автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Методы расчета, зажигание и оценка эффективности компактных разрядных ламп высокой интенсивности с ртутной основой

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КАРЕВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА, ЗАЖИГАНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПАКТНЫХ РАЗРЯДНЫХ ЛА1Л1 ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ С РТУТНОЙ ОСНОВОЙ

Специальность 05.09.07 - Светотехника и источники света

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре Светотехники Московски ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции экергетичесюл института

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Литвинов-Лунц B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Басов Ю.Г.

кандидат технических наук, Гибалов С.Л.

Ведущее предприятие: 'Специальное конструкторско-техно-логическое бюро источников света (г.Полтава)

Защита диссертации^остоится "13" 1992 г.

аудитории , в 1Ь — час. на заседании специализированно]

Совета Д 053.16.08 при Московском ордена Ленина и орде! Октябрьской Революции энергетическом институте, 105835, ГС1 Москва, Красноказарменная, 14.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Красноказарменная, 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ

Автореферат разослан "(/" сЦ С ^ 1992 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета Д 053.16.08

к.т.н., доцент и А.А. Григорьев

тирующихся в стационарных и квазистациснарных режимах (КСР).

Для достижения поставленной цели и с учетом результатов анализа научно-технической литературы необходимо было:

-разработать метод расчета тепловых режимов и конструктивных параметров РЛВИ в стационарных и квазистационарных режимах работы, (с учетом изменения удельных потерь на теплопроводность положительного столба разряда РЛВИ с ртутной основой при кратковременных перегрузках);

-разработать метод расчетно-экспериментального исследования нестационарных теплофизических процессов и напряжения повторного зажигания разрядных ламп высокой интенсивности с ртутной основой;

-предложить методику экспериментального исследования нестационарных процессов в РЛВИс ртутной основой;

-провести комплекс экспериментальных исследований, направленных на выявление влияния параметров режима питания ламп на излучателыше, теплоЕые ъ электрические характеристики ламп данного типа, а также экспериментально исследовать процессы повторного зажигания РЛВИ с ртутной основой;

-апробировать предложенные методы расчетных и экспериментальных исследований , обосновать инженерше предложения и конструктивные решения, направленные на улучшение характеристик МГЛ различного назначения.

Объектом исследований являлись варианты МГЛ (горелок), отличающиеся конструктивным исполнением и наполнением, работайте в различных эксплуатационных условиях и режимах питания, изготовленные СПО "Лисма" г.Саранск, ЗГЛ г.Полтава, НПО "Зенит" г.Москва.

Методика исследований заключалась в:

-теоретическом анализе физических процессов в объеме горелок РЛВИ с ртутной основой, возможных при остывании горелок после отключения и при повторном зажигании;

-математическом моделировании нестационарных теплофизических процессов и напряжения зажигания РЛВИ с ртутной основой при работе в нестационарных условиях;

-расчетно-экспериментальном исследовании потерь на теплопроводность положительного столба РЛВИ при работе в КСР;

-расчетном анализе тепловых режимов и конструктивных параметров горелок МГЛ, эксплуатирующихся в стационарных и КСР,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время разрядные лампы высокой интенсивности (РЛВИ) с ртутной основой, преимущества и перспективность которых достаточно хорошо известны, находят все большее применение как в осветительных установках (ОУ) общего назначения, так и в светотехнических системах специального применения.

Дальнейшее расширение областей использования РЛВИ с ртутной основой и в первую очередь металлогэлогенных ламп (МГЛ) предъявляет все новые требования к параметрам дамп, эксплуатирующихся в различных ОУ. В первую очередь следует оть-тить такие качественные показатели, как стабильность спектрального состава излучения и других светотехнических параметров в процессе эксплуатации, надежность зажигания, компактность конструктивного исполнения, приемлемый срок службы.

Перспективы широкого использования МГЛ в быту дают основание считать возможным существенное расширение мощностного ряда и количества типоразмеров ламп, в основном, в сторону меньших мощностей и габаритов, а также подчеркивают важность учета при разработке ламп таких динамических процессов, как зажигание, разгорание, повторное зажигание, пульсации светотехнических характеристик при работе МГЛ от сети переменного тока.

Применение МГЛ в качестве источников излучения для обеспе- « чения ряда технологических и других специальных задач делает целесообразным их работу в нестандартных электрических режимах, заставляя учитывать ряд специфических требований, обусловленных теш или иными - по продолжительности - циклическими перегрузками по мощности, а также кратковременными отключениями, паузами в работе, изменениями положения МГЛ при эксплуатацш..

Основная часть выполненных в рамках данной раооты теоретико-расчетных и экспериментальных исследований входила в технические задания хоздоговорных НИР проводимых кафедрой Светотехники МЭИ.

Целью работы явилось проведение теоретико-расчетных и комплексных экспериментальных исследований, направленных на создание и усовершенствование методов расчета, экспериментального исследования и конструирования эффективных РЛВИ эксплуа-

виявлении компактных вариантов ламп;

-экспериментальном исследовании нестационарных процессов в РЛВИ с ртутной основой.

Научную новизну определяют представленные в работе: -методика расчетно-экспериментальной оценки потерь на теплопроводность положительного столба РЛВИ;

-методы расчета конструктивных параметров и тепловых режимов кошактных МГЛ, эксплуатирующихся в стационарных и КСР;

-методы расчета теплофизических процессов и напряжения зажигания РЛВИ с ртутной основой при работе в нестационарных условиях;

-методы экспериментального исследования нестационарных процессов в РЛВИ с ртутной основой.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в:

-создании инженерных методов оценок эффективных тепловых и конструктивных параметров МГЛ при работе в КСР и при смещении оси разряда от оси горелки с учетом результатов экспериментально-расчетных исследований зависимости изменения удельных потерь на теплопроводность положительного столба разряда МГЛ в диапазоне изменения удельной мощности до 1100 Вт/см;

-выявлении конструктивных возможностей уменьшения габаритных размеров горелок РЛВИ и расхода кварца на их производство при варьировании, в том числе, параметрами режима эксплуатации;

-получении экспериментальных данных, касающихся изменения * тепловых режимов, яркостных и спектральных характеристик РЛВИ с ртутной основой в КСР эксплуатации, а также изменения параметров, в том числе напряжения повторного зажигания при остывании после отключения;

-разработке вариантов конструктивного исполнения компактных МГЛ с улучшенными технико-экономическими показателями и способа определения теплового режима холодной зоны РЛВИ, защищенных авторскими свидетельствами СССР;

-научно-практических результатах расчетных исследований теплофизических процессов и напряжения повторного зажигания вариантов ламп типа ДРМГ1, при варьировании конструктивными и эксплуатационными параметрами.

Результаты диссертационной работы использовались соис-

кателем при создании Руководящих материалов НПО "Зенит" "Инженерные методики расчета основных параметров горелок компактных ламп высокой интенсивности с ртутной основой в различных режимах эксплуатации N85/2-90 (объем-100 стр.)..

Апробация результатов работы. Отдельные разделы и основные результаты работы докладывались и обсуждались на 9 Всесоюзной научно-технической конференции по светотехнике, (г. Рига, 1987 г.), 8 и 9 национальных конференциях "Освещение 87" и "Освещение 90"(г. Варна, Болгария), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт экслуатации источников света и световых приборов " (г.Саранск, 1988 г.), научно-технических конференциях МЭИ (1988 и 1990 г.г.), а также на научных семинарах кафедры Светотехники МЭИ и научно-техническом совете НПО "Зенит".

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 печатных работах, в том числе 3-х авторских свидетельствах.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы - 164 наименования, 22 таблиц по тексту, 99 иллюстраций на 64 страницах, 4 приложений, а также 6 актов о внедрении и использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теоретических, экспериментальных и расчетных исследований по диссертационной тематике, сформулированы цель и задачи исследований; указаны основные научные и прикладные результаты работы,выносимые на защиту.

I. Анализ литературных данных. Задачи работы.

Проведенный в главе анализ тенденций развития современных РЛВИ с ртутной основой средних и малых мощностей показал, что в настоящее время МГЛ являются перспективными источниками света, особенно актуальными для решения, наряду с задачами общего освещения, специальных хозяйственных и научных задач, требующих особо точного согласования спектров излучения и поглощения. Констатируется, что четко проявляющаяся тенденция к повышению компактности МГЛ, тем не менее, не привела пока разработчиков к окончательно сложившимуся набору вариантов, каких-либо оптимальных конструктивных и геометрических параметров ламп. Вместе

с этил ужесточились требования к тепловому режиму горелок, во многом определяющему технико-экономическую эффективность лаш. Значительные резервы в повышении КПД взаимодействия источник-приемник излучения открываются при расширении диапазонов варьирования режимами эксплуатации (в том числе квазистационарными режимами ); при этом интенсивное развитие полупроводниковых ПРА делает все более целесообразным поиск эффективных нестандартных режимов эксплуатации МГЛ. Расширение областей применения МГЛ заставляет по новому подойти к рассмотрению проблемы повторного зажигания компактных ламп данного типа.

Проведенный анализ научно-технической информации позволяет говорить о заметном увеличении работ с глубоким физически«' анализом процессов, попыткам! создания физических и математических моделей разрядов и работы всего комплекса лампа-ПРА, а также сообщения об оригинальных методах и результатах экспериментального исследования МГЛ. Существенный вклад в этой области сделан зарубежными и советскими учеными: Дж. Уэймаусом, Р. Шафером, Х.-П. Стромбергом, Дк. Дейкиным .Рохлиным Г.Н., Сарычевым Г.С., Литвиновым B.C., Решеновим С.П., Атаевым А.Е. и др.

Рассмотрение методов расчетно-экспериментального исследования параметров РЛВИ позволило констатировать важность и необходимость экспериментальных исследований для понимания процессов в разряде МГЛ и дальнейшего совершенствования ламп. Показано, что существующие методы расчетов конструктивных и тепловых параметров МГЛ не лишены недостатков, затрудняющих их использование в качестве инструмента инженерного конструирования лаш данного типа.

Общая научная и прикладная направленность работы, а также критическое рассмотрение литературных данных, позволили сформулировать основные задачи диссертации:

- совершенствование методики расчета конструктивных параметров и тепловых полей компактных РЛВИ с ртутной основой применительно к стационарным и КСР работы лаш;

- создание методики расчетно-экспериментальной оценки потерь на теплопроводность положительного столба (ПС) разряда РЛВИ и определение уделышх потерь на теплопроводность ПС разряда при работе лаш в различных режимах;

- экспериментальное определение и обобщение исходных дан-

ных, необходимых для расчета температурных профилей разрядов МГЛ, а также экспериментальное исследование температурных, яркостных, спектральных характеристик МГЛ при работе в режиме с кратковременными перегрузками;

- разработка методик расчетно-экспериментального исследования нестационарных теплофизических процессов и напряжения зажигания РЛВИ с ртутной основой при работе в нестационарных и КСР режимах, выполнение расчетных оценок данных параметров и процессов;

- проведение расчетных оценок тепловых режимов горелок МГЛ для случаев стационарных и КСР, расчет и конструирование эффективных вариантов компактных МГЛ.

II. Методы расчета и исследования.

На основании общих положений энергетического баланса положительного стслба РЛВИ проведен анализ влияния изменения удельной мощности (Р-^), удельных потерь на теплопроводность (1ц) и коэффициента, характеризующего выход излучения за пределы горелки (С) на энергетический КПД ламп. Показана значимость учета зависимости Ь1=Г(Р1) при оценках конструктивных параметров и тепловых режимов ламп, эксплуатирующихся в КСР.

С учетом изложенного была разработана методика расчетно--экспериментального определения (оценки) потерь на теплопроводность в горелках МГЛ и ДРЛ, эксплуатирующихся как в стационарных, так и КСР работы. В основе данной методики экспериментально-расчетное исследование температурного профиля разряда в различные моменты импульса перегрузки, заключающееся в экспериментальном получении радиального распределения интенсивности излучения оптически тонкой линии элемента наполнения горелки; расчет, с помощью уравнения инверсии Абеля, объемной плотности излучения данной линии и затем определение температурного профиля канала разряда. Дальнейший анализ распределения температуры по сечению горелки позволил предложить способ оценки перераспределения потерь на теплопроводность по периметру горелки при имеющем место смещении разряда от оси.

Для реализации возможности оперативного конструирования предложен метод расчета и построения ■ оригинальных номограмм, связывающих конструктивные параметры и тепловые режимы РЛВИ с ртутной основой. Установленные номографические связи для МГЛ в

диапазонэ мощностей 100-500 Вт позволяют оценивать зависимости внешних и внутренних диаметров горелки от мощности лампы (Рл). удельной мощности, тока лампы при неизменной температуре горелки, т.е. при постоянном сроке службы ламп по кварцу.

Показано, что КОР эксплуатации РЛВИ, значительный вклад в исследование и практическое использование которых внесли отечественные исследователи А.Л. Вассерман, С.Г. Ашурков, М.А. Мхитаров, позволяют, сохраняя среднюю мощность за период постоянной (Fjjsl/TpJPjUJdt^onst), уменьшать мощность идущую на нагрев стенок горелки a^^I/TpJa^tJPj (t)dt, т.к. аст(Рт)-- доля мощности, идущая на нагрев стенок горелки, является убывающий функцией удельной мощности. Одновременно с этим во: дкно повышение КПД источника, как минимум в определенных спектральных диапазонах. В главе представлены методы оценки эффективного теплового режима горелок РЛВИ с ртутной основой, работающих в КСР, а также локального перераспределения теплового поля оболочки при смещении оси разряда от геометрической оси горелки. На основании оценок тепловых режимов горелок, эксплуатирующихся в различных КСР, показана возможность выявления более компактных вариантов.

Эксплуатация РЛВИ с ртутной основой в КСР с возможными значительными паузами режима питания,■а также проблема обеспечения надежного повторного зажигания, обусловили целесообразность теоретического англиза нестационарных теплофизи- • ческих процессов, имеющих место при отключении горелки ламп данного Tima. Разработанная модель теплофизических процессов включает уравнения, описывающие изменение температурного и концентрационного профилей канала разряда после отключения; изменение распределения температуры вдоль электрода и изменение температуры стенок горелки; а также уравнение, описывающее процесс массопереноса ртути при конденсации в холодной зоне горелки (с соответствующими граничными условиями). Решение уравнений дает возможность оценивать изменение локальных температур, концентраций ртутного наполнения горелок с учетом динамики температур стенок и электродов ламп. Для полученных условий, реализующихся в горелке РЛВИ с ртутной основой при отключении, были рассмотрены процессы, определяющие напряжение зажигания разряда, и составлен алгоритм оценки его

величины в процессе остывания. При этом в качестве критерия самостоятельности разряда принималось условие Таунсенда, однако с учетом всех возможных процессов образовать вторичных электронов, какими-бы механизмами они не вызывались. Так как время отключения обычно намного превышает время релаксации ионизованных и возбужденных частиц, то при оценках реальных напряжений повторного зажигания учитывались только концентрации нейтральных атомов.

В заключительном параграфе главы представлены методы экспериментального исследования нестационарных процессов в РЛВИ с ртутной основой. Основные задачи, обусловившие направленность экспериментальных исследований,таковы: оценка эффективности способов управления тепловыми полями горелок, яркостными и спектральными характеристиками при неизменных конструктивных параметрах горелок и при варьировании режимом работы лампы;анализ теплофизикеских процессов при отключении РЛВИ с ртутной основой; уточнение современных представлений о стадиях остывания РЛВИ при отключениях и повторном зажиганиий; исследование процесса повторного зажигания различных РЛВИ.

Для реализации экспериментальных исследований были разработаны методы и соответствующие экспериментальные установки.

III. Экспериментальные исследования.

Глава посвящена технике экспериментальных исследований и анализу их результатов. Основные исследования проводились на нескольких типах ламп (горелок) МГЛ и ДРЛ мощностью 125,250 и 400 Вт, работающих без и с внешней колбой, а также на специально изготовленных образцах горелок МГЛ.Экспериментальные исследования процесса повторного зажигания РЛВИ были проведены на кафедре Светотехники СФ МЭИ, г. Смоленск, при активном содействии и помощи к.т.н., доцента Андреева A.B.

В соответствии с разработанными методиками экспериментальных исследований были созданы установки и проведены исследования основных параметров МГЛ и ДРЛ, работающих в стационарных и КСР эксплуатации. В ходе исследований была проделана серия экспериментов по выявлению радиального распределения интенсивности излучения линии 577 нм по каналу разряда МГЛ и ДРЛ при различных режимах перегрузок (рис.1). Полученные результаты являются исходными данными для последующего расчетного определения

Рздиэльноа распределение пнтенсив-ности излучения линии 577км и температурные профили разряда ДРй

Зависимость удельных тепловых потерь ДРЛ (Na.Sc) от модности перегрузки

15Т7/15Г7(тах)

Т, К Вт, I

6000 30

4000

20

0.4 1

,Вт/см

О

0.2 0.4 0.6 0.8 т/К

1-ноиинэльный регим Рн=175 Зт;

:5

Рис .'"I

2-перегрузнэ Рп/Рн=15

250 500 750 1000 Вт/си

Рис. 2

Кзмененке теиперзтуоы горелкк ДРЛ 125 в области положительного столба при работе в КСР

иС 800

700

600

500

400

Радиальное озспведе.теяяз яркости по горел:.а ¿РН (Na.Sc) при леэегэузизх КС?

Т„=80мс

+Н

1?,

-п

50 100 150 200 250 Вт 0 0.2 0.4 0.6 0.

1.0

I- стационарный разам; 2- длительность перегрузки КСР: г=10мс; 3-г=2Смс; 4-г=30мс Рзс.З

1-стЕЦИонзряий регпм Рл= 250 Вт; КСР: 2-?п=600 Вт; 3-Рп=П30'Вт; 4-Рд=1850 Вт Рис.4

/

О

температурных профилей вариантов разрядов и оценок изменения удельных тепловых потерь (1^) (рис.2)

При исследовании эффективных тепловых режимов горелок РЛВИ в различных вариантах КСР были обследованы КСР с периодами (Тр) от 40 до 320 мс и различными длительностями и мощностями импульсов перегрузок.

Варьирование параметрами КСР при неизменной средней мощности лампы оказывает значительное влияние на рабочую температуру горелки. Установлено, что эффективность КСР увеличивается с ростом мощности перегрузки и уменьшением ее длительности и мопшости дежурной дуги; при переходе от стационарного к рациональному КСР установлена возможность значительного (100-200 С0) снижения эффективной температуры внешней поверхности горелки, а при сохранении ее неизменной переход к КСР позволяет поднять среднюю мощность лампы в 1.3-1.5 раза (Рис.3).

Варьирование удельной нагрузкой РЛВИ оказывает влияние не только на тепловой режим горелки; значительные изменения претерпевает распределение яркости по светящему телу источника излучения. При относительно кратковременных перегрузках (длительность импульса - 1;и<100 мс) не наблюдается явлений контрагиро-вания разряда (мощность перегрузки около десятикратной номинальной мощности); в условиях существенного увеличения мощности растет диаметр канала разряда, заполняя практически полностью объем горелки, для случая горизонтального расположения снижается сме дение разряда от оси горелки (Рис.4.). Сопоставляя характер изменения вида разряда при стационарных и кратковременных перегрузках можно отметить, что увеличение мощности обеспечивает условия, при которых разряд более полно и равномерно заполняет горелку. Это становится важно при использовании МГЛ в световых приборах (СП) с зеркальными отражателями, где требуется точная фокусировка источника излучения.

Кратковременный рост мощности вызывает изменение спектрального состава излучения горелки РЛВИ, при неизменном тепловом режиме, для ламп типа МГЛ (Рис. 5), как правило, обуславливая снижение цветовой температуры (Т^), и рост ее для чисто ртутных источников света. Т^к, например, при примерно 10-кратном кратковременном увеличении мощности у ламп с чисто ртутным разрядом Ти снижается на 2000 К. Для ДРИ с Иа.Зс.ТН Т воз-

Спентрзльная характеристика ДРИ при перегрузках КСР и стационарной резине

Зозаокные тенденции улучлзшш технико-з::сно;.шческих показателей МГЛ при переходе к КСР 1Дкв/7кв (с.р.) РуРл (С.р.)гл

Хс 1.01

ДРЩШ.Бс)

0.5

,7.0

Ы1

0.95 3.5

О

400 500 600 на

Б^-относитэльная интенсивность в стационарном резнмэ Р=250 Вт;

Б^д-относитэльная интенсивность в момапт перегрузки Р =2500 Вт.

Рис.5

0.9

р (0

40 Вт/см а

1.05

1.0

1 3 5 7 9 7кв: 7кв ст.-расчетн1й объем

кварца горелки для работы в КСР з стационарном рэшмэ;

РЛ;РЛ ст - эффективная мощность в КСР з стационарном режимах; Рт - удельная мощность 1Д десной дуги Рис. 6

Изменение во времени напряжения повторного зэаигзния РЛВЛ о ртутной основой

Расчетная оценка нзстзционзр-ных теплофлзлческих .таоцессов и изц(г) ламп типе дргаг

:В и.

,о.е. изп т. к

20 2100

15 1700

10 1300

5 / 900

^,0 *

10 30 100 ЗООсО 1.8 7.0 21.6 63 180 с

ГШ РЛВИ: 1(2)-ДРШ500;

3-ДРИ250; 4-ДРЛ250; (1,3,4-вксперимвнт; 2-расчэт)

Рис.7

Рдд-давлэнио ртути; ТЭ,ТГ-

-тем-ра электрода и стенок горелка; и^-напряжение зажигания; г-время Рис.8

растает с 4200 до 5400 К, а у ДРИ с 1п,Ка,Т1 с 5000 до 5400 К. Существенные динамические изменения вклада отдельных, линий и соответственно спектрального состава излучения при работе ламп в сети переменного тока частотой 50 Гц были исследованы с помощью автоматизированного спектрального вычислительного комплекса "АСВК", разработанного при участии диссертанта на кафедре Светотехники МЭИ. Полученные результаты динамических трансформаций ЦБетопередающих качеств излучения следует учитывать при использовании ламп данного типа для освещения (особенно при фото, кино и телесъемках), а также, как возможное средство управления спектральным составом излучения РЛВИ при варьировании параметрам;! КСР питания ламп.

В заключительном параграфе главы изложены некоторые технические особенности и результаты исследования нестационарных теплофизических процессов и напряжения повторного зажигания (изп) в горелке РЛВИ с ртутной основой. Результаты исследований изменения концентрации атомов ртути в объеме горелок ДРЛ и МГЛ в нестационарных режимах остывания поело отключения тока позволили установить взаимосвязь и последовательность теплофизических явлений в ходе рассматриваемого процесса; определить продолжительность стадии с неизменной концентрацией ртути и ее связь с исходной температурой и другими параметрами лампы. На основе результатов исследования предложен и защищен авторским свидетельством способ определения теплового режима холодной зоны горелки РЛВИ.

Оценка изменения концентрации ртути в объеме горелки в данном случае проводилась методом электромагнитного зондирования излучением в спектральной области резонансного поглощения нейтральных атомов ртути.

Исследование повторного зажигания РЛВИ с ртутной основой после бестоковой паузы различной длительности позволило установить характерный ход зависимости изменения величины напряжения (повторного) зажигания во времени (Рис.7.). В частности, выявлено, что на первом этапе (0-10 с.) и особенно при кратковременных паузах (^<1 е.), фактически при перезажигании РЛВИ с ртутной основой, на исследуемую характеристику оказывают определяющее влияние параметры электродного узла лампы. Начало резкого снижения напряжения зажигания обусловлено, в основном, началом конденсаци ртути в холодной зоне горелки лампы.

IV. Расчетные исследования. Конструирование компактных МГЛ и вопросы внедрения результатов работы.

В главе дается подробная гаформация о выполненных расчетных оценках параметров МГЛ и некоторых физических характеристиках разряда РЛВИ, о сопоставлении расчетных и экспериментальных данных, о конструировании рациональных вариантов компактных МГЛ, а также о внедрении результатов работы.

Расчет температурного профиля канала разряда - Т(г) проводился на основании полученных экспериментальным путем зависимостей распределения спектральной плотности энергетической яркости излучения оптически тонкой линии ртути по сечению канала разряда. Вычисления проводились на СМ—16 по программе "Abel", реализованной на алгоритмическом языке "Fortran". Анализ влияния ошибок и погрешностей экспериментальных данных на значения определяемого температурного профиля показал, что отклонения при определении исходных данных в пределах 203 слабо сказываются на конечном результате (не болев 1-2%).

Благодаря разработанной методике проведения экспериментальных исследований были получены результаты, позволившие рассчитать мгновенные значения температурных профилей разряда в различные моменты полупериода изменения тока в стационарном режиме и в КСР. Установлено, что при работе МГЛ в цепи переменного тока частотой 50 Гц за время спада тока температура разряда снижается не более чем на 15-20% от максимума.

Полученные в ходе многовариантных расчетов температурного профиля разрядов МГЛ и ДРЛ, эксплуатирующихся в КСР результаты позволили провести оценки величины удельных тепловых потерь (Lj) ПС разряда ламп в различных вариантах режима. При этом показано, что: при существенных кратковременных увеличениях удельной мощности разряда МГЛ соответствующие изменения удельных потерь на теплопроводность могут быть гппрокс:?.:ированы зависимостью L=2.2P°' *,Вт/см; при вертикальном положении эксплуатации \ оказываются меньше в верхней части горелки и увеличивается книзу (перепад значений может составить 10-14"); при горизонтальном положении наблюдается существенный перепад потерь на теплопроводность по периметру горелки (для оценки эффекта предложена расчетная зависимость).

Расчетная оценка условий возникновения разряда при тех или

иных - по продолжительности - отключениях РЛВИ с ртутной основой невозможна без данных, характеризующих процесс объемной ионизации среды наполнения горелки лампы. Ввиду отсутствия каких-либо данных по коэффициенту объемной ионизации для сред наполнения РЛВИ с ртутной основой, характерных для повторного зажигания, данный коэффициент определялся нами теоретико-расчетным способом. На основе рассмотрения элементарных процессов развития разряда в- среде РЛВИ с ртутной основой при повторном зажигании получены зависимости и предложены аппроксимациошше коэффициенты выражения а/Р=А-(Е/Р)-ехр(-В/(Е/Р)), .описывающего изменение приведенного коэффициента объемной ионизации (а/Р) от приведенной напряженности поля (Е/Р) в диапазоне 3-200, В/(см-тор).

С учетом данных результатов проведена многовариантная апробация предложенных в работе методик расчета нестационарных теплофизических процессов и повторного зажигания компактных РЛВИ. Решение уравнений, описывающих названные процессы, реализовано на алгоритмическом языке "Fortran" на СМ-46. На этапе отработки метода проводилось сравнение промежуточных результатов расчета и экспериментальных данных. В частности, удовлетворительное согласие получено при сравнении результатов оценок процессов изменения концентрации атомов ртути в горелке и температур электродов и стенок горелки ламп типа ДРШ и ДРЛ и экспериментальных данных. Проведенные для этих ламп расчетные оценки н'пряжения повторного зажигания (U3n), в принципе, также неплохо согласуются с экспериментальными результатами (Рис.7).

Изложенное позволило констатировать адекватность предложенной модели процессов, происходящих в горелке РЛВИ с ртутной основой, реальному ходу теплофизических явлений и процессу за-кигаия ламп в указанных условиях и дало возможность в дальнейшем провести расчетный анализ названных параметров разрабатываемых ВНИСИ ламп серии ДРМГ1 мощностью 250, 575, 1000 Вт (Рис.8).

Многовариантные оценки позволили получить тенденции изменения кривых U3n=i(t), при изменении тех или иных конструктивных и эксплатационных параметров, что в свою очередь открывает возможнеть управлять ходом процесса повторного зажигания, сдвигая границу затрудненного зажигания во времени, снижать изп на определенном временном отрезке .

-1.7-

Однкм из путей повышения технико-экономической эффэктив-ности РЛВМ является обеспечение все большей компактности их конструкции, сокращение расхода кварца на едшг.гцу мощности лампы. В рамках работы были проведены оценки относительного изменения объема кварца на единицу мощности для различных эффективных температур горелки. Анализ результатов варьирования такими конструктивными параметрам!, как свойства кварцевого стекла и состав газовой смеси наполнения внешней колбы МГЛ показывает наличке возможности снижения расхода кварца при изготовлении горелок более чем на 13-15%.

Расчетные исследования тепловых режмов горелок РЛВИ эксплуатирующихся в КСР, а также оценки изменения теплового поля горелки при смещении оси разряда от геометрической оси горелки, позволили сформулировать требования к параметрам целесообразных КСР. Выявлены связи, характеризующие взаимозависимость величин удельной нагрузки, положения эксплуатации, величины смещения разряда от оси горелки и перепада температуры по поверхности горелки МГЛ.

Удовлетворительное подтверждение результатов расчета экс-периментльными данными позволяет констатировать, что повышение удельной нагрузки и таким образом переход к белее компзтным вариантам (в том числе и при КС? эксплуатации) горелок снижает "чувствительность" лампы к положению эксплуатации, позволяя снижать конструктивный запас на разброс те;ятературы по поверхности горелки. Вместе с этим изложенное позволяет повысить КПД работы СП с данным источником света при возможных поворотах СП от расчетного положения.

Расчетный анализ влияния параметров КСР нэ эффективный тепловой резким горелки показал, что рост скважности КС? (Ор) обеспечивает снижение потерь нз нагрев стенки при сохранении аффективной мощности постоянной, открывая возможность снижения расчетного диаметра варианта горелки без изменения эффективной температуры. В ряде случаев при этом может Сыть обеспечено снижение расхода КЕйрца достигающее ICS (Рис.6).

Уменьшение габаритных размеров горелок ламп типа МГЛ, позволяя получить ряд преимуществ, вместе с этим вносит специфические особенности, которые приходится учитывать при разработке ламп данного типа. На основе расчетно-экспериментальных оце-

нок предложены и защищены авторскими свидетельствами варианты конструкций компактных МГЛ с улучшенными характеристиками.

В заключении главы рассмотрены вопросы внедрения научных и прикладных результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.Предложенная методика расчетно-экспериментальной оценки удельных потерь на теплопроводность положительного столба РЛВИ позволила оценить значение данной величины для случая работы ламп при кратковременных перегрузках и в стационарном режиме, а также предложить аппроксимационное выражение для описания данной зависимости для ДРИ (Ka.Sc) в диапазоне удельных мощностей положительного столба 50-1100 Вт/см.

2.Разработанные и апробированные инженерные методы расчетного определения тепловых режимов горелок, электрических и конструктивных параметров РЛВИ в стационарных и квазистационарных режимах эксплуатации дают возможность проводить оперативное сопоставление данных характеристик при многовариантных поисках эффективных, в том числе, более компактных РЛВИ с ртутной основой.

3.Сопоставление и анализ результатов расчетного моделирования нестационарных теплофизических процессов и данных экспериментальных исследований позволили выделить характерные стадии нестационарного процесса остывания горелки при отключении питания и повторном зажигании вариантов РЛВИ.

4.Полученные зависимости коэффициента объемной ионизации среды наполнения горелки РЛВИ с ртутной основой в диапазоне до 100 (В/(см*тор)) и модернизированная методика расчета напряжения зажигания сделали возможным проведение оценок изменения напряжения повторного зажигания ламп данного типа.

5.На основе разработанных методов экспериментальных оценок параметров . МГЛ в нестационарном режиме выявлены тенденции выравнивания распределения температурного поля горелок и яркостных хактеристик , а также возможность управления спектральными и другими характеристиками ламп при работе в специальных, в т.ч. квазистационарных режимах эксплуатации..

б.Эксперимнтальное исследование теплофизических процессов и напряжения повторного зажигания РЛВИ с ртутной основой различных типоразмеров подтвердили взаимообусловленность этих процессов и влияния на них особенностей конструктивного исполне-

ния. Констатировано удовлетворительное согласие результатов расчетных и экспериментальных исследований. Полученные результаты позволили разработать оригинальный способ определения теплового режима холодной зоны РЛВИ с ртутной основой.

7.Реализация на ЭВМ разработанных расчетных предложенных методов дало возможность оценить изменение распределения теплового поля при смещении горелки от вертикали с учетом локального перераспределения тепловых потерь ПС разряда, а также определить элективные тепловые режимы горелок в случае перехода к квазистационарным режимам эксплуатации.

8.Многовариантные расчетные исследования изменения напряжения повторного зажигания в процессе остывания, выполненные для ламп типа ДРМГ, способствовали определению связей между конструктивными параметрами лаки, условиями эксплуатации и процессом повторного зажигания.

9.Использование разработанных методов расчета при конструировании РЛВИ позволило провести сопоставление вариантов с позиций уменьшения расхода КЕарца при производстве лемп,- получить оригинальные варианты ламп с улучшенными технико-экономическими показателям!.

Сведения о внедрении и использовании результатов работы приведены в приложении 4 диссертации.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах.

1. Каплуненко О.В., Карев A.B., Литвинов B.C. Расчетная оценка конструктивных параметров металлогалсгенных ламп с помощью номограмм// Светотехника. 1983. JM. C.8-II.

2. Карев A.B., Литвинов B.C. О расчете параметров и улучшении технико-экономических показателей компактных метал-логалогенных ламп // Тезисы докладов 9 Всесоюзной научно-технической конференции по светотехнике. Рига, 3-5 октября 1987г. С.23-24.

3. Литвинов B.C., Григорян А.Н., Карев A.B., Монолов З.М. Возможности подъема КПД и световой отдачи компактных ламп высокой интенсивности // Тезисы докладов 7 международной конференции "Освещение-87". Варна, 10-12 октября 1987г. С.4.

4. Карев A.B., Литвинов B.C. К оценке эффективности работы металлогалогеншх ламп при нестандартном режиме питания // Сб.

научн. трудов. JSI34. M.: Моск. энерг. ин-т. 1937. С.139-145.

5. Андреев A.B., Карев A.B., Литвинов B.C. Режим остывания и повторное зажигание ламп, содержащих ртуть // Светотехника. 1989. MI. С.5-7.

6. Андреев A.B., Карев A.B., Литвинов B.C. Нестационарные теплофизические процессы и повторное зажигание ртутных ламп высокой интенсивности // Тезисы докладов 8 международной конференции по осветительной технике "0свещение-90". Варна, 3-6 октября IS90r. С.НО.

7. A.C. 1647694'СССР , МКИ HOU 9/44. Способ определения теплового режима холодной зоны горелки газоразрядной лампы /

B.C. Литвинов, A.B. Карев. // Открытия. Изобретения. 1991. N17.

8. Карев A.B., Литвинов B.C. Некоторые характеристики и оценка эффективности металлогалогенных ламп в режиме кратковременных перегрузок// Сб. научн. 'трудов. JÖ46. М.: Моск. энерг. ин-т. 1988. С.116-122.

9. Карев A.B., Литвинов B.C., Начев Н.Х. Расчет и оценка относительной эффективности вариантов металлогалогенных ламп // Можвуз. сб. научн. трудов. Саранск: Изд. Мордов. ун-та. 1935.

C.79-85.

10. Карев A.B. Расчетная оценка коэффициента объемной ионизации среда наполнения горелок разрядных ламп высокой интенсивности с ртутной основой при повторном зажигании. // Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции МЭИ. Москва, TQ-I2 декабря 1990г. С.69.

11. Андреев A.B., Карев A.B. Повторное зажигание ртутных источников света высокой интенсивности // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Опыт эксплуатации источников света и световых приборов"(Саранск 25-27 мая 1988г.). Ленинград, 1938г. С.28.

12. A.c. I37068I СССР, МКИ H0IJ 61/52, 61/34. Металло-галогенная лампа / B.C. Литвинов, A.B. Карев, Н.Х.Начев. // Открытия. Изобретения. 1988. JC4.

13.Карев A.B., Литвинов B.C. Инженерные методики расчета основных параметров горелок компактных лаш высокой интенсивности с ртутной основой в различных режимах эксплуатации / Передовой производственно-технический опыт. Сер. АВТ: Мекотр. реф. сб.// ВШИ, 1991. Вып. 5. С. 23-24.

' ., /iÄZ'Mi

lluiukano к hc't.lTil Л— / ? i

П,ч .1 f JТщ>иж /0О ычплзшп.

Тишьгр^яй МЭИ, KpJOUOl4Ül.-ll>MOHIK'" 13.