專利名稱:一種熱管積氣量的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種密閉腔內(nèi)不凝氣量的檢測方法。
背景技術(shù)：
由于鋼與水不完全相容，使鋼水熱管在使用中鋼與水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化鐵和不凝性氣體—?dú)錃狻＜仁共捎娩摴軆?nèi)表面鈍化及在工質(zhì)中添加緩蝕劑等方法也只能降低反應(yīng)速率，并不能完全阻止產(chǎn)生氫氣。當(dāng)熱管在較高溫度下使用時不凝氣的生成量會尤其多。隨著使用溫度的提高和使用時間的延續(xù)，熱管內(nèi)的不凝氣體會逐漸增加，這些氣體積聚在熱管冷凝段或熱管頂部，減少冷凝段的換熱面積，降低熱管換熱量，使熱管出現(xiàn)部分失效；當(dāng)積氣完全充滿冷凝段后，熱管則完全失效。因此需要測定熱管的積氣量和工作溫度下的積氣長度，以評價熱管換熱器使用中因熱管部分失效而引起的性能降低程度。以往的熱管質(zhì)量檢驗，大多采用將熱管蒸發(fā)段放入一設(shè)定溫度的熱源中，測熱管冷凝段軸向溫差，當(dāng)軸向溫差小于某一當(dāng)量值后為合格，反之為不合格。它的不足之處是這種測試只能定性地評價熱管合格與否，但不能定量地測定積氣量，而熱管的壽命試驗、熱管管殼與工質(zhì)的相容性評價及熱管除氣工藝評價等都需要測量熱管積氣量，如果要測定熱管的積氣量或積氣長度，只能用破壞熱管管殼而采集積氣的直接測試方法，但采用這種方法由于熱管密封被破壞，熱管將會失效。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種既不損壞被測試熱管又能較準(zhǔn)確地測出熱管不凝氣量的熱管積氣量的檢測方法。本發(fā)明的方法主要是采用測試熱管受熱后的軸向溫度分布或響應(yīng)，再通過計算來獲得積氣量的間接測試方法，即利用熱管內(nèi)積氣長度隨溫度升高而減小的現(xiàn)象，先通過測試熱管在不同溫度下的積氣段長度，再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式求出熱管的積氣量，然后通過積氣量計算出熱管使用溫度下的積氣長度。
本發(fā)明的測試方法如下1.將與熱管蒸發(fā)段相鄰的絕熱段外面進(jìn)行保溫處理，使其內(nèi)的飽和蒸汽溫度不受外界條件影響。
2.將熱管蒸發(fā)段置于熱源中，其可將熱管內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行加熱并維持在某一溫度。
3.測定熱管冷凝段軸向溫度分布，即在熱管上沿軸向設(shè)若干個溫度測試點，該測試點可設(shè)熱電阻溫度傳感器也可設(shè)熱電偶溫度傳感器或采用其它的測溫方法，為減少測試點的接觸熱阻和表面散熱對測試結(jié)果的影響，最好對測溫點進(jìn)行局部保溫。最好在熱管越靠近冷凝段端部，測溫點設(shè)置越密集一些，這樣會使測試結(jié)果更準(zhǔn)確，如采用以下的測溫點分布公式布置測溫點，li=l×(1-Ln(N+1-i)Ln(N+1))]]>其中l(wèi)i—熱管頂端距第i個測溫點的距離，m；l—布置測溫點的總長度，m；N—布置測溫點總數(shù)量；i—自熱管頂端始測溫點序號，i＝1，2，…，N。
4.記錄積氣界面到冷凝段頂端的長度和絕熱段的溫度，熱管內(nèi)無不凝性氣體時冷凝段軸向溫差極小，因此測試出的軸向溫度是基本相同的，當(dāng)自某個位置開始溫度降低時，此處即為可凝氣體與不凝氣體的分界面，即積氣界面。測試時由于積氣界面隨著熱管內(nèi)外溫度場變化而在某一位置附近不斷波動，這對測試結(jié)果將產(chǎn)生影響，所以應(yīng)多測試一些數(shù)據(jù)取平均值。
5.將積氣段長度和絕熱段溫度代入下面的計算公式進(jìn)行計算，即可得到在該溫度下熱管內(nèi)的不凝氣積氣量。
將上式積分后可得出積氣量n不凝與積氣長度L之間的函數(shù)關(guān)系和兩者之間的數(shù)值解。當(dāng)已知某一溫度下積氣段長度L，即可由上式直接計算出積氣量n不凝，或已知積氣量n不凝，由上式求解出不同溫度時的積氣長度L。其中，除n不凝—不凝氣積氣量(kMol)，為所求得的數(shù)值外，余下符號所代表的數(shù)值均為已知數(shù)，其或是用本發(fā)明方法測得的數(shù)據(jù)，或是從熱管的設(shè)計圖上獲得，或是人們公知的常數(shù)；A—Antoine系數(shù)，水介質(zhì)A＝18.3036；B—Antoine系數(shù)，水介質(zhì)B＝3816.44；C—Antoine系數(shù)，水介質(zhì)C＝-46.13；di—熱管內(nèi)徑，m；do—熱管外徑，m；h—熱管積氣段表面對流換熱系數(shù)，W/m2.K；k—熱管積氣段管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K；L—積氣段長度，m；R—?dú)怏w常數(shù)，0.082atm.L/mol.K；Ts—熱管積氣界面處溫度，計算中取絕熱段溫度，K；Te—環(huán)境溫度，K；x—積氣長度積分變量，m；π—圓周率；
m—系數(shù)，m-1；m=hPkA=hπdok[π4(do2-di2)]=4hdok(do2-di2)]]>本式中A—熱管基管橫截面積，m2；P—熱管外圓周長，m。
本發(fā)明的工作原理及計算公式推導(dǎo)如下首先在積氣量計算時作如下假設(shè)(1)管內(nèi)總壓力為絕熱段溫度下工質(zhì)的飽和蒸汽壓力。
假設(shè)熱管內(nèi)工質(zhì)量足夠多，在試驗溫度范圍內(nèi)，熱管內(nèi)液相工質(zhì)不會全部蒸發(fā)成氣體，即工質(zhì)氣體為飽和蒸汽，氣體壓力與絕熱段溫度符合飽和蒸汽相變曲線關(guān)系。
本計算中采用Antoine蒸汽壓方程式表示溫度與工質(zhì)飽和蒸汽壓的關(guān)系。
LnP=A-BT+C---(1-1)]]>或P=e(A-BT+C)---(1-2)]]>注對于水工質(zhì)而言，在20～280℃范圍內(nèi)，用該式誤差小于1％。
(2)在積氣分界面下端，稱工作段(包括蒸發(fā)段、絕熱段和部分冷凝段)，完全被飽和的氣相工質(zhì)和液相工質(zhì)所充滿，忽略不凝氣體影響；而分界面上端，稱積氣段，則被部分不凝性氣體和部分氣相工質(zhì)所充滿，忽略液膜影響。
工作段內(nèi)工質(zhì)溫度均勻一致，用絕熱段溫度Ts表示；積氣段溫度主要受管壁導(dǎo)熱和管外表面對流換熱影響，而管內(nèi)氣體導(dǎo)熱影響遠(yuǎn)小于金屬導(dǎo)熱的影響(已經(jīng)實驗驗證)可忽略不計，積氣段氣體溫度T用管外壁溫度(測溫點局部保溫)表示，該溫度沿軸向近似指數(shù)分布，可按下式計算T＝Te+(Ts-Te)e-mx(2)(3)忽略管內(nèi)工質(zhì)吸附氣量的影響(經(jīng)測算影響小于千分之五)。
積氣量計算模型見圖1，圖中粗實線與波浪線所包圍的范圍是熱管頂端的一部分，L為積氣段長度，x為積氣長度積分變量，積氣段下端細(xì)實線表示熱管工作段與積氣段的分界面，熱管內(nèi)徑為di，熱管積氣體積為VV=π4di2L---(3)]]>熱管內(nèi)積氣量采用理想氣體狀態(tài)方程計算PV＝nRT (4)由于積氣段內(nèi)溫度沿軸向近似指數(shù)分布，氣體密度不一致，因此應(yīng)采用積分法求積氣量n。
注直接采用式(4)計算，在溫度較低時，管內(nèi)積氣長度按等溫計算誤差亦較小，但當(dāng)溫度較高時，出現(xiàn)較大的誤差，主要原因在于當(dāng)溫度較低時，管內(nèi)可凝工質(zhì)蒸汽的飽和蒸汽壓也較低，可凝工質(zhì)蒸汽占積氣段長度較小，當(dāng)溫度較高時，管內(nèi)總壓和可凝工質(zhì)蒸汽的飽和蒸汽壓迅速提高，不凝氣體被壓縮，所占積氣段長度與壓力近似成反比例減小，而積氣段中可凝工質(zhì)分子數(shù)量與壓力成正比增加，這顯著地增加了積氣段長度，使計算誤差增大。
在距積氣界面x處取長度為dx的微元，微元體積dV，微元積氣量dndV=(π4di2)dx---(5)]]>x位置處壓力為P＝P總、溫度為T＝T(x)，代入理想氣體狀態(tài)方程式(4)得
P總dV＝RT(x)dn (6-1)式(6-1)中的變量均為x的函數(shù)，為清晰簡練，下文中的T(x)全部用T表示。
將積氣段內(nèi)氣體分解為可凝氣體與不可凝氣體兩部分，式(6-1)表示為(P可凝+P不凝)dV＝RTd(n可凝+n不凝) (6-2)所以有P不凝dV＝RTdn不凝(6-3)不凝氣的分壓可用總壓與可凝氣體分壓之差表示P不凝＝P總-P可凝(7)將等式(6-3)兩端同時除以RT，經(jīng)分離變量后得 將上式積分，并注意積分區(qū)間為當(dāng)x＝0時，T＝Ts，V＝0，n＝0；當(dāng)x＝L時，T＝Te+(Ts-Te)e-mL，V=π4di2L,]]>n＝n不凝，得 即 將式(1-3)、式(1-4)、式(2)和式(5)P=e(A-BTs+C)---(1-3)]]>
T＝Te+(Ts-Te)e-mx(2)dV=(π4di2)dx---(5)]]>代入式(10)中得 可以通過先測試少量的幾個不同溫度下的積氣長度，利用本發(fā)明的方法計算出熱管積氣量，然后計算出不同溫度時的積氣長度，得到熱管在不同工作溫度下的失效率結(jié)果。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點1.用本方法測試并計算的熱管積氣量與實際的積氣量相符，其平均誤差≤1.9％，滿足工程使用要求。
2.計算的積氣長度與測試值相吻合，其最大誤差≤20.8％，平均誤差≤1.4％。
3.不損壞被測試熱管。
圖1是積氣量計算模型圖。
圖2是本發(fā)明示意簡圖。
圖3是本發(fā)明熱管軸向溫度變化圖。
圖4是本發(fā)明例1熱管在不同溫度時積氣長度測試值與計算值圖表。
圖5是本發(fā)明例2熱管在不同溫度時積氣長度測試值與計算值圖表。
具體實施方式實施例1取φ8×0.7×2130mm銅熱管1編號1，其有效長度為2.11m，有效容積為72.15mL，充注水15mL(約占有效容積的20％)。將與熱管蒸發(fā)段相鄰的絕熱段外面用絕熱材料2包裹。將該熱管蒸發(fā)段置于筒式電阻加熱爐3中，該加熱爐可將熱管內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行加熱并維持在某一溫度。在熱管上設(shè)若干個溫度測試點4、5、6、7、8，每個測試點各設(shè)一溫度傳感器，如圖2所示。分別測量熱管冷凝段各測試點的溫度，可得到如圖3所示的曲線，緩慢升高電阻加熱爐3的溫度，當(dāng)某測試點的溫度與靠近絕熱段的溫度相比開始降低時，此處即為積氣界面。記錄積氣界面到冷凝段頂端的長度L和絕熱段溫度Ts。測試不同絕熱段溫度Ts時的積氣段長度L，代入下面的計算公式進(jìn)行計算，即可得到熱管內(nèi)不凝氣積氣量。
本實施例的測試結(jié)果見表1和圖4。
表1 編號1熱管積氣量、積氣長度計算值與測試值對比
注1.表中積氣量測試值是指，測試充入熱管內(nèi)不凝性氣體如空氣的溫度、壓力和體積，然后用理想狀態(tài)方程計算出氣體的分子數(shù)量。對于本實施例，環(huán)境溫度＝26℃，壓力＝1大氣壓，濕度＝60％，
2.表中積氣長度測試值是指，在本發(fā)明方法中測得的積氣界面到積氣段頂端的長度。
3.表中積氣量計算值是指，將上述積氣長度測試值代入本發(fā)明計算公式中得到的結(jié)果。
4.表中積氣長度計算值是指，將上述積氣量計算值代入本發(fā)明計算公式中得到的結(jié)果。
5.其中誤差計算式如下
實施例2取另一支φ8×0.7×2130mm銅熱管編號2，其有效長度為2.11m，有效容積為72.15mL，充注水15mL(約占有效容積的20％)。重復(fù)實施例1的操作與計算，其中每個溫度測試點各設(shè)一個熱電偶溫度傳感器。本實施例的測試結(jié)果見表2和圖5。
表2 編號2熱管積氣量、積氣長度計算值與測試值對比
從表1、表2、圖4和圖5中可見，編號1熱管在升溫和降溫過程中的實測數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，計算值與測試值吻合的也較好，積氣量最大誤差-5.4％～4.8％，平均誤差幾乎為零；積氣長度最大誤差-4.1％～5.3％，平均誤差0.2％。編號2熱管在升溫和降溫過程中的實測數(shù)據(jù)稍有分散，計算值與測試值的誤差也稍大一點，積氣量最大誤差-20％～24.2％，平均誤差1.9％；積氣長度最大誤差-13.6％～20.8％，平均誤差1.4％。
根據(jù)上述結(jié)果，用本發(fā)明方法檢測并計算的熱管積氣量與二只熱管直接測試的積氣量相符，其平均誤差≤1.9％，滿足工程使用要求。
本發(fā)明的符號表如下A—Antoine系數(shù)，水介質(zhì)A＝18.3036；B—Antoine系數(shù)，水介質(zhì)B＝3816.44；C—Antoine系數(shù)，水介質(zhì)C＝-46.13；di—熱管內(nèi)徑，m；
do—熱管外徑，m；h—熱管積氣段表面對流換熱系數(shù)，W/m2.K；k—熱管積氣段管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K；L—積氣段長度，m；n不凝—不凝氣體量，kMol；n可凝—熱管積氣段中可凝氣體量，kMol；P—介質(zhì)飽和蒸汽壓(絕壓)，mmHg；P總—熱管內(nèi)氣體總壓(絕壓)，atm；P可凝—熱管積氣段中可凝氣體(工質(zhì))蒸汽分壓(絕壓)，atm；P不凝—熱管積氣段不凝氣體分壓(絕壓)，atm；R—?dú)怏w常數(shù)，0.082 atm.L/mol.K；T—積氣段介質(zhì)溫度，K；Ts—熱管積氣界面處溫度，計算中取絕熱段溫度，K；Te—環(huán)境溫度，K；V—積氣段體積，m3；x—積氣長度積分變量，m；π—圓周率；m—系數(shù)，m-1；m=hPkA=hπdok[π4(do2-di2)]=4hdok(do2-di2)]]>本式中A—熱管基管橫截面積，m2；P—熱管外圓周長，m。
權(quán)利要求
1.一種熱管積氣量的檢測方法，其特征在于將與熱管蒸發(fā)段相鄰的絕熱段外面進(jìn)行保溫處理，將熱管蒸發(fā)段置于可將熱管內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行加熱并維持在某一溫度的熱源中，測定熱管冷凝段軸向溫度，當(dāng)自某個位置開始溫度降低時，此處即為積氣界面，記錄積氣界面到冷凝段頂端的長度和絕熱段溫度，將積氣段長度和絕熱段溫度代入下面的計算公式進(jìn)行計算，即可得到熱管內(nèi)不凝氣積氣量；再利用得到的不凝氣積氣量和下面的計算公式進(jìn)行計算，可求解不同溫度時的積氣長度， 其中，n不凝-不凝氣積氣量，kMol；A-Antoine系數(shù)，水介質(zhì)A＝18.3036；B-Antoine系數(shù)，水介質(zhì)B＝3816.44；C-Antoine系數(shù)，水介質(zhì)C＝-46.13；di-熱管內(nèi)徑，m；do-熱管外徑，m；h-熱管積氣段表面對流換熱系數(shù)，W/m2·K；k-熱管積氣段管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K；L-積氣段長度，m；R-氣體常數(shù)，0.082atm.L/mol.K；Ts-熱管積氣界面處溫度，計算中取絕熱段溫度，K；Te-環(huán)境溫度，K；x-積氣長度積分變量，m；π-圓周率；m-系數(shù)，m-1；m=hPkA=hπdok[π4(do2-di2)]=4hdok(do2-di2)]]>本式中A-熱管基管橫截面積，m2；P-熱管外圓周長，m。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的熱管積氣量的檢測方法，其特征在于越靠近熱管冷凝段端部溫度測試點設(shè)置得越密集一些。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的熱管積氣量的檢測方法，其特征在于采用以下的測溫點分布公式布置測溫點，li=l×(1-Ln(N+1-i)Ln(N+1))]]>其中l(wèi)i-熱管頂端距第i個測溫點的距離，m；l-布置測溫點的總長度，m；N-布置測溫點總數(shù)量；i-自熱管頂端始測溫點序號，i＝1，2，…，N。
專利摘要
一種熱管積氣量的檢測方法，首先將與熱管蒸發(fā)段相鄰的絕熱段外面進(jìn)行保溫處理，將熱管蒸發(fā)段置于可將熱管內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行加熱并維持在某一溫度的熱源中，測定熱管冷凝段軸向溫度，當(dāng)自某個位置開始溫度降低時，此處即為積氣界面，記錄積氣界面到冷凝段頂端的長度和絕熱段溫度，將積氣段長度和絕熱段溫度代入公式進(jìn)行計算，即可得到熱管內(nèi)不凝氣積氣量；再利用得到的不凝氣積氣量和公式進(jìn)行計算，可求解不同溫度時的積氣長度。采用本方法測試并計算的熱管積氣量與實際的積氣量相符，其平均誤差≤1.9％，滿足工程使用要求，計算的積氣長度與測試值相吻合，其最大誤差≤20.8％，平均誤差≤1.4％，并且不損壞被測試熱管。
文檔編號G01M99/00GK1995952SQ200610134797
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月15日
發(fā)明者陳鵬 申請人:大連熵立得傳熱技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan