СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ДИСПЕРГИРОВАНИЯ СТРУИ РАСТВОРА Российский патент 2002 года по МПК B05B1/02 

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к технологии изготовления тепловыделяющих элементов для газотурбинных матрично-графитовых атомных реакторов (ГТМГР).

Одна из основных операций в этой технологии - создание потока моноразмерных капель, получаемого диспергированием истекающей из форсунки струи водного раствора соли соответствующего нуклида.

Контроль за ходом данной операции можно вести, анализируя состав готовой продукции. Однако в этом случае отсутствует возможность своевременного воздействия на ход технологического процесса при выявлении необходимости его корректировки. Следствием может быть появление значительного количества бракованной продукции.

Оперативный контроль процесса диспергирования можно также вести, поддерживая на заданном уровне частоту диспергирования и величину расхода раствора, для чего требуется его непрерывное измерение и при необходимости соответствующее воздействие на параметры, от которых зависит расход раствора. Только в этом случае обеспечивается моноразмерность капель в потоке.

В этом способе предлагается контролировать величину расхода раствора, наблюдая траекторию потока капель, образующихся вследствие распада струи, истекающей из форсунки, и геометрию капель в потоке. Должно быть обеспечено постоянство траектории струи, для чего частота модуляции диспергатора задается постоянной, а регулированию подлежат параметры установки диспергирования, влияющие на величину расхода, либо должны использоваться микродозаторы раствора, обеспечивающие с высокой точностью заданное значение его расхода, обзор свойств которых приведен в монографии М.П. Соколова и Л.Л. Гуревича. Автоматическое дозирование жидких сред, изд. Химия, 1997 г., 397 с.

Существенным недостатком способа - прототипа является его неудовлетворительная точность, вызванная отсутствием в настоящее время технических средств контроля расхода и дозирования раствора, обладающих необходимыми для его реализации точностными и эксплуатационными характеристиками. Поскольку диаметры капель в потоке не должны отклоняться от номинального значения более чем на несколько процентов, контроль за значением расхода раствора должен вестись с точностью того же порядка. Однако аппаратура, предназначенная для оперативного наблюдения за траекторией потока капель и их размерами (телевизионные камеры, мониторы), даже при использовании стробоскопического эффекта и компьютерной обработки сигнала, не обладает требуемой разрешающей способностью и, кроме того, по своим эксплуатационным характеристикам не может применяться для технологического контроля в боксах и горячих камерах радиохимических производств.

Целью настоящего изобретения является разработка такого способа контроля, который бы наиболее полно удовлетворял изложенным выше требованиям.

Поставленная цель достигается тем, что расход раствора Q, характеризующий скорость его истечения из капилляра, определяют, измеряя среднее значение частоты следования капель в потоке, f_n по формуле
Q = 1.57•D_k ³•f_n, см³/с,
где D_k - диаметр сопла, и, кроме того, при ведении технологического процесса измеряют отклонение ΔD_i размеров капель от номинального значения по формуле

где D_s - номинальное значение диаметра капель;
D_si - действительное значение диаметра капель;
t_n - номинальное значение временного интервала между каплями, t_n=1/f_n;
t_i - действительное значение временного интервала между каплями.

Частоту следования капель и временные интервалы между ними определяют, измеряя временное распределение электрических сигналов на выходе датчика инфракрасного излучения, на который направлен коллимированный поток инфракрасного излучения, пересекаемый в поперечном направлении каплями раствора.

В этом случае f_n - средняя частота следования импульсов электрического сигнала, a t_i - величина временного интервала между импульсами.

Таким образом, существенной новизной предлагаемого способа контроля является использование в качестве параметра, характеризующего ход технологического процесса, не геометрических характеристик потока, отражающих особенность траектории струи, истекающей из форсунки в горизонтальном направлении, как это принято в способе - прототипе, а динамической характеристики потока - временных интервалов между составляющими его капелями, независимо от направления истечения раствора из форсунки.

Предлагаемый способ основан на том, что при осесимметричном распаде струи, истекающей из форсунки, образующиеся капли имеют близкие размеры, не зависящие ни от скорости истечения, ни от вязкости раствора. В работе Г. Ламба (Гидродинамика, М., ОГИЗ, 1947 г., 928 с.) показано, что при истечении жидкости из форсунки возникают капиллярные волны длиной λ=4,508D_k, где D_k - диаметр сопла форсунки. Эти волны и вызывают распад струи на капли близкого размера, номинальное значение диаметра которых, D_s, можно определить, приравнивая объем капли объему цилиндра диаметром D_k и высотой λ. Определенный таким образом диаметр капли D_s=1,89D_k.

Однако действительный диаметр капли из-за различного рода флуктуационных явлений близок к расчетному только в случае применения устройства формирования, воздействующего на струю тем или иным способом с резонансной частотой f_r. При отклонении частоты от указанного резонансного значения размеры капель могут значительно отличаться от расчетного значения. При этом сопутствующим признаком нарушения условий формирования монодисперсности капель является появление разброса временных интервалов между ними. Таким образом, контролируя действительное значение временного интервала между каплями t_i по величине его отклонения от номинального значения, равного t_n=1/f_n, можно определить с заданной точностью отклонение диаметров капель D_i от номинального значения D_s в соответствии с приведенными выше формулами.

B этом случае контроль процесса диспергирования сводится к контролю временных интервалов между каплями потока и измерению частоты следования капель, а управление этим процессом - к поддержанию равенства f_r=f_n путем соответствующего изменения f_r устройства диспергирования.

Способ контроля временных интервалов наиболее прост в реализации при использовании эффекта модулями коллимированного светового потока, падающего на приемник светового излучения, каплями раствора, пересекающими этот поток в поперечном направлении. Наибольший положительный эффект дает применение для этой цели инфракрасного излучения (ИИ) из-за его высокого поглощения каплями водного раствора. Кроме того, в этом случае устраняется влияние подсветки приемника излучения осветительными приборами, расположенными вблизи диспергатора.

Электрический сигнал на выходе приемника ИИ представляет собой последовательность электрических импульсов. Измерение временных интервалов и частоты следования этих импульсов возможно с помощью относительно несложных электронных устройств с любой заданной точностью.

Сказанное выше иллюстрируется полученными с помощью быстродействующей цифровой фотокамеры кадрами фотографий пространственного распределения капель в потоке для разных ситуаций, приведенными на фиг.1.

На кадре "а" показано начало образования капель вследствие распада струи для случая f_r≠f_n. Заметны отличия и в размерах капель и в интервалах между ними. При этом разные капли при распаде приобретают отличающиеся скорости и направления.

Следствием является постепенное рассеивание потока капель, возможны слияния сталкивающихся капель. Это видно на кадре "б", показывающем пространственное распределение потока капель для того же случая на расстоянии l от сопла, равном l=300D_k.

При таком распределении капель конечная продукция будет бракованной.

На кадре "в" показано распределение потока капель на том же расстоянии в процессе настройки диспергатора, а на кадре "г" - после его завершения, т.е. при достижении равенства f_r=f_n.

Из приведенных кадров видно, что временной интервал между каплями потока (он пропорционален расстоянию между ними) является наиболее представительной информацией, по которой можно с заданной степенью точности контролировать ход технологического процесса.

На фиг. 2 приведена блок-схема установки контроля хода технологического процесса диспергирования, в которой реализуется предлагаемый способ контроля.

Поток капель, создаваемый диспергатором 1, в состав которого входит и устройство формирования, пересекает коллимированный поток ИИ, создаваемый ИИ-излучателем 2, падающий на детектор инфракрасного излучения 3. Электрический сигнал с выхода детектора поступает на формирователь импульсов 4, а с его выхода - на измеритель средней скорости счета 5 и на электронное устройство 6, выполняющее вычисление величины отклонения диаметра капель от номинального размера (ΔD_i).
Для выполнения этой операции на его второй вход поступает сигнал от измерителя средней скорости счета 5.

С выходов 7 и 8 установки на устройства индикации и управления поступают сигналы, соответствующие величинам расхода раствора и отклонению диаметра капель.

При настройке диспергатора его частота первоначально устанавливается равной расчетному значению f_r, а затем, поскольку точное заданное значение расхода, соответствующее этой частоте, установить технически сложно, подстраивается для выполнения равенства f_r=f_n. Критерием точности настройки при этом служит установление равенства всех временных промежутков между каплями, т.е. выполнение условия t_n=t_i с точностью не хуже 5%.

Это обеспечивало расчетное отклонение диаметров капель от номинального размера не более чем на несколько процентов (точное измерение диаметров капель в процессе формирования невозможно и из-за отсутствия средств контроля с соответствующей разрешающей способностью и, главным образом, из-за деформаций формы капель при их пролете в воздушной среде).

В действующем макете установки диаметр отверстия форсунки был выбран равным 0,35 мм, расход водного раствора - 0,5 л/ч, чему соответствует Q= 0,139 см³/с. Номинальное значение диаметра капель составляло D_s=0,66 мм и по оценкам косвенными средствами совпадало с полученным значением.

В качестве источника ИИ использовался светодиод инфракрасного диапазона АЛ307А, а в качестве детектора ИК - фотодиод типа ФД-263. Коллиматор имел щепевидную форму с размером щели 0,1•6 мм.

При указанном значении расхода частота f_n=323 Гц, а временной интервал t_n=3,1•10^-3 с.

Путем соответствующей настройки частоты модуляции, отклонение временных интервалов t_i от номинального значения t_n было сведено к величине, меньшей 5%, что обеспечивало создание монодисперсного потока капель с расчетным значением диаметра капель, отклоняющимся от номинального значения не более чем на 3%.

Таким образом, предложенный способ является существенно новым, достаточно простым в практическом осуществлении и технологичным, позволяя свести к минимуму долю бракованной продукции.

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано для создания потока моноразмерных капель водного раствора. В способе частоту модуляции диспергатора предварительно настраивают в резонанс с частотой капиллярных колебаний струи, измеряют в процессе диспергирования временные интервалы между каплями в потоке, корректируя по результатам измерений частоту модуляции таким образом, чтобы величина их отклонений от номинального значения не превышала некоторого допустимого значения. Величину номинального значения временного интервала контролируют, измеряя частоту следования капель в потоке. Временные интервалы и частоту следования капель в потоке определяют, измеряя временное распределение электрических сигналов на выходе детектора инфракрасного излучения, на чувствительную поверхность которого направлен коллимированный поток инфракрасного излучения, пересекаемый в поперечном направлении каплями раствора. Техническим результатом изобретения является возможность своевременного воздействия на ход технологического процесса. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля процесса диспергирования истекающей из форсунки струи раствора в моноразмерные капли, включающий наблюдение за его ходом и управление режимом работы диспергатора, отличающийся тем, что частоту модуляции диспергатора предварительно настраивают в резонанс с частотой капиллярных колебаний струи f_r, измеряют в процессе диспергирования временные интервалы между каплями в потоке t_i, корректируя по результатам измерений частоту модуляции таким образом, чтобы величина их отклонений Δt_i от номинального значения t_n, равная Δt_i = (t_n- t_i)/t_n, не превышала предельного значения Δt_im, вычисляемого по формуле Δt_im = 3ΔD_im, где ΔD_im - максимально допустимое отклонение диаметра капли D_im от номинального значения D_n, ΔD_im = (D_n- D_im)/D_n, t_n= 1,57D_k ³/Q, с, где D_k- диаметр отверстия форсунки, см, Q - расход раствора, истекающего из форсунки, см³/с, величину которого контролируют, измеряя частоту следования капель в потоке. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что временные интервалы и частоту следования капель в потоке определяют, измеряя временное распределение электрических сигналов на выходе детектора инфракрасного излучения, на чувствительную поверхность которого направлен коллимированный поток инфракрасного излучения, пересекаемый в поперечном направлении каплями раствора.