Valve-Bolonni Nugraha

Biodata

Nama: Bolonni Nugraha

NPM: 1806181741

Jurusan: Teknik Mesin/2018

Kelas: Sistem Fluida 03

Pertemuan 1: Kamis (12 November 2020)

Tugas: Menentukan Pressure Drop pada suatu jenis Valve

---

Pada pertemuan Kamis, 12 November 2020, sudah diberikan materi dan video tutorial penentuan Pressure Drop pada Gate Valve. Pak Dai meminta mahasiswa untuk berlatih diri dengan jenis valve yang berbeda. Kali ini saya memilih Globe Valve untuk menjalankan simulasi CFD-SOF. Berikut adalah dokumentasi latihan saya.

Membuka software CFD-SOF, kemudian import file yang sudah diconvert menjadi format .stl

Kemudian lakukan tahapan set up sesuai dengan tutorial tautan berikut: https://youtu.be/RANhtK5u5W0

Ternyata hasil konvergen pada iterasi ke 688

Kemudian dilanjutkan ke tahapan Post Processing dengan paraview

Dengan rumus Pressure Drop yaitu : dp= pTotal inlet- pTotal outlet, ditemukan pressure drop sebesar 0.000163117. Pressure drop yang diperoleh cukup tinggi, berkisar 80.8% dari tekanan total pada inlet.

Pertemuan 2: Kamis (19 November 2020)

Pada pertemuan kali ini, mahasiswa diberikan gambaran metode yang digunakan untuk mendalami ilmu sistem fluida yaitu dengan eksperimen, teori dan CFD (numerik). Eksperimen merupakan metode yang paling aktual namun kurang praktis dan tidak ekonomis. Untuk teori bisa kita gunakan untuk validasi dari eksperimen yang kita buat, namun memiliki eror yang lebih besar karena hal tersebut hanya pada kondisi ideal. Sementara untuk CFD sangat praktis dan mudah, namun juga memiliki eror dan iterasi numerik yang harus banyak.

Setelah kita menganalisa medan aliran pada percobaan dan materi sebelumnya, di penghujung kelas Pak Dai meminta mahasiswa untuk mempelajari suatu sistem fluida yang berisi komponen-komponennya. Kita bisa menggunakan OpenModelica untuk mempelajari pemodelan sistem fluida. Pada OpenModelica diberikan beberapa example dari tiap sub disiplin keteknikan. Contohnya pada fluid. Saya memilih yang disebut ThreeTanks pada pilihan Tanks.

Berikut adalah profil fungsi volume terhadap waktu pada setiap tank

Pada 100 detik pertama, volume tank 1 turun dengan cepat dan mengisi tank 2 dan 3. Pada akhirnya, Tank 3 memiliki volume terbesar sebesar 6.67 m^2, sementara tank 1 dan 2 bernilai 3.67 m^2. Perbedaan ketinggian pipa adalah penyebab perbedaan volume ini.

Tautan untuk mengakses:

[1]

Pertemuan 3: Kamis (26 November 2020)

Pak Dai mengingatkan mahasiswa mengenai pendefinisian dan filosofi Pemodelan Sistem Fluida khususnya pada penggunaan Modelica.

Tugas Mandiri Sistem Fluida (Inkompresibel) menggunakan OpenModelica

ANALISA PEMODELAN SISTEM DENGAN TOOLS OPENMODELICA Dari sistem fluida yang diberikan dalam gambar-gambar berikut, buatlah analisa pemodelannya sbb :

Heating System

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

Jawab

1.

Bagan diatas menampilkan beberapa komponen yang bekerja pada suatu Heating System. Sistem ini merupakan sistem pemanas sederhana dengan siklus aliran tertutup. Komponennya antara lain berupa tangki, pompa, heater, burner, pipa, valve, radiator, sensor mass flowrate, dan sensor temperatur. Terdapat thermal fluid yang digunakan sebagai penghantar panas. Parameter yang didapat antara lain tangki dengan tinggi 2 m dan luas penampang 0.01 m2. Fluida mengisi tangki sampai 1 m. Lalu terdapat pompa dengan teknanan input dan output masing-masing 110000 Pa dan 130000 Pa dan memiliki rotational speed mencapai 1500 rev/min. Lalu terdapat heater dengan panjang dan diameter masing-masing 2 m dan 0.01 m dengan tekanan awal 130000 Pa. Burner yang digunakan mempunyai laju kalor 1600 Watt. Pipa yang digunakan memiliki panjang dan diameter masing-masing 10 m dan 0.1 m. Katup/valve yang digunakan memiliki pressure drop sebesar 10000 Pa dan mass flow rate 0.01 kg/s. Terakhir radiator memiliki panjang dan diameter masing-masing 10 m dan 0.01 m memiliki temperatur awal 110000 Pa dan temperatur awal sebesar 50 oC.

2.

• Membuka aplikasi OpenModelica
• Temukan contoh pemodelan yang dapat ditemukan pada Libraries browser. Kemudian pilih fluid, cari examples untuk kemudian pilih HeatingSystem yang dapat kita modelkan.
• Memahami diagram view sebagai visualisasi pemodelan kita.
• Membuka text view dan melihat codingnya, ubah parameter apabila diperlukan pada kondisi yang berbeda
• Klik check model untuk memastikan coding, variabel dan equation sudah sesuai.
• Selanjutnya klik simulate untuk mensimulasikan modelnya dan tunggu beberapa saat untuk mengatahui hasil simulasinya.
• Kita akan berpindah ke fitur plotting (masih bisa kembali ke modelling) untuk lihat hasilnya dalam fungsi terhadap waktu. Kita dapat melihat perubahan tiap variabelnya.

3.

Fluida yang tersedia pada tangki dipompa menuju heater dengan melewati sensor yang menghitung mass flowrate. Kalor berpindah dari burner ke fluida dan terdapat kenaikan temperatur. Fluida kemudian menuju sensor temperatur dan menuju ke katup/valve yang mengatur debit aliran. Aliran yang melewati pipa terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding pipa secara konveksi dan dinding pipa dengan lingkungan secara konduksi. Setelah melewati katup, fluida tiba di radiator untuk menurunkan temperatur fluida. Suhu fluida kemudian diukur kembali oleh sensor temperatur dan kembali lagi menuju tangki.

4.

• Hukum konservasi energi
• Laju Perpindahan kalor

&

• Hukum kekekalan massa

5.

Three Tanks

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

Jawab

1.

Terdapat 3 buah tangki yang memiliki dimensi luas permukaan dan tinggi yang sama. Luas permukaan sebesar 1 m2 dan tinggi tangki 12 m. Kondisi mula-mula, tinggi permukaan air di dalam tangki berbeda-beda. 8 m pada tangki 1, dan 3 m pada tangki 2 dan 3. Masing-masing tangki terhubung kepada pipa vertikal ke bawah dengan panjang masing-masing pipa 2 m. Kemudian yang berbeda adalah port antar tangki.

2.

• Membuka aplikasi OpenModelica
• Temukan contoh pemodelan yang dapat ditemukan pada Libraries browser. Kemudian pilih fluid, cari examples untuk kemudian pilih Tanks. Disitu kita akan menemukan ThreeTanks yang dapat kita modelkan.
• Memahami diagram view sebagai visualisasi pemodelan kita.
• Membuka text view dan melihat codingnya, ubah parameter apabila diperlukan pada kondisi yang berbeda
• Klik check model untuk memastikan coding, variabel dan equation sudah sesuai.
• Selanjutnya klik simulate untuk mensimulasikan modelnya dan tunggu beberapa saat untuk mengatahui hasil simulasinya.
• Kita akan berpindah ke fitur plotting (masih bisa kembali ke modelling) untuk lihat hasilnya dalam fungsi terhadap waktu. Kita dapat melihat perubahan tiap variabelnya.

3.

Pada deskripsi awal kita telah mengetahui bawah pada tangki pertama memiliki ketinggian permukaan air yang lebih tinggi. Volume yang ada tentu berbeda ketinggian permukaan air yang lebih besar menyebabkan adanya tekanan hidrostatis pada titik tersebut di kesatuan sistem tersebut. Volume air akan sedikit bergerak naik turun karena saling mengisi dan diisi hingga kemudian mencapai titik yang steady state.

4.

Konsep yang coba untuk diimplementasikan disini adalah mengenai tekanan hidrostatis

5.

Pertemuan 4: Kamis (3 Desember 2020)

Tugas 4: Pemodelan Sistem dengan OpenModelica

Soal:

Jawab:

1.

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. Udara panas hasil dari turbin gas diteruskan ke HRSG

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. Hasil buangan dari turbin dialirkan menuju kondesor untuk merubah fase dari uap menjadi cair agar dapat didorong oleh pompa menuju HRSG untuk dipanaskan kembali

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

Siklus Braytone

Siklus Rankine

Siklus Rankine

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: untuk mengalirkan fluida

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: sebuah junction yang menghubungkan beberapa inlet dan menggabungkannya menjadi kurang dari atau sama dengan jumlah inlet

Water Mixer

Water Splitter: berkebalikan dengan water mixer, yaitu sebuah junction yang menghubungan 1 atau 2 inlet dan memecahnya menjadi lebih dari atau sama dengan jumlah inlet pada putlet

Water Splitter

Bagian 2: Gas Turbine

Rangkaian Gas Turbine

Compressor: untuk menghisap udara dari luar dan menaikan tekanan udara yang dihisap dengan cara memampatkannya di dalam tabung compressor, kemudia dialirkan menuju combustion chamber

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

1. Turbin Gas (Menghasilkan kerja)
2. Turbin Uap (Menghasilkan kerja)
3. Pompa Sentrifugal (Membutuhkan kerja)
4. 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.

• Jalur berwarna hitam

Jalur berwarna hitam pada sistem terdapat setelah turbin ke generator. Artinya 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 berwarna merah

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

• Jalur berwarna biru

Jalur berwarna biru menunjukan alur fluida tekanan rendah dan temperature rendah. Terdapat pada kondenser yang akan mengirimkan fluida ke drum pada HRSG

Pertemuan 5: Kamis (10 Desember 2020)

Pada pertemuan kali ini, Pak Hariyo membimbing kami untuk melakukan suatu remodel example yang tersedia. Sebagai contoh yang digunakan adalah model kompresor yang terdapat di dalam library ThermoSysPro.

Berikutnya dalam memahami konsep remodel untuk kasus kompresor, Pak Hariyo mengarahkan untuk mencoba membuat model tersebut secara mandiri dengan memasukan komponen yang digunakan dan parameter yang dibutuhkan, sesuai dengan referensi pada example compressor. Saya menggunakan tools yang ada pada library ThermoSysPro untuk memasukan komponen yang hendak digunakan.

Pertemuan 6: Kamis (17 Desember 2020)

Kuliah Tamu oleh Dr. Ir. Harun Al Rasyid

Pada pertemuan ke 6 kita mengikuti kuliah tamu oleh Dr. Ir. Harun Al Rasyid, CEO PT. Indopower International, mengenai Combine Cycled Power Plant dan contohnya di Indonesia. Beliau sudah memiliki pengalaman yang berlimpah pada sistem pembangkit yang merupakan pengaplikasian sistem fluida.

Tugas Besar: Simulasi Sistem Solar Water Heater di Perumahan

1. Sinopsis

Tugas Besar Sistem Fluida ini akan membahas mengenai system solar water heater pada perumahan. Sistem ini akan disimulasikan menggunakan software yaitu OpenModelica. Tugas besar ini dilakukan untuk membantu memahami sebuah model sistem fluida, software OpenModelica, parameter yang digunakan, hingga output yang didapatkan dengan menjalankan simulasi tersebut.

Tugas besar meliputi latar belakang, tujuan, metodologi, penyelesaian, hasil, serta kesimpulan. Harapan dari tugas besar ini adalah kita dapat menerapkan ilmu sistem fluida khususnya kemampuan untuk melakukan simulasi di kehidupan nantinya terutama bila kita berhadapan dengan merancang sebuah sistem fluida.

2. Latar Belakang

Sistem fluida adalah ilmu yang mempelajari tentang cara kerja dan fungsi sistem fluida yang melibatkan berbagai mesin fluida untuk berbagai aplikasi di bidang teknik. Ilmu ini banyak digunakan di banyak bidang terutama bidang yang melibatkan sebuah sistem yang menggunakan mesin fluida seperti contoh: pembangkit listrik, dirgantara, perkapalan, dsb.

Proses perhitungan sistem fluida ada 3 macam: teoritis, eksperimental, dan simulasi. Ketiga proses perhitungan memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Proses perhitungan eksperimental melibatkan model real dalam skala miniatur sehingga membutuhkan biaya. Proses perhitungan teoritis melibatkan banyak perhitungan matematis untuk menyelesaikan permodelan sistem, namun terdapat banyak asumsi sehingga tingkat kesalahan yang relatif tinggi dapat terjadi. Proses perhitungan secara simulasi merupakan mediasi antara proses eksperimen dan teoritis dimana proses simulasi dapat membuat model sistem tanpa harus membuat miniatur model tersebut sehingga dapat menekan biaya dan lebih fleksibel apabila terdapat perubahan model.

Tugas besar ini dilakukan agar kami dapat memahami proses pembuatan simulasi sebuah sistem pemanas air menggunakan tenaga solar menggunakan bantuan perangkat lunak OpenModelica. Software ini digunakan dengan harapan dapat membantu mahasiswa untuk mendapat gambaran dengan mudah pada suatu sistem fluida dari berbagai aspek dengan kondisi riil. Selain itu software ini membolehkan kami untuk mengubah parameter-parameter variabel bebasnya secara real time untuk dapat disesuaikan dengan kondisi nyata.

3. Tujuan

1. Memahami sistem Solar Water Heater
2. Mampu membuat model sistem dengan Solar Water Heater
3. Memahami parameter-parameter yang terlibat pada model yang dibuat
4. Mendapatkan hasil akhir dari simulasi model tersebut berupa temperatur pada tangki air

4. Metodologi

Flowchart

5. Konsep Sistem

Solar Water Heater (SWH) adalah pemanas air yang mengandalkan panas matahari untuk memanaskan airnya sehingga bisa disebut pemanas air tenaga matahari. Teknologi ini sudah lama beredar di pasaran dan tergolong relatif murah untuk biaya operasionalnya karena mengandalkan energi dari sinar matahari.

Skema sistem SWH dapat dilihat pada gambar berikut:

Skema

Terdapat komponen utama pada sistem SWH ini yaitu: Solar Collector, pompa, tangka air, sensor, dan berbagai jenis valve.

6. Perancangan Model

Berikut adalah model dari sistem Solar Water Heater yang saya buat.

Diagram View

Pada sistem ini terdapat 2 jenis fluida yang digunakan, fluida heat transfer dan fluida yang dipanaskan (dalam kasus ini, fluida yang digunakan adalah air). Fluida heat transfer digunakan untuk memanaskan air melalui tabung tembaga dalam tangki. Fluida H.T ini akan digerakkan dengan pompa melalui pressure vessel menuju Solar Collector. Di solar collector ini, fluid H.T akan dipanaskan di dalam tabung solar collector ini. Setelah itu fluida dialirkan kembali menuju tangki air (tidak dicampur dengan air yang dipanaskan, hanya melewati tabung pemanas dalam tangki air). Dalam beberapa waktu, air di dalam tangki memanas. Setiap komponen memiliki parameter yang dapat diubah-ubah, namun terdapat komponen yang parameternya memiliki pengaruh besar pada simulasi seperti pada Solar Collector, Weather Data, Tank dengan Heat Exchanger, dan Pompa.

Solar Collector

Weather Data

Temperature Sensor

Pump

Tank with H.E.

Tank with H.E.

Tank with H.E. Temperature Sensor

Mass Flow Source

Boundary pT for Tank with H.E.

Pump Control

Expansion Vessel

7. Hasil Simulasi

Berikut adalah ilustrasi coding pemodelan yang saya gunakan

OpenModelica Text View

OpenModelica Text View

OpenModelica Text View

OpenModelica Text View

Dari simulasi yang dilakukan, output yang diharapkan adalah terdapat kenaikan temperature pada tangki air dengan Heat Exchanger. Setelah melakukan simulasi dilakukan plotting temperatur di tangki air (TTank) terhadap waktu.

Hasil Plotting

Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa temperatur dalam tangki air meningkat seiring berjalannya waktu. Namun waktu yang dibutuhkan agar air mulai panas adalah sekitar 4000 detik atau sekitar 1 jam lebih. Hal ini kurang realistis untuk sebuah pemanas air. Namun pada saat saya mencoba mengubah parameter-parameter untuk simulasi selanjutnya, simulasi tidak dapat dijalankan.

8. Kesimpulan

Dari tugas besar mengenai simulasi sistem Solar Water Heater, dapat disimpulkan

1. Prinsip kerja Solar Water Heater adalah mengalirkan fluida dalam sebuah conduit yang melalui Solar Collector dimana Solar Collector ini menyerap energi matahari dan menyalurkannya ke conduit sehingga fluida di dalamnya menjadi panas.
2. Sistem solar water heater yang dibuat pada OpenModelica terdiri dari komponen-komponen utama yaitu Solar Collector, Pump, Tank with Heat Exchange, dan komponen-komponen pendukung seperti Expansion Vessel, sensor temperatur, control pompa
3. Setiap komponen memiliki parameter tersendiri yang dapat diubah-ubah sesuai dengan kondisi.
4. Dari hasil simulasi, temperatur air dalam tangki meningkat seiring berjalannya waktu, Namun waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan air kurang realistis.
5. Masih terdapat kesalahan yang terjadi serta parameter-parameter yang belum lengkap sehingga terkadang simulasi tidak dapat dijalankan.

9. Analisis Kesalahan

Pada model ini, terdapat sedikit kendala dalam melakukan perubahan parameter seperti derajat kemiringan Solar Collector, dan Kecepatan pompa. Ketika mengganti nilai parameter, simulasi tidak dapat dijalankan seperti karena terdapat warning sebagai berikut.

Translation Error

10. Referensi

• https://build.openmodelica.org/Documentation/Buildings.Fluid.SolarCollectors.UsersGuide.html
• https://build.openmodelica.org/Documentation/Buildings.UsersGuide.html

Pneumatic and Hydraulics

Setelah Pak Dai mempersilahkan mahasiswa untuk muhasabah pada tanggal 7 Januari 2021, Pak Dai meminta mahasiswa untuk mempelajari Pneumatik dan hidrolik.

Ujian Akhir Semester

No.1&2

No.2

No.3

No.4