Valve-Rizki Ramadhan

Nama : Rizki Ramadhan Siregar

NPM : 1806233240

Mata Kuliah : Sistem Fluida 03

Pertemuan 1 : 12 November 2020

Pada pertemuan pertama bapak Ahmad Indra menjelaskan tentang pressuredrop yang terjadi pada valve jika dialiri suatu fluida dengan menggunakan aplikasi CFDSOF.Disini Kita diberi tugas untuk mensimulasi pressuredrop yang terjadi pada T valve pada sistem perpipaan dengan fluida udara. Valve atau yang biasa disebut katup adalah sebuah perangkat yang mengatur, mengarahkan atau mengontrol aliran dari suatu fluida dengan membuka, menutup, atau menutup sebagian dari jalan alirannya.

Tipe-tipe valve:

- butterfly valve

- check valve

- gate valve

- globe valve

- ball valve

- needle valve

- diaphragm valve

- check valve

- safety valve

- pressure reducing valve

- trap valve

Fungsi dari valve sendiri antara lain adalah untuk:

1. Membuka atau menutup aliran

2. Mengatur jumlah aliran (Q)

3. Menghindari aliran balik (backflow)

Sebuah valve harus memiliki pressure drop seminim mungkin.

Setelah menyampaikan materi terkait valve, kami diberikan cara melakukan simulasi untuk menghitung nilai pressure drop menggunakan software CFD. CFD atau Computational Fluid Dynamics sendiri merupakan sebuah software yang dapat digunakan untuk mensimulasikan sebuah aliran fluida dengan menggunakan perhitungan analisis numerik.

Setelah diberikan pengetahuan dasar tentang software CFD, kami diberikan tutorial untuk mensimulasikan aluran pada valve yang terbuka penuh. Tujuan dari analisa ini adalah untuk mengetahui presure drop yang terjadi pada valve tersebut. Berikut adlah tahap-tahap yang kami lakukan untuk mensimulasikan aliran pada valve:

CFD tutorial mencari Pressure Drop pada Gate Valve

---

Proses simulasi pada intinya dimulai dengan memasukkan geometri serta properties fluida dan pada akhirnya melihat hasil iterasi pada third party tools yaitu ParaView

1. Pertama, buka aplikasi CFDSOF dan buat case baru.
2. Kemudian masukkan bentuk geometri valve yang telah dibuat dalam format .stl.

3. Cek ukuran geometri apakah sudah sesuai atau belum, ubah skala pada geometri jika ukurannya terlalu besar atau terlalu kecil.

4. Pada bagian base mesh, tentukan boundary condition pada box mesh boundaries.
5. Pada generate mesh, pastikan titik mesh location berada di dalam saluran valve tersebut, karena kita akan menganalisis aliran internal.
6. Kemudian masuk ke geometry mesh dan ubah surface refinement menjadi 3. Fungsinya agar mesh yang dibuat lebih banyak dan hasil simulasi lebih akurat.

7. Klik generate mesh dan pastikan mesh sudah baik.
8. Pada simulation model, pilih turbulance-RANS dan apply model.pilih turbulance model sst-kω.
9. Atur fluid properties.serta atur boundary condition, inlet dengan tipe velocity inlet sebesar 1 m/s, outlet dengan tipe outflow, dan yang lain stationary wall.
10. Pada tab CFD-solve, run dengan 3000 iterasi/perhitungan. Tunggu hingga konvergen dan selesai.Akan tampil grafik residual seperti pada gambar

11. Buka Paraview dan akan terlihat distribusi tekanan dan kecepatan seperti gambar

Pertemuan 2 : 19 November 2020

Pada pertemuan ini, Pak Dai menjelsakan mengenai segitiga kecepatan pada sistem fluida. Segitiga kecepatan merupakan segitiga yang menunjukkan arah vektor kecepatan pada sebuah mesin fluida.

Pada sistem fluida masih teoritis dan masih perlu adanya evaluasi dan validasi, dalam hal ini bisa diselesaikan dengan CFD. Contohnya untuk mendesain turbin air, kita simulasi dengan cfd untuk menentukan sudut sudu. Kita tidak bisa melihat pengaruh segitiga kecepatan hanya dengan teoritis saja karen CFD bisa simulasi secara dinamik atau real time. Selain fungsi visualisasi, kita bisa melihat plotting apakah analisis tepat atau tidak.

Terdapat 3 metode analisa sistem fluida:

1.Eksperimen : metode ini menggunakan sistem sesungguhnya dan hasilnya aktual, namun tidak praktis dan ekonomis.

2.Teori : metode ini memberikan keyakinan kita untuk verifikasi data eksperimen betul atau tidak pada kondisi ideal, namun terdapat error karena terdapat batasan-batasan dan asumsi.

3.Numerik atau CFD: jika secara teori/analitik sulit dilakukan, maka bisa memakai CFD.Tidak memerlukan resources yang banyak, namun masih tidak akurat dan diperlukan iterasi yang sangat banyak agar hasil meyakinkan

Selanjutnya, Pak Dai menjelaskan kelebihan dari openmodelica kita tidak harus bisa coding, cukup dengan pemodelan saja sudah bisa dilakukan simulasi. Pak Dai juga menjelaskan contoh aplikasi sistem fluida pada openmodelica, yaitu empty tank. Simulasi ini menunjukkan perubahan volume tangki 1 dan 2 karena perbedaan ketinggian tangki. Pada hasil simulasi grafik volume pada tangki 1 menunjukkan penurunan, sementara grafik volume tangki 2 menunjukkan kenaikan.

Tugas 2

Setelah selesai kelas, Pak Dai memberikan tugas kepada kami untuk mempelajari Library yang ada pada OpenModelica. Saya mempelajari example-example yang ada di dalam library Modelica. Salah satu example tersebut adalah Controlled Tank

Sistem ini menggambarkan perilaku sistem kendali yang bisa menutup dan membuka valve sesuai dengan keadaan ambient. Terlihat terdapat 2 tank yang dikontrol dan tanki itu berasal dari sebuah sumber(Source) tertentu. Berikut adalah gambaran dari sistem modellingnya.

setelah kemudian di jalankan, maka akan diperoleh hasil plotting sebagai berikut:

Pertemuan 3 : 26 November 2020

Pada Pertemuan kali ini, pak Hariyotejo yang mengisi kuliah. Beliau membahas mengenai pemodelan sistem fluida dengan menggunakan software OpenModelica. Sebelum memulai sesi pemodelan, dibahas terlebih dahulu mengenai definisi dari 'Pemodelan Sistem Fluida' itu sendiri.

Pemodelan adalah sebuah usaha untuk mempelajari sebuah sistem aktual (sebenarnya) melalui sebuah sistem yang di simplifikasi. Sebuah model adalah sebuah sistem yang disederhanakan untuk merepresentasikan kondisi aktualnya.

Simplifikasi diperlukan untuk memudahkan sistem yang kompleks dan belum tentu linier. Serta, pemodelan dapat dilaksanakan dengan skala yang kecil serta biaya yang rendah.

Prinsip dari pemodelan adalah sebuah usaha membuat replika dari kondisi aktual, oleh sebab itu pemodelan tidak akan pernah sama dengan kondisi aktualnya. Tapi dapat diprediksi konsekuensi pada suatu sistem melalui pemodelan.

Pemodelan bisa dibagi menjadi dua bagian yaitu:

Pertama, Model Fisik yaitu pemodelan dalam skala kecil dan biasanya mempunyai output berupa prototype fisik.

Kedua,Model Komputasi memerlukan ilmu dasar untuk menunjang pemodelan.

Dalam pemodelan, menggunakan pendekatan hukum dasar fisika atau disebut law driven model. Ada juga pemodelan yang menggunakan artificial intelligence (AI) yang disebut data driven model, yang berasal dari data-data yang telah dikumpulkan sebelumnya.

TUGAS 3

Pertemuan ketiga kemudian berakhir dengan diberikannya tugas analisis oleh pak Hariyotejo. Berikut adalah ilustrasi soalnya:

Heating System

Three Tank

berikut adalah soal analisanya :

Jawaban :

1. Deskripsi/uraian fisika berdasarkan bagan yang ada

Heating System

Ilustrasi diatas adalah fitur Fluid.Examples.HeatingSystem pada openModelica. Beberapa alat dan mesin sistem fluida terlibat pada sistem tersebut, diantaranya adalah pompa, valve, pembakar, sensor, dan pipa. Sistem ini bertujuan untuk memanaskan fluida melalui sebuah skema sistem fluida dan dipanaskan dengan suatu sistem pemanasan. Namun, di situ juga terdapat keterlibatan dari komponen-komponen controlling system. Komponen tersebut berfungsi untuk memberikan feedback dan menyesuaikannya dengan temperatur fluida yang kita inginkan. Berikut adalah perkiraan flowchart dari system

Soal Three Tank

Tampilan pada ilustrasi diatas muncul setelah kita memilih fitur example ThreeTank. Tiga tangki yang muncul adalah gambaran dimana terjadi pergerakan fluida diantara ketiga tangki tersebut. Terdapat 3 tangki berisi air dimana masing-masing tangki memiliki tinggi 12. Pada tank 1 mempunyai ketinggian awal air sebesar 8, sedangkan pada tank2 dan tank3 mempunyai ketinggian awal air sebesar 3. Setiap tangki terhubung satu sama lain menggunakan 3 buah pipa yang masing-masing menyambung pada port setiap tangki.Sebagai akibatnya, akan terjadi aliran fluida dari tempat bertekanan tinggi ke tempat bertekanan rendah. Ketinggian fluida dalam tangki juga dapat di-adjust sesuai dengan yang dikehendaki melalui fitur Parameter.

2. Prosedur analisis pemodelan

Heating System

Pada heating system, Prosedur-prosedur yang harus dipenuhi untuk melakukan analisis openModelica adalah tentunya besaran-besaran yang masuk dan keluar pada sistem seperti Tekanan,kecepatan,suhu dari fluida. Besaran-besaran ini dapat diperoleh dari perhitungan baik teoritikal maupun eksperimental dari sistem yang dianalisis. Pada alat pompa misalnya, kita dapat mengetahui tekanan dari output pompa dari deskripsi daya pompa dan kecepatan fluida masuk. Dari perhitungan-perhitungan teoritikal inilah kita bisa mendapatkan data-data yang diperlukan. Untuk data-data seperti suhu fluida diperoleh dari alat ukur suhu yaitu termokopel yang dipasang pada pipa. Hal lain yang harus diperhatikan adalah satuan yang digunakan. Pada alat ukur biasanya tertera satuan yang bukan satuan SI dimana pada perhitungan teoritis kita harus mengonversinya terlebih dahulu.

Three Tank

Simulasi ThreeTank tidak jauh berbeda dengan heating system. Soal ini erat kaitannya dengan tekanan hidrostatis dan hukum-hukum mekanika fluida yang dapat dihitung menggunakan pendekatan teoritis. Selain itu yang harus diperhatikan adalah Losses yang disebabkan oleh Pipa-pipa pada sistem. CFD dapat mempermudah kita untuk mencari losses tersebut berdasarkan parameter-parameter yang ada.Hal ini disebabkan karena CFD memudahkan kita jika ingin mengubah parameter-parameter yang ada serta melihat perubahan output dari perubahan parameter tersebut.

3. Analisa dan interpretasi hasil pemodelan

Heating System

Sebagaimana tergambar di atas simulasi ini merupakan aliran yang berawal dari sebuah tank yang berada di tempat tertinggi dari sistem, kemudian dipompa menuju section selanjutnya, yaitu burner. Pada proses tersebut, sudah terjadi fungsi controlling melalui dua sensor yang sudah dipasang, yakni sensor massa dan sensor suhu. Kemudian aliran fluida tetap mengalir melalui pipa yang dapat ditentukan aspek-aspeknya dengan Parameter.

Berikutnya, fluida masuk melalui valve (katup) yang dapat dibuka-tutup. Fluida terus mengalir untuk kemudian didinginkan dengan radiator yang memanfaatkan temperatur ambien. Suhu yang dihasilkan juga harus melalui sensor yang ada untuk mengontrol suhu yang diinginkan. Proses yang terjadi ini memungkinkan proses Heating System dapat memenuhi temperatur fluida yang diinginkan.

Ketika model dijalankan, Hasil tidak dapat ditampilkan karena terjadi error pada codingan.

Three Tank

Ketinggian paling tinggi terdapat pada tank1 dimana ketinggian awal air sebesar 8. Karena sifat fluida yang selalu mengisi ruang, air pada tank1 akan mengalir ke tank2 dan ke tank3. Ketinggian air pada tank2 akan menurun juga karena mengisi tank3, namun akan naik Kembali terisi air dari tank1 sampai terjadi kesetimbangan volume pada sistem tersebut. Interpretasi Hasil dari percobaan adalah berupa grafik kecepatan yang menurun dari tanki yang memiliki ketinggian yang lebih tinggi karena ketika kemudian tangki yang rendah terisi dan mencapai head level yang sama, maka fluida tersebut akan diam dan tidak memiliki kecepatan pada ketiga tangki

4.Catatan konsep hukum utama fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

Heating System Terdapat cukup banyak konsep pada heating system pada ilustrasi diatas. Beberapa diantaranya adalah konsep Pompa sentrifugal,Pressure Drop,serta Perpindahan padas secara konveksi

1.Head Pompa

Pada rumus diatas dapat disimpulkan bahwa Tekanan yang dihasilkan oleh pompa bergantung pada tekanan awal serta kecepatan awal fluida yang masuk pada pompa. Selain itu, Daya dari pompa juga akan berpengaruh terhadap kenaikan energi dari fluida tersebut.

2.Pressure Drop

Mayor Losses

Pada mayor losses, fluida berkurang tekanannya disebabkan oleh gesekan fluida dengan dinding pipa sepanjang L. Besaran yang berpengaruh terhadap besarnya mayor losses adalah Re serta f(faktor gesekan) pada fluida yang mengalir

Mayor Losses

Pada minor losses, fluida berkurang tekanannya disebabkan oleh fitting/belokan yang ada pada sistem perpipaan. Untuk mengurangi minor losses bisa dengan meminimalisir banyaknya fitting pada sistem perpipaan atau dengan memilih bahan fitting yang memiliki koefisien gesekan yang rendah

3.Konveksi

Konveksi terjadi pada burner yang berfungsi untuk menaikkan suhu dari fluida. Konveksi sangat bergantung pada h(koefisien perpindahan kalor konveksi). Selain itu, Perpindahan panas secara konveksi dipengaruhi oleh Re (Reynolds Number) dari fluida perantara panas. Semakin besar Re fluida ,maka akan semakin cepat juga kalor yang berpindah persatuan waktu (Heat Rate).

Three Tank

Pada Kasus untuk three tank, konsep yang dapat membuktikan bahwa Energi pada fluida bergantung pada Tekanan,Kecepatan serta Head nya adalah Hukum Bernoulli

Pada hukum bernoulli diatas, dapat disimpulkan bahwa ketika tangki yang memiliki tekanan serta kecepatan awal yang sama namun memiliki head level yang berbeda, maka yang memiliki energi paling tinggi adalah tangki dengan ketinggian yang paling tinggi. Oleh karena itulah fluida mengalir dari tangki yang tinggi ke tangki yang lebih rendah. Ketika kemudian pada suatu waktu head level dari ketiga tangki itu sama , maka fluida akan diam dengan tekanan tertentu.

5.Berikan hasil-hasil simulasi parameter untuk mendukung kesimpulan yang diperoleh

HbFlow Tangki

Level Tangki

Hasil di atas adalah tampilan hasil untuk parameter ketinggian fluida pada tangki (penampungan), dimana level Tank1 dan Tank2 adalah 3,6667 meter dan Tank3 sebesar 6.6667 meter

Pertemuan 4 : 3 Desember 2020

Pada pertemuan kali ini,Kami diajarkan oleh pak Haryo untuk membuat sebuah sistem fluida yaitu berupa 2 tangki yang dihubungkan oleh valve serta memasukkan parameter-parameter yang kita inginkan. Pada akhir sesi kelas, pak Haryo memberikan kepada kami tugas yaitu menganalisa sebuah model Combined Cycle Power Plant yang ada di dalam Library ThermoSysPro 3.2 seperti berikut:

Soal tugas 4 :

Jawaban tugas 4:

1. Bagaimanakah analisa termodinamika (konservasi massa dan energi) pada sistem tersebut, buat skematik analisisnya.

Dalam sistem di atas, model digunakan untuk mesimulasikan beban reduksi langkah power generator dari 100% menjadi 50% dalam jangka waktu 2500 detik. Secara sederhana, berikut adalah process flow diagram dari sebuah Combined Cycle Power Plant:

Cara Kerja:

1. Gas Turbin membakar bahan bakar

• Gas Turbine memampatkan udara dan mencampurkan dengan bahan bakar yang dipanaskan hingga suhu sangat tinggi. Lalu campuran bahan bakar bergerak melewati bilah-bilah turbin gas yang menyebabkan turbin berputar.

• Gas Turbine yang berputar dengan cepat menggerakkan generator yang mengubah sebagian energi kinetik tersebut menjadi energi listrik

2. Heat Recovery Steam Generator menangkap gas buangan

• HRSG menangkap gas buangan dari Gas Turbine yang jika tidak dipasang, dapat keluar melalui saluran pembuangan

• HRSG membuat steam dari buangan panas Gas Turbine dan mengantarkannya ke Steam Turbine

3. Steam Turbine mengantarkan listrik tambahan

• Aliran steam ini kemudian melewati Steam Turbine, sehingga membuat Steam Turbine berputar dan menggerakkan generator drive shaft. Generator drive shaft ini kemudian mengubah sisa energi buangan dari Gas Turbine menjadi listrik.

Di bagian Gas Turbine kita mengaplikasikan siklus braytone dan pada Steam turbine kita mengaplikasikan siklus rankine.

Siklus Rankine

Siklus Bryton

2.Terdapat 2 bagian utama yang terdiri dari masing-masing komponen, yaitu bagian Steam Generator (HRSG) dan Gas Turbine

Bagian 1: HRSG (Steam generator)

Condenser: Untuk mengkondensasikan uap hasil pembuangan ekstraksi turbin menjadi titik-titik air (air kondensat)

Drum: Tempat penampungan air panas dan tempat terbentuknya uap

Generator: Pembangkit listrik dengan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik

Superheater Heat Exchanger: untuk memanaskan uap jenuh yang keluar dari steam drum, dengan memanfaatkan gas panas hasil pembakaran

Evaporator Heat Exchanger

Economiser Heat Exchanger

Pipe

Pump: untuk menggerakan fluida dengan menaikkan tekanan pada fluida

Steam Turbine: Stodola Turbine: mengubah energi potensial uap menjadi energi kinetik dan selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin

Control Valve: Mengontrol laju aliran fluida

Water Mixer

Water Mixer

Water Splitter

Water Splitter

Bagian 2: Gas Turbine

Rangkaian Gas Turbine

Compressor

Gas Turbine: untuk mengubah energi dari tekanan pada suatu fluida menjadi energi kinetik yang nantinya digunakan untuk memutar generator.

Combustion Chamber: Ruang pembakaran/bertemunya bahan bakar dan udara untuk menghasilkan energi panas

Combustion Chamber

Combustion Chamber

3. Medium fluida kerja apa saja yang terjadi dalam proses siklus tersebut, dan bagaimanakah proses analisis perhitungan dalam pemodelan.

Medium fluida kerja yang terjadi dalam siklus tersebut adalah Turbin Gas,Turbin Uap,Kompressor dan pompa. dimana turbin gas dan turbin uap menghasilkan kerja dan pompa serta kompresor membutuhkan kerja. kerja atau energi yang dihasilkan turbin jauh lebih besar dibandingkan kompresor atau pompa.

Proses analisis dan perhitungan energinya menggunakan konservasi massa dan energi. perhitunganya dilakukan oleh modelica dengan sistem dan parameter yang sudah diinput. kebanyakan proses terjadi adiabatic dimana tidak ada kalor yang keluar ataupun masuk dari sistem dan lingkungan.

4. Jelaskan flow line (jalur koneksi) masing-masing yang diberi warna hitam, merah, dan biru sesuai dengan interkoneksi yang diberikan dalam diagram tersebut.

1. Jalur hitam : jalur aliran gas pada sistem, contohnya turbin ke kompressor.

2. jalur merah : jalur aliran udara bertemperatur tinggi. buangan dari gas turbin dan HRSG

3. Jalur biru : jalur aliran udara bertemperatur rendah. udara yang masuk ke kondenser