Farhandany

Introduction

Name: Farhandany

NPM: 2106732903

Major: Mechanical Engineering

E-mail: Farhandany@ui.ac.id Haloo! kenalin semua nya saya Farhandany, bisa dipanggil Dany dari kelas Metode Numerik 03. Saya adalah mahasiswa semester 4 dengan program studi teknik mesin.

Dalam kehidupan saya, saya memiliki moto hidup yaitu Hard work beats talent when talent doesn't work hard. moto tersebut merupakan moto yang saya terapkan agar saya dapat selalu memaknai consciousness dalam hidup saya.

Summary Perkuliahan (22/05/2023)

Pada awal perkuliahan tatap muka, Pak DAI menjelaskan bahwa kita sebagai mahasiswa harus dapat menghargai dosen yang mengajar dengan cara duduk di bangku bagian depan, karena dengan duduk di depan merupakan bentuk apresiasi dan keseriusan kita dalam memperoleh ilmu.

Sebelum memulai materi Pak DAI sempat memperkenalkan nama lengkapnya yaitu Pak Ahmad Indra. D-pada nama beliau merupakan gelar Doctor yang merupakan gelar yang sudah beliau tempuh. Setelah itu beliau menjelaskan beberapa point penting sepeti:

-menjelaskan bagaimana sistem mengajarnya dan moto hidupnya mengenai teori consciousness (kesadaran), kesadaran tumbuh dan terdistribusi kedalam beberapa bagian seperti kesadaran dalam berprilaku, kesadaran dalam bersosialisasi,kesadaran intensional dan kultural

- menjelaskan teori CCIT (cara cerdas ingat tuhan) dan latar belakangnya

- menjelaskan mengenai project MRPP dan Evia yang menggunakan teknologi ramah lingkungan berbasis hewan yang lebih spesifik yaitu hewan domba

- menjelaskan cara berfikir kritis mengenai hadirnya angka tak terhingga dan fakta bahwa ada batasan sehingga beberapa masalah ini tidak dapat diselesaikan sampai kita mendapatkan nilai persis yang kita inginkan. dan hal terbaik yang bisa kita lakukan adalah mencoba memahami konsep sebaik mungkin dan mencoba mendapatkan hasil yang paling mendekati jawaban dari permasalahan yang ada.

Design & Optimization of Pressurized Hydrogen Storage

HIDROGEN adalah unsur kimia terkecil karena hanya terdiri dari satu proton dalam intinya. Simbol hidrogen adalah H, dan nomor atom hidrogen adalah 1. Memiliki berat atom rata-rata 1,0079 amu, sehingga menjadikannya gas paling ringan diantara gas lainnya. Titik nyala hidrogen (suhu di mana pembakaran spontan akan terjadi) adalah 500°C.

Hidrogen memiliki titik leleh -259,14°C dan titik didih -252,87°C. Hidrogen memiliki kepadatan 0,08988 g/L, sehingga kurang padat daripada udara. Gas hidrogen (H2) sangat mudah terbakar dan akan terbakar di udara pada rentang yang sangat luas dari konsentrasi antara volume 4 persen dan 75 persen. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol, dan dijelaskan oleh persamaan:

2H2(g)+O2(g)→2H2O(l) ΔHc= (286 kJ/mol)

Design Requirement Pressurized Hydrogen Storage

Specification requirement:

  1. Hydrogen Tanks volume is approximately 1 liter.
  2. Hydrogen is compressed to 8 bar.
  3. Normal operating condition (room temperature and humidity).
  4. Maximum budget is Rp500.000

Hydrogen Storage yang dibuat berfungsi sebagai tempat penyimpanan hidrogen. Tabung ini terbuat dari material stainless steel 304 yang didalamnya dilengkapi dengan tray berlubang. Material stainless steel tipe 304 secara khusus efektif pada lingkungan yang mengandung tingkat keasaman cukup tinggi dan melindungi dari korosi. Tipe 304 adalah chromium-nickel stainless steel yang mengandung 2-3 persen molybdenum. Kandungan molybdenum meningkatkan ketahanan terhadap korosi serta ketahanan terhadap suhu yang tinggi.

Tray yang dibuat hanya satu buah yang diletakkan di bagian tengah storage yang berfungsi sebagai tempat meletakkan adsorben. Adsorben yang digunakan yaitu karbon aktif dan zeolit yang berfungsi sebagai media penyerap gas hidrogen agar dapat disimpan dalam jumlah yang lebih banyak

Di storage terdapat tray untuk menempatkan adsorben. Kemudian pada bagian atas storage terdapat bagian tutup storage sebagai tempat untuk memasukkan dan mengeluarkan adsorben. Selain itu terdapat alat ukur tekanan berupa pressure gauge untuk mengetahui tekanan gas H2 didalam storage.

Mechanical Properties of Hydrogen Storage

Material SS-304 dengan melihat table ASME II D, maka diperoleh yield strength 30000 psi, dengan perhitungan menggunakan ASME VIII, maka diperoleh tekanan sebesar 32 bar, tabung ini cukup untuk menahan pressure sebesar 8 bar. Dengan menggunakan ASME VIII Div 1, didapatkan hitungan berikut :

  Diketahui :

  Joint efficiency (E) = 0,85 
  MAWS (SS-304 Seamless Pipe) = 30000 psi
  OD = 3,94 inch
  Outside radius (r) = 1,97 inch
  Corrossion Allowance (CA) = 0,01 inch
  Thickness (ta) = 0,05 inch
  Thickness (t) = (ta-CA) = 0,04 inch

  P = Set/(R-4t)
  P = (30000x0,85x0,04)/(1,97-(0,4x0,04))
  P = 459,92 Psi
  P = 32,34 bar

Modeling Pressurized Hydrogen Storage

Untuk struktur tangki penyimpanan hidrogen yang akan digunakan kita harus dapat memperkirakan berapa ukuran panjang dan diameter tabung yang akan digunakan, Desain keamanan tangki penyimpanan hidrogen terutama untuk memastikan keamanan dan keandalan struktur tangki di seluruh proses layanan dan memastikan tidak akan rusak. Umumnya, tangki penyimpanan hidrogen dilengkapi dengan katup pelepas darurat untuk memastikan bahwa hidrogen dapat dilepaskan dengan cepat jika terjadi benturan yang parah, kerusakan yang tidak disengaja, dan keadaan darurat lainnya serta untuk mengurangi atau menghilangkan konsekuensi keselamatan yang merugikan.

Ukuran adalah batasan terpenting dalam mendesain tangki hidrogen ini. Optimalisasinya adalah membuat luas permukaan seminimal mungkin sehingga biaya material juga diminimalkan, namun tetap dengan volume 1 liter. Namun karena nantinya akan terjadi pengurangan volume akibat end caps, maka batas volume pada coding kali ini dinaikkan sedikit menjadi 1.050 liter atau 1050 cm^3. Pada optimasi geometris ini, pengkodean dilakukan menggunakan Python dengan library NumPy dan SciPy.

rigth

Berdasarkan permintaaan maka didapat desain untuk kapasitas 1 liter sebagai berikut :

Berikut adalah code beserta hasilnya:

import numpy as np
from scipy.optimize import minimize

def objective(x):
    # x[0] represents the radius, x[1] represents the height
    radius = x[0]
    height = x[1]

    # Calculate the surface area of the cylindrical structure
    surface_area = 2 * np.pi * radius * (radius + height)

    return surface_area

def constraint(x):
    # x[0] represents the radius, x[1] represents the height
    radius = x[0]
    height = x[1]

    # Calculate the internal volume of the cylindrical structure
    volume = np.pi * radius**2 * height

    # Return the difference between the volume and the desired value (1050 cubic centimeters)
    return volume - 1050

# Initial guess for the radius and height
x0 = [1.0, 10.0]

# Define the bounds for the variables (radius and height)
bounds = [(0, None), (0, None)]

# Define the constraint dictionary
constraint_dict = {'type': 'eq', 'fun': constraint}

# Use the minimize function to optimize the objective function subject to the constraint
result = minimize(objective, x0, method='SLSQP', bounds=bounds, constraints=constraint_dict)

# Print the optimized results
print("Optimization Results:")
print("Radius: {:.2f} cm".format(result.x[0]))
print("Height: {:.2f} cm".format(result.x[1]))
print("Surface Area: {:.2f} cm^2".format(result.fun))

Result : 
Radius : 40 mm
Height : 198.84 mm
Surface area 60027.03 mm^2

Dalam perhitungan ini tinggi tabung (h) adalah 198,84 mm dan radiusnya (r) adalah 40 mm. Dengan ukuran ini, volume yang dapat ditampung oleh tabung ini bernilai 1 liter.

Geometri pembuatan End Cap

Tangki hidrogen dengan bentuk tabung murni saja akan meningkatkan resiko bahaya karena ada sudut yang terbentuk antara selimut dan alas di kedua ujungnya, dimana pada titik tersebut terjadi pemusatan tegangan (stres) yang terkonsentrasi sehingga dapat meningkatkan tekanan. risiko kegagalan di area sudut. Oleh karena itu, dibentuk end cap dengan metode filleting pada kedua ujung tangki agar stress akibat tekanan dari gas hidrogen dapat lebih terdistribusi ke seluruh bagian tangki.

Namun, pembentukan tutup ujung ini tentu mengurangi volume tangki hidrogen. Oleh karena itu geometri dasar tangki dibuat dengan volume lebih banyak seperti di atas yaitu 1050 cm^3 agar pengurangan volume akibat end cap ini tidak turun dibawah batas 1 liter yang telah ditetapkan. Luas berbanding lurus dengan volume sehingga dapat dilakukan perhitungan perbandingan.

Equation

Dalam sistem penyimpanan bertekanan, kekuatan material dan ketebalan plat tangki harus mampu menahan tekanan gas yang menekan ke segala arah pada dinding tangki. Dari segi spesifikasi, tangki hidrogen 1 liter ini juga memiliki batas tekanan 8 bar. Ketebalan pelat tangki ini dapat dihitung dengan persamaan tegangan hoop, dengan itu kita dapat menghitung iterasi menggunakan coding phyton sebagai berikut

r = 5.51e-2 #vessel radius
p = 800000  #8 bar pressure constraint
t = 2.7e-3  #minimum thickness

while t < 11.05e-3:
  hoop = (p * r)/(t)
  print('Untuk ketebalan', t, 'hoop stress =', hoop, "Pa")
  t += 1e-3
  if hoop > 32.34e9: #Yield Strength of AISI 304
    break

with the thickness of 0.001 m allowable hoop stress is 37799670.0 Pa
with the thickness of 0.002 m allowable hoop stress is 18899835.0 Pa
with the thickness of 0.003 m allowable hoop stress is 12599890.0 Pa
with the thickness of 0.004 m allowable hoop stress is 9449917.5 Pa
with the thickness of 0.005 m allowable hoop stress is 7559933.999999999 Pa
with the thickness of 0.006 m allowable hoop stress is 6299945.0 Pa
with the thickness of 0.007 m allowable hoop stress is 5399952.857142856 Pa
with the thickness of 0.008 m allowable hoop stress is 4724958.75 Pa
with the thickness of 0.009 m allowable hoop stress is 4199963.333333333 Pa
with the thickness of 0.01 m allowable hoop stress is 3779966.9999999995 Pa
with the thickness of 0.011 m allowable hoop stress is 3436333.6363636362 Pa
with the thickness of 0.012 m allowable hoop stress is 3149972.5 Pa

Hasil di atas menunjukkan bahwa ketebalan yang disediakan oleh pihak penjual mampu untuk menahan tekanan sebesar 8 bar.

Setelah menemukan parameter geometrik, tahap terakhir dari optimasi ini adalah membandingkannya dengan batas biaya yang tidak boleh melebihi Rp500.000,00. Berdasarkan material yang dipilih sebelumnya yaitu AISI 304, kita harus memilih ketebalan dinding tangki yang sesuai dengan kisaran anggaran. Berikut daftar harga beserta perhitungannya.

Diketahui untuk SS grade 304 adalah 
Luas Pelat (cm^2) :
Harga(Rp) : 6.240,360
Berat(kg) : 142,8
Harga satuan luas(Rp/cm^2)= 218
Berat(kg/cm^2) : 0.0315991

Luas yang dibutuhkan : 600.27 cm^2
dengan harga akhir : Rp.130.858,86

Harga tersebut belum termasuk harga inlet sebesar Rp. 40.000 dan harga estimasi ongkos machining dan pengelasan sebesar Rp.200.000. Sehingga kurang lebih harga untuk membuat desain tabung hidrogen ini adalah sebesar : 130.858,86+40.000+200.000 = 370858,96 atau Rp.371.000

Berdasarkan penerapan metode numerik untuk mengoptimalkan desain sistem penyimpanan hidrogen ini, diperoleh ukuran geometri tangki yaitu radius 40 mm, tinggi 198.84 mm, luas permukaan 60027.03 mm^2, dan radius tutup ujung fillet 2,59553 cm. Selain itu, melalui keterbatasan kekuatan material dan keterbatasan biaya, diperoleh ketebalan dinding tangki hidrogen 6 mm.

Namun perhitungan biaya yang dibutuhkan masih jauh di bawah batasan anggaran sebesar Rp. 500.000,00. Oleh karena itu, untuk memaksimalkan anggaran yang ada dan mengoptimalkan desain tangki dari segi ergonomis, maka dilakukan perubahan dimensi diameter dan tinggi tangki agar lebih ergonomis saat dipegang atau dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain. Perubahan tersebut meliputi penambahan tinggi tangki dan pengurangan diameter tangki. Selain itu, masih ada sisa biaya pemasangan katup di salah satu ujung tangki agar gas hidrogen dapat diisi/dikosongkan di dalam tangki dengan mudah.

Kesimpulannya, optimasi dengan metode numerik masih cukup sederhana karena masih banyak faktor lain yang harus diperhatikan. Namun optimalisasi sederhana ini telah mampu melatih kita mahasiswa Teknik Mesin untuk berpikir layaknya seorang insinyur yang harus bisa menggunakan dan memaksimalkan sumber daya yang ada. Melalui tugas besar ini, semoga kesadaran kita juga akan terlatih dan meningkat.