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Die Erfindung betrifft eine kritisch betreibbare Venturidüse mit (a) einem toroidförmigen Einströmabschnitt, (b) einem Hals, der in Strömungsrichtung hinter dem Einströmabschnitt angeordnet ist und (c) einem Diffusor, der sich zumindest abschnittsweise konisch erweitert und in Strömungsrichtung hinter dem Hals angeordnet ist.
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Derartige Venturidüsen werden beispielsweise in Durchflussmessgeräten auf Basis der ISO 9300 eingesetzt. Der Vorteil an kritisch betreibbaren Venturidüsen ist, dass dann, wenn das Druckverhältnis zwischen einem stromabwärtigen Druck unmittelbar hinter dem Diffusor und einem stromaufwärtigen Druck unmittelbar vor dem Einströmabschnitt kleiner ist als ein kritisches Druckverhältnis, der Durchfluss durch die Venturidüse nur noch vom stromaufwärtigen Druck abhängig ist. Etwaige Schwankungen des stromabwärtigen Drucks haben keinen Einfluss mehr auf den Durchfluss.
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Nachteilig an bekannten kritisch betreibbaren Venturidüsen ist, dass das kritische Druckverhältnis vergleichsweise klein ist, sodass eine hohe Druckdifferenz über die Venturidüse abfällt. Dies wiederum führt zu einem hohen Energieaufwand beim Betreiben der Venturidüse. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn ein Halsdurchmesser von höchstens 3 mm verwendet wird. In diesem Fall neigen kritisch betreibbare Venturidüsen zum Ausprägen eines vorzeitig unterkritischen Bereichs. Hierunter ist zu verstehen, dass unterhalb des eigentlichen kritischen Druckverhältnisses ein Intervall von Druckverhältnissen existiert, bei denen der Durchfluss durch die Venturidüse vom stromabwärtigen Druck abhängt. Die Venturidüse darf in diesem Bereich daher nicht betrieben werden. Um sicher zu sein, dass die Venturidüse nicht im vorzeitig unterkritischen Bereich betrieben wird, muss ein kleines Druckverhältnis gewählt werden, was wiederum zu einem signifikanten Energieverbrauch führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Venturidüse vorzuschlagen.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Venturidüse, bei der im Diffusor eine in Strömungsrichtung hinter dem Hals ausgebildete Formabweichung ausgebildet ist. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Energieverbrauch beim kritischen Betreiben der Venturidüse reduziert und dennoch sichergestellt ist, dass die Venturidüse stets im kritischen Bereich betrieben wird.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der verringerte Energieverbrauch durch konstruktiv einfache Maßnahmen erreicht werden kann. In anderen Worten ist eine erfindungsgemäße Venturidüse nicht oder nur geringfügig aufwendiger herzustellen als eine herkömmliche Venturidüse.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Einströmbereich insbesondere der Bereich verstanden, dem beim Betrieb das Gas zugeführt wird.
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Unter dem Hals wird derjenige Abschnitt der Venturidüse verstanden, bei dem der Durchmesser minimal ist. Existiert ein Halsabschnitt gleichen, minimalen Durchmessers, so wird als der Hals der abströmseitig am weitesten hinten liegende Bereich verstanden.
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Unter dem Diffusor wird der Abschnitt hinter dem Hals verstanden.
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Unter der Formabweichung wird insbesondere eine Abweichung von einer Venturidüse nach ISO 9300: 2300: 2003 verstanden, die einen toroidförmigen Einströmabschnitt, einen Hals oder einen Halsabschnitt, in dem sich der Durchmesser nicht ändert, und einen sich unmittelbar daran anschließenden Diffusor aufweist. Bei einer zylindrischen Venturidüse existiert ein Halsabschnitt, bei einer toroidalen Venturidüse existiert kein Halsabschnitt. Beide Venturidüsen haben einen Hals.
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Vorzugsweise besitzt die Venturidüse neben dem toroidförmigen Einströmabschnitt einen Halsabschnitt, der sich unmittelbar an den Einströmabschnitt anschließt, sowie einen Diffusor, der sich unmittelbar an den Halsabschnitt anschließt.
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Günstig ist es, wenn ein Halsdurchmesser, also der minimale Durchmesser der Venturidüse, höchstens 3 mm beträgt. Derartige Venturidüsen neigen besonders stark zum Ausbilden eines vorzeitig unterkritischen Bereichs, sodass die Erfindung bei derartigen Venturidüsen besonders vorteilhaft ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Innenfläche der Venturidüse rotationssymmetrisch bezüglich einer Längsachse ausgebildet. Besonders günstig ist es, wenn die Formabweichung rotationssymmetrisch um die Längsachse ist. Beispielsweise ist die Formabweichung eine umlaufende Rille. Der Querschnitt der Rille ist wenig relevant. Beispielsweise ist der Querschnitt der Rille dreieckig, viereckig oder halbkreisförmig.
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Vorzugsweise ist die Rille in einem auf den Halsdurchmesser normierten Rillenabstand vom Hals angeordnet, wobei der Rillenabstand zumindest 0,2 und/oder höchstens 1 beträgt.
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Der auf den Halsdurchmesser normierte Rillenabstand wird erhalten, indem der - beispielsweise in Millimeter gemessene - Abstand der Rille vom Hals durch den Halsdurchmesser in der gleichen Maßeinheit, im vorliegenden Fall also in Millimeter, dividiert wird. Es ergibt sich so der dimensionslose Rillenabstand. Es hat sich herausgestellt, dass eine Düse mit einer Rille in einem solchen Rillenabstand in der Regel nicht vorzeitig unterkritisch wird.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Formabweichung in Längsrichtung, das heißt entlang der Längsachse, über eine Formabweichungslänge, die zumindest das 0,1-fache des Halsdurchmessers beträgt und/oder höchstens das 0,5-fache des Halsdurchmessers beträgt. Die auf den Halsdurchmesser normierte Formabweichungslänge beträgt damit vorzugsweise zumindest 0,1 und/oder höchstens 0,5.
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Vorzugsweise besitzt die Rille eine Rillentiefe, die zumindest einem Hundertstel, zumindest einem Fünfzigstel, eines Innen-Durchmessers an einer in Strömungsrichtung vorderen Kante der Rille entspricht. Alternativ oder zusätzlich entspricht die Rillentiefe höchstens einem Zehntel des Durchmessers an der in Strömungsrichtung vorderen Kante der Rille.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Formabweichung ein Absatz, sodass der Diffusor (i) einen ersten kegelstumpfförmigen Abschnitt, der in Strömungsrichtung vor dem Absatz liegt, und (ii) einen zweiten kegelstumpfförmigen Abschnitt, der in Strömungsrichtung hinter dem Absatz liegt, und der sich direkt an den ersten Abschnitt anschließt, aufweist. Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass die Kontur der Venturidüse in Abhängigkeit von einer x-Koordinate, die entlang der Längsachse gemessen wird, in dem Absatz unstetig ist. In anderen Worten springt die Kontur in diesem Absatz radial auswärts.
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Wiederum alternativ ist es möglich, dass die Kontur im Bereich des Absatzes stetig ist und dass die Kontur im Bereich des Absatzes einen Winkel mit der Längsachse bildet, der von 90° verschieden ist. Vorzugsweise weicht der Winkel in diesem Fall vom rechten Winkel um höchstens 15°, vorzugsweise höchstens 10°, ab.
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Vorzugsweise hat der Absatz eine Absatz-Höhe, die zumindest einem Hundertstel, insbesondere zumindest einem Fünfzigstel, des Innen-Durchmessers der Venturidüse an einer inneren Kante des Absatzes entspricht. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Absatz-Höhe höchstens das 0,03-fache des Innen-Durchmessers an einer äußeren Kante des Absatzes.
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Der Absatz ist vorzugsweise in einem Absatz-Abstand vom Hals angeordnet, der vorzugsweise zumindest das 0,2-fache des Halsdurchmessers beträgt und/oder höchstens das 1,5-fache des Halsdurchmessers beträgt.
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Es ist möglich, in der Regel aber nicht vorteilhaft, wenn eine Venturidüse sowohl einen Absatz als auch eine Rille aufweist.
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Vorzugsweise besitzt der Diffusor einen, insbesondere überall, konvex gekrümmten Krümmungsabschnitt, und einen Konusabschnitt, in dem der Diffusor eine konische Innenfläche hat. Der Konusabschnitt schließt sich in Strömungsrichtung hinter den Krümmungsabschnitt an den Krümmungsabschnitt an. Die Innenkontur der Venturidüse hat vorzugsweise am Übergang zwischen Krümmungsabschnitt und Konusabschnitt eine Knickstelle. In anderen Worten ist die Funktion, die den Durchmesser in Abhängigkeit von der Position entlang der Längsachse beschreibt, in der Knickstelle zwar stetig, nicht aber differenzierbar. Auf der einströmseitigen Seite ist die Steigung größer als an der abströmseitigen Seite der Knickstelle. Besonders günstig ist es, wenn die maximale Steigung im Krümmungsabschnitt an der Knickstelle vorliegt und/oder die maximale Steigung zumindest das 1,5-fache des Tangens eines Öffnungswinkels des Konusabschnitts beträgt.
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Es hat sich herausgestellt, dass es günstig ist, wenn der Diffusor im Krümmungsabschnitt keine scharfen Außenkanten gemäß DIN ISO 13715 hat.
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Erfindungsgemäß ist eine Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Venturidüse. Vorzugsweise besitzt die Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung ein Laminarflusselement, das poröses Material aufweist. Das Laminarflusselement dient zum Ausgleichen von turbulenten Anteilen im Gasstrom, bevor dieser in den Einströmabschnitt einströmt. Vorzugsweise ist eine mittlere Porengröße des porösen Materials kleiner als 80 Mikrometer und größer als 5 Mikrometer.
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Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Druckverhältnis zwischen dem stromabwärtigen Druck und dem stromaufwärtigen Druck größer als 0,7. Das bedeutet einen geringen Energieverbrauch. Vorzugsweise ist eine Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen Druck und dem stromabwärtigen Druck kleiner als 40 hPa, vorzugsweise kleiner als 30 hPa.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
- 1a eine toroidale Venturidüse gemäß dem Stand der Technik,
- 1b eine zylindrische Venturidüse nach dem Stand der Technik
- 1c eine Diagramm, in dem die relative Veränderung des Durchflusses für das Druckverhältnis aufgetragen ist,
- 2a den Verlauf der Kontur einer erfindungsgemäßen Venturidüse hinter ihrem Hals,
- 2b den Verlauf der Kontur einer erfindungsgemäßen Venturidüse hinter ihrem Hals für eine zweite Ausführungsform einer kritisch betreibbaren Venturidüse,
- 2c den Verlauf der Kontur einer erfindungsgemäßen Venturidüse hinter ihrem Hals für eine dritte Ausführungsform einer kritisch betreibbaren Venturidüse, und
- 3 eine erfindungsgemäße Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung.
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1a zeigt eine Venturidüse 10 nach dem Stand der Technik, die einen toroidförmigen Einströmabschnitt 12, einen Hals 14 und einen Diffusor 16 aufweist. Der Hals 14 ist der Punkt minimalen Durchmessers d. Ein Abstand x ist im Hals 14 gleich 0. Der minimale Durchmesser d ist der Halsdurchmesser dHals .
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1b zeigt eine weitere Venturidüse nach dem Stand der Technik in Form einer zylindrischen Venturidüse. Diese besitzt einen Halsabschnitt 18, an dessen stromabwärtigem Ende der Hals 14 ausgebildet ist. Im Halsabschnitt 18 gilt d = dHals.
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1c zeigt ein Diagramm, bei dem die Abszisse das Druckverhältnis V = pA/pE aufgetragen ist. Dabei ist pA der stromabwärtige Druck unmittelbar hinter dem Diffusor 16 (vgl. 1b) und pE der stromaufwärtige Druck unmittelbar vor dem Einströmabschnitt 12. Die Ordinate ist die Abweichung des Durchflusses von dem Durchfluss, der über die kritischen Bereiche gemittelt ist. Es ist zu erkennen, dass im Intervall des Druckverhältnisses V zwischen 0,45 und 0,53 die Abweichung ΔQm,rel deutlich von null abweicht, was zu einem beträchtlichen Messfehler führt, wenn die Venturidüse 10 in diesem Bereich betrieben wird.
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2a zeigt eine Kontur K einer erfindungsgemäßen Venturidüse 10 in Abhängigkeit von einer Längenkoordinate x*, die auf den Hals-Durchmesser dHals normiert ist. Der Hals-Durchmesser dHals beträgt im vorliegenden Beispiel dHals = 3 mm. Ein halber Öffnungswinkel des Konus, der auch als Kegelstumpf bezeichnet werden könnte, beträgt zwischen 2,5° und 6°, wenn die Venturidüse einen torusförmigen Einströmabschnitt hat, und 3° bis 4°, wenn die Venturidüse einen zylindrischen Halsabschnitt hat. Die arithmetische Rauheit Ra auf der Oberfläche des Diffusors beträgt höchstens 10-4dHals.
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Es ist zu erkennen, dass eine (Innen-)Kontur K und damit der Diffusor 16 eine Formabweichung 20 in Form einer Rille 20' aufweist. Im Bereich der Rille 20' ist die ursprüngliche Kontur K'16 gestrichelt eingezeichnet.
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Die Formabweichung in Form der Rille 20' ist in einem Rillenabstand x*20 vom Hals 14 (vgl. 1a) angeordnet, das heißt, dass sie dort beginnt. Im vorliegenden Fall gilt x*20 = 0,5. In nicht-normierten Einheiten gelten x20 = 0,5 dHals . Die Rille 20' hat eine Formabweichungslänge LF von im vorliegenden Fall LF = 0,3 dHals . In anderen Worten endet die Formabweichung 20 im Abstand von x*20 + LF , hier also bei 0,8 dHals .
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Auf der Ordinate ist die ebenfalls auf den Halsdurchmesser dHals normierte y-Koordinate abgetragen, wobei diese y-Koordinate dem halben Durchmesser der Venturidüse am entsprechenden Ort entspricht. Es ist zu erkennen, dass die Rille 20' eine Rillentiefe TF von im vorliegenden Fall TF = 0,01 dHals hat und damit einem Hundertstel des Hals-Durchmessers dHals entspricht.
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2b zeigt die Kontur K16 einer Venturidüse 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Formabweichung 20 als Absatz 22 ausgebildet ist. Der Absatz 22 unterteilt den Diffusor in einen ersten kegelstumpfförmigen Abschnitt A1 und einen zweiten kegelstumpfförmigen Abschnitt A2, der durch die Formabweichung in Form des Absatzes 22 vom ersten Abschnitt A1 getrennt ist. Die Kontur K16 besitzt an der Stelle x*A eine Unstetigkeitsstelle. Eine Absatzhöhe hA des Absatzes 22 beträgt im vorliegenden Fall ein Fünfzigstel des Durchmessers der Venturidüse an der Stelle des Absatzes x*A. Der Absatz-Abstand x*A beträgt im vorliegenden Fall 0,5 dHals . Damit gilt x*A = 0,5.
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2c zeigt die Kontur K16 einer Venturidüse 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Es ist zu erkennen, dass der Diffusor 16 einen Krümmungsabschnitt AK und einen Konusabschnitt AC aufweist, der sich unmittelbar an den Krümmungsabschnitt AK anschließt. Der Krümmungsabschnitt AK stellt die Formabweichung 20 dar.
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Der Übergang vom Hals oder Halsabschnitt in den Diffusor ist als toroidale, elliptische, parabolische oder hyperbolische Form ausgeführt. In anderen Worten ist die Innenfläche Q eine Fläche zweiter Ordnung mit Kontinuität der zweiten Ableitung ∂2d/∂x2 und ∂2d/∂x2 ≥ 0 der Ortsfunktion des lokalen Durchmessers d(x)).
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Der Konusabschnitt AC setzt erst an einer Knickstelle 24 an, an der die lokale erste Ableitung ∂d/∂x der toroidalen, elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Übergangsform größer ist als der Tangens des Öffnungswinkels des Diffusors im Konusabschnitt Ac. Eine Steigung der Kontur K16 in der Knickstelle 24 beträgt im Krümmungsabschnitt im vorliegenden Fall das 1,5-fache der Steigung im Konusabschnitt Ac.
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Keine der erfindungsgemäßen Venturidüsen hat eine technisch scharfe Außenkante. Das ist nach DIN ISO 13715 eine Kante, die weniger als 50 µm Überhang (Grat) oder weniger als 50 µm Abtrag (Abrundung gegenüber idealer Kante) hat. Eine Abrundung gegenüber einer idealen Kante könnte näherungsweise wieder als Toroid aufgefasst werden. Eine solche Übergangsform mit einem Krümmungsradius von weniger als 50 µm wäre dann immer noch als technisch scharfe Kante zu interpretieren.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung 26 mit einer erfindungsgemäßen Venturidüse 10 und einem Laminarflusselement 28, das in einer Strömungsrichtung S eines Gases 30 vor der Venturidüse 10 angeordnet ist. Die Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung 26 besitzt zudem eine schematisch eingezeichnete Pumpe 32, die mit einer Gasrückleitung 34 verbunden ist, die Gas 28 zur Pumpe 32 führt, das aus dem Diffusor 16 der Venturidüse 10 ausgetreten ist.
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Die Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung 26 besitzt zudem einen Druckmesser 36, der den stromaufwärtigen Druck pE misst. Zur Kontrolle umfasst die Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung 26 zudem einen zweiten Druckmesser 38, der in Strömungsrichtung S vor dem Laminarflusselement 28 angeordnet ist. Im Laminarflusselement 28 ist poröses Material 29 angeordnet, beispielsweise mittels der Druckmesser 36, 38 wird von einer Auswerteeinheit 40, die mit beiden Druckmessern 36, 38 verbunden ist, ein Kontrolldruck ΔpKontrolle = p38 - pE bestimmt. Übersteigt dieser Kontrolldruck ΔpKontrolle einen vorgegebenen Schwellenwert ΔpS, so wird eine Warnmeldung ausgegeben, dass die Vorrichtung nicht korrekt arbeitet.
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Die Auswerteeinheit 40 ist zudem mit einem Thermometer 42 verbunden. Das Thermometer 42 ist vorzugsweise vor dem Laminarflusselement 28 angeordnet, sodass durch das Thermometer 42 verursachte Turbulenzen vom Laminarflusselement 28 eliminiert werden.
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In der Gas-Rückleitung 34 ist vorzugsweise ein zu kalibrierender Prüfling 44 angeordnet, der anhand des Durchflusses durch die Venturidüse 10 kalibriert werden kann. Es ist allerdings auch möglich, dass die Gasdurchfluss-Erzeugungsvorrichtung 26 keinen Prüfling enthält und ausgebildet ist, um einen definierten Gasstrom V in Volumen pro Zeiteinheit, Mol pro Zeiteinheit oder Masse pro Zeiteinheit zu erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Venturidüse
- 12
- Einströmabschnitt
- 14
- Hals
- 16
- Diffusor
- 18
- Halsabschnitt
- 20
- Formabweichung
- 20'
- Rille
- 22
- Absatz
- 24
- Knickstelle
- 26
- Gasdurchfluss-Erzeugungs-Vorrichtung
- 28
- Laminarflusselement
- 29
- poröses Material
- 30
- Gas
- 32
- Pumpe
- 34
- Gas-Rückleitung
- 36
- Druckmesser
- 38
- zweiter Druckmesser
- 40
- Auswerteeinheit
- 42
- Thermometer
- 44
- Prüfling
- AC
- Konusabschnitt
- AK
- Krümmungsabschnitt
- d
- Durchmesser
- dHals
- Hals-Durchmesser
- E
- Kante
- ΔpKontrolle
- Kontrolldruck
- HA
- Absatz-Höhe
- K
- (Innen-)Kontur
- LF
- Formabweichungs-Länge
- p
- Druck
- pA
- stromabwärtiger Druck
- pE
- stromaufwärtiger Druck
- Q
- Innenfläche
- S
- Strömungsrichtung
- TF
- Rillentiefe
- V
- Druckverhältnis
- x
- Längenkoordinate
- X*20'
- Rillenabstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 9300: 2300: 2003 [0011]
- ISO 13715 [0025, 0040]
