Диффузионным переносом

В зависимости от взаимной ориентации скорости потока газовой смеси vr и оптической оси О быстропроточные лазеры можно в свою очередь разделить на лазеры с продольной и поперечной прокачкой. Указанная классификация СО2-лазе-ров иллюстрируется схемой на рис. 4.5, а—в. В лазерах с диффузионным охлаждением проток газа не является обязательным и при наличии схем регенерации лазер-

f 4.3. СО2-ЛАЗЕРЫ С ДИФФУЗИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ РАБОЧЕЙ СМЕСИ

Устройство СО2-лазера с диффузионным охлаждением рабочей смеси показано на рис. 4.6. Обычно он состоит из охлаждаемой водой разрядной трубки /, внутри которой с помощью системы электродов 2 создается газоразрядная плазма 3. По торцам разрядной трубки размещаются зеркала резонатора: глухое зеркало 4 и полупрозрачное (или с отверстием) зеркало 5. Стабильность усилительных свойств среды в течение длительного времени поддерживается путем слабой прокачки лазерной смеси или размещением внутри отпаянного лазера регенерирующего элемента. В диффузионных лазерах используется, как правило, смесь CO2:N2:He в соотношениях 1:1:3 или 1:1:6 (или близко к этому) при полном давлении до 20...40 торр.

Рис. 4.6. Устройство СО2-лазера с диффузионным охлаждением

Оценим предельную мощность излучения, достижимую в лазерах с диффузионным охлаждением. Процессами, ограничивающими ее величину, могут быть перегрев рабочей смеси или устойчивость разряда. Максимальные значения среднего объемного энерговклада jE, обусловленные скоростью охлаждения смеси <.]Е>тл, можно оценить из стационарного уравнения баланса теплоты в разряде

Проведенные оценки показывают необходимость высокой относительной концентрации Не в рабочей смеси СО2-лазера с диффузионным охлаждением. Так как теплопроводность азота в 6 раз ниже теплопроводности гелия, исключение Не из рабочей смеси приведет к

с диффузионным охлаждением составляет обычно 0,1„Л кВт (табл. 4.3).

Так например, промышленные отечественные лазеры «Катунь» и «Кардамон» с диффузионным охлаждением, состоящие из четырех газоразрядных трубок с /?т = 3 см и длиной 6 м каждая, последовательно объединенных единой оптической системой, обеспечивают стационарную генерацию на уровне выходной мощности 0,8...! кВт при удельном съеме мощности излучения ~40 Вт/м.

Технологические возможности лазера прежде всего определяются предельной плотностью энергии в фокальном пятне. Воспользовавшись соотношением (2.43) для типичных параметров ССЬ-лазеров с диффузионным охлаждением Р ~ 1 кВт, b ~ 4 см, получим предельную величину S ~ 106...107 Вт/см2. Реальная расходимость [(1...5)-10~3] этих лазеров, как правило, в 5... 10 раз больше дифракционной [(0,5...1)-10~3] и поэтому обычно S~105...106 Вт/см2. Причиной столь высокой расходимости является большое число оптических элементов и большие размеры диффузионных лазеров, а также генерация высоких поперечных мод излучения. Реальные значения введенного в гл. 2 коэффициента Вт составят

Для лазерного оборудования промышленного назначения весьма важным параметром являются габариты установки. Поэтому типичные значения характеризующей габариты лазера длины разрядных трубок для некоторых технологических СО2-лазеров с диффузионным охлаждением приведены в табл. 4.3.

Ограничение предельной мощности однолучевых трубчатых СО2-лазеров с диффузионным охлаждением обусловлено прежде всего тем, что предельная мощность накачки и объем рабочего тела при фиксированной длине зависят от радиуса трубки противоположным образом: Va со R%, а(/?)охл со R~ . Рост объема Va при этом полностью компенсируется уменьшением Интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении велика и чаще всего не лимитирует рабочие процессы, коэффициенты же теплоотдачи намного выше, чем в случае жидкости, нагрев которой происходит без кипения. Особенностью процесса кипения является образование множества пузырьков, их рост, отрыв от поверхности нагрева и приток на их место новых масс жидкости. Энергичное перемещение множества паровых и водяных масс и объясняет более интенсивный теплообмен в граничном слое поверхности нагрева, гораздо ббльший по сравнению с молекулярным диффузионным переносом тепла в граничном слое некипящей жидкости. При очень больших тепловых нагрузках количество образующихся паровых пузырьков может быть так велико, что у поверхности образуется сплошная паровая пленка, что создает пленочный режим кипения, при котором теплоотдача резко уменьшается, а температура стенки увеличивается. В практических условиях пленочный режим кипения является крайне нежелательным, и поэтому в большинстве случаев применяют пузырьковый режим кипения.

Если оксидная пленка имеет хорошие защитные свойства и плотно прилегает к металлу, то коррозия протекает в диффузионном режиме и ее скорость определяется, главным образом, диффузионным переносом в оксидном слое. Наоборот, если на поверхности металла оксидной пленки не образуется или она имеет незначительное диффузионное сопротивление, то коррозия протекает в кинетическом режиме и развитие коррозии определено лишь интенсивностью химических реакций. Между названными крайними режимами окисления располагается промежуточный режим, т. е. такая область, где на коррозию металла влияют как кинетические, так и диффузионные факторы. При диффузионном режиме окисления показатель степени окисления п=0,5 (теоретически), а при кинетическом режиме — и=1. Следовательно, чем ближе процесс коррозии к кинетическому режиму, тем с меньшей скоростью этот процесс затухает.

Изменение параметров турбулентного ядра потока вдоль канала зависит в основном от скоростей химической реакции и конвективного переноса. Распределение параметров по толщине пограничного слоя определяется скоростью химической реакции и диффузионным переносом. Поэтому степень отклонения параметров потока

Следует отметить, что уравнение (2.72) справедливо в том случае, если диффузионным переносом компонент N2O и N2 вдоль оси z можно пренебречь.

Суммируя уравнения для отдельных Компонент и пренебрегая диффузионным переносом массы вдоль канала, получаем уравнение неразрывности для потока в целом

В некоторых случаях наблюдается весьма нежелательное, с точки зрения практики, явление, заключающееся в самопроизвольном соединении металлических частей, находящихся в контакте друг с другом и погруженных в натрий. Этот процесс связан с диффузионным переносом атомов контактирующихся металлов через. жидкометаллическую среду и протекает обычно при температурах, начиная с 500° С. Вполне понятно, что такого рода соединение' так называемое диффузионное сваривание, зависит главным образо»' от времени контакта и температуры. С ломоты^ мер, снижающих^

Изотермический перенос массы в некоторых жидко-металлических средах может вызвать прочное соединение металлических деталей, находящихся в контакте. Этот эффект наблюдался в натрии [212, 213] и получил название самосваривания. Он вызван диффузионным переносом атомов контактирующих твердых металлов через жидкий металл.

Перенос любой субстанции (массы, импульса, энергии и т. д.) в подвижных средах может происходить как молекулярным (хаотическим тепловым движением), так и конвективным (гидродинамическим макроскопическим движением) путем. По своей физической природе молекулярный перенос обусловлен диффузией (молекулярным перемешиванием) и поэтому его можно назвать диффузионным переносом. В этом случае перенос теплоты теплопроводностью в однородной жидкости является переносом теплоты при помощи самодиффузии *. Конвективный перенос субстанции обусловлен видимым (организованным) движением самой среды, которое происходит за счет внешних сил и перепада давления.

кости <7о — по табл. 7.32. Расчетом по (7.175) получаем: ^н = 103-4,7/(1,2-10-"+ Ю-3) =4,2, т. е. ионит в этой системе перейдет из водородной формы в натриевую всего на 11 %. При расчете ионообменного равновесия в растворе, содержащем несколько катионов, составляют систему из уравнений типа (7.175). Важную роль в ионном обмене играет скорость установления ионообменного равновесия. Практически во всех случаях скорость процесса ионного обмена лимитируется диффузионным переносом ионов. Наиболее простым, встречающимся при обмене ионов из растворов концентрацией не более 10~3 моль/л является перенос ионов через пленку жидкости, окружающую ионит (внешне диффузионная кинетика). Он описывается уравнением

Перемещение краевой дислокации при сдвиге на одно межатомное расстояние представляет собой согласованную перегруппировку атомов около дислокации и не сопровождается диффузионным переносом массы. Под Действием касательного напряжения ряд атомов, образующих дислокационную линию, вытесняет ближайший ряд атомов в соседней плоскости. Этому способствуют упругие искажения кристалла около дислокации, облегчающих разрыв старых и образование новых межатомных связей. Как показано на рис. 5.3, при вытеснении ближайшего ряда атомов плоскость кристалла разделяется на две части: одна часть объединяется с избыточной полуплоскостью в целую плоскость, другая —- «принимает» дислокацию и становится избыточной полуплоскостью. Перемещаясь каждый раз на величину вектора Бюргерса — одно межатомное расстояние, дислокация, в конце концов, выйдет на поверхность кристалла, и здесь появится ступенька, равная вектору Бюргерса. Так как в плоскости скольжения движутся десятки и сотни дислокаций, то в результате их выхода на поверхность высота ступеньки будет увеличиваться.

Огромные деформации в сверхпластичном состоянии складываются из зернограничного скольжения, дополненного направленным (под действием напряжений) диффузионным переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен. Для того чтобы реализовать сверхпластичное состояние, требуется сохранить ультрамелкие зерна в течение всего периода деформирования (порядка десятков минут) при температуре выше 0,5ТПЛ. Промышленные сверхпластичные сплавы имеют двухфазную структуру (лучшее сочетание объемов обеих фаз 1:1, так как при этом максимальна поверхность межфазных границ) и поэтому сохраняют исходную мелкозернистость в течение всего срока изготовления изделий. К числу таких сплавов принадлежат различные эвтектические и эвтектоидные смеси, двухфазные сплавы титана и т.п.