技术摘要：
本发明公开了一种二次供水紫外消毒设备紫外灯及消毒容器的设计方法，包括：一、在自来水中检测距离紫外灯灯管中心点不同距离处的紫外线强度；二、计算自来水在距离紫外灯灯管中心点不同距离处接收到安全紫外线有效剂量所需要的照射时间；三、计算对应消毒容器横截面积  全部
背景技术：
早在1878年人类就发现了太阳光中的紫外线具有杀菌消毒作用。紫外线杀菌消毒 原理是适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的DNA或RNA的分子结构，造成生长性 细胞和再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。紫外线按波长范围分为四个不同的波段： UVA(400～315nm)、UVB(315～280nm)、UVC(280～200nm)和真空紫外线(200～100nm)。UVA和 UVB由于处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度非常慢，因此在实际应用中该部分紫外线归 属于无效紫外部分。真空紫外光穿透能力极弱，无法用于杀菌消毒。UVC处于微生物吸收峰 范围之内，可用于杀灭微生物，其中杀菌作用最强的波段是250-270nm，而253.7nm波长的紫 外线是UVC中杀菌作用最强的波长。 紫外线杀菌灯(以下简称紫外灯)是各种紫外线消毒设备的核心部件，分为低压低 强度紫外灯、低压高强度紫外灯和中压高强度紫外灯三种，三种紫外灯的特点如下。1)低压 低强度紫外灯：该型紫外灯产生254nm的单频紫外线，光电转换率为35％～45％，灯管内压 力为0.13Pa～1.33Pa，运行温度为40℃，单根灯管输出紫外线功率最高可达65W，适用于空 气消毒以及低流量水处理系统的消毒应用，特别适合无专业人员看守的场所使用。2)低压 高强度紫外灯：该型紫外灯和低压低强度紫外灯相似，产生254nm的单频紫外线，光电转换 率为35％～45％，灯管内压力为0.13Pa～1.33Pa；该型紫外灯和低压低强度紫外灯的不同 之处在于用汞合金代替了汞，在相似的能量效率下汞合金灯比普通低压汞灯产生的电流强 度及辐射能要高，因此低压高强度紫外灯的UVC输出能力比低压低强度紫外灯要高，单根灯 管输出紫外线功率最高可达150W；低压高强度紫外灯的运行温度约为110℃，用于水中浸没 式安装使用时比低压低强度紫外灯更容易结垢，需要及时清洗，适用于中小型水处理厂的 应用。3)中压高强度紫外灯：发射多波长电磁波(200-600nm)，只有大约27％～44％的紫外 能量在UVC的范围之内，仅有7％的输出在254nm附近，光电转换率为10％～15％，是低压灯 的三分之一，其能耗是低压灯的3-3 .5倍；运行温度为600～800℃，压力为0.013MPa～ 1.33MPa，在未开启时灯内的汞为液态，保管及使用需要非常谨慎，否则有泄漏的风险；另 外，由于中压灯管运行温度高，极易引起灯管结垢，会大幅降低灯管的有效紫外线强度，且 容易造成灯管和石英套管损坏，需要专门设计的除垢装置才能正常运行，不适合二次供水 水箱这种无专业人员看守的地方使用；但是中压高强度紫外灯单根灯管输出功率高，可高 达1500W，因此可以大大减少使用灯管的数量，且占地面积也相应减小，适用于大型污水处 理厂、暴雨溢流以及空间利用率要求很高的场合。 随着紫外线消毒技术的发展，已有很多厂家推出各种紫外线水消毒设备用于生活 饮用水(俗称自来水)的消毒。紫外线水消毒设备分为管式消毒设备和渠式消毒设备两种， 管式消毒设备的紫外灯灯管布置在闭合式的管路中，渠式消毒设备的紫外灯灯管布置在敞 4 CN 111547810 A 说　明　书 2/9 页 开式的水渠中。应用于二次供水消毒的紫外线水消毒设备(以下简称紫外线消毒设备)都是 管式消毒设备，紫外线消毒设备的杀菌效果是由微生物所接受的紫外线剂量决定的，紫外 线剂量是指单位面积上接收到的紫外线能量，常用单位为mJ/cm2(J表示焦耳，简称焦，是国 际单位制表示能量的单位，1焦耳等于1瓦的功率在1秒内所做的功，1焦＝1瓦·秒)，其计算 公式为：紫外线剂量＝UVC强度×照射时间。UVC强度是指单位时间内与紫外线传播方向垂 直的单位面积上接收到的UVC能量，常用单位为mW/cm2；照射时间的单位为s。在国家标准 GB/T  19837-2019《城镇给排水紫外线消毒设备》的5.10.2条中明确提出“当紫外线消毒用 于生活饮用水或饮用净水消毒时，且紫外线消毒设备在峰值流量和紫外灯运行寿命终点 时，紫外线有效剂量不应低于40mJ/cm2”。 由于不方便对紫外线消毒设备内的紫外线强度直接进行检测，在国家标准GB/T  32091-2015《紫外线水消毒设备紫外线剂量测试方法》中提出了一种间接检测流经紫外线 消毒设备的水流在不同流量下接受到紫外线剂量的方法。由于该方法需要加入活细菌，故 不能在紫外线消毒设备安装现场实施检测；又由于在实验室里很难实现持续的超过实际最 大水流量的供水场景，因此至今为止国内极少有实验室能够开展使用该方法对紫外线消毒 设备的紫外线剂量进行检测。总之，尽管目前已有很多厂家推出了各种紫外线消毒设备用 于二次供水的消毒，但是这些紫外线消毒设备是否达到国家标准GB/T  19837-2019中规定 的最低剂量要求还是一个未知数。 考虑到生活饮用水的微生物指标是生活饮用水的关键指标，为了确保紫外线消毒 设备能够有效地发挥杀菌作用，有必要对现有紫外线消毒设备可能达到的紫外线有效剂量 进行推算，看其是否满足法规规定的最低剂量要求。 目前紫外线消毒设备的结构都是在一段特制的不锈钢管道内安装若干根紫外灯， 如公开号为CN203699969U的现有技术在2014年7月9日就公开了一体化管道式二次供水紫 外消毒装置，自来水在流经该段管道时被其中的紫外灯照射而达到消毒杀菌的作用，这段 安装了紫外灯的管道称为消毒容器。实际中对于许多紫外线消毒设备而言，自来水以最大 流量流经消毒容器的时间不超过3秒钟。下面通过实验检测数据以及现有法规的要求，计算 出消毒容器中距离紫外灯4cm远的水流在3秒钟时间内接收到的紫外线有效剂量，选择4cm 这个位置是基于许多紫外线消毒设备中最外层紫外灯中心点与消毒容器管道壁的距离都 超过4cm。 选择贺利氏特种光源有限公司生产的UVC输出功率为140W的低压高强度紫外灯进 行实验，这是其目前生产的UVC输出功率最大的低压高强度紫外灯。按该产品的安装要求在 外装一个石英套管后将紫外灯安装在一个特制的水槽中，在紫外灯开启100h后开始测量， 在灯管的法线上(过灯管中心点与灯管垂直的线)使用能在水中测量UVC强度的紫外线强度 计测量不同距离处的UVC强度(距离的原点为灯管的中心点)，取10次测量数据的平均值作 为测量结果，在距离灯管中心点4cm处UVC强度的测量结果为30.8mW/cm2。根据国家标准GB/ T19837-2019《城市给排水紫外线消毒设备》的要求，计算距离紫外灯中心点4cm处的水流在 3秒钟时间内接受到的紫外线有效剂量：1)标准中第3.1条提出“紫外灯老化系数是紫外灯 在某一时间的紫外输出功率和紫外灯初始运行100h后的紫外输出功率之比”。2)标准中第 5.1.1条提出“紫外灯老化系数通过第三方验证后，可使用验证通过的老化系数计算设备紫 外线有效剂量，但老化系数最大值不应超过0.8；若紫外灯老化系数没有通过第三方验证， 5 CN 111547810 A 说　明　书 3/9 页 应使用0.5的默认值作为紫外灯老化系数，计算设备紫外线有效剂量”。3)标准中第5.2.2条 提出“设备紫外线有效剂量计算中应考虑紫外灯石英套管结垢系数。紫外灯石英套管结垢 系数通过第三方验证后，可使用验证通过的结垢系数计算设备紫外线有效剂量。若紫外灯 石英套管结垢系数值没有通过第三方验证，应使用0.6的默认值作为紫外灯石英套管结垢 系数，计算设备紫外线有效剂量”。4)因此得到：紫外线有效剂量＝UVC强度×照射时间×紫 外灯老化系数×紫外灯石英套管结垢系数＝30.8×3×0.5×0.6＝27.7mJ/cm2。这个结果 没有达到国家标准GB/T  19837-2019《城镇给排水紫外线消毒设备》中规定的40mJ/cm2的最 低剂量要求。在实际中，出于成本的考虑许多紫外线消毒设备即不会使用一流品牌的紫外 灯，也不会使用UVC输出功率达到140W的紫外灯，因此这些紫外线消毒设备在自来水以最大 流量流经消毒容器时，在距离紫外灯中心点4cm处的水流接收到的紫外线有效剂量比 27.7mJ/cm2还要低很多。 总之，许多紫外线消毒设备在自来水以最大流量流经消毒容器时，在距离紫外灯 最远处的水流接收到的紫外线有效剂量达不到国家标准GB/T  19837-2019《城镇给排水紫 外线消毒设备》中规定的40mJ/cm2的最低剂量要求。造成这个结果的原因主要是由于大家 普遍使用紫外线消毒设备的总功率(指紫外线消毒设备内所有紫外灯的功率合计，单根紫 外灯的紫外线强度与其UVC输出功率正相关)对应的紫外线强度计算消毒容器内各处的紫 外线有效剂量。但是鉴于以下两方面的原因，这种计算方法是不正确的：1)自来水流经紫外 线消毒设备的消毒容器时是一次性从一端流到另一端的，没有往返流动；2)紫外线强度在 水中的衰减随着距离的增加是按照指数的级别衰减的，因此水流接受到的紫外线照射主要 只受距离最近的紫外灯的影响，其他紫外灯的作用很小。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种二次供水紫外消毒 设备紫外灯及消毒容器的设计方法，本发明通过定量计算的方法来确定在满足最大用水流 量的要求下紫外灯在消毒容器中的最优排列方案，并以此确定消毒容器的横截面大小，从 而解决了现有紫外线消毒设备不确定能否达到国家标准中规定的最低剂量要求的难题，最 大限度地降低了紫外线消毒设备不能有效发挥消毒杀菌作用的风险，为饮用水安全提供了 有效的保障。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种二次供水紫外消毒设备紫外灯及消毒容器的设计方法，其特征在于，包括以 下步骤： 步骤一、在自来水中检测距离紫外灯灯管中心点不同距离处的紫外线强度； 步骤二、根据步骤一的结果，计算自来水在距离紫外灯灯管中心点不同距离处接 收到安全紫外线有效剂量所需要的照射时间； 步骤三、根据步骤二的结果，结合紫外线消毒设备在使用场所的最大流量及确定 的消毒容器的长度，计算对应消毒容器横截面积的理论最小值； 步骤四、根据步骤三的结果确定紫外灯在消毒容器中的排列方案和数量； 步骤五、先根据紫外灯的数量确定最佳排列方案，再确定消毒容器的横截面尺寸。 所述的消毒容器为长方体形。 6 CN 111547810 A 说　明　书 4/9 页 所述步骤一中，灯管中心点指紫外灯灯管轴线的中点，检测点选在灯管的法线上， 灯管的法线指过灯管中心点且垂直于灯管轴线的直线，紫外灯必须安装好石英套管后才能 放于水中进行检测，新紫外灯必须运行100h后其检测数据才能用于后续计算；检测点与灯 管中心点的垂直距离用r表示，在距离灯管中心点r处测得的紫外线强度用Ir表示。 所述步骤二中，设步骤一中检测点与灯管中心点的垂直距离为r，在距离灯管中心 点r处测得的紫外线强度用Ir表示，设自来水在距离灯管中心点r处接收到安全紫外线有效 剂量所需要的照射时间为Tr，则： 式(1)中D0为国家标准GB/T  19837-2019中规定的用于生活饮用水消毒的紫外线 消毒设备需要达到的最低剂量要求，即40mJ/cm2；K为最低剂量安全系数，取值范围为1.5～ 3，优选为2；K·D0就是安全紫外线有效剂量；CLH为紫外灯的老化系数；CJG为紫外灯石英套管 的结垢系数。 所述步骤三中，设与紫外线照射时间Tr对应的消毒容器横截面积的理论最小值为 Sr，则： 式(2)中Qmax表示紫外线消毒设备使用场所的最大流量，L表示确定的消毒容器的 长度。 所述步骤四中，紫外灯在消毒容器内的排列规则是：所有紫外灯都是与消毒容器 的轴线平行排列，在消毒容器的横截面上紫外灯按照长方阵列的形式整齐排列，无论是水 平方向还是竖直方向，相邻两根紫外灯的垂直距离都相等，最外层紫外灯与消毒容器容器 壁的垂直距离都相等； 确定紫外灯在消毒容器中的排列方案和数量的方法是：设在消毒容器横截面的水 平方向上有n1列紫外灯，在消毒容器横截面的竖直方向上有n2行紫外灯，且n1≥n2；设相邻 两根紫外灯的垂直距离为d，满足d＝k·r，其中k是紫外灯的一个排列参数，取值范围为2～ 3，优选为2；设 则： (n1-1)·(n2-1)<4≤n1·n2                       (3) 由式(3)可得到n1和n2的多个解，选择n1/n2≤3且n1·n2最小的解作为紫外灯的排 列方案，当n1·n2相等时选择n1和n2数值最接近的解作为紫外灯的排列方案； 设使用紫外灯的数量为N，则： N＝n1·n2                                          (4)。 所述步骤五中，确定紫外灯最佳排列方案的方法是：首先选择使用紫外灯数量最 少的排列方案，当使用紫外灯数量相同时选择消毒容器横截面积理论最小值最小的排列方 案。 所述步骤五中，确定消毒容器的横截面尺寸的方法是：设消毒容器横截面的宽为 x，高为y，设最外层紫外灯与消毒容器容器壁的垂直距离等于对应的r，则： x＝(n1-1)kr 2r                                  (5) y＝(n2-1)kr 2r                                  (6)。 7 CN 111547810 A 说　明　书 5/9 页 采用本发明的优点在于： 1、本发明以单根紫外灯在水中与其灯管中心点不同距离处的紫外线强度为基础 计算与紫外灯不同距离处的水流接受到的紫外线有效剂量，而不是采用紫外线消毒设备总 功率对应的紫外线强度为基础进行计算，保证了计算结果的科学性和准确性，从而有效地 保证了紫外线消毒设备中距离紫外灯最远处的水流接受到的紫外线有效剂量也能达到法 规规定的最低剂量要求。 2、本发明考虑到实际中总是存在一些不确定的因素，比如同一厂家的同一批紫外 灯也会有一定的误差、一根紫外灯发出的紫外线强度从一端到另一端并不是均匀分布的、 紫外灯占据的空间致使消毒容器的有效体积减少、在消毒容器容器壁与紫外灯垂直距离以 外位置的紫外线强度会减弱等等，在使用最低剂量要求进行计算时，在法规规定的最低剂 量要求基础上乘以一个最低剂量安全系数，从而最大限度地消除各种不确定因素的影响。 3、本发明在计算紫外灯的紫外线有效剂量时，使用了老化系数和结垢系数的指 标，从而使计算结果更可靠。 4、本发明采用长方体作为紫外线消毒设备消毒容器的形状，更容易生产和安装。 5、本发明能够从多种紫外灯排列方案中选择最佳排列方案，这充分体现了设计的 灵活性和实用性，从而能够在保证消毒杀菌效果的情况下更有效地节约成本。 附图说明 图1是实施例2中采用型号为NNI300/147XL的紫外灯的计算结果图； 图2是实施例2中确定的紫外灯在消毒容器横截面的最佳排列方案图； 图中标记为：1、消毒容器容器壁，2、紫外灯，3、水平线，4、竖直线。