Результат интеллектуальной деятельности: ПУЛЬСАЦИОННЫЙ КЛАПАННЫЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для растворения и размыва струями осадка, скопившегося на дне емкостей-хранилищ жидких радиоактивных отходов любого уровня активности, перевода нерастворимой твердой фазы осадка во взвешенное состояние и выдачи суспензии из емкости-хранилища на переработку. Кроме того, устройство может быть использовано в других отраслях промышленности для перемешивания, усреднения концентрации реагентов в емкостях и их выдачи.

Для освобождения емкостей-хранилищ от радиоактивных отходов высокого уровня активности используется послойный метод их размыва, суспензирования и растворения при подаче окислительных или восстановительных реагентов, обеспечивающий минимальное образование вторичных радиоактивных отходов за счет использования оборотной жидкости в освобождаемой емкости. Суть этого метода заключается в том, что сначала в осадке устройствами для размыва создается впадина, которая заполняется рабочей жидкостью. В качестве рабочей жидкости используются или декантат, под слоем которого хранится осадок, или, при растворении осадка непосредственно в освобождаемой емкости, реагенты, растворяющие осадок. В дальнейшем рабочая жидкость из впадины используется для размыва осадка и его растворения затопленными и незатопленными струями с образованием суспензии, содержащей растворенный осадок и нерастворимую твердую фазу. После достижения суспензией во впадине необходимой концентрации, она выдается откачивающим насосом на переработку, причем во время выдачи суспензии с быстроотстаивающейся твердой фазой необходимо постоянно поддерживать твердую фазу в суспензии во взвешенном состоянии активным перемешиванием. Для эффективного растворения осадка также необходимо интенсивное перемешивание рабочей жидкости в емкости.

Известен пульсационный клапанный погружной насос, содержащий корпус, включающий, по меньшей мере, две пульсокамеры, каждая из которых снабжена впускным шаровым клапаном, пульсопроводом, нагнетательным трубопроводом с выпускным клапаном и собственное воздухораспределительное устройство (см. патент №2 258 159, МПК⁷ F04F 1/02).

В известном насосе корпус разделен перегородкой, по меньшей мере, на две пульсокамеры, которые последовательно включаются в работу и обеспечивают практически непрерывное поступление рабочей жидкости в трубопровод, что позволяет осуществлять передачу быстроотстаивающихся суспензий по трубопроводам.

К недостаткам известного устройства относится то, что при выдаче суспензии из емкости известным насосом необходимо иметь в емкости другое устройство для поддержания нерастворимой твердой фазы во взвешенном состоянии в суспензии.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является пульсационный клапанный погружной насос, включающий корпус, сообщающийся с нижними соплами посредством трубы и камеры нижних сопел, внутри которой размещен вал, снабженный заслонкой и соединенный через подвижный подшипниковый узел, зубчатую шестерню и зубчатую рейку с приводами поворота и изменения глубины погружения сопел, пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном (см. патент РФ №2249269, МПК⁷ G21F 9/28, F04F 1/02).

Известный насос позволяет при различных положениях заслонки весь объем рабочей жидкости, вытесняемой из корпуса, подавать на нижние сопла или в нагнетательный трубопровод и осуществлять растворение и размыв осадка, а также выдачу образовавшейся суспензии из емкости.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства относится то, что растворение и размыв осадка, а также выдача суспензии из емкости может осуществляться только по отдельности. После проведения растворения и размыва осадка приводом изменения глубины погружения сопел меняется положение заслонки и насос переключается на работу в режиме выдачи из емкости. При работе известного насоса в режиме выдачи нерастворимая твердая фаза осадка не поддерживается перемешиванием во взвешенном состоянии в суспензии и, оседая на дно впадины в осадке, остается в емкости, что снижает эффективность его работы.

Эффективность работы насоса зависит от частоты пульсаций, причем определяющей является продолжительность вытеснения. Чем выше продолжительность вытеснения и ниже продолжительность заполнения, тем более эффективно работает насос, так как во время заполнения корпуса рабочей жидкостью не осуществляются ни перемешивание суспензии, ни ее выдача. Заполнение корпуса рабочей жидкостью в известном насосе осуществляется только через впускной клапан, что не способствует сокращению продолжительности заполнения вследствие его гидравлического сопротивления.

Технический результат - расширение технологических возможностей насоса за счет осуществления одновременного перемешивания и выдачи суспензии из емкости, а также повышение эффективности его работы за счет сокращения продолжительности заполнения корпуса рабочей жидкостью и повышения продолжительности вытеснения ее из корпуса при растворении и размыве осадка.

Для достижения указанного технического результата в пульсационном клапанном погружном насосе, включающем корпус, пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, камеру нижних сопел, внутри которой размещен вал, соединяющий нижние сопла с приводом поворота и систему управления, особенностью является то, что камера нижних сопел расположена в корпусе за перегородкой, разделяющей корпус на камеру нижних сопел и камеру выдачи, которые сообщаются между собой через зазор над перегородкой, установленной под входом пульсопровода в корпус, а в перегородке выполнено отверстие, в котором установлен перепускной клапан с плавающим в воде шаром.

Кроме того, отверстие в перегородке выполнено на расстоянии, равном 0,5-0,7 ее высоты, считая от ее верха.

Расположение камеры нижних сопел в корпусе за перегородкой, разделяющей корпус на камеру нижних сопел и камеру выдачи, которые сообщаются между собой через зазор над перегородкой, установленной под входом пульсопровода в корпус, позволяет, при подаче по пульсопроводу разрежения в корпус, осуществлять одновременное заполнение камеры нижних сопел рабочей жидкостью через сопла, и заполнение камеры выдачи через впускной клапан. В случае если гидравлическое сопротивление впускного клапана превышает гидравлическое сопротивление сопел, то, после более быстрого заполнения камеры нижних сопел, жидкость из заполненной камеры нижних сопел будет переливаться в зазор через перегородку в камеру выдачи, ускоряя ее заполнение и, тем самым, сокращая продолжительность заполнения корпуса в целом рабочей жидкостью. Если гидравлическое сопротивление впускного клапана меньше гидравлического сопротивления сопел, то, после более быстрого заполнения камеры выдачи, жидкость из заполненной камеры выдачи будет переливаться в зазор через перегородку в камеру нижних сопел, ускоряя ее заполнение и, тем самым, сокращая продолжительность заполнения корпуса в целом рабочей жидкостью.

При подаче по пульсопроводу давления в корпус рабочая жидкость одновременно вытесняется из камеры нижних сопел, поступая через сопла обратно в емкость, и из камеры выдачи по нагнетательному трубопроводу, выдаваясь из емкости. В результате осуществляется одновременно перемешивание суспензии с поддержанием нерастворимой твердой фазы во взвешенном состоянии и выдача ее из емкости.

Растворение и размыв осадка рабочей жидкостью без ее выдачи из емкости осуществляется при закрытом запорном клапане, установленном на нагнетательном трубопроводе. При растворении и размыве осадка требуется более эффективное воздействие струй рабочей жидкости на осадок, чем на поддержание нерастворимой твердой фазы во взвешенном состоянии.

Выполнение в перегородке отверстия, в котором установлен перепускной клапан с плавающим в воде шаром, позволяет, при проведении растворения и размыва осадка дополнительно использовать часть рабочей жидкости из камеры выдачи. В этом случае, при подаче по пульсопроводу давления в корпус, сначала вытесняется рабочая жидкость только из камеры нижних сопел. При достижении определенного уровня в ней, под действием гидростатического давления более высокого столба рабочей жидкости в камере выдачи, шар, плавающий в жидкости, приоткрывает перепускной клапан, и рабочая жидкость из камеры выдачи начинает поступать в камеру нижних сопел. При достижении уровнем рабочей жидкости положения, когда шар будет располагаться над рабочей жидкостью в камере нижних сопел, перепускной клапан полностью открывается и рабочая жидкость из камеры выдачи под действием гидростатического давления более высокого столба рабочей жидкости в ней поступает в камеру нижних сопел. В результате этого продолжительность вытеснения рабочей жидкости через сопла увеличивается и, тем самым, повышается эффективность растворения и размыва осадка.

При неполном вытеснении рабочей жидкости из камеры выдачи ее последующее заполнение при подаче разрежения может произойти быстрее, чем заполнение камеры нижних сопел. В этом случае рабочая жидкость из камеры выдачи переливается по зазору через перегородку в камеру нижних сопел, сокращая продолжительность заполнения в целом корпуса.

Выполнение отверстия в перегородке на расстоянии, равном 0,5-0,7 ее высоты, считая от ее верха, позволяет передавать от 0,5 до 0,7 объема рабочей жидкости из камеры выдачи в камеру нижних сопел, используя его для повышения эффективности размыва и растворения осадка.

Предлагаемый пульсационный клапанный погружной насос иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 показан пульсационный клапанный погружной насос, установленный в емкости;

на фиг.2 показан корпус насоса в разрезе;

на фиг.3 показан привод поворота.

Предлагаемый насос (см. фиг.1) содержит корпус 1, установленный в емкость 2 через проходку 3, над которой смонтирован защитный бокс 4. Корпус 1 разделен перегородкой 5 на камеру 6 нижних сопел и камеру 7 выдачи. Перегородка 5 размещена в корпусе 1 с зазором 8 под входом пульсопровода 9 в корпус 1. Камера 7 выдачи снабжена впускным клапаном 10 и нагнетательным трубопроводом 11, выходящим через уплотнительный узел 12 на фланце 13 в защитный бокс 4. В защитном боксе 4 на нагнетательном трубопроводе установлен выпускной шаровой клапан 14 с шаром 15, соединенный трубопроводом 16 с запорным клапаном 17 и далее с трубопроводом 18 выдачи суспензии из емкости 2 на переработку.

В камере 6 нижних сопел смонтирован вал 19, соединенный в нижней части с моечной головкой 20, и проходящий через уплотнительный узел 21 на фланце 13 в защитный бокс 4, где соединяется шарнирной муфтой 22 с валом 23 привода поворота 24. Пульсопровод 9 соединяется в защитном боксе с воздухораспределителем 25, состоящим из двух клапанов 26 и 27, присоединенных к источникам сжатого воздуха и разрежения (на чертеже не показаны). В перегородке 5 выполнено отверстие 28, с которым соединен перепускной клапан 29.

Камера 6 нижних сопел (см. фиг.2) содержит верхний 30 и нижний 31 уплотнительные узлы, через которые проходят вал 19 и моечная головка 20 с двумя соплами 32. Вал 19 соединен с моечной головкой 20 ребрами 33 с образованием между ними зазора 34.

Перепускной клапан 29 состоит из входного патрубка 35 с присоединенными к его фланцу седлом 36 с коническим отверстием 37 и ограничителем 38 опускания полого шара 39, плавающего в воде.

Отверстие 28 выполняется на расстоянии 0,5-0,7 высоты перегородки 5, считая от ее верха, и чем больше это расстояние, тем больший объем рабочей жидкости будет направлен на размыв осадка из камеры 7. Скорость вытеснения рабочей жидкости из камеры 6 зависит от проходного сечения сопел 32, а скорость перетекания рабочей жидкости из камеры 7 в камеру 6 - от проходного сечения перепускного клапана 29 по малому диаметру конического отверстия 37 в седле 36. Исходя из этого расстояние отверстия 28 с перепускным клапаном 29 в перегородке 5 от ее верха будет тем больше, чем выше отношение проходного сечения перепускного клапана 29 к проходному сечению сопел 32. Применяемые на практике аналогичные устройства, работающие на сжатом воздухе давлением 0,5 МПа, имеют сопла с внутренним диаметром 25 мм, обеспечивающие при этом давлении максимальную дальность действия затопленных струй при размыве осадка. Проходное сечение перепускного клапана 29 рассчитывается из условия, что поступающий через него объем рабочей жидкости в камеру 6 будет близок или выше объема рабочей жидкости, вытесняемого из камеры 6 через сопла 32. Это условие выполняется при отношении проходного сечения перепускного клапана 29 к проходному сечению сопел 32 в пределах от 3 до 4, причем при отношении равном 4 расстояние отверстия 28 с перепускным клапаном 29 в перегородке 5 от ее верха будет составлять 0,7 ее высоты.

В проходке 40 защитного бокса 4 (см. фиг.3) установлен монтажный фланец 41, на котором смонтированы подшипниковая опора 42 и привод поворота 24. Внутри подшипниковой опоры установлен вал 23, к которому присоединено зубчатое колесо 43, находящееся в зацеплении с шестерней 44 пневматического поворотного привода 45 с углом поворота его выходного вала 180.

Управление клапанами 26 и 27 воздухораспределителя и пневматическим поворотным приводом 45 осуществляется компьютерной системой управления (на чертеже не показана).

Предлагаемый насос работает следующим образом. Глубина погружения насоса в емкость выбирается таким образом, чтобы впускной клапан был погружен в рабочую жидкость, а нижние сопла были расположены вблизи осадка. Для создания впадины в осадке и использования рабочей жидкости из нее в качестве оборотной сначала насос запускается в работу в режиме растворения и размыва осадка. При этом режиме запорный клапан 17 на трубопроводе 18 выдачи закрыт. На компьютерной системе управления задаются продолжительности открытия клапанов 26 и 27, попеременно подающих в корпус давление и разрежение, а также угол поворота пневматического поворотного привода 45.

Продолжительности открытия клапанов 26 и 27 определяются при стендовых испытаниях насоса, при этом продолжительность открытия клапана 26 ограничивается недопущением полного вытеснения рабочей жидкости из корпуса 1 и прорыва сжатого воздуха в емкость 2. При открытии клапана 27 по пульсопроводу 9 в корпус 1 подается разрежение, под действием которого камера 6 заполняется через сопла 32, а камера 7 - через впускной клапан 10. Камера 6 заполняется рабочей жидкостью значительно быстрее вследствие меньшего гидравлического сопротивления сопел 32 по сравнению с впускным клапаном 10. При достижении уровнем рабочей жидкости верха перегородки 5, рабочая жидкость переливается по зазору 8 в камеру 7, сокращая продолжительность заполнения корпуса 1 в целом.

По истечении заданной продолжительности заполнения клапан 27 закрывается, открывается клапан 26 и в корпус 1 подается сжатый воздух, под действием которого рабочая жидкость вытесняется из камеры 6 через зазор 34 в моечную головку 20 и далее через сопла 32 в емкость 2. Из камеры 7 вытеснения рабочей жидкости не происходит вследствие закрытого запорного клапана 17. При снижении уровня рабочей жидкости в камере 6 шар 39, плавающий в жидкости, под действием гидростатического давления более высокого столба рабочей жидкости в камере 7, опускается вниз по ограничителю 38 и приоткрывает перепускной клапан 29. В результате рабочая жидкость из камеры 7 через отверстие 28 начинает поступать в камеру 6. При достижении уровнем рабочей жидкости в камере 6 положения, когда шар 39 будет располагаться над рабочей жидкостью, перепускной клапан 29 полностью открывается и рабочая жидкость из камеры 7 под действием гидростатического давления более высокого столба рабочей жидкости в ней поступает в камеру 6 до достижения уровнем рабочей жидкости в камере 7 верхней кромки отверстия 28 в перегородке 5.

В результате этого продолжительность вытеснения рабочей жидкости через сопла 32 увеличивается и, тем самым, повышается эффективность растворения и размыва осадка.

По истечении заданной продолжительности вытеснения клапан 26 закрывается и открывается клапан 27, через который сначала сбрасывается отработанный сжатый воздух, а затем в корпус 1 вновь подается разрежение. При неполном вытеснении рабочей жидкости из камеры 7 ее последующее заполнение при подаче разрежения может произойти быстрее, чем заполнение камеры 6. В этом случае рабочая жидкость переливается по зазору 8 в камеру 6, сокращая продолжительность заполнения в целом корпуса 1.

Процесс заполнения корпуса 1 рабочей жидкостью и ее вытеснения многократно повторяется. При этом приводом поворота 24 через заданное количество циклов осуществляется поворот сопел 32 на заданный угол. Крутящий момент от выходного вала пневматического поворотного привода 45 через зубчатое зацепление шестерни 44 с колесом 43 передается валу 23 и последовательно с ним соединенным через шарнирную муфту 22 валу 19 и моечной головке 20 с соплами 32. Струи, вытекающие из сопел 32, размывают и растворяют осадок, создавая впадину под насосом.

После того, как плотность раствора (суспензии) во впадине достигает предельных значений, допускающих их транспортировку по трубопроводу к месту переработки, насос переключается на режим работы с одновременной выдачей и перемешиванием суспензии во впадине в осадке, для чего открывается запорный клапан 17.

Заполнение корпуса 1 при подаче в него разрежения происходит точно так же, как и при работе в режиме растворения и размыва осадка при тех же параметрах работы клапанов 26 и 27.

При подаче по пульсопроводу давления в корпус 1 рабочая жидкость вытесняется из камеры 6, поступая через сопла 32 обратно в емкость 2, и одновременно выдается из камеры 7 по нагнетательному трубопроводу 11 через выпускной шаровой клапан 14, трубопровод 16, открытый запорный клапан 17 и трубопровод 18 на переработку. При различной скорости вытеснения рабочей жидкости из камер 6 и 7 разность уровней в них не создает высоты столба жидкости, достаточного для открытия перепускного клапана 29. В случае если скорость вытеснения из камеры 7 будет превышать скорость вытеснения в камере 6 перепускной клапан 29 останется закрытым. В случае если скорость вытеснения из камеры 6 будет превышать скорость вытеснения из камеры 7, высоты образующегося гидростатического столба в камере 7 будет недостаточно для открытия клапана 29. В этом случае возможно кратковременное перетекание рабочей жидкости из камеры 7 в камеру 6 при положении полого шара 39 выше уровня жидкости, которое прекращается при достижении уровнем жидкости верхней кромки отверстия 28 в камере 7.

По истечении заданной продолжительности вытеснения клапан 26 закрывается и открывается клапан 27, через который сначала сбрасывается отработанный сжатый воздух, а затем в корпус 1 вновь подается разрежение и далее процесс повторяется.

В результате предлагаемым насосом осуществляется одновременно перемешивание суспензии и выдача ее из емкости.

При эксплуатации аналогичных устройств на практике установлено, что при применении сжатого воздуха давлением 0,5-0,6 МПа оптимальный внутренний диаметр каждого из двух сопел 32 составляет 25-30 мм, обеспечивающий скорость истечения рабочей жидкости из них около 20 м/с.

Выполнение отверстия 28 в перегородке 5 на расстоянии, равном 0,5-0,7 ее высоты, считая от ее верха, позволяет передавать от 0,5 до 0,7 объема рабочей жидкости из камеры 7 в камеру 6, используя его для размыва и растворения осадка.