СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНОМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ Российский патент 1995 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к тепловым трубам (ТТ) или другим устройствам, использующим механизм переноса тепла испарением рабочей жидкости с поверхности капиллярно-пористой структуры (КПС) в одной части устройства (испарителе) и конденсации его в другой части (конденсаторе) с возвратом рабочей жидкости в зону испарения за счет капиллярных сил КПС. Изобретение может быть использовано для определения некоторых аномальных режимов ТТ, а также для исследования оптимальности конструкций ТТ.

Известно, что одной из наиболее неприятных аномалий в работе ТТ является режим, при котором происходит полное или частичное осушение КПС в зоне испарения. В этом случае при определенных условиях подвода тепла к зоне испарения возможен перегрев и даже пережог стенки ТТ. В зависимости от конструкции ТТ, типа и параметров КПС используемого теплоносителя, рабочей температуры, условий подвода и отвода теплового потока определяющими могут быть одно или несколько из шести ограничений максимальной мощности, передаваемой ТТ; гидродинамическая граница или "капиллярное ограничение", определяемая из условия равенства максимального капиллярного напора сумме всех потерь давления в парожидкостном контуре циркуляции теплоносителя при максимальной и минимальной кривизне менисков; звуковая граница или "звуковое ограничение", определяемая (при неизменной температуре пара в начале зоны испарения) моментом достижения потоком пара местной скорости звука в начале зоны конденсации; граница по кипению, определяемая вскипанием теплоносителя в КПС зоны испарения, когда температура перегрева превышает критическую, найденную из условия равновесия парового зародыша; граница по взаимодействию противоположно направленных потоков пара и жидкости на поверхности раздела фаз, обусловленная срывом капель жидкости с гребней волн, возникающих в порах КПС, и уносом их паром в конец зоны конденсации; кинетический предел испарения, определяемый конечной скоростью испарения в вакуум; вязкостной предел, определяемый вязкостным эффектом в паре в предположении, что давление пара вследствие трения уменьшается к концу ТТ до нуля [1] Способ регистрации подобных аномалий в ТТ заключается в регистрации перепадов температур паров рабочего тела в зоне испарения ТТ [1]
Наиболее близкое техническое решение описано в [2] в котором для количественной оценки скорости наброса температуры, скорости распространения температурного фронта и времени переходного процесса на наружной поверхности ТТ точечной сваркой закреплялось 12 хромель-алюмелевых термопар. Расстояние между термопарами выбиралось различным, однако в большинстве случаев при исследовании динамических характеристик расстояния между термопарами были одинаковыми. Для измерения температур в паровом канале в некоторых ТТ в испарителе и конденсаторе по оси парового канала располагали термопарные гильзы. Во время экспериментов ТТ размещали в вакуумируемом цилиндрическом теплообменнике-калориметре, который с одного торца герметично соединялся с кварцевой ампулой, а с другого с гермовводом для подсоединения электродов термопар. Для определения передаваемого теплового потока измеряли расход и подогрев жидкости в теплообменнике. Показания термопар непрерывно или последовательно регистрировались с помощью электронных потенциометров. Абсолютные значения температур измерялись также с помощью образцового потенциометра. По этим данным определяли скорость наброса температуры, скорость распространения фронта запуска и др.

К недостаткам вышеописанных решений следует отнести трудности полного учета сложного и взаимосвязанного характера реальных процессов тепло- и массопереноса в паровой и жидкой фазе. Во-первых, величина перепада температур в конкретной зоне испарения ТТ определяется не только режимом ее работы, но и геометрией ее проточной части по пару, наличием местных газодинамических сопротивлений и пр. Во-вторых, при работе нескольких испарительных элементов в общем объеме, как это предполагается делать, например, в ядерных реакторах с испарительным охлаждением активной зоны, подобный способ практически неприменим, так как осушение КПС ТВЭЛа обуславливается теми локальными условиями, которые реализуются вокруг него. Кроме того, идентификация режимов ТТ, предшествующих кипению теплоносителя в структуре КПС и ее осушению технически трудноосуществима, так как необходимо измерять температуру теплоносителя в ячейках, максимальные размеры которых составляют только сотни или даже десятки микрон.

Задача изобретения устранение указанных недостатков, повышение вероятности выявления аномальных режимов работы ТТ, предотвращение перехода аварийной ситуации в собственно аварию, снижение трудоемкости работ и тем самым увеличение надежности работы ТТ.

Для достижения указанного технического результата предложено при измерении температурного поля ТТ дополнительно регистрировать акустические шумы ультразвукового диапазона, а о переходе на аномальные режимы судить по возникновению акустических шумов с интенсивностью, статистически значимо отличающейся от ее фонового значения. Сущность решения заключается в том, что для регистрации аномальных режимов используется новый независимый от термодинамического состояния рабочего тела ТТ измерительный канал. Физическая природа появления акустических шумов ультразвукового диапазона в работающей ТТ в режимах с перечисленными выше аномалиями вполне ясна. При появлении звуковой границы высокочастотный акустический шум появляется вследствие торможения сверхзвукового потока пара в зоне конденсации где, в принципе, есть условия для возникновения скачка уплотнения в виде стоячей ударной волны. Источником акустических шумов в случае наступления ограничений по уносу жидкости являются интенсивные удары капель жидкого натрия, уносимых с поверхности КПС и внутренних стенок парового тракта скоростным паровым потоком по элементам конструкции ТТ.

Способ осуществляется следующим образом.

К корпусу ТТ приваривают, например, электросваркой акустический волновод (стальная проволока диаметром не менее 3 мм и длиной не более 3 м). К холодному торцу волновода крепят пьезоэлектрический датчик акустических шумов ультразвукового диапазона, который через усилитель подает сигнал на прибор, регистрирующий интенсивность акустических шумов с амплитудой выше определенного уровня. Последний определяется естественным фоном измерительного канала, который определяют экспериментально. При включении ТТ в работу следят за уровнем интенсивности акустических шумов и при повышении этого уровня статистически значимо по отношению к фоновому значению делают вывод о наступлении аномального режима работы ТТ.

Принцип выявления аномалий при запуске ТТ весьма прост и соответствует традициям, т. е. если процесс ("портрет") запуска ТТ отличается от эталона, значит он аномальный, а это грозит осушением КПС. Для реализации этого принципа при решении задач безопасности управления установкой в период ее разогрева до рабочих температур (запуска) необходимо иметь временную зависимость одного из представительных параметров акустического шума ТТ и соответствующие им пространственно-временные картинки поведения температур в различных объемах ТТ при безусловно нормальном запуске. Сравнивая с определенной цикличностью текущие значения температур и акустических шумов с их эталонными значениями, получают текущие разногласия (невязки), по величине которых судят о соответствии либо несоответствии режима заданному.

В качестве параметра, характеризующего интенсивность акустических шумов, следует использовать временную зависимость их огибающей дисперсии либо другого параметра с интегрирующим свойством, а для контроля пространственно-временного поведения температур проще и надежнее использовать их собственные временные зависимости для каждой термопары. Доверительные интервалы для кривых с любым наперед заданным уровнем значимости получают статистическими методами.

К настоящему времени проведены 4 серии экспериментов, в которых исследовались разнообразные режимы работы высокотемпературных ТТ, заполненных натрием. Различия касались лишь системы подвода тепла в зону испарения и схемы подачи жидкого натрия на КПС испарителя. Все измеряемые параметры (температуры, электрическая мощность нагревателя и уровень акустических шумов) регистрировались с помощью автоматизированного рабочего места, разработанного на базе ПЭВМ типа IВМ РС/АТ и крейта КАМАК с набором специализированных модулей. Экспериментальные результаты формировались в виде отдельных файлов, содержали запись параметров определенного режима с характерным временем записи около 2 ч и частотой опроса датчиков 1 Гц. Такая форма записи режимов диктовалась исключительно удобством их последующей обработки, т.е. объемом оперативной памяти ПЭВМ с микропроцессором Intel-80286. В целях безопасности экспериментов и для реализации возможности изменения теплоотвода от внешней трубы все устройство размещалось в герметичном охлаждаемом цилиндрическом кессоне, заполненном аргоном технической чистоты со ступенчатой регулировкой его давления от форвакуумного (1 торр) до повышенного (1,2 кг/см²).

Акустические сигналы ТТ выводились из кессона волноводом (стальная проволока диаметром 3 мм, общей длиной r ≈ 1 м с концентраторами звуковой энергии на концах). Регистрацию акустических шумов ТТ проводили с помощью измерительного канала, собранного в основном из аппаратуры фирмы "Брюль и Къер". Измерительный канал состоял из пьезоэлектрического датчика акустической эмиссии типа 8313 с частотой собственного резонанса 200 кГц фирмы "Брюль и Къер", предусилителя типа 2637, широкополосного усилителя-формирователя сигнала типа 2638, четырехканального анализатора типа 4429 и графопостроителя типа 2309 той же фирмы. Сигнал с анализатора, представлявший собой величину, пропорциональную площади под кривой временного развития анализируемого сигнала, в единицу времени записывали синхронно с температурами через крейт КАМАК в память автоматизированного рабочего места.

Периодически записывали акустические сигналы в аналоговом виде непосредственно с широкополосного усилителя на четырнадцатиканальный магнитограф фирмы "Шлюмберже" типа МТ-0529. Далее этот сигнал обрабатывался на двухканальном анализаторе сигналов фирмы "Брюль и Къер" типа 2034. Всего в процессе 4-х серий исследований было осуществлено 40 запусков ТТ с предварительным ее разогревом и 30 из холодного состояния, когда в исходном состоянии ТТ натрий находится в твердом состоянии. Однозначно выявлено, что режим генерации ультразвуковых волн в ТТ наступает в соответствии, предшествующем ее запиранию по звуковому пределу. Он реализуется при сравнительно низких (до 650^оС) температурах испарителя и относительно больших (до 80^оС) перепадах температуры между испарителем и конденсатором и 30^оС между нижней и верхней точками испарителя. При реализации режима с осушением КПС вследствие уноса жидкого натрия паровым потоком спектр акустических шумов ТТ изменяется, смещаясь в область более высоких частот по сравнению с акустическим спектром сопутствующим запиранию ТТ по звуковому пределу. Кроме того, изменяется временная картина генерации ультразвука: вместо непрерывных по времени колебаний наблюдаются серии цугов звуковых волн с длиной цуга 0,3-3 мс. По этому признаку можно идентифицировать причины осушения КПС.

Установлено, что наиболее информативной частью спектра при идентификации аномалий в работе ТТ являются две частотные области в окрестности частоты 140 кГц и при частоте 185 кГц. Много диагностической информации содержит и такая интегральная характеристика спектра, как дисперсия сигнала, которая весьма чувствительна к появлению аномальных температурных перепадов в объеме ТТ, началу осушения КПС.

Использование изобретения позволяет повысить надежность работы ТТ и других устройств испарительного охлаждения путем своевременной регистрации режимов, предшествующих осушению КПС.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: к корпусу тепловой трубы приваривают акустический волновод. К холодному торцу его крепят пьезоэлектрический датчик акустических шумов ультразвукового диапазона. Он через усилитель подает сигнал на прибор для регистрации уровня интенсивности акустических шумов. При статистически значимом превышении этим уровнем исходного фонового значения делают вывод о наступлении аномального режима.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АНОМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ, заключающийся в фиксации температурного поля тепловой трубы, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют акустические шумы ультразвукового диапазона, а о переходе на аномальные режимы судят по возникновению акустических шумов с интенсивностью, статистически значимо отличающейся от ее фонового значения.