/hod. na 1 m³ objemu zariadenia) rádovo - 10- až 50-krát priaznivejší. Vďaka tomu sa zariadenie podľa predloženého technického riešenia môže ľahko umiestniť do rôznych priestorov alebo využiť v dopravnej technike, v lietadlách, lodiach, vo vlakoch, autobusoch a v iných hromadných dopravných prostriedkoch.

Spôsob sterilizácie vzduchu podľa predloženého technického riešenia nepredstavuje žiadne riziko pre človeka alebo domáce zvieratá a môže byť preto nasadený v plnej prevádzke najmä tam, kde sa pohybuje viac ľudí a veľké množstvá vzduchu je potrebné čistiť v krátkych intervaloch. Sterilizovaný vzduch si zachováva pôvodnú vlhkosť aj zloženie a približne aj rovnakú teplotu. Spôsob a zariadenie je vhodné na dekontamináciu priestorov od ľudských koronavírusov, ako je SARS-CoV-2, ale spôsob a zariadenie má oveľa širšie využitie, pretože vysokou teplotou je možné likvidovať prakticky všetky nebezpečné mikroorganizmy prenášané vzduchom, ako sú napríklad ďalšie vírusy chrípky, opäť sa vyskytujúce vírusy osýpok, mumpsu, ovčích kiahní, alebo skupiny rinovírusov spôsobujúcich rôzne nádchy a prechladnutia. Okrem toho je sterilizácia vzduchu schopná ničiť aj baktérie prenášané vzduchom, ako sú bacillus tuberculosis, mycoplasma pneumoniae, niektoré kmene streptokokov alebo coxiella burnetii, ktorá spôsobuje vysoko nákazlivú Q horúčku.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Technické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázkov 1 až 6. Vyobrazená mierka jednotlivých prvkov, tvar a prierez kanálov a prieduchov, ako aj zobrazená skriňa telesa zariadenia a počet zobrazených článkov sú len príkladmi a nemajú byť vysvetľované ako znaky obmedzujúce rozsah ochrany.

Na obrázku 1 je graf s výsledkami výskumu, ktorý zistil vzťah medzi inaktivačnou teplotou a príslušným zádržným časom dostatočným na deaktiváciu vírusu SARS-CoV-2.

Na obrázku 2 je schematický rez prietokovou pecou a výmenníkom tepla. Šípky znázorňujú smer prúdenia vzduchu. Bodkovaná línia na vonkajšej strane prietokovej pece znázorňuje tepelnú izoláciu.

Obrázok 3 je schematický rez výmenníkom tepla so šiestimi článkami.

Na obrázku 4 je prierez prieduchu s teploprenosným prvkom s rebrovaním.

Príklady uskutočnenia

Príklad 1

V tomto príklade má zariadenie vonkajšie teleso s tvarom skrine, ktorá sa môže umiestniť priamo do priestoru, v ktorom sa nachádzajú ľudia a/alebo zvieratá, alebo sa tiež môže umiestniť do miestnosti so vzduchotechnickými zariadeniami, kde sa pripojí do rozvodu vzduchu, pričom vzduch sa nasáva a následne vyfukuje do priestoru s prípadným trvalým pobytom ľudí a/alebo zvierat.

Na vonkajšom plášti skrine je vstup vzduchu, výstup vzduchu, ovládacie prvky a displej riadiacej jednotky. Zariadenie v tomto príklade je usporiadané v skrini, aká sa používa na eletrorozvodné účely.

Teleso prietokovej pece 1 je vytvorené krabicou z antikorového plechu s vertikálnymi priečkami. Priečky ohraničujú v tomto príklade štyri komory kanálu, kde priečky striedavo priliehajú k hornej a dolnej stene krabice a pritom na protiľahlej strane tvoria medzeru na prechod vzduchu do susednej komory kanálu. Týmto usporiadaním sa môže na malom priestore v skrini vytvoriť dostatočná dĺžka dráhy vzduchu, v tomto príklade približne 5 m.

V každej komore sú umiestnené prvky 4 na ohrev vzduchu, v tomto príklade sú to elektrické vykurovacie telesá, ktorých vonkajší povrch je určený na priamy styk so vzduchom. Prvky 4 na ohrev sú votknuté dovnútra kanálu, z vonkajšej strany majú pripojené elektrické napájacie vedenia. Prvky 4 sú ovládané z riadiacej jednotky. V každej komore je sústava mriežok 6, ktorá pozostáva z pásu ťahokovovej sieťoviny. Pás je naplisovaný do záhybov, ktoré priliehajú k stenám kanálu. Pás je zavesený k hornému a dolnému prvku 4 na ohrev. Na viacerých miestach je prietoková pec vybavená snímačmi teploty, ktoré sú prepojené s riadiacou jednotkou.

Výmenník 2 tepla v tomto príklade zahŕňa dvanásť protiprúdových článkov 7. Na obrázkoch je pre prehľadnosť znázornených len šesť článkov 7. Jednotlivé články 7 sú usporiadané tak, aby nasávaný studenší vzduch prúdil opačnou stranou článku ako vyfukovaný teplejší vzduch. Teploprenosný prvok 5 z extrudovaného hliníka má rebrovanie, ktoré je v oboch vetvách priamo obtekané vzduchom. Ostatné steny prieduchu článku sú ohraničené sklenou doskou 8 s tepelnou vodivosťou menej ako 1 W/mK. Sklená doska 8 oddeľuje teploprenosné prvky 5 susedných článkov 7.

Prvý ventilátor 3 je umiestnený na vstupe zariadenia, druhý ventilátor je na výstupe zariadenia. Oba ventilátory 3 sú ovládané frekvenčným meničom podľa pokynov z riadiacej jednotky.

Vzduch nútene preteká prietokovou pecou 1, kde sa vzduch zohrieva na inaktivačnú teplotu 150 °C, na ktorej zotrváva cca 5 sekúnd, následne vystupuje z prietokovej pece 1 a vchádza do protiprúdového výmenníka 2 tepla, kde teplo odovzdáva vzduchu, ktorý vstupuje do prietokovej pece 1.

Prietoková pec 1, výmenník 2 a ich prepojenia sú tepelne izolované od okolitého prostredia nehorľavou izoláciou s hrúbkou min. 50 mm.

Zariadenie podľa tohto príkladu je napájané z jednofázovej zásuvky, dosahuje výkon 100 m³/hod., pričom po teplotnom ustálení má príkon do 1 kW. Vzduch vychádzajúci zo zariadenia má teplotu vyššiu cca o 6 °C až 8 °C oproti teplote vstupného vzduchu.

Príklad 2

Zariadenie je umiestnené v hromadnom dopravnom prostriedku, kde sa na ohrev vzduchu najskôr blízko k teplote 100 °C využíva odpadové teplo zo spaľovacieho motora, následne je vzduch prehrievaný na teplotu 150 °C elektrickou špirálou.

Príklad 3

V tomto príklade je zariadenie skombinované s tepelným čerpadlom, kde je vytvorený režim na sterilizovanie vzduchu a tiež na sterilizovanie a súčasne vykurovanie priestoru. Zároveň je tepelné čerpadlo využité na schladzovanie vzduchu na výstupe až na teplotu vstupného vzduchu.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto technického riešenia je možné priemyselne a opakovane 15 sterilizovať veľké objemy vzduchu, a tým predchádzať aerosólovej nákaze, napríklad v nemocniciach, školách, kinách a divadlách, telocvičniach, kongresových sálach, reštauráciách, ale aj v uzatvorených výrobných priestoroch s veľkým pohybom personálu alebo v dopravných prostriedkoch, vo vlakoch, lietadlách, autobusoch a podobne.

Zoznam vzťahových značiek

- prietoková pec

- tepelný výmenník

- ventilátor

- prvok na ohrev

- teploprenosný prvok

- mriežka

- článok

- doska

Claims (23)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu pôsobením zvýšenej teploty, pri ktorom sa vzduch prietokovo zohrieva na teplotu aspoň 80 °C, vyznačujúci sa tým, že vzduch nútene preteká prietokovou pecou (1), kde sa vzduch zohrieva na inaktivačnú teplotu, po výstupe z prietokovej pece (1) vzduch vchádza do protiprúdového výmenníka (2) tepla, kde teplo odovzdáva vzduchu, ktorý vstupuje do prietokovej pece (1).
2. 2. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že vzduch vstupujúci do zariadenia je privedený na studený koniec vstupnej vetvy výmenníka (2), odkiaľ vzduch prúdi k teplému koncu vstupnej vetvy výmenníka (2), ďalej vzduch prechádza do prietokovej pece (1), v ktorej prúdi a zotrvá pri aktivačnej teplote počas zádržného času a následne vzduch vystupuje z prietokovej pece (1) k teplému koncu výstupnej vetvy výmenníka (2), odkiaľ postupuje k studenému koncu výstupnej vetvy výmenníka (2), pričom vzduch vo vstupnej vetve prúdi oproti smeru prúdenia vzduchu vo výstupnej vetve výmenníka (2).
3. 3. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa nárokov 1 alebo 2, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že vzduch sa v prietokovej peci zohrieva na teplotu aspoň 100 °C, výhodne na teplotu aspoň 150 °C.
4. 4. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že vzduch v prietokovej peci (1) zotrváva na inaktivačnej teplote počas zádržného času, zádržný čas vzduchu v prietokovej peci (1) je 3 až 5 sekúnd.
5. 5. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa meranie prietoku vzduchu a meranie teploty aspoň na jednom mieste prietokovej pece (1) a podľa nameraných hodnôt sa reguluje prietok vzduchu a/alebo sa riadi napájanie prvkov (4) na ohrievanie vzduchu.
6. 6. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že prietok vzduchu sa reguluje zmenou otáčok ventilátora (3), výhodne pomocou frekvenčného meniča.
7. 7. Spôsob merania penetrometrického odporu materiálu podľa nárokov 5 alebo 6, vyznačujúci sa tým, že regulácia inaktivačnej teploty a príslušného zádržného času sa riadi podľa krivky, ktorá definuje vzťah medzi inaktivačnou teplotou a zádržnou teplotou podľa príslušného patogénu.
8. 8. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že vzduch vstupujúci do zariadenia najskôr obteká izolačný obal výmenníka (2) alebo izolačný obal celého zariadenia.
9. 9. Spôsob prietokovej sterilizácie vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 8, vyznačujúci sa tým, že vzduch preteká v zariadení s objemom aspoň 10 l/s, výhodne aspoň 100 l/s.
10. 10. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu pôsobením zvýšenej teploty, ktoré zahŕňa ventilátor (3) a prietokovú pec (1) prispôsobenú na ohrev vzduchu aspoň na 80 °C, kde ventilátor (3) je zapojený na nútený prietok vzduchu v prietokovej peci (1), vyznačujúce sa tým, že zahŕňa výmenník (2) tepla, kde vstup vzduchu do prietokovej pece (1) a výstup vzduchu z prietokovej pece (1) sú pripojené k výmenníku (2) tak, že vstup vzduchu do prietokovej pece (1) je pripojený k teplému koncu vstupnej vetvy výmenníka (2) a výstup vzduchu z prietokovej pece (1) je pripojený k teplému koncu výstupnej vetvy výmenníka (2), pričom medzi vstupnou a výstupnou vetvou je umiestnený teploprenosný prvok (5) na prestup tepla medzi vetvami.
11. 11. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa nároku 10, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že prietoková pec (1) je vybavená prvkami (4) na ohrev vzduchu, výhodne sú prvky (4) elektrické vykurovacie elementy, ktoré sú vnútri kanálu prietokovej pece (1) určené na priamy styk s ohrievaným vzduchom.
12. 12. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa nárokov 10 alebo 11, vyznačujúce sa tým, že prietokové prierezy v prietokovej peci (1), vo výmenníku (2) a v spojovacích potrubiach majú prietokovú plochu rovnakú alebo väčšiu, ako je referenčný prierez S, ktorý zodpovedá minimálnemu prietokovému prierezu celého zariadenia, ktorý môže byť výhodne definovaný prierezom vstupného otvoru zariadenia.
13. 13. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 12, v y z n a č u j ú c e s a tým, že v prietokovej peci (1) je aspoň jedna mriežka (5) umiestnená naprieč vnútri kanálu, otvory v mriežke (5) určené na pretekanie vzduchu majú jednotlivo plochu aspoň 4 mm² a sumárny prierez otvorov v mriežke (5) zodpovedá aspoň referenčnému prierezu S, ktorý zodpovedá minimálnemu prietokovému prierezu celého zariadenia a ktorý môže byť výhodne definovaný prierezom vstupného otvoru zariadenia.
14. 14. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa nároku 13, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že mriežka (5) je vytvorená z kovovej sieťoviny alebo z ťahokovu, alebo z perforovaného plechu.
15. 15. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa nárokov 13 alebo 14, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že na každý meter dráhy kanálu je umiestnená aspoň jedna mriežka (5), výhodne aspoň 5 mriežok.
16. 16. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 13 až 15, v y z n a č u j ú c e s a tým, že sústava mriežok (5) je vytvorená v jednom kuse z pásu perforovaného materiálu, ktorý je plisovito ohýbaný do záhybov, kde každý záhyb pásu predstavuje jednu mriežku (5) sústavy.
17. 17. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 13 až 16, vyznačujúce sa tým, že mriežka (5) zároveň tvorí prvok (4) na ohrev vzduchu.
18. 18. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 17, vyznačujúce sa tým, že ventilátor (3) je umiestnený na vstupe a/alebo na výstupe zariadenia.
19. 19. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 18, vyznačujúce sa tým, že prietoková pec (1) a výhodne aj výmenník (2) a ich prepojenia sú tepelne izolované od okolitého prostredia.
20. 20. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 19, vy značujúce sa tým, že výmenník (2) je zostavený aspoň z troch článkov (7), ktoré sú samostatné alebo sú vzájomne tepelne oddelené, pričom články (7) sú zapojené za sebou.
21. 21. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 20, v y z n a č u j ú c e s a tým, že články (7) majú vzájomne oddelené teploprenosné prvky (5), výhodne sú teploprenosné prvky (5) susedných článkov oddelené doskou (8) s tepelnou vodivosťou menšou ako 1 W/mK, výhodne sklenou doskou.
22. 22. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa nárokov 20 alebo 21, vyznačujúce sa tým, že výmenník (2) je zostavený aspoň zo šiestich článkov (7), pričom prieduch každého článku je ohraničený plochou teploprenosného prvku (5) a zvyšné ohraničenie prieduchu je tvorené doskou (8) s tepelnou vodivosťou menšou ako 1 W/mK, výhodne sklenou doskou.
23. 23. Zariadenie na sterilizáciu vzduchu podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 20, vyznačujúce sa tým, že zahŕňa riadiacu jednotku, ku ktorej je pripojený snímač prietoku a/alebo aspoň jeden snímač teploty, výhodne zahŕňa tiež ovládací panel a zobrazovací prvok.