Entwicklung intelligenter Lösungen für Gasdurchflussgeräte

Während des 20. Jahrhunderts wurde die Energielandschaft in Indien von fossilen Brennstoffen dominiert, wobei Diesel, Erdöl und Kerosin für die meisten industriellen und privaten Zwecke verwendet wurden. Im ländlichen Indien nutzte ein Großteil der Bevölkerung noch Kohle-, Holz- oder Dungfeuer zum Kochen. In den letzten Jahrzehnten hat sich das Land jedoch bemüht, eine stärker auf Gas basierende Wirtschaft zu werden, wobei Flüssiggas (LPG) und komprimiertes Erdgas (CNG) zum Kochen und sogar zum Transport weit verbreitet sind. Vor kurzem wurde Erdgas auch für viele städtische Haushalte verfügbar gemacht, wodurch der Komfort von unterbrechungsfreiem Kochgas direkt in die Haushalte der Verbraucher gelangt. Diese neue Entwicklung fordert von den Gasversorgern, den Gasverbrauch zu messen. Wie? Mit Hilfe von Gaszählern.

Ein Gaszähler ist ein spezialisierter Durchflussmesser, der in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden verwendet wird, um die Menge an Brenngasen wie CNG oder LPG zu messen, die durch eine Pipeline geliefert werden. Gase sind stark komprimierbar, was ihre Messung aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Druckänderungen schwieriger macht als Flüssigkeiten. Gaszähler messen ein definiertes Volumen, unabhängig von der unter Druck stehenden Menge oder Qualität des Gases, das durch den Zähler fließt. Dementsprechend müssen Temperatur-, Druck- und Heizwerte angepasst werden, um die tatsächliche Gasmenge, die sich durch das Messgerät bewegt, genau zu messen. In Abhängigkeit von der volumetrischen Durchflussrate des zu messenden Gases, dem zu erwartenden Durchflussbereich, der Art des zu messenden Gases und anderen Faktoren sind mehrere unterschiedliche Konstruktionen von Gaszählern üblich. Zu den wichtigsten Arten von Gaszählern gehören Balgenzähler, Drehkolbenzähler, Turbinenzähler, Ultraschall-Durchflussmesser und Coriolis-Zähler.

Raychem RPG ist einer der führenden Anbieter von Haushaltsgaszählern in Indien. Am Raychem Innovation Center (RIC) in Gujarat, Indien, entwickelten Forscher vier neue Designs für Gasdurchflussmesser, die mithilfe von Multiphysik-Simulationssoftware konzipiert, optimiert und validiert wurden.

Designherausforderungen für Gasdurchflussmesser

Alle derzeit in Indien erhältlichen Gaszähler haben ihre eigenen Einschränkungen. Beispielsweise können bei Balgenzählern Leckagen an beweglichen Teilen und der Membran zu Messfehlern führen. Drehkolbenzähler und Turbinenradzähler hingegen bestehen aus fast 35 Komponenten, was die Wahrscheinlichkeit von mechanischem Versagen und Ermüdung erhöht. Darüber hinaus ist die Gehäusegröße für jeden Gaszähler festgelegt, sodass jedes neue Zählerdesign in die gegebene Gehäusegröße passen muss. Daher ist die Gerätegröße ein weiteres wichtiges Kriterium für jedes neue Gaszählerdesign. All diese unterschiedlichen Kriterien machen es für diese Geräte zu einer Herausforderung, in den abschließenden Qualitätsprüfungsphasen zugelassen zu werden. Tatsächlich können die Ablehnungsraten sehr hoch sein.

Das Raychem-Team unter der Leitung von Herrn Ishant Jain hat sich zum Ziel gesetzt, die Anzahl der Komponenten in Gasdurchflussmessern zu minimieren und ihre Ausschussrate während der Qualitätstestphase zu reduzieren, wodurch die Gesamtherstellungskosten für diese Geräte gesenkt werden. Dazu führte das Raychem-Team Simulationsanalysen in der Software COMSOL Multiphysics® durch.

Designs mit Simulation validieren

Das Team entwickelte vier Gaszähler basierend auf einer Designoptimierung unter Verwendung von TRIZ, einer Problemlösungsmethodik, und Kundenanforderungen. Sie begannen mit der Validierung eines Finite-Elemente-Modells eines konventionellen Gaszählerdesigns. Das Team erweiterte dann seine Ergebnisse, um die vorgeschlagenen Designs zu bewerten.

Das erste der neuen Gaszählerdesigns ist eine Modifikation des bestehenden Membransystems, bei dem die Stromabnehmerbaugruppe durch einen Scotch-Yoke-Mechanismus ersetzt wird, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren.

Nachdem das Team zu seinem optimierten Design (Abbildung 1) gelangt war, konnte es mehrere mechanische Komponenten aus dem ursprünglichen Design eliminieren und zusätzlich die Genauigkeit und Empfindlichkeit der Messung verbessern. Die Anzahl der Komponenten im Messsystem wurde erheblich reduziert, von 35 Komponenten des früheren Membrandesigns auf 5 oder 6 Komponenten, wodurch die mechanische Robustheit und Integrität des Systems sichergestellt werden.

Das nächste Design besteht aus einer Möbiusbandturbine, bei der die Rotation der Turbine zur Messung der Gasströmungsgeschwindigkeit verwendet wird. Diese Gaszähler messen das Gasvolumen, indem sie die Geschwindigkeit des Gases bestimmen, das sich durch das Möbiusband bewegt. Der Möbiusband-förmige Rotor wird in den Weg des darüber strömenden Gasstroms gestellt, der die Welle dreht. Der Abtrieb der Welle wird auf ein Kegelradgetriebe übertragen. Die Turbine leitet die Geschwindigkeit des Gases ab, die mechanisch auf einen elektronischen oder mechanischen Zähler übertragen wird.

Das Raychem-Team verwendete das CFD-Modul und das Mehrkörper-Dynamik-Modul, um die turbulente Gasströmung (Abbildung 2) sowie die in der Turbine entwickelten Spannungen und Drehmomente zu modellieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Möbiusband-Turbinengaszähler bei hohen Gasdurchflussraten gute Leistungen erbringt. Da das Gasvolumen durch seinen Durchfluss bestimmt wird, ist die Wirksamkeit des Geräts bei der Durchflussmessung mit geringem Druckabfall begrenzt. Um dieses Problem zu umgehen, entwarf das Team einen weiteren Durchflussmesser, der auf einem bekannten Prinzip basiert:Magnete gleicher Polarität stoßen sich gegenseitig ab.

Bei der Konstruktion des dritten Messgeräts wird ein Objekt, typischerweise eine Kugel oder eine Scheibe, so im Rohr angeordnet, dass es durch die Magnetkraft schwebt. Das Objekt wird mit dem Gasstrom im Rohr angehoben, und der Gasstrom wird anhand der Höhe gemessen, auf die eine Magnetplatte ansteigt. Diese Art von Messgerät ist hochempfindlich und kann sogar einen kleinen Druckabfall messen. Die Forscher untersuchten die magnetischen Eigenschaften und die Geräteleistung unter Verwendung des AC/DC-Moduls und des CFD-Moduls und gelangten zu einem optimierten Design (Abbildung 3).

In diesem Fall war das Team in der Lage, ein hochempfindliches Gerät vorzuschlagen, das selbst bei geringfügigen Schwankungen der Gasdurchflussraten eine gute Leistung erbringt.

Das endgültige Design basiert ebenfalls auf der Rotation einer Turbine, es wird jedoch ein anderes Turbinendesign verwendet. Dabei wird die Turbinenbaugruppe mit feststehenden Leitschaufeln und Laufschaufeln als versperrendes Element in den Hauptkanal eingebracht (Bild 4). Die von der rotierenden Turbine aufgenommene Energie wird verwendet, um die Wärmesensoren mit Energie zu versorgen, wodurch dieses Gerät zu einem selbsterregenden System wird.

Die Leitschaufeln wirken als Düse und leiten den Gasstrom zu den Laufschaufeln, die die Welle und das Kegelradpaar drehen. Der Gasdurchfluss wird anhand der Drehung des Kegelradpaars oder durch Messung des Temperaturabfalls mit thermischen Sensoren gemessen.

Zukünftiger Ausblick und Anwendung

Die Simulationsstudien ermöglichten es dem Raychem-Team, einen intelligenten Energiegaszähler mit nur einem U-förmigen Rohr und einem Sensor im Gehäuse zu entwerfen, wodurch er sehr kompakt und einfach zu installieren ist. Validierte Simulationsergebnisse bilden den Kern der vier neuen Gaszählerdesigns von Raychem.

Das Raychem-Team ist von der Leistung dieser Durchflussmesser überzeugt, die den Anforderungen von Haushalts- und Industrieanwendungen gerecht werden. Diese Designs wurden für die Produktion in die engere Wahl gezogen und sollten bald für städtische Verbraucher in ganz Indien verfügbar sein, um direkt in die in ihren Häusern eingebauten Gaszähler eingebaut zu werden.

Dieser Artikel wurde von Aditi Karandikar, Marketing Manager bei COMSOL Inc. verfasst. Weitere Informationen finden Sie unter hier .

Das Raychem-Team möchte Tito Kishan für die Unterstützung bei der TRIZ-Anwendung und Ganesh Bhoye für die Konstruktionstechnik danken.