БЛОК ОЧИСТИТЕЛЕЙ
SET OF CLEANERS

Изобретение относится к агрегатным циклонам, в которых осевое направление вихревого потока в каждом циклонном элементе изменяется на противоположное (более конкретно - к батарейным гидроциклонам для отделения твердых материалов от текучей среды). Основной областью его применения являются главные циркуляционные насосные агрегаты (ГЦНА), в состав которых входят лопастные насосы с механическим уплотнением вала, предназначенные для ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с легководным теплоносителем, преимущественно для энергоблоков атомных электростанций (АЭС).
Насосы, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя в контуре, проходящем через ядерный реактор, принято называть главными циркуляционными насосами (ГЦН). На АЭС в качестве ГЦН широко применяют лопастные насосы с механическим уплотнением вращающегося вала. ГЦН вместе с выносным приводящим электродвигателем, а также обслуживающие (вспомогательные) системы и контрольно-измерительные средства образуют ГЦНА. Энергоблоки средней и большой мощности снабжают несколькими ГЦНА, при этом каждый ГЦН является насосом постоянного действия.
Для предотвращения выхода теплоносителя из циркуляционного контура вдоль вала ГЦН устанавливают узел уплотнения вала, обычно включающий торцовые уплотнения. В узел уплотнения (в частности, для охлаждения и смазки его элементов) подают воду, очищенную от твердых примесей. Для удаления тонкодисперсного шлама (взвеси) рекомендуют (как наиболее подходящие) устройства, работающие на принципе центробежной сепарации, в частности гидроциклонные аппараты [см., например, Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 144 с. - (Б-ка теплотехника): с.61 (рис.3.10)].
3
Известен бинарный гидроциклон [а.с. 822909 СССР, МПК B04C 5/02. - Опубл. 23.04.1981, Бюл. №15], содержащий два сопряженных цилиндроконических корпуса, входной патрубок, расположенный в зоне сопряжения корпусов, рассекатель, установленный с противоположной входному патрубку стороны, сливные и песковые патрубки, сливную камеру с патрубком для отвода осветленной жидкости. Недостатком этого устройства является существенно ограниченная производительность при заданной эффективности удаления твердых примесей. С целью увеличения общей производительности при обеспечении требуемой эффективности циклонные элементы (микроциклоны, единичные гидроциклоны) в меньшем или большем количестве объединяют (с разделением между ними потока сепарируемой среды), образуя соответственно групповой или батарейный гидроциклоны (мультициклоны) [см., например, Терновский И.Г., Кутепов A.M. Гидроциклонирование. - М.: Наука, 1994. - 390 с.: с.19].
Из подобных гидроциклонных аппаратов известен батарейный гидроциклон [патент 2312713 РФ, МПК B04C 5/28. - Опубл. 20.12.2007, Бюл. №35], включающий корпус батарейного гидроциклона с патрубками подачи исходной суспензии (сепарируемой среды, осветляемого продукта) и вывода сгущенного продукта, циклонные элементы, каждый из которых сформирован в отдельном цилиндроконическом корпусе. Все циклонные элементы объединены в съемный блок посредством нижней и верхней плит, снабженных сквозными отверстиями для размещения соответственно цилиндрической части корпуса и патрубка отвода осветленного продукта каждого циклонного элемента. В полости, образованной корпусом батарейного гидроциклона, верхняя плита разделяет камеру осветленного продукта и приемную камеру, а нижняя плита - приемную и шламовую камеры. Камера осветленного продукта ограничена верхней плитой и крышкой батарейного гидроциклона, снабженной центральным отверстием для отвода осветленного продукта и образующей с корпусом разъемное соединение (например, болтовое с использованием фланцев корпуса и крышки). Все зазоры между каждым циклонным элементом и верхней и нижней плитами, а также между последними и корпусом батарейного гидроциклона упруго уплотнены.
Эффективность разделения данного батарейного гидроциклона по сравнению с единичным циклонным элементом снижена из-за невозможности обеспечения работы всех циклонных элементов в оптимальном режиме. Выполнение каждого из циклонных элементов в отдельном корпусе влечет необходимость установки в батарейном гидроциклоне значительного количества узлов уплотнения. Возможность нарушений их работы при высокой температуре сепарируемой среды, вызывающих перетечки между смежными камерами в корпусе батарейного гидроциклона, ограничивает надежность последнего.
Задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении надежности батарейного гидроциклона, а также в приближении его эффективности удаления твердых примесей к эффективности единичного циклонного элемента, работающего в оптимальном режиме. При осуществлении изобретения могут быть получены, в частности, следующие технические результаты:
во-первых, уменьшение неравномерности распределения потока сепарируемой среды между циклонными элементами;
во-вторых, исключение возможности перетечек между приемной камерой и камерой осветленного продукта, а также уменьшение необходимого количества узлов уплотнения между приемной и шламовой камерами;
в-третьих, расширение диапазона теплофизических свойств сепарируемой среды при сохранении эффективности удаления твердых примесей.
Как решение задачи, позволяющее достигнуть эффекта с указанными характеристиками, предлагается блок очистителей, включающий корпус, образующую с последним разъемное соединение выходную крышку, снабженную центральным отверстием для отвода осветленного продукта, и циклонные элементы, у которого в каналах, выполненных в корпусе и расположенных группами равномерно по его окружности, с помощью насадков образованы циклонные элементы, объединенные в бинарные гидроциклоны.
В отличие от прототипа корпус выполнен в виде полого цилиндра, ограниченного в радиальном направлении соосными цилиндрическими поверхностями, причем части полости корпуса, примыкающие к его торцам, расширены в сторону последних относительно средней части этой полости посредством по крайней мере одной ступени, выполненной на поверхности полости,
с одного торца корпус перекрыт выходной крышкой, снабженной патрубком для отвода осветленного продукта, а с другого торца - входной крышкой, образующей с корпусом разъемное соединение и снабженной патрубком для подвода сепарируемой среды, причем оба патрубка направлены по геометрической оси корпуса,
полость корпуса разделена сплошной радиальной перегородкой, расположенной в средней части этой полости со стороны выходной крышки, на поверхности внутренней стороны входной крышки выполнен (соосно корпусу) кольцевой разделительный выступ, сопрягаемый по радиусу с поверхностью средней части полости корпуса, при этом приемная камера ограничена центральной частью входной крышки и ее разделительным выступом, радиальной перегородкой полости корпуса и частью последнего между ними, камера осветленного продукта - выходной крышкой, радиальной перегородкой полости корпуса и частью последнего между ними, а шламовая камера - периферийной частью входной крышки и ее разделительным выступом и частью корпуса между ними,
в корпусе между камерой осветленного продукта и шламовой камерой выполнены сквозные продольные каналы, средней части каждого из которых придана цилиндроконическая форма с сужением к шламовой камере, причем указанные каналы расположены парами равномерно по окружности корпуса, а каналы в этих парах соединены посредством сквозных радиальных каналов цилиндрической формы, выполненных в корпусе между его наружной поверхностью и приемной камерой, каждый из которых проходит посередине между смежными продольными каналами, объединенными в данную пару, частично пересекая цилиндрические области средних частей этих каналов,
в каждом продольном канале со стороны камеры осветленного продукта установлен сливной насадок со сквозным осевым отверстием, ограничивающий цилиндрическую часть циклонного элемента и образующий сливной патрубок последнего, а со стороны шламовой камеры - песковый насадок со сквозным осевым отверстием, завершающий коническую часть циклонного элемента и образующий песковый патрубок последнего,
в каждом радиальном канале корпуса установлен входной насадок, образующий разъемное соединение с корпусом и снабженный продольным отверстием, ведущим из приемной камеры в соответствующую пару продольных каналов и образующим входной патрубок для обоих циклонных элементов, выполненных в указанной паре продольных каналов, а также углублениями, продолжающими поверхность цилиндрических областей средних частей этих каналов и формирующими рассекатель, направленный к указанному отверстию со стороны внешней поверхности корпуса.
В частных случаях выполнения изобретение может характеризоваться следующими признаками. Расширение полости корпуса с каждого торца выполнено двумя ступенями, а на поверхности внутренней стороны каждой из указанных крышек выполнен (соосно корпусу) кольцевой центрирующий выступ, сопрягаемый по радиусу с поверхностью ступени, прилегающей к соответствующему торцу корпуса, и заполняющий эту ступень. Патрубок для отвода сгущенного продукта выполнен на периферийной части входной крышки за кольцевым разделительным выступом.
Изобретение (в частном выполнении) поясняется чертежами:
Фиг.1 - блок очистителей (общий вид),
Фиг.2 - сопряжение крышек блока очистителей с его корпусом,
Фиг.3 - каналы в корпусе блока очистителей (в плоскости разреза А-А),
Фиг.4 - проточная часть бинарного гидроциклона (разрез Б-Б),
Фиг.5 - бинарный гидроциклон в корпусе блока очистителей (разрез А-А).
Блок очистителей включает корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра, ограниченного в радиальном направлении соосными цилиндрическими поверхностями. С одного торца корпус 1 перекрыт входной крышкой 2, снабженной патрубком 3 для подвода сепарируемой среды. С другого торца корпус 1 перекрыт выходной крышкой 4, снабженной патрубком 5 для отвода осветленного продукта. Патрубки 3 и 5 направлены по геометрической оси корпуса 1. Корпус 1 с помощью своих фланцев 6 и 7 образует с крышками 2 и 4 разъемные соединения (например, посредством шпилек с гайками).
Полость корпуса 1 разделена сплошной радиальной перегородкой 8, расположенной в средней части этой полости со стороны выходной крышки 4. Части полости корпуса 1, примыкающие к его торцам, расширены в сторону последних относительно средней части этой полости. Расширение с каждого торца выполнено (в данном случае) двумя ступенями: со стороны входной крышки 2 ступенями 9 и 10, со стороны выходной крышки 4-11 и 12 (в общем случае в пределах высоты соответствующих фланцев 6 и 7 корпуса 1).
На поверхности внутренней стороны выходной крышки 4 выполнен (соосно корпусу 1) кольцевой центрирующий выступ 13. Одной стороной выступ 13 сопряжен по радиусу с поверхностью прилегающей к торцу корпуса 1 ступени 11, заполняя ее, при этом следующая ступень 12 по существу продолжает поверхность другой стороны выступа 13. Па поверхности внутренней стороны входной крышки 2 выполнены (соосно корпусу 1) кольцевые выступы: центрирующий 14 (большего диаметра) и разделительный 15 (меньшего диаметра). Одной стороной выступ 14 сопряжен по радиусу с поверхностью прилегающей к торцу корпуса 1 ступени 9, заполняя ее, при этом следующая ступень 10 по существу продолжает поверхность другой стороны выступа 14. Разделительный выступ 15 (обечайка) сопряжен по радиусу с поверхностью средней части полости корпуса 1.
Входная крышка 2 снабжена патрубком 16 для отвода сгущенного продукта, расположенным на ее периферийной части за кольцевым разделительным выступом 15 (патрубки 3, 5 и 16 могут быть выполнены, например, в виде штуцеров). Выходная крышка 4 уплотнена кольцевой прокладкой 17 (например, резиновой), а входная крышка 2 - кольцевой прокладкой 18 (например, резиновой), установленной в кольцевой канавке выступа 15 крышки 2, и кольцевой прокладкой 19 (например, резиновой), установленной под фаской фланца 6.
Таким образом, в полости корпуса 1 образованы (естественным путем) три камеры простых геометрических форм. Приемная камера 20 ограничена центральной частью входной крышки 2 и ее разделительным выступом 15, радиальной перегородкой 8 полости корпуса 1 и частью последнего между ними. Камера осветленного продукта 21 ограничена радиальной перегородкой 8, выходной крышкой 4 и частью корпуса 1 между ними. Шламовая камера 22 ограничена периферийной частью входной крышки 2 и ее разделительным выступом 15 и частью корпуса 1 между ними. При этом между приемной камерой 20 и шламовой камерой 22 установлен лишь один узел уплотнения - кольцевая прокладка 18, что повышает надежность блока очистителей. Приемная камера 20 и камера осветленного продукта 21 обладают осевой симметрией.
В корпусе 1 между камерой осветленного продукта 21 и шламовой камерой 22 выполнены сквозные продольные каналы 23 с тремя участками в каждом. Участки 24 и 25, примыкающие соответственно к камере осветленного продукта 21 и шламовой камере 22, выполнены цилиндрическими, а соединяющий их участок 26 выполнен в виде сужающегося к шламовой камере 22 конуса. При этом средняя часть каждого из каналов 23, включающая участок 26 и примыкающую к нему область участка 24, имеет цилиндроконическую форму. Каналы 23, выполненные в четном количестве, размещены парами равномерно по окружности корпуса 1. В этих парах каналы 23 соединены посредством вдвое меньшего количества сквозных радиальных каналов 27 цилиндрической формы, выполненных в корпусе 1 между его наружной поверхностью и приемной камерой 20, каждый из которых проходит посередине между смежными продольными каналами 23, объединенных в данную пару, частично пересекая цилиндрические участки 24 средних частей этой пары каналов 23.
Со стороны камеры осветленного продукта 21 в каждом продольном канале 23 на его цилиндрическом участке 24 установлен сливной насадок 28 со сквозным осевым отверстием 29, ограничивающий цилиндрическую часть циклонного элемента и образующий сливной патрубок последнего. Насадки 28 поджаты кольцом 30 с отверстиями для прохождения осветленного продукта в камеру 21 и образуют с корпусом 1 разъемное соединение (например, посредством винтов 31 со стопорными шайбами). Со стороны шламовой камеры 22 в каждом продольном канале 23 на его цилиндрическом участке 25 установлен песковый насадок 32 со сквозным осевым отверстием, завершающий коническую часть циклонного элемента и образующий песковый патрубок последнего, при этом поверхность конической области 33 этого отверстия продолжает коническую поверхность участка 26 канала 23. Насадки поджаты кольцом 34 с отверстиями для прохождения сгущенного продукта в шламовую камеру 22 и образуют с корпусом 1 разъемное соединение (например, посредством винтов 35 со стопорными шайбами). Таким образом, проточную часть каждого циклонного элемента образуют соответствующие сливной насадок 28, песковый насадок 32 и расположенная между ними средняя часть (цилиндроконической формы) продольного канала 23.
В каждом радиальном канале 27 корпуса 1 установлен входной насадок 36 с углублениями 37, продолжающими поверхность цилиндрических участков 24 соответствующей пары продольных каналов 23. Насадок 36 снабжен продольным отверстием 38, ведущим из приемной камеры 20 в указанную пару каналов 23 и образующим входной патрубок бинарного гидроциклона (последний включает два циклонных элемента, выполненных в этой же паре продольных каналов 23). При этом углубления 37 формируют рассекатель 39 потока в бинарном гидроциклоне, направленный к отверстию 38 со стороны внешней поверхности корпуса 1. Поверхность рассекателя 39 плавно (непрерывно по касательной) и симметрично сопряжена с поверхностью каждого из цилиндрических участков 24 указанной пары каналов 23. Насадок 36 снабжен сопрягаемым с внешней поверхностью корпуса 1 фланцем 40, с помощью которого образовано разъемное соединение насадка 36 с корпусом 1 (например, посредством винтов 41 со стопорными шайбами). Насадок 36 уплотняют кольцевой прокладкой 42 (например, резиновой).
При изготовлении блока очистителей сначала в корпусе 1 выполняют радиальные каналы 27. Затем в каждый радиальный канал 27 корпуса 1 устанавливают заготовку входного насадка 36 без цилиндрических углублений 33 и фиксируют ее в корпусе 1 (например, соединив фланец 40 насадка 36 с корпусом 1 посредством штифта 43). Выполняя в корпусе 1 продольные каналы 23, одновременно на заготовках входных насадков 36 получают углубления 37. Пару продольных каналов 23 и входной насадок 36, выполненные совместно, одинаково маркируют для обеспечения правильной сборки блока очистителей.
При работе блока очистителей сепарируемую среду (например, очищаемый теплоноситель) подают через патрубок 3 в приемную камеру 20, из которой сепарируемая среда через продольные отверстия 38 входных насадков 36 поступает во все циклонные элементы (по направлению касательной к их цилиндрической поверхности), где разделяется на две фракции. Осветленный продукт из каждого циклонного элемента через осевое отверстие 29 сливного насадка 28 поступает в камеру осветленного продукта 21, из которой уходит через патрубок 5 за пределы блока очистителей. При этом сплошная радиальная перегородка 8 в полости корпуса 1 исключает возможность перетечек между приемной камерой 20 и камерой осветленного продукта 21. Сгущенный продукт через осевое отверстие пескового насадка 32 поступает в шламовую камеру 22, из которой уходит через патрубок 16 за пределы блока очистителей.
В каждом бинарном гидроциклоне образующие его циклонные элементы выполнены зеркально симметрично. В блоке очистителей бинарные гидроциклоны расположены одинаковым образом относительно входного патрубка 3 и приемной камеры 20, а также камеры осветленного продукта 21 и выходного патрубка 5. Такое выполнение обеспечивает равномерное по существу распределение между циклонными элементами поступающей в приемную камеру 20 сепарируемой среды и, следовательно, возможность работы всех циклонных элементов блока очистителей в оптимальном режиме, а кроме того, и уменьшение гидравлического сопротивления блока очистителей. Асимметричное относительно шламовой камеры 22 расположение патрубка 16 для отвода сгущенного продукта слабо влияет на режим работы циклонных элементов вследствие существенного различия расходов осветленного и сгущенного продуктов. Характер сопряжения крышек 2 и 4 с корпусом 1, совместное выполнение входного насадка 36 с соответствующей парой продольных каналов 23 и сохранение такого комплекта при сборке блока очистителей также способствуют уменьшению гидравлического сопротивления последнего.
В блоке очистителей обеспечена возможность ступенчатого изменения его расходной характеристики (в пределах его максимальной производительности с сохранением по существу эффективности удаления твердых примесей). Регулировку на требуемую производительность выполняют при снятой входной крышке 2 путем установки со стороны приемной полости 20 заглушек (на чертежах не показаны) в отверстия 38 входных насадков 36.
В блоке очистителей обеспечена также возможность его применения для сепарации сред с иными, чем вода, теплофизическими свойствами (в частности, масел для подшипников скольжения) путем использования сменных комплектов насадков (сливных 28, песковых 32 и входных 36) с соответствующими геометрическими характеристиками.
Объединение циклонных элементов в бинарные гидроциклоны уменьшает необходимое количество входных насадков 36 и соответствующих радиальных каналов 27 в корпусе 1, что упрощает изготовление и повышает надежность блока очистителей. Разъемные соединения крышек 2 и 4 с корпусом 1 обеспечивают удобство и простоту доступа ко всем элементам блока очистителей для их обслуживания и ремонта.