WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 9 Краткие сообщения 04;12 Исследование тепловых и электрических характеристик ТЭП при комбинированном нагреве электродов © Ю.И. Дударев, Б.И. Ермилов Сухумский физико-технический институт АН Республики Абхазия, 384914 Сухуми, Республика Абхазия (Поcтупило в Редакцию 1 июля 2003 г.) Предложена методика экспериментальных исследований тепловых и электрических характеристик одноэлементного термоэмиссионного преобразователя при комбинированном нагреве электродов (сочетание прямого нагрева тепловым излучением от электрического нагревателя с нагревом эмиттера обратными токами с коллектора) и исследованы его вольт-амперные характеристики в различных режимах работы и при разной величине длительности импульса обратного нагрева электродов.

Введение лектора также изготовлена из вольфрама. На наружной поверхности коллектора крепятся хромель-алюмелевые Источниками тепла установок прямого преобразова- термопары, которые вводятся через термопарный колония тепловой энергии в электрическую служат ядерный дец. Эмиссионная площадь эмиттера 10.4 cm2, межэлекреактор, радиоактивные изотопы, химическая и солнеч- тродный зазор (МЭЗ) 0.25 mm. Теплообменник выполная энергия [1]. Перечисленные источники тепла в силу нен в виде газоводяной рубашки охлаждения. Газовый своей дороговизны и сложности в обращении не всегда зазор составляет 0.4 mm.

приемлемы при экспериментальных исследованиях фиДля нагрева эмиттера в полость вставляется главзических, электрических, тепловых характеристик преный электрический нагреватель (ГЭН) стержневого тиобразователей. Вследствие этого отработку конструкпа. Для обеспечения необходимого теплового режима ций, если это возможно, осуществляют имитаторами прибора на теплообменнике и сильфонно-гермовводном источников тепла.

узле устанавливаются электрические нагреватели из Основными методами подачи тепла на эмиттер тернихромовой проволоки.

моэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП) являются радиационный, обратными токами с коллектора на Методика и результаты эксперимента эмиттер, и комбинированный (радиационный совместно с электронной бомбардировкой). При испытаниях лабораторных ТЭП широко применяется метод комбиниро- Исследование характеристик одноэлементного ТЭП производилось с помощью комбинированного нагрева, ванного нагрева, который позволяет при всех прочих который включал в себя два различных метода нагрева равных условиях значительно уменьшить температуру электродов преобразователя: а) метод прямого нагрева нагревательного элемента и, следовательно, увеличить эмиттера тепловым излучением на основе использоваресурс его службы.

Экспериментальный прибор В качестве объекта испытаний был использован модельный одноэлементный ТЭП, схема которого представлена на рис. 1. Экспериментальный прибор содержит: эмиттерный, коллекторный, сильфонно-гермовводный узлы, теплообменник и термопарный колодец.

Эмиттерный узел представляет собой цилиндрическую трубу, изготовленную из тугоплавкого материала, на наружную поверхность которой нанесен тонкий слой Рис. 1. Схема прибора: 1 — эмиттер, 2 — коллектор, вольфрама. В теле эмиттера с торца просверлены три 3 — водяная рубашка, 4 — термопара коллектора, 5 — отверстия разной глубины с углом смещения 120 для дистанционаторы, 6 — откачка МЭЗ, 7 — сильфонный узел, установки вольфрам-рениевых термопар с d = 0.2mm в 8 — изолятор, 9 — термопара эмиттера, 10–13 — нагреватели, чехле из окиси бериллия. Эмиссионная поверхность кол- 14 — ввод газа, 15, 16 — ввод и вывод воды.

Исследование тепловых и электрических характеристик ТЭП... ния электронагревателя сопротивления, помещаемого Для получения информации о работе ТЭП в виде ВАХ во внутреннюю полость эмиттера; б) метод обратного нагрев обратными токами проводился в импульсном ренагрева на основе использования обратных токов с жиме. Паузы между импульсами нагрева используются коллектора, нагретого с помощью внешнего нагревателя. для измерения ВАХ.

В этом случае нагрев эмиттера происходит за счет На рис. 2 показаны временная диаграмма нагрева кинетической энергии потока электронов из плазмы тельных и диагностирующих импульсов, а также осдугового разряда.

циллограмма реперной ВАХ одноэлементного ТЭП при Исследование электрических характеристик ТЭП при обратном нагреве. ВАХ обратного нагрева имеет вид комбинированном нагреве эмиттера, так же как и для кривой с характерным для дугового разряда гистересравнения снятых характеристик при чисто прямом зисом. Это свидетельствует о зажигании и гашении нагреве, осуществлялось с помощью аппаратуры для дугового разряда между эмиттером и коллектором за нагрева и диагностики ТЭП методом обратных токов [2].

время действия импульсов нагрева. Различие тепловых Процесс подготовки ТЭП к испытаниям заключался в режимов электродов (прямой, обратный нагрев и сочеобезгаживании вакуумно-цезиевой системы (ВЦС) и детание их — комбинированный) обусловливает различие газации электродов с помощью внутреннего стержневотемпературных профилей как коллектора, так и эмиттего нагревателя (ГЭН). Обезгаживание ВЦС проводилось ра. При изменении температурного профиля коллектора при температуре тракта 700-750 K до установления с помощью секционных нагревателей теплообменника динамического вакуума P1 = 1 · 10-4 Pa, при этом в и стабилизации электрического тока через ТЭП при газовой полости P1 = 4-6 · 10-3 Pa.

обратном нагреве происходит перераспределение плотОбезгаживание прибора проводилось в два этапа. На ности электрического тока с поверхности коллектора, первом этапе обезгаживание коллектора проводилось по которое приводит к изменению температуры эмиттера следующему режиму: на коллекторе с помощью ГЭН на соответствующем участке.

была поднята темпратура до 1100 K со скоростью, На рис. 3 кривой 1 показано распределение темпеограниченной вакуумом в МЭЗ, не хуже 1 · 10-4 Pa, в ратуры по длине коллектора ТЭП при Pcs = 4.5GPa газовой полости — 5-6 · 10-3 Pa. Этот режим выдери одинаковой величине мощностей на обеих секциях живался до получения в МЭЗ P2 = 1 · 10-4 Pa в теченагревателей теплообменника. При увеличении мощние 1 h. По окончании обезгаживания коллектора при ности правой секции нагревателя и соответствующего выключенном ГЭН газовая полость ТЭП заполнялась увеличения температуры коллектора в этой области гелием до давления 100-260 Pa. На втором этапе проводилось обезгаживание эмиттера с помощью ГЭН при температуре 1900 K и вакууме в МЭЗ 1 · 10-4 Pa. Этот режим выдерживался до получения P2 1 · 10-4 Pa в течение 1 h. При нагреве электродов прибора с помощью ГЭН до Te 1400-1900 K и Tk 950-1100 K в диапазоне температур рабочего тела (цезия) 520-620 K снимались реперные вольт-амперные характеристики (прямой нагрев электродов).

При переходе на комбинированный нагрев прибора водяная рубашка теплообменника соединялась с системой напуска воздуха, который циркулировал через нее под давлением 110-150 kPa, а в газовый зазор подавался гелий при давлении 2-5 · 103 Pa. С помощью секций внешнего нагревателя температура коллектора достигала значений 770-870 K. К токовыводам прибора прикладывалось ускоряющее постоянное напряжение 6-12 V плюсом на эмиттерный вывод.

Экспериментальная аппаратура нагрева обеспечивала стабилизацию тока разряда (диапазон регулирования 0-300 A), поэтому по мере разогрева электродов происходило уменьшение ускоряющего напряжения. При подъеме температуры цезиевого термостата до 570-620 K МЭЗ заполнялся паром цезия. Высокая Рис. 2. Временная диаграмма импульсов (a) и осцилло температура термостата была выбрана для того, чтобы грамма ВАХ обратного нагрева (b) одноэлементного ТЭП.

избежать возможных паразитных пробоев между сосед3 — длительность импульса нагрева; 4 — длительность ними элементами, расстояния между которыми больше измерительного импульса; 1, 2 — время задержки; T — межэлектродного зазора. период повторения импульсов.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 118 Ю.И. Дударев, Б.И. Ермилов на 40 K (кривая 2) изменение температуры эмиттера на соответствующем участке составило 100 K.

Экспериментальная проверка подтвердила возможность контролируемой привязки места поджига дугового разряда обратного нагрева путем создания неизотермического профиля коллектора. Это позволяет осуществлять профилирование температуры эмиттера при Рис. 5. ВАХ ТЭП при различных длительностях импульса нагрева 3 и Pcs = 1.9GPa. 1 — 3 = 46 ms, 1 = 18 ms, 4 = 10 ms, T = 104 ms; 2 — 3 = 18 ms, 1 = 40 ms, 2 = 26 ms, 4 = 10 ms, T = 100 ms. Комбинированный нагрев: 1 — W1 = 865 W, W2 = 278 W, Te = 1820 K, Tk = 1110 K;

2 — W1 = 997 W, W2 = 264 W, Te = 1820 K, Tk = 1110 K.

комбинированном и обратном нагреве и, в частности, имитировать при внереакторных испытаниях характер тепловыделения на электродах ЭГК (электрогенерирующий канал).

Проведено исследование электрических характеристик ТЭП при различных режимах нагрева электродов.

На рис. 4 приведены вольт-амперные характеристики, снятые при прямом и комбинированном нагреве и при одинаковых температурах электродов Te 1720 K, Tk 1030 K и Pcs = 0.9 GPa. Анализ характеристик показывает, что при комбинированном нагреве по мере увеличения составляющей теплового баланса обратного нагрева ВАХ смещается в область более высоких напряжений примерно на 0.45 V и выходная мощность преобразователя существенно увеличивается (в 2-3 раза).

Эти результаты, по-видимому, следует связать с перехоРис. 3. Распределение температуры по длине эмиттера (a) дом разряда с распределенной термоэлектронной эмиси коллектора (b) ТЭП при обратном нагреве. 1, 1 — темсией эмиттера в разряд с катодным пятном [3], несмотря пературы электродов при равной мощности секций внешнего на малую протяженность электродов (L = 20 mm). Ананагревателя; 2, 2 — температуры электродов при увеличении логичные результаты были получены, при исследовании мощности правой секции внешнего нагревателя.

характеристик снятых при тех же тепловых режимах, но при более высоких давлениях паров цезия.

В ходе испытаний ТЭП с комбинированным нагревом электродов было изучено влияние длительности импульса нагрева (3) на выходные параметры преобразователя. На рис. 5 приведены ВАХ ТЭП при различных величинах длительности импульса нагрева 3. Из рисунка видно, что выходные параметры ТЭП, снятые при 3 = 46 ms, почти в 1.5 раза превышают выходные параметры преобразователя, снятые при 3 = 18 ms, при этом значение эдс выше примерно на 0.2 V.

Выводы Рис. 4. ВАХ ТЭП при различных способах нагрева 1. Приведена методика тепловых испытаний одноэлеTe = 1720 K, Tk = 1030 K, Pcs = 0.9GPa. 1 — прямой нагрев:

ментного цилиндрического ТЭП при прямом и комбиниW1 = 834 W; 2 — комбинированный: W1 = 670 W, W2 = 212 W;

3 — комбинированный: W1 = 350 W, W2 = 528 W. рованном нагреве электродов.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Исследование тепловых и электрических характеристик ТЭП... 2. Анализ тепловых характеристик преобразователя показал возможность контролируемой привязки места поджига дугового разряда обратного нагрева путем создания неизотермического профиля коллектора.

3. Исследование электрических характеристик ТЭП показало, что при комбинированном нагреве по мере увеличения составляющей теплового баланса обратного нагрева выходные параметры преобразователя существенно увеличиваются.

4. Установлено, что величина длительности импульса нагрева, равная 3 = 46 ms, является наиболее оптимальной при комбинированном нагреве электродов этой геометрии.

Список литературы [1] Бакшт Ф.Г., Дюжев Г.А., Марциновский А.М. и др.

Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / Под ред. Б.Я. Мойжеса, Г.Е. Пикуса. М.: Наука, 1973. 480 с.

[2] Игумнов Б.Н., Евилин В.П. // Электричество. 1976. № 4.

С. 80.

[3] Дюжев Г.А., Каплан В.Б., Мойжес Б.Я. и др. // ЖТФ. 1971.

Т. 41. Вып. 2. С. 453–457.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.