CN100510657C - 热管内传热工质重量的称量方法 - Google Patents

Abstract

一种热管内传热工质重量的称量方法，其先将热管向一侧斜置，其高点的自由端置于支承物上，其低点的测量端置于秤上，记录称量结果G₁并测量热管与水平面的夹角Φ₁；将热管向另一侧斜置，其低点的自由端置于支承物上，其高点的测量端置于秤上，记录称量结果G₂并测量热管与水平面的夹角Φ₂；将热管置于秤上，称热管总重G_t；将上述测量结果分别代入公式计算，即可得到热管腔内液相工质所占长度X_L，腔内液相介质重量G_L，腔内气相介质重量G_g，及腔内介质的总重量。本发明不用破坏热管密封就能够测量管内工质重量，减少了热管重新充工质和密封所带来的一系列消耗，降低了生产成本，方法简单，测试结果与实际结果误差小，方法可靠。

Description

热管内传热工质重量的称量方法

技术领域 本发明涉及一种密闭腔体内可流动介质重量的称量方法。

背景技术 热管内的工质量是影响热管安全工作和有效传热的重要因素之一。热管在制造过程中一般采用热排或真空除气工艺，排出管内的不凝性气体，以保证热管内工质有效地进行蒸发冷凝传热。但由于工质蒸汽与不凝气体混合在一起，除气过程不可避免地排除一部分工质，这部分工质量受工质性质、排气温度、抽真空时间和操作人员熟练程度的影响较大，不易控制。为保证除气后热管内剩余的工质量满足设计要求，通常的方法是在热排或真空除气工序前多注入一些工质，以抵消除气过程中工质的损失。但是这样会多消耗原材料，增加产品的成本。如何检验附加的工质量是否适宜，传统的方法是经除气后将热管打开，取出工质，称量经除气后剩余工质的重量，用充注的工质总量减去剩余的工质量即为除气过程损失量。它的不足之处是：这种直接测试工质量的方法(以下称直接法)在称量过程中，不可避免地破坏了热管的密封而使其失效，所以经测量工质量的热管必须重新充工质除气，这使热管工质的称量受到了限制。

发明内容 本发明的目的在于提供一种既不破坏热管密封又能够测量管内工质重量的热管内传热工质重量的称量方法。

本发明的方法主要是利用流体受重力影响自动向低处流的特点，分别测量热管的一端分别位于低点和高点时的重量，再利用静止体系所受合外力为零、合外力矩也为零的基本力学原理，采用受力分析的方法，计算出密闭腔体内均匀流体的重量(以下称间接法)。

本发明的测量方法如下：

1.首先确定被测定热管某一端为测量端，即在整个测量过程中都是称热管这一端的重量；热管的另一端即非测量端为自由端。测量端和自由端可任意确定，无论哪一端为测量端，都不影响测量结果。

2.将热管向一侧斜置，其高点的自由端置于支承物上，使腔内流体完全脱离自由端端盖，其低点的测量端置于秤上，使腔内流体完全覆盖测量端端盖，记录称量结果，其为G₁并测量热管与水平面的夹角φ₁。

3.将热管向另一侧斜置，其低点的自由端置于支承物上，使腔内流体完全覆盖自由端端盖，其高点的测量端置于秤上，使腔内流体完全脱离测量端端盖，记录称量结果，其为G₂并测量热管与水平面的夹角φ₂。

4.将热管置于秤上，记录称量结果，其为G_t。

上述步骤2、3、4可以调换，无论哪个步骤在先，都不影响测量结果。

5.将上述测量结果采用下面公式计算，即可得到热管腔内液相介质所占长度，

$X_L=\frac{L}{2}(1-\sqrt{1-\frac{4((G_1-G_2)l-G_t(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2))D_o/2}{L(G_{\mathrm{la}}-G_{\mathrm{ga}})}})$

其中

X_L—腔内液相介质所占长度，m，为所要获得的数值；

G₁—低点称重重量，kg，为测量所获得的数值；

G₂—高点称重重量，kg，为测量所获得的数值；

G_t—热管总重，kg，为测量所获得的数值；

φ₁—低点称重时腔体轴线与水平面夹角，°，为测量所获得的数值；

φ₂—高点称重时腔体轴线与水平面夹角，°，为测量所获得的数值；

1—称重支点间距离，m，可通过实际测量获得；

下面数值均为已知数值：

D_o—腔体外径或截面高度，m，可通过热管的设计图纸或实际测量获得；

L—腔内轴向长度，m，可通过热管的设计图纸获得；

G_1a—腔体内全部充满液体(不包括液膜)时的介质重量，kg，可通过热管的设计图纸计算出来；

G_ga—腔体内全部充满气体(不包括液膜)时的重量，kg，可通过热管的设计图纸计算出来。

将解得的XL值代到公式 $G_L=\frac{X_L}{L}{G}_{\mathrm{la}},$ 即可求得腔内液相介质重量G_L，(不包括内壁吸附液膜)。

将解得的X_L值代到公式 $G_g=\frac{X_g}{L}{G}_{\mathrm{ga}}=\frac{L-X_L}{L}{G}_{\mathrm{ga}},$ 即可求得腔内气相介质重量G_g，(不包括内壁吸附液膜)。

为使测量结果与实际误差更小，最好①采用高分辨率的量具；②将热管自由端置于可沿热管轴向水平移动的支承物上；③使二个位于不同高度处的支承面分别与二个向上或向下的支承物接触的部分呈水平，以消除水平分力对测量结果的影响，例如将热管两端分别固定于斜面与水平面的夹角等于热管轴线与水平面夹角的二个斜块上，然后将与水平面平行的二个斜块底面置于向上的支承物上；或将二个向下的支承物固定于热管上，然后将支承物分别置于秤上和另一个水平支承面上。④支承物与支承面接触的部分呈刃状，以减少测量称重支点间距离1引起的误差，例如热管自由端置于刃状支承物上，热管测量端置于秤上的刃状支承物上。⑤如果支承面不水平时，为减小水平分力对测量结果的影响，测量时热管轴线与水平面夹角尽量小一些，最好5-10度。

本发明的工作原理及计算公式的推导如下：

一、该间接法测量密闭腔体内流体量假设如下：

(1)腔体重心和腔内流体重心位于腔体中心轴线上，腔体横截面沿轴线方向形状面积相等、沿水平轴对称或沿原点对称。

(2)腔内流体完全覆盖住腔体低端端盖并完全脱离高端端盖，腔体内表面吸附的液体厚度均匀一致。

(3)忽略腔内不凝气的影响。

二、对附图的解释：图1、图2中粗实线为密闭腔体，腔体内表面均匀的吸附厚度为δ_f的液膜，阴影部分为液相介质，其余部分为气相介质。左端支点G₁、G₂分别是测量端位于低点和高点位置时的称重量，右端支点为置于可沿热管轴向水平移动支撑物上的自由端。腔体内径、外径(或截面高度)分别为D_i、D_o，腔体内有效长度L，两支点间距离1，腔体轴线与水平面的夹角为φ₁和φ₂，腔体内体积为V，其它符号意义见本文符号表。

三、力平衡：热管总重量G_t为密闭腔体重量G_s与腔内介质重量G_w之和：

G_t＝G_s+G_w                      (1)

可将介质的重量G_w分为液相可流动介质重量G_L、气相介质重量G_g和腔体内壁吸附的介质液膜重量G_f，各重量的重心位置如图1和图2所示。

G_w＝G_L+G_g+G_f                       (2)

其中前两项可以用本文介绍的方法比较准确地测量，而第三项则受介质性质、腔体材料性质和腔体内表面状态等多种因素影响，不易准确测量，只能根据经验计算。

四、力矩平衡：

低点称重时腔体受力见图1，力矩平衡关系如下：

$G_1*l*\cos {\mathrm{\φ}}_1=(G_s+G_f)(X_s+\frac{D_o\tan {\mathrm{\φ}}_1}{2})\cos {\mathrm{\φ}}_1$

$+G_L((l-(X_L/2-X_1))+\frac{D_o\tan {\mathrm{\φ}}_1}{2})\cos {\mathrm{\φ}}_1$

                                    (3)

$+G_g((X_g/2{-X}_2)+\frac{D_o\tan {\mathrm{\φ}}_1}{2})\cos {\mathrm{\φ}}_1$

高点称重时腔体受力见图2，力矩平衡关系如下：

$G_2*l*\cos {\mathrm{\φ}}_2=(G_s+G_f)(X_s-\frac{D_o\tan {\mathrm{\φ}}_2}{2})\cos {\mathrm{\φ}}_2$

$+G_L(X_L/2-X_2-\frac{D_o\tan {\mathrm{\φ}}_2}{2})\cos {\mathrm{\φ}}_2$

                                   (4)

$+G_g((l-(X_g/2-X_1))-\frac{D_o\tan {\mathrm{\φ}}_2}{2})\cos {\mathrm{\φ}}_2$

将式(3)-式(4)，并注意到L＝l+X₁+X₂及L＝X_L+X_g，经化简得式(5)：

$(G_1-G_2)l=(G_s+G_f)\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2)$

                                   (5)

$+G_L(L-X_L+\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2))+G_g(\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2)-X_L)$

式中：

$G_L=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D_i-{2\mathrm{\δ}}_f)}^2{X}_L{\mathrm{\ρ}}_L---\left(6\right)$

$G_g=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D_i-{2\mathrm{\δ}}_f)}^2{X}_g{\mathrm{\ρ}}_g---\left(7\right)$

$G_f=\mathrm{\π}((D_i-{\mathrm{\δ}}_f)L+\frac{1}{2}{D}_i^2){\mathrm{\δ}}_f{\mathrm{\ρ}}_L---\left(8\right)$

由式(1)和式(2)得：

G_s+G_f＝G_t-G_L-G_g   (9)

将式(9)代入式(5)得：

$(G_1-G_2)l=(G_t-G_L-G_g)\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2)$

                                         (10)

$+G_L(L-X_L+\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2))+G_g(\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2)-X_L)$

化简得：

$(G_1-G_2)l=G_t\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2)+G_L(L-X_L)-G_g{X}_L---\left(11\right)$

令腔体内全部充满液体(不包括液膜)时的介质重量为G_1a，

$G_{\mathrm{la}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D_i-{2\mathrm{\δ}}_f)}^2{\mathrm{L\ρ}}_L---\left(12\right)$

则：

$G_L=\frac{X_L}{L}{G}_{\mathrm{la}}---\left(13\right)$

令腔体内全部充满气体(不包括液膜)时的重量为G_ga，

$G_{\mathrm{ga}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D_i-{2\mathrm{\δ}}_f)}^2{\mathrm{L\ρ}}_g---\left(14\right)$

则：

$G_g=\frac{X_g}{L}{G}_{\mathrm{ga}}=\frac{L-X_L}{L}{G}_{\mathrm{ga}}---\left(15\right)$

将式(13)、式(15)代入式(11)得：

$(G_1-G_2)l=G_t\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2)+\frac{X_L}{L}{G}_{\mathrm{la}}(L-X_L)-\frac{L-X_L}{L}{G}_{\mathrm{ga}}{X}_L---\left(16\right)$

经移项、合并同类项并化简后得：

$X_L^2-L*X_L+((G_1-G_2)l-G_t\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2))L/(G_{\mathrm{ta}}-G_{\mathrm{ga}})=0---\left(17\right)$

这是一个关于X_L的二次方程，根据题意，存在X_L的实数解。令：

a＝1

b＝-L

                                          (18)

$c=((G_1-G_2)l-G_t\frac{D_o}{2}(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2))L/(G_{\mathrm{la}}-G_{\mathrm{ga}})$

得：

$X_L=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}---\left(19\right)$

将a，b，c代入式(19)并化简得：

$X_L=\frac{L}{2}(1\±\sqrt{1-\frac{4((G_1-G_2)l-G_t(\tan {\mathrm{\φ}}_1+{\tan \mathrm{\φ}}_2))D_o/2}{L(G_{\mathrm{la}}-G_{\mathrm{ga}})}})---\left(20\right)$

由于热管腔体内工质充装体积百分比一般小于1/2，所以取根号前负值解，

$X_L=\frac{L}{2}(1-\sqrt{1-\frac{4((G_1-G_2)l-G_t(\tan {\mathrm{\φ}}_1+{\tan \mathrm{\φ}}_2))D_o/2}{L(G_{\mathrm{la}}-G_{\mathrm{ga}})}})---\left(21\right)$

1.本测试方法并不限于圆形腔体截面，符合假设条件的其他形状腔体截面也可使用，此时外径用腔体截面高度代替。

2.本测试方法也不限于液体介质，具有流动性且单位体积内堆积密度比较均匀的固体颗粒，将液体密度改为固体堆积密度后也可采用本方法测试。

3.采用本发明的方法不仅可测量出热管内传热工质的重量，同时根据体积＝重量/比重的公式可计算出热管内传热工质的体积。

符号表

D_i—腔体内径，m；

D_o—腔体外径或截面高度，m；

G₁—低点称重重量，kg；

G₂—高点称重重量，kg；

G_f—腔体内壁吸附液膜重量，kg；

G_g—腔内气相介质重量，kg；

G_L—腔内液相介质重量(不包括内壁吸附液膜)，kg；

G_s—腔体壳重，kg；

G_t—热管总重，kg；

G_w—腔内液相介质总重量，kg；

L—腔内轴向长度，m；

1—称重支点间距离，m；

T—腔内介质温度，℃；

V—腔内总容积，m³；

V_w—腔内介质体积，m³；

X_g—腔内气相介质所占长度，m；

X_L—腔内液相介质所占长度，m；

δ—腔体壁厚，m；

δ_f—腔体内壁吸附液膜厚度，m

π—圆周率；

ρ_g—腔内气相介质密度，kg/m³；

ρ_L—腔内液相介质密度，kg/m³；

φ₁—低点称重时腔体轴线与水平面夹角，·；

φ₂—高点称重时腔体轴线与水平面夹角，·。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.不用破坏热管密封就能够测量管内工质重量，减少了热管重新充工质和密封所带来的一系列消耗，降低了生产成本。

2.方法简单，测试工具也简单，结果计算也简单，实用性强。

3.测试结果与实际结果误差小，方法可靠。

附图说明

图1是本发明热管低点称重示意图。

图2是本发明热管高点称重示意图。

具体实施方式

例1

取φ38x3x3000mm一端带钢翅片的钢—水热管，编号1a，其腔内轴向长度L为2.956m，有效容积V2.38L，充注热管工质400～430mL(约占有效容积的18％)，其光管端为测量端，带翅片端为自由端，两端分别设置有调整底支撑面保持水平的斜块。将该热管向一侧斜置，其高点自由端斜块的水平底面置于可沿热管轴向水平移动的刃状支承物上，其低点测量端斜块的水平底面置于150kg电子秤(型号：AND-150K，最大称量：150kg，分辨率：0.02kg，MADEINAUSTRILIA)上的刃状支承物上，调整热管轴向与水平面的角度约6°，使腔内流体完全覆盖测量端端盖并完全脱离自由端端盖。如图1所示，记录称量结果，其为G₁并测量热管与水平面的夹角φ₁。将热管向另一侧斜置，其低点的自由端斜块的水平底面置于可沿热管轴向水平移动的刃状支承物上，其高点的测量端斜块的水平底面置于上述电子秤上的刃状支承物上，如图2所示，记录称量结果，其为G₂并测量热管与水平面的夹角φ₂。将热管置于上述电子秤上，记录称量结果，其为Gt。

将上述测量结果采用下面公式计算，即可得到热管腔内液相介质所占长度，

$X_L=\frac{L}{2}(1-\sqrt{1-\frac{4((G_1-G_2)l-G_t(\tan {\mathrm{\φ}}_1+{\tan \mathrm{\φ}}_2))D_o/2}{L(G_{\mathrm{la}}-G_{\mathrm{ga}})}})$

将解得的X_L值代到公式 $G_L=\frac{X_L}{L}{G}_{\mathrm{la}}$ 即可求得腔内液相介质重量G_L(不包括内壁吸附液膜重量)，其具体数值见表1。

例2

重复例1的操作及计算，其中热管的编号为1b，即带翅片一端为测量端，光管端为自由端，其具体数值见表1。

例3

重复例1的操作及计算，其中热管的编号为2a，即光管端为测量端，翅片端为自由端，其具体数值见表1。

例4

重复例2的操作及计算，其中热管的编号为2b，即带翅片一端为测量端，光管端为自由端，其具体数值见表1。

例5

重复例1的操作及计算，其中热管的编号为3a，即光管端为测量端，翅片端为自由端，其具体数值见表1。

例6

重复例2的操作及计算，其中热管的编号为3b，即带翅片一端为测量端，光管端为自由端，其具体数值见表1。

例7

取φ8 x 0.7 x 2130mm无翅片的铜—水热管编号为4，其腔内轴向长度L为2.11m，有效容积V＝72.15mL，充注热管工质15mL(约占有效容积的20％)，取其一端为测量端，另一端为自由端。将该热管向一侧斜置，其高点的自由端置于可沿热管轴向水平移动的刃状支承物上，其低点的测量端置于3kg电子秤(型号，DS-425P，最大称量：3kg，最小称量：2g，检定分辨率：0.1g，III级制造标准：GB7723-87，制造厂：上海寺冈电子有限公司)上的刃状支承物上。下面的操作及计算均与例1相同。

例8

重复例7的操作及计算，其中热管的编号为5，取其一端为测量端，另一端为自由端，其具体数值见表1。

表1 是上述各实施例的具体参数及工质充装量与计算值对比表

 

项目	符号	单位	样件1a钢管	样件1b钢管	样件2a钢管	样件2b钢管	样件3a钢管	样件3b钢管	样件4铜管	样件5铜管
											工质名称			H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O	H<sub>2</sub>O
样件温度	T	℃	26	26	26	26	26	26	26	26
											腔体外径	D<sub>o</sub>	m	0.038	0.038	0.038	0.038	0.038	0.038	0.008	0.008
腔体壁厚	δ	m	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.0007	0.0007
											内表面吸附液膜厚	δ<sub>f</sub>	m	0	0	0	0	0	0	0	0
腔内轴向长度	L	m	2.956	2.956	2.956	2.956	2.956	2.956	2.11	2.12
											称重支点间距离	1	m	2.971	2.971	2.971	2.972	2.971	2.971	1.2	1.2
热管总重	G<sub>t</sub>	kg	11.62	11.62	11.68	11.68	11.62	11.62	0.3159	0.3222
											低点称重	G<sub>1</sub>	kg	8.12	9.40	8.16	9.40	8.16	9.42	0.1723	0.1681
高点称重	G<sub>2</sub>	kg	7.77	9.04	7.80	9.03	7.80	9.06	0.1513	0.1471
											低点水平角度	φ<sub>1</sub>	o	5.5	6	5.5	6	5.5	6	10	10
高点水平角度	φ<sub>2</sub>	o	5.5	7	5.5	7	5.5	5.5	8	8
											充装量		kg	0.4026	0.4026	0.4287	0.4287	0.4307	0.4307	0.015	0.015
计算值(间接)	G<sub>w</sub>	kg	0.4088	0.4189	0.4228	0.4346	0.4229	0.4219	0.0148	0.0147
											称量误差		％	1.2％	4.0％	-1.4％	1.4％	-1.8％	-2.0％	-1.4％	-2.2％

注：1.充装量指在常温常压状态下充入热管的工质量；

充装时的环境条件：温度26℃，压力1atm，相对湿度60％；

使用3kg电子称称量充入编号1a～3b热管的工质量，使用10mL注射器分二次称量并注入编号4～5热管的工质量；

2.计算值是指采用本发明方法分别测得G₁、φ₁、G₂、φ₂和G_t再将它们代入公式(21)和公式(13)获得的数值；

3.本实施例中气相介质重量G_g较小，忽略不计；

4.表中称量误差计算式如下：

从表1可见，采用本发明方法获得的热管工质量与实际充装量的结果基本相符，因此用本方法称量热管工质量可行。

Claims (6)

1.一种热管内传热工质重量的称量方法，其特征在于：将热管向一侧斜置，其高点的自由端置于支承物上，其低点的测量端置于秤上，记录称量结果G₁并测量热管与水平面的夹角φ₁；将热管向另一侧斜置，其低点的自由端置于支承物上，其高点的测量端置于秤上，记录称量结果G₂并测量热管与水平面的夹角φ₂；将热管置于秤上，称热管总重G_t；将上述测量结果采用下面公式计算，即可得到热管腔内液相工质所占长度，

$X_L=\frac{L}{2}(1-\sqrt{1-\frac{4((G_1-G_2)l-G_t(\tan {\mathrm{\φ}}_1+\tan {\mathrm{\φ}}_2))D_o/2}{L(G_{\mathrm{la}}-G_{\mathrm{ga}})}})$

其中：

X_L—腔内液相工质所占长度，m；

G₁—低点称重重量，kg；

G₂—高点称重重量，kg；

G_t—热管总重，kg；

φ₁—低点称重时腔体轴线与水平面夹角；

φ₂—高点称重时腔体轴线与水平面夹角；

D_o—腔体外径或截面高度，m；

l—称重支点间距离，m；

L—腔内轴向长度，m，通过热管的设计图纸获得；

G_1a—腔体内不包括液膜全部充满液体时的介质重量，kg；

G_ga—腔体内不包括液膜全部充满气体时的重量，kg，

将解得的XL值代到公式 $G_L=\frac{X_L}{L}{G}_{\mathrm{la}},$ 即可求得腔内液相介质重量G_L，

将解得的X_L值代到公式 $G_g=\frac{L-X_L}{L}{G}_{\mathrm{ga}},$ 即可求得腔内气相介质重量G_g，

按公式 $G_f=\mathrm{\π}((D_i-{\mathrm{\δ}}_f)L+\frac{1}{2}{D}_i^2){\mathrm{\δ}}_f{\mathrm{\ρ}}_L,$ 即可求得腔内壁吸附的介质液膜重量G_f，

其中：

D_i—腔体内径，m

δ_f—腔体内壁吸附液膜厚度，m

ρ_L—腔内液相介质密度，kg/m³

π—圆周率

按公式G_w＝G_L+G_g+G_f，即可求得腔内介质的总重量。

2.根据权利要求1所述的热管内传热工质重量的称量方法，其特征在于：倾斜的热管内流体完全覆盖住腔体低端端盖并完全脱离高端端盖。

3.根据权利要求2所述的热管内传热工质重量的称量方法，其特征在于：将热管自由端置于可沿热管轴向水平移动的支承物上。

4.根据权利要求2或3所述的热管内传热工质重量的称量方法，其特征在于：支承面与支承物接触的部分呈水平。

5.根据权利要求3所述的热管内传热工质重量的称量方法，其特征在于：支承物与支承面接触的部分呈刃状。

6.根据权利要求4所述的热管内传热工质重量的称量方法，其特征在于：支承物与支承面接触的部分呈刃状。

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