ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УРОВНЯ

Настоящая полезная модель относится к теплофизическому чувствительному устройству - датчику контроля температуры и уровня (ДТУ) воды для атомной электростанции, который может использоваться для бассейна выдержки отработавшего топлива, для технологических помещений, в которых возможно аварийное затопление, для барботеров и других технологических емкостей.
Известен поплавковый датчик уровня воды в бассейне, включающий поплавок в виде шара, опорную конструкцию с правой и левой опорными стойками, расположенную на берегу бассейна, датчик уровня с возможностью вертикального перемещения между опорными стойками и верхним и нижним концевыми выключателями. Поплавок и датчик уровня соединены друг с другом тяговым тросом (CN 201926486 (U), кл. G01F 23/44, 2011).
Недостатком данного датчика уровня является низкие надежность и чувствительность, определяемые наличием механической связи посредством тягового троса между поплавком (чувствительным элементом), находящемся в бассейне и датчиком уровня, расположенном на берегу бассейна. Тяговый трос может заклинивать, провисать или проскальзывать, что сказывается на надежности и точности датчика уровня.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является датчик температуры и уровня воды (ДТУ) в бассейне выдержки, включающий защитный цилиндрический корпус, внутри которого равномерно расположены сборки детекторов (СД), состоящие из кабельных нагреваемых термопар (НТ) и нагревателей, находящихся в тепловом контакте друг с другом. Их тепловой контакт обеспечивается посредством заполнения зазоров оксидом магния. СД проходят через отверстия решеток, расположенных на заданном расстоянии друг по высоте корпуса ДТУ, Решетки обеспечивают пространственную фиксацию СД в корпусе ДТУ, а также свободный проход жидкости через соответствующие отверстия в решетках. В корпусе ДТУ по высоте выполнены отверстия для сообщения с окружающей средой (JP 2013007721 (А), кл. G01F 23/22; G01K 7/02. 2013).
В конструкции известного ДТУ не обеспечен надежный тепловой контакт между нагревателем, рабочим спаем термопары и корпусом: зазоры между ними заполнены оксидом магния. Эти зазоры создают дополнительное термическое сопротивление тепловому потоку, идущему от нагревателя к стенке корпуса, возникают паразитные градиенты температуры внутри СД. При этом снижается чувствительность СД, поскольку рабочий спай термопары измеряет не температуру стенки корпуса, а нечто среднее между температурой стенки и температурой нагревателя в зависимости от геометрии. Также неизбежен разброс показаний разных СД в одном ДТУ из-за разброса коэффициента заполнения зазоров оксидом магния, разброса геометрии зазоров и положения элементов СД в ДТУ. Это затрудняет настройку системы контроля уровня. Также повышается инерционность СД из-за увеличения постоянной времени процесса теплопередачи вследствие дополнительного теплового сопротивления оксида магния. Наличие боковых отверстий в корпусе ДТУ создает условия для паразитной теплопередачи посредством массообмена: СД внутри корпуса могут охлаждаться потоком воздуха от вентиляции или нагреваться потоком пара и давать ложные показания. В известном ДТУ отсутствуют референтные (ненагреваемые) термопары, контролирующие температуру окружающей среды, необходимую для корректного контроля коэффициента теплоотдачи в зоне нагреваемой термопары. При использовании же для контроля температуры окружающей среды периодического отключения нагрева неизбежно снижается надежность датчика вследствие циклических механических напряжений, которые могут привести к обрывам термопар и другим разрушениям конструкции. В прототипе также отсутствуют приспособления для калибровки. Таким образом, прототип сложен в использовании, обладает недостаточной надежностью и точностью.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности и надежности теплофизического датчика уровня.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик контроля температуры и уровня (ДТУ) жидкости в бассейне выдержки отработавшего ядерного топлива включает защитный корпус (ЗК), внутри которого размещены сборки детекторов (СД), представляющие собой трубки, содержащие нагреватели и нагреваемые термопары (HT), находящиеся в тепловом контакте с нагревателями, а также отдельные СД, содержащие референтные термопары (РТ), включает также устройства для пространственной фиксации СД внутри корпуса, ЗК выполнен в виде сплошной трубы, имеющей отдушины в верхней и нижней частях и запорный клапан в нижней части, при этом отдушины снабжены устройством для конденсации пара (УКП), РТ и HT вместе с нагревателем, а также РТ прикреплены к внутренней стенке СД посредством припоя, HT и РТ попарно образуют чувствительные элементы (ЧЭ), контролирующие наличие жидкости в точке размещения рабочего спая HT. В каждой такой паре РТ размещается несколько ниже соответствующей HT.
В предлагаемой конструкции устранены недостатки прототипа. Так, в ДТУ используются HT, РТ и нагреватели кабельного типа, имеющие тонкий слой уплотненной минеральной изоляции, который гарантирует низкие внутренние перепады температуры. Также для снижения паразитных перепадов температуры между нагревателем, HT и внутренней стенкой СД применяется пайка металлическим припоем. РТ также припаиваются к внутренней стенке СД для надежной локализации точки контроля температуры. Сплошной ЗК с фиксирующими элементами обеспечивает защиту от обдува воздухом и струями пара, от механических воздействий, ударных волн и высоких температур, возникающих при взрывах водорода и др. - стойкость к этим воздействиям востребована на АЭС. В ЗК отсутствует боковая перфорация, однако массообмен не требуется, поскольку для отвода тепла от нагревателей достаточно теплопроводности через стенку ЗК, при этом незначительное повышение температуры внутри ЗК учитывается с помощью РТ, а термопары контроля температуры жидкости в бассейне размещаются вне зоны влияния нагревателей. В отсутствие боковой перфорации равенство уровней жидкости в бассейне и внутри ЗК обеспечивают отдушина в верхней части и отверстия в его нижней части. УКП обеспечивает защиту от пара, который при попадании внутрь ЗК через отдушину может исказить показания датчика за счет высокого коэффициента теплоотдачи и образования капель конденсата на поверхности СД. УКП представляет собой проточную камеру с развитой поверхностью, например трубку-змеевик, либо объем, заполненный пористым наполнителем, воздух проходит сквозь УКП без существенного сопротивления, а пар конденсируется.
Для определения наличия жидкости в точке контроля используется ΔТ - разница показаний HT и РТ, которая однозначно связана с коэффициентом теплоотдачи от корпуса СД. Повышение ΔТ является критерием исчезновения жидкости в точке контроля, при этом может быть использована несложная вторичная аппаратура сравнивающая текущее значение ΔТ с пороговой уставкой. Более низкое положение РТ в паре с HT гарантирует измерение температуры именно жидкости в момент прохождения границы раздела фаз через зону HT, что важно для корректного определения ΔТ.
Близкое по высоте размещение HT и РТ необходимо для снижения влияния вертикального температурного расслоения жидкости в бассейне. Расслоение возникает из-за естественной циркуляции жидкости в бассейне: нагретая сборками отработавшего топлива жидкость всплывает вверх и растекается пленкой по поверхности бассейна, создавая вертикальный температурный градиент.Уменьшение расстояния между HT и РТ автоматически уменьшает вклад вертикального градиента в значение ΔТ и, соответственно, повышает точность срабатывания системы.
Тепло от нагревателей может распространяться по корпусу СД на относительно большое расстояние, создавая помехи соседним ЧЭ, поэтому возникает ограничение по минимальному шагу между ЧЭ, размещенными в одной СД. Для уменьшения шага между точками контроля жидкости в предлагаемой конструкции используются несколько СД с большим шагом между ЧЭ, в которых ЧЭ смещены по высоте относительно друг друга. Таким способом удается уменьшить шаг между ЧЭ.
В предлагаемой конструкции РТ размещаются в отдельных СД не содержащих нагревателей. Это позволяет размещать РТ в нужных точках по высоте без помех от нагревателей.
В предлагаемой конструкции также предусмотрены дополнительные устройства для проверки и калибровки датчика: в верхней и нижней частях имеются штуцеры, в нижней части размещается также запорный клапан. При погруженном состоянии ДТУ верхний штуцер позволяет регулировать уровень жидкости в ЗК путем дозированного накачивания воздуха в его внутренний объем. Уровень жидкости в ЗК при этом контролируется гидростатическим методом по давлению воздуха, измеренного с помощью манометра. В непогруженном состоянии ДТУ закрывается нижний запорный клапан, а уровень внутри ЗК регулируется путем его дозированного заполнения жидкостью через верхний штуцер. Уровень жидкости в этом случае контролируется по показаниям манометра, подключенного к нижнему штуцеру. Таким образом, дополнительные устройства позволяют осуществлять проверку и калибровку датчиков гидростатическим методом, причем датчик может быть установлен как в объеме с жидкостью, так и в сухом объеме.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, описанием конструкции и примером практической реализации.
На фиг. 1 представлены продольный разрез и поперечное сечение ДТУ.
На фиг. 2 представлены продольные разрезы и поперечные сечения СД с HT, РТ и нагревателями.
ДТУ (фиг. 1) включает ЗК 1 с размещенными в нем трубчатыми сборками детекторов 2, 3, содержащими термопары и нагреватели. Корпус имеет головку 4. В головке размещается УКП 5. Верхняя отдушина выполнена в виде штуцера 6, к которому можно подсоединять шланг калибровочного устройства (на фигуре не показан). Детекторные сборки 2, 3 прикреплены к головке 4. Подключение термопар и нагревателей к внешней аппаратуре осуществляется с помощью разъемного соединителя 7, установленного на головке. Конструкция головки выполнена с учетом обеспечения герметичности верхнего объема датчика: сообщение с атмосферой осуществляется только через штуцер. Положение сборок внутри ЗК фиксируется с помощью дистанционирующих решеток 8, которые имеют отверстия 9 для свободной циркуляции жидкости. Запорный клапан 10 представляет собой съемную крышку или более сложное устройство с дистанционным управлением. Его назначение - надежное увеличение проходного сечения для жидкости: штуцер с небольшим проходным сечением, предназначенный для процедуры калибровки, может засоряться.
СД (фиг. 2) включает корпус 11 с герметичным оконцевателем 12. В корпусе размещаются HT 13, РТ 14 и нагревательные элементы 15.
Нагревательные элементы 15 вместе с HT 13 припаиваются к внутренней стенке и к оконцевателю детекторных сборок металлическим припоем 16, который обеспечивает хороший тепловой контакт этого узла с корпусом. Референтные термопары 14 также припаиваются к корпусу детекторной сборки 11 припоем 16. Предпочтительно использовать в сборках секционированный нагревательный элемент кабельного типа с металлической оболочкой 15. Нагреватель представляет собой петлю, в которой нагревательные секции соединены последовательно. Концевая нагревательная секция сложена вдвое и имеет U - образную форму, а боковой нагреватель состоит из двух секций, принадлежащих прямой и обратной ветвям нагревательного кабеля. Возможно также применение нескольких нагревательных кабелей в одной сборке.
HT и РТ размещаются и в оконцевателе и на боковой стенке сборки.
Количество концевых ЧЭ ограничено количеством сборок разной длины, которые можно разместить в одном корпусе ДТУ, поэтому в данном примере используется комбинация концевых и боковых ЧЭ.
Сборка с РТ 3 находится вблизи стенки ЗК или даже касается ее, это требуется для уменьшения влияния перепада температуры внутри и снаружи ЗК (см. Фиг. 1). Этот перепад возникает из-за тепловыделения электронагревателей, находящихся в соседних в СД. При температура жидкости контролируется с помощью одной из РТ, размещаемой в самом низу ЗК вне зоны влияния электронагревателей. Показания измерительной термопары корректируются по термометру сопротивления, размещенному в головке 4 и находящемуся в тепловом контакте со свободными концами термопар.
Количество термопар (концевых и боковых) в сборке, число сборок в ДТУ и длина ДТУ определяются требуемым количеством точек контроля жидкости, требуемым шагом дискретизации и контролируемой глубиной бассейна.
В зависимости от задачи и условий эксплуатации конструкция может отличаться от описанной выше в сторону упрощения, например:
- при отсутствии обдува датчика паром или воздухом ЗК может быть выполнен с перфорацией разного вида, а также без УКП и без штуцеров (перфорация принципиально не позволяет применить гидростатическую калибровку);
- при отсутствии потребности в калибровке могут отсутствовать штуцеры для присоединения калибровочных устройств;
- в датчике для постоянно заполненного бассейна может отсутствовать нижний штуцер и/или запорный клапан, а также нижнее УКП;
- в датчике для сухого объема может содержать устройство для заливки воды в целях калибровки.
Пример практической реализации.
Опытные образцы заявленного ДТУ в соответствие с технической документацией ШПИС.407765.001 были изготовлены Акционерным обществом "ПОЗИТ" (Московская обл., Пушкинский р-н., пос. Правдинский). Данный ДТУ имеет длину около 12 метров и диаметр защитного корпуса 32 мм, он имеет 6 точек контроля наличия жидкости и одну точку контроля температуры. Два изготовленных образца ДТУ успешно прошли испытания совместно со специализированной электронной аппаратурой разработки ООО НПО «ИНКОР». Испытания показали повышенные значения чувствительности и надежности. ДТУ рекомендован для производства и использования по назначению.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ДТУ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».