Лазерный мир

Улитенко А.И., Прадед В.В., Фефелов А.А. // Журнал  Современные наукоемкие технологии. – 2007. – № 6 – С. 21-24

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.

Описание на английском языке:

COMPACT SYSTEM OF COOLING POWERFUL GAS LASERS
Ulitenko A.I. Praded V.V. Fefelov A.A.
Abstract:
The compact and effective liquid system of cooling of gas lasers with disseminated power up to 40 kW, working in a transitive mode of circulation of the heat-carrier is described. Results of use of system of cooling for stabilization of a temperature mode of an active element of gas laser LG-510 with disseminated power of 40 kW are brought.

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.

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

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.

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.

Полное содержание статьи: https://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=24975