УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ РАБОЧИХ КАССЕТ И ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ

Полезная модель относится к устройствам для ультразвуковой обработки изделий в жидкой среде и может быть использована в атомной энергетике для очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов, а также в машиностроении, электронной, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности, связанных с очисткой изделий, травлением, экстракцией и другими видами ультразвукового технологического воздействия.
Известно устройство, в котором пьезоэлектрический преобразователь проходного типа представляет собой металлический цилиндр, выполненный в виде толстостенной трубы, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность имеет форму многогранника, разделенного продольными по граням и кольцевыми пазами на излучающие участки. Эти участки образуют с закрепленными на них пьезоэлектрическими элементами и четвертьволновыми накладками составные полуволновые вибраторы. На внутренней поверхности толстостенной трубы установлена тонкостенная коррозионностойкая гильза, длина которой превышает длину толстостенной трубы. Материал толстостенной трубы имеет низкое акустическое сопротивление а четвертьволновая накладка служит для отражения ультразвуковых колебаний. Глубина пазов составляет не менее половины толщины трубы во избежание потерь акустической энергии. В длинных преобразователях толстостенная труба может быть составлена из отдельных кольцевых элементов, состоящих из одного и более рядов радиально расположенных вибраторов, установленных на одной гильзе. Наружная поверхность цилиндра в виде многогранника, может представлять собой, например, шестигранник и пазы на ней выполняются путем механической обработки. (см. Патент РФ на изобретение №2222387 В06В 1/06, опубл. 27.01.2004 г.). Данное устройство реализовано в ультразвуковом реакторе для производства лекарственных средств в ветеринарии, а конкретно используется для дисперсии биологически активных веществ.
В этом устройстве излучаемая преобразователем в озвучиваемую жидкость ультразвуковая энергия используется не с максимальным КПД, т.к. излучение проходит через коррозионно-стойкую гильзу, в которой дополнительно имеют место потери мощности. К недостаткам этого устройства следует отнести и большой объем механической обработки сложных внешних и внутренних форм поверхности корпуса преобразователя, что значительно повышает себестоимость его изготовления. И в целом, устройство имеет узкий диапазон применения.
Известна также и установка ультразвуковой очистки изделий, содержащая технологическую ванну в виде пенала, на внешней стороне которой расположены пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи и демпфер паразитных изгибных колебаний (на чертеже не показан). Пенал имеет два патрубка с клапанами и находится в герметичном корпусе, а его параметры и расположение пьезоэлектрических преобразователей обеспечивает работу в резонансном режиме. Технологическая ванна, выполненная в виде пенала круглой формы, имеет определенные параметры, обеспечивающие его режим работы на резонансной частоте. Пьезокерамические преобразователи электрически связаны с блоком управления, обеспечивающим индивидуальное, погрупповое или совместное их включение. Для удаления сильных загрязнений между внутренней стороной пенала и корпусом с обрабатываемыми деталями имеются акустические проводники, выполненные в виде съемных или зажимных вставок, настроенных в резонансный режим с корпусом. Эта установка предназначена для ультразвуковой обработки трубок с ядерным топливом, находящихся в специальном корпусе в блоке тепловыделяющей сборки (ТВС) атомных станций. (См. Патент РФ №2368435 В08В 3/12, опубл. 27.09.2009 г.). Данная установка по своему назначению, решаемой задаче и технической сущности принята в качестве прототипа.
Однако и этой установке присущи недостатки, которые значительно снижают эффективность очистки.
определенные
Анализ описания и чертежей показывает, что данное техническое решение конструктивно детально не проработано, о чем свидетельствуют встречающиеся в тексте описания и формулы фразы типа: «...ванна выполнена в виде пенала круглой формы, имеющего  параметры», т.е. без раскрытия содержания этих параметров, что в ультразвуковой технике недопустимо.
Не отражается ни в тексте описания, ни в чертежах и такой важный в ультразвуковом устройстве параметр, как демпфер гашения изгибных колебаний, хотя, как известно, для его эффективности он должен быть выполнен на основании строгих расчетов и установлен в определенном месте. См., например, взятый за прототип этой установки патент РФ №2188085 МПК В08В 3/12).
Ничего не говорится в тексте об установке и способе крепления преобразователей, их мощности, не описаны также материал, форма и размеры зажимных вставок, не описано их размещение, что имеет немаловажное значение при передаче ультразвуковых колебаний, в частности, при переходе ультразвуковых колебаний от зажимных вставок к корпусу в случае изготовления их из различных материалов, на границе раздела двух сред будут иметь место значительные потери энергии.
Все эти недостатки и сама конструкция установки ультразвуковой очистки изделий создают не только непредсказуемость в достижении технического результата - повышения эффективности очистки трубок ТВС атомных станций, обозначенного в описании изобретения, но и вызывают сомнения в ее работоспособности в целом.
Излучатели, расположенные по окружности трубы вокруг шестигранного пенала ТВС, не могут работать эффективно, так как для того, чтобы ультразвуковой энергии проникнуть через стенку пенала, необходимо чтобы расстояние от поверхности каждого излучателя до стенки шестигранного пенала было равным половине длины волны ультразвуковых колебаний в жидкости, а так как поверхности излучателей расположены по окружности, а пенал ТВС имеет шестигранную форму, то соблюсти это условие невозможно, т.к. расстояние от шестигранной поверхности до цилиндрической поверхности является переменной величиной. Поэтому большая часть ультразвуковой энергии отразится от стенок пенала наружу. Таким образом, очистить трубки, находящиеся внутри пенала при такой конструкции практически невозможно или в лучшем случае малоэффективно
Дело в том, что на атомных станциях при теплообмене на трубках ТВС, содержащих ядерное топливо, происходит интенсивное отложение солей и образовании накипи, что приводит, во-первых, к их перегреву, а во-вторых к потере КПД. Более того, при перегреве трубок из-за образовавшегося солевого слоя и накипи возможно нарушение их целостности, что категорически недопустимо, поэтому, дорогостоящие трубки приходится заменять, несмотря на то, что ядерное топливо в них еще не выработало свой ресурс. Сложность решения задачи удаления солей и накипи заключается в том, что они находятся внутри шестигранного неразборного пенала-корпуса ТВС. Задача решается путем пропускания через пенал технологической жидкости, омывающей трубки при одновременной обработке ее через стенку пенала мощным ультразвуковым излучением, которое осуществляется созданной установкой, заявляемой в качестве полезной модели.
Технический результат - повышение эффективности очистки поверхностей трубок с ядерным топливом, находящемся в пеналах блоков рабочих кассет и теловыделяющимх сборок (ТВС) на атомных станциях достигается за счет того, что корпус установки выполнен в виде многогранного каркаса из жестко соединенных между собой вертикальных стоек и горизонтальных стяжек, при этом в верхней его части коаксиально расположено многогранное по форме установочно-направляющее гнездо, внешний контур которого соединен радиальными стяжками с корпусом установки. Причем, преобразователи с излучателями, выполненные герметично из коррозионно-стойкого материала установлены на горизонтальных стяжках вдоль каждой грани корпуса вплотную друг к другу с возможностью контактирования излучателей непосредственно с озвучиваемой жидкостью, создавая в ней равномерное плотное ультразвуковое поле, охватывающее поверхность обрабатываемого изделия. Сварной шов, выполненный вокруг каждого излучателя, служит одновременно и демпфером гашения изгибных колебаний. Для снижения негативного воздействия друг на друга расположенных напротив преобразователей, создания вихревых потоков в рабочей жидкости, повышения ее химической активности и повышения, таким образом эффективности отмывки поверхностей трубок, преобразователи, расположенные на каждой паре смежных граней подсоединены к ультразвуковым генераторам стойки управления с разнесением по фазам.
2
1
4
Для обеспечения одинакового расстояния от поверхностей излучателей до граней пенала ТВС (половины длины ультразвуковой волны в омывающей жидкости) вдоль всей длины пенала излучатели размещены на гранях корпуса, копирующего форму пенала ТВС, внутри которого находятся очищаемые трубки. Для этого же с целью обеспечения точного центрирования тепловыделяющей сборки внутри корпуса установочно-направляющее гнездо выполнено коаксиально корпусу с числом граней, соответствующим форме пенала ТВС и корпуса устройства (например - шестигранным), при этом длина его составляет предпочтительно одну пятую часть общей длины корпуса установки. Для эффективного удаления солей и накипей с поверхностей трубок, находящихся, интенсивность ультразвукового излучения должна находиться в интервале от 1 до 2 Вт/см, а расстояние между излучателями в преобразователе должно быть как можно меньшим, предпочтительно оно должно находиться в пределах / длины волны ультразвуковых колебаний.
На этот технический результат работает и выбор материала корпуса и излучателей, так как в этом случае титан является не только лучшим проводником ультразвука, но и обладает высокой антикоррозионной стойкостью при использованию его в агрессивной среде. В целях соблюдения только антикоррозионных свойств корпус установки может быть выполнен из нержавеющей стали. Три вертикальные стойки корпуса выполнены удлиненными и снабжены с торца конусными ловителями, обеспечивающими жесткую фиксацию по месту технологического размещения. Повышает эффективность очистки и выбранное расстояние от излучающей поверхности преобразователей до поверхности обрабатываемого изделия (поверхности ТВС), которое находится в пределах длины полуволны ультразвуковых колебаний.
Расстояние между горизонтальными стяжками корпуса установки выбрано равным длине корпуса преобразователя, которая составляет около 300 мм.
Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид корпуса установки для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов в аксонометрии, на фиг.2 показан вид сверху установки с преобразователями, на фиг.3 отражен разрез по А-А на фиг.1, на фиг.4 показана фасадная часть преобразователя с излучателями (Узел I), на фиг.5 изображен конусный ловитель, (Узел II) и на фиг.6 изображена установка, расположенная в камере технологической ванны.
2
Установка для ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов содержит корпус 1, пьезокекрамические преобразователи 2 (далее - преобразователи), стойку управления 3 с ультразвуковыми генераторами 4. Корпус 1 выполнен в виде многогранного каркаса из жестко соединенных между собой вертикальных стоек 5 и горизонтальных стяжек 6. В верхней части корпуса 1 имеется установочно-направляющее гнездо 7 для размещения в нем обрабатываемого изделия в виде многогранного пенала, внутри которого находятся трубки с ядерным топливом 8, при этом внешний контур установочно-направляющего гнезда 7 симметрично повторяет форму многогранного корпуса 1, и многогранного пенала 8 и соединен с корпусом 1 радиальными стяжками 9. Преобразователи 2 с излучателями 10 выполнены герметично с помощью сварки из коррозионностойкого материала, в частности из титана и установлены на горизонтальных стяжках 6 каждой грани корпуса 1. Расстояние между стяжками равно длине корпуса преобразователя 2. Преобразователи смонтированы вдоль граней вплотную друг к другу, с возможностью контактирования излучателей непосредственно с озвучиваемой жидкостью, создавая в ней плотное сплошное ультразвуковое поле. При этом все преобразователи 2, расположенные на смежных гранях 11 и 12, подсоединены к ультразвуковым генераторам 4, подключенным к трехфазной сети с разнесением по фазам A, B, C, N. Для обеспечений коррозионной стойкости вертикальные стойки 5 и горизонтальные стяжки 6 могут быть изготовлены из нержавеющей стали. Расстояние от излучающей поверхности 10 до стенки пенала 8 должно быть равным половине длины волны в жидкости на рабочей частоте ультразвуковых колебаний, так как такое расстояние снижает потери энергии при прохождении ультразвуковой волны через стенки пенала за счет уменьшения коэффициента отражения, что позволяет существенно снизить необходимую мощность излучателей 10. На поверхности мембраны 13 преобразователя 2 закреплены с помощью сварного шва 14 в два ряда шесть излучателей с общей потребляемой мощностью 300 Вт, что дает возможность получить интенсивность ультразвукового излучения в пределах от 1,0 до 2,0 Вт/см, обеспечивающую высокую производительность и качество удаления солей и накипей с поверхностей тепловыделяющих трубок с ядерным топливом. Сварные швы 14, выполняющие дополнительную функцию гашения изгибных колебаний, мембраны 13 от преобразователей 2, дают возможность располагать излучатели 10 достаточно близко друг к другу, предпочтительно на расстоянии, равном ¼ длины волны, что также обуславливает повышение интенсивности ультразвуковых колебаний.
Управляющая стойка 4 укомплектована платами ультразвуковых генераторов 4 по количеству имеющихся преобразователей и блоком регулирования мощности ультразвука (на фиг. не показаны). Для обеспечения устойчивости положения установки в камере 15 технологической ванны 16 (фиг.6) три вертикальные стойки 5 выполнены удлиненными и снабжены в торцах конусными ловителями 17, ответно сопрягаемыми по месту их посадки. Технологическая ванна 16 заполнена жидкостью, преимущественно водой, и имеет входные и выходные патрубки 18 и 19., по которым поступает в пенал обрабатывающая жидкость. Технологическая ванна 16 не входит в состав установки для ультразвуковой обработки изделий, так как предназначена для обеспечения дополнительных условий, не связанных собственно с процессом ультразвуковой очистки трубок ТВС.
Установка для ультразвуковой очистки изделий работает следующим образом. Корпус 1 установки помещается в технологическую ванну 16, в камере 15 которой жестко фиксируется по месту размещения ловителями 17 в ответных позициях (на фиг. не показаны), после чего через установочно-направляющее гнездо 7 в корпус 1 загружают пенал 8 с тепловыделяющими трубками внутри, а камеру 15 заполняют жидкостью, при этом в пенал 8 через патрубок 18 подают напроход рабочую жидкость, которая, омывая трубки внутри пенала, уходит через патрубок 19. Затем с плат ультразвуковых генераторов 4 управляющей стойки 3 на пьезокерамические преобразователи 2 поступает синусоидальный электрический сигнал частотой 20-25 кГц, который преобразуется излучателями 10 в механические колебания той же частоты. Высокочастотные колебания, передающиеся в жидкость, заполняющую камеру 15 технологической ванны 16 вызывают в ней акустические течения и кавитацию, что способствует интенсификации очистки поверхностей обрабатываемых изделий. Для обеспечения минимальных потерь при прохождении ультразвуковой волны внутрь пенала ТВС ультразвуковые преобразователи расположены по периметру пенала 8 на расстоянии, от стенки ТВС, равном половине длины волны ультразвуковых колебаний в жидкости. Стойка управления 3 предполагает как ручной, так и дистанционный режим управления.
Дистанционный режим управления осуществляется с центрального компьютера 20, где программно задаются необходимые по технологии режимы обработки изделий и анализируется работоспособность отдельных узлов установки. С каждой из имеющихся плат генераторов 4 на компьютер поступают сигналы, дающие информацию о работоспособном состоянии определенной платы и соответствующего ей преобразователя, после чего дается команда на запуск процесса обработки. По истечении времени, необходимого для обработки изделий на платы генераторов поступает запрещающий сигнал, отключающий процесс ультразвуковой обработки (фиг.3).
Эффективность ультразвуковой очистки изделий подтверждена испытаниями макетного образца, а изготовленный первый образец «Установки ультразвуковой очистки рабочих кассет и тепловыделяющих сборок атомных реакторов» поставлен в эксплуатацию на Нововоронежскую атомную станцию.
Использование предложенной полезной модели только в атомной энергетике позволит продлить срок эксплуатации дорогостоящих рабочих кассет и тепловыделяющих сборок на атомных станциях, что даст значительную экономию денежных средств и материалов.