Ein Venturi-Durchflussmesser ist eine Art von Differenzdruck-Durchflussmesser, der eine Durchflussmessung durch Messung der Druckdifferenz an zwei verschiedenen Stellen in einer Rohrleitung erzeugt. Diese Druckdifferenz entsteht durch Verengung des Rohrdurchmessers, was zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und einem entsprechenden Druckabfall führt. Anhand dieser Veränderungen im Flüssigkeitsstrom lässt sich die Durchflussmenge ableiten.
Venturi-Durchflussmesser funktionieren wie alle anderen Arten von Differenzdruck-Durchflussmessern nach dem Prinzip der Bernoulli-Gleichung, die besagt, dass mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit ein Druckverlust auftritt.
Venturirohre sind in Größen bis zu 72 Zoll erhältlich und können 25 bis 50 % mehr Durchfluss als eine Blende mit dem gleichen Druckabfall durchlassen. Darüber hinaus überschreitet der gesamte nicht wiedergewonnene Druckverlust selten 10 % des gemessenen d/p (Abbildung 1). Die Anschaffungskosten für Venturirohre sind hoch, daher werden sie in erster Linie bei größeren Durchflüssen oder bei schwierigeren oder anspruchsvolleren Durchflussanwendungen eingesetzt. Venturirohre sind unempfindlich gegenüber Geschwindigkeitsprofil-Effekten und erfordern daher weniger gerade Rohrleitungen als eine Blende. Durch ihre konturierte Form und die selbstreinigende Wirkung des Durchflusses durch das Rohr ist das Gerät unempfindlich gegenüber Korrosion, Erosion und inneren Ablagerungen. Trotz der hohen Anschaffungskosten können die Gesamtbetriebskosten für diese Art von Instrumenten aufgrund der Einsparungen bei den Kosten für Installation, Betrieb und Wartung dennoch günstig sein.
Druckverlust – Venturi vs. Blende Der klassische Herschel-Venturi hat ein sehr langes Strömungselement, das sich durch einen konischen Einlass und einen divergierenden Auslass auszeichnet. Der Eingangsdruck wird am Eingang gemessen, der statische Druck im Halsbereich. Die Druckmessstellen münden in eine gemeinsame Ringkammer, die einen durchschnittlichen Druckwert über den gesamten Umfang des Elements liefert. Die klassische Venturi-Düse ist in ihren Anwendungen auf saubere, nicht korrosive Flüssigkeiten und Gase beschränkt.
Bei der Kurzform-Venturi-Düse ist der Einlasswinkel vergrößert und die Ringkammern werden durch Rohrmessstellen ersetzt (Abbildung 2-A). Die Kurzform-Venturi bietet viele der Vorteile der klassischen Venturi, jedoch zu geringeren Anschaffungskosten, mit kürzerer Länge und geringerem Gewicht. Die Druckmessstellen befinden sich ¼ bis ½ Rohrdurchmesser vor dem Einlasskonus und in der Mitte des Halsbereichs. Bei großen Venturirohren können Piezometerringe verwendet werden, um Verzerrungen des Geschwindigkeitsprofils auszugleichen. Bei Schlammtransporten können die Rohranschlüsse gespült oder durch chemische Dichtungen ersetzt werden, wodurch alle totenden Hohlräume beseitigt werden können.
Elemente mit allmählichem Durchfluss Es gibt mehrere proprietäre Durchflussrohrkonstruktionen, die eine noch bessere Druckrückgewinnung als das klassische Venturi bieten. Die bekannteste dieser proprietären Konstruktionen ist das Universal-Venturi (Abbildung 2-B). Die verschiedenen Durchflussrohrkonstruktionen unterscheiden sich in ihren Konturen, den Entnahmestellen, dem erzeugten d/p und ihrem nicht wiedergewonnenen Druckverlust. Sie alle haben kurze Einbaulängen, die in der Regel zwischen 2 und 4 Rohrdurchmessern variieren. Diese proprietären Durchflussrohre sind aufgrund ihrer kurzen Einbaulänge in der Regel kostengünstiger als klassische und kurze Venturirohre. Allerdings benötigen sie möglicherweise auch einen längeren geraden Rohrstrang, um ihre Strömungsgeschwindigkeitsprofile zu konditionieren.
Die Leistung von Durchflussrohren wird stark von der Kalibrierung beeinflusst. Die Ungenauigkeit des Abflusskoeffizienten in einem Universal-Venturi beträgt bei Reynolds-Zahlen über 75.000 0,5 %. Die Ungenauigkeit eines klassischen Venturis bei Re > 200.000 liegt zwischen 0,7 und 1,5 %. Durchflussrohre werden häufig mit Abflusskoeffizientendiagrammen geliefert, da sich der Abflusskoeffizient mit sinkender Reynolds-Zahl ändert. Die durch die Rohrrauheit verursachte Schwankung des Abflusskoeffizienten eines Venturis beträgt weniger als 1 %, da ein kontinuierlicher Kontakt zwischen der Flüssigkeit und der inneren Rohroberfläche besteht.
Aufgrund der hohen Turbulenz und des Fehlens von Hohlräumen, in denen sich Materialien ansammeln können, eignen sich Durchflussrohre gut für den Einsatz mit Schlämmen und Schlamm. Die Kosten der Wartung können jedoch hoch sein, wenn durch Luftspülung eine Verstopfung der Druckanschlüsse und Zuleitungen nicht verhindert werden kann. Es können kolbenartige Vorrichtungen (Ventilreiniger) installiert werden, um Ablagerungen regelmäßig aus den inneren Öffnungen zu entfernen, auch während das Messgerät in Betrieb ist. Zuleitungen können auch durch knopfartige Dichtungselemente ersetzt werden, die über gefüllte Kapillaren hydraulisch mit dem Differenzdruck-Transmitter verbunden sind. Die Gesamtgenauigkeit kann sinken, wenn die chemische Dichtung klein ist, ihre Membran steif ist oder wenn das Kapillarsystem nicht temperaturkompensiert oder nicht vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt ist.
Durchflussdüsen
Die Durchflussdüse ist dimensional stabiler als die Blende, insbesondere bei hohen Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten. Sie wird häufig zur Messung hoher Durchflussraten von überhitztem Dampf verwendet. Die Durchflussdüse hat wie das Venturi eine größere Durchflusskapazität als die Blende und erfordert eine geringere Anfangsinvestition als ein Venturirohr, bietet jedoch auch eine geringere Druckrückgewinnung (Abbildung 1). Ein großer Nachteil der Düse ist, dass sie schwieriger zu ersetzen ist als die Blende, es sei denn, sie kann als Teil eines Spulenabschnitts entfernt werden.
Die ASME-Rohrstutzen-Durchflussdüse ist in den Vereinigten Staaten vorherrschend (Abbildung 2-C). Das stromabwärtige Ende einer Düse ist ein kurzes Rohr mit dem gleichen Durchmesser wie die Vena contracta einer äquivalenten Blende. Die Designs mit niedrigem Beta-Wert haben Durchmesserverhältnisse im Messbereich von 0,2 bis 0,5, während die Designs mit hohem Beta-Wert zwischen 0,45 und 0,8 variieren. Die Düse sollte immer in der Mitte des Rohrs zentriert sein, und die stromabwärts gelegene Druckentnahmestelle sollte sich innerhalb des Düsenausgangs befinden. Die Verjüngung des Halses sollte immer zu einer Verringerung des Durchmessers in Richtung Ausgang führen. Durchflussdüsen werden nicht für Schlämme oder verschmutzte Flüssigkeiten empfohlen. Die gängigste Durchflussdüse ist die Flanschdüse. Die Entnahmestellen befinden sich in der Regel einen Rohrdurchmesser stromaufwärts und einen halben Rohrdurchmesser stromabwärts von der Einlassfläche.
Die Genauigkeit von Durchflussdüsen beträgt in der Regel 1 % AR, mit einem Potenzial von 0,25 % AR bei Kalibrierung. Obwohl Daten zum Abflusskoeffizienten für Reynolds-Zahlen von nur 5.000 verfügbar sind, ist es ratsam, Durchflussdüsen nur zu verwenden, wenn die Reynolds-Zahl 50.000 überschreitet. Durchflussdüsen behalten ihre Genauigkeit über lange Zeiträume, selbst unter schwierigen Betriebsbedingungen. Durchflussdüsen können eine sehr genaue Methode zur Messung von Gasdurchflüssen sein. Wenn die Gasgeschwindigkeit im Hals die Schallgeschwindigkeit erreicht, kann die Geschwindigkeit nicht mehr weiter ansteigen (selbst wenn der Druck stromabwärts reduziert wird) und es kommt zu einer Drosselung des Durchflusses. Solche „kritischen Durchflussdüsen” sind sehr genau und werden häufig in Durchflusslabors als Standards für die Kalibrierung anderer Gasdurchflussmessgeräte verwendet.
Düsen können in jeder Position installiert werden, wobei eine horizontale Ausrichtung bevorzugt wird. Bei nassen Strömen, Gasen oder Flüssigkeiten, die Feststoffe enthalten, ist ein vertikaler Abwärtsstrom vorzuziehen. Die Anforderungen an den geraden Rohrverlauf sind ähnlich wie bei Blenden.
Segmentkeilelemente
Das Segmentkeilelement (Abbildung 3-A) ist eine proprietäre Vorrichtung, die für den Einsatz in Anwendungen mit Schlamm, korrosiven, erosiven, viskosen oder hohen Temperaturen entwickelt wurde. Es ist relativ teuer und wird meist bei schwierigen Flüssigkeiten eingesetzt, bei denen die drastischen Einsparungen bei der Wartung die Anschaffungskosten rechtfertigen. Die einzigartige Durchflussbegrenzung ist so konzipiert, dass sie über die gesamte Lebensdauer der Installation ohne Verschleiß hält.
Proprietäre Elemente für schwierige Flüssigkeiten Keonelemente werden mit chemischen Dichtungen mit einem Durchmesser von 3 Zoll verwendet, wodurch sowohl die Bleileitungen als auch alle Sacklöcher entfallen. Die Dichtungen werden unmittelbar vor und hinter der Drossel am Messgerät angebracht. Selbst bei Anwendungen wie entwässertem Schlamm, Schwarzlauge, Kohleschlamm, Flugascheschlamm, Takonit und Rohöl müssen sie nur selten gereinigt werden. Die minimale Reynolds-Zahl beträgt nur 500, und das Messgerät benötigt nur fünf Durchmesser an geradem Rohr vor der Messstelle.
Der Segmentkeil hat eine V-förmige Drosselstelle, die durch das H/D-Verhältnis charakterisiert ist, wobei H die Höhe der Öffnung unterhalb der Drosselstelle und D der Durchmesser ist. Das H/D-Verhältnis kann variiert werden, um es an den Messbereich anzupassen und den gewünschten d/p-Wert zu erzielen. Der ankommende Durchfluss erzeugt eine Spülwirkung durch das Messgerät. Dies sorgt für einen reinigenden Effekt auf beiden Seiten der Drosselstelle und trägt dazu bei, sie sauber und frei von Ablagerungen zu halten. Segmentkeile können den Durchfluss in beide Richtungen messen, aber der d/p-Transmitter muss für einen geteilten Messbereich kalibriert werden, oder das Durchflusselement muss mit zwei Anschlusssätzen für zwei d/p-Transmitter (einer für den Vorwärts- und einer für den Rückwärtsdurchfluss) ausgestattet sein.
Bei einem unkalibrierten Keilelement ist mit einer Ungenauigkeit von 2 % bis 5 % AR über einen Messbereich von 3:1 zu rechnen. Ein kalibriertes Keilelement kann diese Ungenauigkeit auf 0,5 % AR reduzieren, wenn die Flüssigkeitsdichte konstant ist. Wenn die Dichte der Aufschlämmung variabel und/oder nicht gemessen ist, steigt der Fehler.
Venturi-Kegel-Element
Das Venturi-Kegel-Element (V-Kegel) (Abbildung 3-B) ist eine weitere proprietäre Konstruktion, die eine konstante Leistung bei niedrigen Reynolds-Zahlen verspricht und unempfindlich gegenüber Verzerrungen des Geschwindigkeitsprofils oder Wirbeleffekten ist. Allerdings ist auch dieses Element relativ teuer. Die V-Kegel-Drossel hat eine einzigartige Geometrie, die die durch Verschleiß verursachte Minderung der Genauigkeit minimiert, sodass sie eine gute Wahl für Strömungen mit hoher Geschwindigkeit und erosive/korrosive Anwendungen ist.
Der V-Kegel erzeugt einen kontrollierten Turbulenzbereich, der das unregelmäßige Geschwindigkeitsprofil der einströmenden Flüssigkeit glättet und einen stabilen Differenzdruck induziert, der von einem stromabwärts gelegenen Messpunkt erfasst wird. Das Beta-Verhältnis eines V-Kegels ist so definiert, dass eine Blende und ein V-Kegel mit gleichem Beta-Verhältnis gleiche Öffnungsflächen haben.
Dabei ist d der Kegeldurchmesser und D der Innendurchmesser des Rohrs.
Mit dieser Konstruktion kann das Beta-Verhältnis 0,75 überschreiten. Beispielsweise kann ein 3-Zoll-Messgerät mit einem Beta-Verhältnis von 0,3 einen Messbereich von 0 bis 75 gpm haben. Veröffentlichte Testergebnisse zu Flüssigkeits- und Gasströmen beziffern die Genauigkeit des Systems auf 0,25 bis 1,2 % AR.
Was ist ein Anemometer und was misst es? Einleitung zur Messung der Luftgeschwindigkeit