Способ приготовления рабочей смеси для газодинамического лазера

 

Использование: в квантовой электронике, в частности в способе приготовления рабочей смеси для газодинамического лазера. Сущность изобретения: для увеличения КПД и улучшения массогабаритных характеристик мощных технологических лазеров в способе предусмотрена подача жидкого азота в жидкостный компрессор, где его сжимают до заданного давления, а затем подают в теплообменник на испарение. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке и создании мощных технологических лазеров.

Известен лазер [1] в котором рабочая смесь образуется при сгорании газообразных горючего и окислителя. Его недостатки следующие: состав продуктов сгорания далек от оптимального по КПД генерации; для подачи компонентов в камеру сгорания они должны быть предварительно сжаты до высокого давления, на что расходуется много энергии.

В результате КПД лазера низок.

Известен лазер непрерывного действия [2] в котором газообразные компоненты рабочей смеси азот и углекислота сжимаются компрессором и подаются в баллоны высокого давления. Во время работы лазера компоненты поступают из баллонов, перемешиваются в заданном соотношении, к ним добавляется водяной пар из парогенератора, затем они нагреваются в теплообменнике и подаются на расширение в сверхзвуковые сопла. Состав компонентов рабочей смеси азот, углекислота, водяной пар. Вследствие того, что в известном лазере состав рабочей смеси может быть выбран близким к оптимальному по КПД генерации, его КПД выше. Однако, как и в лазере [1] на сжатие газообразной рабочей смеси расходуется много энергии.

Известный лазер работает в непрерывном или циклическом режиме. Для охлаждения его элементов (соплового аппарата, оптического резонатора и сверхзвукового диффузора СРД блока) расходуется много воды (несколько десятков кг/с при расходе рабочей смеси 10 кг/с). Из экономических и экологических требований система охлаждения такого лазера должна быть замкнутой, для отвода большого количества тепла от охлаждающей воды (20-30% теплосодержания рабочей смеси) требуется крупногабаритный теплообменник.

Важно подчеркнуть, что недостатки известного лазера являются очень существенными. Например, при расходе рабочей смеси 10 кг/с, нагретой до температуры 1600-1800 К и сжатой до давления 40 атм, мощность компрессора составит 7-10 МВт, а теплообменник в системе охлаждения должен обеспечить отвод тепловой мощности 4-6 МВт.

Способ приготовления рабочей смеси в лазере [2] наиболее близок к заявляемой и принят за прототип.

В предлагаемом изобретении устраняются указанные недостатки.

Сущность изобретения заключается в том, что азот используют в жидком виде, что позволяет существенно снизить расходуемую мощность: при одинаковом расходе и степени сжатия мощность, расходуемая на привод жидкостного компрессора, в 20-50 раз меньше, чем расходуемая на привод газового компрессора. Испарение жидкого азота производится за счет тепла, отводимого из системы охлаждения СРД блока, а также тепла отработавшего рабочего тела. Таким образом КПД лазера будет больше, а габаритные размеры меньше, чем у прототипа.

Для достижения указанного технического эффекта в способе приготовления рабочей смеси для газодинамического лазера, включающем подачу азота в компрессор, смешение его с двуокисью углерода и водяным паром, подогрев его в циклически переключаемых теплообменниках, подачу жидкого азота осуществляют в жидкостный компрессор, сжимают его до заданного давления, а затем подают в теплообменник на испарение.

На чертеже представлена структурная схема газодинамического лазера непрерывного действия, в котором может быть использован способ приготовления рабочей смеси в соответствии с изобретением. Лазер работает следующим образом.

Жидкий азот из танка 1 сжимается жидкостным компрессором 2 до заданного давления, проходит по трубопроводам через теплообменники 3 и 4 и испаряется. Образовавшийся газообразный азот высокого давления смешивается в заданном соотношении с СО₂ и Н₂О. Далее рабочая смесь поступает в теплообменник 5, где происходит ее предварительный подогрев, затем в теплообменнике 6 она догревается до заданной температуры. Нагретая рабочая смесь проходит через СРД блок 7, где ее внутренняя энергия частично преобразуется в излучение, затем отдает свое тепло теплообменнику 3 и через трубу 8 выбрасывается в атмосферу. В это время работает камера сгорания 9, нагревая своими продуктами теплообменник 3 и 10. После того, как аккумулированное теплообменниками 5 и 6 тепло израсходуется на нагрев рабочей смеси, происходит переключение вентилей 11 и 12 таким образом, что теплообменник 3 переходит в режим предварительного подогрева рабочей смеси, теплообменник 10 в режим догрева рабочей смеси до заданной температуры, теплообменник 6 в режим аккумуляции тепла от камеры сгорания 13, теплообменник 5 в режим отбора тепла от израсходованной рабочей смеси и продуктов камеры 13 сгорания. Жидкий азот в это время испаряется в теплообменниках 5 и 4. В теплообменнике 4 испарение жидкого азота происходит за счет тепла воды в контуре охлаждения СРД блока.

Температура жидкого азота значительно ниже, чем температура окружающей среды, а его удельная теплота испарения довольно велика. Поэтому теплообмен в теплообменнике 4 происходит значительно интенсивнее, чем, например, в радиаторном теплообменнике. Это позволяет существенно уменьшить его габариты.

Таким образом КПД лазера, в котором реализуется предлагаемый способ приготовления рабочей смеси, будет больше, а габаритные размеры меньше, чем у прототипа.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ СМЕСИ ДЛЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА, включающий подачу азота в компрессор, смешение его с двуокисью углерода и водяным паром, подогрев в циклически переключаемых теплообменниках, отличающийся тем, что подачу азота производят в жидкостный компрессор в жидком виде, сжимают его до заданного давления, а затем подают на испарение в теплообменники.

РИСУНКИ

Рисунок 1