ГАЗОВАЯ ЦЕНТРИФУГА С ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ ТРАСС ПИТАНИЯ И ЛЕГКОЙ ФРАКЦИИ

Полезная модель относится к оборудованию для разделения смесей газов в поле центробежных сил и касается конструкции газовой центрифуги, у которой для отбора разделенных газовых фракций внутри ротора размещены неподвижные трубки с входными отверстиями на концевых участках, расположенных в сверхзвуковом потоке газа.
Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе полый ротор, внутри которого размещена неподвижная отборная трубка с входным отверстием на конце, расположенным на некотором расстоянии от оси вращения ротора и ориентированным против направления вращения ротора (Патент DE №1132500, Кл. В04В 5/08, 1963).
Известна газовая центрифуга, содержащая установленный в корпусе вертикальный ротор и размещенную в нем неподвижную трубку с входным отверстием на конце ее горизонтального участка, ориентированным против направления вращения ротора, причем трубка имеет различную изгибную жесткость по двум взаимно перпендикулярным направлениям (патент JP №54-4786, Кл. B01D 59/20, 1979).
Наиболее близкой к полезной модели является газовая центрифуга, содержащая герметичный неподвижный корпус, установленный внутри него вертикальный цилиндрический ротор с верхней и нижней торцевыми крышками, снабженный средствами отбора легкой и тяжелой фракций, размещенными у противоположных крышек ротора, через верхнюю из которых внутрь ротора введена неподвижная трубка для подвода исходной смеси газов, выходное отверстие которой ориентировано в сторону средства отбора легкой фракции, осевое положение которого определяется по формуле, выражающей зависимость этого расстояния от конструктивных и рабочих параметров центрифуги при ее работе в составе каскадной установки (RU 2032477 С1, Кл. 6 В04В 5/08, 1993).
В данных центрифугах происходит непрерывный процесс разделения газовой смеси веществ, подаваемой в ротор, на легкую и тяжелую фракции. Исходная газовая смесь подается в полость ротора по трубке, имеющей индивидуальное сопло питания с некоторым диаметром проходного сечения. В полости ротора газовая смесь вовлекается во вращательное движение, при котором происходит ее разделение под действием центробежной силы. Отборные трубки разных фракций расположены в разных концах ротора. На входных отверстиях отборных трубок происходит преобразование скоростного напора вращающегося газа в статическое давление, под действием которого осуществляется отбор фракций из ротора. Из уровня техники известно, что отборные трубки отделены от остальной полости ротора перегородками-диафрагмами с образованием камер отбора разных фракций (RU 2032477 С1, Кл. 6 В04В 5/08, 1993). Как правило, давления сверхзвуковых потоков газа в местах расположения входных отверстий отборных трубок тяжелой и легкой фракций различаются, соответственно различаются давления фракций на выходе из газовой центрифуги.
При промышленном разделении газовых смесей центрифуги работают в каскадах, представляющих собой большую группу газовых центрифуг, соединенных межступенными потоками циркуляции как последовательно, так и параллельно. Поскольку выходящие из параллельно сблокированных газовых центрифуг потоки тяжелой и легкой фракций используются для питания блоков центрифуг соседних ступеней, то центрифужные каскады должны характеризоваться существенным превышением давления в отборных коллекторах над давлением в коллекторе питания. В этом случае при построении устойчиво работающего каскада имеется возможность постановки на выходе центрифуг газодинамических элементов - высокочувствительных и достаточно точных автоматических клапанов, стабилизирующих газодинамический режим каскада в целом. Такие регуляторы расхода газа устанавливаются в каждой разделительной ступени на коллекторах тяжелой фракции (RU 2277963 С2, Кл. 6 B01D 59/20, 2003).
Однако в ряде случаев давление легкой фракции на выходе из газовых центрифуг не превышает давления в коллекторе питания соседних ступеней, и для его увеличения приходится использовать компрессионные установки. При этом увеличиваются энергопотребление каскада, капитальные затраты и издержки на обслуживание компрессионных установок при эксплуатации.
Задача полезной модели состоит в увеличении экономичности промышленного процесса разделения смеси веществ в газовых центрифугах. Технический результат, обеспечиваемый использованием полезной модели, заключается в увеличении давления легкой фракции на выходе из центрифуги, чтобы оно постоянно превышало давление газовой смеси на входе в такую же центрифугу. Технический результат достигается конструкцией газовой центрифуги, имеющей оптимальное соотношение параметров отборной трубки легкой фракции и индивидуального сопла питания.
Для увеличения давления легкой фракции отборная трубка легкой фракции должна располагаться в камере отбора легкой фракции таким образом, чтобы входное отверстие, ориентированное против направления вращения ротора, находилось в непосредственной близости к стенке ротора с минимальным зазором, обеспечивающим не задевание вращающихся деталей ротора о неподвижные.
Характерными параметрами новой полезной модели являются:
- диаметр проходного сечения индивидуального сопла питания от 2 до 4 мм;
- диаметр входного отверстия отборной трубки легкой фракции от 1 до 3 мм.
Предлагаемая полезная модель конструкции газовой центрифуги обладает существенными признаками:
- предназначена для эксплуатации без компрессионных установок в трассах легкой фракции каскада газовых центрифуг;
- имеется оптимальное соотношение между параметрами отборной трубки легкой фракции и диаметром проходного сечения индивидуального сопла питания:
0,50≤dл.ф./dп.≤0,65
где: dл.ф. - диаметр входного отверстия отборной трубки легкой фракции;
dп. - диаметр проходного сечения индивидуального сопла питания.
Ниже в таблицах приведены экспериментальные данные по давлениям газовой смеси в коллекторе питания на входе в газовую центрифугу (Рп), давлениям легкой фракции (Рл) для газовых центрифуг (ГЦ) с различными параметрами отборной трубки легкой фракции и индивидуального сопла питания, различным соотношением расхода легкой фракции к расходу питания исходной газовой смеси (θ).
Таблица №1Параметры газовых центрифуг
Газовая центрифуга
dп., мм
dл.ф., мм,
dл.ф./dп.
θ
Рп, мм рт.ст.
Рл, мм рт.ст.
ГЦ №1
2,2
2,00
0,91
0,35
5,00
3,35
0,45
5,01
4,32
0,55
5,00
5,27
ГЦ №2
2,2
1,75
0,80
0,35
5,02
4,20
0,45
5,00
5,41
0,55
5,01
6,60
ГЦ №3
2,2
1,45
0,66
0,35
5,00
5,05
0,45
5,01
6,48
0,55
5,01
7,92
Из таблицы №1 видно, что при одинаковых значениях θ уменьшение диаметра входного отверстия отборной трубки легкой фракции приводит к увеличению давления легкой фракции. Для ГЦ №3 давление легкой фракции больше давления в коллекторе питания, кроме режима работы с θ=0,35, на котором давления практически одинаковы. Необходимо учитывать, что чем меньше диаметр входного отверстия отборной трубки легкой фракции, тем быстрее происходит засорение этой трубки коррозионными отложениями, накапливающимися на внутренней поверхности трубки при эксплуатации. С учетом этого, отборная трубка с диаметром входного отверстия 1,45 мм уступает трубкам с большим диаметром. Для обеспечения длительного срока эксплуатации газовой центрифуги желательно увеличить не только диаметр входного отверстия отборной трубки легкой фракции, но и диаметр проходного сечения индивидуального сопла питания, в котором при эксплуатации также накапливаются коррозионные отложения.
Таблица №2Параметры газовых центрифуг
Газовая центрифуга
dп., мм
dл.ф., мм,
dл.ф./dп.
θ
Рп, мм рт.ст.
Рл, мм рт.ст.
ГЦ №4
2,7
2,00
0,74
0,35
3,99
3,36
0,45
3,98
4,33
0,55
3,98
5,28
ГЦ №5
2,7
1,75
0,65
0,35
4,00
4,21
0,45
3,98
5,40
0,55
3,99
6,60
ГЦ №6
2,7
1,45
0,54
0,35
3,98
5,05
0,45
3,99
6,48
0,55
3,98
7,92
Из сравнения таблиц №1 и №2 видно, что увеличение диаметра проходного сечения индивидуального сопла питания приводит к уменьшению давления в коллекторе питания, но не приводит к изменению давления легкой фракции. Для ГЦ №5 и ГЦ №6 на всех режимах работы давление легкой фракции больше давления в коллекторе питания газовой смеси на входе в газовую центрифугу, то есть достигается заявленный технический результат. Необходимо учитывать, что ступени каскадов газовых центрифуг соединены протяженными газовыми коммуникациями, поэтому конструкция центрифуги должна обеспечивать превышение давления легкой фракции газовых центрифуг предыдущей ступени над давлением в коллекторе питания следующей ступени с некоторым запасом, учитывающим падение давления в коммуникациях.
Таблица №3Параметры газовых центрифуг
Газовая центрифуга
dп., мм
dл.ф., мм,
dл.ф./dп.
θ
Рп, мм рт.ст.
Рл, мм рт.ст.
ГЦ №7
3,5
2,00
0,57
0,35
2,69
3,36
0,45
2,69
4,32
0,55
2,70
5,27
ГЦ №8
3,5
1,75
0,50
0,35
2,69
4,20
0,45
2,68
5,40
0,55
2,69
6,61
ГЦ №9
3,5
1,45
0,41
0,35
2,68
5,03
0,45
2,69
6,48
0,55
2,69
7,92
Из таблицы №3 видно, что из первых двух газовых центрифуг, имеющих приемлемый диаметр входного отверстия отборной трубки легкой фракции, ГЦ №8 имеет большую разность давления легкой фракции и давления в коллекторе питания газовой смеси на входе в центрифугу, чем ГЦ №7. Тем не менее, конструкция ГЦ №7 также пригодна для эксплуатации.
Экспериментально установлено, что не только приведенные в таблицах примеры конструкций газовых центрифуг (ГЦ №5, ГЦ №7, ГЦ №8), но и другие варианты с заявленным сочетанием существенных признаков (0,50≤dл.ф./dп.≤0,65) позволяют обеспечить приемлемое для эксплуатации превышение давления легкой фракции над давлением в коллекторе питания газовой смеси на входе в соседние ступени газовых центрифуг такой же конструкции. При этом обеспечена возможность эксплуатации каскада газовых центрифуг с коэффициентом деления потока питания, то есть соотношением расхода легкой фракции к расходу питания исходной газовой смеси, не менее 0,35. Использования компрессорных установок для повышения давления легкой фракции не требуется.
На фиг.1 изображена схема газовой центрифуги (продольный разрез).
Противоточная газовая центрифуга содержит герметичный корпус (1), внутри которого установлен вертикальный полый цилиндрический ротор (2) с верхней и нижней торцевыми крышками (3, 4). Через отверстие в центральной части верхней крышки (3) в полость ротора введен неподвижный коллектор, содержащий каналы (6, 7) для вывода из ротора разделенных фракций и канал (5) для подачи в ротор исходной газовой смеси. Каналы (5, 6, 7) представляют собой неподвижные вертикально расположенные коаксиальные трубки, как показано на фиг.1. Канал (5) имеет на конце узел ввода питания (8). Концы трубок (6, 7) снабжены средствами отбора легкой и тяжелой фракций, расположенными у противоположных торцов ротора и выполненными в виде горизонтальных участков трубок (9, 10) с входными отверстиями, ориентированными против направления вращения ротора. Отборная трубка легкой фракции (9) размещена в камере легкой фракции, образованной крышкой (4) ротора, его боковой стенкой и диафрагмой (11) с отверстиями для сообщения с разделительной камерой (12). Свободный конец трубки (9) расположен вблизи стенки ротора с зазором, исключающим задевание вращающегося ротора о неподвижную трубку. Отборная трубка (10) размещена в камере тяжелой фракции, образованной крышкой (3), боковой стенкой ротора и диафрагмой (13) с отверстиями на периферии и в центральной зоне для сообщения с разделительной камерой (12). Канал подачи в полость ротора исходной смеси газов (5) снабжен индивидуальным соплом питания (14) или местным сужением, имеющим диаметр проходного сечения, выбранный по приведенному выше соотношению, в зависимости от диаметра входного отверстия отборной трубки легкой фракции. Сопло питания предназначено для обеспечения подачи газовой смеси в полость ротора газовой центрифуги со скоростью звука.
Газовая центрифуга работает следующим образом.
Исходная газовая смесь подается в полость вращающегося ротора (2) через канал (5) с индивидуальным соплом (14). Попадая в полость ротора газовая смесь вовлекается во вращательное движение. Под действием центробежных сил газовая смесь разделяется на легкую и тяжелую фракции. Тяжелая фракция концентрируется вблизи боковой стенки на верхнем конце ротора, отбирается трубкой тяжелой фракции (10) и выводится из ротора. Легкая фракция газовой смеси концентрируется на нижнем конце разделительной камеры ближе к оси ротора, попадает через отверстия в диафрагме (11) в камеру легкой фракции, и там под действием центробежной силы перемещается к стенке ротора, а затем отбирается трубкой легкой фракции (9) и выводится из газовой центрифуги. Независимо от величины расхода подаваемой в газовую центрифугу газовой смеси, только определенное сочетание диаметра проходного сечения сопла питания (14) и диаметра входного отверстия отборной трубки легкой фракции (10) обеспечивает давление легкой фракции на выходе из газовой центрифуги, превышающее давление газовой смеси на входе в такую же газовую центрифугу. Тем самым обеспечивается передача легкой фракции от одной центрифуги на питание следующей центрифуги и т.д. без использования компрессионных установок.
Экспериментально подтверждено, что в газовых центрифугах для разделения газовых смесей тяжелых изотопов, изготовленных в соответствии с формулой данной полезной модели, достигается заявленный технический результат. Давление легкой фракции на 5-15% превышает давление в коллекторе питания, энергопотребление параллельной группы центрифуг меньше на 2-4%. Авторы утверждают, что полезная модель с указанной совокупностью существенных признаков является промышленно применимой.