WO2022178603A1 - Purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro hepa e difusor de ar com fluxo estratificado planejado - Google Patents
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Classifications
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
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- A61L9/20—Ultra-violet radiation
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B01D36/00—Filter circuits or combinations of filters with other separating devices
- B01D36/02—Combinations of filters of different kinds
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
- B01D46/10—Particle separators, e.g. dust precipitators, using filter plates, sheets or pads having plane surfaces
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
- F24F3/00—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
- F24F3/12—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
- F24F3/16—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by purification, e.g. by filtering; by sterilisation; by ozonisation
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- F24F7/00—Ventilation
- F24F7/04—Ventilation with ducting systems, e.g. by double walls; with natural circulation
- F24F7/06—Ventilation with ducting systems, e.g. by double walls; with natural circulation with forced air circulation, e.g. by fan positioning of a ventilator in or against a conduit
Definitions
- the present invention patent deals with an air purifier for indoor environments whose differential is to offer an addition of outdoor air to the recirculation of indoor air in a controlled way, where the recirculated air thus diluted, passes through several stages of filtration including a absolute HEPA filter that retains particles of sizes up to bacteria and viruses, a HEPA filter that is irradiated from the central chamber by an ultraviolet lamp with a UV-C spectrum, so that the air is recirculated in the internal environment through a diffuser whose design provides a planned stratified flow, has the load of organic and inorganic pollutants significantly reduced.
- the invention in question is used in indoor environments for human occupation, in non-residential applications where there is a risk of contamination of indoor air (IndoorAir) by organic pollutants such as fungi, bacteria and viruses, and inorganic pollutants such as fine particulates and gases, especially in environments without natural ventilation and/or climatized by “split” type appliances with low or no renewal of internal air with external air.
- IndoorAir indoor air
- organic pollutants such as fungi, bacteria and viruses
- inorganic pollutants such as fine particulates and gases
- IAQ is an English term that means “Indoor Air Quality”, it is internationally known and has been the subject of increasing interest by public opinion and by standards and regulatory bodies (ASHRAE; “Position Document on Filtration and Air Cleaning”). Diseases transmitted by particles suspended in indoor air, such as aerosols contaminated by viruses and bacteria, have affected the world as a result of epidemics and pandemics, with increasingly serious social impacts from the point of view of health, productivity and the economy as a whole. Proper Ventilation and Filtration Procedures can eliminate or greatly reduce the risks of contamination of this type (ASHRAE: “ASHRAE Position Paper on Infectious Aerosols”).
- COPD chronic obstructive pulmonary disease
- the use of air purifiers and filters is one of the suggested strategies to improve indoor air quality.”
- Appendix “C” mentioned in this section of the regulation provides for the use of CFD (Computational Fluid Dynamics) to determine the effective distribution of purified air.
- ABNT NBR 16401 stipulates the minimum flow of outdoor air of acceptable quality to be supplied by the system to promote indoor air renewal and maintain the concentration of pollutants in the air at an acceptable level.
- the stipulated flows are dimensioned considering the biological, physical and chemical pollutants expected under normal conditions of use and occupation of the sites.
- the ventilation air flows stipulated in this part of ABNT NBR 16401 are independent of the capacity or type of installation.”
- Patent document DE 60304015 entitled “Device for air purification” - an air purification apparatus includes a blowing unit and a filtering unit which are easily removed and installed in a cabinet, allowing the air purification apparatus to air is easily cleaned.
- the cabinet is provided with a top panel and is open at the bottom, with air being exhausted through vents.
- a fan box is installed in the chassis that can be removed in the horizontal direction.
- a filter box is installed under the fan box and is also removed from the case in a horizontal direction.
- the device in the above document does not have recirculated air renewal with external air, in addition to the side air outlets do not offer a planned stratified flow as required by applicable regulations and good technique.
- the objective of the present invention is to propose an indoor air purifier with modular construction that allows the grouping of modules to meet the demands of higher air flows or the distribution of units commanded in the "master-slave" concept in larger environments.
- the invention deals with a modular purifier for indoor environments ⁇ IndoorA which comprises four filtration stages represented by a G4 pre-filter, impregnated blanket-type Activated Carbon filter, F9 fine filter and the last stage a FIEPA FI14 filter with properties retention of microorganisms such as bacteria and viruses.
- a built-in high-efficiency fan provides the pressure necessary to reach the rated recirculation flow, even with saturated filters at the end of their useful life.
- a Butterfly Valve (damper) actuated by a stepper motor, positioned at the back of the lower air inlet “plenum”, allows the controlled addition of external air through a management and control system based on continuous monitoring, via the air quality sensor.
- the incoming air made up of a mixture of internal recirculated air and external renewal air, passing through the four stages of filtration, is properly purified before ventilating the room.
- a UV-C lamp positioned in the central chamber of the equipment continuously irradiates the lower air inlet surface of the FIEPA FI14 filter with the sole function of sterilizing it and reducing the load of microorganisms retained on the impact surface of this filter and still keeping the chamber sterilized. central location where most of the electrical and electronic components of the sterilizer are located, in addition to being the most frequent access point for maintenance personnel.
- a diffuser developed through CFD (Computational Fluid Dynamics) study provides a stratified air flow planned to meet the requirements of the standards already mentioned, replacing the dimensioning criterion with the simple “number of air changes per hour”, which would require much larger and less energy efficient equipment.
- FIGURE 1 Front perspective view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 2 Rear perspective view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 3 Exploded perspective view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation from the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 4 Exploded perspective view of the main components of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 5 Side view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow
- FIGURE 6 Front view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow
- FIGURE 7 Side cut view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 8 Front section view of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 9 Detail of the external air inlet mechanism of the internal air purifier with controlled inlet of external air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow
- FIGURE 10 Detail of UV-C lamp application on the inlet surface of the HEPA filter of the indoor air purifier with controlled outdoor air inlet, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 11 Perspective view of the planned stratified flow air diffuser of the indoor air purifier with controlled outside air inlet, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and the planned stratified flow air diffuser;
- FIGURE 12 Front view of the planned stratified flow air diffuser of the indoor air purifier with controlled outside air inlet, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and the planned stratified flow air diffuser;
- FIGURE 13 AA section of 180 Q plenum stratified flow and planned air diffuser of indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of HEPA filter and air diffuser with stratified flow planned;
- FIGURE 14 AA section of the 135 Q collimated air diffuser with stratified and planned flow of the indoor air purifier with controlled inlet of outside air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 15 AA section of 90 Q collimated air diffuser with stratified flow and planned indoor air purifier with controlled inlet of outside air, ultraviolet irradiation of HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 16 Side view of the streamlines indicating velocity (m/s) of the air flow provided by the diffuser of the indoor air purifier with controlled entrance of outside air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 17 Top three-dimensional view of the streamlines indicating velocity (m/s) of the air flow provided by the diffuser of the indoor air purifier with controlled entrance of outside air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 18 Velocity field of the airflow stream lines provided by the diffuser of the indoor air purifier with controlled inlet of outside air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow;
- FIGURE 19 Schematic of the “master-slave” modular concept of the indoor air purifier with controlled inlet of outdoor air, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow
- FIGURE 20 Flowchart of the management and control of the outdoor air inlet of the indoor air purifier with controlled outdoor air inlet, ultraviolet irradiation of the HEPA filter and air diffuser with planned stratified flow.
- the invention deals with an air purifier (1), illustrated in figures 1 to 10, for use in indoor environments, mounted in a cabinet with vertical orientation and modular concept, accessed by front doors (P) being that said modular construction cabinet (2) is capable of multiple assembly and master-slave type control, being divided into a lower chamber (3) that receives the G4 pre-filter (4) and the activated carbon absorbent filter for retention of gases and odors (5), the lower chamber (3) is superimposed by a chamber (6) that receives the filter for fine particles F9 (7) and where the internal air recirculated through the perimeter recesses of the inlet plenum takes place ( 8) plus the external air that enters through pipes (not shown) to the rear damper (9) actuated by a stepper motor.
- the fan (11) is located in the central chamber (10) with sufficient power to reach the rated flow of recirculation and external air inlet, in addition to the UV-C lamps (12), just below and continuously irradiating the lower inlet surface. of the air in the Hepa H14 filter (13) located in the upper chamber (14) sterilizing it, as well as the central chamber (10) where most of the electrical and electronic components of the air purifier (1 ) are located and where the personnel most frequently accessed.
- the rear automatic butterfly valve called damper (9) for external air inlet acts based on the continuous monitoring, via the air quality sensor (17), of the level of internal pollution and the admissible variation of temperature and humidity according to the parameterization on a case-by-case basis. - in case, everything controlled by the command panel (16) equipped with the power and command circuits and counting on a CPU - Central Processing Unit - and a Human Machine Interface - HMI (17).
- the external air is admitted via a collection pipe (not shown) connected to an inlet chamber (18) equipped with a doser, that is, the damper (9) actuated by the external air inlet, being then filtered by all stages of filtering before being distributed in the internal environment.
- the rate of dilution of external air in the recirculated air varies according to the pressure drop of the inlet pipe, which has its length limited. This mixing of outside air in the recirculation flow allows non-filterable substances such as CO2 for example to be diluted until admissible concentrations are reached and the intake of outside air is automatically stopped.
- the openings in the environments allow the renewal of the internal air by the positive pressure exerted by the fan (11) of the air purifier (1), positioned in the central chamber (10), which operates at a specific point of the characteristic curve , providing the constant flow and pressure necessary for the operation in the foreseen conditions, commanded by the PID - Proportional Integral Derivative - function of a frequency inverter or its own inverter board, depending on the model adopted.
- the UV-C lamps (12) fixed in a socket in the central chamber (10) are in a position of clean air flow, sheltered from the access of people, which at the same time avoids loss of efficiency caused by dust deposited in the bulb of the lamps.
- CFD Computational Fluid Dynamics
- the process of managing and controlling external air inlet into the air purifier (1 ) begins in a first step (E1 ) in which the air quality reading sensor (17) makes the readings of the concentration value of each pollutant monitored (CPv); moisture in % (UM); temperature in degrees Celsius (TPv); humidity range (UMF); temperature range (TPF); Damper opening (DA); Damper closure (DF); enabling the climate control (AC), for a second step (E2) to enter a loop.
- CPv concentration value of each pollutant monitored
- UM moisture in %
- TPv temperature in degrees Celsius
- UMF temperature range
- DA temperature range
- DF Damper opening
- DF Damper closure
- AC climate control
- a fourth step (E4) returns/keeps the fan at minimum speed - standby, for a fifth step (E5) to close and/or keep the Damper in this position. If so (S) in the third step (E3), the process goes to a sixth step (E6) where the fan speed is increased with the action of the frequency inverter.
- a seventh step (E7) the Damper is opened, for in the eighth step (E8) to check if the climate control is enabled. If not (N) it returns to the second step (E2).
Abstract
Possui entrada de ar externo (18) que adentra o aparelho através de um damper (9) misturando-se ao ar interno recirculado para a necessária renovação, fluxo de ar esse submetido a quatro estágios de filtragem cujos filtros (4, 5, 7, 13) estão devidamente localizados na câmara inferior (3, 6) e câmara superior (14). A câmara central (10) acomoda as lâmpadas ultravioleta (12) que irradiam continuamente a superfície inferior do filtro HEPA H14 (13), além de acomodar também um ventilador (11) de alta performance e o painel de comando (16). O ar purificado é distribuído por um difusor (19) que proporciona um fluxo estratificado e planejado.
Description
PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO
ESTRATIFICADO PLANEJADO
INTRODUÇÃO
[001] A presente patente de Invenção trata de um purificador de ar para ambientes internos cujo diferencial é oferecer uma adição de ar externo à recirculação do ar interno de maneira controlada, onde o ar recirculado assim diluído, passa por vários estágios de filtragem incluindo um filtro absoluto HEPA que retém partículas de dimensões de até bactérias e vírus, filtro HEPA esse que é irradiado desde a câmara central por lâmpada ultravioleta de espectro UV-C, de forma que o ar recirculado no ambiente interno através de um difusor cujo desenho proporciona um fluxo estratificado planejado, tem a carga de poluentes orgânicos e inorgânicos significativamente reduzida.
CAMPO DA INVENÇÃO
[002] A invenção em questão é utilizada em ambientes internos para ocupação humana, em aplicações não residenciais onde haja risco de contaminação do ar interno ( IndoorAir ) por poluentes orgânicos como fungos, bactérias e vírus, e inorgânicos como particulado fino e gases, especialmente em ambientes sem ventilação natural e/ou climatizados por aparelhos do tipo “split” com baixa ou nenhuma renovação de ar interno com ar externo. CONVENCIMENTO TÉCNICO
[003] Inúmeras referências técnicas atribuem grande importância ao papel da filtragem na manutenção da qualidade do ar interno dos ambientes ocupados. IAQ é um termo inglês que significa “Indoor Air Quality”, é internacionalmente conhecido e tem sido assunto de crescente interesse da opinião pública e dos órgãos normatizadores e reguladores (ASHRAE; “Position Document on Filtration and Air Cleaning”). Doenças transmissíveis por partículas em suspensão no ar indoor como aerossóis contaminados por vírus e bactérias têm afetado o mundo em consequência de epidemias e pandemias, com impactos sociais cada vez mais graves do ponto de vista da saúde, da produtividade e da economia como um todo. Procedimentos de Ventilação e Filtragem adequada podem eliminar ou reduzir em muito os riscos de contaminação deste tipo (ASHRAE: “Documento de Posição da ASHRAE sobre Aerossóis infecciosos”).
[004] Recentes trabalhos científicos e publicações atribuem significativa eficácia na melhoria da qualidade do ar interno ( IndoorAir ) devido ao uso de purificadores de ar, como
por exemplo “Enhancing Indoor Air Quality - The Air Filter Advantage, Vannan Kandi Vijayan et.al., 2015” (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4587002/ ) onde o abstract traz a seguinte informação:
[005] “A poluição do ar se tornou o maior risco para a saúde ambiental do mundo, associada a cerca de 7 milhões de mortes em 2012, de acordo com um relatório recente da OMS - Organização Mundial da Saúde (Health Effects Institute. 2019. State of Global Air 2019). Os novos dados revelam ainda uma ligação mais forte entre a exposição à poluição do ar interno e externo e doenças cardiovasculares, como derrames e doenças cardíacas isquêmicas, bem como entre poluição do ar e câncer. O papel da poluição do ar no desenvolvimento de doenças respiratórias, incluindo infecções respiratórias agudas e doenças pulmonares obstrutivas crónicas, é bem conhecido. Embora a poluição interna e externa afete a saúde, as estatísticas recentes sobre o impacto dos poluentes internos domésticos (HAP) são alarmantes. O folheto informativo da OMS sobre HAP e saúde afirma que 3,8 milhões de mortes prematuras anualmente - incluindo acidente vascular cerebral, doença cardíaca isquêmica, doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC) e câncer de pulmão são atribuídos à exposição à poluição do ar doméstico. O uso de purificadores de ar e filtros é uma das estratégias sugeridas para melhorar a qualidade do ar interno.”
[006] Segundo a texto da ASHRAE “62.1 - 2019:
6.1 Geral - O procedimento de taxa de ventilação, o procedimento de IAQ, o procedimento de ventilação natural, ou uma combinação dos mesmos deve ser usada para atender aos requisitos desta seção. Além do que, além do mais, os requisitos para ventilação de exaustão na Seção 6.5 devem ser atendidos, independentemente do método usado para determinar as taxas mínimas de fluxo de ar externo. Nota informativa: embora o fluxo de ar de admissão seja determinado usando cada uma dessas abordagens possam diferir significativamente devido a critérios de projeto, qualquer uma dessas abordagens é uma base válida para o projeto.”
[007] Ainda segundo a ASHRAE em seu item “6.2.1 .2.1 Stratified Air Distribution Systems” (Sistema estratificado de distribuição do ar) especifica o critério de adoção de sistemas estratificados que, por analogia, aplicar-se-ia a qualquer Purificador de Ar autónomo. Diz a norma:
“6.2.1.2.1 - Sistema Estratificado de Distribuição de Ar. Um Sistema estratificado de distribuição de ar deve ser concebido conforme as subseções a seguir, ou a eficiência de
distribuição em cada zona (Ez) deve ser determinada de acordo com o Apêndice C desta normativa.”
[008] O apêndice “C” citado neste trecho da normativa, prevê o uso de CFD ( Computational Fluid Dynamics) para determinação da efetiva distribuição de ar purificado.
[009] A norma brasileira NBR-16401-3 “Instalações de ar-condicionado - Sistemas centrais e unitários Parte 3:
[010] Qualidade do ar interior” em seu item “5. Ventilação” bem como a normativa internacionalmente conhecida ASHRAE “American Society of Heating, Refrigerating and AirConditioning Engineers” 62.1-2019 “Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality” item “6.1 - General”, definem claramente a obrigatoriedade de certas taxas de renovação de ar para cada tipo de ambiente interno, para manutenção de uma qualidade de ar interno (Indoor Air) aceitável.
[011] Por sua vez a ABNT NBR 16401-3 diz:
Esta parte da ABNT NBR 16401 estipula a vazão mínima de ar exterior de qualidade aceitável a ser suprida pelo sistema para promover a renovação do ar interior e manter a concentração dos poluentes no ar em nível aceitável. As vazões estipuladas são dimensionadas considerando os poluentes biológicos, físicos e químicos esperados nas condições normais de utilização e de ocupação dos locais. As vazões de ar de ventilação estipuladas nesta parte da ABNT NBR 16401 independem da capacidade ou do tipo de instalação.”
[012] Neste contexto, com as limitações acima, novas tecnologias de purificadores de ar que venham atender às normas pertinentes são bem-vindas no segmento em questão.
ESTADO DA TÉCNICA
[013] O atual estado da técnica antecipa alguns documentos de purificadores de ar, como o PI 9804537-7 intitulado ‘FILTRO, ESTERILIZADOR E IONIZADOR DE AR” - em que apenas um elemento conjuga as funções de filtrar, esterilizar e ionizar o ar, proporcionando uma purificação do ar, tornando o mesmo mais agradável, O dito filtro esterilizador e ionizador de ar é constituído por várias partes: filtro de ar, ventilador para efetuar a circulação do ar, câmara de radiação ou luz ultravioleta para esterilização do ar, ionizador do ar. O formato do aparelho pode ser de maneira a comportar as suas partes em sequência, como mostrado na figura, ou as partes serem concêntricas onde o filtro envolve a câmara de radiação ou luz ultravioleta.
[014] No purificador descrito pelo documento acima, além de não haver renovação pela adição de ar externo, a câmara ultravioleta tem a fictícia função de esterilizar o fluxo de ar passante. Segundo estudos, uma exposição tão rápida não pode eliminar contaminantes biológicos do ar interior recirculado. Conforme o trabalho de Paul J. Meechan e Christina Wilson - “Use of Ultraviolet Lights in Biological Safety Cabinets: A Contrarian View” - uma exposição mínima de 30.000pJ/cm2 por, no mínimo, 12,5 minutos é necessária para que uma efetiva eliminação de microrganismos seja alcançada. Do texto:
“Mesmo na mínima irradiância aceitável em um gabinete de biossegurança de 40 W / cm2 (Departamento de Saúde e Serviços Humanos dos EUA et al.,2000), leva-se 12,5 minutos para chegar a 30.000 pJ/cm2 (1 W = 1 J / seg), que foi listado como germicida para esporo formando organismos por um fabricante de UV (www.uvp.com/pdf/ab-115.pdf ).”
[015] O documento de patente DE 60304015 intitulado “Device for air purification” - um aparelho de purificação de ar inclui uma unidade de sopro e uma unidade de filtragem que são facilmente removidas e instaladas em um gabinete, permitindo que o aparelho de purificação de ar seja facilmente limpo. O gabinete é fornecido com um painel superior e é aberto em uma parte inferior, sendo o ar extravasado por saídas. Uma caixa de ventilador é instalada no gabinete passível de ser removida na direção horizontal. Uma caixa de filtro é instalada sob a caixa do ventilador e é igualmente retirada do gabinete na direção horizontal.
[016] O aparelho do documento acima não possui renovação do ar recirculado com o ar externo, além do que as saídas de ar laterais não oferecem um fluxo estratificado planejado como requer a normatização aplicável e a boa técnica.
OBJETIVOS DA INVENÇÃO
[017] É objetivo da presente invenção propor um purificador de ar cuja recirculação do ar interno seja complementada pela entrada de ar externo, condição mandatória para a manutenção de uma boa qualidade do ar interno segundo a normatização aplicável;
[018] É objetivo da presente invenção propor um purificador de ar interno em que o gerenciamento e controle da entrada de ar externo se dê baseado no monitoramento contínuo, via sensor de qualidade do ar, de forma a não ultrapassar limites mínimos e máximos de temperatura e umidade configuráveis nos ambientes internos climatizados; [019] É objetivo da presente invenção propor um purificador de ar equipado com lâmpadas UV-C posicionadas logo abaixo da superfície de entrada do filtro HEPA, irradiando-a direta e continuamente, de modo que de fato haja impacto no controle da contaminação por
microrganismos e se supere a impossível tarefa de esterilização do ar num tempo de exposição tão curto de passagem do fluxo;
[020] É objetivo da presente invenção propor um purificador de ar interno cujo difusor desenvolvido mediante estudo CFD - Computational Fluid Dinamics (Modelagem Computacional de Dinâmica de Fluidos) garanta cobertura efetiva da área de alcance do fluxo de ar purificado e também reduza a necessidade de captação do ar externo que seria exigido pelo critério de dimensionamento pelo simples “número de trocas por hora”, minimizando o impacto na carga de refrigeração de ambientes climatizados, permitindo assim significativa economia de energia;
[021] É objetivo da presente invenção propor um purificador de ar interno com construção modular que permite o agrupamento de módulos para atendimento demandas de vazões de ar maiores ou a distribuição de unidades comandadas no conceito “master-slave” em ambientes de maiores dimensões.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[022] A invenção trata de um purificador modular para ambientes internos {IndoorA que compreende quatro estágios de filtragem representados por um pré-filtro G4, filtro de Carvão Ativado tipo manta impregnada, filtro fino F9 e o último estágio um filtro FIEPA FI14 com propriedades de retenção até de microrganismos como bactérias e vírus. Um ventilador incorporado de alta eficiência provê a pressão necessária para que se atinja a vazão nominal de recirculação, mesmo com os filtros saturados ao final da vida útil. Uma Válvula Borboleta ( damper ) atuada por servo motor de passo posicionada na parte posterior do “plenum” inferior de entrada de ar, permite a adição controlada de ar externo mediante um sistema de gerenciamento e controle baseado no monitoramento contínuo, via sensor de qualidade do ar, do nível de poluição interna e da variação admissível da temperatura e umidade conforme parametrização caso-a-caso. Portanto, o ar entrante constituído de uma mistura de ar interno recirculado e ar externo de renovação, ao passar pelos quatro estágios de filtragem é devidamente purificado antes de ventilar o ambiente. Uma lâmpada UV-C posicionada na câmara central do equipamento irradia continuamente a superfície inferior de entrada de ar do filtro FIEPA FI14 com a única função de a esterilizar e reduzir a carga de microrganismos retidos na superfície de impacto deste filtro e ainda manter esterilizada a câmara central onde se encontram a maioria dos componentes elétricos e eletrónicos do esterilizador, além de ser o local de acesso mais frequente do pessoal de manutenção. Um difusor desenvolvido através de estudo CFD ( Computational Fluid Dynamics) fornece um
fluxo de ar estratificado planejado de modo a atender aos requisitos das normas já comentadas em substituição ao critério de dimensionamento pelo simples “número de trocas de ar por hora” que exigiria equipamentos muito maiores e menos eficientes energeticamente.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[023] A invenção será, a seguir, descrita em sua forma de realização, sendo que, para melhor entendimento, referências serão feitas aos desenhos anexos, nos quais estão representados:
FIGURA 1 : Vista frontal em perspectiva do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 2: Vista posterior em perspectiva do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 3: Vista em perspectiva explodida do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 4: Vista em perspectiva explodida dos principais componentes do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 5: Vista lateral do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado; FIGURA 6: Vista frontal do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado; FIGURA 7: Vista lateral em corte do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 8: Vista anterior em corte do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 9: Detalhe do mecanismo de entrada de ar externo do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 10: Detalhe da aplicação da lâmpada UV-C na superfície de entrada do filtro HEPA do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 11 : Vista em perspectiva do difusor de ar de fluxo estratificado e planejado do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 12: Vista frontal do difusor de ar de fluxo estratificado e planejado do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 13: Corte A-A do difusor pleno de 180Q de ar de fluxo estratificado e planejado do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 14: Corte A-A do difusor colimado de 135Q de ar de fluxo estratificado e planejado do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 15: Corte A-A do difusor colimado de 90Q de ar de fluxo estratificado e planejado do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 16: Vista lateral das linhas de corrente indicando velocidade (m/s) do fluxo de ar proporcionado pelo difusor do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 17: Vista superior tridimensional das linhas de corrente indicando velocidade (m/s) do fluxo de ar proporcionado pelo difusor do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 18: Campo de velocidades das linhas de corrente do fluxo de ar proporcionado pelo difusor do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 19: Esquemático do conceito modular tipo “master-slave” do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado;
FIGURA 20: Fluxograma do gerenciamento e controle da entrada de ar externo do purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado.
DESCRIÇÃO TÉCNICA DETALHADA DA INVENÇÃO
[024] Purificador de ar interno com entrada controlada de ar externo, irradiação ultravioleta do filtro HEPA e difusor de ar com fluxo estratificado planejado possui entrada de ar externo (18) que adentra o aparelho através de um damper (9) misturando-se ao ar interno recirculado, fluxo de ar esse submetido a quatro estágios de filtragem cujos filtros (4, 5, 7, 13) estão devidamente localizados na câmara inferior (3, 6) e câmara superior (14). A câmara central (10) acomoda as lâmpadas ultravioleta (12) que irradiam continuamente a superfície inferior do filtro HEPA H14 (13) ao mesmo tempo que impede a exposição de pessoas a seus perigosos efeitos e protege o bulbo das referidas lâmpadas UV-C (12) das sujidades que poderiam se acumular e comprometer seu desempenho germicida, além de acomodar também um ventilador (11 ) de alta performance e o painel de comando (16). O ar purificado é distribuído por um difusor (19) que proporciona um fluxo de ar estratificado e planejado.
[025] Mais particularmente, a invenção trata de um purificador de ar (1 ), ilustrado das figuras 1 a 10, para uso em ambientes internos, montado em um gabinete de orientação vertical e conceito modular, acessado por portas frontais (P) sendo que o dito gabinete de construção modular (2) é passível de montagem múltipla e comando tipo “master-slave” estando dividido em câmara inferior (3) que recepciona o pré-filtro G4 (4) e o filtro absorvente de carvão ativado para retenção de gases e odores (5), câmara inferior (3) essa sobreposta por uma câmara (6) que recepciona o filtro para partículas finas F9 (7) e onde se dá a entrada do ar interno recirculado pelas reentrâncias perimetrais do plenum de entrada (8) acrescido do ar externo que adentra por tubulação (não demonstrada) até o damper (9) posterior atuado por motor de passo. Na câmara central (10) está localizado o ventilador (11 ) com potência suficiente para atingir a vazão nominal de recirculação e de entrada de ar externo, além das lâmpadas UV-C (12), logo abaixo e irradiando continuamente a superfície inferior de entrada do ar no filtro Hepa H14 (13) localizado na câmara superior (14) esterilizando-a, assim como a própria câmara central (10) onde se encontram a maioria dos componentes elétricos e eletrónicos do purificador de ar (1 ) e onde o pessoal de manutenção mais frequentemente acessa. Um conjunto composto de chaves de acionamento, botão de emergência (15), sensores de automação e painel de comando
(16), completam a composição básica do gabinete modular (2). A válvula borboleta automática posterior denominada damper (9) de entrada de ar externo atua com base no monitoramento contínuo, via sensor de qualidade do ar (17), do nível de poluição interna e na variação admissível da temperatura e umidade conforme parametrização caso-a-caso, tudo comandado pelo painel de comando (16) equipado com os circuitos de potência e comando e contando com uma CPU - Unidade Central de Processamento - e uma Interface Homem Máquina - IHM (17). O ar externo é admitido via tubulação (não demonstrada) de captação conectada a uma câmara de entrada (18) equipada com um dosador, ou seja, o damper (9) atuado de entrada de ar externo, sendo então filtrado por todos os estágios de filtragem antes de ser distribuído no ambiente interno. A taxa de diluição de ar externo no ar recirculado, varia conforme a perda de carga da tubulação de entrada que tem seu comprimento limitado. Essa mistura de ar externo no fluxo de recirculação permite que substâncias não passíveis de filtragem como o CO2 por exemplo, seja diluído até que concentrações admissíveis sejam atingidas e a admissão de ar externo interrompida automaticamente. Assume-se neste caso que as aberturas existentes nos ambientes permitam a renovação do ar interno pela pressão positivas exercida pelo ventilador (11 ) do purificador de ar (1 ), posicionado na câmara central (10), que opera num ponto próprio da curva característica, provendo a vazão e pressão constantes necessárias à operação nas condições previstas, comandados pela função PID - Proportional Integral Derivative - de um inversor de frequência ou de sua própria placa inversora, dependendo do modelo adotado. As lâmpadas UV-C (12) fixadas em soquete próprio na câmara central (10) estão numa posição de fluxo de ar limpo, abrigada do acesso de pessoas, 0 que evita ao mesmo tempo, perda de eficiência ocasionada por poeira depositada no bulbo das lâmpadas UV- C (12), emissão de ozônio no ambiente e risco à segurança pessoal pelo contato visual direto. Nesta proposta é possível reduzir a contaminação por microrganismos do elemento filtrante principal, ou seja, do filtro HEPA H14 (13) e dos componentes internos da unidade, inclusive após operações de manutenção. Um difusor (19), ilustrado das figuras 11 a 15, de seção tronco-trapezoidal e orifícios cónicos oblongos com desenho específico, em todo seu perímetro, desenvolvido utilizando Computational Fluid Dynamics (CFD), com tampa superior de fechamento em aço, promove um fluxo de ar estratificado e planejado (desenhos consecutivos à Figura 11). Um dos parâmetros utilizado no desenvolvimento da invenção, é 0 padrão de fluxo de ar teórico definido no estudo computacional CFD. Esse critério previsto nas Normas Aplicáveis (ASHRAE 6.2.1 .2.1 , 6.2.1 .2.2 e Appendix C) permite
que se utilize um volume de ar externo de ventilação muito menor com resultados equivalentes ou ainda melhores em termos de descontaminação do ar interno quando comparado ao critério de dimensionamento pelo simples “número de trocas de ar por hora”. Permite ainda, e por esse motivo, uma significativa economia de energia de climatização. O difusor (19) possibilita aumentar o alcance do fluxo de ar purificado e ainda colimar a saída de ar em ângulos de 180Q, 135Q e 90Q otimizando ainda mais a distribuição do ar nas zonas de interesse, ou seja, zona de respiração dos ocupantes. Um painel (16) de alimentação e controle, instalado na parte interna da porta da câmara central (10), recebe as informações de sensores distribuídos pelo purificador, sendo comandado por uma CPU e um IHM Touch Screen (17), além de conter todos os componentes elétricos e eletrónicos necessários à operação, permitindo que se construam purificadores de ar (1 ) com até quatro módulos (2) integrados fisicamente ou distribuídos num conceito “master-slave”, comandados por um único painel (16).
[026] Conforme ilustrado na figura 20, o processo de gerenciamento e controle de entrada de ar externo no purificador de ar (1 ) tem início em um primeira etapa (E1 ) em que o sensor de leitura de qualidade do ar (17) faz as leituras do valor de concentração de cada poluente monitorado (CPv); umidade em % (UM ); temperatura em graus Celsius (TPv); faixa de umidade (UMF); faixa de temperatura (TPF); abertura do Damper (DA); fechamento do Damper (DF); habilitação da climatização (AC), para numa segunda etapa (E2) entrar em um loop. Em uma terceira etapa (E3) verifica se o CPv está fora dos limites máximos de concentração de poluentes admissíveis utilizando o algoritmo lAQ-i. [027] Em caso negativo (N) em uma quarta etapa (E4) retorna/ mantém o ventilador na rotação mínima - standby, para numa quinta etapa (E5) fechar e/ou manter o Damper nesta posição. Em caso positivo (S) na terceira etapa (E3), o processo segue para uma sexta etapa (E6) onde a rotação do ventilador é elevada com a ação do inversor de frequência. [027] Numa sétima etapa (E7) abre-se o Damper, para na oitava etapa (E8) verificar se a climatização está habilitada. Em caso negativo (N) retorna para a segunda etapa (E2). [028] Em caso positivo (S), na nona etapa (E9), verifica se o TPv está dentro da faixa TPF, em caso positivo (S) em uma décima etapa (E10) verifica se UMv está dentro da faixa UMF e, em caso positivo, retorna para a segunda etapa (E2). Em caso negativo (N) na nona ou na décima etapa (E9 ou E10) prossegue respectivamente para uma décima primeira ou décima segunda etapa (E11 ou E12) onde damper é fechado e surge um aviso de falha na tela do IHM e nos relatórios: “capacidade de climatização insuficiente” (A).
Claims
REIVINDICAÇÕES
1) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO montado em um gabinete modular de orientação vertical dotado de ventilador (11 ), acessado por portas (P) frontais, caracterizado pelo gabinete de construção modular (2) que em sua face posterior possui uma válvula automática, damper { 9) que capta o ar externo para adicionar ao ar recirculado gerando um fluxo de ar por estágios de filtragem na câmara inferior (3) que recepciona o pré-filtro G4 (4) e o filtro de carvão ativado (5); a câmara (6) que recepciona o filtro de partículas finas (7); a câmara central (10) onde tem acomodadas as lâmpadas UV-C (12) e a câmara superior (14) o filtro HEPA H14 (13) que atua com base no monitoramento contínuo do nível de poluição interna via sensor de qualidade do ar (17), e na variação admissível da temperatura e umidade conforme parametrização; um difusor (19) tronco-trapezoidal com orifícios cónicos oblongos em todo seu perímetro, desenvolvido utilizando Computational Fluid Dynamics (CFD) com tampa superior de fechamento em aço, que promove um fluxo de ar estratificado planejado.
2) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possuir um damper atuado (9) incorporado ao plenum de entrada de ar (8) permite a admissão controlada de ar externo ao fluxo de recirculação observando os limites de variação máxima permitida da temperatura e umidade do ar interno, configurável caso-a- caso.
3) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela mistura do ar externo se dar com base no monitoramento contínuo, via sensor de qualidade do ar (17), do nível de poluição interna e na variação admissível da temperatura e umidade conforme parametrização caso-a-caso.
4) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelas
lâmpadas UV-C (12) posicionadas logo abaixo e irradiando continuamente a superfície inferior de entrada do ar no filtro Hepa H14 (13) localizado na câmara superior (14).
5) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelas lâmpadas UV-C esterilizarem a câmara central (10) evitando acúmulo de sujidades no bulbo, contato visual direto e emissão de ozônio.
6) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por um difusor (19) de seção tronco-trapezoidal e orifícios cónicos oblongos com dimensões específicas, em todo seu perímetro promovendo um fluxo de ar estratificado e planejado.
7) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo difusor (19) com construção em versões plena 180Q e colimadas de 135Q e 90Q.
8) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo gabinete de construção modular (2) permitir o agrupamento de módulos para atendimento de demandas de vazões de ar maiores ou a distribuição de unidades comandadas no conceito “master-slave”.
9) PURIFICADOR DE AR INTERNO COM ENTRADA CONTROLADA DE AR EXTERNO, IRRADIAÇÃO ULTRAVIOLETA DO FILTRO HEPA E DIFUSOR DE AR COM FLUXO ESTRATIFICADO PLANEJADO, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo gerenciamento e controle da entrada de ar externo ser realizado mediante o monitoramento em tempo real da concentrações de poluentes através de um sensor de qualidade do ar (17) que indica as concentrações dos poluentes, C02, PM10, PM 2.5, TVOC, além de temperatura e umidade; a medição de concentração de poluentes, além de ser traduzida em um índice de qualidade do ar via o algoritmo próprio lAQ-i, definir e controlar a abertura e fechamento do damper (9) de entrada de ar externo e a vazão de ar do purificador mediante ação do inversor de frequência na rotação do ventilador (11 ).
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Also Published As
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