Инженерный метод расчёта закрытых бактерицидных облучателей

Обеззараживание воздушной среды помещений – одна из основных задач повышения бактериологической безопасности.
В соответствии со статьёй 20 федерального закона № 52-Ф3 от 30.03.99 «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» воздушная среда помещений должна быть экологически чистой и не содержать патогенную микрофлору.
Основным носителем инфекции является воздушно-капельная или воздушно-пылевая (аэрозольная) смесь, содержащаяся в воздушной среде помещений. Уровень бактерицидной обсеменённости патогенной или условно-патогенной микрофлорой этой смеси определяется несколькими причинами: наличием в помещении носителей инфекций и их число; эффективностью работы системы приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха; характером микробного загрязнения воздуха, забираемого из атмосферного воздуха.
При наличии конструктивных недостатков или неправильной эксплуатации система приточно-вытяжной вентиляции и кондиционирования воздуха может сама являться местом размножения и источником распространения инфекции.
Обеззараживание воздушной среды помещений достигается различными способами. К наиболее распространенному из них относится обеззараживание с помощью бактерицидного УФ облучения (УФО).
Для этого используются облучатели с бактерицидными лампами. Такие облучатели разделяются на две группы. К первой группе принадлежат открытые облучатели, в которых УФ излучение ламп выходит наружу и обеззараживает воздушную среду помещения. Открытые облучатели предназначены для работы в помещениях в отсутствие людей. Ко второй группе принадлежат закрытые облучатели, в которых УФ излучение ламп не выходит наружу и «сосредоточено» внутри камеры. Через эту камеру воздух из помещения прокачивается вентилятором и – обеззараженный – снова поступает в помещение. Такие облучатели часто называют рециркуляторами. (К ним можно отнести также бактерицидные облучатели, встраиваемые в системы приточно-вытяжной вентиляции (после пылевых фильтров).)
Применение открытых облучателей усложняет обеззараживание необходимостью периодического удаления людей из помещений для включения облучателей или же включением их лишь в нерабочее (чаще, ночное) время.
Конструктивно открытые облучатели, в основном, аналогичны светильникам с ЛЛ, и при их создании поэтому можно пользоваться соответствующей литературой. По закрытым же облучателям подобная литература отсутствует. Чтобы восполнить этот пробел, нами предлагается инженерный метод расчета таких облучателей.
При этом анализ конструктивных решений закрытых облучателей вскрыл у них множество общих черт, что позволяет предложить некоторую общую модель процесса обеззараживания воздуха в закрытом облучателе. К основным параметрам этой модели можно отнести: объем камеры, в которой происходит обеззараживание воздуха; суммарный бактерицидный поток ламп; коэффициент использования бактерицидного потока ламп; расход воздуха, прокачиваемого через камеру; среднюю объемную плотность энергии бактерицидного излучения в камере; бактерицидную эффективность облучателя; коэффициент отражения бактерицидного излучения внутренней поверхностью камеры.
При построении модели был принят ряд допущений, сильно упрощающих получение расчётного уравнения, связывающего микробиологические и лучистые параметры с конструктивными параметрами облучателя. И надо было добиться, чтобы различия расчётных и экспериментальных данных находились в разумных пределах.
Один из важнейших параметров бактерицидного облучателя – его бактерицидная производительность (Прбк, м³/ч), под которой понимается количественная результативность использования облучателя как средства снижения микробной обсеменённости в воздухе, прокачиваемом через него.
Другой важнейший параметр этого облучателя – бактерицидная эффективность (Jбк) – выражается как

где Nо – число микроорганизмов в воздушном потоке на входе облучателя; Nп – число погибших микроорганизмов на выходе облучателя; Nв – число выживших микроорганизмов на выходе облучателя.
Итак, для решения поставленной задачи были приняты следующие допущения:
– камера имеет форму прямоугольного параллелепипеда, объём которого равен фактическому объёму камеры (Vк, м³), независимо от её конструктивного исполнения;
– время облучения воздушного потока воздуха в камере выражается как

– средняя объёмная плотность энергии бактерицидного излучения (объёмная экспозиция или доза) в облучаемой зоне (Нv) выражается как

где Nл – число ламп в облучателе; Fл – бактерицидный поток лампы, Вт; Кф – коэффициент использования бактерицидного потока ламп, учитывающий их взаимное экранирование (при расположении ламп в воздушном потоке он лежит в пределах 0,4 – 0,5, а если не в потоке, то – 0,7-0,8); Ко = 1 / (1 – 0,6 ρк) – коэффициент многократных отражений бактерицидного потока от внутренних стенок камеры с коэффициентом отражения ρк на длине волны 253,7 нм. (Эта формула основана на экспериментальных данных для незамкнутой поверхности); Кс – коэффициент, учитывающий спад бактерицидного потока к концу срока службы ламп, (берётся равным 0,7-0,8); Jбк принимается равной 99,9%.
Процесс отмирания микроорганизмов в результате облучения воздушного потока в камере описывается уравнением

где σv = – ln (1 – Jбк 10-2) / Hт = 0,0179 м³/Дж – константа фоточувствительности санитарно-показательного микроорганизма (S.аureus) для бактерицидного излучения;
Hт = 385 Дж/м³ – табличное значение объемной экспозиции для S.аureus при Jбк = 99,9%, которое берётся для различных видов микроорганизмов из приложения 4 руководства Р.3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях».
Далее, из (1) и (4) следует:

а из (2), (3) и (5) – уравнение

из которого, в свою очередь, следует:

Из выражения (7) следует, что при постоянстве Прбк и остальных параметров облучателя, оно соответствует уравнению непрерывности воздушного потока в камере:

где S – площадь живого сечения камеры, м²; v – скорость воздушного потока в камере, м/с; L – длина камеры, м.
Согласно (8), через сечение воздуховода меньшей площади воздушный поток движется с большей скоростью и наоборот, причём Jбк остается неизменной, и с помощью (8) можно выбирать размеры камеры.
Из сказанного следует, что (6) удовлетворяет основному требованию к модели – способности предсказывать варианты конструктивных решений с заданными параметрами.
Конструктивные внутренние элементы закрытого облучателя оказывают определенное сопротивление воздушному потоку, в том числе и фильтр, устанавливаемый на выходном окне. В задачу фильтра входит оказывать малое гидравлическое сопротивление воздушному потоку, но при этом не пропускать наружу УФ излучение ламп. Степень гидравлического сопротивления фильтра в основном зависит от конфигурации его элементов. Наибольшее сопротивление оказывает плоская пластина, расположенная поперёк потока, наименьшее – элементы обтекаемой формы. Это учитывается суммарным коэффициентом местного сопротивления (μ), оценочное значение которого вычисляется по эмпирической формуле

При этом соотношение между производительностью вентилятора или производительность приточно-вытяжной вентиляции (Прв) и Прбк определяется выражением:

Один из важных показателей закрытого облучателя – его энергетическая эффективность. Энергозатраты на обеззараживание кубометра воздуха рассчитываются по формуле

где Ро – электрическая мощность облучателя, Вт; Pл – мощность лампы, Вт; Pб – мощность потерь в ПРА для лампы, Вт; Pв – мощность вентилятора, Вт.
В НИИ Дезинфектологии (ныне ФГУН НИИД Роспотребнадзора) в течение многих лет проводились испытания различных типов закрытых облучателей и расчёты их бактерицидной производительности, которые подтверждают, что расхождения между результатами эксперимента и расчёта не превышают 20%. Это иллюстрируется примерами расчётов и экспериментальных данных в приложении к статье.
В заключение добавим, что предлагаемый метод расчёта закрытых бактерицидных облучателей, несмотря на оценочный характер, может сокращать число макетных образцов при разработке этих изделий. На конечном этапе разработки, однако, необходимы микробиологические исследования бактерицидной эффективности облучателя в соответствии с Руководством Р.3.5.1904-04 «Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях».

Приложение

Примеры расчета закрытых бактерицидных облучателей А.

В качестве примера разберём два варианта расчета закрытого облучателя с бактерицидными лампами типа АLC 100. В 1-ом варианте необходимо определить число бактерицидных ламп для обеспечения бактерицидной производительности Прбк = 200 м³/ч. Во 2-ом варианте необходимо определить бактерицидную производительность. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1.
Исходные данные для расчёта закрытого облучателя

 
Порядок расчёта в первом варианте
1. С помощью уравнения (6) и данных табл. 1 определим необходимое число ламп в рецикуляторе:

Следовательно, выбираем 2 лампы.
2. Из формулы (8) определим время облучения воздушного потока воздуха при его прохождении длины камеры:

3. Используя формулы (3) и (7), проверим, соответствует ли объемная экспозиция табличному значению, при которой бактерицидная эффективность обеззараживания воздушного потока в камере составляет 99,9%

Результаты вычислений подтверждают, что имеется соответствие.
5. С помощью формул (9) и (10) определим необходимую производительность вентилятора:

6. Используя формулу (11), оценим затраты электроэнергии, необходимые для обеззараживания одного кубометра воздуха:

Порядок расчета во втором варианте
1. С помощью выражения (6) и данных табл. 1 определим бактерицидную производительность облучателя:

2. Из формулы (8) определим время облучения воздушного потока воздуха при его прохождении длины камеры:

3. Используя формулы (3) и (7), проверим, соответствует ли объемная экспозиция табличному значению, при которой бактерицидная эффективность обеззараживания воздушного потока в камере составляет 99,9%:

Результаты вычислений подтверждают, что имеется соответствие.
4. С помощью формул (9) и (10) определим необходимую производительность вентилятора:

5. Используя формулу (11), оценим затраты электроэнергии, необходимые для обеззараживания одного кубометра воздуха:

Б. Проведем расчёт бактерицидной производительности макетного образца и двух промышленных типов закрытых облучателей по формуле (6) и сравним с экспериментальными данными. Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2.
Параметры и характеристики 3-х закрытых облучателей

 
Из табл. 2 видно, что отклонения расчётных значений Прбк от экспериментальных составляют +4,6, +15 и -12% соответственно. Это согласуется с ранее сделанным выводом о практической значимости предлагаемого инженерного метода расчёта закрытых облучателей.