U型管

U型管（U-tube）是化學實驗中常用的一種儀器，一般為U型的透明玻璃管或者塑膠管，有多種大小型號，可以盛裝液體或者固體。

基本介紹

• 中文名：U型管
• 外文名：U-tube
• 材質：玻璃、塑膠、碳鋼、合金鋼
• 盛裝物：一般為液體
• 儀器：U型管壓力計
• 套用：測壓，化工生產

壓力計

U型管壓力計是歷史最悠久的測量壓強儀器。它在用於真空測量中屬於絕對真空計，可作為真空計量標準。它的典型原理結構如右圖所示。它是由兩根測量管構成，通過測量管內工作液柱的高度差h，即可計算出待測壓力P的值。液柱的一側需用抽真空等方法使其上的壓力P₀比起待測壓力P來。可以忽略不計，這種壓力計的精度和測量下限，主要取決於如何測準液柱面的高度差h和測量h的精度，以及工作液體的密度。測量h的方法很多，如直接用刻度尺測量，用測高儀、點接觸測微計、光學干涉法等等，其中干涉法的精度最高。工作液體最早採用的是汞，而在真空測量中為向低壓量程擴展，也常用飽和蒸氣壓低且密度和粘度小的油類。這種壓力計可測量低、中真空。

U型管壓力計

U型管中盛有液體汞，根據液體靜力學的平衡原理，U型管A—A’截面上的流體靜力學平衡公式為：

P+（H+h）ρ₁=Hρ₃+hρ₂+P₀ （1）

式中： P——被測壓力；
ρ₁ρ₂ ——充液ρ₃上面的保護介質或空氣的密度；

公式計算用圖

ρ ₃——充液為水銀或水、酒精等的密度；
P₀——大氣壓；
h——充液高位面到被測壓力P的連線口處高度。

由式（1）得： P=P₀+h（ρ₂一ρ₁）+H（ρ₃一ρ₁）

相對壓力： P=P一P₀=h（ρ₂一ρ₁）+H（ρ₃一p₁）

當ρ₁=ρ₂時：P=H（ρ₃一ρ₁） （2）

式（2）表明，相對壓力P正比於液柱高度H，這是液柱式壓力計測量壓力基本原理。

在實際測量中，有時不能忽略液面上介質或保護液所受重力的作用。遇到這種情況時，應該在U型管兩邊同一截面上寫出流體靜力學平衡公式，然後求出被測壓力P，這一點在測量微壓力或微偏差時應特別注意。

使用U型管壓力計時，由於毛細管和液體表面的張力的作用，會引起管內的液面呈彎月狀，給讀數造成誤差，為了減小此類誤差，製作U型管時管徑不能選得太細。一般用水作工作液體時，管子內徑不得小於8mm。用水銀作工作液體時，管內徑不小於5mm。U型管壓力計標尺每個分格是lmm，每次讀數的最大誤差為分格的一半。而U型管壓力計兩個管子需分別讀數，所以可能的讀數誤差為±lmm（相當於9.8Pa）。為了減少誤差和只進行一次讀數，可以使用杯型壓力計。

安裝

U型管組裝時，應將與單動滑閥連線的．法蘭留成活口，點焊於管段上，以便U型管安裝時調整法蘭的水平度及找正管段。

U型管和單動滑閥連線的法蘭，安裝後其水平度偏差應不大於1毫米/米，一般施焊前，在法蘭找正後於焊口四周用4~6塊立筋板對稱加固。施焊時採用分段對稱跳焊的方法，每段長以100~200毫米為宜。焊接的同時宜隨時檢查法蘭面的水平度並及時校正。

U型管的安裝，應根據兩器安裝後的實際安裝位置配安，U型管分段安裝時應控制各管段的軸線方向。

U型管安裝後，其水平段標高偏差不大於±10毫米。

U型管防震系統的安裝應符合下列要求：

（1）防震器安裝前應進行檢查，並符合設計要求。

（2）防震器試驗，當桿端作用力為42公斤，搖臂桿長230毫米，行程65°時，所用的時間應符合下列要求

當用變壓器油時，歷時2秒以上；
當用50#機油時，歷時5秒以上；
當用20#航空潤滑油時，歷時9秒以上。

（3）防震器安裝時，搖臂應處於可搖動角度的中心位置，以保證U型管熱膨脹後連桿和搖臂垂直。

（4）安裝支桿，應根據熱膨脹情況，使靠近U型管的一端略高，以使U型管膨脹後支桿呈水平狀態。

布置方式影響

目前，對於水平及垂直直管中發生氣液兩相流脈動的機理、計算方法及防範措施已經進行了大量試驗和理論研究工作。但是，對於受熱的U型管在工質沸騰狀況下的汽液兩相流脈動問題研究較少，隨著各種結構的U型管在工業設備中得到日益廣泛的套用，研究不同布置方式U型管中氣液兩相流的脈動特性具有十分重要的實際工程意義。

試驗系統

試驗系統簡圖見下圖，這是一個封閉式試驗迴路，利用氟利昂- 113（R- 113）作為工質。試驗段中電加熱段長2053mm，U型管高度（定義為垂直布置時，U型段入口至U型段頂端的垂直高度）為1850 mm，試驗管段選用內徑16 mm，壁厚2 mm的不鏽鋼管，整個試驗迴路也是用不鏽鋼製成。加熱系統由一個30 kW的感應調壓器和一個大電流變壓器構成，直接以管壁作為加熱器以保證熱負荷的均勻性。

研究的五種不同布置方式為：倒U型、傾斜45°、水平面布置、傾斜-45°、正U型。試驗選用相同的壓力範圍、加熱功率以及質量流量，試驗範圍如下：系統壓力（選用試驗段出口壓力）P為0.2、0.3及0.4 MPa；加熱功率Q為10.4，9.6，8.8，8.0，7.2，6.4 kW；質量流量W為1.0～30.0 kg/min。

試驗結果及分析

在試驗中，可以觀測到：種典型的脈動工況，即壓力降型脈動，密度波型脈動以及近蒸乾點處密度波型脈動。在保持系統壓力和加熱量不變的條件下，當流量減小到一定值後，開始出現壓力降型脈動，這種脈動出現在穩態特性曲線的負斜率區段，其周期受試驗系統的氣相容積及壓縮性的影響，對於本實驗迴路，可以通過調節穩壓罐中氮氣的容積來改變其氣相容積和壓縮性。由於壓力降型脈動比較常見，因此本文比較脈動界限主要討論壓力降型脈動，繼續減小流量，可以觀測到第二種脈動工況，即密度波型脈動，這種脈動周期較短，振幅較小。在較小的流量時，出現近蒸乾點密度波型脈動，在這種工況下出現傳熱惡化，此時壓力及流量脈動振幅最大，並可能出現流體的倒流，流體溫度脈動也十分劇烈，壁溫開始飛升。

分析測得的不同布置方式U型管的脈動界限，可以看出正U型管穩定性最好，倒U型管最差，但其差別不大。在試驗中也發現倒U型管最容易出現壁溫飛升，這些結果與對穩態特性曲線的分析是一致的。

試驗結果表明，增大進口阻力，減小出口阻力，增大系統壓力和減小熱負荷均有利於提高試驗系統的穩定性，這一結果及試驗過程中多次得到了驗證。

結論

通過試驗研究並利用數值計算方法對五種布置方式的U型管的不穩定性進行了研究，並且模擬計算了實際工程套用的U型管布置方式。得出的結論如下：

（1）增大系統壓力、減小加熱量、增大進口阻力、減小出口阻力均有利於各種布置方式U型管的穩定性；

（2）在試驗參數範圍內，對於本試驗系統，正U型管和傾斜-45°U型管較不容易發生壓力降型脈動，其穩定性優於其它幾種布置方式，倒U型管的穩定性最差；

（3）U型管段中由於密度差引起的重位壓力降對系統特性曲線有較大影響，不同布置方式決定了重位壓力降對系統穩態特性曲線多值性的影響程度，從而影響其穩定性；

（4）對於模擬計算的實際丁程套用的不同布置方式U型管，在計算的工況條件下，正U型管和傾斜45。U型管穩定性較好，倒U型管穩定性最差，基本上同低壓時得出的規律一致。