لوله ونتوری (venturi tube) یا فلومتر ونتوری یکی از انواع فلومترهای اختلاف فشار است که با استفاده از محاسبه اختلاف فشار در دو نقطه مختلف از لوله، فلو سیال عبوری از درون آن لوله را محاسبه می‌کند. این اختلاف فشار از طریق کاهش قطر لوله ایجاد می‌شود. زمانی که قطر لوله کاهش یابد یا به اصطلاح لوله تنگ‌تر شود، سرعت سیال درون آن افزایش می‌یابد و بر اساس قانون برنولی فشار در آن نقطه کاهش می‌یابد. بر اساس این تغییر در فشار سیال، می‌توان فلوی آن را اندازه‌گیری کرد. در مطالب قبلی مجله پریسماتک انواع فلومترهای الکترومغناطیسی، کوریولیس، اریفیس و التراسونیک را معرفی کردیم. در این مطلب قصد داریم به بررسی لوله ونتوری یا فلومتر ونتوری بپردازیم و اصول کاری و ساختار و نیز کاربردها و مزایا و معایب آن را بیان کنیم.
همان طور که گفتیم، لوله ونتوری نیز مانند تمام انواع دیگر از فلومترهای اختلاف فشار بر اساس معادله برنولی عمل می‌کند. بر اساس این معادله با افزایش سرعت جریان سیال، فشار آن افت می‌کند. یک لوله ونتوری از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:
قسمت همگراکننده (Converging Part): در این قسمت لوله حالت مخروطی پیدا می‌کند و قطر و سطح مقطع آن کاهش می‌یابد. به همین دلیل سرعت مایع هنگام ورود به آن افزایش و فشارش کاهش می‌یابد.
قسمت دهانه یا گلویی (Throat): در این بخش از لوله ونتوری قطر لوله ثابت باقی می‌ماند، در نتیجه سرعت و فشار سیال درون آن نیز ثابت می‌مانند.
قسمت واگراکننده (Diverging Part): در این بخش مجددا قطر لوله افزایش می‌یابد و از سرعت سیال هنگام عبور از آن کاسته می‌شود. در نتیجه فشار بار دیگر افزایش می‌یابد. در تصویر زیر نمایی از یک لوله ونتوری نشان داده شده است.
هزینه اولیه یک لوله ونتوری بالا است. به همین دلیل از آن‌ها بیشتر در کاربردهای فلو بالا و موارد چالشی استفاده می‌شود. ونتوری مترها نسبت به تاثیرات پروفایل سرعت حساس نیستند و بنابراین نسبت به فلومترهای اریفیس به طول لوله مستقیم کمتری احتیاج دارند. ساختار تراز آن‌ها همراه با عمل خودتمیزی (self-scouring) فلو درون لوله باعث می‌شود این فلومتر در برابر خوردگی و فرسایش و نیز گرفتگی داخلی مقاوم باشد. به رغم هزینه اولیه نسبتا بالای آن، هزینه طولانی مدت استفاده از این ابزار مقرون به صرفه است. زیرا در هزینه‌های نصب و تعمیر و نگه‌داری صرفه‌جویی می‌شود.
لوله‌های ونتوری تا ابعاد ۷۵ اینچ نیز وجود دارند و نسبت به فلومترهای اریفیس با یک افت فشار یکسان، ۲۵ تا ۵۰ درصد جریان بیشتر از خود عبور می‌دهند. علاوه بر این، مجموع افت بار یا هد لاس (head loss) جبران‌نشده در ونتوری مترها به ندرت از ۱۰ درصد تجاوز می‌کند. برای مقایسه افت فشار جبران‌نشده در فلومترهای اختلاف فشار به تصویر زیر دقت کنید.
به دلیل ساختار خاص لوله ونتوری که در بالا بیان کردیم، سطح مقطع قسمت گلویی از سطح مقطع لوله ورودی کمتر است. اگر قانون برنولی به صورت زیر بیان شود:
P1 + 1/2 ρ V12 + ρgh1 = P2 + 1/2 ρ V22 + ρgh2
آنگاه بر اساس این قانون، به دلیل کاهش سطح در مسیر سیال، مقدار A2 کمتر از A1 بوده و چون سرعت سیال افزایش می‌یابد، در نتیجه فشار P2 کمتر از P1 خواهد بود. پس بین لوله ورودی و قسمت گلویی لوله ونتوری یک اختلاف فشار به وجود می‌آید. برای اندازه‌گیری این فشار تفاضلی می‌توان از مانومتر بین این دو نقطه استفاده کرد. همچنین می‌توان از دو گیج فشار در این نقاط بهره برد. پس از محاسبه این اختلاف فشار، برای محاسبه نرخ فلوی سیال درون لوله نیز به ترتیب زیر عمل می‌کنیم. می‌دانیم که بر اساس معادله برنولی داریم:
P1 – P2 = 1/2v22 – v12
همچنین از قانون پیوستگی داریم:
A1v1 = A2v2
در نتیجه می‌توان نوشت:
1/2 * ( A12V12 /A22 – V12) = P1 – P2
در نتیجه مقدار سرعت V1 به صورت زیر به دست می‌آید:
V1 = A2 * (2(P1 -P2)/ (A12 -A22))1/2
می‌دانیم که ΔV نشان‌دهنده مقدار حجمی از سیال است که در طول یک ثانیه از سطح مقطع لوله عبور می‌کند و از ΔV = A1V1 به دست می‌آید. این مقدار دقیقا همان نرخ فلوی سیال است. در نتیجه داریم:
ΔV = φ = A1A2 (2gh / A12 – A22 ) 1/2
در فلومترهای ونتوری به نسبت قطر D2 به D1 ضریب بتا (β) می‌گویند. می‌توان رابطه فوق را متناسب با این ضریب بازنویسی کرد. در این صورت داریم:
φ = A2 (2gh / 1 – β4 ) 1/2
البته رابطه فوق به لحاظ تئوری صحیح است. در عمل یک ضریب تخلیه نیز در این رابطه ضرب می‌شود.
φ = Cd A2 (2gh / 1 – β4 ) 1/2
Cd یک ضریب بدون واحد است و در بازه ۰.۹۳۵ برای ونتوری مترهای با قطر دهنه کوچک تا ۰.۹۸۸ برای ونتوری مترهای با قطر دهنه بزرگ قرار دارد. برای یک فلومتر ونتوری با ابعاد خاص، ضریب تخلیه Cd یک مقدار ثابت است. ضریب Cd باید برای تطبیق با تغییرات دمای سیال تنظیم شود. ضریب β نیز معمولا بین ۰.۲۵ تا ۰.۵۰ قرار دارد و گاهی ممکن است ۰.۷۵ نیز باشد.
معمولا سه نوع لوله ونتوری یا فلومتر ونتوری وجود دارد.
فلومتر ونتوری افقی (Horizontal): انرژی جنبشی در این نوع فلومتر ونتوری بیشترین مقدار و انرژی پتانسیل کمترین مقدار را دارند.
فلومتر ونتوری عمودی (Vertical): در این ونتوری متر انرژی پتانسیل بیشینه و انرژی جنبشی کمینه است.
فلومتر ونتوری متمایل (Inclined): این نوع ونتوری متر در لوله‌های مورب و در یک سطح عمودی الحاق می‌شود.
در نوع کلاسیک ونتوری مترها که به آن Herschel می‌گویند، یک مشخصه اصلی، المان فلو بسیار طولانی با ورودی مخروطی و خروجی واگراکننده است. فشار ورودی در ورودی و فشار استاتیک در بخش گلویی دستگاه اندازه گرفته می‌شود. تپ‌های فشار به یک دالان حلقوی مشترک متصل می‌شوند تا تحت تمام شرایط محیطی مختلف یک خوانش میانگین فشار به دست آید. کاربرد لوله ونتوری‌های کلاسیک محدود به مایعات تمیز و غیرخورنده و گازها است.
اما نوع دیگری از فلومترهای ونتوری نیز وجود دارد که به آن‌ها ونتوری فرم کوتاه (short form venturi) می‌گویند. این طراحی در شکل زیر نشان داده شده است.
ونتوری‌های فرم کوتاه، بسیاری از مزایای لوله ونتوری نوع کلاسیک را حفظ کرده‌اند، اما مزایای دیگری مانند کاهش هزینه اولیه، کوتاه کردن طول لوله و کاهش وزن را نیز به آن افزوده‌اند. تپ‌های فشار در ۱/۴ تا ۱/۲ قطر لوله و در بالادست مخروط ورودی و نیز وسط قسمت گلویی قرار گرفته‌اند. حلقه‌های پیزومتر نیز می‌توانند با لوله‌های ونتوری‌های بزرگ برای جبران اعوجاجات پروفایل سرعت مورد استفاده قرار گیرند. در مورد سیالات دوغابی، تپ‌های لوله می‌توانند با آب‌بند‌های شیمیایی جایگزین شوند که می‌تواند تمام حفره‌های مسدود (dead-ended cavities) را حذف کند.
طراحی‌های مناسب دیگری نیز برای لوله‌های ونتوری وجود دارند که می‌توانند بازگردانی افت فشار بهتری نسبت به نوع کلاسیک آن داشته باشند. یکی از بهترین این طراحی‌ها، فلومتر ونتوری یونیورسال (universal) نام دارد. این طراحی در شکل زیر نشان داده شده است.
طراحی‌های مختلف لوله ونتوری معمولا در کانتورها (contours)،مکان تپ‌ها، اختلاف فشار ایجاد شده و مقدار جبران‌نشده افت فشار با هم تفاوت دارند. اما معمولا این طراحی‌های جدید دارای طول‌های محوری (lay lengths) کوتاه‌تر هستند. این بهبودها در لوله ونتوری معمولا موجب کاهش هزینه می‌شوند. البته ممکن است احتیاج به لوله مستقیم بیشتری برای تطبیق با پروفایل سرعت فلو آن‌ها باشد.
از مزایای فلومترهای ونتوری می‌توان به این مورد اشاره کرد که می‌توانند برای مقادیر بالای فلو با افت فشار کم مورد استفاده قرار گیرند. این فلومترها هیچ بخش متحرکی ندارند و می‌توانند بر روی لوله‌های بسیار بزرگ با فلنج و … نصب شوند. از این نوع فلومترها می‌توان برای تقریبا اکثر انواع مایعات و حتی مایعات دارای ذرات جامد بسیار بزرگ استفاده کرد. تلاطم بالا و نبود حفره‌ای که مواد در آن جمع شوند باعث می‌شود فلومتر ونتوری برای کاربردهای دوغاب و لجن بسیار مناسب باشند. البته اگر از پاکسازی هوا نتواند از گرفتگی لوله و تپ‌های فشار جلوگیری کند، هزینه‌های تعمیر و نگه‌داری بالا می‌رود. در این حالت‌ها می‌توان از ابزارهای لوله‌بازکن استفاده کرد تا مرتبا لوله‌ها را تمیز و از گرفتگی آن‌ها جلوگیری کند.
عملکرد لوله فلو بسیار تحت تاثیر کالیبراسیون قرار دارد. عدم دقت در ضریب تخلیه در یک لوله ونتوری یونیورسال، در عددهای رینولدز بیش از ۷۵۰۰۰ برابر با ۰.۵ درصد است. عدم دقت در ونتوری‌های کلاسیک در اعداد رینولدز بیش از ۲۰۰۰۰۰ بین ۰.۷ تا ۱.۵ درصد است. معمولا لوله‌های فلو دارای نمودار ضریب تخلیه هستند، زیرا با کاهش عدد رینولدز، ضریب تخلیه دچار تغییر می‌شود. تغییرات در ضریب تخلیه لوله ونتوری که توسط ناهمواری‌های لوله به وجود می‌آید، کمتر از ۱ درصد است. زیرا بین فلو و سطح داخلی لوله تماس دائم وجود دارد. یکی از معایب لوله‌های ونتوری این است که فضای زیادی را اشغال می‌کنند. همچنین نمی‌توان آن‌ها را برای سنجش فشار بیش از یک سرعت بیشینه تغییر داد.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:
کالیبراسون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری
سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری
سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد
کنداکتیویتی متر بدون الکترود ــ اصول کاری
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
