СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИВЕДЕННОЙ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ЭЛЕКТРОДОВ ТЕРМОЭМИССИОННОЙ МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ СБОРКИ ПРИ ПЕТЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЯХ Российский патент 2002 года по МПК H01J45/00 

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 q_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(AT2э

/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(T4э

-T4к), (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 = εσT4э

. (8)
Для "узкого" элемента выражение (8) перепишется в виде
q_min= εσT4э. (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.

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.

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.