Компания M ETAWATER Co., Токио, Япония, разработала систему светодиодов глубокого ультрафиолета (УФ) (также называемую DUV LED или UV-C LED) для муниципальной очистки воды. Первая светодиодная система дезинфекции DUV (300 м 3 / день x 2 единицы) была установлена на муниципальной станции очистки питьевой воды в префектуре Ка-госима, Япония, в феврале 2019 года. В то время причины для внедрения были следующими: Маленький след Длительный срок службы источника света: 15 лет LCC (стоимость жизненного цикла), что эквивалентно УФ-лампам низкого давления Количество и частота замены деталей небольшие, а обслуживание простое. По состоянию на декабрь 2019 года оборудование работает без сбоев, и сбор результатов будет продолжаться.
Предпосылки развития Компания METAWATER начала разработку устройства для УФ-облучения / дезинфекции с использованием светодиодов DUV в 2015 году. В то время в Японии разрабатывались законы и постановления, соответствующие Минаматской конвенции по ртути (далее именуемой Минаматской конвенцией). Поскольку ожидалось, что Минаматская конвенция вступит в силу, продукты на основе ртути в различных областях должны были быть ограничены, и также были начаты исследования различных безртутных источников света для очистки воды с использованием устройств УФ-излучения. DUV LED как безртутный источник света Соотношение-свет Таблица 1. Коэффициент преобразования энергии различными источниками света1 Среди безртутных источников света наибольшее внимание уделили светодиоду глубокого ультрафиолета.
Эффективность каждого источника света показана в таблице 1. Для осветительных приборов эффективность преобразования энергии светодиодов равна или выше, чем у люминесцентных ламп (ультрафиолетовая лампа + флуоресцентное покрытие), а срок службы в четыре-восемь раз больше. . Понятно, что у светодиодов есть подавляющее преимущество. Однако и эффективность, и срок службы являются справочными значениями и варьируются в зависимости от характеристик продукта и условий использования.
С другой стороны, светодиод DUV (источник ультрафиолетового света) уже достиг номинального срока службы 10000 часов, что эквивалентно сроку службы ртутной лампы низкого давления, но его эффективность преобразования энергии все еще составляет менее 4%, что составляет ниже, чем у других источников света. Однако теоретическая эффективность преобразования энергии будет эквивалентна эффективности светодиодов для освещения, и можно сказать, что нынешний светодиод DUV все еще находится на ранних стадиях и является источником света, наполненным возможностями. Полагая, что будущее DUV LED будет очень многообещающим, DUV LED был принят в качестве безртутного источника света для нового оборудования. Будущее DUV LED Если эффективность преобразования энергии светодиодов DUV эквивалентна эффективности преобразования энергии светодиодами, в дополнение к преимуществам светодиодного освещения над люминесцентными лампами будут достигнуты следующие преимущества перед обычными УФ-лампами: Простое электрическое управление (модуляция выхода, запуск / остановка и т. Д.
) Хорошая отзывчивость (мгновенная выходная мощность на полную мощность) На срок службы лампы не влияет частое включение / выключение Отсутствие тепла при излучении света (излучение фотонов светодиода происходит с другой поверхности излучения тепла) Гибкий дизайн и верстка Высокая производительность и длительный срок службы Однако в настоящее время среди вышеперечисленных преимуществ высокая производительность и длительный срок службы не реализованы. При разработке продукта цель заключалась в том, чтобы свести к минимуму их влияние и принять меры для максимального увеличения преимущества. Спектр излучения УФ-светодиода УФ-светодиод-спектр Рисунок 1. Типичный спектр УФ-светодиода. Как показано на рисунке 1, УФ-лампы имеют острый линейчатый спектр излучения при 253,7 нм, тогда как светодиоды имеют широкий спектр, выраженный максимальной длиной волны и полушириной.
2 DUV светодиоды в целом подразделяются на два типа пиковых длин волн из-за разницы в материалах. Один имеет пик около 285 нм, а другой - около 265 нм. зависимость от длины волны Рис. 2. Зависимость бактерицидного действия на типичные микроорганизмы от длины волны2.
На рис. 2 показана зависимость бактерицидного действия на типичные микроорганизмы от длины волны. Известно, что бактерицидный эффект максимален в области от 260 до 270 нм, что близко к пику длины волны поглощения ДНК, когда выход такой же. 2 Однако современные светодиоды DUV, как правило, имеют более низкую эффективность преобразования энергии и более короткий срок службы при более коротких длинах волн. По этой причине эффект дезинфекции (спектральная чувствительность) на входной мощности наиболее выгоден около 280 нм, как показано на рисунке 3.
4 В настоящее время DUV-светодиоды с пиком около 280 нм считаются предпочтительными. с точки зрения стоимости производства и срока службы и были приняты для продукции. Обзор оборудования Модуль источника света эффект инактивации Рисунок 3. Эффект инактивации входной мощностью 3. В настоящее время мощность одного пакета светодиодных ламп DUV невелика, и необходимо установить множество устройств.
Кроме того, решающее значение имеет отвод тепла для корпуса. Сначала считалось, что его можно разместить в цилиндрической форме, наподобие ртутной лампы. Однако, поскольку эта конструкция сложна с точки зрения отвода тепла, для изделия был использован планарный источник света из соображений ремонтопригодности. За счет интеграции светодиодных корпусов на плоской поверхности охлаждающий механизм и кабели могут быть объединены, что позволяет легко предотвратить конденсацию влаги и улучшить техническое обслуживание. Поскольку излучаемый свет ослабляется за счет отражения, лучше увеличить длину оптического пути без отражения как можно дольше, чтобы повысить эффективность излучения.
Однако, поскольку угол ориентации светодиодного чипа DUV довольно велик, УФ-свет, отраженный на внутреннем цилиндре, увеличивается. Следовательно, длина оптического пути большего количества световых лучей увеличивается за счет использования отражателя из материала с высокой отражающей способностью, имеющего низкий коэффициент затухания. Конструкция УФ-реактора Как описано ранее, предпочтительно увеличить длину оптического пути, чтобы увеличить эффект облучения. Кроме того, для потока воды необходимо уменьшить возможность короткого замыкания внутри реактора для получения равномерного потока. Если поступающая вода может вызвать короткое замыкание внутри реактора, она не получит требуемой дозы УФ-излучения, а если вода чрезмерно удерживается в реакторе, превышение определенного уровня применяемой дозы УФ-излучения не способствует улучшению общей дезинфекции.
эффект. Следовательно, очень важно повысить эффективность системы дезинфекции за счет равномерной и более высокой дозы облучения. Длина реактора была основана на оптимальном расстоянии между источником облучения и устройствами ультразвуковой очистки с учетом расстояния проникновения света светодиодов DUV при расчетной пропускной способности УФ-излучения. Система охлаждения источника света Характеристики светодиода DUV (доза облучения, срок службы и т. Д.
) Зависят от температуры лампы, поэтому важно сделать распределение температуры как можно более равномерным и работать в пределах указанного диапазона температур для отдельных светодиодных чипов. В случае, когда светодиод DUV интегрирован в качестве поверхностного источника света, существует проблема, заключающаяся в том, что даже при использовании теплоотвода с воздушным охлаждением требуется большой контакт с воздухом, поскольку теплоемкость воздуха мала. , и, как следствие, температура имеет тенденцию быть неравномерной. Поэтому был использован радиатор, предназначенный для системы с водяным охлаждением. Это улучшило эффективность теплообмена от подложки и уменьшило разницу температур по всему источнику света.
Кроме того, неочищенная вода использовалась в качестве охлаждающей воды для радиатора, поэтому дополнительная вода не требовалась. Производительность и особенности разработанного продукта Продукт, использующий УФ-светодиод в качестве источника света, имеет следующие особенности по сравнению с УФ-лампой низкого давления: Отличное сопротивление ВКЛ / ВЫКЛ Хороший отклик (100% мгновенная отдача) Ограничения на управление работой по причинам, указанным в ссылках 1 и 2, нет. Срок службы источника света при регулировании выходной мощности достиг 70000 часов, что в пять раз больше, чем у УФ-ламп низкого давления. Поскольку это планарный источник света, его легко заменить. Небольшое пространство для обслуживания по сравнению с ртутными лампами В таблице 2 приводится сравнение светодиодов с УФ-лампой низкого давления.
Заключение Сравнительная таблица Таблица 2. Сравнение УФ-светодиодов и УФ-ламп низкого давления (300 м3 / сут) Примечание 1: ◎ = Хорошо; O = Достаточно; Δ = Плохо Примечание 2: → в таблице выше показаны перспективы на будущее В будущем, если характеристики светодиодов DUV улучшатся и полученные продукты станут более популярными, замена существующего оборудования с УФ-лампами на основе ртути может быть ускорена. Компания METAWATER продолжит расширять линейку оборудования для светодиодного облучения DUV, одновременно разрабатывая продукты с большей емкостью и одновременно оптимизируя конструкцию реактора, используя преимущества более высокой выходной мощности светодиодного корпуса для дальнейшего снижения капитальных и эксплуатационных затрат на светодиодные системы DUV.