Установка по регенерации воздуха в помещении

 

Изобретение относится к устройствам для проведения дегазации, дезодорации и дезинфекции воздушной среды в помещениях. Устройство содержит корпус, в котором расположены противопыльный воздушный фильтр, напорный воздушный вентилятор, а также генератор газообразного озона и камеру предварительного окисления. При этом в камере предварительного окисления установлены перемешивающие элементы в виде сплошных или сетчатых лент, которые соединены своими концами таким образом, что образуют собой в пространстве геометрическое тело с односторонней поверхностью. Перемешивающие элементы выполнены из инертного материала по отношению к озону. Установка дополнительно содержит картридж и твердый дисперсный сорбент. При этом одна часть слоя твердого дисперсного сорбента покрыта твердым нелетучим окислителем, а другая часть - твердым нелетучим катализатором распада газообразного озона. Изобретение позволяет произвести полную дезодорацию и дегазацию среды помещения с удалением из воздуха микроорганизмов и вирусов, уменьшить расход вентиляционного воздуха и энергозатрат на его нагрев, а также то, что устройство может функционировать в присутствии живых существ. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для проведения дегазации, дезодорации и дезинфекции воздушной среды в помещениях: промышленных, общественных, жилых зданий и помещений, для поддержания состава воздушной среды на требуемом санитарно-гигиеническом уровне.

Широко известны установки для регенерации (дегазации, дезодорации) воздуха в помещениях, в которых в качестве поглотителя вредных и пахнущих веществ используется твердый дисперсный сорбент - активированные угли различных марок, окись алюминия, силикагель и другие. Очищаемый воздух проходит под напором, создаваемым вентилятором, через слой дисперсного сорбента. При этом вещества, содержащиеся в очищаемом воздухе, адсорбируются на поверхности сорбента, а очищенный воздух поступает в то же помещение (1).

Недостатком известного является то, что процесс очистки воздуха протекает до полного использования адсорбционной емкости сорбента. Но эта адсорбционная емкость невелика и составляет около 1:1000 единиц веса адсорбированных веществ к весу сорбента при полном заполнении адсорбированными веществами активной поверхности сорбента, что вызывает необходимость частой замены дорогостоящего сорбента.

Процесс адсорбции многих веществ на поверхности сорбента протекает необратимо, вследствие чего регенерация адсорбционных свойств сорбента является сложным технологическим процессом, который нерентабельно проводить на месте использования сорбента, если в технологическом процессе очистки воздуха не используется около нескольких тонн сорбита одновременно.

Следует отметить, что при постоянной рециркуляции воздуха через сорбент, в последнем накапливаются микроорганизмы, содержащиеся в очищенном воздухе, которые, задерживаясь на поверхности сорбента, сохраняют свою биологическую активность: их развитие может привести к тому, что сорбент станет источником бактериологического загрязнения воздуха еще до потери им своих адсорбционных свойств из-за накопления вредных веществ на поверхности сорбента. Кроме того, оценка потери очищающей способности сорбента обычно проводится с помощью недельных опытов, а чаще всего периодическим отбором проб воздуха и их анализом, что требует для обеспечения надежности работы установки проведения большого количества дорогих, длительных по времени проведения и трудоемких анализов проб воздушной среды помещения.

Вышеперечисленные недостатки не позволяют широко использовать установки по очистке воздуха в помещениях, где очищаемым воздух агентом служит твердый дисперсный сорбент.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению и взятым в качестве прототипа является аппарат для принудительного распространения воздуха, содержащий корпус, противопыльный фильтр и вентилятор (2).

Недостатком известного решения является то, что в известном устройстве воздух очищается только от пыли, газообразные, парообразные, ядовитые и дурно пахнущие вещества, которые могут выделяться в атмосферу помещения в ходе технологических процессов и вредно влиять на здоровье людей, находящихся в этих помещениях, таким аппаратом не удаляются из воздуха. Тем самым не обеспечивается дегазация и дезодорация воздушной среды помещения. Кроме того, противопыльный фильтр, расположенный в корпусе устройства, не удаляет из воздуха микроорганизмы и вирусы, т.е. не обеспечивает дезинфекцию воздуха.

Как следствие этого, прототип не обеспечивает снижение расхода вентиляционного воздуха, необходимого для поддержания должного санитарно-гигиенического состояния воздушной среды помещения, и остается высоким расход тепла на нагрев вентиляционного воздуха в зимний период.

Настоящее изобретение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков и от использования может быть получен следующий технический результат: уменьшение расхода вентиляционного воздуха, энергозатрат на его нагрев в холодное время года при сохранении санитарно-гигиенических норм воздушной среды помещений различного назначения, возможность функционировать в присутствии живых существ.

Это достигается тем, что в обрабатываемом помещении размещают установку по регенерации воздуха, потребляющую электрическую энергию для работы и состоящую из корпуса с размещенными в нем противопыльным воздушным фильтром, напорным воздушным вентилятором, генератором газообразного озона, камеры предварительного окисления, содержащей статичные перемешивающие элементы в виде сплошных или сетчатых лент, соединенных своими концами, обладающих жесткостью, достаточной для противостояния воздушному потоку без утраты заданной формы, выполненные из инертного по отношению к газообразному озону материала; твердого дисперсного сорбента, помещенного в воздухонепроницаемый картридж.

При этом статичные перемешивающие элементы соединены своими концами так, что они образуют между собой в пространстве геометрическое тело с односторонней поверхностью, то есть ленту Мебиуса; твердый дисперсный сорбент, расположенный в картридже, состоит из не менее чем двух частей в объемном соотношении от 1:9 до 9:1; на поверхность той части слоя твердого дисперсного сорбента, которая обращена вовнутрь корпуса установки, нанесен твердый нелетучий окислитель, представляющий собой высшие окислы металлов V, VI и VII групп Периодической таблицы, например V₂О₅, MnO₂, Мn₂О₇, в количестве не более 10% от массы сорбента; на поверхность части слоя твердого дисперсного сорбента, которая обращена к воздушной среде помещения, нанесен твердый нелетучий катализатор распада газообразного озона до молекулярного кислорода, представляющий собой окислы металлов VIII группы Периодической таблицы, например CaO, NiO, в количестве не более 5% от массы сорбента.

На чертеже изображена установка для регенерации воздуха в помещении, общий вид.

Позиции на чертеже обозначают: 1 - корпус установки; 2 - воздушный противопыльный фильтр; 3 - напорный воздушный вентилятор; 4 - генератор газообразного озона; 5 - камера предварительного окисления; 6 - статичные перемешивающие элементы; 7 - твердый дисперсный сорбент; 8 - картридж; 9 - слой сорбента с твердым нелетучим окислителем;
10 - слой сорбента с твердым нелетучим катализатором.

Устройство по регенерации воздуха в помещении состоит из корпуса 1, в котором расположены противопыльный воздушный фильтр 2, напорный воздушный вентилятор 3, генератор газообразного озона 4, камеры предварительного окисления 5, содержащей статичные перемешивающие элементы 6, выполненные из инертного по отношению к газообразному озону материала и предназначенные для поперечного перемешивания озоно-воздушного потока без существенных потерь напора, создаваемого вентилятором 3. Объем, занимаемый перемешивающими элементами 6, составляет не более 0,01 от объема камеры предварительного окисления. Эти элементы представляют собой сплошные или сетчатые ленты с жесткостью, достаточной для противостояния воздушному потоку без потери ими первоначальной формы, при этом концы каждой из лент соединены так, что образуют собой в пространстве геометрическое тело с односторонней поверхностью, то есть ленту Мебиуса. Количество перемешивающих элементов 6 в камере предварительного окисления 5 не менее одного. Они расположены в плоскостях, близких к перпендикулярным к направлению движения потока воздуха и статично закреплены. Твердый дисперсный сорбент 7 установлен в воздухонепроницаемом картридже 8, перекрывающем поток воздуха, выходящий из камеры предварительного окисления. Слой твердого дисперсного сорбента 7 в картридже 8 разделен на не менее чем две части 9 и 10, в объемном отношении от 1:9 до 9:1. На поверхность части слоя твердого сорбента 9, обращенного к выходящему из камеры предварительного окисления 5 потоку газа, нанесен твердый нелетучий окислитель, представляющий собой высшие окислы металлов V, VI, VII группы Периодической таблицы в количестве от 0,01 до 10% от массы сорбента; на поверхность части 10 слоя сорбента, обращенного к воздушной среде помещения, нанесен твердый нелетучий катализатор распада газообразного озона до молекулярного кислорода, представляющий собой окислы металлов VIII группы Периодической таблицы, в количестве не более 5% от массы сорбента.

Установка по регенерации воздуха в помещении работает следующим образом.

Установку размещают в помещении, где требуется непрерывная дегазация, дезодорация и дезинфекция воздушной среды в присутствии живых существ. Очищаемый воздух последовательно проходит через узлы устройства в следующем порядке: сначала воздух очищается от пыли на противопыльном фильтре 2 и посредством напорного вентилятора 3 продувается через генератор газообразного озона 4, где из кислорода очищаемого воздуха под действием электрического разряда образуется озон в количестве не более 5 и не менее 1 объемного процента от объема проходящего через генератор озона очищаемого воздуха. После этого озоновоздушная смесь поступает в камеру предварительного окисления 5, где происходит ее поперечное перемешивание при движении через камеру 5 с перемешивающими элементами 6 без потери более чем на 5% напора потока газа, выходящего из генератора озона. В камере предварительного окисления 5 происходит полное и частичное окисление вредных и пахучих веществ при их взаимодействии с озоном и гибель микроорганизмов под действием озона.

Поперечное перемешивание газового потока, создаваемое перемешивающими статичными элементами 6, выполненными в виде лент Мебиуса, значительно интенсифицирует процессы взаимодействия между газообразным озоном и находящимися в очищаемом воздухе вредными, пахнущими веществами и микроорганизмами без необходимости заполнения объема камеры предварительного окисления 5 различными насадочными элементами, обеспечивающими такое же перемешивание газового потока, но снижающими рабочий объем камеры и создающими значительные потери напора потока воздуха, что уменьшает производительность установки по очищенному воздуху при одинаковом напоре, создаваемом воздушным вентилятором 3. Пройдя камеру предварительного окисления 5, поток воздуха, содержащий избыточный газообразный озон, продукты неполного окисления вредных веществ озоном, распада микроорганизмов под действием озона, проходит через твердый дисперсный сорбент - внутренний слой, на поверхность которого нанесен твердый нелетучий окислитель. Продукты неполного окисления веществ, распада микроорганизмов адсорбируются на поверхности твердого дисперсного сорбента и окисляются как газообразным озоном, так и в процессе поверхностного окисления твердым окислителем, находящимся на поверхности сорбента. При этом происходит полное и более быстрое окисление и деструкция веществ, адсорбированных на поверхности твердого сорбента, под действием двух окислителей, находящихся в разных агрегатных состояниях. Вещества, адсорбированные на поверхности сорбента, распадаясь под действием этих окислителей, освобождают поверхность сорбента, тем самым восстанавливаются его адсорбционные свойства.

Твердый окислитель, потеряв в процессе окисления адсорбированных из очищаемого воздуха продуктов неполного окисления озоном вредных веществ, взаимодействует с остаточным газообразным озоном, переходя обратно в окисленную форму, способную вновь взаимодействовать со следующими порциями адсорбированных из непрерывно подаваемого воздуха новыми количествами продуктов неполного окисления озоном вредных веществ и распада микроорганизмов под действием озона в камере предварительного окисления 5.

Таким образом, адсорбционные свойства твердого сорбента регенерируются, окислительные свойства твердого нелетучего окислителя возобновляются под действием остаточного озона, что значительно увеличивает срок эксплуатации сорбента и нанесенного на его поверхность твердого, нелетучего окислителя.

Далее поток очищаемого воздуха, содержащий остаточный озон, проходит через часть слоя сорбента, обращенную к внешней среде помещения, с нанесенным на эту часть твердым, нелетучим катализатором распада озона до молекулярного кислорода. При движении очищенного от вредных, пахучих веществ и микроорганизмов, но содержащего в себе газообразный остаточный озон воздуха происходит взаимодействие остаточного озона с катализатором, находящимся на поверхности сорбента, при этом остаточный озон распадается до молекулярного кислорода.

Таким образом, воздух, пройдя дегазацию, дезодорацию и дезинфекцию, подается в воздушную среду помещения с содержанием озона в нем в концентрациях, близких к ПДК, что позволяет живым существам находиться в помещении при непрерывной работе установки в этом помещении.

Использование такой установки позволяет снизить расход вентиляционного воздуха, необходимого ранее для поддержания санитарно-гигиенических характеристик воздушной среды, и значительно сократить энергозатраты на нагрев вентиляционного воздуха в холодное время года.

ПРИМЕР.

Пример реализации применителен к конкретному объекту.

Объект - классная комната общеобразовательной школы с длительным пребыванием учащихся в количестве 20 человек, возраста до 12 лет, г. Красноярск.

1. Объем помещения: 169 м³.

2. Температура в помещении: +16^oС. Температура (средняя) окружающей среды в течение отопительного периода -7,2^oС.

3. Длительность отопительного периода: 235 суток.

4. Вид загрязнения воздушной среды помещения: выделения СО₂, вредные и пахучие продукты жизнедеятельности людей, микроорганизмы.

5. Расход вентиляционного воздуха на одного человека для поддержания санитарно-гигиенического состояния воздушной среды классной комнаты: 25 нм²/чac.

6. Длительность работы вентиляции: не менее 8 часов в сутки.

7. Тепловая мощность, необходимая для нагрева вентиляционного воздуха в течение отопительного периода: 277 ккал/час (3,222/кВт).

8. Затраты тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха за отопительный период: 5,21 Гкал (6057,36 кВт/час).

При размещении в помещении классной комнаты установки по регенерации воздуха в этом помещении поток воздуха необходим только для ассимиляции выделяющей человеком углекислоты и составляет 7нм³/чac на одного человека.

9. Расход воздуха на вентиляцию при использовании установки по регенерации воздуха: 140 нм³/час=7 нм³/час.чел. • 20 чел.

10. Тепловая (средняя) мощность, расходуемая на нагрев вентиляционного воздуха: 776 ккал/час (0,902 кВт).

11. Общие затраты тепла на нагрев вентиляционного воздуха в течение отопительного периода: 8,46 Гкал (1696 кВт).

12. Электрическая мощность (общая), потребляемая установкой по очистке воздуха помещения такого назначения: 1,6 Вт/м³ (0,3 кВт). При общей производительности установки по очищенному воздуху 60 нм³/час.

13. Электропитание: ≈220 В.

14. Вес установки: 4,5 кг.

15. Габаритные размеры: 115•160•370 мм.

Общие затраты электроэнергии за отопительный период на работу установки по регенерации воздуха: 564 кВт • час; с учетом затрат на нагрев вентиляционного воздуха: 1696 + 564=2260 кВт • час, что составляет 37,3% энергозатрат, расходуемых на нагрев вентиляционного воздуха без работы установки.

Обычно в помещении такого типа (пребывание большого количества людей длительное время без выполнения ими производственных процессов) около 60% всей отопительной нагрузки здания помещения приходится на нагрев вентиляционного воздуха и снижение затрат тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха на 62,7% при использовании установки снижает общие затраты на отопление в холодный период года на 37,6%.

Дополнительный эффект: при непрерывной дезинфекции воздушной среды помещения с длительным нахождением большого количества людей в этом помещении (от 3,5 м³ до 17 м³ объема помещения на одного человека) значительно улучшается состояние здоровья этих людей, так как в помещении предотвращается возможность распространения инфекционных заболеваний, передающихся воздушно-капельным и воздушно-пылевым путями.

Контрольные замеры проб воздуха, взятые из камеры предварительного окисления, показали, что концентрация озона в ней составляет около 0,15-0,1 г/нм³ воздуха.

Такая концентрация озона обеспечивает практически мгновенную и полную гибель микроорганизмов. Замеры концентрации озона в очищенном воздухе, выходящем из установки, показали, что содержание в нем озона не превышает 0,01-0,02 мг/нм³ воздуха (ПДК по озону 0,1 мг/нм³, порог чувствительности запаха 0,016 мг/нм³).

Измерение концентрации озона в воздушной среде, проведенные в ходе эксплуатации установки показали, что стационарная концентрация озона в объеме помещения не превышает 0,01 мг/нм³ воздуха и во многих случаях ниже аналитического предела. Определение концентрации озона в воздушной среде камеры предварительного окисления в воздухе, выходящем из установки, проводилось с помощью озономера АФ-2 и дублировалось по методике ГОСТ 18301-72 "Методы определения остаточного озона". Кроме того, установка по регенерации воздушной среды помещений различного назначения может эксплуатироваться в отсутствии живых существ в режиме работы обычного генератора газообразного озона, для чего картридж, содержащий твердый дисперсный сорбент, изготавливается съемным.

При работе установки в режиме озонирования всего объема помещения и поверхностей расположенного в нем оборудования и объектов картридж, целиком или частично, убирается с пути воздушного потока, выходящего из камеры предварительного окисления, и озоно-воздушная смесь с высоким содержанием (около 0,1 г/нм³) озона поступает в объем помещения. Длительность этого режима устанавливается автоматически на заданное время. После обработки помещения в режиме озонирования последнее принудительно проветривается либо выдерживается время, необходимое для самопроизвольного распада озона до молекулярного кислорода (до достижения безопасности концентрации озона).

При этом, как указывалось выше, происходит дегазация, дезодорация и дезинфекция поверхностей объектов, расположенных в объеме обрабатываемого помещения одновременно с очисткой воздушной среды последнего под действием выделяющегося генератором газообразного озона.

Источники информации
1. Быркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. М.: Изд. литература по строительству, 1971, с. 179.

2. Патент РФ 2090495, С 01 В 13/11, 20.09.1997, прототип.

Формула изобретения

Установка по регенерации воздуха в помещении, содержащая корпус и расположенные в нем противопыльный воздушный фильтр и напорный воздушный вентилятор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор газообразного озона, камеру предварительного окисления, в которой установлены статичные перемешивающие элементы в виде сплошных или сетчатых лент, которые соединены своими концами таким образом, что образуют собой в пространстве геометрическое тело с односторонней поверхностью, то есть ленту Мебиуса, и обладают жесткостью, достаточной для противостояния воздушному потоку без потери заданной, при этом они выполнены из инертного материала по отношению к газообразному озону, картридж, твердый дисперсный сорбент, расположенный в картридже, состоит из не менее двух частей в объемном соотношении от 1:9 до 9: 1, при этом на поверхности той части слоя твердого дисперсного сорбента, которая обращена вовнутрь корпуса установки нанесен твердый нелетучий окислитель, представляющий собой высшие окислы металлов V, VI, VII групп Периодической таблицы, в количестве не более 10% от массы сорбента, а на поверхность части слоя твердого дисперсного сорбента, которая обращена к воздушной среде помещения, нанесен твердый нелетучий катализатор распада газообразного озона, представляющий собой окислы металлов VIII группы Периодической таблицы, в количестве не более 5% от массы сорбента.

РИСУНКИ

Рисунок 1