Введение к работе
Дисковые вентиляторы для перекачивания газов, которые можно отнести к машинам трения, отличаются от традиционных центробежных и осевых вентиляторов, которые относятся к машинам динамического действия, тем, что в них газ или жидкость перекачивается благодаря силе вязкого трения. Если в традиционных вентиляторах проявление сил вязкого трения перекачиваемой среды о поверхности крыльчаток и лопастей является отрицательным фактором, то в дисковых вентиляторах, наоборот, среда захватывается дисками, фиксируется в междисковом пространстве и вовлекается во вращательное движение благодаря вязкому трению. Возникающая при этом центробежная сила обеспечивает транспортировку газа или жидкости. Дисковые вентиляторы отличаются от осевых и центробежных большой устойчивостью работы в сетях с нагрузкой, отсутствием кавитации и малошумностью. Они имеют относительно большую поверхность рабочего элемента - ротора с дисками, что дает возможность совмещать в одном устройстве несколько функций, используя процессы, протекающие на границе газа с поверхностью. Например, можно осуществлять одновременно транспортировку газа и теплообмен, транспортировку и конденсацию влаги из газа, транспортировку и проведение химических реакций на поверхности дисков.
Зависимость рабочих характеристик диаметральных дисковых вентиляторов (ДДВ) от основных геометрических и кинематических параметров устройства при атмосферном давлении и числах Рейнольдса Re > 2000 изучена на данный момент достаточно хорошо. Настоящая работа посвящена исследованию рабочих характеристик ДДВ при низких давлениях (Р < 40 Торр), малых числах Рейнольдса (Re < 1000) и больших температурных напорах с целью получения эмпирических методов расчета важнейших для проектирования характеристик тепло- и массообмена. Подобные условия (низкое давление около 10 Торр и температура порядка 300 С) характерны для электроразрядных проточных С02-лазеров с конвективным охлаждением рабочей среды, в которых и предполагается использовать ДДВ.
Таким образом, в данной работе исследованы интегральные газодинамические и теплообменные характеристики диаметрального дискового вентилятора-теплообменника применительно к возможному его использованию в газодинамическом контуре СОг-лазера.
Актуальность темы
В диссертации исследуется работа диаметрального дискового вентилятора как насоса и теплообменника. Результаты исследований нашли свое приложение при разработке газодинамического контура СОг-лазера большой мощности.
Физические процессы при взаимодействии тлеющего разряда с потоком газа определяют удельные энергетические характеристики, мощность излучения, устойчивость разряда и, как следствие, надежность и практическую значимость создаваемых электроразрядных проточных СОг-лазеров с конвективным охлаждением рабочей среды. Для лазеров замкнутого цикла, какими являются технологические С02-лазеры, газодинамические и оптические характеристики определяются эффективностью используемых теплообменных и прокачных устройств. Именно они определяют установившееся распределение и величину скорости потока, температуру и избыточное давление, реализуемые в контуре лазера при выделении энергии в разрядной камере, особенно в случае работы при предельных энерговкладах. Поэтому исследования эффективности используемых теплообменных и прокачных устройств являются актуальными при разработке и создании новых установок.
Использование дискового вентилятора-теплообменника в проточном СОг-лазере вместо традиционных центробежного вентилятора и пластинчатого теплообменника позволяет уменьшить массогабаритные характеристики конструкции и повысить скорость потока рабочей среды в разрядной камере лазера, что позволяет увеличить мощность излучения без увеличения размеров разрядной камеры и резонатора лазера.
Цели работы:
- получить экспериментальные данные о процессах массо- и теплообмена в диамет
ральном дисковом вентиляторе при низких числах Рейнольдса, характерных для
С02-лазеров;
-выявить влияние различных геометрических и кинематических параметров вентиляторов на основные параметры его работы при низком давлении;
- обобщить результаты экспериментальных исследований в виде критериальных за
висимостей для расчета расходных характеристик ДДВ;
-исследовать работу лазера с дисковым вентилятором-теплообменником и оценить его перспективность;
-разработать конструкцию дискового вентилятора-теплообменника и газодинамического контура для СОг-лазера большой мощности.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется использованными экспериментальными методиками и подтверждается воспроизводимостью в многократных экспериментах, удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными, полученными при опытной эксплуатации установок, спроектированных с использованием разработанных методик расчета.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что:
-получены экспериментальные данные о характеристиках процессов тепло- и мас-сообмена в диаметральных дисковых вентиляторах в неисследованных ранее диапазонах давлений и температур;
-впервые обнаружен и исследован эффект кризиса расхода диаметрального дискового вентилятора при низких числах Рейнольдса. Дано объяснение этого эффекта;
-проведен анализ влияния основных геометрических параметров ДДВ на их расходные характеристики при низком давлении. Даны рекомендации по выбору оптимальных параметров при проектировании подобных установок;
-разработана эмпирическая методика расчета основных параметров массообмена в диаметральных дисковых вентиляторах, необходимая для проектирования таких аппаратов;
-впервые экспериментально обнаружен эффект тепловой неустойчивости работы диаметрального дискового вентилятора-теплообменника в замкнутом канале. Показано, что данное явление связано с проявлением струйного характера течения в замкнутом контуре лазера, предложен способ его преодоления;
-рассчитаны характеристики и основные параметры установки для охлаждения газа в С02-лазере, по которым был спроектирован, изготовлен и испытан пилотный вариант мощного СОг-лазера;
-экспериментально получены результаты, свидетельствующие о перспективности применения установок на основе диаметральных дисковых вентиляторов для эффективного охлаждения рабочего газа в СОг-лазере;
-экспериментальные данные и обобщающие формулы могут быть использованы для построения теоретических моделей и при конструировании новых образцов различных устройств с использованием дисковых вентиляторов.
На защиту выносятся:
-результаты экспериментального исследования характеристик массо- и теплообмена в диаметральных дисковых вентиляторах при низких числах Рейнольдса;
- обнаружение эффекта кризиса расхода при работе диаметрального дискового вентилятора при низких числах Рейнольдса и объяснение механизма его появления;
-методика расчета расхода в диаметральных дисковых вентиляторах при малых числах Рейнольдса;
-обнаружение эффекта тепловой неустойчивости при работе диаметрального дискового вентилятора в замкнутом контуре и объяснение механизма его появления;
-результаты экспериментального исследования эффективности применения дисковых вентиляторов в качестве теплообменников для эффективного охлаждения рабочего газа в С02-лазере;
-конструкция газодинамического тракта СОг-лазера с дисковым вентилятором-теплообменником.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2004, 2007, 2008), на XVI Международном симпозиуме: International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference. (Gmunden, Austria, September 4-8, 2006), а также на научных семинарах ИТПМ СО РАН. Опытный образец установки в 2004 году был представлен на промышленной выставке в Ганновере (Германия). Кроме того, получен ПАТЕНТ на изобретение «Проточный газовый лазер» №2270499, приоритет 21.05.04.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 105 наименований, приложений и 92 рисунков. Полный объем диссертационной работы 131 стр.
