Inovando Soluções Inteligentes para Dispositivos de Fluxo de Gás

Durante o século XX, a paisagem energética na Índia foi dominada por combustíveis fósseis, com diesel, petróleo e querosene usados para a maioria dos propósitos industriais e domésticos. Na Índia rural, grande parte da população ainda usava carvão, madeira ou fogueiras de esterco para cozinhar. No entanto, as últimas décadas viram o país buscar tornar-se uma economia mais baseada em gás, com uso generalizado de gás liquefeito de petróleo (GLP) e gás natural comprimido (GNC) para cozinhar e até transporte. Recentemente, gás natural encanado também foi disponibilizado para muitas residências urbanas, proporcionando o conforto de gás de cozinha ininterrupto diretamente para as casas dos consumidores. Este novo desenvolvimento exige que provedores de serviços 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 GNC ou GLP, entregues através de um pipeline. Gases são altamente compressíveis, o que os torna mais difíceis de medir que líquidos devido à sua sensibilidade a mudanças de temperatura e pressão. Medidores de gás medem um volume definido, independentemente da quantidade ou qualidade pressurizada do gás fluindo através do medidor. Consequentemente, ajustes precisam ser feitos em temperatura, pressão e valores de aquecimento para medir com precisão a quantidade real de gás movendo-se através do medidor. Vários designs diferentes de medidores de gás são comuns, dependendo da taxa de fluxo volumétrico de gás a ser medida, a faixa de fluxos antecipados, o tipo de gás sendo medido e 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 domésticos na Índia. No Centro de Inovação Raychem (RIC) em Gujarat, Índia, pesquisadores desenvolveram quatro novos designs para medidores de vazão de gás, que foram conceituados, otimizados e validados usando software de simulação multifísica.

Desafios de Design 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, vazamento de partes móveis e do diafragma pode causar erros de medição. Medidores de deslocamento rotativo e medidores de turbina, por outro lado, têm perto de 35 componentes, aumentando a probabilidade de falha mecânica e fadiga. Além disso, o tamanho do gabinete para qualquer medidor de gás é fixo, então qualquer novo design de medidor deve caber dentro do tamanho de gabinete dado. Portanto, o tamanho do dispositivo é outro critério importante para qualquer novo design de medidor de gás. Todos esses diferentes critérios tornam um desafio para esses dispositivos serem aprovados durante as etapas finais de teste de qualidade. Na verdade, taxas de rejeição podem ser muito altas.

A equipe Raychem, liderada pelo Sr. Ishant Jain, propôs-se a minimizar o número de componentes em 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 destes dispositivos. Para isso, a equipe Raychem realizou análises de simulação no software COMSOL Multiphysics®.

Validando Designs com Simulação

A equipe desenvolveu quatro medidores de gás baseados em otimização de design usando TRIZ, uma metodologia de resolução de problemas, e requisitos do cliente. Eles começaram validando um modelo de elementos finitos de um design convencional de medidor de gás. A equipe então estendeu suas descobertas para avaliar os designs propostos.

O primeiro dos novos designs de medidor de gás é uma modificação do sistema de diafragma existente, onde a montagem pantógrafo é substituída por um mecanismo Scotch-Yoke para reduzir o número de componentes.

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

O próximo design consiste em uma turbina de banda de Möbius, onde a rotação da turbina é usada para medir a taxa de fluxo de gás. Estes medidores de gás medem o volume de gás determinando a velocidade do gás movendo-se através da tira de Möbius. O rotor em forma de banda de Möbius é colocado no caminho do fluxo de gás passando sobre ele, o que rota o eixo. A saída do eixo é transferida para um sistema de engrenagem cônica. A turbina infere a velocidade do gás, que é transmitida mecanicamente para um contador eletrônico ou mecânico.

A equipe Raychem usou o Módulo CFD e Módulo de Dinâmica Multicorpo 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 taxa de fluxo de gás é alta. Como o volume de gás é determinado por seu fluxo, a eficácia do dispositivo é limitada ao medir fluxo com queda de pressão baixa. Para contornar este problema, a equipe projetou outro medidor de vazão baseado em um princípio bem conhecido: ímãs da mesma polaridade se repelem.

No terceiro design de medidor, um objeto, tipicamente uma bola ou disco, é arranjado dentro do tubo de forma que a força magnética o faz flutuar. O objeto é levantado com o fluxo de gás no tubo, e o fluxo de gás é medido pela altura a 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 desempenho do dispositivo usando o Módulo CA/CC e Módulo CFD e chegaram a um design otimizado (Figura 3).

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

O design final também é baseado na rotação de uma turbina, mas um design de turbina diferente é usado. Aqui, a montagem da turbina com aletas guia fixas e aletas do rotor é colocada no canal principal como um elemento obstrutivo (Figura 4). A energia capturada pela turbina rotativa é usada para energizar os sensores térmicos, tornando este dispositivo um sistema autoenergizado.

As aletas guia atuam como um bocal, canalizando o fluxo de gás em direção às aletas do rotor, que rotacionam o eixo e par de engrenagem cônica. O fluxo de gás é medido baseado na rotação do par de engrenagem cônica ou medindo a queda de temperatura usando sensores térmicos.

Perspectiva Futura e Aplicação

Os estudos de simulação permitiram à equipe Raychem projetar um medidor de gás de energia inteligente com apenas um tubo em U e um sensor no gabinete, tornando-o muito compacto e fácil de instalar. Resultados de simulação validados estão no centro dos quatro novos designs de medidores de gás da Raychem.

A equipe Raychem está confiante no desempenho destes medidores de vazão para atender aos requisitos de aplicações domésticas e industriais. Estes designs foram pré-selecionados para produção e devem estar disponíveis em breve para consumidores urbanos em toda a Índia, para serem instalados diretamente dentro dos medidores de gás ajustados em suas casas.

Este artigo foi escrito por Aditi Karandikar, Gerente de Marketing na COMSOL Inc. Para mais informações, visite aqui .

A equipe Raychem gostaria de reconhecer Tito Kishan por assistência na aplicação TRIZ e Ganesh Bhoye por engenharia de design.