Un misuratore di portata Venturi è un tipo di misuratore di portata a pressione differenziale che genera una misura della portata misurando la differenza di pressione in due punti diversi di un tubo. Questa differenza di pressione viene creata restringendo il diametro del tubo, il che provoca un aumento della velocità del flusso e una corrispondente caduta di pressione. È attraverso queste variazioni nel flusso del fluido che è possibile dedurre la portata.
I flussimetri Venturi, come tutti gli altri tipi di flussimetri a pressione differenziale, funzionano secondo i principi dell'equazione di Bernoulli, secondo la quale all'aumentare della velocità del flusso di un fluido si verifica una perdita di pressione.
I tubi Venturi sono disponibili in dimensioni fino a 72" e possono far passare dal 25 al 50% in più di flusso rispetto a un orifizio con la stessa caduta di pressione. Inoltre, la perdita di carico totale non recuperata raramente supera il 10% del d/p misurato (Figura 1). Il costo iniziale dei tubi Venturi è elevato, quindi vengono utilizzati principalmente su flussi più grandi o su applicazioni di flusso più difficili o impegnative. I venturi sono insensibili agli effetti del profilo di velocità e richiedono quindi un tratto di tubo rettilineo inferiore rispetto a un orifizio. La loro forma sagomata, combinata con l'azione autopulente del flusso attraverso il tubo, rende il dispositivo immune alla corrosione, all'erosione e alla formazione di incrostazioni interne. Nonostante il costo iniziale elevato, il costo totale di proprietà di questo tipo di strumentazione può comunque essere vantaggioso grazie al risparmio sui costi di installazione, funzionamento e manutenzione.
Perdita di pressione – Venturi vs Orifizio Il classico venturi di Herschel ha un elemento di flusso molto lungo caratterizzato da un ingresso rastremato e un'uscita divergente. La pressione di ingresso viene misurata all'entrata e la pressione statica nella sezione della gola. I rubinetti di pressione alimentano una camera anulare comune, fornendo una lettura della pressione media su tutta la circonferenza dell'elemento. Il venturi classico ha un'applicazione limitata a liquidi e gas puliti e non corrosivi.
Nel venturi di forma corta, l'angolo di ingresso è aumentato e le camere anulari sono sostituite da rubinetti a tubo (Figura 2-A). Il venturi corto mantiene molti dei vantaggi del venturi classico, ma con costi ridotti, una lunghezza minore e un peso ridotto. I rubinetti di pressione sono situati a ¼ - ½ del diametro del tubo a monte del cono di ingresso e al centro della sezione della gola. Gli anelli piezometrici possono essere utilizzati con tubi venturi di grandi dimensioni per compensare le distorsioni del profilo di velocità. Nel servizio con fanghi, i rubinetti possono essere spurgati o sostituiti con guarnizioni chimiche, che possono eliminare tutte le cavità senza sbocco.
Elementi a flusso graduale Esistono diversi tipi di sonda proprietari di tubi di flusso che offrono un recupero di pressione ancora migliore rispetto al venturi classico. Il più noto di questi tipi di sonda proprietari è il venturi universale (Figura 2-B). I vari tipi di tubi di flusso differiscono per contorni, posizione dei rubinetti, d/p generato e perdita di carico non recuperata. Hanno tutti lunghezze ridotte, che variano in genere tra 2 e 4 diametri del tubo. Questi tubi di flusso proprietari hanno solitamente un costo inferiore rispetto ai venturi classici e di forma corta, grazie alla loro lunghezza ridotta. Tuttavia, possono anche richiedere un tratto di tubo più rettilineo per condizionare i loro profili di velocità di flusso.
Le prestazioni dei tubi di flusso sono fortemente influenzate dalla calibrazione. L'imprecisione del coefficiente di scarico in un venturi universale, a numeri di Reynolds superiori a 75.000, è dello 0,5%. L'imprecisione di un venturi classico a Re > 200.000 è compresa tra lo 0,7 e l'1,5%. I tubi di flusso sono spesso forniti con grafici del coefficiente di scarico perché il coefficiente di scarico cambia al diminuire del numero di Reynolds. La variazione del coefficiente di scarico di un venturi causata dalla rugosità del tubo è inferiore all'1% perché c'è un contatto continuo tra il fluido e la superficie interna del tubo.
L'elevata turbolenza e l'assenza di cavità in cui il materiale può accumularsi rendono i tubi di flusso particolarmente adatti per i servizi di liquami e fanghi. Tuttavia, i costi di manutenzione possono essere elevati se lo spurgo dell'aria non è in grado di impedire l'intasamento dei rubinetti di pressione e delle linee di alimentazione. È possibile installare dispositivi simili a pistoni (pulitori di sfiati) per rimuovere periodicamente gli accumuli dalle aperture interne, anche mentre il misuratore è in funzione. Le linee di alimentazione possono anche essere sostituite con elementi di tenuta a pulsante accoppiati idraulicamente al trasmettitore d/p utilizzando capillari riempiti. L'accuratezza complessiva della misurazione può diminuire se la tenuta chimica è piccola, il suo diaframma è rigido o se il sistema capillare non è sottoposto a compensazione della temperatura o non è sottoposto a schermatura dalla luce solare diretta.
Ugelli di flusso
L'ugello di flusso è dimensionalmente più stabile della piastra dell'orifizio, in particolare nei servizi ad alta temperatura e alta velocità. È stato spesso utilizzato per misurare portate elevate di vapore surriscaldato. L'ugello di flusso, come il venturi, ha una capacità di flusso maggiore rispetto alla piastra dell'orifizio e richiede un investimento iniziale necessario inferiore rispetto al tubo di Venturi, ma fornisce anche un recupero di pressione inferiore (Figura 1). Uno dei principali svantaggi dell'ugello è che è più difficile da sostituire rispetto all'orifizio, a meno che non possa essere rimosso come parte di una sezione dello spool.
L'ugello di flusso ASME è predominante negli Stati Uniti (Figura 2-C). L'estremità a valle di un ugello è un tubo corto avente lo stesso diametro della vena contracta di una piastra con orifizio equivalente. I tipi di sonda a basso beta hanno rapporti di diametro compresi tra 0,2 e 0,5, mentre quelli ad alto beta variano tra 0,45 e 0,8. L'ugello deve essere sempre centrato nel tubo e il rubinetto di pressione a valle deve trovarsi all'interno dell'uscita dell'ugello. La conicità della gola deve sempre diminuire il diametro verso l'uscita. Gli ugelli di flusso non sono raccomandati per fanghi o liquidi sporchi. L'ugello di flusso più comune è quello a flangia. I rubinetti si trovano comunemente a un diametro del tubo a monte e a ½ diametro del tubo a valle dalla faccia di ingresso.
La precisione degli ugelli di flusso è tipicamente dell'1% AR, con un potenziale dello 0,25% AR se calibrati. Sebbene siano disponibili dati sul coefficiente di scarico per numeri di Reynolds fino a 5.000, si consiglia di utilizzare gli ugelli di flusso solo quando il numero di Reynolds supera 50.000. Gli ugelli di flusso mantengono la loro precisione per lunghi periodi, anche in condizioni di servizio difficili. Gli ugelli di flusso possono essere un modo molto accurato per misurare i flussi di gas. Quando la velocità del gas raggiunge la velocità del suono nella gola, la velocità non può aumentare ulteriormente (anche se la pressione a valle viene ridotta) e si raggiunge una condizione di flusso strozzato. Tali "ugelli di flusso critico" sono molto accurati e spesso vengono utilizzati nei laboratori di flusso come standard per la calibrazione di altri dispositivi di misurazione del flusso di gas.
Gli ugelli possono essere installati in qualsiasi posizione, anche se è preferibile l'orientamento orizzontale. Il flusso verticale verso il basso è preferibile per flussi umidi, gas o liquidi contenenti solidi. I requisiti relativi al tratto di tubo rettilineo sono simili a quelli delle piastre con orifizio.
Segmental Wedge Elements
L'elemento a cuneo segmentato (Figura 3-A) è un dispositivo brevettato progettato per l'uso in applicazioni con fanghi, sostanze corrosive, erosive, viscose o ad alta temperatura. È relativamente costoso e viene utilizzato principalmente su liquidi difficili, dove il notevole risparmio in termini di manutenzione può giustificare il costo iniziale. L'esclusiva restrizione del flusso è progettata per durare per tutta la vita dell'installazione senza deteriorarsi.
Elementi proprietari per liquidi difficili Gli elementi a cuneo sono utilizzati con guarnizioni chimiche di diametro 3 pollici, eliminando sia le linee di piombo che le cavità senza sbocco. Le guarnizioni si fissano al corpo del misuratore immediatamente a monte e a valle della restrizione. Raramente è necessaria la pulizia, anche in servizi come fanghi disidratati, liquido nero, liquami di carbone, liquami di ceneri volanti, taconite e petrolio greggio. Il numero di Reynolds minimo è solo 500 e il misuratore richiede solo cinque diametri di tubazione diritta a monte.
Il cuneo segmentato ha una restrizione a forma di V caratterizzata dal rapporto H/D, dove H è l'altezza dell'apertura sotto la restrizione e D è il diametro. Il rapporto H/D può essere variato per adattarsi alla portata e produrre il d/p desiderato. Il flusso in arrivo crea un'azione di spazzamento attraverso il misuratore. Ciò fornisce un effetto di pulizia su entrambe le facce della restrizione, contribuendo a mantenerla pulita e priva di accumuli. I cunei segmentali possono misurare il flusso in entrambe le direzioni, ma il trasmettitore d/p deve essere calibrato per un intervallo diviso, oppure l'elemento di flusso deve essere dotato di due set di collegamenti per due trasmettitori d/p (uno per il flusso in avanti e uno per il flusso inverso).
Un elemento a cuneo non calibrato può avere un'imprecisione AR dal 2% al 5% su un intervallo 3:1. Un elemento a cuneo calibrato può ridurre tale imprecisione allo 0,5% AR se la densità del fluido è costante. Se la densità del liquame è variabile e/o non misurata, l'errore aumenta.
Elemento a cono Venturi
L'elemento a cono Venturi (V-cone) (Figura 3-B) è un altro design proprietario che promette prestazioni costanti a bassi numeri di Reynolds ed è insensibile alla distorsione del profilo di velocità o agli effetti di vortice. Anche in questo caso, tuttavia, è relativamente costoso. La restrizione del cono a V ha una geometria unica che riduce al minimo il degrado dell'accuratezza dovuto all'usura, rendendolo una buona scelta per flussi ad alta velocità e applicazioni erosive/corrosive.
Il cono a V crea una regione di turbolenza controllata che appiattisce il profilo di velocità irregolare in entrata e induce una pressione differenziale stabile che viene rilevata da un rubinetto a valle. Il rapporto beta di un cono a V è definito in modo tale che un orifizio e un cono a V con rapporti beta uguali avranno aree di apertura uguali.
Dove d è il diametro del cono e D è il diametro interno del tubo.
Con questo design, il rapporto beta può superare 0,75. Ad esempio, un misuratore da 3 pollici con un rapporto beta di 0,3 può avere un intervallo da 0 a 75 gpm. I risultati dei test pubblicati sui flussi di liquidi e gas collocano l'accuratezza del sistema tra lo 0,25 e l'1,2% AR.
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