Датчик контроля температуры и уровня
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. Согласно полезной модели датчик контроля температуры и уровня (ДТУ) жидкости в бассейне выдержки отработавшего ядерного топлива включает защитный корпус (ЗК) в виде трубы, внутри которой размещены сборки детекторов (СД), представляющие собой трубки, содержащие нагреватели и нагреваемые термопары (HT), находящиеся в тепловом контакте с нагревателями, устройства для пространственной фиксации СД внутри ЗК, при этом ДТУ дополнительно включает отдельные СД, содержащие референтные термопары (РТ), HT с нагревателями и РТ находятся в тепловом контакте с корпусом СД, HT вместе с нагревателем и РТ прикреплены к внутренней стенке СД посредством припоя, HT и РТ попарно образуют чувствительные элементы (ЧЭ), при этом несколько HT могу иметь в паре одну общую РТ, РТ размещаются в СД ниже HT. В одном ЗК ДТУ могут размещаться две и более СД. HT либо РТ, либо HT и РТ могут иметь рабочий спай, изолированный от корпуса. ЗК ДТУ может быть выполнен в виде сплошной трубы снабженной верхней и нижней отдушинами, при этом верхняя и нижняя отдушины имеют штуцеры для подключения калибровочных устройств и устройства для конденсации водяного пара, кроме того, при этом верхняя отдушина может быть дополнительно снабжена устройством для заливки воды, а нижняя отдушина снабжена запорным устройством. При отсутствии необходимости в калибровке ЗК может быть выполнен в виде перфорированной трубы. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
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 Т - разница показаний HT и РТ, которая однозначно связана с коэффициентом теплоотдачи от корпуса СД. Повышение Т является критерием исчезновения жидкости в точке контроля, при этом может быть использована несложная вторичная аппаратура сравнивающая текущее значение Т 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 Т.
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 Т 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».
1. Датчик контроля температуры и уровня (ДТУ) жидкости в бассейне выдержки отработавшего ядерного топлива, включающий защитный корпус (ЗК) в виде трубы, внутри которой размещены сборки детекторов (СД), представляющие собой трубки, содержащие нагреватели и нагреваемые термопары (HT), находящиеся в тепловом контакте с нагревателями, устройства для пространственной фиксации СД внутри ЗК, отличающийся тем, что ДТУ дополнительно включает отдельные СД, содержащие референтные термопары (РТ), HT с нагревателями и РТ находятся в тепловом контакте с корпусом СД, HT вместе с нагревателем и РТ прикреплены к внутренней стенке СД посредством припоя, HT и РТ попарно образуют чувствительные элементы (ЧЭ), при этом РТ размещаются в СД ниже HT.
2. ДТУ по п. 1, отличающийся тем, что в одном ЗК размещаются две и более СД.
3. ДТУ по п. 1, отличающийся тем, что HT либо РТ, либо HT и РТ имеют рабочий спай, изолированный от корпуса.
4. ДТУ по п. 1, отличающийся тем, что ЗК выполнен в виде сплошной трубы, снабжённой верхней и нижней отдушинами, при этом верхняя отдушина имеет устройство для конденсации водяного пара и штуцер для подключения калибровочного устройства.
5. ДТУ по п. 1, отличающийся тем, что ЗК выполнен в виде сплошной трубы, снабжённой верхней и нижней отдушинами, при этом верхняя и нижняя отдушины имеют устройства для конденсации водяного пара, кроме того, верхняя отдушина снабжена устройством для заливки воды, а нижняя отдушина снабжена штуцером для подключения калибровочного устройства и запорным устройством.
6. ДТУ по п. 1, отличающийся тем, что при отсутствии потребности в калибровке ЗК выполнен в виде перфорированной трубы.
7. ДТУ по п. 1, отличающийся тем, что одна и та же РТ используется одновременно в нескольких ЧЭ.
РИСУНКИ