Введение к работе
з Актуальность работы.
Химический кислородно-йодный лазер (ХКЛ) рассматривается
как многообещающий мощный технологический лазер нового поколения. Он обладает многими идеальными для промышленного применения характеристиками :
непрерывный и импульсный режимы работы лазера;
лазер легко масштабируется до уровней мощности в десятки киловатт;
излучение высокого качества с малой расходимостью;
излучение {к ~ 1.315 мкм) хорошо поглощается металлами;
излучение отлично передаётся по оптическим световодам;
недорогие компоненты (КОН, Н202, ().
Основными элементами ХКЛ являются генератор синглетного кислорода 02( Д) (ГСК), ловушка паров воды, узел смешения паров йода с кислородом и резонаторная камера.
Источник энергии в ХКЛ - химическая реакция хлорирования щелочного раствора перекиси водорода, в которой образуется кислород в электронно-возбуждённом состоянии Д. Генератор 0,( Д) определяет энергетические характеристики ХКЛ.
Для наиболее эффективных ХКЛ - со сверхзвуковой скоростью прокачки среды - требуются компактные ГСК с высоким давлением кислорода при большой доле 0,( Д). Традиционные схемы ГСК не вполне удовлетворяют современным требованиям и в значительной степени исчерпали возможности своего совершенствования. Актуальна разработка ГСК новых типов, более эффективных.
Один из путей повышения эффективности работы ХКЛ состоит в устранении из газового тракта лазера ловушки паров воды. Известный
способ получения генерации в ХКЛ без ловушки паров воды основан на идее понижения температуры рабочего раствора [1]. Способу присущ ряд недостатков, обусловленных низкой (до - 50С) температурой раствора. Актуальна разработка ХКЛ, способного работать без ловушки паров воды при обычной (- 10С) температуре раствора.
Для численного моделирования ГСК необходимо знать значение константы скорости реакции хлорирования водного щелочного раствора перекиси водорода. Экспериментально константа не измерялась.
Цель диссертационной работы.
-
Разработать и реализовать новый тип генератора синглетного кислорода - непрерывный струйный (СГСК). Провести полномасштабные исследования влияния основных физических параметров СГСК на его выходные характеристики.
-
Экспериментально измерить константу скорости поверхностной реакции хлорирования водного щелочного раствора перекиси водорода.
-
Разработать, реализовать и исследовать ХКЛ на основе СГСК. Исследовать возможность работы лазера без ловушки паров воды при температуре рабочего раствора ~ -10С.
-
Построить расчётную модель СГСК. Исследовать возможность масштабируемости ХКЛ на базе СГСК.
Научная новизна работы.
Впервые разработан и реализован непрерывный струйный генератор синглетного кислорода.
Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование выходных характеристик СГСК в широком диапазоне изменения его параметров. Найдены области параметров, при которых достигается
5 эффективная работа генератора.
Разработана расчётная модель противоточного СГСК, учитывающая основные физические и газодинамические процессы, протекающие в нём. Найдены в рамках модели и проверены экспериментально соотношения подобия, дающие возможность проектировать СГСК с заданными выходными характеристиками.
Впервые экспериментально определено значение константы скорости поверхностной реакции хлорирования водного щелочного раствора перекиси водорода.
Впервые получена генерация в ХКЛ со струйным ГСК и проведено экспериментальное исследование мощностных характеристик лазера в различных режимах работы ГСК и ХКЛ.
Впервые продемонстрирована эффективная работа ХКЛ без ловушки паров воды при температуре рабочего раствора -10С.
Практическая ценность работы.
Непрерывный струйный генератор 0,( Д) перспективен для использования в сверхзвуковых и технологических ХКЛ благодаря высокому выходному давлению кислорода, компактности и высоким удельным характеристикам. Использование СГСК позволяет обходиться без ловушки паров воды на входе резонатора ХКЛ при использовании относительно высокотемпературного раствора (-10С).
Значение константы скорости поверхностной реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода может использоваться при численном моделировании ГСК.
Соотношения подобия СГСК, совместно с результатами исследования генератора, позволяют проектировать противоточные струйные
генераторы с требуемыми выходными характеристиками, масштабировать СГСК по рабочему давлению, расходу хлора, доле 02('Д) и хлора.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Предложен, разработан и исследован новый тип генератора 02( Д) - непрерывный струйный. Теоретически и экспериментально установлен характер зависимости выходных характеристик генератора от состава рабочего раствора, давления и скорости газа, скорости струй, длины и удельной поверхности реактора. Найдены режимы работы генератора, обеспечивающие выходное давление генератора до 40 тор при высокой доле О^Д) (более 55 %).
-
Обнаружено существование соотношений подобия противоточ-ных струйных генераторов 02('Д). Это позволяет проектировать (или масштабировать) генераторы с требуемыми характеристиками. Так, например, область геометрических и гидродинамических параметров СГСК, обеспечивающая эффективность возбуждения кислорода более 50 % и долю неутилизированного хлора менее 10 % задаётся условиями: Lcr/Ur > 0.014 с/см; PBMXL/Ur < 0.3 торс; РВЬ1Х(иг/ижа)'5 < 3.5 тор-см05.
-
Измерена константа скорости поверхностной реакции хлорирования водного щелочного раствора перекиси водорода, определяющая
наработку электронно-возбуждённого кислорода: р0 = 148 ± 60 см-л ' /с-моль05 ( Т=263К).
4. Экспериментально установлено, что струйный генератор синг-
летного кислорода с выходным давлением более 30 тор позволяет
лазеру работать без ловушки паров воды при температуре раствора ~
- 10С с полной химической эффективностью более 10 %.
7 Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены на VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1990 г; на 2-й международной конференции "Лазер М2Р", Франция, Гренобль, 1991 г; на международной конференции "LAMP-92", Япония, Нагаока, 1992 г,
Публикации.
Результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах. Список работ приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём диссертации 135 страниц, в том числе 7 таблиц и 45 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 86 наименований.
Похожие диссертации на Химический кислородно-йодный лазер со струйныи генератором синглетного кислорода
