ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для имитации температурного режима тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов, при исследовании запасов до кризиса теплообмена и исследовании различных аварийных режимов работы ТВЭЛ на электрообогреваемых стендах, а также в промышленности и исследовательской практике при проведении тепловых испытаний.
Известна конструкция электронагревателя, используемого как модель тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) ядерного реактора, имитирующего тепловые условия в ядерных реакторах. Имитатор ТВЭЛ состоит из - оболочки, выполняемой из нержавеющей стали и служащей для размещения зоны нагрева. Зона нагрева представляет собой - нагревательный элемент в виде проволоки или стержня, по которому пропускают ток от источника тока. В качестве материала нагревательного элемента используют нихром, сталь и т.п.
Нагревательный элемент установлен в верхний токоподводящий узел, который выполнен заодно с корпусом имитатора. Между корпусом имитатора ТВЭЛ и нагревательным элементом располагают электроизолирующий материал. В качестве последнего используют, как правило, порошок (наполнитель) MgO - периклаз. Выход нагревательного элемента из корпуса осуществляется через узел герметизации. (А.с. СССР № 1340441, МПК G21C 17/06, опубл. 1982).
Основной недостаток такой конструкции заключается в том, что электроизолирующий материал (наполнитель) при обжатии не достигает требуемой теплопроводности. Опыты показывают, что коэффициент теплопроводности наполнителя лежит в пределах 3-6 Вт/м°С и убывает с возрастанием температуры (С.М. Балашов, Э.А. Болтенко, В.А. Виноградов. Опыт разработки имитаторов твэлов водо-водяных реакторов //
Теплоэнергетика, 1998, №12). Низкие коэффициенты теплопроводности наполнителя не позволяют отводить высокие тепловые потоки, что ограничивает мощность имитаторов такой конструкции. Кроме того, используемые наполнители, в случае попадания в них влаги, распухают и разрушают оболочку. Влага, как правило, поступает (напитывается) в наполнитель из окружающего воздуха, либо присутствует в наполнителе в качестве первичной.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является электронагреватель патронного типа с односторонним выходом электродов(Kanthal handbook. Resistance Heating Alloys for Appliances and heaters. Printed in Sweden by Ljungforetagen, Orebro 1990. Second edition. Catalogue 1-A-1-3. p.29). Электронагреватель содержит оболочку и зону электронагрева в виде многовитковой намотки на керамический вытеснитель и отделенных от оболочки электроизолирующим слоем. В качестве электроизолирующего материала используют MgO - периклаз.
Недостаток такого имитатора ТВЭЛ заключается в том, что при сборке практически невозможно обеспечить достаточную плотность периклаза между витками проволоки и, соответственно, получить высокую теплопроводность периклаза. Кроме того, недостаток электронагревателя заключается также в том, что в случае нагрева жидкостей с различными примесями (солевые растворы) на стенку электронагревателя выпадают различные отложения. Термическое сопротивление стенки будет расти, температура стенки и, соответственно, температура проволоки также будут расти. В результате температура проволоки достигает недопустимых пределов, электронагреватель выходит из строя.
Технической задачей полезной модели является повышение мощности электронагревателя, которая обеспечивается за счет минимизации толщины электроизолирующего слоя и, соответственно, минимизации термического сопротивления.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повышении надежности электронагревателя за счет последовательно соединенных электродов из разнородных материалов, образующих по крайней мере один спай термопары. Наличие спая термопары позволяет контролировать температуру электродов и проводить отключение электронагревателя при превышении температуры электродов выше допустимых значений.
п
п
Это достигается тем, что в известном электронагревателе содержащим оболочку и зону электронагрева отделенную от оболочки электроизолирующим слоем, зона электронагрева выполнена в виде последовательно соединенных электродов из разнородных материалов, размещенных параллельно оси электронагревателя, образующих, по крайней мере, один спай термопары, причем электроды размещены на расстоянии δ>Δ от оболочки, где Δ - толщина электроизолирующего слоя, соответствующая электрическому пробою при напряжении питания
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором показан электронагреватель.
Электронагреватель состоит из оболочки 1, электроизолятора 2 (периклаз), в котором размещены последовательно соединенные электроды. Электроды 3 выполнены из нихрома. Электрод 4 выполнен из хромеля. Перемычка 5 между электродами выполнена из алюмеля. Электрод 4 и перемычка 5 образуют спай термопары. 6 - минимальная толщина электроизолирующего слоя между оболочкой и электродами.
Электронагреватель работает следующим образом. Электронагреватель помещается в рабочую среду (раствор соли, раствор бора), подключается источник питания (напряжение 380 В), начинается нагрев рабочей среды. При достижении определенной температуры рабочей среды (задается предварительно) либо предельной температуры электродов происходит отключение электронагревателя от источника тока. Поскольку через спай термопары проходит ток необходимо отделение полезного сигнала от тока проходящего через электроды. Это достигается с помощью специального преобразователя сигнала.
3
2
1
В качестве примера рассмотрим электронагреватель для нагрева воды с концентрацией борной кислоты 16 г/м в гидроемкости САОЗ. Параметры сети напряжение питания 380 В, номинальная мощность одного ТЭНа - 10 кВТ. Активную длину Тэна примем равной 1 м. Наружный диаметр ТЭНа примем 20 мм. Расчет дает, что для выделения требуемой мощности необходимо сопротивление в диапазоне 14,6 ом. Коэффициент теплопроводности периклаза в зависимости от степени его уплотнения лежит в пределах λ=1-5 Вт/м°С. Примем, что λ=2 Вт/м°С, минимальная толщина электроизолирующего слоя между оболочкой и электродами равна 1 мм. Примем также, что число последовательно соединенных электродов равно 4, в этом случае линейная плотность теплового потока q=25000 Вт/м. Наружный диаметр электрода выполненного из нихрома d=0,65 мм, поперечное сечение S=0,3 мм. При этих условиях перепад температур по толщине слоя периклаза ~ 190°С.
2
2
2
ст
ж
э
Известно, что коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции в воде лежит в пределах α=10-5000 Вт/м С, примем α=500 Вт/м с. Плотность теплового потока со стенки электронагревателя q=159кВт/м. Перепад температур стенка - жидкость ΔT=Т-Т=q/α=159000/500=320°С Температура электрода примерно равна Т=190+320=510°С. При этой температуре электронагреватель будет длительное время сохранять работоспособность.
2
ст
ж
При наличии отложений на стенке оболочки - термическое сопротивление стенка жидкость будет расти. Например, примем, что α=100 Вт/м. В этом случае AT=Т-Т=1600°С, температура электрода повысится до величины 1800°С. При этих температурах электронагреватель потеряет работоспособность.
В нашем случае электронагреватель при превышении допустимой температуры (например 800°С) отключится от источника питания. Для поддержания требуемой температуры жидкости в период отключения электронагревателя включится другой. В процессе работы будет происходить отключение и включение электронагревателей, работоспособность электронагревателей будет сохранена.
Использование полезной модели позволяет значительно повысить его мощность и надежность. Предлагаемый электронагреватель может быть использован при нагреве загрязненных жидкостей, в случаях, когда условия теплосъема со стороны жидкости заранее неизвестны.