Головка рубинового лазера с термоохлаждением
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.
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.
|
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.