Эффект самобалансировки

Эффект самобалансировки можно наблюдать у центрифуг, предназначенных для отжимания белья. При наборе оборотов центрифугу сначала начинает трясти, потом проходит пик тряски, тряска уменьшается, и центрифуга выходит на рабочие обороты.

В случае, если бельё расположено слишком неравномерно, эффект самобалансировки может не наступить. В этом случае выход на рабочие обороты становится невозможным - центрифуга идёт в «разнос» (начинает задевать барабаном за корпус, издавая стуки).

Эффект самобалансировки основан на том, что тело, не имеющее жёстко заданной оси вращения, вращается относительно своего центра масс (к примеру, если раскрутить лежащую на столе шариковую ручку, или мобильный телефон).

Технически это реализуется эластичным подвесом барабана центрифуги (часто вместе с приводным электродвигателем) к основному корпусу устройства. Эластичный подвес (как правило, резиновые демпферы) даёт возможность барабану центрифуги смещаться в радиальном направлении (в любую сторону) до нескольких сантиметров. Наклон и осевые смещения при этом фиксируются относительно жёстко.

При вращении барабан стремится вращаться относительно своего центра масс, смещая ось привода на некоторый радиус (равный расстоянию от оси до центра масс). Если это расстояние укладывается в ход эластичного подвеса, барабан центрифуги вращается относительно своего центра масс, а ось привода (и подвес) движется по окружности, которую при этом описывает центр барабана. (Ввиду малого диаметра окружности и большой частоты вращения зрительно это движение воспринимается как вибрация). При изменении положения центра масс (неравномерный отжим воды) барабан начинает вращаться относительно этого нового центра, а ось привода и подвес - «сопровождать» изменённые круговые движения центра барабана.

Самобалансировку, как правило, применяют в центрифугах с вертикальным барабаном (проще устройство подвеса и возможно предварительное равномерное расположение материала), однако этот эффект (в некоторой степени) также применяется в стиральных машинах-автоматах - в них эластично подвешивается не барабан и его привод, а весь бак, что возможно благодаря меньшему числу оборотов барабана. При отжиме бак вместе с осью барабана совершает круговые движения (видимые как вибрирование), а эластичная подвеска отделяет (и допускает) эти перемещения от основного корпуса.

Также в центрифугах (в частности, на некоторых стиральных машинах-автоматах) иногда применяется автоматическая балансировка (в процессе работы) - смещение предварительно закреплённых противовесов (под управлением электроники), для приведения центра масс барабана на геометрическую ось вращения.

Центрифуги для лабораторных целей

Центрифуги для лабораторных целей классифицируются по скорости вращения ротора или по суммарному объёму загруженных образцов.

По объёму:

Микроцентрифуги (обработка пробирок типа eppendorf, 1,5-2,0 мл каждая),
общелаборатоные центрифуги (суммарный объём образца около 0,5 л),
специализированные центрифуги повышенного объема (обычно до 6 л). Примером специализированных центрифуг служат центрифуги для обработки крови. Устройство такой центрифуги узко специализировано под одну задачу - вращение полиэтиленовых контейнеров с кровью. У такой центрифуги мотор повышенной мощности, однако скорость вращения ротора значительно ниже чем у аналогичной по энергопотреблению центрифуги.

Следует иметь в виду, что объём образца для центрифуги рассчитывается при допущении что его плотность равна 1 г/см², если плотность образца выше 1,2 г/см² требуется уменьшить объём обрабатываемого материала, иначе центрифуга может сломаться.

По скорости:

Микроцентрифуги (обработка пробирок eppendorf, обычно не требует высоких скоростей) - скорость до 13 400 об/мин,
общелаборатоные центрифуги - обладают значительной универсальностью могут работать и с пробирками типа eppendorf и другими емкостями скорость вращения ротора от 200 об/мин до 15 000 об/мин,
центрифуги с высокой производительностью они же скоростные - решают все возможные лабораторные задачи (кроме ультрацентрифугирования); скорость вращения ротора от 1000 об/мин до 30 000 об/мин. Производство таких центрифуг освоили только две фирмы: Beckman Coulter и Hitachi
Последняя скоростная категория - ультрацентрифуги скорость вращения ротора от 2000 об/мин до 150 000 об/мин. Такие центрифуги производят тоже только Beckman Coulter и Hitachi.

По типу питания (касается Beckman Coulter):

Однофазные
Двухфазные (кабель питания содержит проводники: L1, L2, L3, N, PE, однако линия L2 отрезана, по этому центрифуги двухфазные, а не трёх фазные).

Если вы способны установить вашу центрифугу на стол, то такая центрифуга будет настольной, если центрифуга большая, имеет ножки (ролики) такая центрифуга скорее всего напольная. Напольные центрифуги требуют особого внимания при установке в связи с их значительным энергопотреблением до 30А при 220В. Подключать их можно к системе питания TT или TN-C-S. Подключение к сиcтеме TN-C потенциально опасно поражением электрическим током. Неверное подключение проводников L и N в системе TN-C неминуемо приведёт к короткому замыканию на корпус и выходу из строя центрифуги.

Наиболее известные марки производителей центрифуг: Beckman Coulter, Hitachi, Eppendorf, Sigma, OrtoAlresa, Centurion Scientific.

Ссылки

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Центрифуга" в других словарях:

Установка для центрифугирования; основной частью центрифуги является быстро вращающийся вокруг своей оси барабан (ротор). газовая центрифуга центрифуга, используемая для разделения изотопов урана в газообразном соединении UF6 с помощью сильного… … Термины атомной энергетики

- (от лат. centrum средоточие, центр и fuga бегство, бег * a. centrifuge, centrifugal machine; н. Schleuder, Zentrifuge; ф. centrifugeuse; и. centrifuge) машина для разделения пульп (суспензий) на твёрдую и жидкую фазы под действием… … Геологическая энциклопедия

центрифуга - Установка для механического разделения неоднородных систем, состоящих из двух или более фаз (суспензий, эмульсий, аэрозолей), на составные части действием центробежной силы [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя … Справочник технического переводчика

Сепаратор, центробежка, эркенсатор Словарь русских синонимов. центрифуга сущ., кол во синонимов: 11 виброцентрифуга (1) … Словарь синонимов

ЦЕНТРИФУГА, вращающееся устройство, служащее для разделения веществ. В лабораториях на центрифугах разделяют частицы суспензий, например, отделяют эритроциты (красные кровяные тельца) от плазмы крови. В пищевой промышленности центрифуги… … Научно-технический энциклопедический словарь

ЦЕНТРИФУГА, центрифуги, жен. (от лат. centrum центр и fuga бегство) (тех.). Аппарат для разделения смеси (сыпучих тел или жидкости) на составные части действием центробежной силы. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

ЦЕНТРИФУГА, и, жен. 1. Аппарат для механического разделения смеси на составные части под действием центробежной силы. 2. Устройство, создающее перегрузки под действием центробежной силы (для испытания аппаратуры, тренировки лётчиков, космонавтов) … Толковый словарь Ожегова

Аппарат для механического разделения смеси на составные части под действием центробежной силы. См. также ультрацентрифуга. (

Лабораторные центрифуги предназначены для разделения жидких образцов на фракции путем воздействия центробежной силы. Требуемый эффект достигается за счет того, что вещества осаждаются с различной скоростью, зависящей от массы и плотности входящих в их состав частиц. В результате самые тяжелые компоненты раствора скапливаются на дне емкости, легкие – на поверхности.

Область применения

Центрифуги являются обязательным элементом оснащения лабораторий:

медицинских и научно-исследовательских центров;
ветеринарных клиник;
химических, косметических и фармацевтических производств;
центров крови;
добывающих и перерабатывающих предприятий нефтяной отрасли;
сертификационных и надзорных органов;
предприятий пищевой промышленности и др.

Устройство лабораторной центрифуги

Современная лабораторная центрифуга представляют собой сложное электромеханическое устройство, основными узлами которого являются:

металлический, стойкий к коррозии корпус;
внутренняя камера;
ротор;
электродвигатель;
панель управления.

Кроме того, производители оснащают оборудование вспомогательными системами, призванными обеспечить безопасную эксплуатацию и повысить качество обработки образцов. К таковым относятся:

защита от чрезмерной вибрации, вызванной дисбалансом;
автоматическое распознавание ротора;
блокиратор крышки, препятствующий ее открытию до полной остановки двигателя и др.

Требования безопасности при работе с лабораторными центрифугами

В первую очередь необходимо точно выбрать рабочие параметры:

тип ротора и адаптера;
режим разгона и максимальную скорость;
продолжительность центрифугирования;
температурный режим;
предельную величину центробежного ускорения и т. д.

Для решения современных задач в области биохимического, генетического анализа и др. фракционирование биоматериала осуществляется на больших скоростях. Используемые для этих целей современные лабораторные микроцентрифуги британской марки Centurion Scientific отличаются исключительной надежностью и безопасностью за счет оснащения специальными технологиями защиты от случайных ошибок оператора.

Однако даже такой интеллектуальный аппарат может выйти из строя и стать потенциальным источником серьезных проблем, если не соблюдаются условия и порядок его эксплуатации. Чтобы избежать любых осложнений, следует выполнять следующие правила:

устанавливать оборудование на прочное основание строго в горизонтальном положении;
даже в условиях небольшой лаборатории не следует держать на одном столе несколько центрифуг и других приборов, чувствительных к воздействию вибрации;
в атмосфере помещения не должно быть примесей легковоспламеняющихся газов и агрессивных веществ;
корпус центрифуги следует заземлить во избежание поражения персонала электрическим током;
располагать оборудование нужно таким образом, чтобы от выхода вентиляционного отверстия до ближайшего препятствия оставалось расстояние не менее 30 см;
выходящие из центрифуги воздушные потоки не должны попадать непосредственно на людей;
все работы по установке и извлечению пробирок с образцами необходимо выполнять в резиновых перчатках, для защиты кожных покровов от воздействия химикатов;
при неполной загрузке пары пробирок должны размещаться в диаметрально противоположных ячейках ротора;
даже при использовании пробок, верхний уровень образца должен находиться не ближе 1см от края пробирки;
открытые емкости заполняются максимум на 75% от предельно допустимого объема;
перед включением двигателя следует убедиться в том, что ротор надежно закреплен на оси и вращается свободно, без заеданий и трения;
крышка рабочей камеры закрывается плотно, до щелчка, свидетельствующего о включении блокирующего устройства;
открывать отсек с ротором можно только после его полной остановки.

Запрещено:

устанавливать обороты, превышающие максимально допустимое значение для конкретного типа ротора, пробирок, исследуемых образцов;
производить какие-либо манипуляции при открытой крышке и вращающемся роторе;
загружать образцы, суммарная масса которых выше предельного значения, установленного для центрифуги или ротора;
располагать в диаметрально противоположных ячейках ротора пробирки, масса которых с учетом содержимого различается более чем на 3,5 гр;
пользоваться несертифицированными, нестандартными или самодельными пробирками;
включать центрифугу, не удалив стопорную транспортировочную гайку.

Критерии выбора

При выборе конкретной модели оборудования следует учитывать следующие моменты:

тип лаборатории – в специализированных учреждениях, например медицинских, работа ведется с определенным набором образцов: кровь, моча, слюна, пот и т.п. В научно-исследовательских центрах набор обрабатываемых материалов значительно шире, соответственно и оборудование требуется универсальное, с большим диапазоном регулировок рабочих параметров. Так, для медучреждений можно рекомендовать центрифуги Centurion Scientific серии PrO-Hospital, PrO-Cyt и PrO-PRP .

суммарный объем проб, обрабатываемый в рамках одного цикла – в составе серии оборудования производители предлагают установки различной вместимости. Если выбрать слишком большую модель, то ротор постоянно будет оставаться недозагруженным, что влечет избыточные энергозатраты, а также увеличивает риск неравномерного распределения образцов, повышенной вибрации и преждевременной поломки. Недостаточная вместимость приведет к росту временных затрат на проведение исследований, что также дает отрицательный эффект. Так, в серии центрифуг PrO-Analytical имеются модели, рассчитанные на предельный объем от 48 до 3000мл, что позволяет подобрать подходящий вариант практически для любой лаборатории.

разновидности и виды роторов – необходимо учитывать, какой тип пробирок будет применяться в процессе работы с образцами и способ исследований. Для промышленных и научно исследовательских лабораторий лучше выбирать модели центрифуг, поддерживающие максимальное количество разновидностей роторов.

Только правильно подобранная центрифуга обеспечит эффективную обработку образцов при оптимальном уровне временных и энергетических затрат.

» Для чего нужны центрифуги?

Для чего нужны центрифуги?

1362
Дата публикации: Январь 13, 2014

Центрифуги являются машинами, которые используются в лабораториях, медицинских учреждениях, и в отраслях, для того, чтобы отделить взвешенный материал от среды с которой он смешан. Эти отделения проводятся раскручивания специальных пробирок. Центробежная сила, во время раскручивания заставляет более плотный материал в суспензии проникать к стенкам контейнера, эффективно отделяясь от раствора. Эти устройства используются для разделения твердых веществ от взвешенных жидких сред, например, эти устройства являются неотъемлемым медицинским инструментом для разделения плазмы и клеток крови. Основным принципом работы центрифуги является создание центробежной силы. Например, если в центрифугу поместить пробирку с водой, то центробежная сила, создаваемая при вращении, будет вынуждать воду стремиться к основанию. Даже если центрифугу перевернутль во время ее работы, вода не покинет пробирку. Большинство центрифуг состоят из корпуса и ротора. Ротор имеет ряд отверстий вокруг его окружности, в которые, как правило, помещаются специальные пробирки (их можно ) с растворами. Как только материал будет помещен, крышка будет закрыта, машина может быть включена. После завершения цикла, ротор постепенно замедляется и затем полностью выключается, чтобы предотвратить любую турбулентность, которая может привести к повторному смешиванию. После того, как ротор остановится, образцы могут быть изъяты с ротора. В некоторых случаях центрифуга может иметь фильтр на одном конце, позволяя жидкости проходить через нее, но при этом останавливая твердые частицы в ловушке внутри трубки. Положение трубки и скорости, с которой вращается центрифуга может варьироваться в зависимости от типа устройства.

По значению фактора разделения центрифуги можно условно разделить на две группы: нормальные центрифуги (К р < 3500) и сверхцентрифуги (К р > 3500).

Нормальные центрифуги применяются главным образом для разделения различных суспензии, за исключением суспензий с очень малой концентрацией твердой фазы, а также для удаления влаги из штучных материалов. Сверхцентрифуги служат для разделения эмульсий и тонкодисперсных суспензий.

Нормальные центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. Сверхцентрифуги являются аппаратами отстойного типа и подразделяются на трубчатые сверхцентрифуги , используемые для разделения тонкодисперсных суспензий, и жидкостные сепараторы , служащие для разделения эмульсий.

Существенным признаком типа центрифуг является способ выгрузки из них осадка. Выгрузка производится вручную, при помощи ножей или скребков, шнеков и поршней, движущихся возвратно-поступательно (пульсирующих), а также под действием силы тяжести и центробежной силы.

По расположению оси вращения различают вертикальные, наклонные и горизонтальные центрифуги. Вал ротора вертикальной центрифуги имеет опору внизу или подвешивается сверху.

В зависимости от организации процесса центрифуги делятся на периодически и непрерывно действующие.

Трехколонные центрифуги. Аппараты этого типа относятся к нормальным отстойным или фильтрующим центрифугам периодического действия с выгрузкой осадка вручную.

В трехколонной фильтрующей центрифуге с верхней выгрузкой осадка (рис. V-14) разделяемая суспензия загружается в перфорированный ротор 1, внутренняя поверхность которого покрыта фильтровальной тканью или металлической сеткой. Ротор при помощи конуса 2 установлен на валу 3, который приводится во вращение электродвигателем посредством клиноременной передачи. Жидкая фаза суспензии проходит сквозь ткань (или сетку) и отверстия в стенке ротора и собирается в дне станины 4, покрытой неподвижным кожухом 5, откуда отводится для дальнейшей обработки. Осадок, образовавшийся на стенках ротора, извлекается, например, при помощи лопатки, после открывания крышки кожуха 6.

Для смягчения воздействия вибраций на фундамент станина 7 с укрепленными на ней ротором, приводом и кожухом подвешена при помощи вертикальных тяг 8 с шаровыми головками на трех расположенных под углом 120° колонках 9. Это обеспечивает некоторую свободу при вибрации ротора. Центрифуга снабжена тормозом, который может быть приведен в действие только после остановки электродвигателя.

Трехколонные центрифуги выполняются также с нижней выгрузкой осадка, что более удобно в производственных условиях.

Рассматриваемые центрифуги отличаются небольшой высотой и хорошей устойчивостью и получили распространение для проведения длительного центрифугирования.

Подвесные центрифуги . Эти центрифуги также относятся к числу нормальных отстойных или фильтрующих центрифуг периодического действия с вертикальным ротором и устройством для выгрузки осадка вручную.

На рис. V-15 показана подвесная отстойная центрифуга с нижней выгрузкой осадка. Исходная суспензия подается по трубопроводу 1 в ротор 2 со сплошными стенками, укрепленный на нижнем конце вала 3. Верхний конец вала имеет коническую или шаровую опору (часто снабженную резиновой прокладкой) и приводится в действие непосредственно соединенным с ним электродвигателем. Твердая фаза суспензии, поскольку ее плотность больше плотности жидкой фазы, отбрасывается под действием центробежной силы, к станкам ротора и осаждается на них. Жидкая фаза располагается в виде кольцевого слоя ближе к оси ротора и по мере разделения вновь поступающих порций суспензии переливается через верхний край ротора в пространство между ним и неподвижным кожухом 4. Жидкость удаляется из центрифуги через штуцер 5. Для выгрузки осадка поднимают на цепи коническую крышку 6 и проталкивают его вручную между ребрами 7, которые служат для соединения ротора с валом.

Подвесные отстойные центрифуги предназначены для разделения тонкодисперсных суспензий небольшой концентрации, что позволяет подавать суспензию во вращающийся ротор непрерывно до получения слоя осадка достаточной толщины.

В подвесных фильтрующих центрифугах удаление осадка из ротора облегчено и поэтому их используют для проведения коротких процессов центрифугирования.

Современные подвесные центрифуги полностью автоматизированы и имеют программное управление. Достоинством этих центрифуг является допустимость некоторой вибрации ротора. Кроме того, в них предотвращается попадание на опору и привод агрессивных жидкостей. В настоящее время подвесные центрифуги с выгрузкой осадка вручную постепенно заменяются центрифугами более совершенных конструкций.

В подвесных саморазгружающихся центрифугах нижняя часть ротора имеет коническую форму, причем угол наклона ее стенок больше угла естественного откоса получаемого осадка. При таком устройстве ротора осадок сползает с его стенок при остановке центрифуги.

Для предотвращения вибраций, возникающих в результате неравномерной загрузки ротора в подвесных центрифугах, используют кольцевой клапан, через который поступающая суспензия распределяется равномерно по всему периметру ротора. Для облегчения выгрузки осадка из подвесных центрифуг иногда применяются скребки, срезающие осадок со стенок ротора при пониженной скорости его вращения.

Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка . Центрифуги таксой конструкции являются нормальными отстойными или фильтрующими центрифугами периодического действия с автоматизированным управлением.

В горизонтальной фильтрующей центрифуге с ножевым устройством (рис. V-16) операции загрузки суспензии, центрифугирования, промывки, механической сушки осадка и его разгрузки выполняются автоматически. Центрифуга управляется электрогидравлическим автоматом, позволяющим по толщине слоя осадка контролировать степень заполнения ротора.

Суспензия поступает в перфорированный ротор 1 по трубе 2 и равномерно распределяется в нем. На внутренней поверхности ротора расположены подкладочные сита, фильтровальная ткань и решетка, которая обеспечивает плотное прилегание сит к ротору во избежание их выпучивания, что недопустимо при ножевом съеме осадка. Ротор находится в литом кожухе 3, состоящем из нижней стационарной части и съемной крышки. Фугат удаляется из центрифуги через штуцер 4. Осадок срезается ножом 5 (который при вращении ротора поднимается при помощи гидравлического цилиндра 6), падает в направляющий наклонный желоб 7 и удаляется из центрифуги через канал 8. Описанная центрифуга предназначается для разделения средне- и грубодисперсных суспензий.

Центрифуги с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка. Эти аппараты относятся к фильтрующим центрифугам непрерывного действия с горизонтальным ротором (рис. V-17) Суспензия по трубе 1 поступает в узкую часть конической воронки 2, вращающейся с такою же скоростью, как и перфорированный ротор 3, покрытый изнутри металлическим щелевым ситом 4. Суспензия перемещается по внутренней поверхности воронки и постепенно приобретает скорость, почти равную скорости вращения ротора. Затем суспензия отбрасывается через отверстия в воронке, на внутреннюю поверхность сита в зоне перед поршнем 5. Под действием центробежной силы жидкая фаза проходит сквозь щели сита и удаляется из кожуха центрифуги по штуцеру 6. Твердая фаза задерживается на сите в виде осадка, который периодически перемещается к краю ротора при движении поршня вправо приблизительно на 1 / 10 длины ротора. Таким образом, за каждый ход поршня из ротора удаляется количество осадка, соответствующее длине хода поршня; при этом поршень совершает 10-16 ходов в 1 мин . Осадок удаляется из кожуха через канал 7.

Поршень укреплен на штоке 8, находящемся внутри полого вала 9, который соединен с электродвигателем и сообщает ротору вращательное движение. Полый вал с ротором и шток с поршнем и конической воронкой вращаются с одинаковой скоростью. Направление возвратно-поступательного движения поршня изменяется автоматически. На другом конце штока насажен перпендикулярно его оси диск 10, на противоположные поверхности которого в особом устройстве попеременно воздействует давление масла, создаваемое шестеренчатым насосом.

В центрифугах с устройством для промывки осадка кожух разделен на две секции, через одну из которых отводится промывная жидкость.

Описанная центрифуга применяется для обработки грубодисперсных, легкоразделяемых суспензий, особенно в тех случаях, когда нежелательно повреждение частиц осадка при его выгрузке.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка. Эти центрифуги представляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного действия с вертикальным коническим ротором.

Суспензия, содержащая крупнозернистый материал, например уголь, руду, песок, поступает в центрифугу сверху через воронку 1 (рис.V-19). Под действием центробежной силы суспензия отбрасывается к коническому ротору 2 с перфорированными стенками. При этом жидкая фаза суспензии проходит сквозь отверстия ротора и удаляется из центрифуги по каналу 3, а твердые частицы, размер которых должен быть больше размера отверстий, задерживаются внутри ротора. Образовавшийся таким образом слой твердых частиц, угол трения которого меньше, чем угол наклона стенок ротора, перемещается к его нижнему краю и отводится из центрифуги по каналу 4. С целью увеличения продолжительности периода, в течение которого жидкость отделяется от твердых частиц, движение их тормозится шнеком 5, вращающимся медленнее ротора. Необходимая разность скоростей вращения ротора и шнека достигается при помощи зубчатого редуктора.

Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка применяются для разделения суспензий, крупнозернистых материалов.

Центрифуги с вибрационной выгрузкой осадка. Центрифуги такой конструкции представляют собой нормальные фильтрующие центрифуги непрерывного действия с вертикальным или горизонтальным коническим ротором.

Недостатком описанной выше центрифуги с инерционной выгрузкой осадка является невозможность регулирования скорости движения осадка вдоль стенок ротора. Этот недостаток устранен в центрифугах с вибрационной выгрузкой осадка, принцип действия которых состоит в следующем.

Центрифуга имеет конический ротор с углом наклона стенок, меньшим угла трения осадка по стенке. Поэтому движение осадка вдоль стенок от узкого к широкому концу ротора под действием центробежной силы оказывается невозможным. В данном случае для перемещения осадка в роторе используются осевые вибрации, которые создаются механическим, гидравлическим или электромагнитным устройством. При этом интенсивность вибраций определяет скорость перемещения осадка в роторе, что позволяет, в частности, обеспечить необходимую степень обезвоживания осадка.

Жидкостные сепараторы . Эти аппараты являются отстойными сверхцентрифугами непрерывного действия с вертикальным ротором.

Кчислу таких сверхцентрифуг относятся жидкостные сепараторы, имеющие ротор диаметром 150-300мм , вращающиеся со скоростью 5000-10000 об/мин . Они предназначаются для разделения эмульсий, а также для осветления жидкостей.

В жидкостном сепараторе тарельчатого типа (рис. V-20) обрабатываемая смесь в зоне отстаивания разделена на несколько слоев, как это делается в отстойниках для уменьшения пути, проходимого частицей при оседании. Эмульсия подается по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, откуда через отверстия в тарелках 2 распределяется тонкими слоями между ними. Более тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через отверстие 3. Более легкая жидкость перемещается к центру ротора и удаляется через кольцевой канал 4.

Отверстия в тарелках располагаются ориентировочно по поверхности раздела между более тяжелой и более легкой жидкостями. Для того чтобы жидкость не отставала от вращающегося ротора, он снабжен ребрами 5. Для той же цели тарелки имеют выступы, которые одновременно фиксируют расстояние между ними.

Примером сепараторов тарельчатого типа могут служить широко распространенные молочные сепараторы.

Вот этот невзрачный серый цилиндр и является ключевым звеном российской атомной индустрии.

Выглядит, конечно, не слишком презентабельно, но стоит понять его назначение и взглянуть на технические характеристики, как начинаешь осознавать, почему секрет его создания и устройства государство охраняет как зеницу ока.

Да, забыл представить: перед вами газовая центрифуга для разделения изотопов урана ВТ-3Ф (n-го поколения). Принцип действия элементарный, как у молочного сепаратора, тяжелое, по воздействием центробежной силы, отделяется от легкого. Так в чем же значимость и уникальность? Для начала ответим на другой вопрос – а вообще, зачем разделять уран? Природный уран, который вот прямо в земле лежит, представляет из себя коктейль из двух изотопов: урана-238 и урана-235 (и 0,0054 % U-234). Уран-238, это просто тяжелый, серого цвета металл. Из него можно сделать артиллерийский снаряд, ну или… брелок для ключей.

А вот что можно сделать из урана-235? Ну во первых атомную бомбу, во вторых топливо для АЭС. И вот тут мы подходим к ключевому вопросу – как разделить эти два, практически идентичных атома, друг от друга? Нет, ну действительно, КАК?! Кстати: Радиус ядра атома урана -1.5 10-8 см. Для того, что бы атомы урана можно было загнать в технологическую цепочку, его (уран) нужно превратить в газообразное состояние. Кипятить смысла нет, достаточно соединить уран с фтором и получить гексафторид урана ГФУ.

Технология его получения не очень сложная и затратная, а потому ГФУ получают прямо там, где этот уран и добывают. UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид (на фото) непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

Немного истории В самом начале ядерной гонки, величайшими научными умами, как СССР, так и США, осваивалась идея диффузионного разделения – пропускать уран через сито. Маленький 235-й изотоп проскочит, а «толстый» 238-й застрянет. Причем изготовить сито с нано-отверстиями для советской промышленности в 1946-м году было не самой сложной задачей.

Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-технического совете при Совете Народных Комиссаров (приведен в сборнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев)): В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней.

В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней». Ниже приведен документ — доклад Берии Сталину о подготовке первого атоиного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.

И вот теперь сами представьте – 2000 здоровенных установок, ради каких-то 100 грамм! Ну а куда деваться-то, бомбы ведь нужны. И стали строить заводы, и не просто завода, а целые города. И ладно только города, электричества эти диффузионные заводы требовали столько, что приходилось строить рядом отдельные электростанции. На фото: первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже (США). Строительство обошлось в $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.

В СССР Первая очередь Д-1 комбината №813, была рассчитана на суммарный выпуск 140 граммов 92-93 %-ного урана-235 в сутки на 2-х идентичных по мощности каскадах из 3100 ступеней разделения. Под производство отводился недостроенный авиационный завод в поселке Верх-Нейвинск, что в 60 км от Свердловска. Позже он превратился в Свердловск-44, а 813-й завод (на фото) в Уральский электрохимический комбинат – крупнейшее в мире разделительное производство.

И хотя технология диффузионного разделения, пусть и с большими технологическими трудностями, было отлажена, идея освоения более экономичного центрифужного процесса не сходила с повестки дня. Ведь если удастся создать центрифугу, то энергопотребление сократится от 20 до 50 раз! Как устроена центрифуга? Устроена она более чем элементарно и похожа на старую стиральную машину, работающую в режиме «отжим/сушка». В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6).

За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а в верху и в низу. Это возникает из-за конвекционных потоков – крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и в низу цилиндра установлены две небольших трубочки – заборника.

В нижнею трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю – смесь с большей концентрацией атомов 235U. Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

Технические особенности. Ну во первых скорость вращения — у современного поколения центрифуг она достигает 2000 об/сек (тут даже не знаю с чем сравнить…в 10 раз быстрее чем турбина в авиадвигателе)! И работает она без остановки ТРИ ДЕСЯТКА лет! Т.е. сейчас в каскадах вращаются центрифуги, включенные еще при Брежневе! СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся. Не трудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит?

Да никакой! Нет там подшипников. Сам ротор представляет из себя обыкновенный волчок, внизу у него прочная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец висит в вакууме, удерживаясь электромагнитным полем. Иголка тоже не простая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом (каким – ГТ). Не трудно представить, что при такой бешеной скорости вращения, сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной.

Вспоминает академик Иосиф Фридляндер: «Трижды вполне расстрелять могли. Однажды, когда мы уже получили Ленинскую премию, случилась крупная авария, у центрифуги отлетела крышка. Куски разлетелись, разрушили другие центрифуги. Поднялось радиоактивное облако. Пришлось всю линию останавливать — километр установок! В Средмаше центрифугами командовал генерал Зверев, до атомного проекта он работал в ведомстве Берии.

Генерал на совещании сказал: «Положение критическое. Под угрозой оборона страны. Если мы быстро не выправим положение, для вас повторится 37-й год». И сразу совещание закрыл. Придумали мы тогда совершенно новую технологию с полностью изотропной равномерной структурой крышек, но требовались очень сложные установки. С тех пор именно такие крышки и производятся. Никаких неприятностей больше не было. В России 3 обогатительных завода, центрифуг многие сотни тысяч.»

На фото: испытания первого поколения центрифуг

Корпуса роторов тоже поначалу были металлические, пока на смену им не пришел… углепластик. Легкий и особопрочный на разрыв, он является идеальным материалом для вращающегося цилиндра.

Вспоминает Генеральный директор УЭХК (2009-2012) Александр Куркин: «Доходило до смешного. Когда испытывали и проверяли новое, более «оборотистое» поколение центрифуг, один из сотрудников не стал дожидаться полной остановки ротора, отключил ее из каскада и решил перенести на руках на стенд. На вместо движения вперед, как не упирался, он с этим цилиндром в обнимку, стал двигаться назад. Так мы воочию убедились, что земля вращается, а гироскоп, это великая сила.»

Кто изобрел?

О, это загадка, погружённая в тайну и укутанная неизвестностью. Тут вам и немецкие плененные физики, ЦРУ, офицеры СМЕРШа и даже сбитый летчик-шпион Пауэрс. А вообще принцип газовой центрифуги описан еще в конце 19-го века. Ещё на заре Атомного проекта инженер Особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но сначала его идею коллеги не одобряли. Параллельно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ-5 в Сухуми бились учёные из побеждённой Германии: доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Гернот Циппе. Всего в группу входило около 300 «вывезенных» физиков.

Вспоминает генеральный директор ЗАО «Центротех-СПб» ГК «Росатом» Алексей Калитеевский: «Наши специалисты пришли к выводу, что немецкая центрифуга абсолютно непригодна для промышленного производства. В аппарате Штеенбека не было системы передачи частично обогащённого продукта в следующую ступень. Предлагалось охлаждать концы крышки и замораживать газ, а потом его разморозить, собрать и пустить в следующую центрифугу. То есть, схема неработоспособная. Однако в проекте было несколько очень интересных и необычных технических решений. Эти «интересные и необычные решения» были соединены с результатами, полученными советскими учёными, в частности с предложениями Виктора Сергеева. Условно говоря, наша компактная центрифуга - на треть плод немецкой мысли, а на две трети - советской». Кстати, когда Сергеев приезжал в Абхазию и высказывал тем же Штеенбеку и Циппе свои мысли по поводу отбора урана, Штеенбек и Циппе отмахнулись от них, как от нереализуемых. Итак что же придумал Сергеев.

А предложение Сергеева заключалось в создании отборников газа в виде трубок Пито. Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на этой теме, проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!»

Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила…». Позже, оказавшись за пределами СССР Штеенбек центрифугами больше не занимался. А вот Геронт Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент №1071597 от 1957 года, заявлен в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, отдадим должное, «Русской центрифугой» (на фото).

Кстати, русская инженерная мысль проявила себя и в многих других случаях. В качестве примера можно привести элементарный аварийный запорный клапан. Там нет датчиков, детектеров и электронных схем. Там есть только самоварный краник, который своим лепестком касается станины каскада. Если что не так, и центрифуга меняет свое положение в пространстве, он просто поворачивается и закрывает входную магистраль. Это как в анекдоте про американскую ручку и русский карандаш в космосе.

Наши дни На этой неделе автор этих строк присутствовал на знаменательном событии – закрытии российского офиса наблюдателей министерства энергетики США по контракту ВОУ-НОУ. Эта сделка (высокообогащенный уран – низкообогащенный уран) была, да и остается крупнейшим соглашением в области ядерной энергетики между Россией и Америкой. По условиям контракта российские атомщики переработали 500 тонн нашего оружейного (90%) урана в топливный (4%) ГФУ для американских АЭС. Доходы за 1993-2009 годы составили 8,8 млрд. долларов США. Это стало логическим исходом технологического прорыва наших ядерщиков в области разделения изотопов, сделанного в послевоенные годы. На фото: каскады газовых центрифуг в одном из цехов УЭХК. Здесь их около 100 000 шт.

Благодаря центрифугам мы получили тысячи тонн относительно дешевого, как военного, так и коммерческого продукта. Атомная отрасль, одна из немногих оставшихся (военная авиация, космос), где Россия удерживает непререкаемое первенство. Одних только зарубежных заказов на десять лет вперед (с 2013 года по 2022 год), портфель «Росатома» без учета контракта ВОУ-НОУ составляет 69,3 миллиарда долларов. В 2011 году он перевалил за 50 миллиардов… На фото склад контейнеров с ГФУ на УЭХК.