فلومتر ونتوری چیست؟

فلومتر ونتوری نوعی فلومتر است که بر اساس معادله برنولی کار می کند. این ابزار به طور گسترده در صنایع آب، شیمیایی، دارویی، نفت و گاز برای اندازه گیری دبی سیال در داخل لوله استفاده می شود. سطح مقطع لوله کاهش می یابد تا اختلاف فشار ایجاد شود که با یک مانومتر اندازه گیری می شود تا میزان جریان سیال را تعیین کند. فلومتر ونتوری یک فلومتر از نوع هد دیفرانسیل است که انرژی فشار را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. اصل venturimeter توسط Giovanni Battista Venturi (از این رو نام venturimeter) نشان داده شد، اما برای اولین بار در کاربردهای اندازه گیری عملی توسط Clemens Herschel مورد استفاده قرار گرفت. در این مقاله، قطعات، اصول کار، معادلات و کاربردهای فلومتر ونتوری را بررسی خواهیم کرد.

تاریخچه فلومتر ونتوری

ونتوری تیوب فلومتر یکی از مهم‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری جریان سیالات است که تاریخچه آن با تحقیقات سه دانشمند برجسته گره خورده است: دانیل برنولی (1700-1782)، جیووانی باتیستا ونتوری (1746-1822) و کلمنس هرشل (1842-1930).

جیووانی باتیستا ونتوری در سال 1746 در یک خانواده مرفه در نزدیکی رجیو امیلیا، ایتالیا، به دنیا آمد. او شاگرد لازارو اسپالانزانی و بوناونتورا کورتی بود و علاقه زیادی به علم داشت. در 23 سالگی به عنوان کشیش و استاد دانشگاه منصوب شد و بعدها در دانشگاه مودنا به تدریس ریاضیات و هندسه پرداخت. او همچنین به تاریخ علم علاقه‌مند بود و یکی از اولین افرادی بود که لئوناردو داوینچی را به عنوان یک دانشمند معرفی کرد، نه صرفاً یک هنرمند. در طول زندگی حرفه‌ای خود، ونتوری به عنوان ریاضیدان دربار، مهندس دولتی و حسابرس نیز فعالیت کرد و در سال 1796 به پاریس نقل مکان کرد. مهم‌ترین اثر علمی او کتاب «تحقیقات تجربی در مورد انتقال سیال جانبی» بود.

ونتوری در مطالعات خود مشاهده کرد که وقتی یک سیال از میان یک کانال باریک عبور می‌کند، سرعت آن افزایش یافته و فشار کاهش می‌یابد. او ابزاری طراحی کرد که شامل یک لوله با یک بخش گلوگاهی باریک در وسط بود. او در سال 1797 مطالعه‌ای درباره جریان آب در لوله‌های استوانه‌ای کوتاه منتشر کرد و نشان داد که فشار سیال هنگام عبور از یک انقباض کاهش می‌یابد. او این دستگاه را با اتصال دو مخروط کوتاه از طریق یک بخش باریک در وسط ساخت و برای اندازه‌گیری فشار، سوراخ‌هایی در دیواره ورودی و قسمت گلوگاهی ایجاد کرد.

با این حال، فلومتر ونتوری به‌خودی‌خود برای اندازه‌گیری جریان سیالات به کار گرفته نشد تا زمانی که کلمنس هرشل، مهندس هیدرولیک، در سال 1885 آن را به ثبت رساند. او از این ابزار برای اندازه‌گیری جریان آب در آسیاب‌های آبی استفاده کرد. اما با گذر زمان، فلومتر ونتوریدر بسیاری از صنایع برای اندازه‌گیری جریان سیالات به‌کار گرفته شد، به‌ویژه در خطوط لوله‌ای که گازها را تحت فشار بالا انتقال می‌دهند. این ابزار با ترکیب اصل برنولی و قوانین پایستگی جریان، اختلاف فشار را محاسبه کرده و میزان جریان سیال را تعیین می‌کند.

تعریف ونتوری

فلومتر ونتوری نوعی دبی‌سنج فشار تفاضلی است که با اندازه‌گیری اختلاف فشار در دو نقطه مختلف، جریان سیال را محاسبه می‌کند. این اختلاف فشار به دلیل کاهش قطر لوله در وسط ونتوری ایجاد می‌شود که موجب افزایش سرعت جریان و افت فشار می‌گردد. این تغییرات بر اساس اصل برنولی عمل می‌کند که بیان می‌کند با افزایش سرعت جریان، فشار کاهش می‌یابد.

 

اثر ونتوری نشان می‌دهد که در یک سیستم با انرژی مکانیکی ثابت، عبور سیال از یک ناحیه باریک موجب افزایش سرعت و کاهش فشار استاتیکی آن می‌شود. به همین دلیل، این پدیده را گاهی “پارادوکس هیدرودینامیکی” می‌نامند. به‌طور کلی، هرچه مقطع عبور جریان کاهش یابد، فشار نیز کاهش می‌یابد.

 

کاربردهای متعددی برای اثر ونتوری وجود دارد. به عنوان مثال، در کاربراتور خودرو، هوا از طریق کانال ونتوری عبور می‌کند و فشار کاهش‌یافته در گلوی آن، بخار بنزین را به داخل می‌کشد. این اصل در رگ‌های بدن انسان نیز دیده می‌شود. همچنین، بسیاری از موتورها مانند موتور سیکلت، خودروهای قدیمی، اسکوترهای گازسوز و ماشین‌های چمن‌زنی از این مکانیزم بهره می‌برند. در کاربراتور، هوای فیلتر شده از یک لوله باریک عبور کرده و باعث افزایش سرعت و ایجاد خلا می‌شود که در نتیجه، سوخت را جذب و با هوا مخلوط می‌کند. افزایش دریچه گاز موجب ورود سوخت بیشتر و افزایش قدرت موتور می‌شود.

 

طراحی و عملکرد لوله ونتوری بیش از 100 سال است که در صنعت به عنوان ابزاری دقیق و قابل‌اعتماد برای اندازه‌گیری جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد. استانداردهایی مانند ASME MFC-3M و ISO 5167 مشخصات دقیق طراحی، ساخت و عملکرد این ابزار را تعیین کرده‌اند. این استانداردها جزئیاتی مانند اندازه حداقل و حداکثر لوله، طول کلی، محل شیرهای فشار و الزامات نصب را مشخص می‌کنند. رعایت این استانداردها برای اطمینان از عملکرد صحیح و دقت فلومتر ونتوریضروری است.

 

طبق استاندارد ISO 5167-3، فلومتر ونتوریفقط برای جریان‌های تک‌فاز مناسب است و در محدوده‌های مشخصی از اندازه لوله و عدد رینولدز قابل استفاده می‌باشد. این فلومتر برای اندازه‌گیری جریان‌های ضربانی مناسب نیست و برای لوله‌هایی با قطر کمتر از 50 میلی‌متر یا بیشتر از 630 میلی‌متر و همچنین رینولدز کمتر از 10000 کاربردی ندارد.

 

استاندارد ASME MFC-3M نیز هندسه و روش استفاده از اوریفیس پلیت‌ها، نازل‌ها و ونتوری تیوب‌ها را برای اندازه‌گیری جریان سیالات در مجاری پرکار مشخص می‌کند و اطلاعاتی درباره نرخ جریان و میزان عدم‌قطعیت آن ارائه می‌دهد.

 

در این فلومتر، جریان به گونه‌ای فشرده می‌شود که ابتدا سطح مقطع عبور کاهش یافته، سپس در یک طول مشخص ثابت می‌ماند و در نهایت، مقطع عبور جریان مجدداً افزایش می‌یابد. این روش به‌طور گسترده‌ای در انتقال گاز از طریق خطوط لوله استفاده می‌شود و قدمت آن به دوران امپراتوری روم بازمی‌گردد. ضریب دبی ونتوری بین 0.93 تا 0.97 متغیر است و تلفات دائمی آن حدود 40 درصد اختلاف فشار تولیدشده می‌باشد. این فلومتر، پس از نازل جریانی، کمترین افت فشار دائمی را دارد.

 

برای جلوگیری از ایجاد جریان چرخشی در ورودی ونتوری متر، ممکن است نیاز به نصب صافی (Strainer) باشد که می‌تواند بر کالیبراسیون دستگاه تأثیر بگذارد. همچنین، توصیه می‌شود حداقل فاصله مستقیم در بالادست این فلومتر 10 برابر قطر لوله باشد. خطای اندازه‌گیری فلومتر ونتوری معمولاً در محدوده ±0.5% تا ±1% مقدار دبی واقعی قرار دارد.

 

این استاندارد برای اندازه‌گیری جریان انواع سیالات (مایعات، گازها و بخارها) کاربرد دارد، اما برای لوله‌هایی با قطر کمتر از 50 میلی‌متر مناسب نیست. همچنین، این ابزار برای سیالاتی که جریان آشفته پایداری دارند یا به‌آرامی تغییر می‌کنند، عملکرد مطلوبی دارد. علاوه بر این، میزان عدم‌قطعیت‌های مربوط به این ابزار در بخش‌های مختلف استاندارد مشخص شده است.

 

برای افزایش دقت فلومتر ونتوری، از ترانسمیتر دما و سطح استفاده می‌شود تا تغییرات محیطی شناسایی و در محاسبات جریان لحاظ شوند. در برخی سیستم‌ها، داده‌های ترانسمیتر دما و ترانسمیتر سطح مستقیماً به فلومتر متصل میشه و باعث تصحیح خودکار اندازه‌گیری دبی میشه.

کارکرد فلومتر ونتوری

اصل کارکرد فلومتر ونتوری اثر برنولی است. ونتوری با کاهش سطح مقطع جریان در مسیر جریان و ایجاد اختلاف فشار، دبی سیال را اندازه گیری می کند. پس از ایجاد اختلاف فشار، سیال از یک بخش خروجی بازیابی فشار عبور می کند که در آن تا 80٪ فشار دیفرانسیل تولید شده در گلو بازیابی می شود.

 

 

 

 

در تصویر بالا، سیال، اعم از مایع یا گاز، در محل با سطح مقطع A1، فشار P1 و سرعت v1 وارد ونتوری می شود. این خواص پتانسیل و انرژی جنبشی سیال را در یک مکان تشکیل می دهند. انرژی در یک سیستم بسته حفظ می شود، یعنی مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی در یک مکان باید با مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل در هر مکان دیگر در سیستم برابر باشد.

اگر انرژی پتانسیل در یک مکان کاهش یابد، انرژی جنبشی باید به طور متناسب در آن مکان افزایش یابد. مایع در حال حاضر با یک ناحیه جدید A2 که کوچکتر از A1 است وارد گلوی ونتوری می شود. در یک سیستم بسته، جرم نه می تواند ایجاد شود و نه از بین برود (قانون بقای جرم، به سادگی، آنچه وارد می شود، باید خارج شود)، و به این ترتیب، دبی حجمی در ناحیه A1 باید با دبی حجمی در ناحیه A2 برابر باشد.

اگر منطقه در محل A2 کوچکتر از A1 باشد، سیال باید سریعتر حرکت کند تا دبی حجمی یکسانی را حفظ کند. این افزایش سرعت منجر به کاهش فشار می شود که از معادله برنولی پیروی می کند. نتیجه با دانستن فشار و سطح مقطع در دو مکان می توان سرعت سیال را محاسبه کرد. با سرعت سیال و چگالی آن می توان دبی را محاسبه کرد.

یک ونتوری برای تعیین دقیق جریان به دو فشار و یک اندازه گیری دما نیاز دارد. فشار اول در مکان بالادست ونتوری، P1 اندازه گیری می شود. این برای محاسبه چگالی و ورودی سمت بالا به اندازه گیری فشار دیفرانسیل استفاده می شود.

نمودار فلومتر ونتوری

 

 

این ابزار اندازه‌گیری جریان سیال با طراحی ساده‌ای که دارد از سه بخش اصلی تشکیل شده است: مخروط همگرا، گلوگاه استوانه‌ای، و مخروط واگرا

مخروط همگرا

این بخش به ورودی لوله متصل می‌شود و به‌صورت مخروطی شکل است. زاویه همگرایی آن معمولاً بین 20 تا 22 درجه است. در این قسمت، سطح مقطع کاهش می‌یابد که باعث افزایش سرعت سیال و کاهش فشار آن می‌شود.

گلوگاه استوانه‌ای

این بخش که در وسط فلومتر قرار دارد، قطر کمتری نسبت به بخش ورودی دارد. کاهش قطر باعث افزایش سرعت سیال و افت فشار می‌شود. این کاهش فشار نقش مهمی در عملکرد فلومتر دارد و به شکلی طراحی شده که از رسیدن سیال به فشار بخار جلوگیری کند.

مخروط واگرا

آخرین بخش فلومتر ونتوری، مخروط واگرا است که به لوله خروجی متصل می‌شود. در این قسمت، قطر لوله با زاویه‌ای بین 5 تا 15 درجه افزایش پیدا می‌کند. این زاویه کم، از ایجاد گرداب و افت انرژی در جریان سیال جلوگیری می‌کند.

افت فشار و ضریب جریان

در لوله‌های ونتوری، افت فشار دائمی از طریق فرمول V²/2g محاسبه می‌شود که در آن V سرعت سیال و g شتاب گرانش است. ضریب جریان (C) در این فلومتر مقدار ثابتی بین 0.935 تا 0.988 دارد. همچنین مقدار B که نسبت قطر گلوگاه به قطر ورودی است، معمولاً بین 0.25 تا 0.5 قرار دارد، اما در برخی موارد ممکن است تا 0.75 هم برسد.

مزایا و کاربردها

ونتوری مترها در شرایطی که به افت فشار کم، دقت بالا، لوله‌کشی مستقیم کوتاه، و قابلیت عبور سیالات حاوی ذرات نیاز است، استفاده می‌شوند. این ابزار از مواد مختلفی مثل فولاد کربنی، فولاد ضدزنگ، نیکل، برنز، برنج، فایبرگلاس، و PVC ساخته می‌شود.

ویژگی‌های مهم لوله ونتوری:

• مقاومت بالا در برابر سایش و نیاز کم به تعمیر و نگهداری
• طول عمر طولانی (در برخی موارد، برابر با عمر کارخانه)
• کاهش مصرف انرژی تا 20 تا 25 درصد و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای
• نصب آسان و بدون نیاز به کالیبراسیون پیچیده
• دقت اندازه‌گیری 0.5 درصد از نرخ جریان واقعی

اندازه و هزینه

این فلومترها در اندازه‌های 2 تا 72 اینچ تولید می‌شوند. هرچند هزینه اولیه آن‌ها بالاست، اما به دلیل کاهش هزینه‌های نصب، نگهداری، و انرژی، هزینه کلی مالکیت آن‌ها مقرون‌به‌صرفه است.

کاربردهای صنعتی

فلومترهای ونتوری در پالایشگاه‌های نفت، نیروگاه‌ها، صنایع آب و فاضلاب، پتروشیمی و انتقال گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند. جالب است بدانید که برخی از شرکت‌های آب و فاضلاب هنوز هم از ونتوری مترهایی که بیش از 100 سال عمر دارند، به‌ویژه در خطوط بزرگ‌تر از 48 اینچ، استفاده می‌کنند.

متریال فلومتر ونتوری

فلومتر ونتوری های کوچکتر از برنج، شیشه یا برنز و فلومتر ونتوری  های بزرگتر از چدن، فولاد یا فولاد ضد زنگ ساخته می شوند.

انواع فلومتر ونتوری

سه نوع فلومتر ونتوری موجود است:

فلومتر ونتوری افقی

انرژی جنبشی این نوع فلومتر ونتوری زیاد و انرژی پتانسیل پایین است. برای اندازه گیری جریان آب از یک فلومتر ونتوری افقی با قطر ورودی 200 میلی متر و قطر گلوگاه 100 میلی متر استفاده می شود.

 

فلومتر ونتوری عمودی

انرژی پتانسیل این نوع فلومتر ونتوری زیاد و انرژی جنبشی پایین است.

 

فلومتر ونتوری شیبدار

انرژی پتانسیل و جنبشی در بین دو نوع ذکر شده در بالا قرار دارند.

 

 

کاربردهای فلومتر ونتوری

فلومتر ونتوری  به طور گسترده در صنایع سیال مورد استفاده قرار می گیرند. کاربرد عمده فلومتر ونتوری عبارتند از:

• فلومتر ونتوری برای اندازه گیری جریان هوا در کاربراتورهای موتور (بخش خودرو) استفاده می شود.
• فلومتر ونتوری برای اندازه گیری و کنترل جریان فرآیند در صنایع فرآیندی (صنایع لوله کشی فرآیند و نیرو) استفاده می شود.
• در صنعت پزشکی، جریان خون در شریان‌ها توسط دستگاه اندازه‌گیری اندازه‌گیری می‌شود.
• جریان سیال در داخل خطوط لوله (صنایع نفت و گاز) توسط فلومتر ونتوری اندازه گیری می شود.

کدها و استانداردهای فلومتر ونتوری

کدها و استانداردهایی که دستورالعمل های مربوط به فلومتر ونتوری را ارائه می دهند:

•      ISO 5167
•      ISO 9300
•      AWWA M33
•      ISO TR 15377
•      BS 1042
•      ASME MFC-8M
•      ASTM D2458
•      AGA 9

نصب فلومتر ونتوری

نصب فلومتر ونتوری برای عملکرد بهینه آن ضروری است. در نتیجه، فلومتر ونتوری باید طبق دستورالعمل سازنده نصب شود. هنگام نصب فلومتر ونتوری در سیستم های لوله کشی یا لوله کشی، دستورالعمل های زیر باید رعایت شود:

• فلش جهت فلومتر ونتوری باید بررسی و نصب شود تا با جهت جریان مطابقت داشته باشد.
• فلنج های فلومتر ونتوری در انتها باید به طور مناسب با فلنج های لوله کشی در یک راستا قرار گیرند.
• در یک فلومتر ونتوری ، هیچ تکیه گاه لوله ای نباید نصب شود.
• پیچ و مهره ها نباید بیش از حد گشتاور شوند.
• تلورانس ها برای نصب باید در استانداردهای صنعتی باشد.
• برای کاربردهای خدمات مایع، شیرهای فشار باید به صورت افقی جهت گیری شوند.

فلومتر ونتوری بالادست و پایین دست پای مستقیم مورد نیاز

برای عملکرد مناسب و نتایج دقیق، جریان از طریق فلومتر ونتوری باید ثابت باشد. این به حداقل طول لوله مستقیم در بالادست و پایین دست ونتوری متر نیاز دارد. نیاز پای صاف بسته به نوع اتصال، نوع ونتوری متر و نسبت بتا (قطر گلو تقسیم بر قطر ورودی) متفاوت است. تصویر زیر یک جدول نمونه را ارائه می دهد که نیازهای معمولی پای قدرت را هنگام نصب فلومتر ونتوری در یک سیستم لوله کشی ارائه می دهد.

 

معایب فلومتر ونتوری

• هزینه بالا
• بازرسی به دلیل ساخت آن دشوارتر است
• محدودیت عدد رینولدز پایین تر از 150000، (البته برخی داده ها وجود دارد تا شماره رینولدز 50000 در برخی اندازه ها موجود است.)

• ارقام کالیبراسیون محاسبه شده دقت کمتری نسبت به صفحات روزنه ای دارند.
• برای دقت بیشتر، هر لوله ونتوری جداگانه باید با عبور جریان های شناخته شده از فلومتر ونتوری و ثبت فشارهای دیفرانسیل حاصل، کالیبره شود.
• جریان در سیستم انتقال حرارت اولیه همراه با دما
• با تغییر در این کانال های سوخت، توان حرارتی راکتور را می توان محاسبه کرد.