СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ МЕЖЭЛЕКТРОДНОГО ЗАЗОРА ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПЕТЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЯХ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КАНАЛОВ Советский патент 2006 года по МПК H01J45/00 

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 I₁, 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.

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.

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, м³

l - длина эмиттера электрогенерирующего элемента, м;

n - число элементов в канале

М - 132, 9 - молярная масса атома цезия

T=(T_E+T_K)/₂