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助力防控病毒传播:一种动态空气消毒组件的构想(三)

已有 288 次阅读 2020-5-20 20:36 |系统分类:观点评述

(三)、高温消毒

除了紫外线辐照,另一种简单易行的消毒方法是采用高温杀灭病原体。微生物的抗热性随着温度的升高而减弱,足够高的温度加上充足的受热时间,可导致微生物体内的核酸与蛋白质发生不可逆损害。据悉在56℃的温度下持续大约30分钟,即可使新冠病毒和流感病毒灭活。格力电器近期推出的一款空气净化器,就包括了一种技术能够让滤网表面维持在56℃以上的加热状态,以此消灭吸附在滤网表面上的新冠病毒。这在原理上完全行得通,但当前该净化器的报价高达1.2万元,再加上HEPA滤网的耗材属性会进一步提高其实际使用成本,这都不利于该产品在短期内实现大范围推广。


以往的研究表明,温度越高,消灭病原体所需的时间越短;并且消毒效率与受热温度之间并非线性而是趋向于指数关系,即每升高10℃,对同类微生物的灭活速率便会提高数倍。新冠病毒和流感病毒在56℃时需要持续大约30分钟才能灭活;若将温度提升到100℃,所需时间将缩短至1分钟左右;而当温度>130℃时,则只需数秒即可实现。


在食品保鲜领域,有一种被称为“超高温瞬时灭菌法(UHT)”的高温消毒技术 ,是利用过热蒸汽或者热交换装置,将食品瞬间加热到高温(≥130℃),维持几秒即可杀灭其中的绝大多数微生物,处理过的食品经冷却密封可常温保存数月甚至数年之久。UHT操作时间短、效率高、效果好,适用于连续自动化生产。理论上可将该技术借鉴到空气消毒领域:通过循环风将空气引入到安全可控的有限空间里,在较短时间内加热并保持足够高的温度(比如快速升至150℃,并维持1秒左右),将存在于空气中的各种病原体瞬时灭活,以此实现室内动态消毒。


将想法付诸实践之前,需要先解决两个问题:1、空气密度低、导热性差,要在短时间内实现快速升温,须兼顾设备成本和能耗问题;2、UHT的有效操作温度高达130℃以上,消毒后的空气若以如此高的温度排放到室内,不仅会造成极大的安全隐患,还将导致大量热能被白白地浪费掉。传统的UHT工艺中,食品经高温灭菌之后,往往紧跟着一个能量回收步骤,即通过热交换装置对过热食品进行冷却,同时回收热量以节约能耗,这是一个思路;另一个思路是尝试以较小的能耗实现预想的高温效果,同时还能够回避随之可能产生的安全隐患和热能的大量流失,比如以下方案 。

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图七、高温动态空气消毒组件示意图

其中1、进气部分,2、狭窄通道部分,3、出气部分,4-2、UHT消毒。

 

如图七所示,空气汇集到狭窄通道里,在较小范围内快速被加热到指定高温,并在通道2中维持有效的消毒时间,之后再经出气部分3扩散排出,以此循环。其中,流入组件内部的空气被限定在小范围内集中受热,有利于压缩加热设备的体积,节约成本与能耗;另外如前文所述,相对于区域1和3,通道2内的空气流速更快,相应的对流换热系数也更高,这有利于提高组件的工作效率,在更短时间内将汇集的空气加热到指定温度;空气经高温消毒之后,由管道2流向区域3可视为一个绝热膨胀过程,即高温消毒后的空气在扩散排出的过程中,自身温度与流速均会有所下降,这不但能预防高温气体排放可能产生的安全隐患,也间接提高了能量利用率,有利于降低组件整体的能耗。通过对1、2、3这三个区域的各物理量(如空气流速、温度,管道横截面积等)进行数学模拟,有利于了解空气在组件内部流动过程中各项指标的变化规律,从而为组件设计提供更合理的结构参数。除此之外,也可以参照食品行业中的工艺,在管道2与区域3之间设置热交换器,用来回收多余热量,进一步降低组件能耗。


对高温动态空气消毒组件的性能指标提出两个要求:受热温度高于100℃(130℃以上为宜),受热时间控制在1分钟以内(不多于5秒为宜)。可选用管外加热(如图八)和管内加热(如图九)两种加热方式,热源包括但不限于电能、传统化石能源以及可持续能源等。图八中的加热装置设在管道外,这样做的优点一是可以减少管道2内空气的流通阻力,二是方便采用多种能源形式供热;其缺点是需要有一定长度的管壁进行热传导,使能量利用率有所降低。图九的工作原理大致如同家用的电吹风机,在管道2内部安装有加热器(其横截面优选为网状结构),当空气流经加热器时,可以瞬时被加热到指定高温。图九的优点在于其热源结构紧凑,能效高;主要问题在于如果加热器横截面的网口过小,则容易被空气中悬浮的杂质颗粒堵塞。

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图八、高温动态空气消毒组件局部示意图一

其中,2、狭窄通道部分,4-2、UHT消毒(管道外部加热)。


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图九、高温动态空气消毒组件局部示意图二

其中,2、狭窄通道部分,4-2、UHT消毒(管道内部加热)。

 

图九的问题在于,当加热器横截面的网孔过小时,容易被悬浮在空气中的大尺寸颗粒所堵住,而一些小尺寸的悬浮物还可能会在高温条件下发生聚结,并粘附在网孔表面,这也容易造成管路阻塞。解决办法之一是增大加热器横截面的网孔尺寸,同时为保证升温效果,可如图十中那样设置多层加热器。另一个办法是在组件的进气部分加装过滤网,提前将空气中的大尺寸颗粒拦截下来;考虑到部分小尺寸杂质受热后可能发生聚结,甚至可能产生一些对人体有害的化学成分,因而可在组件的出气部分同样也安装上过滤网,以便对高温消毒后的空气实施进一步净化(如图十一)。过滤网的规格可根据实际情况适当选取,比如在满足现场要求的前提下,采用可清洗后重复利用的初效/中效滤网,使组件在达到预定消毒效果的同时仍能维持成本可控,该方案也同样适用于采用紫外线(UVC)的动态空气消毒组件。

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图十、高温动态空气消毒组件局部示意图三

其中,2、狭窄通道部分,4-2、UHT消毒(管道内部多层加热)。


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图十一、加装过滤网的动态空气消毒组件示意图

其中,1、进气部分,2、狭窄通道部分,

3、出气部分,4、消毒部分,5、过滤网。




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