ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОГО АППАРАТА
MIXING DEVICE OF CIRCULAR MACHINE

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности радиохимической, а именно к перемешиванию обогащенных по урану и плутонию растворов в кольцевых аппаратах ядернобезопасной геометрии при переработке отработавшего ядерного топлива.
На практике перемешивание растворов в кольцевых аппаратах осуществляется барботажным воздухом, для чего по периметру на дне кольцевого аппарата устанавливается перфорированное барботажное устройство, представляющее собой трубу с отверстиями, установленную в кольцевом пространстве.
3
3
При подаче сжатого воздуха в барботажное устройство выходящие из отверстий воздушные пузырьки обеспечивают перемешивание раствора над барботажным устройством. Основным недостатком перемешивания барботажным устройством является значительный унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым воздухом (0,1-0,5 см/м барботажного воздуха), низкая эффективность перемешивания и отстаивание осадка под барботажным устройством, вызывающее затруднения при дезактивации.
Известно устройство для размыва осадка и дезактивации, которое может использоваться и для перемешивания, включающее электропривод, камеру подачи рабочей жидкости, цилиндрический корпус, моечную головку с соплами, причем камера подачи рабочей жидкости снабжена впускным клапаном, и размещена внутри цилиндрического корпуса, и сообщается с распределительным блоком при помощи пульсопровода, а также гибкого трубопровода и с моечной головкой - посредством нагнетательных труб (см. патент РФ №2138870, кл. G21F 9/34, 1999).
Известное устройство работает в пульсационном режиме. При подаче разрежения в камеру она заполняется через впускной клапан жидкостью из емкости, а при подаче распределительным блоком в камеру сжатого воздуха жидкость из камеры вытесняется через сопла, осуществляя размыв осадка и перемешивание. Для размыва осадка и перемешивания по всему периметру емкости электроприводом осуществляется возвратно-поворотное движение камеры с соплами.
К недостаткам известного устройства относится то, что его четыре сопла, установленных через 90°, не смогут обеспечить вращательное движение жидкости в кольцевом аппарате и обеспечить требуемую интенсивность перемешивания.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пульсационное перемешивающее устройство, включающее в себя сопловой аппарат, пульсационную камеру и распределительную полость (см. С.М.Карпачева и Б.Е.Рябчиков «Пульсационная аппаратура в химической технологии». - М.: Химия, 1983, стр.32-35).
Сопловой аппарат представляет собой неподвижную систему определенным образом ориентированных сопел, служащую для образования пульсирующих струй в реакционном объеме, пульсационная камера и распределительная полость расположены коаксиально внутри реакционного объема аппарата.
При работе пульсационного перемешивающего устройства возвратно-поступательное движение жидкости в пульсационной камере преобразуется соплами в пульсацию струй жидкости. Благодаря тангенциальной ориентации сопел вся масса жидкости в аппарате пронизывается струями и приводится во вращение. Жидкость попеременно то выбрасывается из сопел, то засасывается через них в пульсационную камеру, так что весь объем многократно проходит через пульсационную камеру, интенсивность перемешивания в которой очень велика.
Поскольку перепад высот в пульсационной камере пульсационного перемешивающего устройства и в аппарате, где оно установлено, обычно невелик, скорость возврата жидкости в пульсационную камеру из объема реактора незначительна. Поэтому для аппаратов такого типа используется пульсация пилообразной формы с отношением продолжительностей вытеснения жидкости из пульсационной камеры и ее заполнения 1:3-1:5. Из этих же соображений максимально возможная частота пульсации невелика.
Унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым отработанным воздухом из пульсационного перемешивающего устройства значительно ниже, чем с барботажным воздухом вследствие значительно меньшей площади контакта жидкости со сжатым воздухом.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для перемешивания в кольцевом аппарате, относится то, что размещение пульсационной камеры и распределительной полости внутри кольцевого реакционного объема кольцевого аппарата практически невозможно, а интенсивность перемешивания вследствие низкой частоты пульсаций недостаточна.
Технический результат - применение пульсационного перемешивания в кольцевом аппарате, повышение интенсивности перемешивания, в том числе и за счет повышения частоты пульсаций, исключение образования осадка на дне кольцевого аппарата и снижение уноса радиоактивных аэрозолей с отработанным сжатым воздухом.
Указанный технический результат достигается тем, что в пульсационном перемешивающем устройстве, включающем сопловой аппарат, распределительную полость и пульсационную камеру с пульсопроводом и воздухораспределитель, пульсационная камера выполнена в безопасной геометрии и снабжена нижним патрубком, в котором установлен шаровой клапан, шар которого выполнен плавающим в жидкости и размещен в ограничителе подъема шара, патрубок соединен с выполненной в виде кольцевой трубы распределительной полостью, пульсационная камера и распределительная полость размещены вне кольцевого аппарата, а к кольцевой трубе присоединены сопла, введенные в кольцевое пространство кольцевого аппарата, направленные в одну сторону по кольцевому пространству и попеременно к днищу и крышке кольцевого аппарата.
Кроме того, пульсационная камера соединена пульсопроводом с воздухораспределителем, содержащим три клапана, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом, соединяющим воздухораспределитель с пульсопроводом, а входные патрубки - соответственно с трубопроводами подачи сжатого воздуха, сдувки отработанного сжатого воздуха и подачи разрежения в камеру, в качестве источника разрежения используется эжектор, а для управления клапанным воздухораспределителем используется электронный блок управления, содержащий программируемый микроконтроллер, панель оператора и программное обеспечение.
Учитывая особые условия эксплуатации, нижний патрубок пульсопровода в кольцевом пространстве выполнен с заглушенным торцом и отверстиями по боковым стенкам.
Кроме того, в пульсационной камере установлен сигнализатор верхнего уровня, подключенный к электронному блоку управления.
Учитывая особые условия эксплуатации, пульсационная камера и распределительная полость размещены во внутреннем свободном объеме кольцевого аппарата, а между кольцевыми пространствами кольцевого аппарата и пульсационной камеры, а также внутри кольцевой пульсационной камеры установлены поглощающие нейтронные вставки.
Выполнение пульсационной камеры в безопасной геометрии, размещение пульсационной камеры и распределительной полости вне кольцевого пространства кольцевого аппарата позволяют применить пульсационное перемешивание жидкости в кольцевом аппарате и тем самым повысить интенсивность перемешивания и снизить унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым отработанным воздухом.
Снабжение пульсационной камеры нижним патрубком, в котором установлен шаровой клапан, шар которого выполнен плавающим в жидкости и размещен в седле с ограничителем подъема шара, соединение нижнего патрубка с выполненной в виде кольцевой трубы распределительной полостью, позволяет не только осуществлять вытеснение жидкости из пульсационной камеры в кольцевую трубу и далее через сопла в кольцевое пространство кольцевого аппарата, но и производить заполнение пульсационной камеры обратным током жидкости через сопла. Кроме того, установка шарового клапана при неполадках в работе воздухораспределителя и опорожнения пульсационной камеры ниже установленного уровня позволяет предотвратить поступление сжатого воздуха в кольцевое пространство кольцевого аппарата в результате опускания шара в седло шарового клапана.
Присоединение к кольцевой трубе сопел, введенных в кольцевое пространство кольцевого аппарата и направленных в одну сторону с попеременным наклоном к днищу и крышке кольцевого аппарата позволяет создать в кольцевом пространстве наряду с вращательным движением жидкости в кольцевом пространстве чередующиеся восходящие и нисходящие потоки во вращающейся жидкости и тем самым обеспечить эффективное перемешивание жидкости в кольцевом аппарате.
Соединение пульсационной камеры пульсопроводом с воздухораспределителем, содержащим три клапана, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом, соединяющим воздухораспределитель с пульсопроводом, а входные патрубки соответственно - с трубопроводами подачи сжатого воздуха, сдувки отработанного сжатого воздуха и подачи разрежения в камеру, а для управления клапанным воздухораспределителем - электронного блока управления, содержащего программируемый микроконтроллер, панель оператора и программное обеспечение, позволяют обеспечить работу заявляемого устройства в автоматическом режиме, регулировать в широких пределах, причем независимо друг от друга, продолжительности подачи сжатого воздуха в пульсационную камеру, сброса отработанного воздуха, возврата жидкости в пульсационную камеру из объема кольцевого аппарата и тем самым повысить интенсивность перемешивания за счет выбора наиболее оптимальных параметров работы воздухораспределителя предлагаемого устройства.
Использование при возврате жидкости источника разрежения, в частности эжектора, позволяет увеличить скорость возврата жидкости в пульсационную камеру из объема кольцевого аппарата и тем самым повысить частоту пульсаций, а следовательно, и интенсивность перемешивания.
Выполнение нижнего патрубка пульсопровода в кольцевом пространстве с заглушенным торцом и отверстиями по боковым стенкам позволяет подавать сжатый воздух в пульсационную камеру без образования брызг жидкости от воздействия струи сжатого воздуха на поверхность жидкости и тем самым уменьшить унос радиоактивных аэрозолей со сдуваемым воздухом.
Установка в пульсационной камере сигнализатора верхнего уровня, подключенного к электронному блоку управления, позволяет иметь дополнительную блокировку от переполнения пульсационной камеры и исключить выход раствора из пульсационной камеры при применении разрежения для более быстрого ее заполнения.
Размещение пульсационной камеры и распределительной полости во внутреннем свободном объеме кольцевого аппарата и установка между кольцевыми пространствами кольцевого аппарата и пульсационной камеры, а также внутри кольцевой пульсационной камеры поглощающих нейтронных вставок позволяют сократить занимаемую кольцевым аппаратом площадь.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 показано пульсационное перемешивающее устройство с кольцевым аппаратом в разрезе, на фиг.2 - шаровой клапан.
Предлагаемое устройство содержит (см. фиг.1) пульсационную камеру 1 с нижним патрубком 2 и пульсопроводом 3, соединенным с воздухораспределителем 4. Пульсационная камера 1 выполнена в безопасной геометрии, например кольцевой.
Патрубок 2 присоединен к кольцевой трубе 5 с соплами 6, введенными через внутреннюю обечайку 7 в кольцевое пространство 8 кольцевого аппарата 9 и направленными в одну сторону по кольцевому пространству 8 и попеременно к днищу 10 и крышке 11 кольцевого аппарата 9. Воздухораспределитель 4 состоит из трех клапанов 12, 13 и 14, выходные патрубки которых соединены с трубопроводом 15, соединяющим воздухораспределитель 4 с пульсопроводом 3, а входные патрубки - с трубопроводами 16, 17 и 18 подачи сжатого воздуха, сдувки отработанного сжатого воздуха и подачи разрежения в пульсационную камеру 1 соответственно. Трубопровод 18 присоединен к всасывающему патрубку эжектора 19. В кольцевом пространстве 8 установлен сигнализатор верхнего уровня 20, подключенный к электронному блоку управления.
В патрубке 2 пульсационной камеры 1 установлен (см. фиг.2) обратный шаровой клапан 21, шар 22 которого выполнен плавающим в жидкости, например полым, и размещен в седле 23 с ограничителем 24 подъема шара 22. На патрубке 25 пульсопровода 3, входящем в кольцевое пространство 26 пульсационной камеры 1, установлена заглушка 27, а по боковым стенкам патрубка 25 выполнены отверстия 28.
Между кольцевыми пространствами 8 и 26 кольцевого аппарата 9 и пульсационной камеры 1 соответственно, а также внутри кольцевой пульсационной камеры 1 устанавливаются поглощающие нейтронные вставки 29 и 30.
Дистанционное управление работой заявляемого устройства осуществляется электронным блоком управления (на чертеже не показан), содержащим программируемый микроконтроллер, электропневмораспределители, панель оператора и модемы связи.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Электронный блок управления обеспечивает поочередное открытие - закрытие клапанов 12, 13 и 14, а также продолжительности их нахождения в открытом положении. При открытии клапана 14 по трубопроводам 18, 15 и пульсопроводу 3 в пульсационную камеру 1 подается разрежение от эжектора 19, в результате чего камера 1 через сопла 6, кольцевую трубу 5 и открытый шаровой клапан 21 заполняется жидкостью из кольцевого пространства 8. Плавающий в жидкости шар 22 шарового клапана 21 при этом находится в верхнем положении, опираясь в ограничитель 24.
При сбое в работе воздухораспределителя 4 и поднятии уровня жидкости выше значения, определяемого продолжительностью нахождения клапана 14 в открытом положении, сигнализатор верхнего уровня обеспечивает прекращение подачи разрежения в пульсационную камеру 1 от эжектора 19. По истечении заданной на электронном блоке управления продолжительности заполнения пульсационной камеры 1 клапан 14 закрывается, открывается клапан 12 и сжатый воздух из трубопровода 16 по трубопроводу 15 и пульсопроводу 3 поступает в патрубок 25 и через отверстия 28 - в кольцевое пространство 26 пульсационной камеры 1, вытесняя из нее жидкость через открытый шаровой клапан 21 в кольцевую трубу 5 и далее - в сопла 6. Так как сопла 6 направлены в одну сторону в кольцевом пространстве 8 с попеременным наклоном к днищу 10 и крышке 11 кольцевого аппарата 9, то вытекающие из сопел 6 струи создают в кольцевом пространстве 8, наряду с вращательным движением жидкости, чередующиеся восходящие и нисходящие потоки и тем самым обеспечивают эффективное перемешивание жидкости в кольцевом аппарате.
При установленной на электронном блоке управления продолжительности вытеснения нижний уровень жидкости в пульсационной камере 1 не достигает обратного шарового клапана 21 и шар 22 остается в жидкости в верхнем положении при окончании вытеснения жидкости из пульсационной камеры 1 при нормальной работе воздухораспределителя 4.
В случае сбоя в работе воздухораспределителя 4 и опорожнения пульсационной камеры 1 ниже установленного уровня полый шар 22 достигает седла 23 и перекрывает поступление сжатого воздуха в кольцевое пространство 8.
По истечении заданной продолжительности вытеснения клапан 12 закрывается и открывается клапан 13, через который отработанный воздух из камеры 1 сбрасывается по трубопроводу 17 на газоочистку. При падении давления в пульсационной камере 1 до атмосферного клапан 13 закрывается, и вновь открывается клапан 14, подавая разрежение в пульсационную камеру 1, и далее процесс пульсационного перемешивания многократно повторяется, в результате чего в кольцевом пространстве 8 создается устойчивое вращение жидкости с восходящими и нисходящими потоками.