Un débitmètre Venturi est un type de débitmètre à pression différentielle qui génère une mesure de débit en mesurant la différence de pression à deux endroits différents dans un tuyau. Cette différence de pression est créée en réduisant le diamètre du tuyau, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse d'écoulement et une chute de pression correspondante. C'est grâce à ces changements dans le débit du fluide que le débit peut être déduit.
Les débitmètres Venturi, comme tous les autres types de débitmètres à pression différentielle, fonctionnent selon les principes de l'équation de Bernoulli, qui stipule que lorsque la vitesse d'écoulement d'un fluide augmente, une perte de pression se produit.
alt="Explication du principe de Bernoulli (équation différentielle)" />Les tubes Venturi sont disponibles dans des tailles allant jusqu'à 72 pouces et peuvent laisser passer 25 à 50 % de débit en plus qu'un orifice avec la même perte de charge. De plus, la perte de charge totale non récupérée dépasse rarement 10 % de la différence de pression mesurée (Figure 1). Le coût initial des tubes Venturi est haut, c'est pourquoi ils sont principalement utilisés pour des débits plus importants ou pour des applications plus difficiles ou plus exigeantes. Les venturis sont insensibles aux effets du profil de vitesse et nécessitent donc moins de tuyaux droits qu'un orifice. Leur forme profilée, combinée à l'action d'auto-nettoyage du débit à travers le tube, rend le dispositif immunisé contre la corrosion, l'érosion et l'accumulation interne de tartre. Malgré son coût initial élevé, le coût total de possession de ce type d'instrumentation peut tout de même être avantageux en raison des économies réalisées sur les coûts d'installation, d'exploitation et d'entretien & service.
Perte de charge – Venturi vs orifice Le venturi Herschel classique possède un élément d'écoulement très long caractérisé par une entrée conique et une sortie divergente. La pression d'entrée est mesurée à l'entrée et la pression statique dans la section de la gorge. Les prises de pression alimentent une chambre annulaire commune, fournissant une lecture de pression moyenne sur toute la circonférence de l'élément. Le venturi classique est limité dans son application aux liquides et gaz propres et non corrosifs.
Dans le venturi court, l'angle d'entrée est augmenté et les chambres annulaires sont remplacées par des prises de pression (Schéma 2-A). Le venturi court conserve de nombreux avantages du venturi classique, mais à un coût initial réduit, une longueur plus courte et un poids réduit. Les prises de pression sont situées à ¼ à ½ du diamètre du tuyau en amont du cône d'entrée et au milieu de la section d'étranglement. Des anneaux piézométriques peuvent être utilisés avec de grands tubes venturi pour compenser les distorsions du profil de vitesse. Dans le cas d'une utilisation avec des boues, les prises de pression peuvent être purgées ou remplacées par des joints chimiques, ce qui permet d'éliminer toutes les cavités sans issue.
Éléments à écoulement progressif Il existe plusieurs modèles de tubes d'écoulement brevetés qui offrent une récupération de pression encore meilleure que le venturi classique. Le plus connu de ces modèles brevetés est le venturi universel (schema 2-B). Les différents modèles de tubes d'écoulement varient en termes de contours, d'emplacement des robinets, de d/p généré et de perte de charge non récupérée. Ils ont tous des longueurs de pose courtes, variant généralement entre 2 et 4 diamètres de tuyau. Ces tubes d'écoulement brevetés coûtent généralement moins cher que les venturis classiques et courts en raison de leur courte longueur de pose. Cependant, ils peuvent également nécessiter un tuyau plus droit pour conditionner leurs profils de vitesse d'écoulement.
Les performances des tubes d'écoulement sont fortement influencées par l'étalonnage. L'imprécision du coefficient de débit dans un venturi universel, à des nombres de Reynolds supérieurs à 75 000, est de 0,5 %. L'imprécision d'un venturi classique à Re > 200 000 est comprise entre 0,7 et 1,5 %. Les tubes d'écoulement sont souvent fournis avec des graphiques du coefficient de décharge, car celui-ci varie lorsque le nombre de Reynolds diminue. La variation du coefficient de décharge d'un venturi causée par la rugosité du tuyau est inférieure à 1 %, car il y a un contact continu entre le fluide et la surface interne du tuyau.
La forte turbulence et l'absence de cavités dans lesquelles les matériaux peuvent s'accumuler font des tubes d'écoulement des dispositifs bien adaptés aux boues et aux lixiviats. Cependant, les coûts d'entretien & service peuvent être élevés si le purgeur d'air ne parvient pas à empêcher le colmatage des prises de pression et des conduites d'alimentation. Des dispositifs de type piston (nettoyeurs de vent) peuvent être installés pour supprimer périodiquement les accumulations dans les ouvertures intérieures, même lorsque le débitmètre est en ligne. Les conduites d'alimentation peuvent également être remplacées par des éléments d'étanchéité de type bouton couplés hydrauliquement au transmetteur d/p à l'aide de capillaires remplis. La précision globale de la mesure peut diminuer si le joint chimique est petit, si sa membrane est rigide ou si le système capillaire n'est pas compensé en température ou protégé de la lumière directe du soleil.
Buses de débit
La buse de débit est plus stable dimensionnellement que la plaque à orifice, en particulier dans les applications à haute température et à grande vitesse. Elle est souvent utilisée pour mesurer les débits élevés de vapeur surchauffée. La buse de débit, comme le venturi, a une capacité de débit supérieure à celle de la plaque à orifice et nécessite un investissement initial moindre que le tube de Venturi, mais elle offre également une récupération de pression moindre (Figure 1). L'un des principaux inconvénients de la buse est qu'elle est plus difficile à remplacer que l'orifice, à moins qu'elle ne puisse être retirée dans le cadre d'une section de bobine.
La buse de débit ASME est prédominante aux États-Unis (Figure 2-C). L'extrémité aval d'une buse est un tube court ayant le même diamètre que la vena contracta d'une plaque à orifice équivalente. Les conceptions à faible bêta ont des rapports de diamètre compris entre 0,2 et 0,5, tandis que les conceptions à rapport bêta élevé varient entre 0,45 et 0,8. La buse doit toujours être centrée dans le tuyau et la prise de pression en aval doit se trouver à l'intérieur de la sortie de la buse. Le cône de la gorge doit toujours réduire le diamètre vers la sortie. Les buses de débit ne sont pas recommandées pour les boues ou les liquides sales. La buse de débit la plus courante est le type à bride. Les prises sont généralement situées à un diamètre de tuyau en amont et à ½ diamètre de tuyau en aval de la face d'entrée.
La précision des buses d'écoulement est généralement de 1 % AR, avec un potentiel de 0,25 % AR si elles sont calibrées. Bien que les données sur le coefficient de débit soient disponibles pour des nombres de Reynolds aussi bas que 5 000, il est conseillé de n'utiliser des buses d'écoulement que lorsque le nombre de Reynolds dépasse 50 000. Les buses d'écoulement conservent leur précision pendant de longues périodes, même dans des conditions difficiles. Les buses de débit peuvent être un moyen très précis de mesurer les débits de gaz. Lorsque la vitesse du gaz atteint la vitesse du son dans la gorge, la vitesse ne peut plus augmenter (même si la pression en aval est réduite) et un état d'étranglement du débit est atteint. Ces « buses à débit critique » sont très précises et sont souvent utilisées dans les laboratoires de débit comme normes pour l'étalonnage d'autres appareils de mesure du débit de gaz.
Les buses peuvent être installées dans n'importe quelle position, bien qu'une orientation horizontale soit préférable. Un écoulement vertical vers le bas est préférable pour les flux humides, les gaz ou les liquides contenant des solides. Les exigences en matière de conduite droite sont similaires à celles des plaques à orifice.
Éléments segmentés en forme de coin
L'élément segmenté en forme de coin (figure 3-A) est un dispositif breveté conçu pour être utilisé dans des applications impliquant des boues, des liquides corrosifs, érosifs, visqueux ou à haute température. Il est relativement coûteux et est principalement utilisé pour les liquides difficiles, où les économies considérables en termes d'entretien & service peuvent justifier le coût initial. Sa restriction de débit unique est conçue pour durer toute la durée de vie de l'installation sans détérioration.
Éléments exclusifs pour liquides difficiles Les éléments en coin sont utilisés avec des joints chimiques de 3 pouces de diamètre, éliminant à la fois les conduites principales et les cavités sans issue. Les joints se fixent au corps du débitmètre immédiatement en amont et en aval de la restriction. Ils nécessitent rarement un nettoyage, même dans des applications telles que les boues déshydratées, la liqueur noire, les boues de charbon, les boues de cendres volantes, la taconite et le pétrole brut. Le nombre de Reynolds minimum n'est que de 500, et le débitmètre ne nécessite que cinq diamètres de tuyau droit en amont.
Le coin segmenté présente une restriction en forme de V caractérisée par le rapport H/D, où H est la hauteur de l'ouverture sous la restriction et D est le diamètre. Le rapport H/D peut être modifié pour s'adapter à la plage de débit et produire le d/p souhaité. Le flux entrant crée une action de balayage à travers le débitmètre. Cela produit un effet de nettoyage sur les deux faces de la restriction, ce qui contribue à la maintenir propre et exempte d'accumulations. Les coins segmentés peuvent mesurer le débit dans les deux sens, mais le transmetteur d/p doit être calibré pour une plage divisée, ou l'élément de débit doit être équipé de deux jeux de connexions pour deux transmetteurs d/p (un pour le débit avant et un pour le débit arrière).
Un élément en coin non calibré peut présenter une imprécision AR de 2 % à 5 % sur une plage de 3:1. Un élément en coin calibré peut réduire cette imprécision à 0,5 % AR si la densité des liquides est constante. Si la densité de la boue est variable et/ou non mesurée, l'erreur augmente.
Élément venturi-cône
L'élément venturi-cône (V-cone) (Figure 3-B) est une autre conception exclusive qui promet des performances constantes à de faibles nombres de Reynolds et qui est insensible à la distorsion du profil de vitesse ou aux effets de tourbillon. Cependant, là encore, il est relativement coûteux. La restriction du cône en V a une géométrie unique qui minimise la dégradation de la précision due à l'usure, ce qui en fait un bon choix pour les écoulements à grande vitesse et les applications érosives/corrosives.
Le cône en V crée une zone de turbulence contrôlée qui aplatit le profil de vitesse irrégulier entrant et induit une pression différentielle stable qui est détectée par un robinet en aval. Le rapport bêta d'un cône en V est défini de telle sorte qu'un orifice et un cône en V ayant des rapports bêta égaux auront des surfaces d'ouverture égales.
Où d est le diamètre du cône et D est le diamètre intérieur du tuyau.
Avec cette conception, le rapport bêta peut dépasser 0,75. Par exemple, un compteur de 3 pouces avec un rapport bêta de 0,3 peut avoir une plage de 0 à 75 gpm. Les résultats des tests publiés sur les débits de liquides et de gaz situent la précision du système entre 0,25 et 1,2 % AR.
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