ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
ELECTRIC HEATING ELEMENT

Данное изобретение относится к стержневидному электрическому нагревательному элементу, содержащему оболочку и встроенные в нее, предназначенные для нагрузки электрической энергией проводники.
Измерительные устройства и зонды уровня заполнения, в которых на основании создаваемого нагреваемым термоэлементом термонапряжения делают вывод о высоте уровня заполнения в резервуаре для жидкости, используются, в частности, в атомных электростанциях, поскольку они по сравнению с основанными на других принципах измерения измерительными устройствами меньше чувствительны к радиоактивному излучению и поэтому могут продолжать надежно работать также в случае аварии с возможно повышенными значениями излучения. Такие измерительные устройства применяются, в частности, в корпусе под давлением реактора, охлаждаемого водой под давлением, с целью контролирования высоты уровня протекающей над тепловыделяющими элементами через первичный циркуляционный контур в энергетической установке охлаждающей жидкости.
В принципе измерения используются различные характеристики переноса тепла, которые возникают при переносе тепла с нагревательного элемента на окружающее нагревательный элемент жидкое охлаждающее средство, с одной стороны, и на газообразную или парообразную среду, с другой стороны. Пока нагревательный элемент окружен жидкой охлаждающей средой, то создаваемое им тепло быстро отводится, так что в его непосредственном окружении температура лежит лишь несущественно выше той температуры окружающей среды, которая бы имелась в случае отсутствия нагревания. Если же, например, во время регулярной работы реактора или же при неисправности в реакторе возникает ситуация, в которой на основании работы реактора или на основании потери давления в первичном контуре уровень жидкости в корпусе реактора падает ниже высоты нагревательного элемента, так что он оказывается окруженным парообразной охлаждающей средой, то ухудшаются свойства переноса тепла. Это приводит к тому, что температура в окружении нагревательного элемента повышается, что регистрируется расположенным вблизи нагревательного элемента термометром или датчиком температуры. На основании своей надежной и устойчивой работы в качестве датчика температуры используются, как правило, термоэлементы, которые поставляют по существу пропорциональное температуре термонапряжение.
Обычно располагают несколько нагреваемых термоэлементов по существу на равномерном расстоянии друг от друга на стерженевидном или трубчатом носителе или на удлиненной измерительной трубке, которая погружена в подлежащую контролированию относительно ее уровня жидкость, и внутри которой проходят также необходимые для электроснабжения нагревательных элементов и для передачи сигналов во внешний оценочный блок проводники для электроснабжения и передачи сигналов. Таким образом, расположенные на различной высоте датчики или места измерения обеспечивают возможность цифрового, дискретного в пространстве указания высоты уровня заполнения в резервуаре, при этом (местная) разрешающая способность зависит от количества датчиков температуры на каждом отрезке высоты. Измерительное устройство этого вида известно, например, из RU 2153712 С1. При этом наряду с действующими в качестве первичных датчиков сигналов нагреваемых термоэлементов, внутри измерительной трубки расположено еще несколько не нагреваемых термоэлементов, которые выдают согласованный с соответствующим первичным сигналом опорный сигнал. Таким образом, при оценке температурной информации и выводимом из нее определении высоты уровня заполнения можно учитывать также изменения во времени температуры жидкости или окружения. Без такой меры можно, например, повышение или понижение температуры жидкости ошибочно принимать за изменение высоты заполнения, или же действительное изменение высоты заполнения может «маскироваться» одновременным изменением температуры жидкости.
Определение возможно более точных значений уровня заполнения зависит от точности измерения термоэлементов, но также от воспроизводимости поставляемых нагревательными элементами температур. Известные нагревательные элементы обычно не проявляют точно линейных взаимосвязей между подаваемым нагревательным током и создаваемой температурой, в частности, по всей длине нагревательного элемента.
В основу изобретения положена задача создания нагревательного элемента, который имеет по возможности более точно задаваемые свойства, и который имеет по возможности более точную воспроизводимость конструктивно заданных величин.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью стержневидного электрического нагревательного элемента, содержащего электропроводящую оболочку и встроенный в нее проводник, который имеет по меньшей мере два участка проводника с различными электрическими свойствами и/или теплопроводностями. По меньшей мере, один электрический проводник находится в тепловом контакте с оболочкой, предпочтительно на конце стержневидного нагревательного элемента, с целью обеспечения возможности хорошего переноса тепла между пропускающим нагревательный ток проводником и оболочкой. Этот нагревательный элемент можно применять, в частности, в устройстве для измерения уровня заполнения в резервуаре для жидкости, в частности в корпусе реактора ядерной установки. По меньшей мере два металлических участка проводника с различными электрическими и/или тепловыми свойствами обеспечивают возможность точного задания тепловых и электрических свойств и, в частности, точное управление передаваемого в предназначенные для связи с нагревательным элементом термоэлементы теплового потока в зависимости от окружающей температуры, в частности, температуры охлаждающей среды.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения предусмотрено, что по меньшей мере два участка проводника с различной теплопроводностью граничат непосредственно друг с другом или следуют друг за другом. Таким образом, можно обеспечивать точное определение местоположения или места связи между нагревательным элементом и предназначенным для связи с ним термоэлементом. В зависимости от вида проводящего участка и его удаления от другого проводящего участка с другими свойствами можно выбирать место связи с целью достижения желаемой точности измерения.
Различные тепловые и/или электрические свойства различных проводящих участков нагревательного элемента можно обеспечивать, в частности, тем, что по меньшей мере два различных проводящих участка имеют различные составы материала. Так, первый проводящий участок нагревательного элемента может быть образован из металла с уменьшенной теплопроводностью. Таким образом, этот первый проводящий участок образует так называемую «холодную часть» нагревательного элемента. Для достижения желаемых свойств первого проводящего участка пригоден, например, никель или никелевый сплав с преобладающими долями никеля. Таким образом, эта так называемая холодная часть нагревательного элемента может иметь относительно большой измерительный диапазон с сильными изменениями сигнала. При применении никеля для первого проводящего участка с его относительно ярко выраженной зависимостью электрического сопротивления от температуры, величина сопротивления при температуре 30ºС может составлять, например, примерно 10 Ом, в то время как величина сопротивления при температуре 360°С может составлять примерно 50 Ом. Поскольку эти изменения сопротивления осуществляются с приблизительно линейной зависимостью, то обеспечивается возможность реализации точно воспроизводимых измерительных величин в зависимости от температуры охлаждающей среды или окружающей среды.
Предпочтительно, по меньшей мере один второй проводящий участок, так называемая «горячая часть» нагревательного элемента, образована из металла с высокой теплопроводностью. Для этого пригоден, в частности, такой металл как нихром (NiCr). По выбору может быть предусмотрен лишь один такой второй проводящий участок. Однако в нагревательном элементе может быть предусмотрено также несколько «горячих частей», которые состоят, например, из нихрома. Выбранный материал должен иметь возможно более высокий тепловой поток, т.е. возможно большее электрическое сопротивление. Для предотвращения того, что линейное изменение сопротивления нагревательного элемента при изменении температуры основывается частично на преобладающей в горячей части нагревательного элемента температуре, материал по меньшей мере одного второго проводящего участка имеет возможно меньшую зависимость сопротивления от температуры. Нихром обеспечивает это желательное свойство.
Кроме того, нагревательный элемент может иметь металлическую наружную оболочку, в частности, оболочку из нержавеющей стали. Это обеспечивает стойкость к среде нагревательного элемента и длительный срок службы. Внутри этой наружной оболочки в изолятор может быть встроен нагревательный элемент. В качестве материала для изолятора пригоден, в частности, минеральный материал, такой как, например, оксид магния (MgO).
При использовании нагревательного элемента, согласно изобретению, в указателе уровня заполнения, верхняя часть нагревательного элемента размещается в верхнем участке среды или охлаждающей воды. Таким образом, с помощью этого верхнего участка нагревательного элемента можно перекрывать относительно большой осевой градиент температур. Для предотвращения неточностей измерения при измерении температуры среды, этот участок нагревательного элемента имеет материал, сопротивление которого лишь немного зависит от температуры. Кроме того, этот участок нагревательного элемента может иметь больший диаметр, за счет чего обеспечивается возможность еще более точной установки линейного изменения сопротивления нагревательного элемента, поскольку за счет этого уменьшается влияние верхнего участка на общее изменение сопротивления.
Кроме того, данное изобретение содержит устройство для измерения уровня заполнения в резервуаре для жидкости, в частности, в корпусе реактора ядерной установки, содержащее множество удлиненных, расположенных на расстоянии друг от друга измерительных трубок, при этом каждая измерительная трубка имеет несколько расположенных с распределением в продольном направлении термоэлементов, и при этом по меньшей мере один термоэлемент имеет нагревательный элемент, согласно одному из указанных выше вариантов выполнения. Устройство пригодно, в частности, для контролирования уровня заполнения и тем самым предпочтительно предназначено для использования в качестве составной части устройства безопасности ядерного реактора. Таким образом, изобретение содержит также ядерную установку, содержащую такое устройство для контролирования уровня заполнения, которое имеет по меньшей мере один нагревательный элемент, согласно одному из указанных выше вариантов выполнения. Естественно, возможны также другие области применения для нагревательного элемента, в которых важна точность получаемых измерительных величин.
Таким образом, в соответствии с изобретением реализован нагревательный элемент, в котором проводящий ток проводник (нагревательный провод) имеет по меньшей мере две различные зоны, а именно, «горячую» нагреваемую зону с относительно высокой мощностью нагревания, так что во время работы в этой зоне для целей измерения происходит локальный перенос тепла в окружающую охлаждающую среду, и, с отделением в пространстве от горячей зоны, сравнительно более холодную зону с пренебрежимо малой мощностью нагревания, которая за счет теплового контакта с окружающей охлаждающей средой принимает по меньшей мере температуру охлаждающей среды на этом участке. На основании пространственного разделения нагреваемой зоны и не нагреваемой зоны, температура окружающей охлаждающей среды в области не нагреваемой зоны не подвергается влиянию или искажению за счет процесса локального нагревания в области нагреваемой зоны.
За счет локального нагревания можно в комбинации с расположенным вблизи нагреваемой зоны датчиком температуры, в частности термоэлементом, измерять качество переноса тепла с нагревательного элемента в окружающую охлаждающую среду и тем самым делать выводы об агрегатном состоянии (жидком или газообразном) охлаждающей среды в этой зоне. Нагреваемая зона образует вместе с соответствующим термоэлементом своего рода зонд для измерения переноса тепла и тем самым в конечном итоге также для измерения уровня заполнения. Таким образом, можно различать, находится ли уровень жидкости ниже или выше нагреваемой зоны.
В области нагреваемой зоны нагревательный провод предпочтительно состоит из материала с относительно высоким удельным (электрическим) сопротивлением и со сравнительно небольшой зависимостью от температуры удельного сопротивления, например, из нихрома (NiCr). Таким образом, общее сопротивление образующего нагреваемую зону участка нагревательного провода по существу не зависит от устанавливающейся в результате нагревания моментальной температуры материала. В противоположность этому, провод или проводник в области не нагреваемой зоны целесообразно состоит из материала со сравнительно сильной, предпочтительно линейной зависимостью удельного сопротивления от температуры материала, которая в этой области, как указывалось выше, по существу задается окружающей температурой, т.е. температурой окружающей охлаждающей среды. Подходящим материалом является никель (Ni). Таким образом, зависимость от температуры всего сопротивления нагревательного провода, которое складывается из суммы сопротивлений включенных последовательно нагреваемой зоны и не нагреваемой зоны, по существу исключительно определяется зависимостью от температуры в области не нагреваемой зоны.
В идеальном случае за счет этой конструкции общее сопротивление нагревательного провода линейно увеличивается с температурой окружающей систему охлаждающей среды, а именно, без влияния происходящих в области нагреваемой зоны локальных процессов нагревания, которые там возможно приводят, с локальным ограничением, к возможно отклоняющимся и изменяющимся во времени температурам. Таким образом, это общее сопротивление, которое можно просто измерять, является подходящей характеристикой для определения глобальной температуры охлаждающего средства. Например, можно один раз в качестве эталонного измерения снять характеристику зависимости сопротивления от температуры, которую затем можно использовать для определения фактической температуры охлаждающего средства на основании действительно измеренной величины сопротивления. Таким образом, можно отказаться от отдельного датчика температуры для определения температуры охлаждающего средства или можно выполнять избыточное относительно такого датчика температуры измерение с помощью другого принципа измерения. На основе таких измерительных величин для температуры охлаждающего средства можно осуществлять, например, зависимое от температуры регулирование нагревательного тока для нагревательного элемента, с целью компенсации не желательных вторичных влияний изменяющихся с температурой коэффициентов переноса тепла на перенос тепла с нагреваемой зоны нагревательного элемента в охлаждающую среду.
Наряду с указанной выше нагреваемой зоной и чувствительной к температуре не нагреваемой зоной, электрический проводник нагревательного элемента может содержать также другие участки, которые целесообразно состоят из материала с возможно меньшей зависимостью от температуры удельного сопротивления и/или за счет имеющих соответственно большие размеры поперечного сечения проводника вносят лишь небольшой вклад в общее сопротивление провода или проводника и поэтому не чувствительны к температуре в указанном выше смысле. За счет этого можно точно позиционировать эффективный для измерения температуры участок проводника, т.е. зону измерения температуры, и точно задавать ее пространственное положение внутри всей системы за счет подходящего позиционирования переходов между материалами.
Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - нагревательный элемент, согласно изобретению;
фиг.2 - продольный разрез первого варианта выполнения нагревательного элемента; и
фиг.3 - продольный разрез второго варианта выполнения нагревательного элемента.
На фиг.1 схематично показан пример выполнения стержневидного электрического нагревательного элемента 10, который в удлиненном нижнем участке 12 имеет постоянный диаметр, который меньше также постоянного диаметра верхнего участка 14. Верхний участок 14 нагревательного элемента 10 может иметь, например, диаметр около 2 мм, в то время как нижний участок 12 имеет диаметр около 1 мм и длину около 500 мм. Длина верхнего участка может изменяться в зависимости от цели применения и варианта выполнения нагревательного элемента 10. Больший диаметр верхнего участка 14 обеспечивает возможность лучшей установки параметров нагревательного элемента 10, поскольку тем самым уменьшается вклад верхнего участка 14 в общее изменение сопротивления, как будет пояснено ниже со ссылками на следующие фигуры.
На фиг.2 и 3 схематично показаны в продольном разрезе первый и второй варианты выполнения нагревательного элемента 10. Внутри металлической оболочки 16, которая открыта вверху и закрыта внизу, так что она имеет в целом форму удлиненного сосуда, встроен U-образный проводник 18, при этом промежуточные пространства заполнены изолятором 20 из оксида магния. В нижнем участке 12 нагревательного элемента 10 имеется проводящий контакт между проводником 18 и оболочкой 16. Оболочка 16 может состоять, в частности, из нержавеющей стали (например, 1.4306, 1.4435 или 2.4816), в то время как проводник 18 образован из различных участков проводника, которые состоят из различных металлов.
Первый проводящий участок 22 образован из металла с относительно небольшой теплопроводностью. Для этого подходит, в частности, никель или никелевый сплав. На основании небольшой теплопроводности этот первый проводящий участок 22 можно называть также «холодной частью» нагревательного элемента 10. Второй проводящий участок 24 образован из металла с высокой теплопроводностью, для чего подходит, в частности, нихром. Этот второй проводящий участок 24 образует собственно нагреваемую зону нагревательного элемента 10. На основании высокой теплопроводности этот второй проводящий участок 24 можно называть также «горячей частью» нагревательного элемента 10. Как первый проводящий участок 22, так и второй проводящий участок 24, расположены в нижнем участке 12 нагревательного элемента 10 с небольшим диаметром. В верхнем участке 14 с большим диаметром находится третий проводящий участок 26, который может состоять, например, из меди.
Оба показанных на фиг.2 и 3 варианта выполнения отличаются за счет различного расположения второго проводящего участка 24 на различных высотах. В то время как образующий собственно нагреваемую зону второй проводящий участок 24 в первом варианте выполнения, согласно фиг.2, расположен на нижнем конце нижнего участка 12 и проходит до торцевой стороны оболочки 16, нагреваемая зона и тем самым второй проводящий участок 24 находится во втором варианте выполнения, согласно фиг.3, в средней области нижнего участка 12. Нижняя область нижнего участка 12 заполнена в свою очередь проводящим участком первого вида из никеля или никелевого сплава. Этот первый проводящий участок 22 доходит до нижней торцевой стороны оболочки 16. Над вторым проводящим участком 24 из нихрома находится в свою очередь второй проводящий участок 22 первого вида из никеля. Длина нагреваемой зоны или второго проводящего участка 24 может составлять, например, около 50 мм.
Из фиг.2 и 3 следует, что переходы между различными металлами различных проводящих участков 22, 24 и 26 не имеют прерываний или отступов. Соединения могут быть выполнены, например, посредством сварки или пайки. Для получения нагревательного элемента с возможно более точно воспроизводимыми электрическими и тепловыми свойствами, важно, чтобы оба плеча U-образного проводника 18 были выполнены максимально симметричными, так чтобы первый и второй проводящие участки 22 и 24 в каждом из обоих плеч имели точно одинаковую длину и были позиционированы на одинаковой высоте.
Перечень ссылочных позиций
10 Электрический нагревательный элемент
12 Нижний участок
14 Верхний участок
16 Оболочка
18 Проводник
20 Изолятор
22 Первый проводящий участок
24 Второй проводящий участок
26 Третий проводящий участок.