Innover des solutions intelligentes pour dispositifs de débit de gaz

Au cours du 20e siècle, le paysage énergétique en Inde était dominé par les combustibles fossiles, avec le diesel, le pétrole et le kérosène utilisés pour la plupart des usages industriels et domestiques. En Inde rurale, une grande partie de la population utilisait encore le charbon, le bois ou les feux de bouse pour la cuisine. Cependant, les dernières décennies ont vu le pays s'efforcer de devenir une économie plus basée sur le gaz, avec une utilisation généralisée du gaz de pétrole liquéfié (GPL) et du gaz naturel comprimé (GNC) pour la cuisine et même le transport. Récemment, le gaz naturel canalisé a également été mis à disposition de nombreux ménages urbains, offrant le confort d'un gaz de cuisine ininterrompu directement chez les consommateurs. Ce nouveau développement appelle les fournisseurs de services de gaz à mesurer la quantité de gaz consommée. Comment ? Avec l'aide de compteurs de gaz.

Un compteur de gaz est un débitmètre spécialisé utilisé dans les bâtiments résidentiels, commerciaux et industriels pour mesurer la quantité de gaz de carburant, tel que GNC ou GPL, livré par un pipeline. Les gaz sont hautement compressibles, ce qui les rend plus difficiles à mesurer que les liquides en raison de leur sensibilité aux changements de température et de pression. Les compteurs de gaz mesurent un volume défini, indépendamment de la quantité ou de la qualité pressurisée du gaz circulant dans le compteur. Par conséquent, des ajustements doivent être faits en température, pression et valeurs calorifiques pour mesurer avec précision la quantité réelle de gaz passant par le compteur. Plusieurs conceptions différentes de compteurs de gaz sont courantes, selon le débit volumétrique de gaz à mesurer, la gamme de débits anticipée, le type de gaz mesuré et d'autres facteurs. Certains des principaux types de compteurs de gaz incluent les compteurs à diaphragme, les compteurs à déplacement rotatif, les compteurs à turbine, les débitmètres à ultrasons et les compteurs Coriolis.

Raychem RPG est l'un des principaux fournisseurs de compteurs de gaz domestiques en Inde. Au Centre d'innovation Raychem (RIC) à Gujarat, en Inde, des chercheurs ont développé quatre nouvelles conceptions de débitmètres de gaz, qui ont été conceptualisées, optimisées et validées à l'aide de logiciels de simulation multiphysiques.

Défis de conception pour les débitmètres de gaz

Tous les compteurs de gaz actuellement disponibles en Inde ont leurs propres limitations. Par exemple, dans les compteurs à diaphragme, les fuites des pièces mobiles et du diaphragme peuvent causer des erreurs de mesure. Les compteurs à déplacement rotatif et les compteurs à turbine, d'autre part, ont près de 35 composants, augmentant la probabilité de défaillance mécanique et de fatigue. De plus, la taille de l'enceinte pour tout compteur de gaz est fixe, donc toute nouvelle conception de compteur doit s'adapter à la taille d'enceinte donnée. Par conséquent, la taille du dispositif est un autre critère important pour toute nouvelle conception de compteur de gaz. Tous ces différents critères en font un défi pour que ces dispositifs soient approuvés lors des étapes finales de test de qualité. En fait, les taux de rejet peuvent être très élevés.

L'équipe Raychem, dirigée par M. Ishant Jain, s'est fixée pour objectif de minimiser le nombre de composants dans les débitmètres de gaz et de réduire leur taux de rejet pendant la phase de test de qualité, réduisant ainsi le coût total de fabrication de ces dispositifs. Pour ce faire, l'équipe Raychem a effectué des analyses de simulation dans le logiciel COMSOL Multiphysics®.

Validation des conceptions par simulation

L'équipe a développé quatre compteurs de gaz basés sur l'optimisation de conception utilisant TRIZ, une méthodologie de résolution de problèmes, et les exigences des clients. Ils ont commencé par valider un modèle aux éléments finis d'une conception conventionnelle de compteur de gaz. L'équipe a ensuite étendu leurs résultats pour évaluer les conceptions proposées.

La première des nouvelles conceptions de compteur de gaz est une modification du système à diaphragme existant, où l'assemblage pantographe est remplacé par un mécanisme Scotch-Yoke pour réduire le nombre de composants.

Après être arrivés à leur conception optimisée (Figure 1), l'équipe a pu éliminer plusieurs composants mécaniques de la conception originale, en plus d'améliorer la précision et la sensibilité de la mesure. Le nombre de composants dans le système de compteur a été considérablement réduit, passant de 35 composants de la conception à diaphragme antérieure à 5 ou 6 composants, assurant ainsi la robustesse mécanique et l'intégrité du système.

La conception suivante consiste en une turbine à bande de Möbius, où la rotation de la turbine est utilisée pour mesurer le débit de gaz. Ces compteurs de gaz mesurent le volume de gaz en déterminant la vitesse du gaz se déplaçant à travers la bande de Möbius. Le rotor en forme de bande de Möbius est placé dans le chemin du flux de gaz passant dessus, ce qui fait tourner l'arbre. La sortie de l'arbre est transmise à un système d'engrenages coniques. La turbine déduit la vitesse du gaz, qui est transmise mécaniquement à un compteur électronique ou mécanique.

L'équipe Raychem a utilisé le module CFD et le module Dynamique Multicorps pour modéliser le flux de gaz turbulent (Figure 2) ainsi que les contraintes et le couple développés dans la turbine.

Il est important de noter que le compteur de gaz à turbine à bande de Möbius fonctionne bien lorsque le débit de gaz est élevé. Puisque le volume de gaz est déterminé par son débit, l'efficacité du dispositif est limitée lors de la mesure d'un flux avec une faible chute de pression. Pour contourner ce problème, l'équipe a conçu un autre débitmètre basé sur un principe bien connu : les aimants de même polarité se repoussent.

Dans la troisième conception de compteur, un objet, généralement une bille ou un disque, est disposé à l'intérieur du tuyau de telle manière que la force magnétique le fait flotter. L'objet se soulève avec le flux de gaz dans le tuyau, et le flux de gaz est mesuré par la hauteur à laquelle une plaque magnétique s'élève. Ce type de compteur est hautement sensible et peut mesurer même une faible chute de pression. Les chercheurs ont étudié les propriétés magnétiques et la performance du dispositif en utilisant le module AC/DC et le module CFD et sont arrivés à une conception optimisée (Figure 3).

Dans ce cas, l'équipe a pu proposer un dispositif hautement sensible qui fonctionne bien, même pour de légères variations des débits de gaz.

La conception finale est également basée sur la rotation d'une turbine, mais une conception de turbine différente est utilisée. Ici, l'assemblage de turbine avec des aubes directrices fixes et des aubes de rotor est placé dans le canal principal en tant qu'élément obstructif (Figure 4). L'énergie capturée par la turbine rotative est utilisée pour alimenter les capteurs thermiques, faisant de ce dispositif un système auto-énergisant.

Les aubes directrices agissent comme une buse, canalisant le flux de gaz vers les aubes de rotor, qui font tourner l'arbre et le couple d'engrenages coniques. Le débit de gaz est mesuré en fonction de la rotation du couple d'engrenages coniques ou en mesurant la chute de température à l'aide de capteurs thermiques.

Perspectives d'avenir et application

Les études de simulation ont permis à l'équipe Raychem de concevoir un compteur de gaz intelligent avec seulement un tube en U et un capteur dans le boîtier, le rendant très compact et facile à installer. Les résultats de simulation validés sont au cœur des quatre nouvelles conceptions de compteurs de gaz de Raychem.

L'équipe Raychem est confiante dans la performance de ces débitmètres pour répondre aux exigences des applications domestiques et industrielles. Ces conceptions ont été présélectionnées pour la production et devraient bientôt être disponibles pour les consommateurs urbains à travers l'Inde, à installer directement dans les compteurs de gaz installés dans leurs foyers.

Cet article a été rédigé par Aditi Karandikar, responsable marketing chez COMSOL Inc. Pour plus d'informations, visitez ici .

L'équipe Raychem tient à remercier Tito Kishan pour son assistance dans l'application TRIZ et Ganesh Bhoye pour l'ingénierie de conception.