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U型管

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U型管(U-tube)是化学实验中常用的一种仪器,一般为U型的透明玻璃管或者塑料管,有多种大小型号,可以盛装液体或者固体。

U型管压力计是历史最悠久的测量压强仪器。它在用于真空测量中属于绝对真空计,可作为真空计量标准。它的典型原理结构如右图所示。它是由两根测量管构成,通过测量管内工作液柱的高度差h,即可计算出待测压力P的值。液柱的一侧需用抽真空等方法使其上的压力P0比起待测压力P来。可以忽略不计,这种压力计的精度和测量下限,主要取决于如何测准液柱面的高度差h和测量h的精度,以及工作液体的密度。测量h的方法很多,如直接用刻度尺测量,用测高仪、点接触测微计、光学干涉法等等,其中干涉法的精度最高。工作液体最早采用的是汞,而在真空测量中为向低压量程扩展,也常用饱和蒸气压低且密度和粘度小的油类。这种压力计可测量低、中真空。

U型管中盛有液体汞,根据液体静力学的平衡原理,U型管A—A’截面上的流体静力学平衡公式为:

P+(H+h)ρ1=Hρ3+hρ2+P0 (1)

式中: P——被测压力;
  ρ1ρ2 ——充液ρ3上面的保护介质或空气的密度;

ρ 3——充液为水银或水、酒精等的密度;
  P0——大气压;
  h——充液高位面到被测压力P的连接口处高度。

由式(1)得: P=P0+h(ρ2一ρ1)+H(ρ3一ρ1

相对压力: P=P一P0=h(ρ2一ρ1)+H(ρ3一p1

当ρ12时:P=H(ρ3一ρ1) (2)

式(2)表明,相对压力P正比于液柱高度H,这是液柱式压力计测量压力基本原理。

在实际测量中,有时不能忽略液面上介质或保护液所受重力的作用。遇到这种情况时,应该在U型管两边同一截面上写出流体静力学平衡公式,然后求出被测压力P,这一点在测量微压力或微偏差时应特别注意。

使用U型管压力计时,由于毛细管和液体表面的张力的作用,会引起管内的液面呈弯月状,给读数造成误差,为了减小此类误差,制作U型管时管径不能选得太细。一般用水作工作液体时,管子内径不得小于8mm。用水银作工作液体时,管内径不小于5mm。U型管压力计标尺每个分格是lmm,每次读数的最大误差为分格的一半。而U型管压力计两个管子需分别读数,所以可能的读数误差为±lmm(相当于9.8Pa)。为了减少误差和只进行一次读数,可以使用杯型压力计。

U型管组装时,应将与单动滑阀连接的.法兰留成活口,点焊于管段上,以便U型管安装时调整法兰的水平度及找正管段。

U型管和单动滑阀连接的法兰,安装后其水平度偏差应不大于1毫米/米,一般施焊前,在法兰找正后于焊口四周用4~6块立筋板对称加固。施焊时采用分段对称跳焊的方法,每段长以100~200毫米为宜。焊接的同时宜随时检查法兰面的水平度并及时校正。

U型管的安装,应根据两器安装后的实际安装位置配安,U型管分段安装时应控制各管段的轴线方向。

U型管安装后,其水平段标高偏差不大于±10毫米。

U型管防震系统的安装应符合下列要求:

(1)防震器安装前应进行检查,并符合设计要求。

(2)防震器试验,当杆端作用力为42公斤,摇臂杆长230毫米,行程65°时,所用的时间应符合下列要求

当用变压器油时,历时2秒以上;
  当用50#机油时,历时5秒以上;
  当用20#航空润滑油时,历时9秒以上。

(3)防震器安装时,摇臂应处于可摇动角度的中心位置,以保证U型管热膨胀后连杆和摇臂垂直。

(4)安装支杆,应根据热膨胀情况,使靠近U型管的一端略高,以使U型管膨胀后支杆呈水平状态。

目前,对于水平及垂直直管中发生气液两相流脉动的机理、计算方法及防范措施已经进行了大量试验和理论研究工作。但是,对于受热的U型管在工质沸腾状况下的汽液两相流脉动问题研究较少,随着各种结构的U型管在工业设备中得到日益广泛的应用,研究不同布置方式U型管中气液两相流的脉动特性具有十分重要的实际工程意义。

试验系统

试验系统简图见下图,这是一个封闭式试验回路,利用氟利昂- 113(R- 113)作为工质。试验段中电加热段长2053mm,U型管高度(定义为垂直布置时,U型段入口至U型段顶端的垂直高度)为1850 mm,试验管段选用内径16 mm,壁厚2 mm的不锈钢管,整个试验回路也是用不锈钢制成。加热系统由一个30 kW的感应调压器和一个大电流变压器构成,直接以管壁作为加热器以保证热负荷的均匀性。

研究的五种不同布置方式为:倒U型、倾斜45°、水平面布置、倾斜-45°、正U型。试验选用相同的压力范围、加热功率以及质量流量,试验范围如下:系统压力(选用试验段出口压力)P为0.2、0.3及0.4 MPa;加热功率Q为10.4,9.6,8.8,8.0,7.2,6.4 kW;质量流量W为1.0~30.0 kg/min。

试验结果及分析

在试验中,可以观测到:种典型的脉动工况,即压力降型脉动,密度波型脉动以及近蒸干点处密度波型脉动。在保持系统压力和加热量不变的条件下,当流量减小到一定值后,开始出现压力降型脉动,这种脉动出现在稳态特性曲线的负斜率区段,其周期受试验系统的气相容积及压缩性的影响,对于本实验回路,可以通过调节稳压罐中氮气的容积来改变其气相容积和压缩性。由于压力降型脉动比较常见,因此本文比较脉动界限主要讨论压力降型脉动,继续减小流量,可以观测到第二种脉动工况,即密度波型脉动,这种脉动周期较短,振幅较小。在较小的流量时,出现近蒸干点密度波型脉动,在这种工况下出现传热恶化,此时压力及流量脉动振幅最大,并可能出现流体的倒流,流体温度脉动也十分剧烈,壁温开始飞升。

分析测得的不同布置方式U型管的脉动界限,可以看出正U型管稳定性最好,倒U型管最差,但其差别不大。在试验中也发现倒U型管最容易出现壁温飞升,这些结果与对稳态特性曲线的分析是一致的。

试验结果表明,增大进口阻力,减小出口阻力,增大系统压力和减小热负荷均有利于提高试验系统的稳定性,这一结果及试验过程中多次得到了验证。

结论

通过试验研究并利用数值计算方法对五种布置方式的U型管的不稳定性进行了研究,并且模拟计算了实际工程应用的U型管布置方式。得出的结论如下:

(1)增大系统压力、减小加热量、增大进口阻力、减小出口阻力均有利于各种布置方式U型管的稳定性;

(2)在试验参数范围内,对于本试验系统,正U型管和倾斜-45°U型管较不容易发生压力降型脉动,其稳定性优于其它几种布置方式,倒U型管的稳定性最差;

(3)U型管段中由于密度差引起的重位压力降对系统特性曲线有较大影响,不同布置方式决定了重位压力降对系统稳态特性曲线多值性的影响程度,从而影响其稳定性;

(4)对于模拟计算的实际丁程应用的不同布置方式U型管,在计算的工况条件下,正U型管和倾斜45。U型管稳定性较好,倒U型管稳定性最差,基本上同低压时得出的规律一致。