САПРИКА ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ

УДК 621.327.534.2

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ РОЗРЯДНИХ ЛАМП
У СтупінЧАСТОМУ РЕЖИМІ

05.09.07 – світлотехніка та джерела світла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі світлотехніки та джерел світла Харківської національної академії міського господарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Овчинников Станіслав Степанович, Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри світлотехніки та джерел світла

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Волков Євген Дмитрович, Інститут фізики плазми Національного наукового центру „Харківський фізико - технічний інститут” Національної академії наук України, начальник відділу стелараторів

кандидат технічних наук, доцент Кислиця Світлана Григорівна, Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка, доцент кафедри автоматики та електропривода

Провідна установа: Національний науковий центр „Інститут метрології” Державного Комітету України з технічного регулювання та споживчої політики, м. Харків

Захист відбудеться: 24 лютого 2005 р. о 14-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.086.02 при Харківській національній академії міського господарства (61002, м. Харків, вул. Революції, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської національної академії міського господарства за адресою: 61002, м. Харків, вул. Революції, 12.

Автореферат розісланий 18.01.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Поліщук В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У даний час високоінтенсивні розрядні джерела світла широко використовуються в різних областях науки і техніки: освітлювальній, сигнальній і лазерній техніці, фотолітографії, фотохімії, медицині тощо. Це обумовлено їх високою електричною потужністю, керованістю в широкому діапазоні напруг, низькою енергією запуску, малою індуктивністю, високою спектральною ефективністю для певних груп приймачів випромінювання.

Підвищення ефективності роботи джерел світла в опромінювальних і освітлювальних установках, а, в ряді випадків, конструктивно сумісних зі складними й дорогими оптичними системами, є важливим напрямком розвитку світлотехніки. В умовах світового збільшення цін на енергоресурси ця проблема є актуальною і для України, що має обмежені запаси енергоносіїв. Загальна ефективність перетворення енергії палива тут дуже низька, до того ж у використанні знаходяться опромінювальні установки, які не модернізувалися понад 10 років. Тому заходи, спрямовані на підвищення ефективності джерел випромінювання і їх раціональне застосування, є актуальними.

Фізичні можливості розрядних ламп високого і надвисокого тиску існуючої номенклатури сьогодні не повністю реалізовані. Тому досить актуальними і необхідними є дослідження можливостей варіації режимів роботи высокоінтенсивних джерел світла, що дозволить розширити галузі їх застосування, підвищити їх енергетичну і спектральну ефективність. При цьому слід враховувати, що розрядні лампи є джерелами гармонійних складових, які можуть впливати на інших споживачів електроенергії. Збільшення потоку випромінювання може бути досягнуто або оптимізацією конструкції, або збільшенням потужності застосовуваного джерела світла. При цьому оптимізація конструкції розрядної лампи не повинна входити в суперечність з опромінювальною установкою, а підвищення потужності не повинне викликати додаткове нагрівання як установки, так і матеріалу, що експонується. Для більш ефективного використання випромінювання ламп в сучасних установках експонування режим їхнього живлення доцільно переводити в ступінчастий – у період експозиції потужність живлення збільшувати, а під час паузи зменшувати до значення, нижче номінального. Це значно підвищує ефективність використання установок експонування без реконструкції камери для ламп. При ступінчастому режимі спектральні характеристики ламп можуть змінюватися, відбувається перерозподіл випромінювання за спектром, що в ряді випадків може забезпечити додаткове підвищення ККД опромінювальних установок. Підвищення потужності лампи відносно середнього значення призводить до збільшення світлового потоку без додаткового середнього теплового навантаження на елементи лампи й опромінювальної установки. У ряді випадків ступінчастий режим, при постійній середній потужності, підвищує ефективність технологічних процесів, наприклад, при полімеризації епоксидних смол або опроміненні рослин за рахунок періодичності впливу.

Зв'язок дисертації з науковими проблемами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до НДР (держ. реєстр. №01830079541, інв. №02840051273) “Дослідження можливості застосування газорозрядних джерел світла для процесів полімеризації деталей комутуючих пристроїв” і угоди №1 від 5.06.2003 р. за договором з Міністерством освіти і науки України № ДЗ/18 – 2002 від 19.08.2002 р. „Розробка цифрової системи вимірювання якості електричної енергії в системах електропостачання”, що виконувалася згідно з держзамовленням і державним бюджетним фінансуванням „Розробки найважливіших новітніх технологій науковими установами” (посвідчення про держ. реєстр. №0102U00514, код КПКВ2001060).

Роль автора у виконанні перерахованих вище робіт полягає в проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, в обробці й узагальненні їх результатів, особистій участі при впровадженні результатів у виробництво.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності роботи розрядних ламп в опромінювальних і освітлювальних установках за рахунок застосування ступінчастого режиму і визначення найбільш сприятливих умов його реалізації при забезпеченні стабільності характеристик джерел випромінювання і збереженні достатньої довговічності. Для досягнення вказаної мети необхідно було вирішити такі основні завдання:

- провести аналіз шляхів підвищення ефективності роботи існуючих розрядних ламп;

- виконати експериментальні й розрахункові дослідження з підвищення енергетичної і спектральної ефективності розрядних ламп для приймачів різних типів при роботі в ступінчастому режимі;

- провести аналіз можливості підвищення ефективності розрядних ламп за рахунок зміни електричного режиму їх живлення;

- визначити режими ефективного застосування ступінчастого режиму для розрядних ламп існуючих експозиційних установок;

- виконати дослідження деградаційних процесів і визначити їх вплив на строк служби ламп;

- розробити діапазони робочих режимів ламп із встановленням їх припустимих меж.

Об'єктом дослідження є процеси в експозиційних камерах з розрядними лампами.

Предметом дослідження є розрядні лампи високого і надвисокого тиску при роботі в ступінчастому режимі.

Методи дослідження. Дослідження виконували з використанням наступних методик: теоретичних, фотометричних, електричних, осцилографічних, спектрофотометричних і методів цифрової фотографії, обробленої на ПК.

Наукова новизна отриманих результатів:

1.Удосконалено методику оцінки ефективності ступінчастого режиму розрядних ламп, що заснована на врахуванні одночасно електричного ККД живлення і спектральної ефективності випромінювання.

2. Уперше встановлено, що ефективність дії випромінювання розрядних ламп визначається зміною спектрального складу в період ступеня і спектральною чутливістю матеріалу, що експонується, і може бути збільшена в 1,2-1,3 раза для різних приймачів.

3. Уперше визначено, що відносна ефективність ступінчастого режиму короткодугових ламп залежить від потужності в період ступеня і має максимум, положення якого визначається зміною спектрального складу випромінювання і розмірів ефективно використовуваної області, що світиться.

4. Уперше, на основі аналізу термічного режиму й ерозійних процесів на електродах, встановлено, що збереження номінальної довговічності ламп типу ДРШ-600 забезпечується при зменшенні тривалості ступеня до рівня 0,2 с.

Практичне значення отриманих результатів полягає у такому:

- Запропоновані рішення, що дозволили підвищити енергетичну і спектральну ефективність опромінювальних установок, лампи яких працюють у ступінчастому режимі, що значно підвищує ККД за умови збереження середньої потужності установок експонування без реконструкції камери для ламп.

- Теоретичні й практичні результати дисертації можуть бути використані при розробці нових опромінювальних і фотолітографічних установок, а також при визначенні номенклатури ламп , що підлягають розробці й виробництву в Україні.

- Методика виміру параметрів якості електроенергії і результати вимірів впливу на неї напруги живлення при нелінійному споживачеві (лампи типу ДНаТ) можуть бути використані при розробці схем живлення розрядних ламп.

Результати роботи, виконаної в рамках дисертації, використані в ДНВО “Комунар”, ОАО “Завод газорозрядних ламп” (м. Полтава), Північно-Східним науковим центром Національної академії наук і Міністерства освіти і науки України і в навчальному процесі Харківської національної академії міського господарства (ХНАМГ).

Особистий внесок здобувача. У роботах, що виконані в співавторстві, особисто автором розроблено:

[1] – виконані розрахунки; [2] – виконана розрахункова частина і розроблена методика відновлення інтерферограми; [3] – виконані експериментальні дослідження термічного режиму короткодугової лампи; [4] – розроблена методика обробки сигналів з фотодіодної матриці; [5] – розроблена методика розрахунку питомої ерозії при роботі в ступінчастому режимі; [7] – проведені експериментальні дослідження термічного режиму; [8] – розроблена система формування опорного пучка; [9] – розроблена методика і виконані спектральні дослідження при ступінчастому режимі; [11] – виконані експериментальні дослідження з лампами типу ДНаТ; [12] – проведені дослідження термічного режиму електродів і його впливу на довговічність ламп при роботі в ступінчастому режимі; [13] – проведено дослідження максимально допустимих навантажень за термічним режимом електродів; [14] – проведені розрахунки граничних режимів розрядних ламп за міцністю колби і швидкістю ерозії електродів, розроблено експериментальну установку, взято участь у виконанні експериментів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися на 2-й Республіканській науково-технічній конференції “Застосування пластмас у будівництві й міському господарстві” (м. Харків, 1987р.); на XXIII науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківського інституту інженерів комунального будівництва в 1988р.; на XXVII науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківського інституту інженерів міського господарства в 1994р.; на ХХХI науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської державної академії міського господарства в 2002р.; на ХХХII науково-технічній конференції викладачів, аспірантів і співробітників Харківської національної академії міського господарства в 2004р., на наукових семінарах професорсько-викладацького складу Харківської національної академії міського господарства.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 14 праць, у тому числі 6 статей і 8 тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і зміст роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Основний текст дисертації складається з 148 сторінок, включає 8 таблиць, 74 рисунки. Додатки на 30 сторінках. Загальний обсяг роботи складає 180 сторінок. Список використаної літератури включає 109 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, відображені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі “Аналіз роботи розрядних ламп в експозиційних установках” розглянутий сучасний стан досліджуваного завдання.

Здійснено аналіз вітчизняних і зарубіжних робіт з розглянутої проблеми з метою визначення реального стану справ у колі відповідних теоретичних та експериментальних досліджень. Важливе значення, як свідчить досвід провідних промислово розвинутих країн світу, має підвищення ефективності роботи ламп і розширення їх функціональних можливостей. У фотохімічному виробництві енергія випромінювання є одним з основних технологічних параметрів, його ефективність багато в чому визначається генерацією випромінювання потрібної області спектра, його раціональним перерозподілом і перетворенням у реакційній зоні.

Аналіз показав, що досі немає даних, які дозволяють ефективно використовувати ступінчастий режим при варіації параметрів ступеня і паузи.

У другому розділі “Аналіз ефективності роботи ламп у ступінчастому режимі і техніка експерименту” розглянуто питання, пов'язані з підвищенням енергетичної і спектральної ефективності розрядних ламп.

Одним із шляхів підвищення ефективності джерел світла в опромінювальних установках є збільшення їх питомої електричної потужності в період експозиції. При роботі лампи в режимі беззупинного горіння це викликає значні додаткові теплові навантаження як на лампу, так і на установку в цілому, що скорочує термін служби ламп і елементів опромінювальної установки і вимагає додаткового захисту від теплових перевантажень. Збільшення ефективності випромінювання розряду без додаткових теплових навантажень може бути отримане при роботі лампи в ступінчастому режимі.

Прямим шляхом підвищення енергетичної ефективності джерел світла є збільшення їх потужності в активний технологічний період (у період експозиції) і зниження її в періоди технологічних пауз.

Таким чином, використання ступінчастого режиму потужності накладає на розряд наступні вимоги:

- відсутність “запізнювання” розпалювання розряду при переході від низького до високого рівня потужності;

- досягнення необхідних випромінювальних характеристик і їх стабільність протягом ступеня.

Підвищений режим потужності може спричиняти зниження експлуатаційних характеристик ламп, зокрема їх довговічності.

Можливі різні варіанти реалізації ступінчастому режиму залежно від виду опромінювальних установок. З метою короткочасного підвищення випромінювальних характеристик можливе накладання на режим постійного горіння однократних імпульсів струму, при цьому їх амплітуда може перевищувати номінальне значення розрядного струму в десятки разів. Використання ступінчастих режимів, особливо режиму накладання однократних імпульсів, може викликати прискорену ерозію електродів, особливо катода. Необхідно аналізувати зміну спектрального складу випромінювання й оцінювати зміну ефективності його впливу на визначені групи приймачів, тому що в деяких випадках можливе зниження впливу випромінювання. Для оптимізації режимів роботи лампи в опромінювальній установці треба знати основні закономірності динаміки впливу розряду на основні елементи лампи, термічний режим експозиційної камери, вплив випромінювання на опромінюване середовище. У першу чергу необхідно оцінити енергетичну і спектральну ефективність ламп при роботі в ступінчастому режимі, діапазони ефективної реалізації для різного типу експозиційних систем. Це можна зробити на основі дослідження електричних і оптичних характеристик у різних режимах. Для цього треба було розробити методики експериментальних досліджень і створити експериментальну установку (рис. 1), що включає в себе електричні схеми живлення ламп і виміру їх електричних параметрів. Установка забезпечує вимірювання спектральних характеристик випромінювання, фотометричних параметрів досліджуваних ламп, термічного режиму електродів.

Рис.1. Структурна схема експериментальної установки

При розробці фотолітографічної установки важливими є питання визначення параметрів оцінки ефективності дії випромінювання на фоторезист як приймача випромінювання. Основний процес при взаємодії випромінювання з фоторезистом - фотохімічна реакція.

Енергетичну ефективність застосування ступінчастого режиму визначали енергетичним ККД е, що дорівнює відношенню енергії, споживаної джерелом випромінювання під час експозиції Qек, до енергії, споживаної за цикл експозиція – пауза Qц:

е = Qек / Qц = Qек / (Qек + Qп) , (1)

де Qп – енергія, що витрачається за час паузи.

Відповідно до (1) можна записати:

е = Рек tек/ (Рек tек + Рп tп), (2)

де tек – час експозиції (робоча частина циклу); tп – час паузи (технологічно необхідний час між двома експозиціями); Рек і Рп – потужності під час експозиції і під час паузи відповідно.

Розглянемо двоступінчастий режим і вважатимемо, що як під час експозиції tек, так і під час паузи tп, потужності Рек і Рп рівні Рек = Рп і залишаються постійними в часі. У цьому випадку е дорівнюватиме:

е = tек / (tек + tп), (3)

де tц = tек + tп – час повного циклу експозиція – пауза.

Із (3) випливає, що при постійній потужності джерела випромінювання, що дорівнює, як правило, номінальній його потужності, е можна підвищити тільки за рахунок зменшення тривалості паузи, що для кожної технологічної установки є величиною постійною.

Інший шлях полягає в збільшенні потужності в період експозиції і зменшенні її в період паузи при збереженні середньої потужності. При цьому буде скорочуватися час експозиції (Qек повинне бути, у першому наближенні, постійним). Гранично досяжний при цьому енергетичний ККД буде прямувати до одиниці при Рп = 0. Але для більшості розрядних джерел випромінювання такий режим неприйнятний, тому що в період паузи з цілого ряду причин повинен зберігатися певний рівень потужності, а енергетичний ККД має визначатися за співвідношенням (2).

Оцінку спектральної ефективності випромінювання проводимо за значеннями ефективних потоків джерел для приймачів з різними функціями відносної спектральної чутливості за рівнянням

, (4)

де – нормована спектральна густина випромінювання –

З цього рівняння були здійснені розрахунки Фэф різних фоточутливих матеріалів для різних типів джерел світла зі спектрами випромінювання, що розрізняються, у номінальних режимах роботи ДРТ, ДРШ, ДНаТ, ДРГТ. Для порівняння були взяті фоточутливих матеріалів: позитивний фоторезист нафтохінон-діазид (НХД), негативний фоторезист полівінілциннамат (ПВЦ), несенсибілізована бромсрібна фотоемульсія і сенсибілізовані панхром і ортохром, а також функція . З цих даних видно, що для кожного типу фоточутливих матеріалів найбільш ефективними є випромінювання різних наведених типів джерел (рис. 2).

Рис.2. Ефективність випромінювання джерел для приймачів з різними функціями відносної спектральної чутливості

Зміна спектрального складу випромінювання у період ступені неоднаково впливає на ефективність випромінювання для фоточутливих матеріалів різних груп.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження ефективності роботи ламп у ступінчастому режимі” наведено результати відповідних досліджень.

Дослідження впливу розподілу яскравості на ефективність використання випромінювання з урахуванням оптичної системи параметрів, форми світного тіла дуги проводили на експериментальних зразках короткодугових ртутно-ксенонових ламп. Міжелектродна відстань ртутно-ксенонових ламп складала
5 мм (для трубчастих ламп форма світного тіла практично не змінюється, і використовувані відбивачі опромінювальних установок практично мають однакову ефективність при будь-яких значеннях потужності лампи).

Розподіл яскравості в окремих областях спектра, що виділені вузькосмуговими фільтрами, досліджували за допомогою яскравоміра, а також цифрової фотокамери Canon, що підвищило інформативність і вірогідність результатів досліджень. На рис. 3 наведено фотографії розряду, отримані вказаною камерою.

Рис.3. Розрядна область ртутно-ксенонової лампи (ДРШ-600):
а – номінальний режим (600Вт); б – ступінь (840Вт); в – пауза (420Вт)

Обробка цих фотографій, а також вимір яскравості за допомогою електронного помножувача (рис. 4) дали змогу одержати розподіл яскравості у відповідних областях спектра.

Рис. 4. Типовий розподіл енергетичної яскравості розряду короткодугової лампи

Приймаючи за габаритну енергетичну яскравість у досліджуваному спектральному діапазоні, площу під кривими розподілу яскравості у межах діафрагми, віднесену до площі діафрагми, за отриманими даними можна порівняти ефективність випромінювання залежно від потужності лампи в період ступеня і в номінальному режимі.

З ростом потужності ступеня середня яскравість підвищується в меншій мірі, ніж потужність при діаметрі від 1 до 3-4 мм, причому при збільшенні діаметра виділеної області вона сповільнюється, а при діаметрі більше 5 мм спостерігається навіть спад габаритної яскравості. При Рступ. 1,5 Рном вона має мінімум і далі виявляється деяке зростання.

Такий складний характер залежності обумовлений цілим рядом факторів, таких як деяке збільшення розмірів світного тіла при підвищенні потужності, а при великих значеннях діафрагми мінімум пояснюється одночасною зміною габаритної яскравості за рахунок охоплення периферійних областей і збільшення площі діафрагми. Деяке зростання яскравості в цьому випадку при збільшенні потужності для великих значень діафрагми можна пояснити деяким стягуванням розряду при великих струмах.

На рис. 5 показано залежність габаритної яскравості від діаметра виділеної ділянки для трьох значень потужності, що отримані при сталому значенні потужності лампи для трьох її рівнів (Р = 1,5 Рном; Р = Рном;
Р = 0,5 Рном).

Рис 5. Залежність габаритної яскравості від діаметра виділеної ділянки для різних значень потужності лампи ДРШ-600

При зміні потужності, що вводиться, відбувається перерозподіл випромінювання за спектром, що призводить до неоднакової зміни ефективності впливу випромінювання на фоточутливі матеріали з різною спектральною чутливістю. Тому нами були проведені дослідження спектрального розподілу випромінювання при ступінчатій зміні потужності, що підводиться до лампи. Реєстрацію випромінювання, що пройшло через монохроматор, виконували фотоелектронним помножувачем. Сигнал з ФЕП подавався на осцилограф С8-13, розгорнення променя якого було синхронізоване зі зміною довжини хвилі. Масштаб довжин хвиль складав 5 або 10 нм/см. Прив'язку шкали довжин хвиль проводили по лініях випромінювання ртуті. Оцифровку осцилограм здійснювали в програмі Graf. Обробку виконували в програмі Excel. Результати наведено на рис.6.

Рис.6. Залежності відносних змін спектральних потоків випромінювання в областях інтенсивних ліній ртуті лампи ДРШ-600 від потужності ступеня віднесених до номінальної потужності

Для одержання відносного розподілу спектральної густини випромінювання від довжини хвилі проводили градуювання чутливості тракту оптична система – монохроматор – фотопомножувач по світловимірювальній лампі зі стрічковим тілом розжарювання, відносна спектральна густина випромінювання якої була визначена з достатньою точністю (похибка не більше ±5%). Розрахунок ефективних потоків показав, що у ступінчастому режимі відносна спектральна ефективність може бути збільшена на 10-60% залежно від відносної спектральної чутливості фотоматеріалів. Розроблена методика й отримані дані дозволяють розраховувати спектральну ефективність для матеріалів з будь-якою функцією відносної спектральної ефективності, дані по якій можуть бути отримані з довідкових відомостей, або визначені експериментально за розробленою методикою.

У четвертому розділі “Дослідження ерозійних процесів в ступінчастому режимі на електродах і визначення областей ефективного використання розрядних ламп” розглянуті процеси основних елементів – електродів, у першу чергу катодів. Ці процеси призводять до параметричних відмов при зниженні необхідних характеристик випромінювання до гранично допустимого рівня або до повних відмов (підвищення напруги запалювання і перезапалювання, механічних пошкоджень або вибухів).

Динаміку ерозійних процесів протягом циклу зміни розрядного струму розглянута на основі аналізу режимів розтікання струму. У динамічному режимі прив'язка дугового розряду і характер розтікання струму мають чотири режими: режими плям, що швидко або повільно переміщуються, розподіленої плями і режим гранично високих температур катода з підвищеною швидкістю ерозії. Визначено значення питомих швидкостей ерозії в кожному з режимів розтікання струму. Розроблено методику розрахунку швидкості ерозії в різних режимах розтікання струму на основі аналізу термічного режиму. Поле збільшення температур у напівнескінченому тілі, на поверхню якого падає рівномірно розподілений потік тепла q(t),описується рівнянням:

де t - час дії потоку тепла або будь-який момент часу дії джерела тепла, а – температуропроводність, х – відстань від поверхні електрода до його осі.

Приймаючи зміни струму протягом фронтів такими, що лінійно залежать від часу, густину потоку тепла можна прийняти пропорційній силі струму

, де - коефіцієнт пропорційності, що залежить від властивостей матеріалу електрода і режиму прив'язки дуги. Величина, що стоїть перед інтегралом, визначається теплофізичними характеристиками матеріалу, які задати з достатньою точністю складно. У першому наближенні вони були прийняті для вольфраму. Такий підхід дозволяє виконати розрахунки в першому наближенні, позначивши . Константа b може бути уточнена шляхом експериментального виміру збільшення температури наприкінці циклу. Для трьох потоків тепла, дотримуючись принципу суперпозиції, рівняння для розрахунку збільшення температури можна записати в наступному вигляді:

,

де t1 – момент часу, в який визначається T.

Для встановлення поточного значення температури на передньому фронті треба використовувати перший член рівняння, у період ступеня – суму першого і другого, на задньому фронті – всі три складові. У записаному вигляді при t1 = tст рішення рівняння дасть значення температури наприкінці ступеня, тобто максимальне збільшення температури . Для визначення температури в будь-який момент часу верхню межу треба взяти відповідною. Розв’язання рівняння було проведено на ПК у програмі MathCAD.

Розрахунок Т(t) показав, що до 20-го циклу відбувається встановлення стабільного термічного режиму, тобто значення початкової і кінцевої температури однакові. Встановлено, що при струмах до 20А (рис. 7) для лампи ДРШ-600 у період ступеня і збереження середньої потужності 600 Вт температура катода в максимумі не перевищує 3300 К і режим розтікання струму не виходить за режим розподіленої плями, швидкість ерозії катода в такому режимі призводить до зниження сили світла не більше ніж на 10 - 15% за 500 год. роботи в ступінчастому режимі.

Рис. 7. Розрахункова залежність максимальної температури катоду від струму лампи ДРШ-600 та експериментальні дані

Для лампи ДРГТ-3000 зниження яскравості за 1000 год. при потужності ступеня 6000 Вт також перевищує 10 - 15%. Напилювання на оболонку продуктів ерозії призводять до зниження випромінювальних параметрів і механічної міцності, що в кінцевому рахунку обмежує довговічність ламп, спричиняючи їх параметричну і повну відмову.

Проведено визначення питомої ерозії шляхом розрахунку й експериментального дослідження термічного режиму, показано шляхи використання ламп у ступінчастому режимі. Обґрунтована методика розрахунку відносної зміни швидкості ерозії катодів. Розрахунки показали, що зниження довговічності ламп типу ДРШ-600 здійснюється переважно за рахунок ерозії електродів, що обмежує можливість зменшення тривалості ступеня нижче 0,2 с. При цьому енергетична ефективність ступінчастого режима підвищується у 1,2 рази. З урахуванням підвищення спектральної ефективності для більшості фотореагентів сумарна ефективність ступінчастого режима буде вище у 1,5 раза ніж стаціонарного режима.

ВИСНОВКИ

У роботі виконано комплексні дослідження спектральних, термічних і електричних характеристик ламп високого і надвисокого тиску (типу ДРТ, ДРГТ, ДРШ, ДНаТ) при ступінчастому режимі в широкому діапазоні зміни потужності ступеня, що дозволяє підвищити ефективність їх використання в експозиційних і фотохімічних установках, розширити області застосування.

1. Проведено аналіз даних наукової літератури про фізичні процеси і експлуатаційні характеристики ламп високого і надвисокого тиску, фотохімічні процеси і установки для їх реалізації, на основі чого визначено напрямки дослідження.

2. Розроблено методики досліджень і експериментальну установку, що забезпечує комплексні дослідження енергетичних, спектральних, термічних і електричних параметрів ламп високого і надвисокого тиску в широких діапазонах зміни потужності, тривалості ступенів і пауз.

3. Проведено експериментальні дослідження роботи ламп високої інтенсивності в ступінчастому режимі, отримано дані для визначення режимів їх ефективного використання.

4. Розроблено рекомендації з реалізації ступінчастих режимів для короткодугових ламп надвисокого тиску ДРШ-600. Показано, що відносне зростання деяких спектральних ліній може випереджати підвищення потужності і відрізняється для окремих ліній.

5. Встановлено, що спектральна ефективність випромінювання в ступінчастому режимі може бути підвищена в 1,1 – 1,6 раза залежно від світлочутливості матеріалу.

6. Визначено зміну спектра випромінювання, а також розмірів світного тіла в ступінчастому режимі в порівнянні з постійним.

7. Отримано гармонійні складові струму і напруги нелінійного споживача електроенергії (лампи ДНаТ) при східчастій зміні напруги живлення від 150 до 250В (за допомогою приладу “АНТЕС”), що складають відповідно від першої гармоніки 34-35; 20-25; 15-18% у період паузи.

8. Встановлено режими ступінчастої роботи, що не знижують довговічність ламп при зменшені тривалості ступеня до певного рівня.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Сапрыка А.В., Шепилко Е.В. Использование цилиндрической поверхности как активного излучателя // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч.- техн. сб. Вып. 2. - К.: Техніка, 1993. - С. 103-105.

2. Овчинников С.С., Рябец И.И., Сапрыка А.В. Голографический контроль механических напряжений оболочек высокоинтенсивных источников света наружного освещения // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч.- техн. сб. Вып. 3. - К.: Техніка, 1994. - С.72-75.

3. Никитченко Т.Ю., Овчинников С.С., Сапрыка А.В. Динамика термического режима электродов короткодуговых ламп наружного освещения в городском хозяйстве // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч.- техн. сб. Вып. 5. - К.: Техніка, 1996. - С.84-85.

4. Овчинников С.С., Полищук В.Н., Сапрыка А.В., Пахомов П.Л. Измерение распределения излучения устройствами на основе фотодиодной матрицы // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч.- техн. сб. Вып. 47. - К.: Техніка, 2003. - С. 249-252.

5. Овчинников С.С., Полищук В.Н., Сапрыка А.В. Расчет удельной эрозии электродов нестационарных источников излучения // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч.- техн. сб. Вып. 47. - К.: Техніка, 2003. - С.254-258.

6. Сапрыка А.В. Исследование эффективности разрядных ламп в ступенчатом режиме // Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. науч.- техн. сб. Вып. 55. - К.: Техніка, 2004. - С. 118-124.

7. Бухарин С.Л., Сапрыка А.В., Шевченко Ю.Ф. Термический режим стеклопластиковых изделий в процессе полимеризации при оптическом облучении // Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве. Тезисы докладов: 2 Респ. науч.- техн. конф. - Харьков, 1987.- С.44.

8. Волженцев В.А., Корнилов В.А., Сапрыка А.В. Голографический интерферометр с узким опорным пучком для исследования приэлектродной плазмы // Программа и аннотации докладов ХХIII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХИИКС. - Харьков: ХИИКС, 1988. - С.73.

9. Никитченко Т.Ю., Сапрыка А.В., Холодова Е.Е. Исследование динамики спада интенсивности свечения разрядных ламп при резких изменениях мощности питания // ХХVII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХГАГХ. - Харьков, 1994. - С.18-19.

10. Сапрыка А.В. Анализ динамики свечения ртутно-ксенонового разряда при резком обрыве тока // ХХVII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХГАГХ. - Харьков, 1994. - С.19.

11. Сапрыка А.В., Полищук В.Н., Овчинников С.С. Исследование времени восстановления электрической пробивной прочности разрядных ламп // ХХVII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХГАГХ. - Харьков, 1994. - С. 19.

12. Овчинников С.С., Сапрыка А.В. Структура и анализ информативных параметров качества высокоинтенсивных разрядных ламп // ХХХI науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХГАГХ. - Харьков: 2002. - С.54-55.

13. Сапрыка А.В., Овчинников С.С. Ступенчатый режим разрядных ламп // ХХХII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. - Харьков: ХНАГХ, 2004. - С. 24-25.

14. Овчинников С.С., Сапрыка А.В. Предельные нагрузки разрядных ламп при работе в ступенчатом режиме // ХХХII науч.-техн. конф. преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ. - Харьков: ХНАГХ, 2004. - С.30-31.

АНОТАЦІЯ

Саприка О.В. Підвищення ефективності роботи розрядних ламп у ступінчастому режимі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.07 – світлотехніка та джерела світла. – Харківська національна академія міського господарства, Харків, 2004.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності роботи ламп високого і надвисокого тиску в опромінювальних і освітлювальних установках. Визначені режими роботи розрядних ламп при ступінчатій зміні потужності, що значно перевищують ефективність використання установок без реконструкції експозиційних камер при збереженні достатньої довговічності джерел світла.

Здійснено порівняльний аналіз ефективності впливу випромінювання різних джерел на окремі групи приймачів.

Розроблена експериментальна опромінювальна установка для проведення дослідних робіт з вивчення впливу зміни спектрального складу випромінювання в період ступеня на реакцію приймачів випромінювання з різною спектральною чутливістю.

Проведені експериментальні і розрахункові роботи з дослідження роботи розрядних ламп у ступінчастому режимі. Експериментально визначено співвідношення ефективних потоків випромінювання короткодугових ртутно-ксенонових і трубчастих ртутно-галієвих ламп при роботі в ступінчастому режимі порівняно з постійним. Основні результати роботи отримали практичне застосування в опромінювальних установках.

Досліджено термічний режим електродів і його вплив на швидкість ерозії.

Ключові слова: ефективність, опромінювальна установка, лампи високого і надвисокого тиску, оболонка, ерозія електродів, спектр випромінювання.

АННОТАЦИЯ

Сапрыка А.В. Повышение эффективности работы разрядных ламп в ступенчатом режиме. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.07 – светотехника

и источники света. – Харьковская национальная академия городского хозяйства, Харьков, 2004 год.

Диссертация посвящена повышению эффективности работы ламп высокого и сверхвысокого давления в облучательных и осветительных установках.

Разработана экспериментальная облучательная установка для проведения исследовательских работ по изучению влияния изменения спектрального состава излучения в период ступени на реакцию приемников излучения с различной спектральной чувствительностью при работе в ступенчатом режиме.

Проведены экспериментальные и расчетные исследованиия работы разрядных ламп в ступенчатом режиме. Определены режимы работы разрядных ламп при ступенчатом изменении мощности, значительно повышающие эффективность использования установок без реконструкции экспозиционных камер при сохранении достаточной долговечности источников света. Проведен сравнительный анализ эффективности воздействия излучения различных источников на отдельные группы приемников.

Экспериментально определено соотношение эффективных потоков излучения короткодуговых ртутно-ксеноновых и трубчатых ртутно-галливых ламп при работе в ступенчатом режиме по сравнению с постоянным. Исследование яркостных характеристик разряда фотоэлектрическими методами и цифровой фотографии показало, что спектральная эффективность излучения в ступенчатом режиме может быть повышена в 1,1- 1,6 раза в зависимости от светочувствительности материала. Область разряда с максимальной энергетической яркостью сосредоточена вблизи катода, а величины габаритной яркости в прикатодной области с диаметром 1мм выше габаритной яркости области такого же размера - в центре межэлектродной области, При увеличении мощности ступени до двукратной от номинальной происходит увеличение габаритной яркости в 1,9 раза в центральной области дуги.

Основные результаты работы получили практическое применение в облучательных установках. Теоретически и экспериментально исследованы термический режим электродов и его влияние на скорость эрозии. При значительных температурах может наблюдаться существенное повышение средней удельной эрозии. Определены предельные режимы работы.

Ступенчатый режим ограничен снизу режимами, в которых температура катода становится недостаточной для формирования распределенного пятна, а сверху – режимами, при которых начинается увеличение скорости эрозии катода.

Ключевые слова: эффективность, облучательная установка, лампы высокого и сверхвысокого давления, оболочка, эрозия электродов, спектр излучения.

ABSTRACT

Sapryka A.V. The increase in the discharged lamps efficiency in a step mode. – The manuscript.

The thesis for the candidate’s degree on a specialty 05.09.07 – Lighting Engineering and Sources of Light. – Kharkiv National Academy of Municipal Economy, Kharkiv, 2004.

The thesis presented is concerned with the increase in the efficiency of high and ultrahigh pressure lamps in radiating and lighting installations. The discharged lamps operation modes considerably raising the installations efficiency without exposure chambers reconstruction, with the sufficient light sources durability provided, have been determined at the capacity step change. The comparative analysis of the efficiency of the light sources radiation influence on the particular types of receivers is provided.

The experimental radiating installation for the research of radiation spectral structure influence on the reaction of the receivers with different spectral sensibility during the step period has been developed.

The experimental and calculating work on the discharged lamps operation in the step mode has been conducted.

The correlation of the effective radiation flows of the short – arc mercury – xenon and tubular mercury – gallium lamps in the step and constant modes has been experimentally determined. The basic results of work have found practical application in radiating installations. The electrodes thermal mode and its influence on the erosion speed have been investigated.

Key words: efficiency, radiating installation, high and ultrahigh pressure, coating, electrodes erosion, spectrum of radiation.