Загальна характеристика роботи актуальність теми
Скачати 0.58 Mb.
|
|
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. Генерування штучного світла є одним із найбільш важливих досягнень людства. Через зір люди одержують більше 80% всієї інформації, тому на даному етапі жодна галузь не може функціонувати без електричного освітлення. Штучне освітлення стає елементом життєвого середовища людини. Вісімдесяті та дев’яності роки відзначені значними досягненнями в розвитку світлотехніки. Основною рушійною силою прогресу було прагнення підвищити енергоекономічність та екологічність джерел світла, зменшити їх матеріаломісткість, підвищити якість кольоропередачі, надійність, компактність. Аналіз показує, що, незважаючи на досягнуті успіхи, найбільш масові енергозберігаючі джерела світла, які використовуються для загального освітлення, в реальних умовах експлуатації не повністю реалізовують свої можливості і, при вирішенні ряду науково-технічних та інженерних задач, ефективність їх може бути підвищена. За усередненими оцінками частка енергії, котра витрачається на генерування світла, становить тільки близько 5% від споживаної енергії в цілому (більше 15% від електроенергії, що виробляється). Приблизно 0,5% цієї кількості споживається в процесі виробництва ламп та іншої світлотехнічної арматури і майже 4,5% споживається електростанціями з кінцевою метою генерування світла. Середня ефективність перетворення електричної енергії в світлову становить трохи більше 10%, а з врахуванням того, що електростанції перетворюють енергію природного палива в електроенергію з ККД близько 30%, загальна ефективність перетворення енергії палива в світлову енергію становить приблизно 3%. Такий стан речей робить актуальними заходи, спрямовані на підвищення ефективності джерел світла. В зв’язку з тим, що більшість сучасних типів енергоекономічних ламп містять в собі токсичні речовини, проблема енергозбереження має розглядатись тільки в контексті з підвищенням екологічної безпеки. Тому не менш актуальним є і проблема зменшення викидів в навколишнє середовище токсичних речовин як при виробництві джерел світла, так і в процесі експлуатації та утилізації ламп. ^ Дисертаційна робота є наслідком багаторічних досліджень, які проводились в Українському науково-дослідному інституті джерел світла (м. Полтава), ВАТ “Полтавський завод газорозрядних ламп”, Харківській державній академії міського господарства згідно Постанови Кабінету Міністрів України від 30.12.1991 р. №393 “Проведення найважливіших наукових досліджень, розробка та освоєння нових технологій і техніки” програми Державного Комітету з науки та технології (ДКНТ) “Проблеми екологічної безпеки України” (шифр 02.05.04/035), цільової програми Мінмашпрому України “Електротехніка” в період 1992 – 1996 рр. (розділ “Світлотехніка та джерела світла”), цільової науково-технічної програми “Розвиток виробництва енерго- та ресурсозберігаючих джерел світла та систем освітлення в Україні” та іншими науково-технічними планами науково-дослідних та господарських робіт. Роль автора у виконанні вказаних робіт полягає у розробці програм, визначенні напрямків теоретичних, експериментальних і прикладних досліджень, участі у постановці і вирішенні задач, обробці і узагальненні результатів досліджень і безпосередній участі при впровадженні результатів досліджень у виробництво. ^ Метою роботи є підвищення світлотехнічної ефективності, екологічності та надійності джерел світла на основі комплексних досліджень фізико-хімічних процесів і конструкційних матеріалів на стадіях виробництва і експлуатації ламп, узагальнення науково-технічних основ розробки енергоекономічних ламп та створення вдосконалених конструкцій і технологій їх виробництва, а також розробка основних положень концепції раціонального використання енергоекономічних джерел світла та заходів по зниженню забруднення навколишнього середовища при їх виробництві та утилізації. Для досягнення вказаної мети було сформульовано та вирішено такі основні задачі:
Об’єктом дослідження є процеси, які визначають енергоефективність, екологічність та надійність роботи освітлювальних ламп. Предметом дослідження є розрядні лампи високого тиску (натрієві, ртутні та металогалогенні), люмінесцентні лампи низького тиску та галогенні лампи розжарювання на стадіях розробки конструкції та технології виробництва, вибору режимів експлуатації та утилізації відходів електролампового виробництва. Методи дослідження. Методичною базою досліджень є використання диференційного та інтегрального числення, методів вимірювальної техніки, теорії ймовірності, теорії похибок, математичного та фізичного моделювання. Експериментальні дослідження виконувались з використанням методик електричних, термометричних, мас-спектрометричних, світлотехнічних, оптичних, манометричних та механічних вимірювань. Планування експериментальних робіт та обробка результатів проводились з використанням методів математичної статистики. ^
^ Ґрунтуючись на результатах виконаних експериментальних досліджень, теоретичних узагальнень та розробок вирішена проблема, яка має важливе народногосподарське значення:
10. Розроблений неруйнівний спосіб визначення кількості ртуті в люмінесцентних лампах, оснований на залежності електричного опору (при зміні температури колби) від кількості ртуті в лампі. 11. Розроблені основні положення концепції розвитку енергоекономічної світлотехніки в Україні. Результати досліджень, виконаних в рамках дисертації, використані при виконанні науково-дослідних, дослідно-конструкторських та технологічних робіт Українським науково-дослідним інститутом джерел світла, ВАТ “Полтавський завод газорозрядних ламп” та іншими спеціалізованими підприємствами. Впровадження результатів робіт, виконаних в рамках дисертації, підтверджено відповідними актами, що наведені в додатку до дисертації. Матеріали досліджень використовуються в навчальному процесі на кафедрі світлотехніки та джерел світла в ХНАМГ. ^ Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В роботах, виконаних у співавторстві автору належить: в [2, 5, 25, 26] – ідея, загальна постановка робіт, аналіз результатів, висновки; в [3, 9, 14] – експериментальні дослідження, побудова математичної моделі, виведення основних математичних співвідношень, висновки; в [4, 19] – загальна постановка робіт, метод оцінки екологічності джерел світла, поняття коефіцієнту екологічності, аналіз екологічності ламп; в [7,51, 52, 34] – ідея, експериментальні дослідження, аналіз результатів і висновки; в [12, 15, 17, 35] – методика досліджень, експериментальні дослідження, аналіз результатів та висновки; в [16, 41] – ідея, розробка структурних схем установок, алгоритм вимірювання та керування; в [29, 30] – методика випробування, оцінка точності, аналіз результатів; в [33, 37, 38] – ідея, розрахунки конструкції та випробування; в [39, 40, 42-45] – постановка задачі, сформульовані шляхи підвищення екологічної безпеки виробництва розрядних ламп, запропоновані схеми утилізації відходів електролампового виробництва; в [47-50, 63, 64] – розробка моделей, розрахунки конструкцій та випробування технічних пристроїв; в [57, 59, 60] – програма досліджень, дослідження, аналіз результатів та висновки [31, 32] – ідея, постановка задачі. Всі наукові положення, винесені на захист, і висновки за дисертацією належать авторові. Із публікацій у співавторстві в дисертації використано результати, які одержані здобувачем самостійно. ^ Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались на Всесоюзному науково-технічному симпозіумі по газорозрядних джерелах світла (м. Полтава, 1991 р.); І-й Міжнародній світлотехнічній конференції (м. Санкт-Петербург, 1993 р.); ІІ-й Міжнародній світлотехнічній конференції (м. Суздаль, 1995 р.); науково-технічній конференції “Ртутная опасность ХХ века” (м. Санкт-Петербург, 1992 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Світлотехніка-95” (м. Тернопіль, 1995 р.); ІІ-й конференції Українського вакуумного товариства та науково-практичній конференції “Вакуумная техника и вакуумные технологии” (м. Харків, 1995 р.); Всесоюзній науково-технічній нараді “Состояние разработок и производства газоразрядных источников света, пути их дальнейшего совершенствования” (м. Полтава, 1982 р.); ІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль и управление в технических системах” (м. Вінниця, 1996 р.); Міжнародній світлотехнічній конференції “Светотехника на рубеже веков: достижение и перспективы” (м. Вологда, 19-22 червня 2000 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми створення нових машин і технологій (м. Кременчук, травень 2001 р.); І міжнародній науково-технічній конференції “Физические и технические проблемы светотехники и электроники” (м. Харків, 21-23 травня 2003 р.), конференціях та семінарах Полтавського національного технічного університету ім. Ю. Кондратюка; Харківської державної академії міського господарства. Публікації. За темою дисертації опубліковано 64 праці, у тому числі 34 статті, отримано 30 авторських свідоцтв та патентів, а також опубліковано 35 тез доповідей на науково-технічних конференціях, симпозіумах та семінарах. ^ Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку літератури та додатків. Основний текст дисертації міститься на 391 сторінці, включає 42 таблиці, 106 рисунків. Додатки на 52 сторінках. Загальний обсяг нумерованих сторінок 440. Список літератури складається з 488 бібліографічних найменувань. ^ У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, формулюється мета роботи, завдання, які потребують розв’язання, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приведені дані по апробації результатів роботи, публікаціях і особистому внеску здобувача в наукових роботах, рекомендації щодо можливого впровадження отриманих результатів на практиці. ^ “Аналіз сучасного стану в галузі енергоресурсозберігаючих джерел світла та головні напрямки їх розвитку” носить оглядово-аналітичний характер і висвітлює основні тенденції по досліджуваній проблемі. Більшість сучасних джерел світла, які випускає промисловість, мають економічно доцільну сферу застосування, але подальший розвиток попиту та пропозицій пов’язаний, в першу чергу, з більш ефективним використанням електроенергії. Важливе значення, як свідчить досвід провідних країн світу, набувають екологічні аспекти, зниження матеріаломісткості джерел світла (мініатюризація ламп), розширення їх функціональних можливостей. Ці напрямки і визначають основні тенденції розвитку джерел світла. В розділі проведений аналіз літературних джерел та визначені основні шляхи підвищення експлуатаційних та екологічних параметрів ламп загального призначення (НЛВТ, МГЛ, люмінесцентних ламп ГЛР НН), сформульовані основні проблеми, які будуть вирішуватись в дисертаційній роботі. ^ “Проблеми конструювання та технології виробництва енергоекономічних натрієвих ламп” розглянуті питання покращення світлотехнічних параметрів НЛВТ. Проведені дослідження натрієвих ламп потужністю 400 Вт з сапфіровими пальниками. Сапфірові трубки вирощували з розплаву оксиду алюмінію методом Степанова. Для забезпечення ізотропності механічних і теплових характеристик трубки в поперечному перерізі кристали вирощували в напрямку <001>. Показано, що лампи з сапфіровими пальниками, в порівнянні з полікоровими, мають на 7-11% більшу світлову віддачу, більш високу стабільність світлового потоку і незначне підвищення напруги на лампі в процесі експлуатації. Після 3 тис.год. горіння спад світлового потоку для ламп з сапфіровими пальниками на 5-7% менший, ніж для аналогічних ламп з полікоровими пальниками. Розроблена методика та проведені дослідження залежностей світлових та електричних параметрів пальників з натрій-ксеноновим наповненням в межах зміни тиску 50-300 мм.рт.ст. для парів Na та 1004000 мм.рт.ст. для Хе. При збільшенні тиску парів Na світлова віддача зростає, досягає максимуму в межах РNa 150250 мм.рт.ст. і повільно спадає (рис.1). Світлова віддача ламп при підвищенні тиску ксенону зростає за лінійним законом. Напруга на лампі Uл (градієнт напруги Е) з підвищенням тиску парів Na і Хе зростає. Ступінь самопоглинання D-ліній натрію також лінійно збільшується з підвищенням тиску Na і Хе (рис.2). Причому вплив тиску парів Na більш суттєвий, ніж тиск Хе на всі параметри НЛВТ. Отримані аналітичні вирази залежностей світлових і електричних параметрів від тиску парів Na та Хе. В розділі приведені порівняльні експериментальні дослідження балансу потужності безртутних і ртутних НЛВТ малої потужності. Відомо, що потужність випромінювання з одиниці довжини стовпа розряду Ф1 може бути записана в вигляді лінійної функції питомої потужності стовпа Р1: Ф1=(Р1-Q1), (1) де Q1 – питомі теплові втрати, Вт/см; - сумарне пропускання “холодної зони” стовпа розряду та стінки розрядної трубки. Р РХе ∙103, мм.рт.ст. РNa, мм.рт.ст ис.1. Залежність світлової віддачі від тиску парів Na та буферного газу Хе (діаметр розрядної трубки 2,4 мм, довжина дуги 40 мм) Визначення залежності Ф1(Р1) проводилась за методикою Еленбаса, яка дозволяє розділити сумарне випромінювання ламп і випромінювання самої розрядної трубки. Ф1 розраховувалось по виміряній термостовпчиком силі випромінювання І в припущенні, що розподіл І в просторі відповідає закону дифузного випромінювача Ф19,86 І. Отримана експериментальна залежність апроксимується прямою, яка описується рівнянням: Ф1=0,58 (Р1-7). (2) Це співвідношення дещо відрізняється від аналогічного співвідношення для малопотужних ртутних НЛВТ, але в діапазоні питомих навантажень 8-30 Вт/см2 для розрахунку частки потужності, що витрачається на нагрівання оболонки розрядної трубки, може бути використане співвідношення, одержане для Na-Хе-Нg-ламп. Оцінка похибки при розрахунку аСТ – долі потужності, що витрачається на нагрівання розрядної трубки, не перевищує 5%. Виконано експериментальні і розрахункові дослідження залежностей градієнта потенціалу Na-Хе-розряду у вузьких трубках від температури рідкої фази натрію (рис.3). Рис.2. Ступінь самопоглинання D-ліній Na () в залежності від тиску парів Na та Хе (1 – РХе=300 мм.рт.ст.; 2 - РХе=870 мм.рт.ст.; 3 - РХе=1300 мм.рт.ст.; 4 - РХе=2360 мм.рт.ст.; 5 - РХе=3100 мм.рт.ст.) Рис.3. Залежність градієнта потенціалу від температури рідкої фази для Nа-Хе-розряду в трубках різного діаметру, РХе=60 мм.рт.ст. (1 – 3,7 мм, 2 – 2,75 мм, 3 – 2,4 мм, 4 –2,1 мм) Градієнти потенціалу для ^ ламп при однакових геометричних параметрах пальника і температурі холодної зони суттєво менші, ніж для Na-Хе-Нg-ламп (в 1,2-2,0 рази). Одержані залежності градієнту потенціалу від питомого навантаження на стінку пальника для діаметрів 2,1-3,7 мм і міжелектродної відстані 30-60 мм. Для більш вузьких трубок (наприклад 2,75 мм) градієнт потенціалу при рівних питомих навантаженнях суттєво вищий, ніж для трубок діаметром 3,7 мм (15 В/см проти 7,5 В/см при W=14 Вт/см2). Експериментально досліджено теплове поле пальників діаметром 4,25 мм з Na-Хе-наповненням. Показано, що для ламп малої потужності, які працюють з високими аСТ питомі навантаження не повинні перевищувати 13-15 Вт/см2. Досліджувана конструкція пальників забезпечує температуру холодної зони (за номінальної потужності) 650-700 оС. Дослідження електротехнічних характеристик Na-Хе-розряду у вузьких трубках показали, що безртутні НЛВТ мають підвищені значення піка перезаймання менші коефіцієнти потужності у порівнянні з стандартними лампами, що суттєво погіршує експлуатаційні характеристики. Цей ефект підсилюється зі зростанням розрядного струму і міжелектродної відстані. Розроблені рекомендації щодо розрахунку і конструювання безртутних ламп малої потужності: для забезпечення параметрів, ефективних з точки зору балансу потужності, теплового і електричного режимів, забезпечення стабільності і надійності роботи доцільно зупинитися на варіанті конструкції з підвищеними робочими струмами в порівнянні з стандартними лампами (50 Вт – 11,2 А, 70 Вт – 1,2 А, 100 Вт – 1,51,8 А) при напрузі на лампі 60-70 В і зменшеними довжинами дуги, за яких забезпечується коефіцієнт імпульсу перезаймання не більше 1,8. На основі виконаних досліджень розроблена серія БНЛВТ потужністю 35-70 Вт (табл.1). Таблиця 1 Параметри безртутних НЛВТ потужністю 35-70 Вт
Розроблені конструкції натрієвих ламп з вмонтованими термомеханічними стартерами та допоміжними запалюючими електродами. Конструкції стартерів для НЛВТ на основі металів з “пам’яттю” форми мають більш потужний імпульс (в 1,5-3 рази ) та надійність при довготривалих теплових і механічних перевантаженнях в порівнянні з стартерами з біметалевими елементами. Розроблена конструкція та технологія виробництва пальників натрієвих ламп, в яких внутрішній і зовнішній допоміжні електроди виконані як одне ціле шляхом нанесення струмопровідної смуги на внутрішню та зовнішню поверхні полікорової трубки. Металізоване струмопровідне покриття з вольфраму отримане новим способом: при спіканні полікорової трубки частково вживлюється в поверхневий шар кераміки і має високу механічну міцність. Запропонована конструкція пускового електроду одночасно виконує функції внутрішнього електроду, який дозволяє іонізувати газ в розрядній трубці і сприяє виникненню дугового розряду, виконуючи функцію зовнішнього електрода. Проведено аналіз та систематизацію інформації по сучасних конструкціях НЛВТ. Отримані нові експериментальні дані залежностей світлової віддачі л, індексу кольоропередачі Ra, Ткол від геометричних розмірів пальника, тиску парів Na та Hg, які необхідні для інженерних методів конструювання ртутних та безртутних НЛВТ. Розроблена вдосконалена конструкція пальників НЛВТ з застосуванням нової конструкції втулки та трубчатим вводом. Вдосконалена конструкція трубчатого вводу, собівартість якого суттєво менша, ніж в трубчатих вводів виготовлених методом глибокої витяжки з стрічки, або з трубки. Конструкції захищені патентами України та Російської Федерації. ^ “Роботи по підвищенню екологічності люмінесцентних ламп низького тиску та дослідженню їх експлуатаційних параметрів” розглянуто заходи по вирішенню проблеми зменшення викидів шкідливих речовин у навколишнє середовище при виробництві люмінесцентних ламп (ЛЛ) різних конструкцій. Приводяться результати досліджень експлуатаційних параметрів ЛЛ. На сьогодні головними тенденціями розвитку ЛЛ є вдосконалення лінійних енергоекономічних люмінесцентних ламп, створення компактних люмінесцентних ламп та вирішення екологічних проблем, пов’язаних з використанням ртутного наповнення цих ламп. В технологічній практиці виробництва люмінесцентних ламп та при контролі за ступенем їх екологічності необхідна інформація про кількість вільної ртуті, яка знаходиться в лампах. Метою досліджень було виявлення такого тест-процесу, який дозволяв би проводити такі вимірювання без руйнування колб. Нами розглянуті процеси випаровування і конденсації ртуті в об’ємі лампи, а також процеси дифузії ртуті вздовж лампи. Якщо люмінесцентна лампа нагріта нерівномірно і рідка ртуть знаходиться у більш нагрітій частині лампи, то ця ртуть буде випаровуватись і конденсуватись у найхолоднішій точці лампи. Процес перегонки ртуті з нагрітої частини в холодну відбувається в результаті дифузії, оскільки конденсація парів ртуті біля місця її випаровування і біля місця конденсації різні. У загальному випадку система рівнянь для термодифузії в бінарній суміші газів не має розв’язку, тому її розв’язок проводили для конкретних граничних умов. Д  ля випадку, коли концентрація ртуті в лампі змінюється в часі, отримаємо вираз:(3) де х – координата; с2 – концентрація насиченої пари ртуті при температурі холодної зони лампи; t0 – час, за який випаровується крапля ртуті; Q=2qr02/Drл2, D – коефіцієнт термодифузії парів ртуті; rл – радіус розрядної трубки лампи; r0 – радіус краплі ртуті; q – питома швидкість випаровування ртуті; l – довжина лампи. Час випаровування краплини ртуті можна визначити із отриманого виразу:  , (4)де – густина ртуті; Рнас – тиск насичених парів ртуті; М – маса краплі ртуті; m0 – маса атома ртуті; k – постійна Больцмана; Т – температура, К. На основі отриманої моделі проведено аналіз процесів перегонки ртуті в лампі. Показано, що після повного випаровування краплі ртуті (t>to) густина пари починає зменшуватись по всій довжині лампи. Зміна густини описується другим виразом в (3). При переконденсації ртуті в лампі необхідно враховувати час стабілізації густини парів ртуті. Він складає приблизно (13) в залежності від різниці температур нагрітого і холодного кінців лампи. Для люмінесцентних ламп не перевищує 5 хвилин. Результати цих досліджень використані для визначення часу переконденсації ртуті в холодну зону при розробці установки і методу вимірювання вільної ртуті в люмінесцентній лампі без руйнування колби, часу заповнення колби парами ртуті при дозуванні її в лампу, а також часу стабілізації електричних і світлових параметрів ламп. В лампах, які виробляються промисловістю, кількість ртуті знаходиться в межах від декількох до сотень міліграмів. Відомо, що кількість ртуті можна визначити по температурі повного випаровування всієї маси вільної ртуті, яку визначають по електричних характеристиках, але цей метод можна застосовувати при температурах колби до 200-250 оС для визначення кількості ртуті до 20-30 мг (в залежності від об’єму колби). Для ламп з більш високим вмістом ртуті необхідно нагрівати колбу до температур, при яких відбувається інтенсивне газовиділення із скла і люмінофору, і дуговий розряд з катодною плямою стає нестабільним. Користуючись моделлю переміщення ртуті в лампі шляхом дифузії, нами запропонований (для ламп з кількістю ртуті більше 30 мг) метод визначення її маси “зважуванням”. Концентрація насичених парів ртуті за нормальних умов (~20 оС) низька, так що маса її парів в лампі складає декілька відсотків від міліграму, тобто практично вся ртуть знаходиться в рідкому стані. Це дозволяє вимірювати масу ртуті безпосередньо в лампах за методикою, що аналогічна зважуванню на терезах. Велика довжина трубчатої люмінесцентної лампи, навіть за умови незначної маси вільної ртуті, в порівнянні з масою лампи, має величину обертального моменту достатню для його реєстрації, а отже й для визначення маси ртуті. Похибка вимірювання маси в такий спосіб не перевищує 5%. Другий запропонований спосіб вимірювання ртуті в лампах (для кількості ртуті до 25-30 мг) базується на вимірюванні електричного опору дуги при тепловому режимі, що забезпечує роботу лампи в ненасичених парах ртуті. Однією з проблем підвищення екологічності сучасних люмінесцентних ламп є зменшення в них кількості ртуті. Для підвищення точності і технологічності дозування ртуті в лампи розроблено 5 пристроїв, які базуються на різних принципах: проштовхуванні кульки ртуті в лампу шляхом подачі імпульсу на індуктор, проштовхуванням дози ртуті інертним газом, введення ртуті в газоподібному стані. Розробки захищені авторськими свідоцтвами та патентами України та Російської Федерації. В цьому ж розділі розглянуто результати по дослідженню ефективності люмінесцентних ламп з покращеними екологічними параметрами, в тому числі ламп з амальгамним регулюванням тиску парів ртуті. Показано, що амальгамні лампи мають більш вигідну для експлуатації в закритих світильниках залежність світлового потоку від температури, але мають меншу стабільність світлового потоку і більший період стабілізації світлового потоку. Проведено дослідження та аналіз експлуатаційних параметрів компактних люмінесцентних ламп (КЛЛ) різних виробників. На основі узагальнення досвіду експлуатації цих ламп та власних досліджень одержані такі результати:
Рис.4. Діапазон зміни світлової віддачі КЛЛ різної потужності з врахуванням втрат у ПРА і теплового режиму у світильнику: 1 – при оптимальній температурі 18-22 оС; 2 – при температурі 50 оС З аналізу економічної ефективності застосування КЛЛ випливає, що при існуючому рівні цін застосування цих ламп доцільно за умов високої вартості електроенергії і тривалій роботі ОУ. ^ “Вдосконалення металогалогенних та ртутних розрядних ламп високого тиску” представлені результати досліджень процесів у МГЛ, які було покладено в основу розробки більш ефективних джерел світла. Відомо, що підвищення світлової віддачі МГЛ можна досягти перш за все вибором складу випромінюючих добавок, їх концентрацією в дузі, зменшенням питомих теплових втрат розрядного стовпа (Р1Т) та підвищенням питомої потужності стовпа (Р1СТ). Для оцінки впливу окремих чинників та визначення межі їх можливих варіацій нами були виконані розрахунково-експериментальні дослідження. ^ Буферний газ визначає, в основному, електричні характеристики ламп і їх тепловий режим, але не виконує основної функції – не випромінює (точніше доля його випромінювання незначна). Світловий потік МГЛ генерується за рахунок випромінювання випромінюючих добавок. Але, незважаючи на це, ефективність ламп в значній мірі залежить від буферного наповнення. До недавнього часу як буфер застосовувалась, в основному, ртуть. Переваги ртутного буфера для МГЛ: 1)малі теплові втрати; 2)високі градієнти потенціалу позитивного стовпа розряду; 3)ефективно блокує дифузію випромінюючих інгредієнтів розряду до стінки колби; 4)зменшує концентрацію вільного йоду в пальнику шляхом утворення хімічних сполук з йодом; 5)полегшує "холодне" запалювання, утворюючи суміш Пеннінга; 6)підвищує ефективність випромінювання спектральних ліній добавок за рахунок уширяючої дії буферного газу. Аналіз характеристик Хе буфера показав, що для досягнення світлових параметрів в ксенонових МГЛ рівних світловим віддачам ртутним МГЛ (при однаковому складі випромінюючих добавок і тиску буферних газів) необхідно мати більш високу, в порівнянні з ртутним буфером, концентрацію цих добавок. Найпростіший шлях підвищення концентрації випромінюючих добавок – підвищення температури “холодної зони” (tх.з) пальника. Звідси випливає, що для досягнення максимальної світлової віддачі МГЛ з ксеноновим буфером необхідно мати tх.з пальника більш високу, ніж для МГЛ з ртутним буфером. Тому проблема створення високоефективних безртутних МГЛ може бути вирішена при використанні для пальника більш високотемпературних матеріалів, ніж кварц (наприклад, сапфір або полікор). Показано, що для МГЛ з ксеноновим буфером принципово можливо отримати світлову віддачу до 80 лм/Вт при цілком задовільній якості кольоропередачі. Показано, що для отримання високих світлових віддач в МГЛ потрібно забезпечити якомога більший тиск буферного газу (парів ртуті). Граничне значення визначається умовами стабільності дуги. Проведені дослідження по визначенню співвідношення геометричних параметрів пальників МГЛ i кількості ртуті в пальниках, при яких дуга не піддається конвективній нестабільності. На рис.5 наведені експериментальні залежності співвідношень геометричних параметрів (довжини дуги і діаметру пальника МГЛ) і кількості ртуті в пальнику, при яких не виникає конвективна нестабільність розряду. При навантаженнях на внутрішню поверхню пальника в межах 15±5 Вт/см2 лампи, у яких співвідношення геометричних параметрів і кількість ртуті відповідають області А будуть мати стійку дугу. При конструюванні пальників МГЛ не рекомендується вибирати параметри, які не відповідають масиву значень області А. Для варіантів ламп з довільним робочим положенням (як вертикальним так і горизонтальним) доцільно вибирати розміри пальників з більшими величинами l/d, так як це зменшує вигинання розрядного каналу в результаті конвекції при горизонтальному положенні МГЛ. Ці обставини дуже суттєві для ламп з підвищеною напругою Uл, які мають більш високий тиск буферного пару. Зменшення діаметру пальника d і збільшення міжелектродної відстані l дозволяє забезпечити необхідну напругу Uл при більш низьких концентраціях пару ртуті і одночасно підвищити температуру нижньої частини пальника горизонтально працюючої МГЛ, що підвищує світлову віддачу л. Збільшення l збільшує також л, але розшарування випромінюючих добавок при вертикальному положенні роботи лампи примушує шукати компромісний варіант значення l/d. Рис.5. Співвідношення параметрів пальників МГЛ з йодидами Na, Tl, In і Na, Sc, що визначають умови конвективної нестабільності дуги: А- область стабільної дуги; В - область конвективної нестабільності дуги (L – довжина дуги; m - маса ртуті в пальнику; V – об’єм пальника) Встановлена емпірична залежність між напругою на лампі Uл, геометричними розмірами пальника (довжиною дуги l, діаметром d) та масою ртуті m, яку потрібно вводити для забезпечення оптимальної Uл. У трубчастих металлогалогенних лампах, що працюють у вертикальному положенні, уздовж стовпа часто спостерігається нерівномірний розподіл випромінювання по кольору і яскравості. Тому була виконана експериментальна оцінка можливості підвищення світлової віддачі за рахунок осьового розшарування добавок у вертикально працюючих МГЛ. Досліджувались лампи потужністю 400 Вт з йодидами Na, Tl, In і Na, Sc, а також МГЛ з однокомпонентними добавками Na, Tl, In (міжелектродна відстань пальників - 47 мм, внутрішній діаметр - 18,5мм). Деякі результати вимірів приведені на рис.6. З отриманих даних випливає, що розшарування випромінювання вздовж осі вертикально працюючих МГЛ для різного складу добавок різне і залежить від багатьох факторів. Істотною задачею по збільшенню світлової віддачі є не тільки вирівнювання потоків нижньої і верхньої частин пальника, а одержання яскравості вздовж осі, близької до максимального значення. Розрахований по графічних залежностях розподілу яскравості “резерв” підвищення світлової віддачі для МГЛ з йодидами Na, Tl, In і йодидами Na, Sc (потужністю 400 Вт) складає ~ 15 і 20% відповідно. Рис.6. Розподіл яскравості (В) розряду вертикально працюючих МГЛ потужністю 400 Вт з йодидами Na, Tl, In (1) і Na, Sc (2) Розшарування випромінювання (у вертикальному напрямку) має місце і для горизонтально працюючих ламп. Однак його величина для досліджуваних нами джерел, через різницю в розмірах дуги по вертикалі в 2-3 рази менше, ніж для вертикального положення. Рис.7. Контури ліній Na (589,0 і 589,6 нм) у нижній (1) і верхній (2) частинах дуги (на відстані 7 мм від нижнього і верхнього електрода) вертикально працюючої МГЛ потужністю 400 Вт з йодидами Na, Tl і In Експериментально показано, що в МГЛ випромінюючі добавки попадають у розряд переважно разом з конвекційними потоками ртутних парів знизу, а зменшення інтенсивності випромінювання в міру підйому потоку нагору викликано зменшенням концентрації випромінюючих атомів. Це наочно підтверджується результатами виміру контурів резонансних ліній натрію в нижній і верхній частині дуги (рис.7). По ступеню розширення і самопоглинання резонансних ліній натрію можна судити про зміну концентрації цього елемента в даній області дуги. Цей ефект може мати місце за рахунок радіальних потоків від осі до стінок трубки при наявності градієнта концентрації, радіального електричного поля, що впливає на електрони й іони (біполярна дифузія), градієнту температури (термодифузії) і інших факторів. Проблема полягає в оцінці ролі кожного з цих факторів в залежності від умов розряду і розробці технічних рішень, які зможуть підвищити ефективність МГЛ. Рівняння енергетичного балансу для циліндричного каналу вертикальної дуги може бути записано:  , (5)де Р – підведена електрична потужність; W – потужність випромінювання дуги; QТ – загальна потужність теплових втрат (від розрядного каналу до стінки трубки радіусом R) шляхом теплопередачі; Н – ентальпія на одиницю маси; vz – швидкість конвекційного потоку суміші парів у розрядному каналі. Права частина рівняння (5) відповідає енергії, яка переноситься конвективними потоками у вертикальному напрямку. Для канальної моделі дуги з радіусом каналу Rк, що відокремлює зону потоку, що піднімається нагору (позначеного індексом «m») від зони потоку, що опускається вниз (позначеного індексом «с»), потужність конвективного потоку QK може бути записана:  . (6)При постійному тиску зміна ентальпії  дорівнює кількості тепла, переданій системі ззовні.При підстановці в рівняння (5) і після інтегрування по z маємо:  . (7)Рівняння (7) показує, що середня швидкість конвекції в каналі збільшується, коли радіус каналу малий (це відбувається при стягуванні дуги). Швидкість конвекції можна змінювати також шляхом зміни теплових втрат на теплопровідність і випромінювання, а також при збільшенні питомої потужності лампи Р1. Конвекційну модель руху газів у пальнику можна розглядати як гравітаційно-теплову машину, у якій потоки газів і пару створюються і підтримуються за рахунок теплоти, що виділяється розрядом. Для експериментальної перевірки фізичної моделі розшарування випромінюючих добавок розглядалися наступні фактори: тиск пару добавки; тиск буферного пару; питома потужність стовпа розряду; зміна геометричних розмірів дуги; зміна розташування холодної зони (для добавок, працюючих у насичених парах); введення легкоіонізуючих добавок; зміна електричних параметрів. Рекомендовано для підвищення ефективності МГЛ за рахунок зменшення розшарування таке: а)збільшення тиску буферного газу (пару); б)зниження ступеня іонізації добавки шляхом підвищення її концентрації чи введення інших легкоіонізуємих елементів; в)зниження струму лампи (при збереженні питомої потужності стовпа) за рахунок збільшення градієнта напруги; г)зменшення вертикальних розмірів дуги, зберігаючи при цьому такі параметри, як питома потужність стовпа, tхол.зони; д)вибір оптимальної концентрації добавок, при якій максимум променистості (з урахуванням реабсорбції ліній) приходиться на геометричний центр пальника. Одним з найбільш суттєвих параметрів, що визначають режим роботи елементів лампи, умови розряду і термін експлуатації є температура розрядної трубки. Мінімальна температура внутрішньої поверхні розрядної трубки повинна дорівнювати температурі, за якої тиск парів добавок в об'ємі пальника відповідає обраному. Максимальна температура на внутрішній поверхні пальника обирається, виходячи з допустимих температурних умов роботи матеріалу пальника і визначає термін експлуатації лампи. Вплив теплового режиму на світлові характеристики дослідних МГЛ досліджували на лампах потужністю 300-700 Вт з добавками йодидів Na, Sc, Th. Ряд вимірів було виконано на лампах з йодидами Dy, Tl та Na, Tl, In. Показано, що за рахунок збільшення температури холодної зони до 730 °С для ламп з йодидами Na, Sc, Th можна досягти початкової світлової віддачі понад 100 лм/Вт. У випадку відхилення ламп від вертикального положення на ± 30° зниження світлового потоку досягає 5% - при відхиленні на ± 90о – 15%. Всі сучасні методи розрахунків геометричних параметрів МГЛ та інших розрядних ламп високого тиску базуються на розв’язанні рівняння теплового балансу. Тому завжди важливо мати дані по "чутливості" того чи іншого параметру на зміну теплового режиму пальника. Для оцінки змін в тепловому режимі пальника (наприклад “холодної зони”) при варіації геометричних параметрів використовували метод поправок. Цим методом оцінювали зміну електричних, світлових і інших експлуатаційних параметрів, а також можна визначити технологічні допуски на геометричні розміри пальника МГЛ. З використанням метода поправок проведений аналіз шляхів регулювання теплового поля пальників МГЛ. Отримані кількісні залежності теплового поля від параметрів пальника МГЛ. ^ Електричні параметри розрядних ламп в процесі експлуатації можуть суттєво змінюватись. Це найбільше проявляється в НЛВТ та МГЛ – напруга на лампі (Uл) в процесі горіння збільшується на 15 В за 1000 год. (В МГЛ зростання напруги обумовлене, в першу чергу, дифузією натрію з пальника в простір зовнішньої колби і створення в пальнику йодиду ртуті, який підвищує градієнт напруги і погіршує перезапалювання розряду). Рис.8. Залежність потужності МГЛ (РЛ) від напруги на лампі (UЛ): 1,2,3 – робочі режими лампи; А, В, С – лінії, які відображають залежність РЛ від Uмережі для різних режимів лампи Для МГЛ, як і для НЛВТ, важлива стабільність Рл в процесі роботи, так як ці лампи при змінах температури пальника дуже суттєво змінюють не тільки світловий потік, а й кольоропередачу. З рис.8 видно, що дросель забезпечує цілком задовільну стабільність Рл при Uм=220 В, якщо UЛ100 В (рис.8 поз. 2). При Uм=220 В, а Uл=130 В ми попадаємо на “схил” кривої (поз. 3), де при зростанні Uл зменшується Рл (при зростанні Uл з 130 до 155 В Рл знижується з 400 до 360 Вт). В зв’язку з цим використовувати МГЛ середньої потужності з Uл~130 В в мережах з Uм=220 В не економічно з точки зору корисного терміну роботи. Це потребує або завищених коефіцієнтів запасу при проектуванні освітлювальної установки, і, відповідно, веде до перевитрати електроенергії, або групової заміни ламп через 2-3 тис. год. їх роботи. Цим проблема не обмежується: при Uл>150 В розпочинається нестійка робота ламп. Якщо ж використовувати ці МГЛ в мережах з іншою стандартною напругою Uм=380 В (використовуючи відповідний дросель), то при цьому Uл/Uм=130/380=0,34. На кривій ця область (поз. 1) відповідає підйому. З ростом Uл росте і Рл. При цьому спад світлового потоку частково компенсується ростом Рл. Однак запропонований вище варіант використання МГЛ в мережах на 380 В, незважаючи на високу стабільність світлового потоку, надійне запалювання тощо має ряд недоліків: низький коефіцієнт потужності, який визначається Uл/Uм і потребує значної компенсації, велика маса дроселя, більш значні втрати енергії в дроселі. Більш ефективно використовувати МГЛ в мережах з Uм=380 В можна підвищивши відношення Uл/Uм до 0,45 (приблизно як для НЛВТ). При цьому можна буде ліквідувати вищезгадані недоліки. Відношення Uл/Uм=0,45 являє собою той компроміс, який забезпечує оптимальний режим роботи МГЛ. Якщо виходити з цього співвідношення, то при Uм=380 В, Uл=160-190В (рис.8. поз. 2). На основі викладеного та досліджень, що проводились раніше, розроблена серія дослідних ламп з добавками йодидів Na та Sc потужністю 300-700Вт. Основні їх параметри наведено в табл.2. Таблиця 2 Основні параметри МГЛ для роботи в мережі живлення 380 В
|
Схожі:
 | Вступ вступ розкриває сутність І стан наукової проблеми. У вступі стисло подається загальна характеристика роботи у такій послідовності: Актуальність теми Актуальність теми: сутність проблеми, її значущість, роботи відомих науковців над розглядуваним питанням, обґрунтування необхідності... | | Загальна характеристика роботи актуальність теми Тому розробка та дослідження ламп з ефективним спектральним складом випромінювання для вирощування томатів є актуальними |
| Загальна характеристика роботи актуальність теми Регулювання здійснюється на національному, міжнародному (дво- і багатосторонньому), наднаціональному (у межах інтеграційних міждержавних... | | Загальна характеристика роботи актуальність теми МВт, а загальна потужність машин становить мільйони кіловат. За даними рат «Газпром» щорічні витрати на паливний газ становлять 3,5... |
| Загальна характеристика дисертаційної роботи актуальність теми Нестача фінансових ресурсів не дає змоги малим підприємствам здійснювати інвестиційну діяльність у тих обсягах, які відповідали б... | | Загальна характеристика роботи актуальність теми Вагнера, Е. Жардіна, А. П. Ковальова, Р. Н. Колегаєва, А. Кофмана, В. Я. Омельченка, Д. М. Палтеровича, І. А. Ушакова. Розвиток матеріально-технічної... |
| Загальна характеристика роботи актуальність теми Це обумовлено їх високою електричною потужністю, керованістю в широкому діапазоні напруг, низькою енергією запуску, малою індуктивністю,... | | Загальна характеристика роботи актуальність теми Сучасна економічна наука знаходиться в процесі зміни наукових парадигм, пошуку нових методологічних підходів, виявлення недоліків... |
| Загальна характеристика роботи актуальність теми Як досягти цілей?”, “Як домогтися переваг у конкурентній боротьбі?”, “Як посилити довгострокові позиції банку?”. Слід сказати, що... | | Загальна характеристика роботи актуальність теми України є формування національного ринку праці. Становлення ринку праці в Україні як підсистеми ринкової економіки відбувається під... |