關(guān)于臭氧用的低壓汞齊燈特性分析

Michiel Van der Meer（飛利浦照明）、Fred van Lierop（LSI/Lighttech）、Dmitry Sokolov（LIT）

在過(guò)去的 10-15 年中，用于水、空氣和表面消毒的紫外線設(shè)備制造商的市場(chǎng)以及紫外線消毒技術(shù)取得了重大進(jìn)展?？梢哉f(shuō)，UV設(shè)備制造商市場(chǎng)已經(jīng)形成，主要參與者有Trojan（加拿大）、Wedeco Xylem（美國(guó)德國(guó)）、LIT Technology（俄羅斯/德國(guó)）、Calgon Carbon（美國(guó)）、HALMA Fluid Technology Group等其他。

紫外技術(shù)的快速發(fā)展在很大程度上是由于成功開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為 254 nm 的輻照源技術(shù)——一種低壓汞合金燈。我們還記得，即使在 10 年前，主要的輻射源還是功率高達(dá) 100 W 的燈，通常由所謂的軟玻璃制成。還有類似的由石英玻璃制成的汞燈，我們稱之為標(biāo)準(zhǔn)低壓汞燈。正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)已經(jīng)使功率為 200、300、500 甚至 900 W 的新光源投入使用。它們通過(guò)很大限度地降低紫外線系統(tǒng)的成本來(lái)顯著降低資本支出，這些紫外線系統(tǒng)現(xiàn)在配備的燈單元數(shù)量較少但維護(hù)消毒程度與水流量相同?，F(xiàn)代低壓汞合金燈的生產(chǎn)商是 Heraeus Noblelight（德國(guó)）、LSI/Lighttech（美國(guó)/匈牙利）、Philips Lighting（比利時(shí)/中國(guó)）、LIT（俄羅斯）、Wedeco Xylem（德國(guó)）、UVTechnik/Hoenle group（德國(guó)） )、First Light (美國(guó)) 等。

本文的目的是展示一些燈參數(shù)（例如壓力或氣體成分）如何影響現(xiàn)代低壓汞合金燈的工作。哪些能夠改變汞合金燈的有效性？這種改變的范圍是多少？燈的很大可達(dá)到效率在哪里？該參數(shù)如何影響整個(gè)水或空氣消毒系統(tǒng)的能源效率？

任何 UV 系統(tǒng)的“心臟”都是 UV 源，本文專門討論常見(jiàn)和知名的 UV 源——低壓汞合金燈。什么是汞合金燈？通常用于消毒的低壓汞燈和汞齊燈中的紫外線源是汞和惰性氣體蒸汽中的低壓電弧放電。它們的區(qū)別僅在于汞蒸氣的來(lái)源——汞燈使用少量液態(tài)金屬汞，而汞齊燈則依賴于汞齊，這是一種汞與金屬的硬合金。汞蒸氣的很佳汞蒸氣壓力為 0.8-1.5 Pa，惰性氣體（主要是氖氣或氬氣或其混合物）為 50-500 Pa。在這種條件下，30-40% 的放電燈功率在汞共振線處轉(zhuǎn)化為紫外線輻射，波長(zhǎng)為 253.7 nm，非常接近殺菌曲線的很大值。

輻照光譜是線性的（見(jiàn)圖 1）。所有放電輻射的 90-98% 是波長(zhǎng)為 185 和 254 nm 的紫外線輻射。

值得注意的是，不同燈具生產(chǎn)商的燈具特性往往非常相似。例如，UV3000+、XPT235、DB300、UVI260、GPHVA1554T6 等常見(jiàn)和知名的 300W 燈管的比較表明，燈管電流、功率和效率 UV 輸出的值非常相似。確實(shí)，燈電流從 1.8 到 2.0A 變化，UV 功率 - 從 87 到 95 W，電功率 - 從 230 到 260 W。因此，我們可以得出結(jié)論，這些 UV 源的效率幾乎相同 - 35 -38%。

當(dāng)功率和工作燈電流上升時(shí)，特性會(huì)發(fā)生變化。今天的手術(shù)燈特點(diǎn)如下：

功率——高達(dá) 1 kW；

燈泡壽命 – 12000-16000 小時(shí)；

紫外線輸出在燈泡壽命結(jié)束時(shí)下降 - 10-15%。

由于紫外線輸出、光源效率、燈泡壽命、操作期間紫外線輸出下降等重要參數(shù)對(duì)客戶至關(guān)重要，并且經(jīng)常在紫外線供應(yīng)的招標(biāo)要求中指定，因此許多照明公司積極相互合作并共享有關(guān)燈參數(shù)的技術(shù)信息設(shè)備。

幾乎所有上述公司都是 IUVA 成員，他們都為低壓汞合金燈 [1] 的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議做出了貢獻(xiàn)，該協(xié)議基于所謂的循環(huán)測(cè)試。這加強(qiáng)了公司之間的合作，促進(jìn)了更好的信息交流。

重要的是要注意，減少/維護(hù)或延長(zhǎng)燈泡壽命是可行的任務(wù)，因?yàn)樗鼈兪钦彰鞴こ處煹募夹g(shù)任務(wù)。仍然存在的問(wèn)題是燈效率。

對(duì)于執(zhí)業(yè)工程師來(lái)說(shuō)，理想的紫外線燈是什么？我們可以想象一個(gè)暗眼石英管，燈管的溫度接近室溫。

這種燈中提供的 100% 的能量將轉(zhuǎn)化為不可見(jiàn)的紫外線照射。當(dāng)然這是不可能的，因?yàn)槠渌^(guò)程會(huì)造成損失，例如熱、電離和近電極損失、其他線路的輻射損失（包括可見(jiàn)光）。 35-38%的值是大還是小？

與其他光源的比較證明這是一個(gè)非常高的效率，這是大自然幫助我們的那些非常落后的情況之一，因?yàn)?254 nm 線接近殺菌曲線的很大效率。該 UV 區(qū)域的替代方案可以是具有相應(yīng)磷光體的氙準(zhǔn)分子源。它們的效率僅為 10-20%（很佳尺寸和功率高達(dá) 100W）[6]。另一種選擇是波長(zhǎng)為 260-270 nm 的發(fā)光二極管。但它們的電流效率不超過(guò) 3%。 [7]

讓我們簡(jiǎn)要了解影響低壓汞合金燈效率的因素。

就燈中發(fā)生的物理過(guò)程而言，有以下影響因素：

-燈電流（及其頻率）；

-燈管直徑；

- 管壁厚度；

-管涂層；

- 壓載氣體的填充和壓力；

-汞的同位素化合物；

我們認(rèn)為，沒(méi)有必要詳述影響 254 nm 紫外輸出的各種氣體放電的物理方面，因此，我們將只關(guān)注要點(diǎn)。