Для заданной поверхности теплообмена Sto температурны{

напор Ти--То=\/а. Потери давления при протекании теплоно- сителя определяются в основном трением:

Величина коэффициента треНия при турбулентном течени! = /(Re025) т. е. 1= (Срц;)о.5, отсюдаДр=1гЦг°с; Мощность, необходимая для прокачки теплоносителя в сис- теме охлаждения, W=k(GAp/pr) или в безразмерном виде

Пользуясь указанной системой, можно проводить сравнительные расчеты. В табл. 5.3 представлены результаты такого сравнения по отношению к воздуху для газов при температуре 973 К.

Таблица 5.3

Из таблицы видно, что наилучшими теплотехническими характеристиками обладает водород. Тем не менее, при выборе теплоносителя необходимо учитывать эксплуатационные требования и возможность взаимодействия с материалами. С этой точки зрения преимущества на стороне гелия и углекислого газа. Однако реальные газодинамические схемы лазеров, доступность воздуха и возможность его отбора из окружающей среды делают весьма перспективными и системы воздушного охлаждения. Для сравнения жидких теплоносителей можно использовать те же уравнения, что и для газов, за исключением уравнения состояния. Тогда выражения для. относительных параметров примут вид:

Выражение для Относительного коэффициента теплоот-дачи и температурного напора можно сохранить в прежнем виде. В табл. 5.4 приведены результаты сравнения теплоносителей- низкотемпературных жидкостей и жидких металлов. В первом случае результаты получены по отношению, к воде с температурой 323 К, во втором - к натрию, при температуре 973 К.

Таблица 5.4

"0,25

-г2.75-

Из таблицы видно, что среди низкотемпературных тепло-носителей наилучшими характеристиками обладает вода, а среди высокотемпературных - литий. Однако, как и для газов, различные эксплуатационные и технико-экономические гребования в конкретных условиях могут сильно влиять на выбор того или иного теплоносителя. Рассмотренный подход к сравнению теплоносителей может быть видоизменен применительно к задачам выбора лучшего теплоносителя при задании мощности прокачного устройства, температурного напора и др.

Литература к., разд. 5

1. Аблеков В. К; Денисов Ю. И. Проточные химические лазеры. М.: Энергоатомнздат, 1987. 176 с.

j 2, Балашин Ю. А., Крылов К. И., Шарлей С. Ф. Применение ЭВМ при [разработке лазеров. Л.: Машиностроение, 1989. 236 с.

I 3. Борейшо А. С, Лобачев В. В., Трофимович А. Г. и др. Исследование Iсопряженного теплообмена в сопловой решетке ГДЛ Инженерно-физичес-1кий журнал, 1987. Т. 52. № 5. С. 736-743.

4. Варгафтик И. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1972. 720 с.

5; Г.ерцберг А., Кристиансен Ч., Джонстон и др. Фотонные reuepi торы н двигатели для систем передачи энергии с помощью лазеров Р кетная техника н космонавтика, 1972. Т. 10. № 4. С, 394 .. . 400 с.

6. Голубев В. С, Лебедев Ф. В. Инженерные основы создания техн! логических лазеров. М,: Высшая школа, 1988. 176 с.

7. Исследование активной среды и элементов конструкций технологи ческих лазеров; Отчет о НИР Р4 2194/Ленннгр. мех. ин-т. Л., 1983. 75

8. Кутателадэе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивле ние: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990, 367 с,

9. Фаворский О. N.. Фишгайт В. В., Яктовский Е. И. Основы теории космических электрореактнвных двигательных установок. М,: Высша школа, 1970, 488 с,

10, Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной тех НИКИ, Атомиздат, 1968. 484 с,

6. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАТЕРИАЛЫ 6.1. Нагрев материалов лазерным излучением

При обсуждении в разд, 4 вопросов, связанных с взаимс действием лазерного излучения с различными средами, рас! сматривалось влияние этих процессов на характеристики из! лучения. Вместе с тем, с точки зрения практического исполь! зования лазеров не менее важным является и воздействие лазерного излучения на различные материалы. Наиболее xaj рактерный результат такого воздействия - нагрев материал за счет поглощения энергии излучения.

Прохождение лучистой энергии через вещество описывает] ся законом Бугера (см, выражение (4.4)). Поглощенный слое толщиной z световой поток равен

9п(г) = «9„зл(1-е-П

где а=1-7? - коэффициент поглощения; R - коэффициег отражения поверхности материала; (7изл - световой поток нЯ поверхности материала; k - показатель ослабления излуче-] ния в веществе (рис. 76).

В дальнейшем обозначим поглощаемый материалом све] товой поток как <7ц = а(7изл- Плотность мощности теплового ис-1 точника, распределенного вдоль оси z (см. рис. 75), будетя

=ц /гехр(-Аг).

Характерный размер прогретого слоя в теории теплопровод! ности определяется как Zo=ia%. Если поперечный размер ла- зерного луча 2г и толщина материала б много больше Zo, Т

задачу можно рассматривать как одномерную, а облучаемое тело считать полубесконечным в направлении z. Кроме того, если /fe>l/zo, то можно пренебречь распространением излучё-

Рис. 76. Расчетная схема взаимодействия лазерного пучка с материалом

ния в глубь материала. При не слишком коротких импульсах излучения лазера (время импульса xXyla, где б -толщина материала, о = V(Cp • р) -его температуропроводность) уравнение теплопроводности будет иметь вид:

= I Уд ехр(

-kz]

дх " дг рс

Начальное условие Т(2, 0) = 7о, а граничными условиями будут:

:0. ,);%(.-

-со, т)=0.

Задача еще более упростится, если считать, что показатель поглощения k велик и все поглощаемое излучение превращается в тепло прямо на поверхности. Тогда процесс взаимодей-

описывается уравнением

ствня излучения с поверхностью теплопроводности

- =а-

(6.1)

Решение уравнения (6.1):

a-iy л о

-г" .4вт

График зависимости [T(z, x)-To]-%/{q-z) от критерия Фурье РОг = от/22 привсден на рис. 77.

Если размер лазерного пучка сравним или меньше характерной толщины прогретого слоя и профиль интенсивности лазерного пучка отличается от плоского, то решение задачи

[nz,t)-Tj-;i

W 8 6 4

ЮО г

Рис 77. Нагрев полубескоиечиого тела лучистым потоком

нагрева материала усложняется. Для гауссовского профиля распределения интенсивиости (см. табл. 4.1) температура в центре пятна на поверхности тела может быть рассчитана по формуле

«arctg(]/p),

где Гг-характерный размер гауссовского пучка. В режиме стационарного нагрева (т-оо)

7(2=0, г=0, тоо)= Го-

Весьма интересным с практической точки зрения являете)! нагрев пластин конечной толщины (рис. 78). Уравнение теп лопроводности - (6.1), а начальное условие также T{z, 0) = 7о. Граничные условия:

-Х!(г = 8, т) = „, (г = 0,т)-0.

Решить такую задачу для достаточно больших чисел Фурье можно с помощью выражения

T{z, т)=7-„ +

9ц S

22 \

Температура в любой точке пластины - линейная функция времени, а распределение температуры по координате описывается параболой. Если Fol/3, то температура практи-

дт 2

Рис. 78. Нагрев пластины лучистыы ло-

током

чески не зависит от координаты z (рис. 79). Такой случай называется нагревом термически тонких лиСтов. При более точном расчете необходимо учитывать тепловые потери от

10 8. 6 4

1 10

Рис. 79. Нагрев термически тонкой пластины