УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА ОТ РАСТВОРЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ

Полезная модель относится к химическому машиностроению и может быть использована в атомной энергетике для очистки жидкометаллического теплоносителя от растворенных примесей, например, окислов.
Известно устройство для очистки жидкого металла от растворенных примесей, включающее бак, подводящий и отводящий трубопроводы, систему охлаждения и фильтры, размещенные внутри бака /Жидкометаллические теплоносители ЯЭУ, Очистка от примесей и их контроль, М. Энергоатомиздат, 1983, с.111/.
Недостатком известного устройства является постепенное сужение проходного сечения и, соответственно, уменьшение ресурса из-за высаживания примесей на фильтре.
Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сути является холодная ловушка установки БОР-60 с охлаждаемым баком и с вынесенным фильтром /Жидкометаллические теплоносители ЯЭУ, Очистка от примесей и их контроль, М. Энергоатомиздат, 1983, с.106/. Устройство содержит вертикальный бак, внутренняя полость которого имеет вертикальный размер, превышающий величину гидравлического диаметра горизонтального сечения бака, подводящий и отводящий трубопроводы, введенные в полость так, что открытый конец отводящего трубопровода размещен выше, чем открытый конец подводящего трубопровода, и холодильник, размещенный на стенке бака.
Недостатком известного устройства является неравномерность отложения примеси на стенках бака, с максимумом на уровне подводящего трубопровода, что приводит к снижению ресурса (емкости по накапливаемым примесям) и попадание холодного, насыщенного примесью, жидкого металла в отводящий трубопровод, что требует применения фильтра.
Задачей полезной модели является создание устройства для очистки жидкого металла от растворенных примесей, лишенной указанных недостатков.
Техническим результатом является увеличение ресурса и упрощение конструкции устройства.
Для решения поставленной задачи в устройстве для очистки жидкого металла от растворенных примесей, включающем вертикальный бак, внутренняя полость которого имеет вертикальный размер, превышающий величину гидравлического диаметра горизонтального сечения бака, подводящий и отводящий трубопроводы, введенные в полость так, что открытый конец отводящего трубопровода размещен выше, чем открытый конец подводящего трубопровода, и холодильник, размещенный на стенке бака предлагается:
- холодильник размесить относительно нижней границы полости бака на расстоянии большем, чем величина гидравлического диаметра горизонтального сечения бака;
- открытый конец отводящего трубопровода ориентировать вниз и снабдить кольцевым выступом, диаметр которого превышает внутренний диаметр трубопровода более, чем в четыре раза и разместить так, что кольцевой выступ расположен ниже холодильника на расстоянии большем, чем половина величины гидравлического диаметра горизонтального сечения бака;
- открытый конец подводящего трубопровода ориентировать вверх.
Сущность полезной модели поясняется на фиг., на которой представлен вариант выполнения заявляемого устройства, где 1 - бак, 2 - подводящий трубопровод, 3 - отводящий трубопровод, 4 - холодильник, 5 - кольцевой выступ.
Устройство для очистки жидкого металла от растворенных примесей включает следующие конструктивные элементы: бак 1, подводящий трубопровод 2, отводящий трубопровод 3, холодильник 4 и кольцевой выступ 5.
Внутренняя полость вертикального бака 1 имеет вертикальный размер, превышающий величину гидравлического диаметра его горизонтального сечения.
Подводящий 2 и отводящий 3 трубопроводы введены в полость бака 1 так, что открытый конец отводящего трубопровода 3 размещен выше, чем открытый конец подводящего трубопровода 2.
Холодильник 4 размещен на стенке бака 1. Холодильник 4 размещен относительно нижней границы полости бака 1 на расстоянии большем, чем величина гидравлического диаметра горизонтального сечения бака 1.
Открытый конец отводящего трубопровода 3 ориентирован вниз, снабжен кольцевым выступом 5. Диаметр кольцевого выступа 5 превышает внутренний диаметр отводящего трубопровода 3 более, чем в четыре раза и размещен так, что кольцевой выступ 5 расположен ниже холодильника на расстоянии большем, чем половина величины гидравлического диаметра горизонтального сечения бака 1.
Открытый конец подводящего трубопровода 2 ориентирован вверх.
Во время функционирования устройства при пропускании жидкого металла между открытыми концами подводящего 2 и отводящего 3 трубопроводов, в полости бака 1 возникает специфическая структура течения, состоящая из последовательности циркуляционных областей. Причем температура и концентрация растворенной примеси в указанных областях уменьшаются в этой последовательности. Происходит каскадная передача примеси из области в область и полное отложение примеси на стенках бака 1, равномерно в каждой области. При этом в отводящий трубопровод 3 попадает очищенный от примеси жидкий металл с высокой температурой, что позволяет отказаться от применения дополнительного фильтра.
Устройство работает следующим образом.
Жидкий металл с растворенной примесью поступает в бак 1 через открытый конец подводящего трубопровода 2 и отводится через открытый конец отводящего трубопровода 3. Струя жидкого металла, протекающая в баке 1 снизу вверх, формирует первую циркуляционную область, течение в которой направленно у стенки бака 1 вниз.
Ориентирование открытого конца отводящего трубопровода 3 вниз, снабжение его кольцевым выступом 5, диаметр которого превышает внутренний диаметр отводящего трубопровода более, чем в четыре раза и размещение его так, что кольцевой выступ расположен ниже холодильника 4 на расстоянии большем, чем половина величины гидравлического диаметра горизонтального сечения бака 1, и ориентирование открытого конца подводящего трубопровода 2 вверх, определяют положение первой циркуляционной области в нижней части бака 1 и ограничивает ее по вертикальному размеру.
Холодильник 4, размещенный на стенке бака 1, охлаждает жидкий металл и здесь возникает вторая циркуляционная область с течением той же направленности, что и в первой циркуляционной области. Размещение холодильника 4 относительно нижней границы полости бака 1 на расстоянии большем, чем величина гидравлического диаметра горизонтального сечения бака 1 ограничивает вторую циркуляционную область по высоте и определяет его размещение в баке 1.
В промежутке по высоте бака 1, между кольцевым выступом 5 на открытом конце отводящего трубопровода 3 и холодильником 4, течения в первой и второй циркуляционной областях возбуждают третью циркуляционную область, с течением противоположной направленности.
В баке возникает структура течения, состоящая из струи жидкого металла и последовательности трех циркуляционных областей, движущихся согласовано. Тепло и растворенная примесь последовательно передаются от струи жидкого металла в первую циркуляционную область, от первой в третью, от третьей во вторую циркуляционную область. Температура и концентрация растворенной примеси в каждой области уменьшаются в этой последовательности. Концентрация растворенной примеси в каждой области устанавливается равной концентрации насыщения в зависимости от температуры.
Из-за разности концентраций происходит каскадная диффузионно-конвективная передача растворенной примеси из области в область, кристаллизация ее и отложение на стенках бака 1. Температура и, соответственно, концентрация растворенной примеси, во второй циркуляционной области могут быть установлены предельно низкими, что и определяет эффективность очистки. Кристаллизация примеси происходит вблизи границ областей, в нескольких местах по высоте бака 1, разносится циркуляционными течениями, что обеспечивает равномерное отложение примеси на стенках бака 1. При этом в отводящий трубопровод 3 попадает очищенный от примеси жидкий металл с высокой температурой, что позволяет отказаться от применения дополнительного фильтра.
Пример конкретного выполнения устройства.
Устройство имеет следующие размеры: вертикальный бак 1 имеет вертикальный размер 6 м и гидравлический диаметр горизонтального сечения 0,6 м, подводящий 2 и отводящий 3 трубопроводы имеют внутренние диаметры по 0,03 м и имеют вылеты в полость корпуса соответственно 0,1 м снизу и 5,6 м сверху; расстояние между открытыми концами составляет 0,3 м.
Кольцевой выступ 5 имеет диаметр 0,15 м и расстояние от кольцевого выступа 5 до холодильника составляет 0,35 м.
На стенке бака 1 на высоте 0,75 м от нижней границы полости бака 1 размещен газовый холодильник 4, в котором в качестве теплоносителя использован аргон.
В качестве жидкого металла использован натрий.
В результате проведенных расчетных исследований показано, что использование предложенной конструкции устройства позволят увеличить ресурс за счет обеспечения равномерного отложения примеси на стенках бака 1 и упрощение конструкции устройства за счет неиспользования фильтра, но сохранении, по меньшей мере, степени очистки жидкого металла.