Venturidüse

Eine Venturi-Düse (auch Venturi-Rohr, nach 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

Venturi-Prinzip

Autogas-Venturi-Düse

Skizze des Dekantierausgusses

Venturi-Dekantierausguss

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 (Ruhedruck) 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 idealen Gasen und Flüssigkeiten (inkompressibel und ohne Reibung) durch die Bernoulli-Gleichung gegeben.

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. Im Folgenden sollen beispielhaft einige Anwendungen dargestellt werden.

Messinstrumente

Das Venturi-Prinzip wird zur Messung der Strömungs-Geschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen angewendet. Nebenstehendes Bild 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).

Dekantierausguss für Weinflaschen

Als Ausguss 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.

Luftfahrt

Venturi-Rohr an einem Flugzeug.

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 Anströmrichtung des Propellers lag. Mit Hilfe des im Rohr erzeugten Unterdrucks konnten dann die Kreiselinstrumente wie 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 (dtsch. 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.

Normteile

Als industrielle Normteile des Maschinenbaues sind Venturidüsen als "Einschweißdruckgeber" nach DIN 19215 und ISO 5167 definiert.

Mathematische Beschreibung

Venturirohr

Aus Bernoulli-Gleichung:

$\frac{w_1^2 \rho}{2} + p_1 + \rho g z_1 = \frac{w_2^2 \rho}{2} + p_2 + \rho g z_2$

mit

z₁ − z₂ = h

p₁ − p₂ = Δp

folgt

$\Delta p + \rho g h = \frac{1}{2} \rho (w_2^2-w_1^2)= \frac{1}{2} \rho w_2^2 (1 - \frac{w_1^2}{w_2^2})$

Aufgrund der Massenerhaltung

w₁A₁ = w₂A₂

$w_1 = \frac{A_2}{A_1} w_2$

gilt weiterhin

$\Delta p + \rho g h = \frac{1}{2} \rho w_2^2 (1 - (\frac{A_2}{A_1})^2)$

$w_2 = \sqrt{ \frac{2(\Delta p + \rho g h)}{\rho (1- (\frac{A_2}{A_1})^2)}}$

Damit ergibt sich der Massenstrom im Venturirohr zu

$\dot m = \rho A_2 w_2 = \rho \frac{A_2}{\sqrt{1-(\frac{A_2}{A_1})^2 } } \sqrt{ \frac{2}{\rho} (\Delta p + \rho g h) }$

Siehe auch

• Pitotrohr
• Pitot-Statik-System
• Fluiddynamik
• Flaschenhals
• Labor
• Navigation

Literatur

• Dieter Schulz, Prof.Dr.Ing. Weisweiler, Labor für Strömungstechnik FH Friedberg - Laborversuch Volumenstrommessung in der Saugleitung eines Radialgebläses
• Ernst Götsch - Luftfahrzeug-Technik, 3. Auflage 2003, ISBN 3-613-02006-8
• Jeppesen Sanderson - Privat Pilot Manual 2001, ISBN 0-88487-238-6
• Wolfgang Kühr - Der Privatflugzeugführer, Technik I, Band 1 1981, ISBN 3-921270-05-7

Weblinks

• Bild eines Versuchsaufbaus
• Animated Demonstration of Bernoulli's Principle