Исследование процессов тепло- и массопереноса на поверхности спеченных электродов в ртутных дуговых лампах высокого давления

• Автор: Фишер, Максим Робертович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 168 с.

Глава 1. Процессы переноса тепла и вещества электродов в разрядной колбе и методы их моделирования (обзор литературы)

1.1. Зажигание разряда в межэлектродном промежутке

1.2. Теплоперенос в электродах и разрядном объеме

1.3. Испарение, перенос и переосаждение

эмиссионного вещества электродов

Выводы к главе

Глава 2. Моделирование влияния эмиссионных свойств

электродов на напряжение зажигания разряда

2.1. Модель кинетики электронов в смеси аргон-ртуть

2.2. Модель переноса ионов и метастабилей

в смеси аргон-ртуть

2.3. Расчет ионизационного коэффициента
и напряжения зажигания разряда в смеси аргон-ртуть
Выводы к главе
Глава 3. Моделирование теплового режима электродов
3.1. Модель переноса тепла в объеме электродов
и разрядной колбы
3.2. Метод численного решения краевой задачи
для уравнения теплопроводности
3.3. Аналитические аппроксимации температурных зависимостей теплофизических характеристик
материалов электродов и разрядной колбы
3.3.1. Вольфрам С¥)
3.3.2. Смесь порошков вольфрама (¥)
и оксида бария (ВаО)

3.3.3. Пары ртути (Щ)
3.3.4. Кварцевое стекло (8Ю2)
3.4. Расчет теплового режима электродов в разряде
Выводы к главе
Глава 4. Моделирование переноса и переосаждения
эмиссионного вещества электродов
4.1. Модель переноса эмиссионного вещества электродов
в объеме разрядной колбы
4.2. Метод численного решения краевой задачи
для уравнения диффузии
4.3. Расчет переноса и переосаждения эмиссионного
вещества на электрод и стенку разрядной колбы
Выводы к главе
Выводы и заключение
Литература
Приложение
Приложение
Приложение

Актуальность темы. Одним из основных типов осветительных приборов являются ртутные духовые лампы высокого давления, долговечность которых в значительной степени определяется стабильностью эмиссионных свойств их электродов. Для улучшения эффективности работы таких ламп разработаны спеченные электроды, представляющие собой вольфрамовый стержень (керн), на который напрессована в виде цилиндра спеченная масса (смесь порошков вольфрама и эмиссионного вещества, состоящего из оксидов щелочноземельных металлов, в частности, оксида бария [1, 2]).
Колба ртутной лампы в отключенном от сети состоянии при комнатной температуре содержит аргон, давление которого имеет порядок 103 Па, и небольшое количество паров ртути с парциальным давлением около 0,1 Па. При подаче на её электроды напряжения, превышающего некоторое минимальное значение, называемое напряжением зажигания разряда [3], происходит пробой межэлектродного промежутка и в лампе возникает тлеющий разряд. После этого, в результате бомбардировки электродов частицами плазмы, происходит их разогрев до температуры 1500-2000 К и разряд переходит в дуговой. Затем, в результате постепенного нагрева газа в разрядной колбе, испаряется вся находящаяся в ней ртуть, давление газа возрастает до величины порядка 105 Па и лампа переходит в стационарный режим работы.
Эмиссия электронов в дуговом разряде имеет термическую природу и зависит от распределения температуры по поверхности электрода, определяемого процессами его нагрева бомбардировкой электронами и ионами, поступающими из плазмы разряда, и охлаждения за счет теплопередачи. При нагреве спеченной массы электрода происходит испарение атомов эмиссионного вещества с её поверхности, их перенос в рабочем газе и пе-реосаждение на границах разрядного объема, в том числе на торце керна электрода, на который обычно горит разряд. Это снижает его работу выхо-

Из рис. 2.8 видно, что при увеличении рс1 в смеси аргон-ртуть не происходит резкого увеличения напряжения зажигания разряда в отличие от чистого аргона. Это объясняется тем, что, например, с увеличением ме-жэлектродного расстояния с1 при неизменных давлении смеси р и разрядном напряжении и( напряженность электрического поля в межэлектрод-ном промежутке снижается, поэтому число прямых ионизаций атомов газов электронами уменьшается и возрастает относительный вклад пеннин-говской ионизации в ионизационный коэффициент а, что согласуется с данными [14]. В результате для того, чтобы интеграл по более длинному разрядному промежутку в левой части соотношения (2.47) оставался равным его правой части требуется лишь незначительное увеличение Vг
Для изучения влияния эмиссионных характеристик электродов цилиндрической формы на напряжение зажигания разряда между ними найдена зависимость 111 от рс1 в чистом аргоне и в смеси аргон-ртуть при комнатной температуре для ряда значений коэффициента ионно-электронной эмиссии у катода (рис. 2.9). При этом напряженность поля между электродами определяется следующим выражением [26]:
Щ,Я2 ~ радиусы электродов, и - приложенное к ним напряжение, О — расстояние между их геометрическими осями (в расчетах использованы
вой лампы типа ДРЛ-400).
Уравнение переноса метастабильных атомов аргона (2.38) для случая цилиндрических электродов принимает вид (2.49):
Е = и 1п
а{Ь-^+^){Ь-^+к2)У 2 Ь
к (Ь + К1-Ь1)(Ь + К2-к2)) я(2 Ь-г)’
(2.48)

к1=(п2+^-^)/{20), И2 = (п2-Я?+Л2)/( 20),
значения =1,5-1 СГ4 м и К2 =1,5-10 3 м, характерные для ртутной дуго-