لوله ونتوری چیست؟ و کاربردهای لوله ونتوری

لوله ونتوری (Venturi Tube) یکی از تجهیزات مهم و پر کاربرد در لوله کشی است که وظیفه شاخص اندازه گیری دبی جریان (Flow Rate) را دارد. در مکانیک سیالات دو گونه دبی جریان وجود دارد که هر دو توسط لوله ونتوری قابل اندازه گیری هستند. گونه اول دبی جرمی جریان (Mass Flow Rate) و گونه دوم دبی حجمی جریان (Volumetric Flow Rate) است. در ادامه به معرفی این دو دبی می پردازیم.

همان طور که می دانید دبی جرمی جریان به زبان ساده نشان دهنده میزان جرم سیال عبوری از یک مقطع از لوله در واحد زمان است که جزو پارامترهای مهم است. این پارامتر از حاصل ضرب چگالی سیال در مساحت سطح مقطع لوله و سرعت سیال بدست می آید. در فرمول زیر نحوه محاسبه دبی جرمی که توسط لوله ونتوری قابلیت اندازه گیری دارد، نشان داده شده است:

در این فرمول داریم:

به علاوه دبی حجمی نشان دهنده میزان حجم سیال عبوری از یک مقطع از لوله در واحد زمان است که یکی از پارامترهای مهم جریان به شمار می رود. این پارامتر از حاصل ضرب مساحت سطح مقطع لوله در سرعت سیال بدست می آید. در فرمول زیر نحوه محاسبه دبی حجمی که توسط لوله ونتوری قابلیت اندازه گیری دارد، نشان داده شده است:

در این فرمول داریم:

نکته اصلی و مسئله مهم در کاربرد های واقعی، نحوه پیدا کردن دبی جرمی و حجمی جریان است. در هنگام استفاده از لوله ونتوری مسئله به پیدا کردن اختلاف فشار و سپس پیدا کردن سرعت جریان تبدیل می شود. به طور خلاصه مسئله اصلی پیش رو محاسبه سرعت جریان سیال (V) است. پس از یافتن سرعت، می توان از فرمول های بالا استفاده نمود. برای پیدا کردن سرعت جریان سیال از لوله ونتوری استفاده می شود.

اما اکنون دو پرسش مهم وجود دارند که نیاز به پاسخ درخور دارند.

اولین پرسش این است که لوله ونتوری چیست؟

دومین پرسش این است که نحوه کارکرد لوله ونتوری چگونه است؟

در ادامه به معرفی لوله ونتوری به زبان ساده می پردازیم و ابتدا با اثر ونتوری آشنا می شویم و سپس نحوه ساز و کار و کارکرد لوله ونتوری را بررسی می کنیم. و در انتها با کاربرد های لوله ونتوری آشنا می شویم.

لوله ونتوری چیست؟

به زبان ساده لوله ونتوری، ابزاری برای اندازه گیری دبی های جریان است. برای آشنایی بیشتر با لوله ونتوری، تعریف آن و نحوه کارکردش، لازم است ابتدا با یک پدیده و اثر مهم در مکانیک سیالات به نام اثر ونتوری آشنا شویم.

اثر ونتوری، اثر کاهش فشار در سیال است هنگامی که سیال از قسمت تنگ لوله (با سطح مقطع کمتر) عبور می کند. این اتفاق مطابق با معادله برنولی در سیالات تراکم ناپذیر رخ می دهد. طبق معادله برنولی با افزایش سرعت، شاهد کاهش فشار خواهیم بود. اتفاقی که در لوله ونتوری می افتد و به نام اثر ونتوری شناخته می شود نیز از همین نوع است.

از آن جایی که درون یک لوله در دو سطح مقطع متفاوت، میزان دبی جرمی جریان ثابت باقی می ماند و چگالی یکسان است، در صورت کم شدن سطح مقطع در یک قسمت، سرعت در آن مقطع افزایش می یابداین یعنی به عنوان مثال در صورتی که

باشد، خواهیم داشت:

مطابق معادله برنولی با افزایش سرعت در یک مقطع از جریان، شاهد کاهش فشار در آن مقطع خواهیم بود و این اتفاق همان اثر ونتوری است که در لوله ونتوری رخ می دهد. لازم به ذکر است که اثر ونتوری به نام جیووانی باتیستا ونتوری دانشمند ایتالیایی نامگذاری شده ‌است.

اثر ونتوری و در نتیجه استفاده از لوله ونتوری دارای یک محدودیت مهم است که به شرح زیر است:

محدودیت اثر ونتوری هنگامی است که لوله ونتوری آنقدر باریک شود (سطح مقطع کم شود) که سیال به حالت چوک یا خفگی برسد. در این هنگام سرعت سیال به سرعت صوت‌ می رسد. اتفاقی که رخ می دهد این است که وقتی سیال به حالت خفگی‌ می رسد دبی جرمی سیال با کاهش بیشتر فشار افزایش پیدا نمی کند و دیگر معادلات مورد استفاده برای اندازه گیری دبی کارکرد ندارند.

تصویر زیر نشان دهنده اثر ونتوری است که در لوله ونتوری رخ می دهد. در این تصویر فشار استاتیک در مقطع 1 بیشتر از فشار استاتیک در مقطع 2 است. همچنین سرعت در مقطع 2 بیشتر از سرعت در مقطع 1 هست.

حال به تعریف لوله ونتوری می رسیم. به زبان ساده لوله ونتوری را می توان اینگونه تعریف کرد:

لوله ونتوری یکی از جریان سنج های اختلاف فشاری است که با اندازه گیری اختلاف فشاری که با جریان سیال متناسب است، جریان عبوری را اندازه گیری می کند. در واقع لوله ونتوری با استفاده از اثر ونتوری و اندازه گیری اختلاف فشار همراه با به کار بردن ترکیبی از معادله پیوستگی و معادله برنولی، دبی های جریان را اندازه گیری می کند.

ساختار لوله ونتوری

قسمت های مختلف یک لوله ونتوری به شرح زیر است که در تصویر پایین هم قابل مشاهده است:

• ورودی اصلی (Inlet Main)
• مخروط همگرا (Converging Cone)
• گلویی (Throat)
• فشار سنج (Manometer)
• مخروط واگرا (Diverging Cone)
• خروجی اصلی (Outlet Main)

وظیفه اصلی در لوله ونتوری بر عهده فشار سنج است که اختلاف فشار ناشی از کم شدن سطح مقطع بین ورودی اصلی و گلویی را اندازه گیری می کند. معمولا برای بالا رفتن دقت اندازه گیری اختلاف فشار از چند سوراخ در ناحیه گلویی برای خارج کردن جریان و اندازه گیری فشار در آن مقطع استفاده می کنند.

ورودی و خروجی اصلی هر دو دارای سطح مقطعی یکسان از نظر اندازه با خط لوله اصلی دارند. وظیفه مخروط همگرا رساندن اندازه سطح مقطع ورودی اصلی لوله ونتوری به اندازه سطح مقطع گلویی لوله ونتوری است. وظیفه مخروط واگرا به طور عکس، رساندن اندازه سطح مقطع گلویی لوله ونتوری به اندازه سطح مقطع خروجی اصلی لوله ونتوری است.

اکنون به طور ویژه درباره هر کدام از قسمت های لوله ونتوری اطلاعاتی را خواهیم دید.

• مخروط همگرا

قسمتی از لوله ونتوری است که در آن سطح مقطع به شکل مخروطی برای اتصال به قسمت استوانه گلویی تغییر می کند. مخروط همگرا به لوله ورودی متصل است. سطح مقطع از ابتدا تا انتهای این قسمت در حال کاهش است. نکاتی که باید درباره مخروط همگرا بدانیم یکی زاویه همگرایی است و دیگری طول آن.

زاویه همگرایی به طور معمول بین ۲۰ تا ۲۲ درجه است و طول آن معادل  است. D قطر قسمت ورودی اصلی و d قطر قسمت گلویی هست. به دلیل کاهش سطح مقطع، مایع در این قسمت شتاب می‌گیرد و فشار استاتیک کاهش می‌یابد.

• مخروط واگرا

یکی دیگر از قسمت های ابزار اندازه گیری لوله ونتوری، مخروط واگراست. یک سمت این قسمت به لوله خروجی اصلی اتصال دارد. دو نکته دارای اهمیت در مخروط واگرا نیز زاویه واگرایی و طول این قسمت است.

قسمت مخروط واگرا دارای زاویه ۵ تا ۱۵ درجه است. همان طور که مشاهده می شود، زاویه واگرایی کمتر از زاویه همگرایی است و دلیل این کار جلوگیری از جدا شدن بخشی از جریان و برخورد شدید آن با دیواره و تشکیل گرداب است. چرا که تشکیل گردابه ها باعث اتلاف انرژی و هدر رفتن آن می‌شود. از آن جایی که زاویه واگرایی کمتر از زاویه همگرایی است، طول این قسمت مخروط واگرا نیز به نسبت بیشتر از قسمت مخلوط همگرا است. طول این قسمت حدود 3 تا 4 برابر طول قسمت مخروط همگرا هست.

• استوانه گلویی

این بخش، قسمت میانی لوله ونتوری است و کمترین سطح مقطع را دارد. در استوانه گلویی دو پارامتر طول گلویی و قطر آن دارای اهمیت است.

طول استوانه گلویی با قطر لوله برابر است و قطر آن معمولا یک چهارم تا سه چهارم قطر لوله ورودی است. قطر استوانه گلویی در تمام طول آن ثابت و یکسان است. این یعنی در این قسمت از لوله ونتوری، قطر لوله کاهش پیدا نمی کند. علت ثابت بودن قطر در استوانه گلویی این است که در صورت کاهش قطر، افزایش سرعت سیال رخ می دهد و در نتیجه آن فشار کاهش می یابد. این کاهش فشار مشکل زا بوده و با رسیدن به فشار بخار سبب ایجاد حفره و رخ دادن پدیده کاویتاسیون می شود.

• فشار سنج

از فشارسنج برای اندازه گیری فشار جریان در قسمت های مختلف لوله ‌ها استفاده می‌شود و می‌توان آن را بین قسمت ورودی لوله (قبل از مخروط همگرا) و روی استوانه گلویی نصب کرد. لازم به ذکر است که برای اندازه گیری اختلاف فشار ایجاد شده توسط لوله ونتوری می توان از فشار سنج های مختلفی مانند فشار سنج دیفرانسیلی استفاده کرد. همان طور که پیشتر اشاره شد، برای اندازه گیری میزان اختلاف فشار، فشار سنج‌ ها در قسمت ورودی اصلی و گلویی لوله ونتوری نصب می‌شوند.

در ادامه با نحوه کارکرد لوله ونتوری و کاربرد های آن بیشتر آشنا می شویم.

نحوه کارکرد لوله ونتوری

نحوه کارکرد لوله ونتوری که در بخش های پیش به آن اشاره هایی شد، به طور خلاصه به شرح زیر است:

همان طور که پیشتر شرح داده شد، لوله ونتوری بر اساس اصل برنولی و اثر ونتوری کار می‌کند. این بدان معناست که وقتی سرعت افزایش پیدا می‌کند، فشار کاهش می‌یابد. این پدیده شالوده اصلی کارکرد این ابزار اندازه گیری است.

در لوله ونتوری سطح مقطع استوانه گلویی از مقطع لوله ورودی اصلی کوچکتر است که این امر باعث افزایش سرعت جریان در مقطع گلویی می‌شود. افزایش سرعت جریان در گلویی، کاهش فشار این قسمت را نتیجه می دهد. در نتیجه اختلاف فشاری بین قسمت ورودی اصلی و گلویی به علت حضور لوله ونتوری ایجاد می‌شود.

این اختلاف فشار را می‌توان با استفاده از فشار سنج دیفرانسیل (یک مانومتر) بین قسمت ورودی اصلی و گلویی و با استفاده از دو گیج مختلف و جداگانه اندازه گیری کرد.

با اندازه گیری اختلاف فشار در دو قسمت گفته شده، می‌توان سرعت جریان را از طریق لوله ونتوری اندازه گیری و محاسبه کرد. در انتها با داشتن سرعت جریان می توان از معادلات دبی حجمی و جرمی جریان استفاده کرد و مقادیر آن ها را یافت.

در بخش پایانی با کاربرد های لوله های ونتوری بیشتر آشنا می شویم.

کاربرد لوله های ونتوری

در این بخش به معرفی کاربرد لوله ونتوری می پردازیم. لازم به ذکر است که لوله ونتوری دارای کاربرد های متنوع و بسیاری است که در ادامه به تعدادی از آن ها اشاره شده است:

• لوله ونتوری برای اندازه گیری میزان تخلیه جریان از طریق لوله‌ها به کار می رود.
• لوله های ونتوری به دلیل استفاده نکردن از جریان الکتریسیته و عدم وجود قطعه محرک در آن ها، از قابلیت ضد انفجار برخوردار بوده و جهت تخلیه و یا ورود هوای تازه به مخازن دارای گاز قابل اشتعال در پتروشیمی ها و پالایشگاه ها، استفاده می شوند.
• لوله ونتوری در کاربردهای پزشکی به منظور اندازه گیری میزان جریان در رگ ها استفاده می‌شود.
• در تعدادی از صنایع همچون صنایع گاز، مایعات و روغن نیاز به جلوگیری از کاهش فشار وجود دارد، که به این منظور از لوله های ونتوری استفاده می شود.
• لوله های ونتوری در انواع دمنده ها و مکنده های ونتوری کاربرد دارند. این نوع از فن ها بر اساس قانون اثر ونتوری ساخته می شوند و در آن ها قطعه و یا پروانه محرکی استفاده نشده است.
• لوله ونتوری در خطوط لوله ای که نیاز به اندازه گیری دقیق مقدار ماده جابجا شده وجود دارد، کاربرد بسیاری دارد.
• از لوله ونتوری متر در خطوط لوله ‌های جمع آوری فاضلاب و تصفیه خانه ‌ها استفاده می‌شود چرا که اجازه عبور مواد جامد موجود در فاضلاب ها را از خود می دهد.
• از آن جایی که دما، فشار و مواد شیمیایی بر دقت لوله ونتوری اثر نمی‌گذارد، در خطوط لوله نفت خام بسیار پر کاربرد است.
• لوله ونتوری برای اندازه گیری جریان هوا در موتور اتومبیل و اطمینان از تغذیه مقدار صحیح سوخت در موتور احتراق خودرو استفاده می‌شود.

در انتها در صورت نیاز به کسب اطلاعات بیشتر و همچنین در صورت داشتن پرسش درباره محصولات موجود، قیمت ها و … با کارشناسان ما در آیروپارس تماس بگیرید.