بخشی از مقاله
چکیده
یکی از پارامترهاي موثر بر بازدهی و توان خروجی لیزر هاي گازکربنیک با شارش سریع گاز، سرعت جریان گاز در داخل تیوب تخلیه لیزراست. در این تحقیق با استفاده از روش المان محدود، سرعت گاز در مبدل حرارتی مورد استفاده در لیزر گاز کربنیک با شارش محوري سریع گاز، مدلسازي شده است. در طراحی مبدل حرارتی اخیر هندسه هاي گوناگون صفحات تقسیم کننده سیال گاز و ارتفاع موثر آنها مورد تحلیل قرار گرفت تا مطلوب ترین ارتفاع موثر که بیشترین سرعت خروجی را حاصل می کند، محاسبه شود. از نتایج این تحقیق چنین بر می آید که چنانچه ارتفاع موثر صفحات تقسیم کننده گاز 28 سانتی متر باشند، سرعت سیال گاز در خروجی بیشینه خواهد شد.
-1 مقدمه
توسعه لیزرهاي گازکربنیک با جریان محوري سریع گاز با توان هایی درمحدوده 200 تا 3000 وات به دلیل کاربردهاي آن درپردازش مواد به ویژه در صنعت مورد توجه قرار گرفته است .[1] از جمله ویژگی هاي مثبت این نوع لیزرها، طراحی آسان، کیفیت مناسب پرتو - که در فرایندهاي پردازش مواد بسیار حائز اهمیت است - و ... می باشد که به همین دلیل موجب توسعه روز افزون آن در بخش هاي مختلف مهندسی ساخت و تولید، از جمله برشکاري، جوشکاري، عملیات حرارتی، شکل دهی فلزات، نمونه سازي سریع و ... شده است.
اولین لیزر گازکربنیک با جریان محوري سریع گاز با توان خروجی بر واحد 1/4 کیلو وات بر متر در سال 1969 گزارش شد .[2] در این لیزر، گاز بطور سریع توسط یک پمپ خلاء از طریق لوله تخلیه به خارج منتقل شده در نتیجه به صورت سیکل باز عمل می نمود. در سال 1976 نوع سیکل بسته این لیزر طراحی و ساخته شد که به این منظور از یک پمپ براي چرخش گاز استفاده شد .[2]
در حال حاضر فناوري ساخت این نوع لیزر در کشور عزیزمان بومی سازي شده است که از جمله آن می توان به طراحی و ساخت لیزر گاز کربنیک با جریان محوري سریع گاز با توان 380 وات و 800 وات، در پژوهشکده لیزر و اپتیک سازمان انرژي اتمی ایران اشاره کرد که این امر به همت متخصصین ایرانی صورت پذیرفته است .[3-9] هم اکنون نیز این پروژه در فاز تبدیل لیزر مذکور از مقیاس آزمایشگاهی به صنعتی قرار دارد که موضوع تحقیق حاضر نیز بخش کوچکی از این فرایند است.
پارامترهاي بسیاري بر افزایش توان خروجی و کیفیت پرتو حاصله لیزرموثر هستند که از آنجمله می توان به سرعت جریان گاز در تیوب تخلیه لیزر اشاره کرد. در طراحی انجام شده براي لیزر مذکور، از یک سیستم چرخش گاز و خلا استفاده شده است که شامل یک پمپ TurboStream با آهنگ جریان متغیر2500 مترمکعب برساعت و یک پمپ خلا با آهنگ جریان 25 مترمکعب برساعت می باشند.
سیستم خنک کننده گاز نیز شامل سه مبدل حرارتی است که یکی از آنها درمسیرخروج گاز ازتیوپ تخلیه لیزر و دو مبدل دیگر با ابعادکوچکتر در مسیرخروج گاز از دو دهانه خروجی پمپ Turbo قرارداده شده اند - زیرا بر اثراعمال کار مکانیکی بر سیال گاز درپمپ توربو، دماي سیال افزایش می یابد - . همچنین از یک منبع تغذیه سوئیچینگ نیز براي تحریک محیط گازي داخل تیوپ استفاده شده است - به شکل 1 توجه شود - . هدف از این تحقیق شبیه سازي المان محدود سرعت گاز در خروجی از مبدل حرارتی قبل از ورود به پمپ توربو است.
این قسمت در شکل 1 با بزرگنمایی در داخل یک دایره، بصورت مجزا و بزرگ شده مشخص شده است. در طراحی مبدل حرارتی اول - در قسمت ورودي به پمپ توربو - ، هندسه هاي گوناگون صفحات تقسیم کننده سیال گاز و ارتفاع موثر آنها بر سرعت گاز خروجی موثر است. در این مقاله اشکال مختلفی براي این صفحات فلزي در نظر گرفته شده است و در مرحله بعدي به کمک تحلیل المان محدود بررسی شده که کدام شکل موجب افزایش سرعت خروجی گاز می گردد.
در این شکل ها دو پارامتر مهم وجود دارد، یکی X بر حسب سانتی متر که عبارتست از ارتفاع موثر صفحات - فاصله دیوار بالایی مبدل حرارتی تا نقطه انتهایی صفحات مذکور - و دیگري Y بر حسب متر بر ثانیه که مربوط به سرعت خروجی گاز از مبدل حرارتی می باشد - به شکل 2 نگاه کنید - . در نهایت یافتن ارتفاع موثري که سرعت گاز خروجی را بیشینه می کند، مطلوب است. براي تحلیل المان محدود مساله در تحقیق پیش رو از نرم افزار تجاري تحلیل المان محدود COMSOL Multiphysics استفاده گردیده است.
-2 استخراج معادلات حاکم بر مساله و ایجاد مدل
به منظور ساده سازي تحلیل و به دلیل تقارن محوري مساله، هندسه به صورت دو بعدي نظر گرفته شده است.
