Устройство для облучения текущих сред

Полезная модель относится к конструкциям установок для облучения текущих сред и может быть применено в установках, предназначенных для стерилизации текущих жидкостей, активации химических реакций в текущих растворах, ядерного превращения текущих радиоактивных отходов, используемых, в частности, в медицине, пищевой, химической и атомной промышленностях. Техническим результатом полезной модели является: расширение области применения устройства за счет обеспечения облучения текущих сред с величиной пробега излучения, изменяющимся в более широких пределах в соответствии с диапазоном изменения величины зазора между коаксиальными трубами вдоль оси камеры. Технический результат достигается тем, что устройство для облучения текущих сред, содержащее камеру с патрубками для подвода и отвода текущей среды, источник излучения, содержащий излучатель, коаксиально расположенный в камере, датчик, пульт управления, функционально связанный с датчиком, при этом патрубки разнесены по высоте один относительно другого, камера выполнена в виде двух коаксиальных труб переменного диаметра, объем между которыми соединен с дифференциальным датчиком давления, внутренняя труба образует полость, открытую со стороны выходного патрубка, диаметр которой в любом сечении превышает диаметр излучателя, устанавливаемого на оси камеры с возможностью перемещения вдоль этой оси, по крайней мере в одном из сечений камеры диаметр внешней трубы камеры D_к удовлетворяет соотношению D_к <D_вт+2d, где D_вт - диаметр внутренней трубы в данном сечении, d - пробег излучения в облучаемой жидкости, входной патрубок камеры расположен на оси камеры, в качестве датчика применяется кольцевой секционированный датчик излучения с возможностью перемещения вдоль оси камеры и установленный снаружи камеры соосно с ней, блок питания устройства соединен с излучателем, пультом управления излучателем, дифференциальным датчиком давления, кольцевым секционированным датчиком излучения, исполнительными механизмами и регистратором, подключенным к дифференциальному датчику давления, кольцевому секционированному датчику излучения, пульту управления излучателем и исполнительным механизмам.

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

Для облучения текущую 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 текущей среды в зоне облучения. Количество излучения, поглощенное текущей средой в процессе облучения при заданной плотности потока излучения на ее поверхности, прямо пропорционально времени облучения и, следовательно, обратно пропорционально скорости потока текущей среды.

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

Источники излучения обеспечивают требуемую плотность потока на поверхности текущей среды. Для равномерного облучения потока текущей среды цилиндрической формы диаграмма направленности излучения источника имеет ось симметрии, а источник устанавливают внутрь потока текущей 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 текущей 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 текущая 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 редкометальных концентратов» [Заявка на изобретение RU 95111909, МПК: С22В 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=N_o/N₁, где N_o - 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_n n/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: невозможность обслуживания и замены излучателя без прекращения потока пульпы, вследствие того, что пульпа протекает между стенкой излучателя и стенкой цилиндрической камеры; ограниченная область применения, определяемая средами, в которых длина пробега излучения равна или больше расстояния 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 текущей 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 ограниченная область применения, определяемая жидкостями, в которых пробег излучения равен или больше разности диаметров камеры и излучателя, деленной пополам.

Техническим результатом полезной модели является: расширение области применения устройства за счет обеспечения облучения текущих сред с величиной пробега излучения, изменяющимся в более широких пределах в соответствии с диапазоном изменения величины зазора между коаксиальными трубами вдоль оси камеры.

Технический результат достигается тем, что устройство для облучения текущих сред, содержащее камеру с патрубками для подвода и отвода текущей среды, источник излучения, содержащий излучатель, коаксиально расположенный в камере, датчик, пульт управления, функционально связанный с датчиком, при этом патрубки разнесены по высоте один относительно другого, камера выполнена в виде двух коаксиальных труб переменного диаметра, объем между которыми соединен с дифференциальным датчиком давления, внутренняя труба образует полость, открытую со стороны выходного патрубка, диаметр которой в любом сечении превышает диаметр излучателя, устанавливаемого на оси камеры с возможностью перемещения вдоль этой оси, по крайней мере в одном из сечений камеры диаметр внешней трубы камеры D_к удовлетворяет соотношению D_к<D_вт+2d, где D_вт - диаметр внутренней трубы в данном сечении, d - пробег излучения в облучаемой жидкости, входной патрубок камеры расположен на оси камеры, в качестве датчика применяется кольцевой секционированный датчик излучения с возможностью перемещения вдоль оси камеры и установленный снаружи камеры соосно с ней, блок питания устройства соединен с излучателем, пультом управления излучателем, дифференциальным датчиком давления, кольцевым секционированным датчиком излучения, исполнительными механизмами и регистратором, подключенным к дифференциальному датчику давления, кольцевому секционированному датчику излучения, пульту управления излучателем и исполнительным механизмам.

Полезная модель расширяет набор жидкостей, которые могут подвергаться облучению в устройстве, по сравнению с прототипом поскольку, при использовании коаксиальных труб переменного диаметра, изменяющегося плавно или ступенчато, обеспечивает не одно значение d, a целый диапазон его значений, определяемым диапазоном изменения размера промежутка между трубами.

Известно, что ослабление излучения в веществе описывается выражением:

где I_к - поток излучения, выходящий из жидкости через стенку камеры, I_вт - поток излучения, входящий в жидкость из внутренней трубы, l - путь, проходимый излучением в жидкости, который в данном случае равен величине зазора между трубами: (D_к-D_вт)/2, d - пробег излучения в веществе.

Из выражения (2) следует, что для равномерного облучения жидкости по всей толщине ее потока, необходимо, чтобы I_к было близко по величине к I_вт. Для этого требуется, чтобы величина зазора l была меньше пробега излучения в жидкости l<d, т.е. (D_к-D_вт)/2<d или, что тоже самое D _к<D_вт+2d.

Указанное математическое выражение определяет те сечения реакционной камеры, в которых толщина облучаемого слоя жидкости оказывается меньше пробега излучения в этой жидкости. Источник излучения должен быть установлен в одно из этих сечений для обеспечения эффективного облучения жидкости.

В качестве примера применения камер для облучения можно привести реакционные камеры, применяемые для очистки сточных вод.

Широко применяются установки с использованием ультрафиолетового (УФ) излучения типа: Б-М1/С1, Б-М1/С3, Б-М1/С5, Б-М1/С7, Б-М1/С10, Б-М1/С40, производимые ООО «Инфраспак-Лаб», г.Новосибирск. (Каталог оборудования: http://ooo-meo.ucoz.ru/katalog_uf_obezzarazhivanie_pdf.pdf) Облучение осуществляется в проточном режиме при протекании воды через реакционную камеру.

Радиационная очистка с использованием, например, гамма излучения, является быстрым одностадийным процессом и дает комплексный эффект (Петряев Е.Н., Власов В.И., Сосоновская А.А. Новые методы очистки сточных вод./Обзорн. Информ. Мин.: Белорус. НИИ НТИ. 1985). При использовании гамма излучения изотопов Со60, Cs137 происходят окисление и полимеризация органических и неорганических веществ, в том числе биологически не разлагаемых (предельные углеводороды) и токсичных соединений, осаждение коллоидных и взвешенных частиц, дезинфекция и дезодорация.

Состав сточных вод варьируется в широких пределах. Пробег излучения в них зависит от типа излучения и его энергии. Поэтому вода, поступающая в реакционную камеру на обработку, должна удовлетворять определенным требованиям, обеспечивающим достаточный пробег излучения во всем слое обрабатываемой воды. В случае УФ излучения это, в частности, требования на цветность, мутность и содержание железа. Известно, что пробег УФ в прозрачной и бесцветной воде составляет 25 см (Аква-терм 5 (9) сентябрь 2002). Аналогичные требования предъявляются на состав сточных вод в случае применения гамма излучения. Это требования, прежде всего, на концентрацию солей тяжелых металлов.

Реакционная камера, обеспечивающая обработку слоя сточной воды различной толщины, позволяет расширить состав вод, которые могут быть обеззаражены в данной камере и таким образом расширить область применения камеры.

Сущность полезной модели поясняется на чертеже, где 1 - камера; 2 - внешняя коаксиальная труба; 3 - внутренняя коаксиальная труба; 4 - текущая среда, протекающая между внутренней 3 и внешней 2 коаксиальными трубами; 5 - полость внутри камеры, связанная с пространством вне камеры 1; 6 - излучатель; 7 - кольцевой секционированный датчик излучения; 8 - регистратор для регистрации дифференциального давления и интенсивности излучения; 9 - пульт управления излучателем 6; 10 - блок питания, обеспечивающий электропитанием излучатель 6, кольцевой секционированный датчик излучения 7, дифференциальный датчик давления 15, пульт управления излучателем 9, регистратор 8 и исполнительные механизмы 13; 11, 12 - входной и выходной патрубки камеры 1; 13 - исполнительные механизмы для перемещения излучателя 6 и кольцевого секционированного датчика излучения 7 вдоль оси камеры 1; 14 - направление потока текущей среды; 15 - дифференциальный датчик давления; 16 - электрические кабели; 17 - направляющие для перемещения излучателя 6 и кольцевого секционированного датчика излучения 7.

Устройство состоит из камеры 1, излучателя 6, кольцевого секционированного датчика излучения 7, регистратора 8 со счетно-решающим устройством и программным обеспечением, пульта управления излучателем 9, блока питания 10, электрических кабелей 16, направляющих 17 и исполнительных механизмов 13.

Камера 1 включает в себя, две коаксиальные трубы 2 и 3, входной 11 и выходной 12 патрубки и дифференциальный датчик давления 15.

Коаксиальные трубы 2 и 3 выполняют переменного диаметра, что расширяет область применения устройства. Переменный диаметр одной или обеих труб, в отличие от случая постоянного диаметра обеих труб, обеспечивает изменение величины кольцевого зазора между трубами по длине камеры и позволяет, вследствие этого, облучать более широкий набор текучих сред, отличающихся по своим свойствам в более широких пределах, чем в случае камеры с постоянной величиной зазора. Переменный зазор между трубами 2 и 3 может быть реализован путем применения конических труб, как показано на Чертеже, или применения камеры, составленной из отрезков цилиндрических труб различного диаметра. Для изготовления коаксиальных труб 2 и 3 применяют материал достаточно прозрачный для излучения излучателя 6. В случае ультрафиолетового излучения это может быть, например, кварц.

Кольцевой секционированный датчик излучения 7 установлен на направляющих 17, может перемещаться вдоль оси камеры 1 с помощью исполнительного механизма 13. Тип датчика определяется видом излучения и может быть выполнен в виде набора одинаковых датчиков, устанавливаемых по окружности вокруг камеры 1, или в виде одного позиционно-чувствительного датчика. Выход кольцевого секционированного датчика излучения 7 электрически соединен с входом регистратора 8 с помощью кабелей 16.

Дифференциальный датчик давления 15 герметично соединен с объемом, занимаемым текущей средой, с помощью проходных отверстий в трубе 2 и электрически соединен с регистратором 8 с помощью кабелей 16. Принцип работы дифференциального датчика давления 15 основан на том, что падение давления в потоке жидкости на измеряемом участке пропорционально квадрату скорости потока жидкости. Показания дифференциального датчика давления 15 с помощью электрических кабелей 16 поступают в регистратор 8, где показания обрабатываются с помощью счетно-решающего устройства и программного обеспечения. Результатом обработки является скорость потока текущей среды.

Регистратор 8 соединен с помощью электрических кабелей 16 с датчиком дифференциального давления 15, с секциями кольцевого секционированного датчика излучения 7, с пультом управления излучателем 9 и с исполнительными механизмами 13. Регистратор 8 обрабатывает данные, поступающие с датчиков 15 и 7, управляет исполнительными механизмами 13 и работой излучателя 6 посредством пульта управления излучателем 9. Для этого регистратор 8 снабжен счетно-решающим устройством и программным обеспечением для вычисления плотности текущей среды 4 и эффективного времени ее облучения, а также устройством электрической связи с исполнительными механизмами 13 и пультом управления излучателем 9.

Счетно-решающее устройство и программное обеспечение регистратора 8 применяют для вычисления пробега излучения в текущей среде 4 по интенсивности излучения, прошедшего через текущую среду 4, измеряемого с помощью кольцевого секционированного датчика излучения 7 и скорости потока по величине дифференциального давления, измеряемого с помощью дифференциального датчика давления 15. Величина пробега и скорости используются для определения положения излучателя 6 на оси камеры 1, при котором текущая сред 4 поглощает необходимое количество энергии излучения.

Устройство обратной связи регистратора 8 выдает с помощью электрических кабелей (на Чертеже не показаны) команду исполнительным механизмам 13 на синхронное перемещение излучателя 6 и кольцевого секционированного датчика излучения 7 вдоль оси камеры 1 до сечения, в котором текущая сред 4 поглощает необходимое количество энергии излучения с учетом плотности текущей среды 4, скорости ее потока и известной плотности потока излучения, обеспечиваемой излучателем 6 на поверхности текущей среды 4. Плотность потока излучения в свою очередь изменяется путем включения или выключения излучателя 6 посредством электрической связи с помощью кабелей 16 между регистратором 8 и пультом управления излучателем 9.

Излучатель 6 устанавливается в полости 5 камеры 1 на ее оси в сечение, в котором размер зазора между трубами 2 и 3 и плотность потока излучения обеспечивают поглощение текущей средой 4 необходимого количества энергии излучения. Для этого излучатель 6 закреплен на конце направляющей 17, которая может перемещаться вдоль оси камеры 1 внутри втулок исполнительного механизма 13, закрепленного на корпусе камеры 1. Расположение излучателя 6 на оси камеры 1 обеспечивает осевую симметрию пространственного распределения интенсивности излучения. Плотность потока излучения на поверхности текущей среды 4 изменяется при этом обратно пропорционально квадрату расстояния между излучателем 6 и поверхностью текущей среды 4. Излучателем могут быть, например, кварцевая лампа, рентгеновский или нейтронный портативный генератор.

Перемещение излучателя 6 вдоль оси камеры 1 обеспечивает изменение плотности потока излучения на поверхности текущей среды 4 без изменения режима работы излучателя 6. Возможность изменения плотности потока на поверхности текущей среды 4 за счет перемещения излучателя 6 вдоль оси камеры 1 расширяет область применения устройства.

Исполнительный механизм 13 может быть выполнен в виде управляемого электрического привода, а направляющие 17 выполнены в виде ходового винта.

Устройство обеспечивает возможность обслуживания и замены излучателя 6 без прекращения потока текущей среды 4 за счет того, что внутренняя труба 3 открыта со стороны выходного патрубка 12, а ее диаметр в любом ее сечении превышает диаметр излучателя.

Блок питания 10, пульт управления излучателем 9, кольцевой секционированный датчик излучения 7, дифференциальный датчик давления 15. регистратор 8 и исполнительные механизмы 13 электрически соединены между собой и расположены снаружи камеры 1.

Для проведения облучения камеру устанавливают на трубопровод, используемый для прокачки текущей среды 4, с помощью входного 11 и выходного 12 патрубков стационарно, либо на время облучения, используя гибкие рукава. В случае текущей среды, имеющей фракционный состав и/или газовую фракцию, камера устанавливается так, чтобы ее ось занимала вертикальное положение.

Устройство работает следующим образом.

Блок питания 10 обеспечивает электропитанием излучатель 6, кольцевой секционированный датчик излучения 7, дифференциальный датчик давления 15, регистратор 8, пульт управления излучателем 9 и исполнительные механизмы 13. Текущая среда 4 втекает во входной патрубок 11, протекает по зазору между трубами 2 и 3 и вытекает через патрубок 12. Поток текущей среды 4 на участке зазора между трубами 2 и 3, к которому подключен дифференциальный датчик давления 15, воздействует на него. Показания дифференциального датчика давления 15 поступают в регистратор 8 с помощью электрических кабелей 16. Находясь в зазоре между трубами 2 и 3, текущая среда 4 подвергается облучению излучением излучателя 6, находящимся на оси камеры 1. В процессе облучения излучение излучателя 6 частично поглощается текущей средой 4, а частично выходит наружу камеры 1, где попадает на кольцевой секционированный датчик излучения 7. Показания кольцевого секционированного датчика излучения 7 поступают в регистратор 8 с помощью электрических кабелей 16. Счетно-решающее устройство регистратора 8 вычисляет энергию, поглощаемую текущей средой 4 при данном положении излучателя 6, и определяет положение излучателя 6 вдоль оси камеры 1, в котором поглощаемая энергия соответствует требуемой. В случае, если положение излучателя 6 в данном сечении камеры 1 не отвечает условию получения текущей средой 4 необходимой энергии излучения, устройство обратной связи регистратора 8 с помощью электрических кабелей (на Чертеже не показаны) выдает команду исполнительным механизмам 13 на синхронное перемещение излучателя 6 и кольцевого секционированного датчика излучения 7 вдоль оси камеры 1 до положения, при котором это условие обеспечивается.

Устройство для облучения текущих сред, содержащее камеру с патрубками для подвода и отвода текущей среды, источник излучения, содержащий излучатель, коаксиально расположенный в камере, датчик, пульт управления, функционально связанный с датчиком, при этом патрубки разнесены по высоте один относительно другого, отличающееся тем, что камера выполнена в виде двух коаксиальных труб переменного диаметра, объем между которыми соединен с дифференциальным датчиком давления, внутренняя труба образует полость, открытую со стороны выходного патрубка, диаметр которой в любом сечении превышает диаметр излучателя, устанавливаемого на оси камеры с возможностью перемещения вдоль этой оси, по крайней мере в одном из сечений камеры диаметр внешней трубы камеры D_K удовлетворяет соотношению D_K<D_BT+2d, где D_BT - диаметр внутренней трубы в данном сечении, d - пробег излучения в облучаемой жидкости, входной патрубок камеры расположен на оси камеры, в качестве датчика применяется кольцевой секционированный датчик излучения с возможностью перемещения вдоль оси камеры и установленный снаружи камеры соосно с ней, блок питания устройства соединен с излучателем, пультом управления излучателем, дифференциальным датчиком давления, кольцевым секционированным датчиком излучения, исполнительными механизмами и регистратором, подключенным к дифференциальному датчику давления, кольцевому секционированному датчику излучения, пульту управления излучателем и исполнительным механизмам.