УСТРОЙСТВО ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СВЧ-ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к оборудованию СВЧ нагрева и может быть использована в любых отраслях промышленности для обработки жидких диэлектрических продуктов, в частности, в атомной энергетике для выпаривания радиоактивных растворов солей, соли которых обладают высокой адгезией по отношению к любым материалам деталей и узлов рабочей камеры.
В настоящее время в процессе подготовки для утилизации жидких радиоактивных отходов выпаривание осуществляют с помощью СВЧ энергии, в результате которого остаются различные вещества, например, ионообменные смолы. Ионообменные смолы обладают высокой адгезией, практически, по отношению ко всем материалам, из которых выполняются детали и узлы рабочих камер СВЧ-установок.
Проблема состоит в том, что после полного выпаривания жидкости из растворов смолы налипают не только на стены камер, но и на все детали и узлы внутри, образуя при этом еще и спекшиеся массивы, которые для осуществления полной выгрузки из камеры и подготовки камеры к следующему циклу, кроме операции очистки камеры, требуют специальных операций дробления и рыхления.
Известно устройство генерирования микроволновой энергии, используемое для облегчения удаления бетона из металлического контейнера, содержащее контейнер, внутри которого на стенках закреплены ребра, направленные внутрь контейнера, а на контейнере размещена крышка, через которую с помощью волновода вводят СВЧ энергию. СВЧ-энергия, разогревая, освобождает молекулы воды из налипшего на ребра контейнера и стены бетона, полностью разрушая его структуру, после чего все удаляют из контейнера (см. з-ку РФ №97111044 от 02.07.1997 кл. H05B 6/64, публ. 20.06.1999 г.)
Описанное устройство не может быть использовано для обработки радиоактивных растворов, содержащих ионообменные смолы, так как после выпаривания они образуют спекшийся массив, в котором уже нет жидкости, способной разрушить его структуру.
Известна СВЧ-установка барабанного типа, содержащая корпус, внутри которой размещен приводной ротор с лопатками для ворошения раствора в процессе его упаривания, сушки и разложения, а также размещенные на корпусе волновод, патрубок загрузки и выгрузки полученного вещества, смотровое окно, пирометр и т.д. (см. Труды НИКИМТ, Москва, ИздАТ, 2003 г, том 6, стр.35).
Основным недостатком этого устройства является невозможность выгрузки после выпаривания налипших на стенки и лопатки ротора ионообменных смол, тем более их спекшихся массивов.
Известна контейнерная СВЧ-установка, которая состоит из камеры, разделенной на две одинаковые части металлической перегородкой. В каждой половине с возможностью поворота на 180° размещен металлический контейнер, имеющий форму полуцилиндра без верхней крышки. В верхней стенке камеры размещены волноводы СВЧ-энергии, устройства для подачи раствора, устройства для измерения температуры, смотровые окна. Внутри камеры для взаимодействия со стенами каждого контейнера при выгрузке выпаренного и разложившегося продукта жестко закреплены ножи-скребки, с помощью которых очищаются стенки контейнеров, а продукт при этом выводится наружу через общее окно конусной камеры (см. Труды НИКИМТ, Москва, ИздАТ, 2003 г., том 6, стр.38).
Данная установка служит для обработки пожаро- и взрывоопасных материалов, для которых существуют определенные ограничения по массе и объему. По мере упаривания раствор непрерывно подается в контейнер. После заполнения контейнера происходит доупаривание, денитрация и разложение продукта до сыпучего состояния. По достижении необходимой рабочей температуры и выдержки при этой температуры СВЧ-энергия отключается, контейнер опрокидывается, при этом специальным ножом-скребком содержимое контейнера снимается со стенок, и вся обработанная масса ссыпается в открытый конусный вывод и далее в бункер. Технология обработки радиоактивных сложных растворов, особенно содержащих ионообменные смолы, требует постоянного перемешивания растворов в процессе обработки, а затем кроме операции соскабливания конечного продукта со стенок, требует операции очистки деталей и узлов рабочей камеры, дробления плотных, застывших спекшихся масс, в которых нет воды, и рыхления до сыпучего состояния. Однако, в данном устройстве нет механизма, который мог в определенном порядке выполнять эти операции.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложению заявителя является СВЧ-установка для упаривания растворов, содержащая камеру цилиндрической формы, на которой размещена герметичная крышка. На крышке установлены патрубок загрузки, газоход, устройство для измерения температуры. В данной части камеры размещен патрубок выгрузки продукта, а в боковых стенках камеры под углом к поверхности стенки герметично закреплены волноводы для введения в камеру СВЧ-энергии (см. Труды НИКИМТ, Москва, ИздАТ, 2003 г., том 6, стр.33-34). Однако, и в этом устройстве, как и в предыдущих нет механизма, который при обработке сложных радиоактивных растворов мог бы в определенном порядке выполнять операции перемешивания растворов, очистки стенок камеры, деталей и узлов рыхления и дробления остаточной спекшейся массы для осуществления выгрузки.
СВЧ-установка для упаривания растворов, описанная стр.33-34 6-го тома, в Трудах НИКИМТ, Москва, ИздАТ. 2003 г. выбрана за прототип.
Задача разработки состояла не только в расширении парка устройств для обработки жидких диэлектрических продуктов с помощью СВЧ-энергии, в частности для выпаривания из сложных радиоактивных растворов, содержащих ионообменные смолы, которые затем подлежат утилизации, но и в полной автоматизации сложного процесса. Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что автоматизирован сложный процесс не только переработки радиоактивных растворов, содержащих ионообменные смолы, но и подготовки конечного сухого продукта к выгрузке из камеры путем механизации операции очистки стен, деталей и узлов камеры, а также операции дробления сухого конечного продукта ионообменной смолы и рыхления перед выгрузкой за счет введения в устройство механизма, выполняющего эти операции. В результате значительно повышена производительность процесса и вместимость конечного продукта в каждый контейнер, что очень важно для осуществления доставки продукта к месту утилизации.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что в устройство для СВЧ-обработки жидких диэлектрических продуктов, преимущественно выпаривания ионообменных смол из радиоактивных растворов солей, содержащее соосные между собой цилиндрический корпус с рабочей камерой и герметичной крышкой, на которой размещены ввод системы подачи растворов солей, газоход вытяжной системы, в стене корпуса герметично установлен волновод от источника СВЧ-энергии, а в донной части камеры выполнен вывод осушенной смолы в контейнер для утилизации, введен механизм подготовки выпаренной ионообменной смолы к выгрузке, который выполнен в виде приводного диска, установленного под крышкой корпуса соосно последнему с возможностью вращения и перемещения вдоль оси корпуса и рабочей камеры, на диске со стороны рабочей камеры радиально закреплены лопатки-ножи, в теле которых выполнены отверстия, а по краям торцовые и радиальные режущие кромки, при этом рабочая камера в корпусе образована двумя поперечно установленными подвижными шиберами, верхним с запредельной решеткой, который установлен выше волновода, и нижним, установленным на выводе осушенной смолы из камеры, в котором с возможностью осевого перемещения установлен затвор в виде фланца, по периферии верхней поверхности которого выполнен выступ, сопрягаемый с ответной проточкой в шибере, а на нижней поверхности этого диска выполнена клиновая поверхность для взаимодействия с упором, жестко закрепленным в центре рабочей камеры с возможностью прохождения между ним и стенкой камеры осушенной ионообменной смолы, при этом на крышке корпуса контактно поверхности диска механизма подготовки выпаренной ионообменной смолы к выгрузке шарнирно закреплен подпружиненный скребок, в диске выполнено отверстие, а контейнер для осушенной смолы размещен под нижним шибером с возможностью подъема и прижатия к нему, а также перемещения его в горизонтальном направлении.
Введение в устройство механизма, выполненного в виде приводного диска, установленного под крышкой корпуса соосно последнему с возможностью вращения и перемещения вдоль оси рабочей камеры, а также закрепления на нем лопаток-ножей с торцовыми и радиальными кромками и отверстиями в лопатках позволяет на любом уровне рабочей камеры в требуемые моменты цикла обработки растворов осуществлять тщательное перемешивание, уменьшая тем самым время выпаривания, а после окончания выпаривания механизировать операции очистки стен, деталей и узлов рабочей камеры, тщательного дробления, полученного сухого вещества и рыхления его до сыпучего состояния и автоматизировать процесс в целом, резко увеличивая вместимость вещества в контейнеры и производительность всего процесса.
Выполнение рабочей камеры в корпусе двумя поперечно установленными в его стенах шиберами, верхним с запредельной решеткой, установленным выше волновода, и нижним, установленным под волноводом на выводе осушенной смолы из под рабочей камеры, позволяет ограничить объем, в котором осуществляется выпаривание при очень высокой температуре ионообменных солей из раствора и получение сухого спекшегося массива окончательного продукта, что экономит затраты СВЧ-энергии, а запредельная решетка в верхнем шибере не выпускает СВЧ-волны из рабочей камеры, верхний шибер которой открывается только для загрузки растворов солей и периодического перемешивания их в процессе выпаривания, в эти периоды СВЧ-энергия отключается.
Выполнение в нижнем шибере затвора в виде фланца, установленного с возможностью осевого перемещения, по периферии верхней поверхности которого выполнен выступ, сопрягаемый с ответной проточкой в шибере, а на нижней поверхности в центре фланца выполнена клиновая поверхность для взаимодействия с упором, жестко закрепленным в центре рабочей камеры с возможностью прохождения между ним и стенкой осушенной и раздробленной спекшейся массы выпаренной смолы для загрузки в контейнеры, что позволяет осуществлять этому шиберу функцию дна рабочей камеры во время выпаривания и функцию выгрузки раздробленного и разрыхленного спекшегося массива после окончания процесса.
Размещение и шарнирное крепление на крышке корпуса контактно поверхности приводного диска (механизма перемешивания раствора, очистки стен камеры и узлов и деталей в ней, а также дробления и рыхления конечного сухого продукта) подпружиненного скребка и отверстия в диске путем его вращения позволяет остатки продукта сбрасывать в контейнер сразу после выгрузки полностью разрыхленного осушенного конечного вещества.
Установка контейнера под нижним шибером напротив затвора в виде диска с возможностью его подъема с прижатием к корпусу, потом его опускания для вывода из-под устройства, также способствует работе устройства в циклическом автоматическом режиме.
Таким образом, заявлено техническое решение поставленной задачи: расширение парка высокотемпературных СВЧ-устройств периодического действия для выпаривания ионообменных смол из радиоактивных растворов в автоматическом режиме.
Сущность заявленного технического решения выражается в новой совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного заявителем нового технического результата - автоматизации процесса подготовки сухого продукта к выгрузке из рабочей камеры путем механизации процесса очистки деталей и узлов рабочей камеры от полученных в результате выпаривания ионообменных смол, и одновременно дробления и рыхления спекшегося массива этих смол, так как иначе полученный продукт невозможно выгрузить из рабочей камеры в контейнер для утилизации. В результате введения в конструкцию установки нового механизма, который кроме операций очистки камеры, дробления и рыхления сухого продукта осуществляет периодически требуемое по технологии перемешивание растворов, содержащих ионообменные смолы, а также очистку загрузочной части корпуса и самого механизма, значительно увеличена производительность установки, а конструкция ее рабочей камеры экономит электроэнергию и исключает попадание СВЧ-волн в окружающую среду, при этом все операции каждого периода работы установки полностью автоматизированы.
Заявленная полезная модель соответствует всем критериям патентоспособности: она является новой, так как совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники, доказательством чего является отсутствие отличительных признаков заявленного устройства в устройствах, являющихся ближайшими его аналогами по технической сущности.
Полезная модель промышленно применима, так как конкретные конструктивные признаки реально воспроизводимы и не противоречат применению в промышленных условиях.
На фиг.1 схематично изображено предложенное СВЧ-устройство, преимущественно для выпаривания ионообменных смол из радиоактивных растворов солей.
На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1
На фиг.3 изображен в увеличенном масштабе фрагмент Б фиг.2
На фиг.4 изображен в увеличенном масштабе фрагмент В фиг.1
На фиг.5 изображен разрез по Г-Г фиг.1
На фиг.6 изображен разрез по Д-Д фиг.1
Предложенное устройство для СВЧ-обработки, преимущественно для выпаривания ионообменных смол из радиоактивных солей содержит цилиндрический корпус 1 (см. фиг.1). Корпус 1 закрыт герметично крышкой 2. На крышке 2 размещен ввод 3 системы подачи растворов солей, содержащих ионообменные смолы, которые после выпаривания выгружаются из установки в контейнер 4 для последующей утилизации. Кроме того, на крышке 2 размещен газоход 5 вытяжной системы, механизм обработки выпаренной ионообменной смолы перед выгрузкой из рабочей камеры 6 (см. фиг.2), который выполнен в виде приводного диска 7 (см. фиг.1), установленного под крышкой корпуса 1 соосно последнему с возможностью вращения и перемещения вдоль оси рабочей камеры 6. На диске 7 (см. фиг.2) радиально закреплены лопатки-ножи 8, в теле которых выполнены отверстия 9, а по краям торцовые и радиальные режущие кромки 10. В стенке корпуса 1 герметично установлен волновод 11 СВЧ-энергии, в котором на входе в корпус 1 размещена заглушка 12 (см. фиг.6) из фторопласта, а в стенке корпуса 1 у этого входа вмонтирован обратный клапан 13 для заполнения рабочего объема воздухом (см. фиг.6). Рабочая камера 6 в корпусе 1 (см. фиг.1) образована двумя поперечно установленными подвижными шиберами: верхним 14 с запредельной решеткой 15, установленным ниже волновода 11, и нижним 16, установленным ниже волновода 11 на выводе 17, осушенной ионообменной смолы из корпуса 1. В нижнем шибере 16 (см. фиг.2) выполнен затвор в виде фланца 18, который установлен в шибере 16 с возможностью осевого перемещения. По периферии верхней поверхности фланца 18, выполнен выступ 19, сопрягаемый с ответной проточкой 20 в шибере 16 (см. фиг.3). На нижней поверхности фланца 18 (см. фиг.2) в центре выполнена клиновая поверхность 21 (см. фиг.4) для взаимодействия с упором 22, жестко закрепленным в центе рабочей камеры 6 с возможностью прохождения обработанной ионообменной смолы между этим упором и стенкой корпуса 1. В крышке 2 корпуса 1 (см. фиг.1) контактно поверхности диска 7 шарнирно закреплен подпружиненный скребок 23 (см. фиг.5), а в диске 7 отверстие 24. Под корпусом 1 (см. фиг.2) напротив затвора 18 с возможностью подъема, прижатия к корпусу 1 и опускания, а также перемещения в горизонтальном направлении на механизме подъема-опускания 26 установлен контейнер 4 (см. фиг.1).
Устройство работает следующим образом.
По вводу 3 системы в загрузочную часть корпуса 1 подается радиоактивный раствор солей, содержащих ионообменные смолы (жидкий раствор диэлектрического продукта). Верхний шибер 14 открыт, нижний шибер 16 с затвором в виде фланца 18 закрыт.Механизм подготовки выпаренной ионообменной смолы к выгрузке в виде приводного диска 7 под крышкой 2 корпуса 1 находится в крайнем верхнем положении. После заполнения рабочей камеры 6 раствором верхний шибер 14 с запредельной решеткой 15 закрывается. СВЧ-энергия по волноводу 11 подается в рабочую камеру 6. Происходит нагрев раствора с последующим выпариванием из него жидкости. Пары выпариваемой жидкости откачиваются через запредельную решетку 15 из рабочей камеры 6 и через газоход 5 из загрузочной части корпуса 1. Одновременно через обратный клапан 13 извне подается воздух в рабочую камеру 6, при этом волновод 11 закрыт заглушкой 12 из фторопласта, которая защищает его от попадания в него обрабатываемого продукта. Для сокращения времени процесса выпаривания периодически открывается верхний шибер 14, включаются приводы 25 и 27 и диск 7, вращаясь перемещается в рабочую камеру 6, перемешивая раствор с помощью лопаток-ножей 8 с отверстиями 9 в их теле, которые усиливают эффект перемешивания, так как увеличивается площадь выпаривания в единицу времени. По окончании процесса выпаривания отключается СВЧ-энергия, а на стенке рабочей камеры бив нижнем шибере 16 остается затвердевший сухой остаток ионообменной смолы, которая обладает высокой адгезией к любым материалам, поэтому перед выгрузкой сухого остатка из рабочей камеры 6 через вывод 17 и для подготовки камеры 6 и загрузочной части корпуса 1 к следующему циклу и выгрузке продукта осуществляют очистку стен рабочей камеры 6, дробление и рыхление сухого остатка. Для этого открывается верхний шибер 14, включаются приводы 25 и 27 вращения и осевого перемещения диска 7 с лопатками-ножами 8, весь механизм перемещается вдоль корпуса 1 и рабочей камеры бис помощью торцовых и радиальных режущих кромок 10 осуществляются операции очистки стенок от сухого остатка, дробления и рыхления массы. Открывается нижний шибер 16, раздробленный и разрыхленный сухой остаток ионообменной смолы высыпается в контейнер 4. После выгрузки сухого продукта механизм его обработки поднимается в исходное положение наверх в загрузочную часть корпуса 1. Затем включается вращение диска 7 этого механизма и подпружиненный скребок 23, контактируя с его верхней поверхностью, через отверстие 24 в этом диске сбрасывает остатки разрушенного и разрыхленного сухого продукта в контейнер 4. Нижний шибер 16 закрывается. При этом клиновая поверхность 21 надвигается на упор 22, фланец 18 приподнимается, поджимаясь к нижнему торцу стенки рабочей камеры 6 и за счет сопряжения выступа 19 во фланце 18 и проточки 20 в шибере 16 создается уплотнение между стенкой рабочей камеры 6 и нижним шибером 16. После заполнения контейнер 4 при помощи механизма подъема-опускания 26 отводится от нижней части корпуса 1 и в горизонтальном направлении удаляется для последующей утилизации.
Устройство готово к принятию следующего объема жидкого радиационного раствора солей, содержащего ионообменные смолы. Цикл загрузки, выпаривания, подготовки сухого продукта к выгрузке и выгрузки повторяются. Все операции, осуществляемые заявленным устройством периодического действия для СВЧ-обработки жидких диэлектрических продуктов, повторяются.
Таким образом, заявлено техническое решение задачи, указанной выше, совокупность признаков которого неизвестна из настоящего уровня техники, обладает новизной по сравнению с выбранным прототипом, технически выполнимо, промышленно применимо, особенно для выпаривания солей из радиоактивных растворов, содержащих ионообменные смолы, которые обладают высокой адгезией по отношению к любым материалам деталей и узлом рабочей камеры.
В настоящее время изготовлен опытный образец, который прошел лабораторные испытания и доказал не только промышленную применимость, но и полностью подтвердил новый технический результат - решена проблема выгрузки сухого продукта - ионообменной смолы в виде спекшейся массы из рабочей камеры СВЧ-установки путем механизации операций дробления и рыхления этого остатка перед выгрузкой из рабочей камеры в контейнер для утилизации. Одновременно вновь разработанный механизм позволил совместить с выполнением этих операций операции очистки загрузочной части корпуса рабочей камеры от обрабатываемого материала, а также перемешивание его в процессе выпаривания. Все это позволило полностью автоматизировать процесс выпаривания солей из жидких радиоактивных растворов, содержащих ионообменные смолы, а также других солей, которые обладают высокой адгезией ко всем материалам, повысить производительность этого процесса и увеличить парк СВЧ-установок, используемых для переработки жидких радиоактивных отходов, подлежащих утилизации.