Merancang Solusi Cerdas untuk Perangkat Aliran Gas

Selama abad ke-20, lanskap energi di India didominasi oleh bahan bakar fosil, dengan solar, minyak bumi, dan minyak tanah digunakan untuk sebagian besar keperluan industri dan domestik. Di pedesaan India, sebagian besar penduduk masih menggunakan api batu bara, kayu, atau kotoran untuk memasak. Namun, beberapa dekade terakhir telah melihat negara berusaha untuk menjadi ekonomi yang lebih berbasis gas, dengan meluasnya penggunaan bahan bakar gas cair (LPG) dan gas alam terkompresi (CNG) untuk memasak dan bahkan transportasi. Baru-baru ini, gas alam perpipaan juga telah tersedia untuk banyak rumah tangga perkotaan, memberikan kenyamanan gas memasak tanpa gangguan langsung ke rumah konsumen. Perkembangan baru ini meminta penyedia utilitas gas untuk mengukur berapa banyak gas yang dikonsumsi. Bagaimana? Dengan bantuan meteran gas.

Pengukur gas adalah pengukur aliran khusus yang digunakan di bangunan perumahan, komersial, dan industri untuk mengukur jumlah bahan bakar gas, seperti CNG atau LPG, yang dikirim melalui pipa. Gas sangat kompresibel, yang membuatnya lebih sulit diukur daripada cairan karena kepekaannya terhadap perubahan suhu dan tekanan. Pengukur gas mengukur volume yang ditentukan, terlepas dari kuantitas bertekanan atau kualitas gas yang mengalir melalui meteran. Oleh karena itu, penyesuaian perlu dilakukan pada suhu, tekanan, dan nilai pemanasan untuk mengukur secara akurat jumlah gas yang sebenarnya bergerak melalui meteran. Beberapa desain meteran gas yang berbeda adalah umum, tergantung pada laju aliran volumetrik gas yang akan diukur, kisaran aliran yang diantisipasi, jenis gas yang diukur, dan faktor lainnya. Beberapa jenis utama pengukur gas termasuk pengukur diafragma, pengukur perpindahan putar, pengukur turbin, pengukur aliran ultrasonik, dan pengukur Coriolis.

Raychem RPG adalah salah satu penyedia meteran gas domestik terkemuka di India. Di Raychem Innovation Center (RIC) di Gujarat, India, para peneliti mengembangkan empat desain baru untuk pengukur aliran gas, yang dikonsep, dioptimalkan, dan divalidasi menggunakan perangkat lunak simulasi multifisika.

Tantangan Desain untuk Pengukur Aliran Gas

Semua meteran gas yang saat ini tersedia di India memiliki batasannya sendiri. Misalnya, pada pengukur diafragma, kebocoran dari bagian yang bergerak dan diafragma dapat menyebabkan kesalahan pengukuran. Pengukur perpindahan putar dan meter turbin, di sisi lain, memiliki hampir 35 komponen, meningkatkan kemungkinan kegagalan mekanis dan kelelahan. Selanjutnya, ukuran selungkup untuk setiap meteran gas tetap, sehingga setiap desain meteran baru harus sesuai dengan ukuran penutup yang diberikan. Oleh karena itu, ukuran perangkat merupakan kriteria penting lainnya untuk setiap desain meteran gas baru. Semua kriteria yang berbeda ini membuat perangkat ini sulit untuk disetujui selama tahap pengujian kualitas akhir. Faktanya, tingkat penolakan bisa sangat tinggi.

Tim Raychem, yang dipimpin oleh Mr. Ishant Jain, mulai meminimalkan jumlah komponen dalam pengukur aliran gas dan mengurangi tingkat penolakannya selama fase pengujian kualitas, sehingga mengurangi total biaya pembuatan perangkat ini. Untuk melakukannya, tim Raychem melakukan analisis simulasi dalam perangkat lunak COMSOL Multiphysics®.

Memvalidasi Desain dengan Simulasi

Tim mengembangkan empat meter gas berdasarkan optimasi desain menggunakan TRIZ, metodologi pemecahan masalah, dan kebutuhan pelanggan. Mereka mulai dengan memvalidasi model elemen hingga dari desain meteran gas konvensional. Tim kemudian memperluas temuan mereka untuk mengevaluasi desain yang diusulkan.

Desain meteran gas baru yang pertama adalah modifikasi dari sistem diafragma yang ada, di mana rakitan pantograf diganti dengan mekanisme Scotch–Yoke untuk mengurangi jumlah komponen.

Setelah sampai pada desain yang dioptimalkan (Gambar 1), tim dapat menghilangkan beberapa komponen mekanis dari desain aslinya, selain meningkatkan akurasi dan sensitivitas pengukuran. Jumlah komponen dalam sistem meteran berkurang secara signifikan, dari 35 komponen desain diafragma sebelumnya menjadi 5 atau 6 komponen, sehingga menjamin kekokohan mekanis dan integritas sistem.

Desain selanjutnya terdiri dari turbin pita Möbius, dimana putaran turbin digunakan untuk mengukur laju aliran gas. Pengukur gas ini mengukur volume gas dengan menentukan kecepatan gas yang bergerak melalui jalur Möbius. Rotor berbentuk pita Möbius ditempatkan di jalan aliran gas yang melewatinya, yang memutar poros. Output dari poros ditransfer ke sistem roda gigi bevel. Turbin menyimpulkan kecepatan gas, yang ditransmisikan secara mekanis ke penghitung elektronik atau mekanis.

Tim Raychem menggunakan Modul CFD dan Modul Dinamika Multibodi untuk memodelkan aliran gas turbulen (Gambar 2) serta tegangan dan torsi yang dikembangkan di turbin.

Penting untuk dicatat bahwa meteran gas turbin pita Möbius bekerja dengan baik ketika laju aliran gas tinggi. Karena volume gas ditentukan oleh alirannya, kemanjuran perangkat terbatas saat mengukur aliran dengan penurunan tekanan rendah. Untuk menghindari masalah ini, tim merancang flowmeter lain berdasarkan prinsip terkenal:Magnet dengan polaritas yang sama saling tolak.

Dalam desain meter ketiga, sebuah benda, biasanya bola atau cakram, diatur di dalam pipa sedemikian rupa sehingga gaya magnet menyebabkannya mengapung. Objek diangkat dengan aliran gas di dalam pipa, dan aliran gas diukur dengan ketinggian di mana pelat magnet naik. Meteran semacam ini sangat sensitif dan dapat mengukur bahkan penurunan tekanan yang kecil. Para peneliti mempelajari sifat magnetik dan kinerja perangkat menggunakan Modul AC/DC dan Modul CFD dan sampai pada desain yang dioptimalkan (Gambar 3).

Dalam hal ini, tim dapat mengusulkan perangkat yang sangat sensitif yang berkinerja baik, bahkan untuk sedikit variasi dalam laju aliran gas.

Desain akhir juga didasarkan pada putaran turbin, tetapi desain turbin yang berbeda digunakan. Di sini, rakitan turbin dengan baling-baling pemandu tetap dan baling-baling runner ditempatkan di saluran utama sebagai elemen penghalang (Gambar 4). Energi yang ditangkap oleh turbin yang berputar digunakan untuk memberi energi pada sensor termal, sehingga membuat perangkat ini menjadi sistem yang memberi energi sendiri.

Guide vane bertindak sebagai nozzle, menyalurkan aliran gas menuju runner vane, yang memutar poros dan pasangan roda gigi bevel. Aliran gas diukur berdasarkan rotasi pasangan roda gigi bevel atau dengan mengukur penurunan suhu menggunakan sensor termal.

Outlook dan Aplikasi Masa Depan

Studi simulasi memungkinkan tim Raychem untuk merancang meteran gas energi pintar dengan hanya tabung berbentuk U dan sensor di dalam rumahan, sehingga sangat ringkas dan mudah dipasang. Hasil simulasi yang divalidasi adalah inti dari empat desain meteran gas baru Raychem.

Tim Raychem yakin dengan kinerja pengukur aliran ini untuk memenuhi persyaratan aplikasi domestik dan industri. Desain ini telah dipilih untuk produksi dan akan segera tersedia bagi konsumen perkotaan di seluruh India, untuk dipasang langsung di dalam meteran gas yang dipasang di rumah mereka.

Artikel ini ditulis oleh Aditi Karandikar, Manajer Pemasaran di COMSOL Inc. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .

Tim Raychem ingin mengucapkan terima kasih kepada Tito Kishan atas bantuannya dalam aplikasi TRIZ dan Ganesh Bhoye untuk teknik desain.