Innovando Soluciones Inteligentes para Dispositivos de Flujo de Gas

Durante el siglo XX, el panorama energético en India estuvo dominado por combustibles fósiles, con diésel, petróleo y queroseno usados para la mayoría de propósitos industriales y domésticos. En la India rural, una gran parte de la población aún usaba carbón, madera o fuegos de estiércol para cocinar. Sin embargo, las últimas décadas han visto al país esforzarse por convertirse en una economía más basada en gas, con uso generalizado de gas licuado de petróleo (GLP) y gas natural comprimido (GNC) para cocinar e incluso transporte. Recientemente, el gas natural por tubería también se ha puesto a disposición de muchos hogares urbanos, proporcionando la comodidad de gas de cocina ininterrumpido directamente en los hogares de los consumidores. Este nuevo desarrollo exige a los proveedores de servicios de gas medir cuánto gas se consume. ¿Cómo? Con la ayuda de medidores de gas.

Un medidor de gas es un caudalímetro especializado usado en edificios residenciales, comerciales e industriales para medir la cantidad de gases combustibles, como GNC o GLP, entregados a través de una tubería. Los gases son altamente compresibles, lo que los hace más difíciles de medir que los líquidos debido a su sensibilidad a cambios de temperatura y presión. Los medidores de gas miden un volumen definido, independientemente de la cantidad o calidad presurizada del gas que fluye a través del medidor. Por lo tanto, se necesitan ajustes en temperatura, presión y valores caloríficos para medir con precisión la cantidad real de gas que pasa por el medidor. Existen varios diseños diferentes de medidores de gas, dependiendo de la tasa de flujo volumétrico de gas a medir, el rango de flujos anticipado, el tipo de gas medido y otros factores. Algunos de los principales tipos de medidores de gas incluyen medidores de diafragma, medidores de desplazamiento rotativo, medidores de turbina, caudalímetros ultrasónicos y medidores Coriolis.

Raychem RPG es uno de los principales proveedores de medidores de gas domésticos en India. En el Centro de Innovación Raychem (RIC) en Gujarat, India, investigadores desarrollaron cuatro nuevos diseños para caudalímetros de gas, que fueron conceptualizados, optimizados y validados usando software de simulación multifísica.

Desafíos de Diseño para Caudalímetros de Gas

Todos los medidores de gas actualmente disponibles en India tienen sus propias limitaciones. Por ejemplo, en medidores de diafragma, fugas de partes móviles y el diafragma pueden causar errores de medición. Los medidores de desplazamiento rotativo y medidores de turbina, por otro lado, tienen cerca de 35 componentes, aumentando la probabilidad de fallo mecánico y fatiga. Además, el tamaño del recinto para cualquier medidor de gas es fijo, por lo que cualquier nuevo diseño de medidor debe caber dentro del tamaño de recinto dado. Por lo tanto, el tamaño del dispositivo es otro criterio importante para cualquier nuevo diseño de medidor de gas. Todos estos diferentes criterios hacen que sea un desafío para estos dispositivos ser aprobados durante las etapas finales de pruebas de calidad. De hecho, las tasas de rechazo pueden ser muy altas.

El equipo de Raychem, liderado por el Sr. Ishant Jain, se propuso minimizar el número de componentes en caudalímetros de gas y reducir su tasa de rechazo durante la fase de pruebas de calidad, reduciendo así el coste total de fabricación de estos dispositivos. Para ello, el equipo de Raychem realizó análisis de simulación en el software COMSOL Multiphysics®.

Validación de Diseños con Simulación

El equipo desarrolló cuatro medidores de gas basados en optimización de diseño usando TRIZ, una metodología de resolución de problemas, y requisitos del cliente. Comenzaron validando un modelo de elementos finitos de un diseño convencional de medidor de gas. El equipo luego extendió sus hallazgos para evaluar los diseños propuestos.

El primero de los nuevos diseños de medidor de gas es una modificación del sistema de diafragma existente, donde el conjunto de pantógrafo se reemplaza con un mecanismo Scotch-Yoke para reducir el número de componentes.

Tras llegar a su diseño optimizado (Figura 1), el equipo pudo eliminar varios componentes mecánicos del diseño original, además de mejorar la precisión y sensibilidad de la medición. El número de componentes en el sistema de medidor se redujo significativamente, de 35 componentes del diseño de diafragma anterior a 5 o 6 componentes, asegurando así la robustez e integridad mecánica del sistema.

El siguiente diseño consiste en una turbina de banda Möbius, donde la rotación de la turbina se usa para medir la tasa de flujo de gas. Estos medidores de gas miden el volumen de gas determinando la velocidad del gas que se mueve a través de la tira de Möbius. El rotor en forma de banda Möbius se coloca en el camino del flujo de gas que pasa sobre él, lo que rota el eje. La salida del eje se transfiere a un sistema de engranajes cónicos. La turbina infiere la velocidad del gas, que se transmite mecánicamente a un contador electrónico o mecánico.

El equipo de Raychem usó el Módulo CFD y Módulo de Dinámica Multicuerpo para modelar el flujo de gas turbulento (Figura 2) así como los esfuerzos y torque desarrollados en la turbina.

Es importante notar que el medidor de gas de turbina de banda Möbius funciona bien cuando la tasa de flujo de gas es alta. Dado que el volumen de gas se determina por su flujo, la eficacia del dispositivo es limitada al medir flujo con una caída de presión baja. Para sortear este problema, el equipo diseñó otro caudalímetro basado en un principio bien conocido: los imanes de la misma polaridad se repelen entre sí.

En el tercer diseño de medidor, un objeto, típicamente una bola o un disco, se coloca dentro de la tubería de tal manera que la fuerza magnética hace que flote. El objeto se eleva con el flujo de gas en la tubería, y el flujo de gas se mide por la altura a la que sube una placa magnética. Este tipo de medidor es altamente sensible y puede medir incluso una pequeña caída de presión. Los investigadores estudiaron las propiedades magnéticas y el rendimiento del dispositivo usando el Módulo AC/DC y Módulo CFD y llegaron a un diseño optimizado (Figura 3).

En este caso, el equipo pudo proponer un dispositivo altamente sensible que funciona bien, incluso para ligeras variaciones en las tasas de flujo de gas.

El diseño final también se basa en la rotación de una turbina, pero se usa un diseño de turbina diferente. Aquí, el conjunto de turbina con álabes guía fijos y álabes corredores se coloca en el canal principal como elemento obstructivo (Figura 4). La energía capturada por la turbina rotativa se usa para energizar los sensores térmicos, haciendo de este dispositivo un sistema auto-energizante.

Los álabes guía actúan como una boquilla, canalizando el flujo de gas hacia los álabes corredores, que rotan el eje y par de engranajes cónicos. El flujo de gas se mide basándose en la rotación del par de engranajes cónicos o midiendo la caída de temperatura usando sensores térmicos.

Perspectivas Futuras y Aplicación

Los estudios de simulación permitieron al equipo de Raychem diseñar un medidor de gas de energía inteligente con solo un tubo en U y un sensor en la carcasa, haciéndolo muy compacto y fácil de instalar. Los resultados de simulación validados están en el núcleo de los cuatro nuevos diseños de medidores de gas de Raychem.

El equipo de Raychem confía en el rendimiento de estos caudalímetros para satisfacer los requisitos de aplicaciones domésticas e industriales. Estos diseños han sido preseleccionados para producción y pronto deberían estar disponibles para consumidores urbanos en toda India, para ser instalados directamente dentro de los medidores de gas en sus hogares.

Este artículo fue escrito por Aditi Karandikar, Gerente de Marketing en COMSOL Inc. Para más información, visite aquí .

El equipo de Raychem quiere agradecer a Tito Kishan por asistir en la aplicación de TRIZ y a Ganesh Bhoye por ingeniería de diseño.