Slimme oplossingen ontwerpen voor gasstroomapparatuur

In de 20e eeuw werd het energielandschap in India gedomineerd door fossiele brandstoffen, waarbij diesel, aardolie en kerosine voor de meeste industriële en huishoudelijke doeleinden werden gebruikt. Op het platteland van India gebruikte een groot deel van de bevolking nog steeds kolen-, hout- of mestvuren om te koken. De afgelopen decennia heeft het land er echter naar gestreefd een meer op gas gebaseerde economie te worden, met wijdverbreid gebruik van vloeibaar petroleumgas (LPG) en gecomprimeerd aardgas (CNG) voor koken en zelfs transport. Onlangs is aardgas via pijpleidingen ook beschikbaar gesteld aan veel stedelijke huishoudens, waardoor het comfort van ononderbroken kookgas rechtstreeks aan consumentenhuizen wordt geboden. Deze nieuwe ontwikkeling vraagt ​​van de gasleveranciers om te meten hoeveel gas wordt verbruikt. Hoe? Met behulp van gasmeters.

Een gasmeter is een gespecialiseerde flowmeter die wordt gebruikt in residentiële, commerciële en industriële gebouwen om de hoeveelheid brandstofgassen, zoals CNG of LPG, te meten die via een pijpleiding wordt geleverd. Gassen zijn zeer samendrukbaar, waardoor ze moeilijker te meten zijn dan vloeistoffen vanwege hun gevoeligheid voor veranderingen in temperatuur en druk. Gasmeters meten een bepaald volume, ongeacht de onder druk staande hoeveelheid of kwaliteit van het gas dat door de meter stroomt. Dienovereenkomstig moeten er aanpassingen worden gemaakt in temperatuur-, druk- en verwarmingswaarden om nauwkeurig de werkelijke hoeveelheid gas te meten die door de meter beweegt. Verschillende ontwerpen van gasmeters zijn gebruikelijk, afhankelijk van de volumetrische stroomsnelheid van het te meten gas, het bereik van de verwachte stromen, het type gas dat wordt gemeten en andere factoren. Enkele van de belangrijkste soorten gasmeters zijn diafragmameters, roterende verplaatsingsmeters, turbinemeters, ultrasone flowmeters en Coriolis-meters.

Raychem RPG is een van de toonaangevende leveranciers van gasmeters voor huishoudelijk gebruik in India. In het Raychem Innovation Center (RIC) in Gujarat, India, ontwikkelden onderzoekers vier nieuwe ontwerpen voor gasflowmeters, die werden geconceptualiseerd, geoptimaliseerd en gevalideerd met behulp van multifysische simulatiesoftware.

Ontwerpuitdagingen voor gasflowmeters

Alle gasmeters die momenteel in India verkrijgbaar zijn, hebben hun eigen beperkingen. Zo kan bij membraanmeters lekkage van bewegende delen en het membraan meetfouten veroorzaken. Roterende verplaatsingsmeters en turbinemeters hebben daarentegen bijna 35 componenten, waardoor de kans op mechanisch falen en vermoeidheid toeneemt. Verder is de grootte van de behuizing voor elke gasmeter vast, dus elk nieuw meterontwerp moet binnen de gegeven behuizingsgrootte passen. Daarom is de grootte van het apparaat een ander belangrijk criterium voor elk nieuw ontwerp van een gasmeter. Al deze verschillende criteria maken het een uitdaging voor deze apparaten om te worden goedgekeurd tijdens de laatste kwaliteitstestfasen. Het afwijzingspercentage kan zelfs erg hoog zijn.

Het Raychem-team, onder leiding van dhr. Ishant Jain, wilde het aantal componenten in gasflowmeters tot een minimum beperken en het afkeurpercentage verminderen tijdens de kwaliteitstestfase, waardoor de totale productiekosten voor deze apparaten werden verlaagd. Hiervoor voerde het Raychem-team simulatie-analyses uit in de COMSOL Multiphysics®-software.

Ontwerpen valideren met simulatie

Het team ontwikkelde vier gasmeters op basis van ontwerpoptimalisatie met behulp van TRIZ, een probleemoplossende methodologie en klantvereisten. Ze begonnen met het valideren van een eindige elementenmodel van een conventioneel gasmeterontwerp. Het team breidde vervolgens hun bevindingen uit om de voorgestelde ontwerpen te evalueren.

Het eerste van de nieuwe gasmeterontwerpen is een wijziging van het bestaande diafragmasysteem, waarbij de stroomafnemer is vervangen door een Scotch-Yoke-mechanisme om het aantal componenten te verminderen.

Na het bereiken van hun geoptimaliseerde ontwerp (Figuur 1), was het team in staat om verschillende mechanische componenten uit het oorspronkelijke ontwerp te verwijderen, naast het verbeteren van de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de meting. Het aantal componenten in het metersysteem werd aanzienlijk verminderd, van 35 componenten van het eerdere membraanontwerp tot 5 of 6 componenten, waardoor de mechanische robuustheid en integriteit van het systeem werd gewaarborgd.

Het volgende ontwerp bestaat uit een Möbiusbandturbine, waarbij de rotatie van de turbine wordt gebruikt om het gasdebiet te meten. Deze gasmeters meten het gasvolume door de snelheid te bepalen van het gas dat door de Möbius-strook beweegt. De Möbius-bandvormige rotor wordt in de weg geplaatst van de gasstroom die eroverheen gaat, waardoor de as roteert. De output van de as wordt overgebracht naar een kegeltandwielsysteem. De turbine leidt de snelheid van het gas af, dat mechanisch wordt doorgegeven aan een elektronische of mechanische teller.

Het Raychem-team gebruikte de CFD-module en Multibody Dynamics-module om de turbulente gasstroom (Figuur 2) te modelleren, evenals de spanningen en koppels die in de turbine worden ontwikkeld.

Het is belangrijk op te merken dat de Möbius bandturbinegasmeter goed presteert wanneer het gasdebiet hoog is. Omdat het gasvolume wordt bepaald door de stroom, is de werkzaamheid van het apparaat beperkt bij het meten van de stroom met een lage drukval. Om dit probleem te omzeilen, ontwierp het team een ​​andere flowmeter op basis van een bekend principe:magneten met dezelfde polariteit stoten elkaar af.

In het ontwerp van de derde meter wordt een object, meestal een bal of een schijf, zo in de pijp geplaatst dat de magnetische kracht ervoor zorgt dat deze gaat drijven. Het object wordt opgetild met de gasstroom in de pijp, en de gasstroom wordt gemeten door de hoogte tot waar een magnetische plaat stijgt. Dit soort meter is zeer gevoelig en kan zelfs een kleine drukval meten. De onderzoekers bestudeerden de magnetische eigenschappen en apparaatprestaties met behulp van de AC/DC-module en CFD-module en kwamen tot een geoptimaliseerd ontwerp (Figuur 3).

In dit geval kon het team een ​​zeer gevoelig apparaat voorstellen dat goed presteert, zelfs voor kleine variaties in de gasstroomsnelheden.

Het uiteindelijke ontwerp is ook gebaseerd op de rotatie van een turbine, maar er wordt een ander turbineontwerp gebruikt. Hierbij wordt het turbinesamenstel met vaste leischoepen en loopschoepen als belemmerend element in het hoofdkanaal geplaatst (Figuur 4). De energie die door de roterende turbine wordt opgevangen, wordt gebruikt om de thermische sensoren van energie te voorzien, waardoor dit apparaat een zelfbekrachtigend systeem wordt.

De leischoepen werken als een mondstuk en leiden de gasstroom naar de loopschoepen, die de as en het conische tandwielpaar draaien. De gasstroom wordt gemeten op basis van de rotatie van het kegeltandwielpaar of door de temperatuurdaling te meten met behulp van thermische sensoren.

Toekomstige Outlook en applicatie

Dankzij de simulatiestudies kon het Raychem-team een ​​slimme energiegasmeter ontwerpen met alleen een U-vormige buis en een sensor in de behuizing, waardoor deze zeer compact en eenvoudig te installeren is. Gevalideerde simulatieresultaten vormen de kern van Raychems vier nieuwe gasmeterontwerpen.

Het Raychem-team heeft er alle vertrouwen in dat deze flowmeters voldoen aan de eisen van huishoudelijke en industriële toepassingen. Deze ontwerpen staan ​​op de shortlist voor productie en zouden binnenkort beschikbaar moeten zijn voor stedelijke consumenten in heel India, om direct in de gasmeters in hun huizen te worden geïnstalleerd.

Dit artikel is geschreven door Aditi Karandikar, Marketing Manager bij COMSOL Inc. Ga voor meer informatie naar hier .

Het Raychem-team wil Tito Kishan graag bedanken voor het assisteren bij de TRIZ-toepassing en Ganesh Bhoye voor de ontwerptechniek.