Инновации умных решений для устройств газового потока

В 20-м веке энергетический ландшафт в Индии доминировали ископаемое топливо, с дизельным топливом, нефтью и керосином, используемыми для большинства промышленных и бытовых целей. В сельской Индии большая часть населения все еще использовала уголь, древесину или навоз для готовки. Однако последние несколько десятилетий страна стремится стать более газовой экономикой, с широким использованием сжиженного нефтяного газа (СНГ) и сжатого природного газа (СПГ) для готовки и даже транспорта. Недавно, по трубам природный газ также стал доступен многим городским домохозяйствам, предоставляя комфорт бесперебойного газа для готовки непосредственно потребителям. Это новое развитие требует от поставщиков газовой утилиты измерять, сколько газа потребляется. Как? С помощью газовых счетчиков.

Газовый счетчик — это специализированный расходомер, используемый в жилых, коммерческих и промышленных зданиях для измерения количества топливных газов, таких как СПГ или СНГ, доставляемых через трубопровод. Газы высоко сжимаемы, что делает их более трудными для измерения, чем жидкости, из-за их чувствительности к изменениям температуры и давления. Газовые счетчики измеряют определенный объем, независимо от прессоризованного количества или качества газа, текущего через счетчик. Соответственно, корректировки должны быть сделаны в температуре, давлении и тепловых значениях для точного измерения фактического количества газа, движущегося через счетчик. Несколько разных дизайнов газовых счетчиков распространены, в зависимости от объемной скорости потока газа для измерения, диапазона ожидаемых потоков, типа измеряемого газа и других факторов. Некоторые из основных типов газовых счетчиков включают диафрагменные счетчики, ротационные смещения счетчиков, турбинные счетчики, ультразвуковые расходомеры и Кориолисовые счетчики.

Raychem RPG — один из ведущих поставщиков бытовых газовых счетчиков в Индии. В Центре инноваций Raychem (RIC) в Гуджарате, Индия, исследователи разработали четыре новых дизайна для газовых расходомеров, которые были концептуализированы, оптимизированы и валидированы с использованием программного обеспечения мультифизического моделирования.

Вызовы дизайна для газовых расходомеров

Все газовые счетчики, в настоящее время доступные в Индии, имеют свои собственные ограничения. Например, в диафрагменных счетчиках утечка от движущихся частей и диафрагмы может вызывать ошибки измерения. Ротационные смещения счетчиков и турбинные счетчики, с другой стороны, имеют близко к 35 компонентам, увеличивая вероятность механической неисправности и усталости. Дальше, размер корпуса для любого газового счетчика фиксирован, поэтому любой новый дизайн счетчика должен помещаться в заданный размер корпуса. Поэтому размер устройства — еще один важный критерий для любого нового дизайна газового счетчика. Все эти разные критерии делают это вызовом для этих устройств быть одобренными на финальных этапах качественного тестирования. Фактически, коэффициенты отказа могут быть очень высокими.

Команда Raychem, возглавляемая г-ном Ишант Джайном, выступила с целью минимизировать количество компонентов в газовых расходомерах и снизить их коэффициент отказа во время фазы качественного тестирования, тем самым снижая общую стоимость производства для этих устройств. Для этого команда Raychem выполнила анализ симуляции в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®.

Валидация дизайнов с симуляцией

Команда разработала четыре газовых счетчика на основе оптимизации дизайна с использованием ТРИЗ, методологии решения проблем, и требований клиентов. Они начали с валидации модели конечных элементов обычного дизайна газового счетчика. Команда затем расширила свои выводы для оценки предложенных дизайнов.

Первый из новых дизайнов газовых счетчиков — это модификация существующей диафрагменной системы, где пантограф-сборка заменена механизмом Шотландка-Йока для уменьшения количества компонентов.

После достижения их оптимизированного дизайна (Рисунок 1), команда смогла устранить несколько механических компонентов из оригинального дизайна, помимо улучшения точности и чувствительности измерения. Количество компонентов в системе счетчика было значительно снижено, от 35 компонентов раннего диафрагменного дизайна до 5 или 6 компонентов, тем самым гарантируя механическую надежность и целостность системы.

Следующий дизайн состоит из турбины Мёбиуса, где вращение турбины используется для измерения скорости потока газа. Эти газовые счетчики измеряют объем газа, определяя скорость газа, движущегося через полосу Мёбиуса. Ротор в форме полосы Мёбиуса помещен на пути потока газа, проходящего через него, который вращает вал. Выход вала передается в систему конических шестеренок. Турбина выводит скорость газа, которая механически передается на электронный или механический счетчик.

Команда Raychem использовала модуль CFD и модуль Multibody Dynamics для моделирования турбулентного газового потока (Рисунок 2), а также напряжений и крутящего момента, развивающихся в турбине.

Важно отметить, что газовый счетчик с турбиной Мёбиуса хорошо работает, когда скорость потока газа высока. Поскольку объем газа определяется его потоком, эффективность устройства ограничена при измерении потока с низким падением давления. Чтобы обойти эту проблему, команда спроектировала другой расходомер на основе хорошо известного принципа: магниты той же полярности отталкивают друг друга.

В третьем дизайне счетчика объект, обычно шар или диск, расположен внутри трубы так, что магнитная сила заставляет его парить. Объект поднимается с потоком газа в трубе, и поток газа измеряется высотой, на которую поднимается магнитная пластина. Такой счетчик высокочувствителен и может измерять даже небольшое падение давления. Исследователи изучили магнитные свойства и производительность устройства с использованием модуля AC/DC и модуля CFD и пришли к оптимизированному дизайну (Рисунок 3).

В этом случае команда смогла предложить высокочувствительное устройство, которое хорошо работает даже при незначительных вариациях скоростей потока газа.

Финальный дизайн также основан на вращении турбины, но используется другой дизайн турбины. Здесь турбинная сборка с фиксированными направляющими лопатками и рабочими лопатками помещена в главный канал как препятствующий элемент (Рисунок 4). Энергия, захваченная вращающейся турбиной, используется для питания термических датчиков, тем самым делая это устройство самоэнергетизирующей системой.

Направляющие лопатки действуют как сопло, направляя поток газа к рабочим лопаткам, которые вращают вал и пару конических шестеренок. Поток газа измеряется на основе вращения пары конических шестеренок или измерением падения температуры с помощью термических датчиков.

Будущий взгляд и применение

Исследования симуляции позволили команде Raychem спроектировать умный энергетический газовый счетчик с только U-образной трубой и датчиком в корпусе, делая его очень компактным и легким для установки. Валидированные результаты симуляции находятся в центре четырех новых дизайнов газовых счетчиков Raychem.

Команда Raychem уверена в производительности этих расходомеров для соответствия требованиям бытовых и промышленных приложений. Эти дизайны были включены в шорт-лист для производства и должны скоро стать доступны городским потребителям по всей Индии, для установки непосредственно внутри газовых счетчиков, установленных в их домах.

Эта статья написана Адити Карандикар, менеджером по маркетингу в COMSOL Inc. Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Команда Raychem хочет признать Тито Кишана за помощь в применении ТРИЗ и Ганеш Бхойе за инженерный дизайн.