一種熱管積氣量的檢測方法
2023-04-23 23:51:51
專利名稱:一種熱管積氣量的檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種密閉腔內不凝氣量的檢測方法。
背景技術：
由於鋼與水不完全相容，使鋼水熱管在使用中鋼與水會發生化學反應，生成氧化鐵和不凝性氣體—氫氣。既使採用鋼管內表面鈍化及在工質中添加緩蝕劑等方法也只能降低反應速率，並不能完全阻止產生氫氣。當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，熱管內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，使熱管出現部分失效；當積氣完全充滿冷凝段後，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。以往的熱管質量檢驗，大多採用將熱管蒸發段放入一設定溫度的熱源中，測熱管冷凝段軸向溫差，當軸向溫差小於某一當量值後為合格，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採集積氣的直接測試方法，但採用這種方法由於熱管密封被破壞，熱管將會失效。
發明內容本發明的目的在於提供一種既不損壞被測試熱管又能較準確地測出熱管不凝氣量的熱管積氣量的檢測方法。本發明的方法主要是採用測試熱管受熱後的軸向溫度分布或響應，再通過計算來獲得積氣量的間接測試方法，即利用熱管內積氣長度隨溫度升高而減小的現象，先通過測試熱管在不同溫度下的積氣段長度，再根據理想氣體狀態方程式求出熱管的積氣量，然後通過積氣量計算出熱管使用溫度下的積氣長度。
本發明的測試方法如下1.將與熱管蒸發段相鄰的絕熱段外面進行保溫處理，使其內的飽和蒸汽溫度不受外界條件影響。
2.將熱管蒸發段置於熱源中，其可將熱管內的工質進行加熱並維持在某一溫度。
3.測定熱管冷凝段軸向溫度分布，即在熱管上沿軸向設若干個溫度測試點，該測試點可設熱電阻溫度傳感器也可設熱電偶溫度傳感器或採用其它的測溫方法，為減少測試點的接觸熱阻和表面散熱對測試結果的影響，最好對測溫點進行局部保溫。最好在熱管越靠近冷凝段端部，測溫點設置越密集一些，這樣會使測試結果更準確，如採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li—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。測試時由於積氣界面隨著熱管內外溫度場變化而在某一位置附近不斷波動，這對測試結果將產生影響，所以應多測試一些數據取平均值。
5.將積氣段長度和絕熱段溫度代入下面的計算公式進行計算，即可得到在該溫度下熱管內的不凝氣積氣量。
將上式積分後可得出積氣量n不凝與積氣長度L之間的函數關係和兩者之間的數值解。當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)，為所求得的數值外，餘下符號所代表的數值均為已知數，其或是用本發明方法測得的數據，或是從熱管的設計圖上獲得，或是人們公知的常數；A—Antoine係數，水介質A＝18.3036；B—Antoine係數，水介質B＝3816.44；C—Antoine係數，水介質C＝-46.13；di—熱管內徑，m；do—熱管外徑，m；h—熱管積氣段表面對流換熱係數，W/m2.K；k—熱管積氣段管壁導熱係數，W/m.K；L—積氣段長度，m；R—氣體常數，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—環境溫度，K；x—積氣長度積分變量，m；π—圓周率；
m—係數，m-1；m=hPkA=hdok[4(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。
本發明的工作原理及計算公式推導如下首先在積氣量計算時作如下假設(1)管內總壓力為絕熱段溫度下工質的飽和蒸汽壓力。
假設熱管內工質量足夠多，在試驗溫度範圍內，熱管內液相工質不會全部蒸發成氣體，即工質氣體為飽和蒸汽，氣體壓力與絕熱段溫度符合飽和蒸汽相變曲線關係。
本計算中採用Antoine蒸汽壓方程式表示溫度與工質飽和蒸汽壓的關係。
LnP=A-BT+C---(1-1)]]>或P=e(A-BT+C)---(1-2)]]>注對於水工質而言，在20～280℃範圍內，用該式誤差小於1％。
(2)在積氣分界面下端，稱工作段(包括蒸發段、絕熱段和部分冷凝段)，完全被飽和的氣相工質和液相工質所充滿，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所充滿，忽略液膜影響。
工作段內工質溫度均勻一致，用絕熱段溫度Ts表示；積氣段溫度主要受管壁導熱和管外表面對流換熱影響，而管內氣體導熱影響遠小於金屬導熱的影響(已經實驗驗證)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分布，可按下式計算T＝Te+(Ts-Te)e-mx(2)(3)忽略管內工質吸附氣量的影響(經測算影響小於千分之五)。
積氣量計算模型見圖1，圖中粗實線與波浪線所包圍的範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，積氣段下端細實線表示熱管工作段與積氣段的分界面，熱管內徑為di，熱管積氣體積為VV=4di2L---(3)]]>熱管內積氣量採用理想氣體狀態方程計算PV＝nRT (4)由於積氣段內溫度沿軸向近似指數分布，氣體密度不一致，因此應採用積分法求積氣量n。
注直接採用式(4)計算，在溫度較低時，管內積氣長度按等溫計算誤差亦較小，但當溫度較高時，出現較大的誤差，主要原因在於當溫度較低時，管內可凝工質蒸汽的飽和蒸汽壓也較低，可凝工質蒸汽佔積氣段長度較小，當溫度較高時，管內總壓和可凝工質蒸汽的飽和蒸汽壓迅速提高，不凝氣體被壓縮，所佔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分子數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=(4di2)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，為清晰簡練，下文中的T(x)全部用T表示。
將積氣段內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，經分離變量後得 將上式積分，並注意積分區間為當x＝0時，T＝Ts，V＝0，n＝0；當x＝L時，T＝Te+(Ts-Te)e-mL，V=4di2L,]]>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=(4di2)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，利用本發明的方法計算出熱管積氣量，然後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果。
本發明相比現有技術具有如下優點1.用本方法測試並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是本發明示意簡圖。
圖3是本發明熱管軸向溫度變化圖。
圖4是本發明例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(約佔有效容積的20％)。將與熱管蒸發段相鄰的絕熱段外面用絕熱材料2包裹。將該熱管蒸發段置於筒式電阻加熱爐3中，該加熱爐可將熱管內的工質進行加熱並維持在某一溫度。在熱管上設若干個溫度測試點4、5、6、7、8，每個測試點各設一溫度傳感器，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行計算，即可得到熱管內不凝氣積氣量。
本實施例的測試結果見表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，測試充入熱管內不凝性氣體如空氣的溫度、壓力和體積，然後用理想狀態方程計算出氣體的分子數量。對於本實施例，環境溫度＝26℃，壓力＝1大氣壓，溼度＝60％，
2.表中積氣長度測試值是指，在本發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明計算公式中得到的結果。
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明計算公式中得到的結果。
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(約佔有效容積的20％)。重複實施例1的操作與計算，其中每個溫度測試點各設一個熱電偶溫度傳感器。本實施例的測試結果見表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據重複性較好，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據稍有分散，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％。
根據上述結果，用本發明方法檢測並計算的熱管積氣量與二隻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。
本發明的符號表如下A—Antoine係數，水介質A＝18.3036；B—Antoine係數，水介質B＝3816.44；C—Antoine係數，水介質C＝-46.13；di—熱管內徑，m；
do—熱管外徑，m；h—熱管積氣段表面對流換熱係數，W/m2.K；k—熱管積氣段管壁導熱係數，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—介質飽和蒸汽壓(絕壓)，mmHg；P總—熱管內氣體總壓(絕壓)，atm；P可凝—熱管積氣段中可凝氣體(工質)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—氣體常數，0.082 atm.L/mol.K；T—積氣段介質溫度，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—係數，m-1；m=hPkA=hdok[4(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。
權利要求
1.一種熱管積氣量的檢測方法，其特徵在於將與熱管蒸發段相鄰的絕熱段外面進行保溫處理，將熱管蒸發段置於可將熱管內的工質進行加熱並維持在某一溫度的熱源中，測定熱管冷凝段軸向溫度，當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行計算，即可得到熱管內不凝氣積氣量；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係數，水介質A＝18.3036；B-Antoine係數，水介質B＝3816.44；C-Antoine係數，水介質C＝-46.13；di-熱管內徑，m；do-熱管外徑，m；h-熱管積氣段表面對流換熱係數，W/m2·K；k-熱管積氣段管壁導熱係數，W/m.K；L-積氣段長度，m；R-氣體常數，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-環境溫度，K；x-積氣長度積分變量，m；π-圓周率；m-係數，m-1；m=hPkA=hdok4(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.根據權利要求
1所述的熱管積氣量的檢測方法，其特徵在于越靠近熱管冷凝段端部溫度測試點設置得越密集一些。
3.根據權利要求
1或2所述的熱管積氣量的檢測方法，其特徵在於採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li-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，首先將與熱管蒸發段相鄰的絕熱段外面進行保溫處理，將熱管蒸發段置於可將熱管內的工質進行加熱並維持在某一溫度的熱源中，測定熱管冷凝段軸向溫度，當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行計算，即可得到熱管內不凝氣積氣量；再利用得到的不凝氣積氣量和公式進行計算，可求解不同溫度時的積氣長度。採用本方法測試並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％，並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
發明者陳鵬 申請人:大連熵立得傳熱技術有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan