Способ определения величины межэлектродного зазора электрогенерирующих элементов при петлевых испытаниях термоэмиссионных электрогенерирующих каналов

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при петлевых испытаниях электрогенерирующих каналов. Техническим результатом является повышение точности. Технический результат достигается тем, что в способе определения величины межэлектродного зазора электрогенерирующих элементов при петлевых испытаниях термоэмиссионных электрогенерирующих каналов, включающем измерение до начала испытаний диаметров эмиттера, коллектора и межэлектродного зазора, измерение температур эмиттера и коллектора и оценку величины межэлектродного зазора. Электрогенерирующий канал переводят в режим короткого замыкания, в генераторе паров цезия устанавливают давление Р_ц1 пара цезия менее или равным 0,03658 L₀, где L₀ - межэлектродный зазор до начала испытаний, Фиксируют установившееся значение тока I₁ (А) в течение времени, не превышающего 0,75 n (с), где n - число элементов в канале, повышают давление пара цезия Р_ц2 до значения, определяемого из выражения Р_ц1/2<Р_ц2<0,03658 L₀, регистрируют изменение тока во времени с фиксацией максимального значения скорости изменения, измеряют установившееся значение тока I₂ (А), определяют постоянную времени переходного процесса по заполнению паром цезия канала, а оценку межэлектродного зазора L осуществляют по определенному соотношению. 3 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при петлевых испытаниях электрогенерирующих каналов (ЭГК).

Известен способ определения межэлектродных зазоров (МЭЗ) элементов (ЭГЭ) при петлевых испытаниях ЭГК (Идентификация и диагностика в информационно-управляющих системах авиакосмической энергетики. Б.В.Боев и др. М.: Наука, 1988, с.156-157). Он заключается в измерении диаметров эмиттеров D_E ЭГЭ в "горячих" камерах и определении МЭЗ как L=(D_C-D_E)/2, где D_C - исходный диаметр коллектора.

Его основной недостаток - низкая точность, так как измерения проводятся после окончания испытаний и в холодном состоянии после разрезки ЭГК.

В качестве прототипа примем способ определения МЭЗ ЭГЭ непосредственно в процессе испытаний. Он заключается в измерении установившихся значений температур эмиттера Т_Е и коллектора Т _С и теплового потока с эмиттера на коллектор q_F при заполнении МЭЗ теплопроводящим газом (гелием) и решением относительно Z уравнения теплового баланса:

Основной недостаток - низкая точность из-за низкой точности измерения Т_E, а также Т_C .

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно - повышение точности при испытаниях ЭГК с одинаковыми ЭГЭ.

Указанная цель достигается предложенным способом определения МЭЗ ЭГЭ при петлевых ресурсных испытаниях ЭГК, включающим измерение, до начала испытаний диаметров эмиттера D_E и коллектора D_C, измерение плотности теплового потока с эмиттера на коллектор, оценку Т_E и Т_C и оценку МЭЗ, отличающийся том, что при плотности теплового потока, при котором Т_E составляет 1950...2000 K, ЭГК переводят в режим короткого замыкания, на входе в ЭГК устанавливают давление пара цезия, оцениваемое из соотношения:

фиксируют установившееся значение тока I ₁, в течение времени, не превышающем 0,75 п[c], где п - число ЭГЭ в ЭГК, повышают давление пара цезия на входе в ЭГК до значения, оцениваемого из соотношения

регистрируют изменение тока 1 во времени с фиксацией максимального значения скорости изменения тока ∂I/∂τ, измеряют установившееся значение тока I₂, оценивают постоянную времени переходного процесса ЭГК по заполнению цезием по выражению τ₀=(I₂-I₁)/(∂I/∂τ), а оценку МЭЗ осуществляют по выражению

где V - свободный объем ЭГК, заполняемый паром цезия, м³;

l - длина ЭГЭ, м; n - число ЭГЭ; М=132,9 - молярная масса атома цезия; Т=(T_Е+Т _С)/2 - температура пара цезия в МЭЗ, K.

Фиг.1 и 2 поясняют принцип и реализацию предлагаемого способа. На фиг.1 приведена схема ЭГК в составе петлевого канала (ПК), где 1 - топливно-эмиттерный узел ЭГЭ, 2 - МЭЗ, 3 - межэлементный промежуток, 4 - свободный объем за ЭГК, 5 - генератор пара цезия (ГПЦ) в виде газорегулируемой тепловой трубы, 6 - тракт между ГПЦ и ЭГК, 7 - термопара.

Уравнения (2)-(4) получены следующим образом. При распухании топливно-эмиттерного блока (ТЭБ) происходит уменьшение МЭЗ и, следовательно, ухудшается его газовая проводимость F, определяемая по формуле (А.И.Пипко и др. Конструирование и расчет вакуумных систем, М., Энергия, 1979)

где - торцевая площадь МЭЗ, м²

- периметр МЭЗ, м

R_E=D_E /2, R_C=D_C/2, l - длина ЭГЭ. Учитывая, что R_E=R_C-L, получим

С учетов (6) формула (5) примет вид

Приняв, что проводимость трактов от генератора пара цезия (ГПЦ) до ЭГК намного выше проводимости МЭЗ ЭГК, время установления давления пара цезия в МЭЗ ЭГК, а, следовательно, и генерируемого тока, определяется газокинетической постоянной времени τ₀, которая связывает минимальную проводимость и свободный объем ЭКГ, затопляемый паром цезия, выражением

откуда следует (4).

Свободный объем ЭГК, заполняемый паром цезия определяют по формуле (см.фиг.1):

где V_МЭЗ - объем МЭЗ ЭГЭ, V_М /_ЭГЭ - объем межэлементного промежутка, V_{за ЭГК} - объем за ЭГК со стороны, противоположной подаче пара цезия.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В процессе изготовления ЭГК измеряется D_E и D_C и, следовательно, L₀=(D_C-D_E)/2. После загрузки ПК с ЭГК в ячейку исследовательского ядерного реактора его мощность поднимают до уровня, соответствующего номинальной тепловой мощности ЭГК (или необходимой плотности теплового потока с эмиттера на коллектор q_F). В ЭГК подают из ГПЦ 5 через тракт 6 пар цезия оптимального давления P_CS ^ОПТ, обычно 3...10 мм рт.ст. ЭГК начинает генерировать ток, который регистрируется системой электрических измерений (на фиг.1 не показано). В таком режиме проводят ресурсные испытания ЭГК. Однако в процессе испытаний происходит распухание топливно-эмиттерного узла 1, в результате чего МЭЗ 2 уменьшается, для определения МЭЗ можно использовать процесс заполнения МЭЗ паром цезия. Для этого давление пара цезия должно быть понижено ниже оптимального, а чтобы при этом из-за снижения тока и соответственно электронного охлаждения не произошло нежелательного перегрева эмиттеров, мощность реактора понижают до уровня, при котором Т_Е не превысит безопасного уровня в 2000 K (при отсутствии заметных токов). Определение Т_Е производится обычно из уравнения теплового баланса. Уровень Т_Е=1950...2000 K соответствует значению T_Е в режиме "горячего" обезгаживания, поэтому при такой T_Е с одной стороны допускается даже безтоковый режим испытаний ЭГК, с другой стороны - генерируются легко измеряемые токи. После понижения Т_Е оценивается из измерений температуры чехла, температура коллектора и ЭГК переводится в режим короткого замыкания, так как ток в этом режиме наиболее чувствителен к давлению пара цезия. Понижают P_CS до значения P_CS1, определяемое (2), которое получено из условия применимости использованной формулы (5) по крайней мере с тройным запасом. Для молекулярного течения газа (пара цезия) необходимо выполнение условия l_CP/L≥1/3, где l_CP - средняя длина свободного пробега молекулы газа. Для пара цезия имеем l_CP=8·1289·10 ^-6 T/P_CS или приблизительно

При L≤0,25 мм молекулярный режим в ЭГК, а следовательно, и возможность использования формулы (4) для определения МЭЗ, будет реализовываться при P_CS≤1,46 мм рт.ст. Таким образом, при исходном L=0,25 мм необходимо понизить P_CS по крайней мере до 0,5 мм рт.ст. При этом произойдет снижение тока, установившееся значение которого I₁ фиксируется.

После этого необходимо достаточно резко повысить P_CS на входе в ЭГК по крайней мере в 2 раза, но с учетом ограничения (3), соответствующего (10), т.е. в нашем случае до P_CS≤1,46 мм рт.ст. Время повышения давления 0,75 п[c] получено из условия, что оно должно быть меньше времени установления давления пара цезия в ЭГК в нормальном состоянии (при уменьшении МЭЗ оно резко возрастает), цифра 0,75 с получена из расчетов динамики заполнения МЭЗ с помощью математической модели ПК с ЭГК и соответствует минимальному значению из всех рассмотренных возможных вариантов ЭГК. Такое достаточно резкое изменение давления пара цезия на входе в ЭГК осуществляется с помощью ГПЦ на основе газорегулируемой тепловой трубы (ГРТТ), где время изменения давления пара цезия определяется временем изменения давления газа в ГРТТ (подтверждено многочисленными экспериментами).

После повышения P _CS на входе в ЭГК начнется заполнение паром цезия последовательно всех ЭГЭ в ЭГК. При этом измеряется ток короткого замыкания I с фиксацией установившегося значения. Так как ЭГЭ в ЭГК соединены последовательно, то ток ЭГК равен току "узкого" ЭГЭ, в нашем случае последнего по ходу пара цезия. Поэтому значение тока характеризует давление пара цезия в последнем ЭГЭ. Динамическая кривая I(τ) необходима для определения постоянной времени τ₀ ЭГК по заполнению цезия, значение τ₀ находится с использованием максимального значения скорости изменения ∂I/∂τ из кривой I(τ), на практике обычно используют наклон первоначального участка кривой I(τ) сразу же после повышения P_CS (фиг.2). Значение τ₀ определяют как

τ₀=(I₂-I₁)/(∂I/∂τ)

Таким образом получены все необходимые данные для определения МЭЗ по (4).

После этого повышают P_CS до оптимального значения и продолжают ресурсные испытания ЭГК.

Подобным образом проводится периодическое нахождение МЭЗ, например, через каждые 1000...2000 ч при обычных ресурсных испытаниях и через 200...500 ч при ускоренных испытаниях, обычно 3...5 раз за полное время испытаний.

Эффективность и реализуемость предлагаемого способа проверены математическим моделированием динамики ПК с ЭГК при изменении P_CS и частично экспериментально при петлевых реакторных испытаниях петлевого канала ПК 510АЗ с 5 одинаковыми ЭГЭ с выровненным вдоль ЭГК тепловыделением.

Результаты моделирования в виде зависимости τ₀ от МЭЗ приведены на фиг.3. Так, для L=0,25 мм получено τ₀=0,23 с. Время установления характеристики τ≥5τ₀ и для данного примера составляет около 1,25 с. При уменьшении МЭЗ в 2 раза время установления равновесного давления пара цезия в одном ЭГЭ составило около 5 с.

При реакторных испытаниях ПК-510АЗ в результате технологического дефекта МЭЗ первого по ходу цезия ЭГЭ был существенно меньше номинального, в результате чего переходные процессы по заполнению паром цезия длились около 1,5 часа. Проведенный по предлагаемой методике эксперимент позволил оценить величину МЭЗ этого ЭГЭ, было получено L≲10 мкм. После этого была установлена и причина дефекта.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет:

исключить предварительное заполнение МЭЗ теплопроводящим газом;

исключить из методики определения МЭЗ необходимость точной оценки температуры эмиттера, а также коллектора;

тем самым повысить точность определения МЭЗ непосредственно во время петлевых испытаний.

Формула изобретения

Способ определения величины межэлектродного зазора электрогенерирующих элементов при петлевых испытаниях термоэмиссионных электрогенерирующих каналов, включающий измерение до начала испытаний диаметров эмиттера ∂_Е (м), коллектора ∂_a (м) и межэлектродного зазора L₀ (мм), измерение температур эмиттера T_Э и коллектора T_a [K] и оценку величины межэлектродного зазора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при испытаниях каналов с одинаковыми элементами при плотности теплового потока, при котором температура эмиттера составляет 1950-2000 K, электрогенерирующий канал переводят в режим короткого замыкания, в генераторе паров цезия устанавливают давление пара цезия Р_ц1 (мм рт.ст.), определяемое из выражения

Р_ц1≤0,03658/3 L₀,

фиксируют установившееся значение тока I₁ (A), в течение времени, не превышающего 0,75 n(с), где n - число элементов в канале, повышают давление пара цезия Р_ц2 до значения, определяемого из выражения

Р_ц1/₂≤Р_ц2≤0,03658/L₀,

регистрируют изменение тока во времени с фиксацией максимального значения скорости изменения dI/dτ(A/c), измеряют установившееся значение тока I₂ (А), определяют постоянную времени τ₀ (с) переходного процесса по заполнению паром цезия канала из соотношения

τ₀=(I₂-I₁)/dI/dτ,

а оценку величины межэлектродного зазора L (м) осуществляют из соотношения

где V - объем цезиевой полости канала, м ³

l - длина эмиттера электрогенерирующего элемента, м;

n - число элементов в канале

М - 132, 9 - молярная масса атома цезия

T=(T_E+T_K)/ ₂

РИСУНКИ