22352

تحليل CFD حسگرهاي ميكرو ترمال براي اندازه‌گيري جريان گاز مصارف خانگي

كارشناسي ارشد

طراحي فرايند

1396

1399/3/13

دكتر سيد حسن هاشم آبادي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

اندازه‌گيري دقيق جريان گاز يك نياز اساسي در بسياري از صنايع به‌خصوص در مصارف خانگي است. در حال حاضر از كنتورهاي گاز ديافراگمي جهت اندازه‌گيري مصارف خانگي گاز استفاده مي‌شود كه يك فنّاوري بسيار قديمي و كم‌دقت است. در سال‌هاي اخير استفاده از جريان‌سنج‌هاي ميكرو ترمال يا همان جريان‌سنج حرارتي MEMS به دليل اندازه‌ كوچك، توان مصرفي پايين و دقت مناسب رو به رشد است. بااين‌حال جريان‌سنج ميكرو ترمال به بهينه‌سازي در حساسيت به تغيير دبي و توان مصرفي نياز دارد. هدف اين پروژه، شبيه‌سازي CFD اين نوع از جريان‌سنج‌ جهت پيش‌بيني عملكرد و بهينه‌سازي هندسه آن است. طبق بررسي مطالعات پيشين مناسب‌ترين هندسه جهت استفاده در اندازه‌گيري مصارف گاز خانگي انتخاب شد و توسط نرم‌افزار كامسول به بهينه‌سازي هندسه گرم‌كن و ميكرو كانال اين هندسه پرداخته شد. برخلاف كارهاي پيشين در شبيه‌سازي اين جريان‌سنج، دقيقاً مانند نمونه‌هاي تجربي عمل شد يعني با كوپل معادلات مومنتوم، انرژي و الكتريسته و تبديل الكتريسيته به حرارت در گرم‌كن و به دست آوردن خروجي جريان‌سنج به‌صورت ولتاژ، به بررسي عملكرد جريان‌سنج پرداخته شد كه نتايجي با خطاي 8/4 درصد نسبت به داده‌هاي تجربي بدست آمد. در اين پروژه تأثير ارتفاع و عرض كانال، و ابعاد هندسي گرم‌كن بر عملكرد جريان‌سنج با استفاده از نرم‌افزار ديزاين اكسپرت بررسي شد. طبق نتايج با كاهش ارتفاع كانال حساسيت جريان‌سنج در دبي‌هاي بالا افزايش مي‌يابد اما در دبي‌هاي پايين تقريباً بدون تغيير است و همچنين توان مصرفي نيز در تمام دبي‌ها ثابت است. با افزايش عرض كانال و طول گرم‌كن، حساسيت جريان‌سنج و توان مصرفي در تمام دبي‌ها كاهش مي‌يابد اما سرعت تغيير توان مصرفي بيشتر از سرعت تغيير حساسيت جريان‌سنج است. با افزايش سطح مقطع گرم‌كن حساسيت جريان‌سنج و توان مصرفي افزايش مي‌يابند. در ادامه با بهينه‌سازي توسط نرم‌افزار ديزاين اكسپرت سه جريان‌سنج با ابعاد مختلف ارائه‌شده‌اند كه داراي حساسيت‌هاي mV/(ml/min) 0030/0، 0106/0 و 0152/0 هستند. مدت‌زمان كاركرد آن‌ها توسط دو عدد باتري 750 ميلي‌آمپري به ترتيب 13، 5/3 و 1/1 سال است. در بخش دوم پروژه، جهت به‌كارگيري اين جريان‌سنج براي گاز خانگي، به طراحي سيستمي كه هم‌زمان ظرفيت كنتورهاي G4 و G6 را پوشش مي‌دهد، پرداخته شد. اين سيستم‌ شامل يك مسير كنارگذر (ميكرو كانال) است كه جريان‌سنج به آن متصل است و با كوپل مدل جريان مغشوش و آرام توسط شبيه‌سازي CFD، نسبت تقسيم جريان‌ بين مسير كنارگذر و مسير اصلي در بازه‌ي 025/0 تا 10 متر مكعب بر ساعت به‌صورت چندجمله‌اي درجه 2 و در بازه‌ي 025/0 تا 4/3 متر مكعب بر ساعت به‌صورت خطي به دست آمد. واژه‌هاي كليدي: كنتور ميكرو ترمال گاز، جريان‌سنج حرارتي MEMS، گرم‌كن ميكرو، كانال ميكرو

1399/04/25

CFD analysis of micro-thermal sensors to measure domestic gas flow

6/2/2020 12:00:00 AM

Accurate measurement of gas flow is a basic need in many industries, especially in domestic use. Diaphragm gas meters are currently used to measure domestic gas consumption, which is a very old and inaccurate technology. In recent years, the use of micro-thermal flowmeters or thermal MEMS flowmeters has been growing due to its small size, low power consumption and good accuracy. However, the micro-flowmeters need to be optimized for sensitivity in change of flow rates and power consumption. The aim of this project is CFD simulation of this type of flowmeter to predict performance and optimize its geometry. Based on previous studies, the best geometry for measurement of domestic gas consumption was chosen, and the geometry of the heater and the microchannel of this flowmeter were optimized by Comsol software. Unlike previous works in simulation of this flowmeters, it acted exactly like experimental samples by converting electricity into heat in the heater and obtaining the output of the flowmeter as voltage. Results were obtained with an error of 4.8% compared to the experimental data. In this project, the effect of height and width of the channel, and the geometric dimensions of the heater on the flowmeter performance were investigated using the Design Expert software. According to the results, as the channel height decreases, the sensitivity of the flowmeter increases in the high flowrates, but in the low flow rates it is almost constant and also the power consumption is constant in all flow rates. As the channel width and length of the heater increase, the the flowmeter sensitivity and power consumption decreases in all flowrates, but the rate of change in power consumption is greater than the rate of change in the flowmeter sensitivity. As the cross-section of the heater increases, the flowmeter sensitivity and power consumption increases. Now, with optimizing of dimensions by Design Expert software, three flowmeters with different dimensions are provided, which have sensitivities of 0.0030, 0.0106 and 0.0152 mV/(ml/min). They can work 13, 3.5 and 1.1 years, respectively by use of two batteries with each capacity of 750 mA. In the second part of the project, in order to use this flowmeter in the gas pipes used in the houses, a system was designed that simultaneously covers the capacity of G4 and G6 flowmeters. The system consists of a bypass path (micro channel) to which the flowmeter is connected. By CFD simulation, the ratio of flow distribution between the bypass path and the main path in the range of 0.025 to 10 cubic meters per hour and in the range of 0.025 Up to 3.4 cubic meters per hour was obtained second order polynomial and linearly respectively. Keywords: Gas micro-thermal flowmeter, thermal MEMS flowmeter, Micro heater, Micro channel