Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60 dạng quang treo

Nội dung text: Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60 dạng quang treo

1. Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60 dạng quang treo Calculate, design for moving systerm of hanging industrial irradiator cobalt – 60 Phan Phước Thắng 1, Nguyễn Trường Thịnh 2 1 Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công Nghệ Bức Xạ 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh TÓM TẮT Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu của quá trình tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt – 60 dạng quang treo. Với kích thước thùng hàng 500x700x1500 mm, tính toán với hoạt độ nguồn 100 kCi, với tỉ trọng hàng 0,1g/cm3 - 0,6 g/cm3 . Hiệu suất xử lý đạt từ 24,28% - 62,60% , năng suất xử lý đạt từ 1.302,96 kg.kGy/h - 3.357,77 kg.kGy/h và có độ bất đồng đều về liều (Dmax/Dmin) từ 1,4 - 1,93. Giá trị này phù hợp với khuyến cáo về độ bất đồng đều về liều khi chiếu xạ dụng cụ y tế và thực phẩm. Từ khóa: thiết bị chiếu xạ gamma, chiếu xạ thực phẩm, khử trùng dụng cụ y tế, ABSTRACT This paper presents the rusults were researched, caculate and design for moving systerm of hanging industrial irradiator cobalt – 60. Demension of the box 500x700x1500 mm, source activity 100 kCi, good of density 0,1 – 0,6 g/cm3. Processing efficiency 24,28% - 62,60%, productivity 1.302,96 kg.kGy/h – 3.357,77 kg.kGy/h and dose uniformity ratio (DUR) from 1,4 – 1,93. This DUR is suitable when irradiation medical and food. Keywords: gamma irradiators, irradiation food, sterilization medical. 1. Đặt vấn đề Chiếu xạ thực phẩm có xu hướng phát triển nhanh do nhiều nước đang chấp nhận phương pháp này, trong 5 năm gần đây đã tăng trưởng rất mạnh. Theo Quyết định số 127/QĐ-TTg ngày 20/01/2011 về việc phê duyệt quy hoạch chi tiết phát triển ứng dụng bức xạ trong công nghiệp và các ngành kinh tế, kỹ thuật khác đến năm 2020 sẽ có 30 cơ sở chiếu xạ công nghiệp.
2. Hiện nay ở Việt Nam có 07 thiết bị chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60 (TBCX). Những thiết bị trên đều nhập khẩu từ nước ngoài thích hợp cho chiếu xạ dụng cụ y tế và thực phẩm. Để đáp ứng nhu cầu về việc chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế, thanh trùng thực phẩm và giảm sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài. Đề tài “Tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt – 60 dạng quang treo” là cần thiết. 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt – 60 dạng quang treo thích hợp chiếu xạ dụng cụ y tế và thực phẩm. 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để tính toán tối ưu các thông số vật lý của hệ đảo hàng và phân bố liều trong thùng hàng, tác giả dùng phương pháp Monte Carlo dựa trên phần mềm MCNP để tính toán. Phần mềm này được minh chứng bởi các số liệu tính toán và số liệu đo thực nghiệm trên máy chiếu xạ SVST- Co60/B của Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công Nghệ Bức Xạ. 3. Nguyên lý hoạt động và thiết kế hệ đảo hàng 3.1 Sơ đồ nguyên lý Các vị trí đánh số với dấu phẩy là các vị trí trung chuyển của thùng hàng. Các vị trí đánh số theo thứ tự tăng dần từ 0 đến 51 tương ứng với 52 vị trí mà thùng hàng sẽ phải đi qua. Việc dịch chuyển các thùng hàng trong các hàng được thực hiện bởi các xy lanh khí nén C1, C2, C3, C4, C11, C12, C13 và C14. Việc chuyển thùng hàng từ hàng này sang hàng khác được thực hiện bởi các xy lanh khí nén C5, C6, C15 và C16. Việc chuyển thùng hàng từ tầng dưới lên tầng trên được thực hiện bởi xy lanh khí nén C10 và chuyển từ tầng trên xuống tầng dưới bằng xy lanh khí nén C20.
3. 3.2 Chu trình thời gian và nguyên lý hoạt động Hệ đảo hàng có nhiệm vụ tiếp nhận thùng hàng chưa chiếu xạ được hệ vận chuyển đưa vào buồng chiếu, đảo hàng qua 52 vị trí để nhận đủ và đồng đều liều Máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt - 60 dạng treo có 3 chế độ vận hành cơ bản: chế độ chiếu xạ liên tục, chế độ chiếu xạ theo mẻ và chế độ chiếu dừng.  Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng ở chế độ chiếu xạ liên tục T Bước Xy lanh Chức năng tt (s) 0 Xe đi vào đến vị trí cuối trong buồng chiếu C17+ Mở khóa thùng trên xe 1 1 C8+ Chặn thùng đã chiếu không bị đẩy quá khỏi xe 2 C1+ Đẩy các thùng hàng số 33-34 và 39-39’ 8 2 C3+ Đẩy các thùng hàng số 46-47, 51-0 và 0-1’ 8 C1- Xy lanh hồi về 8 C3- Xy lanh hồi về 8 3 C17- Khóa thùng trên xe 2 C8- Xy lanh hồi về 1 4 Xe bắt đầu đi ra 5 C18+ Định vị thùng hàngvào đúng vị trí trên C10 2 6 C18- Xy lanh hồi về 2 C10+ Nâng thùng hàng lên tầng trên (vị trí 1’) 8 7 C5+ Chờ thùng hàng 8 C6+ Chuyển thùng hàng số 39’-40’ 8 C12+ Đẩy các thùng hàng số 1’-1 và 6-6’ 8 C14+ Đẩy các thùng hàng số 13-14 và 19-19’ 8 8 C2+ Đẩy các thùng hàng số 40’-40 và 45-45’ 8 C4+ Đẩy các thùng hàng số 26-27 và 32-32’ 8 C12- Xy lanh hồi về 8 C14- Xy lanh hồi về 8 9 C2- Xy lanh hồi về 8 C4- Xy lanh hồi về 8 C5- Chuyển thùng hàng số 32’-33 và 45’-46 8 10 C6- Chuyển thùng hàng số 40’-39’ 8 C10- Xy lanh hồi về C20+ Chờ thùng hàng 8 11 C15+ Chuyển thùng hàng số 6’-7’ và 19’-20’ 8 C16+ Chờ thùng hàng 8 C11+ Đẩy các thùng hàng số 7’-7 và 12-12’ 8 12 C13+ Đẩy các thùng hàng số 20’-20 và 25-26’ 8 C20- Chuyển thùng hàng 26’-26 8 13 C11- Xy lanh hồi về 8
4. C13- Xy lanh hồi về 8 C15- Xy lanh hồi về 8 14 C16- Xy lanh hồi về 8 TỔNG CỘNG: 86  Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng ở chế độ chiếu mẻ. T Bước Xy lanh Chức năng tt (s) 0 Xe đi vào đến vị trí cuối cùng trong Buồng chiếu, có tín hiệu đầu cuối E1 C17+ Mở khóa thùng trên xe 1 1 C8+ Chặn thùng đã chiếu không bị đẩy quá khỏi xe 2 C1+ Đẩy các thùng hàng số 33-34 và 39-39’ 8 2 C3+ Đẩy các thùng hàng số 46-47, 51-0 và 0-1’ 8 C1- Xy lanh hồi về 8 C3- Xy lanh hồi về 8 3 C17- Khóa thùng trên xe 1 C8- Xy lanh hồi về 2 4 C18+ Định vị thùng hàng vào đúng vị trí trên C10 2 5 C18- Xy lanh hồi về 2 C10+ Nâng thùng hàng lên tầng trên (vị trí 1’) 8 6 C5+ Chờ thùng hàng 8 C6+ Chuyển thùng hàng số 39’-40’ 8 C12+ Đẩy các thùng hàng số 1’-1 và 6-6’ 8 C14+ Đẩy các thùng hàng số 13-14 và 19-19’ 8 7 C2+ Đẩy các thùng hàng số 40’-40 và 45-45’ 8 C4+ Đẩy các thùng hàng số 26-27 và 32-32’ 8 C12- Xy lanh hồi về 8 C14- Xy lanh hồi về 8 8 C2- Xy lanh hồi về 8 C4- Xy lanh hồi về 8 C15+ Chuyển thùng hàng số 6’-7’ và 19’-20’ 8 9 C16+ Chờ thùng hàng 8 C20+ Chờ thùng hàng 8 C11+ Đẩy các thùng hàng số 7’-7 và 12-12’ 8 10 C13+ Đẩy các thùng hàng số 20’-20 và 25-26’ 8 C20- Chuyển thùng hàng 26’-26 8 C11- Xy lanh hồi về 8 11 C13- Xy lanh hồi về 8 C5- Xy lanh hồi về 8 C6- Xy lanh hồi về 8 C15- Xy lanh hồi về 8 12 C16- Xy lanh hồi về 8 TỔNG CỘNG: 86 4. Thiết kế cơ khí hệ đảo hàng. Sau khi có kết quả tính toán kích thước thùng hàng tác giả thiết kế hệ đảo hàng dạng quang treo gồm các thanh đỡ hình hộp 125x55x5 mm đặt trên bể bảo vệ nguồn.
5. Các thùng hàng dịch chuyển trên các thanh dẫn hướng hình U và được sắp xếp thành 4 dãy tầng dưới và 4 dãy tầng trên bao xung quanh bản nguồn.
6. 5. Kiểm nghiệm bền các chi tiết quan trọng 5.1 Kiểm nghiệm bền thanh dẫn hướng trên. Hệ đảo hàng có 6 thanh đỡ dưới đặt trên bể nguồn, để đảm bảo độ bền và an toàn trong quá trình làm việc tác giả tiến hành kiểm tra độ bền với các điều kiện sau: Thùng hàng có kích thước 500x700x1500 mm, chứa tối đa 300 kg. Hệ đảo hàng gồm 48 thùng hàng nằm trên các thanh đỡ trên mặt bể bảo vệ nguồn có tổng khối lượng: 48x300 = 14.400 kg. Từ kết quả kiểm nghiệm trên ta thấy thanh dẫn có hệ số an toàn a = đủ bền để làm việc an toàn. 5.2 Kiểm nghiệm bền thanh đỡ dưới Hệ đảo hàng có 6 thanh dẫn dưới làm bằng thép hộp 125x55x5mm có σbk = 21 KG/ mm2 = 207 Mpa [7]. Tải trọng của cả hệ là 144.000 N, do đó tải trọng mà một thanh phải chịu là 144.000/6 =24.000 N. Dùng phần mềm Inventor 2015 kiểm tra độ bền ta có các kết quả sau:
7. Từ kết quả kiểm nghiệm trên ta thấy thanh dẫn có hệ số an toàn a = đủ bền để làm việc an toàn. 6. Kết luận Hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60 là một trong những hệ chủ yếu, nền tảng của máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60. Vì vậy, đề tài tính toán, thiết kế hệ đảo hàng máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt -60 dạng treo đã đạt được kết quả như sau: Hệ đảo hàng có kích thước tổng thể (dài x rộng x cao): 6018x2692x3510 mm, có thể nạp nguồn cực đại 5 MCi. Thời gian chiếu xạ cực tiểu trong chế độ chiếu liên tục 1giờ 14 phút 32 giây. Với kích thước thùng hàng 500x700x1500 mm tính toán với hoạt độ nguồn 100 kCi liều hấp thụ cực tiểu: 0,3 kGy. Tỉ trọng Năng suất xử lý DUR Hiệu suất (%) (g/cm3) (kg.kGy/h) 0,1 1,40 1.302,96 24,29 0,2 1,49 2.143,91 39,97 0,3 1,56 2.720,25 50,71 0,4 1,67 3.047,18 56,81 0,5 1,81 3.223,47 60,09 0,6 1,93 3.357,77 60,99 Với những kết quả đạt được tạo tiền đề quan trọng cho việc thiết kế chế tạo máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt – 60 đáp ứng nhu cầu chiếu xạ ngày càng cao trong nước. Đồng thời giảm sự phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài dẫn đến giá thành sản phẩm thấp hơn các sản phẩm nhập ngoại mà chất lượng và độ an toàn tương đương.
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Trần Đại Nghiệp, Giáo trình xử lý bức xạ và cơ sở của công nghệ bức xạ, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2007. [2] Lê Minh Tuấn, Báo cáo tổng kết đề tài: Thiết kế hệ đảo hàng cho thiết bị chiếu xạ SVST – Co60/B, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ, 2008. [3] Lê Minh Tuấn, Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu thiết kế thử nghiệm hệ đảo hàng cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt – 60, Bộ Công Thương, 2010. [4] Trần Khắc Ân, Báo cáo tổng kết luận văn: Tính toán phân bố liều trong buồng chiếu của thiết bị chiếu xạ công nghiệp SVST-Co60/B, Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM, 2004. [5] Trần Khắc Ân, Chiếu xạ một biện pháp hữu hiệu trong khử trùng dụng cụ y tế và chiếu xạ thực phẩm, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, 2010. [6] Báo cáo tổng kết về công nghệ bức xạ sau 30 năm phát triển, Bộ Khoa học Công Nghệ, 2012. [7] Nguyễn Thị Yên, Giáo trình vật liệu cơ khí, Nhà xuất bản Hà Nội, 2005. TIẾNG NƯỚC NGOÀI [8], Edited by R. A. Molins, Food Irradiation: Principles and Applications, A John Wiley & Sons, Tnc., Publication, 2001. [9] A. Brynjilfsson, Cobalt – 60 Irradiator Design, Radiation Laboratory, US Army Natick Laboratoeies, Natick, Mass 01760, USA. [10] J.F.Briesmeister, A General Monte Carlo N – Particale Transport Code Version 4C2, Transport Methods Group, Los Alamos National Laboratory, MCNP –, 1997.
9. [11] International Atomic Energy Agency, Gamma Irradiators for Radiation Processing,Vienna, Austria (2012). [12]. www.boschrexroth.com/preumatics-catalog/ [13]. Gamma Irradiators for Radiation Processing, IAEA, Vienna, Austria, 2005.
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.