Diseño de soluciones inteligentes para dispositivos de flujo de gas

Durante el siglo XX, el panorama energético de la India estuvo dominado por los combustibles fósiles, con diésel, petróleo y queroseno utilizados para la mayoría de los fines industriales y domésticos. En la India rural, una gran parte de la población todavía usaba carbón, leña o estiércol para cocinar. Sin embargo, en las últimas décadas el país se ha esforzado por convertirse en una economía más basada en el gas, con un uso generalizado de gas licuado de petróleo (GLP) y gas natural comprimido (GNC) para cocinar e incluso para el transporte. Recientemente, el gas natural canalizado también se ha puesto a disposición de muchos hogares urbanos, brindando la comodidad del gas para cocinar ininterrumpido directamente a los hogares de los consumidores. Este nuevo desarrollo requiere que los proveedores de servicios públicos de gas midan cuánto gas se consume. ¿Cómo? Con la ayuda de medidores de gas.

Un medidor de gas es un medidor de flujo especializado que se utiliza 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 comprimibles, lo que los hace más difíciles de medir que los líquidos debido a su sensibilidad a los cambios de temperatura y presión. Los medidores de gas miden un volumen definido, independientemente de la cantidad presurizada o la calidad del gas que fluye a través del medidor. En consecuencia, es necesario realizar ajustes en la temperatura, la presión y los valores caloríficos para medir con precisión la cantidad real de gas que se mueve a través del medidor. Son comunes varios diseños diferentes de medidores de gas, según la tasa de flujo volumétrico del gas a medir, el rango de flujos anticipados, el tipo de gas que se mide y otros factores. Algunos de los principales tipos de medidores de gas incluyen medidores de diafragma, medidores de desplazamiento rotatorio, medidores de turbina, medidores de flujo ultrasónicos y medidores de Coriolis.

Raychem RPG es uno de los proveedores líderes de medidores de gas domésticos en la India. En el Raychem Innovation Center (RIC) en Gujarat, India, los investigadores desarrollaron cuatro nuevos diseños para caudalímetros de gas, que se conceptualizaron, optimizaron y validaron mediante un software de simulación multifísica.

Desafíos de diseño para caudalímetros de gas

Todos los medidores de gas actualmente disponibles en la India tienen sus propias limitaciones. Por ejemplo, en los medidores de diafragma, las fugas de las piezas móviles y el diafragma pueden provocar errores de medición. Los medidores de desplazamiento rotatorio y los medidores de turbina, por otro lado, tienen cerca de 35 componentes, lo que aumenta la probabilidad de falla mecánica y fatiga. Además, el tamaño del gabinete para cualquier medidor de gas es fijo, por lo que cualquier nuevo diseño de medidor debe ajustarse al tamaño del gabinete dado. Por lo tanto, el tamaño del dispositivo es otro criterio importante para cualquier nuevo diseño de medidor de gas. Todos estos criterios diferentes hacen que sea un desafío para estos dispositivos ser aprobados durante las etapas finales de prueba de calidad. De hecho, las tasas de rechazo pueden ser muy altas.

El equipo de Raychem, dirigido por el Sr. Ishant Jain, se propuso minimizar la cantidad de componentes en los medidores de flujo de gas y reducir su tasa de rechazo durante la fase de prueba de calidad, reduciendo así el costo 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 la optimización del diseño utilizando TRIZ, una metodología de resolución de problemas y los requisitos del cliente. Comenzaron por validar un modelo de elementos finitos de un diseño de medidor de gas convencional. Luego, el equipo amplió sus hallazgos para evaluar los diseños propuestos.

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

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

El siguiente diseño consiste en una turbina de banda de Möbius, donde la rotación de la turbina se usa para medir el caudal de gas. Estos medidores de gas miden el volumen de gas determinando la velocidad del gas que se mueve a través de la cinta de Möbius. El rotor en forma de banda de Möbius se coloca en el camino del flujo de gas que pasa sobre él, lo que hace girar 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 utilizó el módulo CFD y el módulo de dinámica multicuerpo para modelar el flujo de gas turbulento (Figura 2), así como las tensiones y el par desarrollados en la turbina.

Es importante tener en cuenta que el medidor de gas de turbina de banda de Möbius funciona bien cuando el caudal de gas es alto. Dado que el volumen de gas está determinado por su flujo, la eficacia del dispositivo se limita al medir el flujo con una baja caída de presión. 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 diseño del tercer metro, un objeto, generalmente 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 se eleva una placa magnética. Este tipo de medidor es muy sensible y puede medir incluso una pequeña caída de presión. Los investigadores estudiaron las propiedades magnéticas y el rendimiento del dispositivo utilizando el módulo AC/DC y el 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 con ligeras variaciones en las tasas de flujo de gas.

El diseño final también se basa en la rotación de una turbina, pero se utiliza un diseño de turbina diferente. Aquí, el conjunto de la turbina con álabes guía fijos y álabes corredores se coloca en el canal principal como un elemento de obstrucción (Figura 4). La energía captada por la turbina giratoria se utiliza para energizar los sensores térmicos, lo que convierte a este dispositivo en un sistema autoenergizante.

Los álabes guía actúan como una boquilla, canalizando el flujo de gas hacia los álabes del corredor, que hacen girar el eje y el par de engranajes cónicos. El flujo de gas se mide en función de la rotación del par de engranajes cónicos o midiendo la caída de temperatura con sensores térmicos.

Perspectivas y aplicaciones futuras

Los estudios de simulación permitieron al equipo de Raychem diseñar un medidor de gas de energía inteligente con solo un tubo en forma de U y un sensor en la carcasa, lo que lo hace muy compacto y fácil de instalar. Los resultados de simulación validados son 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 las aplicaciones domésticas e industriales. Estos diseños han sido preseleccionados para la producción y pronto deberían estar disponibles para los consumidores urbanos en toda la India, para ser instalados directamente dentro de los medidores de gas instalados en sus hogares.

Este artículo fue escrito por Aditi Karandikar, gerente de marketing de COMSOL Inc. Para obtener más información, visite aquí .

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