Способ определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной многоэлементной сборки при петлевых испытаниях

 

Изобретение относится к энергетике, теплофизике и термоэмиссионному преобразованию энергии преимущественно при реакторных испытаниях термоэмиссионных сборок. В режиме термовакуумного обезгаживания измеряют тепловую мощность сборки, плотность тока насыщения j (А/см²), вакуумную работу выхода эмиттера ϕ (эВ), относительное распределение тепловыделения вдоль сборки с регистрацией значения относительного тепловыделения в каждом элементе сборки, определяют среднюю плотность теплового потока с эмиттера каждого элемента, фиксируя минимальное значение средней плотности теплового потока q_min (Вт/см²), а оценку приведенной степени черноты электродов осуществляют из соотношения Техническим результатом является повышение точности определения приведенной степени черноты электродов за счет учета влияния неравномерности тепловыделения вдоль электрогенерирующих сборок.

Изобретение относится к энергетике, теплофизике и термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при проведении петлевых реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС).

Потери тепла с эмиттера на коллектор излучением являются частью составляющих теплового баланса ЭГС и для определения полного кпд ЭГС, необходимо знать приведенную степень черноты ε электродов (эмиттера и коллектора) ЭГС.

Известно несколько как прямых, так и косвенных способов определения ε электродов ЭГС.

Известен экспериментальный способ определения ε на лабораторных моделях термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) или электрогенерирующего элемента (ЭГЭ) [1].

Основные трудности связаны с невозможностью моделирования реальных условий, в том числе состава газов, испытаний ЭГС в лабораторных условиях.

Близок к изобретению по технической сущности способ определения ε непосредственно во время петлевых испытаний по экспериментальным вольт-амперным характеристикам (ВАХ) ЭГЭ и многоэлементных ЭГС [2]. Он включает измерение двух статических ВАХ при разных тепловых мощностях ЭГС, оценку температур эмиттера и оценку ε по аналитическому выражению.

Однако этот способ предполагает неизменной ε в диапазоне варьируемой тепловой мощности и следовательно температуры эмиттера и требует высокой точности определения тепловой мощности и температуры эмиттера, что при проведении испытаний в ряде случаев реализовать не удается.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной многоэлементной сборки при петлевых испытаниях, предложенный в [3]. Он включает измерение тепловой мощности сборки Q(Вт), измерение или оценку вакуумной работы выхода эмиттеров ϕ (эB) в режиме термовакуумного обезгаживания, измерение вакуумной вольт-амперной характеристики с регистрацией плотности тока насыщения j (A/см²) и оценку приведенной степени черноты электродов по выражению ε = 0,86•10^-5Q/S[(20-lnj)/ϕ]⁴, (1) где S - поверхность эмиттеров всех элементов в сборке.

Однако этот способ предполагает, что все элементы сборки геометрически одинаковы и находятся в одинаковых тепловых и температурных условиях, т.е. в каждом элементе многоэлементной сборки одна и та же температура эмиттера и плотность теплового потока с эмиттера, в результате чего плотность тока насыщения в каждом элементе так же одна и та же. Однако в реальных условиях многоэлементная ЭГС может испытываться в неравномерном по высоте сборки тепловыделении, а следовательно, плотности тепловых потоков в элементах могут различаться. Это означает, что плотность тока насыщения j в каждом из элементов может быть разной. Так как в многоэлементной сборке через все элементы течет один и тот же полный ток, то при снятии ВАХ в режиме термовакуумного обезгаживания многоэлементной сборки полный ток насыщения будет определяться так называемым "узким" элементом с минимальным значением этого полного тока насыщения. Поэтому определение ε по (1) при испытаниях многоэлементной ЭГС в неравномерном вдоль ЭГС поле тепловыделения будет проводиться с большой погрешностью.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения ε за счет учета влияния неравномерности тепловыделения вдоль ЭГС.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной многоэлементной сборки при петлевых испытаниях, включающем измерение тепловой мощности сборки, измерение или оценку вакуумной работы выхода эмиттеров ϕ (эB) в режиме термовакуумного обезгаживания, измерение вакуумной вольт-амперной характеристики (ВАХ) с регистрацией плотности тока насыщения j (A/cм²), одновременно с измерением тепловой мощности измеряют относительное распределение тепловыделения вдоль многоэлементной сборки с регистрацией значения относительного тепловыделения в каждом элементе сборки, после чего определяют среднюю плотность теплового потока с эмиттера каждого элемента, фиксируют минимальное значение средней плотности теплового потока с эмиттера элемента q_min (Вт/см²), а оценку приведенной степени черноты электродов ε осуществляют из соотношения ε = 0,86•10^-5q_min[(20-lnj)/ϕ]⁴. (2) Способ реализуется следующим образом.

После изготовления термоэмиссионная ЭГС в составе петлевого канала (ПК) загружается в ячейку исследовательского ядерного реактора. Мощность реактора поднимают до значения, при котором проводится термовакуумная подготовка ЭГС. Измеряют одновременно тепловую мощность Q ЭГС и распределение относительного тепловыделения p(z) вдоль ЭГС известными методами, например, на основе данных реакторных исследований теплофизического макета ПК с моделью ЭГС или с помощью встроенной в ПК калориметрической системы измерения тепловыделения. После этого, зная относительное распределение тепловыделения p(z) вдоль многоэлементной ЭГС и координаты центра z_i каждого i-го элемента, регистрируют значения относительного тепловыделения p_i(z_i) в каждом элементе сборки. Зная p_i(z_i) и геометрию ЭГС, определяют среднюю плотность теплового потока с эмиттера каждого i-го элемента, например, по приближенной формуле q_i=(Q/S)p_i(z_i), (3) где S - поверхность эмиттеров всех элементов в сборке.

Сравнивая q_i для всех i-х элементов, фиксируют номер элемента i_min с минимальным значением средней плотности теплового потока _min с эмиттера элемента. Элемент с q_min будет иметь и минимальную температуру эмиттера, а следовательно, в этом элементе будет минимальная плотность тока насыщения j. Этот элемент и будет "узким" элементом, который будет ограничивать полный ток ЭГС.

В режиме термовакуумного обезгаживания снимают вакуумную ВАХ с регистрацией плотности тока насыщения j, которая определяется параметрами "узкого" элемента.

Измерения проводят в режиме термовакуумного обезгаживания, т.е. до напуска пара цезия в межэлектродные зазоры ЭГС, поэтому как правило работа выхода ϕ эмиттера известна, т.е. равна табличному значению. Однако она может быть оценена или измерена известными способами, например, одним из разновидностей метода контактной разности потенциалов.

Уравнение Ричардсона в виде ϕ = kT_э/e•ln(AT²_э/j) (4) в диапазоне рабочих температур Т_э эмиттеров термоэмиссионных преобразователей от 1800 до 2200К приближенно разрешается относительно Т_э в виде T_э= ϕe/[k(lnA-lnjT_э)]. (5)
В (4) и (5) ϕ - работа выхода эмиттера, k - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, А - постоянная Ричардсона, j - измеренная плотность тока насыщения.

Подставляя под знаком ln среднее значение Т_э=2000К и используя численные значения для е, k и А и lnТ_э, получим с погрешностью не выше 1%
T_э= 116000ϕ/(20-lnj). (6)
Уравнение теплового баланса элемента для вакуумного режима, когда тепло с эмиттера уносится лишь излучением, записывается в виде
q = εσ(T⁴_э-T⁴_к), (7)
где σ - постоянная Стефана-Больцмана, а Т_к - температура коллектора.

Для типичных режимов термовакуумного обезгаживания с погрешностью не выше 4% выражение (7) можно переписать в виде
q = εσT⁴_э. (8)
Для "узкого" элемента выражение (8) перепишется в виде
q_min= εσT⁴_э. (9)
Подставив в (9) значение Т_э из (6) и числовое значение σ, получим (2):
ε = 0,86•10^-5q_min[(20-lnj)/ϕ]⁴.
Если требуется найти зависимость ε от температуры эмиттера Т_э, то приводят аналогичным образом определение ε при разных Q, и зная для каждого Q значение Т_э, получают зависимость ε(T_э)
Полученную зависимость ε(T_э) используют в дальнейшем для оценки составляющих теплового балланса и для целей диагностики технического состояния ЭГС.

Эффективность предложенного способа была проверена расчетным моделированием полученных ранее результатов реакторных испытаний пятиэлементной ЭГС с вольфрамовым эмиттером и ниобиевым коллектором, покрытым тонким слоем вольфрама. В лабораторных условиях было получено относительно низкое значение ε этой пары электродов, а при оценках усредненных результатов реакторных испытаний известными методами - существенно более высокое значение. Испытания проводились в неравномерном вдоль ЭГС поле тепловыделения, причем в крайних элементах тепловыделение было на 15-20% ниже среднего по ЭГС значения. Определение ε предложенным способом с учетом неравномерности тепловыделения вдоль ЭГС показало, что значение ε при реакторных испытаниях в режиме термовакуумного обезгаживания соответствовало результатам лабораторных исследований.

Источники информации
1. Синявский В.В. Методы определения характеристик термоэмиссионных твэлов. М., Энергоиздат, 1990, с.110.

2. Там же, с.111-112.

3. Патент RU 2070753 С1, МКИ Н 01 J 45/00. Способ определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной электрогенерирующей сборки при петлевых испытаниях /В.В. Синявский и Ю.А. Шуандер // 1995. Бюл.35.

Формула изобретения

Способ определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной многоэлементной сборки при петлевых испытаниях, включающий измерение тепловой мощности сборки, измерение вакуумной работы выхода эмиттеров в режиме термовакуумного обезгаживания, измерение вакуумной вольт-амперной характеристики с регистрацией плотности тока насыщения и оценку приведенной степени черноты электродов, отличающийся тем, что одновременно с измерением тепловой мощности измеряют относительное распределение тепловыделения вдоль многоэлементной сборки с регистрацией значения относительного тепловыделения в каждом элементе сборки, после чего определяют среднюю плотность теплового потока с эмиттера каждого элемента, фиксируют минимальное значение средней плотности теплового потока с эмиттера элемента, а оценку приведенной степени черноты электродов осуществляют из соотношения

где ε - приведенная степень черноты электродов;
q_min - минимальное значение средней плотности теплового потока с эмиттера элемента, Вт/см²;
j - плотность тока насыщения, А/см²;
ϕ - вакуумная работа выхода эмиттера, эВ.