автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Расчетно-экспериментальные исследования условий повышения световой отдачи ртутного разряда высокого давления

Условные обозначения и основные сокращения, принятые в работе.

Введение.

ГЛАВА I. Анализ литературных данных и направления исследований.

1.1. Общие представления о физических процессах в ртутном разряде высокого давления.

1.2. Аналитический обзор публикаций по повышению световой эффективности ртутного разряда высокого давления.

1.3. Обзор теоретических исследований ртутного разряда ВД.

1.4. Модель локального термодинамического равновесия (ЛТР) плазмы разряда высокого давления, применительно к расчёту конструктивных параметров ламп.

1.5. Выводы по главе и основные направления расчётно-экспериментальных исследований по повышению световой эффективности ртутного разряда высокого давления.

ГЛАВА II. Методика расчета заселенностей возбужденных уровней ртути и интенсивности излучения при отклонении условий в разряде от равновесных.

2.1 Отклонение состояния плазмы ртутного разряда высокого давления от равновесного.

2.2. Особенности расчёта концентраций частиц в неравновесной плазмеРРВД

2.3. Основные положения методики расчёта характеристик плазмы РРВД в рамках модифицированного диффузионного приближения.

2.4. Методика расчета интенсивности излучения с учетом неравновесного состояния плазмы.

2.5. Выводы по главе.

ГЛАВА III. Модельные исследования заселённости уровней и интенсивности излучения видимых линий ртути.

3.1. Алгоритмы и исходные данные расчётной модели.

3.2. Анализ влияния неравновесности концентрации электронов, отрыва температуры электронов от температуры атомов и выхода излучения на заселенности излучающих уровней ртути.

3.3. Расчёт выхода излучения спектральных линий из РРВД с учетом отклонения заселённостей уровней от равновесных.

3.4. Выводы по главе.

ГЛАВА IV. Расчётные исследования баланса энергии для различных условий в ртутной плазме высокого давления.

4.1. Построение системы уравнений баланса энергий.

4.2. Алгоритм решения уравнений баланса энергии для неравновесного РРВД.

4.3. Расчёт коэффициентов переноса в неравновесном РРВД.

4.4. Расчет дивергенции потока излучения.

4.5. Результаты расчёта профиля температуры при учёте неравновесности состояния плазмы.

4.6. Выводы по главе.

ГЛАВА V. Постановка экспериментов. Результаты испытаний.

5.1. Методика эксперимента и экспериментальное оборудование

5.2. Основные научно-технические решения, направленные на повышение световой эффективности экспериментальных образцов.

5.3. Проведение экспериментальных исследований. Результаты экспериментов.

5.4. Выводы по главе.

Выводы и основные результаты работы.

Цитированная литература.

Среди современных разрядных ламп высокого давления наиболее распространены несколько основных типов: ртутные ДРЛ, натриевые ДНаТ, мета-логалогенные ДРИ и ксеноновые ДКсТ. В настоящее время начаты исследования по, так называемым, "серным" лампам, рабочим веществом которых являются пары серы. Световая отдача и индекс цветопередачи (Ra) указанных типов серийно выпускаемых ламп составляет:

ДРЛ ~ 50 -60 лм / Вт (Ra~35); ДНаТ ~ 100 ^ 120 лм / Вт (Ra~25);

ДРИ -90 -г 100 лм / Вт ~(Ra~80); ДКсТ ~ 25 - 30 лм / Вт

Ra~95); "Серная" ~ 90 - 120лм/Вт (Ra~80).

Несмотря на высокую световую отдачу ламп типа ДНаТ, ДРИ, объёмы их производства и потребления в РФ и за рубежом до настоящего времени уступают ДРЛ, в основном из-за своих недостатков, которые состоят: в более высокой, чем ДРЛ трудоёмкости изготовления и цены; в более сложной схеме зажигания, предусматривающей применение импульсного зажигающего устройства (ИЗУ) дополнительно к ПРА; в большей, чем у ДРЛ, нестабильности электрических параметров, выражающейся в интенсивном возрастании напряжения на лампе вплоть до полного погасания уже к 7000 ч работы. Относительно низкий индекс цветопередачи (Ra) ламп ДНаТ, излучающих в основном жёлтый свет, не обеспечивает достаточную световую эффективность дорожного освещения. В работе /1/ автор анализирует влияние спектральных характеристик основных видов источников света: металлогалогенных (МГЛ); ламп накаливания (ЛН); дуговых ртутных ламп (ДРЛ); натриевых ламп высокого давления (НЛВД); натриевых ламп низкого давления (НЛНД); на функции зрения при низких уровнях освещенности в ночное время, типичных для дорожного освещения. Показано, что значительно меньшая световая эффективность натриевых ламп высокого давления и особенно низкого давления, в условиях ночного зрения связано с отсутствием излучения в сине-зеленой области. По расчетам автора, для создания эквивалентного освещения, создаваемого лампой МГЛ мощностью 150 Вт, требуется НЛВД мощностью 700 Вт. В порядке убывания световой эффективности в условиях ночного зрения источники располагаются следующим образом: МГЛ; ЛИ; ДРЛ; НЛВД; НЛНД.

Таким образом, несомненные эксплуатационные преимущества ламп ДРЛ, более простая и отработанная технологическая схема их массового изготовления, относительно низкая цена, что очень важно для потребителей в настоящее время, а также такой факт, как наличие в России большого парка светильников с ДРЛ, позволяют утверждать, что в ближайшие годы ртутные лампы высокого давления с люминофорным покрытием (ДРЛ) не могут быть повсеместно заменены более современными ДНаТ и ДРИ, в том числе, в связи с невозможностью прямого использования пускорегулирующих аппаратов от ламп ДРЛ для эксплуатации ламп ДНаТ и ДРИ.

Актуальность темы. В течение последних 40 лет в РФ и за рубежом отсутствуют глубокие фундаментальные исследования в области повышения световой эффективности чисто ртутного разряда высокого давления. Вплоть до 1985 года существовало мнение специалистов различных стран о законченности конструкции и технологии производства ламп ДРЛ, о некотором теоретическом пределе их параметров. К этому же периоду наблюдался спад новых разработок в области ртутных ламп высокого давления, а усилия ученых были сосредоточены на поиске и развитии работ по более перспективным разрядным источникам света: металлогалогенным и натриевым лампам. Однако с конца 80-х годов начали появляться публикации /2, 3/ о невыявленных возможностях источников света с ртутным разрядом высокого давления (РРВД), о возможности повышения их световой отдачи до 80-120 лм/Вт, причём, одна из ведущих фирм считает достижимой ддля ДРЛ световую отдачу 180 лм/Вт, как за счет усовершенствования конструкции ламп, так и за счет преобразования в разряде так называемого «неполезного» (ультрафиолетового и инфракрасного) излучения в видимое /4/, снижения энергетических затрат на тепловые потери, а также использования новых физических явлений, способных изменить баланс энергии положительного столба разряда традиционных ламп ДРЛ. В настоящее время не выяснены полностью физические возможности РРВД в условиях его неравновесности, поэтому весьма актуальными и необходимыми являются теоретические и экспериментальные исследования предельных возможностей источников света данного типа различного исполнения /3/, в том числе с использованием нетрадиционных процессов генерации оптического излучения.

Цель и задачи исследования. Целью работы является проведение комплекса расчетных и экспериментальных исследований по повышению световой эффективности ртутного разряда высокого давления, разработка математической модели расчёта параметров плазмы ртутного разряда с учетом его неравновесности, выявление факторов, способствующих увеличению выхода излучения из разряда, реализация результатов расчетных исследований в экспериментальных образцах источников света.

Реализация поставленной цели предопределила следующие задачи исследования:

- анализ современных теоретических моделей расчёта и оптимизация параметров плазмы ртутного разряда высокого давления;

- разработка алгоритмов расчёта заселённостей возбужденных уровней ртути, выхода излучения видимых линий спектра и расчета профиля температуры в неравновесной модели плазмы;

- проведение расчетного эксперимента по разработанным программам для выявление факторов,влияющих на повышение световой эффективности ртутного разряда высокого давления;

- изготовление и экспериментальные исследования образцов газоразрядных ламп высокого давления, оптимизированных на основании обзора патентной литературы и по результатам расчётных исследований.

Объектом исследований является ртутный разряд высокого давления и экспериментальные образцы ртутных ламп высокого давления.

Научная новизна.

Впервые разработаны математическая модель расчета состава неравновесной плазмы применительно к разряду в парах ртути высокого давления, методика расчёта неравновесных концентраций возбуждённых атомов в РРВД на основе теории модифицированного диффузионного приближения и выхода излучения спектральных линий, учитывающих механизмы возникновения неравновесности; проведено расчетное исследование влияния неравновесной концентрации электронов, отрыва атомной и электронной температур, выхода излучения из разряда, формы профиля температур атомов и электронов в разряде на заселенности возбужденных уровней ртути и интенсивность излучения видимых линий спектра; предложены конкретные инженерные решения по повышению световой отдачи РРВД; проведены экспериментальные исследования электрических и световых параметров горелок эллипсоидной формы различных диаметров и горелок СВЧ-возбуждения разряда в парах ртути.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Методики, алгоритмы, математическая модель, программа «CONCENT» и результаты расчета неравновесных концентраций возбужденных атомов в РРВД на основе теории модифицированного диффузионного приближения (МДП) и влияния на них различных физических процессов (выхода излучения, поглощения излучения, ионно-молекулярных реакций, диффузионных потоков частиц, вызванных градиентом температуры и т.д.).

2. Алгоритм, программа «RADIAT» и результаты расчета выхода излучения при изменении радиального профиля температуры для неравновесного РРВД. Увеличение выхода излучения видимых линий ртути при условии максимального расширения разрядного канала.

3. Полученная расчетным путем связь выхода излучения с величиной «отрыва» электронной и атомной температур, а также необходимость увеличения «отрыва» в пристеночной области разряда.

4. Алгоритм, программа и результаты расчета баланса энергии в неравновесном РРВД в двухтемпературном приближении, позволившие определить профили атомной и электронной температур для конкретных конструктивных исполнений разрядных горелок

5. Способы повышения световой отдачи РРВД, вытекающие из результатов расчетных исследований (повышение неравновесных заселённостей уровней 73Si и 6JD12,3 в канале дуги, расширение канала дуги, понижение не

3 1 равновесных концентрации уровней 6 Р0Л>2 , 6 Pi в пристеночной области, равномерность распределения температуры по поверхности колбы, предопреде

11 ляющая подобие радиальных профилей температуры в каждом сечении разряда, и др.).

Практическая значимость проведённых исследований заключается в следующем:

1. Использование программных продуктов, разработанных в диссертации, для конструкторских и учебных целей.

2. Предложены конструкторские решения по оптимизации ртутных разрядных источников света, которые позволили повысить световую отдачу:

- ламп ДРЛ 250 - до 64 лм/Вт (с горелками продольного эллипсоидного профиля с увеличением диаметра до 25 мм);

- безэлектродных ртутных ламп шаровой формы с СВЧ-возбуждением разряда - до 90-102 лм/Вт в диапазоне мощностей от 200 до 1000 Вт.

3. Результаты работы использованы в ОАО «Лисма», ОАО «Лисма-ВНИИИС» и учебном процессе Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева.

Апробация работы и публикации.

Основные теоретические и практические положения работы докладывались и публиковались автором на Огарёвских чтениях МГУ им. Н. П. Огарёва в 1995-1998 гг.; на Международной светотехнической конференции "Осветление 96", г. Варна, Болгария, 1996 г.; на Международной светотехнической конференции, посвящённой 150-летию со дня рождения А.Н. Лодыгина, МГУ им. Н. П. Огарёва, Саранск, 1997 г.; в сборнике научных трудов учёных Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарёва, часть II, 1998г.; на Всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием "На рубеже веков. Итоги и перспективы", ВЭЛК-99, Москва, 1999 г.; в журнале "Светотехника" № 2, 1999 г.; в Межвузовских сборниках научных работ "Источники излучения", Саранск, 1999 г. и "Актуальные вопросы естественных и технических наук", Саранск, 2000 г. По теме диссертации опубликовано 9 работ в отечественных журналах, сборниках научных работ и тезисов докладов конференций, совещаний, семинаров.

12

Реализация результатов работы.

Результаты работы используются при разработке и производстве источников света в ОАО «Лисма», ОАО «Лисма-ВНИИИС», в Мордовском государственном университете им. Н.П. Огарева, г. Саранск.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка литературы, 6 приложений протоколов испытаний и актов об использовании работы. Общий объем диссертации 271 страниц, включая - 194 страниц основного текста, 37 рисуноков и 21 таблицу. Список литературы содержит"99 наименований.