Результат интеллектуальной деятельности: Система вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных веществ

Изобретение относится к области ядерной безопасности и может быть использовано для очистки воздуха от газообразных, дисперсных радиоактивных веществ в специальных фортификационных сооружениях. Технический результат -повышение безопасности персонала специальных фортификационных сооружений и производительности его труда.

Известны системы очистки вытяжного воздуха в закрытых помещениях [см. Патент РФ №2417821 «Двухступенчатая система очистки вытяжного воздуха», МПК: B01D 50/00). Такая система очистки вытяжного воздуха включает два пылеуловителя, расположенные в одном корпусе с входящим и выходящим патрубками. Первый пылеуловитель имеет перфорированные листы, установленные в его начале и конце, между которыми расположены горизонтальные полки, прикрепленные к корпусу, а второй пылеуловитель представляет собой электрофильтр, состоящий из осадительных электродов, установленных вертикально и выполненных в виде прямоугольных пластин, между которыми расположены коронирующие электроды, прикрепленные к корпусу изоляторами. Достоинством такого технического решения является обеспечение эффективной очистки воздуха от частиц пыли, в том числе и мелкодисперсной. Его недостатком применительно к специальным фортификационным сооружениям является наличие высоковольтных коронирующих электродов, обеспечивающее процесс очистки воздуха, что противоречит правилам технике безопасности при работе с изделиями, содержащими взрывчатые вещества. Кроме того, отсутствие контроля за эффективностью фильтрации воздуха не позволяет определить наступление времени замены фильтров. Данный недостаток имеет существенное значение в проведения работ в специальном фортификационном сооружении по ликвидации последствий аварии изделий, содержащих радиоактивные вещества. При аварии с разгерметизацией указанных изделий в воздухе специального фортификационного сооружения могут появляться частицы - источники алфа- и гамма-излучений. Поэтому в месте работ в состав аварийно-восстановительной команды включается минимально необходимое количество личного состава, для которого контроль за эффективностью фильтрования воздуха и работы по замене фильтров приводят к увеличению продолжительности проведения аварийно-восстановительных работ, что в конечном итоге приводит к снижению производительности труда и к увеличению дозовой нагрузки на личный состав.

Недостаток, связанный с наличием в системе вентиляции высоковольтной установки, частично устранен в техническом решении [см. Патент РФ №2291737 «Фильтр для очистки воздуха», МПК: B01D 46/24). Однако данное решение применимо только к сжатому воздуху. В случае применения в системе вентиляции помещений аэрозольного фильтрующего элемента [см. Патент РФ №2518617 «Аэрозольный фильтрующий элемент», МПК: B01D 46/24] возможна эффективная очистка воздуха, в том числе и от радиоактивных аэрозолей. Однако недостатки, связанные, связанные с контролем за эффективности фильтрации, удалением и хранением отработавшего, ставшего радиоактивным, фильтрующего элемента, данное решение не устраняет.

Достоинством технического решения [см. Патент RU №2422927 «Способ очистки воздуха от радиоактивных веществ», МПК: G21F 9/06] является возможность его применения для очистки воздуха от различных радиоактивных веществ, в том числе от трития, йода, цезия, стронция, бета-частиц и их соединений, и мелкодисперсных и пылеобразных включений. Однако недостатком, исключающим возможность его применения в специальных фортификационных сооружениях, является наличие высоковольтной (25-50 киловольт) установки постоянного тока, обеспечивающей процесс такой универсальной очистки воздуха.

Недостатки, связанные с очисткой воздуха от радиоактивных веществ, частично устранены в фильтрах, применяемых для обработки газообразных отходов [см. Патент RU №2262758 «Фильтр для очистки воздуха от радиоактивного йода», МПК: G21F 9/02]. Такие фильтры могут применяться на атомных электростанциях и в помещениях, связанных с обращением с радиоактивными отходами, где источником радиоактивного йода являются продукты деления «ядерного горючего». В специальных фортификационных сооружениях очистка воздуха от указанного вещества не является актуальной задачей. Кроме того, данное решение не устраняет недостатки, связанные с заменой и с хранением отработавшего, ставшего радиоактивным, фильтрующего элемента.

Наиболее близким техническим решением может считаться фильтр - сорбер нового поколения типа АУИ-1500 ВМ с выемным, легко заменяемым модулем (кассетой) на основе модифицированных сорбентов с улучшенными техническими характеристиками [см.aerofiltr.ru>catalog…] - прототип.

В решении-прототипе в качестве сорбента используется модифицированный с гидрофобизацией уголь марки СКТ-3 или высокотемпературный импрегнированный сорбент на основе силикагеля. Данный фильтр-сорбер за счет повышения основных характеристик (эффективности, ресурса, термостойкости) и появления возможности производить простую и быструю замену отработавшего сорбента, с сохранением основных несущих конструкций, позволяет снизить затраты на его изготовление и обслуживание, а также существенно повысить качество фильтрации газовоздушных сред. По результатам испытаний АУИ-1500 ВМ установлено, что эффективность очистки по молекулярному радиоактивному йоду составляет величину 99,92% (при норме 99,0%), а по его органическим формам - 99,87% (при норме 99,0%). Можно ожидать, что в случае применения аналогичных фильтров в системе вентиляции специального фортификационного сооружения очистка воздуха будет столь же эффективной за счет механической очистки воздуха от содержащихся в нем радиоактивных частиц. Вместе с тем, крупногабаритный фильтр АУИ-1500 ВМ разработан для применения на атомных электростанциях, служба радиационной безопасности которых имеет специализированное оборудование и средства защиты. Применительно к специальным фортификационным сооружениям его недостатками являются необходимость вскрытия кожуха фильтра перед заменой отработавшего радиоактивного сорбента, что может вызвать выброс накопившихся в фильтре радиоактивных веществ в помещение, а также замена отработавшего сорбента при помощи кранового оборудования и отсутствие автоматического контроля за эффективностью фильтрации воздуха.

Задачей заявленного изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно повышение безопасности персонала специальных фортификационных сооружений и производительности его труда за счет автоматической замены отработавшего блока фильтров очистки воздуха без вскрытия кожуха блока фильтров.

Технический результат достигается тем, что в системе вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных веществ, содержащей циркуляционный канал воздуховода с вентилятором и блок фильтров с устройством герметизации, включены новые узлы и устройства и изменены связи между ними, заключающиеся в том, что в нее дополнительно включены система контроля эффективности фильтрации воздуха, защитный транспортировочный контейнер с запирающим устройством, лоток, шаговый электродвигатель, механизм замены блока фильтров, устройство турбонаддува, датчик давления, два блока сравнения с пороговыми устройствами, концевой включатель, три блока И, два блока ИЛИ и три блока НЕ, при этом циркуляционный канал воздуховода выполнен в виде цилиндрической трубы с разрывом, длина которого соответствует длине кожуха блока фильтров, выполненного сходным по геометрической форме с циркуляционным каналом воздуховода и снабженного эластичной герметизирующей пленкой с устройством ее удаления, устройство герметизации выполнено в виде двух надувных кольцевых эластичных емкостей, размещенных на торцах циркуляционного канала воздуховода в месте его разрыва, система контроля качества фильтрации воздуха содержит по два датчика интенсивности альфа- и гамма- излучений, размещенных в циркуляционном канале воздуховода соответственно на входе и выходе воздушного потока через блок фильтров, механизм замены блока фильтров выполнен револьверного типа, к валу которого прикреплены механизмами подвеса блоки фильтров, шаговый электродвигатель кинематически соединен с валом механизма замены блока фильтров, устройство турбонаддува кинематически соединено с валом вентилятора и снабжено датчиком давления, причем вход шагового электродвигателя соединен с выходом первого блока ИЛИ через первый и второй блоки И, второй вход которого соединен с выходом датчика давления через второй блок НЕ, первый и второй входы первого блока ИЛИ соединены соответственно с выходами первого и второго блоков сравнения с пороговыми устройствами, первый и второй входы первого блока сравнения с пороговым устройством соединены соответственно с выходами датчиков интенсивности альфа- излучения, размещенных соответственно на входе и выходе воздушного потока через блок фильтров, первый и второй входы второго блока сравнения с пороговым устройством соединены соответственно с выходами датчиков интенсивности гамма-излучения, размещенных соответственно на входе и выходе воздушного потока через блок фильтров, вход вентилятора соединен с выходом первого блока И через первый блок НЕ и второй блок ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом шагового электродвигателя, вход механизма подвеса соединен с выходом шагового электродвигателя через третий блок НЕ, третий блок И и концевой включателя, размещенный на торце циркуляционного канала воздуховода в месте его разрыва, вход запирающего устройства защитного транспортировочного контейнера соединен разъемным соединением с выходом первого блока И, выход устройства турбонаддува соединен с параллельно соединенными входами устройств герметизации, лоток размещен под разрывом в циркуляционном канале воздуховода.

Идея предложенного технического решения заключается в автоматическом определении степени загрязнения блока фильтров очистки воздуха и автоматической его смене на новый блок в случае уменьшения разности значений интенсивностей альфа- или гамма-излучений, зафиксированных соответствующими датчиками, размещенными в воздушном потоке до и после блока фильтров. Смена блока фильтров очистки воздуха осуществляется освобождением отработавшего блока фильтров от подвеса к револьверному механизму замены блока фильтров с последующим его направлением лотком в защитный транспортировочный контейнер. Поворотом револьверного механизма замены блока фильтров на один шаг осуществляется помещение в освободившее место в циркуляционном канале воздуховода очередного «чистого» блока фильтров.

Покажем существенность отличительных признаков.

Включение системы контроля эффективности фильтрации воздуха, содержащей по два датчика интенсивности альфа- и гамма - излучений, размещенных соответственно на входе и выходе воздушного потока через блок фильтров, а также включение двух блоков сравнения с пороговыми устройствами с их связями с датчиками альфа- и гамма- излучений является новым решением. Оно позволяет осуществлять автоматическую оценку степени загрязненности блока фильтров и определить время его замены.

Включение механизма замены блока фильтров, выполненного револьверного типа, и кинематическое соединение шагового электродвигателя с валом механизма замены блока фильтров, а также соединение входа шагового электродвигателя с выходами блоков сравнения с пороговыми устройствами через блок ИЛИ является новым решением. Оно позволяет в случае загрязнения блока фильтров хотя бы одним из загрязняющих факторов повернуть механизм замены блока фильтров на один шаг, обеспечивающий размещение отработавшего блока фильтров на лоток и точное совмещение очередного «чистого» блока фильтров с циркуляционным каналом воздуховода. При этом выполнение последнего цилиндрическим по форме, а кожуха блока фильтров - сходным с ним по геометрической форме позволяет осуществить герметизацию стыков соединения очередного «чистого» блока фильтров с циркуляционным каналом воздуховода.

Введение устройства турбонаддува, связанного кинематически с валом вентилятора, и соединение его с параллельно соединенными входами устройств герметизации является новым решением. Оно позволяет герметизировать стыки циркуляционного канала воздуховода с блоком фильтров за счет расширения под избыточным давлением устройства герметизации. При этом оснащение устройства турбонаддува датчиком давления позволяет перед заменой отработавшего блока фильтров разгерметизировать указанные стыки.

Соединение входа вентилятора с выходом первого блока И через первый блок НЕ и второй блок ИЛИ является новым решением. Оно обеспечивает автоматическую остановку вентилятора и устройства турбонаддува перед сменой отработавшего блока фильтров, а также позволяет их снова запустить после его замены. При этом соединение второго входа первого блока И с выходом датчика альфа- излучения позволяет автоматически остановить процесс фильтрации воздуха при отсутствии в нем радиоактивных веществ.

Соединение входа механизма подвеса с выходом шагового электродвигателя через третий блок НЕ, третий блок И и концевой включатель, установленный на торце циркуляционного канала воздуховода в месте его разрыва, является новым решением. Оно обеспечивает отделение от механизма замены блока фильтров только отработавший «грязный» блок фильтров.

Соединение второго входа второго блока И с выходом датчика давления через второй блок НЕ является новым решением. Оно исключает повторную замену «чистого» блока фильтров на другой «чистый» блок фильтров, когда во время смены блоков фильтров и отсутствия фильтрации воздуха в циркуляционном канале воздуховода на выходах обоих блоков сравнения с пороговыми устройствами будут присутствовать сигналы. При этом соединение выхода шагового электродвигателя с входом вентилятора через второй вход второго блока ИЛИ обеспечивает запуск вентилятора и устройства турбонаддува после замены отработавшего блока фильтров.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой системы вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных веществ, а на фиг.2 представлена схема связей между блоками и устройствами предлагаемого технического решения.

Система вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных веществ содержит:

1 - циркуляционный канал воздуховода.

2 - блок фильтров.

3 - устройство герметизации.

4 - вентилятор.

Устройства 1-4 содержат решение-прототип. Дополнительно к ним в систему вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных примесей введены новые узлы и связи между ними:

5 - защитный транспортировочный контейнер,

6 - запирающее устройство защитного транспортировочного контейнера 5,

7 - лоток,

8 - шаговый электродвигатель. Они широко применяются в станках с ЧПУ, в конвейерах и в других устройствах, в которых требуется получить точное позиционирование [см., например, ru.wikipedia.org.wiki/Шаговый_электродвигатель].

9 - механизм замены блока фильтров. Он выполнен револьверного типа, аналогично тому, как выполнены устройства перезарядки боеприпасов или инструментов [см. Патент RU 2412855 «Пусковая установка подводной лодки», МПК: F41F 3/10]. В указанном техническом решении пусковая установка снабжена устройством перезарядки приборов револьверного типа.

10 - система контроля эффективности фильтрации воздуха. Она содержит по два датчика интенсивности альфа- и гамма- излучений, расположенных соответственно на входе и выходе воздушного потока через блок фильтров. Указанные датчики известны и применяются в различных приборах для измерения радиации [см., например, WebHamster.ru/mytetrashare/index/mtbo/…].

11 - механизм подвеса. Механизмы подвеса различных типов применяются в авиации для отделения средств поражения от летательных аппаратов [см. Боевая авиационная техника: Авиационное вооружение / Д.И. Гладков, В.М. Балуев, П.А. Семенцов и др.; Под ред. Д.И. Гладкова. - М.: Воениздат, 1987, стр. 152-157].

12 - устройство турбонаддува. Такие устройства различных типов широко применяются в двигателях внутреннего сгорания.

13 - кожух блока фильтров. С целью сохранения сорбентов нового блока фильтров 2 его торцы закрыты натянутой тонкой защитной пленкой. В процессе помещения нового блока в разрыв циркуляционного канала воздуховода 1 устройство удаления пленки, представляющее собой острые выступы на торцах циркуляционного канала воздуховода, надрывают пленку, вызывая ее разрушение.

14, 15 и 16 - соответственно первый, второй и третий блоки И,

17 и 18 - соответственно первый и второй блоки ИЛИ,

19, 20 и 21 - соответственно первый, второй и третий блоки НЕ,

22 и 23 - соответственно первый и второй блоки сравнения с пороговыми устройствами,

24 - датчик давления,

25 - концевой включатель.

Система вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных веществ функционирует следующим образом. В исходном состоянии, когда в воздухе помещения присутствуют радиоактивные вещества, но эффективность фильтрации воздуха блоком фильтров достаточно высокая, на выходах соответственно первого 22 и второго 23 блоков сравнения с пороговыми устройствами не присутствуют сигналы и нет сигнала на первом входе первого блока И 14. Но тогда присутствует сигнал на выходе первого блока НЕ 19, который через второй блок ИЛИ 18 передается на вход вентилятора 4. Вентилятор 4 работает, создавая воздушный поток через блок фильтров 2, размещенный в разрыве циркуляционного канала воздуховода 1. При этом кинематически соединенное с вентилятором 4 устройство турбонаддува 12 создает избыточное давление воздуха в устройстве герметизации 3, поддерживая герметичность соединения блока фильтров 2 с циркуляционным каналом воздуховода 1. Этим обусловлено наличие сигнала на выходе датчика давления 24 и отсутствие сигнала на втором входе второго блока И 15. При снижении эффективности фильтрации воздуха блоком фильтров 2, разность между уровнями радиации, зафиксированными хотя бы одним из блоков сравнения с пороговыми устройствами 22 или 23 парой становится ниже определенного значения, и на выходе одного из них появляется сигнал. Когда в воздухе помещения специального фортификационного сооружения присутствуют радиоактивные вещества, на втором входе первого блока И 14 присутствует сигнал. В этом случае сигнал с выхода первого блока ИЛИ 17 через первый блок И 14 поступает на входы первого блока НЕ 19 и запирающего устройства 6 защитного транспортировочного контейнера 5, а также на первый вход второго блока И 15. При этом открывается защитный контейнер 5 для принятия «грязного» блока фильтров, и останавливается вентилятор 4 с устройством турбонаддува 12. Пока давление в устройстве герметизации 3 не уменьшилось, на выходе датчика давления присутствует сигнал, а на втором входе второго блока И 15 сигнал отсутствует, препятствуя появлению сигнала на входе шагового электродвигателя 8. Этим исключается возможность замены «грязного» блока фильтров 2 при герметичных его стыках с циркуляционным каналом воздуховода 1. Когда давление в устройстве герметизации 3 снизилось окончательно, сигнал на выходе датчика давления 24 исчезает, а на втором входе второго блока И 15 сигнал появляется. Это вызывает появление сигнала на входе шагового электродвигателя 8, а также и на втором входе третьего блока И 16. В этот момент на первом входе последнего сигнал присутствует, так как сигнал на выходе шагового двигателя появляется только после окончания позиционирования вала шагового электродвигателя 8 в новом положении. Поэтому сигнал с выхода второго блока И 15 через третий блок И 16 и концевой включатель 25 поступает на вход механизма подвеса 11, что вызывает освобождение отработавшего блока фильтров 2 от механизм замены блока фильтров 9. Последний поворачивается, выталкивая отработавший блок фильтров 2 на лоток 7, по которому он скатывается в защитный транспортировочный контейнер 5. Новый блок фильтров 2, заходя в разрыв циркуляционного канала воздуховода 1, освобождается от герметизирующей его торцов пленки, и когда шаговый электродвигатель 8 останавливается, позиционируя новый блок фильтров 2 в его месте в разрыве циркуляционного канала воздуховода 1, то на его выходе появляется сигнал, что вызывает исчезновение сигнала на входе механизма подвеса 11 нового блока фильтров 2, и появление сигнала на втором входе второго блока ИЛИ 18. Вентилятор 4 начинает работать, устройство турбонаддува 12 создает давление в устройстве герметизации 3, и на выходе датчика давления 24 появляется сигнал, что вызывает исчезновение сигнала на втором ходе второго блока И, как следствие, отсутствие сигнала на входе шагового двигателя 8. Работа вентилятора создает воздушный поток через новый блок фильтров 2 с уже герметичными его стыками с циркуляционным каналом воздуховода 1. Это вызывает исчезновение сигналов на выходах первого 22 и второго 23 блоков сравнения с пороговыми устройствами. Во время смены отработавшего блока фильтров 2 циркуляционный канал воздуховода 1 оставался открытым и, как следствие, оба датчика интенсивности альфа- излучения и оба датчика интенсивности гамма-излучения фиксировали одинаковые значения интенсивностей, что явилось причиной присутствия сигналов на выходах первого 22 и второго 23 блоков сравнения с пороговыми устройствами. Исчезновение сигналов на выходах указанных устройств вызывает исчезновение сигналов на входах запирающего устройства 6 защитного транспортировочного контейнера 5, первого блока НЕ 19 и первого входа второго блока И 15. Защитный транспортировочный контейнер 5 закрывается, вентилятор 4 продолжает работать, исчезает сигнал на выходе шагового электродвигателя 8. Механизм замены блока фильтров 9, находится в состоянии готовности произвести очередную смену блока фильтров 2.

Таким образом, на основе анализа структуры и функционирования схемы предложенного технического решения можно заключить, что система вентиляции помещения с очисткой воздуха от радиоактивных веществ, в котором реализовано данное решение, обладает преимуществами, отвечающими поставленной цели -повышение безопасности персонала специальных фортификационных сооружений и производительности его труда.