Innovatieve slimme oplossingen voor gasstroomapparaten

Tijdens de 20e eeuw was het energielandschap in India gedomineerd door fossiele brandstoffen, met diesel, petroleum, en kerosine gebruikt voor de meeste industriële en domestische doeleinden. In rurale India gebruikte een groot deel van de bevolking nog steeds kolen, hout, of mestvuren voor koken. Echter, de laatste decennia hebben het land zien streven om een meer gas-gebaseerde economie te worden, met wijdverspreid gebruik van vloeibaar petroleumgas (LPG) en gecomprimeerd aardgas (CNG) voor koken en zelfs transport. Recent is ook gepijpt aardgas beschikbaar gemaakt voor veel stedelijke huishoudens, wat het comfort van ononderbroken kookgas direct naar consumentenhuizen biedt. Deze nieuwe ontwikkeling roept de gasnutleveranciers op om te meten hoeveel gas verbruikt wordt. Hoe? Met behulp van gasmeters.

Een gasmeter is een gespecialiseerde flowmeter gebruikt in residentiële, commerciële, en industriële gebouwen om de hoeveelheid brandstofgassen, zoals CNG of LPG, geleverd door een pijpleiding te meten. Gassen zijn hoog comprimeerbaar, wat ze moeilijker te meten maakt dan vloeistoffen vanwege hun gevoeligheid voor veranderingen in temperatuur en druk. Gasmeter meten een gedefinieerd volume, ongeacht de gepercipiteerde hoeveelheid of kwaliteit van de gas door de meter stromend. Daarbij moeten aanpassingen gemaakt worden in temperatuur, druk, en verwarmingswaarden om de daadwerkelijke hoeveelheid gas die door de meter beweegt nauwkeurig te meten. Verschillende ontwerpen van gasmeters zijn gangbaar, afhankelijk van de volumetrische stroomsnelheid van gas te meten, het bereik van stromen verwacht, het type gas gemeten, en andere factoren. Enkele van de grote typen gasmeters omvatten membrane meters, rotatieverplaatsing meters, turbinen meters, ultrasoon flowmeters, en Coriolis meters.

Raychem RPG is een van de toonaangevende leveranciers van domestische gasmeters in India. Bij het Raychem Innovation Centre (RIC) in Gujarat, India, ontwikkelden onderzoekers vier nieuwe ontwerpen voor gas flowmeters, die geconceptualiseerd, geoptimaliseerd, en gevalideerd werden met multiphysica simulatie software.

Ontwerpuitdagingen voor Gas Flowmeters

Alle gasmeters momenteel beschikbaar in India hebben hun eigen beperkingen. Bijvoorbeeld, in membrane meters, lekkage van bewegende delen en de membraan kan meetfouten veroorzaken. Rotatieverplaatsing meters en turbinen meters, aan de andere kant, hebben bijna 35 componenten, wat de kans op mechanische falen en vermoeidheid verhoogt. Verder, de behuizing grootte voor elke gasmeter is vast, dus elk nieuw meterontwerp moet passen binnen de gegeven behuizing grootte. Daarom is de grootte van het apparaat een ander belangrijk criterium voor elk nieuw gasmeterontwerp. Al deze verschillende criteria maken het een uitdaging voor deze apparaten om goedgekeurd te worden tijdens de finale kwaliteitstestfasen. Integendeed, afkeurpercentages kunnen erg hoog zijn.

Het Raychem-team, geleid door Mr. Ishant Jain, zette zich ten doel om het aantal componenten in gas flowmeters te minimaliseren en hun afkeurpercentage tijdens de kwaliteitstestfase te reduceren, waardoor de totale fabricagekosten voor deze apparaten verlaagd worden. Om dit te doen, voerde het Raychem-team simulaties analyses uit in de COMSOL Multiphysics® software.

Ontwerpen valideren met Simulatie

Het team ontwikkelde vier gasmeters gebaseerd op ontwerpoptimalisatie met TRIZ, een probleemoplossende methodologie, en klantvereisten. Ze begonnen met het valideren van een finite element model van een conventioneel gasmeterontwerp. Het team breidde hun bevindingen dan uit om de voorgestelde ontwerpen te evalueren.

Het eerste van de nieuwe gasmeterontwerpen is een wijziging van het bestaande membrane systeem, waar de pantograph assemblage vervangen wordt met een Scotch-Yoke mechanisme om het aantal componenten te reduceren.

Na aankomst bij hun geoptimaliseerde ontwerp (Figuur 1), was het team in staat om diverse mechanische componenten uit het oorspronkelijke ontwerp te elimineren, naast het verbeteren van de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de meting. Het aantal componenten in het metersysteem was significant gereduceerd, van 35 componenten van het eerdere membrane ontwerp tot 5 of 6 componenten, wat de mechanische robuustheid en integriteit van het systeem verzekert.

Het volgende ontwerp bestaat uit een Möbius band turbijn, waar de rotatie van de turbijn gebruikt wordt om de gasstroomsnelheid te meten. Deze gasmeters meten het gasvolume door de snelheid van het gas dat door de Möbius strip beweegt te bepalen. De Möbius-band-gevormde rotor wordt in de weg van de gasstroom die eroverheen passeert geplaatst, wat de as doet draaien. De output van de as wordt overgedragen aan een kegeltandwiel systeem. De turbijn deduceert de snelheid van het gas, wat mechanisch getransmitteerd wordt naar een elektronische of mechanische teller.

Het Raychem-team gebruikte de CFD Module en Multibody Dynamics Module om de turbulente gasstroom (Figuur 2) alsook de spanningen en koppel in de turbijn te modelleren.

Het is belangrijk om te noteren dat de Möbius band turbijn gasmeter goed presteert wanneer de gasstroomsnelheid hoog is. Aangezien het gasvolume bepaald wordt door zijn stroom, is de efficatie van het apparaat beperkt tijdens het meten van stroom met een lage drukval. Om dit issue te omzeilen, ontwierp het team een andere flowmeter gebaseerd op een bekend principe: Magneten van dezelfde polariteit stoten elkaar af.

In de derde meterontwerp, wordt een object, typisch een bal of een schijf, in de pijp gerangschikt op een manier dat de magnetische kracht ervoor zorgt dat het zweeft. Het object wordt opgetild met de stroom van gas in de pijp, en de gasstroom wordt gemeten door de hoogte waartoe een magnetische plaat opstijgt. Dit soort meter is hoog gevoelig en kan zelfs een kleine drukval meten. De onderzoekers bestudeerden de magnetische eigenschappen en apparaatprestaties met de AC/DC Module en CFD Module en kwamen tot een geoptimaliseerd ontwerp (Figuur 3).

In dit geval was het team in staat om een hoog gevoelig apparaat voor te stellen dat goed presteert, zelfs voor lichte variaties in gasstroomsnelheden.

Het finale ontwerp is ook gebaseerd op de rotatie van een turbijn, maar een ander turbijnontwerp wordt gebruikt. Hier wordt de turbijnassemblage met vaste gidschoeken en loperchoeken in het hoofdkanaal geplaatst als een obstructerend element (Figuur 4). De energie gevangen door de draaiende turbijn wordt gebruikt om de thermische sensoren te energiseren, wat dit apparaat een zelf-energisend systeem maakt.

De gidschoeken fungeren als een zuigmond, de gasstroom richting de loperchoeken leidend, die de as en kegeltandwiel paar doen draaien. Gasstroom wordt gemeten gebaseerd op de rotatie van het kegeltandwiel paar of door de daaltemperatuur te meten met thermische sensoren.

Toekomstperspectief en Toepassing

De simulatiestudies stelden het Raychem-team in staat om een slimme energiegasmeter te ontwerpen met slechts een U-vormige buis en een sensor in de behuizing, wat het erg compact en makkelijk te installeren maakt. Govalideerde simulateresultaten liggen aan de basis van Raychem's vier nieuwe gasmeterontwerpen.

Het Raychem-team vertrouwt op de prestaties van deze flowmeters om te voldoen aan de eisen van domestische en industriële toepassingen. Deze ontwerpen zijn geselecteerd voor productie en zouden binnenkort beschikbaar moeten zijn voor stedelijke consumenten door heel India, om direct geïnstalleerd te worden in de gasmeters in hun huizen.

Dit artikel is geschreven door Aditi Karandikar, Marketing Manager bij COMSOL Inc. Voor meer informatie, bezocht hier .

Het Raychem-team wil Tito Kishan bedanken voor hulp bij TRIZ toepassing en Ganesh Bhoye voor ontwerpingenieur.