가스 흐름 장치용 스마트 솔루션 설계

20세기 동안 인도의 에너지 지형은 대부분의 산업 및 가정용으로 사용되는 디젤, 석유 및 등유와 함께 화석 연료에 의해 지배되었습니다. 인도 시골에서는 인구의 많은 부분이 여전히 석탄, 나무 또는 쇠똥을 요리에 사용하고 있었습니다. 그러나 지난 수십 년 동안 국가는 요리와 운송에도 액화석유가스(LPG)와 압축천연가스(CNG)를 널리 사용하면서 보다 가스 기반 경제가 되기 위해 노력하는 모습을 보였습니다. 최근에는 파이프로 연결된 천연 가스도 많은 도시 가정에서 사용할 수 있게 되었으며, 소비자 가정에 직접 요리용 가스를 중단 없이 제공하는 편안함을 제공합니다. 이 새로운 개발은 가스 유틸리티 공급자가 얼마나 많은 가스가 소비되고 있는지 측정할 것을 요구합니다. 어떻게? 가스 계량기의 도움으로.

가스 계량기는 주거용, 상업용 및 산업용 건물에서 파이프 라인을 통해 전달되는 CNG 또는 LPG와 같은 연료 가스의 양을 측정하는 데 사용되는 특수 유량계입니다. 기체는 압축성이 높아 온도와 압력의 변화에 ​​민감하기 때문에 액체보다 측정하기가 더 어렵습니다. 가스 계량기는 계량기를 통해 흐르는 가스의 가압된 양이나 품질에 관계없이 정의된 부피를 측정합니다. 따라서 실제 유량계를 통해 이동하는 가스의 양을 정확하게 측정하려면 온도, 압력 및 발열량을 조정해야 합니다. 측정할 가스의 체적 유량, 예상되는 유량 범위, 측정되는 가스 유형 및 기타 요인에 따라 다양한 가스 계량기 디자인이 일반적입니다. 가스 계량기의 주요 유형에는 다이어프램 계량기, 회전식 변위 계량기, 터빈 계량기, 초음파 유량계 및 코리올리 계량기가 포함됩니다.

Raychem RPG는 인도의 가정용 가스 계량기의 선두 제공업체 중 하나입니다. 인도 구자라트에 있는 Raychem 혁신 센터(RIC)에서 연구원들은 다중물리 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 개념화, 최적화 및 검증된 가스 유량계를 위한 4가지 새로운 설계를 개발했습니다.

가스 유량계의 설계 과제

현재 인도에서 사용 가능한 모든 가스 계량기에는 자체 제한 사항이 있습니다. 예를 들어 다이어프램 미터에서 움직이는 부품과 다이어프램의 누출로 인해 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 반면에 회전식 변위계와 터빈계량기는 35개에 가까운 부품을 가지고 있어 기계적 고장과 피로의 가능성을 높입니다. 또한 모든 가스 계량기의 인클로저 크기는 고정되어 있으므로 새로운 계량기 디자인은 지정된 인클로저 크기에 맞아야 합니다. 따라서 장치의 크기는 새로운 가스 계량기 설계의 또 다른 중요한 기준입니다. 이러한 모든 다른 기준으로 인해 이러한 장치는 최종 품질 테스트 단계에서 승인을 받는 것이 어렵습니다. 사실 거부율이 매우 높을 수 있습니다.

Ishant Jain이 이끄는 Raychem 팀은 가스 유량계의 구성 요소 수를 최소화하고 품질 테스트 단계에서 불량률을 줄여 이러한 장치의 총 제조 비용을 줄이는 데 착수했습니다. 이를 위해 Raychem 팀은 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어에서 시뮬레이션 분석을 수행했습니다.

시뮬레이션으로 설계 검증

팀은 문제 해결 방법론인 TRIZ와 고객 요구 사항을 사용한 설계 최적화를 기반으로 4개의 가스 계량기를 개발했습니다. 그들은 기존의 가스 계량기 설계의 유한 요소 모델을 검증하는 것으로 시작했습니다. 그런 다음 팀은 제안된 디자인을 평가하기 위해 조사 결과를 확장했습니다.

새로운 가스 계량기 디자인의 첫 번째는 기존 다이어프램 시스템을 수정한 것으로 팬터그래프 어셈블리가 구성 요소 수를 줄이기 위해 Scotch-Yoke 메커니즘으로 교체되었습니다.

최적화된 설계에 도달한 후(그림 1), 팀은 측정의 정확도와 감도를 개선하는 것 외에도 원래 설계에서 여러 기계적 구성 요소를 제거할 수 있었습니다. 미터 시스템의 구성 요소 수가 이전 다이어프램 설계의 35개 구성 요소에서 5개 또는 6개의 구성 요소로 크게 감소하여 시스템의 기계적 견고성과 무결성을 보장합니다.

다음 설계는 뫼비우스 밴드 터빈으로 구성되며, 여기서 터빈의 회전은 가스 유량을 측정하는 데 사용됩니다. 이 가스 계량기는 뫼비우스 스트립을 통해 이동하는 가스의 속도를 측정하여 가스 부피를 측정합니다. 뫼비우스 밴드 모양의 로터는 샤프트를 회전시키는 가스 흐름이 통과하는 방식으로 배치됩니다. 샤프트의 출력은 베벨 기어 시스템으로 전달됩니다. 터빈은 가스의 속도를 유추하여 전자 또는 기계 카운터에 기계적으로 전달됩니다.

Raychem 팀은 CFD 모듈과 Multibody Dynamics Module을 사용하여 난류 가스 흐름(그림 2)과 터빈에서 발생하는 응력 및 토크를 모델링했습니다.

뫼비우스 밴드 터빈 가스 계량기는 가스 유량이 높을 때 잘 작동한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 가스 체적은 유량에 의해 결정되기 때문에 낮은 압력 강하로 유량을 측정하는 동안 장치의 효율성이 제한됩니다. 이 문제를 피하기 위해 팀은 잘 알려진 원리에 따라 다른 유량계를 설계했습니다. 동일한 극성의 자석은 서로 반발합니다.

세 번째 미터 설계에서는 일반적으로 공이나 디스크와 같은 물체가 파이프 내부에 배치되어 파이프가 부유하게 됩니다. 배관내의 기체의 흐름에 따라 물체가 들어올려지고, 기체의 흐름은 자석판이 상승하는 높이로 측정됩니다. 이러한 종류의 미터는 매우 민감하며 작은 압력 강하도 측정할 수 있습니다. 연구원들은 AC/DC 모듈과 CFD 모듈을 사용하여 자기 특성과 장치 성능을 연구하여 최적화된 설계에 도달했습니다(그림 3).

이 경우 팀은 가스 유량의 약간의 변동에도 잘 작동하는 고감도 장치를 제안할 수 있었습니다.

최종 설계도 터빈의 회전을 기반으로 하지만 다른 터빈 설계가 사용됩니다. 여기에서 고정 가이드 베인과 러너 베인이 있는 터빈 어셈블리는 방해 요소로 메인 채널에 배치됩니다(그림 4). 회전하는 터빈에 의해 포착된 에너지는 열 센서에 에너지를 공급하는 데 사용되므로 이 장치는 자가 에너지 시스템이 됩니다.

가이드 베인은 노즐 역할을 하여 샤프트와 베벨 기어 쌍을 회전시키는 러너 베인 쪽으로 가스 흐름을 전달합니다. 가스 유량은 베벨 기어 쌍의 회전을 기반으로 하거나 열 센서를 사용하여 온도 강하를 측정하여 측정됩니다.

향후 전망 및 적용

시뮬레이션 연구를 통해 Raychem 팀은 하우징에 U자형 튜브와 센서만 있는 스마트 에너지 가스 계량기를 설계하여 매우 작고 쉽게 설치할 수 있었습니다. 검증된 시뮬레이션 결과는 Raychem의 4가지 새로운 가스 계량기 설계의 핵심입니다.

Raychem 팀은 이러한 유량계의 성능이 가정 및 산업 분야의 요구 사항에 적합하다고 확신합니다. 이 디자인은 생산 후보 목록에 올라 곧 인도 전역의 도시 소비자가 사용할 수 있게 되어 가정에 설치된 가스 계량기 내부에 직접 설치될 것입니다.

이 기사는 COMSOL Inc.의 마케팅 관리자인 Aditi Karandikar가 작성했습니다. 자세한 내용은 을 참조하십시오. 여기 .

Raychem 팀은 TRIZ 적용을 지원한 Tito Kishan과 설계 엔지니어링을 지원한 Ganesh Bhoye에게 감사를 표합니다.