Valve - Yarynara Sebrio Suharyadi

Assalamualaikum wrb

Nama : Yarynara Sebrio Suharyadi

NPM  : 1706070816

SMA  : SMA Negeri khusus Olahragawan Ragunan 116

Kelas : Sistem Fluida 03

Tugas Simulasi CFDSOF

Pada pertemuan hari Kamis, 12 November 2020 diberikan tugas yaitu mensimulasikan aliran yang melalui gate valve. Merujuk video pada platform youtube, berikut merupakan simulasi yang telah dilakukan:

Gate Valve

Meshing

Grafik Residual

Inlet

Outlet

Pertemuan 2

Pertemuan kedua kelas Sistem Fluida 03 diakhiri dengan pemberian tugas dari Pak Dai, yaitu mempelajari cara kerja sistem fluida pada aplikasi OpenModelica. Tentunya cakupan dari pengaplikasian tersebut sangatlah luas, maka kami hanya diharuskan untuk mempelajari OpenModelica untuk sistem fluida dengan fitur Example pada library fluid. Jadi, cakupan yang dipelajari menjadi lebih sempit.

Fitur Examples pada Library Fluid OpenModelica

Di atas terdapat banyak subfitur yang dapat dilakukan. Meskipun begitu, menurut yang saya tangkap, fitur Examples ini hanya dapat melakukan simulasi jika sudah ada sketsa sebelumnya, maka saya hanya mengambil skema atau sketsa aliran sistem fluida yang sudah disediakan pada aplikasi OpenModelica ini.

Melalui fitur yang tersedia, saya akan mengambil pilihan skema dengan nama TanksWithOverflow. Berikut adalah tangkapan layar dari hasil yang saya pelajari.

Gambar di atas merupakan skema yang disediakan oleh OpenModelica dan kita juga dapat melakukan simulasi dengan mengklik fitur simulate yang bertanda anak panah mengarah ke kanan. Ketika kita klik, maka akan didapatkan hasil seperti gambar di bawah ini.

Hasil yang kita peroleh dengan cara melakukan simulasi pada aplikasi OpenModelica

Pada tangkapan layar di atas memperlihatkan bahwa segala aspek simulasi aliran sistem fluida dapat diketahui besarannya. Dapat dilihat di atas bahwa ada pressure (tekanan), mass flow (aliran massa fluida), dan lain sebagainya serta properties dari pipa apliran itu sendiri.

Hingga kini, saya masih memiliki kendala dalam penyimpanan file karena setelah mencoba untuk dibuka kembali, justru hasil yang sebagaimana telah ditampilkan di atas tidak muncul. Walaupun ada kendala tersebut, berikut adalah file yang telah saya coba usahakan:

https://drive.google.com/file/d/1hXmY1TegjvsssERy2Oyp5Kiej-eQ_BY9/view?usp=sharing

Pertemuan 3

Kelas ketiga diawali dengan diskusi mengenai Computational Fluid Dynamics (CFD). Diskusi tersebut membawa kita untuk membahas CFD secara lebih mendasar karena diskusi kami diawali dengan mencari definisi dari CFD itu sendiri. Diskusi ditutup dengan sebuah kesimpulan dari Pak Dai mengenai definisi dari CFD.

Setelah diskusi di awal kelas, kami melakukan praktik pada simulasi aplikasi OpenModelica dimpimpin oleh Pak Ario. Pak Ario merupakan asisten dari Pak Dai dan akan mengajari kita tentang simulasi fluida di OpenModelica. Simulasi yang kemi lakukan berawal dengan fitur EmptyTank. Fitur ini memungkinkan kita untuk melakukan simulasi aliran fluida pipa horizontal, dimana kita menggunakan beda energi potensial (beda ketinggian) fluida agar kedua fluida dapat mengalir dari Tank1 kepada Tank2. Data tinggi awal kedua tank adalah 0.9 m dan 0.1 m.

Tampilan di atas adalah simulasi aliran fluida pada pipa horizontal, dimana hanya memanfaatkan beda potensial dari volume air pada tank. Selain itu, parameter pun bisa diubah berdasarkan kondisi yang diinginkan atau menyesuaikan keadaan lapangan. Berikut adalah fitur parameter tersebut. Parameter yang dapat diatur, antara lain luas permukaan

Kemudian, kami melanjutkan sesi kelas dengan percobaan simulasi yang lain. Kali ini kami melakukan simulasi dengan fitur EmptyTank. EmptyTank digunakan untuk simulasi menggunakan penampungan air sementara, maka tidak jauh berbeda dengan instrumen sebelumnya. Pada simulasi ini, kita diberi gambaran sebuah tangki yang letaknya lebih tinggi mengalirkan fluida ke penampungan air yang ketinggiannya lebih rendah.

Gambar mengenai simulasi menggunakan template EmptyTank dari aplikasi OpenModelica

Kemudian kami pun beralih kepada fitur yang lain. Fitur berikutnya yang kami coba ialah fitur HeatFluidFlow, dimana fitur ini menampilkan skema pendinginan pada sebuah rangkaian heat exchanger. Gambar berikut adalah rangkaian yang ditampilkan oleh fitur HeatFluidFlow.

Tugas 3

Di bawah ini adalah tugas yang diberikan setelah dilaksanakan kelas ketiga pada Kamis, 26 November 2020.

Tugas di atas beserta kelima subtugas dikerjakan untuk dua kondisi, yakni simulasi HeatingSystem dan simulasi ThreeTank.

Nomor 1

Heating System

Tampilan awal saat melakukan simulasi Fluid.Examples.HeatingSystem. Ini melibatkan beberapa mesin-mesin dan komponen mesin fluida, bahkan juga melibatkan mesin kalor, seperti burner dan radiator. Selain itu, juga ada pelibatan komponen pengendalian sistem, seperti sensor, untuk menyesuaikan temperatur dengan yang diinginkan.

Three Tank

Perbedaannya signifikan dengan heating system. Simulasi ini lebih sederhana dibandingkan heating system. Apabila ditinjau, ThreeTank ini hanya memanfaatkan ketinggian dari fluida baik dari posisi ataupun dari ketinggian di penampungan tank. Perbedaan-perbedaan ketinggian tersebut nantinya akan menjadi parameter analisa saat fluida dialirkan.

Nomor 2

Heating System

Metode analisa aliran sistem fluida ada tiga, yaitu menggunakan CFD, teoritis, dan eksperimen. Analisa simulasi heating system ini dapat dilakukan dengan ketiga metode, tetapi mengingat adanya banyak komponen, maka metode analisa cocok dilakukan dengan CFD atau teoritis. CFD memudahkan kita melaksanakannya bila perlu dilakukan perubahan-perubahan pada paramater terkaitnya.

Three Tank

Metode analisa aliran sistem fluida ada tiga, yaitu menggunakan CFD, teoritis, dan eksperimen. Analisa simulasi three tank ini cocok dengan metode perhitungan teoritis karena sepertinya perhitungan tidak serumit heating system. Meski demikian, jika ada perubahan-perubahan pada parameter, maka CFD tetap menjadi pilihan yang cocok dipertimbangkan.

Nomor 3

Heating System

Simulasi ini merupakan aliran yang berawal dari sebuah tank yang berada di tempat tertinggi dari sistem, untuk kemudian dialirkan menuju komponen-komponen setelahnya, yaitu burner. Setelah itu, terjadilah fungsi kontrol dengan dua sensor (sensor massa dan sensor temperatur). Begitu seterusnya hingga sampai pada komponen radiator untuk didinginkan dan disesuaikan temperaturnya. Selain daripada itu, beberapa aspek dapat ditentukan melalui fitur parameter pada option.

Three Tank

Simulasi pada OpenModelica memungkinkan kita tahu akan parameter yang sebelumnya sudah ditentukan dari aplikasi. Parameter tersebut adalah Tank1 dengan 8 meter dan Tank2 serta Tank3 dengan ketinggian 3 meter. Dengan demikian, simulasi ini memungkinkan kita untuk meninjau bagaimana fluida mengalir jika memiliki ketinggian dan panjang pipa yang berbeda. Disebabkan parameter awal yang berbeda, maka volume dan massa yang dihasilkan juga berbeda di akhir simulasi.

Nomor 4

Heating System

Beberapa rumus yang berhubungan dengan heating system erat kaitannya dengan transfer massa dan kalor serta mekanika fluida dasar. Formula tersebut diantaranya:

Rumus menentukan Reynolds Number berpengaruh pada aliran fluida karena erat kaitannya dengan kekentalan fluida. Hal tersebut berpengaruh pada pressure drop dan aliran fluida pada pipa.

Kaitannya dengan pompa, maka rumus ini juga umum digunakan dan berfungsi untuk menentukan tekanan, head, kapasitas, dan efisiensi.

Three Tank

Simulasi ini menerapkan rumus fluida dasar, diantaranya pressure drop dan tekanan hidrostatis karena memanfaatkan ketinggian untuk mengalirkan fluida.

Rumus mencari pressure drop

Rumus menentukan hidrostatis

Nomor 5

Heating System

Sementara ini, saya masih menemukan kendala dalam melakukan Simulate pada simulasi HeatingSystem.

Three Tank

Hasil yang didapatkan melalui simulasi ThreeTank sangat banyak parameternya. Namun, saya akan mengambil dua variabel terikat sebagai hasilnya, yaitu besaran massa dan ketinggian akhir fluida. Perlu diingat bahwa parameter variabel bebas ketinggian fluida masih sama dengan yang tertulis di atas.

Gambaran di atas adalah hasil dari massa akhir setelah simulasi berlangsung.

Sedangkan gambar kedua ini menampilkan ketinggian fluida di akhir simulasi.

Pertemuan 4

Tugas 4

Kami diberikan tugas untuk menganalisis sistem simulasi yang terdapat di aplikasi OpenModelica berikut.

Di bawah ini akan saya coba jawab pertanyaan-pertanyaannya.

Soal 1

Skema analisis akan dapat tergambar melalui skema berikut.

Gas buang dari turbin gas dibuang ke tempat yang disebut heat recovery system, sehingga memungkinkan untuk memanaskan fluida yang disimpan dalam pipa tubular. Kemudian fluida didalamnya mengalami perubahan fase menjadi uap, dimana dimanfaatkan untuk memutar turbin yang tersambung dengan poros generator. Lalu gas buang akan diputar lagi melalui siklus yang sama.

Soal 2

Berikut ini beberapa komponen dan mesin fluida yang akan saya bahas melalui rekapan tulisan ini.

- Turbin gas

Proses yang terjadi pada turbin gas iala siklus terbuka yang ditandai dengan pengisapan udara dari luar turbin untuk kemudian ditekan hingga suhu yang ditentukan dan diinjeksikan bahan bakar, sehingga fase ekspansi dari siklus tersebut mampu memutar generator melalui poros.

Ilustrasi:

Turbin gas sangat berfungsi dengan bantuan blade yang menyusunnya. Blade-blade pengarah tersebut memungkinkan fluida dapat terkompresi dengan baik hingga mencapai suhu yang diinginkan.

- Heat recovery system

Fungsi dari alat ini adalah menangkap kembali kalor yang dihasilkan oleh gas buang turbin gas. Kalor tersebut mampu memanaskan fluida yang berada pada heat recovery system (disebut HRSG pada kasus Siemens Flex-Plants). Fluida berfase cair itu akan berubah fase menjadi uap seiring bertambahnya suhu.

- Pipa

Sistem perpipaan berupa susunan pipa berfungsi layaknya pembuluh darah, artinya dapat mentransportasikan fluida dari satu tempat ke tempat lain berdasarkan perbedaan tekanan. Pipa ini juga yang memungkinkan cukup kenaikan suhu dan mengalirkan fluida uap ke turbin uap (steam turbine).

- Turbin uap

Uap bertekanan dan bersuhu tinggi berasal dari HRSG dialirkan dengan pipa menuju steam turbine. Melalui transmisi energi dari turbin uap, uap bertekanan tinggi mampu memutar turbin dan dihubungkan dengan poros ke generator. Generator itulah yang kembali menghasilkan listrik.

Jadi sistem power plant combined cycle ini dua kali lipat lebih efisien dibandingkan tipe power plant non-combined.

Soal 3

1) Fase gas

Fase gas terjadi waktu udara masuk ke air inlet dari turbin gas hingga pada outlet-nya.

Fase gas kembali terjadi pada saat fluida dipanaskan di boiler (heat recovery system) karena air yang mendidih akan berubah menjadi fase gas ketika suhunya dinaikkan lagi. Wujud uap (gas) tetap bertahan sampai masuk dan keluar dari turbin uap (steam turbine).

2) Fase cair

Sementara itu, fase cair hanya terjadi ketika fluida yang telah keluar dari turbin uap kembali diembunkan (dengan condensor) sehingga fasenya kembali cair. Kemudian fase itu bertahan hingga dipanaskan kembali pada heat recovery system.

Perhitungan secara umum yang berhubungan dengan siklus terkait akan dituliskan di bawah ini.

Rumus tersebut adalah rumus umum mengenai gas turbine. Formulanya erat kaitannya dengan besaran panas, kerja, efisiensi, dan work ratio.

Rumus diatas secara umum membahas analisa turbin uap. Rumus ini lebih membahas tentang efisiensi dari turbin uapnya.

Pressure drop (delta p) ini berlaku selama perjalanan fluida melalui pipa. Semakin panjang pipa, maka semakin besar pressure drop atau tekanan jatuh.

Soal 4

Warna merah, biru, dan hitam memiliki artian masing-masing. Warna hitam tidak selalu identik dengan fluida. Seperti terlihat di skema, transmisi energi kinetik dari turbin ke generator disimbolkan dengan warna hitam. Kemudian warna biru adalah aliran fluida low temperature dan warna merah adalah fluida dengan high temperature.

Pertemuan 5

Pertemuan kelas Sistem Fluida 03 diawali dengan sedikit obrolan tentang sistem fluida dan kami menerima nasihat dari Pak Dai agar tetap bersemangat untuk belajar apa pun secara umum, dan secara khusus belajar sistem fluida. Penyampaian nasihat itu mengingat setiap muslim memiliki kewajiban untuk menuntut ilmu.

Berikutnya, kami dituntun untuk melanjutkan belajar simulasi OpenModelica. Kali ini kami mempelajari tentang komponen dari sistem fluida, yaitu kompressor. Kompressor sendiri merupakan komponen yang berfungsi untuk mengkompresi aliran fluida agar tekanan (pressure) menjadi lebih tinggi, sehingga tekanan tersebut dapat dimanfaatkan kembali untuk siklus berikutnya pada sistem.

OpenModelica dapat memunculkan kompresor ini dengan fitur ThermoSysPro--> WaterSteam--> Machines--> Compressor. Alat kompresor disimbolkan dengan simbol berikut.

Kemudian, kami diminta untuk melakukan simulasi persis seperti gambar di bawah ini.

Kemudian pada sisa sesi kelas, kami melakukan simulasi yang persis seperti gambar di atas dan membahas bersama-sama terkait hasilnya.

Pertemuan 6: Kuliah Tamu

Pertemuan keenam yang jatuh pada tanggal 17 Desember 2020 diadakan sbeuah kuliah yang diisi oleh tamu dari praktisi, dalam hal ini adalah CEO dari PT. Indopower Internasional, Dr. Ir Harun Al Rasyid. Perusahaan ini berkaitan erat dengan permesinan fluida dalam kerjanya. Melalui kuliah tamu pada hari itu, kami dijelaskan oleh Pak Harun mengenai cara sistem pembangkit listrik bekerja, terutama metode combined cycle power plant (CCPP).

Beliau menjelaskan pengertian CCPP, yaitu pembangkit yang memanfaatkan gas buang untuk memutar turbin kembali. Sistem tersebut diawali dengan pembakaran (combustion) bahan bakar pada mesin fluida turbin gas dan ekspansi dari pembakaran tersebut dimanfaatkan untuk memutar turbin yang porosnya tersambung ke generator sehingga dihasilkan listrik pada tahap pertama. Kemudian, gas buang dari turbin gas tersebut dimanfaatkan panasnya untuk mendidihkan fluida yang berada di dalam HRSG (sistem pengumpulan kalor), sehingga dari uap pendidihan tersebut yang bertekanan tinggi dialirkan kembali pada turin uap. Berputarlah turbin dengan pemanfaatan gas buang tersebut. Gas buang dari turbin uap tersebut dikondendasi kembali untuk siklus yang berikutnya. Maka dari siklus tersebut, combined cycle power plant menghasilkan efisiensi yang tinggi serta cost yang lebih rendah.

Peta di atas menjelaskan mengenai skema dari sistem siklus pembangkit dengan combined power plant. Pada lampiran yang lain, dijelaskan pula bahwa efisiensi dari combined cycle power plant menunjukkan angka yang signifikan lebih tinggi daripada pembangkit yang konvensional.

Tugas besar sistem fluida

Tugas besar ini diberikan pada saat kelas sistem fluida 03 sebelumnya. Topik dari tugas ini secara garis besar adalah melakukan simulasi rangkaian sistem aliran fluida pada aplikasi OpenModelica. Berikut adalah tindaklanjut dari tugas yang telah diberikan, yaitu saya akan menuliskan tentang latar belakang, tujuan, metodologi, dan waktu perencanaan.

Latar belakang

Pada tiap kali pertemuan kuliah, mahasiswa selalu mempelajari sebuah komponen atau sebuah template simulasi yang tersedia di aplikasi OpenModelica. Maka beberapa fitur sudah dipelajari oleh mahasiswa Sisflu kelas 03. Walaupun begitu, pemahaman kami sebagai mahasiswa akan teruji apabila kami dapat melaksanakan tugas besar membuat sistem aliran fluida sendiri.

Tugas besar ini juga dilatarbelakangi oleh keperluan pemenuhan penilaian dosen terhadap mahasiswanya. Pertemuan terakhir dari kegiatan perkuliahan ditutup oleh tugas besar agar dapat memenuhi penilaian tersebut.

Selain itu, kami menggunakan aplikasi OpenModelica karena selama berkuliah mengenai sistem fluida, kami selalu mempraktikkannya dengan aplikasi CFD OpenModelica. Maka dari itu, kami lebih kenal dengan aplikasi OpenModelica dibandingkan dengan aplikasi pemodelan lainnya.

Tujuan

Tujuan dari simulasi ini antara lain:

- Membantu mahasiswa untuk lebih memahami sistem fluida bekerja melalui simulasi aplikasi OpenModelica.

- Mempelajari kembali bagaimana suatu simulasi sistem fluida dirancang dan disimulasikan.

- Melancarkan proses penilaian dari dosen.

Metodologi

Metode dari rancangan tugas besar ini adalah dengan merancang dan melakukan simulasi dengan aplikasi. Setelah itu, hasil yang ditampilkan oleh aplikasi, yakni untuk beberapa aspek variabel terikat, akan diambil kesimpulan. Kesimpulannya sendiri akan menjawab hubungan suatu variabel dengan variabel yang lain.

Waktu perencanaan

Hasil Pengerjaan

Pada tugas besar ini, saya melakukan simulasi di OpenModelica mengenai pembangkit listrik tenaga angin. Namun, sebab saya masih dalam MK. Sistem Fluida, tepatnya Sistem Fluida 03, saya akan melakukan simulasi pada bagian sistem fluida saja dari sistem pembangkit tersebut. Dengan kata lain, saya tidak melakukan simulasi rangkaian listrik dari sistem tersebut.

Pada peristiwa aktualnya sendiri, turbin angin digambarkan cukup sederhana, yakni seperti kincir. Di dalam kincir tersebut terdapat turbin dan sistem transmisi yang memungkinkan energi kinetik dari angin (udara bergerak) untuk diteruskan kepada generator dan menghasilkan listrik, serta dialirkan ke sistem berikutnya hingga dapat didistribusikan ke kebutuhan sipil.

Saya mencoba memodelkan sistem tersebut pada aplikasi OpenModelica dan berikut hasilnya.

Gambar di atas adalah simulasi yang saya buat berdasarkan hasil riset di internet dan OpenModelica itu sendiri. Saya menggunakan beberapa fitur, seperti ramp yang berasal dari Source, Rotor dari PowerSystem, IdealGear, dan generator dari fitur Asynchron, sehingga dapat saya peroleh komponen-komponen, seperti rotor, inertia, gearbox, hingga generator penghasil listrik.

Gambar di atas telah mencerminkan hasil aktualnya, dimana kecepatan angin menabrak rotor turbin sehingga menimbulkan energi kinetik kemudian ditransmisikan oleh dan inertia gear agar energi tersebut memutar generator dan mendapatkan hasil berupa energi listrik.

Hasil

Saya melakukan input data pada parameter-parameter yang memmpengaruhi hasil dari simulasi ini. Beberapa parameter tersebut adalah sebagai berikut.

Parameter di atas adalah parameter-parameter dari mesin-mesin yang terlibat, yakni ramp, rotor, inertia (pengkonversi gaya), dan turbin angin itu sendiri.

Kemudian, saya melakukan check pada skema yang telah dibuat dan proses check berjalan dengan lancar. Muncul notofikasi bahwa skema yang dibuat memenuhi syarat perhitungan.

Kendati check berjalan dengan baik, aplikasi OpenModelica tidak dapat melakukan simulate atau simulasi dari skema yang telah saya rancang. Pada umumnya, ketika check berjalan dengan lancar, seharusnya kita dapat melakukan simulasi dan mendapatkan hasil yang diinginkan.

Gambar di atas adalah tampilan error ketika akan dilakukan simulasi.

Kesimpulan

Melalui riset dan tentunya simulasi yang telah dilakukan, saya menarik kesimpulan sistem pembangkit tenaga angin memanfaatkan energi kinetik (berupa kecepatan angin) yang menabrak kincir angin sehingga putaran yang dihasilkan ditransmisikan oleh sistem gear dan dapat memutar generator. Generatorlah yang akan membangkitkan energi listrik.

Kendati hasil simulasi belum optimal, saya mendapatkan wawasan mengenai prinsip kerja dari sistem pembangkit listrik tenaga angin ini.

UAS