Повышение мощности и ресурса высокоэффективных источников ультрафиолетового излучения с дуговым разрядом низкого давления

• Автор: Дроздов, Леонид Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Обеззараживание УФ излучением
1.2. ИСТОЧНИКИ БАКТЕРИЦИДНОГО УФ ИЗЛУЧЕНИЯ
1.2.1. Газоразрядные источники низкого давления
1.1.1. Газоразрядные источники среднего и высокого давления
1.1.2. Газоразрядные импульсные источники
1.1.3. Эксимерные источники излучения
1.1.4. Газоразрядные безэлектродные источники
1.1.5. Полупроводниковые диоды
1.3. Заключение к обзору литературы
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Объект исследований - амальгамная лампа низкого давления
2.2. Измерение электрической мощности лампы, напряжения на лампе и тока лампы
2.3. Измерение мощности излучения лампы
2.4. Измерение пропускания и спектра пропускания стенки колбы лампы
2.5. Измерение спектральных характеристик лампы
2.6. Методика ресурсных испытаний ламп
2.7. Измерение зависимости мощности УФ излучения лампы от температуры воды (водяной
эксперимент). Моделирование работы ламп в реальных условиях
2.8. Измерения микро характеристик покрытия на профилографе и электронном микроскопе
3. ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ В АМАЛЬГАМНЫХ ЛАМПАХ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
3.1. Влияние диаметра разрядной трубки на мощность разряда и КПД генерации УФ излучения
в амальгамных лампах низкого давления
3.2. Влияние межэлектродного расстояния в амальгамных лампах низкого давления на
мощность УФ излучения И КПД генерации
3.3. Зависимость параметров амальгамных ламп низкого давления от разрядного тока
3.4. Зависимость параметров амальгамных ламп низкого давления от состава и давления
газового наполнения
3.5. Применение коаксиальной конструкции колбы лампы для повышения мощности
амальгамных ламп низкого давления
3.6. Применение колбы сложной формы с развитой внутренней поверхностью для повышения
мощности амальгамных ламп низкого давления
3.7. Рост мощности УФ излучения под воздействием поля мощных постоянных магнитов
3.8. Заключение к главе
4. ПОВЫШЕНИЕ ПОЛЕЗНОГО РЕСУРСА АМАЛЬГАМНОЙ ЛАМПЫ
4.1. Фактический срок службы лампы низкого давления
4.2. Полезный срок службы лампы низкого давления
4.3. Защитное покрытие из различных материалов
4.4. Защитные свойства покрытия в зависимости от толщины слоя
4.5. Воздействие плазмы дуги низкого давления в парах ртути и инертных газах на чистый кварц
4.6. Воздействие плазмы дуги низкого давления в инертных газах на кварц с покрытием
4.7. Рекомбинационная модель взаимодействия плазмы дугового разряда с поверхностью
кварца и покрытия
4.8. Заключение к главе
5. ПРИМЕНЕНИЕ АМАЛЬГАМНОЙ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
5.1. Разработка серийного источника бактерицидного УФ излучения (лампы ДБ350)
5.2. Особенности применения амальгамной лампы для обеззараживания воды
5.3. Методы расчета установок обеззараживания воды
5.4. Практическое применение ламп ДБ350
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА

Введение.
В настоящее время широкое распространение получает метод обеззараживания различных сред при помощи ультрафиолетового (УФ) излучения. Его используют для снижения уровня патогенной микрофлоры в воде, воздухе и на различных поверхностях. В ряде приложений УФ обеззараживание используется в промышленных масштабах, например, для бактерицидной обработки питьевой и сточной водопроводной воды или для обработки воздуха в системах центрального кондиционирования зданий. Ужесточение экологических требований по обработке воды и воздуха существенно затрудняет и усложняет применение традиционных технологий обеззараживания, таких как хлорирование и озонирование. Кроме того, против отдельных видов опасных бактерий и вирусов они просто бессильны.
Метод УФ обеззараживания становится, эффективен при обеспечении определенной дозы облучения на единицу объема обрабатываемой среды. При этом, бактерицидным эффектом обладает только излучение жесткого ультрафиолета в диапазоне 205-315 нм. Максимум бактерицидной эффективности приходиться на промежуток 250-270 нм. При использовании УФ обеззараживания в промышленных масштабах одной из актуальных задач становиться скорость бактерицидной обработки среды. Доза УФ облучения должна быть обеспечена за максимально короткий промежуток времени. Для этого требуются мощные, эффективные и экологически безопасные источники бактерицидного УФ излучения.
Наиболее полно перечисленным требованиям удовлетворяет дуговой разряд низкого давления в парах ртути и инертных газах. Давление паров ртути составляет 5-10 мТорр, а давление инертных газов (чаще всего неона или аргона) 0.1-3.0 Topp. При таких условиях около 40% от электрической мощности разряда переходит в излучение на резонансной линии ртути 253.7 нм. Погонная мощность ртутных ламп низкого давления составляет около 70 Вт/м. Для ряда применений, в частности для промышленного обеззараживания воды, требуются источники излучения с погонной мощностью 100-400 Вт/м. Эту задачу частично решают амальгамные лампы низкого давления, однако освоено промышленное производство ламп с погонной мощностью не более 150-200 Вт/м и сроком службы 8-12 тысяч часов. В условиях современных реалий происходит постоянное укрупнение объектов водоподготовки с использованием оборудования для УФ обеззараживания. Далеко не всегда можно увеличить расход обрабатываемой воды экстенсивным путем, наращивая количество камер обеззараживания и количество ламп. Этот путь пагубен и с точки зрения материалоемкости и конечной стоимости оборудования, а также удобства технического обслуживания установок. В силу этих обстоятельств, для обеспечения достаточной скорости обработки воды с приемлемыми гидродинамическими потерями и материалоемкостью производства, требуются источники излучения с погонной мощностью 200-400 Вт/м и КПД генерации 35-40%. Полезный срок службы источников должен составлять не менее 16000 часов, что соответствует примерно 2-м годам непрерывной эксплуатации. Увеличить мощность имеющихся амальгамных ламп низкого давления стандартными методами, скажем увеличением разрядного тока или снижением давления рабочей смеси невозможно из-за резкого снижения срока службы и КПД ламп. Вместо 12-16 тысяч часов такие модифицированные лампы работают с приемлемым уровнем мощности УФ излучения только 2-5 тысяч часов.
В настоящее время отсутствуют полные данные о свойствах ртутного разряда низкого давления при плотностях тока до 5.5 А/см2 и пониженных давлениях смесей буферных газов. В литературе в основном упоминаются исследования разряда в инертных газах одного типа при малых плотностях тока, при этом сам разрядный ток меняется с частотой 50-60 Гц. Есть несколько публикаций по исследованию данных разрядов с плотностями тока до 2 А/см2, с частотой изменения в десятки килогерц. Такую частоту позволяют обеспечить электронные источники питания, получающие все большее

распространение и мощность которых может быть увеличена стандартными приемами схемотехники.
Мало данных в литературе о влиянии увеличения мощности разряда на ресурс кварцевых ртутных ламп низкого давления. Практически отсутствуют экспериментальные данные о роли защитного покрытия на внутренней поверхности кварца и его влиянии на скорость падения мощности УФ излучения данных источников света. Также отсутствуют опытные результаты, описывающие механизмы работы защитных покрытий.
Основной целью данной работы являлся исследование возможности повышения мощности и ресурса источников УФ излучения с дугой низкого давления в парах ртути и инертных газах с сохранением высокого КПД. Создание лампы с погонной мощностью не менее 220 Вт/м, с эффективностью генерации УФ излучения на длине волны 254 нм не менее 38% и полезным сроком службы не менее 16-и тысяч часов.
В настоящей работе проведены исследования свойств разряда низкого давления в парах ртути и инертных газах при различных конфигурациях разрядных трубок и в широком диапазоне плотностей разрядного тока. Рассмотрены пути повышения мощности, и эффективности разряда Приведены данные о ресурсе разрядных ламп низкого давления. Рассмотрены механизмы работы защитного покрытия внутренней стороны кварцевой стенки. Исследована модификация стенки по мере горения разряда и влияние этих процессов на спад мощности УФ излучения ртутных ламп низкого давления высокой мощности.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Первая глава - обзор литературы, посвящена рассмотрению особенностей различных источников УФ излучения и их бактерицидной эффективности. Показывается, что именно ртутный разряд низкого давления обладает высоким КПД, а лампы на его основе имеют длительный срок эксплуатации и наиболее подходят для обеззараживания различных сред в промышленных масштабах. Рассматриваются конструктивные особенности ртутных ламп низкого давления, влияющие на их мощность. В главе приведены технические характеристики ламп низкого давления, выпускаемых ведущими мировыми производителями. Приведены литературные данные о влияние особенностей конструкции электродного узла и защитного покрытия на внутренней стороне кварцевой стенки разрядной трубки на полезный срок службы ртутных ламп низкого давления.
Вторая глава диссертации посвящена описанию используемых экспериментальных установок и применявшихся методик для исследования источников УФ излучения низкого давления.
В третьей главе приводятся экспериментальные результаты исследований свойств ртутного разряда низкого давления в кварцевых трубках с внутренним диаметром от 11.6 до 29.0 мм, при длине разрядного промежутка от 110 до 230 см, при разрядных токах от 1.5 до 6.0 А и разных типах газового наполнения при давлениях рабочей смеси от 0.5 до
1.2 Topp. Исследуются различные способы повышения мощности в разряде, анализируются их достоинства и недостатки.
В четвертой главе рассматриваются особенности ресурса ртутных ламп низкого давления высокой мощности. Приведены экспериментальные данные о влиянии на ресурс конструкции электродного узла и свойств защитных покрытий на внутренней стороне кварцевой колбы. Исследована модификация защитного покрытия по мере работы разрядной лампы низкого давления. Рассмотрены возможности проведения ускоренных ресурсных испытаний ртутных ламп низкого давления и приведены методики таких испытаний.
В пятой главе приводится пример разработки лампы низкого давления с мощностью УФ излучении 125 Вт и КПД 38% при длине разрядного промежутка 145 см. Рассматривается аспекты применения данных ламп для обеззараживания воды. В том числе и трудности, возникающие в данном приложении. Приводятся общие рекомендации по оптимизации конструкции установок обеззараживания воды.

максимум излучения сдвигается в сторону более коротких длин волн [13]. Из-за ограничения рабочей температуры оболочки ламп КПД УФ излучения непрерывного разряда получается достаточно низкий. Для повышения спектрального КПД в диапазоне коротковолнового УФ излучения применяется импульсное питание ксеноновых ламп. Принцип работы таких УФ излучателей состоит в следующем. Мощный импульс тока с энергией 0.1-Т-50 кДж подается на разрядный промежуток. Длительность импульса обычно составляет от одной до тысяч микросекунд [79]. За время воздействия импульса на газ в сравнительно малом разрядном промежутке образуется плазма с высокой степенью ионизации, которую в течение всего времени разряда можно рассматривать как равновесную. Следовательно, ее излучение подчиняется закону черного тела и определяется температурой плазмы. Спектр излучения ксеноновой плазмы при импульсном разряде зависит от мощности подаваемых импульсов. Чем мощнее подаваемый импульс, тем больше доля энергии излучается в УФ области спектра. При частоте следования импульсов 0.03+0.3 Гц пиковая плотность мощности излучения разряда в области 200+400 нм может составлять 102+106 Вт. Доля излучения в этой области будет, примерно, 5+10% от излучения в области 200+1000 нм. При увеличении частоты до 3+30 Гц эти параметры составляют 104+5-105 Вт и ~10%, соответственно [79].
Энергетический кпд импульсных разрядов в инертных газах максимален для ксенона. Для характерных параметров разряда [80, 81]: давление газа 300+600 торр; длительность импульса сотни микросекунд; Е=40+150 В/см, существует оптимальный КПД от удельной электрической мощности. Удельная мощность оптимального режима «0.5 МВт/см3.
Ниже (Рисунок 1.26) приведен спектр излучения ксеноновой лампы при импульсном возбуждении с большими пиковыми мощностями [82]. Спектральное распределение (Рисунок 1.26) является практически непрерывным в широком диапазоне длин волн, а доля излучения в бактерицидном диапазоне длин волн от 200 до 300 нм составляет 8=25% всего излучения в диапазоне 100+1100 нм.
Длина волны (А.) и доля энергии (р)
Рисунок 1.26. Распределение энергии излучения по спектру импульсной ксеноновой лампы.
Для определения бактерицидной эффективности лампы произведем свертку спектра с относительной спектральной кривой бактерицидного действия с помощью численного интегрирования [79] - см. Рисунок 1.27:
300 им
SJ.dX
= 8жш
/бак и 300 нм у '
l.dX
200 нм