为气流设备设计智能解决方案

在 20 世纪，印度的能源格局以化石燃料为主，柴油、石油和煤油用于大多数工业和家庭用途。在印度农村，大部分人口仍在使用煤、木柴或粪火做饭。然而，在过去的几十年里，该国努力成为一个更加以天然气为基础的经济体，广泛使用液化石油气 (LPG) 和压缩天然气 (CNG) 进行烹饪甚至运输。最近，许多城市家庭也可以使用管道天然气，直接为消费者家庭提供不间断的烹饪用气。这项新的发展要求天然气公用事业提供商测量消耗了多少天然气。如何？借助燃气表。

燃气表是用于住宅、商业和工业建筑的专用流量计，用于测量通过管道输送的燃气（如 CNG 或 LPG）的量。气体是高度可压缩的，这使得它们比液体更难测量，因为它们对温度和压力的变化很敏感。燃气表测量定义的体积，而不管流经仪表的气体的加压量或质量如何。因此，需要对温度、压力和热值进行调整，以准确测量通过仪表的实际气体量。几种不同的燃气表设计很常见，具体取决于待测气体的体积流量、预期的流量范围、待测气体的类型和其他因素。一些主要类型的燃气表包括隔膜表、旋转位移表、涡轮表、超声波流量计和科里奥利表。

Raychem RPG 是印度国内领先的燃气表供应商之一。在印度古吉拉特邦的瑞侃创新中心 (RIC)，研究人员开发了四种新的气体流量计设计，并使用多物理场仿真软件对其进行了概念化、优化和验证。

气体流量计的设计挑战

印度目前可用的所有燃气表都有其自身的局限性。例如，在隔膜式仪表中，运动部件和隔膜的泄漏会导致测量误差。另一方面，旋转位移计和涡轮计具有接近 35 个组件，增加了机械故障和疲劳的可能性。此外，任何燃气表的外壳尺寸都是固定的，因此任何新的仪表设计都必须适合给定的外壳尺寸。因此，设备的尺寸是任何新燃气表设计的另一个重要标准。所有这些不同的标准使这些设备在最终质量测试阶段获得批准成为一项挑战。事实上，拒绝率可能非常高。

由 Ishant Jain 先生领导的瑞侃团队着手在质量测试阶段尽量减少气体流量计中的组件数量并降低其废品率，从而降低这些设备的总制造成本。为此，瑞侃团队在 COMSOL Multiphysics® 软件中进行了仿真分析。

使用仿真验证设计

该团队使用 TRIZ、问题解决方法和客户要求基于设计优化开发了四个燃气表。他们首先验证了传统燃气表设计的有限元模型。然后，该团队扩展了他们的发现以评估提议的设计。

第一个新的燃气表设计是对现有隔膜系统的改进，其中受电弓组件被苏格兰轭机构取代，以减少组件数量。

在完成优化设计（图 1）后，该团队能够从原始设计中消除几个机械组件，此外还提高了测量的准确性和灵敏度。仪表系统中的组件数量显着减少，从早期隔膜设计的 35 个组件减少到 5 个或 6 个组件，从而保证了系统的机械坚固性和完整性。

下一个设计包括一个莫比乌斯带涡轮机，其中涡轮机的旋转用于测量气体流量。这些燃气表通过确定气体通过莫比乌斯带的速度来测量气体体积。莫比乌斯带状转子被放置在气流通过它的路径上，从而使轴旋转。轴的输出被传递到锥齿轮系统。涡轮机推断出气体的速度，并以机械方式传输到电子或机械计数器。

瑞侃团队使用 CFD 模块和多体动力学模块来模拟湍流气流（图 2）以及涡轮机中产生的应力和扭矩。

需要注意的是，莫比乌斯带涡轮燃气表在气体流速较高时表现良好。由于气体体积由其流量决定，因此在以低压降测量流量时，设备的功效受到限制。为了规避这个问题，团队根据一个众所周知的原理设计了另一种流量计：同极性的磁铁相互排斥。

在第三种仪表设计中，物体（通常是球或圆盘）以磁力使其漂浮的方式布置在管道内。物体随着管道中的气流而被提升，气流通过磁板上升的高度来测量。这种仪表灵敏度高，甚至可以测量很小的压降。研究人员使用 AC/DC Module 和 CFD Module 研究了磁特性和器件性能，并得出了优化设计（图 3）。

在这种情况下，该团队能够提出一种高度灵敏的设备，该设备即使在气体流速略有变化的情况下也能表现良好。

最终设计也是基于涡轮的旋转，但使用了不同的涡轮设计。在这里，带有固定导向叶片和转轮叶片的涡轮组件被放置在主通道中作为阻碍元件（图 4）。旋转涡轮捕获的能量用于为热传感器供电，从而使该设备成为一个自供电系统。

导向叶片充当喷嘴，将气流引导至转子叶片，从而旋转轴和锥齿轮副。根据锥齿轮副的旋转或使用热传感器测量温度下降来测量气体流量。

未来展望及应用

模拟研究使瑞侃团队能够设计出一种智能电能表，该表只有一个 U 形管和一个传感器，外壳内装有传感器，因此非常紧凑且易于安装。经验证的模拟结果是瑞侃四款新型燃气表设计的核心。

瑞侃团队对这些流量计的性能充满信心，能够满足家庭和工业应用的要求。这些设计已入围生产，很快就会提供给印度各地的城市消费者，直接安装在他们家中安装的燃气表内。

本文由 COMSOL Inc. 营销经理 Aditi Karandikar 撰写。如需了解更多信息，请访问 这里 .

瑞侃团队感谢 Tito Kishan 协助 TRIZ 应用程序和 Ganesh Bhoye 设计工程。