Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время метод обеззараживания воздуха, воды и поверхностей при помощи ультрафиолетового (УФ) излучения становится одним из основных. Основными его достоинствами по сравнению с окислительными технологиями является способность инактивировать многие микроорганизмы, против которых неэффективны стандартные реагенты, и отсутствие побочных продуктов химических реакций. Бактерицидным эффектом обладает излучение с длиной волны от 205 до 315 нм, максимум чувствительности микроорганизмов к воздействию УФ приходится на диапазон 250-270 нм. Одним из важных и динамично развивающихся применений УФ технологии является обеззараживание питьевой и сточной воды. Для УФ обеззараживания воды на крупных станциях требуются источники УФ излучения с погонной мощностью 150-400 Вт/м при КПД генерации 35-40 % и полезном сроке службы 12-16 тыс. ч.
Для генерации бактерицидного УФ излучения используют электрический разряд в парах ртути с резонансными переходами 254 и 185 нм. Наиболее высокий КПД (около 40%) генерации линии 254 нм можно получить при использовании дугового разряда низкого давления в парах ртути (5-10 мторр) и инертных газах с давлением несколько торр. Такие давления насыщенных паров ртути возможны при температуре стенок колбы около 40-45 С при погонной мощности разряда не более 70 Вт/м, поэтому для стабилизации давления паров ртути при более высоких мощностях можно вместо чистого металла использовать сплав ртути - амальгаму. Увеличить мощность амальгамной лампы низкого давления путем увеличения разрядного тока и снижения давления газовой смеси не удается из-за снижения КДП генерации УФ излучения и резкого уменьшения ее ресурса. Литературные данные о свойствах дугового разряда низкого давления при погонных мощностях выше 200 Вт/м, а также о механизмах и процессах, определяющих ресурс амальгамных ламп низкого давления, фактически отсутствуют.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является исследование способов повышения мощности и ресурса источников УФ излучения с дугой низкого давления в парах ртути и инертных газах с сохранением высокого КПД и создание лампы с погонной мощностью не менее 220 Вт/м, с КПД на длине волны 254 нм не менее 38 % и полезным сроком службы не менее 16 тыс. ч.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
Провести экспериментальные исследования зависимостей мощности УФ излучения и КПД генерации от разрядного тока, диаметра разрядной трубки, газового наполнения, давления газа.
Провести экспериментальные исследование путей повышения мощности разряда при сохранении высокого КПД генерации бактерицидного УФ излучения.
3. Определить основные факторы, влияющие на полезный срок службы
амальгамных ламп низкого давления, и предложить способы увеличения ресурса.
4. Разработать рекомендации для создания лампы с погонной мощностью не
менее 220 Вт/м, с КПД УФ излучения 254 нм не менее 38 % и полезным сроком
службы не менее 16 тыс. ч. при спаде мощности УФ излучения не более 15 %.
Изготовить опытную партию ламп.
Научная новизна. Получены экспериментальные данные о свойствах дугового разряда низкого давления в парах ртути и инертных газах при давлениях до 0,3-1,2 торр при плотностях тока до 5.5 А/см2. Показано, что увеличение площади внутренней поверхности разрядных трубок и изменение формы сечения разряда может приводить к увеличению мощности без значительных потерь в КПД. Предложена конструкция разрядной колбы с увеличенной площадью внутренней поверхности для увеличения мощности УФ излучения.
Получено, что при помощи полей постоянных магнитов возможно увеличение мощности УФ излучения разряда без существенных потерь в суммарном КПД. Обнаружено, что при помощи магнитов можно изменять диаграмму направленности излучения, увеличивая мощность излучения по заданным направлениям вокруг разрядной трубки
Разработаны и экспериментально проверены методики оценки эффективности защитных покрытий без проведения длительных ресурсных испытаний ламп.
Показано, что под воздействием плазмы дугового разряда низкого давления происходит изменение рельефа поверхности незащищенного кварца и возрастает ее суммарная площадь. Ионы ртути взаимодействуют с кварцевой стенкой и частично связываются с ней, в результате чего возрастает поглощение резонансного УФ излучения и происходит спад мощности УФ излучения. Защитное покрытие предохраняет кварц от взаимодействия с ионами плазмы.
Показано, что спад мощности УФ излучения определяется свойствами защитного слоя. Он должен быть сплошным, обладать достаточной толщиной и состоять из молекул с высокими энергиями разложения. При этом толщина слоя не должна быть настолько велика, чтобы в нем поглощалось существенная часть полезного УФ излучения. Предложены защитные покрытия, обеспечивающие спад мощности УФ излучения не более 15 % после 16 тыс. ч. работы лампы при погонных мощностях 220 Вт/м.
Разработан источник с длиной разрядного промежутка 145 см, электрической мощностью 325 Вт, мощностью УФ излучения 125 Вт, КПД - 38 %, с разрядным током 3.2 А, сроком службы 16 тыс. ч. при спаде мощности УФ излучения на 15 %.
Практическая и научная ценность. Полученные в работе результаты могут быть использованы для разработки амальгамных ламп низкого давления с погонной мощностью 200-400 Вт/м, а также для конструирования установок обеззараживания
с использованием данных источников УФ излучения. Полученные результаты могут быть применены для анализа процессов в плазме дугового разряда низкого давления с высокой плотностью тока. Предложенные защитные покрытия могут быть использованы в различных разрядных устройствах для защиты поверхности от прямого воздействия плазмы разряда.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанный источник УФ излучения мощностью 320 Вт серийно выпускается ЗАО «ЛИТ» и широко применяется в установках для обеззараживания воды, воздуха и поверхностей. К настоящему времени произведено более 150 тыс. таких ламп. Технические решения защищены 3 патентами. Модификация лампы по патенту РФ № 2378736 «Газоразрядная лампа низкого давления» также производится серийно и устанавливается в модули обеззараживания воздуха в ж/д вагонах.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
Экспериментальные результаты о свойствах дугового разряда низкого давления в парах ртути и смеси неон-аргон при пониженных давлениях 0.3-1.2 торр с диаметром плазменного столба 11,6-29 мм с плотностью разрядного тока 0.2-5.5 А/см2. Показано, что для каждого диаметра разрядной трубки, газового наполнения и давления смеси существует оптимальный разрядный ток, когда соотношение мощности УФ излучения и КПД лампы максимально.
Технические решения, позволяющие увеличить мощность амальгамных ламп низкого давления путем применения развитой внутренней поверхности и сильных магнитных полей постоянных магнитов.
Методики ускоренной оценки эффективности защитных покрытий без проведения длительных ресурсных испытаний.
Защитные покрытия, обеспечивающие спад мощности УФ излучения не более 15 % после 16 тыс. ч. работы лампы при погонных мощностях 220 Вт/м. Показано, что при воздействии разрядной плазмы на кварцевую стенку трубки происходит увеличение средних размеров неровностей и рельефа ее поверхности, что интенсифицирует взаимодействие разрядной плазмы с поверхностью. Спад мощности УФ излучения определяется свойствами защитного слоя. Он должен быть сплошным, обладать достаточной толщиной и состоять из молекул с высокими энергиями разложения.
5. Амальгамная лампа низкого давления электрической мощностью 325 Вт, длиной 145 см, КПД 38 %, со сроком службы 16 тыс. ч при спаде мощности УФ излучения 15 %.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 4-й международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново 2005); IV Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала 2006);
Всероссийская конференция «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск 2007); V международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург 2008); V Всероссийская конференция «Физическая электроника» (Махачкала 2008); VI Российский семинар «Современные свойства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва МИФИ 2008); 14th International Conference on Thin Films & Reactive Sputter Deposition (Gent Belgium 2008), научные семинары ЗАО «ЛИТ».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 147 страницах текста, включая 128 рисунок, 19 таблиц и список литературы, насчитывающий 179 наименований.
