Valve-Ahmad Mohammad Fahmi

BIODATA

---

Ahmad Mohammad Fahmi

Nama  : Ahmad Mohammad Fahmi

NPM  : 1806181836

Kelas : Sistem Fluida - 03

PERTEMUAN 1

---

Pada pertemuan ini, kami diajarkan tentang karakteristik aliran pada valve dan menghitung pressure drop yang terjadi.

Fungsi dari valve sendiri antara lain adalah untuk:

1. Membuka atau menutup aliran

2. Mengatur jumlah aliran

3. Menghindari 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 mesimulasikan aliran pada valve:

Simulasi Pressure Drop pada Gate Valve

---

Proses simulasi dibagi menjadi dua tahap, yaitu tahap Set Up menggunakan software CFDSOF untuk menentukan geometri yang digunakan serta data-data fluida yang mengalir dan selanjutnya adalah tahap Post Processing menggunakan software Paraview untuk melakukan perhitungan pada hasil simulasi simulasi CFDSOF. Berikut adalah proses yang dilakukan pada masing-masing tahap:

TAHAP SET UP

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. Terdapat beberapa pilihan yaitu inlet, outlet, wall, symmetry, dan empty. Inlet dan outlet untuk sisi masuk dan keluar fluida, wall untuk permukaan kotak, dan empty jika tidak ingin dianalisis.
   
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.
   
9. Kemudian muncul tab turbulance. Pada tab itu pilih turbulance model sst-kω.
   
10. Atur fluid properties.
    
11. Pada boundary condition, inlet dengan tipe velocity inlet sebesar 1 m/s, outlet dengan tipe outflow, dan yang lain stationary wall.
    
    
12. Pada tab CFD-solve, run dengan 3000 iterasi/perhitungan.
    
13. Tunggu hingga konvergen dan selesai.

POST PROCESSING

1. Pada tab post-processing, masuk ke software paraview.
   
2. Apply model sehingga terlihat valvenya. Pastikan ada variabel tekanan, kecepatan, dan turbulen.
   
3. Kecepatan pada paraview merupakan kecepatan kinematik, yaitu kecepatan statik dibagi rho. Kita harus menghitung tekanan statik melalui kalkulator. pstatic=p.1.225.
   
4. Buka kalkulator lagi untuk menghitung magnitude kecepatan untuk mencari p dinamik. magU=sqrt(U_X^2+U_Y^2+U_Z^2).
   
5. Hitung p dinamik. pdynamic=0.5*1.225*magU^2
   
6. Kemudian hitung p total dan klik apply. ptotal=pstatic+pdynamic
   
7. Lalu kita ekstrak surface yang diinginkan, yaitu inlet dan outlet dengan cara filters->alphabetical->extract block->pilih inlet1 dan outlet1
   
8. Kita lihat p total inlet dan outlet dengan integrate variable
   
9. Terakhir, kita menghitung pressure drop dengan cara dp = ptotal inlet- ptotal outlet dengan satuan Pascal.
   

PERTEMUAN 2

---

Pada pertemuan ini, Pak Dai menjelaskan tentang segitiga kecepatan yang terdapat pada sebuah sistem fluida. Segitiga kecepatan pada sebuah sistem fluida merupakan sebuah segitiga yang menunjukkan arah dari komponen vektor-vektor kecepatan yang terdapat pada sebuah sistem fluida. Kemudian Pak Dai menjelaskan tentang pengertian dari sistem fluida. Sistem fluida sendiri merupakan sebuah perpaduan atau gabungan dari komponen-komponen atau sub-sistem fluida yang saling bekerja sama untuk mencapai sebuah tujuan yang sama.

Setelah memahami tentang sistem fluida, kami diberikan penjelasan oleh bang Edo mengenai apa gunanya CFD dalam membantu kita untuk mempelajari ataupun menyelesaikan masalah yang berhubungan dengan fluida. Guna CFD adalah untuk memvalidasi dan mengevaluasi hasil perhitungan secara teoritis, terutama untuk perhitungan2 yang kompleks. Selain itu, CFD ini juga dapat mempermudah kita untuk memvisualisasikan bagaimana bentuk aliran yang terjadi dalam sebuah sistem.

Setelah itu, Pak Dai menjelaskan 3 metode analisa sistem fluida:

1. Eksperimen=> hasilnya aktual, tapi memerlukan banyak resources.
2. Teori=> untuk memverifikasi data perhitungan dalam kondisi ideal, karena eksperimen ada kesalahan data.
3. Numerik atau CFD => alternatif untuk perhitungan sistem yang kompleks dapat dilakukan dengan CFD.

Ketiga metode tersebut saling melengkapi, maka dari itu kita harus mengenal ketiga metode ini untuk menyelesaikan masalah terkait sistem fluida.

Pak Dai juga menjelaskan perbedaan antara turbin impuls dan turbin reaksi yang mana, turbin impuls mengubah energi fluida dalam bentuk tekanan dengan mengubah arah aliran fluida ketika terkena bilah rotor. Turbin ini memanfaatkan head yang tinggi, dedesain berbentuk mangkuk agar terjadi perubahan momentum. Sedangkan turbin reaksi mengubah energi fluida dengan reaksi pada bilah rotor, ketika fluida mengalami perubahan momentum. Tekanan di bagian atas kecil sementara tekanan bagian bawah besar sehingga ada gaya lengan atau torsi.

Kemudian, Pak Dai menjelaskan bahwa selain menggunakan sofware CFD, kita juga dapat menggunakan sofware modelica untuk mempermudah proses perhitungan dan belajar sistem fluida. Pak Dai memberikan salah satu contoh simulasi perhitungan yang ada di modelica, yaitu simulasi 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

---

Pada tugas ini, saya coba mempelajari simulasi pada contoh sistem three tanks seperti gambar di bawah.

Blok system menunjukkan kondisi lingkungan pada sistem ini, tank menunjukkan tangki air, dan pipe sebagai pipa.

Berikut adalah parameter dari masing-masing bagian:

• Tank 1:

• Tank 2:

• Tank 3:

• Pipe 1-2:

• Pipe 3:

Berikut adalah hasil simulasinya berupa grafik volume terhadap waktu:

File yang saya gunakan dapat diunduh di link berikut:

https://drive.google.com/file/d/1hWHQnD7oXFDVKf5TyiXLdoSSzu36Um7X/view?usp=sharing

Pertemuan 3

---

Pada pertemuan ini, Pak Dai membahas tentang permodelan sistem fluida. Permodelan sistem fluida merupakan sebuah usaha yang digunakan untuk mempermudah atau menyederhanakan sebuah sistem fluida real untuk mempermudah kita menganalisis sistem tersebut. Dalam sebuah permodelan tidak mungkin bisa merepresentasikan dengan sempurna sebuah sistem real, namun permodelan ini dapat mempermudah kita untuk memvariasikan komponen-komponen dari sebuah sistem fluida.

Pendekatan dalam pembuatan permodelan:

• Pendekatan secara fisika (law) => dari penggabungan rumus fisika.
• Pendekatan artifisial (data) => dari hasil atau data yang sudah ada untuk merumuskan sebuah pola variabel.

Selanjutnya, kami diajarkan menggunakan aplikasi OpenModelica oleh Asisten. Kami diminta menganalisa permodelan sistem fluida model Two Tanks yang disimulasikan dengan aspek Thermal berikut ini.

TUGAS 3

---

JAWAB:

Heating System

1. Deskripsi / uraian fisik berdasarkan bagan yang ada

Sistem ini membahas tentang sistem pemanas dengan aliran tertutup. Pertama fluida pada tangki akan dipompa menuju pipa yang disambungkan dengan pembakar atau pemanas. Sebelum menuju pipa terdapat sensor mass flow rate untuk menghitung aliran massa yang keluar dari pompa. Setelah fluida sudah mencapai pipa pembakar, terjadi perpindahan panas secara konveksi antara pipa pemanas dengan fluida di dalamnya yang kemudian suhu fluida diukur dengan menggunakan sensor suhu. Setelah 2000 detik, valve yang menutup aliran fluida akan terbuka sepenuhnya sehingga fluida dapat mengalir ke pipa tanpa pemanas. Pada pipa tanpa pemanas ini terjadi perpindahan panas secara konveksi antara fluida dalam pipa dan dinding pipa, serta perpindahan panas secara konduksi antara dinding pipa dengan lingkungan. Setelah terjadi perpindahan panas tersebut suhu fluida pipa akan dihitung kembali oleh sensor suhu dan kemudian dialirkan ke tangki lagi.

Komponen yang terdapat pada sistem ini antara lain:

• Tangki berisi fluida yang bersifat thermally isolated sehingga suhu fluida di dalamnya tidak dipengaruhi suhu lingkungan.
• Pompa untuk memompa fluida pada tangki.
• Sensor mass flow rate untuk mendeteksi aliran masa yang keluar dari pompa.
• Pipa pembakar untuk memanaskan fluida di dalam pipa.
• Sensor suhu untuk mengukur suhu fluida dalam pipa.
• Valve yang berfungsi untuk menghambat aliran fluida. Setelah 2000 detik valve ini akan terbuka sepenuhnya.
• Pipa tanpa pemanas yang berfungsi untuk melakukan perpindahan panas antara fluida di dalamnya dengan lingkungan.

2. Prosedur analisa pemodelan

• Setelah membuka file example, saya mengecek dan mengatur parameter dari masing-masing komponen.
• Setelah mengatur parameter masing-masing komponen, saya mensimulasikan sistem ini selama 200 detik.
• Setelah muncul hasil simulasi, saya mulai menganalisa masing-masing perubahan parameter dari tiap komponen dengan cara membandingkannya dengan hukum fisika yang berlaku. Parameter yang diperhatikan dalam sistem ini adalah aliran massa yang keluar dari pompa, suhu fluida pada pipa pemanas, dan suhu fluida pada pipa tanpa pemanas.

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan

Dari sistem ini, dapat dilakukan beberapa analisa.

• Yang pertama, karena terdapat pompa maka aliran massa fluida yang mengalir akan naik. Kenaikan aliran massa meningkat maka kecepatan aliran fluida juga akan naik.
• Yang kedua, selama 2000 detik fluida berada pada pipa pemanas suhunya akan terus naik sehingga nilai yang terbaca pada sensor suhu akan terus naik pula. Suhu fluida pada pipa pemanas terus naik karena perpindahan panas hanya terjadi antara pipa pemanas dengan fluida secara konveksi saja.
• Yang ketiga, setelah 2000 detik valve yang menghalangi aliran fluida akan terbuka penuh sehingga fluida pada pipa pemanas akan mengalir ke pipa tanpa pemanas. Hal ini menyebabkan adanya penurunan suhu pada fluida. Namun, penurunan suhu fluida pada pipa pemanas dan pipa tanpa pemanas tidaklah sama. Hal ini diakibatkan karena pada pipa pemanas masih terjadi perpindahan panas secara konveksi antara fluida dan pipa pemanas, sedangkan pada pipa tanpa pemanas perpindahan pas yang terjadi adalah perpindahan panas dari fluida ke dinding pipa secara konveksi dan perpindahan panas dari pipa ke lingkungan secara konduksi.

4. Catatan konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

Pada sistem ini berlaku beberapa hukum fisika, yaitu:

• Hukum Bernouli

∆P = 0,5ρ(v2^2−v1^2)

dP = perbedaan tekanan masuk dan keluar fluida pada pompa (Pa)

ρ = massa jenis fluida (kg/m^3)

v1 = kecepatan fluida masuk (m/s)

v2 = kecepatan fluida keluar (m/s)

• Mass Flow Rate

Q = A.v

Q = flow (m^3/s)

A = luas permukaan pipa (m^2/s)

v = kecepatan cairan di dalam pipa (m/s)

• Perpindahan panas secara konveksi

Q = h.A.∆T

Q = perpindahan panas (J)

h = koefisien perpindahan panas (W/(m^2.K))

A = luas permukaan perpindahan panas (m^2)

∆T = perbedaan temperatur (K)

• Perpindahan panas secara konduksi

Q.∆t = H = k.A.∆T

Q = perpindahan panas (J)

H = Jumlah kalor merambat setiap detik (J/s)

k = Koefisien konduksi termal (J/msK)

A = luas penampang pada batang (m)

∆T = perbedaan suhu di kedua ujung batang (K)

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

Setelah saya coba mensimulasikan sistem ini, saya selalu mengalami error sehingga tidak dapat melihat kurva hasil simulasi sistem ini.

Three Tanks

1. Deskripsi / uraian fisik berdasarkan bagan yang ada

Sistem ini merupakan sebuah sistem yang menunjukkan 3 buah tangki dengan ukuran yang sama, ketinggian air di dalamnya yang berbeda, serta ketinggian tangki yang berbeda. Sistem ini mensimulasikan perubahan volume air pada tiap tangki terhadap waktu. Berikut adalah parameter dari masing-masing bagian:

• Tank 1:

• Tank 2:

• Tank 3:

• Pipe 1-2:

• Pipe 3:

2. Prosedur analisa pemodelan

• Setelah membuka file example, saya mengecek dan mengatur parameter dari masing-masing komponen.
• Setelah mengatur parameter masing-masing komponen, saya mensimulasikan sistem ini selama 200 detik.
• Setelah muncul hasil simulasi, saya mulai menganalisa masing-masing perubahan parameter dari tiap komponen dengan cara membandingkannya dengan hukum fisika yang berlaku. Parameter yang saya analisa adalah perubahan volume air dalam tiap tangki.

3. Analisa dan Interpretasi Hasil Pemodelan

Jika berdasarkan hukum fisika yang berlaku, volume pada setiap tangki akan tetap jika ketinggian permukaan air pada tiap tangki berada pada level yang sama. Hal ini bisa kita lihat dimana tangki 1 yang memiliki ketinggian air dan ketinggian tangkinya tertinggi lama kelamaan volume airnya terus menurun hingga volumenya sama dengan tangki 2 yang memiliki ketinggian tangki sama dengan tangki 1. Pada tangki 3 volume airnya terus naik melebihi tangki 1 dan 2 karena posisi ketinggian tangkinya lebih rendah dibanding tangki 1 dan 2. Volume air pada tangki ke 3 akan tetap atau tidak berubah lagi saat ketinggian permukaan air pada tangki 3 sudah sama dengan ketinggian tangki 1 dan 2.

4. Catatan konsep utama hukum fisika yang diimplementasikan dalam pemodelan

Hukum fisika yang digunakan dalam menganalisa model ini adalah hukum tekanan hidrostatis yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

Ph = ρ.g.h

• Ph = Tekanan Hidrostatis (N/m2 atau Pa) >> 1 atm = 1 Pa
• ρ = Massa jenis (km/m3)
• g = Gaya gravitasi (m/s2)
• h = Kedalaman suatu benda dari permukaan zat cair (m)
• Ph = ρgh + P
• P = Tekanan udara luar (1 atm atau 76 cm Hg)

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

Berikut adalah hasil simulasinya berupa grafik volume terhadap waktu:

PERTEMUAN 4

---

Pada pertemuan ini, kami diberikan materi tentang examples pada open modelica yang disampaikan oleh pak Hariyotejo.

1. Pertama menginput semua equipment pada modeling sheet.
2. Lalu menyusun dan menyambungkan equipment menjadi sistem
3. Lalu isi parameter di setiap equipment. Check modeling.
4. Simulasikan.

Berikut hasil remodelling dari example.

Two Tanks

Empty Tank

Kemudian kami diajarkan untuk melakukan permodelan konservasi massa pada control volume dengan membuat coding sebagai berikut:

 model BasicVolumeMassCons
   import Modelica.SIunits.*;
   parameter SpecificHeatCapacity R = 287;
   
   Pressure P;
   Volume V;
   Mass m(start=0.00119);
   MassFlowRate m_flow_in, m_flow_out;
   Temperatur T;
   
 equation
   V = 1e-3;
   T = 293;
   m_flow_in = 1e-3;
   m_flow_out = 0.01e-3;
   
   der(m) = m_flow_in*m_flow_out;
   
   P*V = m*R*T;
 
 end BasicVolumeMassCons;

Berikut hasilnya:

TUGAS 4

---

JAWAB:

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.

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

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

• Water Mixer

• Water Splitter

Bagian 2: Turbin Gas

• 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

3. Medium fluida kerja apa saja yang terjadi dalam proses siklus tersebut, dan bagaimanakah 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 temperature rendah.

• Jalur Merah => Jalur merah menunjukan alur fluida yang memiliki tekanan tinggi dan temperature tinggi. Biasanya buangan dari gas turbine dan aliran fluida di HRSG.

• Jalur Biru => Jalur biru menunjukan alur fluida tekanan rendah dan temperature rendah. Terdapat pada kondenser yang akan mengirimkan fluida ke drum pada HRSG.

PERTEMUAN 5

---

Kami diberikan materi oleh Pak Hariyotejo mengenai contoh model pada open modelica yaitu model test compressor. Pada pertemua ini kami diajarkan tentang elemen-elemen pada model test compressor dan bagaimana cara membuat ulang model tersebut secara manual.

---

TUGAS BESAR

---

WATER HEATER

• Latar Belakang

Sistem water heater sudah menjadi sebuah hal umum yang ada pada rumah-rumah. Sistem water heater yang biasa digunakan di rumah-rumah ini biasanya dalam pemasangannya tidak memperhatikan suhu pada area pemasangan sistem pemanas imi. Selain itu, debit air juga jarang diperhatikan dalam pemilihan alat water heater. Oleh karena itu, saya ingin mengetahui seberapa besar pengaruh suhu lingkungan serta debit air terhadap kinerja water heater ini.

• Tujuan

Mengetahui pengaruh suhu lingkungan dan debit air terhadap kinerja water heater.

• Metodologi

Dalam pengerjaan tugas besar ini, saya akan memulai dengan membuat model water heater yang akan diuji pada software open modelica kemudian akan saya lakukan perhitungan berulang dengan variaber suhu lingkungan dan debit air yang berbeda.

• Perencanaan Waktu

Pada minggu ini, saya memiliki target untuk mempelajari dan membuat model sistem water heater untuk dilakukan pengujian. Pada minggu depan, target saya adalah saya sudah selesai melakukan simulasi dengan nilai variabel yang berbeda, serta menyelesaikan penulisan laporan.

• Hasil Sementara

Hasil yang telah saya lakukan adalah saya masih coba mempelajari komponen-komponen yang dimiliki sistem water heater serta sudah mencoba membuat modelnya namun masih belum selesai.