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

 

Способ определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной электрогенерирующей сборки при петлевых испытаниях. Назначение: энергетика. Сущность изобретения: в режиме термовакуумного обезгаживания измеряют тепловую мощность Q, плотность тока насыщения j, вакуумную работу выхода эмиттера Ф, а оценку приведенной степени черноты ε определяют из соотношения ε = 0,86·10^-5Q/S[(20-lnj)/φ]⁴, где S - поверхность эмиттеров всех элементов в сборке.

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).

Лучистые потери тепла с эмиттера на коллектор являются частью составляющих теплового баланса ЭГС и для определения полного КПД ЭГС необходимо знать приведенную степень черноты ε электродов ЭГС.

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

Известен экспериментальный способ определения e 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.

Известен способ определения e из сравнения расчетных и экспериментальных вольт-амперных характеристик (ВАХ) испытываемой ЭГС [2] Однако этот способ требует измерения серии ВАХ для достаточно широкого диапазона изменения тепловой мощности, температуры коллектора, а в некоторых случаях и давления пара цезия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения e непосредственно во время петлевых испытаний по экспериментальным ВАХ ЭГЭ и ЭГС [3] Он включает измерение двух статических ВАХ при равных тепловых мощностях ЭГС, оценку температур эмиттера и оценку e по аналитическому выражению.

Однако этот способ предполагает неизменной e 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.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение точности определения e за счет исключения рассмотрения разности тепловых мощностей и температур эмиттера.

Указанный технический результат достигается тем, что по способу определения e электродов термоэмиссионной ЭГС при петлевых испытаниях, включающему измерение тепловой мощности и электрических характеристик ЭГС и оценку e, в режиме термовакуумного обезгаживания ЭГС измеряют значение вакуумной работы выхода эмиттера v и значение плотности тока насыщения J, а оценку e производят из соотношения ε = 0,86·10^-5Q/S[(20-lnj)/φ]⁴. (1) 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 тепловую мощность Q 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. Зная Q, определяют среднюю плотность теплового потока с эмиттера q. Снимают вакуумную ВАХ с регистрацией плотности тока насыщения j, после чего по (1) определяют ε.

Если требуется найти зависимость e от температуры эмиттера Т, то проводят аналогичным образом определение e при разных Q и, зная для каждого Q значение Т, получают зависимость e (T).

Полученную зависимость используют в дальнейшем для оценки составляющих теплового баланса и для целей диагностики технического состояния ЭГС.

Формула (1) получена из следующих соображений.

Уравнение Ричардсона ϕ = kT/e·ln(AT²/j) (2) в диапазоне рабочих температур ТЭП от 1800 до 2200 К приближенно разрешается относительно Т в виде T = ϕe/[k(ln A-ln jT)]. (3)
Подставляя под знаком ln среднее значение Т 2000 К и используя численные значения для e, k, A и ln T, получим
T = 116000ϕ/(20-lnj) (4)
с погрешностью не выше 1%
Уравнение теплового баланса для вакуумного режима, когда тепло с эмиттера уносится лишь излучением, записывается в виде
q = εσ(T⁴-T⁴_c), (5)
где σ постоянная Стефана-Больцмана, а Т температура коллектора.

Для типичных режимов термовакуумного обезгаживания с погрешностью не выше 4% выражение (5) можно переписать в виде
q_т= ε_крσT⁴. (6)
Подставив в (6) значение Т из (4) и числовое значение δ, получим (1).

Реализуемость и эффективность предложенного способа были проверены экспериментально при реакторных испытаниях пятиэлементной ЭГС с вольфрамовым эмиттером и ниобиевым коллектором, покрытым тонким слоем вольфрама. В лабораторных условиях было получено относительно низкое значение e этой пары электродов. Определение e предложенным способом показало, что к завершению режима термовакуумной подготовки значение e соответствовало результатам лабораторных исследований.

Формула изобретения

Способ определения приведенной степени черноты электродов термоэмиссионной электрогенерирующей сборки при петлевых испытаниях, включающий измерение тепловой мощности и электрических характеристик сборки и оценку приведенной степени черноты электродов, отличающийся тем, что в режиме термовакуумного обезгаживания измеряют значение вакуумной работы выхода эмиттера ϕ_э.в, в качестве электрической характеристики измеряют вакуумную вольт-амперную характеристику с регистрацией плотности тока насыщения j (А/см²), а оценку проведенной степени черноты электродов ε определяют из соотношения
ε = 0,86·10^-5 Q/S[(20-lnj)/ϕ]⁴
где Q тепловая мощность сборки, Вт;
S поверхность эмиттеров всех элементов сборки, см².