ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО КЛАССА ПО МЕТОДУ ФЛУОРЕСЦЕИНА-НАТРИЯ И МЕТОДИКА ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
TEST BENCH FOR EVALUATING THE PERFORMANCE OF A NUCLEAR-GRADE FILTER ELEMENT USING THE FLUORESCEIN SODIUM METHOD AND METHODOLOGY OF ITS DESIGN

Область техники
Настоящее изобретение представляет собой испытательный стенд для оценки характеристики фильтрующего элемента высокоэффективного фильтра ядерного класса и методика его проектирования, конкретно предназначено для области испытаний характеристик в процессе изготовления фильтрующего элемента ядерного класса.
Уровень техники
В системе обращения с радиоактивными аэрозолями на атомной электростанции (АЭС) установлено большое количество высокоэффективного фильтра для удаления аэрозолей в сдувках из баков. Требования системы к эффективности очистки высокоэффективного фильтра достигают 99.97% по методу натриевого пламени. Для вновь разработанного фильтрующего элемента высокоэффективного фильтра, заводы-изготовители обычно производят измерение эффективности очистки фильтрующего элемента фильтра по методу натриевого пламени. С учётом того, что при испытаниях в системе KPL3 на площадке АЭС применяется метод флуоресцеина-натрия, для обеспечения единообразия метода испытаний, испытательный стенд для оценки характеристик фильтрующего элемента высокоэффективного фильтра ядерного класса спроектирован по методу флуоресцеина-натрия по реальным режимам эксплуатации на АЭС, с помощью которого в лаборатории производится контроль эффективности вновь разработанного фильтрующего элемента по методу флуоресцеина-натрия.
В качестве известного решения можно рассмотреть установку для испытаний элементов систем производственной вентиляции, которая содержит пылевую камеру, которая снабжена кольцевым зазором приточного воздуха в верхней части пылевой камеры, конусовидной насадкой, установленной на наружной поверхности вытяжного воздуховода с воздухозаборным зонтом внутри пылевой камеры, и блоком регулирования параметров воздушной среды, соединенным через преобразователь входных сигналов с первичным оптическим датчиком концентрации пыли, датчиком температуры и относительной влажности воздуха, вторичным оптическим датчиком концентрации пыли, установленным после фильтрующего устройства в вытяжном воздуховоде, а через преобразователь выходных сигналов-с устройством подачи пыли, теплопарогенератором, электродвигателя вентилятора (патент КГ2580103, 10.04.2016). Известное решение не позволяет осуществить оценку характеристик фильтрующего элемента ядерного класса по методу флуоресцеина-натрия.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы, учитывая недостаток имеющейся техники, применять испытательный стенд для оценки характеристик фильтрующего элемента ядерного класса по методу флуоресцеина-натрия, который осуществляет в лаборатории контроль эффективности вновь разработанного фильтрующего элемента по методу флуоресцеина-натрия.
Разработка заявленного испытательного стенда выполнена с учетом режимов эксплуатации на АЭС, чтобы обеспечить единообразие испытательных данных при проведении испытаний продукции по методу флуоресцена-натрия на площадке.
Техническое решение настоящего изобретения:
Испытательный стенд для оценки характеристик фильтрующего элемента ядерного класса по методу флуоресцеина-натрия включает в себя: приточный фильтр, генератор флуоресцеина-натрия, наливной штуцер для генератора флуоресцеина-натрия, манометр до фильтра, пробоотборник до фильтра, бокс для установки фильтрующего элемента, манометр после фильтра, обратный наливной штуцер после фильтра, пробоотборник после фильтра, отверстие пробоотбора после фильтра, регулирующий клапан количества воздуха и вентилятор. Указанный приточный фильтр, коробка для установки фильтрующего элемента и манометр после фильтра поочередно соединяются трубопроводом. На трубопроводе правой стороны указанного приточного фильтра предусмотрен наливной штуцер для генератора флуоресцеина-натрия, на котором установлен генератор флуоресцеина-натрия. На правом трубопроводе наливного штуцера предусмотрен манометр до фильтра. На трубопроводе между манометром до фильтра и боксом для установки фильтрующего элемента параллельно установлен пробоотборник до фильтра. Параллельные трубопроводы, где находятся указанные наливной штуцер, манометр до фильтра и пробоотборник до фильтра, расположены на трубопроводах между приточным фильтром и боксом для установки фильтрующего элемента. На трубопроводе между указанными боксом и вентилятором, слева направо поочередно установлены манометр после фильтра, параллельный трубопровод пробоотборника после фильтра и главного трубопровода, регулирующий клапан количества воздуха.
На параллельном трубопроводе, где находится указанный пробоотборник до фильтра, на левой стороне пробоотборника до фильтра предусмотрен обратный наливной штуцер до фильтра, а на правой стороне пробоотборника до фильтра – отверстие пробоотбора до фильтра.
На параллельном трубопроводе, где находится указанный пробоотборник после фильтра, на левой стороне пробоотборника после фильтра предусмотрен обратный наливной штуцер после фильтра, а на правой стороне пробоотборника после фильтра – отверстие пробоотбора после фильтра.
Полезный эффект настоящего изобретения:
1. Разработка данного испытательного стенда выполнена с учетом режимов эксплуатации на АЭС, чтобы обеспечить единообразие испытательных данных при проведении испытаний продукции по методу флуоресцена-натрия на площадке;
2. В связи с тем, что настоящее устройство выполняет функцию контроля эффективности вновь разработанного фильтрующего элемента по методу флуоресцеина-натрия, полученные результаты прошли расчет и подтверждение по соответствующим нормам «Проектный справочник функционального кондиционера теплоснабжения» и «Нормы обращения с ядерным воздухом и газом. Правила испытаний, часть 1: Испытания системы обращения с воздухом на производстве» и так далее.
Описание приложенного чертежа
Фиг. 1. Испытательный стенд для оценки характеристики фильтрующего элемента высокоэффективного фильтра ядерного класса по методу флуоресцеина-натрия.
Осуществление изобретения
Далее в тексте, в сочетании с приложенным чертежом и практическими примерами, производим дальнейшее описание испытательного стенда для оценки характеристики фильтрующего элемента ядерного класса по методу флуоресцеина-натрия, представленного настоящим изобретением.
Испытательный стенд для оценки характеристик фильтрующего элемента ядерного класса по методу флуоресцеина-натрия включает в себя: приточный фильтр 1, генератор флуоресцеина-натрия 2, наливной штуцер для генератора флуоресцеина-натрия 3, манометр до фильтра 4, пробоотборник до фильтра 6, бокс для установки фильтрующего элемента 8, манометр после фильтра 9, обратный наливной штуцер после фильтра 10, пробоотборник после фильтра 11, отверстие пробоотбора после фильтра 12, регулирующий клапан количества воздуха 13 и вентилятор 14. В том числе, указанные приточный фильтр 1, коробка для установки фильтрующего элемента 8 и манометр после фильтра 9 поочередно соединяются трубопроводом. На трубопроводе правой стороны указанного приточного фильтра 1 предусмотрен наливной штуцер для генератора флуоресцеина-натрия 3, на котором установлен генератор флуоресцеина-натрия 2. На правом трубопроводе наливного штуцера 3 предусмотрен манометр до фильтра 4. На трубопроводе между манометром до фильтра 4 и коробкой для установки фильтрующего элемента 8 параллельно установлен пробоотборник до фильтра 6. Параллельные трубопроводы, где находятся указанные наливной штуцер 3, манометр до фильтра 4 и пробоотборник до фильтра 6, расположены на трубопроводах между приточным фильтром 1 и боксом для установки фильтрующего элемента 8. На трубопроводе между указанными коробкой 8 и вентилятором 14, слева направо поочередно установлены манометр после фильтра 9, параллельный трубопровод пробоотборника после фильтра 11 и главного трубопровода, регулирующий клапан количества воздуха 13.
На параллельном трубопроводе, где находится пробоотборник до фильтра 6, на левой стороне пробоотборника до фильтра 6 предусмотрен обратный наливной штуцер до фильтра 5, а на правой стороне пробоотборника до фильтра 6 предусмотрено отверстие пробоотбора до фильтра 7.
На параллельном трубопроводе, где находится пробоотборник после фильтра 11, на левой стороне пробоотборника после фильтра 10 предусмотрен обратный наливной штуцер после фильтра 10, а на правой стороне пробоотборника после фильтра 11 предусмотрено отверстие пробоотбора после фильтра 12.
По параметрам практических режимов эксплуатации системы определить параметры трубопровода испытательного стенда, положения установки наливного штуцера пробоотбора и прочего оборудования, а также выбор модели оборудования.
По реальным режимам эксплуатации системы KPL3 получены следующие основные технические параметры испытательного стенда:
Основные технические параметры испытательного стенда
Наименование
Параметр
Условия испытания
Температура помещения
Расход
214~284m<sup>3</sup>/h
Зернистость испытываемого материалов
0~5μm
Испытательный аэрозоль
Флуоресцеин-натрия
Определение диаметра трубы в системе
3
На основании количества воздуха испытательного фильтра 214~284 m/h, в соответствии с государственным стандартом GB/T6165-2008, в главном трубопроводе ''скорость испытательного газа в общем не превышает 5m/s''. Для диаметра трубопровода и скорости воздуха производили испытательный расчет по формуле (1), и в результате определили диаметр главного трубопровода 150мм, скорость воздуха в трубопроводе 3.8m/s.  В качестве материала трубопровода применили нержавеющую сталь 304.
,  (1)
где
3
Q – расход воздуха в системе, единица m/h,
D – диаметр трубопровода, единица m,
V – скорость воздуха в трубопроводе, единица m/s.
Участок обработки входящего воздуха
Участок обработки входящего воздуха предназначен в основном для фильтрации и очистки входящего воздуха в системе. Материал корпуса бокса – нержавеющая сталь 304. Применяется фильтр YM001 для обработки входящего воздуха. Расход воздуха составляет 500 m3/h, эффективность метода натриевого пламени ≥99.99%.
Участок подачи флуоресцеина-натрия, участок отбора пробы до фильтрации, участок отбора пробы после фильтрации
Следует обеспечить достаточно далекое расстояние от места подачи флуоресцеина-натрия до места отбора пробы до фильтрации, чтобы обеспечить представительность отбора пробы до фильтрации. В соответствии с государственным стандартом GB/T6165-2008 «Методика испытания на характеристику высокоэффективного воздушного фильтра. Эффективность и сопротивление» расстояние для подачи аэрозоля в цифровое испытательное устройство и отбора пробы до фильтрации составляет 5 диаметров трубопровода.
В результате определили, что минимальное расстояние от места подачи аэрозоля в цифровое испытательное устройство до отбора пробы составляет 5 диаметров трубопровода, то есть 750мм. В реальных испытаниях было принято расстояние 2000мм, что удовлетворяет требованиям.
Для места отбора пробы после фильтрации принято расстояние 5 диаметров испытательного трубопровода, то есть 750мм.
Испытания расхода воздуха в системе
3
Для испытания расхода воздуха в системе применяется сопло. Размер выбранного сопла составляет φ50mm. Расход воздуха в объеме 100~300 m/h. По требованиям к установке сопла длина секции прямой трубы до расходомера должна составлять 10 диаметров трубы, а длина секции прямой трубы после расходомера – 5 диаметров. В соответствии с данными требованиями определили длину секции прямой трубы до расходомера - 1500мм, длину секции прямой трубы после расходомера - 750мм.
Расчет сопротивления в системе
В связи с тем, что в системе имеются два трубопровода – главный трубопровод и байпас, расчет сопротивления должен производиться по принципу расчета самого неблагоприятного трубопровода. Для расчета сопротивления в системе выбрали главный трубопровод. Сопротивление включает в себя две части – сопротивление по длине и локальное сопротивление.
Сопротивление по длине:
Pm=∆PmL,     (2)
где
∆Pm – потеря давления по длине для удельной длины трубы, Pa/m
L – длина воздуховода, m.
Локальное сопротивление:
,    (3)
где
ξ – коэффициент локального сопротивления,
V – скорость воздуха на месте возникновения потери данного давления в воздуховоде, m/s,
3
ρ – плотность воздуха, kg/m.
В данной системе длина воздуховода составляет 4м, по «Проектному справочнику функционального кондиционера теплоснабжения» потеря давления по длине для удельной длины трубы – ∆Pm составляет 0.36 Pa/m, выдаваемое сопротивление по длине расчетом по формуле (2) составляет  Pm =1.44 Pa
В данной системе локальное сопротивление рассчитывается по формуле (3) или определяется по испытательному сопротивлению оборудования, конкретные результаты расчета и основание приведены в следующей таблице:
№ п/п
Наименование оборудования
Локальное сопротивление (Па)
Основание расчета
1
Бак предварительной обработки воздуха
270
Для фильтра 220 Ра, сопротивление  в корпусе бака 50 Ра.
2
Колено
10
Расчет по формуле (3), принять ξ 0,26.
3
Регулирующий клапан
200
Расчет по формуле (3), принять ξ 11, величина теоретического расчета 165 Pa. Принять величину по опыту 200Ра.
4
Расходомер сопла
1000
Выбор типа оборудования
5
Колено
10
Расчет по формуле (3), принять ξ 0,26.
6
Устройство
425
Для фильтра 325 Ра, сопротивление корпуса бокса 100 Ра.
Итого
1915
Если локальное сопротивление в системе по верхней таблице Pj=1915 Pa, то общее расчетное сопротивление в системе P’=Pm+Pj= 916.44 Pa, при принятии коэффициента безопасности K=1.2, то P = K P≈2299.7 Pa.
По параметрам производится выбор типа оборудования
Сопло для измерения расхода
По требованиям к функции данной системы выбрать сопло с размером φ50mm, с расходом воздуха 100~300m3/h.
Центробежный вентилятор
По требованиям к функции системы – скорость оборотов 2900r/min, тип электродвигателя Y90L-2, мощность электродвигателя 2.2KW, расход воздуха 1264m3/h, полное давление 3597Pa.
Регулирующий клапана количества воздуха
По требованиям к функции системы, выбрать регулирующий клапан с размером трубопровода φ150mm, открытием 0~90°.
Проектное решение настоящего испытательного стенда:
(1): По реальным режимам эксплуатации KPL3 рассчитать основные технические параметры испытательного стенда;
(2): Определить диаметр трубы системы трубопровода;
(3): Определить способ очистки входящего воздуха, определить тип фильтра входящего воздуха;
(4): Путем расчета определить место расположения оборудования участка подачи флуоресцеина-натрия, участка отбора пробы до фильтрации и участка отбора пробы после фильтрации.
(5): Испытывать расход воздуха в системе, чтобы система соответствовала реальным режимам KPL3;
(6): Рассчитывать сопротивление в системе;
(7): По расчетным параметрам (1)-(6) производить выбор типа оборудования.
Пример выполнения операций на стенде.
(1) Проверить состояние оборудования в системе, убедиться в том, что приточный фильтр 1, генератор флуоресцеина-натрия 2, наливной штуцер флуоресцеина-натрия 3, манометр до фильтра 4, обратный наливной штуцер до фильтра 5, пробоотборник до фильтра 6, отверстие пробоотбора до фильтра 7, бокс для установки фильтрующего элемента 8, манометр после фильтра 9, обратный наливной штуцер после фильтра 10, пробоотборник после фильтра 11, отверстие пробоотбора после фильтра 12 находятся в нормальном состоянии;
(2) Включить вентилятор 14, регулирующий клапан количества воздуха 13 системы, чтобы расход воздуха в системе соответствовало объему реальных режимов эксплуатации;
(3) Испытывать входящий воздух через приточный фильтр 1, производить фильтрацию и очистку;
(4) После стабилизации показаний манометра до фильтра 4 и манометра после фильтра 9 соединить генератор флуоресцеина-натрия 2, подать аэрозоль флуоресцеина-натрия через наливной штуцер 3 в систему;
(5) После стабилизации на определенное время, чтобы поток воздуха с аэрозолем флуоресцеина-натрия равномерно смешался, производить отбор пробы после фильтра, открыть пробоотборник после фильтра 11, регулировать пробоотборник после фильтра 11, чтобы поток для отбора пробы соответствовал требованиям установки пробоотборника, фиксировать время начала отбора пробы. По расчету время отбора пробы составляет 6 – 8 минут. Поток воздуха, прошедший через пробоотборник, через обратный наливной штуцер после фильтра 10 поступает в систему:
(6) Производить отбор пробы до фильтра, открыть пробоотборник до фильтра 6, регулировать пробоотборник до фильтра 6, чтобы поток для отбора пробы соответствовал требованиям установки пробоотборника, фиксировать время начала отбора пробы. По расчету время отбора пробы составляет (2–4) минут. Поток воздуха, прошедший через пробоотборник, через обратный наливной штуцер до фильтра 5 поступает в систему:
(7) После завершения испытаний, по результату пробоотбора, определить характеристики фильтрации фильтрующего элемента.