Способ определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента

+с Ч чэ а где ТобТад - тем сне ратур еплон ера теплового твэла, В ние в м плошадь твэла, м контакта т/м, ц атериал онтактач - обьоболоч рал ИФ темпе носителя С температуры в ктора ние. 3 9 ф Комитет Российской Федерации ио патентам и товарным знакам(56) Браунинг У,Е, и лр. Термопары для измерения температуры поверхности тепловыделяющих элементов. М,: Мир. 1965, с.бб. Вгп 81 п 8 1.Н. Ечаца 1 оп оГ ТЬегаосоцре ТЬелпа - 1.оадп 8 Еггогз аког а ЗигГасе - айасЬед ТЬеппо ире оп а Та 1 - Рае Гие Е 1 еаеп 1. - Яис 1. Зс 1, аМ Еп 8 п 8., 1965, ч.23, Х 4, р.313-328,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБОЛОЧКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА(57) Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к температурным измерениям в активной зоне ядерного реактора (АЗЯР) с помощью термоэлектрического преобразователя (ТЭП) и может быть использовано для определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента (твэла). С целью повышения точности результата определения температуры оболочки твэла в АЗЯР перед установкой твэла, соединенного оболочкой с чувствительным элементом (ЧЭ) ТЭП, в активной зоне ядерного реа производят нагрева 19) Я 3 (11) 1818944 (3) Л 3 ЧЭТЭЛ импульсом электрического тока по его термоэлектродам в отсутствие теплоносителя в вакууме, в котором размещают твэл, и определение интеграла импульсной функции (ИФ) температуры в отсутствие теплоносителя, а после установки твэла в АЗЯР производят нагревание ЧЭ ТЭП импульсом электрического тока по его термоэлсктродам и определение интеграла ИФ температуры при наличии теплоносителя, причем вычисление значения температуры оболочки твэла осуществляют по математическому выражению: тура оболочки твэла КЧЭ ТЭЛ, К; Тж - темосителя, Кч - плотностьс поверхности оболочкиудельное энерговыделеЧЭ ТЭП, Вт/м; Б .- ЧЭ ТЭП с оболочкойем ЧЭ ТЭП в зоне егэкои твэла, м; 1 - интегм з,туры при наличии тепло 11 - интеграл ИФотсутствие теплоносителя,5 10 15 20 25 30 40 45 50 55 В результате получимгде Ст - удельная теплоемкость термоэлектродов, Дж/(К м); - допустимый перегревтермоэлектродов. К; Вп - погонное омическое сопротивление термоэлектродов,Ом/м; Я - площадь поперечного сечениятермоэлектрода, м; 1 - суммарная длинатермоэлектродов, м. При этом для заданного начального скачка температуры Т (фиг.1) чувствительного элемента величина подаваемого токасдтО,ЕЗт Вимп пВ структурную схему измерителя переходных характеристик (фиГ, 2) входит блок 1контроля термоэлектрических преобразователей (БКТ); блок 2 измерения переходныххарактеристик ТЭП(ИПХ-ТЭП); цифропечатающее устройство 3 (БЗМ),Блок БКТ включает в себя коммутатор 4,регулятор тока 5 и источник питания 6, аблок ИПХ-ТЭП содержит дифференциальный усилитель 7, аналого-цифровойпреобразователь 8, регистр числа 9, оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) 10,регистр вывода 11, выходные формирователи 12, генератор 13 импульсов нагрева, генератор 14 тактовых импульсов, регистр. суммы 15, устройство управления 16 и источник питания 17.Управление работой всей установкиосуществляет блок 16. Функциональная 3схема блока 16 (фиг. 3) включает в себя триггер (01), управляемый кнопками "Пуск" и"Стоп". Этот триггер включает режим "измерения". При этом запускается генератор 13импульсов нагрева, генератор 14 тактовыхимпульсов, ОЗУ 10 переводится в режимприема информации, "обнуляются" регистры числа 9 и суммы и 15, По окончаниипроцесса измерения триггер О переводит-.ся в исходное состояние сигналом "Сброс",поступающим из регистра адреса, входящего в состав ОЗУ 10.Триггер 08 управляет кнопками "Выход" и "Стоп", обеспечивает режим выводаинформации на цифропечатающее устройство Х Этот триггер переключает ОЗУ 10в режим вывода информации и включаетЦПУ 3.Триггер 016 переключает вход регистра"вывода" 11 с регистра суммы 15 на ОЗУ 10.Остальные логические элементы обеспечивают формирование соответствующих управляющих элементов.Операция нагрев - измерение осущоствляется следующим образом. Заданная величина тока нагрева выставляется регулятором тока 5 в режиме контроля, включается в режим измерения. В режиме измерения коммутатор 4 подключает ТЭП к источнику переменного тока 6 через регулятором 13 импульсов нагрева, по окончании импульса нагрева коммутатор 4 подключает ТЭП к дифференциальному усилителю 7, Уси- ленное напряжение остывающего ТЭП оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 8 с частотой дискретизации 50 Гц, заносится в регистр числа 9 и суммируется в регистре суммы 15. Из регистра числа 9 информация заносится в ОЗУ 10, которое запоминает все 511 отсчетов режима иэмерения до начала следующего измерения или до выключения питания. В режиме вывода информации включается ЦПУ 3 и по его запросу в регистр вывода 11 записывается информация сначала из регистра суммы 15, а затем из ОЗУ 10, которая через выходные формирователи поступает на ЦПУЗ, На ленте цифропечатающего устройства 3 слева печэтается четырехразрядный адрес числа, а справа - первое аестиразрядное число - сумма всех отсчетов (интеграл), последующие 511 трехразрядных чисел - текущие отсчеты. Генератор 14 тактовых импульсов и устройство управления 16формируют необходимые сигналы, управляющие работой всей установки, Источникпитания 17 обеспечивает блок ИПХ-ТЭПстабилизированным напряжением 12 В, 5 В- 12 В,Снимают с ленты цифропечатающего устройства значения интеграла Р" от зарегистрированной зависимости температуры чувствительного элемента от времени, а также снимают значение начального скачка температуры Л Т 1 чувствительного элемента,Определяют интеграл импульсной функции температуры в отсутствие теплоносителя как отношение полученного значенияинтеграла 1 Р к значению начального скач-.ка температуры ЬТ 1;гег1 = -1 дт.После установки тепловыделяющего элемента в активнуюзону ядерного реактора аналогичным образом производят нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термозлектродам, Однако в этом случае, устанавливая длительность импульса тока иэ условия тимпто,бз, в качестве то,бз принимают значение показателя тепловой инерции ТЭП в системе ТЭПтепловыделяющий элемент - теплоноситель.Снимают с ленты цифропечатающего устройства значение интеграла 1 р , а также значение начального скачка температуры Л Т чувствительного элемента при наличии теплоносителя,Определяют интеграл импульсной функции температуры при наличии теплоносителя как отношение значения интеграла к значению начального скачка температуры ЛТ:гег1ЬТ Вычисляют значение температуры оболочки тепловыделяющего элемента по математическому выражению (3).Описанный порядок операций обеспечивает учет комплекса факторов, определяющих теплообмен между чувствительным элементом ТЭП и термометрируемым обьектом.Дополнительный подбор режимов нагрева чувствительного элемента электриче ским током осуществляют с тем, чтобы обеспечить одинаковые начальные значения (начальные скачки) зависимостей температуры чувствительного элемента от времени при их регистрации в отсутствие и при наличии теплоносителя, т.е. равенство Ь Т 1=ЬТ. В этом случае отношение интегралов импульсных функций температуры 1/1, используемое при вычислении значения температуры оболочки по выражению (3), равно отношению соответствующих интегралов 11 Ре/1 Рег от зарегистрированных первоначально зависимостей. Приведенные на фиг, 1 исходные зависимости получены при одинаковых режимах нагрева и длительностях импульсов -0,5 с. Различие начальных амплитуд свидетельствуют о том, что при наличии теплоносителя, в качестве которого использовалась вода, сток выделяющегося при электрическом нагреве тепла интенсивно происходит уже в процессе нагрева чувствительного элемента.Эксперименты, проведенные в лабораторных условиях на испытательном стенде, показали, что обеспечить одинаковые начальные скачки температуры чувствитель. ного элемента с достаточной точностьюпрактически сложно, поэтому интегралы от импульсных функций получают, интегрируя исходные зависимости температуры от времени и затем разделяя значения полученных интегралов на начальные значения соответствующих зависимостей. Показано5 10 15 20 также, что с достаточной для практики точностью (-1 е) значение интеграла от импульсной функции численно равно времени уменьшения ординаты исходной зависимости температуры чувствительного элемента от времени в г раз. Показанные на чертежее =1, в=1Данные по удельному энерговыделению в материалах чувствительных элементов ТЭП получают известными методами реакторной калориметрии, а данные по плотности теплового потока с 1 - по формуле г 111 Порк, где й - моЩность тепловыДеления твэла, Вт; Ибо - площадь боковой поверхности твэла, м .Оценка точности предлагаемого способа осуществлена сравнением результатов вычислений Т,б по формуле (3) с показаниями контрольных ТЭП. Данные для расчета получены путем исследований на стендовой установке с экспериментальным участком в виде имитатора твэла, в котором энерговыделение делящегося материала 25 имитировалось токовым нагревом стержняиз нержавеющей стали, а оболочка, изготовленная из нержавеющей стали, охлаждалась потоком воздуха при температуре 20 С, Температура оболочки измерялась 30 хромель-алюмелевым ТЭП, изготовленнымиз кабеля термопарного КТМС диаметром 1,0 мм со сплющенным рабочим концом, приваренным к оболочке с помощью лазерного луча. В качестве контрольного 35 средства использовался также хромельалюмелевый ТЭП диаметром 0,3 мм, который был запаян припоем ПСРв пазу шириной 0,8 мм и глубиной 1,0 мм. Испытания проводились при режимах: напряжение 40 на стержне 0=5 В, ток 1 нагр=420 А, что обеспечивало соответствующую реакторным условиям плотность теплового потока с 1=2,4 х х 10 Вт/м . Показания приваренного к обо 5 2. лочке ТЭП составили 578 С, а показания 45 контрольногоТЭП, соответствующиетемпературе оболочки, составили 598 С.Оценка температуры оболочки по предлагаемому способу проведена при режимах импульсного нагрева ЭТП, рассчитанных по 50 формуле(15). Исходные данные для расчета:Сг=0,29 Дж/(К м); йп=8,0 Ом/м; гимп,5 с;0 =100 С. Расчетное значение тока 1=2,7 А.Интеграл от импульсной функции в отсутствие теплоносителя 11=0,971, при наличии 55 теплоносителя 1=0,926 с. Методический поправочный коэффициент Ем,048, Значение температуры оболочки, найденное по формуле (3), составило 605 С, Относительная погрешность определения температуры оболочки по предлагаемому способу д Т,6-1,2, а по прототипу она составляла 2,0, т,е. по предлагаемому способу она снижена в 1,7 раза,.Технические преимущества предлагае мого способа в сравнении с прототипом обеспечивают адекватный учет факторов, определяющих теплообмен оболоча - ТЭП - теплоноситель и, следовательно, повышение точности результата определения 10 температуры оболочки твэла.Формула изобретенияСПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБОЛОЧКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮ ЩЕГО ЭЛЕМЕНТАСпособ определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента, включающий установку тепловыделяюще го элемента, соединенного оболочкой с чувствительным элементом термоэлект-рического преобразователя, в активную зону ядерного реактора, которую охлаждают теплоносителем, измерение темпе ратуры чувствительного элемента термо- электрического преобразователя и: температуры теплоносителя и вычисление значения температуры оболочки тепловыделяющего элемента, опиичвю щийся тем;что, с целью повышения точнЬсти результата определения температуры, перед установкойтеловыделяю щего элемента в активную зону ядерного реактора производят нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его 40 термоэлектродам в отсутствие теплоносителя в вакууме, в котором размещают тепловыделяющий элемент, и определение интеграла импульсной функции.тем- пературы в отсутствие теплоносителя, а 45 после установки тепловыдел 4 ющего эле-.мента в активную зону ядерного реак- тора производят ,. нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом 50 элекгрического тока по его термоэлектДанная работа находится в стадии НИР. Рассчитать экономический эффект в денежном исчислении не представляется возможным, в то же время использование данного способа является целесообразным, по- скольку способ реализуем на современном уровне развития техники и обеспечивает повышение точности результата определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента, что актуально при контроле температурных режимов реакторародам и определение интеграла импульсной функции при , наличии теплоносителя, причем вычисление значения температуры оболочки тепловыделяющего элемента осуществляют по математическому выражению(1об чб 1сЯ+с Ч чэ вгде То 6 - температура оболочки тепловыделяющего элемента;Тчэ - температура чувствительногоэлемента термоэлектрического пре- образователя;Тж - температура теплоносителя;о - плотность теплового потока с поверхности оболочки тепловыделяющего элемента;цч - удельное тепловыделение в материале чувствительного элементатермоэлектрического преобразователя,8 - площадь контакта чувствительного элемента термоэлектрическогопреобразователя с оболочкой теаловыделяющего элемента;Ч - объем чувствительного элементатермоэлектрического преобразователя в зоне его контакта с оболочкойтепловыделяющего элемента;- интеграл импульсной функциитемпературы при наличии теплоносителя;1 - интеграл импульсной функциитемпературы в отсутствие теплоносителя.1818944 орректор С,Патрушев но оизводственно-издательскиК комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 Редактор 3 аказ 30 О. х Составитель Ю. Алеш Техред М.Моргентал Тираж Под НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/20 30 35 40 45 50 где Ти,и - измеренная температура чувствительного элемента, К;Тж - температура теплоносителя К,Изобретение относится к области дтом) й энергетики, в частности к температурп м измерениям в активной зоне ядерногоя.актора с помощью термоэлектрическогопреобразователя (ТЗП), и может быть использовано для определения температурыоболочки тепловыделяющего элемента (твэла) в активной зоне ядерного реактора, Вэтих условиях на показания ТЗП оказываетвлияние, с одной стороны, температура тер 1мометрируемой оболочки, площадь контакта между чувствительным элементом (ЧЗ)ТЭП и оболочкой и коэффициент теплообмена на границе ЧЭ - оболочка, С упругойстороны, на показания ТЭГ 1 влияет температура непосредственно граничащего в ЧЭтеплоносителя, площадь охлажддемой теплоносителем поверхнос 1 и ЧЭ и коэффициент теплоотддчи на ней, Тдки 1 л образом,необходимо разработать способ определения температуры оболочки твэла в активнойзоне ядерного реактора по показаниям закрепленного на ней ТЭП, причем способдолжен обеспечивать адекватный учет условий теплообмена в системе оболочка - ТЭПтеплоноситель,Наиболее близким к изобретению является способ определения температуры объекта в активной зоне ядерного реактора, прикотором соединяют ТЭП с оболочкой твэла,устанавливают в активную зону, измеряютсигнал преобразователя, вычисляют поправочный методический коэффициент и определяют температуру оболочки твэла. Приреализации способа поправочный коэффициент Ел вычисляют по формуле(и/Л )Л а г /8(1)1+(и/Л )/Л а г /8ст э э агде 4 - коэффициент теплопроводности материала ЧЭ ТЭГ 1, Втl(м К);4 т - коэффициент теплопроводностиоболочки, Втl(м К);г - эквивалентный радиус ТЭП, м;аэ - коэффициент теплоотдачи с поверхности ТЭП, Вт/(м К), который определяют по формуле для поперечного обтеканияцилиндра: а, =О,бх(Л/2 г.,) ВеРг , где Лкоэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м К); Ве - число Рейнольдса;Рг - число Прандтля,а температуру оболочки твэла Тоб находятиз соотношения"Об = ( )ИЭИ мТк)/(" Ем) Однако зтпт способ приводит к большим погрешнос 1 ям определения телпературы оболочки твэла, поскольку в нем не учитывается тепловой поток с поверхности твэла и рнугреннее тепловыделение в материале чувствительного элемента, Кроме того, в этом способе не обеспечивается адекватный учет факторов, определяющих величину поправочного методического козффициента, Зти факторы следующие;1) неровности на контактирующих участках поверхностеи ТЭП и оболочки, которые приводят к увеличению теплового сопротивления между ними;2) соотношение площддеи контакта ТЭП с оболочкой и теплоносителем. а также со-. отношение суммарных коэфФициентов теплообменд нд них.Указанные Факторы формируются, причем случайным образом, начиная с этапа изготовления ТЭП и оболочки твэла, при их соединении и меняются в процессе работы, причем являются индивидуальными для каждого ТЭП, что усложняет их учет прирасчетных оценках параметров теплоотдачи с поверхности ТЗГ 1, При этом расчетные данные поправочных коэффициентов для различных ТЭП получают одинаковыми для условий конкретного реактора, фактическиеже их значения могут существенно различаться,Целью изобретения является повышение точности результата определения температуры оболочки тепловыделяющегоэлемента.Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения температуры оболочки тепловыделяющего элемента, включдюц 1 ем установку тепловыделяющего элемента, соединенного оболочкой с чувствительным элементом термоэлектрического преобразователя, в активную зону ядерного реактора, которую охлаждают теплоносителем, измерение температуры чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя и температуры теплоносителя и вычисление значения температуры оболочки тепловыделяющего элемента, дополнительно передустановкой тепловыделяющего элемента в активную зону ядерного реактора производят нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термоэлектродам в отсутствие теплоносителя в вакууме, в котором размещаюттепловыделяющий элемент, и определение интеграла импульсной функции температуры в отсутствие теплоносителя, а после установки тепловыделяющего элемента в активную зону ядерного реактора производят нагрев чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термозлектродам и определение интеграла импульсной функции температуры при наличии теплоносителя, причем вычисление значения температуры оболочки тепловыделяющего элемента осуществляют по математическому выражению1Т =Т + - -1 -- Т -Т где Тоб - температура оболочки тепловыделяющего элемента;Т 43 температура чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя;Тж - температура теплоносителя;о - плотность теплового потока с поверхности оболочки тепловыделяющего элемента;Ъ - удельное тепловыделение в материале чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя;3 - площадь контакта чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя с оболочкой тепловыделяющего элемента;Ч - объем чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в зоне его контакта с оболочкой тепловыделяющего элемента;1- интеграл импульсной функции температуры при наличии теплоносителя;1 - интеграл импульсной функции температуры в отсутствие тейлоносителя.Отличительные от прототипа признаки; - нагревание перед установкой тепло- выделяющего элемента в активную зону . ядерного реактора чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термоэлектродам в отсутствие теплоносителя в вакууме, в котором размещают тепловыделяющий элемент:- определение интеграла импульсной функции температуры в отсутствие теплоносителя;- нагревание после установки тепло- выделяющего элемента в активную зону ядерного реактора чувствительного термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термоэлектродам при наличии теплоносителя;- определение интеграла импульсной функции температуры при наличии теплоносителя;- вычисление значения температуры оболочки тепловыделяющего элемента по математическому выражению (3).если на прилегающих участках поверхностей чувствительного элемента и оболочки имеются выступы, включения, которые препятствуют,плотному прилеганию чувстви тельного элемента к оболочке твэла, стоктепла от чувствительного элемента будет слабым и, следовательно, импульсная функция Кф) будет медленно убывающей. Площадь между графиком функции К 1(т) с осью 35 времени, представляющая собой интегралОЭ1 = 3 К (т)с 1 т в этом случае будетобольшой. Если же прилегающие участки по верхностей чувствительного элемента. иоболочки гладкие и контакт между ними плотный, то сток выделившегося в чувствительном элементе тепла будет интенсивным, импульсная функция будет спадать 45 быстро, поэтому площадь между ее графиком и осью времени будет малой. Малым будет, следовательно, интеграл 11 от импульсной функции. Кроме того, скорость охлаждения чувствительного элемента про порциональна площади контакта между чувствительным элементом и оболочкой,Таим образом, снятием импульснойфункции температуры в отсутствие теплоносителя обеспечивается выявление реальных 55 условий теплообмена чувствительного элемента ТЭП на границе с оболочкой твэла.Известно, что эффективный коэффициент теплообмена на границе ЧЭ - оболочкатвэла зависит от коэффициентов теплопроводности их материалов, В связи с этим,5 10152025 Нагревание, перед установкой тепловыделяющего элемента в активную зону ядерного реактора, чувствительного. элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термоэлектродам в отсутствие теплоносителя в вакууме, в котором размещают тепловыделяющий элемент, необходимо для того, чтобы обусловить таким образом последующее расхолаживание чувствительного элемента, в процессе которого накопленное избыточное тепло стекает в оболочку, поскольку в отсутствие теплоносителя в вакууме исключен теплообмен на той части поверхностичувствительного элемента, которая в рабочих условиях твэла охлаждается теплоносителем.В процессе расхолаживания регистрируемая прибором зависимость температурыЧЭ от времени описывается функцией Тф),которая, будучи нормирована к единичной начальной. амплитуде, преобразуется в соответствующую импульсную функцию (переходную характеристику) температуры Кф) в отсутствие теплоносителя. В случае," учитывая температурную зависимость коэффициентов теплопроводности, чтобы обеспечить равенство коэффициентов теплообмена на границе ЧЭ - оболочка твэла при электрическом нагреве ЧЭ в отсутствие теплоносителя в вакууме, а затем при электрическом нагреве ЧЭ в активной зоне реактора, данную операцию в вакууме следует проводить при температуре оболочки, равной ее рабочей температуре в активной зоне.Определение интеграла 1 импульсной функции температуры в отсутствие теплоносителя необходимо для того, чтобы обеспечить адекватный учет факторов, определяющих реальные условия теплообмена между чувствительным элементом и оболочкой твэла и влияющим, при заданной температуре оболочки и теплоносителя, на показания ТЭП. В отиличие от формулы (1) прототипа, где условия теплообмена чувствительного элемента описываются коэффициентом теплоотдачи а который определяют по формуле для поперечного обтекания цилиндра где не обеспечиваетсяадекватный учет упомяйутого выше фактора, определяющего фактический коэффициент теплообмена на границе оболочки - ТЭП, в формуле(3) по предлагаемому способу условия теплообмена между оболочкой и ТЭП характеризуются интегралом 1 от импульсной функции Кф), снятой в отсутствие теплоносителя,Нагревание, после установки тепловыделяющего элемента в активную зону ядерного реактора, чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического така по его термоэлектродам при наличии теплоносителя необходимо для того, чтобы вызвать таким образом последующее расхолаживание чувствительного элемента,.в процессе которого накопленное избыточное тепло стекает в оболочки и одновременно снимается теплоносителем. Процесс охлаждения чувствительного элемента описывается в данном случае функцией Т(1), которая, также будучи нормирована к единичной начальной амплитуде, преобразуется в соответствующую импульсную функцию температуры К(т) при наличии теплоносителя. Импульсная функция К(т) определяется совместным влиянием реальных условий теплообмена чувствительного элемента на границах как с оболочкой, так и с теплоносителем на изменение величины рабочего сигнала ТЭП. Действительно, в этом случае на скорость охлаждения чувствительного элемента влияет, с одной стороны, качество контакта ТЭП с55 Примем в (4), что ц 131=с 13+цчН, где цч - удельное энерговыделение в материале ЧЭ; Н - обьем рассматриваемого участка ЧЗ в зоне контакта. Составив отношение правых и левых частей из (4), получим; оболочкой и площадь этого контакта и, сдругой стороны, площадь охлаждаемоготеплоносителя участка ТЭП и эффективныйкоэффициент теплоотдачи от ТЭП к тепло 5 носителю на этом участке.Определение интегралаимпульснойфункции температуры при наличии теплоносителя необходимо для того, чтобы обеспечить адекватный учет совместного влияния10 факторов, определяющих реальные условиятеплоабмена ЧЭ на границах как со стороныоболочки, так и теплоносителя на показанияТЭП,Следует отметить, что если прибор, ре 15 гистрирующий зависимость температурыЧЭ от времени, одновременно интегрируетэту зависимость, то, нормируя полученныйинтеграл на единичную начальную амплитуду, найдем искомое значение. интеграла от20 импульсной функции.Вычисление значения температуры ободочки тепловыделяющего элемента по математическому выражению125 тб Т+ - -1 Т -Тчнеобходимо в связи с тем, чта данное выражение связывает искомое значение температуры оболочки тепловыделяющего30 элемента со значениями физических и геометрических параметров, которые находятнепосредственно из эксперимента,В порядке обоснования, каким образомполучено выражение (3) для Тб, рассмотрим35 общий случай крепления чувствительногоэлемента ТЭП к твэлу вдоль образующейоболочки (возможно также частичное углубление чувствительного элемента в оболочку).40 Пусть, с учетом принятых выше обозначений, ц, а, 3 - соответственно плотностьтеплового потока, коэффициент теплообмена и площадь поверхности контакта на границе оболочка - чувствительный элемент45 (ЧЭ); с 11, а 1, 31 - эти же параметры на границе ЧЭ - теплоноситель. На основании закона Ньютона имеем:чк чБТ -Т = - ; Т -Т= (4)об чэ ФЯ чэ ж к Я50 . 1Где Т 0 б Тчэ Тж соответственно температура оболочки, чувствительного элемента1818944 тальные решения) задач (7) и (71), являющиеся решениями соответствующих уравненийс 1 К(т)5 Йт+ Л К (т) = Одт 10 при начальных значениях К(0)=К 1(0)=1.Импульсными функциями задач 7) и-ЛтК 1(т)= е . Они описывают процесс охлаждения чувствительного элемента после его д импульсного нагрева в момент време- ни т=О на единичную температуру при наличии теплоносителя (К(т и в его отсутствие 20 (К 1(ФИнтегралы от соответствующих импульсных функцийоО1 = Х К(т)с 1 т = Х е с 1 т = -о25 Тоб=тчэ+Ум(Тчэ-Тж); л л+л, (8) 45Здесь С- изохорная теплоемкость единицы объема материала чувствительного элемента.Из (8) следует, что первый сомножитель 60Я может быть выражен черезА -аЯ. Д 1 1,2) как лг л л 1 л (9) %А = - = - =. -- 1 1 Л Л Л т -тоб чэт -т м (5)чэ мгде Б - поправочный методический коэффициент: 1 ЧБа Ба 5 Ч 5+Ч ЧчРешая (5) относительно То 6 получим Таким образом, для нахождения Тоб необходимо определить величину Лм, которую запишем в виде произведенияа БЕ = А А, где А =м 1 г аБчБА =г ЧБ+Ч ЧчПервый сомножитель А есть отношение произведений эффективных коэффициентов теплообмена на площади поверхностей соответствующих контактов.Для его нахождения рассмотрим уравнение теплопроводности, описывающее изменение температуры Тчэ(1) участка чувствительного элемента в зоне контакта,При наличии теплоносителяс(Т (т)= в " + Л т (т)+Л т (т) р)С 1 обгкчТчэ(0) ТоВ отсутствии теплоносителя Я 2-0) имеДля нахождения А 1 таким путем рассмотрим импульсные функции (фундамен(10)1 = Х К (т)с(т = Х е 1 дт = -о оЛоткуда имеем1 111 Г Используя (10), из (9) получим:1А: , (11)1Второй сомножитель А 2-с)Я/(с)3+цч)учитывает энерговыделение в материале ЧЭи тепловой поток с поверхности твэла.Подставляя (11) в выражение для 7 мполучим:1Е = -- 1(1 чБи 1 ч 5+ч Чча подставляя выражение для Ем в (6), нахс.дим: 1об чэ Г ЧБ 4 Ч Ч чэ к Для обоснования оптимального времени нагрева чувствительного элемента ТЭП (тимп) используем дифференциальное уравнение, описывающее теплообмен чувствительного элемента при нагреве его тепловым импульсом прямоугольной формы длительностью тимп:с(Т(т)чАТ 1 т) щ в " 101 т)-В(т-т )1т С. яэеч-8(т-т )(1-, мпимпописывает охлаждение чувствительного элемента после нагрева тепловым импульсом прямоугольной формы. Обозначив тГимп= Лг приведем полученное выражение к более простому видуц -ЛтТ(т ,Ьт) = - 1-е еимп ЛСчРегистрация процесса охлаждения ведется, очевидно, с момента т = т имп, т,е, от Лт=0.Амплитуда нагрева В=цч/(Л, Сч) х(1 А Тимп-е ) возрастает с увеличением времени нагрева по экспоненциальному закону, достигая в пределе значения Впрах=цчй Сч),Для выбора оптимального времени нагрева тимп используем обычно применяемый. на практике критерий "недохода" температуры чувствительного элемента в . процессе нагрева до максимальной на е - 0,37 ее значения (7, что соответствует Лт = 1, откуда т = 1/Л = тимп имп о,езгде тобз - показатель тепловой инерции ТЭП в системе ТЭП - оболочка - теплоноситель,При условии тимито,бз утечки тепла в окружающую чувствительный элемент среду небольшие, т.е, выделяющееся тепло расходуется в основном на нагрев чувствительного элемента, В этом случае дополнительным нагревом зоны термометрируемой оболочки, примыкающей к чувствительному элементу ТЭП, в процессе его нагрева импульсом электрического тока можно пренебречь, при этом длительность. импульса тока непосредственно не влияет как это следует иэ (12), на вид импульсной функции К(1), а, следовательно, на коэффициент Ем и на погрешность. определения температуры Тоб, т.е. на достижение цели изобретения.При дальнейшем увеличении длительности импульса существенного увеличения амплитуды нагрева не достигается, однако возникают условия чрезмерного нагрева зоны термометрируемой оболочки, примыкающей к чувствительному элементу, что может повлиять на вид импульсных функций Кг) К 1(т), а следовательно, и на погрешность определения температуры Тоб, т.е. на достижение цели изобретенияКроме того, при увеличении длитель 5 ности импульса электричегкого тока возникают условия чрезмерного нагреваудлинительных ("компенсационных") проводов ТЭП и, как следствие, возгорания изоляционного покрытия.10 Согласно (3), для определения температуры оболочки твэла необходимо, помимовеличин 1, 11, 5 и Ч, знать величины ц и цч,которые определяются с некоторой погрешностью.1.5 Чтобы оценить, какую погрешность определение величин локального тепловогопотока ц в месте нахождения ТЭП в актив-.ной зоне реактора и локального энерговыделения цч в чувствительном элементе ТЭП20 вносит в суммарную погрешность измерения температуры оболочки твэла, воспользуемся формулойцм (1 ) ц 5+с( ч 25чиз которой следует выражение суммарной35 где Ч - объем чувствительного элемента взоне контакта с оболочкой твэла; Я - площадь контакта чувствительного элемента с оболочкой, причем Ч и Я рассматриваются на одной и той же длине Ь 1.40 Локальный тепловой поток ц в зоне чув-,ствительного элемента ТЭП с координатами г 2 нахо ятпо о м леф рс 1 45 Ч4 с 1(х у х) = с 1 (х; у; 2) - (14)2где цчп - плотность обьемного энерговыделения топлива;б 1 - диаметр тепловыделяющей сборки, занимаемой горючим;50 02 - диаметр технологического канала.Для теплового реактора, например, ввиде прямоугольного параллелепипеда состоронами а, Ь, с, не окруженного отражателем, плотность объемного энерговыделе 55 ния рассчитывают по формулеЦ (2, У, 2)чвмакс пх яу П 2 Ц СОЯ - СОЯ - СОВ чй а ЬГДЕ 7),а - МаКСИМаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ ЭНЕРмаксговыделения в активной зоне. Для цилиндрического реакторамака Я 7 П ( 77 Г/)ЦГ) = С)чщ ча 77 Г/где г - радиус, местонахождения ТЭП; В - радиус реактора, а максимальную плотность энерговыделения находят по формулеК Кмакс У к 7.Я - еча П Чсб где ЧЧ - тепловая мощность реактора; и - число технологических каналов; К,=2,31, К,=-1,57 - коэффициенты равномерности энерговыделения по радиусу реактора и по его высоте соответственно Чсв - объем тепловыделяющей сборки, занимаемой горючим.Тепловая мощность реактора ЧЧ определяется теплотехническим способом, который относится к прямым способам контроля энерговыделения ядерных реакторов. Тепловая мощность определяется по измеренному расходу и разности теплосодержания теплоносителя в пределах активной эоны реактора. До настоящего времени теплотехнический способ применялся как эталонный для определения тепловой мощности реактора с максимально допустимой погрешностью + 4 (см. там же с,9). Отсюда и на основании соотношения (14) примем, что относительная погрешность определения локального теплового потока ц в месте нахождения ТЭП в активной зоне реактора(Ьц/ц) = 4/4" Абсолютное же значение плотности теплового потока с поверхности тепловыделяющей сборки для различных реакторов может изменяться в пределах 1,5 10 -5 10 Вт/м 2.Для оценкидгсверху положим ц=1,5 10" Вт/м,Локальное энерговыделение цч в материале чувствительного элемента ТЭП в месте нахождения последнего в активной зоне также определяется путем прямых измерений методами калориметрии ионизирующих излучений, например, квазиадиабатическим методом, поскольку расчетные оценки цч весьма приближенны в силу трудности учета вклада отдельных составляющих спектра и- у-излучений, При квазиадиабатическом методе обеспечивается равномерный радиационной разогрев образца в поле реакторного излучения. Для его реализации используют калориметрический датчик, а локальное энерговыделение цч рассчитывают по формуле с 1 1. 3=. С;, Бт/л ч ч 17 где Сч - изохорная теплоемкость единицы5 объема материала образца Дж/(м К)Ф/7 - скорость изменения температурыобразца на линейном участке кривой нагоева, К/с,С помощью системы миниатюрных ка 10 лориметрических датчиков цч было измерено по высоте активной зоны, а такжеустановлена его зависимость от порядкового номера исследуемого вещества в периодической таблице.15 Из рассмотрения методов калориметрии ионизирующих излучений следует, чтоих погрешности в большинстве значительно ниже 1, На этом основании примемР ц./ц. - 1%)20 В. условиях стационарного высокопоточного реактора ИВВМ удельное энерговыделение в материале чувствительного.элемента ТЭП ХА (ХК) в центре активнойзоны цч=36,8 10 Вт/ма,25 Определенные путем прямых измере-ний величины ц, ц, и погрешности 7 ъ ц/ц иЛцч/цч примем для оценки их вклада в суммарную (относительную) погрешность ду,(ц; ц,) методического коэффициента Ем и,следовательно, температуры оболочки твэла.При закреплении ТЭП к оболочке твэлаего рабочий конец сплющивают. Для хромель-алюмелевого ТЭП, изготовленного из35 термопарного кабеля КТМС диаметромо=1,0 мм со сплющенным концом7 Е 12Ч= - Ь 1 08 1 О ц з 407 Е 1Б -- Ь 1 - 1,6 10 Ы м Подставляя приведенные, величины в 45 формулу (13), получимдкм (ц; цч)=0,5%.Полученный результат показывает, чтозначительный вклад погрешностей определения величин ц и цч в суммарную погреш ность методического коэффициента дгявляется одним из преимуществ предлагаемого способа определения температуры тонкостенных оболочек твэлов в активной зоне Реактора.Малыйвклад погрешностей определения ц и цч в суммарную погрешность ду, обусловлен тем, что при работе энергетического реактора на мощности отношение Чцч/(Зц)1, т.е. пото тепла от твэла пре5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 валирует над мощностью внутренних источников ионизирующих излучений в чувствительном элементе,При установке реактора с помощью региструющих стержней время полного введения которых составляет . 0,2 с, плотность потока нейтронов падает на 8-10 порядков, а интенсивность у-излучения - на 2-3 порядка, На 8-10 порядков падает и число делений, а следовательно, тепловыделение в уране. Однако имеется еще один источник выделения тепла - нагревание урана за счет поглощения Р и у излучения осколков, которые накопились в уране за время работы реактора, Из графиков, которые описывают кинетику тепловыделения после остановки реактора, построим следующую таблицу данных для моментов времени г после остановки в зависимости от периода его работы, в которые выделяющаяся мощность составляет 0,01 от мощности до остановки.Таким образом в промежутке времени 0-1, соответствующем заданному Т, отношение Чцч/(Яц)1 сохраняется, т.е. погрешность предлагаемого способа определения температуры оболочки твэла (по отношению к способу-прототипу) не возрастает.В экспериментах нарастворном импульсном реакторе ГИДРА исследовался характер поведения твэла, оболочка которого охлаждается стоячей водой, Температура оболочки измерялась кабельными термоэлектрическими преобразователями ТЭП ХА (хромель-алюмель). Длительность импульса энерговыделения в твэле 2 мс, в то же время процесс расхолаживания оболочки твэла длится 5-10 с за счет остаточного теплосодержания топлива в зависимости от мощности нейтронной вспышки, Здесь также в течение указанного периода условие Чц/(Яц)1 выполнялось. Но именно в течение этого периода требуется наиболее точное значение температуры оболочки твэла,С дальнейшим уменьшением остаточнога тепловыделения возможно увеличениечцотношенияи его влияния на погрешБсность определения Тоб.Тем не менее эа предложенным способом и в этом случае сохраняется преимущество по отношению к способу-прототипу, поскольку он обеспечивает адекватный учет факторов, определяющих теплообмен системы оболочка - ТЭП - теплоноситель и, следовательно, повышение точности определения температуры оболочки. Кроме того, в способе-прототипе определения температуры оболочки твэла влияние отношенияЧр,/(Яц) на погрешность определения нерассматривалось,Экспериментально установлено, чтопленка загрязнений, образующаяся на поверхности твэла и ТЭП, может изменитьпогрешность измерений температуры оболочки примерно на 45, Данный фактортакже учитывается применением предлагаемого способа определения температурыоболочки тепловыделяющего элемента.Расчет поправочного методического коэффициента 7 производят перед каждымновым замером температуры в случае, ес- .ли предыдущими оценками установлена,тенденция его изменения в ходе работы реактора за счет изменений условий теплообмена в месте установки ТЭП. Расчет Ъпроизводят также в случае внезапного изменения показаний ТЭП при работе реактора в стационарном режиме.Проведем, наконец, краткий анализформулы (3) для расчета Тоб. Пусть ц=0, а11-21. Второе условие означает, что интегральные условия теплообмена на границахчувствительный элемент - оболочка и чувствительный элемент - теплоноситель одинаковыы. Тогда из (5) следует Тоб-Тчэ=Тчэ-ТЖ,т,е, ТЭП регистрирует среднюю температуру между Т,б и Тж, Тчэ=(Тоб-Тж/2, чтасоответствует выводам физического рассмотрения,Таким образом, в отличие ат прототипа,где значение температуры оболочки твэлаТб получают по формуле (2), в которой поправочный методический коэффициент Ем,определяемый по формуле (1), описываютэффективным коэффициентом теплоотдачи,который находят приближенно путем расчетных оценок, при расчете Тоб по предлагаемому способу условия теплообменачувствительного элемента выражаются иучитываются через значения интегралов 11 иот импульсных функций К 1(1) и К(й), получаемых при нахождении твэла в вакууме и вэксплуатационных условиях соответственно. Такое экспериментальное выявленИеусловий теплообмена чувствительногоэлемента ТЭП обеспечивает адекватныйучет факторов, влияющих на значение Ум, и,следовательно, повышение точности определения температуры оболочки теплавыделяющего элемента в активной зоне ядерногореактора.В реакторной термометрии известныйспособ генерации дополнительного энерговыделения в чувствительном элементе ТЭП,находящегося в рабочем положении, в котором нагревают чувствительный элементимпульсом электрического токапропускаемого по термозлектродпм, регистрируют зависимость температуры чувствительного элемента от времени и определяют показатель тепловой инерции ТЭП, Однако известный способ предназначен для оценки качества монтажа ТЭП в термометрируемый объект по величине показателя тепловой инерции.В известных источниках не описано, чтобы перед установкой тепловыделяющего элемента в активную зону ядерного реактора производили нагревание чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсом электрического тока по его термозлектродам в вакууме, в котором размещают тепловыделяющий элемент, и определяли интеграл импульсной функции температуры в отсутствие теплоносителя,В известных источниках не описано, чтобы определяли интеграл импульсной функции температуры при наличии теплоносителя, зарегистрированной после установки тепловыделяющего элемента в активную зону ядерного реактора посредством нагревания чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя импульсном электрического тока по его термоэлектродам, причем вычисляли значение температуры оболочки тепловыделяющего элемента по математическому выражению1об чэ 1 (5+Ч Ч пэ х где Тое - температура оболочки тепловыделяющего элемента;Тчэ - температура чуватвительного элемента термоэлектрического преобразователя;Тж - температура теплоносителя;ц - плотность теплового потока с поверхности оболочки тепловыделяющего элемента;ц - удельное тепловыделение в материале чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя;Я - площадь контакта чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя с оболочкой тепловыделяющего элемента;У - объем чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя в зоне его контакта с оболочкой тепловыделяющего элемента;1 - интеграл импульсной функции температуры при наличии теплоносителя;11 - интеграл импульсной функции температуры в отсутствие теплоносителя.10 Предложенный способ позволяет повысить точность измерения температуры оболочек твэлов, например, при их исследовании в условиях смоделированных аварийных режимов работы. Для его . осуществления используются стандартные приборы - источник тока, усилитель, интегрирующий блок, цифропечатающее устройство, светолучевой осциллограф, ондоступен для широкого применения в реак 20 25 30 35 40 45 50 55 торной термометрии,На фиг, 1 показаны зависимости температуры чувгтвительного элемента от времени; на фиг. 2 - блок-схема измерителяпереходных характеристик: на фиг, 3 - функциональная схема блока управления,Изобретение осуществляется следующим образом,Тепловыделяющий элемент, соединенный с чувствительным элементом термоэлектрического преобразователя,помещают в вакуумную камеру, например,типа ЭСШВ. Внутри камеры термозлектроды подключают к вмонтированному в стенкугерметичному разъему, к наружным клеммам которого подключают измеритель переходных характеристик, осуществляющийнагревание чувствительного элемента импульсом электрического тока по его термоэлектродам, регистрацию зависимоститемпературы чувствительного элемента отвремени (переходной характеристики системы ТЭП - объект) и интегрирование этойзависимости, Камеру вакуумируют до 10мм рт.ст, после чего осуществляют нагревание чувствительного элемента импульсомэлектрического тока.Длительность импульса тимп устанавливают, исходя из условия т импт о,ез, гдет о,ез - показатель тепловой инерции ТЭП всистеме ТЭП - тепловыделяющий элемент.Этим обеспечивают малость нагрева окружающей чувствительный элемент среды посравнению с нагревом самого чувствительного элемента, т.е. тепло, выделяющееся вчувствительном элементе пропусканиемэлектрического тока по термозлектродам,идет в основном на его разогрев,Величину греющего тока устанавливаюттакой, чтобы температура изолированных оттеплопроводящих конструкций термоэлектродов и компенсационных проводов непревысила допустимых значений О, при которых еще исключается возгорание и разрушение их изоляционного покрытия. Для.ее нахождения используем соотношение