ПЛАСТИНЧАТЫЙ ФИЛЬТР
PLATE-TYPE FILTER

Настоящее изобретение относится к области фильтров, используемых для удаления инородных частиц из воды, подаваемой в трубопроводную систему. Более конкретно, настоящее изобретение относится к области фильтров, используемых на атомных электростанциях.
На атомных электростанциях имеются различные системы обеспечения безопасности, предназначенные для поддержания условий, при которых ядерное топливо в активной зоне ядерного реактора оставалось бы охлажденным при всех вероятных сценариях аварийных ситуаций. Один такой сценарий заключается в «утечке охлаждающей жидкости», при которой согласно предварительно заданным условиям происходит разрыв наружной трубы, в результате чего из охлаждающей системы реактора вытекает большое количество воды. Эта вода может нести твердые инородные частицы от находящихся рядом труб или других структур реактора. Вода вместе с некоторыми из вынесенных инородных частиц будет течь в наиболее низко расположенные части здания реактора, в отстойник. Электростанции оснащены системами обеспечения безопасности, с помощью которых откачивают воду из отстойника обратно в различные системы охлаждения реактора. С помощью фильтров, установленных на всасывающих каналах насоса, обеспечивают условия, при которых предотвращается попадание любых инородных частиц достаточно большого размера, которые могли бы закупорить проходы оборудования в этих системах. В зависимости от типа инородных частиц первый слой, который осаждается на фильтре, может образовывать более тонкий фильтр, чем расположенный под ним сетчатый экран, и посредством его можно улавливать много более мелких частиц.
Фильтры должны иметь достаточно большую площадь сетчатого экрана, чтобы слой инородных частиц на фильтре не оказался бы слишком толстым и чтобы он не вызывал неприемлемо большое сопротивление потоку. Фильтры должны также быть по возможности небольшими, чтобы их можно было располагать в доступном пространстве. Таким образом, важным фактором является компактность, т.е. возможность размещения сетчатого экрана наибольшей площади в очень малом объеме.
Обычные фильтры на многих ядерных электростанциях являются простыми устройствами ящичного типа, установленными над всасывающими каналами насоса. Более новые усовершенствованные фильтры часто содержат нерегулярную поверхность для увеличения площади поверхности.
Эта информация о недостатках подтверждает важность настоящего изобретения, причем не имеются ввиду какие-либо вмешательства, но следует понимать, что любая предшествующая информация позволяет сравнивать известные решения с настоящим изобретением.
Согласно одному аспекту изобретения создан фильтр для отфильтровывания инородных частиц из жидкости, содержащий продолговатый коллектор, которым ограничен закрытый тракт, содержащий выход, сообщенный со средством всасывания жидкости, и множество входных отверстий, расположенных вдоль длины упомянутого тракта, на котором происходит падение давления в направлении движения потока жидкости, фильтрующий элемент, расположенный в каждом упомянутом входном отверстии для отфильтровывания инородных частиц из жидкости, подаваемой в упомянутый тракт, и устройство для регулирования потока для поддержания по существу равномерных потоков жидкости, проходящих через фильтрующие элементы, расположенные в различных местах вдоль упомянутого тракта.
Согласно другому аспекту изобретения устройство для регулирования потока содержит отверстие для создания падения давления между входным отверстием и трактом, расположенным в позиции, находящейся ближе к упомянутому средству всасывания, которое больше падения давления между входным отверстием и упомянутым трактом, расположенным в позиции, более отдаленной от упомянутого средства всасывания. Отверстие может быть выполнено в виде сопла для ускорения потока жидкости, подаваемой в упомянутый тракт в направлении, по существу параллельном тракту, и может быть выполнено в перегородке, расположенной в упомянутом коллекторе, где перегородкой ограничен сборный канал, которым охвачено множество отверстий.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения коллектор содержит, в общем, плоскую боковую стенку, а входные отверстия представляют собой последовательность по существу параллельных пазов, выполненных в боковой стенке в направлении, поперечном упомянутому тракту. Фильтрующие элементы могут быть выполнены в виде пластин с плоскими поверхностями, выступающих наружу от отверстий в плоской боковой стенке.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения создан фильтр для отфильтровывания инородных частиц из жидкости, содержащий коллектор, которым ограничен закрытый объем и который содержит выход, сообщенный со средством для всасывания жидкости, где упомянутый коллектор содержит множество входных пазовых отверстий, выполненных в нем; причем пластинообразный фильтрующий элемент выступает наружу от каждого пазового отверстия и предназначен для отделения инородных частиц от упомянутой жидкости; каждый упомянутый фильтрующий элемент содержит каркас по периметру и пару проницаемых для жидкости сеток, прикрепленных к нему, расположенных одна против другой и на расстоянии одна от другой, и, по меньшей мере, один канал для потока жидкости, расположенный между ними и сообщенный с упомянутым закрытым объемом посредством граничного бокового края упомянутого каркаса и упомянутого пазового отверстия. Проницаемые для жидкости сетчатые экраны могут быть выполнены из перфорированного металлического листа или сетки. Между проницаемыми для жидкости сетчатыми экранами может быть расположена волнообразная металлическая проставка для поддержания упомянутых проницаемых для жидкости сетчатых экранов на расстоянии друг от друга, и множество каналов может быть ограничено между упомянутыми волнообразными металлическими проставками и упомянутыми проницаемыми для жидкости сетчатыми экранами. Каркас по периметру может быть непроницаем для жидкости, за исключением зоны у одного граничного бокового края.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения проницаемые для жидкости сетчатые экраны (каждый) выполнены из волнообразной металлической сетки, содержащей множество параллельных выступов и впадин, причем упомянутые сетчатые экраны удерживают один против другого на расстоянии друг от друга за счет контакта чередующихся выступов и ими ограничивают множество упомянутых каналов между ними.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 изображен вид в изометрии фильтрующего модуля, предназначенного для присоединения к всасывающему каналу насоса, согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.2 - вид фильтрующего модуля, изображенного на фиг.1, в разобранном состоянии;
на фиг.3 - вид в изометрии в разрезе фильтрующего модуля, установленного непосредственно на отстойнике, согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.4 - вид секции пластины с плоскими поверхностями согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.5 - вид в изометрии в разрезе секции пластины с волнообразными поверхностями согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.6 - вид в разобранном состоянии пластины с волнообразными поверхностями согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.7 - вид в изометрии в разрезе устройства для выравнивания потока согласно варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.8 - пластина с волнообразными поверхностями согласно варианту выполнения настоящего изобретения.
Фильтрующий модуль согласно настоящему изобретению содержит продолговатый коллектор 3 (см. фиг.1 и 2), которым ограничен внутренний тракт для жидкости, сообщенный со средством для всасывания посредством всасывающего канала 2 насоса, который может быть размещен в полу или стенке, с использованием одного или большего числа соединительных элементов 1. Коллектор 3 содержит, в общем, плоскую боковую стенку с множеством входных отверстий 9 в виде последовательности по существу параллельных продолговатых пазов, расположенных вдоль длины коллектора, для размещения в них пластин 4. Входные отверстия ориентированы в направлении, поперечном тракту для жидкости в коллекторе 3. Фильтрующие элементы в виде полых пластин 4 с плоскими поверхностями могут быть установлены по боковым сторонам (как это изображено на фиг.1), сверху или снизу коллектора 3 и так, чтобы они выступали наружу от входных отверстий 9. Пластины 4 можно устанавливать равномерно или с переменным расстоянием между ними и закреплять посредством несущих рам 5 и связей 6. В предпочтительном варианте выполнения пластины являются легкосъемными, для чего используют штифты 10 и болты 11, но они могут быть также постоянно прикрепленными к коллектору 3.
Вода поступает в фильтр через сетчатые экраны 7, проницаемые для жидкости, расположенные на поверхности пластин 4, и при этом на сетчатых экранах остаются инородные частицы. Затем вода проходит по каналу для жидкости в полом пространстве 8 пластины 4 в коллектор 3. Различные участки коллектора 3, особенно участки между пазами 9 для пластин, могут быть изготовлены с использованием проницаемого для жидкости материала для увеличения площади фильтрации. Коллектор 3 может содержать одну или большее число перегородок 12 для обеспечения конструкционной прочности боковых сторон и устойчивости к высокому давлению всасывания. Перегородка 12 содержит большие отверстия 13 для обеспечения того, чтобы скорости потоков над и под перегородкой в канале для потока жидкости в коллекторе 3 были одинаковыми.
На торцах каждого коллектора 3 имеются фланцы 14, с помощью которых можно скреплять между собой смежные модули. Модули можно скреплять вместе или их можно устанавливать независимо, используя уплотнения между модулями. Под модулем можно устанавливать несущие рамы 5. Несущие рамы 5 содержат регулируемые по высоте опоры 15, с помощью которых можно устанавливать устройство на полах, которые могут быть неровными.
На фиг.3 изображен альтернативный вариант выполнения настоящего изобретения. Этот вариант выполнения пригоден в случаях, где имеется ранее существовавший отстойник 45 с крышкой 46 (которая могла ранее существовать или которая могла быть специально установлена для размещения на ней фильтрующих модулей) и всасывающим каналом 47 насоса внутри отстойника 45. Фильтрующий модуль 48 содержит пластины 49, установленные на раме 50 с использованием соответствующих средств крепления. Для простоты чертежа на фиг.3 изображен только один модуль. Если требуется, то над отстойником 45 может быть подобным же образом установлено множество фильтрующих модулей 48.
Поток проходит в пластины 49 таким же образом, как это описано выше со ссылкой на вариант выполнения, изображенный на фиг.1 и 2, но затем проходит непосредственно в отстойник 51, а далее - во всасывающий канал 52 насоса. Всасывающий канал 52 насоса можно модифицировать для уменьшения потерь на входе. Для этого сооружения не требуется отдельный сборный коллектор, так как отстойник 51 сам выполняет эту функцию. Нежелательные байпасные потоки между крышкой 46 отстойника и рамой 50 модуля можно исключить, используя жесткие допуски между сопрягаемыми частями или используя прокладки из проволочной сетки или любые другие соответствующие типы уплотнений, например деталь 25, изображенную на фиг.5 на краю пластины. Соответствующие участки рамы 50 модуля или крышки 46 отстойника могут быть изготовлены из перфорированного металлического листа для увеличения площади фильтрации. Для использования некоторого объема отстойника 51 фильтрующий модуль может быть погружен, частично или полностью, в отстойник ниже уровня пола. В таком случае рама 50 модуля будет выступать вниз от уровня пола к низу модуля для предотвращения байпасного потока в обход фильтрующих элементов фильтра.
Всасывание воздуха можно предотвратить, обеспечивая условия, при которых имеется достаточный по высоте слой воды над фильтром. В альтернативном варианте выполнения может быть добавлена горизонтальная крышка (не показана) над пластинами. При наличии такой крышки пластины можно располагать ближе к поверхности воды без риска всасывания воздуха или образования полых вихрей.
Различные типы связей могут быть использованы для обеспечения достаточно жесткого закрепления фильтра, например такие, которые изображены на фиг.1, 2 и 3, чтобы они выдерживали нагрузки, вызываемые прогнозируемыми сейсмическими явлениями и давлением. Кроме того, между пластинами могут быть также расположены наружные связи, например такие, которые обозначены номером позиции 6 на фиг.2.
Для всех применений желательно оптимизировать конструкцию с учетом типа и количества инородных материалов, которые необходимо удалять с помощью фильтра. Для этого нужно принимать в расчет два основных фактора: требуемую площадь фильтрации и потенциальный объем инородных материалов, которые должны размещаться в фильтре. Количество пластин определяют исходя из требуемой площади фильтрации, а затем расстояние между пластинами можно варьировать для образования достаточного пространства между пластинами для размещения потенциального объема инородных материалов. Фильтрующий модуль преимущественно изготавливают таких размеров, чтобы его было легко обслуживать и можно было доставлять его на место без необходимости вмешательства в окружающее оборудование. Кроме того, полный фильтрующий комплекс может содержать много фильтрующих модулей, если это необходимо.
,
Ниже рассмотрено, со ссылками на фиг.4, 56 и 8 два типа пластин, которые можно вводить в устройство согласно настоящему изобретению.
Пластина с плоскими поверхностями
Согласно одному аспекту настоящего изобретения пластина с плоскими поверхностями содержит пару плоских проницаемых для жидкости сетчатых экранов 16 (см. фиг.4) из перфорированного металлического листа с каждой боковой стороны пластины, расположенных один против другого на расстоянии друг от друга. С помощью сетчатых экранов 16 отфильтровывают инородные частицы из воды, поступающей в фильтр. Два сетчатых экрана 16 отделены один от другого волнообразной металлической проставкой 17. С помощью проставки 17 обеспечивают жесткость и прочность, а также формируют каналы для потоков между сетчатыми экранами 16 к коллектору 3. Края сетчатых экранов 16 закрыты каркасом 18 по периметру. Каналы для потоков между сетчатыми экранами 16 сообщены с закрытым трактом коллектора 3 посредством граничного бокового края каркаса 18, которым его стыкуют с отверстием 9 коллектора 3. С помощью каркаса 18 также значительно увеличивают конструкционную прочность пластины.
Если для конкретного применения требуются более мелкие фильтрующие отверстия, чем при использовании стандартной перфорированной металлической сетки, на поверхность перфорированных металлических сетчатых экранов 16 пластины можно наложить слой тонкой проволочной сетки.
Преимущества конструкции пластины, изображенной на фиг.4, включают простоту изготовления и минимальный внутренний объем.
Пластина с волнообразными поверхностями
Согласно другому аспекту настоящего изобретения пластины с волнообразными поверхностями выполнены из двух слоев перфорированных металлических сетчатых экранов 19 (см. фиг.5, 6 и 8), которым была придана волнообразная форма для увеличения их активной площади поверхности. Инородные частицы, отфильтровываемые из воды, поступающей в фильтр, осаждаются на этих волнообразных поверхностях.
Посредством волнообразной формы достигают ряд преимуществ. Большое увеличение площади фильтрующей поверхности в сравнении с плоским сетчатым экраном является очень существенным преимуществом при образовании тонких слоев инородных частиц, которое часто приводит к возникновению большего числа проблем, чем при образовании более пористых толстых слоев инородных частиц. За счет увеличения площади уменьшают сопротивление потоку, поступающему в фильтр, путем уменьшения скорости прохождения воды через сетчатый экран и уменьшения толщины слоя инородных частиц (так как он распределяется по большей площади). Посредством «выступов» волнообразного сетчатого экрана также уменьшают падение давления благодаря тенденции к поддержанию местной неравномерности наносов инородных частиц. Даже при образовании слоев инородных частиц, более толстых, чем высота «выступов», могут быть достигнуты значительные преимущества, так как мелкие частицы часто проходят сквозь наносы инородных частиц и скапливаются вблизи фильтрующей поверхности, вызывая образование тонкого относительно непроницаемого слоя около поверхности. Сопротивление этого тонкого слоя потоку, поступающему в фильтр, уменьшают за счет большей площади сетчатого экрана, обеспечиваемой благодаря его волнообразной форме.
Другой важной отличительной особенностью этой конструкции является то, что волнообразные сетчатые экраны могут быть изготовлены достаточно прочными, чтобы их можно было использовать в качестве единственного конструкционного элемента в пластине. Кроме того, сетчатый экран можно также изготавливать, используя относительно тонкий материал. Это позволяет минимизировать количество материала, требуемого для изготовления пластины, что способствует снижению стоимости и обеспечению возможности легкого обращения с пластинами благодаря их уменьшенному весу.
Волнообразные металлические сетчатые экраны содержат множество параллельных «выступов» и «впадин» и расположены один против другого на расстоянии друг от друга таким образом, чтобы чередующиеся «выступы» одного сетчатого экрана контактировали верхними концами с чередующимися «выступами» противоположного сетчатого экрана. При такой компоновке образуются полые внутренние каналы для жидкости, поступающей в фильтр, по которым потоки идут к сборному коллектору. Эти каналы для потоков являются беспрепятственными, и они могут быть изготовлены достаточно больших размеров, чтобы создавать минимальное сопротивление потоку. Внутренний объем конструкции минимизируют, таким образом увеличивая до максимума пространство снаружи фильтра для сбора инородных частиц.
Каркас по периметру проницаемых для жидкости сетчатых экранов может содержать плоский брус 20 (см. фиг.5) для закрывания краев, параллельных волнообразным «выступам», для обеспечения прочных мест крепления 21 связей 6 и установочной арматуры 10 и 11 пластин. Эти края могут также быть закрыты перфорированным металлическим сетчатым экраном 22 для дополнительного увеличения площади фильтрующей поверхности.
Каркас по периметру проницаемых для жидкости сетчатых экранов может также содержать перфорированные металлические крышки 23 для закрывания торцов волнообразных сетчатых экранов. Преимущество торцевой крышки этого типа заключается в том, что посредством таких крышек увеличивают площадь перфорированного сетчатого экрана и не ограничивают возможность доступа потока в пространство между пластинами.
В варианте выполнения, изображенном на фиг.6 и 8, торцевая крышка 40 выполнена из швеллера, приваренного поверх торца пластины. Преимущества торцевой крышки этого типа заключаются в простоте изготовления и в том, что посредством ее значительно увеличивают прочность пластины. Крышка может быть полностью или частично перфорированной, если требуется дополнительная площадь сетчатого экрана.
Граничный боковой край каркаса по периметру около края пластины, которым ее пристыковывают к коллектору, образован прямоугольным поперечным сечением для стыковки с прямоугольными пазами 9 в коллекторе. Это может быть выполнено с использованием зубчатой полосы перфорированного металла 24, где край может быть уплотнен в сборном коллекторе посредством упругой металлической полосы 25 (см. фиг.5). На фиг.6 и 8 также изображена простая конструкция крышки 41 для участка каркаса по периметру около торца пластины, пристыковываемой к коллектору. Крышка 41 выполнена из швеллера, приваренного поверх краев листов волнообразных металлических сетчатых экранов. Крышка 41 содержит большие отверстия, посредством которых каналы для потоков 43, образованные между волнообразными сетчатыми экранами, сообщены с отверстиями 9 и трактом в коллекторе 3. Посредством боковых сторон торцевой крышки обеспечивают поверхности для крепления уплотнений 42, с помощью которых создают хорошую посадку пластин в коллекторе.
Выравнивание потока
Желательно обеспечение равномерного в разумных пределах потока для предотвращения образования полых вихрей и для обеспечения условий, при которых инородные частицы, осаждающиеся на фильтре, не уплотняются слишком сильно. Если поток сосредотачивается около одного места, то инородные частицы быстро скапливаются в этом месте, образуя очень плотный настил, в результате чего повышается сопротивление потоку в достаточной степени, чтобы поток стал поступать через соседнее место, вызывая образование плотного наноса также и в этом месте. Если не препятствовать этому процессу, то он будет происходить по всему фильтру, вызывая значительно большее падение давления, чем при равномерном осаждении инородных частиц.
В дополнительном варианте выполнения настоящего изобретения, изображенном на фиг.7, потоки, поступающие в различных местах вдоль длины коллектора, регулируют, используя устройства для уравнивания потоков, с помощью которых повышают давление внутри коллектора. При протекании жидкости вдоль коллектора потери давления на трение и ускорение вызывают снижение давления ближе к концу коллектора, где производят отсос (т.е. в направлении движения потока жидкости). При этом обычно создается большее вытесняющее давление на поток, поступающий в пластины, вызывая некоторую неравномерность потоков (больший поток поступает в пластины, расположенные ближе к всасывающему насосу или к концу коллектора, где производят отсос). Для обеспечения условий, при которых вода, поступающая в любую пластину, подвергалась бы одинаковому перепаду вытесняющего давления, введены калиброванные устройства для уравнивания потоков, с помощью которых создают большие сопротивления потоку для пластин, расположенных ближе к концу фильтра, где производят отсос, чем для пластин, расположенных у отдаленного конца.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения с помощью устройств для уравнивания потоков обеспечивают сопротивление потоку частично реверсивным способом. Таким образом, энергию, требуемую для ускорения прохода потока через устройства для уравнивания потоков, преобразуют сначала в кинетическую энергию, когда струю воды в коллекторе ориентируют в направлении потока, идущего к концу коллектора, где производят отсос. Количество движения этой струи используют для повышения давления в коллекторе таким образом, чтобы частично сместить потери на трение и ускорение выше по потоку. Это повышение давления ведет к уменьшению неравномерности давления вдоль длины коллектора. По существу равномерный поток может быть достигнут при одновременном обеспечении меньшего общего падения давления.
На фиг.7 подробно изображен этот вариант выполнения, где удалены все, кроме одной, пластины, для большей ясности чертежа. Потоки в различных местах показаны стрелками.
Поток 25 жидкости поступает в пластинообразный фильтрующий элемент 32 через перфорированные сетчатые экраны, проходит через внутренние каналы, образованные между волнообразными сетчатыми экранами, сообщенные с коллектором 35 посредством торцевой крышки 41 (см. фиг.6 и 8), и паз 26. Потоки из находящихся рядом пластин аналогичным образом поступают в коллектор 35 через пазы 27 и 28. Относительно узкий сборный канал 38 внутри коллектора 35 ограничен вертикальной перегородкой 31, проходящей за наружной стенкой 36 внутри коллектора 35. Поток из сборного канала ускоряется на выходе из отверстия 33, где формируется струя 39, которая присоединяется к потоку 29, поступающему от пластин, расположенных выше по потоку. Так как направление скорости струи 39 по существу параллельно направлению скорости основного потока 29, то давление потока 30 ниже по ходу потока повышается выше этого значения, если воду инжектировали в направлении, перпендикулярном основному потоку. Кроме того, так как скорость струи 39 больше скорости основного потока 29, количество движения основного потока увеличивается, в результате чего повышается давление потока 30 выше того значения, которое бы имело место на выходе, если бы скорость струи 39 была такой же, как и скорость основного потока в области 29. Кроме того, с помощью отверстия 33 обеспечивают плавное сужение потока, благодаря чему имеют место минимальные потери энергии на создание струи 39.
Давление в основном коллекторе 35 падает при приближении к всасывающему каналу насоса из-за падения давлений на трение и ускорение. Таким образом, перепад давлений у отверстий, расположенных ближе к всасывающему каналу насоса, больше, чем у отверстий, расположенных дальше от него. Для уравнивания потоков, поступающих в основной коллектор, ширину каждого отверстия 33, 34 выбирают таким образом, чтобы давления выше по потоку у всех отверстий, например, в каждом из сборных каналов 38, 37 были одинаковыми. По существу одинаковое давление может быть достигнуто путем обеспечения того, чтобы отверстия, расположенные ближе к всасывающему каналу насоса, имели меньшую площадь живого сечения, чем отверстия, более удаленные от всасывающего канала насоса, в результате чего можно поддерживать по существу равномерные потоки жидкости, проходящие через фильтрующие элементы, расположенные в различных местах вдоль тракта коллектора 3.
Устройство для регулирования потока в виде отверстия с соответствующим образом выбранными размерами и формой может быть создано для отдельных сборных каналов, каждый из которых охватывает множество отверстий (как это изображено на фиг.7) или в альтернативном варианте выполнения может быть создано для каждого отдельного входного отверстия.
Все технические и научные термины, используемые в данном описании, имеют обычное значение, в котором их используют специалисты в данной области, если не указано иное.
Очевидно, что вышеописанное изобретение можно изменять многими способами. Такие изменения не следует рассматривать как отступления от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, как это очевидно для специалиста в данной области, охватываются объемом данной заявки.