Устройство для отбора проб расплавленного металла Российский патент 2017 года по МПК G01N1/00 

Изобретение относится к устройствам для взятия проб в жидком или текучем состоянии и может быть использовано в ядерных реакторах для отбора проб жидкометаллического теплоносителя.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является устройство для отбора проб в жидком или текучем состоянии, содержащее емкость для фиксации пробы с отверстием в днище, воздушную трубку с клапаном и механизм перемещения емкости, при этом емкость снабжена крышкой, соединенной с воздушной трубкой таким образом, что полость трубки сообщается с полостью емкости через крышку (погружной цилиндр точечного пробоотбора «Таргет», каталог оборудования http://millab.ru/equipments/tsilindr target/, опубл. 1996).

В известном устройстве через отверстие днища проходит трубка с зазором относительно внутренней поверхности емкости. Трубка является трактом поступления пробы в емкость, а кольцевой зазор между ней и внутренней поверхностью емкости - объемом фиксации пробы.

Известное устройство используют следующим образом.

Емкость (цилиндр) погружают в жидкость на заданную глубину с помощью механизма перемещения. В данном случае механизм перемещения представляет собой катушку, на которую намотана воздушная трубка с закрытым клапаном, поэтому погружение емкости осуществляют путем разматывания воздушной трубки. По достижении заданной глубины погружения цилиндр останавливают, клапан на воздушной трубке открывают. После открытия клапана давление воздуха в трубке стремится сравняться с атмосферным, а давление жидкости в точке отбора - выше атмосферного на величину гидростатического давления в этой точке. За счет разности давлений в воздушной трубке и в точке отбора пробы жидкость начинает поступать по трубке в полость цилиндра, скапливаясь и фиксируясь в зазоре. Затем емкость извлекают, крышку отвинчивают, пробу направляют для анализа ее состава.

Однако в случае отбора пробы жидкого металла, например жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора, применение известного устройства вызовет ряд неудобств. Как отмечено выше, после открытия клапана давление воздуха внутри цилиндра стремится сравняться с атмосферным, а давление жидкости в точке отбора - выше атмосферного. Если цилиндр погружен под уровень жидкости на глубину, превышающую его высоту, то жидкость, заполнив цилиндр, попадает и в воздушную трубку. Если отбираемой жидкостью является расплавленный металл, то он может застыть в воздушной трубке. При застывании же металла в воздушной трубке сообщение полостей прекращается, а следовательно, последующие процедуры отбора пробы будут возможны только после прочистки воздушной трубки от застывшей в нем пробы. Кроме того, при транспортировке пробы к месту извлечения ее из цилиндра с отклонением его оси от вертикального положения часть пробы будет выливаться через трубку вниз. Такая ситуация возможна при перемещении цилиндра по наклонному каналу в корпусе реактора, который могут выполнить таким с целью исключения прямого прострельного излучения из реактора за его пределы через канал или из-за затесненности пространства на крышке реактора другим оборудованием.

Таким образом, недостатками известного устройства является сложность в эксплуатации при отборе проб расплава металла, обусловленная возможностью затекания пробы в воздушную трубку с последующим ее перекрытием, что приведет к дополнительным манипуляциям по очистке трубки для последующих отборов проб, и проблемами при транспортировке пробы в наклонном положении из-за возможности вытекания пробы из цилиндра.

Технической проблемой настоящего изобретения является отбор проб расплавленного металла, в том числе, жидкометаллического теплоносителя ядерного реактора.

Техническим результатом изобретения является исключение закупорки полости трубки застывающим металлом и возможности вытекания пробы в процессе транспортировки.

Технический результат достигается тем, в устройстве для отбора проб в жидком или текучем состоянии, содержащем емкость для фиксации пробы с крышкой и отверстием в днище, воздушную трубку с устройством контроля давления, полость которой сообщена с полостью емкости через крышку, и механизм перемещения емкости, внутри емкости размещен запирающий элемент для перекрытия проходного сечения воздушной трубки с возможностью его перемещения по высоте емкости вместе с уровнем жидкости за счет того, что запирающий элемент выполнен из материала, плотность которого меньше плотности отбираемой жидкости, а отверстие в днище емкости выполнено диаметром, меньшим диаметра капли отбираемой жидкости. Кроме того, запирающий элемент может быть профилирован по форме крышки.

Совокупность заявленных признаков позволит предотвратить попадание пробы в полость воздушной трубки и использовать устройство для отбора жидкого металла без дополнительных затрат на прочистку трубки, так как запирающий элемент исключит сообщение полостей трубки и емкости по достижении требуемого уровня пробы, а отверстие в емкости диаметром, меньшим диаметра отрыва капли отбираемой жидкости при заданном перепаде давления, обеспечит невытекание пробы из емкости за счет действия сил поверхностного натяжения и постоянство уровня пробы при транспортировке емкости, а значит и плотный контакт элемента с воздушной трубкой с целью перекрытия ее проходного сечения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено устройство для отбора проб (продольный разрез).

Устройство содержит емкость для фиксации пробы 1, воздушную трубку 2, полость которой сообщена с полостью емкости 1, и механизм перемещения 3 емкости 1.

Емкость 1 выполнена, например, в виде полого цилиндра, один конец которого снабжен крышкой 4, а второй - днищем с отверстием, диаметр которого меньше диаметра отрыва капли отбираемой жидкости. Сообщение полости трубки 2 с полостью емкости 1 осуществлено через крышку 4. Внутри цилиндра 1 размещен запирающий элемент 5 с возможностью перемещения по высоте за счет изменения уровня пробы, материал которого имеет плотность меньше плотности отбираемой жидкости. Запирающий элемент 5 герметизирует емкость 1 по уплотняющей поверхности крышки 4. Например, шарик и конусная крышка.

Механизм перемещения 3 емкости 1 представляет собой катушку, на которую намотана трубка 2. На конце трубка 2 снабжена механизмом контроля давления, функцию которого в данном случае выполняет клапан 6. В другом варианте исполнения устройства отбора пробы механизм контроля давления может быть выполнен в виде вакуум-насоса.

Устройство работает следующим образом.

Емкость 1 путем вращения механизма перемещения 3 - катушки - и разматывания трубки 2 погружают в жидкометаллический теплоноситель.

Для отбора и удержания пробы после погружения емкости 1 нижним концом в расплав внутри трубки 2 создают и поддерживают давление, отвечающее условию:

Для предотвращения затекания пробы из емкости 1 в трубку 2 должно выполняться условие:

где

p₁ - давление в точке отбора пробы, Па;

σ - коэффициент поверхностного натяжения расплава, Н/м;

d₀ - диаметр отверстия в дне емкости, м;

d_гер - гидравлический диаметр щели, остающейся между крышкой и герметизирующим элементом после уплотнения, м;

ρ - плотность расплава, кг/м³;

h - высота заполняемой расплавом части емкости, м;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Таким образом, после погружения емкости 1 под уровень теплоносителя выполняют снижение давления в трубке 2 до требуемой величины, и через отверстие в днище емкости 1 в ее полость начинает поступать расплав за счет возникшего перепада давления. С увеличением уровня пробы в емкости 1 поднимается запирающий элемент 5, который, в итоге, упирается в крышку 4 и перекрывает сообщение полости трубки 2 с полостью емкости 1. Металл прекращает поступать внутрь емкости 1, после чего ее извлекают из реактора. Запирающий элемент 5 может иметь выступающую над уровнем пробы часть, которая профилирована по форме крышки 4, что упрощает достижение контакта элемента 5 с уплотняющей поверхностью крышки 4.

При транспортировке пробы для поддержания плотного контакта элемента перекрытия 5 с трубкой 2 необходимо обеспечить постоянство уровня пробы внутри цилиндра. В противном случае, при снижении уровня пробы, элемент 5 также будет опускаться, и расплавленный металл пробы может проникнуть в трубку 2 при отклонении емкости от вертикали и/или при резком изменении перепада давления р₁ - р₂. Отверстие в днище емкости 1, диаметр которого меньше диаметра капли отбираемой жидкости, позволяет удерживать отобранную пробу внутри емкости 1 при транспортировке благодаря силе поверхностного натяжения расплава из известного из уровня техники условия отрыва капли, поддерживая, тем самым, постоянство уровня пробы и плотного контакта элемента 5 с концевым отверстием трубки 2.

После извлечения емкости 1 из реактора и охлаждения пробы до ее застывания крышку 4 емкости 1 отворачивают, а емкость 1 с пробой перемещают в лабораторию, где пробу извлекают и проводят анализ.

В частном случае отбора пробы свинца емкость 1 и элемент 5 изготавливают из сталей, так как на них образуется пассивирующее оксидное покрытие. Отбираемый расплав имеет низкую адгезию к поверхностям емкости для фиксации пробы 1 и запирающего элемента 5, поэтому после извлечения пробы на стенках емкости 1 и на поверхности элемента 5 не остается значительного количества застывшего расплава. Остатки пробы могут быть отмыты с их поверхностей специальными химическими препаратами и данные элементы устройства могут использоваться повторно.

Изобретение относится к устройствам для взятия проб в жидком или текучем состоянии и может быть использовано в ядерных реакторах с жидкометаллическим теплоносителем для отбора проб расплавленного теплоносителя. Устройство содержит емкость для фиксации пробы 1, воздушную трубку 2, полость которой сообщена с полостью емкости 1, и механизм перемещения 3 емкости 1. Емкость 1 выполнена с крышкой 4 и днищем с отверстием, диаметр которого меньше диаметра капли отбираемой жидкости. Сообщение полости трубки 2 с полостью емкости 1 осуществлено через крышку 4. Внутри цилиндра 1 размещен запирающий элемент 5, материал которого имеет плотность меньше плотности отбираемой жидкости, за счет чего он имеет возможность перемещения по высоте при изменении уровня пробы в емкости 1. Изобретение позволяет исключить закупорку полости трубки застывающим металлом и возможность вытекания пробы в процессе транспортировки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для отбора проб в жидком или текучем состоянии, содержащее емкость для фиксации пробы с крышкой и отверстием в днище, трубку с устройством контроля давления, полость которой сообщена с полостью емкости через крышку, и механизм перемещения емкости, отличающееся тем, что внутри емкости размещен запирающий выходное сечение трубки элемент с возможностью его перемещения по высоте за счет изменения уровня пробы, при этом элемент перекрытия выполнен из материала, плотность которого меньше плотности отбираемой жидкости, а отверстие в днище емкости выполнено диаметром, меньшим диаметра капли отбираемой жидкости.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элемент перекрытия профилирован по форме крышки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость и элемент перекрытия выполнены из стали.