Venturi-Düse
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Eine Venturi-Düse (auch Venturi-Rohr, entwickelt von Giovanni Battista Venturi) besteht aus einem glattwandigen Rohrstück mit einer Verengung des Querschnitts beispielsweise durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. An dieser Stelle ist daneben ein Abnahmerohr platziert.
Wirkprinzip
Fließt durch die Venturidüse ein gasförmiges oder flüssiges Medium, so ist an der engsten Stelle des Rohres der dynamische Druck (Staudruck) maximal und der statische Druck minimal. Die Geschwindigkeit des fließenden Gases (bzw. der Flüssigkeit) steigt im Verhältnis der Querschnitte beim Durchströmen des eingeschnürten Teils an, weil überall dieselbe Menge durchfließt. Gleichzeitig sinkt der Druck im Abnahmerohr, das genau im engen Teil sitzt. Damit entsteht ein Differenzdruck, der dann in verschiedenen Messgeräten oder zum Ansaugen von Flüssigkeiten oder Gasen benutzt wird.
Die Druckdifferenz ist bei Flüssigkeiten (inkompressibel und ohne Reibung) durch die Bernoulli-Gleichung gegeben. Bei idealen Gasen gilt die erweiterte Bernoulli-Gleichung. Erreicht die Strömung Schallgeschwindigkeit, wird die Venturidüse zur Lavaldüse.
Anwendungen
Venturi-Düsen finden sich heute in der Technik in einer Vielzahl von Anwendungen, da sie wartungsarm und kostengünstig arbeiten. Sie werden in der Aquarientechnik als Abschäumer verwendet ebenso wie in der Chemie als sogenannte Venturi-Injektoren, um Gase in Flüssigkeiten aufzulösen oder als Messwertgeber für Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen oder Flüssigkeiten. Außerdem wird dieses Prinzip in Ölern der Aufbereitungseinheit von pneumatischen Anlagen verwendet. Als industrielle Normteile des Maschinenbaues sind Venturidüsen als „Einschweißdruckgeber“ nach DIN 19215 und ISO 5167 definiert.
Im Folgenden sollen beispielhaft einige Anwendungen dargestellt werden.
Messinstrumente
Das Venturi-Prinzip wird zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen angewendet, siehe Venturi-Durchflussmessung. Das Bild im Abschnitt Wirkprinzip zeigt ein sich verengendes Glasrohr mit von rechts einströmender Luft. Deren Druck ist dort am geringsten, wo der Querschnitt des Rohres am engsten bzw. die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten ist. Das Manometer misst die statischen Drücke vor und nach der Verengung, deren Differenz von der Strömungsgeschwindigkeit und der Luftdichte abhängt.
Vergaser
Eine weitere Anwendung findet sich im Motorenbau. Um einen Verbrennungsmotor mit gasförmigem (Autogas bzw. Erdgas) oder flüssigem Brennstoff (z. B. Benzin) zu betreiben, muss dieser mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Oxidationsmittel vermischt werden. Das Gas wird dabei in einer Venturi-Düse vor der Drosselklappe in der richtigen Menge in den angesaugten Luftstrom eingemischt (Vergaser).
Luftfahrt
Das Venturi-Rohr war eines der ersten Geräte in der Motorfliegerei, mit dem man Unterdruck erzeugen konnte. Der Doppeltrichter war am Flugzeugrumpf so montiert, dass er genau in der Abströmrichtung des Propellers lag. Mit Hilfe des im Rohr erzeugten Unterdrucks konnten dann die Kreiselinstrumente wie Kreiselkompass (Gyro), künstlicher Horizont und Wendezeiger betrieben werden. In den Anfängen der Fliegerei wurde das Venturirohr auch versuchsweise direkt als Fahrtmesser verwendet.
Das Venturi-Rohr hat für die Fliegerei einen entscheidenden Nachteil. Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft führt zu einer stärkeren Abkühlung derselben. Daher neigt das System sehr leicht zur Vereisung (siehe auch Vergaservereisung). Dieses hat dazu geführt, dass Venturi-Rohre heute in der Fliegerei, außer bei Oldtimern nicht mehr verwendet werden. Sie sind durch die Suction-Pump (deutsch Unterdruckpumpe) ersetzt worden. Der Wendezeiger wird heute meist von einem Gleichstrommotor angetrieben, um bei Ausfall der Suction-Pump und damit des künstlichen Horizonts weiter korrekt anzuzeigen.
Dekantierausguss für Weinflaschen
Als Dekantierausguss für Weinflaschen findet das Venturi-Rohr zur Geschmacksverbesserung von Rotwein Verwendung. Das System ist ein spezieller Ausguss, der auf den Flaschenhals aufgesetzt wird. Eine Einschnürung im System vergrößert die Fließgeschwindigkeit des Weines. Durch den dabei erzeugten Unterdruck gegenüber der Umgebungsluft wird Luft durch einen Kanal an der engsten Stelle des Ausgusses angesaugt und unter die Flüssigkeit gemischt; es kommt zu einem Druckausgleich mit Blasenbildung. Die hierbei entstehende Vergrößerung der Oberflächen erleichtert die Entfaltung von Geschmacks- und Aromastoffen.
Pflanzenschutz
Bei Pflanzenschutzgeräten werden Venturi-Düsen eingesetzt, um die Abdrift der Tropfen zu verringern. Hierbei wird der Spritzbrühe Luft beigemischt, um die Tropfen größer werden zu lassen.
Mathematische Beschreibung
Aus Bernoulli-Gleichung:
$ {\frac {w_{1}^{2}\rho }{2}}+p_{1}+\rho gz_{1}={\frac {w_{2}^{2}\rho }{2}}+p_{2}+\rho gz_{2} $
mit
$ z_{1}-z_{2}=h $
$ p_{1}-p_{2}=\Delta p $
folgt
$ \Delta p+\rho gh={\frac {1}{2}}\rho (w_{2}^{2}-w_{1}^{2})={\frac {1}{2}}\rho w_{2}^{2}(1-{\frac {w_{1}^{2}}{w_{2}^{2}}}) $
Aufgrund der Massenerhaltung
$ w_{1}A_{1}=w_{2}A_{2} $
$ w_{1}={\frac {A_{2}}{A_{1}}}w_{2} $
gilt weiterhin
$ \Delta p+\rho gh={\frac {1}{2}}\,\rho \,w_{2}^{2}\left(1-\left[{\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right]^{2}\right) $
$ w_{2}={\sqrt {\frac {2(\Delta p+\rho gh)}{\rho \left(1-\left[{\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right]^{2}\right)}}} $
Damit ergibt sich der Massenstrom im Venturirohr zu
$ {\dot {m}}=\rho A_{2}w_{2}=\rho {\frac {A_{2}}{\sqrt {1-({\frac {A_{2}}{A_{1}}})^{2}}}}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}(\Delta p+\rho gh)}} $
Siehe auch
- Strömung nach Bernoulli und Venturi
- Pitotrohr, Pitot-Statik-System
- Fluiddynamik
- Flaschenhals
- (Wasser-) Strahlpumpe
- Navigation
Literatur
- Dieter Schulz, Weisweiler: Laborversuch Volumenstrommessung in der Saugleitung eines Radialgebläses. Labor für Strömungstechnik, FH Friedberg.
- Ernst Götsch: Luftfahrzeug-Technik. 4. Auflage. Motorbuch, Stuttgart 2005, ISBN 3-613-02006-8.
- Jeppesen Sanderson (Hrsg.): Privat Pilot Manual. Jeppesen Sanderson, Englewood 1997, ISBN 0-88487-238-6.
- Wolfgang Kühr: Technik I. Schiffmann, Bergisch Gladbach 1989, ISBN 3-921270-05-7 (Der Privatflugzeugführer. Band 1).
Weblinks
Commons: Venturi-Effekt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien- Uni Würzburg: Arbeitsweise einer Venturi-Düse
- 3D-Animation des Differenzdruck-Durchfluss-Messprinzips für Blende – Düse – Venturi auf YouTube
- Bild eines Versuchsaufbaus
- Animated Demonstration of Bernoulli's Principle (englisch)
- Venturi Tube Simulation (englisch, Java erforderlich)