OCEAN RENEWABLE RESOURCES (OTEC)

OTEC Ocean Sustainable Energy

2 OCEAN RENEWABLE RESOURCES (OTEC)

2.1 Penjelasan OTEC OTEC merupakan sumber energi terbaharukan yang menggunakan bahan bakar (fuel) air laut (warm water dan cold water).Air laut tersebut merupakan media thermal heat sinar matahari yang digunakan untuk memutar turbin sehingga dapat menghasilkan listrik dan air tawar. Sistem kerja OTEC ini pada umumnya terbagi atas 2 yaitu open siklus dan closed siklus. Pada open siklus, air dengan temperatur berkisar 25-30

o

C, dipompa dengan menggunakan pipa, masuk ke

dalam vacuum ruang untuk di-evaporate menjadi uap.Akibat perbedaan tekanan antara tekanan uap air dan tekanan dalam turbin maka uap air tadinya yang telah masuk kedalam turbin dapat memutar rotor turbin sehingga menghasilkan listrik. Selanjutnya uap air dialirkan kembali lagi ke kondensator, untuk dikondensasikan kembali oleh air dingin yang dipompa dari kedalaman 1000 m untuk dijadikan sebagai air tawar (desalinated water).

Suhu air laut pada permukaan tidaklah sama dengan suhu air laut pada bagian dalam. Semakin dalam air, semakin dingin suhunya. Di permukaan laut yang terhangati oleh sinar matahari, suhu o sekitar 24 C,sedangkan setelah kedalaman 1000 meter yang gelap gulita suhu sekitar 5 C hingga

sangat dingin. Perubahan yang drastis terjadi pada kedalaman 100 m hingga 500 m, dimana o

o

suhu air berubah dari sekitar 20 C menjadi sekitar 4-5 C, penurunan yang drastis ini dikenal sebagai thermocline. Untuk keperluan OTEC yang ideal diperlukan perbedaan suhu 22-24 o C antara permukaan laut dan laut bagian dalam.

Sistem kerja OTEC mirip dengan sistem kerja siklus hidrologi di bumi yaitu ketika pada saat siang,matahari mengangkat molekul-molekul air terevaporasi ke awan lalu angin meniupkan ke arah daratan,dan saat terjadi kondensasi di awan,maka butiran-butiran air yang tadinya berupa uap kembali menjadi cair lalu turun ke darat.Sistem kerja inilah yang ditiru oleh OTEC yaitu

Hal | 1 Created with Print2PDF. To remove this line, buy a license at: http://www.software602.com/

OTEC Ocean Sustainable Energy memompa air laut permukaan yang bertemperatur tinggi (hangat) dan mengevaporasikannya kedalam turbin untuk menghasilkan listrik lalu mengkondensasikannya kembali dengan air laut dingin yang diambil pada kedalaman laut kemudian siklus berulang.

Gambar 2.2

Peta global yang menunjukkan kawasan-kawasan yang memiliki perbedaan temperatur yang tinggi antara permukaan laut dan kedalaman lebih dari 1000 meter.Kawasan perairan Indonesia berada pada kawasan yang mempunyai potensi yang besar untuk dikembangkan pusat-pusat pembangkit listrik tenaga konversi heat laut (OTEC).

Konsep ocean thermal energy conversion (OTEC) adalah menggunakan perbedaan alamiah yang ada diantara permukaan air tropis yang hangat dengan di kedalaman.Karena temperatur laut hanya berubah sedikit antar siang dan malam hari – di tropik terhadap perubahan musim- suatu pembangkit listrik OTEC dapat membangkitkan listrik secara kontinu tidak seperti kebanyakan sumber energi terbarukan lainnya.



2.2 OTEC POWER SYSTEM Sistem power OTEC dapat dibagi kedalam dua kategori, closed siklus dan open siklus.Pada operasi closed siklus, working fluid di pompa ke dalam evaporator setelah mengalami kondensasi. Pada sistem open siklus,working fluid di keluarkan setelah digunakan.Pada kasus ini,working fluid adalah uap air.Air laut hangat dipompa kedalam ruang dimana tekanan dikurangi oleh pompa vakum menjadi suatu nilai yang cukup rendah untuk menyebabkan air mendidih.Uap bertekanan rendah,setelah melewati turbin,dikondensasi oleh air dingin pada sebuah ruang dan dibuang kembali ke laut.Sebaliknya dari kondisi kondensasi oleh kontak langsung dengan air dingin,uap dapat diarahkan ke heat exchanger didinginkan oleh air laut dingin.Pada kasus ini,uap yang terkondensasi menjadi sebuah sumber air tawar.



Gambar 2.3 OTEC Open Siklus Picture

Open siklus merupakan pelopor dari variasi siklus OTEC .Open siklus berhubungan

pada

penggunaan air laut sebagai working fluid.Sebuah skema diatas,dimana terdiri atas sebuah flash evaporator,turbin uap expansi dan generator,kondenser steam,alat-alat pemindah non kondensable,dan deaerator.Siklus tersebut merupakan dasar dari siklus Rankine

yang

mengkonversi thermal energi dari air hangat permukaan menjadi energy listrik.Dalam siklusnya,air laut yang hangat di deaerasi dan dilewatkan kedalam ruang evaporasi,dimana bagian dari air laut di konversi ke dalam uap bertekanan rendah.Uapnya kemudian dilewatkan melalui turbin, dimana mengekstraksi energi darinya,lalu kemudian keluar kedalam kondenser.Sebaliknya,air yang mengalami kondensasi dapat digunakan sebagai desalinisasi air karena tidak dikembalikan kedalam evaporator.

Gambar 2.4 OTEC Closed Siklus Picture

Rankine siklus tertutup merupakan proses dimana heat digunakan untuk mengevaporasikan fluida pada tekanan yang tetap di dalam sebuah tangki pemanas atau evaporator, dari yang


OTEC Ocean Sustainable Energy mana uap masuk ke piston mesin atau turbin dan berekspansi melakukan kerja.Uap keluar kemudian masuk ke dalam suatu wadah dimana heat ditransfer dari uap ke cairan pendingin, menyebabkan uap terkondensasi menjadi cair lalu cairan tersebut dipompa kembali ke dalam evaporator untuk melengkapi siklus.

GAMBAR 2.5 SIKLUS RANKINE YANG DITERAPKAN PADA OTEC

Siklus Rankine diatas menunjukkan perbedaan tekanan dan suhu dari waktu ke waktu pada saat berlangsungnya sistem OTEC, dimana working fluid yang mengalir ke evaporator akan di evaporasikan terlebih dahulu hingga suhu dan tekanan tertentu sehingga dapat menggerakkan turbin lalu dialirkan kembali ke kondensator untuk dijadikan cair kembali dengan suhu dan tekanan yang telah diatur.

2.3 HASIL PRODUK OTEC

Berikut penjelasan hasil by-product OTEC:

a. Desalinated water (air tawar)


OTEC Ocean Sustainable Energy Oleh sebab evaporasi yang terjadi pada proses closed siklus pada OTEC maka air laut yang terevaporasi melalui turbin, terkondensasi kembali menjadi air tawar.Jumlah debit air tawar yang dihasilkan dapat berlimpah karena air yang dipompa sebagian besar jumlah air dari permukaan untuk dijadikan air tawar. Hasil produksi sampingan dari air tawar adalah salah satu keuntungan utama dari proses OTEC.Sampai pada 0.7 ton hingga 0.8 juta gallon per hari air tawar dapat dihasilkan per MW kapasitas gross electric tyang terpasang. Hasil by-product dari OTEC ini sangat berguna khususnya untuk daerah-daerah kepulauan yang memiliki akses terbatas untuk sumber air bersih baik untuk kebutuhan minum, masak, mandi dan kebutuhan sehari-hari.

b. Sistem pendingin oleh OTEC Hasil yang paling jelas untuk penghematan energi teraplikasi pada sistem OTEC desain adalah air-conditioning gedung atau penyejuk udara.Hampir semua Negara kepulauan memiliki kesamaan kebutuhan akan penyejuk udara.Sistem Penyejuk udara konvensional adalah energy intensif dan memakai 35% hingga 45% dari total pemakaian energy di tipikal gedung perkantoran dan hotel di komunitas tropis. Jumlah air dingin yang dibutuhkan untuk men-generate 1MW energy listrik dari plant OTEC dapat menyediakan 10 MW ekivalen untuk penyejuk udara dan akan mengurangi 40% beban kebutuhan untuk penyejuk udara. Air dingin yang dipompa oleh sistem OTEC dapat dialirkan ke gedung-gedung sebagai bahan pendingin udara sehingga menjadikannya cost-effective dan dapat menghemat pemakaian listrik yang digunakan untuk menyalakan AC pada gedung-gedung. Seawater Air Conditioning ini juga ramah lingkungan karena tidak memakai CFC sebagai bahan pendingin udara tetapi hanya memakai air laut yang dingin. c. OTEC Sea-farming Air dari laut dalam memiliki karakter yang baik untuk pengembangan budidaya perikanan sebab air laut pada kedalaman 1000m bebas dari pathogen yang menyebabkan penyakit pada ikan dan kaya akan nutrisi seperti dissolved nitrogen, phosphorus, carbon dan phytoplankton sehingga ideal untuk aquaculture dan mariculture.Air laut dalam memiliki suhu yang dingin sehingga


OTEC Ocean Sustainable Energy bakteri tidak mampu untuk hidup pada keadaan air tersebut sedangkan ikan, udang dll masih dapat bertahan hidup.

Ikan yang pada umumnya tertarik pada struktur offshore, diharapkan untuk meningkatkan konsentrasi ambient yang berada dekat dengan plant OTEC.Hasil tahunan penangkapan ikan mencapai angka 70 juta ton,dengan hasil tangkapan utama pada daerah continental shelves.kenyataannya (90% dari total luas permukaan laut) hanya menghasilkan 0.7 % ikan oleh sebab kebanyakan nutrient pada permukaan air diekstrak oleh tanaman dan dialirkan kebawah ke dasar laut dari sisa tanaman dan hewan laut.Air pada coastal zone disupply secara terusmenerus dengan nutrient pada runoff yang bersebelahan dengan daratan dan dari sini mensupport sebuah level tinggi dari aktivitas tanaman dan memproduksi 54% dari ikan.Alasan untuk perbedaan yang spektakular ini menunjukkan konsentrasi nitrat dan fosfor pada kedalaman laut lebih banyak 5 kali.

OTEC aquaculture tidak hanya menguntungkan dari segi sumber makanan yang berkelanjutan untuk komunitas daerah kepulauan tropis dan industri pariwisata, tetapi juga memiliki potensi untuk menciptakan ketersediaan, yang secara komersial attraktif, pada skala industry yang dapat diekspor dan membuka lapangan pekerjaan baru untuk buruh ahli maupun tak terlatih dari warga setempat.



Gambar sistem water tank OTEC sea farming

d.Agriculture Pada daerah kepulauan tropis, kondisi tanah pada umumnya kering akibat kurangnya pasokan air bersih menyulitkan masyarakat untuk membangun agriculture di wilayah pesisir. Dengan adanya OTEC yang memompa sejumlah air dingin dari dasar laut dan menyirami tanaman, maka dapat tercipta suatu agriculture yang baik oleh kesuburan tanah yang meningkat.

e. Hidrogen


OTEC Ocean Sustainable Energy Salah satu hasil produk utama dari pada OTEC adalah hidrogen. Hidrogen adalah bahan bakar sempurna yang terbakar dengan efisiensi tinggi dan menghasilkan air sebagai hasil pembakaran. Hidrogen dihasilkan melalui proses elektrifikasi yaitu melalui penambahan KOH pada air laut yang mengandung NaCl. Hidrogen merupakan energi masa depan sebagai pengganti minyak bumi dan gas karena memiliki sifat fisik yang sama dengan bahan bakar minyak dan gas yaitu mudah untuk

dibawa dan disimpan.Hidrogen dalam bentuk fuell cell sangat cocok sebagai

energi pengganti dari minyak dan gas sehingga dapat digunakan pada kendaraan-kendaraan bermotor. Kendaraan bermotor saat ini meningkat dengan pesat seiring dengan mobilitas jumlah penduduk yang semakin bertambah pula sedangkan kapasitas energi minyak dan gas terbatas, sehingga diperlukan pengganti yang berperan sama dengan minyak dan gas bumi yaitu sebagai bahan bakar. Reservoar hidrogen yang besar di kepulauan tropis tersedia melalui proses dari OTEC yang membutuhkan bentuk yang dapat dipindahkan untuk memudahkan akses terhadap kebutuhan energi.Energi yang transportable attraktif saat ini adalah hidrogen, khususnya hidrogen cair LH2, yang mana sumber energi terbarukan lainnya tidak memilikinya. Logam aktif seperti magnesium bereaksi dengan uap menghasilkan hidrogen.pengurangan dari air oleh magnesium atau alumunium merupakan proses yang menguntungkan, akan tetapi, formasi dari hidroksida melindungipermukaan logam dari reaksi selanjutnya untuk menghasilkan

H2 .

Mg  2 H 2 O  Mg (OH ) 2  H 2

G o =-352kj/mole

Al  3 H 2O  Al (OH ) 2  3 / 2 H 2

G o =-426 kj/mole

Penambahan ion Cl  pada air dapat meningkatkan reaksi dari Mg dengan air pada temperatur ambient.Air laut mengandung sekitar 28 g/l dari NaCl.Ion Cl  pada air laut dapat berperan sebagai ion efektif yang dapat mengaktivasi Mg atau logam lain untuk bereaksi dengan air.



Gambar 2.6 siklus pembuatan hidrogen hingga penggunaannya.

Mobil fuel cell adalah mobil listrik yang menghasilkan listriknya sendiri.Listrik untuk menggerakkan motor listrik diperoleh dari freaksi kimia antara hidrogen yang disimpan dalam tangki penampungan dan oksigen yang diambil dari udara,yang berlangsung dalam perangkat fuel cell.Dalam perangkat fuell cell terdapat dua lempeng elektroda.Hidrogen dilewatkan pada salah satu lempeng elektroda,dan oksigen dilewatkan pada satu lempeng elektroda lainnya dan menghasilkan aliran listrik.Listrik ini kemudian dialirkan ke motor listrik yang berfungsi menggerakkan listrik.

Sekitar 5 kilogram hidrogen disimpan dalam tangki penampungan yang bertekanan 5.000 psi,atau sekitar 340 atm,dapat digunakan untuk menempuh perjalanan sejauh 563 km,setara dengan jarak tempuh mobil berbahan bakar bensin dalam keadaan tangki penuh.

2.4 DASAR-DASAR TEORI OTEC 2.4.1 MAJOR SUBSISTEM DARI SISTEM OTEC Subsistem utama dari sistem OTEC 1. Mesin heat atau power plant, termasuk heat exchanger, turbin, electric generator, pompa air dan working fluid. -turbin dan generator menyatu dalam satu unit, -heat exchanger untuk evaporator dan kondenser 2.Sebuah sistem saluran, termasuk sebuah cold water pipe melalui dimana air dipompa dari sebuah kedalaman 900 hingga 1000m dan pintu air hangat dan exhaust flow pipe. -Cold water pipe (CWP), sebuah pipa yang berdiameter besar.


OTEC Ocean Sustainable Energy -Pompa dan drive pompa Tiga pompa utama yang dibutuhkan dalam stasiun power OTEC untuk memindahkan massa yang besar dari cairan -Warm water pump bekerja menghisap air dari saluran pipa, masuk melewati tabung evaporator dan keluar melalui mulut pipa keluaran. -Cold water pump bekerja memompa air dari kedalaman laut, masuk melalui kondenser dan keluar melalui mulut pipa keluaran. -Working fluid pump, merupakan pompa yang bekerja mendistribusikan working fluid sepanjang proses berlangsung.

2.4.2 Faktor desain Heat exchanger Heat exchanger untuk pada siklus tertutup berperan untuk memindahkan panas antara working fluid dengan air hangat dan dingin dari permukaan maupun kedalaman laut melalui permukaan yang terpisah. Laju dari heat transfer dari satu fluida melalui dinding yang tersekat ke fluida yang lain diatur oleh persamaan umum berikut.

Q  UA(T1  T2 )

Dimana Q =laju transfer panas; U= koefisien transfer panas,A=luas permukaan,T1= temperatur dari fluida ke satu,T2=temperatur dari fluida ke dua



Gambar 2.7 heat exchanger

2.4.2.1 Kondenser Untuk aliran heat dari amonia ke cold water di dalam kondenser.

Qc  U c Ac (Tac  Tcw )

Dimana

Qc=laju

transfer

heat

untuk

kondenser;Uc=koefisien

transfer

heat

untuk

kondenser,Ac=luas area kondenser;Tcc=temperatur amonia di kondenser;T=temperatur air dingin.

2.4.2.2 Evaporator Untuk laju transfer heat dari warm water hingga amonia didalam evaporator,

Qe  U e Ae (Tww  Tae )


OTEC Ocean Sustainable Energy Dimana Q=laju transfer panas evaporator; Ue=koefisien transfer heat untuk evaporator, Ae=luas area transfer panas dari evaporator; Tww=temperatur air hangat; T=temperatur ammonia di dalam evaporator

Q  hw (Tw  Tsb )  hsb (Tsb  Tmo )  ( k / x )(Tmo  Tmi )  hsa (Tmi  Tsa )  ha (Tsa  Ta )  U (Tw  Ta )

Tw = bulk temperature air Tsb =Surface temperature Tmo =temperature of outside HX metal surface Tmi =temperature of inside HX Tsa =surface temperature of scale of ammonia side Ta =bulk temperature of ammonia hw , hsb , hsa , ha =koefisien corresponding heat transfer K=thermal conductivity of HX X=thickness of HX wall

2.4.3 Subsistem saluran air 2.4.3.1 OTEC cold water pipe Persyaratan umum Sesuatu yang tidak dapat dipisahkan pada konsep OTEC adalah penggunaan air dingin yang diambil dari kedalaman 1000m untuk mendinginkan dan menglikuifikasi uap yang muncul dari turbin.Pipa dan tambahan pada platform wajib didesain untuk menahan beban statis dan dinamis yang dibebankan oleh berat pipa,gerakan relatif dari pipa dan platform ketika gelombang dan beban arus dihitung hingga badai 100 tahun-an dan beban yang dapat merubuhkan disebabkan oleh pengisapan pompa air.CWP harus cukup besar untuk mengatasi aliran air yang dibutuhkan dengan loss drag yang rendah;tapi juga harus terbuat dari material yang memiliki ketahanan di dalam air laut dan tidak mudah untuk terkorosi.


OTEC Ocean Sustainable Energy Panjang dari CWP ditentukan oleh kebutuhan untuk menarik air dari kedalaman dimana temperatur mendekati 4.4 o C.Laju aliran air ditentukan oleh output power dan efisiensi OTEC power plant dalam mengkonversi energi heat menjadi mekanis lalu berubah menjadi energi listrik.

Gambar pipa (Lingkaran merah menunjukkan lokasi terjadinya span)

Perhitungan Diameter cold water pipa tergantung pada power yang dibutuhkan untuk memompa cold water ke sistem kondenser OTEC diberikan oleh produk dari aliran massa air dan total head hidrolik.

Dapat dilihat bahwa: Flow rate  w   A   D 2 ( / 4) Flow drag force per unit flow = hydraulic head

 hd  f ( 2 / 2 g )( L / D )

Dimana f adalah koefisien friksi f = 0.0094 (smooth concrete pipe)


OTEC Ocean Sustainable Energy Power pompa untuk mengatasi drag flow =Pd =flow rate x hydraulic head

 ( f  3 / 8 g ) L  D

Karena

hd  Pd / w

  4 w /( D 2 ) hd  f  4 w / D 2 )  2

hd  f  4w / D 2 )  (1/ 2 g )( L / D ) hd 

8 fw2 L D 5 2  2 g

Keterangan

hd =Hidraulik head untuk melawan drag pipa Pd =Power to melawan CWP drag W =Flow Rate

 =Massa jenis air laut  = Kecepatan aliran f = Koefisien drag L=Panjang pipa A=Luas penampang pipa D=Diameter pipa

OTEC WATER PUMP Tipe pompa yang digunakan pada proses pemompaan air sistem OTEC :

1.Displacement pumps -Reciprocating



 .d 2 .l.n Pumping capacity Q  c N 924 Dimana : c=loss of efficiency due to slippage (0.95-0.97) d=diameter silinder (inch) l=panjang stroke (inch) n=jumlah stroke/menit (x2 for double acting) N=jumlah silinder pada single pump (N=2 for duplex)

Pumping power P 

W w.Q.h  33, 000 33.000.e

Dimana : W = Energi untuk memindahkan air (ft-lbs/menit) w = berat 1 galon cairan (lbs) Q =kapasitas pompa (gpm) h =total head (including loss) (ft) e =Efisiensi pompa

WHP = Power yang dibutuhkan untuk memompa sejumlah volume air pada sebuah total dynamic head (TDH)

WHP 

TDH ( ft ) xQ( gpm) 3960

atau

WHP 

TDH (m) xQ(l / min) 4569

BHP=Jumlah power yang harus diberikan pada pompa

BHP 

TDH ( ft ) xQ( gpm) WHP dimana e  3960 xe BHP

e= efisiensi (rasio)


OTEC Ocean Sustainable Energy -Diaphragma

Pumping capacity: Two-inch single : 2.000 gpm Three-inch single : 3.000 gpm Four-inch single : 6.000 gpm Four-inch double :9.000 gpm

2.Centrifugal pumps A pump that convert kinetic energy to potential energy (height) -Submersible pumps

V  2 gh

sehingga

h

V2 2g

V=Kecepatan (fps) g=percepatan akselerasi (fps) 32.2 fps pada sea level h=ketinggian jatuh (ft)

2.4.3.2 Saluran air hangat Air hangat disedot dari lapisan percampuan berada dekat dengan permukaan pada kedalaman pilihan untuk meminimalisasi efek dari gelombang.Pengaturan perpipaan tergantung pada konfigurasi platform. Untuk perhitungan head hidrolik beserta water flow pada saluran air hangat adalah sama dengan perhitungan pada CWP dan yang membedakan adalah ukuran penampang pipa. Volume air yang dibutuhkan oleh kondenser tidak jauh berbeda dengan yang dibutuhkan di kondenser.

Material

Steel

Density 

Yield Strength

(kg/ m3 )

(MN/ m 2 )

7850

138.0

Elastic Modulus (MN/ m 2 ) 207.0

Poisson Ratio

 0.30


OTEC Ocean Sustainable Energy Alumunium

2770

117.0

70.0

0.33

Prestressed concrete Concrete

2400

18.6

20.7

0.18

Tendons

2770

1034.0

207.0

0.30

Post-tension lightweight concrete Concrete

1362

16.9

11.7

0.23

Tendons

7850

1850.0

199.0

0.30

138.0

17.2

0.30

Glass Reinforced Plastic

1700

2.4.3.3 Saluran pembuangan Pipa pembuangan yang akan mengatur aliran air dari heat exchanger ke sebuah kedalaman dibawah mixed layer dipertimbangkan membutuhkan penambatan pada perencanaan awal.Akan tetapi eksperimen menunjukkan bahwa pipa pembuangan eksternal tidak akan dibutuhkan karena kehadiran larangan lingkungan.



Gambar 2.8 Water exhausting

Pelepasan air dilakukan pada kedalaman tertentu dimana air yang semula dipompa dari suatu kedalaman dikembalikan ke tempat semula sehingga tidak menggunakan suhu perairan laut yang dapat berdampak pada ekosistem laut.

2.4.4 Sistem turbin Persyaratan kemampuan untuk sebuah turbin disusun dan dibahas dengan perusahaan manufaktur turbin.Tabel menunjukkan hasil keluaran power yang diinginkan dan karakteristik dari working fluid pada kondisi operasi yang diharapkan dari turbin.Tabel ini menunjukkan kondisi desain yang telah di update,sementara data yang diberikan perusahaan manufaktur disesuaikan dengan spesifikasi yang berbeda.

Turbin performance Requirements (25 Mwe Module) Horsepower

41.700

Working Fluid

NH3

Inlet temperatur

68.6 F

Inlet Pressure

125.7 psia

Outlet temperatur

50.1 F Hal | 19

Created with Print2PDF. To remove this line, buy a license at: http://www.software602.com/

OTEC Ocean Sustainable Energy Outlet pressure

89.4 psia

Gambar 2.9 OTEC turbin generator

OTEC Ammonia Vapor Turbin Karakteristik

Shaft Power,

44236 hp


OTEC Ocean Sustainable Energy Shaft speed

1800 rpm

Ammonia Flow rate

1938 lb/sec

Spesifik speed

109

Efisiensi keseluruhan

90%

Inlet Total pressure Inlet temperatur

1221 psia 67 F

2.4.5 POWER OUTPUT Hasil optimum power akan terjadi ketika total perbedaan suhu antara air hangat dan dingin memasuki closed-siklus OTEC plant terbagi kira-kira sebagian dari delta T digunakan untuk mencapai sebuah perbedaan dalam tekanan uap antara evaporator dan kondenser.

Pmax  1 

Tcw Tww

Sekitar 2350 kg/s dari aliran air hangat akan dibutuhkan per megawatt dari OTEC power yang dibangkitkan. Hampir sejumlah aliran yang sama akan dibutuhkan di dalam kondenser.Perkiraan volume total air laut adalah berkisar 4.7 m3/s per megawatt dari gross electric power yang dibangkitkan. Power pompa air,untuk hidrolik head dari 3.05 m dan efisiensi pompa dari 75%(termasuk drive motor elektris),perkiraan power pompa Pwe,untuk evaporator adalah 9600 kg m/s=94 kWe,per megawatt gross power listrik.

2.4.5.2 Ammonia pumping power Total panas yang ditransfer ke amonia permegawatt dari power electric yang dibangkitkan adalah 32.7 MW. Heat yang ditransfer ke amonia di evaporator pertama-tama menaikkan temperatur hingga vaporisasi dimulai dan diserap sebagai heat dari evaporisasi pada temperatur konstan,untuk itu,per megawatt dari gross power



Pa   A  Te  Tc  C p  H v  Where Pa=ammonia pumping power ;p=cair ammonia density =625 kg/m3 ;v=ammonia inlet velocity; A= inlet area ;Te =evaporator temperatur;Tc=kondenser temperatur ;Cp=specific heat=4.72 kJ/kg C ;Hv=latent heat of ammonia vaporization at 21.1 C=1460 kJ/kg;rvA=27 kg/s and vA=0.043 m3/s o

Gambar pompa


OTEC Ocean Sustainable Energy Persyaratan kondenser adalah sekitar 20% lebih tinggi,untuk itu total power pemompaan air yang dibutuhkan sekitar 21% dari nilai gros power yang diantarkan.

2.4.5.1 OTEC net power output Ringkasan menunjukkan bahwa sekitar 24% dari gross power dibangkitkan oleh OTEC plant beroperasi dengan total delta T dari 22.2

o

C akan dibutuhkan untuk kebutuhan operating

plant.Maka dari itu,efisiensi operasi,didefinisikan sebagai net power/gross power akan menjadi 76%.Estimasi dari net efisiensi untuk contoh ini adalah 0.76 X 3.7 =2.81% (efisiensi ocean heat transfer menjadi listrik diambil sebesar 3,7%)

2

Pnet  a  T   0.26  a (22.2) 2  0.26  1.00 MWe

a  (0.26  1.00)493.8  0.02252

Pnet  0.000788 x352  0.26  0.70 MWe

Pnet  0.000788 x 462  0.26  1.40 MWe

2.4.6 OTEC Efficiency and cost implication Ada teori limit, hingga efisiensi maksimum dari sebuah sistem OTEC dengan mengkonversi panas yang disimpan di air permukaan hangat dari lautan tropis menjadi kerja mekanis.

 max 

Tw  Tc Tw

Dimana efisiensi carnott,Tw=temperatur absolut dari air hangat,Tc=temperatur absolut dari air dingin. Untuk wilayah laut yang paling cocok untuk operasi OTEC,temperatur permukaan rata-rata tiap tahunannya adalah berkisar 26.7 hingga 29.4 o C.Cold water pada 4.4 o C atau dibawah tersedia


OTEC Ocean Sustainable Energy pada kedalaman dari 900 m.Oleh karena itu, maksimum efisiensi heat OTEC bahkan tanpa reduksi yang tak dapat dihindari disebabkan oleh friksi dan kehilangan panas,dapat dicapai hanya pada laju yang sangat kecil dari produksi power.

Efsiensi:perbandingan dari energi atau hasil kerja pada sistem ke dalam input energi ke dalam sistem. Analisis menunjukkan bahwa 25 hingga 30% dari gross power elektrik dibangkitkan oleh pembangkit listrik dengan delta T dari 22 o C akan dibutuhkan untuk mengoperasikan air dan pompa amonia dan untuk menyuplai power untuk memenuhi kebutuhan tambahan untuk operasi plant dan stasiun kapal.Sehingga ,net efisiensi dari konversi dari thermal energi yang tersimpan di air permukaan laut hingga net energi listrik tersedia pada on board bus baw akan berada pada kisaran 2.5 hingga 3%.

Working Fluid Characteristic (Ammonia) Rankine closed cycle dapat bekerja sebagai sebuah media working pada segala fluida dengan sebuah tekanan uap yang baik pada suhu dari permukaan yang panas dan physical dan yang cocok untuk desain total power.

Property

Ammonia

Propane

Butane

R-22

Formula

NH 3

C3 H 8

C4 H10

CHF2Cl

Molecular weight (M)

17.03

44.09

58.12

123.46

Density (l) (kg/ m3 )

616.73

508.60

583.73

1229.78

Density (v) (kg/ m3 )

5.82

16.19

4.61

33.89

741.88

741.40

179.40

801.93

Heat of vaporization(kJ/kg) 1214.63

350.63

374.64

193.51

Spesifik Heat(l)(kJ/kg K)

4.68

2.56

Spesifik Heat (v)(kJ/kg K)

2.92

Vapor pressure(sat)(kPa)

Viscosity (l) (Pa s)

1.596x 10 4

2.01 1.199x10 4

2.37

1.22

1.76

0.78

1.782x10 4

2.21x10 4


OTEC Ocean Sustainable Energy 1.100x10 5

Viscosity (v) (Pa s)

8.681x10 6

7.606x10 6

1.277x

10 5

Thermal Conductivity

0.50343

0.101551

0.1211

0.092382

Amonia (NH3) merupakan working fluid yang dipilih pada proses closed cycle OTEC, karena memiliki titik didih sangat rendah sehingga mudah untuk dievaporasikan oleh air hangat sehingga dapat menggerakkan turbin. Heat Transfer Characteristics (50 to 70 F) Thermal conductivity (BTU/hr-ft-F)

Liquid: 0.29 Vapor: 0.014

Kompatibilitas material

Ammonium Hidroksida Tidak kompetibel dengan material Mengandung copper

Thermodynamic Properties (50 to 70F): Heat of Evaporation (BTU/lb)

500

Heat Capacity (BTU/lb-F)

Liquid: 1.13 Vapor: 0.19

Keamanan: Toxicity

Sedang dan mudah untuk dilacak

Flammability

Sedang

Kemampuan bercampur

Ketersediaan supplai

Tinggi

Telah tersedia



Working fluid flow in heat exchanger Faktor utama dalam pemilihan working fluid adalah: 1.Tekanan uap berkisar 700 hingga 1400 kPa pada suhu 27o C 2.Aliran bervolume rendah per kilowatt dari power yang dihasilkan. 3.Chemical stability dan compatibility. 4.Keamanan 5.Harga

Non-Condensible removal system Air laut yang mengandung gas terlarut yang dilepaskan pada tekanan rendah di OTEC open cycle.Nilai tipikal adalah 10,9 dan 6,6 ppm untuk N 2 dan O2 .Gas-gas ini tidak dapat dilikuifaksi dan akan mengakumulasi setidaknya secara berlanjut dipindahkan.Kehadiran dari non-


OTEC Ocean Sustainable Energy condensable dari kedua predearation chamber dan vent condenser,menyediakan rasio kompresi yang cukup. Gas yang terdischarged diserap oleh effluent air hangat pada sebuah tekanan subatmospheric dari 30kPa,yang menghemat sekitar 35 kW.Intercooling antara tahapan compressor menyebabkan terjadinya reduksi pada pembebanan compressor.Kompresor displacement positif yang dipilih sebab tekanan hisap yang rendah.jumlah Keseluruhan Konsumsi power adalah 160 kW jika sebuah precooler termasuk untuk mengurangi bagian uap upstream hingga ke tahap pertama.

2.5 DASAR-DASAR TEORI PIPELINE Pipeline merupakan komponen utama dari sistem OTEC (Cold Water pipe dan Warm water pipe) dimana berfungsi untuk mengalirkan air laut baik dari laut dalam (cold water) ataupun warm water (surface water). Seperti yang diterangkan sebelumnya bahwa sistem kerja OTEC memerlukan range temperatur berkisar 20-24 o C sehingga untuk mendapatkan range sebesar tersebut maka diperlukan air laut di kedalaman 1000 m. Dalam mendesain pipeline untuk mencapai kedalaman 1000 meter, berbagai analisis dalam ilmu Teknik Kelautan diperlukan untuk menghitung kekuatan, kapasitas dari pipeline itu sendiri.Analisis-analisis berupa free-span analysis,buckling,on-bottom analysis,dan routing sangat diperlukan untuk mendesain pipeline dari OTEC ini.Dengan mendesain pipeline yang terperinci diharapkan sistem kerja OTEC mampu menjadi yang terbaik.



Analisis terhadap free span dalam tugas akhir ini akan dibahas pada fase operation dan mencakup analisis VIV yang menyebabkan osilasi pada pipa yang memicu keruntuhan pipa secara fatigue serta analisis tegangan yang terjadi pada pipa,dibatasi pada perhitungan hoop stress,bending stress dan von mises stress. Seluruh perhitungan, analisis dan pembahasan akan dilakukan berdasarkan kode standar yang berlaku untuk struktur pipa bawah laut.Desain pipa bawah laut pada tugas akhir ini mengacu pada kode standar DnV 1981 Rules for submarine pipelines, DnV RP F-105 free spanning pipelines dan kode standar untuk struktur baja lepas pantai API RP2A.

2.5.1 PROPERTI PIPA BAWAH LAUT


OTEC Ocean Sustainable Energy Pada umumnya, material utama pipa bawah laut adalah pipa yang terbuat dari carbon steel, atau logam lainnya. Dalam lingkungan laut yang tidak bersahabat, dimana terdapat arus, gelombang dan sifat kimia air laut yang korosif, maka perlu diberikan perlindungan terhadap pipa tersebut. Perlindungan anti korosi antara lain dengan lapisan High Density Polyethylene (HDPE) dan lapisan beton. Lapisan beton ini juga berfungsi sebagai pemberat untuk menjaga stabilitas pipa di bawah laut. Potongan melintang sebuah pipa bawah laut ditunjukkan gambar 2.14 di bawah ini.

Gambar 2.10 Ilustrasi penampang pipa bawah laut. Dan penamaan properti pipa sebagai berikut:

ID

: Diameter dalam pipa baja

OD (Ds) : Diameter luar pipa baja = ID + 2.ts ts

: Ketebalan dinding pipa baja

tcorr

: Ketebalan lapisan anti korosi (corrosion coating)

tcc

: Ketebalan lapisan beton (concrete coating)

Wst

: Berat pipa baja di udara


OTEC Ocean Sustainable Energy Wcorr

: Berat lapisan anti korosi di udara

Wcc

: Berat lapisan beton di udara

Wcont

: Berat content (isi pipa) di udara

Wbuoy

: Berat/gaya apung (buoyancy)

Wsub

: Berat pipa di dalam air (terendam)

ρs

: Massa jenis baja

ρcorr

: Massa jenis lapisan anti korosi

ρcc

: Massa jenis lapisan beton

ρsw

: Massa jenis air laut

ρcont

: Massa jenis content (isi pipa)

Dalam perhitungan beban yang akan diterima pipa, berat dari pipa itu sendiri juga diperhitungkan sebagai berat pipa terdistribusi merata per satuan panjang. Dalam analisis free span ini, perhitungan berat sendiri pipa dilakukan untuk dua fase, yaitu fase instalasi (pipa kosong) dan fase operasi (pipa dengan gas content).

Spesifikasi material Grade

Minimum Yield Strength lb/ in

2

Minimum

Tensile strength

YS/TS

MPa

lb/ in

2

MPa

Ratio

A25

25.000

172

45.000

310

0.556

A

30.000

207

48.000

331

0.625

B

35.000

241

60.000

413

0.583

X42

42.000

289

60.000

413

0.700

X46

46.000

317

63.000

434

0.730

X52

52.000

358

66.000

455

0.788

X56

56.000

386

71.000

489

0.789


OTEC Ocean Sustainable Energy X60

60.000

413

75.000

517

0.800

X65

65.000

448

77.000

530

0.844

X70

70.000

482

82.000

565

0.854

X80

80.000

551

90.000

620

0.889

Tabel Standard strength Grade and yield to tensile ratio

2.5.2 ROUTING ANALYSIS Seleksi dari rute pipa bawah laut untuk meminimalkan resiko yang berpotensi merusak pipa selama fasa instalasi dan operasi yang memungkinkan untuk menggelar pipa.Rute pipa yang optimum dipilih berdasarkan hasil survey detail diantara koridor pipa spesifik.

-Menghindari hambatan dasar -Menghindari gerakan signifikan pada dasar laut untuk meminimalisasi span yang tak tersupport -Meminimalkan crossing pipeline



2.5.3 WALL THICKNESS CALCULATION Perhitungan ketebalan pipa sangatlah penting mengingat terjadinya perbedaan tekanan antara bagian dalam pipa dan diluar pipa sehingga dapat menyebabkan buckling.Pipa semestinya didesain memiliki ketebalan yang cukup untuk men ghindari buckling. (DnV1981)

t

 Pi  Pe  D 2..S.kt

dimana:

t = nominal wall thickness

Pi =Pressure internal (pressure design)


OTEC Ocean Sustainable Energy Pe =External pressure D=Outside diameter

 = Usage factor S=SMYS (Specified Minimum Yield Stress)

Buckling types Local Buckling: - Collapse due to external pressure - Buckling due to combined bending and external pressure - Propagating Buckles Propagasi buckle pada pipa sangat susah untuk diprediksi sebab dapat terjadi dengan tekanan yang kecil dibanding dengan collapse pipa.untuk itu, jika sebuah buckle propagation terjadi, maka akan berlanjut sepanjang pipa pada kedua arah yang sama hingga mencapai kedalaman air yang cukup dangkal untuk mengurangi tekanan external dibawah tekanan propagasi.Jadi dibutuhkan untuk mendesain buckle arrestor untuk membatasi buckle propagating yang hanya terjadi pada bentang buckle arrestor.(API RP 11 ) Global Buckling: - Lateral Buckling -Upheavel Buckling -Downward Buckling Upheaval dan lateral buckling disebabkan oleh gaya tekan longitudinal pada dinding pipa dan isis cairan.Perhitungan dari longoitudinal stress dapat dengan mudah salah jika tidak dihitung secara sistematis.

Propagating Buckles:

 Po  Pi  

f p Pp

Dimana :

t  Pp  24 S   D

2.4

Buckle Propagation pressure (psi)

f p = 0,8 (propagating design factor)

Pi = Pressure internal (pressure design)


OTEC Ocean Sustainable Energy Pe = External pressure

Local buckling adalah deformasi dari cross section pipeline Pada studi kasus dimana tidak ada external pressure,maka stress circumferential ditentukan dan diberikan oleh formula berikut:

SH 

pR t

Dimana P is the internal pressure, which is the Barlow formula Equation

The longitudinal strain  L is given by the stress-strain relation for a linear elastic isotropic material:

L 

1   sH  sL    E

Dimana

 L = longitudinal strain s L = longitudinal stress s H =circumferential stress E = modulus young

 =Poisson ratio  =Koefisien ekspansi thermal linear

 =perubahan temperature Analisis Upheavel movement y  1/ 2  H 1  cos  2 x / L  

Dimana


OTEC Ocean Sustainable Energy y= ketinggian x=jarak horizontal

Ketahanan pipa yang terkubur pada tanah atau batu nonkohesif:

H  q '   HD  1  f  D  Dimana

 =Berat unit tanah yang terkubur. H= Ketinggian tanah yang menutupi D= Diameter luar pipa f= Uplift koefisien 0.7 (rock) and 0.5(sand)

Buckle arrestor design Pada laut dalam, tidak layak secara ekonomi untuk mendesain ketebalan pipa untuk menjawab tantangan kriteria propagasi.Ketebalan dinding dapat berkurang dari perhitungan minimum berdasarkan kriteria buckles dan buckle arrestor di rekomendasikan untuk membatasi resiko dari buckle propagasi.

Buckle arrestor merupakan alat yang terpasang atau di las sebagai bagian dari pipa, diletakkan pada interval yang lapang sepanjang pipa, mampu membatasi sebuah kegagalan collapse pada interval antara arrestor.

D =Diameter luar pipa, mm(in)

Da =Diameter luar dari arrestor pipa mm(in) L =Panjang dari buckle arrestor t =Ketebalan minimal pipa, mm(in.)

ta =Ketebalan pipa dari buckle arrestor, mm(in)

Tekanan minimum yang dibutuhkan untuk menghitung arrestor yang diberikan dari OTC 10711 dan menggunakan safety factor sebesar 1,35.


OTEC Ocean Sustainable Energy Pm =1,35 Pe Dimana: Pm =Tekanan minimum yang dibutuhkan untuk cross over arrestor, in N/ mm 2 (psi)

Pe =Tekanan hidrostatis external, in N/ mm 2 (psi) Ketebalan Buckle arrestor minimum yang dibutuhkan menggunakan persamaan untuk tebal dinding pipa.

 1, 35. SW .g .WD  ta  Da    24 y   Dimana ;

ta = Ketebalan arrestor yang dibutuhkan Da = Diameter luar arrestor

 SW = Seawater density g = Percepatan gravitasi WD = Kedalaman air maximum

 y =Specified Minimum Yield Strength (SMYS) dari material arrestor

Tabel perhitungan Wall thickness yang dibutuhkan untuk mencegah buckling pada CWP menurut kapasitas power plant:

Power

CWP Length

CWP Diameter

p

Wall Thickness

Mwe

(m)

(m)

(kPa)

Steel Alumunium Concrete FRP

40

800

8.32

16.4

2.76

3.94

7.31

6.30

1000

7.13

16.1

2.35

3.35

6.23

5.37

800

8.74

15.0

2.82

4.02

7.45

6.42

1000

8.74

14.1

2.76

3.93

7.30

6.29

800

10.09

13.6

3.15

4.49

8.33

7.18

1000

10.09

14.4

3.21

4.57

8.49

7.32

60

80


OTEC Ocean Sustainable Energy 2.5.4 SUBMERGED WEIGHT CALCULATION Ouside diameter

Dtot  Ds  2tcorr  2t cc

Elastic modulus

  EI  E.   Ds 4  ID 4    64 

Inertia

I

 Ds 4  ID 4   64

Weight of pipe Steel weight Wst 

 Ds 2  ID 2   S  4

Corrosion coating weight Wcorr 

Concrete coating weight Wcc 

Content weight Wcontent 

 2 Ds  2tcorr   Ds 2   corr   4

 2 2 Dtot   Ds  2tcorr    cc   4

 2 ID .content 4

Added mass

Total effective weight Weff  Wst  Wcorr  Wcc  Wcontent  Wadd External pressure Pe   SW .g .d Pressure difference P   Po  Pe

2.5.5 ON BOTTOM STABILITY Sebuah pipa harus stabil diatas seabed.jika terlalu ringan, maka akan meluncur kesamping akibat gaya dari arus dan gelombang.Di lain pihak, jika terlalu berat, akan menjadi susah dan mahal untuk membangunnya.


OTEC Ocean Sustainable Energy Untuk mengatasi hal tersebut, desain dapat meningkatkan berat pada pipeline dengan menambahkan concrete coating weight yang juga dapat memberikan proteksi mekanis terhadap korosi.

W    FL    FD  FI  Fw  Berat submerged yang dibutuhkan

  1 W   FL   FD  FI   Fw    Dimana Lift force FL 

1  sw 2 D(tcc )CL U s cos( )  U D  2 g

Gaya lift force bekerja dalam arah tegak lurus arah rambatan gelombang/arus.Gaya angkat ini terjadi akibat adanya konsentrasi streamline pada bagian atas pipa.Konsentrasi streamline membuat kecepatan arus pada atas pipa menjadi besar, sehingga tekanan hidrodinamik mengecil,dan pipa menjadi terangkat.Jika terdapat celah antara pipa dan seabed,maka konsentrasi streamline akan terjadi,sehingga dengan proses yang sama pipa akan jatuh kembali,atau dengan kata lain gaya angkat akan bernilai negative.

Drag Force FD 

1  sw 2 D (tcc )CD U s cos( )  U D  2 g

Adanya tanda absolut menyatakan bahwa arah gaya harus dan pasti searah dengan arah arusnya.Kecepatan arus total adalah jumlah atau superposisi dari kecepatan arus akibat gelombang (wave-induced current) dan kecepatan arus pasut (tidal current).Luas proyeksi pipa merupakan proyeksi pipa dari tampak depan tegak lurus arah arus.

 D (tcc ) 2  sw Inertia Force FI  CM As sin( ) 4 g


OTEC Ocean Sustainable Energy Gaya inersia terjadi pada struktur akibat gaya oleh perubahan perpindahan massa air yang disebabkan oleh keberadaan pipa. Faktor yang mempengaruhi gaya inersia adalah percepatan partikel air.Perubahan perpindahan massa diakibatkan oleh adanya fluktuasi percepatan arus. Untuk menentukan koefisien hidrocinamik (Cd,Ci ,Cl) maka ditentukan terlebih dahulu bilangan

reynould number Re 

V .L dimana:  Re  Re ynould number

V  Kecepa tan partikel

  kinematic velocity 2.5.6 IN PLACE STRENGTH DESIGN In place strength desain merupakan inti analisis dari free span. Menurut definisinya, free span adalah bentang bebas. Pada pipa bawah laut/subsea pipeline yang tergeletak pada seabed, free span terjadi akibat ketidak-rataan (uneven) permukaan dasar laut dengan kurvatur yang tidak memenuhi kurvatur natural dari pipa tersebut, sehingga bentang pipa akan menggantung. Selain itu, free span juga dapat terjadi jika pada rute pipa tersebut memiliki persimpangan (crossing) dengan pipa atau kabel lain di bawah laut.Dimulai dari perhitungan terhadap stress atau tegangan-tegangan yang terjadi pada pipa baik itu horizontal ataupun vertical,baik itu oleh panas ataupun kesemuanya mempengaruhi free span. Hoop stress Hoop stress atau tegangan tangensial ini merupakan tegangan yang terjadi akibat tekanan yang diberikan pada suatu silinder dan bekerja pada dinding silinder tersebut.Untuk pipa bawah laut, maka tekanan tersebut diberikan dari dalam pipa dan dari luar pipa.Penurunan persamaan hoop stress menggunakan asumsi silinder berdinding tipis.

Hoop Stress

y 

 Pi  Pe  D 2t

o

dimana  y =hoop stress


OTEC Ocean Sustainable Energy Pi =Internal pressure Pe =external pressure D o =outside diameter t = nominal pipe wall thickness Longitudinal stress Longitudinal stress merupakan kombinasi dari bending stress, thermal stress, end cap effect, dan poisson effect. Longitudinal stress ini merupakan tegangan aksial yang bekerja pada penampang pipa. Persamaan longitudinal stress adalah sebagai berikut;

 L   B   ep   T   p Bending stress Tegangan tekuk (bending stress) terjadi akibat adanya momen tekuk pada pipa, sehingga perlu diketahui beban total penghasil gaya tekuk pada pipa. Beban ini merupakan kombinasi dari berat pipa dalam air dan gaya hidrodinamik horizontal dengan persamaan berikut; 2

q  Wsub 2   FD  FI max Maka, tegangan tekuk maksimum yang terjadi adalah;

B 

M B . y M B .Dtcc  I 2. I

Persamaan momen tekuk statik maksimum (MB) diberikan oleh DNV 1981 sebagai berikut;

MB 

q.Leff 2 C

Thermal stress Thermal stress adalah tegangan yang terjadi akibat adanya ekspansi yang terjadi pada pipa.Persamaan tegangan pemuaian adalah sebagai berikut:

 T  E.T .T


OTEC Ocean Sustainable Energy Dimana; E

= modulus elastisitas baja

αT

= perbedaan temperatur antara kondisi instalasi dan operasional

ΔT

= koefisien ekspansi thermal

Poisson stress Poisson stress merupakan tegangan yang terjadi akibat adanya tegangan residual pada saat fabrikasi pipa, sehingga pipa harus kembali ke keadaan semula. Maka, kembalinya pipa ke keadaan semula menyebabkan terjadinya gaya aksial, sehingga menyebabkan kontraksi pada dinding pipa.

 p . H

Von Mises

 e   x 2   y 2   y x  3 t

Dimana  e =maximum equivalent stress  y =hoop stress  x =longitudinal stress   =maximum tangential shear stress

Allowable freespan static

La 

2.C. e W .Dtot

La =allowable ststic freespan C= 8.0 for pinned to pinned condition I=moment of inertia  e =equivalent stress W=distributed load



Allowable freespan dynamic Pada perhitungan freespan dynamic, yang perlu diperhatikan adalah Vortex Induced Vibration (VIV).Fenomena VIV adalah fenomena terjadinya vibrasi atau getaran yang terjadi akibat resonansi yang disebabkan oleh terbentuknya wake atau vortex di belakang struktur membelakangi arah aliran sehingga meyebabkan fatigue pada pipa akibat span dynamic yang berlebihan. Ketika aliran fluida mengalir melewati pipa, maka akan terbentuk vortex di belakang pipa. Vortex ini disebabkan adanya turbulensi dan ketidak stabilan aliran di belakang pipa. Pembentukan vortex (vortex sheeding) ini menyebabkan perubahan tekanan hidrodinamika secara periodik pada pipa, sehingga mengakibatkan bentang pipa (pipe span) bervibrasi dan akan menjadi fatigue. Frekuensi vortex shedding yang terjadi tergantung pada diameter pipa dan kecepatan aliran. Mengacu pada DNV 1981, frekuensi vortex ini disebut juga frekuensi Strouhal. Jika frekuensi Strouhal ini memiliki besar yang mendekati atau bahkan menyamai frekuensi natural pipe span, maka akan terjadi resonansi pada pipe span tersebut. Resonansi yang terjadi dapat mengakibatkan kegagalan/collapse pada pipe span, dengan pola keruntuhan kelelehan (yielding) dan tentunya keruntuhan kelelahan (fatigue).

Vortex shedding frequency

fV

fv 

St (U w  d ,   U c ) Dtot

= frekuensi vortex shedding

Uc+Uw = kecepatan aliran total S

= bilangan Strouhal

Dtcc

= diameter pipa

Parameter lain yang menentukan tipe osilasi pipe dynamic span, yaitu:


OTEC Ocean Sustainable Energy Reduced velocity VR, parameter untuk penentuan range kecepatan aliran yang dapat menyebabkan vortex shedding.

VR 

V U  U w   c fn .D f n .D

dimana; V = kecepatan aliran total fn = frekuensi natural pipe span D = diameter pipa total terluar

Koefisien stabilitas K, parameter stabilitas yang mengontrol jenis gerakan osilasi.

KS 

2.M e .  .D 2

dimana; Me = massa efektif pipa ρ = massa jenis air laut δ = pengurangan redaman struktur secara logaritmik. Dari parameter penentu tipe osilasi diatas, maka tabel 2.3 menjelaskan kriteria osilasinya.

Parameter

Tipe shedding

Tipe osilasi

Simetris

In-line

V r > 2.2

Asimetris

In-line

Ks < 16

Asimetris

Cross-flow

1.0 < V r < 3.5 Ks < 1.8

Tabel 2.1 Kriteria Tipe Osilasi VIV

Setelah parameter-parameter pipe span diketahui maka critical pipesapan dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:



Critical pipesapan Lcr 

9.87 EI Vr Dtot 2 Weff  Wadd U w (d , )  U c

Significant Keulegan-carpenter number: K 

U sTu D

FREKUENSI NATURAL PIPA

Suatu free span memiliki frekuensi natural sebagai respon dinamiknya terhadap beban lingkungan dan operasi yang diterima. Besar frekuensi natural free span bergantung kepada jenis tanah, jenis perletakan ujung free span, beban yang diterima pipa, jenis material pipa dan gaya yang bekerja pada pipa. Perlunya diketahui frekuensi natural pipa agat tidak terjadi resonansi akibat kesamaan frekuensi pipa dengan frekuensi yang ditimbulkan oleh arus,jika terjadi resonansi maka pipa akan bergetar dengan cepatnya sehingga dapat terjadi fracture atau kepatahan.Frekuensi natural pipa dituliskan oleh persamaan berikut;

fO  C1. 1  CSF .

Seff  EI 2  . 1 C . C .    2 3  meff .Leff 4  PE D2 

Dimana; C1, C2, C3 = koefisien kondisi batas; tabel 3.11 E = modulus Young baja Leff = panjang span efektif D = diameter terluar pipa I = momen inersia penampang meff = massa efektif pipa Seff= gaya aksial efektif, tension bernilai positif = [massa total pipa + added mass (buoyancy) + massa content] x koef. Added mass



Ca = koefisien added mass =

0.68 

1.6 untuk e/D < 0.8 1  5e / D untuk e/D  0.8 1

CSF = faktor penguat akibat kekakuan beton. δ = defleksi statik, diabaikan untuk arah in-line. Tidak lebih dari 4D

(1  CSF ). 2 .EI PE=beban Euler buckling = Leff 2 Tabel 3.1 Koefisien Kondisi Batas Untuk Analisis Free Span (DNV RP F105)

Koefisien Pinned-pinned Fixed-fixed C1 C2 C3

1.57 1 0.8

3.56 0.25 0.2

C4

4.39

14.1

C5

1/8

1/12

C6

5/384

1/384

Single span on seabed 3.56 0.25 0.4 Shoulder: 14.1(L/Leff)2 Midspan: 8.6 Shoulder:

1 2

18  Leff / L   6

Midspan: 1/24 1/384




OCEAN RENEWABLE RESOURCES (OTEC)

Recommend Documents