專利名稱:熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種密閉腔體內(nèi)可流動(dòng)介質(zhì)重量的稱量方法。
背景技術(shù)：
熱管內(nèi)的工質(zhì)量是影響熱管安全工作和有效傳熱的重要因素之一。熱管在制造過程中一般采用熱排或真空除氣工藝，排出管內(nèi)的不凝性氣體，以保證熱管內(nèi)工質(zhì)有效地進(jìn)行蒸發(fā)冷凝傳熱。但由于工質(zhì)蒸汽與不凝氣體混合在一起，除氣過程不可避免地排除一部分工質(zhì)，這部分工質(zhì)量受工質(zhì)性質(zhì)、排氣溫度、抽真空時(shí)間和操作人員熟練程度的影響較大，不易控制。為保證除氣后熱管內(nèi)剩余的工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，通常的方法是在熱排或真空除氣工序前多注入一些工質(zhì)，以抵消除氣過程中工質(zhì)的損失。但是這樣會(huì)多消耗原材料，增加產(chǎn)品的成本。如何檢驗(yàn)附加的工質(zhì)量是否適宜，傳統(tǒng)的方法是經(jīng)除氣后將熱管打開，取出工質(zhì)，稱量經(jīng)除氣后剩余工質(zhì)的重量，用充注的工質(zhì)總量減去剩余的工質(zhì)量即為除氣過程損失量。它的不足之處是這種直接測(cè)試工質(zhì)量的方法(以下稱直接法)在稱量過程中，不可避免地破壞了熱管的密封而使其失效，所以經(jīng)測(cè)量工質(zhì)量的熱管必須重新充工質(zhì)除氣，這使熱管工質(zhì)的稱量受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種既不破壞熱管密封又能夠測(cè)量管內(nèi)工質(zhì)重量的熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法。
本發(fā)明的方法主要是利用流體受重力影響自動(dòng)向低處流的特點(diǎn)，分別測(cè)量熱管的一端分別位于低點(diǎn)和高點(diǎn)時(shí)的重量，再利用靜止體系所受合外力為零、合外力矩也為零的基本力學(xué)原理，采用受力分析的方法，計(jì)算出密閉腔體內(nèi)均勻流體的重量(以下稱間接法)。
本發(fā)明的測(cè)量方法如下1.首先確定被測(cè)定熱管某一端為測(cè)量端，即在整個(gè)測(cè)量過程中都是稱熱管這一端的重量；熱管的另一端即非測(cè)量端為自由端。測(cè)量端和自由端可任意確定，無論哪一端為測(cè)量端，都不影響測(cè)量結(jié)果。
2.將熱管向一側(cè)斜置，其高點(diǎn)的自由端置于支承物上，使腔內(nèi)流體完全脫離自由端端蓋，其低點(diǎn)的測(cè)量端置于秤上，使腔內(nèi)流體完全覆蓋測(cè)量端端蓋，記錄稱量結(jié)果，其為G1并測(cè)量熱管與水平面的夾角φ1。
3.將熱管向另一側(cè)斜置，其低點(diǎn)的自由端置于支承物上，使腔內(nèi)流體完全覆蓋自由端端蓋，其高點(diǎn)的測(cè)量端置于秤上，使腔內(nèi)流體完全脫離測(cè)量端端蓋，記錄稱量結(jié)果，其為G2并測(cè)量熱管與水平面的夾角φ2。
4.將熱管置于秤上，記錄稱量結(jié)果，其為Gt。
上述步驟2、3、4可以調(diào)換，無論哪個(gè)步驟在先，都不影響測(cè)量結(jié)果。
5.將上述測(cè)量結(jié)果采用下面公式計(jì)算，即可得到熱管腔內(nèi)液相介質(zhì)所占長度，XL=L2(1-1-4((G1-G2)l-Gt(tanφ1+tanφ2))Do/2L(Gla-Gga))]]>其中XL—腔內(nèi)液相介質(zhì)所占長度，m，為所要獲得的數(shù)值；G1—低點(diǎn)稱重重量，kg，為測(cè)量所獲得的數(shù)值；G2—高點(diǎn)稱重重量，kg，為測(cè)量所獲得的數(shù)值；Gt—熱管總重，kg，為測(cè)量所獲得的數(shù)值；φ1—低點(diǎn)稱重時(shí)腔體軸線與水平面夾角，°，為測(cè)量所獲得的數(shù)值；φ2—高點(diǎn)稱重時(shí)腔體軸線與水平面夾角，°，為測(cè)量所獲得的數(shù)值；1—稱重支點(diǎn)間距離，m，可通過實(shí)際測(cè)量獲得；
下面數(shù)值均為已知數(shù)值Do—腔體外徑或截面高度，m，可通過熱管的設(shè)計(jì)圖紙或?qū)嶋H測(cè)量獲得；L—腔內(nèi)軸向長度，m，可通過熱管的設(shè)計(jì)圖紙獲得；Gla—腔體內(nèi)全部充滿液體(不包括液膜)時(shí)的介質(zhì)重量，kg，可通過熱管的設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出來；Gga—腔體內(nèi)全部充滿氣體(不包括液膜)時(shí)的重量，kg，可通過熱管的設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算出來。
將解得的XL值代到公式GL=XLLGla,]]>即可求得腔內(nèi)液相介質(zhì)重量GL，(不包括內(nèi)壁吸附液膜)。
將解得的XL值代到公式Gg=XgLGga=L-XLLGga,]]>即可求得腔內(nèi)氣相介質(zhì)重量Gg，(不包括內(nèi)壁吸附液膜)。
為使測(cè)量結(jié)果與實(shí)際誤差更小，最好①采用高分辨率的量具；②將熱管自由端置于可沿?zé)峁茌S向水平移動(dòng)的支承物上；③使二個(gè)位于不同高度處的支承面分別與二個(gè)向上或向下的支承物接觸的部分呈水平，以消除水平分力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，例如將熱管兩端分別固定于斜面與水平面的夾角等于熱管軸線與水平面夾角的二個(gè)斜塊上，然后將與水平面平行的二個(gè)斜塊底面置于向上的支承物上；或?qū)⒍€(gè)向下的支承物固定于熱管上，然后將支承物分別置于秤上和另一個(gè)水平支承面上。④支承物與支承面接觸的部分呈刃狀，以減少測(cè)量稱重支點(diǎn)間距離1引起的誤差，例如熱管自由端置于刃狀支承物上，熱管測(cè)量端置于秤上的刃狀支承物上。⑤如果支承面不水平時(shí)，為減小水平分力對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量時(shí)熱管軸線與水平面夾角盡量小一些，最好5-10度。
本發(fā)明的工作原理及計(jì)算公式的推導(dǎo)如下一、該間接法測(cè)量密閉腔體內(nèi)流體量假設(shè)如下(1)腔體重心和腔內(nèi)流體重心位于腔體中心軸線上，腔體橫截面沿軸線方向形狀面積相等、沿水平軸對(duì)稱或沿原點(diǎn)對(duì)稱。
(2)腔內(nèi)流體完全覆蓋住腔體低端端蓋并完全脫離高端端蓋，腔體內(nèi)表面吸附的液體厚度均勻一致。
(3)忽略腔內(nèi)不凝氣的影響。
二、對(duì)附圖的解釋圖1、圖2中粗實(shí)線為密閉腔體，腔體內(nèi)表面均勻的吸附厚度為δf的液膜，陰影部分為液相介質(zhì)，其余部分為氣相介質(zhì)。左端支點(diǎn)G1、G2分別是測(cè)量端位于低點(diǎn)和高點(diǎn)位置時(shí)的稱重量，右端支點(diǎn)為置于可沿?zé)峁茌S向水平移動(dòng)支撐物上的自由端。腔體內(nèi)徑、外徑(或截面高度)分別為Di、Do，腔體內(nèi)有效長度L，兩支點(diǎn)間距離1，腔體軸線與水平面的夾角為φ1和φ2，腔體內(nèi)體積為V，其它符號(hào)意義見本文符號(hào)表。
三、力平衡熱管總重量Gt為密閉腔體重量Gs與腔內(nèi)介質(zhì)重量Gw之和Gt＝Gs+Gw(1)可將介質(zhì)的重量Gw分為液相可流動(dòng)介質(zhì)重量GL、氣相介質(zhì)重量Gg和腔體內(nèi)壁吸附的介質(zhì)液膜重量Gf，各重量的重心位置如圖1和圖2所示。
Gw＝GL+Gg+Gf(2)其中前兩項(xiàng)可以用本文介紹的方法比較準(zhǔn)確地測(cè)量，而第三項(xiàng)則受介質(zhì)性質(zhì)、腔體材料性質(zhì)和腔體內(nèi)表面狀態(tài)等多種因素影響，不易準(zhǔn)確測(cè)量，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。
四、力矩平衡
低點(diǎn)稱重時(shí)腔體受力見圖1，力矩平衡關(guān)系如下G1*l*cosφ1=(Gs+Gf)(Xs+Dotanφ12)cosφ1]]>+GL((l-(XL/2-X1))+Dotanφ12)cosφ1---(3)]]>+Gg((Xg/2-X2)+Dotanφ12)cosφ1]]>高點(diǎn)稱重時(shí)腔體受力見圖2，力矩平衡關(guān)系如下G2*l*cosφ2=(Gs+Gf)(Xs-Dotanφ22)cosφ2]]>+GL(XL/2-X2-Dotanφ22)cosφ2---(4)]]>+Gg((l-(Xg/2-X1))-Dotanφ22)cosφ2]]>將式(3)-式(4)，并注意到L＝l+X1+X2及L＝XL+Xg，經(jīng)化簡(jiǎn)得式(5)(G1-G2)l=(Gs+Gf)Do2(tanφ1+tanφ2)]]>+GL(L-XL+Do2(tanφ1+tanφ2))+Gg(Do2(tanφ1+tanφ2)-XL)---(5)]]>式中GL=π4(Di-2δf)2XLρL---(6)]]>Gg=π4(Di-2δf)2Xgρg---(7)]]>Gf=π((Di-δf)L+12Di2)δfρL---(8)]]>由式(1)和式(2)得Gs+Gf＝Gt-GL-Gg(9)將式(9)代入式(5)得
(G1-G2)l=(Gt-GL-Gg)Do2(tanφ1+tanφ2)]]>+GL(L-XL+Do2(tanφ1+tanφ2))+Gg(Do2(tanφ1+tanφ2)-XL)---(10)]]>化簡(jiǎn)得(G1-G2)l=GtDo2(tanφ1+tanφ2)+GL(L-XL)-GgXL---(11)]]>令腔體內(nèi)全部充滿液體(不包括液膜)時(shí)的介質(zhì)重量為Gla，Gla=π4(Di-2δf)2LρL---(12)]]>則GL=XLLGla---(13)]]>令腔體內(nèi)全部充滿氣體(不包括液膜)時(shí)的重量為Gga，Gga=π4(Di-2δf)2Lρg---(14)]]>則Gg=XgLGga=L-XLLGga---(15)]]>將式(13)、式(15)代入式(11)得(G1-G2)l=GtDo2(tanφ1+tanφ2)+XLLGla(L-XL)-L-XLLGgaXL---(16)]]>經(jīng)移項(xiàng)、合并同類項(xiàng)并化簡(jiǎn)后得XL2-L*XL+((G1-G2)l-GtDo2(tanφ1+tanφ2))L/(Gla-Gga)=0---(17)]]>這是一個(gè)關(guān)于XL的二次方程，根據(jù)題意，存在XL的實(shí)數(shù)解。令
a=1]]>b=-L]]>((G1-G2)l-GtDo2(tanφ1+tanφ2))L/(Gla-Gga)---(18)]]>得XL=-b±b2-4bc2a---(19)]]>將a，b，c代入式(19)并化簡(jiǎn)得XL=L2(1±1-4((G1-G2)l-Gt(tanφ1+tanφ2))Do/2L(Gla-Gga))---(20)]]>由于熱管腔體內(nèi)工質(zhì)充裝體積百分比一般小于1/2，所以取根號(hào)前負(fù)值解，XL=L2(1-1-4((G1-G2)l-Gt(tanφ1+tanφ2))Do/2L(Gla-Gga))---(21)]]>1.本測(cè)試方法并不限于圓形腔體截面，符合假設(shè)條件的其他形狀腔體截面也可使用，此時(shí)外徑用腔體截面高度代替。
2.本測(cè)試方法也不限于液體介質(zhì)，具有流動(dòng)性且單位體積內(nèi)堆積密度比較均勻的固體顆粒，將液體密度改為固體堆積密度后也可采用本方法測(cè)試。
3.采用本發(fā)明的方法不僅可測(cè)量出熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)的重量，同時(shí)根據(jù)體積＝重量/比重的公式可計(jì)算出熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)的體積。
符號(hào)表Di—腔體內(nèi)徑，m；Do—腔體外徑或截面高度，m；G1—低點(diǎn)稱重重量，kg；
G2—高點(diǎn)稱重重量，kg；Gf—腔體內(nèi)壁吸附液膜重量，kg；Gg—腔內(nèi)氣相介質(zhì)重量，kg；GL—腔內(nèi)液相介質(zhì)重量(不包括內(nèi)壁吸附液膜)，kg；Gs—腔體殼重，kg；Gt—熱管總重，kg；Gw—腔內(nèi)液相介質(zhì)總重量，kg；L—腔內(nèi)軸向長度，m；l—稱重支點(diǎn)間距離，m；T—腔內(nèi)介質(zhì)溫度，℃；V—腔內(nèi)總?cè)莘e，m3；Vw—腔內(nèi)介質(zhì)體積，m3；Xg—腔內(nèi)氣相介質(zhì)所占長度，m；XL—腔內(nèi)液相介質(zhì)所占長度，m；δ—腔體壁厚，m；δf—腔體內(nèi)壁吸附液膜厚度，mπ—圓周率；ρg—腔內(nèi)氣相介質(zhì)密度，kg/m3；ρL—腔內(nèi)液相介質(zhì)密度，kg/m3；φ1—低點(diǎn)稱重時(shí)腔體軸線與水平面夾角，°；φ2—高點(diǎn)稱重時(shí)腔體軸線與水平面夾角，°。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.不用破壞熱管密封就能夠測(cè)量管內(nèi)工質(zhì)重量，減少了熱管重新充工質(zhì)和密封所帶來的一系列消耗，降低了生產(chǎn)成本。
2.方法簡(jiǎn)單，測(cè)試工具也簡(jiǎn)單，結(jié)果計(jì)算也簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。
3.測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差小，方法可靠。
圖1是本發(fā)明熱管低點(diǎn)稱重示意圖。
圖2是本發(fā)明熱管高點(diǎn)稱重示意圖。
具體實(shí)施方式例1取φ38×3×3000mm一端帶鋼翅片的鋼—水熱管，編號(hào)1a，其腔內(nèi)軸向長度L為2.956m，有效容積V2.38L，充注熱管工質(zhì)400～430mL(約占有效容積的18％)，其光管端為測(cè)量端，帶翅片端為自由端，兩端分別設(shè)置有調(diào)整底支撐面保持水平的斜塊。將該熱管向一側(cè)斜置，其高點(diǎn)自由端斜塊的水平底面置于可沿?zé)峁茌S向水平移動(dòng)的刃狀支承物上，其低點(diǎn)測(cè)量端斜塊的水平底面置于150kg電子秤(型號(hào)AND-150K，最大稱量150kg，分辨率0.02kg，MADE INAUSTRILIA)上的刃狀支承物上，調(diào)整熱管軸向與水平面的角度約6°，使腔內(nèi)流體完全覆蓋測(cè)量端端蓋并完全脫離自由端端蓋。如圖1所示，記錄稱量結(jié)果，其為G1并測(cè)量熱管與水平面的夾角φ1。將熱管向另一側(cè)斜置，其低點(diǎn)的自由端斜塊的水平底面置于可沿?zé)峁茌S向水平移動(dòng)的刃狀支承物上，其高點(diǎn)的測(cè)量端斜塊的水平底面置于上述電子秤上的刃狀支承物上，如圖2所示，記錄稱量結(jié)果，其為G2并測(cè)量熱管與水平面的夾角φ2。將熱管置于上述電子秤上，記錄稱量結(jié)果，其為Gt。
將上述測(cè)量結(jié)果采用下面公式計(jì)算，即可得到熱管腔內(nèi)液相介質(zhì)所占長度，XL=L2(1-1-4((G1-G2)l-Gt(tanφ1+tanφ2))Do/2L(Gla-Gga))]]>將解得的XL值代到公式GL=XLLGla]]>即可求得腔內(nèi)液相介質(zhì)重量GL(不包括內(nèi)壁吸附液膜重量)，其具體數(shù)值見表1。
例2重復(fù)例1的操作及計(jì)算，其中熱管的編號(hào)為1b，即帶翅片一端為測(cè)量端，光管端為自由端，其具體數(shù)值見表1。
例3重復(fù)例1的操作及計(jì)算，其中熱管的編號(hào)為2a，即光管端為測(cè)量端，翅片端為自由端，其具體數(shù)值見表1。
例4重復(fù)例2的操作及計(jì)算，其中熱管的編號(hào)為2b，即帶翅片一端為測(cè)量端，光管端為自由端，其具體數(shù)值見表1。
例5重復(fù)例1的操作及計(jì)算，其中熱管的編號(hào)為3a，即光管端為測(cè)量端，翅片端為自由端，其具體數(shù)值見表1。
例6重復(fù)例2的操作及計(jì)算，其中熱管的編號(hào)為3b，即帶翅片一端為測(cè)量端，光管端為自由端，其具體數(shù)值見表1。
例7取φ8×0.7×2130mm無翅片的銅—水熱管編號(hào)為4，其腔內(nèi)軸向長度L為2.11m，有效容積V＝72.15mL，充注熱管工質(zhì)15mL(約占有效容積的20％)，取其一端為測(cè)量端，另一端為自由端。將該熱管向一側(cè)斜置，其高點(diǎn)的自由端置于可沿?zé)峁茌S向水平移動(dòng)的刃狀支承物上，其低點(diǎn)的測(cè)量端置于3kg電子秤(型號(hào)，DS-425P，最大稱量3kg，最小稱量2g，檢定分辨率0.1g，III級(jí)制造標(biāo)準(zhǔn)GB7723-87，制造廠上海寺岡電子有限公司)上的刃狀支承物上。
下面的操作及計(jì)算均與例1相同。
例8重復(fù)例7的操作及計(jì)算，其中熱管的編號(hào)為5，取其一端為測(cè)量端，另一端為自由端，其具體數(shù)值見表1。
表1 是上述各實(shí)施例的具體參數(shù)及工質(zhì)充裝量與計(jì)算值對(duì)比表
注1.充裝量指在常溫常壓狀態(tài)下充入熱管的工質(zhì)量；充裝時(shí)的環(huán)境條件溫度26℃，壓力1atm，相對(duì)濕度60％；
使用3kg電子稱稱量充入編號(hào)1a～3b熱管的工質(zhì)量，使用10mL注射器分二次稱量并注入編號(hào)4～5熱管的工質(zhì)量；2.計(jì)算值是指采用本發(fā)明方法分別測(cè)得G1、φ1、G2、φ2和Gt再將它們代入公式(21)和公式(13)獲得的數(shù)值；3.本實(shí)施例中氣相介質(zhì)重量Gg較小，忽略不計(jì)；4.表中稱量誤差計(jì)算式如下 從表1可見，采用本發(fā)明方法獲得的熱管工質(zhì)量與實(shí)際充裝量的結(jié)果基本相符，因此用本方法稱量熱管工質(zhì)量可行。
權(quán)利要求
1.一種熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其特征在于將熱管向一側(cè)斜置，其高點(diǎn)的自由端置于支承物上，其低點(diǎn)的測(cè)量端置于秤上，記錄稱量結(jié)果G1并測(cè)量熱管與水平面的夾角φ1；將熱管向另一側(cè)斜置，其低點(diǎn)的自由端置于支承物上，其高點(diǎn)的測(cè)量端置于秤上，記錄稱量結(jié)果G2并測(cè)量熱管與水平面的夾角φ2；將熱管置于秤上，稱熱管總重Gt；將上述測(cè)量結(jié)果采用下面公式計(jì)算，即可得到熱管腔內(nèi)液相工質(zhì)所占長度，XL=12(1-1-4((G1-G2)l-Gt(tanφ1+tanφ2)Do/2L(Gla-Gga))]]>其中XL-腔內(nèi)液相工質(zhì)所占長度，m；G1-低點(diǎn)稱重重量，kg；G2-高點(diǎn)稱重重量，kg；Gt-熱管總重，kg；φ1-低點(diǎn)稱重時(shí)腔體軸線與水平面夾角；φ2-高點(diǎn)稱重時(shí)腔體軸線與水平面夾角；Do-腔體外徑或截面高度，m；l-稱重支點(diǎn)間距離，m；L-腔內(nèi)軸向長度，m，可通過熱管的設(shè)計(jì)圖紙獲得；G1a-腔體內(nèi)全部充滿液體(不包括液膜)時(shí)的介質(zhì)重量，kg；Gga-腔體內(nèi)全部充滿氣體(不包括液膜)時(shí)的重量，kg。將解得的XL值代到公式GL=XLLGla]]>，即可求得腔內(nèi)液相介質(zhì)重量GL，將解得的XL值代到公式Gg=L-XLLGga]]>，即可求得腔內(nèi)氣相介質(zhì)重量Gg，按公式Gf=π((Di-δf)L+12Di2)δfρL]]>，即可求得腔內(nèi)壁吸附的介質(zhì)液膜重量Gf，其中Di-腔體內(nèi)徑，mδf-腔體內(nèi)壁吸附液膜厚度，mρL-腔內(nèi)液相介質(zhì)密度，kg/m3π-圓周率按公式Gw＝GL+Gg+Gf，即可求得腔內(nèi)介質(zhì)的總重量。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其特征在于傾斜的熱管內(nèi)流體完全覆蓋住腔體低端端蓋并完全脫離高端端蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其特征在于將熱管自由端置于可沿?zé)峁茌S向水平移動(dòng)的支承物上。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2或3所述的熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其特征在于支承面與支承物接觸的部分呈水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3或4所述的熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其特征在于支承物與支承面接觸的部分呈刃狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其特征在于采用高分辨率的量具。
專利摘要
一種熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)重量的稱量方法，其先將熱管向一側(cè)斜置，其高點(diǎn)的自由端置于支承物上，其低點(diǎn)的測(cè)量端置于秤上，記錄稱量結(jié)果G
文檔編號(hào)G01G17/04GK1995930SQ200610134796
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月15日
發(fā)明者陳鵬 申請(qǐng)人:大連熵立得傳熱技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan