Berinovasi Solusi Cerdas untuk Perangkat Aliran Gas

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

Meter gas adalah flowmeter khusus yang digunakan di gedung pemukiman, komersial, dan industri untuk mengukur jumlah bahan bakar gas, seperti CNG atau LPG, yang disampaikan melalui pipa. Gas sangat kompresibel, yang membuatnya lebih sulit diukur daripada cairan karena sensitivitasnya terhadap perubahan suhu dan tekanan. Meter gas mengukur volume yang ditentukan, terlepas dari kuantitas atau kualitas yang ditekan dari gas yang mengalir melalui meter. Sesuai dengan itu, penyesuaian perlu dilakukan dalam suhu, tekanan, dan nilai pemanas untuk mengukur dengan akurat jumlah gas aktual yang bergerak melalui meter. Beberapa desain berbeda meter gas umum, tergantung pada laju aliran volum gas yang akan diukur, rentang aliran yang diantisipasi, jenis gas yang diukur, dan faktor lainnya. Beberapa jenis utama meter gas termasuk meter diafragma, meter perpindahan rotary, meter turbine, flowmeter ultrasonik, dan meter Coriolis.

Raychem RPG adalah salah satu penyedia meter gas domestik terkemuka di India. Di Raychem Innovation Centre (RIC) di Gujarat, India, peneliti mengembangkan empat desain baru untuk flowmeter gas, yang dikonseptualisasikan, dioptimalkan, dan divalidasi menggunakan perangkat lunak simulasi multiphysics.

Tantangan Desain untuk Flowmeter Gas

Semua meter gas yang saat ini tersedia di India memiliki keterbatasan masing-masing. Misalnya, dalam meter diafragma, kebocoran dari bagian yang bergerak dan diafragma dapat menyebabkan kesalahan pengukuran. Meter perpindahan rotary dan meter turbine, di sisi lain, memiliki hampir 35 komponen, meningkatkan probabilitas kegagalan mekanik dan kelelahan. Lebih jauh, ukuran enclosure untuk meter gas apa pun tetap, jadi desain meter baru harus muat dalam ukuran enclosure yang diberikan. Oleh karena itu, ukuran perangkat adalah kriteria penting lainnya untuk desain meter gas baru. Semua kriteria berbeda ini membuat tantangan bagi perangkat ini untuk disetujui selama tahap pengujian kualitas akhir. Faktanya, tingkat penolakan dapat sangat tinggi.

Tim Raychem, dipimpin oleh Bpk. Ishant Jain, bertujuan untuk meminimalkan jumlah komponen dalam flowmeter gas dan mengurangi tingkat penolakan mereka selama tahap pengujian kualitas, sehingga mengurangi total biaya manufaktur untuk perangkat ini. Untuk melakukannya, tim Raychem melakukan analisis simulasi dalam perangkat lunak COMSOL Multiphysics®.

Mengvalidasi Desain dengan Simulasi

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

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

Setelah sampai pada desain yang dioptimalkan (Gambar 1), tim mampu menghilangkan beberapa komponen mekanik dari desain asli, samping meningkatkan akurasi dan sensitivitas pengukuran. Jumlah komponen dalam sistem meter secara signifikan berkurang, dari 35 komponen desain diafragma sebelumnya menjadi 5 atau 6 komponen, sehingga menjamin kekakuan dan integritas mekanis sistem.

Desain berikutnya terdiri dari turbine pita Möbius, di mana rotasi turbine digunakan untuk mengukur laju aliran gas. Meter gas ini mengukur volume gas dengan menentukan kecepatan gas yang bergerak melalui pita Möbius. Rotor berbentuk pita Möbius ditempatkan di jalan aliran gas yang melewatinya, yang memutar poros. Output poros ditransfer ke sistem gear bevel. Turbine menyimpulkan kecepatan gas, yang ditransmisikan secara mekanis ke counter elektronik atau mekanik.

Tim Raychem menggunakan CFD Module dan Multibody Dynamics Module untuk memodelkan aliran gas turbulen (Gambar 2) serta tegangan dan torsi yang dikembangkan dalam turbine.

Penting untuk dicatat bahwa meter gas turbine pita Möbius berperforma baik saat laju aliran gas tinggi. Karena volume gas ditentukan oleh alirannya, efikasi perangkat terbatas saat mengukur aliran dengan penurunan tekanan rendah. Untuk mengatasi masalah ini, tim merancang flowmeter lain berdasarkan prinsip yang terkenal: Magnet dengan polaritas sama saling menolak.

Dalam desain meter ketiga, sebuah objek, biasanya bola atau cakram, diatur di dalam pipa dengan cara sehingga gaya magnet menyebabkan ia melayang. Objek terangkat dengan aliran gas dalam pipa, dan aliran gas diukur oleh ketinggian plate magnet naik. Jenis meter ini sangat sensitif dan dapat mengukur bahkan penurunan tekanan kecil. Peneliti mempelajari properti magnet dan kinerja perangkat menggunakan AC/DC Module dan CFD Module dan sampai pada desain yang dioptimalkan (Gambar 3).

Dalam kasus ini, tim mampu mengusulkan perangkat yang sangat sensitif yang berperforma baik, bahkan untuk variasi kecil dalam laju aliran gas.

Desain akhir juga berdasarkan rotasi turbine, tetapi desain turbine yang berbeda digunakan. Di sini, asembly turbine dengan palet panduan tetap dan palet runner ditempatkan di saluran utama sebagai elemen penghalang (Gambar 4). Energi yang ditangkap oleh turbine yang berputar digunakan untuk memberi daya pada sensor termal, sehingga membuat perangkat ini sistem daya mandiri.

Palet panduan bertindak sebagai nozzle, mengarahkan aliran gas menuju palet runner, yang memutar poros dan pasangan gear bevel. Aliran gas diukur berdasarkan rotasi pasangan gear bevel atau dengan mengukur penurunan suhu menggunakan sensor termal.

Pengantar Masa Depan dan Aplikasi

Studi simulasi memungkinkan tim Raychem untuk merancang meter gas energi cerdas dengan hanya tabung U dan sensor dalam perempat, membuatnya sangat kompakt dan mudah dipasang. Hasil simulasi yang divalidasi berada di inti empat desain meter gas baru Raychem.

Tim Raychem yakin dengan kinerja flowmeter ini untuk memenuhi persyaratan aplikasi domestik dan industri. Desain ini telah disingkat untuk produksi dan seharusnya segera tersedia bagi konsumen perkotaan di seluruh India, untuk dipasang langsung di dalam meter gas yang dipasang di rumah mereka.

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

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