Устройство для очистки жидкометаллической среды от взвешенных примесей

Изобретение относится к области ядерной энергетики. Устройство для очистки жидкометаллической среды от взвешенных примесей содержит корпус с входным и выходными патрубками и расположенный внутри корпуса фильтр. Фильтр выполнен в виде сердечника, содержащего оболочку с решетками на входе и выходе и размещенные в ней по потоку жидкометаллической среды по меньшей мере одну секцию грубой очистки от взвешенных частиц размером, большим или равным десяти микрометрам, и установленную после нее по меньшей мере одну секцию тонкой очистки от взвешенных частиц микронного или субмикронного размера. Секция грубой очистки состоит из по меньшей мере одного слоя фильтрующего материала с пористостью от 80-90% в виде иглопробивного полотна на основе металловолокон размером 40-60 мкм. Секция тонкой очистки состоит из по меньшей мере одного слоя фильтрующего материала с пористостью 70-80% в виде иглопробивного полотна на основе металловолокон размером 10-40 мкм и/или стеклоткани на основе волокон размером 6-20 мкм. Обеспечивается повышение эффективности очистки жидкометаллической среды от взвешенных примесей. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области химической технологии и ядерной энергетике и может быть использовано для очистки жидкого, в частности, тяжелого металла, например, эвтектического сплава свинец-висмут (45% Pb, 55% Bi) от взвешенных примесей.

Уровень техники

Известно устройство для перекачивания жидкого металла и одновременно - для его очистки от ферромагнитных включений [SU 642503, публ. 18.01.1979, М. Кл. F04B 17/04]. Устройство выполнено как электромагнитный индукционный насос с бегущим магнитным полем. При этом сердечник служит металлотрактом и фильтром. Неоднородность магнитного поля, влияющая на эффективность улавливания частиц, обеспечивается за счет чередования в проточной части устройства выступов и впадин, в которых осуществляется соответственно притяжение и последующее удержание в канавках ферромагнитных частиц.

Недостатками известного устройства являются невозможность удаления немагнитных примесей и усложнение конструкции из-за необходимости использования электромагнитного насоса.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для очистки жидких металлов от примесей в виде микрочастиц размером от 5 мкм до 50 мкм [SU 537120 A1, С22В 9/00, 30.11.1976].

Известное устройство содержит корпус с входным и выходным патрубками и расположенный внутри корпуса фильтр.

Недостатком известного устройства являются: невозможность удаления из жидкого металла взвесей немагнитной природы, например, оксидов: PbO, Bi₂O₃, Al₂O₃ и т.п., относительно низкая эффективность удаления взвешенных частиц микронного и субмикронного размера (10-20%).

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого решения является повышение эффективности очистки жидкого металла в контуре от взвешенных примесей, за счет увеличения емкости для удержания примесей, повышения термостойкости фильтрующего материала и согласования гидравлического сопротивления движению жидкометаллической среды (далее также - теплоноситель).

Технические результаты изобретения:

- повышение эффективности очистки жидкометаллического теплоносителя от взвешенных примесей, увеличение ресурса работы и емкости устройства, увеличение ресурса работы реакторной установки в целом (за счет повышения качества (чистоты) используемого теплоносителя);

- исключение загрязнения основного контура циркуляции теплоносителя мелкими трудноудаляемыми взвешенными шлакообразующими примесями коллоидного размера за счет использования иглопробивного полотна с минимально допустимым по условиям прочности диаметром волокон;

- снижение концентрации частиц в циркулирующем, например, свинцово-висмутовом теплоносителе и соответственно в газовой системе ядерных энергетических установок (до значений, безопасных для персонала при аварийной разгерметизации газового контура);

- обеспечение экономии за счет компактности устройства и возможности использования модульного принципа при создании устройств очистки любой производительности;

- повышение надежности работы устройства очистки за счет возможности его эксплуатации в широком диапазоне температур и концентраций с обеспечением коррозионной стойкости используемых материалов;

- обеспечение высокой термостойкость устройства очистки.

На достижение каждого из указанных выше технических результатов оказывают влияние следующие отличительные признаки изобретения.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для очистки жидкометаллической среды от примесей содержит корпус с входным и выходными патрубками, расположенный внутри корпуса сердечник с оболочкой, заполненной фильтрующим наполнителем, и решетки по торцам. Фильтрующий наполнитель выполнен в виде установленных по потоку жидкометаллической среды (таким образом, что теплоноситель при движении через устройство от входного патрубка к выходным патрубкам последовательно проходит через каждую из секций) секций. Секции разделены между собой, например, втулками. Каждая секция состоит из одного или нескольких плотно уложенных друг на друга слоев фильтрующего материала. При этом первые (одна или несколько) по потоку секции являются секциями грубой очистки от частиц размером больше или равно десяти микрометрам, а одна или несколько последующих по направлению потока секций являются секциями тонкой очистки от частиц микронного или субмикронного размера. Секции грубой очистки и секции тонкой очистки в качестве фильтрующего материала могут содержать, например, иглопробивное металлополотно. Секции грубой очистки имеют большую пористость от 80 до 90%, больший размер волокон, например, металловолокон, фильтроматериала от 40 до 60 мкм. Секции тонкой очистки имеют пористость от 70 до 80%, размер волокон, например, металловолокон от 10 до 40 мкм. Секции тонкой очистки могут включать дополнительно к металловолокну или вместо него волокна из стеклоткани на основе волокон от 6 до 20 мкм. Толщина фильтроматериала в секциях грубой и тонкой очистки составляет от 3,0 до 7,0 мм. Число секций тонкой и грубой очистки может быть выбрано, например, из соотношения от 3:1 до 10:1, исходя из соответствующего предполагаемого соотношения массовых концентраций в жидкометаллической среде частиц микронного или субмикронного размера и относительно крупных частиц размера больше или равно 10 мкм. Кроме того, входной и выходные патрубки выполнены с возможностью герметичного подсоединения к внешним элементам контура подвода и отвода жидкометаллической среды. Перед выходными патрубками устройства может быть размещен дроссель, выполненный из пористой металлокерамики для согласования гидравлического сопротивления. Он обеспечивает требуемую производительность фильтра по отношению к общему расходу жидкометаллической среды по контуру.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1. Один из вариантов исполнения устройства.

Фиг. 2. Поперечный разрез А-А устройства.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показано: 1 - корпус с крышкой, 2 - входной патрубок, 3 - выходные патрубки, 4 - сердечник с оболочкой, 5 и 6 - решетки, 7 - секции грубой очистки, 8 - секции тонкой очистки, 9 - фильтрующий материал, 10 - разделяющая втулка, 11 - сетка, 12 - дроссель.

На фиг. 2 показано: 1 - корпус, 3 - выходные патрубки, 4 - сердечник с оболочкой, 9 - фильтрующий материал.

Одна из возможных (но не единственных) конструкций предлагаемого устройства (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1 с крышкой, входной 2 и выходные 3 патрубки, сердечник с оболочкой 4, разделяющие втулки 10, которые могут быть выполнены, например, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Корпус 1 имеет толщину 4 мм, высоту 500 мм и наружный диаметр 85 мм. Крышка корпуса в виде сферы имеет высоту 60 мм. Сердечник с оболочкой 4 и фильтрующим материалом 9 размещен внутри корпуса 1, образуя с ним зазор, равный 10 мм. Через входной патрубок 2 и сквозь решетку 5 теплоноситель поступает во внутреннюю полость сердечника 4, заполненную фильтрующим материалом 9 объемного типа. На выходе сердечника 4 закреплена решетка 6, обеспечивающая крепление фильтрующего материала 9. Фильтрующий материал 9 размещен в виде секций, разделенных между собой втулками 10 с толщиной материала 0,8 мм. Каждая секция сверху и снизу ограничена сеткой 11. В нижней части кольцевого зазора на стороне очищенного теплоносителя, перед выходными патрубками может быть размещен дроссель 12, выполненный из пористой металлокерамики для согласования гидравлического сопротивления. Он обеспечивает требуемую производительность фильтра по отношению к общему расходу теплоносителя по контуру. Параметры дросселя 12 подтверждают расчетом или прямыми измерениями гидравлического сопротивления при испытаниях в конкретных условиях эксплуатации.

Расположенный внутри сердечника 4 фильтрующий материал 9 выполнен из уложенных друг на друга дисков из иглопробивного меатллополотна, разделенных между собой на секции грубой очистки 7 и секций тонкой очистки 8. Материал грубой очистки имеет большую пористость от 80 до 90% и больший размер волокон в фильтрующей насадке от 40 до 60 мкм. Каждая секция тонкой очистки содержит 5 слоев иглопробивного металлополотна 9, имеет пористость от 70 до 80%, размер волокон фильтроматериала от 10 до 40 мкм и/или из стеклоткани на основе волокон от 6 до 20 мкм. Подбор пористости фильтроматериала обеспечивает равномерный градиент распределения микрочастиц. Толщина фильтроматериала в секциях грубой очистки 7 и тонкой очистки 8 составляет от 3,0 до 7,0 мм. Диаметр волокон в секциях грубой 7 и тонкой 8 очистки выбирается из условия максимально возможного приближения к размеру улавливаемых частиц. Минимальный диаметр волокон фильтроматериала секций тонкой очистки 8 обусловлен их прочностью, способной выдержать температурные и гидродинамические воздействия теплоносителя.

Входной и выходные патрубки выполнены с возможностью герметичного подсоединения к внешним элементам контура подвода и отвода жидкометаллического теплоносителя в ядерно-энергетической установке. В целом установка оборудована внешним электронагревателем, обеспечивающим предварительный разогрев теплоносителя перед началом и во время эксплуатации с температурой не менее температуры плавления очищаемого тяжелого жидкого металла (на фиг. 1 не показаны).

Промышленная применимость подтверждается следующим.

Посредством входного 2 и выходных 3 патрубков устройство герметично включают в контур потока очищаемого жидкометаллического теплоносителя. Через входной патрубок 2 теплоноситель поступает во внутреннюю полость сердечника 4, заполненную фильтрующим материалом 9 объемного типа. На первых секциях грубой очистки 7 теплоноситель за счет ситового эффекта проходит очистку преимущественно от крупных взвешенных частиц размером больше 10 мкм. Затем, проходя последующие секции тонкой очистки 8, теплоноситель очищается от взвесей преимущественно коллоидного микронного и субмикронного размера. При этом в свободном пространстве секций 7 и 8, образованного втулками 10 сердечника 4, происходит накопление шлаковых отложений из удерживаемых частиц теплоносителя в соответствии с порами, образованными диаметром волокон фильтрующего материала и адгезии коллоидных взвесей к волокнам.

В результате предложенного технического решения во внутренней полости сердечника 4 происходит более равномерное удержание взвесей, увеличивая тем самым его ресурсные возможности и емкость. Жидкометаллический теплоноситель, пройдя все секции фильтра, очищенный от взвесей, через выходные патрубки 3 «покидает» устройство и смешивается с общим потоком теплоносителя.

В процессе очистки теплоносителя происходит постепенное наполнение устройства примесями, сопровождающееся снижением его производительности, увеличением гидравлического сопротивления и изменением линейной скорости потока вплоть до минимума. При соответствующих показаниях контролирующих приборов, свидетельствующих о выработке ресурса, устройство необходимо заменить новым.

Результаты испытаний опытного устройства в производственных условиях, при номинальной производительности по очищаемому теплоносителю, равной 1 м³/ч, и температуре 350-500°С, показали, что предложенное решение обеспечивает гидродинамическое сопротивление не более 0,05 МПа и эффективность очистки по взвешенным примесям до 80-90% при концентрации железа в теплоносителе ~ 5·10^-4 % масс. и его линейной скорости до 2,0 см/с. Устройство имеет малое гидравлическое сопротивление, увеличенную эффективность очистки и увеличенную емкость для сбора примесей. По сравнению с сетчатыми фильтрами и фильтрами на основе металлокерамики значительно увеличен ресурс - более 2-х лет. Устройство обладает увеличенной термостойкостью - более 550°С, определяемой прочностью используемого волокнистого фильтроматериала.

Использование предлагаемого устройства позволяет:

- исключить загрязнение основного контура мелкими трудноудаляемыми взвешенными шлакообразующими примесями коллоидного размера за счет использования иглопробивного полотна с минимально допустимым по условиям прочности диаметром волокон;

- снизить концентрацию частиц в циркулирующем свинцово-висмутовом теплоносителе и соответственно в газовой системе ядерных энергетических установок; (до значений, безопасных для персонала при аварийной разгерметизации газового контура);

- обеспечить экономию за счет компактности устройства и возможности использования модульного принципа при создании устройств очистки любой производительности;

- повысить надежность работы устройства очистки за счет возможности его эксплуатации в широком диапазоне температур и концентраций с обеспечением коррозионной стойкости используемых материалов;

- обеспечить высокую термостойкость устройства очистки.

Устройство заявленной конструкции также является перспективным для тонкой очистки жидкометаллических сред в атомной, химической и др. отраслях промышленности, так как обладает высокой эффективностью очистки за счет большей пористости, более развитой по сравнению с аналогами поверхностью фильтрования, формируемой волокнами микронных размеров, обеспечивает равномерное распределение удерживаемых примесей по сечению фильтровальных секций и высоте устройства, обладает большей емкостью по удерживаемым примесям и соответственно повышенным ресурсом, меньшим гидравлическим сопротивлением движению теплоносителя и повышенной термостойкостью.

Устройство может быть использовано для очистки тяжелых жидких металлов как в условиях их промышленного производства, так и при эксплуатации ядерных энергетических установок, в которых указанные жидкие металлы применяются в качестве теплоносителя. В частности, устройство может быть использовано в ядерно-энергетической установке для глубокой очистки свинцово-висмутового теплоносителя от взвешенных примесей любого происхождения и дисперсности, в том числе на основе магнетита Fe₃O₄ оксидов Cr₂O₃, MnO, PbO, Bi₂O₃, полонидов PbPo и др.

1. Устройство для очистки жидкометаллической среды от взвешенных примесей, содержащее корпус с входным и выходными патрубками и расположенный внутри корпуса фильтр, отличающееся тем, что фильтр выполнен в виде сердечника, содержащего оболочку с решетками на входе и выходе и размещенные в ней по потоку жидкометаллической среды по меньшей мере одну секцию грубой очистки от взвешенных частиц размером, большим или равным десяти микрометрам, и установленную после нее по меньшей мере одну секцию тонкой очистки от взвешенных частиц микронного или субмикронного размера, причем секция грубой очистки состоит из по меньшей мере одного слоя фильтрующего материала с пористостью от 80-90% в виде иглопробивного полотна на основе металловолокон размером 40-60 мкм, секция тонкой очистки состоит из по меньшей мере одного слоя фильтрующего материала с пористостью 70-80% в виде иглопробивного полотна на основе металловолокон размером 10-40 мкм и/или стеклоткани на основе волокон размером 6-20 мкм.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение числа секций тонкой и грубой очистки выбрано с учетом соответствующего соотношения в жидкометаллической среде массовых концентраций частиц микронного или субмикронного размера и взвешенных частиц размера большего или равного десяти микрометрам.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что установленные по потоку жидкометаллической среды секции разделены между собой втулками.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение числа секций тонкой очистки к числу секций грубой очистки выбрано в пределах от 3:1 до 10:1.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в секции грубой очистки толщина одного слоя фильтрующего материала составляет от 3,0 до 7,0 мм.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что входной и выходные патрубки выполнены с возможностью герметичного подсоединения к элементам подвода и отвода жидкометаллической среды.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перед выходным патрубком размещен дроссель с обеспечением заданной производительности по отношению к общему расходу жидкометаллической среды.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что дроссель выполнен из пористой металлокерамики.