Innovative smarte Lösungen für Gasdurchflussgeräte

Im 20. Jahrhundert wurde die Energielandschaft in Indien von fossilen Brennstoffen dominiert, mit Diesel, Petroleum und Kerosin für die meisten industriellen und häuslichen Zwecke. In ländlichen Gebieten nutzte ein großer Teil der Bevölkerung noch Kohle, Holz oder Dungfeuer zum Kochen. In den letzten Jahrzehnten hat das Land jedoch angestrebt, eine gasbasierte Wirtschaft zu werden, mit breiter Nutzung von Flüssiggas (LPG) und Erdgas (CNG) für Kochen und sogar Transport. Kürzlich wurde auch Erdgas per Pipeline vielen städtischen Haushalten verfügbar gemacht, was den Komfort ununterbrochenen Kochgas direkt in die Verbraucherheime bringt. Diese neue Entwicklung erfordert von Gasversorgern, zu messen, wie viel Gas verbraucht wird. Wie? Mit Hilfe von Gasmessern.

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 hoch komprimierbar, was sie schwieriger zu messen macht als Flüssigkeiten wegen ihrer Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Druckänderungen. Gasmesser messen ein definiertes Volumen, unabhängig von der gepressten Menge oder Qualität des durch den Zähler fließenden Gases. Entsprechend müssen Anpassungen an Temperatur, Druck und Heizwerten vorgenommen werden, um die tatsächliche Menge des durch den Zähler bewegten Gases präzise zu messen. Mehrere verschiedene Designs von Gasmessern sind gängig, abhängig vom volumetrischen Durchfluss des zu messenden Gases, dem erwarteten Durchflussbereich, der Art des gemessenen Gases und anderen Faktoren. Zu den Haupttypen von Gasmessern gehören Membranzähler, Drehkolbenzähler, Turbinenzähler, Ultraschall-Durchflussmesser und Coriolis-Zähler.

Raychem RPG ist einer der führenden Anbieter von Haushaltsgasmessern in Indien. Im Raychem Innovation Centre (RIC) in Gujarat, Indien, entwickelten Forscher vier neue Designs für Gasdurchflussmesser, die konzeptualisiert, optimiert und validiert wurden mittels Multiphysik-Simulationssoftware.

Designherausforderungen für Gasdurchflussmesser

Alle aktuell in Indien verfügbaren Gasmesser haben ihre eigenen Limitationen. Beispielsweise können bei Membranzählern Leckagen von beweglichen Teilen und der Membran Messfehler verursachen. Drehkolben- und Turbinenzähler hingegen haben nahe 35 Komponenten, was die Wahrscheinlichkeit mechanischer Ausfälle und Ermüdung erhöht. Weiterhin 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 verschiedenen Kriterien machen es eine Herausforderung für diese Geräte, während der finalen Qualitätsprüfungsphasen genehmigt zu werden. Tatsächlich können Ablehnungsraten sehr hoch sein.

Das Raychem-Team, geleitet von Herrn Ishant Jain, setzte sich zum Ziel, die Anzahl der Komponenten in Gasdurchflussmessern zu minimieren und ihre Ablehnungsrate während der Qualitätsprüfungsphase zu reduzieren, wodurch die Gesamtfertigungskosten für diese Geräte gesenkt werden. Dazu führte das Raychem-Team Simulationsanalysen in der COMSOL Multiphysics® Software durch.

Designvalidierung durch Simulation

Das Team entwickelte vier Gasmesser basierend auf Designoptimierung mittels TRIZ, einer Problemlösemethodik, und Kundenanforderungen. Sie begannen mit der Validierung eines Finite-Elemente-Modells eines konventionellen Gaszählerdesigns. Das Team erweiterte dann ihre Ergebnisse, um die vorgeschlagenen Designs zu evaluieren.

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

Nach Erreichen ihres optimierten Designs (Abbildung 1) konnte das Team mehrere mechanische Komponenten vom ursprünglichen Design eliminieren, zusätzlich zur Verbesserung der Genauigkeit und Sensitivität der Messung. Die Anzahl der Komponenten im Zählersystem wurde signifikant reduziert, von 35 Komponenten des früheren Membrandesigns auf 5 oder 6 Komponenten, was die mechanische Robustheit und Integrität des Systems sichert.

Das nächste Design besteht aus einem Möbiusband-Turbinenrad, bei dem die Rotation der Turbine zur Messung des Gasdurchflusses genutzt wird. Diese Gasmesser messen das Gasvolumen, indem sie die Geschwindigkeit des durch den Möbiusstreifen bewegten Gases bestimmen. Der möbiusbandförmige Rotor wird in den Weg des darüber strömenden Gases platziert, was die Welle rotieren lässt. Der Ausgang der Welle wird an ein Kegelradgetriebe übertragen. Die Turbine leitet die Gasgeschwindigkeit ab, die mechanisch an einen elektronischen oder mechanischen Zähler übertragen wird.

Das Raychem-Team nutzte das CFD-Modul und das Multibody-Dynamics-Modul, um den turbulenten Gasstrom (Abbildung 2) sowie die in der Turbine entstehenden Spannungen und Drehmomente zu modellieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Möbiusband-Turbinen-Gaszähler gut funktioniert, wenn die Gasdurchflussrate hoch ist. Da das Gasvolumen durch seinen Durchfluss bestimmt wird, ist die Wirksamkeit des Geräts begrenzt bei der Messung von Durchfluss mit niedrigem Druckabfall. Um dieses Problem zu umgehen, entwarf das Team einen weiteren Durchflussmesser basierend auf einem bekannten Prinzip: Magnete gleicher Polarität stoßen sich ab.

Im dritten Zählerdesign wird ein Objekt, typischerweise eine Kugel oder ein Scheibe, im Rohr so angeordnet, dass die magnetische Kraft es schweben lässt. Das Objekt wird mit dem Gasstrom im Rohr angehoben, und der Gasdurchfluss wird durch die Höhe gemessen, auf die eine magnetische Platte steigt. Diese Art von Zähler ist hochsensibel und kann sogar einen kleinen Druckabfall messen. Die Forscher untersuchten die magnetischen Eigenschaften und die Geräteleistung mit dem AC/DC-Modul und CFD-Modul und erreichten ein optimiertes Design (Abbildung 3).

In diesem Fall konnte das Team ein hochsensibles Gerät vorschlagen, das gut funktioniert, selbst bei geringen Variationen in Gasdurchflussraten.

Das finale Design basiert ebenfalls auf der Rotation einer Turbine, aber ein anderes Turbinendesign wird verwendet. Hier wird die Turbinenanordnung mit festen Führungs- und Laufradschaufeln im Hauptkanal als hinderniselement platziert (Abbildung 4). Die von der rotierenden Turbine erfasste Energie wird genutzt, um die thermischen Sensoren zu energetisieren, was dieses Gerät zu einem selbstenergetisierenden System macht.

Die Führungsleitungen wirken als Düse, kanalisieren den Gasstrom zu den Laufradschaufeln, die die Welle und das Kegelradpaar rotieren lassen. Gasdurchfluss wird basierend auf der Rotation des Kegelradpaars oder durch Messung des Temperaturabfalls mittels thermischer Sensoren gemessen.

Zukunftsausblick und Anwendung

Die Simulationsstudien ermöglichten dem Raychem-Team, einen smarten Energie-Gaszähler mit nur einem U-förmigen Rohr und einem Sensor im Gehäuse zu designen, was ihn sehr kompakt und einfach zu installieren macht. Validierte Simulationsergebnisse sind der Kern von Raychems vier neuen Gaszählerdesigns.

Das Raychem-Team ist zuversichtlich in die Leistung dieser Durchflussmesser, um die Anforderungen häuslicher und industrieller Anwendungen zu erfüllen. Diese Designs wurden für die Produktion ausgewählt und sollten bald für städtische Verbraucher in ganz Indien verfügbar sein, um direkt in die in ihren Häusern eingebauten Gasmesser installiert zu werden.

Dieser Artikel wurde von Aditi Karandikar, Marketing Manager bei COMSOL Inc., verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier .

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