ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Российский патент 2020 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности, к газовым газодинамическим лазерам, которые могут быть использованы в различных областях народного хозяйства для технологических целей.

Прототипом является газодинамический лазер, содержащий горелку, камеру сгорания, сопло, дроссельную решетку, диффузор, камеру охлаждения, рубашку охлаждения, оптический резонатор, полупрозрачное зеркало, непрозрачное зеркало, газоход, рабочую газовую смесь, нагнетатель воздуха (см. патент РФ 2176120).

Недостаток известной конструкции в том, что для генерации лазерного излучения при помощи CO₂ на длине волны 10,6 мкм расходуется большое количество тепловой энергии, получаемой от сжигания природного газа.

Задачей данного изобретения является газодинамический лазер, в котором устранены недостатки прототипа.

Техническим результатом является снижение расхода тепловой энергии на генерацию лазерного излучения.

Технический результат достигается тем, что газодинамический лазер, содержащий горелку, камеру сгорания, сопло, дроссельную решетку, диффузор, камеру охлаждения, рубашку охлаждения, оптический резонатор, полупрозрачное зеркало, непрозрачное зеркало, газоход рабочую газовую смесь, нагнетатель воздуха, согласно настоящему изобретению, после оптического резонатора в газоходе имеются последовательно расположенные блок плавления серы, воздухоподогреватель для нагрева воздуха, подаваемого нагнетателем в горелку, контактный блок для получения серной кислоты, очистной блок для улавливания вредных загрязнений и вентилятор для создания разрежения в газоходе и выброса очищенной рабочей газовой среды в атмосферу, имеется насос подачи расплавленной серы в горелку, а качестве рабочей газовой смеси использованы газообразные продукты сгорания серы с компонентом в виде излучающих молекул SO₂ для формирования лазерного излучения на основе колебательно-вращательных полос в инфракрасной области.

Предлагается использовать теплоту от сжигания расплавленной серы в камере сгорания при высоком давлении и температуре с получением газовой рабочей смеси, излучающим компонентом которой является диоксид серы SO₂ в области длин волн излучения 9,6…10,6 мкм, вместо используемого в известном лазере диоксида углерода CO₂.

Теплота сгорания серы равна 9,1 МДж/кг и получаемая интенсивность излучения SO₂ в полосе 9,6…10,6 мкм при температуре 1090 К равна 0,4 Вт/см²×мкм. Теплота сгорания природного газа, используемого в прототипе, равна 45,7 МДж/кг и получаемая интенсивность излучения СО₂ в полосе 9,6…10,6 мкм при температуре 1090 К равна 0,3 Вт/см²×мкм.

Поэтому потребление теплоты на генерацию лазерного излучения с помощью использования в качестве рабочей среды газообразных продуктов сжигания серы излучающим компонентом в виде SO₂ в области спектра 9,6…10,6 мкм снижается, по сравнению с известной конструкцией лазера на основе излучающего компонента CO₂,

На фиг. 1 приведена схема заявляемого газодинамического лазера.

Позициями обозначены следующие элементы и узлы:

1 - горелка,

2 - камера сгорания,

3 - сопло,

4 - дроссельная решетка,

5 - диффузор,

6 - камера охлаждения,

7 - оптический резонатор,

8 - лазерное излучение,

9 - полупрозрачное зеркало,

10 - непрозрачное зеркало,

11 - нагретый воздух в горелку,

12 - расплавленная сера,

13 - вентиль,

14 - насос,

15 - блок для плавления серы,

16 - центральный воздухонагреватель,

17 - нагретый воздух после дроссельной решетки,

18 - рубашка охлаждения,

19 - нагретый воздух после рубашки охлаждения,

20 - нагнетатель воздуха,

21 - задвижка,

22 - воздухозабор,

23 - загрузка твердой серы,

24 - контактный блок,

25 - серная кислота,

26 - сернокислотные реагенты,

27 - абсорбционные реагенты,

28 - удаление загрязнений,

29 - вентилятор,

30 - очищенный выброс в атмосферу,

31 - рабочая газовая смесь,

32 - очистной блок,

33 - газоход.

Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.

Горелка 1 служит для получения горючей смеси из нагретого воздуха 11 и расплавленной нагретой серы 12.

Камера сгорания 2 предназначена для сжигания расплавленной нагретой серы в нагретом воздухе при давлении 1,5…1,7 МПа с получением температуры 1400…1500 К для рабочей газовой смеси продуктов сгорания 31, используемой для генерации лазерного излучения 8 при длине волны в области 9,6…10,6 мкм.

Применение серы в качестве топлива с низкой теплотой сгорания и получения рабочей среды с высоким процентным содержанием сильно излучающего компонента в виде SO₂ в полосе 9,6…10,6 мкм является отличительным признаком, обеспечивающим достижение положительного технического результата в заявляемой конструкции лазера по экономии теплоты, в сравнении с известной конструкцией.

Сопло 3 предназначено для предварительного ускорения движения рабочей газовой смеси 31 в направлении диффузора 5.

Дроссельная решетка 4 представляет собой набор пустотелых лопаток с внутренним охлаждением воздухом, поступающим под давлением от нагнетателя 20.

Нагретый воздух 17 из дроссельной решетки 4 поступает в горелку 1, что является отличительным признаком обеспечивающим получение положительного технического результата по экономии топлива.

Аэродинамическая форма лопаток, наряду с охлаждением рабочей газовой смеси за счет холодных лопаток, позволяет ускорять ее движение между лопатками путем создания щелевых зазоров, в которых происходит понижение давления и температуры движущейся рабочей газовой смеси 31.

Диффузор 5 служит для торможения газовой смеси 31 перед камерой охлаждения 6, отвод тепла в которой производится через рубашку охлаждения 18 при помощи воздуха, подаваемого нагнетателем 20.

Нагретый воздух 19 после рубашки охлаждения подается в горелку 1, что является отличительным признаком обеспечивающим получение положительного технического результата по экономии топлива.

Оптический резонатор 7 с зеркалами 9 и 10 предназначен для осуществления полной инверсии колебательных уровней и частичной колебательно-вращательной инверсии молекул SO₂.

Из-за большой продолжительности существования верхнего энергетического уровня и малого времени прохождения рабочей смеси 31 через сопло 3 наполнение возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется за время движения молекул SO₂ от камеры сгорания до оптического резонатора 7.

Значительно меньшее время существования молекулы SO₂ на нижнем уровне приводит к тому, что наполнение нижнего уровня оказывается намного меньше наполнения верхнего уровня уже на расстоянии нескольких сантиметров от сопла.

Применение для генерации лазерного излучения колебательно-вращательного спектра излучения сильно излучающих молекул SO₂ в области длин волн λ=9,6…10,6 мкм вместо относительно слабо излучающих молекул CO₂ является отличительным признаком, обеспечивающим получение положительного технического результата по экономии топлива для заявляемой конструкции по созданию лазера с большей интенсивностью излучения при меньшем расходе топлива.

Возможность использования излучения SO₂ для работы лазера подтверждается экспериментальными результатами, приведенными на фиг. 2, на которой показана интенсивность излучения I_λ для SO₂ и CO₂ в продуктах сгорания серы и природного газа в зависимости от длины волны λ и в полосе лазерного излучения λ=9,6…10,6 мкм при температуре Т, толщине слоя L, коэффициенте избытка воздуха α и содержании газовых компонентов (объемных %).

Позициями на фиг. 2 обозначены следующие параметры рабочей газовой среды:

1-Т=1390 К, L=1,2 м, α=1,85, SO₂=11%, SO₃=0,3%, H₂O=0,1%, СО₂=0,1%, N₂=78,3%, О₂=10,2%.

2-Т=1390 К, L=1,2 м, α=1,19, H₂O=11,16%, CO₂=12,81%, N₂=72,43%, O₂=3,6%.

3-Т=1090 К, L=1,0 м, α=1,85, SO₂=12%, SO₃=0,3%, H₂O=0,1%, СО₂=0,1%, N₂=77,3%, О₂=10,2%. 4-Т=1090 К, L=0,15m, α=1,85, SO₂=12%, SO₃=0,3%, H₂O=0,1%, СО₂=0,1%, N₂=77,3%, О₂=10,2%.

5 - используемая для лазера с CO₂ полоса излучения при длине волны λ=10,6 мкм.

Данные, приведенные на фиг. 2, получены на основе экспериментов по послойному измерению интенсивности излучения SO₂ с помощью инфракрасного спектрометра ИКС-21 в сернокислотном цехе ОАО «Воскресенские минеральные удобрения».

В топке при экспериментах сжигалась расплавленная самородная сера. Из топки рабочая газовая смесь с температурой Т=1390 К подавалась на вход водотрубного парового котла, в котором с помощью ширмовых тепловоспринимающих поверхностей выполнялось быстрое охлаждение газовой смеси до температуры 1090 К.

Через смотровые лючки на входе и выходе котла инфракрасным спектрометром ИКС-21 измерялась спектральная интенсивность излучения I_λSO₂ во всей области спектра инфракрасного диапазона. Толщина слоя L устанавливалась при помощи холодного фона, который исключал попадание излучения нагретой обмуровки в измерительный участок.

Сплошная утолщенная черная линия (позиция 3) показывает, что при Т=1090 К и содержании SO₂=11% (объемных) для толщины излучающего слоя L=1 м интенсивность излучения I_λSO₂ в области длин волн λ=9,6…10,6 мкм фактически превосходит интенсивность излучения I_λSO₂ для температуры Т=1390 К (штриховая пунктирная линия позиции 1).

При Т=1390 К возбужденными являются участки спектра при длине волны λ=2,5 мкм (штриховая пунктирная линия позиции 1, фиг. 2).

После охлаждения рабочей среды в котле до 1090 К излучение SO₂ в области λ=2,5 мкм значительно снижается (утолщенная черная линия позиции 3, фиг. 2).

При этом при температуре 1090 К, как уже отмечено, интенсивность излучения при λ=9,6…10,6 мкм немного превышает излучение в этой полосе при Т=1390 К.

В нижней части газоход котла имеет поворот на 180°, что сопровождается торможением рабочей газовой смеси, которая ранее двигалась со скоростью 8 м/с и, вследствие этого, часть возбужденных молекул SO₂ осталась на возбужденном верхнем энергетическом уровне.

Высокая интенсивность излучения SO₂ при Т=1090 К подтверждается измерениями для толщины слоя L=0,15 м (утолщенная черная линия позиции 4, фиг. 2).

В сравнении с SO₂, приведенные на фиг. 2 для CO₂ данные в полосе λ=9,6…10,6 мкм при Т=1390 К для слоя L=1,2 м по результатам измерений для сжигания природного топливного газа на выходе из топки котла БК3-160ГМ показывают более низкие значения интенсивности излучения I_λ (точечно пунктирная линия позиции 2) в сравнении с излучением SO₂.

При охлаждении рабочей газовой смеси в камере 6 и поступлении этой смеси в резонатор 7 происходит переход молекул с верхнего энергетического уровня на нижний, сопровождающийся генерацией электромагнитного излучения.

Отражаясь от зеркал 9 и 10, пучок электромагнитного излучения многократно проходит по резонатору 7, вызывая в нем последующие индуцированные переходы.

Зеркала 9, 10 лазера за счет отражения обеспечивают существование положительной обратной связи - многократного отражения и выполняют функции резонатора.

Они поддерживают генерируемые лазером моды, которые соответствуют стоячим волнам резонатора и подавляют другие, им не соответствующие.

Если на оптической длине S резонатора 7 укладывается целое число полуволнт n, то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг друга, формируя монохроматическое лазерное излучение 8, исходящее через полупрозрачное зеркало. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг друга.

Рабочая газовая смесь 31 после резонатора 7 поступает в участок теплоизолированного газохода 33, имеющего блок плавления серы 15, в котором за счет остаточной теплоты газовой смеси происходит плавление твердой серы 23 с образованием расплавленной серы, подаваемой насосом 14 в горелку 1.

Вентиль 13 служит для регулирования расхода расплавленной серы 12, а также для отключения горелки от блока плавления 15.

Наличие блока плавления серы 15 и насоса 14 для подачи расплавленной серы в горелку является отличительным признаком, обеспечивающим получение положительного технического результата по экономии тепловой энергии, затрачиваемой на работу лазера.

Центральный воздухонагреватель 16, размещенный в газоходе 33, служит для нагрева забираемого нагнетателем 20 через воздухозабор 22 атмосферного воздуха. Нагретый воздух 11 подается в горелку 1.

Наличие воздухонагревателя 16 является отличительным признаком, обеспечивающим получение положительного технического результата по экономии тепловой энергии, затрачиваемой на работу лазера, так как повышается температура в камере сгорания 2 за счет использования нагретого воздуха.

Задвижки 21 служат для регулирования расхода воздуха, подаваемого нагнетателем 20 в дроссельную решетку 4, в рубашку 18 ив воздухоподогреватель 16.

Контактный блок 24 служит для улавливания SO₂ и SO₃ и превращения их в серную кислоту 25 с использованием сернокислотных реагентов 26. Конструктивно контактный блок имеет две колонки: колонку для превращения на четырех слоях из платинового катализатора двуокиси серы SO₂ в серный ангидрид SO₃ путем присоединения кислорода и колонку с керамическими кольцами для орошения SO₃ реагентом, состоящим из 98,3% H₂SO₄ и 1,7% Н₂О с получением концентрированной серной кислоты.

Очистной блок 32 служит для улавливания вредных для окружающей среды компонентов, содержащихся в рабочей газовой смеси 31, с помощью абсорбционных реагентов 27. Очистной блок состоит из насадки из керамических колец, через которую проходит газовая рабочая смесь с содержанием непрореагировавшего в контактном блоке SO₂, орошаемая сверху реагентом - водным раствором сульфита аммония (NH₄)₂SO₃ с образованием бисульфита аммония NH₄HSO₃.

Газоход 33 служит для герметичного транспортирования рабочей смеси 31 от резонатора 7 до очистного блока 32.

Контактный блок 24 и очистной блок 32, обеспечивающие технологическую возможность использования серы в качестве топлива с получением излучающего компонента в виде SO₂, являются отличительными признаками, позволяющими достигнуть положительный технический результат по экономии топлива для заявляемой конструкции лазера.

Вентилятор 29 служит для отсоса рабочей газовой смеси 31 из газохода 33 и выброса ее в атмосферу 30.

Заявляемый лазер работает следующим образом.

Запускается нагрев блока 15 для получения расплавленной серы, после получения расплава которой включаются вентилятор 29 и нагнетатель воздуха 20 и насос 14 при открытых вентиле 13 и задвижке 21.

Включается встроенный в горелку 1 газовый воспламенитель и производится по джиг факела из расплавленной серы 12, подаваемой в горелку насосом 14, в потоке воздуха 11 от нагнетателя 20.

Образующаяся в результате сгорания серы в камере 2 при давлении 1,5…1,7 МПа и температуре 1400 К рабочая газовая смесь 31 с содержанием диоксида серы SO₂=11…12% поступает в сопло 2.

Далее в охлаждаемой дроссельной решетке 4 производится ускорение движения рабочей газовой смеси 31 до сверхзвуковой скорости.

В диффузоре 5 производится торможение потока, возрастает давление и в камеру охлаждения 6 поступает рабочая газовая смесь 31 с возбужденными молекулами SO₂ на верхнем энергетическом уровне.

В результате охлаждения в камере 6 температура рабочей газовой смеси 31 понижается и при поступлении в резонатор 7 возникает переход молекул SO₂ с верхнего энергетического уровня на нижний, сопровождающийся электромагнитным излучением в области длин волн λ=9,6…10,6 мкм, соответствующей этому переходу.

Так как резонатор имеет собственную резонансную частоту, то из всего спектра электромагнитных колебаний SO₂ усиливается частота, совпадающая с резонансной. На основе этой частоты через полупрозрачное зеркало выходит монохроматический поток лазерного излучения 8.

Из резонатора 7 рабочая газовая смесь 31 поступает в блок 15, в котором часть теплоты смеси передается для плавления серы 23.

При дальнейшем движении газовой смеси 31 через воздухоподогреватель 16 происходит подогрев воздуха, подаваемого нагнетателем 20.

В контактном блоке 24 в присутствии катализаторов происходит соединение SO₂ и SO₃ с сернокислотными реагентами 26 и образуется серная кислота 25.

Рабочая газовая смесь 31 после удаления из нее вредных для окружающей среды загрязнений и примесей 28 в очистном блоке 32 с помощью абсорбционных реагентов 27 вентилятором 29, создающим разрежение в газоходе 33, отсасывается в виде очищенных выбросов 30 в атмосферу.

Изобретение относится к лазерной технике. Газодинамический лазер содержит горелку, камеру сгорания, сопло, дроссельную решетку, диффузор, камеру охлаждения, рубашку охлаждения, оптический резонатор, полупрозрачное зеркало, непрозрачное зеркало, газоход, рабочую газовую смесь, нагнетатель воздуха. После оптического резонатора в газоходе имеются последовательно расположенные блок плавления серы, воздухоподогреватель для нагрева воздуха, подаваемого нагнетателем в горелку, контактный блок для получения серной кислоты, очистной блок для улавливания вредных загрязнений и вентилятор для создания разрежения в газоходе и выброса очищенной рабочей газовой среды в атмосферу. Также в состав лазера входит насос подачи расплавленной серы в горелку. В качестве рабочей газовой смеси использованы газообразные продукты сгорания серы с компонентом в виде излучающих молекул SO₂ для формирования лазерного излучения на основе колебательно-вращательных полос в инфракрасной области. Техническим результатом является снижение расхода тепловой энергии на генерацию лазерного излучения. 2 ил.

Газодинамический лазер, содержащий горелку, камеру сгорания, сопло, дроссельную решетку, диффузор, камеру охлаждения, рубашку охлаждения, оптический резонатор, полупрозрачное зеркало, непрозрачное зеркало, газоход, рабочую газовую смесь, нагнетатель воздуха, отличающийся тем, что после оптического резонатора в газоходе имеются последовательно расположенные блок плавления серы, воздухоподогреватель для нагрева воздуха, подаваемого нагнетателем в горелку, контактный блок для получения серной кислоты, очистной блок для улавливания вредных загрязнений и вентилятор для создания разрежения в газоходе и выброса очищенной рабочей газовой среды в атмосферу, имеется насос подачи расплавленной серы в горелку, а в качестве рабочей газовой смеси использованы газообразные продукты сгорания серы с компонентом в виде излучающих молекул SO₂ для формирования лазерного излучения на основе колебательно-вращательных полос в инфракрасной области.