CN1995952A - 一种热管积气量的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种热管积气量的检测方法，首先将与热管蒸发段相邻的绝热段外面进行保温处理，将热管蒸发段置于可将热管内的工质进行加热并维持在某一温度的热源中，测定热管冷凝段轴向温度，当自某个位置开始温度降低时，此处即为积气界面，记录积气界面到冷凝段顶端的长度和绝热段温度，将积气段长度和绝热段温度代入公式进行计算，即可得到热管内不凝气积气量；再利用得到的不凝气积气量和公式进行计算，可求解不同温度时的积气长度。采用本方法测试并计算的热管积气量与实际的积气量相符，其平均误差≤1.9％，满足工程使用要求，计算的积气长度与测试值相吻合，其最大误差≤20.8％，平均误差≤1.4％，并且不损坏被测试热管。

Description

一种热管积气量的检测方法

技术领域  本发明涉及一种密闭腔内不凝气量的检测方法。

背景技术  由于钢与水不完全相容，使钢水热管在使用中钢与水会发生化学反应，生成氧化铁和不凝性气体—氢气。既使采用钢管内表面钝化及在工质中添加缓蚀剂等方法也只能降低反应速率，并不能完全阻止产生氢气。当热管在较高温度下使用时不凝气的生成量会尤其多。随着使用温度的提高和使用时间的延续，热管内的不凝气体会逐渐增加，这些气体积聚在热管冷凝段或热管顶部，减少冷凝段的换热面积，降低热管换热量，使热管出现部分失效；当积气完全充满冷凝段后，热管则完全失效。因此需要测定热管的积气量和工作温度下的积气长度，以评价热管换热器使用中因热管部分失效而引起的性能降低程度。以往的热管质量检验，大多采用将热管蒸发段放入一设定温度的热源中，测热管冷凝段轴向温差，当轴向温差小于某一当量值后为合格，反之为不合格。它的不足之处是：这种测试只能定性地评价热管合格与否，但不能定量地测定积气量，而热管的寿命试验、热管管壳与工质的相容性评价及热管除气工艺评价等都需要测量热管积气量，如果要测定热管的积气量或积气长度，只能用破坏热管管壳而采集积气的直接测试方法，但采用这种方法由于热管密封被破坏，热管将会失效。

发明内容  本发明的目的在于提供一种既不损坏被测试热管又能较准确地测出热管不凝气量的热管积气量的检测方法。本发明的方法主要是采用测试热管受热后的轴向温度分布或响应，再通过计算来获得积气量的间接测试方法，即利用热管内积气长度随温度升高而减小的现象，先通过测试热管在不同温度下的积气段长度，再根据理想气体状态方程式求出热管的积气量，然后通过积气量计算出热管使用温度下的积气长度。

本发明的测试方法如下：

1.将与热管蒸发段相邻的绝热段外面进行保温处理，使其内的饱和蒸汽温度不受外界条件影响。

2.将热管蒸发段置于热源中，其可将热管内的工质进行加热并维持在某一温度。

3.测定热管冷凝段轴向温度分布，即在热管上沿轴向设若干个温度测试点，该测试点可设热电阻温度传感器也可设热电偶温度传感器或采用其它的测温方法，为减少测试点的接触热阻和表面散热对测试结果的影响，最好对测温点进行局部保温。最好在热管越靠近冷凝段端部，测温点设置越密集一些，这样会使测试结果更准确，如采用以下的测温点分布公式布置测温点，

$l_i=l\×(1-\frac{\mathrm{Ln}(N+1-i)}{\mathrm{Ln}(N+1)})$

其中：

l_i—热管顶端距第i个测温点的距离，m；

l—布置测温点的总长度，m；

N—布置测温点总数量；

i—自热管顶端始测温点序号，i＝1，2，…，N。

4.记录积气界面到冷凝段顶端的长度和绝热段的温度，热管内无不凝性气体时冷凝段轴向温差极小，因此测试出的轴向温度是基本相同的，当自某个位置开始温度降低时，此处即为可凝气体与不凝气体的分界面，即积气界面。测试时由于积气界面随着热管内外温度场变化而在某一位置附近不断波动，这对测试结果将产生影响，所以应多测试一些数据取平均值。

5.将积气段长度和绝热段温度代入下面的计算公式进行计算，即可得到在该温度下热管内的不凝气积气量。

将上式积分后可得出积气量n_不凝与积气长度L之间的函数关系和两者之间的数值解。当已知某一温度下积气段长度L，即可由上式直接计算出积气量n_不凝，或已知积气量n_不凝，由上式求解出不同温度时的积气长度L。其中，除n_不凝—不凝气积气量(kMol)，为所求得的数值外，余下符号所代表的数值均为已知数，其或是用本发明方法测得的数据，或是从热管的设计图上获得，或是人们公知的常数；

A—Antoine系数，水介质A＝18.3036；

B—Antoine系数，水介质B＝3816.44；

C—Antoine系数，水介质C＝-46.13；

d_i—热管内径，m；

d_o—热管外径，m；

h—热管积气段表面对流换热系数，W/m².K；

k—热管积气段管壁导热系数，W/m.K；

L—积气段长度，m；

R—气体常数，0.082atm.L/mol.K；

T_s—热管积气界面处温度，计算中取绝热段温度，K；

T_e—环境温度，K；

x—积气长度积分变量，m；

π—圆周率；

m—系数，m^-1；

$m=\sqrt{\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{kA}}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{h\πd}}_o}{k\left[\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_o^2-d_i^2)\right]}}=\sqrt{\frac{{4\mathrm{hd}}_o}{k(d_o^2-d_i^2)}}$

本式中：

A—热管基管横截面积，m²；

P—热管外圆周长，m。

本发明的工作原理及计算公式推导如下：

首先在积气量计算时作如下假设：

(1)管内总压力为绝热段温度下工质的饱和蒸汽压力。

假设热管内工质量足够多，在试验温度范围内，热管内液相工质不会全部蒸发成气体，即工质气体为饱和蒸汽，气体压力与绝热段温度符合饱和蒸汽相变曲线关系。

本计算中采用Antoine蒸汽压方程式表示温度与工质饱和蒸汽压的关系。

$\mathrm{LnP}=A-\frac{B}{T+C}---(1-1)$

或

$P=e^{(A-\frac{B}{T+C})}---(1-2)$

注：对于水工质而言，在20～280℃范围内，用该式误差小于1％。

(2)在积气分界面下端，称工作段(包括蒸发段、绝热段和部分冷凝段)，完全被饱和的气相工质和液相工质所充满，忽略不凝气体影响；而分界面上端，称积气段，则被部分不凝性气体和部分气相工质所充满，忽略液膜影响。

工作段内工质温度均匀一致，用绝热段温度T_s表示；积气段温度主要受管壁导热和管外表面对流换热影响，而管内气体导热影响远小于金属导热的影响(已经实验验证)可忽略不计，积气段气体温度T用管外壁温度(测温点局部保温)表示，该温度沿轴向近似指数分布，可按下式计算：

T＝T_e+(T_s-T_e)e^-mx    (2)

(3)忽略管内工质吸附气量的影响(经测算影响小于千分之五)。

积气量计算模型见图1，图中粗实线与波浪线所包围的范围是热管顶端的一部分，L为积气段长度，x为积气长度积分变量，积气段下端细实线表示热管工作段与积气段的分界面，热管内径为d_i，热管积气体积为V：

$V=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_i^{2}L---\left(3\right)$

热管内积气量采用理想气体状态方程计算：

PV＝nRT    (4)

由于积气段内温度沿轴向近似指数分布，气体密度不一致，因此应采用积分法求积气量n。

注：直接采用式(4)计算，在温度较低时，管内积气长度按等温计算误差亦较小，但当温度较高时，出现较大的误差，主要原因在于当温度较低时，管内可凝工质蒸汽的饱和蒸汽压也较低，可凝工质蒸汽占积气段长度较小，当温度较高时，管内总压和可凝工质蒸汽的饱和蒸汽压迅速提高，不凝气体被压缩，所占积气段长度与压力近似成反比例减小，而积气段中可凝工质分子数量与压力成正比增加，这显著地增加了积气段长度，使计算误差增大。

在距积气界面x处取长度为dx的微元，微元体积dV，微元积气量dn：

$\mathrm{dV}=\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_i^2\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

x位置处压力为P＝P_总、温度为T＝T(x)，代入理想气体状态方程式(4)得：

P_总dV＝RT(x)dn    (6-1)

式(6-1)中的变量均为x的函数，为清晰简练，下文中的T(x)全部用T表示。

将积气段内气体分解为可凝气体与不可凝气体两部分，式(6-1)表示为：

(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)

不凝气的分压可用总压与可凝气体分压之差表示：

P_不凝＝P_总-P_可凝    (7)

将等式(6-3)两端同时除以RT，经分离变量后得：

将上式积分，并注意积分区间为：当x＝0时，T＝T_s，V＝0，n＝0；当x＝L时，

T＝T_e+(T_s-T_e)e^-mL， $V=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_i^{2}L,$ n＝n_不凝，得：

即：

将式(1-3)、式(1-4)、式(2)和式(5)

$P=e^{(A-\frac{B}{T_s+C})}---(1-3)$

T＝T_e+(T_s-T_e)e^-mx    (2)

$\mathrm{dV}=\left(\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}_i^2\right)\mathrm{dx}---\left(5\right)$

代入式(10)中得：

可以通过先测试少量的几个不同温度下的积气长度，利用本发明的方法计算出热管积气量，然后计算出不同温度时的积气长度，得到热管在不同工作温度下的失效率结果。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.用本方法测试并计算的热管积气量与实际的积气量相符，其平均误差≤1.9％，满足工程使用要求。

2.计算的积气长度与测试值相吻合，其最大误差≤20.8％，平均误差≤1.4％。

3.不损坏被测试热管。

附图说明

图1是积气量计算模型图。

图2是本发明示意简图。

图3是本发明热管轴向温度变化图。

图4是本发明例1热管在不同温度时积气长度测试值与计算值图表。

图5是本发明例2热管在不同温度时积气长度测试值与计算值图表。

具体实施方式

实施例1

取φ8×0.7×2130mm铜热管1编号1，其有效长度为2.11m，有效容积为72.15mL，充注水15mL(约占有效容积的20％)。将与热管蒸发段相邻的绝热段外面用绝热材料2包裹。将该热管蒸发段置于筒式电阻加热炉3中，该加热炉可将热管内的工质进行加热并维持在某一温度。在热管上设若干个温度测试点4、5、6、7、8，每个测试点各设一温度传感器，如图2所示。分别测量热管冷凝段各测试点的温度，可得到如图3所示的曲线，缓慢升高电阻加热炉3的温度，当某测试点的温度与靠近绝热段的温度相比开始降低时，此处即为积气界面。记录积气界面到冷凝段顶端的长度L和绝热段温度T_s。测试不同绝热段温度T_s时的积气段长度L，代入下面的计算公式进行计算，即可得到热管内不凝气积气量。

本实施例的测试结果见表1和图4。

表1  编号1热管积气量、积气长度计算值与测试值对比

项目	积气量			积气长度
							绝热段温度℃	测试值kMol	计算值kMol	误差	测试值m	计算值m	误差
109.9	2.285E-06	2.162E-06	-5.40％	1.2	1.264	5.30％
							113	2.191E-06	-4.10％	1.1	1.1442	4.00％
114.4		2.296E-06	0.50％	1.1	1.0948	-0.50％
							116.4	2.216E-06	-3.00％	1	1.0289	2.90％
117.4		2.290E-06	0.20％	1	0.9979	-0.20％
							125.1	2.300E-06	0.60％	0.8	0.7952	-0.60％
125.3		2.314E-06	1.30％	0.8	0.7907	-1.20％
							135.3	2.274E-06	-0.50％	0.6	0.6026	0.40％
137.1		2.396E-06	4.80％	0.6	0.5754	-4.10％
							152.5	2.292E-06	0.30％	0.4	0.399	-0.30％
153.2		2.334E-06	2.10％	0.4	0.3929	-1.80％
							189	2.279E-06	-0.30％	0.2	0.2004	0.20％

190.6		2.359E-06	3.20％	0.2	0.1953	-2.40％
							平均		2.285E-06	0.00％			0.20％

注：

1.表中积气量测试值是指，测试充入热管内不凝性气体如空气的温度、压力和体积，然后用理想状态方程计算出气体的分子数量。对于本实施例，环境温度＝26℃，压力＝1大气压，湿度＝60％，

2.表中积气长度测试值是指，在本发明方法中测得的积气界面到积气段顶端的长度。

3.表中积气量计算值是指，将上述积气长度测试值代入本发明计算公式中得到的结果。

4.表中积气长度计算值是指，将上述积气量计算值代入本发明计算公式中得到的结果。

5.其中误差计算式如下：

实施例2

取另一支φ8×0.7×2130mm铜热管编号2，其有效长度为2.11m，有效容积为72.15mL，充注水15mL(约占有效容积的20％)。重复实施例1的操作与计算，其中每个温度测试点各设一个热电偶温度传感器。本实施例的测试结果见表2和图5。

表2  编号2热管积气量、积气长度计算值与测试值对比

项目	积气量			积气长度
							绝热段温度℃	测试值kMol	计算值kMol	误差	测试值m	计算值m	误差
106.3	2.285E-06	1.907E-06	-16.5％	1.2	1.4496	20.8％
							110.9	0.00000204	-10.7％	1.1	1.2456	13.2％
113.6		2.236E-06	-2.1％	1.1	1.1427	3.9％
							116.7	2.238E-06	-2.1％	1	1.0375	3.8％
117.1		2.268E-06	-0.7％	1	1.0249	2.5％
							126.3	2.387E-06	4.5％	0.8	0.782	-2.3％
127		0.00000244	6.8％	0.8	0.7667	-4.2％
							139	2.531E-06	10.8％	0.6	0.5575	-7.1％
140.1		2.612E-06	14.3％	0.6	0.5424	-9.6％
							156.7	2.557E-06	11.9％	0.4	0.37	-7.5％
160.6		2.825E-06	23.6％	0.4	0.341	-14.8％
							180.5	1.891E-06	-17.2％	0.2	0.2342	17.1％
199.5		2.838E-06	24.2％	0.2	0.1728	-13.6％
							228.3	1.828E-06	-20.0％	0.1	0.1178	17.8％
平均			2.3284E-06	1.9％									1.4％

从表1、表2、图4和图5中可见，编号1热管在升温和降温过程中的实测数据重复性较好，计算值与测试值吻合的也较好，积气量最大误差-5.4％～4.8％，平均误差几乎为零；积气长度最大误差-4.1％～5.3％，平均误差0.2％。编号2热管在升温和降温过程中的实测数据稍有分散，计算值与测试值的误差也稍大一点，积气量最大误差-20％～24.2％，平均误差1.9％；积气长度最大误差-13.6％～20.8％，平均误差1.4％。

根据上述结果，用本发明方法检测并计算的热管积气量与二只热管直接测试的积气量相符，其平均误差≤1.9％，满足工程使用要求。

本发明的符号表如下：

A—Antoine系数，水介质A＝18.3036；

B—Antoine系数，水介质B＝3816.44；

C—Antoine系数，水介质C＝-46.13；

d_i—热管内径，m；

d_o—热管外径，m；

h—热管积气段表面对流换热系数，W/m².K；

k—热管积气段管壁导热系数，W/m.K；

L—积气段长度，m；

n_不凝—不凝气体量，kMol；

n_可凝—热管积气段中可凝气体量，kMol；

P—介质饱和蒸汽压(绝压)，mmHg；

P_总—热管内气体总压(绝压)，atm；

P_可凝—热管积气段中可凝气体(工质)蒸汽分压(绝压)，atm；

P_不凝—热管积气段不凝气体分压(绝压)，atm；

R—气体常数，0.082 atm.L/mol.K；

T—积气段介质温度，K；

T_s—热管积气界面处温度，计算中取绝热段温度，K；

T_e—环境温度，K；

V—积气段体积，m³；

x—积气长度积分变量，m；

π—圆周率；

m—系数，m^-1；

$m=\sqrt{\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{kA}}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{h\πd}}_o}{k\left[\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_o^2-d_i^2)\right]}}=\sqrt{\frac{{4\mathrm{hd}}_o}{k(d_o^2-d_i^2)}}$

本式中：

A—热管基管横截面积，m²；

P—热管外圆周长，m。

Claims (3)

1.一种热管积气量的检测方法，其特征在于：将与热管蒸发段相邻的绝热段外面进行保温处理，将热管蒸发段置于可将热管内的工质进行加热并维持在某一温度的热源中，测定热管冷凝段轴向温度，当自某个位置开始温度降低时，此处即为积气界面，记录积气界面到冷凝段顶端的长度和绝热段温度，将积气段长度和绝热段温度代入下面的计算公式进行计算，即可得到热管内不凝气积气量；再利用得到的不凝气积气量和下面的计算公式进行计算，可求解不同温度时的积气长度，

其中，

n_不凝-不凝气积气量，kMol；

A-Antoine系数，水介质A＝18.3036；

B-Antoine系数，水介质B＝3816.44；

C-Antoine系数，水介质C＝-46.13；

d_i-热管内径，m；

d_o-热管外径，m；

h-热管积气段表面对流换热系数，W/m²·K；

k-热管积气段管壁导热系数，W/m.K；

L-积气段长度，m；

R-气体常数，0.082atm.L/mol.K；

T_s-热管积气界面处温度，计算中取绝热段温度，K；

T_e-环境温度，K；

x-积气长度积分变量，m；

π-圆周率；

m-系数，m^-1；

$m=\sqrt{\frac{\mathrm{hP}}{\mathrm{kA}}}=\sqrt{\frac{\mathrm{h\π}{d}_o}{k\[\frac{\mathrm{\π}}{4}(d_o^2-d_i^2)]}}=\sqrt{\frac{4h{d}_o}{k(d_o^2-d_i^2)}}$

本式中：

A-热管基管横截面积，m²；

P-热管外圆周长，m。

2.根据权利要求1所述的热管积气量的检测方法，其特征在于：越靠近热管冷凝段端部温度测试点设置得越密集一些。

3.根据权利要求1或2所述的热管积气量的检测方法，其特征在于：采用以下的测温点分布公式布置测温点，

$l_i=l\×(1-\frac{\mathrm{Ln}(N+1-i)}{\mathrm{Ln}(N+1)})$

其中：

l_i-热管顶端距第i个测温点的距离，m；

l-布置测温点的总长度，m；

N-布置测温点总数量；

i-自热管顶端始测温点序号，i＝1，2，…，N。

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