原位洗气取样装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种原位洗气取样装置，其包括外壳、内壳、气体管线和液体管线；所述外壳套叠在内壳外部，内壳将外壳内的收容空间间隔为夹层空间和内层空间；夹层空间的上部与外界大气相通，底部则通过设置在内壳底部的气体分散装置与内层空间连通；气体管线和液体管线分别与内层空间连通，所述气体管线和液体管线为彼此独立的管线，二者的外端接口分别连接至不同的后端装置。与现有技术相比，本实用新型原位洗气取样装置的气体管线和液体管线为独立管线，无需专门设计气相流量限制孔板和气液分离装置，进而减少了对后端装置的配置要求，也降低了运行和控制的复杂性。
【专利说明】原位洗气取样装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及气体分析领域，尤其涉及一种原位洗气取样装置。
【背景技术】
[0002]在核电厂发生堆芯损坏的严重事故后，堆芯损毁过程中伴随着向安全壳内释放各种气态裂变产物，这些裂变产物最终以气溶胶等形态存在于安全壳大气内。为了判断堆芯的损毁程度，从而有针对性地制定严重事故缓解策略，就需要对安全壳大气进行取样分析，以通过大气中的组分来分析堆芯的损坏情况。但严重事故后的安全壳内环境恶劣，不具备可达性，因此，需要气体取样装置来进行安全壳内的气体取样。
[0003]请参阅图1，现有的第一种事故后安全壳内取样装置的核心部件是文丘里喷射器10，喷射器10的喉部连接有一根从安全壳12内气体空间伸出的气体取样管线14。喷射器10的主推进介质为压缩氮气，自氮气供给装置16喷出并高速流动的氮气在喷射器10的喉部产生“负压”，安全壳12内的气体样品在安全壳内压力和该“负压”的压差作用下，通过气体取样管线14进入喷射器10的喉部并与高速氮气一起进入气体取样瓶18，从而完成气体取样。但是，由于事故后安全壳大气中的放射性物质，如碘和惰性气体的气溶胶等，在流经气体取样管线14时极易发生沉降，沉降率最高可达90%，这无疑会严重影响所取得样品的代表性和真实性。
[0004]请参阅图2，现有的第二种事故后安全壳内取样装置则预先装设在安全壳内，其通过对气体样品进行洗涤，从而使得有效样品能够以相对稳定的液态输送到安全壳外，以解决上述第一种取样装置的缺陷。但是，这种取样装置也存在以下不足:1)需要通过设于装置底部的文丘里管20将气体样品变为气泡，使产生鼓泡效果的气体样品流经液态试剂22，才能完成洗气过程；因此，需要为该工作场合进行文丘里管20的专门设计，成本较高；2)气相管道24和液相管道26汇集成一条，为了实现液相抽吸时不夹杂气体，需要在气相管道24上专门设计流量限制孔板27以限制气相流量，还需要在气相管道24和液相管道26的连接部位专门设计气液分离装置28 ；3)专门设计的文丘里管20、气体流量限制孔板27、气液分离装置28等的使用，以及装置洗气的工艺过程，都对后端装置的配置要求较高，并且导致整个装置的运行操作相对复杂。以上几点都提高了第二种事故后安全壳内取样装置的生产成本，并且使其运行方式趋于复杂。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于:提供一种结构简单、成本低廉的原位洗气取样装置，以避免有效成分沉降导致的取样代表性差问题，同时减少对后端装置的配置要求，降低装置运行和控制的复杂程度。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型提供了一种原位洗气取样装置，其包括外壳、内壳、气体管线和液体管线；所述外壳套叠在内壳外部，内壳将外壳内的收容空间间隔为夹层空间和内层空间；夹层空间的上部与外界大气相通，底部则通过设置在内壳底部的气体分散装置与内层空间连通；气体管线和液体管线分别与内层空间连通，所述气体管线和液体管线为彼此独立的管线，二者的外端接口分别连接至不同的后端装置。
[0007]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述气体分散装置为静态混合器，其设置在整个内壳的最低点。
[0008]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述气体管线将内端接口设置在内壳的顶部而与内层空间的顶部连通。
[0009]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述液体管线伸入内壳的底部而与内层空间的底部连通。
[0010]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述内层空间的容积大于夹层空间的容积。
[0011]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述内壳和外壳为同心的柱状结构，二者的底部均为锥形结构。
[0012]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述气体分散装置设置在内壳锥形结构的尖端。
[0013]作为本实用新型原位洗气取样装置的一种改进，所述外壳在靠近其顶部的周壁上开设若干通孔，这些通孔位于同一水平高度；夹层空间的上部通过外壳的通孔和外界大气相通。
[0014]与现有技术相比，本实用新型原位洗气取样装置的气体管线和液体管线为独立管线，无需专门设计气相流量限制孔板和气液分离装置，进而减少了对后端装置的配置要求，也降低了运行和控制的复杂性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】，对本实用新型原位洗气取样装置及其有益效果进行详细说明。
[0016]图1为现有的第一种气体取样装置的基本原理示意图。
[0017]图2为现有的第二种气体取样装置的基本原理示意图。
[0018]图3为本实用新型原位洗气取样装置的结构示意图。
[0019]图4至图9为使用本实用新型原位洗气取样装置进行洗气取样的过程示意图。
【具体实施方式】
[0020]为了使本实用新型的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和【具体实施方式】，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的【具体实施方式】仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。
[0021]请参阅图3，本实用新型原位洗气取样装置包括外壳30、内壳40、气体管线50和液体管线60 ;其中，外壳30套叠在内壳40的外部，内壳40将外壳30内的收容空间间隔为相对独立的夹层空间32和内层空间42 ;气体管线50和液体管线60分别与内层空间42连通。
[0022]外壳30的主体为圆柱形，底部则收缩为圆锥形。外壳30在靠近其顶部的周壁上开设若干通孔34，这些通孔34位于同一圆周上；夹层空间32的上部通过通孔34和外界大气相通。
[0023]内壳40的形状与外壳30相似，也是底部收缩为圆锥的圆柱形结构，但内壳的40各部分直径都小于外壳30,因此可以以同心的方式套叠在外壳30的内部,并与外壳30共用一个顶壁；夹层空间32和内层空间42的容积可以通过设计或测量得到，但内壳40的尺寸设计需保证内层空间42的容积大于夹层空间32的容积。内壳40在最底部的圆锥尖处设置有一个贯穿壳壁的气体分散装置44，从而使得夹层空间32和内层空间42通过气体分散装置44彼此连通。为了降低后端装置的配置要求和操作复杂程度，气体分散装置44优选为静态混合器。内壳40的顶壁上开设有两个分别与气体管线50和液体管线60相适配的开孔。
[0024]气体管线50和液体管线60分别通过开设在内壳40的顶壁上的对应开孔与内层空间42连通。气体管线50的端部不穿过或仅有一小段穿过内壳40的顶壁，因此气体管线50连通的是内层空间42的顶部，以便于向内壳40中鼓入氮气等惰性气体以及抽取气体样品。液体管线60的端部穿过顶壁并伸入内壳40底部靠近气体分散装置44处，因此液体管线60连通的是内层空间42的底部，以便于向内壳40中注入洗气试剂以及抽取液体样品。为了保证液相抽吸时不夹杂气体，气体管线50和液体管线60设置为无连接且不汇集的独立管线，二者通过各自的外端接口分别与不同的后端装置连接。
[0025]安装时，将本实用新型原位洗气取样装置预先垂直装设在安全壳内，并使气体管线50和液体管线60穿过安全壳而分别与后端装置连接；此时，夹层空间32的上部即可通过通孔34和安全壳内的大气相通。当需要对安全壳大气进行取样分析时，例如核电厂发生堆芯损坏的严重事故后，通过以下步骤使用本实用新型原位洗气取样装置进行气体取样:
[0026]I)装填液体试剂:请参阅图4，通过液体管线60向内壳40充入液体试剂70，部分液体试剂70通过气体分散装置44进入夹层空间32而使夹层空间32和内层空间42的液位水平；液体试剂70的充入量应不小于夹层空间32的容积(此容积已通过设计或测量得到)，操作时可以通过计量泵(如齿轮泵)来定量保证充入量；
[0027]2)获得定量液体试剂:请参阅图5，关闭液体管线50，通过气体管线50向内壳40中鼓入氮气72等惰性气体，通过计量或者经过充分的鼓气时间，保证内壳40中的液体试剂70被氮气72挤压出内层空间42而全部进入夹层空间32，超过夹层空间32容积的过量液体试剂70将从外壳30上部的通孔34自动溢出，从而获得定量的液体试剂70 ；
[0028]3)洗气和气体取样:请参阅图6，通过气体管线50的外部接口进行抽吸，在安全壳内的原始样品环境和气体管线50外部接口之间建立压差，在压差驱动下，原始样品74经过外壳30的通孔34进入夹层空间32而将其中的液体试剂70挤压进入内壳40 ;当液体试剂70充分进入内层空间42后，原始气体样品74开始通过气体分散装置44进入内壳40，此过程中，气体分散装置44将使原始气体样品74分散成细小气泡，这些细小气泡在重力和与液体试剂70的密度差作用下分散上升，经由液体试剂70后进入内壳40上部的气相空间，并最终被输送至气体管线50的外部接口进行取样；在气体管线50分散上升的过程中，其中携带的气溶胶、粉尘及其它需要溶入液体试剂70的组分将充分溶入内壳40中的定量液体试剂70中；事实上，通过气体管线50外部接口下游的计量手段，可以测得完成洗气过程的气体样品总量，从而根据需要停止洗气过程，并获得能够代表原始气体样品74组分比例的液体试剂样品76 ；
[0029]4)壁面附着物清洗:请参阅图7，由于步骤3)的洗气过程中，原始气体样品74在经过夹层空间32进入气体分散装置44的过程中，其携带的易沉降的组分可能会附着在夹层空间32的壁面(也就是外壳30的内壁和内壳40的外壁)上，从而使得步骤3)制作的液体试剂样品76失去代表性，因此必须对这些附着物进行清洗再溶解，才能获得真正意义上准确的有代表性的液体试剂样品；此步骤的具体工作过程与第二步相近，即通过气体管线50向内壳40中鼓入气体，将步骤3)制得的液体试剂样品76再次挤压进夹层空间32，并通过持续鼓气一段时间，使得壁面附着物充分溶解进液体试剂样品76中；在此过程中，鼓入的气体可以是步骤3)洗气取样时在后端收集的过量废气，从而使废气重新返回原始取样空间中，避免其对外界环境造成污染或者增加无害化处理负担；由于鼓入的气体经过气体分散装置44时会被分散形成鼓泡效果，同样可以促进壁面附着物的溶解效果；需要指出的是，由于步骤3)制备的液体试剂样品76的总量与夹层空间32的容积相当，因此附着物溶解过程中不会有液体试剂样品76自外壳30的通孔34流出，而且该过程中与外壳30气相空间接触的壁面上的附着物不会被溶入液体试剂样品76中，因为气流组织的原因，这些附着物并非步骤3)洗气过程中被洗涤气体所携带的易沉降组分；
[0030]5)试剂样品液面恢复:请参阅图8，停止向内壳40内鼓入气体，使夹层空间32内的部分液体试剂样品76在压力和重力的作用下，通过气体分散装置44液体返回到内壳40的内层空间42中，直至内层空间42和外层空间32的液面持平，从而为下一步的液体试剂样品76抽取做好准备；
[0031]6)液体试剂样品抽取:请参阅图9，关闭气体管线60，通过液体管线60的外部接口进行抽吸，液体试剂样品76将在原始气体样品环境压力和液体管线60外部接口之间的压差作用下，从液体管线60中流出，使得检测者可以从外部接口获得所需的液体试剂样品76 ;需要指出的是，该取样过程在获得必要的液体试剂样品76后应及时中止(取样量可通过后端装置上的流量计量装置进行监测)，以避免内壳40底部的气体分散装置44裸露或者液体管线60下端裸露，从而导致液体试剂样品76再次洗气或者液体管线60中吸入气体；
[0032]7)原位洗气取样装置的清洗:在完成步骤6)的液体试剂样品76抽取后，可通过与步骤I)类似的过程，向本实用新型原位洗气取样装置内注入清水，对内壳40和外壳30的相关壁面进行清洗，以便为下一个洗气取样过程做好准备。
[0033]通过以上描述可知，本实用新型原位洗气取样装置是通过在装置内装填特殊的取样试剂,并使气体样品经过特殊结构流经取样试剂完成清洗,从而使得需要监测的气溶胶或其它组分以稳定的形态滞留在取样试剂中，进而对取样试剂进行分析来替代对气体样品的直接分析。因此，可以通过将该原位洗气取样装置预先装设在原始样品所在的场所，并通过外端接口与人员可达的外部环境相连，从而通过后端装置与接口的组合，完成对原始样品的取样，有效地解决了人员不可达的问题。可见，本实用新型不仅适用于上述核电厂事故后安全壳内大气的取样，而且同样适用于其它电厂、化工、矿山等领域或研究院所等有原位气体取样需求的场合。
[0034]需要说明的是，由于后端装置主要是配合本实用新型原位洗气取样装置的功能要求，通过本实用新型设置的外端接口提供必要的气体和液体输送功能，其具体配置可以是不同的型式，并且通过现有技术即可实现，因此本实用新型不再对其进行详细说明。再者，虽然上述洗气步骤是以液体试剂为例进行说明的，但具体使用的取样试剂类型和成分可以依据应用场合不同而有所不同，考虑到与取样试剂的兼容性，本实用新型原位洗气取样装置各组成部分的材料也因应用场合不同而有所不同，因此有关取样试剂和装置材料的选择不在本专利要求中进行特殊说明。
[0035]另外，虽然在图3所示实施方式中，本实用新型原位洗气取样装置的内壳40和外壳30做成了同心圆筒结构，但在其他实施方式中，二者的形状和组装方式都可以有所变化，只要能共同形成有间壁、并通过气体分散装置44相连的两个独立空间即可。另外，内壳40和外壳30底部制作成圆锥形结构是为了有利于在气体清洗时，预先定量的液体试剂70的绝大部分可以进入内壳40参与洗气过程，以保证样品组分计算的准确性，同时保证内壳40参与洗气的液体试剂的均一性，事实上，只要将二者的连接处制作成横截面积较小的结构，即可实现该功能。
[0036]与现有技术相比，本实用新型原位洗气取样装置至少具有以下有益效果:
[0037]I)可预先安装，无原始取样环境可达性要求，解决了原始样品所在环境恶劣，人员难以到达的问题；
[0038]2)通过在装置内装填液体试剂70对原始气体样品进行原位洗气，使原始气体样品74中易沉积、附着的组分滞留在液体试剂70中形成物性稳定的试剂样品76，并将滞留了有代表性组分的液体试剂样品76输送至人员可达区域进行后端分析，从而避免了气体样品74在取样管线输送过程中的有效成分沉降导致取样失真的问题；
[0039]3)可定量充入液体试剂70，并能够对附着物进行反流清洗，从而准确提供代表原始气体样品信息的试剂样品76 ；
[0040]4)气体管线50和液体管线60为彼此独立管线，无需专门设计气相流量限制孔板和气液分离装置，进而减少了对后端装置的配置要求，也降低了运行和控制的复杂性；
[0041]5)采用静态混合器作为气体分散装置44，具有成本低廉、无需专门设计的优点，降低了设计和制造成本；
[0042]6)整个装置结构简单，无能动部件，因此工作更为可靠。
[0043]根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
【权利要求】
1.一种原位洗气取样装置，包括外壳、内壳、气体管线和液体管线；所述外壳套叠在内壳外部，内壳将外壳内的收容空间间隔为夹层空间和内层空间；夹层空间的上部与外界大气相通，底部则通过设置在内壳底部的气体分散装置与内层空间连通；气体管线和液体管线分别与内层空间连通，其特征在于：所述气体管线和液体管线为彼此独立的管线，二者的外端接口分别连接至不同的后端装置。
2.根据权利要求I所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述气体分散装置为静态混合器，其设置在整个内壳的最低点。
3.根据权利要求I所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述气体管线将内端接口设置在内壳的顶部而与内层空间的顶部连通。
4.根据权利要求I所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述液体管线伸入内壳的底部而与内层空间的底部连通。
5.根据权利要求I所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述内层空间的容积大于夹层空间的容积。
6.根据权利要求I所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述内壳和外壳为同心的柱状结构，二者的底部均为锥形结构。
7.根据权利要求6所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述气体分散装置设置在内壳锥形结构的尖端。
8.根据权利要求I所述的原位洗气取样装置，其特征在于：所述外壳在靠近其顶部的周壁上开设若干通孔，这些通孔位于同一水平高度；夹层空间的上部通过外壳的通孔和外界大气相通。
【文档编号】G01N1/22GK204043966SQ201420489152
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】王耀东, 王争光 申请人:中广核工程有限公司, 中国广核集团有限公司