ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области квантовой электроники 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] структурная схема которого приведена на фиг. 1. Лазер содержит сопловой аппарат 1, оптический резонатор 2 и сверхзвуковой диффузор 3, вместе составляющие генераторный блок, регенеративный теплообменник 4, камеру сгорания 5, распределительные устройства 6 и 7, баллоны с сжатым азотом 8, компрессор 9, выхлопную трубу 10 и систему охлаждения генераторного блока 11.

Лазер работает следующим образом. Продукты камеры сгорания 5 через распределительное устройство 6 нагревают теплообменник 4 и через распределительное устройство 7 и трубу 10 сбрасывается в атмосферу. Азот низкого давления, например от установки разделения воздуха, сжимается компрессором 9 и подается в баллоны высокого давления 8. Во время работы лазера азот поступает из баллонов 8 через распределительное устройство 7, перемешивается в заданном соотношении с углекислотой и водяным паром из парогенератора. Затем они нагреваются в теплообменнике 4 и через распределительное устройство 6 подаются в генераторный блок 1,2,3, где их внутренняя энергия частично преобразуется в излучение. Часть тепловой энергии, запасенной в рабочем теле, расходуется на нагрев генераторного блока и отводится водой в системе охлаждения 11. 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 небольшое время (несколько мин) в циклическом режиме с малой частотой повторения циклов. При использовании компрессора, производительность которого выше, чем расход рабочей смеси, лазер может работать в непрерывном режиме. В этом случае баллоны, в которых происходит накопление азота, можно не использовать и после перемешивания компонентов в заданном соотношении подавать их непосредственно в теплообменник. В непрерывном режиме для охлаждения элементов лазера (корпуса теплообменника и генераторного блока) придется расходовать 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, и для отвода большого количества тепла от охлаждающей воды (20 30% теплосодержания рабочей смеси) потребуется крупногабаритный теплообменник.

Важно подчеркнуть, что недостатки известного лазера являются очень существенными. Например, при расходе рабочей смеси 10 кг/с, нагретой до температуры 1600К-1800К 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. Вследствие указанных недостатков непрерывный режим в известном лазере реализован не был.

Лазер [2] наиболее близок по устройству к заявляемому и принят за прототип.

В предлагаемом изобретении устраняются указанные недостатки.

Сущность изобретения заключается в том, что взаимное расположение элементов и агрегатов лазера позволяет использовать азот в жидком виде, что существенно снижает 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. Теплообмен в теплообменнике-испарителе вследствие большой разницы температур жидкого азота и воды в системе охлаждения происходит значительно интенсивнее, чем в теплообменнике, в котором в качестве хладоагента используется вода. Это позволяет существенно уменьшить его габариты. Таким образом за счет уменьшения мощности, расходуемой на сжатие азота, и интенсификации теплообмена в системе охлаждения КПД предлагаемого лазера будет больше, а габаритные размеры - меньше, чем у прототипа.

Для достижения указанного технического эффекта газодинамический лазер, содержащий генераторный блок, включающий в себя сопловой аппарат, оптический резонатор и сверхзвуковой диффузор, регенеративные теплообменники, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства для циклического переключения теплообменников, системы подачи углекислого газа и водяного пара, танк с жидким азотом, компрессор и систему охлаждения генераторного блока, снабжен рекуперативным теплообменником для испарения жидкого азота и отбора тепла от воды в системе охлаждения генераторного блока, вход трубопровода воды которого соединен с выходом, а выход со входом системы охлаждения генераторного блока, рекуперативными теплообменниками для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, трубопроводы азота которых установлены в потоке отработавшего рабочего тела внутри теплообменников предварительного подогрева, и распределительным устройством, вход которого соединен с выходом компрессора, а выходы соединены со входами трубопроводов азота рекуперативного теплообменника испарения жидкого азота и отбора тепла воды в системе охлаждения генераторного блока и рекуперативных теплообменников для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела.

На фиг. 2 представлена структурная схема газодинамического лазера непрерывного действия в соответствии с изобретением. Газодинамический лазер содержит генераторный блок, включающий в себя сопловой аппарат 1, оптический резонатор 2 и сверхзвуковой диффузор 3, регенеративные теплообменники 4 и 5, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники 6 и 7 для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства 8, 9, 10 и 11 для циклического переключения теплообменников, трубопроводы азота 12 и 13 рекуперативных теплообменников, установленные внутри регенеративных теплообменников 4 и 5 и предназначенные для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, трубопроводы азота 14-1 и воды 14-2 рекуперативного теплообменника 14, предназначенного для испарения жидкого азота и отбора тепла воды, отработавшей в системе охлаждения генераторного блока, жидкостный компрессор 15, распределительное устройство жидкого азота 16, камеры сгорания 17 и 18, выхлопную трубу 19, танк с жидким азотом 20 и систему охлаждения генераторного блока 21.

Лазер работает следующим образом.

Жидкий азот из танка 20 сжимается жидкостным компрессором 15 до заданного давления, проходит через распределительное устройство жидкого азота 16 в трубопровод 14-1 теплообменника 14 и трубопровод 13, установленный внутри теплообменника предварительного подогрева 5, и испаряется. Образовавшийся газообразный азот высокого давления проходит через распределительное устройство 11 теплообменников предварительного подогрева и смешивается в заданном соотношении с CO₂ и H₂O. Далее рабочая смесь поступает в теплообменник 4, где происходит ее предварительный подогрев, затем в теплообменнике 6 она догревается до заданной температуры. Нагретая рабочая смесь проходит через распределительное устройство 8 в генераторный блок 1, 2, 3, где ее внутренняя энергия частично преобразуется в излучение, затем проходит через распределительное устройство 9 в теплообменник 5, в котором происходит отбор тепла от отработавшей рабочей смеси и продуктов камеры сгорания 18 и далее через распределительное устройство 10 и трубу 19 выбрасывается в атмосферу. В это время работает камера сгорания 18, нагревая своими продуктами теплообменники 5 и 7. После того, как аккумулированное теплообменниками 4 и 6 тепло израсходуется на нагрев рабочей смеси, происходит переключение распределительных устройств 8, 9, 10, 11 и 16 таким образом, что теплообменник 5 переходит в режим предварительного подогрева рабочей смеси, теплообменник 7 в режим догрева рабочей смеси до заданной температуры, теплообменник 6 в режим аккумуляции тепла от камеры сгорания 17, теплообменник 4 в режим отбора тепла от отработавшей рабочей смеси и продуктов камеры сгорания 17. Жидкий азот в это время испаряется в трубопроводах 14-1 и 14-2. В трубопроводе 14-1 испарение жидкого азота происходит за счет отбора тепла нагретой воды, поступающей по трубопроводу 14-2 из системы охлаждения генераторного блока 21. Охлажденная вода возвращается назад в систему охлаждения генераторного блока.

Температура жидкого азота значительно ниже, чем температура окружающей среды, а его удельная теплота испарения довольно велика. Поэтому теплообмен в теплообменнике 14 происходит значительно интенсивнее, чем, например, в радиаторном теплообменнике. Это позволяет существенно уменьшить его габариты.

Таким образом, КПД лазера в соответствии с предлагаемым изобретением будет больше, а габаритные размеры меньше, чем у прототипа.

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники и позволяет увеличить КПД и улучшить массогабаритные характеристики мощных технологических лазеров. Сущность: Газодинамический лазер, содержащий сопловой аппарат, оптический резонатор и сверхзвуковой диффузор, регенеративные теплообменники, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства для циклического переключения теплообменников, компрессор и систему охлаждения, снабжен рекуперативным испарителем, рекуперативными теплообменниками, установленными в корпусах регенеративных теплообменников предварительного подогрева, и распределительным устройством, вход которого соединен с выходом компрессора, причем компрессор выполнен жидкостным, вход контура хладоагента рекуперативного испарителя подключен к одному из выходов указанного распределительного устройства, а выход - к входу распределительного устройства теплообменников предварительного подогрева, вход контура теплоносителя рекуперативного испарителя соединен с выходом, а выход - с входом системы охлаждения СРДблока, каждый из входов контуров хладоагента рекуперативных теплообменников подключен к одному из выходов указанного распределительного устройства, а выходы - к входу распределительного устройства теплообменников предварительного подогрева, контуры теплоносителя рекуперативных теплообменников являются одновременно контурами регенеративных теплообменников предварительного подогрева. 2 ил.

Газодинамический лазер, содержащий генераторный блок, включающий сопловой аппарат, оптический резонатор и сверхзвуковой диффузор, регенеративные теплообменники, предназначенные для предварительного подогрева рабочего тела и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, регенеративные теплообменники для догрева рабочего тела до рабочей температуры, распределительные устройства для циклического переключения теплообменников, системы подачи углекислого газа и водяного пара, танк с жидким азотом, компрессор и систему охлаждения генераторного блока, отличающийся тем, что он снабжен рекуперативным теплообменником для испарения жидкого азота и отбора тепла от воды в системе охлаждения генераторного блока, вход трубопровода воды которого соединен с выходом, а выход с входом системы охлаждения генераторного блока, рекуперативными теплообменниками для испарения жидкого азота и отбора тепла от отработавшего рабочего тела, трубопроводы азота которых установлены в потоке отработавшего рабочего тела внутри теплообменников предварительного подогрева, и распределительным устройством, вход которого соединен с выходом компрессора, а выходы соединены с входами трубопроводов азота рекуперативных теплообменников.