Рефераты по Физике

Головка рубинового лазера с термоохлаждением

Страница 2

Практической реализацией идеи вихревого эффекта явилось создание вихревых холодильников, применяемых как при прове­дении научно-исследовательских работ, так и в промышленности.

Вихревой эффект может быть использован при создании ми­ниатюрных устройств для охлаждения небольших объектов с мас­сой порядка нескольких грамм до температуры порядка —50° С. Вихревой холодильник, отличаясь исключительной простотой конструкции и надежностью в работе, может быть изготовлен до­статочно компактным и легким при сравнительно небольшом рас­ходе воздуха и давлении газа в несколько атмосфер. Нужен срочный ремонт холодильников на дому (Киев)? Оперативный выезд мастера.

Принцип действия.

Известно, что эффективное охлаждение газа может быть осу­ществлено в процессе расширения с отдачей внешней работы — в процессе детандирования газа.

Идеальным процессом расширения газа с совершением внешней работы является изоэнтропный процесс, изменение температуры идеального газа в котором определяется уравнением адиабаты

где Т и Р — температура и давление на входе и выходе;

k — показатель адиабаты.

В процессе расширения путем простого дросселирования кине­тическую энергию вытекающей струи охлажденного газа исполь­зовать не удается: она полностью превращается в тепло, поэтому процесс протекает при постоянной энтальпии, а для идеального газа — и при постоянной температуре.

Вихревая труба представляет собой устройство, в котором процесс дросселирования сопровождается частичным преобразованием энергии газа в механическую работу, в результате чего часть газа охлаждается, а другая часть — нагревается. Рассмо­трим схему вихревой трубы, представленную на рис. 1. Сжатый газ поступает в цилиндрическую трубу / через отверстие, распо­ложенное по касательной к ее внутренней окружности. Труба с одной стороны ограничена диафрагмой 2 с небольшим отверстием в центре, с другой стороны — вентилем 3. Благодаря тангенциаль­ному расположению отверстия, струе газа, охладившегося при расширении, сообщается вихревое движение. Поле угловых ско­ростей w вихря в сечении /—/, проходящем через плоскость вход­ного отверстия, является неравномерным — наибольшими угловыми скоростями обладают слои, расположенные ближе к гео­метрической оси трубы; по мере удаления от центра угловая ско­рость вихря падает.

Рис. 1. Принципиальная схема вихревой трубы: р1, Тc—давле­ние и температура газа; Тх, Tг — температура холодного и горячего потоков

В этой неравномерности распределения угловых скоростей и кроется возможность температурного разделения слоев газа в вих­ревом холодильнике. Действительно, при вращательно-поступательном движении вдоль трубы центральные слои, вращающиеся с большими скоростями, испытывают сопротивление со стороны слоев, вращающихся с меньшими скоростями. Наличие трения между слоями газа приводит к тому, что в некотором сечении II—II распределение угловых скоростей становится близким к равномерному. С энергетической точки зрения это означает, что центральные слои отдали часть своей энергии на производство механической работы против сил сцепления с внешними слоями и благодаря этому сохранили ту пониженную температуру, кото­рую они получили при расширении на входе в трубу.

Для массы газа т, вращающейся со скоростью w на расстоя­нии r от центра, кинетическая энергия, переданная внешним слоям, составляет:

где А — тепловой эквивалент работы; w1, w2,—угловые скорости потока.

Охладившийся центральный поток газа выходит из вихревой трубы через отверстие в диафрагме, более нагретые внешние слои отводятся наружу через вентиль.

Рис. 2. Лазерная головка с вихревым воздухохододильником:

1 — диффузор; 2 — патрубок нагретого потока воздуха; 3 — фланец; 4 — электрод лампы накачки; 5 — лампа; 6 — кристалл; 7 —радиатор; 8 — отражатель; 9 — изолятор; 10 — держатель лампы; 11 — цанга кристалла; 12 — сопло-улитка; 13 — штуцер; 14 — корпус.

Движение потоков может осуществляться как в противополож­ных, так и в одном направлении.

Вихревой воздухохолодильник дает возможность создать систему охлаждения с минимальными массой и габаритами. При этом эффективность охлаждения по сравнению с обычными газовыми системами возрастает в несколько раз. Как уже говорилось, принцип охлаждения активного вещества в этой системе основан на образовании воздушно­го вихря, движущегося с тангенциальным ускорением в сопло, имею­щее форму спирали Архимеда (сопло-улитка) (рис. 2). Кристалл закрепляют цангами на оси вихревой трубки, изготовленной из про­зрачного кварца. В корпусе вихревой трубки устанавливают сопло-улитку. На противоположном конце трубки находится диффузор. Сжатый воздух из внешней сети поступает через подводящий патру­бок в сопло. Образующийся там вихрь движется в осевом направлении вдоль трубки к диффузору. Интенсивная закрутка воздушного пото­ка создает градиент статического давления и высокую турбулент­ность. Вследствие этого в центральной части вихревой трубки создает­ся зона пониженного давления и температуры. Наличие диффузора способствует снижению температуры в этой зоне до —100° С. Высокая турбулентность вихря обеспечивает большие значения коэффициента теплообмена 200 .550 Вт/(м2 • К). Ось вихревой трубки совмещена с кристаллом активного вещества. Отработанный воздух из диффузора поступает внутрь отражателя, охлаждает лампу и выходит наружу. Отсутствие тепловой изоляции вихревой трубки от корпуса камеры не сказывается на теплофизических характеристиках системы охлаж­дения, так как низкотемпературная зона в центре вихря отделяет­ся от стенок трубки периферийными слоями, имеющими температуру, близкую к окружающей. Эта же особенность исключает запотевание наружных стенок кварцевой трубки. Оптимальная площадь сечения сопла при давлении 9,81 • 104 Па составляет одну десятую площади сечения вихревой трубки, а оптимальное отношение длины трубки к диаметру равно 3 .5. Для наилучшего охлаждения кристалла вели­чину зазора между дисками диффузора следует выбрать равной (0,05 . 0,07) • Da. W Dy — диаметр вихревой трубки. Значения коэффициен­та теплообмена и температуры охлаждения ДТ зависят от давления р и отношения d/D„ 0,25 .0,8; составляет: а = (360 .525) Вт/м2 • К. Системы термостабилизации, использующие вихревой эффект, на­дежны и конструктивно просты.

Перейти на страницу:  1  2  3  4