2.2.1.4 Витратомірні труби

Істотним недоліком стандартних діафрагм і сопел є створювана ними значна втрата тиску (рисунок 2.1), особливо при малих значеннях m. Основним джерелом втрат у діафрагм і сопел є не тертя і не удари потоку об їхню поверхню. Велика частина втрати тиску утворюється в неактивних зонах, що знаходяться після діафрагми або сопла. Ці втрати можна усунути, якщо будуть ліквідовані неактивні зони.

Звужувальні пристрої, що вирішують цю задачу, називаються витратомірними  трубами. Їх основним найбільш характерним елементом є дифузор — розбіжна конічна труба, що розташовується після самого вузького перерізу звужувального пристрою. У цьому випадку неактивні зони, а виходить, і зв'язані з ними втрати, будуть усунуті й потік буде спокійно розширюватися в дифузорі.

Витратомірними труби розділяються на стандартні труби та труби особливого профілю. Перші вже давно існують і нормалізовані. Другі виникли порівняно недавно.

Стандартні витратомірні труби, які називають іноді в цілому трубами Вентурі, мають два різновиди: власне труба Вентурі, яка називається також класичною або нормальною трубою Вентурі, і сопло Вентурі.

Труба Вентурі

Класична труба Вентурі була сконструйована Гершелем у США ще наприкінці XIX століття. На рисунку 2.4 зображений стандартний профіль труби Вентурі. На вході труба Вентурі має циліндричну ділянку, далі розташований конфузор — конічна частина, що сходиться. Потім мається циліндричне горло, довжина якого дорівнює його діаметрові d, після чого розташовано дифузор.

У разі потреби скорочення загальної довжини пристрою дозволяється, щоб вихідний діаметр дифузора був менше діаметра трубопроводу. У цьому випадку труба Вентурі називається укороченою або короткою. Якщо при цьому довжина дифузора зменшується не більшее ніж на 35%, то залишкова втрата тиску зростає не значно.

У порівнянні з діафрагмами і соплами втрата тиску в трубі Вентурі має у кілька разів меншу величину (рисунок 2.5, крива 6). Горловина труби Вентурі повинна бути ретельно оброблена. Відбір тиску р₁ здійснюють на відстані D/2 від початку вхідного конуса.

Рисунок 2.4  Труба Вентурі: а — схема й основні розміри; б — зміна тиску уздовж труби

 

 

 

Відбір тиску р₂ робиться в середній частині горловини труби з допуском. Допускається відбір через окремі отвори або ж через отвори, з'єднані з кільцевою камерою. У останньому випадку число отворів повинне бути парним, не менш чотирьох, і їхні осі повинні утворювати між собою рівні кути. Діаметр отворів вибирається в межах від 4 до 10 мм, але не більше 0,1D для відбору р₁ і не більше 0,13d для відбору р₂. Треба уникати верхніх значень цих границь і мати діаметр не більше 6 мм.

Величини радіусів R₁, R₂, і R₃ кривих, по яких з’єднуються циліндричні і конічні частини труби Вентурі, залежать від способу виготовлення останньої. Відповідно до рекомендацій ISO для труб з добре обробленими поверхнями вхідного конуса і горловини бажано, щоб усі ці радіуси дорівнювали нулю й у всякому разі не перевершували: R₁ < 0,25D, R₂ < 0,25d і R₃ < 0,25d; для труб, виконаних виливком, R₁ = 1,375D (±20 %),  R₂ = 3,625d (±0,125d) і R₃= (5 – 15)d; для труб, виготовлених зварюванням, не повинно бути ніяких перехідних кривих між конічними і циліндричними елементами. Виступи зварювальних швів на стиках повинні бути зачищені.

Досліди з литими трубами Вентурі показали, що при R1< 3,6d і великої швидкості води в горловині в останній виникає кавітація, що звужує живий переріз потоку, у результаті чого зменшується p₂ і відповідно зменшується коефіцієнт С. Чим менше р₁, тим при менших р₂ має місце це явище.

	1 – стандартна діафрагма; 2 – подвійна діафрагма; 3 – стандартне сопло; 4 – скорочене сопло Вентурі; 5 - сопло Вентурі; 6 - труба Вентурі; 7- здвоєне сопло Вентурі; 8 - труба Вентурі. Рисунок 2.5  Залежність втрати тиску ∆−δ3/∆ від m для різних типів звужувальних пристроїв:

 

 

 

 

 

 

 

 

Проведені експерименти вказують на те, що труби Вентурі завдяки наявності конфузора на вході, що вирівнює потік, значно менше, ніж інші витратомірні труби, чуттєві до зміни вхідного профілю швидкостей як осесиметричного, викликаного шорсткістю, так і неосесиметричного, викликаного прилеглим місцевим опором.

Ще більш разючі результати випробувань труб Вентурі, установлених поблизу місцевих опорів, зокрема, простих колін, а також подвійних і потрійних просторових колін. Виявилося, що вони значно менше чутливі до їхнього впливу, ніж інші звужувальні пристрої, і в тому числі, стандартні діафрагми і сопла. Тому для труб Вентурі потрібні істотно менші довжини прямих ділянок трубопроводів. Це є їхньою великою перевагою.

Для більш широкого впровадження труб Вентурі, чого вони завдяки своїм великим перевагам безсумнівно заслуговують, було б важливо вирішити питання з нормалізацією їхніх типорозмірів. Необхідна підготовча робота уже виконана. Для кожного діаметра трубопроводу в межах D від 200 до 1400 можна обмежитися тільки двома значеннями діаметра d  горловини трубВентурі. При цьому в половині випадків поправочний множник на відхилення верхніх меж виміру від стандартних буде дорівнює одиниці, а в іншій половині буде дорівнювати від одиниці не більше ніж на 1,5%.

Звужувальні пристрої типу труб Вентурі доцільно застосовувати також для виміру витрати стічних вод у каналах круглої, квадратної і прямокутної форми .

Є відомості про деякі спроби модернізації профілю труби Вентурі, наприклад шляхом заміни вхідного конуса двома конусами: першого досить крутого і короткого і другого більш пологого і довгого. Поки подібні витратомірні труби помітного поширення не одержали.

Сопла Вентурі

Від класичних труб Вентурі з конічним входом сопла Вентурі відрізняються тим, що вхідна частина в них цілком відповідає стандартному соплу. На рисунку 2.6 показаний профіль сопла Вентурі.

Вимоги до діаметрів отворів, а також ширини кільцевої щілини для відбору плюсового тиску ті ж, що й у випадку стандартних сопел і діафрагм. Відбір мінусового тиску здійснюється через отвори, число яких повинно бути не менш чотирьох. Ці отвори повинні виходити в зовнішню кільцеву камеру.

Поряд зі звичайними або довгими соплами Вентурі широко застосовуються укорочені сопла Вентурі зі зрізаним дифузором. Вони досить компактні. Їхня довжина лежить звичайно в межах від 1 до 2D, а втрата тиску не набагато більше, ніж у довгих сопел Вентурі.

 

 

Рисунок 2.6  Сопло Вентурі: а — схема й основні розміри; б — зміна тиску

Для можливості зміни частини сопла, що найбільш зношується  горла останнє нерідко виготовляють окремо від конуса. Було виконано навіть дослідження питання, наскільки точно початковий діаметр дифузора повинен дорівнювати діаметрові горла. Виявилося, що якщо перший з цих діаметрів більше другого на 2 %, те це майже не позначається на залишковій утраті тиску.

Наявність дифузора дає підставу для об'єднання сопел Вентурі з трубами Вентурі в одну групу звужувальних пристроїв. У всіх інших параметрах сопла Вентурі ближче до стандартних сопел і діафрагм. Так, довжини необхідних прямих ділянок у всіх цих звужувальних пристроїв приблизно однакові, у той час як у труб Вентурі вони значно менше. При однакових дифузорах довжина сопла Вентурі трохи менше довжини труби Вентурі.

Проведення подальших досліджень як труб, так і сопел Вентурі може сприяти розширенню границь їхньої застосовності.

Зустрічаються звужувальні пристрої, близькі до сопел Вентурі, але які мають профіль вхідної соплової частини, що відрізняється від профілю стандартного сопла, наприклад, аналогічний соплу чверть кола.