Valve Khairul Hasibullah

Assalamualaikum punteen teman-teman dan Pak Dai, izinkan saya memperkenalkan diri

Nama saya Khairul Hasibullah dari Teknik Mesin angkatan 2018. Tahun ini saya mengambil Mata kuliah Sistem Fluida

Pertemuan 2

Assalamu'alaikum wr.wb.

Pada pertemuan kedua ini Pak Dai mengajak mahasiswa untuk membahas tentang definisi Sistem Fluida. Di pertemuan ini juga dibahas mengenai diskusi sistem fluida lebih lanjut. Pak Dai menjelaskan mulai dari segitiga kecepatan, dimana dapat mengetahui head dan debit dari fluida. Segitiga kecepatan terdapat pada sudu turbin sebagai contohnya pada hub dan tip pada sudu turbin.

Tugas 2 Sistem Fluida:

Setelah kelas, pak Dai memberikan kami tugas untuk mempelajari examples dari library modelica yang ada pada software OpenModelica. Salah satu yang saya pelajari dari example tersebut adalah sistem 3 tangki dengan volume air yang berbeda-beda. Sistem ini menjelaskan bahwa terdapat 3 tangki dengan initial volume yang berbeda-beda. kemudian seiring berjalannya waktu, fluida akan berpindah dari tangki yang fluidanya banyak ke tangki yang fluidanya sedikit. Setelah beberapa waktu, sistem tersebut akan mencapai titik setimbang.

Berikut adalah model 3 tangki dari examples tersebut:

setelah mengecek model dan melakukan simulasi, saya melakukan plot volume tiap tangki terhadap hasil simulasi tersebut. berikut adalah hasil dari simulasi tersebut:

Pertemuan 3

PR yang diberikan oleh Pak Hariyotejo setelah pertemuan ketiga adalah melakukan analisa pemodelan sistem fluida yaitu berupa heating system dan three tanks dengan menggunakan open modelica.

Dari kedua sistem tersebut isi dari analisa pemodelan nya sebagai berikut :

1. Deskripsi/uraian fisik berdasarkan bagan yang ada

2. Prosedur analisa pemodelan

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan

4. Catatan konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

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

A. Heating System

1. Deskripsi Sistem ini membahas tentang sistem pemanas dengan aliran tertutup. Fluida pada tangki akan terbuka katupnya, dengan tekanan nya yang lebih rendah akan dihisap oleh pompa, selanjutnya fluida akan di teruskan ke heater/pemanas. Setelah fluida sudah mencapai heater terjadi perpindahan panas secara konveksi yang kemudian suhu fluida diukur dengan menggunakan sensor suhu. Setelah waktu yang ditentukan, handle pada valve akan terbuka sepenuhnya sehingga fluida dapat mengalir ke pipa selanjutnya. Pada pipa ini terjadi perpindahan panas secara konveksi dari fluida yang ada dilingkungan ke permukaan dinding serta perpindahan panas secara konduksi antara dinding pipa dengan pipa. Setelah terjadi perpindahan panas tersebut suhu fluida pipa akan dihitung kembali oleh sensor suhu dan kemudian dialirkan ke tangki lagi.

2. Prosedur analisa pemodelan Dalam melakukan pemodelan heating system ini, ada beberapa langkah yang dapat dilakukan:

- Membuka class baru pada aplikasi open modelica - membuka file example, yaitu langkah-langkah nya(file --> fluid --> example --> heating system) - mengatur parameter-paramter yang ada seperti rentang waktu yang diperlukan untuk membuka katup, perbedaan temperatur yang terjadi, konveksi&

 konduksi yang terjadi

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan

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 (pembakar). Pada proses tersebut, sudah terjadi fungsi controlling melalui dua sensor yang sudah dipasang, yakni sensor massa (m_sensor) dan sensor suhu (T_sensor). 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 HeatingSystem dapat memenuhi temperatur fluida yang diinginkan.

4. Hukum utama fisika yang digunakan

hukum fisika yang digunakan -konservasi massa, dimana pada setiap pipa debit yang mengalir tetap yang dirumuskan dari

dm/dt=0 , sehingga rumus yang sering kita kenal adalah A1v1 = A2v2

- konservasi energi, dikarenakan adanya perbedaan ketinggian dari tangki ke pipa dibawahnya terjadi perbedaan level dan juga terjadi perbedaan tekanan. selanjutnya konservasi energi pada pompa mengubah energi mekanik pada motor diubah menjadi energi pada aliran fluida. Energi yang diterima oleh fluida akan digunakan untuk menaikkan tekanan dan mengatasi gesekan pada pipa dan fitting yang terdapat pada sistem yang dilalui.

- hukum perpindahan panas

terjadi pada aliran fluida dari pompa masuk ke heater yang terjadi secara konveksi. Lalu juga terjadi ketika fluida masuk ke pipa tanpa pemanas terjadi perpindahan panas dari lingkungan ke permukaan pipa secara konveksi dan permukaan pipa ke dalam dinding pipa secara konduksi

5. Hasil simulasi

Hasil simulasi error

B. ThreeTank

1. Deskripsi Sistem diatas adalah sistem yang mendemonstrasikan penggunaan 3 buah tangki yang memiliki ukuran yang sama, posisi ketinggian dan tinggi air didalam tangki yang berbeda. Sistem ini bertujuan untuk membuat level ketinggian permukaan air dari ketiga tangki sama jika ditinjau dari 1 referensi. Parameter-parameter pada sistem heating system ini adalah sebagai berikut :

Tangki 1

-Ketinggian Tangki = 12 m

-Cross Area = 1 m^2

-Level Start = 8 m

Tangki 2

-Ketinggian Tangki = 12 m

-Cross Area = 1 m^2

-Level Start = 3 m

Tangki 3

-Ketinggian Tangki = height = 12 m

-Cross Area = 1 m^2

-Level Start = 3 m

Pipe1

-Panjang pipa = 2 m

-ketinggian port_b – ketinggian port_a = height_ab = 2 m

-Diameter pipa = 0.1 m

Pipe2

-Panjang pipa = length = 2 m

-ketinggian port_b – ketinggian port_a = height_ab = 2 m

-Diameter pipa = 0.1 m

Pipe3

• Panjang pipaa = length 2 m

• ketinggian port_b – ketinggian port_a = height_ab = -1 m

• Diameter pipa = 0.1 m

2. Prosedur analisa pemodelan

- Membuka class baru pada aplikasi open modelica - membuka file example, yaitu langkah-langkah nya(file --> fluid --> example --> Tanks --> Three Tanks) - mengatur parameter-paramter yang ada seperti pada komponen tank 1 ketinggian berapa, tank 2 ketinggian berapa, panjang pipa 1,2 berapa, lalu mengatur waktu simulasi berjalan berapa lama

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan Dengan melakukan Simulate pada aplikasi OpenModelica, kita akan mendapatkan besaran-besaran dari variabel terikatnya. parameter yang sudah ada sebelumnya tidak saya ganti, yakni dengan ketinggian Tank1 8 m, Tank2 3 m, dan Tank3 3 m serta panjang pipa Tank3 lebih pendek dari kedua tangki yang lain. Apa yang akan menjadi pengamatan di sini adalah terjadinya proses aliran fluida, serta ditinjau juga bagaimana fluida jika mengalir dari ketinggian berbeda dan jika fluida mengalir dari ketinggian yang sama dengan ketinggan tangki yang berbeda. Tentunya kedua perbedaan itu memberikan hasil yang berbeda. Hasil pun menunjukkan volume akhir pada Tank2 dan Tank3 berbeda.

4. Hukum fisika yang digunakan

-Hukum fisika yang dapat diterapkan pada pemodelan tersebut adalah persamaan continuitas dan asas bernoulli. Dimana persamaan continuitas bisa kita gunakan untuk menghitung waktu yang dibutuhkan agar ketiga tangki tersebut dalam kondisi setimbang, dan asas bernoulli digunakan untuk menentukan ketinggian permukaan air pada ketiga tangki tersebut pada kondisi tekanan, massa jenis, dan kecepatan aliran yang sama.

5. Hasil simulasi

Pertemuan 4

Pada pertemuan ke 4, diakhir kelas kami ditunjukan mengenai siklus kombinasi pembangkit daya. dan kami mendapat tugas sebagai berikut

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

A.Turbin gas Sistematika turbin gas dijelaskan secara termodinamika oleh Siklus Brayton yang diawali dari masuknya udara dari luar yang dihisap oleh kompresor selanjutnya udara dikompresi secara isentropic masuk ruang combustion chamber. Pada ruang combustion chamber terjadi pada tekanan konstan lalu bahan bakar dan udara bergabung menjadi campuran yang menghasilkan udara panas lalu dialirkan ke turbin yang ditandai dengan kenaikan suhu dan naiknya tekanan. Di turbin berfungsi untuk memutar generator yang berasal dari energi yang dihasilkan oleh combustion chamber. B. Turbin Uap Hasil energi listrik pada generator dan udara panas akan diteruskan ke HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang merupakan alat untuk meneruskan udara panas untuk menggerakkan turbin multi stage. Siklus di Turbin Uap Udara panas pada HRSG diteruskan ke turbin multi stage untuk menggerakkan turbin. Turbin bergerak untuk menghasilkan energi listrik di generator. Uap panas yang ada kemudian akan ditransfer menuju kondensor untuk diubah fasanya menjadi liquid kemudian liquid tersebut akan dipompa lagi untuk melakukan siklus yang sama di HRSG.

2. Lakukan identifikasi komponen-komponen utama pada sistem serta berilah deskripsi fungsi kerjanya dalam sistem dan penjelasan analisis parameter yang digunakan.

A. Turbin Gas

Turbin dapat berputar karena adanya konversi energi panas dari combustion chamber yang diubah menjadi energi mekanik.Pada parameter turbin gas dapat dilihat pada gambar dibawah dengan efisiensi kompressor 87% dan efisiensi daya yang dihasilkan turbin minimal 89%

B. Turbin Uap

Pada pemodelan ini terdapat 3 jenis turbin uap yaitu ada turbin turbin HP(high pressure), MP(Medium Pressure), dan LP(Low Pressure) dengan Pressure Inlet secara berturut2: 12431000 Pa, 2548500 Pa, dan 476799 Pa serta Pressure Outlet secara berturut 2726700 Pa, 476800 Pa , 10053 Pa

C. kondenser

Uap panas dari LP diteruskan ke condenser/cooling tower dimana nantinya uap panas akan didinginkan menjadi liquid.

D. Generator

Pada generator menghasilkan efisiensi sebesar 99.8 % energi listrik yang dihasilkan

E. Pipa

Pada pipa yang saya gunakan adalah pipa yang menjadi penghubung dari kondesor dengan turbin MP dimana debit yang mengalir nya sama sebesar 150 kg/s sedangkan untuk fluida yang mengalir pada pipa ini memiliki rata2 tekanan sebesar 2734000 Pa

F. Valve

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

Medium fluida kerja yang bekerja dalam proses tersebut sebagian besar adalah Mesin Fluida, yaitu:

Turbin Gas (Menghasilkan kerja) Turbin Uap (Menghasilkan kerja) Pompa Sentrifugal (Membutuhkan kerja) Kompresor (Membutuhkan kerja) Pada Analisa perhitungannya menggunakan hukum konservasi energi dan konservasi massa. Pada kompresor,pompa,turbin dan HRSG mengalami proses adiabatic,yang dimana proses adiabatic adalah proses yang tidak terjadi pergantian kalor dari sistem kelingkungan ataupun sebaliknya. Pada Proses ini diasumsikan kondisi steady state dan energi kinetic potensial diabaikan.

4. Jelaskan flow line (jalur koneksi) masing-masing yang diberi warna hitam, merah, dan biru sesuai dengan interkoneksi yang diberikan dalam diagram tersebut. - Jalur hitam Jalur hitam pada sistem terdapat setelah turbin ke generator. memiliki arti mentransfer kerja atau energi ke generator. Sedangkan garis hitam tebal merupakan jalur buangan gas yang ujungnya gas akan dilepas ke lingkungan dengan temperatur rendah. -Jalur Merah Jalur merah menunjukan alur fluida yang memiliki tekanan tinggi dan temperatur tinggi. Biasanya buangan dari gas turbine dan aliran fluida di HRSG. -Jalur Biru Jalur biru menunjukan alur fluida tekanan rendah dan temperatur rendah. Terdapat pada kondensor yang akan mengirimkan fluida ke drum pada HRSG.

Tugas Besar

Analisis Pengaruh Head fluida terhadap daya pembangkit tenaga listrik mikro hidro menggunakan turbin impuls

Pendahuluan

---

Kebutuhan akan listrik menjadi kebutuhan primer di zaman sekarang, dimana aktivitas-aktivitas di rumah banyak menggunakan listrik sebagai energi input nya. Selain aktivitas-aktivitas di rumah, pada perusahaan industri masih sangat bergantung pada pemanfaatan energi listrik sebagai sumber energi yang digunakan. Oleh karena meningkatnya kebutuhan listrik, maka proses penyediaan sumber tenaga listrik yang umumnya berasal dari minyak bumi , fosil, batu bara, dan gas bumi yang akan digunakan sebagai bahan bakar dari sumber tenaga listrik akan dihasilkan dalam jumlah yang terbatas dan suatu saat akan habis dan harganya akan selalu naik. Banyak daerah – daerah yang belum dapat menikmati listrik, terutama daerah – daerah terpencil. Untuk itu Perusahaan Listrik Negara ( PLN) untuk menyuplai listrik ke daerah – daerah terpencil cukup sulit baik dari segi ekonomis maupun teknis di lapangan karena membutuhkan biaya yang cukup besar sehingga distribusinya tidak sampai ke daerah – daerah terpencil. Maka salah satu cara mengatasi masalah ini adalah pembangkit listrik tenaga Mikro Hidro dengan memanfaatkan energi potensial dari air.

Tujuan

---

Pada Tugas besar ini saya ingin mencoba melakukan analisis penyediaan sumber tenaga listrik menggunakan pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan daya yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga uap yang masih menggunakan bahan bakar fosil. Selain itu juga pada tugas ini saya ingin melakukan penelitian terhadap pengaruhnya ketinggian fluida(head) terhadap daya yang dapat dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga mikro hidro serta pressure drop yang terjadi dari masuknya fluida hingga ke output.

Dasar Teori

Micro Hydro-Electric Energy Generation- An Overview (S. O. Anaza, M. S. Abdulazeez, Y. A. Yisah, Y. O. Yusuf, B. U. Salawu, S. U. Momoh, 2017) dalam penelitiannya membuat review tentang pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Review dilakukan terkait dengan komponen komponen dasar yang dibutuhkan untuk membuat pembangkit listrik tenaga mikrohidro seperti generator dan turbin serta kemungkinan konversinya. Penelitian ini juga membahas tentang estimasi energi potensial dari aliran air serta pembatasannya untuk membuat pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Design and Construction of Mini Hydropower Plantwith Propeller Turbine (Shpetim Lajqi, Naser Lajqi, Beqir Hamidi, 2016) dalam penelitiannya membuat pembangkit listrik skala mini dengan menggunakan turbin propeller yang mana turbin ini merupakan turbin dengan struktur sederhana dan mudah dibuat. parameter utama dalam perancangan pembangkit mini bertenaga air ini adalah debit air, kecepatan turbin dan piranti keluar air sebagai penggerak utama. Dalam perancangannya, terdapat beberapa parameter yang digunakan sebagai acuan diantaranya adalah daya turbin, diameter pipa air sebagai penggerak turbin, dan kecepatan turbin.

1.Mikrohidro

Pembangkit Listrik Mikrohidro atau dikenal sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) merupakan suatu sistem pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan ketinggian dan debit air. PLTMH secara teknis terdiri dari tiga komponen utama yaitu : Air sebagai sumber energi. Turbin (pengubah energi potensial menjadi energi gerak / mekanis). Generator (pengubah energi mekanis menjadi energi listrik). Prinsip dasar mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari tempat instalasi pembangkit listrik. Sebuah skema mikrohidro membutuhkan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan. Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Prinsip dasar kerja Micro Hydro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari tempat instalasi pembangkit listrik. Air yang sudah tertampung di dalam tangki penampung (reservoir tak) yang diletakan pada ketinggian tertentu mengalir melalui pipa pesat sampai pada nozzle. air yang keluar pada nozzle saluran airnya diperkecil dengan meruba penampang nozzle sehingga air yang keluar memiliki tekanan yang tinggi, membentur sudu turbin dan meruba energi potensial air menjadi energi mekanik pada poros turbin dan dari energi mekanik poros turbin diubah oleh poros generator menjadi energi listrik.

2.Turbin Pelton

Turbin merupakan bagian penting dari sistem mikrohidro yang menerima energi potensial dari air dan mengubahnya menjadi energi putaran (mekanik). kemudian energi mekanik ini akan memutar sumbu turbin pada generator. Terdapat beberapa jenis turbin menurut teknologinya, diantaranya turbin pelton. Turbin pelton merupakan turbin impuls, turbin pelton terdiri dari satu set sudut jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Adapun rumus-rumus yang digunakan pada perancangan turbin pelton ini adalah sebagai berikut :

a.Perhitungan Daya yang Dihasilkan Turbin Dari kapasitas air dan tinggi air jatuh dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin yaitu sebagai berikut :

Dengan : P = Daya yang dihasilkan turbin ( W ) ρ = Massa jenis air ( Kg/m3 ) g = Percepatan gravitasi ( m/s2 ) V = Debit air (m3/s ) H = Tinggi air jatuh ( m ) ηT = Randemen turbin

b.Perhitungan Pancar Air Pada turbin tekanan sama (turbin impuls) agar mendapatkan randemen yang baik harus mempunyai hubungan antara kecepatan pancar air (c1) dan kecepatan tangensial (u). Berikut diagram kecepatan yang terjadi pada turbin pelton

Kecepatan pancar air (c1)

Kecepatan tangensial (u)

3.Generator

Generator dalam bentuknya yang sederhana sebuah generator listrik terdiri atas magnet dan kumparan. Bilamana terdapat gerakan relatif antara kedua komponen maka garis - garis gaya magnet memotong belitan - belitan kumparan dan gaya gerak listrik (ggl) akan dibangkitkan. Sebuah generator listrik atau alternator modern terdiri atas sistem elektromagnet dan armatur yang terdiri atas sejumlah kumparan dari konduktor berisolasi yang diletakkan dalam alur (slot) inti besi berlaminasi. Prinsip kerja generator berdasarkan hukum induksi Faraday yang menyatakan bahwa sebuah magnet yang digerakan dengan cepat melalui suatu konduktor belitan, akan menginduksikan tegangan ke belitan itu, yang besarnya sama dengan kecepatan magnet itu. Bilamana belitan itu merupakan rangkaian tertutup, tegangan induksi itu akan menyebabkan mengalirnya arus listrik. Arah arus listrik itu akan sedemikian rupa, sehingga akan menghasilkan gaya, yang akan berlawanan dengan arah gerakan semula. Hukum Faraday dapat dinyatakan dengan :

Tegangan GGL induksi yang dibangkitan bergantung pada : 1. Jumlah dari lilitan dalam kumparan. 2. Kuat medan magnetik semakin kuat medan semakin besar tegangan yang diinduksikan. 3. Kecepatan dari generator itu sendiri.

4. Pipa pesat

Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang terbuat dari fiberglass atau plastik penstock. Fungsinya adalah untuk mengalirkan air dari reservoir menuju turbin. Pipa pesat mempunyai posisi kemiringan yang tajam dengan maksud agar diperoleh kecepatan dan tekanan air yang tinggi untuk memutar turbin. Konstruksinya harus diperhitungkan agar dapat menerima tekanan besar yang timbul termasuk tekanan dari pukulan air. Pipa pesat (Penstock) sebagai saluran yang ditempatkan berdasarkan perbedaan ketinggian input dan out put atau elevasi yang terhubung langsung dengan turbin dimana pada output pipa penstock dipasang nozel untuk menambah tekanan air jatuh. Pipa pesat (penstock) adalah saluran yang digunakan untuk mengalirkan air dari sumber air atau dari reservoir ke rumah turbin. Pada pipa pesat terjadi nya head losses akibat adanya gesekan antara dinding pipa dan fluida. Head losses yang terjadi ada dua jenis yaiutu major losses dan minor losses. Major head loss disebabkan oleh gesekan antara fludia yang mengalir dengan dinding pipa dan minor head loss disebabkan oleh beberapa hal antara lain, aliran masuk fluida ke dalam pipa (inlet), aliran keluar fluida dari pipa (outlet), sambungan pipa/ fitting atau sambungan pipa tanpa fitting/ butt fusion, dan yang terakhir katup/ valve. Perumusan untuk Major Head losses adalah sebagai berikut:

dengan :

hf = head loss mayor (m)

f = koefisien gesekan

L = panjang pipa (m)

D = diameter dalam pipa (m)

v = kecepatan aliran dalam pipa (m/s)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

untuk nilai f nya dibedakan menjadi 2 yaitu: -untuk laminar perumusannya f= 64/Re -untuk turbulen ada yang menggunakan rumus penurunan dari colebrook

dan juga menggunakan moody diagram

perumusan untuk minor losses sebagai berikut: