Генератор синглетного кислорода на формирующих нитях

Генератор синглетного кислорода на формирующих нитях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к струйным генераторам синглетного кислорода и может быть использовано при разработке химических лазеров, а также в химической технике.

Известен струйный генератор синглетного кислорода (СГСК): "непрерывный СГСК представляет собой модификацию импульсного СГСК со встречными струями щелочного раствора перекиси водорода и хлора." (М.В.Загидуллин, А.Ю.Куров и др. "Высокоэффективный струйный генератор O₂(¹Δ)", “Квантовая электроника”, 18, №7 (1991), стр. 826).

Аналогичный генератор синглетного кислорода и его применение в химическом кислородно-йодном лазере описаны в журнале “Квантовая электроника”: “КЭ”18 №12 (1991) стр. 1417, “КЭ” 21 №1 (1994) стр. 23, “КЭ” №2 (1994) стр. 129 и других.

Аналогичной является "конструкция СГСК с выводом потока кислорода вертикально вверх через центральное отверстие в сопловой решетке, через которую щелочной раствор перекиси водорода подается в реактор." (М.В.Загидуллин, В.Д.Николаев и другие. "Сверхзвуковой кислородно-йодный лазер мощностью 1,4 кВт с длиной усиления 5 см и разбавлением активной среды азотом ". (“Квантовая электроника”, 30, №2 (2000), стр. 161). Эта конструкция генератора является сдвоенной относительно перечисленных выше, т.к. вверху по краям генератора располагаются две инжекторные решетки для щелочного раствора перекиси водорода, состоящих из корпуса инжектора и трубок, между которыми имеется отверстие для выхода синглетного кислорода. Инжекторы хлора располагаются внизу генератора. Струи раствора из трубок инжекторных решеток подаются сверху вниз, струи хлора инжектируются перпендикулярно струям раствора, далее поток хлора поворачивается на 90° и движется между струями раствора вверх, т.е. реализован противоточный режим движения струй раствора и потока хлора. Это противоточный струйный генератор синглетного кислорода.

Встречное движение свободных струй раствора и потока хлора, расположение инжекторных решеток раствора вверху, а инжекторов хлора внизу генератора, инжекция струй хлора перпендикулярно струям раствора - эти свойства является общими для всех перечисленных конструкций генераторов синглетного кислорода.

Струи раствора имеют диаметр d=0,3... 1 мм, а длину L>100 мм, т.е. отношение L/d>100. При таком отношении начальный участок струи составляет несколько миллиметров, остальная часть струи расширяется в виде конуса. При этом непрерывно сокращается площадь сечения для прохода потока хлора между струями раствора. На конечном участке струи вследствие постоянного расширения и внутренних напряжений струя рвется по образующей конуса. Продукты разрушения струи также сокращают площадь для прохода хлора между струями.

Именно в этом месте в противоточном генераторе осуществляется ввод струй хлора с максимальной скоростью (инжекция) перпендикулярно струям раствора, т.к. площадь сечения для прохода хлора между струями минимальна. Такой ввод хлора в сочетании с плохим качеством струй раствора на конечном участке вызывает разрушение (“распыление”) поверхности струй. Продукты разрушения в виде брызг, капель и аэрозоля выработанный синглетный кислород выносит из генератора в резонатор химического кислородно-йодного лазера. Наличие аэрозоля раствора в резонаторе приводит к рассеянию на частицах аэрозоля лазерного излучения, что снижает мощность излучения лазера. Выброс капель раствора в резонатор приводит к забрызгиванию зеркал и аварийному режиму лазера. Чтобы избежать брызгоуноса из противоточного генератора необходимо увеличивать скорость струй раствора или уменьшать скорость хлора. И то и другое снижает эффективность работы генератора: первое увеличивает унос синглетного кислорода вниз и повышает давление в инжекторе раствора, второе - уменьшает количество выработанного синглетного кислорода.

Известен также поперечный и противоточный генераторы синглетного кислорода со струями на направляющих нитях "Singlet Oxigen Generator with Filament-Guided Jets", John Vetrovec, SPIE Proc. Vol.3574 (1998). В этих генераторах синглетного кислорода для повышения стабильности течения струй и исключения соударения струй инжектор раствора имеет отверстия, в каждом из них проходит направляющая нить, на поверхности которой формируется струя. Нити в совокупности образуют пучки струй, расширяющиеся при движении вниз в виде конуса. В поперечном генераторе синглетного кислорода инжектор хлора и выход синглетного кислорода расположены вверху генератора напротив друг друга. Поток хлора движется перпендикулярно струям раствора. При движении хлора между струями раствора ВНР происходит реакция хлорирования щелочного раствора перекиси водорода с образованием синглетного кислорода O₂(¹Δ) и утилизацией хлора. Выработанный синглетный кислород, не изменяя направления движения, выходит из генератора. В противоточном генераторе синглетного кислорода инжектор хлора расположен горизонтально внизу генератора, выход синглетного кислорода расположен горизонтально вверху генератора. Поток хлора входит в генератор перпендикулярно струям раствора, поворачивается на 90° , движется снизу вверх между струями раствора. При движении хлора между струями раствора ВНР происходит реакция хлорирования щелочного раствора перекиси водорода с образованием синглетного кислорода O₂(¹Δ) и утилизацией хлора. Вверху генератора поток синглетного кислорода поворачивается относительно струй раствора на 90° и выходит из генератора. Раствор имеет высокую вязкость. Экспериментально наблюдалось, что при расстоянии между струями менее 3 мм соседние струи самопроизвольно сливаются в общие струи и блокируют (перекрывают) проходы для газа между струями. Это может приводить к выбросу раствора из генератора синглетного кислорода. Увеличение расстояния между струями (между отверстиями инжектора раствора) уменьшает количество струй в генераторе, что уменьшает реакционную поверхность и снижает эффективность работы генератора.

Поэтому недостатком обоих типов генераторов является меньшая поверхность струй на нитях, чем поверхность свободных струй, т.к. одна нить в каждом отверстии инжектора раствора направляет струю, но не может управлять течением струи и изменять по желанию геометрические характеристики струи.

Поперечное обтекание ряда струй раствора газовым потоком приводит к последовательному возмущению поверхности каждой струи. Ухудшенные условия обтекания струй раствора и образование аэрозоля на поверхности струй раствора вынуждает уменьшать скорость (расход) хлора в генераторе, что также снижает эффективность работы генератора.

При работе генератора происходит истощение поверхности струй раствора ионами НО

-

2

. Скорость обновления поверхности струй раствора ионами НО

-

2

ограничена скоростью диффузии ионов из глубины струи к поверхности струи. Для ускорения обновления поверхности струи раствора ионами НО

-

2

приходится увеличивать скорость струи за счет увеличения давления в инжекторе раствора, что увеличивает количество аэрозоля вокруг струи. Это также снижает эффективность работы генератора.

Расширение струи в виде конуса сокращает площадь сечения между струями для прохода газа, что повышает скорость газового потока внизу генератора. Скорость струй на нитях в 2... 5 раз меньше скорости свободных струй. Поэтому центробежный эффект отбрасывания капель на выходе потока синглетного кислорода из струй раствора малоэффективен. Это затрудняет применение струйных инжекторов раствора на нитях в прямоточных генераторах синглетного кислорода.

Целью изобретения является повышение эффективности, надежности работы и расширение технологических возможностей применения генератора синглетного кислорода.

Поставленная цель достигается тем, что в отверстии (или трубке) инжектора раствора проходит не менее двух нитей, расположенных по краям отверстия с промежутком между ними. Это техническое решение позволяет струе раствора двигаться между нитями с наименьшей потерей кинетической энергии. Поэтому при одном и том же давлении в инжекторе раствора струя стабильно существует на большей длине, чем при движении струи на одиночной нити. Кроме того, самопроизвольное слияние струй из разных отверстий (трубок) инжектора раствора поперек газового потока становится невозможным, т.к. струи расширяются между нитями и толщина профиля струи непрерывно уменьшается, увеличивая расстояние между струями. Это позволяло в экспериментах уменьшать расстояние между струями (между отверстиями инжектора раствора) до 1,8... 2 мм, увеличивать количество струй в генераторе и реакционную поверхность, что повышает эффективность работы генератора.

Кроме того, если из отверстия (или трубки) инжектора раствора нити выходят под углом дуг к другу, то струя раствора при движении между нитями переходит из цилиндрической в плоскую. При этом непрерывно увеличивается периметр, ширина и площадь поверхности струи, уменьшается толщина профиля струи, приближаясь внизу струи к диаметру нити. Увеличение периметра струи интенсивно обновляет поверхность струи ионами НО

-

2

, что повышает эффективность работы генератора синглетного кислорода.

Кроме того, если нити из одного отверстия инжектора раствора пересекают нити или касаются нитей из другого отверстия инжектора раствора, то цилиндрические струи из разных отверстий объединяются в единую плоскую струю раствора. Аналогичный эффект получается, если нити из одного отверстия инжектора раствора гидравлически гладко соединяются с нитями из другого отверстия инжектора раствора с образованием единой нити. Например, экспериментально установлено, что площадь поверхности плоских струй толщиной 0,8 мм, расположенных с шагом 2 мм, в 1,5 раза превышает площадь поверхности свободных струй диаметром 0,8 мм, а струи на одиночных нитях с таким шагом без слияния не существуют. При этом еще больше непрерывно увеличивается периметр, ширина и площадь поверхности струи, уменьшается толщина профиля струи, приближаясь внизу струи к диаметру нити. Поверхность плоской струи интенсивно обновляется ионами НО

-

2

не только за счет непрерывного увеличения периметра струи, но и за счет обтекания потоком струи раствора мест пересечения нитей и самих нитей, расположенных под углом к направлению течения струи. Это также повышает эффективность работы генератора синглетного кислорода.

Кроме того, плоская струя раствора тонкого профиля, армированная нитями, имеет лучшие условия для поперечного обтекания газовым потоком (обладает меньшим лобовым сопротивлением и вызывает меньшее возмущение поверхности струи) в сравнении с поперечным обтеканием ряда цилиндрических струй большого диаметра. Это уменьшает количество аэрозоля, образуемого при поперечном обтекании плоской струи раствора газовым потоком и повышает надежность работы генератора синглетного кислорода.

Струи раствора расширяются между нитями, толщина профиля струи непрерывно уменьшается, увеличивая расстояние между струями. Уменьшается скорость газового потока между струями и лобовое сопротивление струи раствора при поперечном обтекании газовым потоком внизу генератора синглетного кислорода. Поэтому можно осуществлять выход синглетного кислорода внизу генератора, т.е. использовать заявляемое техническое решение не только при разработке поперечного и противоточного генераторов, но и прямоточного генератора синглетного кислорода. Это расширяет технологические возможности применения генератора синглетного кислорода.

На Фиг.1 изображен вариант выполнения противоточного генератора синглетного кислорода с инжектором раствора, в каждом отверстии (или трубке) которого проходит две нити, расположенные по краям отверстия с промежутком между ними. На разрезе А-А показан профиль получаемой струи раствора.

На Фиг.2 изображен вариант выполнения поперечного генератора синглетного кислорода, в котором из отверстия (или трубки) инжектора раствора нити выходят под углом друг к другу. На разрезе А-А показан профиль получаемой струи раствора.

На Фиг.3 изображен вариант выполнения прямоточного генератора синглетного кислорода, в котором нить из одного отверстия (или трубки) инжектора раствора пересекает нить из другого отверстия (или трубки) инжектора раствора. На разрезе А-А показан профиль получаемой струи раствора.

На Фиг.4 изображен вариант выполнения прямоточного генератора синглетного кислорода, в котором нить из одного отверстия (или трубки) инжектора раствора касается нити из другого отверстия (или трубки) инжектора раствора. На разрезе А-А показан профиль получаемой струи раствора.

На Фиг.5 изображен вариант выполнения прямоточного генератора синглетного кислорода, в котором нить из одного отверстия инжектора раствора гидравлически гладко соединяется с нитью из другого отверстия инжектора раствора с образованием единой нити. На разрезе А-А показан профиль получаемой струи раствора.

На Фиг.6 изображен вариант выполнения противоточного генератора синглетного кислорода с инжектором раствора, в каждом щелевом отверстии которого проходит шесть нитей, расположенные в одном отверстии с промежутком между ними. На разрезе А-А показан профиль получаемой струи раствора.

Генератор синглетного кислорода содержит инжектор раствора 1 с отверстиями, корпус генератора 2, нити 3, инжектор хлора 4, кран-дроссель 5.

Работает заявляемый генератор синглетного кислорода следующим образом. Раствор ВНР (КОН+Н₂О₂+Н₂O) подается из инжектора раствора 1 в верхней части корпуса генератора 2. В каждом отверстии (или трубке) инжектора раствора проходит две нити 3, расположенные по краям отверстия с промежутком между ними. Струя раствора выходит из отверстия инжектора раствора и далее формируется в движении сверху вниз по поверхности нитей и между ними. Нити могут выходить из одного отверстия инжектора раствора параллельно, под углом друг к другу, а также пересекать нити или касаться нитей из другого отверстия инжектора раствора. Кроме того, нити из одного отверстия инжектора раствора могут гидравлически гладко соединяться с нитями из другого отверстия инжектора раствора с образованием единой нити того же или меньшего диаметра.

Если нити выходят из одного отверстия инжектора раствора параллельно (Фиг.1, Фиг.6), то между ними образуется общая цилиндрическая струя, расширяющаяся при движении вниз в виде конуса. При этом значительно (более чем в 2 раза) возрастает длина стабильного участка струи при одном и том же давлении в инжекторе раствора.

Если нити выходят из одного отверстия инжектора раствора под углом дуг к другу (Фиг.2), то пропорционально углу уменьшается длина цилиндрического участка струи и увеличивается длина плоского участка струи. Это приводит к уменьшению толщины профиля струи, увеличению ширины, периметра и площади поверхности струи, что сопровождается интенсивным обновлением поверхности струи ионами НО

-

2

за счет увеличения периметра струи.

Если нити из одного отверстия инжектора раствора пересекают нити из другого отверстия инжектора раствора (Фиг.3), то угол между нитями увеличивается еще больше и пропорционально углу еще больше уменьшается длина цилиндрического участка струи и увеличивается длина плоского участка струи. Это приводит к еще большему уменьшению толщины профиля струи, увеличению ширины, периметра и площади поверхности струи. Это сопровождается интенсивным обновлением поверхности струи ионами НО

-

2

не только за счет непрерывного увеличения периметра струи, но и за счет обтекания потоком струи раствора мест пересечения нитей и самих нитей, расположенных под углом к направлению течения струи.

Если нити из одного отверстия инжектора раствора касаются нитей из другого отверстия инжектора раствора (Фиг.4), то длина цилиндрического участка струи уменьшается, а длина плоского участка струи увеличивается в зависимости от положения точки касания нитей. Кроме того, на профиле получаемой струи раствора в месте касания нитей отсутствует утолщение как на Фиг.3, уменьшающее расстояние между струями.

Если нити из одного отверстия инжектора раствора гидравлически гладко соединяются с нитями из другого отверстия инжектора раствора с образованием единой нити того же или меньшего диаметра (Фиг.5), то при тех же преимуществах уменьшается периметр смачивания единой струи в сравнении с вариантом касания нитей (Фиг.4). Это уменьшает потери давления при течении раствора по нитям и увеличивает длину стабильного участка струи, площадь поверхности струи, реакционную поверхность и эффективность работы генератора синглетного кислорода.

Поэтому, если в отверстии (или трубке) инжектора раствора проходит не менее двух нитей, расположенных по краям отверстия с промежутком между ними, то это не только направляет струю между нитями, но и позволяет управлять течением струи и изменять по желанию геометрические характеристики струи. Это делает возможным реализацию разных типов генераторов синглетного кислорода с увеличенной реакционной поверхностью и эффективностью работы по сравнению с генераторами синглетного кислорода на свободных струях и на одиночных нитях.

Ввод хлора (Сl₂) в генератор синглетного кислорода осуществляется из инжектора хлора 4. При движении потока хлора (Сl₂) между струями раствора ВНР (КОН+Н₂O₂+Н₂О) происходит реакция хлорирования щелочного раствора перекиси водорода с образованием синглетного кислорода О₂(¹Δ) и утилизацией хлора. Выработанный синглетный кислород O₂(¹Δ) выходит из генератора синглетного кислорода через кран-дроссель 5 для понижения давления.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность, надежность работы и расширить технологические возможности применения генератора синглетного кислорода.

1. Генератор синглетного кислорода, содержащий корпус, инжектор хлора, кран -дроссель и инжектор раствора с отверстиями ( или трубками), в каждом отверстии проходит нить, на поверхности которой формируется струя, а нити в совокупности образуют пучки струй, отличающийся тем, что в отверстии (или трубке) инжектора раствора проходит не менее двух нитей, расположенных по краям отверстия с промежутком между ними.

2. Генератор синглетного кислорода по п.1, отличающийся тем, что из отверстия инжектора раствора нити выходят под углом друг к другу.

3. Генератор синглетного кислорода по п.2, отличающийся тем, что нити из одного отверстия инжектора раствора пересекают нити из другого отверстия инжектора раствора.

4. Генератор синглетного кислорода по п.2, отличающийся тем, что нити из одного отверстия инжектора раствора касаются нитей из другого отверстия инжектора раствора.

5. Генератор синглетного кислорода по п.2, отличающийся тем, что нити из одного отверстия инжектора раствора соединяются с нитями из другого отверстия инжектора раствора с образованием единой нити.