10. Измерение температур при нестационарных режимах.

В судовых энергетических установках встречаются особые случаи измерения температуры: к ним относится измерение температуры в ядерных реакторах, в двухфазных средах и др. Такие измерения будем называть специальными.

В ядерных реакторах чувствительный элемент термометра, находящийся в активной зоне, подвергается бомбардировке нейтронами, γ-квантами, электронами, осколками деления ядер и другими частицами. Под действием излучений могут про­изойти изменения структуры материала, разложение и распад, наведение внутреннего энерговыделения и др. В результате ра­диационных повреждений изменяются плотность, прочность, тепло- и электропроводность и другие свойства материалов. Следует учитывать также такие факторы, как совместимость материалов, интенсивность коррозионных и эрозионных про­цессов при характерных для энергонапряженных реакторов ско­ростях теплоносителя (скорость воды достигает 25 м/с, жидких металлов — более 10 м/с). Особое значение имеет радиацион­ный нагрев, который может привести к существенным погреш­ностям измерения температуры. Влияние этой погрешности за­висит от контактного термического сопротивления, а также от интенсивности удельного поглощения нейтронного и γ излучения в чувствительном элементе по сравнению с поглощением в окружающих материалах.

Термоэлектрические термометры получили наибольшее при­менение для измерения температур в реакторе. Терморезисторы используют крайне редко в активных зонах в связи с измене­нием их электрического сопротивления под действием излуче­ний. Однако они распространены во внереакторных измере­ниях.

Материалы термопар для ядерных реакторов наряду с обыч­ными должны удовлетворять ряду специфических требований. Они должны обладать хорошими ядерными свойствами — ма­лым сечением поглощения нейтронов и минимальной актива­цией при облучении, иметь высокую радиационную стойкость, сохранять стабильность формы и размеров, быть совместимыми с изоляцией, защитным чехлом и средой.

Создание универсальной термопары в соответствии с ука­занными требованиями для всего температурного интервала и разных сред невозможно. Поэтому в диапазоне высоких и средних температур применяют различные термопары. Сейчас выполнены обширные исследования свойств стандартных и не­стандартных термопар. Установлено, что хромель-алюмелевые термопары являются наилучшими для внутриреакторных изме­рений. Термопары из благородных металлов (ТПП и ТПР) применяют редко, поскольку под воздействием излучений на­блюдается интенсивное перерождение родия. Это приводит к отклонениям от градуировочных данных. Кроме того, платина и платинородий несовместимы по термомеханическим свойствам со многими конструкционными материалами. Хромель-копеле-вые термопары также мало пригодны для внутриреакторного использования, так как медь, являющаяся основой копеля, под­вержена радиационным превращениям.

Электрическая изоляция является важнейшим элементом термоэлектрических термометров. Применяемая в обычных тер­мопарах изоляция (бусы, трубочки из фарфора, кварца и др.) не пригодна для реакторных измерений. Для них необходимы материалы, которые при малых толщинах, высоких температу­рах и мощных потоках радиационных излучений сохраняют вы­сокие изолирующие свойства. Из неорганических изоляторов наилучшими являются окислы магния (MgO) и алюминия (Аl₂ О₃). Они обладают высоким электрическим сопротивлением вплоть до температуры 1200° С. Магнезиальная изоляция обла­дает высокой радиационной стойкостью. Алундовые покрытия толщиной 0,06—0,08 мм использованы в микротермопарах.

В реакторостроении широко используют органосиликатные изоляционные материалы (ОСМ), которые образуются в ре­зультате химического взаимодействия органических соединений с активированными силикатами и окислами. Покрытия из ОСМ имеют хорошую адгезию к металлам и сплавам. После отверж­дения они характеризуются повышенной термостойкостью и электрическим сопротивлением, низкой теплопроводностью и высокой механической прочностью. Органосиликатные мате­риалы используются при изготовлении микротермопар. Иссле­дованиями установлено, что изоляция из ОСМ пригодна для применения в реакторах при температурах до 550° С.

Распределение температуры в ядерном топливе можно опре­делить расчетным путем по данным измерения температуры оболочки тепловыделяющих элементов и плотности нейтронного (теплового) потока. Однако расчетный метод неточен, по­скольку возможны значительные ошибки при оценке теплопро­водности материала топлива, термического сопротивления на границе между топливом и оболочкой, плотности теплового потока.

При проведении прямых измерений температуры топлива необходимо учитывать высокий температурный уровень в центре тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) (до 3000 К), большие температурные градиенты, относительные коэффициенты термического расширения, увеличение объема топлива, вы­званное излучением, и др. При установке тер­мопар необходимо стремиться к уменьшению искажений температурного поля, обеспечи­вать хороший тепловой контакт рабочих кон­цов с материалом топлива. Важно с макси­мальной точностью размещать рабочие кон­цы термопар в заданных координатах, чтобы снизить погрешность, обусловленную больши­ми градиентами температур в ТВЭЛах. В большинстве случаев термопары размещают по оси ТВЭЛа, где градиенты температур наибольшие (рис. 3.25). Микротермопара 1 размещена в защитном чехле 2 и приварена к стакану 5. Чехол находится в центральной части ядерного горючего 3, которое заклю­чено в оболочку 4 ТВЭЛа.

Измерение температуры ядерного топлива чаще всего производят вольфрам-рениевыми термопарами. Материалы термоэлектродов из различных партий могут существенно различаться по термоэлектрическим свой­ствам, поэтому термопары проходят, индиви­дуальную градуировку. Повышенная хруп­кость спаев вольфрам-рениевых термопар требует осторожного обращения. Эти термо­пары устойчиво работают при температурах до 2100 К в течение длительного промежутка времени. Воль-фрам-рениевые термопары исследовались в реакторах при тем­пературах до 2700 К. Удовлетворительные результаты были по­лучены при кратковременном их использовании. Под влиянием облучения тепловыми нейтронами происходит перерождение ре­ния и вольфрама в осмий; это изменяет градуировочную харак­теристику термопар.

Высокотемпературные измерения выполняют также с по­мощью неметаллических термопар, которые изготовляют на ос­нове графита и тугоплавких соединений (карбидов, силицидов и др.). Разработанные термопары NbC—ZrC, NbC—С приме­няют до 3300 К в восстановительной и инертной среде.

Измерения при нестационарном температурном режиме га­зового потока встречаются в двигателях внутреннего сгорания, при пуске, остановке, переходных режимах элементов судовых энергетических установок. В измерительной практике для этих целей служат термопары и термометры сопротивления. Их из­готовляют из проволоки минимальных диаметров (до 0,01 мм). Дальнейшее уменьшение ограничивается прочностью прово­локи, которая противостоит усилию воздействия измеряемой среды. Поскольку при сварке рабочих концов термопары обра­зуется утолщение, то они более инерционны, чем термометр со­противления из проволоки того же диаметра. Кроме того, спай увеличивает аэродинамическое сопротивление. Их измерительные схемы более надежны и приспо­соблены для измерения быстропере-менных сопротивлений. В датчиках применяют вольфрамовую и плати­новую проволоку.

На рис. 3 26 показан датчик для измерения мгновенных температур, применяемый в двигателях внутрен­него сгорания. Он состоит из кор­пуса 3, в который запрессована втулка 4 со стерженьками 2. В та­ком датчике можно устанавливать до трех чувствительных элементов 1 в виде проволочек диаметром 0,01 мм и длиной 3—6 мм, закреп­ленных на проволочных стержень­ках диаметром 1 мм. Постоянная тепловой инерции такого чувстви­тельного элемента достигает 6- 1Q-⁶ с; при скорости изменения температуры выше 2-10^-6 К/с абсолютная погрешность от тепловой инерции не превышает 5 К. Такие датчики применяют для исследования температурных полей в камерах сгорания и в самих двигателях.

Измерение температуры двухфазной среды, состоящей из несущей газовой фазы и жидких или твердых частиц, имеет от­личительные особенности. В ненасыщенных газожидкостных средах температура газовой среды отлична от температуры ка­пелек вследствие их испарения. В горящих средах различие между температурами фаз еще более значительно.

При измерении температуры газовой фазы необходимо при­нимать меры, снижающие влияние частиц. Это влияние прояв­ляется в теплообмене между частицами и чувствительным эле­ментом. Наиболее простым и распространенным способом яв­ляется разделение сред с помощью сепараторов, ловушек и др. Кроме того, применяют другие методы защиты чувствительного элемента от частиц. Например, просос газов через экраниро­ванную термопару; в них газ совершает несколько поворотов, прежде чем попадает к рабочим концам. По пути частицы от­деляются и собираются в ловушке.

Измерение температуры горящих двухфазных потоков, например, распыленного топлива, чаще всего производят термо­метрами излучения, при этом используют скоростные кинока­меры.