1
SIMULASI THERMAL STRESS PADA TUBE SUPERHEATER YANG DIGUNAKAN PADA PEMBANGKIT UAP MINI ( MINI STEAM GENERATOR ) MENGGUNAKAN ANSYS 14,5
1,2
Daud Yusuf Matondang1 , Tugiman2 Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Harapan 2015 E-mail :
[email protected] Abstrak
Boiler merupakan bagian terpenting dari penemuan mesin uap yang merupakan pemicu lahirnya revolusi industry. Boiler merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menghasilkan steam (uap) dalam berbagai keperluan. Pada Tugas Akhir ini dilakukan simulasi thermal stress pada tube superheater yang digunakan pada pembangkit uap mini (mini steam generator) menggunakan program Ansys14,5. Material yang digunakan dalam simulasi ini adalah pipe steam ASTM A53 schedule 40. Dari simulasi menggunakan program ansys14,5 didapat equivalent stress tertinggi terletak pada ujung tube superheater yang diberi warna merah daerah kritis tersebut dengan nilai maksimum Equivalent Stress (Tegangan Maksimum) pada Tube Superheter adalah sekitar 3,46x108 Pa sedangkan nilai minimum adalah sekitar 1,40x105 Pa, sedangkan Total deformation maksimum yang diterima oleh lengkungan pipa bawah diberi warna merah daerah kritis ini adalah sebesar 0,000124 m, diakibatkan oleh tekanan 3 bar dan suhu thermal 75˚c, Jika temperatur tinggi akan mempengaruhi material superheater dan menyebabkan efek plastic deformation, sedangkan normal elastic strain tube superheater dengan nilai maksimum yang terbesar yang diterima yaitu 0,000825 m/m terletak pada ujung tube superheater bagian masuk dan keluar, sedangkan nilai minimumnya sebesar -0,000643 m/m. Dari hasil perhitungan untuk galat menghasilkan tegangan maksimum dan simulasi adalah G = 3,83%. Kata kunci: Ansys 14,5, Thermal stress.
Abstract Boiler is the most important part of the invention of the steam engine which is the birth of the industrial revolution trigger. Boiler is an equipment used to produce steam (vapor) in a variety of purposes. In this thesis simulated thermal stress on the superheater tubes used in the mini steam generator using the program Ansys 14.5. Simulation of natural material used is the steam pipe ASTM A53 schedule 40. From the simulations obtained using the program Ansys 14.5 Equivalent highest stress is located at the end of the superheater tube wich is colored red the critical region with a maximum value of equivalent stress on superheater tube is about 3.46x108 Pa While the minimum value is about 1.40x105 Pa While the total maximum deformation as they arrive by arch pipe is colored red under this critical area is equal to 0.000124 m. Caused by pressure of 3 bar and a tempature of thermal 75˚c. If the high tempature will affect the superheater material and cause the effect of plastic deformation, while the normal elastic strain superheater tube with the largest maximum value received is 0.000825mm/mm located at the end of the superheater tube inlet and exit,while the minimum value of -0.000643 m/m. From the results of the calculation for error generating maximum voltage and simulations is G = 3.83%. Keywords: Ansys 14.5, Thermal stress.
1. Pendahuluan Latar Belakang Boiler merupakan bagian terpenting dari penemuan mesin uap yang merupakan pemicu lahirnya revolusi industri. Boiler merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk menghasilkan steam (uap) dalam berbagai keperluan. Air di dalam
boiler dipanaskan oleh panas dari hasil pembakaran bahan bakar (sumber panas lainnya) sehingga terjadi perpindahan panas dari sumber panas tersebut ke air yang mengakibatkan air tersebut menjadi panas atau berubah wujud menjadi uap. Air yang lebih panas memiliki berat jenis yang lebih rendah dibanding dengan air yang lebih dingin, sehingga terjadi perubahan berat jenis air di dalam boiler. Air yang memiliki berat jenis yang
2
lebih kecil akan naik, dan sebaliknya air yang memiliki berat jenis yang lebih tinggi akan turun ke dasar. Tube superheater pada ketel uap terbuat dari baja karbon (carbon steel). Bahan yang sama juga dapat digunakan untuk jalur kondensat, walaupun pipa tembaga lebih disukai oleh beberapa industri. Untuk saluran tube superheater lewat jenuh yang bersuhu tinggi, ditambahkan bahan campuran seperti chromium dan molybdenum untuk memperbaiki kuat tarik dan resistansi terhadap golakan pada suhu tinggi. untuk itu perlunya pengujian lebih mendalam terhadap material yang di gunakan dalam pembuatan (steam generator), pengujian yang akan di lakukan terhadap material baja karbon adalah pengujian menggunakan simulasi ANSYS Workbench for windows, dimana pengujian ini bertujuan untuk mengetahui thermal stress pada material terhadap tekanan, temperatur dan mengetahui nilai rata-rata terhadap material yang di gunakan untuk tube superheater, dan pengujian akan lebih akurat dan ekonomis karena hanya menggunakan computer sebagai alat untuk mengujinya.
Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah: 1. Di bidang akademik, penelitian ini dapat digunakan sebagai referensi tambahan untuk penelitian tentang material baja yang digunakan dalam pembuatan turbin uap. 2. Di bidang industri, dapat digunakan sebagai acuan atau pedoman dalam pembuatan turbin uap yang terbuat dari material baja khususnya pada pembangkit uap (steam generator).
2. Tinjauan pustaka Pengertian Boiler Boiler sering juga disebut ketel uap, yaitu suatu komponen yang berfungsi sebagai tempat untuk menghasilkan uap, energi kinetiknya digunakan untuk memutar turbin. Uap yang dihasilkan mempunyai suhu dan tekanan tertentu sedemikian rupa hingga dapat beroperasi seefesien mungkin, dan dapat diperlihatkan pada gambar 1.
Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah Melakukan simulasi thermal stress terhadap tube superheater yang digunakan pada pembangkit uap mini (mini steam generator) dianalisa menggunakan prosedur analisa static structur. Tujuannya untuk mengetahui respon tube superheater akibat tekanan dan temperature thermal. Hasil kajian, menggunakan program Ansys Workbench didiskusikan untuk mengevaluasi kegagalan tube superheater boiler.
Gambar 1. Boiler pipa air (mini steam generator)
Tujuan penelitian
Pengertian Superheater
Tujuan umum
Pada sistem pembangkit tenaga uap dibutuhkan superheater. Uap berasal dari ketel uap, fungsi superheater pada pemanasan ini yaitu meningkatkan kualitas uap yang dihasilkan ketel uap. Uap yang dihasilkan ketel uap masih berupa uap basah. Jika uap basah ini digunakan langsung untuk menggerakkan turbin, maka kurang mnguntungkan. Selain sudut turbin uap akan cepat rusak, kerja yang dihasilkan juga tidak optimum. Dengan pemakaian superheater, uap basah ketel uap turbin akan dikeringkan. Sehingga meningkatkan kuliatas dan memberikan kerja pada turbin uap yang lebih baik .
Tujuan umum penelitian ini adalah dapat melakukan simulasi thermal stress pada tube superheater yang di gunakan pada pembangkit uap mini (mini steam generator) menggunakan Ansys 14,5.
Tujuan khusus Tujuan khusus dalam penelitian ini adalah untuk: 1. Mendapatkan nilai tegangan maksimum akibat simulasi pada tube superheater yang di gunakan pada pembangkit uap mini (mini steam generator). 2. Mengetahui tekanan dan temperatur pada tube superheater. 3. Menganalisa kegagalan akibat thermal stress pada tube superheater yang di gunakan pada pembangkit uap mini (mini steam generator).
Siklus Rankine Siklus Rankine adalah siklus daya uap yang digunakan untuk menghitung atau memodelkan proses kerja mesin uap / turbin uap. Siklus ini bekerja dengan fluida kerja air. Semua PLTU (pembangkit listrik tenaga uap) bekerja berdasarkan prinsip kerja siklus rankine. Siklus Rankine pertama kali dimodelkan oleh: William John
3
Macquorn Rankine, seorang ilmuan Scotlandia dari Universitas Glasglow. gambar 2 (Yunus A. Cengel Michael A. Bole) siklus rankine dan diagram T-S siklus rankine.
kubik berpusat ruang menjadi kubik berpusat sisiatau heksagonal. Dengan perubahan struktur kristal, besi adakalanya memiliki sifat magnetik dan adakalanya tidak. Besi memang bahan bersifat unik. Bijih besi bertebaran hampir di seluruh permukaan Bumi dalam bentuk oksida besi. Meskipun inti Bumi tersusun dari logam besi dan nikel, oksida besi yang ada di permukaan Bumi tidak berasal darinya, melainkan dari meteor yang jatuh ke Bumi.
Kelebihan dan Kekurangan Baja Gambar 2. Siklus Rankine Siklus Rankine yang ideal tidak melibatkan ketidak dapat baliknya intern dan terdiri dari empat proses, yaitu :
1-2 isentropik kompresi pompa. 2-3 Konstan penambahan panas tekanan dalam boiler. 3-4 isentropik ekspansi dalam turbin. 4-1 Tekanan Konstan penolakan panas dalam kondensor.
Baja Karbon Baja adalah bahan dasar vital untuk industri. Semua segmen kehidupan, mulai dari peralatan dapur, transportasi, generator pembangkit listrik, sampai kerangka gedung dan jembatan menggunakan baja. Eksploitasi besi baja menduduki peringkat pertama di antara barang tambang logam dan produknya melingkupi hampir 95 persen dari produk barang berbahan logam. Belakangan dunia perindustrian digemparkan oleh kabar peningkatan performan (kekuatan dan umur) baja menjadi dua kali lipat. Untuk mendapatkan baja dengan kekuatan sama dengan yang konvensional, hanya perlu setengah dari bahan sebelumnya dengan ketebalan dan berat juga setengahnya. Baja super ini diperoleh dengan menghaluskan struktur mikronya menjadi seperlima dari baja sebelumnya atau bahkan lebih kecil lagi (di bawah 1 mikrometer). Nakayama Steel, sebuah perusahaan di Jepang, telah berhasil memproduksi lembaran baja super dengan kekuatan tarik 600 MPa atau sekitar 1,5 kali kekuatan tarik baja biasa. Kenaikan performan baja diharapkan dapat mengurangi berat bahan sehingga meningkatkan efisiensi dan menghemat sumber daya alam. Baja adalah paduan logam yang tersusun dari besi sebagai unsur utama dan karbon sebagai unsur penguat. Unsur karbon inilah yang banyak berperan dalam peningkatan performan. Perlakuan panas dapat mengubah sifat baja dari lunak seperti kawat menjadi keras seperti pisau. Penyebabnya adalah perlakuan panas mengubah struktur mikro besi yang berubah-ubah dari susunan kristal berbentuk
Adapun kelebihan dari material baja adalah : 1. Kuat tarik tinggi 2. Tidak dimakan rayap 3. Hampir tidak memiliki perbedaan nilai muai dan susut 4. Bisa di daur ulang 5. Dibanding Stainless Steel lebih murah 6. Dibanding beton lebih lentur dan lebih ringan 7. Dibanding alumunium lebih kuat Adapun kekurangan dari material baja adalah : 1. Bisa berkarat. 2. Lemah terhadap gaya tekan. 3. Tidak fleksibel seperti kayu yang dapat dipotong dan dibentuk berbagai profil.
Diagram Fasa Fe-C Diagram fasa adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dengan kadar karbon, dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan. Diagram fasa Fe-C merupakan diagram yang menjadi parameter untuk mengetahui segala jenis fasa yang terjadi didalam baja, serta untuk mengetahui faktor-faktor apa saja yang terjadi di dalam baja paduan dengan berbagai jenis perlakuan dan dapat diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Diagram Fasa Fe-C
Tegangan, Regangan Elastisitas Sederhana
dan
Modulus
Tegangan Sebuah bahan yang menerima beban eksternal akan memberi reaksi yang berupa gaya dalam, yang besarnya sama tapi arahnya berlawanan. Besarnya gaya persatuan luas pada bahan tersebut disebut
4
sebagai tegangan. Adapun gaya (beban) yang terjadi selama pemberian beban adalah gaya aksial. Gaya aksial adalah gaya yang menyebabkan suatu material memanjang/memendek dengan arah aksial atau biasa disebut dengan gaya normal. Dimana A adalah luas penampang yang menahan P. Intensitas gaya yang terbagi pada luasan seluas A disebut tegangan, (sigma) Maka dapat ditentukan persamaan dari F→ adalah resultante gaya internal di penampang A.
Regangan Jika suatu benda diberi beban, akan mengalami perubahan bentuk (deformasi) memanjang, memendek, membesar, mengecil dan sebagainya. Regangan normal karena beban aksial material yang menerima pembebanan akan mengalami deformasi. Perbandingan antara deformasi dengan panjang mula-mula disebut sebagai regangan, (epsilon). ( 2.2 )
F = Gaya (N) A = Luas (m2)
Dimana :
Tegangan (N/m2)
L = Panjang mula-mula.
1 N/m2 = 1 Pa 2
= Panjang setelah dikenai beban.
3
1 kN/m = 10 N/m2 = 103 Pa = 1 kPa 6
6
Modulus Elastisitas (Ε)
2
1 MPa = 10 Pa = 10 N/m
1 GPa = 109 Pa = 109 N/m2 Beban aksial
= Regangan.
tegangan normal
Tegangan normal merupakan tegangan pada bidang yang tegak lurus dengan arah gaya. σ = F/A bukan tegangan di suatu titik pada penampang A, tetapi tegangan rata-rata semua titik pada penampang A. Pada umumnya tegangan di suatu titik tidak sama dengan tegangan rata-rata. Tetapi dalam prakteknya, tegangan ini dianggap seragam, kecuali pada titik beban, atau adanya konsentrasi tegangan. Tegangan tarik adalah tegangan yang diakibatkan beban tarik atau beban yang arahnya tegak lurus meninggalkan luasan permukaan. Tegangan tekan adalah tegangan yang diakibatkan beban tekan atau beban yang arahnya tegak lurus menuju luasan permukaan. Suatu benda yang statis, jika dipotong harus tetap statis terhadap resultan gaya = 0 . Tegangan geser adalah tegangan yang diakibatkan oleh gaya yang arahnya sejajar dengan luasan permukaan (gaya tangensial). A adalah luas penampang yang menahan beban. Tegangan yang terjadi pada luasan A disebut tegangan geser, τ (tau). Jika permukaan geser hanya satu, maka disebut geseran tunggal. Nilai tegangan dapat dicari dengan rumus : ( 2.1 )
dimana : F = Beban yang diterima pada luas penampan material (Kgf). A = Luas penampang dari specimen ( )
Pada tahun 1676 Robert Hooke menyatakan bahwa semakin besar nilai tegangan suatu benda maka akan semakin besar juga nilai tekanannya karena tegangan dan tekanan itu berbanding lurus, pernyataan Hooke itu sekarang dikenal dengan sebutan Hukum Hooke (Hooke’s Law). Secara matematik, pernyataan Hooke tersebut dapat ditulis sebagai berikut: ( 2.3 )
dimana : σ = Nilai tegangan (N/m2). = Modulus elastisitas (MPa). = Nilai Regangan (mm/mm).
Kurva tegangan-regangan Hasil-hasil pengujian biasanya tergantung pada benda uji. Karena sangat kecil kemungkinannya kita menggunakan struktur yang ukurannya sama dengan ukuran benda uji, maka perlu menyatakan hasil pengujian dalam bentuk yang dapat diterapkan pada elemen struktur yang berukuran berapapun. Cara sederhana untuk mencapai tujuan ini adalah dengan mengkonversikan hasil pengujian tersebut ke tegangan dan regangan. Jika sebuah benda diberi gaya tarik, maka benda tersebut akan meregang (berdeformasi memanjang), Keadaan ini disebut sebagai keadaan elastis, sebagaimana beban aksial yang bertambah bertahap, pertambahan panjang terhadap panjang gage diukur pada setiap pertambahan beban dan ini dilanjtukan sampai terjadi kerusakan (fracture) pada specimen, maka dapat di perhatikan alur keruntuhan dari sebuah benda dengan alur seperti gambar 4, yang dimulai dari titik awal (tegangan = 0 dan regangan = 0) hingga mencapai titik putus, disini terlihat, bahwa saat deformasi benda sudah mencapai batas elastisnya (sudah mencapai titik leleh), benda tidak
5
langsung putus, tetapi mengembangkan regangannya terlebih dahulu hingga mencapai titik batasnya baru kemudian putus dan dapat diperlihatkan pada gambar 4. .
menggunakan Diagram Lingkaran Mohr, yang dikembangkan oleh Otto Mohr. Diagram lingkaran Mohr menggambarkan keadaan tegangan pada suatu elemen fisik dengan menggunakan dua buah sumbu. Sumbu absis digunakan untuk menggambarkan tegangantegangan normal (normal stress), dan sumbu ordinat digunakan untuk menggambarkan tegangan-tegangan geser (shear stress) dan dapat diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 4. Kurva tegangan-regangan
Thermal Stress Thermal stress ialah tegangan yang terjadi akibat adanya perbedaan temperatur pada suatu material dimana besarnya setara dengan regangan yang timbul pada suatu material yang memuai. Pada saat terjadi kenaikkan temperatur material akan menerima distribusi panas yang berbeda pada tiap bagian. Distribusi panas yang terjadi menyebabkan terjadinya tegangan panas.
Gambar 5. Lingkaran Morh Gambar 5. merupakan gambar Lingkaran morh ini digunakan untuk menggambarkan keadaan tegangan yang terjadi pada bahan. Adapun persamaan untuk menghitung lingkaran morh dinyatakan (perencanaan teknik mesin,Joseph E. Shigley) dalam persamaan 2.5. dan 2.6. sebagai berikut:
Thermal stress merupakan penggabungan antara beban elastis ditambah dengan beban termal. Jika silinder menerima pembebanan kombinasi antara termal dan mekanik maka terjadi thermal stress pada dindingnya. Sementara itu, besarnya tegangan thermal yang dialami oleh pipa adalah dinyatakan (Fundamentals of Materials Science and Engineering, William D. Callister, Jr.) dalam persamaan 2.4. sebagai berikut:
( 2.5 )
( 2.6 ) Dimana : max = Gaya normal maksimum yang bekerja
min = Gaya normal minimum yang bekerja
( 2.4 )
x = Gaya yang bekerja sepanjang dimana :
σ = Nilai tegangan (Pa).
sumbu x
y = Gaya yang bekerja sepanjang
= Modulus elastisitas (MPa). α = koefisien ekspansi termal (1/°C).
sumbu y
xy = Tegangan geser
ΔT = beda temperature (˚C).
Lingkaran Morh
Autocad
Diketahui bahwa keadaan tegangan yang dialami oleh material, baik di dalam struktur maupun di dalam proses pembentukan logam merupakan sebagai akibat dari gaya-gaya eksternal yang diterimanya pada umumnya bersifat kompleks atau lebih dari satu sumbu (multiaksial). Berbagai cara dilakukan untuk mempermudah penggambaran keadaan tegangan spesifik tersebut. Salah satu metode yang paling banyak digunakan adalah metode penggambaran keadaan tegangan dengan
Computer Aided Design (CAD) merupakan salah satu cabang dari ilmu komputer grafis. Fungsi atau kegunaan dari CAD adalah sebagai alat bantu untuk merancang produk bagi perencana atau perancang dalam waktu yang relatif singkat dengan tingkat keakurasian yang tinggi. CAD biasanya dipergunakan oleh para perencana dan perancang untuk menuangkan ide mereka dalam bentuk gambar atau model. Dalam bentuk gambar dapat berupa gambar 2 dimensi (2D) dan Gambar 3
6
dimensi (3D) sebagai visualisasi dan diperlihatkan pada gambar 6.
dapat
Gambar 6. Autocad Keterangan : –
Toolbar; Merupakan sebuah gambar yang digunakan untuk perintah
–
UCS (User Coordinate System ); Sumbu koordinat ( x, y)
–
Toolbox; Berisi menu- menu toolbar yang digunakan saat kita bekerja
–
Drawing Area; Area untuk mendesain pada Autcad
–
Command Line; Tempat untuk menuliskan perintah dalam Autcad
–
Pointer; Penunjuk Mouse
–
Line; untuk membuat garis
–
Fillet; untuk menghubungkan dua baris yang berlawanan arahnya dengan sebuah busur.
–
Polyline edit; untuk mengubah LINE menjadi POLYLINE
–
Circle; untuk membuat gambar lingkaran
–
Rotate3d; untuk memutar sebuah object dengan besar sudut putar yang ditentukan sendiri serta titik pusat perputaran objek yang ditentukan sendiri
–
Extrude; perintah untuk membuat ketebalan pada polyline tertutup.
–
Substract; untuk mengurangi antara objek 3 dimensi, terlebih dahulu buat 2 buah objek 3 dimensi yang saling berpotongan.
Sejarah ANSYS Pada awalnya program ini bernama STASYS (Structural Analysis System), kemudian berganti nama menjadi ANSYS yang ditemukan pertama kali oleh Dr.John Swanson pada tahun 1970. ANSYS yang awalnya berasal dari nama produk komersial ANSYS Mechanical atau ANSYS Multiphysic, keduanya peralatan software analisis elemen hingga dengan bantuan komputer yang dikembangkan oleh ANSYS Inc. Perusahaan tersebut sebenarnya mengembangkan produk
software untuk teknik dengan bantuan komputer, akan tetapi lebih dikenal dengan produk komersial ANSYS Mechanical & ANSYS Multiphysic. Untuk pengguna tingkat akademik ANSYS Inc menyediakan versi nonkomersial ANSYS Multiphysic seperti ANSYS University Advanced dan ANSYS University Research. ANSYS Mechanical, ANSYS Multiphysic dan variasi nonkomersialnya secara umum yang digunakan dalam akademik adalah alat analisis yang berisi pre-processing (pembuatan bentuk geometrik, meshing), solver dan modul post-processing dalam satu kesatuan Graphic User Interface. ANSYS juga merupakan tujuan utama dari paket permodelan elemen hingga untuk secara numerik memecahkan masalah mekanis yang berbagai macam. Masalah yang ada termasuk analisa struktur statis dan dinamis (baik linear dan non-linear), distribusi panas dan masalah cairan, begitu juga dengan ilmu bunyi dan masalah elektromagnetik. ANSYS juga menyediakan alat-alat yang di butuhkan untuk menganalisis dan memperbaiki desain dari segala sesuatu dari komponen sederhana untuk struktur dan sistem kompleks. Alat ini tersedia didasarkan pada kehidupan nyata penggunaan oleh para insinyur diseluruh dunia. ANSYS membantu produsen mensimulasikan realitas, yang mengurangi kebutuhan untuk melakukan pengujian prototype fisik dan memungkinkan mereka untuk mempertimbangkan berbagai desain alternatif, sehingga akan menghemat jutaan dolar. Menggunakan ANSYS, insinyur dapat mengidentifikasi cacat desain manufaktur mereka lebih awal dalam siklus, mengurangi waktu kerusakan dari produk dan baiya garansi, sementara pada saat yang sama menghemat biaya material tanpa mengurangi integritas dari produk mereka.
Ansys Workbench Pada penelitian ini, thermal stress yang terjadi pada tube superheater didefinisikan sebagai fenomena engineering, yaitu termal-struktur. Untuk itu, analisa fenomena tersebut menggunakan program Ansys Workbench. Untuk memulai analisa menggunakan Ansys Workbench dapat dilakukan dengan langkahlangkah seperti pada gambar 7.
Gambar 7. Contoh hasil analisis ANSYS 14,5
7
Ansys Workbench menyediakan metode yang memungkinkan untuk berinteraksi dengan Ansys family solver. Workbench environment memberikan integrasi yang unik dengan sistem CAD. Ansys Workbench terdiri dari berbagai aplikasi: –
Mechanical; untuk melakukan analisa struktur dan termal menggunakan solver Ansys. Meshing juga termasuk dalam aplikasi mechanical
–
Geometry (DesignModeler); untuk membuat geometri dan menyiapkan model solid yang digunakan dalam aplikasi Mechanical.
Gambar 8. Perencanaan desain superheater dan instalasi Dalam perencanaan ini menggunakan menggunakan beberapa data dari lapangan yaitu : 1.
Tekanan P1 : 10 kpa = 0.1 bar
2.
Tekanan P2 : 300 kpa = 3 bar
Meshing Application; untuk menghasilkan mesh CFD dan Explicit Dynamics
3.
Temperatur T1 : 45,81oC
4.
Temperatur T2 : 200 oC
–
Design Exploration; optimasi
analisa
5.
Temperatur saturasi pada tekanan 300 kpa : 133,52 oC
–
Finite Element Modeler (FE Modeler); untuk menterjemahkan mesh NASTRAN dan ABAQUS agar dapat digunakan di Ansys Workbench.
6.
Diameter dalam pipa : 6.8 mm
7.
Diameter luar pipa : 10.3 mm
8.
Tebal pipa : 1.73 mm
–
BladeGen (Blade Geometry); membuat geometri sudut
Table 1. Material data sheet ASTM A53
–
Explicit Dynamics; untuk simulasi explicit dynamics dan menampilkan pemodelan nonlinear.
–
Engineering Data; untuk mendifinisikan sifat-sifat material
–
untuk
untuk
3. Metode penelitian Alat Laptop LENOVO G470
No. 1
Properties
value
3
Density (Kg/m )
7850 2
2
Modulus of elasticity (kN/mm )
210
3
Thermal conductivity (W/m.K)
51
2
4
Yield strength (N/mm )
205
5
Tensile strength ( N/mm2)
330
- Rating : 5,7 Windows Experience Index - Processor : Intel(R) Core(TM) i3-2330M CPU @ 2.20GHz 2.20GHz
Modeling Pipa dengan Autocad 2007
- Installed memory (RAM) : 4.00 GB
Desain tube superheater berdasarkan standar pipe steam schedule 40 seperti pada gambar 9.
- System type : 64-bit Operating System - Pen and Touch : No Pen or Touch Input is Available for this Display
Hasil Eksperimental Superheater adalah pipa-pipa panas yang berfungsi untuk memanaskan uap yang berasal dari drum uap menjadi uap panas lanjut. Superheater ini terletak pada bagian bawah sekali dari pada susunan komponen alat penukar kalor, pada alat pipa yang gunakan adalah pipe steam schedule 40. Kalor yang di butuhkan superheater dalam perencanaan pembangkit uap mini (mini steam generator) adalah 681,5 watt. Desain superheater yang direncanakan dapat dilihat dari gambar 8. Perencanaan desain superheater dan instalasi dibawah ini.
Gambar 9. Desain (permodelan dengan menggunakan AutoCad 2007).
8
Simulasi Ansys Workbench Buka Ansys Workbench, pilih Static Structural pada tab Analisys System maka dapat terlihat pada gambar 10.
Gambar 13. Pressure
4. Hasil dan Pembahasan Gambar 10. Start Ansys 14.5
Penentuan Thermal condition, Fixed support dan Pressure Thermal condition Pada klik geometri pilih pipa tersebut dan klik apply, detail of thermal condition dengan memberi suhu pada thermal 75˚c maka dapat terlihat pada gambar 11.
Perhitungan secara teoritis tegangan elastis Tegangan Elastis pada silinder Tegangan elastis yaitu jika suatu silinder menerima tekanan internal, maka tegangan normal yang akan timbul yaitu: tegangan tangensial pada permukaan luar, r=ro dapat dinyatakan (Hamdani, 2012) dengan persamaan berikut :
H
2.Pi.ri 2 ro 2 ri 2
Dimana: σH = Nilai tegangan tangensial (MPa). Pi = Tekanan internal (MPa). ri = Radius dalam (mm). ro = Radius luar (mm). Maka , Gambar 11. Detail of Thermal condition
Fixed Support Untuk tumpuan dapat dilakukan dengan cara yang sama. Klik kanan pada Static Structural> Insert> Fixed Support lalu Pilih geometri klik face 1 bagian awal dan face 2 akhir dari pipa Apply maka dapat terlihat pada gambar 12.
H
2 x0,3x(3,4) 2 0,4635 MPa (5,15) 2 (3,4) 2
tegangan radial pada permukaan luar, r=ro dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
R 0 tegangan aksial dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
Z
Pi.ri 2 ro 2 ri 2
Maka ,
Z
0,3x(3,4) 2 0,231MPa (5,15) 2 (3,4) 2
tegangan equivalen dihitung dengan persamaan : Gambar 12. Fixed Support
Pressure Untuk memberi tekanan dapat dilakukan dengan cara yang sama. Klik kanan pada Static Structural> Insert> Pressure. Pilih geometri klik face ke semua bagian dari pipa Apply, dengan memberi tekanan 300000 Pa maka dapat terlihat pada gambar 13.
1 [( H R )2 ( R Z )2 ( Z H )2 2
e
Maka ,
e
1 [(0,4635 0)2 (0 0,231)2 (0,231 0,4635)2 2
= 0,4041 MPa
4,041x107 Pa
9
Hasil Simulasi dengan software ANSYS 14.5 Pada hasil simulasi Thermal stress adalah tegangan yang terjadi pada superheater akibat perubahan temperatur. Thermal stress akan membuat superheater mengembang (memuai dan menyusut) dan akan mengalami failure pada suatu kondisi temperatur tertentu. Jika temperatur tinggi akan mempengaruhi material superheater dan menyebabkan efek plastic deformation. Plastic deformation adalah efek stress pada superheater sehingga superheater akan berada dalam kondisi plastis. Thermal stress dan Plastic deformation berhubungan dengan yield strength superheater. Yield strength menunjukkan ketahanan superheater untuk tetap mempertahankan bentuk awalnya (tidak failure) pada keadaan tension dan compression. Nilai yield strength superheater bergantung pada material superheater dan akan mengalami penurunan seiring dengan peningkatan temperatur. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan Ansys Workbench 14,5 dan Autocad 2007. Dalam mensimulasi, pemodelan dibuat dari Autocad 2007 yang kemudian diekspor ke Ansys Workbench 14,5 untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Simulasi dilakukan dengan memberikan tekanan dan suhu pada superheater. Pemodelan pipa superheater diberi tekanan 3 bar dan suhu thermal 75˚C. Setelah itu pada bagian ujung pipa masuk dan pipa keluar kita beri fixed support atau kita beri tegangan jepit dan melihat hasilnya di Solve.
Equivalent Stress (Tegangan Maksimum) pada Tube Superheter Kriteria yield dari von Mises menunjukkan bahwa pencapaian batas kekuatan bahan dimulai ketika invariasi (resultan) tegangan deviatorik kedua J2 mencapai nilai kritis k. Untuk alasan ini, kadang-kadang disebut plastisitas-J2 atau teori aliran J2. Ini adalah bagian dari sebuah teori plastisitas yang berlaku terbaik untuk bahan ulet, seperti logam. Sebelum hasil, respon material diasumsikan elastis. Dalam hal ini, material dikatakan untuk memulai batas yield ketika tegangan von Mises mencapai nilai kritis yang dikenal sebagai kekuatan luluh (σy). Von Mises stress digunakan untuk memprediksi batas kekuatan bahan dalam setiap kondisi pembebanan dari hasil tes sederhana tarik uniaksial. Tegangan von Mises memenuhi keadaan yang menyatakan dua arah tegangan dengan energi distorsi yang sama telah menyamai stres von Mises dan hasil dapat dilihat pada gambar 14.
Gambar 14. Equivalent Stress (Tegangan Maksimum) Pada gambar 14. merupakan equivalent stress (tegangan maksimum) dari hasil simulasi pada tube superheater dengan tekanan 3 bar dan suhu thermal 75˚c yang mana equivalent stress tertinggi terletak pada ujung tube superheater yang di beri berwarna merah daerah kritis tersebut dengan nilai maksimum Equivalent Stress pada tube superheater dengan menggunakan software ansys adalah sekitar 3,46x108 Pa, sedangkan nilai minimum adalah sekitar 1,40x105 Pa yang terletak pada tube superheater bagian lengkungan pipa tersebut.
Total Deformasi pada Tube Superheter Deformasi terjadi bila bahan mengalami gaya. Selama deformasi, bahan menyerap energi sebagai akibat adanya gaya yang bekerja sepanjang deformasi. Sekecil apapun gaya yang bekerja, maka benda akan mengalami perubahan bentuk dan ukuran. Perubahan ukuran secara fisik ini disebut deformasi. Deformasi ada dua macam yaitu deformasi elastis dan deformasi plastis. Yang dimaksud deformasi elastis adalah deformasi yang terjadi akibat adanya beban yang jika beban ditiadakan, maka material akan kembali keukuran semula. Sedangkan deformasi plastis adalah deformasi yang bersifat permanen jika bebannya dilepas. Penambahan beban pada bahan yang telah mengalami kekuatan tertinggi tidak dapat dilakukan, karena pada kondisi ini bahan telah mengalami deformasi total dan hasil dapat dilihat pada gambar 15.
10
Dimana: NT = nilai teori NS = nilai simulasi G = galat (%) Maka : G
Gambar 15. Total Deformasi. Pada gambar 15. merupakan total deformation dari tube superheater, yang mana total deformation ini merupakan perubahan bentuk, dimensi dan posisi dari suatu materi atau benda. Jika dilihat dari nilai maksimumnya maka tube superheater tidak mengalami sedikit perubahan dari segi bentuk, dimensi dan posisinya, lengkungan pipa bawah yang akan mengalami perubahan karena Total deformation maksimum yang diterima oleh lengkungan pipa bawah di beri warna merah daerah kritis ini adalah sebesar 0,000124 m dan nilai minimumnya sebesar 0 m yang terletak pada tube superheater bagian pipa masuk dan keluar yang diakibatkan oleh tekanan 3 bar dan suhu thermal 75˚c.
4,014 x107 3,86 x107 x100% 0,038 x100% 3,83% 4,014 x107
Dari hasil perhitungan untuk galat menghasilkan tegangan maksimum dan simulasi adalah G = 3,83%.
5. Kesimpulan dan saran Kesimpulan Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan, maka kesimpulan dari tube superheater ini yaitu: 1.
Berdasarkan hasil simulasi thermal stress pada tube superheater yang digunakan untuk pembangkit uap mini (mini steam generator), dengan menggunakan software ansys mendapatkan nilai maximum Equivalent Stress (Tegangan Maksimum) adalah sekitar 3,46x108 Pa.
2.
Hasil dari simulasi thermal stress mengetahui bahwa semakin besar suhu dan tekanan yang di berikan, semakin besar pula tingkat kegagalan pada tube superheater, maka mendapatkan nilai tekanan 3 Bar dan temperatur pada thermal 75 ˚C pada tube superheater.
3.
Dengan menggunakan analisa static structural, dapat mencari nilai kegagalan total deformasi akibat thermal stress pada tube superheater yang di gunakan pada pembangkit uap mini (mini steam generator), dengan menggunakan software ansys mendapatkan hasil nilai maximum total deformasi adalah sekitar 0,000124 m.
Pembahasan Besar tegangan pada tube superheater akibat tekanan 3 bar dan suhu thermal 75˚c. Bahwa tegangan yang paling besar terdapat pada bagian ujung pipa masuk dan keluar, ini ditunjukkan oleh warna merah daerah kritis tersebut, besar tegangan maksimum yang dihasilkan dalam simulasi ini adalah 3,46x108 Pa sedangkan hasil dari teori mendapatkan nilai maksimum adalah 4,041x107 Pa jadi hasil tegangan maksimum yang mendekati adalah 3,86x107 Pa dan hasil dapat dilihat pada gambar 16.
Saran 1.
Gambar 16. Besarnya tegangan maksimum pada tube superheater
Apabila ingin menganalisa melalui proses simulasi software, alangkah baiknya menggunakan hardware/komputer yang cukup mumpuni agar hasil simulasi merepresentasikan hasil yang akurat dan peneliti menyarankan agar menggunakan software simulasi dengan analisis system yang berbeda sebagai bahan perbandingan.
2.
Hasil galat memberikan / mengeluarkan nilai sebesar % dan hasil dari nilai simulasi dan nilai Teori. Galat dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
Diperlukan Kajian lebih lanjut tentang bentuk geometri dari tube superheater yang paling baik sehingga dapat mereduksi tegangan sebesar mungkin.
3.
Hasil skripsi ini dapat dijadikan rujukan dalam penelitian berikutnya.
11
Daftar pustaka 1.
Cengel. 2002 heat transfer
2.
Callister, William D,dkk. 1994. Material science and engineering (an introduction).
3.
Hamdani, ST, MT, Simulasi Thermal Stress Pada Tube Superheater Package Boiler.
4.
http://www.scribd.com/doc/192327912/Boil er.
5.
https://www.youtube.com/watch?v=8cXHL Lpt-Dk/ ANSYS_ Thermal stress and strain in solid.
6.
http://autocad.education.blogspot.com/2012/ 08/sejarah-dan-manfaat -programautocad.html.
7.
Joseph, Edward Shigley, 1983. Perencanaan Teknik Mesin, Edisi Keempat, Jilid1, Professor Emiritus, The University of Michigan.
8.
Nuzuli Fitriadi. Chapter6 Static Struktural Ansys Workbench, Magister of Mechanical Engineering – USU.
9.
S. P. Timoshenko, 1986. Teori Elastisitas, Edisi Ketga, Professor Emiritus of Engineering Mechanics.
10. ThyssenKrupp. Materials International.
