فلومتر نازل برای اندازه گیری جریان در سرعت های بالای سیال استفاده می شوند و نسبت به اوریفیس پلیت لبه تیز و سفت تر و مقاوم تر در برابر فرسایش هستند. اساساً دو نوع نازل جریان وجود دارد، نازل جریان با شعاع بلند و I.S.A. (فدراسیون بین المللی انجمن استاندارد ملی). یک فلومتر نازل شامل ورودی همگرا که شکل آن یک چهارم بیضی است و یک گلوگاه استوانه ای است. تپ های انداره گیری DP معمولاً یک قطر لوله در بالادست و ½ قطر لوله پایین دست از رابط های نازل قرار دارند. برای یک قطر معین و یک DP معین، امکان اندازه گیری نرخ جریان تقریباً 65٪ بیشتر از اوریفیس پلیت را فراهم می کند.
تاریخچه
فلو نازل‌ها از جمله تجهیزاتی هستند که برای اندازه‌گیری جریان سیالات به کار می‌روند. این نازل‌ها با تبدیل انرژی سیال به انرژی جنبشی، امکان اندازه‌گیری دقیق سرعت، فشار و دبی سیال را فراهم می‌کنند. تاریخچه فلو نازل‌ها ارتباط نزدیکی با پیشرفت‌های مکانیک سیالات و نیاز صنایع به کنترل و اندازه‌گیری دقیق جریان دارد.
تحولات تاریخی فلو نازل‌ها
مطالعه رفتار سیالات از زمان‌های بسیار دور مورد توجه دانشمندان بوده است. ارشمیدس و لئوناردو داوینچی جزو اولین کسانی بودند که اصول اولیه سیالات را بررسی کردند، هرچند در آن زمان نازل‌های اندازه‌گیری جریان به شکل امروزی وجود نداشتند.
در قرن 16 و 17، دانشمندانی مانند گالیله و توریچلی تحقیقات بیشتری در زمینه سیالات انجام دادند، اما روش‌های اندازه‌گیری دقیق دبی هنوز توسعه چندانی نیافته بود.
نقطه عطف این حوزه در سال 1738 رخ داد، زمانی که دانیل برنولی، ریاضیدان هلندی-سوئیسی، قانون معروف خود را در کتاب هیدرودینامیک منتشر کرد. اصل برنولی نشان داد که بین فشار، سرعت و انرژی پتانسیل سیال رابطه‌ای وجود دارد. این اصل، پایه و اساس طراحی دستگاه‌های اندازه‌گیری جریان، از جمله فلو نازل‌ها، شد.
در قرن 19، دستگاهی به نام لوله ونتوری ساخته شد که از اصل برنولی برای اندازه‌گیری دبی سیال استفاده می‌کرد. اثر ونتوری، که نشان می‌دهد کاهش سطح مقطع در یک مسیر جریان باعث کاهش فشار و افزایش سرعت سیال می‌شود، نقش مهمی در توسعه فلو نازل‌ها داشت. این اصل به مهندسان کمک کرد تا درک بهتری از کنترل و اندازه‌گیری جریان سیالات داشته باشند و به این ترتیب فلو نازل‌ها به‌عنوان یکی از تجهیزات پرکاربرد در صنایع مختلف شکل گرفتند.
تاریخچه و توسعه فلو نازل و سندبلاست
فرآیند سندبلاست، به شکلی که امروزه می‌شناسیم، در حدود سال ۱۸۷۰ توسط بنجامین چو تیلغمان توسعه یافت. او مشاهده کرد که باد در بیابان چگونه باعث ساییدگی پنجره‌ها می‌شود و دریافت که ماسه‌ای که با سرعت بالا حرکت کند، می‌تواند تأثیر زیادی بر روی مواد سخت داشته باشد. این ایده باعث شد که او ماشینی طراحی کند که بتواند شن را با سرعتی بسیار بیشتر از باد پرتاب کند و آن را در یک جریان متمرکز هدایت نماید.
دستگاه سندبلاست اولیه‌ی تیلغمان از یک نازل با سوراخ مستقیم برای هدایت هوای فشرده و پرتاب ماسه استفاده می‌کرد. این نازل روی یک سکوی متحرک قرار داشت که امکان هدایت آن در مسیرهای مختلف را فراهم می‌کرد.
ارتباط فلو نازل و لوله ونتوری
با اینکه لوله ونتوری از نظر شکل با فلو نازل تفاوت داشت، هر دو بر اساس یک اصل کار می‌کردند: استفاده از تغییرات فشار برای اندازه‌گیری جریان سیال.
فلو نازل در اوایل قرن بیستم به عنوان یک ابزار دقیق برای اندازه‌گیری جریان سیالات توسعه یافت. این تجهیز، در واقع نوعی اریفیس پلیت (Orifice Plate) با شکل مخروطی بود که به دلیل طراحی خاص خود، دقت بیشتری در اندازه‌گیری جریان داشت.
کاربردهای فلو نازل
هدف اصلی از طراحی فلو نازل، اندازه‌گیری دقیق‌تر جریان در محیط‌هایی با فشار بالا بود. این نازل‌ها به‌ویژه در صنایعی مانند:
- نیروگاه‌های بخار
- خطوط لوله انتقال سیالات
- صنایع شیمیایی و فرآوری مواد
مورد استفاده قرار گرفتند. به لطف توسعه‌ی این فناوری، مهندسان توانستند کنترل بهتری بر روی جریان سیالات در سیستم‌های صنعتی داشته باشند.
در اوایل دهه ۱۹۰۰، مهندسان برای اندازه‌گیری جریان بخار و مایعات در صنایع، از نازل‌ها همراه با گیج‌های فشار دیفرانسیل استفاده کردند. این روش، دقت و کارایی اندازه‌گیری جریان را در مقایسه با روش‌های قدیمی مانند اوریفیس پلیت‌های ساده بهبود بخشید.
در اواسط قرن بیستم، انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) و سایر سازمان‌های بین‌المللی، استانداردهایی را برای طراحی و استفاده از فلو نازل‌ها تدوین کردند. این استانداردها باعث شد فلو نازل‌ها به ابزاری متداول و قابل‌اعتماد برای اندازه‌گیری جریان سیالات در صنایع مختلف تبدیل شوند، از جمله:
- مهندسی شیمی
- تصفیه آب
- تولید برق
یکی از دلایل محبوبیت فلو نازل‌ها، توانایی آن‌ها در تحمل فشار و دماهای بالا بود، که آن‌ها را برای سیستم‌های بخار بهتر از اوریفیس پلیت‌ها می‌کرد.
با گذشت زمان، طراحی این نازل‌ها همچنان پیشرفت کرد. استفاده از مواد مدرن، شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و حسگرهای دیجیتال پیشرفته، امکان ساخت دستگاه‌های دقیق‌تر، کارآمدتر و بادوام‌تر را فراهم کرده است.
بیشتر بخوانید: چطور فلومتر آب مناسب انتخاب کنیم ؟
کاربردهای امروزی و تاریخچه توسعه نازل‌ها
فلو نازل‌ها امروزه به طور گسترده در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و سیستم‌های HVAC برای اندازه‌گیری جریان سیالات استفاده می‌شوند.
در سال ۱۸۸۸، مخترع سوئدی گوستاف د لاوال، نازل جدیدی را برای توربین‌های بخار طراحی کرد که به نازل de Laval یا نازل همگرا-واگرا معروف شد. این نازل دارای شکلی شبیه ساعت شنی نامتقارن بود، به‌طوری‌که در قسمت میانی یک گلوگاه باریک ایجاد می‌کرد.
مهم‌ترین کاربردها:
- اندازه‌گیری جریان بخار در نیروگاه‌ها
- صنایع پتروشیمی و شیمیایی
- اندازه‌گیری جریان گاز و نفت در خطوط لوله
- سیستم‌های انتقال مایعات در صنایع غذایی و دارویی
هدف و کاربرد نازل de Laval
نازل de Laval برای شتاب دادن گازهای تحت فشار به سرعت‌های مافوق صوت طراحی شد. این کار با تبدیل انرژی گرمایی به انرژی جنبشی انجام می‌شد و هدف اصلی آن، افزایش سرعت جریان گاز داغ در داخل توربین‌های بخار بود.
تحولات نازل در صنایع مختلف
در اواسط دهه ۱۹۵۰، این شکل از نازل برای استفاده در نازل‌های انفجار ساینده به‌کار گرفته شد و بعدها مبنای طراحی بسیاری از نازل‌های مدرن شد.
در اواخر قرن نوزدهم، تغییراتی روی این طراحی انجام گرفت تا نازل‌هایی با الگوهای انفجار متنوع یا انحنای خاص برای استفاده در فضاهای محدود ساخته شود.
تفاوت نازل ونتوری و نازل همگرا-واگرا
لازم به ذکر است که در صنعت، نازل‌های همگرا-واگرا که در سیستم‌های انفجار تحت فشار استفاده می‌شوند، به اشتباه با نام نازل ونتوری شناخته می‌شوند. درحالی‌که، از نظر فنی، نازل ونتوری تنها به نازل‌های مکنده اطلاق می‌شود. با این حال، این نام به‌طور گسترده برای تمامی نازل‌های همگرا-واگرا در صنایع مختلف رواج پیدا کرده است.
تعریف فلو نازل
در اندازه‌گیری جریان سیال، محدودیت‌هایی در مسیر جریان ایجاد می‌شود تا افت فشار مشخصی به وجود آید. این افت فشار، بر اساس معادله برنولی به سرعت جریان سیال مربوط می‌شود. فلو نازل یکی از این تجهیزات اندازه‌گیری است که عملکردی مشابه اوریفیس پلیت دارد اما برای جریان‌های با سرعت بالا مناسب‌تر است.
مزایای فلو نازل:
برخلاف اوریفیس پلیت، در برابر فرسایش و حفره‌زایی مقاوم‌تر است.
دارای ورودی صاف است که باعث می‌شود ضریب دبی بالاتری نسبت به سایر دبی‌سنج‌های اختلاف فشار داشته باشد.
ظرفیت اندازه‌گیری دبی بیشتری را در مقایسه با سایر دبی‌سنج‌ها با همان اندازه فراهم می‌کند.
از نظر کارایی و هزینه، فلو نازل بین اوریفیس پلیت و ونتوری تیوب قرار می‌گیرد. در مقایسه با اوریفیس پلیت:
- افت فشار کمتری ایجاد می‌کند.
- به دقت ساخت بالاتری نیاز دارد.
- به دلیل نداشتن لبه تیز، دقت اندازه‌گیری آن در طول زمان حفظ می‌شود.
انواع فلو نازل و کاربردهای آن
نازل‌ها تجهیزاتی هستند که برای کنترل یا اندازه‌گیری جریان سیالات به کار می‌روند و بسته به نیاز صنعتی در شکل‌ها، اندازه‌ها و ویژگی‌های مختلفی طراحی و تولید می‌شوند. در ادامه با انواع مختلف فلو نازل و کاربردهای آن‌ها آشنا می‌شویم:
1. فلو نازل اوریفیسی (Orifice-like Flow Nozzles)
این نوع فلو نازل شباهت زیادی به اوریفیس پلیت دارد و با ایجاد افت فشار بین دو مقطع، جریان سیال را اندازه‌گیری می‌کند. دقت بالا و تحمل فشار زیاد از ویژگی‌های اصلی آن است.
ویژگی‌ها: مناسب برای جریان‌های بخار و مایعات، افزایش دقت اندازه‌گیری
کاربرد: نیروگاه‌ها، صنایع پتروشیمی، انتقال نفت و گاز
انواع:
فلو نازل ASME: دارای طراحی گرد و صاف که باعث کاهش سایش و افزایش طول عمر نازل می‌شود. از استاندارد ASME MFC-3M پیروی می‌کند و برای سیستم‌هایی با عدد رینولدز بالا مناسب است.
فلو نازل ISA 1932: برای جریان‌های پرسرعت و فرسایشی استفاده می‌شود و نسبت به اوریفیس پلیت، تا 55٪ دبی بیشتری را اندازه‌گیری می‌کند.
بیشتر بخوانید: فلومتر لوله پیتوت چیست و چگونه کار می کند؟
2. فلو نازل مخروطی (Conical Nozzles)
این نازل‌ها با استفاده از سطح مخروطی، سرعت سیال را افزایش می‌دهند و معمولاً در سیستم‌هایی که نیاز به جریان پرسرعت دارند، استفاده می‌شوند.
ویژگی‌ها: طراحی ساده، افزایش سرعت سیال
کاربرد: موتورهای جت، توربین‌ها، پمپ‌های صنعتی
3. نازل ونتوری (Venturi Nozzles)
در این نوع نازل، سیال از یک گلوگاه باریک عبور کرده که باعث کاهش فشار و افزایش سرعت می‌شود. این ویژگی برای اندازه‌گیری دقیق جریان کاربرد دارد.
ویژگی‌ها: دقت بالا، عملکرد مستقل از ویسکوزیته سیال
کاربرد: اندازه‌گیری جریان در سیستم‌های انتقال مایعات، صنایع نفت، گاز و بخار
4. نازل دوتایی (Dual Nozzles)
این نازل‌ها دارای دو یا چند ورودی هستند و امکان عبور همزمان چند نوع سیال را فراهم می‌کنند.
ویژگی‌ها: ترکیب و پخش چند نوع سیال به‌طور همزمان
کاربرد: صنایع دارویی، آزمایشگاهی، پتروشیمی، سیستم‌های آبیاری
5. نازل گازی (Gas Nozzles)
این نازل‌ها برای هدایت و کنترل جریان گازها طراحی شده‌اند و معمولاً در سیستم‌های احتراق و موتورهای جت کاربرد دارند.
ویژگی‌ها: کنترل دقیق جریان گاز، افزایش سرعت و فشار
کاربرد: نیروگاه‌ها، موتورهای جت، فرآیندهای گازسازی
6. نازل سوخت‌رسان (Fuel Nozzles)
این نازل‌ها برای انتقال سوخت به موتورهای احتراق داخلی طراحی شده و به دقت در میزان تزریق سوخت کمک می‌کنند.
ویژگی‌ها: دقت بالا، مقاومت در برابر خوردگی
کاربرد: خودروها، موتورهای دیزلی و جت
7. نازل دیافراگمی (Diaphragm Nozzles)
در این نوع نازل، دیافراگم میزان جریان سیال را کنترل می‌کند و برای اندازه‌گیری دقیق دبی مناسب است.
ویژگی‌ها: دقت بالا، مناسب برای سیالات با ویسکوزیته زیاد
کاربرد: صنایع دارویی، تصفیه آب و فاضلاب
8. نازل لیزری (Laser Nozzles)
این نازل‌ها از فناوری لیزر برای اندازه‌گیری دقیق جریان گاز یا مایعات استفاده می‌کنند و در محیط‌های حساس و آزمایشگاهی کاربرد دارند.
ویژگی‌ها: اندازه‌گیری دقیق با فناوری لیزر
کاربرد: تحقیقات علمی، آزمایشگاه‌ها، صنایع دقیق
9. فلو نازل برای سیالات غیرنیوتنی (Non-Newtonian Flow Nozzles)
این نازل‌ها به‌طور خاص برای سیالات غیرنیوتنی (مانند مایعات غلیظ که ویسکوزیته آن‌ها تغییر می‌کند) طراحی شده‌اند.
ویژگی‌ها: اندازه‌گیری دقیق دبی سیالات غیرنیوتنی
کاربرد: صنایع غذایی، دارویی، نفت و گاز
10. نازل آکوستیکی (Acoustic Flow Nozzles)
این نازل‌ها با استفاده از امواج صوتی، تغییرات فشار را اندازه‌گیری کرده و برای جریان‌های پیچیده مناسب هستند.
ویژگی‌ها: دقت بالا، مناسب برای اندازه‌گیری سیالات خاص
کاربرد: تحقیقات علمی، سیستم‌های آزمایشگاهی
11. نازل پرتابی (Injecting Flow Nozzles)
این نازل‌ها برای تزریق سیالات به یک جریان اصلی طراحی شده و معمولاً در سیستم‌های تزریق گاز و مایعات استفاده می‌شوند.
ویژگی‌ها: کنترل دقیق میزان تزریق
کاربرد: صنایع شیمیایی، دارویی، فرایندهای صنعتی
عملکرد فلو نازل
فلو نازل بر اساس تغییر فشار در طول مسیر خود کار می‌کند. طبق اصل برنولی، در باریک‌ترین بخش نازل (Throat)، سرعت سیال به حداکثر و فشار به حداقل می‌رسد. این تغییرات فشار برای اندازه‌گیری جریان سیال مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً فشار قبل و بعد از نازل اندازه‌گیری می‌شود تا بتوان دبی سیال را محاسبه کرد.
ساختار و طراحی فلو نازل
فلو نازل‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند تغییرات فشار ناشی از جریان سیال را با دقت ثبت کنند.
اجزای اصلی فلو نازل
ورودی (Inlet):
سیال از این قسمت وارد نازل می‌شود. طراحی این بخش به گونه‌ای است که جریان به صورت یکنواخت وارد شود و از ایجاد آشفتگی جلوگیری کند.
ناحیه تنگ‌شونده (Converging Section):
در این قسمت، قطر نازل کم می‌شود که باعث افزایش سرعت و کاهش فشار سیال می‌گردد.
ناحیه باریک (Throat):
این بخش باریک‌ترین قسمت نازل است که در آن، سرعت سیال به بالاترین مقدار و فشار به کمترین مقدار می‌رسد. این ناحیه محل اصلی اندازه‌گیری جریان است.
ناحیه گشاد‌شونده (Diverging Section):
در این قسمت، نازل به تدریج گشاد شده و سرعت سیال کاهش می‌یابد، درحالی‌که فشار آن افزایش می‌یابد. این طراحی باعث می‌شود جریان خروجی از نازل به طور یکنواخت‌تر باشد.
جنس و ساخت فلو نازل
مواد مورد استفاده: فلو نازل‌ها معمولاً از فلزات مقاوم مانند استیل ضد زنگ یا تیتانیوم ساخته می‌شوند تا در برابر فشار و خوردگی مقاوم باشند. در برخی موارد، از پلاستیک‌های مقاوم نیز استفاده می‌شود.
- مقاومت در برابر سایش: به دلیل سرعت بالای سیال، فلو نازل‌ها باید در برابر سایش مقاوم باشند تا دقت اندازه‌گیری در طولانی‌مدت حفظ شود.
- سطح داخلی صاف: برای جلوگیری از ایجاد آشفتگی در جریان سیال و افزایش دقت اندازه‌گیری، سطح داخلی نازل کاملاً صیقلی طراحی می‌شود.
- استانداردهای طراحی: فلو نازل‌ها بر اساس استانداردهایی مانند ASME و ISO ساخته می‌شوند تا عملکرد دقیق و قابل اعتمادی داشته باشند.
ابعاد و اندازه‌های فلو نازل
سایز فلو نازل‌ها بر اساس نوع سیال، میزان جریان، فشار و دمای سیستم انتخاب می‌شود.
انواع سایز فلو نازل‌ها
- نازل‌های کوچک: قطر ۱ تا ۴ اینچ (مناسب برای جریان‌های کم‌حجم و فشار پایین)
- نازل‌های متوسط: قطر ۶ تا ۱۲ اینچ (مناسب برای کاربردهای صنعتی مانند صنایع شیمیایی و پتروشیمی)
- نازل‌های بزرگ: قطر ۱۶ اینچ به بالا (مناسب برای نیروگاه‌ها و صنایع نفت و گاز)
مزایا و معایب فلو نازل
مزایا:
- دقت بالا در اندازه‌گیری جریان
- مقاومت بالا در برابر سایش و خوردگی
- مناسب برای جریان‌های با سرعت بالا
- عمر طولانی به دلیل نداشتن قطعات متحرک
- نیاز کم به تعمیر و نگهداری
معایب:
- نصب پیچیده‌تر نسبت به اوریفیس پلیت
- افت فشار دائمی بیشتر از ونتوری تیوب
- حساسیت به تغییرات دما و فشار سیال
- مناسب نبودن برای سیالات با ویسکوزیته بالا یا دبی‌های خیلی کم
با توجه به ویژگی‌های فوق، فلو نازل‌ها در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارند و به دلیل دقت و دوام بالا، یکی از مهم‌ترین تجهیزات اندازه‌گیری جریان محسوب می‌شوند.
