Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

КОМПАКТНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МОЩНЫХ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Улитенко А.И. Прадед В.В. Фефелов А.А.
Описана компактная и эффективная жидкостная система охлаждения газовых лазеров с рассеиваемой мощностью до 40 кВт, работающая в переходном режиме циркуляции теплоносителя. Приводятся результаты использования системы охлаждения для стабилизации температурного режима активного элемента газового лазера ЛГ-510 с рассеиваемой мощностью 40 кВт.
Проектирование современного технологического оборудования на основе мощных газовых лазеров неразрывно связано с разработкой компактных систем охлаждения, обеспечивающих отвод и эффективное рассеяние тепловой энергии при минимальном расходе охлаждающей воды, циркулирующей во внешнем контуре системы. Это в свою очередь вызывает необходимость интенсификации процессов конвективного теплообмена путем реализации формы сечения каналов теплообменника в виде плоского зазора с малым гидравлическим диаметром, а также перевода системы на более эффективный переходный режим движения теплоносителей.

В переходном режиме более существенный рост коэффициента теплоотдачи в зависимости от скорости движения жидкости по сравнению с ламинарным режимом (такой режим имеет место в промышленных системах, разработанных на основе кожухотрубных теплообменников) обусловлен уменьшением толщины пограничного слоя и, что более важно, зарождением турбулентности в потоке теплоносителя [1]. Однако ввиду неустойчивого характера этого процесса и существенной зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрии системы, рекомендуемые в литературе критериальные соотношения дают значительную погрешность и, соответственно, нуждаются в дополнительной проверке и уточнении [2]. В связи с этим была проведена серия модельных экспериментов на отдельных образцах плоских каналов, геометрические размеры которых максимально приближены к размерам проектируемого теплообменника.

Исследование условий теплообмена проводилось по общепринятой методике [2] на установке, состоящей из набора контрольно-измерительных приборов по определению массовых расходов теплоносителей, их начальных и конечных температур, а также продольного распределения температуры по поверхности теплообмена. Ширина исследуемых каналов изменялась в пределах от 8 до 20 мм, высота - от 1 до 2 мм, длина - от 0,5 до 1 м. В качестве теплоносителя использовалась вода, температура которой изменялась в пределах от +10 до +60 °С. Ее скорость задавалась в пределах, соответствующих диапазону изменений значений критерия Рейнольдса 1,9∙103 < Re < 1,15∙104.

Результаты проведенных экспериментов, обработанные методом теории подобия [3] представлены на рис. 1. Приведенная здесь же обобщенная кривая, построенная методом наименьших квадратов, представляет собой зависимость модифицированного числа Нуссельта Num =Nu/Рг0,43 от критерия Рейнольдса, где Nu - критерий Нуссельта; Pr - критерий Прандтля. Параметр Рг0,43 учитывает зависимость теплофизических свойств жидкости от температуры.

 p

Рис. 1. Зависимость модифицированного критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса

Как следует из результатов математической обработки, данная кривая достаточно хорошо аппроксимируется критериальным уравнением

Nu = 0,37(Re0,5-27)Pr0,43 ,

описывающим среднюю теплоотдачу в плоских каналах большой протяженности при переходном режиме течения с погрешностью, не превышающей ± 15 %.

При установлении вида данного соотношения в качестве характерного размера системы принимался эквивалентный диаметр, равный учетверенной площади поперечного сечения канала, деленной на его смачиваемый периметр, а в качестве определяющей температуры - средняя температура жидкости.

По результатам проведенных исследований была разработана и изготовлена компактная система охлаждения активных элементов газовых лазеров с рассеиваемой мощностью до 40 кВт.

p 

Рис. 2. Система охдаждения мощных газовых лазеров: 1 - жидкостный теплообменник; 2 - нагнетатель низкого давления; 3 - нагнетатель высокого давления; 4 - стабилизатор потока жидкости; 5 - резервуар; 6 - лазер.

Система охлаждения (рис. 2) состоит из легкоразборного жидкостного теплообменника 1, нагнетателя низкого давления 2, нагнетателя высокого давления 3, стабилизатора пульсаций потока жидкости 4 и резервуара с запасом теплоносителя внутреннего контура 5. В ее состав также входит электронный блок управления (на рисунке не показан), контролирующий работу системы и обеспечивающий аварийное отключение лазера 6 в момент возникновения различных критических ситуаций.

При разработке теплообменника 1 учитывались особенности технологии его изготовления в условиях малосерийного производства, а также возможность свободного доступа ко всей поверхности теплообмена при проведении профилактических мероприятий по устранению неизбежных отложений в каналах.

p 

Рис. 3. Жидкостный теплообменник: 1- алюминиевый блок; 2 - крышки; 3,4 - жидкостные каналы; 5 - резиновое уплотнение; 6 - коллекторы; 7 - поворотные камеры; 8, 9 - соединительные патрубки.

Активная поверхность теплообменника (рис. 3) выполнена в виде меандра, разделяющего две системы параллельных взаимопроникающих каналов 3 и 4 равномерно распределенных по обеим сторонам плоского алюминиевого блока 1 толщиной 20 мм, шириной 180 мм и высотой 580 мм. Взаимопроникающие каналы шириной 1 мм и глубиной 18 мм образуют внутренний и внешний контур теплообменника, каждый из которых загерметизирован плоскими крышками 2 через резиновое уплотнение 5. Коллекторы 6 и поворотные камеры 7, выполненные в виде поперечных пазов на внутренней поверхности герметизирующих крышек, предназначены для равномерного распределения потоков теплоносителей по каналам, а также для организации противоточной схемы движения жидкостей.

Конструктивно система охлаждения выполнена в моноблочном исполнении со следующими габаритными размерами: высота - 680 мм, ширина - 640 мм, толщина - 280 мм. Ее масса составляет 57 кг, а энергопотребление на прокачку теплоносителя внутреннего контура не превышает 800 Вт.

Как следует из результатов испытаний, а также опыта длительной эксплуатации таких систем в сочетании с лазером ЛГ-510 с полной рассеиваемой мощностью 40 кВт, температура теплоносителя на входе активного элемента лазера соответствует расчетной и составляет +35 °С. При этом расход охлаждающей воды во внешнем контуре системы не превышает 10 литров в минуту, что свидетельствует о ее высокой эффективности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Конвективный тепло- и массоперенос / В. Каст, О. Кришер, Г. Райнике, К. Винтермантель. Пер. с нем. - М.: Энергия, 1980. - 49 с.
  2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977.-344 с.
  3. Справочник по теплообменникам. Т. 1 / Пер. с англ. Под ред. В. С. Петухова, В. К. Шикова. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 560 с.
  4. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. 512 с.

Библиографическая ссылка

Улитенко А.И., Прадед В.В., Фефелов А.А. КОМПАКТНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МОЩНЫХ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2007. – № 6. – С. 21-24;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=24975 (дата обращения: 15.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074