Projetando soluções inteligentes para dispositivos de fluxo de gás

Durante o século 20, a paisagem energética na Índia foi dominada por combustíveis fósseis, com diesel, petróleo e querosene usados ​​para fins industriais e domésticos. Na Índia rural, grande parte da população ainda usava carvão, madeira ou fogo de esterco para cozinhar. No entanto, as últimas décadas viram o país se esforçar para se tornar uma economia mais baseada no gás, com uso generalizado de gás liquefeito de petróleo (GLP) e gás natural comprimido (GNC) para cozinhar e até mesmo para transporte. Recentemente, o gás natural encanado também foi disponibilizado para muitas residências urbanas, proporcionando o conforto do gás de cozinha ininterrupto diretamente às residências dos consumidores. Este novo desenvolvimento exige que os fornecedores de serviços públicos de gás meçam quanto gás está sendo consumido. Como? Com a ajuda de medidores de gás.

Um medidor de gás é um medidor de vazão especializado usado em edifícios residenciais, comerciais e industriais para medir a quantidade de gases combustíveis, como GNV ou GLP, entregues através de uma tubulação. Os gases são altamente compressíveis, o que os torna mais difíceis de medir do que os líquidos devido à sua sensibilidade às mudanças de temperatura e pressão. Os medidores de gás medem um volume definido, independentemente da quantidade ou qualidade pressurizada do gás que flui através do medidor. Assim, ajustes precisam ser feitos nos valores de temperatura, pressão e aquecimento para medir com precisão a quantidade real de gás que se move através do medidor. Vários projetos diferentes de medidores de gás são comuns, dependendo da vazão volumétrica de gás a ser medida, da faixa de vazão prevista, do tipo de gás que está sendo medido e de outros fatores. Alguns dos principais tipos de medidores de gás incluem medidores de diafragma, medidores de deslocamento rotativo, medidores de turbina, medidores de vazão ultrassônicos e medidores Coriolis.

Raychem RPG é um dos principais fornecedores de medidores de gás doméstico na Índia. No Raychem Innovation Center (RIC) em Gujarat, na Índia, os pesquisadores desenvolveram quatro novos projetos para medidores de vazão de gás, que foram conceituados, otimizados e validados usando software de simulação multifísica.

Desafios de projeto para medidores de vazão de gás

Todos os medidores de gás atualmente disponíveis na Índia têm suas próprias limitações. Por exemplo, em medidores de diafragma, o vazamento das partes móveis e do diafragma pode causar erros de medição. Os medidores de deslocamento rotativo e medidores de turbina, por outro lado, possuem cerca de 35 componentes, aumentando a probabilidade de falha mecânica e fadiga. Além disso, o tamanho do gabinete para qualquer medidor de gás é fixo, portanto, qualquer novo projeto de medidor deve caber dentro do tamanho do gabinete fornecido. Portanto, o tamanho do dispositivo é outro critério importante para qualquer novo projeto de medidor de gás. Todos esses diferentes critérios tornam um desafio para esses dispositivos serem aprovados durante as etapas finais de testes de qualidade. Na verdade, as taxas de rejeição podem ser muito altas.

A equipe da Raychem, liderada pelo Sr. Ishant Jain, decidiu minimizar o número de componentes nos medidores de vazão de gás e reduzir sua taxa de rejeição durante a fase de teste de qualidade, reduzindo assim o custo total de fabricação desses dispositivos. Para isso, a equipe da Raychem realizou análises de simulação no software COMSOL Multiphysics®.

Validando projetos com simulação

A equipe desenvolveu quatro medidores de gás com base na otimização do projeto usando o TRIZ, uma metodologia de solução de problemas e os requisitos do cliente. Eles começaram validando um modelo de elementos finitos de um projeto de medidor de gás convencional. A equipe então estendeu suas descobertas para avaliar os projetos propostos.

O primeiro dos novos projetos de medidores de gás é uma modificação do sistema de diafragma existente, onde o conjunto do pantógrafo é substituído por um mecanismo Scotch-Yoke para reduzir o número de componentes.

Após chegar ao projeto otimizado (Figura 1), a equipe conseguiu eliminar diversos componentes mecânicos do projeto original, além de melhorar a precisão e a sensibilidade da medição. O número de componentes no sistema do medidor foi reduzido significativamente, de 35 componentes do design anterior do diafragma para 5 ou 6 componentes, garantindo assim a robustez mecânica e a integridade do sistema.

O próximo projeto consiste em uma turbina de banda de Möbius, onde a rotação da turbina é usada para medir a vazão de gás. Esses medidores de gás medem o volume de gás determinando a velocidade do gás que se move através da faixa de Möbius. O rotor em forma de banda de Möbius é colocado no caminho do fluxo de gás que passa por ele, o que gira o eixo. A saída do eixo é transferida para um sistema de engrenagens cônicas. A turbina infere a velocidade do gás, que é transmitido mecanicamente a um contador eletrônico ou mecânico.

A equipe da Raychem usou o CFD Module e o Multibody Dynamics Module para modelar o fluxo de gás turbulento (Figura 2), bem como as tensões e torque desenvolvidos na turbina.

É importante notar que o medidor de gás de turbina de banda de Möbius funciona bem quando a vazão de gás é alta. Como o volume de gás é determinado pelo seu fluxo, a eficácia do dispositivo é limitada ao medir o fluxo com baixa queda de pressão. Para contornar esse problema, a equipe projetou outro medidor de vazão com base em um princípio bem conhecido:ímãs da mesma polaridade se repelem.

No projeto do terceiro medidor, um objeto, normalmente uma bola ou um disco, é disposto dentro do tubo de tal forma que a força magnética faz com que ele flutue. O objeto é levantado com o fluxo de gás no tubo, e o fluxo de gás é medido pela altura em que uma placa magnética sobe. Este tipo de medidor é altamente sensível e pode medir até mesmo uma pequena queda de pressão. Os pesquisadores estudaram as propriedades magnéticas e o desempenho do dispositivo usando o Módulo AC/DC e o Módulo CFD e chegaram a um design otimizado (Figura 3).

Nesse caso, a equipe conseguiu propor um dispositivo altamente sensível que funciona bem, mesmo para pequenas variações nas taxas de fluxo de gás.

O projeto final também é baseado na rotação de uma turbina, mas é usado um projeto de turbina diferente. Aqui, o conjunto da turbina com palhetas guia fixas e palhetas corrediças é colocado no canal principal como elemento de obstrução (Figura 4). A energia captada pela turbina rotativa é utilizada para energizar os sensores térmicos, tornando este dispositivo um sistema auto-energizado.

As palhetas-guia atuam como um bocal, canalizando o fluxo de gás em direção às palhetas do rotor, que giram o eixo e o par de engrenagens cônicas. O fluxo de gás é medido com base na rotação do par de engrenagens cônicas ou medindo a queda de temperatura usando sensores térmicos.

Perspectivas e aplicativos futuros

Os estudos de simulação permitiram que a equipe da Raychem projetasse um medidor de gás de energia inteligente com apenas um tubo em forma de U e um sensor na carcaça, tornando-o muito compacto e fácil de instalar. Os resultados de simulação validados estão no centro dos quatro novos projetos de medidores de gás da Raychem.

A equipe da Raychem está confiante no desempenho desses medidores de vazão para atender aos requisitos de aplicações domésticas e industriais. Esses projetos foram selecionados para produção e em breve estarão disponíveis para consumidores urbanos em toda a Índia, para serem instalados diretamente dentro dos medidores de gás instalados em suas casas.

Este artigo foi escrito por Aditi Karandikar, gerente de marketing da COMSOL Inc. Para obter mais informações, visite aqui .

A equipe da Raychem gostaria de agradecer a Tito Kishan por ajudar na aplicação do TRIZ e Ganesh Bhoye pela engenharia de design.