Калий по свойствам близок к натрию. В отличие от него образует на воздухе при комнатной температуре перекись, энергично реагирующую с углеводородами.

Сплавы натрия с калием имеют пониженную температуру плавления. Эвтектический сплав (787о К+227о Na) плавится прн -1ГС, а сплав 7% Na-l-93 /o Ze -при -28° С. Сплавы обладают малой вязкостью: при 315° С ихвязкость равна вязкости воды при 99 С.

Ртуть, в отличие от калий-натриевых сплавов, взрывобез-опасна и имеет низкую температуру плавления, однако является относительно плохим теплорюсителем.

Сплавы РЬ-Bi имеют опюситльно высокую температуру затвердевания (125° С), что создает определенные неудобства при заправке системы и запуске.

Все расплавы изменяют плотность при изменении температуры, поэтому в герметичном контуре с жидким металлом предусматриваются устройства для компенсации изменения их объема.

3. Конструкции термоэлектрических насосов

Схема одноканального насоса с постоянным магнитом и металлической термопарой приведена на рис. XV. 14. Для прокачивания

Рис. XV. 14. Одноканальный термоэлектрический насос:

/-канал: 2 - прокачиваемый расплав; 3, 6 - термоэлемент; 4 - наконечник магнита; S - изоляция; 7 - токозамыкающая шнна - рассеива-тель тепла; 8 - постоянный магнит; 9 - паз для магнита.

Рис. XV. 15. Двухканальный термоэлектрический насос:

7,5- термоэлементы; 2 - токоподвод; 3, 6 - каналы с горячей н холодной жидкостью; 4 - магинтопровод; 7 - теплонзолятор.

жидкости (щелочрюго металла) использованы каналы из нержавеющей стали. Сечение канала 12,7X12,7 мм длина 158 мм, толщина стенок 0,25 мм. Термоэлементы из хромеля и константана высотой 2,54 мм припаяны к каналу и медрюй токозамыкающей шине. Магнитное поле создается между полюсными наконечниками из мягкого железа, через шину к наконечникам вмонтирован по-СТ0Я1ШЫЙ магнит сечением 25,4X25,4 мм*. Полюсные наконечники

и канал разделены слоем теплоизолятора из слюды толщиной 0,8 мм. Индукция в магнитном зазоре 1,07 Т. Теплоотвод от холодных спаев термоэлемента осуществляется токозамыкающей шиной, рассеивающей тепло в окружающее пространство. При разности температур между жидкостью и окружающей средой 149 К и расходе 5 г/мин насос развивает напор 0,02-1№Н/м2.

В двухканальном термоэлектрическом насосе из термоэлементов прокачиваемой жидкости и токозамыкающих шин представляется возможным образовать виток с током, используемый для создания магнитного поля. Схема насоса приведена на рис. XV. 15.

Рис. XV. 16. Схема насоса с термоэлектрической парой стенки канала - жидкость:

1 - стенка канала (элемент п-типа); 2 -> рабочая среда (элемент р-тнпа); 8 - линия тока. -

Рис. XV.17. Схема термоэлектрического насоса системы СНАП-ЮА:

t - постоянный магнит; 2 - магинтопровод; 3 - ребро охлаждения; 4 - линии тока; 5, 7 - п- н р-ветви; 6 - рабочий канал.

Предложена также конструкция, в которой термоэлектрической парой являются материал прокачиваемой среды и стенки сосуда: (рис. XV. 16). Однако такое устройство имеет малый КПД из-за низкой добротности применяемых материалов.

Термоэлектрический иасос был установлен на бортовой космической энергоустановке СНАП-ЮА с ядерным реактором и термоэлектрическим генератором. Насос предназначался для перекачки теплоносителя в контур, соединяющий реактор и термобатарею. Схема насоса приведена на рис. XV. 17. В нем использованы канал прямоугольной формы, две пары термоэлементов из РЬТе, постоянный магнит и излучающие тепло охлаждающие алюминиевые ребра. Канал изготовлен из нержавеющей стали, длина рабочей части канала 101,6 мм, общая длина 202, 2 мм. Применены термоэлементы толщиной 25,4 мм, шириной 6,35 мм; общая площадь контакта 25,8 мм. На каждой из контактирующих плоскостей спеканием при температуре 690° С образован антидиффузионный слой из железного порошка толщиной 0,76 мм. Магнит изготовлен из сплава аль-нико, индукция в зазоре 0,25 Т. Масса насоса 7,7 кг. При расходе 0,83 л/с перепад давления 0,95 10*Н/м2, КПД насоса около 0,8%. Для запуска системы циркуляции использованы два дополнительных токоподвода, которые присоединяются к аккумуляторам. Несколько измененный вариант наСоса разработан для прокачки теп-

лоносителя в реакторе с паротурбинным циклом. В связи с тем что рабочие температуры теплоносителя более высокие (649-704° С), полупроводниковые термоэлементы были заменены металлическими сплавами - константаном (55% Си + 45% Ni) и хромелем (90% N1+ 10% Сг). При расходе 26 г/с насосом развивался напор 0,001 X X I05H/M2.

§ 2. Тепломеры

К тепломерам [3, 8] относят приборы, которыми измеряют плотность теплового потока. Они применяются для измерения и контроля тепловых режимов двигателей,различных приборов и механизмов, для определения тепловых потерь, коэффициента теплопроводности, для получения информации о характере тепловыделений биологических объектов, для дозиметрии, контроля и автоматизации тех-

рюлогических процессов и т. д.

Конструкция тепломера зависит от области его применеиия и способа переноса регистрируемого потока тепла (теплопроводностью веществ, конвективным или лучистым теплообменом). Сведения об устройствах для измерения тепловых потоков, переносимых излучением, изложены в гл. XIV. Ниже приведены сведения о тепломерах, которыми измеряются тепловые потоки при наличии контакта с поверхгюстями, излучающими или поглощающими тепло.

Для таких измерений широко используются тепломеры, в которых применен метод вспомогательной стенки: иа пути измеряемого теплового потока располагается стенка - образец с известным коэффициентом теплопроводности. Значение теплового потока определяется при известном перепаде температуры в образце, измеряемом термопарой или батареей термопар.

Основными параметрами, которыми характеризуются тепломеры, являются:

чувствительность рабочий коэффициент

S , Бт/(м2 . В);

йр = 1, м2.В/Вт;

термическое сопротивление R., м* К/Вт; сопротивление термопары или термобатареи г. Ом; инерционность (постоянная времени) т, с; рабочий интервал температур. К; площадь рабочей поверхности, м.

1. Тепломеры с одиночными датчиками

Приборы предназначены для измерения плотности тепловых потоков в интервале 10- ЮВт/м*. Датчик представляет собой дифференциальную термопару, у которой один плоский электрод выполняет роль вспомогательной стенки, два других плоских тонкостенных электрода вместе с токосъемными проводниками образуют термоэлектрическую цепь (рис. XV. 18). Иногда проводники вмонтированы в тело датчика.

ТермоЭДС, развиваемая датчиком, пропорциональна прон зывающему его тепловому потоку Q,:

(XV.47)

где k

( 1 - аз) /

- коэффициент пропорционалыюсти, и -

термоЭДС материалов термопары, i - толщина стенки, х - коэффициент теплопроводности материала стенки. Подключенный к датчику электроизмерительный прибор при соответствующей градуировке регистрирует значение теплового потока.

Рис. XV. 18. Конструкции одиночных датчиков теплового потока:

ifl - с токосъемными проводниками, вмонтированными в датчик; б - с токосъем-Ь1МИ выступами; / - никелевое защитное покрытие; 2 - медные электроды; 3- иромежуточиыЛ электрод; 4 - токосъемные проводники; 5 - изоляционные втулки [3].

Чувствителыюсть датчика равна развиваемой им термоЭДС, отнесенной к единице теплового потока:

S -

(ai-аа)/ и

(XV.48)

Неравномергюсти теплового потока в датчике приводят к искажениям показаний. Погрешности уменьшаются при использовании датчиков с контактными проводниками, вмонтированными в центральную часть электродов (рис. XV. 18, а).

Значения рабочих коэффициентов одигючных датчиков, изготовленных из материалов для термопар, составляют около 500 X X 10вВт/(м- В). При измеряемых потоках 10=*- ЮВт/м развиваемая датчиком ЭДС составляет от 2 до 2 ЮмкВ. При этом перепад температуры на стенке от 0,05 до 50 К. При использовании стандартных электродных материалов следует особое внимание обращать на гомогенность токосъемных проводников - неоднородности вдоль проводников могут стать источниками существенных погрешрюстей при измерениях.

Размеры серийных датчиков 0,01 X 0,01 м, толщина 0,001 м, толщина стенки из константана 0,95 10~м, токоотводы и контактирующие пластины изготовляются из меди.

При измерениях потоков большой плотности в качестве вспомогательной стенки может использоваться материал с большим коэффициентом теплопроводности - медь с константановыми токоот-водящими электродами.

Повышение чувствительности достигается, если вспомогательная стенка изготовлена из материала с большим коэффициентом термоЭДС: из висмута, сплава Вуда, сплавов теллура с медью или серебром.

2. Тепломеры с термобатарейными датчиками

По сравнению с одиночными эти тепломеры имеют более высокую чувствительность. В зависимости от конкретных условий применения в качестве вспомогателыюй стенки используют резину с вмонтированной в ее тело термобатареей (пояс Шмидта), паронит, асбестовый картон, стеклоткань и др. Для уменьшения вносимых тепломером искажений материал вспомогательной стенки выбирают по теплопровоцности близким к веществу, через которое протекает измеряемый тепловой поток. Например, при измерении тепловых потоков со дна водоемов в районах вечной мерзлоты использована тепловая стенка из полиметилметакрилата, теплопроводность которой близка к теплопроводности льда; для этой же цели при измерениях на поверхности грунта применяется пропитанная аралдитом стеклоткань. При измерениях в условиях мас-сообмена (например, при изменении влажности) вспомогательная стенка изготовляется из пористого материала.

Термобатареи изготовлены из металлических сплавов для термопар. Наиболее широко используются батареи с гальваническим нанесением: на константан-меди, на хромель-никеля. Могут применяться и другие гальванические пары: константан-серебро, копель-серебро, копель-медь, копель-золото, алюмель-железо, копель-железо, нихром-никель, платирюродий-платина и др.

Наибольшую чувствительность имеют тепломеры, у которых роль вспомогательной стенки выполняет термобатарея. Такие тепломеры различных конструктивных модификаций, разработанные в ИТТФ АН УССР, иашли широкое применение. В датчик площадью 17 X 17 мм уложено (3-j-3,5) 10 термопар, залитых эпоксидной смолой нли термостойкими лаками и эмалями.

При Заливке датчиков эпоксидной смолой ЭД-4 верхняя рабочая температурная граница составляет около 100° С, при использовании ЭД-6-около 120° С, фураново-эпоксидрюй смолы ФАЭД-13- около 150° С. При более высоких температурах применяются эмали. Разработана теория оптимизации конструкции тепломеров [3].

Сведения о некоторых типах батарейных датчиков для тепломеров приведены в табл. XV. 2, XV. 3.

При создании высокочувствительных тепломеров перспективным является применение полупроводниковых термобатарей. Такие датчики могут применяться для измерений в узких интервалах температур.

Подробно теория тепломеров, области их применения и обзор работ по теплометрии изложены в монографии [З].

>

га Я S

\о а Н

о и я

.§

е о

§

ч я а

lies v -

§S!

&&

s s SS