دبی سنج ونتوری

 لوله‌های ونتوری، نازل‌های جریان (Flow Nozzle) مانند تمام تجهیزاتی که توسط اختلاف فشار کار می کنند، بر اساس قضیه برنولی هستند (اینجا). عملکرد کلی و محاسبات مشابه با صفحات اوریفیس است. اما در این دستگاه ها، بر خلاف تماس خط خالص بین لبه صفحه اوریفس و جریان اصلی، تماس مداوم بین جریان سیال و سطح دستگاه اولیه وجود دارد. پرداخت سطح دستگاه ها می تواند تا حدودی بر ضریب فلومتر تاثیر داشته باشد، اگرچه لوله ونتوری ضریب نسبتاً ثابتی دارد که به ندرت بیش از کسری از 1 درصد تغییر می کند.

تکنیک‌های ساخت دقیق مدرن، دقت بسیار بیشتری را در ضریب برای لوله‌های ونتوری و نازل‌های جریان محاسبه‌شده بر اساس ابعاد امکان‌پذیر می‌سازد، و ضرایباین تجهیزات با دقت کمتری نسبت به ضرایب برای اریفیس ها قابل اعتماد هستند.

مقادیر C (ضریب متر) برای لوله‌های ونتوری و فلو نازل‌های با سال‌ها داده‌های آزمایشی مشخص شده‌اند و در منابع مختلفی جدول‌بندی شده‌اند.

ضرایب C برای لوله‌های ونتوری و نازل‌های هوا تقریباً 0.98 تا 0.99 و برای صفحات اوریفیس به طور متوسط ​​حدود 0.62 است. بنابراین، تقریباً 60٪  جریان بیشتری را می توان از طریق این عناصر برای فشار دیفرانسیل یکسان به دست آورد.

ونتوری کلاسیک
لوله ونتوری، همانطور که توسط کلمنس هرشل در سال 1887 طراحی شده  در شکل زیر نشان داده شده است. که متشکل از: 

• یک قسمت ورودی استوانه ای برابر با قطر لوله
• یک مقطع مخروطی همگرا که در آن سطح مقطع کاهش می یابد و باعث می شود سرعت با کاهش متناظر در فشار افزایش یابد.
• یک بخش گلوگاهی استوانه‌ای که در آن سرعت ثابت است تا فشار کاهش یافته را بتوان اندازه‌گیری کرد.
• مخروط بازیابی واگرا که در آن سرعت کاهش می‌یابد و تقریباً تمام فشار اصلی بازیابی می‌شود.

فشار بازیابی نشده معمولاً permanent pressure lost نامیده می شود.

ونتوری کلاسیک همیشه با بدنه چدنی و قسمت گلویی برنزی یا فولادی ضد زنگ تولید می شود. در نقطه میانی گلو، شش تا هشت tap، گلو را به یک محفظه حلقوی متصل می‌کند تا فشار گلو به طور متوسط ​​​​باشد. سطح مقطع اتاقک 1.5 برابر سطح مقطع ،tap  هاست.

از آنجایی که هیچ حرکت سیالی در محفظه حلقوی وجود ندارد، فشار محسوس به میزان فشار استاتیک است. معمولاً چهار tap از سطح خارجی ونتوری به داخل محفظه حلقوی ایجاد می شود. اینها از شیرهای فشار داخلی جبران می شوند. فشار گلو از طریق این tap اندازه گیری می شود. استفاده از این دستگاه اندازه گیری برای مایعات و گازهای تمیز و غیر خورنده محدود شده است، زیرا در صورت مسدود شدن tap فشار با کثیفی یا زباله، تمیز کردن یا شستشوی آن غیرممکن است. ضریب جریان برای ونتوری کلاسیک 0.984، با تحمل عدم قطعیت ± 0.75٪ است.

 

ونتوری با طول کوتاه

در دهه 1950، در تلاشی برای کاهش هزینه ها و طول ونتوری، تولیدکنندگان نسل دوم ونتوری را توسعه دادند که در شکلزیر نشان داده شده است. دو تفاوت عمده در این طراحی وجود داشت. محفظه حلقوی داخلی با یکTap یا در برخی موارد، یک محفظه میانگین فشار خارجی جایگزین شد و زاویه مخروط بازیابی از 7 به 21 درجه افزایش یافت. ونتوری با فرم کوتاه می تواند از چدن ساخته شود یا از مواد مختلفی جوش داده شود تا برای  یک کاربرد خاص سازگار شود. ضریب C برای ونتوری فرم کوتاه 0.985 است، با میزان عدم قطعیت ± 1.5%.
tap ها  یک چهارم تا یک دوم قطر لوله در بالادست مخروط ورودی و در وسط بخش گلو قرار دارند. گاهی اوقات از یک ترانسمیتر برای اندازه گیری فشار تفاضلی استفاده می شود.

 

این شامل چندین سوراخ در صفحه محل های tap هاست. هر مجموعه ای از سوراخ ها در یک حلقه حلقوی به هم متصل می شوند تا فشار متوسطی ایجاد کنند. ونتورهای با اتصالات دیافراگم سیل برای استفاده دوغاب و سیالات کثیف مناسب هستند.  بنابراین در مواقعی که نیاز به اندازه‌گیری سیالات کثیف و استفاده از Tapping های قابل نصب دیافراگمی است، باید از سنسورهای مناسب با دیافراگم سیل استفاده شود که به لوله و گلوگاه داخل دیوار نصب می‌شوند.

 لوله ونتوری به دلیل نداشتن گوشه های تیز و بدون برجستگی هیچ تغییر ناگهانی در فشار ایجاد نمی کنند، اغلب برای اندازه گیری دوغاب ها و مایعات کثیفی که تمایل به تجمع یا مسدود شدن روی سایر دستگاه های اولیه دارند استفاده می شود.

ونتوری فلومترها به اشکال مختلفی ساخته می شوند. اینها عبارتند

• ونتوری با فرم استاندارد یا کلاسیک
• یک فرم کوتاه که در آن مخروط خروجی کوتاه شده است
• فرم غیر هم مرکز برای رسیدگی به فازهای مخلوط یا به حداقل رساندن تجمع و عبور مواد سنگین
• یک فرم مستطیل شکل که در کانال کشی استفاده می شود، در ونتوری مستطیل شکل که اساساً مربعی می باشد، مرسوم است در جایی که عرض کانال با ارتفاع متفاوت است، هر چهار ضلع را با زوایایی مشابه همگرا می کنیم. 

 

در جایی که طول و عرض داکت (Duct )متفاوت است، اضلاع کوتاه موازی نگه داشته می‌شوند و ضلع‌های بلند همگرا می‌شوند. یک زاویه همگرا 21 درجه و یک زاویه واگرا 15 درجه خروجی رضایت بخشی را ارائه می دهد. طول گلو باید برابر با حداقل اندازه طول یا عرض باشد، هر کدام کوچکتر بود در اولویت تغییر زاویه قرار دارد. محل Tap ها دقیقا مانند وتنوری های دایره ای شکل است.

زاویه همگرایی، از 19 تا 23 درجه متغیر می باشد (که به سایزینگ و طراحی بستگی دارد)، مقدار کلاسیکی است که توسط هرشل در سال 1887 ایجاد شد. مخروط بازیابی با انتقال صاف جریان شرایط بازیابی فشار را فراهم می کند. شکل مخروط بلند کلاسیک 7.5 ± 0.5 درجه در واگرایی است، اما تا 15 درجه مجاز است، و زاویه تیز تر اجازه می دهد تا نسخه کوتاه شکل ساخته شود. مخروط خروجی 15 درجه مقداری از بازیابی فشار را قربانی می کند. افت فشار ونتوری بین 10 تا 25 درصد کمترین عنصر استاندارد اندازه گیری اختلاف فشاری است. شکل مخروطی ونتوری بلند تا 89٪ بازیابی فشار در نسبت 0.75β ایجاد می کند، که در نسبت 0.25β به 86٪ کاهش می یابد. شکل مخروطی کوتاه تا 85% در 0.75β بهبود می یابد، و در نسبت 0.25β به 75% کاهش می یابد. به عنوان نمونه ای از صرفه جویی در مصرف انرژی (در جاهایی که از بورهای هوا استاده می شود و افت فشار هزینه بالای مصرف برق را به وجود می آورد)، بازیابی فشار اضافی 50 اینچ (1270 میلی متر) فشار دیفرانسیل H2O برای خط آبی که با سرعت 6 فوت بر ثانیه (1.829 متر بر ثانیه) جریان دارد می تواند کاهش مصرفی برابر با  انرژی 10 اسب بخار در لوله های سایز  24 اینچ داشته باشد.

 

نصب و راه اندازی ونتوری
یک لوله ونتوری ممکن است در هر موقعیتی نصب شود که مطابق با نیازهای فرآیندی و لوله کشی باشد. تنها محدودیت این است که ونتوری نصب شده بر روی خط مایعات باید همیشه پر باشد. در بیشتر موارد، tap های فشار از دستورالعمل‌های نصب مشابهی مانند صفحات اوریفیس پیروی می‌کنند.
لوله‌کشی بالادست باید به اندازه‌ای طول داشته باشد که برای ارائه یک نمایه سرعت مناسب لازم است. با این حال، در اکثر تاسیسات، لوله‌کشی بالادست کوتاه‌تری نسبت به nozzle ، Tube یا لوله‌های پیتوت مورد نیاز است، زیرا شکل هیدرولیک ونتوری مقدار تهویه جریان را فراهم می‌کند. اغلب، طول ترکیبی یک ونتوری و لوله‌کشی بالادست آن کمتر از مقدار کلی لوله مورد نیاز برای یک روزنه یا نازل است. شکل زیر قطر معمول لوله بالادست مورد نیاز برای عناصر مختلف را در نسبت 0.7β و یک زانویی بالادست نشان می دهد. برای کاهش طول لوله ورودی می توان از مستقیم کننده های جریان در بالادست استفاده کرد.
در اغلب فلومترها، استاندارد ASME استفاده از strighner های لوله ای  در بالادست ونتوری را برای کاهش طول لوله ورودی توصیه می کند. 
هیچ محدودیتی در پیکربندی لوله کشی در پایین دست ونتوری وجود ندارد به جز اینکه شیر کنترلی (یا دمپنر) نباید نزدیکتر از دو برابر قطر لوله به ونتوری نزدیکتر باشد. شیرهای تخلی و تجهیزاتی که منجر به Drain سیال می شوند ، در صورت امکان، نباید در بالادست ونتوری نصب شوند.

محاسبات جریان

کمیته تحقیقات سیالات انجمن مهندسین مکانیک آمریکا ضریب تخلیه کلی 0.984 را برای لوله ونتوری ورودی کلاسیک از 4 اینچ (100 میلی متر) تا 32 اینچ (813 میلی متر) و برای نسبت های B بین 0.3 تا 0.7 را اتخاذ کرده است. برای لوله های با مخروط ورودی ماشینکاری شده، ضریب کلی 0.995 است. عدد رینولدز باید 200،000 یا بیشتر باشد. نرخ جریان تقریبی را می توان از یک معادله کاری محاسبه کرد، برای اعداد رینولدز بین 50،000 تا 200،000، عدد 344 را جایگزین 353 کنید. زیر 50،000 اطلاعات قابل اعتمادی در دسترس نیست. باید توجه داشت که بر خلاف یک اریفیس، کاهش عدد رینولدز منجر به کاهش جریان و کاهش اختلاف فشار دیفرانسیل می شود. سایر عوامل تصحیح مانند ضریب انبساط دمایی، ضریب انبساط گاز و غیره مشابه موارد مربوط به اریفیس ها و نازل های جریان هستند.

 

نویسنده: محسن لطفی صومعه / منبع: liptak