Результат интеллектуальной деятельности: КАМЕРА ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ТЕКУЧИХ СРЕД

Изобретение относится к конструкциям установок для облучения текучих сред и может быть применено в установках, предназначенных для стерилизации текучих жидкостей, активации химических реакций в текучих растворах, ядерного превращения текучих радиоактивных отходов, используемых, в частности, в медицине, пищевой, химической и атомной промышленностях.

Для облучения текучую среду пропускают через камеру, в которой потоку придают цилиндрическую форму. Обычно среда протекает по кольцевому зазору, образованному корпусом камеры и излучателем. Скорость потока определяет время нахождения текучей среды в зоне облучения. Количество излучения, поглощенное текучей средой в процессе облучения при заданной плотности потока излучения на ее поверхности, прямо пропорционально времени облучения и, следовательно, обратно пропорционально скорости потока текучей среды.

Для облучения текучей среды применяют различные виды излучений: электромагнитное, например, ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-излучение, а также нейтронное.

Источники излучения обеспечивают требуемую плотность потока на поверхности текучей среды. Для равномерного облучения потока текучей среды цилиндрической формы диаграмма направленности излучения источника имеет ось симметрии, а источник устанавливают внутрь потока текучей среды таким образом, чтобы ось симметрии диаграммы направленности излучения совпадала с осью потока. В качестве излучателя применяют кварцевые лампы, ампульные гамма-источники, рентгеновские и нейтронные портативные генераторы и др.

Поток текучей среды в камере должен быть однородным в пространстве и постоянным во времени. В противном случае, несмотря на обеспечение симметрии потока излучения, облучение среды становится неконтролируемым. Неоднородность и непостоянство потока возникает в случае, когда текучая среда состоит из нескольких фракций, отличающихся своими свойствами, или/и при наличии газовой фракции. Нарушение однородности проявляется в виде распределения плотности среды в облучаемом сечении и вызывается, в основном, действием силы гравитации особенно в случае горизонтального расположения камеры или центробежной силы в случае кругового потока.

Известно «Устройство для переработки редкометалльных концентратов» [Заявка на изобретение RU 95111909, МПК: C22B 3/02, 27.06.1997. Аналог], содержащее импульсный источник оптического излучения, состоящий из излучателя, конденсаторного накопителя энергии, пульта управления, объединяющего системы источника управляющей связью, насос с приводом, аппарат для автоклавного выщелачивания, цилиндрическую камеру с патрубками для подвода и отвода пульпы с размещенным в ней каоксиально излучателем, датчик уровня, размещенный на входе выходного патрубка, причем площади сечений подводящих труб и патрубков выполнены одинаковыми и более площади сечения диаметрального коаксиального зазора между камерой и излучателем, при этом конденсаторный накопитель энергии выполнен многосекционным с числом секций, определяемым соотношением h=N₀/N₁, где N₀ - число импульсов в минуту, обеспечивающее необходимую производительность и достаточное качество активации, N₁ - максимально допустимое число импульсов в минуту для выборного типа конденсаторов, входящих в конденсаторный накопитель, причем устройство снабжено переключателем секций накопителя на излучатель, отличающееся тем, что устройство содержит циркуляционный контур, состоящий из насоса с приводом, системы управления потоком пульпы, трубопроводов объемом, определяемым из соотношения V=V_nn/h, где V_n - объем коаксиальной полости между излучателем и камерой, n - экспериментально или расчетно определенное число импульсов облучения, при котором достигается максимальная степень выщелачивания сырья.

Недостатками аналога являются: отсутствие контроля дозы излучения, поглощенного пульпой, из-за отсутствия контроля распределения ее плотности по сечению трубопровода и отсутствия измерений скорости потока; ограниченная область применения, определяемая средами, в которых длина пробега излучения равна или больше расстояния между стенкой излучателя и стенкой цилиндрической камеры; невозможность обслуживания и замены излучателя без прекращения потока пульпы, вследствие того, что пульпа протекает между стенкой излучателя и стенкой цилиндрической камеры.

Известно «Устройство для стерилизации жидкости» [Заявка на изобретение RU 94009348, МПК: C02F 1/32, 10.05.1997. Прототип], содержащее цилиндрическую камеру с патрубками для подвода и отвода текучей среды, источник оптического излучения, содержащий излучатель, коаксиально расположенный в камере, датчик, пульт управления, функционально связанный с датчиком, и насос с приводом, при этом патрубки разнесены по высоте один относительно другого, отличающееся тем, что диаметр камеры Д_к выбран из соотношения Д_к=Д_и+2l, где Д_и - диаметр излучателя, l - расчетное или экспериментально подобранное значение пробега излучения в обрабатываемой жидкости, при котором достигается эффект обеззараживания этой жидкости, источник излучения содержит импульсный газоразрядный излучатель и импульсный конденсаторный источник питания, цилиндрическая камера расположена горизонтально, входной и выходной патрубки расположены под прямым углом к оси камеры по одной вертикали, при этом входной и выходной патрубки выполнены с сечениями, удлиняющимися от подводящей и отводящей жидкость труб до размера, совпадающего с длиной облучаемой части камеры, а ширина сечения патрубков на выходе входного патрубка и на входе выходного патрубка выполнена не более (Д_к-Д_и), причем площади нормальных к оси сечений входного и выходного патрубков по всей их длине выполнены одинаковыми и равными площади нормального сечения подводящей и отводящей труб, датчик уровня размещен во входном сечении выходного патрубка, при этом источник питания выполнен многосекционным с числом секций, определяемым из соотношения n=N/N₁ где N - число импульсов в минуту, обеспечивающее необходимую производительность и нужное качество очистки, N₁ - максимально допустимое число импульсов в минуту для выбранного типа конденсаторов, причем устройство снабжено переключателем секций накопителя на импульсный излучатель.

Недостатком прототипа является отсутствие контроля дозы излучения, поглощенного жидкостью, из-за отсутствия контроля пространственного распределения плотности жидкости по сечению трубопровода и времени ее облучения.

Техническим результатом изобретения является обеспечение контроля дозы излучения, поглощенного текучей средой, за счет повышения пространственной однородности потока текучей среды на входе устройства, разделения трубопровода на секции, измерения излучения, поглощенного текучей средой, в различных частях поперечного сечения ее потока, контроля времени облучения текучей среды путем определения скорости ее потока через устройство.

Технический результат достигается тем, что камера для облучения текучих сред, содержащая цилиндрическую камеру с патрубками для подвода и отвода текучей среды, при этом патрубки разнесены по высоте один относительно другого, камера выполнена в виде двух цилиндрических коаксиальных труб, объем между которыми разделен на одинаковые секции радиальными перегородками и соединен с дифференциальным датчиком давления, внутренняя труба связана с пространством вне камеры, диаметр внешней трубы камеры D_к удовлетворяет соотношению D_к<D_вт+2d, где D_вт - диаметр внутренней трубы, d - пробег излучения в облучаемой жидкой среде, входной патрубок камеры расположен на оси камеры и содержит смеситель текучей среды.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где 1 - внешняя коаксиальная труба камеры; 2 - внутренняя коаксиальная труба камеры; 3 - текучая среда, протекающая между внутренней 2 и внешней 1 коаксиальными трубами; 4 - полость внутри камеры, связанная с пространством вне камеры; 5 - смеситель текучей среды, расположенный во входном патрубке 6 камеры; 6, 7 - входной и выходной патрубки камеры; 8 - направление потока текучей среды через камеру; 9 - дифференциальный датчик давления; 10 - радиальные перегородки, разделяющие межтрубное пространство камеры на одинаковые секции.

Пример реализации устройства на основе заявляемой камеры поясняется на фиг.2, где 11 - излучатель; 12 - кольцевой секционированный датчик излучения; 13 - регистратор для регистрации показаний дифференциального датчика давления 9 и показаний кольцевого секционированного датчика излучения 12; 14 - пульт управления излучателем 11 и блоком питания 15; 15 - блок питания излучателя 11, дифференциального датчика давления 9, кольцевого секционированного датчика излучения 12, регистратора 13 и пульта управления излучателем 14; 16 - электрические кабели.

Камера включает в себя две цилиндрические коаксиальные трубы 1 и 2, входной 6 и выходной 7 патрубки, смеситель 5, установленный внутри входного патрубка 6, радиальные перегородки 10, установленные внутри объема камеры между трубами 1 и 2, и дифференциальный датчик давления 9, который герметично соединен с объемом, занимаемым текучей средой, с помощью проходных отверстий в трубе 2 и трубопроводов.

Для изготовления цилиндрических коаксиальных труб 1 и 2 применяют материал, достаточно прозрачный для излучения, излучаемого излучателем 6. В случае ультрафиолетового излучения это может быть, например, кварц.

Дифференциальный датчик давления 9 обеспечивает контроль скорости потока текучей среды 3 и тем самым степень облучения среды. Принцип работы дифференциального датчика давления 9 основан на том, что падение давления в потоке жидкости на измеряемом участке пропорционально квадрату скорости потока жидкости. Значение скорости получают, измеряя дифференциальное давление в потоке жидкости и вычисляя из него квадратный корень. Дифференциальный датчик давления 9 электрически соединен с регистратором 13 с помощью электрических кабелей 16.

Пространственную однородность потока текучей среды на входе в камеру обеспечивают смеситель текучей среды 5, установленный внутри входного патрубка 6, и расположение входного патрубка 6 на оси камеры. Радиальные перегородки 10, установленные внутри объема между трубами 1 и 2, предотвращают возникновение вихревого потока текучей среды 3 вокруг оси камеры, приводящего к радиальному расслоению потока многофазной текучей среды 3 из-за действия центробежной силы. Вертикальное расположение камеры предотвращает расслоение потока многофазной текучей среды 3 во внутритрубном пространстве камеры из-за действия силы тяжести, проявляющейся при горизонтальном расположении камеры.

Смеситель 5 может быть как активным, так и пассивным. Активный смеситель - это перемешивающее устройство, например, роторного типа (Патент RU 2186615, МПК: B01F 7/00, 10.08.2002), использующее внешний энергоноситель. Пассивный смеситель выполняют из пространственно распределенных преград на пути потока, например, в виде сферических или эллиптических шариков (Патент США №6272934 B1; МПК: G01F 1/74; 14.08.2001) и/или перфорированных пластин.

Кольцевой секционированный датчик излучения 12 установлен на направляющих (на Фигуре 2 не показаны) и может перемещаться вдоль оси камеры. Тип датчика определяется видом излучения и может быть выполнен в виде набора одинаковых датчиков, устанавливаемых по окружности вокруг камеры, или в виде одного позиционно-чувствительного датчика. Выход кольцевого секционированного датчика излучения 12 электрически соединен с входом регистратора 13 с помощью электрических кабелей 16. Регистратор 13 выводит на дисплей показания интенсивности излучения, прошедшего через текучую среду 3, получаемые с секций кольцевого секционированного датчика излучения 12 в различных частях поперечного сечения внутритрубного пространства камеры, обеспечивая контроль однородности потока (плотности текучей среды) и поглощенной энергии в этих частях.

Регистратор 13 соединен с помощью электрических кабелей 16 с датчиком дифференциального давления 9, с секциями кольцевого секционированного датчика излучения 12 и с пультом управления излучателем 14, обрабатывает данные, поступающие с датчиков 9 и 12, выводит их на дисплей и управляет работой излучателя 11 посредством электрической связи с пультом управления 14.

Излучатель 11 устанавливается в полости 4 на оси камеры на конце штанги (на чертеже не показана), которая может перемещаться внутри втулок (на чертеже не показаны), закрепленных на корпусе камеры, вдоль ее оси и соединен с помощью электрических кабелей 16 с блоком питания 15 и через него с пультом управления 14. Расположение излучателя 11 в полости 4 на оси камеры обеспечивает осевую симметрию пространственного распределения интенсивности излучения. Излучателем 11 могут быть, например, кварцевая лампа, рентгеновский или нейтронный портативный генератор.

Блок питания 15, пульт управления излучателем 14, кольцевой секционированный датчик излучения 12 и регистратор 13 располагают снаружи камеры и соединяют электрически между собой с помощью электрических кабелей 16.

Для проведения облучения камеру устанавливают на трубопровод, используемый для прокачки текучей среды 3, с помощью входного 6 и выходного 7 патрубков стационарно, либо на время облучения, используя гибкие рукава. В случае текучей среды, имеющей фракционный состав и/или газовую фракцию, камера устанавливается так, чтобы ее ось занимала вертикальное положение.

Камера работает следующим образом.

Блок питания 15 обеспечивает электропитанием излучатель 11, кольцевой секционированный датчик излучения 12, дифференциальный датчик давления 9, регистратор 13 и пульт управления излучателем 14. Текучая среда 3 втекает во входной патрубок 6 в направлении стрелки 8, протекает по зазору между трубами 1 и 2 и вытекает через выходной патрубок 7. Поток текучей среды 3 на участке зазора между трубами 1 и 2, к которому подключен дифференциальный датчик давления 9, воздействует на дифференциальный датчик давления 9, показания которого поступают в регистратор 13 с помощью электрических кабелей 16. Находясь в зазоре между трубами 1 и 2, текучая среда 3 подвергается облучению излучением излучателя 11, находящегося на оси камеры. В процессе облучения излучение излучателя 11 частично поглощается текучей средой 3, а частично выходит наружу камеры, где попадает на кольцевой секционированный датчик излучения 12, показания которого поступают в регистратор 13 с помощью электрических кабелей 16.

В Таблице приведены коэффициенты линейного ослабления гамма-излучения различной энергии для некоторых веществ (взяты с сайта - справочный портал: calc.ru). Видно, что при энергии излучения 100 кэВ коэффициенты линейного ослабления, например, для свинца и воды отличаются, примерно, в 380 раз.

Для сложных веществ коэффициент линейного ослабления µв определяется согласно формуле:

где α1, α2, …αn - объемные доли составляющих веществ, µ1,·µ2, …µn - соответствующие коэффициенты линейного ослабления.

Пробег излучения в среде определяется как величина 1/µв.

Величина коэффициента линейного ослабления жидких сред (пробега излучения), как видно из выражения (1), определяется составом жидкости, составом и концентрацией примесей и может изменяться в широких пределах.

Диаметр внутренней трубы определяется диаметром вставляемого в нее источника, который для источников разных излучений по порядку величины составляет от одного до десяти сантиметров.

Диаметр внешней трубы должен удовлетворять соотношению D_к<D_вт+2d, где D_вт - диаметр внутренней трубы, d - пробег излучения в облучаемой жидкости, и накладывает ограничения на толщину слоя текучей среды, через который проходит излучение. Эта толщина должна быть достаточной для того, чтобы излучение могло пройти через среду и быть зарегистрированным.

В случае, когда используется гамма-источник с энергией 100 кэВ диаметром ϕ1 см и облучается вода, пробег излучения в которой составляет около 6 см (1/µв, где µв=0.171 см^-1), диаметр внешней трубы не должен превышать: D_к<1+2·6=13 см.

Приведенные выше примеры доказывают правомерность применения использованной степени обобщения при характеристике указанного признака, а именно D_к<D_вт+2d, включенного в формулу изобретения.