Concevoir des solutions intelligentes pour les dispositifs de débit de gaz

Au XXe siècle, le paysage énergétique indien était dominé par les combustibles fossiles, le diesel, le pétrole et le kérosène étant utilisés à des fins industrielles et domestiques. Dans l'Inde rurale, une grande partie de la population utilisait encore des feux de charbon, de bois ou de fumier pour cuisiner. Cependant, au cours des dernières décennies, le pays s'est efforcé de devenir une économie davantage 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 la disposition de nombreux ménages urbains, offrant le confort d'un gaz de cuisson ininterrompu directement aux foyers des consommateurs. Ce nouveau développement demande aux fournisseurs de services publics de gaz de 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 combustibles, tels que le GNC ou le GPL, livrés 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, quelle que soit la quantité sous pression ou la qualité du gaz circulant dans le compteur. En conséquence, des ajustements doivent être apportés aux valeurs de température, de pression et de chauffage pour mesurer avec précision la quantité réelle de gaz se déplaçant dans le compteur. Plusieurs conceptions différentes de compteurs de gaz sont courantes, en fonction du débit volumétrique de gaz à mesurer, de la plage de débits anticipés, du type de gaz mesuré et d'autres facteurs. Certains des principaux types de compteurs de gaz comprennent les compteurs à membrane, 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 Raychem Innovation Center (RIC) à Gujarat, en Inde, les chercheurs ont développé quatre nouveaux modèles de débitmètres de gaz, qui ont été conceptualisés, optimisés et validés à l'aide d'un logiciel de simulation multiphysique.

Défis de conception pour les débitmètres de gaz

Tous les compteurs de gaz actuellement disponibles en Inde ont leurs propres limites. Par exemple, dans les compteurs à membrane, les fuites des pièces mobiles et de la membrane peuvent entraîner des erreurs de mesure. Les compteurs à déplacement rotatif et les compteurs à turbine, quant à eux, comptent près de 35 composants, ce qui augmente la probabilité de défaillance mécanique et de fatigue. De plus, la taille de l'enceinte de tout compteur de gaz est fixe, de sorte que toute nouvelle conception de compteur doit s'adapter à la taille d'enceinte donnée. Par conséquent, la taille de l'appareil est un autre critère important pour toute nouvelle conception de compteur de gaz. Tous ces différents critères font qu'il est difficile pour ces appareils d'être approuvés lors des étapes finales des tests de qualité. En fait, les taux de rejet peuvent être très élevés.

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

Valider les conceptions avec la simulation

L'équipe a développé quatre compteurs de gaz basés sur l'optimisation de la conception à l'aide de TRIZ, une méthodologie de résolution de problèmes, et les exigences des clients. Ils ont commencé par valider un modèle d'éléments finis d'une conception de compteur de gaz conventionnel. L'équipe a ensuite étendu ses conclusions pour évaluer les conceptions proposées.

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

Après être parvenu à leur conception optimisée (Figure 1), l'équipe a pu éliminer plusieurs composants mécaniques de la conception d'origine, 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 de 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 sur le chemin du flux de gaz qui le traverse, ce qui fait tourner l'arbre. La sortie de l'arbre est transférée à un système d'engrenage conique. 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 Multibody Dynamics pour modéliser l'écoulement 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. Le volume de gaz étant déterminé par son débit, l'efficacité de l'appareil est limitée lors de la mesure du débit avec une faible perte de charge. Pour contourner ce problème, l'équipe a conçu un autre débitmètre basé sur un principe bien connu :des aimants de même polarité se repoussent.

Dans la conception du troisième compteur, un objet, généralement une bille ou un disque, est disposé à l'intérieur du tuyau de manière à ce que la force magnétique le fasse flotter. L'objet est soulevé 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 très sensible et peut mesurer même une petite chute de pression. Les chercheurs ont étudié les propriétés magnétiques et les performances de l'appareil à l'aide du module AC/DC et du module CFD et sont parvenus à une conception optimisée (Figure 3).

Dans ce cas, l'équipe a pu proposer un appareil très sensible qui fonctionne bien, même pour de légères variations de 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'ensemble de turbine avec des aubes fixes et des aubes directrices est placé dans le canal principal en tant qu'élément d'obstruction (Figure 4). L'énergie captée par la turbine en rotation est utilisée pour alimenter les capteurs thermiques, faisant ainsi de cet appareil un système auto-alimenté.

Les aubes directrices agissent comme une buse, canalisant le flux de gaz vers les aubes de roue, qui font tourner la paire d'arbre et d'engrenage conique. Le débit de gaz est mesuré en fonction de la rotation de la paire 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 d'énergie intelligent avec seulement un tube en forme de U et un capteur dans le boîtier, ce qui le rend 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, pour être installées directement à l'intérieur des compteurs de gaz installés dans leurs maisons.

Cet article a été écrit par Aditi Karandikar, Marketing Manager chez COMSOL Inc. Pour plus d'informations, visitez ici .

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