Compact cooling system for high-powered gas lasers

Full Text

Проектирование современного технологического оборудования на основе мощных газовых лазеров неразрывно связано с разработкой компактных систем охлаждения лазеров, обеспечивающих эффективный отвод теплоты при минимальном расходе охлаждающей воды. Для этого необходима интенсификация процессов конвективного теплообмена, что достигается применением теплообменников с каналами в форме плоского зазора с малым гидравлическим диаметром, а также переводом системы на более эффективный переходный режим течения жидкостей (взамен ламинарного).

При переходном режиме течения жидкости рост коэффициента теплоотдачи с увеличением скорости более значителен, чем при ламинарном, например в промышленных системах с кожухотрубными теплообменниками. Это объясняется меньшей толщиной пограничного слоя и, что более важно, зарождением турбулентности в потоке жидкости [1]. Однако ввиду неустойчивости этого процесса и значительной зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрии системы рекомендуемые в литературе критериальные соотношения дают существенную погрешность и нуждаются в дополнительных проверке и уточнении [3]. В связи с этим была проведена серия модельных экспериментов на отдельных образцах плоских каналов, геометрические размеры которых максимально приближены к размерам проектируемого теплообменника.

Исследование теплообмена проводили по общепринятой методике [3] на установке, включающей набор контрольно-измерительных приборов для определения массовых расходов теплоносителей, их начальных и конечных температур и продольного распределения температуры по поверхности теплообмена. Ширину исследуемых каналов меняли в пределах 8...20 мм, высоту - 1...2 мм, длину - 0,5...1 м. В качестве теплоносителя использовали воду, температура которой изменялась от 10 до 60°С, а скорость задавалась в пределах, соответствующих значениям критерия Рейнольдса 1,9-10³<Re<1,15-10⁴.

Результаты проведенных экспериментов, обработанных методом теории подобия [4], представлены на рис. 1. Приведенная здесь же обобщенная кривая, построенная методом наименьших квадратов, представляет собой логарифмическую зависимость модифицированного числа Нуссельта от критерия Рейнольдса (Re):

Nu_m=Nu/Pr^0,43,

где Nu - критерий Нуссельта;

Рг - критерий Прандтля (параметр Pr^0,43 учитывает зависимость теплофизических свойств жидкости от температуры).

 

Рис. 1. Зависимость модифицированного критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса

 

Данная кривая достаточно хорошо аппроксимируется критериальным уравнением Nu=0,37 (Re^0,5-27) Pr⁰_'⁴³, описывающим среднюю теплоотдачу в плоских каналах большой протяженности при переходном режиме течения с погрешностью, не превышающей ±15%.

При установлении вида данного соотношения в качестве характерного размера системы принимали эквивалентный диаметр, равный учетверенной площади поперечного сечения канала, деленной на его смачиваемый периметр, а в качестве определяющей температуры - среднюю температуру жидкости.

Результаты проведенных исследований были использованы при разработке компактной системы охлаждения активных элементов газовых лазеров с рассеиваемой мощностью до 40 кВт (рис.2). Система состоит из легкоразборного жидкостного теплообменника 1, нагнетателя низкого давления 2, нагнетателя высокого давления 3, стабилизатора пульсаций потока жидкости 4 и резервуара с запасом теплоносителя 5. В ее состав также входит электронный блок управления (на рисунке не показан), контролирующий работу системы и обеспечивающий отключение лазера 6 при возникновении аварийных ситуаций.

 

Рис. 2. Система охлаждения мощных газовых лазеров: 1 — жидкостный теплообменник; 2 — нагнетатель низкого давления; 3 — нагнетатель высокого давления; 4 — стабилизатор потока жидкости; 5 — резервуар; 6 — лазер

 

При разработке теплообменника 1 учитывали особенности технологии изготовления в условиях мелкосерийного производства, а также необходимость обеспечения свободного доступа ко всей поверхности теплообмена для устранения неизбежных отложений в каналах.

Активная поверхность теплообмена (рис. 3) выполнена в виде меандра, разделяющего две системы параллельных каналов 3 и 4, равномерно распределенных по обеим сторонам плоского алюминиевого блока 1 размерами 180х580х20 мм (ширина×высота×толщина). Каналы шириной 1 мм и глубиной 18 мм образуют внутренний и внешний контуры теплообменника, каждый из которых загерметизирован плоскими крышками 2 с резиновым уплотнением 5. Коллекторы 6 и поворотные камеры 7, выполненные в виде поперечных пазов на внутренних поверхностях обеих герметизирующих крышек, предназначены для равномерного распределения потоков теплоносителей по каналам, а также для организации противоточной схемы движения жидкостей.

 

Рис. 3. Жидкостный теплообменник: 1 — алюминиевый блок; 2 — крышки; З, 4 — жидкостные каналы; 5 — резиновое уплотнение; 6 — коллекторы; 7 — поворотные камеры; 8, 9 — соединительные патрубки

 

Система охлаждения выполнена в виде моноблока с габаритными размерами 640х680х280 мм (ширина×высота×толщина) и массой 57 кг. Энергопотребление на прокачку теплоносителя внутреннего контура не превышает 800 Вт.

Как показали испытания, а также опыт длительного использования таких систем для охлаждения лазера ЛГ-510 с полной рассеиваемой мощностью 40 кВт, температура теплоносителя на входе активного элемента лазера соответствует расчетной и составляет 35°С. При этом расход охлаждающей воды не превышает 10 л/мин, что свидетельствует о достаточно высокой эффективности системы.

В настоящее время данная конструкция широко применяется для охлаждения мощных газовых лазеров, применяемых при проведении научных исследований, в голографических установках, а также в медицинском оборудовании для диагностики и фотодинамической терапии онкологических заболеваний.

About the authors

A. I. Ulitenko

Ryazan State Radio Engineering Academy

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Ryazan

V. V. Praded

Ryazan State Radio Engineering Academy

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Ryazan

V. A. Pushkin

Ryazan Municipal Heating Network Enterprise

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Ryazan

References

Supplementary files