ЗОНД КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УРОВНЯ

Настоящая полезная модель относится к теплофизическому чувствительному устройству - зонду контроля температуры и уровня (ЗКТУ) воды для атомной электростанции, которое 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 (HT) 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 от друга 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 (A), 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 отверстий в корпусе ДТУ создает условия для паразитной теплопередачи посредством массообмена с окружающей газовой средой: СД внутри корпуса может охлаждаться потоком воздуха от вентиляции или нагреваться потоком пара. Таким образом, паразитный массообмен может приводить к нарушению функционирования ДТУ. В конструкции ДТУ отсутствуют референтные (ненагреваемые) термопары, постоянно выдающие температуру окружающей среды, необходимую для точного контроля коэффициента теплоотдачи в зоне нагреваемой термопары. При использовании для контроля температуры окружающей среды периодического отключения нагрева вероятно разрушение нагревателей, а также термопар из-за возникающих циклических механических напряжений. 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 зонд контроля температуры и уровня (ЗКТУ) жидкости в бассейне выдержки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) включает защитный цилиндрический корпус, внутри которого равномерно распределены сборки детекторов (СД), представляющие собой тонкие трубы, содержащие кабельные нагреватели, кабельные нагреваемые термопары (НТ), находящиеся в тепловом контакте с нагревателями, референтные термопары (РТ), включает также решетки для пространственной фиксации СД в корпусе, при этом корпус ЗКТУ выполнен в виде трубы с двойными стенками - внешней и внутренней, стенки имеют по всей длине продольную щель, при этом щели смещены на 180 градусов по отношению друг к другу, между стенками размещены дистанционирующие элементы, СД, содержащие РТ, размещены в центре корпуса, а СД содержащие НТ с нагревателями, размещены по окружности вокруг СД с РТ, НТ вместе с нагревателем и РТ прикреплены к внутренней стенке СД посредством припоя, пары термопар НТ и РТ образуют чувствительные элементы (ЧЭ). РТ одного ЧЭ предпочтительно размещаются ниже НТ.
Двойной корпус с дистанционирующими элементами обладает высокой механической прочностью, что обеспечивает защиту ЗКТУ от сейсмических воздействий, взрывов водорода и др. Этим обеспечивается повышенная надежность работы ЗКТУ в аварийных условиях. Дистанционирующие элементы образуют лабиринт, затрудняющий обдув ЧЭ воздухом, проникновение ударных волн и вспышек водорода. В лабиринте происходит также конденсация пара, который способен исказить показания ЧЭ. В то же время лабиринт пропускает воду, обеспечивая равенство уровней в зоне ЧЭ и в бассейне, а также выравнивание температуры внутри и снаружи ЗКТУ за счет массообмена воды. Для определения наличия воды в зоне ЧЭ используется разница показаний HT и РТ, которая однозначно связана с коэффициентом теплоотдачи от корпуса СД в зоне размещения HT и дает точный критерий наличия воды в зоне ЧЭ.
Целесообразно, чтобы ЗКТУ содержал как концевые ЧЭ (размещенные в оконцевателе СД), так и боковые ЧЭ (размещенные на внутренней боковой стенке СД). Тип и количество ЧЭ в составе ЗКТУ определяются конкретной задачей контроля исходя из их особенностей:
- Концевые ЧЭ имеют только одну точку контроля жидкости на одну СД, а боковые ЧЭ - несколько точек контроля по высоте на одну СД;
Концевые ЧЭ обеспечивают более точный контроль положения уровня: при снижении уровня оконцеватель полностью выходит из воды - появляется газовый зазор, резко падает теплоотдача, и показания концевой HT быстро возрастают. При боковом размещении ЧЭ газовый зазор не возникает, происходит утечка тепла нагревателя по корпусу в воду, показания растут медленно, а сигнал датчика более слабый. В результате точность боковых ЧЭ несколько ниже.
Целесообразно, чтобы РТ и, предпочтительно, HT имели рабочий спай, изолированный от корпуса. Изоляция рабочих спаев РТ и HT от корпуса позволяет осуществить встречное включение указанных термопар, что позволяет сразу получить разность температур HT и РТ, используемую для контроля наличия жидкости.
Целесообразно, чтобы корпус ЗКТУ имел головку. Наличие головки позволяет разместить пассивный термостат, необходимый для выравнивания температуры свободных концов термопар, а также выполнить встречное соединение свободных концов термопар. Целесообразно разместить в термостате термометр сопротивления, чтобы по его показаниям делать поправку на температуру свободных концов термопар при измерении температуры.
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 ЗКТУ.
На фиг. 2 представлены продольные разрезы и поперечные сечения СД с HT, РТ и нагревателями.
ЗКТУ (фиг. 1) включает защитный корпус 1 с размещенными в нем трубчатыми сборками детекторов 2, 3, содержащими термопары и нагреватели. Корпус выполнен в виде трубы с двойными стенками -внешней и внутренней. Наружная и внутренняя стенки корпуса по всей длине имеют продольные щели 4 для прохода жидкости. Эти щели разнесены на 180 градусов для предотвращения прямого попадания воздуха и пара на детекторные сборки. Между внутренней и наружной стенками корпуса закреплены продольные вставки 5, в которых сделаны вырезы 6 для циркуляции жидкости. Корпус имеет головку 7. В головке размещается пассивный термостат 8, котором находятся свободные концы термопар. В термостате установлен термометр сопротивления (на фигуре не показан), предназначенный для измерения температуры свободных концов термопар. Детекторные сборки 2, 3 закреплены герметично в головке 7, положение сборок внутри корпуса фиксируется с помощью нескольких решеток 9. Решетки имеют отверстия 10 для свободной циркуляции жидкости. Прочная конструкция корпуса хорошо защищает СД от обдува, пара, сейсмических воздействий и взрывов водорода.
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 ЗКТУ, поэтому в данном примере используется комбинация концевых и боковых ЧЭ.
Сборка с РТ 3 установлена в центре корпуса ЗКТУ, а сборки с HT разной длины 2 - по краям вокруг сборки с РТ (см. Фиг. 1).
Температура жидкости контролируется с помощью одной из РТ, показания которой корректируются с помощью термометра сопротивления, размещенного в термостате 8.
Количество термопар (концевых и боковых) в сборке, число сборок в ЗКТУ и длина ЗКТУ определяются требуемым количеством точек контроля жидкости, требуемым шагом дискретизации и контролируемой глубиной бассейна.
Пример практической реализации.
Опытные образцы заявленного ЗКТУ в соответствие с технической документацией ШПИС.407765.001 были изготовлены Акционерным обществом "ПОЗИТ" (Московская обл., Пушкинский р-н., пос. Правдинский). Данный ЗКТУ 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 ЗКТУ успешно прошли испытания совместно со специализированной электронной аппаратурой разработки ООО НПО «ИНКОР». Испытания показали повышенные значения чувствительности и надежности. ЗКТУ рекомендован для производства и использования по назначению.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ЗКТУ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».