Архив Приложение к журналу Ключевые слова Пароль ВХОД регистрация Другие журналы
| Повышение эффективности теплообменного аппарата типа трубы Фильда #11 ноябрь 2006 УДК 536.27 Егоров К.С. ВведениеСоздание надежного с большим ресурсом высокотемпературного трубчатого теплообменного аппарата представляет большой практический интерес для использования в замкнутых газотурбинных установках как для перспективных атомных электростанций, так и для газотурбинных установок, использующих в качестве топлива уголь и других устройствах, где необходимы теплообменные аппараты, работающие при температурах выше 700°С [1], [2]. Имеющиеся способы компенсации температурных деформаций (сильфоны, плавающая трубная доска, трубный пучок с U-образными трубами и т.д.) не обеспечивают полной компенсации деформаций и значительно усложняют конструкцию и изготовление теплообменного аппарата. Труба Фильда, принципиальная схема которой изображена на рис. 1, представляет собой теплообменный аппарат, в котором первый поток теплоносителя течет по внутренней трубе, разворачивается в тупиковом конце и протекает далее по межтрубному кольцевому пространству. Второй поток обтекает внешнюю поверхность трубного пучка. Однако рекуперация тепла первого потока внутри трубы Фильда снижает тепловую эффективность теплообменника: между цилиндрическим каналом внутренней трубы и кольцевым каналом возникает тепловой поток, называемый “паразитным”.
1 – внешняя труба (поверхность теплообмена), 2 – трубные доски, 3 – внутренняя труба (поверхность теплообмена), 4 – первый теплоноситель, 5 – второй теплоноситель Рис. 1. Схема теплообменного аппарата на основе трубы Фильда
“Паразитный” тепловой поток определится выражением: где K – коэффициент теплопередачи через внутреннюю трубу, F – площадь теплообменной поверхности, DTi – локальная разность температур между теплоносителями, протекающими во внутренней трубе и кольцевом канале. Вопросам интенсификации теплообмена и повышения тепловой эффективности трубы Фильда посвящены многочисленные работы [3],[4]. В данной работе вместо непроницаемой внутренней трубы предлагается использовать пористую внутреннюю трубу со вдувом части теплоносителя в межтрубное кольцевой канал (рис. 2). При применении такой конструкции вдув теплоносителя приводит не только к эффекту тепловой защиты стенки, но и позволяет интенсифицировать (в условиях стесненного кольцевого канала) теплообмен на внешней стенке кольцевого канала. 1 – холодный теплоноситель, 2 – горячий теплоноситель, 3 – наружная труба, 4 – внутренняя пористая труба Рис.
Экспериментальный стенд и результаты экспериментовЗадача расчета гидродинамики и теплообмена в кольцевом канале при наличии вдува и неизотермичности является специфичной задачей для теплообменников типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой и требует особого рассмотрения [5]. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, моделирующее течение в кольцевом канале теплообменного аппарата типа трубы Фильда. Установка (рис. 3) представляет собой плоский канал поперечным сечением 10 ´ 200 мм, состоящий из трех основных участков: предварительного участка длиной 600 мм, рабочего участка длиной 600 мм и выходного участка длиной 190 мм. Для обеспечения равномерности течения воздуха при входе основной теплоноситель подается в предварительный участок из ресивера – (1). Для выравнивания потока при входе в канал установлен входной конфузор – (2), спрофилированный по лемнискате. Нижняя непроницаемая стенка канала – (10), представляет собой пластины толщиной размерами 5 мм. 1 – ресивер, 2 – входной конфузор, 3 – теплоизоляция, 4,10 – непроницаемая стенка, 5 – основной нагреватель, 6 – предохранительный нагреватель, 7 – пористая стенка, 8 – дефлектор, 9 – камера вдува Рис. 3. Принципиальная схема экспериментального стенда
Проницаемая стенка рабочего участка канала состоит из шести пористых секций с камерами вдува размерами 200 ´ 97 мм (9), что позволяет изменять распределение величины вдуваемого в канал воздуха по длине канала. Для обеспечения равномерного вдува и предотвращения “пробоя” пористого материала за отверстиями подвода установлены дефлекторы (8). Проницаемая стенка (7) толщиной 10 мм каждой камеры изготовлена из пористого материала, изготовленная из порошкового материала. В процессе проведения экспериментов производится измерение следующих параметров: статического давления по длине канала, статического давления в камерах подвода вдува, полного давления и температуры по высоте канала на входе в рабочий участок, полного давления и температуры по высоте канала на выходе из рабочего участка, температуры сплошной и проницаемой стенок канала, как по длине, так и по ширине, температуры вдува, мощность, потребляемая нагревателями, расход воздуха в каждой секции вдува, температуры в ресивере. Профили скоростей, полученные процессе проведения экспериментов в канале при различных значениях критериев Рейнольдса Reкан и относительных вдувах на расстоянии х = 1.23 м от входа в канал представлены на рис. 4.
1 – Reкан = 9. 3 – Reкан = 8.87×103, =34,9 %; 4 – Reкан = 1.02×104, =57.6 %, umax – максимальная скорость в сечении, h – высота канала. Рис. 4. Профили скоростей в экспериментальном канале
Результаты экспериментов были обобщены по следующим зависимостям при , при , где xтр – коэффициент сопротивления, – относительный импульс, Re Полученные зависимости при и при , представлены в логарифмических координатах на рисунках 5 и 6. 1 – экспериментальные точки, 2 – аппроксимирующая их линейная зависимость Рис. 1 – экспериментальные точки, 2 – аппроксимирующая их линейная зависимость Рис. 9. Зависимость при Reкан = idem
Расчеты теплообменного аппарата типа трубы Фильда с пористой внутренней трубой Рассмотрим вариант, когда внешний теплоноситель движется противотоком относительно теплоносителя в кольцевом пространстве, что изображено на рис. 7. Для элементарной поверхности длиной dx (рис. 8) теплообмен описывается следующими уравнениями: , (1) , (2) , (3) где W1 – водяной эквивалент внутреннего теплоносителя, W 1 – противоток; 2 – прямоток L – длина теплообменного аппарата. Рис. 7. Схема течения в теплообменном аппарате типа трубы Фильда при противоточной схеме 1 – противоток; 2 – прямоток Рис. 8. Температурные профили в теплообменном аппарате типа трубы Фильда при противоточной и прямоточной схем течения для первой методики расчета
В работе [6] предложена следующая методика решения системы уравнений (1) – (3). Разбивая теплообменник на n участков и используя конечно-разностную схему “вперед” заменяем дифференциальные уравнения (1 ¸ 3) их конечно-разностными аналогами , (4) , (5) , (6) где i принимает значения от 0 до n. Расчет теплообменника по изложенной методике проводился при следующих условиях (рис.
а) размеры трубы Фильда, б) компоновка трубного пучка Рис. 9. Исходные данные для расчета трубы Фильда
Были рассчитаны различные варианты с внутренней трубой из различных материалов, до полной теплоизоляции. Коэффициенты теплопроводности внутренней стенки принимались следующими значениями: lм = 20 Вт/(м×К), lм = 0.1 Вт/(м×К), lм = 0. В таблице 1 приведены значения тепловой эффективности трубчатых теплообменников e = (T3² – T2¢)/( T1¢– T2¢) при одинаковой поверхности теплообмена F = idem = 0.188 м2 и относительных суммарных потерь давления DPS = idem = 3.3 %. Для трубчатого теплообменного аппарата геометрические размеры трубы приняты равными размерам внутренней трубы Фильда. Сравнение тепловых эффективностей теплообменного аппарата на основе трубы Фильда при F=idem и DРS=idem с трубчатым противоточным теплообменником показывает, что тепловая эффективность теплообменного аппарат на основе трубы Фильда значительно меньше, чем для трубчатого противоточного теплообменника. Применение обычной теплоизоляции l
Таблица 1 – Расчет различных вариантов теплообменных аппаратов при F = idem = 0.
Анализ примененной методики показал, что для расчета теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой стенкой она не корректна. Определяется это тем, что данная методика не учитывает перепуск части теплоносителя через внутреннюю стенку. Уравнения одномерного конвективного теплообмена принимают следующий вид: ,(7), (7) , (8) , (9) где gi – массовый расход вдуваемого газа на i-ом участке. Для расчета гидравлического сопротивления пористой стенки использовалось модифицированное уравнение Дарси или уравнение Рейнольдса-Форшхеймера [7]: , u = G/r – скорость фильтрации, равная отношению удельного массового расхода жидкости G к ее плотности r; m – коэффициент динамической вязкости; a, b – вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления пористого материала. Для теплового расчета состояния пористой стенки использовалась одномерная, однотемпературная модель (модель локального теплового равновесия), в которой температуры каркаса Тк и охладителя Тo в любой точке принимаются равными. В соответствии с этой моделью температурное состояние системы определится по формуле: , где r – радиус. Изменение коэффициентов теплопередачи для внутренней и внешней поверхности внутренней трубы учтено по следующим формулам [8]: , где , jст – массовая скорость через проницаемую стенку, r0, w0 – плотность и скорость на внешней границе пограничного слоя, St0 – критерий Стентона в гладкой непроницаемой трубе с условием постоянной температуры стенки. Для учета изменения коэффициента сопротивления для внутренней поверхности внутренней трубы использовались следующая формула: , где , Cf0 – коэффициент трения на плоской непроницаемой трубе с условием постоянной температуры стенки. Влияние вдува на теплоотдачу на внутренней поверхности внешней трубы получены экспериментальные данные (рис.5). Расчет теплообменника проводился при таких же условиях (рис.9), что и для трубы Фильда с непроницаемой стенкой. Пористая стенка считалась выполненной из порошкового материала, материал – коррозинно-стойкая сталь. На рис. 10 представлены расчеты тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда, отнесенные к тепловой эффективности теплообменного аппарата противоточной схемы eф /eпр, а также относительных потерь давления в зависимости от величины относительного вдува.
a – относительная тепловая эффективность б – относительные потери давления Рис. 10. Относительная тепловая эффективность и относительные потери давления зависимости от величины относительного вдува
На рис.
Рис. 11 – Относительная тепловая эффективность в зависимости от величины относительного вдува при условии DРS = idem = 3.3 %. Основные выводы и результаты В процессе экспериментов получены аппроксимирующие зависимости для числа Нуссельта для непроницаемой стенки в канале. Получен коэффициент трения в канале в широком диапазоне чисел Рейнольдса и величины относительного вдува. Показано, что хорошим обобщающим критерием для относительных чисел Нуссельта и коэффициента трения является относительный импульс . Выполненная модификация методики расчета, основанная на численном решении одномерных уравнений конвективного теплообмена, позволила применить ее к расчету теплообменного аппарата типа трубы Фильда с внутренней пористой трубой. В результате проведенных расчетов показано, что для теплообменного аппарата типа трубы Фильда, с внутренней трубой, изготовленной из пористого материала увеличивается тепловая эффективность теплообменного аппарата на 15 ¸ 20 %, при увеличении относительных потерь давления на 30 ¸ 40 %. Или при сохранении тех же относительных потерь давления увеличивается тепловая эффективность на 7 ¸ 10 %. При этом рассматривался вариант изготовления внутренней пористой трубы из материала с постоянной пористостью. Автор выражает благодарность сотрудникам лаборатории 108 Института Механики МГУ им М.В. Ломоносова Стронгину М.М., Виноградову Ю.А., Здитовцу А.Г. за помощь в проведении экспериментальной части работы. Литература 1. Бекнев B.C., Егоров К.С, Иванов В.Л. Комбинированные энергетические транспортные ГТД. Тез. докл. XLVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. – Рыбинск: Изд-во журнала “Газотурбинные технологии”: 2001. С. 27. 2. Головко В. 3. А.С. 932184 (СССР). Теплообменный элемент типа труба в трубе /. Чумаченко А.Д, Гончаров Э.И. // Открытия, Изобретения… – 1982. – Бюл. №20. – 94 с. 4. А.с. 422935 (СССР). Теплообменный элемент типа “труба в трубе” / Дунцев Ю.Я., Михайлов В.М., Седов Ю.А. // Открытия, Изобретения… – 1974. –Бюл. №13. – 91 с. 5. Иванов В.Л., К.С. Егоров. Газодинамический метод повышения тепловой эффективности трубы Фильда. // Труды III Российской Национальной конф. по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 336 с. 6. Кириллов П.Л., Минчаков В. И. и др. Исследование теплофизических характеристик парогенерирующих трубок Фильда. Труды ГПИ им. А.А. Жданова. Горький: Изд-во ГПИ им. А.А. Жданова, 1974 г. 7. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. 8. Ерошенко В.М., Зайчик Л.И. Гидродинамика и теплообмен на проницаемых поверхностях. – М.: Наука, 1984. 275 с.
Поделиться: |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2. Теплообменный аппарат на основе трубы Фильда с пористой внутренней трубой.
Пластины изготовлены из меди с целью обеспечения равномерности нагрева. Под пластинами, в стенке установки смонтированы основной (5) и три дополнительных нагревателя (6) – два нагревателя до рабочего участка, один после рабочего участка.
5. Зависимость при Reкан = idem
9,(а)): температура и давление на входе в теплообменный аппарат по горячей стороне Т1‘ = 900 К, P1‘ = 0.1 МПа, температура и давление на входе в теплообменный аппарат по холодной стороне T2‘ = 570 К, P2‘ = 0.5 МПа, размеры и длина труб даны на (рис.9, (б)), компоновка труб в пучке – треугольная, относительный шаг труб = 1.25.
01 Вт/(м×К), l
188 м2, DPS = idem = 3.3 % и lм = var.
6
11 представлены также расчеты относительной тепловой эффективности теплообменного аппарата на основе трубы Фильда при условии соблюдения идентичных противоточному теплообменному аппарату относительных потерь давления (DРS = idem = 3.3 %).
Ф., Дорофеев A.M. Проблемы создания высокотемпературного промежуточного теплообменника АЭТУ ВГ-400 / – Атомная техника, 1976. – №7. – с. 44-47.
М: Машиностроение, 1988, 168 с.
05.2022Парогенераторы с трубками Фильда | Парогенераторы ЯЭУ с жидкометаллическим охлаждением
Страница 7 из 37
Одной из конструктивных схем ПГ «натрий—вода» является схема с трубками Фильда.
Парогенераторы с поверхностью теплообмена, выполненной из трубок Фильда, были разработаны для установок БН-350, Хэллэмской АЭС, HNPF [5, 9, 12]. Технологичность, простое и надежное решение вопроса компенсации температурных расширений, возможность различных вариантов компоновки трубок Фильда в корпусах привлекают внимание разработчиков. Для проекта 1000-мегаваттного реактора на быстрых нейтронах и для демонстрационной АЭС «Клинч-Ривер» электрической мощностью 350 МВт одним из вариантов конструкций парогенераторов рассматривались парогенераторы с трубками Фильда (рис. 2.5).
Известные недостатки конструкции парогенератора с трубками Фильда: наличие сварного шва на напряженном теплообменном участке трубки, трудность дренирования трубок при вертикальной компоновке, когда трубные доски расположены на верхней части корпуса, возможность отложения шлама в тупиковом участке, гидродинамическая нестабильность потока в зоне выхода из внутренней опускной трубы, при определенных условиях сопровождающаяся температурными пульсациями.
Все эти недостатки могут проявляться только при конструктивных просчетах, ошибках эксплуатации либо при дефектах изготовления и монтажа. Тем не менее они сдерживают на современном этапе новые разработки парогенераторов с трубками Фильда.
Парогенератор каждой петли АЭС БН-350 с естественной циркуляцией по пароводяному контуру состоит из двух секций испарителя и двух секций пароперегревателя и одной газовой емкости, соединенных трубопроводами обвязки (рис. 2.6).
Рис. 2.5. Вариант парогенератора АЭС «Клинч-Ривер»:
1—трубная система испарителя; 2—трубная система пароперегревателя; 3—трубка испарителя; 4 — трубка пароперегревателя; 5 — газовая полость; 6 — вход натрия; 7 — выход натрия; 3 — вход питательной воды; 5 — выход перегретого пара; 10 — вход насыщенного пара в перегреватель; 11 — выход насыщенного пара из испарителя
Секция испарителя (рис. 2.7) представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменный аппарат с трубками Фильда, закрепленными в горизонтальной трубной доске.
Трубная доска разделяет аппарат на пароводяную и натриевую полости.
Трубка Фильда состоит из наружной трубы 32X2 с заглушенным донышком и внутренней опускной трубы 16X1,4, концентрично расположенной в наружной трубе. Дистанционирование опускной трубы производится платиками. Движение воды и пароводяной смеси происходит естественной циркуляцией. Опускным участком является центральная трубка элементов, а подъемным — кольцевой зазор, где и происходит парообразование. Верхний конец опускной трубки заделан в пароотводящем стакане, установленном в выточке трубной доски. Вышедшая из трубок пароводяная смесь поступает в объем сепарационного барабана. Питательная вода из регенеративной системы турбины подается в водяной объем сепаратора.
Рис. 2.7. Конструктивная схема испарителя АЭС БН-350:
1— аварийный сброс воды; 2— доска трубная; 3— сброс продуктов взаимодействия; 4 — камера теплоносителя; 5 — пучок трубный; 6 корпус; 7 — решетка для выравнивания потока; 8—вход теплоносителя; 9— решетка дистанционирующая; 10— выход теплоносителя; 11—рабочий уровень теплоносителя; 12—уровень питательной воды; 13 — подача питательной воды; 14 — сепарационное устройство; 15 — паровая камера
Рис.
2.8. Пароперегреватель АЭС БН-350:
1 — выход перегретого пара; 2 — вход теплоносителя; 3—дренаж теплоносителя; 4 — выход теплоносителя; 5 — вход пара
Определенный уровень воды, необходимый для обеспечения естественной циркуляции пароводяной смеси в каналах Фильда, поддерживается в пароводяной полости испарителя с помощью автоматической системы регулирования. Под уровень воды заведена труба аварийного осушения парогенераторов, предназначенная для опорожнения парогенераторов в случае появления течи воды в натрий. Отсепарированный и осушенный пар из испарителя поступает в пароперегреватель.
Натриевая полость испарителя содержит газовую полость, являющуюся компенсатором объема второго контура.
Газовые полости обоих испарителей соединены между собой через вынесенную газовую емкость, служащую первичным сепаратором продуктов взаимодействия натрия с водой. Через два предохранительных мембранных клапана, оснащенных системой принудительного разрушения мембран, газовая емкость сообщается с баком улавливания продуктов взаимодействия.
Секция пароперегревателя АЭС БН-350 (рис. 2.8) выполнена в виде С-образного теплообменного аппарата с раздельными трубными досками и верхним расположением камер входа и выхода теплоносителя и пара. Все элементы ПГ выполнены из низколегированной стали перлитного класса.
На рис. 2.12 показана конструкция обратного двухстенного парогенератора установки HNPF. Особенностью этого парогенератора является горизонтальное расположение трубок Фильда.
- Назад
- Вперёд
Микроволновые лампы – все RF
Выберите категорию для просмотра продуктов и компаний
Существует три типа микроволновых ламп: ЛБВ (лампы бегущей волны), клистроны и магнетроны. Здесь представлены микроволновые лампы от ведущих производителей. Сузьте список микроволновых ламп по частоте, мощности и другим характеристикам. Ознакомьтесь со спецификациями продуктов, загрузите спецификации и запросите расценки на продукты, соответствующие вашим требованиям.
Что такое микроволновые лампы?
Микроволновые лампы — это разновидность электронных ламп, которые генерируют и усиливают высокочастотные микроволновые сигналы в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц. Они могут генерировать высокие уровни выходной мощности от нескольких сотен ватт до более чем 10 МВт. Микроволновые трубки обычно используются в военных радарах, радиоэлектронной борьбе, гражданских радарах для обнаружения погоды, предотвращения столкновений на шоссе.
Обычные электронные лампы также могут обеспечивать высокоэффективные и мощные сигналы, однако их частота ограничена.
По мере увеличения частоты эффективность обычных электронных ламп значительно падает. Микроволновые лампы заменили обычные электронные лампы, такие как триоды, тетроды и пентоды, поскольку они могут генерировать высокую мощность с эффективностью на частотах до 300 ГГц. В основном есть два типа вакуумных ламп – линейные бобовые лампы (ЛБВ и клистроны) и лампы с перекрестным полем (магнетроны). Подробнее о каждом типе труб мы поговорим позже.
Как работают микроволновые лампы?
Микроволновые лампы состоят из вакуумной трубки с резонансным резонатором и электронной пушки. Наиболее важным и важным компонентом микроволновой лампы является объемный резонатор. Электроны испускаются из источника в трубку, а объемный резонатор внутри трубки усиливает сигналы. Затем коллектор используется для сбора усиленных электронов на другом конце трубки. Микроволновые лампы, в которых используется эта рабочая структура, называются 9.0015 линейно-лучевые трубки , так как электронный пучок и элементы схемы взаимодействия расположены линейно.
Лампы бегущей волны (ЛБВ) и клистрон являются примерами ламп с линейным пучком.
Лампы бегущей волны (ЛБВ)
Лампы бегущей волны (ЛБВ) представляют собой вакуумные лампы с линейным пучком, которые усиливают микроволны за счет преобразования кинетической энергии электронного луча в микроволновую энергию. Эти лампы обычно используются в ВЧ/СВЧ усилителях очень высокой мощности. Основными преимуществами этой лампы являются широкая рабочая полоса пропускания и способность генерировать высокие уровни мощности. ЛБВ могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Нажмите здесь, чтобы увидеть продукты TWT от ведущих производителей для всего RF.
Клистрон
Клистрон — еще один тип линейно-лучевой трубки. В этом случае поток электронов идет прямолинейно, а для фокусировки электронного луча используется магнитное поле. Они работают по принципу модуляции скорости. Модуляция скорости — это изменение скорости электронного пучка, когда электроны в пучке ускоряются и замедляются.
Это изменение обычно достигается за счет изменения скорости луча, что заставляет электроны группироваться и генерировать некоторое количество радиочастотного тока. Клистроны обычно применяют принцип эффекта времени прохождения, изменяя скорость электронного луча для формирования электронного пучка. Резонансные полости в трубке модулируют электрическое поле вдоль оси. В зависимости от количества резонаторов клистроны делятся на двухрезонаторные клистроны, многорезонаторные клистроны и рефлекторные клистроны. Нажмите здесь, чтобы увидеть клистроны от ведущих производителей для всего RF.
A Лампа с перекрестным полем — это еще один тип микроволновой лампы, в которой используется комбинация вакуумной лампы с объемными резонаторами и чрезвычайно мощным постоянным магнитом. Наиболее распространенным типом СВЧ-трубки с поперечным полем является магнетрон. Здесь направление электронов изменяется приложением сильного магнитного поля с помощью С-образного магнита. Этот тип также известен как MWT с поперечным полем.
Это называется так, потому что здесь приложенное магнитное поле находится под прямым углом к приложенному электрическому полю.
Магнетрон
Магнетрон представляет собой микроволновую трубку с поперечным полем. Эти трубки обычно имеют круглую форму. В магнетронах электрическое поле и магнитное поле направлены перпендикулярно друг другу. Скрещенные электрические и магнитные поля используются для получения высокой выходной мощности, которая, в свою очередь, используется в таких приложениях, как радиолокационное оборудование. Магнетроны сочетают в себе вакуумную трубку с объемными резонаторами и мощный магнит. Магнетрон состоит из электронной пушки/катода, испускающего электроны, и нескольких анодных полостей. Постоянный магнит размещен на обратной стороне катода, а пространство между полостью анода и катодом называется пространством взаимодействия. Есть два основных типа магнетронов; импульсный магнетрон и непрерывный магнетрон. Импульсные магнетроны используются в радарах, а непрерывные — в таких приложениях, как микроволновые печи.
Нажмите здесь, чтобы увидеть магнетроны от ведущих производителей для всего RF.
Микроволновые лампы и твердотельные устройства
Микроволновые лампы использовались в течение многих лет и были наиболее эффективным способом генерации мощных высокочастотных сигналов. Однако со временем и с развитием полупроводников и твердотельных устройств стали возможными транзисторы и диоды большой мощности. Первоначально эти полупроводниковые устройства использовались только для маломощных приложений. Но с новыми материалами, такими как GaN и SiC, генерация мощности на уровне кВт на высокой частоте стала реальностью.
Мощные твердотельные устройства значительно меньше, чем микроволновые лампы. Они также более надежны, имеют более длительный срок службы, проще в обращении и обеспечивают более высокий уровень контроля. Из-за этого микроволновые лампы были заменены твердотельными устройствами в большинстве приложений. Тем не менее, есть еще ряд случаев, когда эти трубки используются и продолжают хорошо работать.
Объявление
Просматривать
965 Просмотр нет ../
ПросматриватьЭлектронная трубка | Британика
электронная лампа
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Ирвинг Ленгмюр Альберт Уоллес Халл
- Похожие темы:
- диод тетрод тиратрон Рентгеновская трубка триод
См. все сопутствующие материалы →
электронная лампа , также называемая электронной лампой , устройство, обычно состоящее из герметичного корпуса из стекла или металлокерамики, которое используется в электронных схемах для управления потоком электронов. Среди распространенных применений электронных ламп – усиление слабого тока, преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC), генерация колеблющейся радиочастотной (RF) мощности для радио и радаров, а также создание изображений на экране.
экран телевизора или монитор компьютера. Распространенные типы электронных ламп включают магнетроны, клистроны, гиротроны, электронно-лучевые трубки (такие как тиратрон), фотоэлементы (также известные как фототрубки), а также неоновые и люминесцентные лампы.
До конца 1950-х электронные лампы использовались практически во всех видах электронных устройств — компьютерах, радиоприемниках, передатчиках, компонентах высококачественных звуковых систем и так далее. После Второй мировой войны транзистор был усовершенствован, и твердотельные устройства (на основе полупроводников) стали использоваться во всех приложениях при малой мощности и низкой частоте. Поначалу считалось, что твердотельная технология быстро сделает электронную лампу устаревшей. Однако этого не произошло, поскольку каждая технология стала доминировать в определенной частоте и диапазоне мощности. На более высоких уровнях мощности (сотни ватт) и частотах (выше 8 гигагерц [ГГц]) преобладают электронные лампы, а на более низких уровнях – твердотельные устройства.
Для радиопередатчиков, радиолокационных систем и средств радиоэлектронной борьбы всегда требовались высокие уровни мощности, а для систем микроволновой связи могут потребоваться уровни мощности в сотни ватт. Энергию в этих случаях часто обеспечивают клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Чрезвычайно высокие уровни средней мощности — несколько мегаватт на частотах выше 60 ГГц — достигаются гиротронами; они используются в основном для радаров дальнего космоса, микроволнового оружия и драйверов для ускорителей частиц высокой энергии.
Технология вакуумных трубок продолжает развиваться благодаря сочетанию инновационных устройств, расширенного понимания благодаря улучшенному математическому моделированию и дизайну, а также внедрению превосходных материалов. Полоса пропускания, в которой работают электронные лампы, увеличилась более чем вдвое с 1990 года. Эффективность преобразования мощности постоянного тока в мощность ВЧ в некоторых устройствах увеличилась до 75 процентов. Новые материалы, такие как алмаз для диэлектриков, пиролитический графит для коллекторов и новые редкоземельные магниты для управления лучом, значительно улучшают мощность и эффективность современных электронных ламп.
Принцип работы электронных ламп
Электронная лампа имеет два или более электродов, разделенных либо вакуумом (в вакуумной трубке), либо ионизированным газом при низком давлении (в газовой трубке). Его работа зависит от генерации и переноса электронов через трубку от одного электрода к другому. Источником электронов является катод, обычно металлический электрод, который испускает поток электронов с помощью одного из нескольких механизмов, описанных ниже. После испускания электронов их движение контролируется электрическим полем, магнитным полем или тем и другим. Электрическое поле создается приложением напряжения между электродами в трубке, в то время как магнитное поле может создаваться снаружи трубки с помощью электромагнита или постоянного магнита. В своей простейшей форме электрон притягивается и ускоряется положительным электродом (пластиной или анодом), а отталкивается и замедляется отрицательным электродом (катодом). Электрическое поле можно использовать для изменения пути потока электронов, изменения количества протекающих электронов (изменения электрического тока) и изменения их скорости.
Магнитное поле служит главным образом для управления движением электронов от одного электрода к другому.
Эмиссия электронов
В самом общем смысле эмиссия электронов возникает в результате направления энергии в виде тепла, столкновений атомного масштаба или сильных электрических полей к катоду таким образом, что электроны внутри материала получают достаточно кинетическая энергия, необходимая для отрыва от поверхности. Наиболее широко используемый механизм в электронных лампах — это термоэлектронная эмиссия или эмиссия электронов при подводе тепла.
Количество энергии, необходимое для высвобождения электронов из данного материала, называется его электронной работой выхода. Из этого следует, что идеальными материалами для катодов являются материалы с наименьшей работой выхода электронов. Барий, стронций и торий обычно используются для катодов из-за их низкой работы выхода электронов, от 1,2 до 3,5 электрон-вольт (эВ). Были обнаружены новые экспериментальные материалы, такие как скандат (сплав бария и оксида скандия), с немного более низкими электронными работами выхода.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Анод, тем временем, обычно изготавливается из хорошего проводника, такого как железо, никель или углерод, который не испускает легко электроны при обычных рабочих температурах.
При нагревании твердых тел до высоких температур — около 1000 °C (1800 °F) или выше — с поверхности могут испускаться электроны. (Это явление впервые наблюдал американский изобретатель Томас Альва Эдисон в 1883 году и известно как эффект Эдисона.) Термоэлектронная эмиссия до конца не изучена, но исследователи смогли описать ее математически, используя волновую механику.
Наиболее популярные модели основаны на уравнении Ричардсона-Душмана, выведенном в 1920-х годах, и уравнении Ленгмюра-Чайлда, сформулированном вскоре после этого. Первый утверждает, что ток на единицу площади, Дж , определяется как где к – постоянная Больцмана, А – постоянная материала и его отделки поверхности и теоретически составляет около 120 ампер на квадратный сантиметр на кельвин.
, T — температура твердого тела, W — его работа выхода.
Поскольку электроны испускаются под воздействием тепла, перед катодом может образоваться электронное облако. Такое облако отталкивает низкоэнергетические электроны, которые возвращаются к катоду. Этот механизм ограничения удачно называют операцией, ограниченной пространственным зарядом. В таком устройстве, как диод, положительное напряжение, подаваемое на анод, притягивает электроны из облака. Чем выше напряжение, тем больше электронов течет к аноду до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение насыщения, после чего все испускаемые электроны устремляются к аноду (так называемый ток насыщения). В режиме ограниченного пространственного заряда плотность тока J , описывается законом Ленгмюра-Чайлда, где V a — анодное напряжение, а d — расстояние между анодом и катодом. Ключевыми характеристиками термоэлектронной эмиссии, наблюдаемыми и предсказанными уравнениями (1) и (2), являются область, ограниченная температурой, и область, ограниченная пространственным зарядом.
Многие исследования были посвящены переходу между областями и уменьшению работы выхода катодных материалов.
При бомбардировке металла или диэлектрика ионами или электронами электроны внутри материала могут приобрести достаточную кинетическую энергию для испускания с поверхности. Бомбардирующие электроны называются первичными, а испускаемые электроны — вторичными. Количество вторичной эмиссии зависит от свойств материала, энергии и угла падения первичных электронов. Свойства материала характеризуются коэффициентом вторичной эмиссии, определяемым как количество вторичных электронов, испускаемых на один первичный электрон. Как правило, максимальный коэффициент вторичной эмиссии составляет от 0,5 до 1,5 для чистых металлов и имеет место при энергиях падающих электронов от 200 до 1000 эВ. Примерное энергетическое распределение вторичных электронов, испускаемых чистым металлом, искажено таким образом, что около 85% из них имеют энергию менее 20 эВ.
Бомбардировка положительными ионами также может вызывать вторичную эмиссию, но она намного менее эффективна, чем бомбардировка электронами, потому что только небольшая часть энергии иона может быть передана (гораздо более легким) электронам.
На эмиссию электронов влияет электрическое поле, приложенное к катоду. При очень сильных электрических полях эмиссия электронов становится независимой от температуры, поскольку потенциальный барьер на поверхности катода делается чрезвычайно узким, и электроны туннелируют через барьер даже при малой кинетической энергии. Напряженность электрического поля должна быть около миллиарда вольт на метр, чтобы вызвать эмиссию поля.
Движение электронов в вакууме
В основе всех электронных устройств лежит динамика заряженных частиц под действием различных электрических и магнитных полей. Движение электрона в однородном поле задается простым применением второго закона движения Исаака Ньютона, сила = масса × ускорение, в котором сила действует на электрон приложенным электрическим полем E (измеряется в вольтах за метр). Математически уравнение движения электрона в однородном поле имеет вид, в котором e — заряд электрона 1,60 × 10 −19 кулон, E — поле в вольтах на метр, m — масса электрона 9,109 × 10 −31 кг, 901 4 d 1 кг, / d t обозначает скорость изменения скорости, то есть ускорение электрона.
Если также присутствует магнитное поле, электрон будет испытывать вторую силу, но только тогда, когда электрон находится в движении. Тогда сила будет пропорциональна произведению заряда и составляющей скорости, перпендикулярной электрическому полю E и плотности магнитного потока B (измеряется в веберах на квадратный сантиметр). Сила будет направлена перпендикулярно как электрическому полю, так и скорости электрона. Таким образом, электрон, движущийся параллельно электрическому полю и под прямым углом к однородному магнитному полю, будет отклоняться в направлении, перпендикулярном как магнитному, так и электрическому полю. Поскольку сила постоянно перпендикулярна скорости, электрон будет двигаться по идеально круговой траектории и будет поддерживать это движение со скоростью, называемой циклотронной частотой, ω c , данные e / m B . Окружность, описываемая электроном, имеет радиус, равный м v / e B .
Это круговое движение используется во многих электронных устройствах для генерации или усиления радиочастотной (РЧ) энергии.
Электрон, движущийся параллельно однородному магнитному полю, не подвергается влиянию этого поля, но любое отклонение от параллельности приводит к возникновению перпендикулярной составляющей скорости и, следовательно, к силе. Эта сила придает почти параллельному электрону спиральное движение вокруг направления магнитного поля, удерживая его от отклонения далеко от параллельного пути. Уравнение движения в любом из этих случаев имеет вид v — скорость электрона в метрах в секунду в перпендикулярном направлении к плоскости B и v , а θ — угол между направлениями B и v . Плотность магнитного потока выражается в веберах на квадратный сантиметр (1 вебер на сантиметр 2 = 10 4 Гаусс = 10 7 /4π ампер на метр).
Интересна также ситуация, когда магнитное и электрическое поля перпендикулярны друг другу.
Эта конфигурация используется в устройствах фокусировки луча, а также в классе устройств, называемых магнетронами (9).0114 см. раздел Магнетроны). В этом случае движение электронов представляет собой комбинацию поступательных и круговых траекторий. Полученная траектория представляет собой циклоиду.
Уравнений (3) и (4) достаточно для определения пути и времени прохождения электронов в электронной трубке, за исключением того, что они требуют знания E и B , и они могут зависеть от присутствия электроны или ионы. Токи в электронных лампах в большинстве случаев достаточно малы, чтобы их влияние на магнитное поле обычно было незначительным. Однако нельзя всегда пренебрегать кумулятивным влиянием заряда электрона или иона (называемого объемным зарядом) на электрическое поле, и это создает вычислительные трудности, если только геометрия не проста. Кроме того, электродные токи настолько зависят от объемных зарядов, что рабочие характеристики электронных ламп в значительной степени определяются этими зарядами.
Электрическое поле с пространственным зарядом или без него можно определить с помощью электростатической теоремы Гаусса, в которой говорится, как электрические поля связаны с зарядами. В основном, скорость изменения E с расстоянием равно ρ/ε 0 , где ρ — плотность электрического заряда в кулонах на метр, а ε 0 — диэлектрическая проницаемость 8,85 × 10 −12 фарад на метр.
Ток на единицу площади, i , поступающий на любую поверхность, например, на электрод в трубке, представляет собой скорость изменения заряда на этой поверхности во времени. Этот ток представляет собой сумму двух компонентов, один из которых представляет собой фактическое прибытие электронов на электрод, а другой возникает в результате изменения индуцированного заряда при любом изменении электрического поля во времени. Таким образом, i is the sum of ρ v + ε 0 d E / d t , where v is the electron density and d E / d t — переменное во времени электрическое поле.
При низких частотах работы или в стационарных условиях второе слагаемое не имеет значения. На высоких частотах наоборот. Это уравнение и уравнение, связывающее электрические поля с зарядами, являются фундаментальными для всех явлений высоковакуумных электронных ламп и достаточны для получения теоретических решений.
Фундаментальное значение большого класса электронных устройств заключается в их способности усиливать мощность. Это усиление мощности является результатом преобразования энергии, хранящейся во внешнем источнике питания, в выходную энергию в цепи нагрузки электронного устройства. Механизм, делающий возможным это преобразование, — изменение кинетической энергии электрона при его ускорении или торможении электрическим полем. Поскольку энергия сохраняется, радиочастотное поле будет увеличиваться (усиление), если электроны теряют кинетическую энергию, и, наоборот, оно будет уменьшаться, если электроны приобретают кинетическую энергию.
Когда модулированный конвекционный ток электронов течет в электрическом поле с той же частотой модуляции, передача мощности P между полем и электроном определяется выражением где E — электрическое поле.