УДК 004.2: Байнева И.И., Байнев В.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОЛЬФРАМО-ГАЛОГЕННОГО ЦИКЛА
advertisement
УДК 004.2:543:621.326 Байнева И.И., Байнев В.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОЛЬФРАМО-ГАЛОГЕННОГО ЦИКЛА В ГАЛОГЕННЫХ ЛАМПАХ НАКАЛИВАНИЯ Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева В данном докладе рассматривается модель и результаты апробации программного обеспечения для исследований влияния рода и давления галогенной добавки и наполняющего инертного газа на организацию эффективного вольфрамо-галогенного цикла в галогенных лампах накаливания. Ключевые слова: галоген, цикл, лампа, термодинамическое моделирование, программа, галогеносодержащая добавка, вольфрам, тело накала, реакция, давление, фаза, инертный газ. На сегодняшний день лидерами светотехнического рынка по производству источников света являются такие известные фирмы как OSRAM, PHILIPS, GENERAL ELECTRIC, SYLVANIA, NAVIGATOR, HELVAR, ERA, NARVA. И здесь все больший объем занимают галогенные лампы накаливания (ГЛН), переживающие свое второе рождение. Во многом это связано с запретом Евросоюза на использование и реализацию ламп накаливания мощностью более 100 Вт. Ведь применение ГЛН позволяет существенно уменьшить потребление электроэнергии, поскольку, оставаясь, по сути, той же лампой накаливания, галогенная лампа на 20-50% эффективнее. Природа галогена оказывает существенное влияние на работу ГЛН. В зависимости от типа галогена, количества галогеносодержащей добавки и примесных соединений в лампе возникают различные циклы транспорта вольфрама, которые имеют порой противоположные направления переноса вольфрама по температурному градиенту, в сторону как увеличения, так и уменьшения температуры. Отметим также, что физико-химические процессы, происходящие в ГЛН, очень сложны, связаны с условиями термодинамического и термохимического равновесия, и на сегодняшний день нет общепризнанного обобщающего изложения теории галогенных циклов, которые осложняются многочисленными газовыми выделениями из кварца, вольфрама и материалов других деталей ламп. Поэтому выбор состава и давления наполняющей газовой смеси в ГЛН – задача многофакторная и сложная. В связи с этим целью данной работы явилось термодинамическое исследование химических процессов в ГЛН с различными галогеносодержащими добавками, а также поиск новых галогеносодержащих веществ с целью повышения эффективности работы ГЛН. Вольфрамо-галогенные циклы возможны при использовании в качестве транспортирующего средства (переносчика) любого из четырех галогенов – йода, брома, хлора, фтора. В первую очередь образуются две системы реакций: вольфрам-кислород и вольфрам-галоген. Далее могут образоваться системы вольфрам-кислородгалоген, в которые может проникнуть водород с образованием галогеноводородного соединения и воды. Одновременно в реакцию может вступить и углерод с образованием галогеноуглеводородных соединений, окиси углерода и углеводородов. Галогенные циклы из-за высокой температуры внутри лампы и высокой реактивности галогенов обладают чрезвычайной чувствительностью к посторонним примесям. Возникающие различные переносные циклы имеют порой противоположные действия. Направление переноса вольфрама по температурному градиенту в сторону как увеличения, так и уменьшения температуры, зависит от рода и состава газов, с которыми он реагирует. Для решения поставленных задач был использован метод термодинамического моделирования, который позволяет получить ценную информацию о возможности направленности процессов в ГЛН, об оптимальном соотношении галогеносодержащей добавки и наполняющего газа. Проанализировать и дать прогноз работы лампы можно с помощью химической термодинамики, основной задачей которой является расчет химических равновесий с помощью математического аппарата. Эти равновесия определяются соотношением концентраций или парциальных давлений исходных веществ и продуктов реакции. Заключение о направленности переноса может быть сделано на основании сопоставления величин парциальных давлений вольфрама и его соединений у стенок колб и тела накала. Наиболее общим параметром, определяющим состояние термодинамического равновесия, является максимум энтропии изолированной системы, который положен в основу расчета парциальных давлений компонентов [1]. Практическая реализация общего метода в данной конкретной задаче приводит к сложным нелинейным системам уравнений высокого порядка, для решения которых используются численные методы. Разработанный алгоритм позволяет выполнять расчет равновесных парциальных давлений при произвольном наборе химических элементов и компонентов, образующих рабочую систему. Известна программа расчета параметров равновесных состояний многокомпонентных термодинамических систем [1], написанная на алгоритмическом языке ФОРТРАН IV применительно к ЕС ЭВМ. Однако, программные технологии не стоят на месте, появилось множество других более совершенных языков и программных систем, которые позволяют создавать рабочие окна в более доступном диалоговом режиме при работе на ПК, чем в случае с ЕС ЭВМ. Используя программу, написанную на данном математическом обосновании в среде объектно-ориентированного программирования Delphi, проведены расчѐты для рабочей системы, состоящей из 16 элементов в широком диапазоне давлений и температур. Были проведены исследования влияния природы и числа атомов галогена в составе моногалогенной добавки на эффективность транспортных реакций в ГЛН. Изменение соотношения водорода и галогена непосредственно в соединении галогенной добавки в некоторой степени равносильно изменению соотношения между наполняющим газом и галогенной добавкой, фактически увеличивается доля того или иного реагента. Поэтому было проведено исследование систем W-Xe-CHnXm при изменении числа атомов галогена от единицы до четырех при различном соотношении наполняющего газа и галогенной добавки в температурном диапазоне 298÷4000 К. На основании проведенных исследований были сделаны выводы о нецелесообразности применения йод-, фтор- и хлорсодержащих соединений для очищения стенок колбы ГЛН от испаряющегося с раскаленного тела накала вольфрама. Поэтому не вдаваясь в подробности этих расчетов более подробно остановимся на бромсодержащих системах, которые широко используются на практике и признаны наиболее пригодными для организации вольфрамогалогенного цикла [2-3]. Давление в рабочем объеме лампы накаливания варьировалось в интервале от 2 до 14 атм. Анализ полученных результатов позволяет заключить, что изменение давления внутри лампы не оказывает существенного влияния на состав реакционной смеси. Увеличение общего давления приводит лишь к возрастанию парциальных давлений компонентов системы с сохранением всех температурных зависимостей. В связи с этим, все последующие расчеты проведены при давлении 14 атм, что соответствует среднему рабочему давлению в лампе. Была исследована зависимость суммарного парциального давления ΣРW галогенидов вольфрама от температуры. При подсчете ΣРW учитывалось давление всех галогенидов вольфрама и газообразного вольфрама (рисунок 1). Рис.1. Зависимость суммарного парциального давления соединений вольфрама ΣРW от температуры в системе W-Xe-CH2Br2; [Xe]:[CH2Br2] = 2000:Х; Х = 0,9 (1), Х = 4,5 (2), Х= 9 (3), Х=18 (4), Х=36 (5), Х= 90 (6); р = 14 атм. Изменение относительного содержания галогенной добавки и ксенона оказывает влияние как на характер изучаемых зависимостей, так и на значение температуры, относительного отвечающее количества минимуму этой зависимости. галогенной добавки Увеличение способствует переносу вольфрама от стенок колбы, при этом точки минимума на кривых ΣPW = f(T) смещаются в область более высоких температур. Эта особенность отмечена также другими авторами при экспериментальном исследовании галогенных ламп с различным давлением инертного газа и СН2Вr2 [4]. Было изучено влияние кислорода, содержание которого варьировалось по отношению к СН2Вr2 0,1:1; 1:1; 10:1. Парциальные давления галогенидов вольфрама в системе [СН2Вr2]:[О2]=1:0,1 почти не изменяются по сравнению с бескислородным вариантом. На рисунке 2 представлены суммарные парциальные давления вольфрамосодержащих соединений с изменением температуры при различных соотношениях галогенной добавки и кислорода. Из рисунка видно, что транспорт вольфрама от стенок колбы на тело накала возможен только в случае незначительного количества кислорода (кривая 1, рисунок 2). Увеличение относительного содержания кислорода приводит к повышению суммарного парциального давления вольфрамосодержащих соединений (кривые 2 и 3, рисунок 2), что связано с образованием различных оксидов вольфрама: WO, WO2, WO3, W2O6, W3O8, W4О12. Таким образом, введение кислорода в систему W-Xe-СН2Вr2 оказывает существенное влияние на перенос вольфрама, поэтому допустимым является присутствие лишь его незначительного количества. Рис. 2. Зависимость суммарного парциального давления галогенидов ΣРГ и оксигалогенидов ΣРокс вольфрама от температуры в системе W-XeСН2Вr2-O2; [Хе]:[СН2Вr2]=2000:9; [СН2Вr2]:[O2]=1:0,1 (ΣРW (1), ΣРГ (1'), ΣРокс (1'')); 1:1 (ΣРW (2), ΣРГ (2'), ΣРокс (2'')); 1:10 (ΣРW (3), ΣРГ (3'), ΣРокс (3'')); р=14 атм. Далее представилось целесообразным исследовать влияние увеличения числа атомов брома на процессы в ГЛН. В связи с этим в качестве галогеносодержащих добавок были изучены СНВr3 и СВr4. На рисунке 3 представлены зависимости ΣРW =f(T) для бромных соединений с ксеноном (2000÷9) при давлении 14 атм. Рис.3. Зависимость суммарного парциального давления галогенидов вольфрама ΣРW от температуры в системах W-Xe-СН3Вr (1), W-Xe-СН2Вr2 (2), W-Xe-СНВr3 (3), W-Xe-СВr4 (4); [Xe]:[галогенная добавка] = 2000:9, р=14 атм. Как видно из рисунка, все кривые имеют максимальные значения парциальных давлений при температуре 500÷1200 К, что соответствует температуре стенок колбы, и минимальные значения – в области высоких температур. Наблюдается смещение минимальных значений парциальных давлений в сторону повышения температуры с увеличением числа атомов брома в галогенной добавке. Перепад ΣРW в интервале 500÷3000 К имеет наибольшее значение для СНВr3 и СВr4. На основании всего вышесказанного можно предположить, что увеличение числа атомов брома в галогенной добавке оказывает положительное влияние на вольфрамо-галогенный цикл. Подтверждением адекватности разработанного программного обеспечения и выбора исходных величин явились результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных, для чего были изготовлены галогенные лампы типа АКГ12-55-1 с добавкой СВr4. Испытания проводились на обеспечение чистоты внутренней поверхности колбы и продолжительность горения. Все лампы выдержали испытания согласно требованиям ТУ на лампы на продолжительность горения. Отказов по причине почернения колб не наблюдалось. У большинства ламп (более 90%) спад светового потока был меньше, чем у серийных ламп с СН2Вr2. Литература: 1. Синярев Г.Б., Ватолин В.А., Трусов В.Т., Моисеев Г.К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. –М. : Наука. 1982, – 262 с. 2. Абрамян А.А., Тумасян Б.А. // Журн. Светотехника. 1969. №7. С. 25. 3. T'Jampens G. // Rev. gén. élec. 1966. №7. P. 990. 4. Yannopoulos L.N., Pebler A. // J. Illum. Eng. Soc. 1971. Vol.1. №1. P.21.
