Анализ искусственных источников ультрафиолетового излучения

Наиболее распространенными искусственными источниками ультрафиолетовых лучей являются ртутно-кварцевые лампы ДРТ, а также эритемные люминесцентные лампы ЭУВ-15 и ЭУВ-30, бактерицидные лампы БУВ-15 и БУВ-30 и ртутно-вольфрамовые эритемно-осветительные лампы РВЭ-350.

Эритемные люминесцентные лампы ЭУВ генерируют излучение в области длин волн 280…315 нм (зона В), обладающее сильным эритемным и антирахитными действиями. Коротковолновые излучения в их спектре отсутствуют. Они представляют собой газоразрядные лампы низкого давления с самоклеющимися оксидными электродами. Эритемное УФИ создается тонким слоем люминофора – фосфата кальция, активированного таллием, нанесенного на внутреннюю поверхность трубки и возбуждаемого коротковолновым УФ излучением ртутного разряда.

При понижении напряжения на 10%, температуре ниже +5⁰ лампы могут не зажигаться [64]. Оптимальная температура для работы ламп – 15-18⁰. При отклонении температуры от оптимальной облученность, создаваемая лампой, уменьшается. Поэтому в холодных животноводческих применяется комбинированная схема включения эритемных ламп с лампами накаливания. Излучаемое лампой накаливания тепло создает нормальные условия для работы эритемной лампы.

Бактерицидные лампы БУВ излучают в основном коротковолновые УФ лучи области С, оказывающие сильное бактерицидное действие. По конструктивному выполнению и по схемам включения они идентичны эритемным лампам, но выполнены из другого увиолевого стекла. Стенки трубок люминофором не

покрыты. Стекло их легко пропускает УФ лучи с длиной волны в 254 нм. Средний срок службы бактерицидных ламп 1500 ч [8].

Ртутно-вольфрамовые эритемно-осветительные лампы РВЭ-350 представляют собой соединение в одной колбе, заполненной азотом ртутной лампы сверхвысокого давления и лампы накаливания [8]. Матированная колба выполнена из увиолевого стекла. Поэтому поток лампы содержит значительное количество излучений в зоне В, которое оказывает сильное эритемное воздействие.

Кроме УФИ, лампа генерирует световой и тепловой потоки, представляющие ценность для сельскохозяйственного производства. При эксплуатации она не требует никаких дополнительных устройств. Недостатком этой лампы является ее большая мощность и неравномерность распределения эритемной облученности по площади. Эти лампы предназначены для работы на переменном токе. Лампы допускают колебание напряжения не свыше 10-15% [64]. Повторное зажигание лампы возможно только после её полного остывания. Срок службы лампы 300 – 500 часов [8].

Прямые ртутно-кварцевые лампы ДРТ генерируют самый мощный поток УФИ среди известных источников излучения с длиной волны от 240 нм до границ видимого спектра [8], захватывая в основном области А и В. Поэтому они и применяются с профилактической и лечебной целями в животноводческих помещениях.

Лампы ДРТ в основном питают от сетей переменного тока, но их можно запитать и от сетей постоянного тока по особым схемам со специальными приборами. Принципиальная схема включения лампы ДРТ в сеть переменного тока представлена на рисунке 5.2.3.

Лампа обладает падающей вольт-амперной характеристикой, и для устойчивой работы она должна быть подключена к сети последовательно с балластным

сопротивлением – дросселем. Последовательно с дросселем для ограничения возможного толчка в первый момент после включения лампы включают активное сопротивление. Для облегчения зажигания в схему вводится конденсатор С₁.

а жигание лампы достигается непосредственным замыканием рубильника сети или прерывистым замыканием и размыканием цепи конденсатора С₁ кнопкой SB. При этом возникают импульсы повышенного напряжения между пластинкой из фольги и электродами и на электродах, которые обеспечивают ионизацию аргона. Присутствие в трубке аргона способствует более легкому зажиганию разряда в первый момент включения её в сеть. Рабочий режим ламп устанавливается через 8–15 минут после включения их в сеть при достижении установившегося теплового режима [64].

При номинальной работе ртутно-кварцевых ламп трубка лампы разогревается докрасна и давление паров ртути внутри лампы достигает 1 атмосферы. Максимум излучения при этом приходится на спектральную линию 365 нм области А.

При искусственном охлаждении, например вентилятором, ток лампы возрастает. Напряжение при этом на лампе снижается, температура трубки и давление паров внутри трубки снижаются, а максимум УФИ перемещается в область коротковолновых излучений к линии 253,7 нм области В [8].

Повторное зажигание лампы возможно только после её остывания, то есть через 5-10 минут [10]. Ртутно-кварцевая лампа устанавливается, обычно, в специальной арматуре, обеспечивающей нормальный температурный режим работы лампы и направляющей поток излучения в сторону облучаемого объекта.

Колебания напряжения в сети влияют на работу ламп. При снижении напряжения на 10% и более лампы могут не зажигаться [8]. Срок службы ламп ДРТ и некоторые другие технические характеристики приведены в таблице 5.2.1.

Анализируя данные из этой таблицы и на основании литературы [8,10] мы для ультрафиолетового облучения животных в коровнике выбрали лампу типа ДРТ (дуговая ртутная трубчатая), так как она является самым мощным искусственным

источником УФИ. В работе используется лампы ДРТ мощностью 400 Вт, так как она имеет самый максимальный срок службы из этого типа ламп.

Таблица 5.2.1. - Технические данные ламп ДРТ [10]

Тип лампы	Мощность, Вт	Напряжение на лампе, В	Ток, А	Световой поток, клм	Эритемный поток, мэр	Бактерицидный поток, б	Срок службы, ч	Диаметр, мм	Длина, мм
ДРТ-230 ДРТ-400 ДРТ-1000			3,8 3,25 7,5	4,4 7,9 33,0		6,2 10,5 39,5

Наиболее эффективно применение лампы ДРТ-400 в облучательной установке УО-4М

Для нашего помещения подходит УО-4М. Тип источника - лампа ДРТ-400, количество источников в установке 4 шт. Мощность, потребляемая из сети 2 кВт, размеры облучателя 714 446 65. Максимальная длина обслуживаемого помещения 90 м. Скорость перемещения 0,005 ^м/_с.

Расчет дозы облучения

Действие УФИ на живые организмы в зависимости от его качества и количества может быть благотворным, угнетающим или губительным. Количество облучения меньше рекомендованной дозы экономически не эффективно, переоблучение также наносит ущерб, так как снижает продуктивность.

УФИ – мощный фактор, воздействующий на самые тонкие процессы жизнедеятельности живых организмов, поэтому дозы облучения нужно обязательно выдерживать [10].

Продолжительность облучения подлежит расчету на основании конкретных исходных данных: типов источников излучения и облучателя, расстояния от облучателя до объекта облучения, потока излучения источника или результатов

измерений облученности на расчетной поверхности [10].

Следует иметь в виду, что на источник излучения воздействуют отклонения напряжения питающей сети и множество факторов окружающей среды. Анализ

литературы свидетельствует, что существенное влияние на поток излучения газоразрядных ламп оказывает температура окружающего воздуха. Наибольший поток этих ламп наблюдается при температуре воздуха около 20⁰С. При повышении температуры до 35⁰С или понижения до 7⁰С поток излучения уменьшается на 13…15% [10].

Отрицательное воздействие на поток излучения оказывает запыленность помещения. Агротехнические требования предписывают очищать источник и облучатели от пыли не реже одного раза в месяц, однако и в этом случае поток излучения периодически снижается за счет запыления на 25…30% [10].

Снижение потока излучения на протяжении срока службы источников характерно для газоразрядных ламп как низкого, так и высокого давления. Лампы ДРТ 400 за 1000 часов горения снижают поток излучения до 50% от начального [10].

При отклонениях напряжения поток излучения источников также меняется. В связи с этим при снижении напряжения сети на 10% продолжительность облучения следует увеличивать на 20…40% [10].

При совместном действии указанных факторов поток излучения источников может уменьшаться до 30% от первоначального, а количество облучения, полученное объектом при соблюдении времени облучения, указанного в литературе, может составить лишь треть от предписанной дозы облучения. В этом случае продуктивность облучаемых объектов не только не достигнет ожидаемых результатов, но и уменьшится.

Учесть отклонения напряжения и каждого фактора окружающей среды в отдельности невозможно, так как для этого необходимо установить в установке комплект измерительных приборов для контроля температуры воздуха, запыленности и т.д. Существенное усложнение методики определения продолжительности облучения само по себе может послужить источником дополнительных ошибок в дозировании облучения. Наибольшая точность дозирования УФИ достижима при использовании ОУ с автоматическими системами управления (АСУ). Примем α_к=60°.

3,4 Расчет облучательной установки

Рассчитать облучательную установку для коровника на 200 голов привязно-выгульного содержания. Коровы содержатся в стойлах площадью 1,2×2 м². Коровник четырехрядный с двумя кормовыми и четырьмя навозными проходами. Размеры помещения для коров 18×72 м², высота по оси 5 м, высота стен 3 м.

При стойловом содержании применяют подвижную облучательную установку типа УО-4М. Поскольку для одной такой установки наибольшая длина обслуживаемого помещения равна 90 м, то в коровнике следует использовать две установки, каждая из которых будет облучать два соседних ряда коров в стойлах по всей длине помещения.

Допускаем, что пространственное распределение эритемного потока под облучателем косинусное в пределах угла α_к=90-γ Для облучателей установки УО-4М защитный угол γ=25...30°. Примем α_к=60°.

Рис. 6.17. К расчету подвижной облучательной установки

Коэффициент запаса в соответствии со сроком службы лампы ДРТ400, которой укомплектованы облучатели установки УО-4, берем К_з=2,26.

Доза облучения коров А_Э=270 мэр·ч/м². Скорость перемещения облучателей над животными берем из паспортных данных установки. Она равна 18 м/ч. Число проходов облучателей над животными принимаем минимальное четное n=2.

По справочным данным находим эритемный поток лампы ДРТ400 Ф_э=4750 мэр. Используя формулу (6.1), вычислим силу излучения облучателя при р = 0,4.

,

(3.1)

где γ - защитный угол облучателя; ρ - коэффициент отражения поверхности облучателя.

.

По формуле (6.2) определим высоту подвеса облучателей над о6ъектом

,

(3.2)

где h - высота прохода облучателей над объектами, м; k₃ - коэффициент запаса, зависящий от срока службы источника излучения; w_K - наибольшее значение угла между направлением потока от источника на объект облучения и вертикалью в процессе облучения, зависящий от геометрических размеров ограждения стойла животного или защитного угла облучателя; n - число проходов облучателей над объектом; А - доза облучения объекта, мэр·ч/м²; v - скорость перемещения облучателей, м/ч.

Это значение входит в рекомендуемый диапазон.

Высота подвеса облучателей над полом с учетом роста коров (1,5h₀-1,35 м)

будет h_n=1,03+1,35=2,38 м.

Длину хода облучателей находим по формуле:

(3.3)

,

Среднюю облученность коров определяем по формуле (6.4)

где l=2h*tga_k.

.

Сравниваем это значение с допустимой облученностью по соотношению (6.4)

(3.4)

Приняв z=1,34: 2,26·1,34·133,5=404,3<Е_доп=930мэр/м². Неравенство выполняется. Следовательно, рассчитанные параметры-установки приемлемы.

Продолжительность облучения одного животного в конце срока службы источника излучения определяем по формуле (6.5)

,

(3.5)

где b - коэффициент, учитывающий отличие эффективного потока лампы в процессе разгорания от потока разгоревшейся лампы (для нормального включения лампы b=0,7, для ускоренного b=0,35; t_раз - время полного разгорания лампы (например, для лампы типа ДРТ400 оно равно 5…10 мин в зависимости от условий окружающей среды), ч.

Время работы облучательной установки за сутки

Рассчитать общую мощность установки Р=Рл*N (3.6)

где Pл- мощность одного облучателя

Р=2*2=4 кВт

Таким образом, при снижении потока излучения от лампы ДРТ-400 на 25%, по сравнению с новой, число проходов облучателя увеличивается до 3; на 42% до 4. Зависимость изменения числа проходов от снижения потока лампы ДРТ-400 представлена на рисунке3.1.

Рисунок 3.1 Зависимость числа проходов от потока лампы