ونتوری تیوب و فلومتر ونتوری چیست و چگونه کار می کند. طراحی و ساخت ونتوری تیوب

ونتوری تیوب (venturi tube) و ونتوری متر یکی از تجهیزات پرکاربرد در صنایع کشور ایت که در این مقاله به آن پرداخته شده است.

فلومتر ونتوری چیست؟

یک لوله ونتوری حاوی گلویی است که قطر آن نسبت به خط لوله که در آن قرار می گیرد، کمتر است. قطر محدود نباید کمتر از ۰٫۲۲۴ و نباید بیشتر از ۰٫۷۴۲  قطر لوله باشد. هنگامی که سیال از لوله ونتوری عبور می کند، فشار در گلوگاه کمتر از فشار بالادست است (به دلیل افزایش انرژی جنبشی به دلیل افزایش سرعت، ½ mv2) و در نتیجه کاهش انرژی جریان (Ef = P •. v). نرخ جریان یا دبی متناسب با اختلاف فشار، P1 – P2 است. در ادامه شماتیکی از این تجهیز آورده شده است. که در آن k به خط لوله و قطر گلو، چگالی و ضریب تخلیه بستگی دارد.

دبی سنج ونتوری همیشه باید برای جریان آشفته استفاده شود. دقت آن برای طیف وسیعی از ابزار دقیق ها حدود ۰٫۵٪ ، ایده آل برای استفاده در تهویه حرارتی، تهویه هوا. کاربردهای (HVAC) یا هوا به کوره ها و بویلرها و مایعات حاوی ذرات و دوغاب است.

اثر ونتوری چیست؟

اثر ونچوری کاهش فشار سیال است که وقتی یک سیال از یک بخش منقبض (یا خفگی) لوله عبور می کند، به وجود می آید. اثر ونچوری به افتخار جووانی باتیستا ونتوری (۱۷۴۶-۱۸۲۲)، فیزیکدان ایتالیایی، نامگذاری شده است. در دینامیک سیالات، سرعت سیال باید با عبور از یک انقباض مطابق با اصل تداوم جرم افزایش یابد، در حالی که فشار استاتیکی آن باید مطابق با اصل بقای انرژی مکانیکی کاهش یابد. بنابراین هرگونه افزایش انرژی جنبشی سیال به دلیل افزایش سرعت آن از طریق انقباض، با کاهش فشار متعادل می شود.

با اندازه گیری تغییر فشار، می توان میزان جریان را در دستگاه های اندازه گیری جریان مختلف مانند ونتوری متر، نازل ونتوری و اریفیس پلیت تعیین کرد.

چرا در صنایع اندازه گیری جریان مهم است؟

در بسیاری از صنایع، توانایی اندازه گیری دبی سیال در یک سیستم یا حتی فقط بخشی از یک سیستم حیاتی است. این اندازه گیری برای مایعات و گازها که بخش‌های اساسی اکثر فرآیندها هستند به یک اندازه مهم است. در واحد عملیاتی کارخانه، کمپرس آب، بخار آب و هوا بخش جدایی ناپذیر عملکرد کل کارخانه هستند. ونتوری متر ها معمولاً به یکی از دو دلیل زیر نصب می شوند:

۱- تخصیص هزینه های واحد

گرمایش فضا یا فرآیند تولید شده توسط انرژی باید ردیابی شود. در عملیات کاملاً ضروری است که بدانیم هزینه‌ها در کجا متحمل می‌شوند و چه بخش‌هایی را می‌توان کارآمدتر کرد یا برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها ارتقا داد. نصب یک ونتوری متر امکان نظارت بر این هزینه ها و تخصیص به هر بخش، محصول یا سیستم خاص را فراهم می کند. این بدان معنی است که هزینه ها به طور قابل توجهی کاهش می یابد زیرا می توان آنها را در زمان واقعی تجزیه و تحلیل کرد و راه حل های فعال ایجاد کرد.

۲- کنترل جریان فرایند

در این حالت، یک متر ونتوری سرعت جریانی را که ماده یا انرژی با آن حرکت می‌کند، اندازه‌گیری می‌کند تا اطمینان حاصل شود که فرآیند به میزان قابل قبولی کنترل می‌شود و محصول نهایی از کیفیت کافی برخوردار است. یک کاربرد معمولی این تجهیز می تواند جایی باشد که از سیستم های تزریق بخار استفاده می شود؛ زیرا اگر بخار بیش از حد استفاده شود، محصول شکل خود را حفظ نمی کند و اگر به اندازه کافی استفاده نشود، ممکن است مواد حتی قابل فراوری نباشند و ممکن است به ماشین آلات بسیار گران قیمت آسیب برساند.

اصل کار ونتوری متر چگونه است؟

همانطور که قبلا ذکر شد که ونتوری متر بر روی اصل برنولی کار می کند، بنابراین بیایید دریابیم که چگونه به اصل برنولی بستگی دارد.

فرض کنید مقدار مایع v1 وارد لوله می شود، طبق معادله تداوم سرعت جریان حجمی در ورودی (Q1)، برابر با تخلیه در خروجی (Q2) است، بنابراین اگر v1 مقدار آب وارد ورودی ونتوری متر شود. همان مقدار آب باید در خروجی تخلیه شود، یعنی در واحد دوم v1/t1=v2/t2. از آنجایی که مساحت مقطع ۱ (طبق نمودار پایین) بیشتر از مساحت مقطع ۲ است، به این معنی است که به دلیل کاهش سطح، فشار در قسمت دریچه گاز کاهش یافته و سرعت برای حفظ جریان افزایش می یابد (Q1=Q2). ).

در موقعیت گلوگاه، سرعت جریان حداکثر و فشار حداقل است. پس از دریچه گاز مجدداً یک مخروط واگرا (دیفیوزر) وجود دارد که فشار را تقریباً به مقدار واقعی باز می گرداند. با این کار به کمک مانومتر U-Tube که در نمودار بالا نشان داده شده است، با یافتن اختلاف فشار بین بخش ۱ (بخش همگرا) و بخش ۲ که گلوگاه است، به راحتی می توان دبی حجمی را تعیین کرد.

انواع ونتوری متر

تا به الان به هدف اصلی دستگاه یعنی اندازه گیری جریان سیال با محاسبه دبی پرداخته شد، در ادامه انواع این تجهیز بررسی می شود. کارایی این انواع به کالیبراسیون ونتوری مترها بستگی دارد. سه نوع ونتوری متر وجود دارد که در چندین صنعت مکانیکی استفاده می شود. این انواع عبارتند از:

۱- ونتوری متر افقی

محور جریان در این نوع افقی است. نوع افقی دارای بیشترین انرژی جنبشی و کمترین انرژی پتانسیل است. شکل ۱ در بالا یک مثال معمولی است که در این نوع قرار می گیرد.

۲- ونتوری متر عمودی

محور جریان در این نوع عمودی است. نوع عمودی به دلیل ساختاری که دارد کمترین انرژی جنبشی و بیشترین انرژی پتانسیل را دارد. اکنون مانومترها مطابق تصویر زیر به پهلو نصب شده اند.

۳- ونتوری متر شیبدار

محور جریان در این نوع زاویه دارد. انرژی جنبشی و پتانسیل سیال در این نوع معمولاً بین انرژی افقی و عمودی متغیر است.

قطعات ونتوری متر

ونتوریمتر از قطعات زیر تشکیل شده است

• مخروط یا قطر همگرا (مساحت در حال کاهش است).
• قطر گلوگاه (منطقه ثابت است).
• مخروط واگرا (مساحت در حال افزایش است).

بیایید لوله ای را در نظر بگیریم که در آن یک ونتوری متر ثابت است. در لوله، انواع مختلفی از سیال جریان دارد، بنابراین ابتدا وارد یک مخروط همگرا، سپس گلو و سپس مخروط واگرا می شود.

۱- مخروط همگرا

هنگامی که آب از این مخروط عبور می کند، مساحت در حال کاهش است، بنابراین، سرعت جریان آب افزایش می یابد و فشار کاهش می یابد.

۲- قطر گلو

هنگامی که آب از این مخروط عبور می کند منطقه ثابت می ماند بنابراین سرعت جریان آب و فشار ثابت می ماند.

۳- مخروط واگرا

هنگامی که آب از این مخروط عبور می کند، مساحت در حال افزایش است، بنابراین، سرعت جریان آب کاهش می یابد و فشار کاهش می یابد.

ویژگی های ونتوری متر لوله

در ادامه برخی از ویژگی های ونتوری متر لوله آورده شده است. این ویژگی ها عبارتند از:

• بازیابی فشار برای لوله های ونتوری در مقایسه با صفحات اوریفیس بسیار بهتر است.
• لوله های ونتوری برای مایع تمیز، کثیف و چسبناک و همچنین سرویس دوغاب مناسب هستند.
• قابلیت رنج لوله ونتوری از ۴ تا ۱ متغیر است.
• در لوله های ونتوری افت فشار کم و اثر ویسکوزیته زیاد است.
• معمولاً دقت یک لوله ونتوری ۱٪ از رنج کامل آن است.
• طول لوله بالادست ضروری یک لوله ونتوری ۵ تا ۲۰ برابر قطر است.
• لوله های Venturi در اندازه های تا ۷۲ اینچ وجود دارد.
• یک لوله ونتوری می تواند ۲۵ تا ۵۰ درصد جریان اضافی را نسبت به صفحه اریفیس عبور دهد که همان افت فشار را حفظ می کند.
• از آنجایی که هزینه اولیه یک لوله ونتوری بسیار بالا است، عمدتاً کاربردش در جریان‌های بزرگ‌تر و در جریان پیچیده‌تر یا چالش برانگیز است.
• بر خلاف صفحات روزنه ای، لوله های ونتوری تقریباً به اثرات پروفیل سرعت حساس نیستند و در نتیجه نیاز به اجرای مستقیم لوله کمتر از دهانه دارند.
• لوله های ونتوری به دلیل ماهیت کانتوری خود در برابر خوردگی، فرسایش و ایجاد رسوب داخلی مقاوم هستند که با عمل خودشویش جریان از طریق لوله ترکیب شده است.
• استفاده از لوله های ونتوری صرفه جویی زیادی در هزینه های نصب و راه اندازی و نگهداری دارد.
• فلومترهای لوله ونچوری اغلب در کاربردهایی که شامل نرخ پایین آمدن بیشتر یا افت فشار کمتر است، به ویژه در مناطقی که صفحات اورفیس کار نمی کنند، استفاده می شود.
• با استفاده از ابزار دقیق و کالیبراسیون جریان، سرعت جریان یک لوله ونتوری را می توان با دقت صحیح به حدود ۱۰٪ از محدوده رنج کامل آن کاهش داد که به نوبه خود باعث کاهش نرخ ۱۰:۱ می شود.

تفاوت ونتوری متر و اوریفیس متر

اوریفیس متر نیز به عنوان یک دستگاه اندازه گیری جریان در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می شود. به عنوان مهندسان مکانیک، ما باید تفاوت اساسی بین ونتوریمتر و اوریفیس متر را بدانیم تا به ما در تصمیم گیری ابزار مورد استفاده یا استفاده برای کاربردهای مشخص شده کمک کند.

اریفیس متر	ونتوری متر
اوریفیس متر از یک صفحه اریفیس، تهویه کننده جریان و یک روزنه تشکیل شده است.	این ابزار شامل بخش همگرا، بخش گلو و بخش واگرا می باشد.
این ابزارها را نمی توان برای اندازه گیری جریان با دوغاب استفاده کرد.	اینها برای اندازه گیری جریان حتی با دوغاب استفاده می شوند.
نصب نسبتا آسان است.	روش نصب در مقایسه با اوریفیس متر دشوار است.
صفحات روزنه اغلب برای تعمیر و نگهداری تعویض می شوند.	کل واحد برای مدت زمان طولانی تری کارکرد به طور دائم نصب می شود.
مقدار ضریب تخلیه به ۰٫۶ محدود شده است	مقدار ضریب تخلیه می تواند تا ۰٫۹۸ برسد
یک اریفیس متر برای تغییر سرعت جریان کاملاً انعطاف پذیر است.	سازگاری با تغییرات نرخ جریان انعطاف پذیر نیست.
افت فشار در اینجا تا ۶۰٪ خواهد بود.	به طور تجربی اندازه گیری شده است که افت فشار حدود ۱۰٪ خواهد بود.

کد های و استاندار های ونتوری متر

کدها و استانداردهای ونتوری متر به شرح زیر می باشد

ISO 5167: این سری از استانداردها الزامات و روش های کلی اندازه گیری جریان در مجرای بسته از جمله استفاده از ونتوری متر را مشخص می کند.

ISO 9300: این کد دستورالعمل هایی را برای نصب و راه اندازی صحیح ونتوری مترهای مورد استفاده برای اندازه گیری جریان سیال در مجرای بسته ارائه می دهد.

AWWA M33: این راهنما دستورالعمل‌های طراحی، نصب و بهره‌برداری را برای ونتوری متر های مورد استفاده در سیستم‌های تامین آب شرح می‌دهد.

ISO TR 15377: این کد دستورالعمل هایی را برای انتخاب، نصب و راه اندازی ونتوری مترهای مورد استفاده برای اندازه گیری جریان گاز در مجرای بسته ارائه می دهد.

BS 1042: این کد الزامات و روش های آزمایش را برای کالیبراسیون کنتورهای ونتوری مورد استفاده در اندازه گیری جریان سیال مشخص می کند.

ASME MFC-8M: این کد دستورالعمل هایی را برای طراحی، نصب و راه اندازی ونتوری مترهای مورد استفاده در اندازه گیری جریان سیال در مجراهای بسته ارائه می دهد.

ASTM D2458: این کد دستورالعمل هایی را برای انتخاب، نصب و راه اندازی ونتوری مترهای مورد استفاده در اندازه گیری جریان گاز در مجرای بسته ارائه می دهد.

AGA 9: این کد دستورالعمل هایی را برای اندازه گیری جریان گاز با استفاده از دستگاه های فشار دیفرانسیل، از جمله متر ونتوری ارائه می دهد.

کاربرد های رایج ونتوری متر

در ذیل برخی از کاربرد ها و محل های نصب ونتوری متر در واحد ها آورده شده است.

• محاسبه دبی سیالی که از لوله تخلیه می شود.
• برای تعیین فشار و همچنین مقدار گاز و مایع داخل لوله استفاده می شود.
• برای کنترل فشار جریان مواد شیمیایی در خطوط لوله
• در مواردی که بازیابی فشار بالا مورد نیاز است استفاده می شود.
• و…

مزایای ونتوری متر در چیست؟

• آنها می توانند حجم جریان زیادی را در افت فشار کم تحمل کنند.
• فلومترهای لوله ونتوری شامل هیچ قسمت متحرکی نیستند.
• آنها را می توان در لوله های با قطر بزرگ از طریق اتصالات فلنجی، جوشی یا رزوه ای نصب کرد.
• آنها را می توان با تقریباً همه مایعات و همچنین مایعاتی که حاوی مواد جامد شدید استفاده کرد.
• لوله های ونتوری شامل هیچ برآمدگی به داخل سیال و یا گوشه های تیز نیستند. همچنین هیچ تغییر سریعی در کانتور وجود ندارد.

معایب ونتوری متر در چیست؟

• بسیار گران است
• فضای قابل توجهی را اشغال می کند
• نمی توان برای اندازه گیری فشار بیش از حداکثر سرعت، تغییر داد.

طراحی و ساخت ونتوری متر

اتواع ونتوری تیوب بر اساس نیاز پروژه توسط شرکت پتروپردا طراحی و ساخت و تحویل می گردد. در ذیل برخی از ونتوری متر های ساخته شده توسط این شرکت آورده شده است.