автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Моделирование и управление физико-химическими процессами в тепловых источниках оптического излучения

I «'> 4

На правах рукописи

ХАРИТОНОВ АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКАХ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

05.09.07. - СВЕТОТЕХНИКА И ИСТОЧНИКИ СВЕТА

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре светотехники и источников света Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева.

Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор, Почетный академик АЭН РФ Литвинов-Лунц B.C.

2. доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АЭН РФ Кокинов A.M.

3. доктор технических наук, профессор, член МЭА, заслуженный деятель науки РМ Свешников В.К.

Ведущая организация: ОАО "ЛИСМА" (г. Саранск)

Защита состоится 18 декабря 1998г., в часов в аудитории

N Г- 408 на заседании диссертационного совета Д.053.16.08 при Московском энергетическом институте (ТУ). 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14. Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (ТУ).

Автореферат разослан

1С

ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Григорьев А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность: Источники оптического излучения (ИОИ) получили чрез-$ычайно широкое распространение практически во всех сферах человеческой теятельности. Основные требования, предъявляемые к ним - высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию оптического излу-1ения, необходимые световая отдача (СО) и долговечность, эксплуатационная ¡адежность. Наиболее эффективными из тепловых источников оптического изменил (ТИОИ) являются галогенные лампы накаливания (ГЛН), которые об-мдают рядом несомненных достоинств: возможность изготовления в широком шапазоне мощностей, рабочих напряжений, и геометрических размеров, а так-ке оперативного управления интенсивностью излучения, миниатюрностью и '.д. В то же время световые и эксплуатационные параметры ГЛН, их стабиль-юсть в значительной степени зависят от условий протекания физико-омических процессов в рабочем объеме лампы. Наличие высоких температур [ тепловых полей с большим градиентом температуры, оптического излучения, шогокомпонентность газовой фазы, наличие микропримесей в наполняющем ■азе, газовыделение конструкционных материалов, предполагают многовари-итность протекания физико-химических процессов и образование в объеме 'ЛН химических соединений различной степени стабильности. Детальное опи-ание физико-химических процессов в ГЛН представляет чрезвычайно слож-[ую задачу, а прогнозирование эффективности галогенного цикла весьма проблематичным и, в то же время, весьма актуальным, т.к. именно физико-омические процессы в ГЛН определяют их эксплуатационные и светотехниче-кие характеристики. Разработка новых и совершенствование имеющихся ГЛН о многом связаны с эмпирическим подбором состава и количества галогенных обавок, вводимых в рабочий объем лампы, выбором температурного режима ¡болонки. Учитывая достаточно широкую номенклатуру и различное конструк-ивное исполнение ГЛН, дальнейший прогресс в развитии и совершенствова-[ин ламп, повышение их светотехнических и эксплуатационных параметров

пепосредственно связано с необходимостью целенаправленного управлени физико-химическими процессами, что становится возможным лишь тогда, к< гда ясны механизмы процессов и параметры, влияющие на них.

Целью работы являлись:

- разработка математической модели теплового поля, методики опред( ления средней температуры газа, установление взаимосвязи средней темпер; туры газа и тепловых потерь в ГЛН, способов регулирования средней темпер; туры газа;

- экспериментальное и расчетное исследование структуры тепловых пс лей, средней температуры газа и потерь в ГЛН при варьировании параметрам ТН, родом и давлением наполняющего газа;

- изучение переноса вольфрама и скорости испарения материала ТН пр варьировании температурой ТН, родом и давлением наполняющего газа;

- определение качественного и количественного состава десо{ бирующихся из конструктивных элементов ИОИ во внутренний объем ламп п зов;

- моделирование термодинамическим методом физико-химических прс цессов и расчетное определение парциальных давлений компонент химически соединений и суммарных парциальных давлений галогенидов и оксигалогещ дов вольфрама в объеме колбы при различных температурных режимах, давл< ниях наполняющего газа, галогенной добавки и примесных газов.

Объектами исследований являлись различные конструкции ГЛН, отл* чающиеся структурой теплового поля, удельной электрической нагрузкой, тег ловым режимом колб; модельные термодинамические системы, содержащи компоненты различных химических соединений, в том числе примесных газо; конструкционные материалы ГЛН.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные экспериментальны и расчетные исследования: структуры теплового поля и тепловых потерь в ГЛ1 с учетом средней температуры газа в лампе; процесса испарения вольфрама газовыделения конструкционных материалов (вольфрама и кварцевого стекла'

изучено поведение термодинамических систем, содержащих инертный газ, галогенные добавки и примесные химические компоненты в широком температурном интервале при вариации давления наполняющего газа, газогалогенных добавок и примесных газов в объеме лампы.

Научные результаты, выносимые на защиту.

- математическая модель теплового поля вокруг раскаленного

вольфрамового ТН;

- функции распределения температуры по радиусу в колбах цилиндрической и сферической симметрии с учетом зависимости коэффициента теплопроводности газа от температуры;

- методика определения средней температуры газа;

- аналитические выражения для распределения атомов наполняющего инертного газа и газофазных атомов вольфрама по радиусу для цилиндрической и сферической формы колб ламп;

- результаты масспектрометрических исследований газосодержания конструкционных материалов для ИОИ, в частности, кварцевых стекол и вольфрамовых ТН; выявлено влияние различных технологических процессов обработки кварцевых стекол и вольфрамовых ТН на качественный и количественный состав компонент газовыделения;

- термодинамические расчеты химических процессов в ГЛН для галогенных добавок в среде инертного газа в диапазоне температур от 293 К до 3600 К; основные закономерности температурного поведения суммарных парциальных давлений галогенидов и оксигалогенидов вольфрама в зависимости от давления, количества и состава галогенной добавки и примесных компонентов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

- Разработана математическая модель процессов теплопереноса в ТИОИ, на основании которой рассчитаны тепловые потери в газе, проведены экспериментальные измерения Рг для ГЛН разных типов. Получена хорошая корреляция экспериментальных и расчетных значений тепловых потерь для ГЛН, чю

позволяет судить о правильности предлагаемой модели теплового поля ламп и рекомендовать ее к применению при расчете и конструировании ГЛ11;

- Для расчета теплового режима ламп было использовано уравнение теплового баланса колб, учитывающее оптические характеристики материала оболочек ламп и получено хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений температуры колб ГЛН, что дает основание рекомендовать это уравнение для расчета тепловых режимов их оболочек с селективными покрытиями:

- Изучены поведение и направленность химических процессов в ГЛН на основе термодинамического моделирования систем \У-Хс-СН„Х.|.„; где X - галоген, \¥-Хе-СНлХ'тХ24_„.т (пит- числа, меньшие 4, X1, X2 - галогены). Показана определяющая роль кислорода при возрастании его парциального давления;

- Показана возможность использования термодинамического моделирования химических процессов в ГЛН на примере ламп типа АКГ 12-55-1 с добавкой тетрабромметана и разрабатываемых новых типов высокоинтенсивных ГЛН, предназначенных для использования в спецтехнике с добавками диб-ромметана.

- Разработана серия энергоэкономичных ГЛН.

Апробация работы и публикации.

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции по светотехнике (Рига, 1987 г.); 1 и 2 Всесоюзных совещаниях по материалам для источников света и светотехнических изделий (г.Саранск, 1988 и 1990 гг.); 3 Межреспубликанском совещании по материалам для источников света и светотехнических изделий (г. Саранск, 1992 г.); научно-практической конференции "Человек и Свет" (г. Саранск, 1992 г.); Международном семинаре МЭИ (Россия, Москва, 1992 г.); 1-й, 2-й и 3-й Международных конференциях по светотехнике (г. Санкт-Петербург, 1993 г., г. Суздаль, 1995 г. и г. Новгород, 1997г.); научно-технической конференции по проблемам и прикладным вопросам физики (г. Саранск, 1993 г.); Всероссийской конференции с международным участием "Свстоизлучающис системы. Эффективность и применение" (г. Саранск, 1994 г.); Международно!!

паучной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1995 г.); 9-й международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (РФХ-9) (г. Томск, 1996 г.); Международной светотехнической конференции (Болгария, 1996 г.); 4-й Всероссийской с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов, светотехнических изделий (г. Саранск, 1996 г.).

По теме диссертации опубликовано 45 работ в отечественных и зарубежных журналах и сборниках, тезисах докладов на конференциях, совещаниях, семинарах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы, приложения и актов об использовании результатов работы. Общий объем диссертации 441 стр, включающая рисунки (на 92 стр.) и 23 таблицы, список литературы содержит 325 наименований.

Содержание работы.

В первой главе - во Введении - показана актуальность работы, рассмотрена общая направленность и обоснованы объекты исследований, показана научная новизна и практическая полезность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе: "Тенденции и перспективы развития ИОИ. Светотехнические материалы, их оптические и физико-химические характеристики. Задачи работы" рассмотрены основные пути и направления совершенствования тепловых ИОИ. Показано, что их дальнейший прогресс в значительной степени зависит от понимания механизмов оптических и физико-химических процессов, протекающих в конструкционных материалах при изготовлении и эксплуатации ИОИ. Попытка повышения эффективности ТИОИ при увеличении температуры ТН за счет роста светового к.п.д. преобразования подведенной электрической энергии приводят к резкому возрастанию скорости испарения материала излучателя и сокращению их ресурса работоспособности, I [роблемл получения максимально возможных свеювой отдачи и срока службы

ТИОИ была частично решена при создании ГЛН, в которых используются химические транспортные реакции с целью организации переноса испарившихся атомов вольфрама на ТН. В качестве химических агентов, способных осуществлять транспорт атомов вольфрама от колбы на ТН оказались наиболее приемлемыми соединения галогенов, способных образовывать в области низких температур устойчивые соединения галогенидов вольфрама, диссоциирующих при высоких температурах на компоненты. Однако ГЛН оказались весьма критичны к наличию в объеме лампы примесных газов, конструкционным материалам и температурному режиму оболочки, что и определило использование тугоплавкого кварцевого стекла. Многокомпонентность газовой фазы в ГЛН, являющаяся следствием газовыделения конструкционных материалов, наличие микропримесей в наполняющем газе предполагает многовариантность протекания реакций образования химических соединений различной степени стабильности. Наличие интенсивного оптического излучения и теплового поля с большим градиентом температуры, гетерогенных процессов аккомодации энергии на раскаленном ТН, газовыделение в процессе работы ламп делает описание физико-химических процессов в ГЛН чрезвычайно сложным, а прогнозирование эффективности галогенного цикла весьма затруднительным.

Анализ отечественной и зарубежной патентной литературы показывает, что во многих случаях отсутствуют четкие представления о механизме галогенного цикла, а о влиянии примесных компонентов на протекание галогенного цикла в лампе иногда высказываются диаметрально противоположные, взаимоисключающие мнения.

Процессы тепло- и массопереноса в ТИОИ рассматривались различным!] авторами с использованием модели застойного (стационарного) слоя И.Ленгмюра. Эта модель позволяет рассчитывать параметры застойного слоя, тепловые потери в газе, перенос атомов вольфрама от нагретого ТН с учетом его темперах}ры, рода и давления наполняющего ЛИ газа. Результаты экспериментального исследования теплопереноса и скорости испарения вольфрамовых "111. приводимые ра).тичнымп шпорами, качественно сонтмдают и. хотя не-

сколько отличаются количественно, хорошо коррелируют между собой и с расчетными значениями этих параметров для ЛИ. Используя это обстоятельство и обобщив теоретические и экспериментальные материалы В.С.Литвнновым был разработан и предложен единый инженерный метод расчета ЛИ, который прошел многолетнюю апробацию во Всероссийском научно-исследовательском институте источников света (ВНИИИС), исследовательских лабораториях электроламповых предприятий России и стран СНГ и в настоящее время является основным методом расчета при разработке новых и совершенствовании имеющихся типов ЛН.

Изменение геометрии и материала оболочки, значительное уменьшение рабочего объема, увеличение давления наполнения вызывают изменение структуры теплового поля вокруг ТН, условий тепло- и массопереноса, теплового режима колб ГЛН. Рабочее давление в ГЛН может отличаться от давления наполнения более чем в пять раз. Заметим, экспериментальное изучение тепло-массопереноса проводилось ранее на ЛН при давлениях близких к атмосферно му.

На основании анализа патентной и периодической технической литературы, имеющихся теоретических и экспериментальных данных о процессах, протекающих в ГЛН, формулируются основные задачи и методы исследований.

В третьей главе "Моделирование и исследование процессов тепло- и массопереноса в тепловых источниках оптического излучения" рассмотрены особенности тепло- и массопереноса в ГЛН и связанные с ним вопросы выбора подходов и методов расчета радиального распределения температуры, средней температуры газа, рабочего давления в лампе, расчетного и экспериментального определения тепловых потерь в газе и теплового режима работы оболочек, распределения по радиусу концентрации атомов наполняющего газа и газофазных атомов вольфрама, экспериментального и расчетного определения скоро-:ти испарения вольфрамовых ТН и переноса вольфрама.

При изучении процессов тепло- и массопереноса использовались пред-:тапления И.Ленгмюра о застойном (стационарном) слое вокруг раскаленного

ТН. Принятая при этом модель распределения температуры по радиусу колбы приведена на рис. 1, где Гц, гс, гк - соответственно радиусы ТН, застойного слоя и колбы, а Тн, Тс, Тк - температуры ТН, границы застойного слоя и колбы. При 0 <г < г,, Т=Тц, при г=гс Т=ТС, при г=гк Т=ТК.

Функция распределения температуры Т^г) в пределах застойного слоя была найдена при решении уравнения Фурье в предположении, что теплопере-нос обусловлен практически атомами инертного газа с учетом зависимости коэффициента теплопроводности газа % от температуры. Для цилиндрической и сферической симметрии были получены следующие выражения профилен температуры Т^г)

Т ,« ( г ) = Т ,

1п

•1п

(1)

ТГ(г) = Тс

1 +

Т )2

■л

(2)

При условии независимости коэффициента теплопроводности газа от температуры (x(T)=const) выражения (1) и (2) принимают соответственно следующий вид:

Т

-i-"- - 1

ТД(г) = Тс 1 - -1л — , (Г)

1п -Ь- гс

тг.(г) = Тс

1 +

т т

Ч хс

г - г

г г

(2')

Для расчета тепловых потерь в ТИОИ и оценки давления газа п рабочем режиме лампы необходимо знание средней температуры наполняющего газа Т.

Г Г-Гн

Используя принятую модель распределения температуры по радиусу колбы (рис. 1), температурные профили Т|(г) и считая, что за пределами слоя Ленгмю-ра температура меняется по линейному закону получены следующие выражения Т для цилиндрической и сферической конфигураций колб.

Рис. 1. Модель распределения температуры по радиусу колбы

Т(г)

Тг

Тн V,(г)

----- I"4 1 1 1

! ¡

гн

Гс

Гк Г

Т =-

d^d^Trdr

Т„ J/2T(r)

т.

(3)

d?, , dí-d3c

Т„ Тг

+ 24 Г

(4)

Оценки Т в ЛН по формуле (4) дают величину, равную 450-500 К. Для ГЛН, отличающихся большей компактностью, средняя температура газа может достигать для ряда мощностей ламп и их конструктивных решений 18002000 К. Величина Т, рассчитанная по выражениям (3) и (4) для некоторых ти-нов ГЛН приведена в табл. 1. Отношение рабочего давления Рр к давлению наполнения Ро (Рр/Ро) для ЛН ~ 1,7, а для ГЛН - в пределах 3+6.

Для изучения теплопереноса в ГЛН проведен комплекс расчетных и экспериментальных исследований. При расчете удельных тепловых потерь Til через газ Ри использовали следующее выражение:

Т

d.=. 9'5d"

JgPATdHVCp(T+C): . (5)

\ 8 к T Cv

где ДТ = Тн - Tc, g - ускорение силы тяжести, м/с2; р - коэффициент объемного расширения газа, 1/К; р - плотность газа, кг/м3; Ср, Cv - теплоемкости газа при постоянных давлении и объеме, Дж/кгК; С - постоянная Сезерленда.

Используя принятую модель распределения температуры (рис. 1) и условие равенства градиента температур в точке r=rc gradT|(r) = gradT2(r) была разработана программа, позволяющая при варьировании различными исходными данными рассчитывать тепловые потери в газе и другие параметры (dc, Тс, Т и др.), необходимые для этой процедуры. Величины Рг, полученные нами для J1H в диапазоне мощностей от 100 до 1000 Вт имеют хорошее совпадение с величинами, рассчитанными или экспериментально полученными другими авторами- от 6 до 20 % в зависимости от мощности лампы. С целью практической проверки результатов расчета Рг для ГЛН были изготовлены лампы с разными наполняющими газами при нескольких давлениях и проводилось сравнение разности мощностей ламп с разными давлениями либо родом наполняющего газа при Т = const. В табл. 2 для некоторых типов ГЛН приведены расчетные и экспериментальные значения изменений Рг при различных давлениях наполняющего газа, хорошо согласующиеся между собой.

Для расчета теплового режима ГЛН, имеющих номинальную мощность Рл и соответствующую температуру ТН использовалось уравнение теплового баланса колб, в котором учитывались оптические характеристики кварцевой оболочки лампы и коэффициенты отражения и пропускания излучения ТН колбой.

Таблица 1.

Средняя температура и давление инертного газа в рабочем объеме ламп.

Тип лампы Т,К Ро, мм рт CT Рр, мм рт CT Pp/1'o

МАЛОГАБАРИТНЫЕ ГЛН

КГМ 12-20 770 2500 6533 2.6

КГМ 6.6-100 960 2500 7925 3.2

КГМ 27-150 970 3500 11526 3.3

КГМ 75-630 1090 1600 5946 3.7

ЛИНЕЙНЫЕ ГЛН

КГ 220-500 1360 2000 9281 4.6

КГ 220-360 1610 2000 11011 5.5

КГ 220-500 1680 2000 11463 5.7

КГ 220-1000 1720 . 2000 11724 5.9

КГ 220-2000 1720 2000 11762 5.9

Таблица 2.

Расчетные и экспериментальные значения изменений Рг(Вт) галогенных ламп накачивания при Тн = 3000 К и ксеноновом наполнении.

Расчет Эксперимент Д,% Расчет Эксперимент А,%

КГМ 12-55-1 Ро= 1650-2500 мм рт ст 0.38 | 0.35 . | 8 Ро= 2500 - 3500 мм рт ст 0.34 | 0.31 19 Ро— 1000-3500 мм рт ст 0.72 | 0.66 | 9 КГ 220-1000-3 Ро= 1000-2000 мм рт ст 5.3 | 6.5 | 18 Ро= 2000 - 3000 мм рт ст 3.6 | 4.5 120 Ро= 1000 - 3000 мм рт ст 8.8 | 11 120

Были рассмотрен!,! также варианты решения задачи теплонереноса мере? кварцев}ю оболочку плоской, шаровой и цилиндрической конфш}рации и рассчитан перепад темпераиры ДТк между внутренней '1м и внешне;! [',; поверх-

лостями колбы при ее естественном охлаждении. Результаты расчетных и экспериментальных исследований теплового режима для некоторых типов ГЛ11 приведены в табл.3. .

Таблица 3.

Расчетные (Ткр) и экспериментальные ( Гкэ) значения средней температуры колбы для некоторых типов ГЛН.

Тип лампы Ткр , К ДТкр.К Ткэ, К ДТкэ,К

Тк, Ткг Тк. ТК2

КГ 220-500 896 820 76 825 730 95

КГ 220-1000 1120 1012 108 1036 910 126

КГ 220-2000 1258 1123 135 1147 991 156

КГМ 12-100 836 782 104 840 725 ' 115

КГМ 27-150 901 808 93 900 790 110

Как показали измерения и расчеты теплового режима некоторых серийных ГЛН удельная электрическая нагрузка Рлм растет с мощностью ламп и, соответственно, возрастает и средняя температура колб (рис.2). Полученную зависимость Тк = (Рл>;1) можно использовать для оценки температуры колб разрабатываемых ГЛН.

Рис. 2. Зависимость внешней температуры колбы от удельной электрической нагрузки

Тк, К

1100

900

700

У

У Рл>Л 1

0 100 200 Вт/м

Используя полученные нами функции Т](г) были найдены профили распределения концентрации атомов инертного газа М(г)=Рр/кТ|(г),где к - постоянная Больцмана, 1,38710'23 Дж/К.

Поскольку концентрация атомов наполняющего газа много больше концентрации атомов вольфрама считалось, что перенос вольфрама в пределах застойного слоя обусловлен диффузионным движением атомов. Решение уравнения диффузии с учетом температурной зависимости коэффициента диффузии В дает следующее выражение для диффузионного потока атомов вольфрама при больших давлениях газа:

.= . кТнЛ/1 + ^/Д1~(Тс/Тн)3/2] ] ')0' 4Рраигн1п(Тн/Тс)1п(гс/г„)" >

где ]=пу„/4 - поток атомов вольфрама с нити в отсутствии газа, 1/м2 с; п - концентрация атомов вблизи поверхности ТП, 1/м3; у„. - средняя скорость атомов вольфрама, м/с; р», р, - масса атомов вольфрама и наполняющего газа, соответственно, кг; а|,2=(а»+аг)/2 (ст„ и ог -эффективные диаметры атомов вольфрама и наполняющего газа), м; ^ - поток атомов вольфрама с ТН при наличии газового наполнения, ]/м2с; ]о=по'-\ду/4 + .ь„ф, где по'-у„/4 - обратный поток атомов на 'ГН, 1/м2-с; |1„,|,=-0(<1п/(1г)г|1 - уходящий за счет диффузии от ТН поток атомов вольфрама, 1 /м2-с; п„ - концентрация атомов вольфрама на расстоянии порядка средней длины свободного пробега от ТН, 1/м3.

Сопоставление расчетных (согласно (6)) и полученных ранее Фонда отношений скоростей испарения вольфрама для различных давлений показывает их довольно хорошее согласие. Экспериментальные исследования скорости испарения вольфрамовых ТН проведенные нами на специальных модельных образцах ГЛН типа КГ 220-1000-3 и КГМ 12-55-1, как вакуумных (10"4 ГГа), так и газополных' с различными давлениями наполняющего газа (1000-3500 мм рт. ст.) без галогенных добавок дали по величине значения скорости испарения

вольфрама п^, близкие к данным Иванова, Ленгмюра, Фонда (для вакуума при ТП| = 2780 К отличие составляет не более 5%). Для вакуумных и газополных образцов нами получены линейные зависимости 1п(тг)=Г( 1/Т), что свидетельствует о экспоненциальной зависимости скорости испарения атомов волыЬрама от температуры. Энергия активации процесса испарения вольфрама, полученная нами (11.2+1 эВ), хорошо согласуется с теоретическими оценками )нер[ ни связи атомов вольфрама, проведенными Джексоном. Специальные исследования показали, что скорость испарения вольфрамовых ТН в начальный период работы в 1,2 раза превышает среднюю скорость испарения ТП ламп, работавших до полного перегорания ТН. Этот факт косвенно подтверждает механизм испарения материала по модели "терраса-излом-пар".

В четвертой главе "Исследование газовыделения из конструкционных материалов тепловых источников оптического излучения" описаны исполыуе-мые экспериментальные установки и методики для определения газовыделения из конструкционных материалов, приведены результаты масспекфомефнче-ских измерений качественного и количественного состава I а мвыделения кварцевых оболочек и вольфрамовых ТН в широком температурном диапазоне. Эти данные необходимы при моделировании физико-химических процессов, протекающих в объеме лампы в рабочем режиме эксплуатации, так как наличие примесных атомов может дестабилизировать протекание галогенного цикла и существенно повлиять на срок службы ламп.

Для изучения газовыделения использовались вакуумные сиечемы ш нержавеющей стали, обеспечивающие высокий вакуум в сочетании с бе,'масленной откачкой магниторазрядными насосами, масспектрометры и сп .-п.чальные приставки, позволяющие проводить измерения от комнатной темперзтуры до 1200 К для кварца и до 2300 К для вольфрама. Для расчета общего коли кчтва газа,выделившегося в процессе нагрева образца, использовались методы постоянного объема и постоянного количества газа. Пронормировав общее количество газа на единицу, суммируя величины пиков компонентов, находили их парциальный состав.

Используя указанные методики были проведены исследования по газовыделению из кварцевых труб диаметром 10,75 мм и 16 мм, наиболее часто применяемые для изготовления оболочек ГЛН, изготовленных по роторной и тигельной технологиям, прошедших различные технологические операции. В табл. 4 приведены результаты масспектрометрического исследования газовыделения кварцевых труб диаметром 10,75 мм, изготовленных по тигельной технологии. Основными компонентами в исходных образцах после их получения по той или иной технологии являются вода (27-46%), двуокись углекислого газа и азота (34-48 %), двуокись углерода (8-14 %), водород (11-13 %). Образцы, полученные по роторной технологии, имеют повышенное относительно тигель ной содержание воды. Сравнительный анализ образцов кварцевого стекла, не прошедших и прошедших химическую обработку, мойку и травлени» в плавиковой кислоте показал, что после мойки в ОТ удельное газосодержание обычно снижается, что связано с .уменьшением площади активной поверхности образцов за счет стравливания шероховатостей, неровностей, всевозможных загрязнений и кварцевой пыли. Промывка внутренней поверхности лампы после за-шта.мповкл потоком чистого, сухого азота снижает удельное газовыделение на 1-2 порядка. Газовыделенис снижается также при мойке кварцевых оболочек в ультразвуковой ванне, но при этом возрастает процентное содержание воды,

Газосодержание вольфрамовых ТН также как и кварца после каждой технологической обработки, снижается (табл.5), как в целом, так и по компонентам, основными из которых являются углекислый газ и азот (40-70 %) и водород (15-35 %). Удельное газовыделение из вольфрамового ТН значительно меньше, чем у кварцевого стекла.

Тем не менее общее газовыделение из внутренних элементов ГЛН достигает 1 мл и 0,1 мл на 100 г кварцевого стекла или вольфрамового ТН соответственно. Количество выделяющегося газа для каждого конкретного типа ГЛН зависит от геометрических размеров конструкционных элементов и от качества их технологических обработок. Расчетные оценки показывают, что парциальное давление дссорбнрованных в объем лампы газов может быть соизмеримым

Таблица 4.

Газовыделение кварцевых труб диаметром 10,76 мм(толщинка стснки 1,6 мм), изготовленных по тигельной технологии

N п/п Наименование обработок кварцевых трубок 11роцемгнос содержание, Ч Ь Количество выделившеюся I аза

СО СОЖ НО 11 О 84** 104*'

1 Исходная 13,8 47,8 26,9 11,3 0,2 0,3 0,000446

2 После мойки в плави- 9,6 37,6 34,3 13,8 0,1 2,4 1,5 0,25 0,00036

ковой кислоте

3 Шненгелевание без 10,5 43,2 30,8 13.7 0,1 0,8 0,3 0,4 0.000711

обработки(сразу с

кварцедувного стола)

4 После травления в 11,9 45,1 19,8 8,4 0,1 5,5 8,5 0,53 0,000735

плавиковой кислоте

5 Отжиг на конвейере 8,9 ' 38,1 37,6 15,4 0,3 1,0 1,0 0,0016

6 Заготовка кварцевой 11,4 45,6 39,8 3,2 0,000021

лампы заштампован- мл/см

ная*

* Газовыделение с внутренней поверхности кварцевых труб.

** Указаны молекулярные массы, соответствующие, по-видимому, соединениям 51Г и 5|Г .

Таблица 5.

Газовыделение из вольфрамового тела накала лампы типа КГМ 220-800, обработанного ультразвуком.

N Процентное содержание, % Количество

Наименование обработок выделивше-

СО СО+Ы НО Н НО 52 78 84 гося газа, 0. МЛ 100 г

1 Спираль не обработанная 2,0 41,1 24,6 32,0 0,1 0.2 0.37

2 Спираль, обработанная ультразвуком 0,79 51,0 16,19 31,88 0,08 0,06 0,25

3 Спираль отпрепарированная 1,37 49,68 11,28 37,43 0,166 0,06 0,008 0,036 0.2

4 Спираль после заштамповки 2.15 55,1 11,67 30,79 0,211 0,05 0.05 0.18

5 Спираль не препарированная (не стоженная) 2,23 55,79 11,35 30,23 0,34 0,05 0,01 0,15

б Спираль отоженная в вакууме при подаче 70% напряжения от номинального 3,69 72,5 8,62 14,73 0,35 0,11 0,085

7 Спираль из негоревшей лампы 2,8 73,35 8,56 15,28 0,01 0,08

8 Спираль из лампы прогоревшей 1час 1.6 79,6 6.1 12,64 0,06 0,05

с парциальным давлением галогенном добавки. Поэтому термодинамические расчеты поведения систем "вольфрам - инертный газ - гаюгенная добавка -примесная компонента" проводились при отношении "галогенная добавка -примесные компоненты" больше и меньше единицы.

В пятой главе "Влияние химических превращений в галогенных лампах накаливания с моногалогенметанами на перенос вольфрама" приведена методология расчета химических процессов в сложных многокомпонентных системах, описываемых величинами давления, удельного объема, температурой, полной внутренней энергией, полной энтальпией и полной энтропией. При этом считалось, что температура ТН и колбы оставалась постоянной по длине, давление инертного газа достаточно велико, а парциальные давления компонентов остаточного газа и галогенной добавки значительно ниже и предполагалось, что в каждой точке физического пространства устанавливается локальное термодинамическое равновесие. Данная методика расчета позволяет получать количественные соотношения образующихся при заданных условиях веществ Для проведения расчетов парциальных давлений компонентов в объеме лампы в диапазоне температур от комнатных до 3600 К использовалась программа "Астра - 3". На основании полученных результатов расчетов проведен термодинамический анализ химических процессов, протекающих в объеме ГЛН при наличии испарившегося с ТН вольфрама и использовании галогенных добавок состава СН„Х4_„, где X - галоген (йод, бром, хлор, фтор) (п = 0-4).

Изучение поведения систем \\'-Хе-СН„Х4.п показало, что в температурном поле ГЛН образуется большое число различных компонентов, состав и парциальное давление которых существенно зависит от температуры. На рис. 3 приведена рассчитанная зависимость парциальных давлений компонентов от температуры в системе \\'-.\'е-П ЬВг;. При комнатной температуре в реакционной системе имсося гексаоромид вольфрама \\ Вт,„ водород 1Ь и бро-моводород НВт с приблизительно одинаковыми парциальными давлениями.

Рис. 3. Зависимость парциальных давлений компонентов от температуры в системе \V-Xe-CHrBr2 при соотношении [ХсСН^Вь] = 2000:2 и давлении Хе Р = 14 атм.

Эю обьясняется тем, что бромистый метилен СН^Вгт уже при комнатной температуре способен диссоциировать с образованием углерода, водорода п брома. Последний всппаег в реакцию с вольфрамом с образованием гексаб-ромида вольфрама. В области температур 298-1000 К происходит реакция превращения гексабромида в тетрабромид вольфрама (\УВг6 —> \УВг4 + Вг2).

В интервале температур 1000-2500 К тетрабромид вольфрама постепенно разлагается и выше 2500 К наблюдается образование монобромида вольфрама и газообразного вольфрама:

2\\ Вг, 2\УВг + ЗВг2 , \VBrj -> V/ + 2Вгг.

Парциальное давление бромоводорода начинает уменьшаться при Т=2000 К. а давление атомарных водорода и брома увеличивается: 2НВг ->Н: + Вг:, 1Ь —> 211, Вг2->2Вг.

Углерод при 298 К находится в конденсированном состоянии, а затем превращается в твердый карбид вольфрама, существующий в области температур 500-3500 К. При Т=2000 К происходит образование различных углеводоро-досодержащих частиц (СП, С2Н, СН2, С2Н2) и газообразного углерода в атомар-. ном и молекулярном состоянии (С1-С5). Выше 3000-К углеводородосодержа-щие частицы диссоциируют с образованием газообразного углерода и водорода. Изменение соотношения галогенной добавки и инертного газа или атомов галогена в соединении влияет на величину парциальных давлений газофазных компонентов (состав конденсированной фазы остается тем же), изменяются также суммарные парциальные давления гатогенидов вольфрама (рис. 4). Для системы \\'-Хе-СН2Вг2 1Р\у=Г(Т) имеет минимум при Т=2500 К, причем при низких температурах РЛ' значительно превышает их парциальное давление при высоких, что позволяет надежно реализовывать галогенный цикл при указанных условиях.

При использовании СН2Вг2 перенос вольфрама возможен вплоть до Т=3600 К. Для системы \V-Xe-CHBr3 .перенос бромидов вольфрама со стенок колбы на ТН за счет концентрационной диффузии возможен в том случае,

Рис. 4. Зависимость суммарного парциального давления бромидов вольфрама от температуры в системе \У-Хе-СН:Вг;> при соотношении [Хе]:[СН:Вь] равном: 1 - 2000:1; 2 - 2000:2; 3 - 2000:4 и давлении Хе, Р=14 атм.

когда температура ТН не превышает 3000-3200 К, т.к. для этой системы в высокотемпературной области значительно возрастает 1РЛ. Во фторных системах, также как и в бромных, в области низких температур образуются высшие гапо-гениды вольфрама с последующим их разложением на более простые соединения при повышении температуры, для хлорных - дихлорид вольфрама \УСЬ появляется в газовой фазе при Т=1000 К (до 1000 К находится в конденсированном состоянии) и существует до 3600 К, для йодных - высшие йоднды вольфрама при низких Т отсутствуют для С1ЬЬ и СН1з. Суммарное парциальное давление йодидов вольфрама - при Т>2500 К быстро растет с температурой, что делает проблематичным использовании соединений типа СН„1.|.П для организации йодного цикла. Кривая= ДТ) для СНзИ имеет минимум в области температур 1500-2000 К. С увеличением содержания галогенной добавки минимум скшовится более глубоким. При переходе от системы с СН3Р к системе ОЬРЧ минимум становится более пологим и, наконец, для системы с СНГ? кривая

практически не изменяется с температурой. Поэтому при использовании фторных галогенных лобавок целесообразно использовать соединения с малым количеством атомов фтора в молекуле.

Шестая глава "Влияние химических превращений в галогенных лампах накаливания с полпгалогенметанамн и примесными компонентами на перенос вольфрама" посвящена изучению поведения систем "вольфрам - ксенон -галогенная добавка", когда в качестве последней используются соединения., имеющие в своем составе более одного вида галогенов и изучено влияние примесных элементов на состав и парциальное давление галогенидон и оксигалогенидов в объеме ГЛН.

При использовании галогенных добавок сложного состава, когда в соединении имеются атомы водорода, хлора, брома, иода и фтора в различной комбинации в объеме лампы значительно увеличивается количество компонентов. При этом основные закономерности образования компонентов галогенидов вольфрама сохраняются, но превалирующее значение приобретают соединения с большим парциальным давлением. На рис.5 приведены температурные зависимости о• >ования компонентов галогенидов вольфрама для некоторых полигалогенных добавок.

Как показывает анализ, поведение кривых = Г(Т) зависит от соотношения "инертный газ - галогенная добавка", числа атомов водорода и галогенов в соединении. Таким образом изменяя состав и число атомов галогена в соединении можно управлять поведением кривой £Р\\- = Г(Т). Так, например, замена диброммегана на дибромхлорметан с дополнительным введением водорода приводит, как показали испытания ГЛН типа КГМ 24-70, к увеличению срока службы более, чем на пятьдесят процентов.

Введение в изучаемые легемы кислорода приводит к появлению в объеме лампы наряду с галогенидами оксидов и оксигалогенидов вольфрама. Суммарные парциальные давления галогенидов и оксигалогенидов зависят также как и в случае с моногачогенными добавками от соотношения "инертный газ -

Рнс. 5. Зависимость суммарного парциального давления галогенидов вольфрама ог температуры в системах \V-Xe-Hai при соотношении [Хе]:[На1] = 2000:9 и давлении Хе; Р-14 атм: 1 - СП'С1:; 2 - С1Ш-\; 3 - СНС1П; 4 - СЬС12; 5 - С11С1Ь; 6 - С1ЬСИ; 7 - С1ЬКС1; 8 - С1Ш.

галоимшая добавка", числа ломов водорода и галогенов в соединении, а также п от соотношения "галогенная добавка - кислород". При соотношениях "галогенная добавка - кислород" больше единицы кривые XI\v = f(T) практически не изменяются. Однако, с уменьшением этого отношения при температурах 16003000 К образуются во »со большем количестве оксиды вольфрама. Эго приводит к уменьшению градиента концентрации галогенидов и оксигалогенидов вольфрама по направлению к ТН и, в конечном итоге, например, для бромных систем, может привести к невозможности реализации галогенного цикла. При небольших концентрациях кислорода происходит его полное связывание углеродом с образованием СО и COi (углерод является хорошим геттером кислорода) и водородом с образованием воды. Избыток кислорода вызывает дополнительное разрушение TI 1 за счет образования оксида вольфрама. Для фторных и хлорных систем влияние относительного количества кислорода на поведение = f(T) оказывается в меньшей степени, чем для бромных, но при уменьшении соотношения "галогенная добавка - кислород" SPW возрастает (рис.6) за счет образования оксидов вольфрама.

Н; :чие в системах углерода, являющегося геттером кислорода приводит к образованию в высокотемпературной области оксида углерода СО, способного при определенных условиях взаимодействовать с металлическим вольфрамом с образованием карбида WC и полукарбида W2C вольфрама, причем термодинамическая вероятность образования полукарбида \V2C вольфрама в конденсированной фазе резко возрастает с ростом температуры. При концентрации углерода в объеме лампы порядка 109 см"3 и коэффициенте прилипания атомов газовой фазы при соу дарении с твердым телом равном единице, поверхностная концентрация атомов углерода на ТН оценивается величиной порядка 1014 см":. Высокая температура ТН способствует достаточно интенсивному образованию на ТН полукарбида вольфрама (карбидизация ТН) и увеличению скорости испарения материала.

вольфрама от темтературы в системе W-Xe-CHjF:02 при соотношении [Xe]:[CH3F] и давлении Хе; Р=14 атм: 1 - [CH3F]:[02]=100:1h-1:1; 2 - [CH3F]:[02]=1:2; 3 - [CH3F]:[02]=1:5.

Основные результаты и выводы.

В заключении подводятся итоги и обобщаются основные результаты ра боты. Прогресс в области электрических ИОИ в значительной степени определяется пониманием механизмов оптических и физико-химических процессов в конструкционных материалах при изготовлении и эксплуатации ПОП. На характеристики ТИОИ в наибольшей степени влияют процессы тепло- и массопе-реноса. Поэтому рассмотрены модельные представления и подходы различных

- п -

авторов для расчета тепло- и массопереноса в ТИОИ. Они базируются на модели застойного слоя И.Ленгмюра.

Выполненный комплекс экспериментально - теоретических и расчетных исследований процессов, протекающих в ТИОИ, в частности, в ГЛН позволяет сформулировать основные результаты работы и выводы в следующем виде.

1. Разработана математическая модель теплового поля в объеме ТИОИ, получены аналитические выражения функций распределения температуры по радиусу колбы цилиндрической и сферической симметрии с учетом температурной зависимости коэффициента теплопроводности наполняющего газа. Предложена и апробирована методика определения средней температуры газа Г в рабочем режиме лампы. Средняя температура газа в ЛИ, рассчитанная по данной методике составляет 450 - 500 К. Для ГЛН величина Т может достигать до 2000 К, а рабочее давление в превышать первоначальное более чем в шесть раз.

2. Разработана методика расчета и получено аналитическое выражение для диффузионного потока атомов вольфрама с раскаленного ТН ламп при наличии газового наполнения с учетом температурной зависимости коэффициента диффузии в среде инертного газа. Результаты расчета скорости испарения по данной методике хорошо коррелируют с экспериментально полученными данными.

3. Разработано программное обеспечение для расчета тепловых потерь в газе с учетом функции распределения температуры по радиусу колбы и средней температуры газа. Для ГЛН различных конструктивных исполнений и мощностей расчетные значения Рг составляют от 2 до 12 процентов, что подтверждено нами экспериментально. Рг снижаются при увеличении средней температуры газа. Для ГЛН типа КГ 220-1000 увеличение Т за счет уменьшения стандартного диаметра колбы (с 11 до 8 мм) позволило минимизировать Рг и повысить световую отдачу ламп с 22 до 25 лм/Вт при том же сроке службы (2000 ч) или получить при световой отдаче 22 лм/Вт вдвое больший срок службы.

4. Для исследования теплового режима колб использовано нелинейное уравнение теплового баланса колбы, учитывающее оптические характеристик!' кварцевой оболочки лампы (коэффициенты отражения и пропускания колбы), и рафаботано программное обеспечение. Рассчитанные по этому уравнении температуры колб некоторых серийных ГЛН отличаются от экспериментально измеренных нами значений не более, чем на 10 процентов.

5. Проведены экспериментальные исследования массопереноса в ГЛН т-примере специально изготовленных образцов ламп в вакуумном и газополном вариантах без галогенной добавки. Обнаружено, что в начальный период рабо ты ламп скорость испарения вольфрама приблизительно на 20 процентов больше, чем средняя скорость испарения за все время работы. Этот факт косвенно подтверждает механизм испарения материала по модели "терраса - излом -пар". Энергия активации процесса испарения атомов вольфрама, найденная из графической зависимости 1п(шТ|)=Г(1/Т), составляет 11.2 1 1 эВ. Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании количества галогенной добавки, достаточной для организации галогенного цикла.

6. Проведены масспектрометрические измерения газовыделения из кварцевых оболочек (до 1200 К) и вольфрамовых тел накала (до 2300 К) методами постоянного объема и постоянного количества газов. Идентификация состава выделившегося газа показала, что основными ^компонентами являются углекислый газ, азот, вода, водород, кислород и некоторые другие соединения с большой молекулярной массой.

7. Газосодержание кварцевых труб зависит от способа их получения. Кварцевые трубы, полученные по роторной технологии, имеют более высокое, гаюсодержание по сравнению с трубами, изготовленными по тигельной технологии. При роторной технологии в составе выделившихся газов увеличивается (почти вдвое) содержание воды и несколько уменьшается содержание углекислого ппа. окиси углерода и азота. Удельное газовыделение из вольфрамового телн накала чначн к'лыю меньше, чем у кварцевого стекла оболочки лампы.

Все применяемые при исследовании обработки в течении техпроцесса снижают общее количество сорбированных газов. Наиболее эффективной с точки зрения обезгаживания является термообработка в вакууме, снижающая газовыделение в несколько раз. Однако наиболее предпочтительной является обработка спирали ультразвуком, снижающая содержание микропримесей тяжелых углеводородов.

8. Проведено термодинамическое изучение поведения систем "вольфрам - инертный газ - галогенная добавка" (в качестве последней использовались бром, бромистый метил СН3Вг, бромистый метилен СН;Вг>, трибромметан СНВгз) в температурном диапазоне от 298 до 3600 К при различных соотношениях давления инертного газа и галогенной добавки. Состав галогенной добавки в бромных системах значительно влияет на зависимости парциальных давлений компонентов от температуры. Введение в состав галогенного соединения (системы \V-Xe-Br) водорода и увеличение его доли сужает область существования высших бромидов вольфрама и в результате этого происходит снижение суммарного парциального давления бромидов вольфрама в низкотемпературной облас и. Вследствие этого минимум парциальных давлений бромидов вольфрама оказывается более глубоким в случае бромистого метилена и процесс переноса вольфрама со стенок колбы на тело накала за счет концентрационной диффузии возможен в том случае, если температура ТН не превышает 3000-3200 К при введении бромистого метила и до 3600 К - при введении бромистого метилена. Увеличение давления наполняющего газа при постоянном соотношении "инертный газ - галогенная добавка" или увеличении доли галогенной добавки (уменьшение соотношения "инертный газ - галогенная добавка") вызывает увеличение суммарного парциального давления галогенидов вольфрама во всем температурном диапазоне (298-3600 К). Это позволяет использовать указанные галогенные добавки в широком диапазоне давлений наполняющего газа.

9. Изучен состав газовой и конденсированных фаз и температурное поведение парциальных давлений комнопеш в ГЛП при пеполь¡ованин в качестве

галогенной добавки галогенметанов с различным содержанием атомов га.'киепа и водорода. Выявлены общие закономерности образования компонент в низкотемпературной и высокотемпературной областях. При повышении доли галогенной добавки или же при увеличении числа атомов галогена в молекуле галс генметана в низкотемпературной области увеличивается вероятность образования высших галогенпдов вольфрама, а в высокотемпературной - низших гаю-генидов вольфрама.

Увеличение числа атомов галогена (йода, брома, хлора, фтора) при постоянном соотношении инертного газа и галогенной добавки вызывает некоторое увеличение суммарного парциального давления галогенидов вольфрама. Особенно ярко это проявляется для фторидметанов. При изменении состава галогенной добавки (СНзР-СЬЬРз-СНРз) уменьшается глубина минимума и его положение смещается в сторону более высоких температур. Для СНР3 (при соотношении "инертный газ : галогенная добавка = 2000:9) суммарное парциальное давление фторидов вольфрама остается практически постоянным в исследованном диапазоне температур (298-3600 К). В этом случае перенос вольфрама в высокотемпературную зону осуществить невозможно, поскольку отсутствует градиент концентрации фторидов вольфрама от стенки к ТН.

10. При использовании в качестве галогенной добавки полигало-генметанов, т. е. соединений, имеющих в своем составе атомы водорода, йода, брома, хлора, фтора в различной комбинации в объеме лампы значительно увеличивается количество компонент. Однако основные закономерности образования компонент галогенидов вольфрама сохраняются, но превалирующее значение приобретают соединения с большим при данной температуре парциальным давлением.

11. При наличии в исследуемой системе кроме инертного газа, вольфрама и галогенной добавки дополнительно кислорода образуется большое количество оксидов, оксигалогенндов вольфрама, окись и двуокись углерода, карбиды вольфрама. При небольшом содержании кислорода (как правило при со-

отношенни кислород : бромная галогенная добавка < 1) его присутствие в бромных системах существенно не изменяет форму кривой температурного поведения суммарного парциального давления соединений вольфрама. При значительном содержании кислорода (указанное соотношение много больше единицы) кривая суммарного парциального давления соединений вольфрама от темпера!уры "инверсирует" и приобретает форму кривой с максимумом, что делает невозможным реализацию галогенного цикла. При промежуточных значениях соо) ношения "кислород : бромная галогенная добавка" минимум кривых XI\\ = f(T) смещается в сторону больших температур, а значения суммарных парциальных давлений соединений увеличиваются за счет образования оксидов вольфрама г. области 1600 К и выше.

Для фюрных галогенных добавок влияние кислорода на зависимость суммарного парциального давления фторидов вольфрама от температуры сказывается в меньшей степени, чем для бромных систем. Это вызвано большей реакционной способностью фтора по отношению к кислороду по сравнению с бромом.

12. , .ведение кислорода вместе с полигалогенсодержащими добавками (СТВт;, Cf^ClBr) приводит к образованию большого количества газообразных продуктов. С увеличением относительного количества кислорода происходит уменьшение числа соединений фтора с углеродом и образование оксидов и фюридов вольфрама различного состава. Влияние кислорода проявляется в появлении оксибромидов вольфрама (наибольшее парциальное давление имеет диоксид дибромида вольфрама \\'0:Вь). Только при избытке кислорода появляется оксифторид вольфрама \VOF4, наличие которого не оказывает существенного влияния на общее парциальное давление гапогенидов вольфрама. Кривая IT\\ =f(T) имеет максимум п области ~900 К и при Т < 900 К возможен перенос вольфрама к стенке колбы, а при Т > 900 К в высокотемпературную зону к iei> накала Таким обраюм, при конструировании ГЛ11 с использованием в качестве гадшенныч добавок указанных полигалогенсодержащих соединений

-32«

необходимо обеспечить такой тепловой режим лампы, чтобы температура внутренней поверхности колбы была не ниже 900 К.

13. Термодинамическое рассмотрение процессов взаимодействия газофазного углерода в области лампы с раскаленным вольфрамовым телом накала показало возможность образования на его поверхности полукарбида вольфрама при температуре более 1000 К. Попадание паров масла при техпроцессе изготовления ТИОИ в количествах ~ 10"" г (давление остаточных паров масла ~ 1,3 10 " IIa (Ю-8 мм рт.ст.)) может приводить к карбидизации ТН в процессе работы ламп, что повышает хрупкость вольфрамовых нитей и уменьшает их механическую прочность.

14. Результаты экспериментального и теоретического исследования тепло- Ii массопереноса в ГЛН, программы для расчета характеристик теплового поля ГЛН, а также результаты расчетов парциальных давлений копонентов химических соединений в объеме лампы, полученных при термодинамическом моделировании, были использованы при разработке унифицированной серии ламп-фар с кварцевой галогенной горелкой мощностью 60, 250, 600 и 1000 Вт при разработке конструкции серий маломощных (50-150 Вт) и знергоэконо-мичных линейных ГЛН.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Мальков М.А., Харитонов A.B. Расчет переноса вольфрама в галогенных лампах накаливания. //Светотехника, 1990. N 2, с.4-8.

2. Харитонов A.B. Определение средней температуры газа в тепловых источниках оптического излучения. //Проблемы и прикладные вопросы физики: Тез. докл. научн.-техн. конференции. Морд, гос.пед.инст-т. -Саранск, 1993.-С. 25.

3. Байнева И.И., Харитонов A.B. Моделирование о расчет теплового поля в линейных галогенных лампах накаливания. //Вестник Мордовского университета. - 1995.-N1.-С. 74-77.

4. Скопина Г.А., Харитонов A.B., Щенников В.Н. К расчету тепловых потерь в тепловых источниках света. // Материалы для источников света и светотехнических изделий.: Тез. и сообщ. 2 Всес. сов. / Морд. гос. ун-т. -Саранск, 1990.-с.46.

5. Сутько О.В., Харитонов A.B. О влиянии средней температуры газа на эффективность работы галогенных ламп накаливания.//Светотехника: Тез. и сообщ. международного семинара МЭИ. / Моск. энерг. ин-т. М., 1992. - С.56.

6. Коптев Л.В., Салкин A.B., Сутько О.В., Харитонов A.B. Средняя температура газа, тепловые потери и световая отдача линейных ГЛН. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 3 Межреспубликанского совещания. / Морд. гос. ун-т. Саранск, 1992. - с.48-49.

7. Волков В.И., Сутько A.B., Харитонов A.B. Расчетные и экспериментальные исследования тепловых потерь в газе в низковольтных галогенных лампах накаливания типа КГМ.// Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 3 Межреспубликанского сов. / Морд, гос. ун-т, Саранск, 1992. - С. 46-47.

8. Коптев Л.В., Сутько О.В., Харитонов A.B. О возможности повышения эффективности линейных галогенных ламп накаливания. // Труды междунар. светотех. конф. / Светотехническое общество. Санкт-Петербург, 1993. - С. 21.

9. Байнева И.И., Харитонов A.B., Волков В.И., Тепловой режим колб и его влияние на регенеративный цикл в галогенных лампах накаливания. // Прикладные вопросы физики. Техника эксперимента: Сб. науч. тр. / Морд. гос. пед. ин-т., Саранск, 1996. - С. 38-46.

10. Байнева И.И., Харитонов A.B. Об управлении процессом теп-лопереносса в галогенных лампах накаливания. // Методы и средства управления технологическими процессами: Тез. докл. междунар. науч. конф. Морд. гос. ун-т., Саранск, 1995. - С.20.

11. Живечкова Л.А., Пиняскин В.В., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамические исследования реакций в галогенных лампах накаливания.

-34// Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 2 Всесоюз. сов. / Морд. гос. ун-т. Саранск, 1990. - С. 39.

12. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамика галогенных циклов в лампах накаливания. Химические реакции в лампах с добавкой броморганических соединений. //Светотехника, 1992. - N12. - С. 3-6.

13. В до вин Н.С., Харитонов В. А. Влияние почернения смотровых окон температурных ленточных ламп на стабильность тела накала. // Осветление' 96. Тез. междунар. конф. / Болгария, Варна. 1996. - С. 59-60.

14. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Влияние исходного полного давления газовых компонентов на устойчивость галогенного цикла в лампах накаливания. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 3 Межреспубликанского совещания. / Морд. гос. ун-т. Саранск, 1992. - С.49-50.

15. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Сутько О.В., Харитонов A.B. Влияние примесей газовой смеси на устойчивость галогенного цикла в лампах накаливания. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез, и сообщ. 3 Межреспуб. сов. Морд. гос. ун-т. Саранск, 1992. - С. 50-51.

16. Токарев А.Т., Харитонов A.B. Газовыделение из кварцевого стекла, Деп. ВИНИТИ, per. N4241-В91, 1991. - 18 с.

17. Токарев А.Т., Харитонов A.B. Газовыделение вольфрамового тела накала в тепловых источниках оптического излучения. Деп. ВИНИТИ, per.N565-B92, 1992,- Юс.

18. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамика галогенных циклов в лампах накаливания. Химические реакции в лампах с добавкой броморганических соединений. //Светотехника. - 1992. - N12. - С. 3-6.

19. Живечкова Л.А., Пиняскин В.В., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамическое исследование реакций в галогенных лампах накаливания. Тез. докл. 2-го Всесоюз. сов. Материалы для источников света и светотехнических изделий. Морд. гос. ун-т. - Саранск, 1990. - С. 39.

-3520. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов А.13. Термодинамика галогенных циклов в лампах накаливания. //Светотехника. - 1994. - N 10-11,-С.26-28.

Живечкова Л,А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамика галогенных циклов в лампах накаливания. // Light & Engin. Vol.2. - N4. - 1994. -P.25-29.

21. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Влияние исходного полного давления газовых компонентов на устойчивость галогенного цикла в лампах накаливания. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 3 Межреспубл. совещания. / Морд. гос. ун-т. - Саранск. 1992. - С.49-50.

22. Живечкова Л.А., Соловьева Е.И., Томилин О.Б., Байнева И.И., Харитонов A.B. Влияние природы галогена на эффективность транспортных реакций в галогенных лампах накаливания. // Светоизлучающие системы. Эффективность и применение. Тез. докл. I Всерос. науч. - техн. конф. с междунар. участием. / Саранск, Изд-во Морд. гос. ун-т., 1994. - С.13.

23 Кивечкова Л.А., Соловьева Е.И., Томилин О.Б., Байнева И.И., Харитонов A.B. Исследование круговых химических транспортных реакций в галогенных лампах накаливания. // Тез. докл. II Междунор. светотехн. конф. / Суздаль, 1995. - С.55-56.

24. Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамика регенеративных циклов в галогенных лампах накаливания. // Светотехника. -1995. -N3. - С. 7-10.

Живечкова Л.А., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Термодинамика регенеративных циклов в галогенных лампах накаливания. // Light & Engin. - Vol.3. -N1,- 1995. - Р.73-79.

25. Галогенная лампа накаливания: A.C. 1702455 СССР, МКИ H 01 К 1/50 / Харитонов A.B., Алексеев Г.А., Васин В.А., Шишкин В.Н.; Морд. ун-т. -N 4747347; Заявл. 09.10.89, Опубл. 30.12.91. Бюл. N48.

-3626. Галогенная лампа накаливания: A.C. СССР, МКИ Н01К 1/50 / Харитонов A.B., Алексеев Г.А., Кузьмина В.А.; Морд. ун-т. -Заявка. N 4909978/07 от 12.02.92, Приоритет изобретения 4.01.92. Зарегистрировано 21.01.92.

27. Галогенная лампа накаливания: A.C. СССР, МКИ 3 H 01 К 1/50 / Харитонов A.B., Алексеев Г.А., Кузьмина В.А.; Морд. ун-т. -Заявка. N 4847182/07 от 05.07.90, Приоритет изобретения 22.06.91. Зарегистрировано 22.07.91.

28. Соловьева Е.И., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Влияние соединений углерода на физико-химические процессы в тепловых источниках света. //Светотехника, - 1994,-N4.-С. 10-13.

Соловьева Е.И., Томилин О.Б., Харитонов A.B. Влияние соединений углерода на физико-химические процессы в тепловых источниках света// Light & Engin. - Vol.2. - N2. - 1994. - Р.6-9.

29. Кузьмина В.А., Харитонов A.B. Проекционные галогенные лампы накаливания. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 2 Всесоюз. совещ. / Морд. гос. ун-т. Саранск , 1990. - С.48.

30. Алексеев Г.А., Кузьмина В.А., Харитонов A.B. Проекционные галогенные лампы накаливания с повышенной габаритной яркостью // Светотехника: Тез. и сообщ. междунар. семинара МЭИ. / Моск. энерг. ин-т.- М. 1992. -С.56.

31. Харитонов А.В Оптические и физико-химические процессы в источниках оптического излучения. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 3 Межреспубл. совещ. / Морд. гос. ун-т. -Саранск, 1992.-С.47.

32. Алексеев Г.А., Кузьмина В.А., Харитонов A.B. Особенности конструирования проекционных галогенных ламп накаливания с повышенной габаритной яркостью. // Материалы для источников света и светотехнических изделий: Тез. и сообщ. 3 Межреспубл. совещ. / Морд. гос. ун-т. - Саранск, 1992. - С. 47.

33. Алексеев Г.А., Кузьмина В.А., Харитонов A.B. Проекционная галогенная лампа накаливания // Светотехника. - 1990. - N5. - С. 16-17.

34. Алексеев Г.А., Кузьмина В.А., Харитонов A.B. Проекционные галогенные лампы накаливания- с улучшенными эксплуатационными характеристиками. // Труды 1 Междунар. светотех. конф. / Светотехн. общество. -Санкт-Петербург, 1993. С. 21.

35. Байнева И.И., Харитонов A.B. Моделирование и расчет теплового поля в линейных галогенных лампах накаливания // 22 Огаревские чтения : Тез. докл. науч. конф. 1993. / Морд. гос. ун-т. Саранск, 1992. - С.183.

36. Давыдова JI.A., Коптев JI.B., Харитонов A.B. О повышении эффективности линейных галогенных лампах накаливания // Светоизлучающие системы. Эффективность и применение: Тез. докл. 1 Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Изд-во Морд. гос. ун-т. Саранск, 1994. - С.12.

37. Мордюк B.C., Карьгин И.П., Байнева И.И., Харитонов A.B. Элек-тронномикроскопическое исследование внешнего массопереноса в галогенных лампах накаливания. // Осветление-96: Тез. докл. Междунар. светотех. конф. / Болгария, 1996.-С.68.

38. Харитонов A.B. Физико - химические процессы в галогенных лампах накаливания. // Осветление-96: Тез. докл. Междунар. светотех. конф. / Болгария, ¡996. - С.57-58.

39. Байнева И.И., Харитонов A.B. Влияние температуры колбы на регенеративный цикл в галогенных лампах накаливания. // Осветление-96: Тез. докл. Междунар. светотех. конф. / Болгария, 1996. - С.59.

40. Коптев Л.В., Салкин A.B., Харитонов A.B. Линейные галогенные лампы (Технические характеристики и перспективы развития). // Осветление-96: Тез. докл. Междунар. светотех. конф. / Болгария, 1996. - С.61-62.

41. Алексеев Г.А., Харитонов A.B. Проекционные галогенные лампы накаливания с повышенной габаритной яркостью. // Осветление-96: Тез. докл. 'Междунар. светотех. конф. / Болгария, 1996. - С.61.

42. Харитонов A.B. Термодинамическое моделирование процессов в источниках оптического излучения. // Мат-лы 3 Междунар. светотех. конф. / Новгород, 1997.-С.123.

43. Байнева И.И., Харитонов A.B. К расчету теплопереноса в галогенных лампах накаливания. //Мат-лы 3 Междунар. светскех. конф. / Новгород, 1997. -С.141.

44. Байнева И.И., Харитонов A.B. Термодинамика галогенных циклов с фторбромными соединениями. // Мат-лы 3 Междунар. светотех. конф. / Новгород, 1997.-С. 142.

45. Харитонов A.B. Физико-химические процессы в галогенных лампах накаливания с моногалогенидами группы метана. // Мат-лы 3 Междунар. светотех. конф. / Новгород, 1997. С. 143.

Подписано в печать 12.11.98 г. Объем 2,25 п. л. Тираж 110 экз. Заказ № 726.

Типография Издательства Мордовского университета 430000, Саранск, ул. Советская, 24.

<? / ) if

ученую степень ДО

шъе (Жсс/

Мордовский ордена Дружбы народов государственный университет имени Н.П. Огарева

На правах рукописи

Харитонов Анатолий Васильевич

Моделирование и управление физико-химическими процессами в тепловых источниках оптического излучения

Специальность 05.09.07. - Светотехника и источники света

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

л

Саранск 1998

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ стр. Принятые основные обозначения и сокращения ................. 5

1. Введение . ■............'................................... 9

2. Тенденции и перспективы развития источников оптического излучения. Светотехнические материалы, их оптические и физико-химические характеристики. Задачи работы ......... 16

2.1. Основные этапы развития источников оптического излучения. Тенденции и перспективы .......................... 16

2.2. Физико-химические и оптические характеристики основных .. конструкционных материалов для источников оптического

излучения материалов .................................. 37

2.2.1. Физико-химические свойства вольфрама и молибдена .... 39

2. 2. 2. Оптические и физико-химические свойства материалов,

используемых в качестве оболочек источников оптического излучения ...................................... 45

2.2.3. Физико-химические свойства газов, соединений, газогалогенных добавок, галогенный цикл................... 52

2.3. Анализ основных работ по тепло- и массопереносу в тепловых источниках оптического излучения ................ 82

2.4. Выводы и задачи работы................................ 101

3. Моделирование и исследование процессов тепло- и массопе-реноса в тепловых источниках оптического излучения ...... 106

3.1. Теплоперенос в тепловых источниках оптического излучения ................................................... 107

3.1.1. Выбор модели и расчет распределения температуры газа

по радиусу.......................................... 112

3.1.2. Расчетное определение средней температуры газа ...... 119

3.1.3. Экспериментальные и расчетные исследования теплопере-

носа в галогенных лампах накаливания ................ 132

3.2. Моделирование и исследование процессов массопереноса в тепловых источниках оптического излучения ............. 165

3.2.1. Феноменология процесса испарения материалов ......... 166

3.2.2. Расчет распределения концентраций атомов наполняющего газа, газофазных атомов вольфрама по радиусу и скорости испарения материала с поверхности нагретого тела накала........................................... 177

3.3. Выводы................................................ 200

4. Исследование газовыделения из конструкционных материалов

тепловых источников оптического излучения ............... 202

4.1. Экспериментальные установки и методики для определения газовыделения из конструкционных материалов тепловых источников оптического излучения ...................... 203

4.2. Газовыделение из кварцевого стекла................... 212

4.2.1. Особенности технологии получения кварцевого стекла

для галогенных ламп накаливания ..................... 212

4.2.2. Технологические операции обработки кварцевых оболочек для галогенных ламп накаливания и их влияние на газосодержание колб ..................................... 216

4.3. Газовыделение вольфрамового тела накала галогенных ламп накаливания ........................................... 231

4.3.1. Влияние технологического процесса изготовления галогенных ламп накаливания на газовыделение вольфрамового тела накала ...................................... 234

4.4. Выводы................................................ 239

5. Влияние химических превращений в галогенных лампах накаливания с моногалогенметанами на перенос вольфрама ...... 241

5.1. Методология расчета химических процессов в галогенных лампах накаливания .................................... 241

5.2. Химические реакции в галогенных лампах накаливания с добавкой броморганических соединений .................. 259

5.3. Влияние природы галогена на состав и парциальное давление компонентов в галогенной лампе накаливания ........ 286

5.4. Выводы................................................ 314

6. Влияние химических превращений в галогенных лампах накаливания с полигалогенметанами и примесными компонентами

на перенос вольфрама .................................... 318

6.1. Химические реакции в галогенных лампах накаливания с полигалогенметанами ................................... 318

6.2. Влияние кислорода на протекание реакций в галогенных лампах накаливания .................................... 334

6.3. Влияние соединений углерода на физико-химические процессы в тепловых источниках оптического излучения ..... 377

6.4. Выводы................................................ 390

7. Основные выводы и результаты работы ..................... 394

Список литературы ...................................... 403

Приложения .............................................. 440

Акты об использовании результатов работы ................ 490

Принятые основные обозначения и сокращения

ИОИ - источники оптического излучения;

ТИОИ - тепловые источники оптического излучения;

ЛН - лампы накаливания;

ГЛН - галогенные лампы накаливания;

ТКС - температурный коэффициент электросопротивления;

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения материала;

ИК - инфракрасный;

УФ - ультрафиолетовый;

ТН - тело накала;

Сг - число Грасгофа;

Рг - число Прандтля;

йа - число Рэлея;

й - толщина, м;

t - время, с;

Р^ - парциальное давление газа, Па;

Ср - теплоемкость материала при постояннном давлении, Дж-град-1; X - длина волны, средняя длина свободного пробега частицы; п - показатель преломления вещества; г - текущий радиус, м;

б - постоянная Стефана-Больцмана, электропроводность,

Вт-м"2 -Г4; ДЕ - энергия активации, Дж;

й - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль*К);

Т - абсолютная температура, К;

Т1 (г)- распределение температуры по радиусу, К;

П! (Г)

1е т

5, бв

Р.

Р

V

ё

3 й

V

с

4

- распределение концентрации газофазных атомов по радиусу, м"3;

- энергетическая светимость вольфрама при температуре Тн, Вт/м2 ;

- коэффициенты излучения и видимого излучения;

- коэффициенты шага, сердечника;

- тепловые потери в газе, Вт;

- плотность вещества, кг/м3;

- гидродинамическая скорость газа, м/с;

- ускорение свободного падения, м/с2;

- интегральный поток атомов;

- удельная энтальпия смеси;

- число компонентов смеси;

- удельная теплоемкость материала, Дж град"1;

- вектор единичного теплового потока, Вт/м2;

Чх-Чу'Ог " составляющие теплового потока по координатам, Вт;

бв

Тн

т

Тк Гс Гн

- тепловой поток внутренних источников теплоты, Вт;

- вязкое сечение, определенным образом усредненное по максвелловскому распределению атомов газа по скоростям;

- температура нити, К;

- температура границы застойного слоя, К;

- температура колбы, К;

- радиус застойного слоя, м;

- радиус тела накала, м;

- радиус колбы, м;

- толщина застойного слоя, м;

- тепловой поток со всей поверхности нагретого тела, Вт;

Т - средняя температура газа в объеме лампы, К;

Т± - средняя температура газа в пределах застойного слоя, К;

Т2 - средняя температура газа в объеме между стенкой колбы

и границей застойного слоя, К; N1 - число частиц в колбе при комнатной температуре;

Р0 - давление наполняющего газа в лампе при комнатной тем-

пературе, Па;

Рр - давление наполняющего газа лампы в рабочем режиме, Па;

Р1г - тепловые потери с единицы длины ТН, Вт-м-2;

рлв ~ потребляемая электрическая мощность газополной и вакуумной лампой, Вт; ат - доля мощности, идущей на нагрев колбы;

Бк - поверхность колбы, м2;

ц - удельный тепловой поток, Вт-м-2;

Рл - мощность лампы, Вт;

- поток атомов вещества с единицы поверхности в одну секунду, м"2 • с-1 ;

ау - коэффициент испарения;

- масса атомов вещества, кг;

К - постоянная Больцмана, Дж-К-1;

тт - скорость испарения атомов, кг/(м2*с);

п0 - поверхностная концентрация атомов вещества, м-2;

а0 - параметр элементарной ячейки кристаллической решетки,

м;

и - энергия активации испарения, Дж;

ут - частота колебаний атомов решетки, с-1;

Ф - энергия перехода атомов из положения на изломе в поло-

х

ид

Фдес й

/% Мг

М

Й1-1

61 , 2

б1

кт

эф

Б

Кр

ип

н

Б

2 9 8

Б0

298

П3, П! ДС°,

т, м

жение адсорбции на поверхности, эВ;

- среднее время жизни адатома на поверхности, с;

- энергия активации поверхностной диффузии, эВ;

- энергия перехода адатома в пар, эВ;

- диффузионный пробег частицы по поверхности, м;

- период тепловых колебаний атомов в решетке, с;

- масса атомов вольфрама, кг;

- масса атомов наполняющего газа, кг;

- приведенная масса атомов вольфрама и атомов наполняющего газа;

- приведенный интеграл столкновений;

- некоторый эффективный диаметр атомов двухкомпонентной смеси газов, м;

- эффективные диаметры атомов вольфрама и наполняющего газа, м;

- термодиффузионное отношение;

- эффективная скорость откачки, л-с-1;

- постоянная равновесия;

- полная внутренняя энергия, Дж;

- энтальпия, Дж;

- энтропия, Дж;

- стандартная энтальпия образования продуктов реакции, кДж/моль;

- стандартная энтропия образования продуктов реакции, кДж/моль;

- число молей продуктов реакции и исходных веществ;

- мольный изобарно-изотермический потенциал, кДж/моль;

ВВЕДЕНИЕ

Источники оптического излучения (ИОИ) получили чрезвычайно широкое распространение практически во всех сферах человеческой жизнедеятельности. Оптическое излучение обеспечивает воспроизводство живой природы, служит иструментом познания и используется в технологических целях.

Генерация электромагнитного и, в частности, оптического излучения связана с фундаментальным свойством материи - ее дискретностью. Атомарность строения вещества предполагает возможность возбуждения его электронной подсистемы с последующей релаксацией по оптическому или фононному каналам. Оптическое излучение возникает при протекании различных физико-химических процессов, сопровождающихся перестройкой электронной структуры составляющих систему элементов - это процессы, имеющие физическую, химическую, физико-химическую, биофизическую и т. п. природу. Именно такие процессы обусловливают генерацию в естественных ИОИ.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили так называемые электрические ИОИ или электрические источники света. Преобразование электрической энергии в световую, происходящее в них обычно многоступенчатым образом, не всегда достаточно эффективно. Кроме того, излучение, генерируемое электронно-возбужденными атомами, может само в свою очередь вызывать электронные возбуждения при поглощении квантов. Это позволяет конструировать ИОИ, трансформируя излучение из одной области спектра в другую, как в коротковолновую, так и длиноволновую, визуализируя УФ и ИК излучение. Поглощение излучения сопровождается изменением ми

роструктуры вещества, и как правило, со временем эффективность оптической трансформации излучения падает. Именно этим обстоятельством вызвано ухудшение светотехнических характеристик ИОИ в процессе их эксплуатации.

ИОИ, как известно, подразделяются на тепловые и разрядные. В последних электрическая энергия необходима для получения плазмы газового разряда, излучение которой, зачастую, претерпевает еще одну и уже окончательную трансформацию в люминофорном слое разрядных ламп (РЛ).

В тепловых же источниках оптического излучения (ТИОИ) электрическая энергия преобразуется в тепловую, увеличивая внутреннюю энергию составляющих твердое тело атомов, что также приводит в конечном итоге к излучению. В ТИОИ электрическая энергия преобразуется в световую через тепловую форму движения материи. В ТИОИ принципиально невозможно получить высокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, т. к. при возможных температурах нагрева твердых тел внутренней (тепловой) энергии недостаточно для электронных возбуждений большей части твердофазных частиц, а имеющиеся электронные возбуждения достаточно быстро ре-лаксируют по колебательным степеням свободы. При повышении температуры твердых тел световой КПД преобразования подведенной энергии повышается, но при этом значительно увеличивается сублимация материала (тепловое испарение), резко уменьшается ресурс работоспособности ТИОИ. Попытки увеличения световой отдачи и срока службы ТИОИ привели к созданию газополных вариантов ламп со спирали-зованным и биспирализованным вольфрамовым телом накала, а в дальнейшем и галогенных ламп накаливания (ГЛН), в которых используют-

- и -

ся химические транспортные реакции с целью организации переноса испарившихся атомов вольфрама на тело накала (ТН). В качестве химических агентов, способных осуществлять транспорт атомов вольфрама от колбы на ТН оказались наиболее приемлемыми соединения галогенов, способных образовывать в области низких температур устойчивые соединения галогенидов вольфрама, диссоциирующих при высоких температурах на компоненты. При этом атомарный вольфрам, оказавшийся в высокотемпературной зоне, частично оседает на ТН.

Многокомпонентность газовой фазы в ТИОй, особенно ГЛН, являющаяся следствием газовыделения конструктивных материалов, наличие микропримесей в наполняющем газе, предполагает многовариантность протекания реакций образования химических соединений различной степени стабильности. Наличие интенсивного оптического излучения и теплового поля с большим градиентом температуры, гетерогенных процессов аккомодации энергии на раскаленном ТН, газовыделение в процессе работы ламп - все это делает описание физико-химических процессов в ГЛН чрезвычайно сложным, а прогнозирование эффективности галогенного цикла в ГЛН весьма затруднительным, и в то же время чрезвычайно актуальным, т.к. именно физико-химические процессы определяют их эксплуатационные и светотехнические характеристики. В равной мере сказанное относится и к разрядным ИОй, в которых физико-химические превращения в газофазных компонентах, материале оболочки и люминофорных слоях, зачастую стимулированные оптическим излучением, обусловливают спад светового потока и снижение световой отдачи при эксплуатации ламп.

Дальнейшее совершенствование и развитие ИОИ требует углубленного понимания механизмов оптических и физико-химических процес-

сов, происходящих в ИОИ, оптимизация их условий, разработки методов расчета, прогнозирования, диагностики и контроля качества.

Целью исследований, изложенных в данной работе, явилось:

- разработка математической модели теплового поля, методики определения средней температуры газа, установление взаимосвязи средней температуры газа и тепловых потерь в ГЛН, способов регулирования средней температуры газа;

- экспериментальное и расчетное исследование структуры тепловых полей, средней температуры ГЛН при варьировании температуры ТН, рода и давления наполняющего газа;

- экспериментальное и расчетное исследование переноса вольфрама и скорости испарения материала ТН, рода и давления наполняющего газа;

- изучение качественного и количественного состава десорбирующихся из конструктивных элементов ИОИ во внутренний объем ламп газов.

- термодинамическое моделирование физико-химических процессов и расчет парциальных давлений компонент химических соединений в объеме лампы;

- исследование влияния примесных газов и компонент на протекание круговых транспортных химических реакций в ТИОИ при различных температурных режимах, давлениях наполняющего газа, соотношений галогенной добавки и наполняющего газа, галогенной добавки и примесных газов.

Решение поставленных задач определяет актуальность выполненных в работе исследований для дальнейшего развития высокоэффективных ИОИ.

Объектом исследований явились различные конструкции ИОИ, от-

личающиеся структурой теплового поля, удельной электрической нагрузкой, тепловым режимом оболочки; модельные термодинамические системы, содержащие компоненты различных химических соединений, в том числе примесных газов, конструкционные материалы ИОИ с точки зрения газовыделения.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведены комплексные экспериментальные и расчетные исследования структуры теплового поля и тепловых потерь в ТИОИ с учетом средней температуры газа для ГЛН; изучено поведение термодинамических систем, содержащих инертный газ, галогенные добавки и примесные химические компоненты в широком температурном интервале при вариации давления наполняющего инертного газа, соотношения инертного газа, газогалогенных добавок и примесных газов в объеме лампы.

Основные научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. математическая модель теплового поля вокруг раскаленного вольфрамового ТН;

2. функции распределения температуры по радиусу в колбах цилиндрической и сферической симметрии с учетом зависимости коэффициента теплопроводности газа от температуры;

3. методика определения средней температуры газа;

4. аналитические выражения для распределения атомов наполняющего инертного газа и газофазных атомов вольфрама по радиусу для цилиндрической и сферической формы колб ламп;

5. результаты масспектрометрических исследований газосодержания конструкционных материалов для ИОИ, в частности, кварцевых стекол и вольфрамовых ТН; выявлено влияние различных технологических процессов их обработ�