ГЕНЕРАТОР СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА Российский патент 2005 года по МПК H01S3/95 B01J7/00 

Изобретение относится к струйным генераторам синглетного кислорода и может быть использовано при разработке химических лазеров, а также в химической технике.

Известен струйный генератор синглетного кислорода (СГСК): "непрерывный СГСК представляет собой модификацию импульсного СГСК со встречными струями щелочного раствора перекиси водорода и хлора." (М.В. Загидуллин, А.Ю. Куров и др. "Высокоэффективный струйный генератор O₂(¹Δ)", «Квантовая электроника», 18, №7 (1991), стр.826).

Аналогичный генератор синглетного кислорода и его применение в химическом кислородно-йодном лазере описаны в журнале «Квантовая электроника»: «КЭ» 18 №12 (1991), стр.1417, «КЭ» 21 №1 (1994), стр.23, «КЭ» №2 (1994), стр.129 и других.

Аналогичной является "конструкция СГСК с выводом потока кислорода вертикально вверх через центральное отверстие в сопловой решетке, через которую щелочной раствор перекиси водорода подается в реактор." (М.В. Загидуллин, В.Д. Николаев и другие. "Сверхзвуковой кислородно-йодный лазер мощностью 1,4 кВт с длиной усиления 5 см и разбавлением активной среды азотом". («Квантовая электроника», 30, №2 (2000), стр.161). Эта конструкция генератора является сдвоенной относительно перечисленных выше, т.к. вверху по краям генератора располагаются две инжекторные решетки для щелочного раствора перекиси водорода, состоящих из корпуса инжектора и трубок, между инжекторными решетками имеется отверстие для выхода синглетного кислорода. Инжекторы хлора располагаются внизу генератора. Струи раствора из трубок инжекторных решеток, подаются сверху вниз, струи хлора инжектируются перпендикулярно струям раствора, далее поток хлора поворачивается на 90° и движется между струями раствора вверх, т.е. реализован противоточный режим движения струй раствора и потока хлора. Это противоточный струйный генератор синглетного кислорода.

Встречное движение струй раствора и потока хлора, расположение инжекторных решеток раствора вверху, а инжекторов хлора внизу генератора, инжекция струй хлора перпендикулярно струям раствора - эти свойства является общими для всех перечисленных конструкций генераторов синглетного кислорода.

Струи раствора имеют диаметр d=0,3...1 мм, а длину L>100 мм, т.е. отношение L/d>100. При таком отношении начальный участок струи составляет несколько миллиметров, остальная часть струи расширяется в виде конуса. При этом непрерывно сокращается площадь сечения для прохода потока хлора между струями раствора. На конечном участке струи вследствие постоянного расширения и внутренних напряжений струя рвется по образующей конуса. Продукты разрушения струи также сокращают площадь для прохода хлора между струями.

Именно в этом месте в противоточном генераторе осуществляется ввод струй хлора с максимальной скоростью (инжекция) перпендикулярно струям раствора, т.к. площадь сечения для прохода хлора между струями минимальна. Такой ввод хлора в сочетании с плохим качеством струй раствора на конечном участке приводит к разрушению струй раствора.

Кроме того, ввод струй хлора между струями раствора практически невозможен на конечном участке струи.

Скорость потока хлора значительно превышает скорость струй раствора, поэтому при их встречном течении поток хлора тормозит («задирает») поверхность струй. Это также вызывает разрушение («распыление») поверхности струй. Продукты разрушения в виде брызг, капель и аэрозоля выработанный синглетный кислород выносит из генератора в резонатор химического кислородно-йодного лазера. Наличие аэрозоля раствора в резонаторе приводит к рассеянию на частицах аэрозоля лазерного излучения, что снижает мощность излучения лазера. Выброс капель раствора в резонатор приводит к забрызгиванию зеркал и аварийному режиму лазера. Чтобы избежать брызгоуноса из противоточного генератора необходимо увеличивать скорость струй раствора или уменьшать скорость хлора. И то и другое снижает эффективность работы генератора: первое увеличивает унос синглетного кислорода вниз и повышает давление в инжекторе раствора, второе - уменьшает количество выработанного синглетного кислорода. Расположение инжектора хлора внизу генератора приводит к заливанию инжектора хлора раствором при отключении подачи хлора. Это вынуждает осуществлять подвод хлора к инжектору через отстойники для сбора попавшего в инжекторы раствора, усложняет конструкцию, ее обслуживание и делает невозможной автоматизацию работы генератора. Высыхание раствора в отверстиях инжектора хлора приводит к их закупорке и невозможности подачи хлора в генератор. Это делает неработоспособным генератор, т.е. снижает надежность генератора и созданного на его основе лазера.

Целью изобретения является повышение эффективности и надежности работы генератора синглетного кислорода.

Поставленная цель достигается тем, концы трубок инжектора раствора размещены (выходят) ниже отверстий для выхода струй хлора в инжекторе хлора, внутри корпуса генератора установлена направляющая газового потока, образующая с боковой стенкой корпуса канал, струи раствора и поток хлора движутся в канале вниз в одном направлении по одну сторону направляющей, выход потока синглетного кислорода из струй раствора осуществляется с поворотом на 180° вверх и дальнейшим движением потока синглетного кислорода через кран-дроссель по другую сторону направляющей.

Такое расположение инжектора хлора и корпуса инжектора раствора в генераторе обеспечивает движение струй раствора из трубок инжектора раствора и потока хлора в канале вниз в одном направлении по одну сторону направляющей.

Кроме того, при установке инжектора хлора в боковой стенке корпуса генератора концы трубок инжектора раствора размещены ниже отверстий для выхода струй хлора в инжекторе хлора. Струи раствора подаются в генератор из трубок инжектора раствора, а струи хлора - из отверстий в инжекторе хлора, при этом точка выхода струи раствора оказывается ниже точки выхода струи хлора. Это обеспечивает ввод струй хлора перпендикулярно струям раствора точно между ними на начальном участке струй. Такой ввод хлора уменьшает разрушение струй раствора струями хлора на начальном участке струй и исключает попадание раствора в инжектор хлора.

Кроме того, инжектор хлора может иметь отверстия для прохода трубок инжектора раствора и отверстия для выхода струй хлора. Трубки инжектора раствора проходят через отверстия в инжекторе хлора. Струи раствора подаются в генератор из трубок инжектора раствора, а струи хлора - из отверстий в инжекторе хлора, при этом точка выхода струи раствора также оказывается ниже точки выхода струи хлора.

Это обеспечивает ввод струй хлора в генератор в одном направлении со струями раствора точно между ними на начальном участке струй. Такой ввод хлора также уменьшает разрушение струй раствора струями хлора на начальном и рабочем участках струй и исключает попадание раствора в инжектор хлора.

Поэтому ввод струй хлора может осуществляться перпендикулярно струям раствора точно между ними на начальном участке струи или в одном направлении со струями раствора точно между ними на начальном участке струи.

После выхода из инжекторов струи раствора и поток хлора движутся вниз в канале в одном направлении по одну сторону направляющей, т.е. реализуется прямоточный режим движения струй раствора и потока хлора в канале. Канал является реакционной зоной генератора синглетного кислорода и его длину определяет длина направляющей.

По окончании канала струи раствора продолжают свое движение вниз, а поток синглетного кислорода О₂(¹Δ) выходит из струй раствора с поворотом на 180° вверх для обтекания направляющей. Дальнейшее движение синглетного кислорода происходит по другую сторону направляющей через кран-дроссель для понижения давления.

Ввод струй хлора может осуществляться перпендикулярно струям раствора точно между ними на начальном участке струи или в одном направлении со струями раствора точно между ними на начальном участке струи. Это уменьшает разрушение струй раствора струями хлора при вводе хлора в генератор.

Концы трубок инжектора раствора размещены ниже отверстий для выхода струй хлора, т.е. точка выхода струи раствора оказывается ниже точки выхода струи хлора. Это исключает попадание раствора в инжектор хлора.

Диаметр струй раствора на начальном участке практически равен диаметру отверстий трубок инжектора раствора, т.е. минимален, поэтому площадь между струями максимальна, а скорость потока хлора между струями раствора будет минимальна. Это также уменьшает возможность разрушения струй раствора потоком хлора при их попутном течении на начальном и рабочем участках струй.

Скорость потока хлора равна или превышает скорость струй раствора, поэтому при их попутном течении поток хлора не тормозит (не «задирает»), как в противоточном генераторе, а ускоряет («гладит») поверхность струй раствора и стабилизирует их течение. Поэтому в прямоточном генераторе отпадает необходимость в высокой скорости струй раствора, что позволяет уменьшать давление раствора в инжекторе раствора.

Уменьшение возможности разрушения струй раствора потоком хлора на начальном и рабочем участках струй позволяет применять более плотные инжекторы раствора, увеличивать длину струй раствора и расход хлора. Это повышает эффективность работы генератора за счет увеличения реакционной поверхности струй и интенсификации процесса хлорирования раствора.

Сепарация капель и частиц аэрозоля раствора на выходе синглетного кислорода O₂(¹Δ) из струй раствора, ввод хлора в генератор и попутное («согласное») движение струй раствора и потока хлора в реакционной зоне генератора, уменьшающие разрушение струй раствора струями хлора и исключающие попадание раствора в инжекторы хлора, а также уменьшение давления раствора повышают надежность работы генератора.

На Фиг.1 изображен принципиальный общий вид генератора синглетного кислорода в разрезе, у которого инжектор хлора установлен в боковой стенке корпуса генератора. Концы трубок инжектора раствора размещены ниже отверстий для выхода струй хлора в инжекторе хлора. Конструкция инжектора хлора обеспечивает ввод струй хлора перпендикулярно струям раствора точно между ними на начальном участке струй.

На Фиг.2 изображен принципиальный общий вид генератора синглетного кислорода в разрезе с инжектором хлора, имеющим отверстия для прохода трубок инжектора раствора и отверстия для выхода струй хлора. Трубки инжектора раствора проходят через отверстия в инжекторе хлора. Конструкция инжектора хлора обеспечивает ввод струй хлора в генератор в одном направлении со струями раствора точно между ними на начальном участке струй.

На Фиг.3 изображен принципиальный вариант общего вида сдвоенного генератора синглетного кислорода в разрезе. Конструкция инжектора хлора обеспечивает ввод струй хлора в генератор в одном направлении со струями раствора точно между ними на начальном участке струй.

Генератор синглетного кислорода содержит инжектор раствора 1 с трубками, корпус генератора 2, инжектор хлора 3, направляющую газового потока 4, кран-дроссель 5.

Работает заявляемый генератор синглетного кислорода следующим образом. Щелочной раствор перекиси водорода (КОН+Н₂О₂+Н₂О) подается в генератор синглетного кислорода из трубок инжектора раствора 1 в верхней части корпуса генератора 2. Инжектор хлора 3 расположен под корпусом инжектора раствора 1.

Ввод струй хлора (Cl₂) может осуществляться перпендикулярно струям раствора точно между ними на начальном участке струи (Фиг.1), или в одном направлении со струями раствора точно между ними на начальном участке струи (Фиг.2).

После выхода из инжекторов струи раствора и поток хлора движутся в одном направлении вниз в канале, образованном боковой стенкой корпуса генератора 2 и направляющей газового потока 4 по одну сторону направляющей. В канале происходит реакция хлорирования струй щелочного раствора перекиси водорода (КОН+Н₂О₂+Н₂О) с образованием синглетного кислорода O₂(¹Δ) и утилизацией хлора. По окончании канала струи раствора продолжают свое движение вниз, а поток синглетного кислорода O₂(¹Δ) выходит из струй раствора с поворотом на 180° вверх для обтекания направляющей 4. На продукты разрушения струй (капли, частицы аэрозоля), оказавшиеся в потоке синглетного кислорода на повороте действуют центробежные силы, отделяющие (сепарирующие) капли и аэрозоль от синглетного кислорода и отбрасывающие их вниз. Дальнейшее движение потока синглетного кислорода O₂(¹Δ) происходит вверх по другую сторону направляющей через кран-дроссель 5 для понижения давления.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность и надежность работы генератора синглетного кислорода.

Изобретение относится к струйным генераторам синглетного кислорода и может быть использовано при разработке химических лазеров, а также в химической технике. Генератор синглетного кислорода содержит корпус, инжектор раствора, инжектор хлора и кран-дроссель. Инжектор хлора расположен под инжектором раствора. Внутри корпуса генератора установлена направляющая газового потока, образующая с боковой стенкой корпуса канал. Струи раствора и поток хлора движутся в канале вниз в одном направлении по одну сторону направляющей. Выход потока синглетного кислорода из струй раствора осуществляется с поворотом на 180° вверх и дальнейшим движением потока синглетного кислорода через кран-дроссель по другую сторону направляющей. Трубки инжектора раствора проходят через отверстия в инжекторе хлора, причем концы трубок инжектора раствора выходят ниже отверстий для выхода струй хлора. Такой ввод хлора уменьшает разрушение струй раствора струями хлора на начальном и рабочем участках струй и исключает попадание раствора в инжектор хлора. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и надежности работы генератора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор синглетного кислорода, содержащий корпус генератора, инжектор раствора с трубками, инжектор хлора, кран-дроссель, отличающийся тем, что концы трубок инжектора раствора размещены (выходят) ниже отверстий для выхода струй хлора в инжекторе хлора, внутри корпуса генератора установлена направляющая газового потока, образующая с боковой стенкой корпуса канал, струи раствора и поток хлора движутся в канале вниз в одном направлении по одну сторону направляющей, выход потока синглетного кислорода из струй раствора осуществляется с поворотом на 180° вверх и дальнейшим движением потока синглетного кислорода через кран-дроссель по другую сторону направляющей.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что инжектор хлора имеет отверстия для прохода трубок инжектора раствора и отверстия для выхода струй хлора, трубки инжектора раствора проходят через отверстия в инжекторе хлора.