가스 유량 장치용 스마트 솔루션 혁신

20세기 동안 인도의 에너지 환경은 화석 연료가 지배했으며, 디젤, 석유, 등유가 대부분의 산업 및 가정용으로 사용되었습니다. 인도의 농촌 지역에서는 인구 대다수가 여전히 요리를 위해 석탄, 나무, 가축 분뇨 불을 사용했습니다. 그러나 지난 몇십 년 동안 인도는 액화석유가스(LPG)와 압축천연가스(CNG)를 요리와 심지어 교통수단에도 널리 사용하는 가스 기반 경제가 되기 위해 노력해 왔습니다. 최근에는 배관 천연가스도 많은 도시 가정에 제공되어 소비자 가정에 직접 중단 없는 요리 가스 공급의 편의를 제공합니다. 이 새로운 발전은 가스 유틸리티 제공업체가 얼마나 많은 가스가 소비되는지 측정하도록 요구합니다. 어떻게? 가스 미터의 도움을 받아서입니다.

가스 미터는 주거용, 상업용, 산업용 건물에서 파이프라인을 통해 공급되는 CNG나 LPG 같은 연료 가스의 양을 측정하는 특수 유량계입니다. 가스는 고도로 압축 가능하여 온도와 압력 변화에 민감하기 때문에 액체보다 측정이 더 어렵습니다. 가스 미터는 압력량이나 가스 품질에 관계없이 정해진 부피를 측정합니다. 따라서 온도, 압력, 발열량 조정을 통해 미터를 통과하는 실제 가스 양을 정확하게 측정해야 합니다. 측정할 가스 체적 유량, 예상 유량 범위, 측정 가스 유형 및 기타 요인에 따라 여러 가지 가스 미터 설계가 일반적입니다. 주요 가스 미터 유형에는 다이어프램 미터, 회전 변위 미터, 터빈 미터, 초음파 유량계, 코리올리 미터 등이 있습니다.

Raychem RPG는 인도 국내용 가스 미터 선도 제공업체 중 하나입니다. 인도 구자라트 주 Raychem 혁신 센터(RIC)에서 연구자들은 다중물리 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 개념화, 최적화, 검증된 가스 유량계 4가지 새로운 설계를 개발했습니다.

가스 유량계 설계 과제

현재 인도에서 사용 가능한 모든 가스 미터는 각자 한계가 있습니다. 예를 들어 다이어프램 미터에서는 움직이는 부품과 다이어프램 누출로 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 반면 회전 변위 미터와 터빈 미터는 약 35개 구성품에 가까워 기계적 고장과 피로 확률이 높습니다. 또한 모든 가스 미터의 인클로저 크기는 고정되어 있어 새로운 미터 설계는 주어진 인클로저 크기 내에 맞아야 합니다. 따라서 장치 크기도 새로운 가스 미터 설계의 또 다른 중요한 기준입니다. 이 모든 다른 기준이 최종 품질 테스트 단계에서 이 장치들이 승인받기 어렵게 만듭니다. 사실 거부율이 매우 높을 수 있습니다.

Mr. Ishant Jain이 이끄는 Raychem 팀은 가스 유량계의 구성품 수를 최소화하고 품질 테스트 단계에서의 거부율을 줄여 이 장치들의 총 제조 비용을 절감하기로 했습니다. 이를 위해 Raychem 팀은 COMSOL Multiphysics® 소프트웨어에서 시뮬레이션 분석을 수행했습니다.

시뮬레이션으로 설계 검증

팀은 TRIZ라는 문제 해결 방법론과 고객 요구사항을 기반으로 설계 최적화를 통해 4가지 가스 미터를 개발했습니다. 기존 가스 미터 설계의 유한 요소 모델 검증으로 시작했습니다. 팀은 그런 다음 제안된 설계들을 평가하기 위해 결과를 확장했습니다.

첫 번째 새로운 가스 미터 설계는 기존 다이어프램 시스템의 수정판으로, 팬토그래프 어셈블리를 스카치-요크(Scotch-Yoke) 메커니즘으로 대체하여 구성품 수를 줄였습니다.

최적화된 설계에 도달한 후(그림 1), 팀은 기존 설계에서 여러 기계 부품을 제거하는 것 외에도 측정 정확도와 민감도를 개선할 수 있었습니다. 미터 시스템의 구성품 수가 기존 다이어프램 설계의 35개에서 5~6개로 크게 줄어들어 시스템의 기계적 견고성과 무결성을 보장했습니다.

다음 설계는 뫼비우스 밴드 터빈으로, 터빈 회전을 이용해 가스 유량을 측정합니다. 이 가스 미터는 뫼비우스 스트립을 통과하는 가스 속도를 결정하여 가스 부피를 측정합니다. 뫼비우스 밴드 모양 로터가 가스 흐름 경로에 배치되어 축을 회전시킵니다. 축 출력은 베벨 기어 시스템으로 전달됩니다. 터빈은 가스 속도를 추론하며, 이는 기계적으로 전자식 또는 기계식 카운터로 전달됩니다.

Raychem 팀은 CFD 모듈과 멀티바디 다이내믹스 모듈을 사용하여 난류 가스 흐름(그림 2)과 터빈에서 발생하는 응력과 토크를 모델링했습니다.

뫼비우스 밴드 터빈 가스 미터는 가스 유량이 높을 때 잘 작동한다는 점에 유의해야 합니다. 가스 부피가 유량으로 결정되므로, 저압 강하 유량 측정 시 장치 효능은 제한됩니다. 이 문제를 우회하기 위해 팀은 잘 알려진 원리인 동극성 자석은 서로 밀어낸다는 원리 기반의 또 다른 유량계를 설계했습니다.

세 번째 미터 설계에서, 일반적으로 공이나 디스크인 물체가 파이프 안에 자기력이 뜨게 하도록 배치됩니다. 물체는 파이프 내 가스 흐름에 의해 들어올려지고, 가스 유량은 자기 판이 상승하는 높이로 측정됩니다. 이런 종류의 미터는 매우 민감하여 미세한 압력 강하도 측정할 수 있습니다. 연구자들은 AC/DC 모듈과 CFD 모듈을 사용하여 자기 특성과 장치 성능을 연구하고 최적화된 설계에 도달했습니다(그림 3).

이 경우 팀은 가스 유량의 미세한 변동에서도 잘 작동하는 고감도 장치를 제안할 수 있었습니다.

최종 설계도 터빈 회전 기반이지만 다른 터빈 설계가 사용됩니다. 여기서는 고정 가이드 베인과 러너 베인이 있는 터빈 어셈블리가 주 채널에 장애 요소로 배치됩니다(그림 4). 회전 터빈이 포착한 에너지가 열 센서를 활성화하는 데 사용되어 이 장치를 자가 에너지화 시스템으로 만듭니다.

가이드 베인은 노즐 역할을 하여 가스 흐름을 러너 베인으로 유도하고, 이는 축과 베벨 기어 쌍을 회전시킵니다. 가스 유량은 베벨 기어 쌍 회전 측정 또는 열 센서를 사용한 온도 강하 측정으로 측정됩니다.

미래 전망 및 적용

시뮬레이션 연구로 Raychem 팀은 하우징에 U자형 튜브와 센서만 있는 스마트 에너지 가스 미터를 설계할 수 있었고, 매우 콤팩트하고 설치가 쉽습니다. 검증된 시뮬레이션 결과가 Raychem의 4가지 새로운 가스 미터 설계의 핵심입니다.

Raychem 팀은 이 유량계들의 성능이 국내 및 산업 애플리케이션 요구사항에 부합할 것이라 확신합니다. 이 설계들은 생산 후보로 선정되었으며 곧 인도의 도시 소비자들에게 제공되어 가정의 가스 미터 내부에 직접 설치될 예정입니다.

이 기사는 COMSOL Inc. 마케팅 매니저 Aditi Karandikar가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.

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