URKNIekno
logi Sep pember TUGAS AKHIR – TM 090340
ANALISA NUMERIK STRUKTUR TABUNG LPG DAN CNG SERTA RANCANG BANGUN SENSOR GAS FAHMI ERWINSYAH 2111030054 Dosen Pembimbing 1 Ir.Hari subiyanto.Msc Dosen Pembimbing 2 Hendro Nurhadi, Dipl. –Ing., Ph.D. JURUSAN D3 TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2014
ii
URKNIekno
logi Sep uluh Nopember FINAL PROJECT – TM 090340
ANALYSING OF NUMERIC STRUCTURE LPG AND CNG WITH DESIGN OF DETECTOR GAS FAHMI ERWINSYAH 2111030054 ADVISOR 1 Ir.Hari Subiyanto.Msc ADVISOR 2 Hendro Nurhadi, Dipl.-Ing., Ph.D. DIPLOMA III STUDY PROGRAM MECHANICAL ENGINEERING Industrial Technology Faculty Institute of Technology Sepuluh Nopember Surabaya 2014
ii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ............................................................... i LEMBAR PENGESAHAN ..................................................... iii ABSTRAK .............................................................................. iv KATA PENGANTAR ............................................................. vii DAFTAR ISI ........................................................................... ix DAFTAR GAMBAR .............................................................. xi DAFTAR TABEL .................................................................. xiii DAFTAR SIMBOL ................................................................. xv BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang 1.2. Rumusan Masalah 1.3. Tujuan 1.4. Batasan Masalah 1.5. Manfaat 1.6. Sistematika Penulisan
1 1 1 2 2 2 2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Compressed Natural Gas 2.2. Tabung CNG 2.2.1. Tabung tipe 1 (All metal cylinder) 2.2.2. Tabung Tipe 2 2.2.3. Tabung Tipe 3 2.2.4. Tabung Tipe 4 2.3. Keuntungan CNG 2.4. LPG (liquified petroleum gas) 2.4.1. Bagian tabung LPG 2.4.2. Bahan tabung LPG 2.5. Sejara Biogas 2.6. Sensor Gas LPG MQ 6 2.7. Desain Pressure Hull 2.7.1 Hoop stress 2.7.2 Longitudinal stress
5 5 7 7 8 9 10 11 12 13 13 14 15 16 16 17
ix
2.7.3 Radial stress 19 BAB III METODOLOGI ........................................................ 21 3.1. Diagram Alir dan Metode Tugas Akhir 21 3.2. Diagram Alir Parameter Input Pada Program 25 Simulasi Numerik 3.3. Diagram Alir Perancangan sensor gas 27 BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ........................... 29 4.1. komponen penyusun tabung LPG dan CNG 29 4.2. pemodelan Tabung LPG dan CNG dengan solodwprl 29 4.3. Validasi ( hand calculation ) 30 4.3.1. Perhitungan Pressure Vassel Tabung LPG 31 4.3.2. Perhitungan Pressure Vassel Tabung CNG 34 4.4. Simulasi Numerik tabung LGP dan CNG 36 4.4.1. Analisa Numerik Tabung LPG 36 4.4.2. Analisa Numerik Tabung CNG 39 4.5. Rancang Bangun Sensor Gas 43 4.6. Komponen rangkain Elektrik-Elektronik Sensor gas.... 43 4.6.1. Sensor MQ 6 43 4.6.2. Potensio Meter 45 4.6.3. Integrasi Sirkuit (IC)................................................. 46 4.6.4. Integrasi Sirkuit LM324 47 4.7. Rancang Bangun Rangkaian Elektrik-Elektronika 48 4.8. Skema Kerja Sensor Gas 48 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan 6.2. Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN BIODATA
x
53 53 53
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4
Daftar jenis-jenis material tabung LPG dan CNG analisa kekuatan struktur pressure hull Tabung LPG analisa kekuatan struktur pressure hull Tabung CNG Bagian-bagian sensor dan Material penyusun
xiii
29 39 42 44
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13 Gambar 4.14 Gambar 4.15 Gambar 4.16
Dimensi Tabung CNG Tabung CNG type 2 Tabung CNG type 3 tabung CNG typen4 Tabung LPG 3kg Sensor MQ-6 teganagn hoop Longitudinal stress Radial Stress Diagram Alir Penelitian Diagram Alir Parameter Input Pada Program Simulasi Numerik Diagram alir perancangan sensor gas Desain Tabung LPG 3kg Desain Tabung CNG Model 3 Dimensi Tabung LPG 3Kg Yang Sudah Di Export Ke ANSYS Model 3 Dimensi Tabung LPG 3Kg Yang Sudah Melelui Meshing Fix Support Pada Tabung LPG Pembebanan (tekanan didalam tangki) Simulasi Tabung LPG 3kg Model 3 Dimensi Tabung CNG Yang Sudah Di Export Ke ANSYS Model 3 Dimensi Tabung CNG Yang Sudah Melelui Meshing Fix Support Pada Tabung CNG Pembebanan (tekanan didalam tangki) Simulasi Tabung CNG Type sensor MQ 6 Bagian-bagian sensor Potensiometer Integrasi Sirkuit xi
8 9 10 10 13 16 17 18 19 22 25 27 30 30 37 37 38 38 39 40 40 41 41 42 43 44 45 46
Gambar 4.17 Gambar 4.18 Gambar 4.19
IC LM324 rangkain sensor gas Skema Detektor Gas
xii
47 48 49
KATA PENGANTAR Bismillaahharrahmaanirrahiim, Segala puji bagi Allah yang telah memberikan ridlo, rizki, hidayah, dan inayah-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “ANALISA NUMERIK STRUKTUR TABUNG LPG DAN CNG SERTA RANCANG BANGUN DETEKTOR GAS” Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis berusaha menerapkan ilmu yang didapat selama menjalani perkuliahan di D3 Teknik Mesin. Keberhasilan dalam penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan setingggitingginya kepada : 1. Bapak Ir. Hari Subiyanto, MSc. dan Bapak Hendro Nurhadi, Dipl. –Ing, Ph,D selaku dosen pembimbing, yang telah meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk memberikan ide, arahan, bimbingan dan motivasi selama pengerjaan Tugas Akhir ini. 2. Ibu Liza Rusdiyana,ST, MT selaku koordinator Tugas Akhir. 3. Bapak Bambang dan Ibu Siti Masnunah selaku orang tua serta Adek tercinta Ermaya dan zakiah yang selalu memberikan doa kesuksesan serta dukungan dalam bentuk apapun. 4. Bapak Ir. Arino Anzip, M.Eng.Sc. Selaku Dosen Wali 5. Segenap Bapak/Ibu Dosen Pengajar dan Karyawan di Jurusan D3 Teknik Mesin FTI-ITS, yang telah memberikan banyak ilmu dan pengetahuan selama penulis menuntut ilmu di kampus ITS. vii
6. Keluarga besar warga D3 Teknik Mesin 7. Pengurus Himpunan Mahasiswa D3 Teknik Mesin 2011/2012 dan 2012/2013 8. Rekan-rekan seperjuangan pengurus Himpunan Mahasiswa D3 Teknik Mesin 2011/2012 dan 2012/3013 9. Rekan-rekan lab mekatronika : Dili,candra,candra cilik, Dimas, Nurhadi, Aris, Icros, Luhur, Andik, wahyu, Nanang, Agil, kisah, Danang, Redy, ferliy, Faris, okik, yoga, Helmy,Guntur,janu,asep.endy 10. Nadhea cahya mawarni yang sudah memberi semangat dan do’a serta motivasi 11. Rekan-rekan seperjuangan Tugas Akhir dan semua pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan, motivasi dan doa kepada penulis selama pengerjaan Tugas Akhir ini. Semoga segala keikhlasan dan kebaikan yang telah diberikan mendapatkan balasan yang terbaik dari Allah SWT. “Semakin belajar, semakin tahu bahwa kita tidak banyak tahu”. Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi masyarakat luas khususnya masyarakat akademis. Semoga Tugas Akhir ini dapat memberi ide baru untuk pengembangan lebih lanjut beserta aplikasinya.
Surabaya, juli 2014
Penulis
viii
ANALISA NUMERIK STRUKTUR TABUNG LPG DAN CNG SERTA RANCANG BANGUN SENSOR GAS Nama Mahasiswa NRP Jurusan Dosen Pembimbing
: Fahmi Erwinsyah : 2111030054 : D III Teknik Mesin FTI–ITS : 1.Ir.Hari Subiyanto, Msc. 2. Hendro Nurhadi, Dipl. –Ing., Ph.D.
Abstrak Perkembangan teknologi di dunia semakin pesat, termasuk teknologi mengenai transportasi dengan sumber energi gas.Hal ini memicu pengembangan penggunaan energi gas dalam transportasi sebagai pengganti bahan bakar fosil, sebab energi gas lebih ramah lingkungan dan mudah terjangkau harganya. Disisi lain, dalam proses pembuatan sepeda motor berbahan bakar (BBG) harus memperhatikan struktur dari tabung yang akan di buat, karena tabung merupakan bagian yang berfungsi sebagai tempat menyimpan bahan bakar (BBG) di sepeda motor. Pada penelitian ini tabung harus dibuat seaman mungkin dengan adanya tekan gas yang cukup besar di dalamnya. Oleh karena itu kita perlu menganalisa struktur tabung dari penelitian ini dan memberi suatu pengaman seperti sensor gas. Struktur material Tabung LPG 3kg dan CNG berbahan SG295 steel dan AISI 4340 Steel.tabung lpg tegangan maksimal 7.9e+007 Pa dan tidak melebihi tegangan yang di ijin kan sehingga aman,sedang kan tabung cng di dapat teganagn maksimal 5.1391e+008 dan tidak melebih tegangan yang di ijinkan sehingga aman, sensor gas Nilai hambatan sensor akan turun seiring naiknya konsentrasi gas yg diberikan, dengan turunnya nilai hambatan ini maka tegangan outputnya akan naik. Kata Kunci : BBG, Tabung, Perancangan, dan Simulasi
iv
ANALYSING OF NUMERIC STRUCTURE LPG AND CNG WITH DESIGN OF DETECTOR GAS Student Name NRP Major Advisor
: Fahmi Erwinsyah : 2111030054 : D III Mechanical Engineering FTI-ITS : 1.Ir.Hari Subiyanto, Msc. 2.Hendro Nurhadi, Dipl. –Ing., Ph.D.
Abstract Technological developments in the world is rapidly increasing,including the technology of transportation energy sources gas.This sparked the development of energy use in the transportation of gas as a substitute for fossil fuels, because the gas is more environmentally friendly energy and easily affordable. On the other hand, in the process of making motorcycle fuel (BBG) have to pay attention to the structure of the tube that will be created, because the tube is the part that serves as a place to store fuel (BBG) in the motor bikes. In this study, the tube should be made as safe as possible in the presence of sizable gas tap in it. Therefore, we need to analyze the structure of thetubes of the study and provide a safety as gas sensors. Material structure 3kg LPG and CNG made fromsteeland AISI 4340 SG295 Steel.cilinder of lpg maximum voltage 7.9e +007 Pa and not exceed the voltage on it that permits safe, being in the right tube can cng maximum tensions 5.1391e +008 and not exceedvoltageallowedsosafe, gas sensorsobstacle sensor valuewillgodown as rising gas concentrationsgiven, with the decline in the value of this resistance output voltage will rise Keywords: BBG, Tubes, Design, and Simulation
v
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
vi
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1.
Latar Belakang
Perkembangan teknologi di dunia semakin pesat, termasuk teknologi mengenai transportasi dengan sumber energi gas. Saat ini harga BBM semakin mahal dan cadangannya menjadi sangat terbatas serta sulit dikendalikan untuk masa yang akan datang. Selain itu, terdapat isu lingkungan yang menjadi perhatian dunia yang tertuang dalam Education for Sustainable Development . Hal ini memicu pengembangan penggunaan energi gas dalam transportasi sebagai pengganti bahan bakar fosil, sebab energi gas lebih ramah lingkungan dan mudah terjangkau harganya. Selama ini transportasi dengan sumber energi gas kurang diminati dikarenakan keterbatasannya dalam hal jarak tempuh. Sehingga masih diperlukan suatu sistem untuk membuat kendaraan lebih efisien dalam penggunaan energinya, dari pada menggunakan BBM jika dibandingkan BBM dengan Gas, Dalam hal ini kita juga perlu memperhatikan penyimpanan bahan bakar gas,sebab sangat berbahaya sekali jika kita membuat tabung tidak memperhatikan karateristik material yang kita akan gunakan untuk membuat tabung ,sebab tabung yang akan kita gunukan untuk menyimpan bahan bakar gas akan menerima tekanan yang cukup besar dari gas,dan sering juga terjadi kebocoran gas sehingga terjadi hal yang tidak kita ingin kan seperti kebakaran dan oleh karena itu kita perlu menggunakan detector gas untuk mendeteksi kebocoran gas.. Mengacu pada permasalahan diatas maka dalam tugas akhir ini akan menganalisa struktur tabung CNG,LPG 3kg dengan metode numerik serta rancang bangun detektor gas.
1
1.2.
Rumusan Masalah 1.Bagaimana kinerja performen struktur tabung LPG dan CNG dengan menggunakan metode Numerik 2.Bagaimana cara rancang bangun sensor gas 1.3. Tujuan kegiatan Tugas Akhir 1.Mampu mengetahui kinerja performen struktur material pada tabung CNG dan LPG dengan metode numerik 2.Mampu membuat rancangan sensor gas 1.4. Batasan Masalah Agar permasalahan yang dibahas tidak terlalu melebar, maka diberikan batasan-batasan sebagai berikut : 1. LPG yang dibahas dalam penelitian ini menggunakan jenis LPG 3kg 2. Sensor yang dipakai hanya satu jenis yaitu sensor MQ-6 3. Material yang digunakan yaitu Baja lembaran pelat dan gulungan canai panas untuk tabung gas (SG 295). 4. Perhitungan dan analisa kekuatan hanya dilakukan pada tabung gas CNG dan tabung gas LPG 3kg 5. Perhitungan dan analisa kekuatan hanya pada bagian shell dan head yang diakibatkan oleh internal pressure. 6. Tabung LPG berbentuk silinder dengan diameter 26 dengan panjang sekitar 295mm. 7. Tabung CNG berbentuk silinder dengan diameter 400mm dengan panjang sekitar 890mm. 8. Tidak membahas proses pengelasan di tabung 9. Tidak membahas vibrasi yang terjadi 1.5.
Manfaat Kegiatan Tugas Akhir Manfaat yang didapat dari tugas akhir ini adalah: 1. Mengetahui kekuatan materil tabung 2. Dapat menegtahui tengan maksimal dengan kajian metode numerik 3. Dapat mengetahui kebocoran gas dengan sensor yang telah dirancang 2
1.6.
Sistematika Penulisan Laporan ini akan disusun dalam bentuk bab-bab dan beberapa sub bab sebagai tambahan keterangan. Bab-bab tersebut adalah sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan latar belakang permasalahan, tujuan dari tugas akhir, manfaat penulisan dan batasan permasalahan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini menjelaskan tentang desain tabung CNG dan detektor gas serta komponen-komponennya. BAB III METODOLOGI Bab ini menjelaskan diagram alir, pengamatan, pengumpulan data, pembuatan alat dan pembuatan laporan. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini menjelaskan tentang pembahasan perencanaan desain tabung CNG dan detektor gas. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini menjelaskan tentang kesimpulan dan saran dari hasil rancangan. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
3
Halaman ini sengaja dikosongkan
4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.Compressed Natural Gas Compressed Natural Gas adalah suatu bahan bakar gas yang dapat menggantikan bahan bakar minyak karena dinilai memiliki emisi gas buang yang jauh lebih bersih atau ramah lingkungan. Di Indonesia pasokan bahan bakar minyak sudah mulai menipis, hal ini disebabkan karena sumber daya minyak mentah telah masuk masa kritis, namun ladang gas alam diperkirakan cukup memiliki pasokan yang besar yang dapat mencukupi di masa-masa mendatang. Oleh karena itu, pemerintah memberikan arahan untuk beralih ke bahan bakar gas. Beberapa negara di Amerika Latin seperti halnya Argentina dan Brazil adalah dua negara dengan jumlah pengguna CNG terbesar. Konversi ke CNG difasilitasi dengan pemberian harga yang lebih murah bila dibandingkan dengan bahan bakar minyak serta peralatan konversi dan infrastruktur distribusi CNG yang terus berkembang. Sejalan dengan semakin meningkatnya harga minyak dan kesadaran lingkungan, CNG saat ini mulai digunakan juga untuk kendaraan penumpang dan truk barang berdaya ringan hingga menengah. Sesungguhnya di Indonesia sejak tahun 1986 telah diberlakukan pemakaian CNG, pada saat itu ditetapkan bahwa 20 persen dari armada taksi harus memakai CNG. Namun, karena pada saat itu harga BBM masihdianggap terjangkau dan stasiun pengisian BBM terdapat di mana-mana, maka minat untuk menggunakan CNG tidak sempat membesar. Pendistribusian CNG dapat dilakukan dengan segala cara termasuk dengansistem perpipaan (pipe line) atau didistribusikan melalui truk yang dikemas dalamtabung akan tetapi untuk skala 5
kecil. Dalam skala besar, CNG didistribusikanmengggunakan kapal sebagai media transportasi untuk pendistribusian ke daerahdaerahyang sulit dijangkau melalui sistem perpipaan dan jalur darat. Jenis bahan bakargas yang kita ketahui adalah CNG (Compressed Natural Gas), LPG (LiquefiedPetroleum Gas) dan LNG (Liquefied Natural Gas). Dari ketiga gas alam tersebut CNG dinilai lebih ekonomis karena biayanya lebih terjangkau daripada bahan bakar gas yanglain. Hal ini dikarenakan untuk menjadi LPG dan LNG, gas harus dirubah dalam bentuk 2 cair (liquefaction) untuk bisa diangkut oleh kapal dan harus dirubah dalam bentuk gaslagi (regassiffiction) untuk dikonsumsi. CNG lebih murah dalam produksi dan penyimpanan dibandingkan LNG yang membutuhkan pendinginan dan tangki kriogenik yang mahal. Akan tetapi CNG membutuhkan tempat penyimpanan yang lebih besaruntuk sejumlah massa gas alam yang sama serta perlu menahan tekanan yang sangat tinggi. Dengan tekanan sebesar 100 hingga 275 bar, tentunya penanganan CNG perlu dilakukan secara hati-hati. Antara lain dengan menggunakan tabung gas yang memenuhi persyaratan dan diproduksi di bengkel yang direkomendasi. Tabung CNG dibuat dengan menggunakan bahan-bahan khusus yang mampu membawa CNG dengan aman. Sejauh ini perkembangan desain tabung CNG terdapat empat tipe yaitu tipe pertama adalah seluruh tabung terbuat dari logam (baik baja atau aluminium), tipe kedua adalah tabung terbuat dari logam diperkuat dengan komposit (fiber glass atau serat karbon) sekitar tengah silinder, tipe ketiga adalah tabung terbuat dari logam diperkuat dengan komposit (fiber glass atau serat karbon) pada seluruh bagian tabung (full wrapped), dan tipe keempat adalah tabung keseluruhan terbuat dari plastik kedapgas yang dilapisi material komposit. Dengan adanya tekanan yang sangat tinggi danterdapat beberapa persyaratan dalam memproduksi tabung CNG maka diperlukan 6
perhitungan yang teliti dan pemilihan material yang layak uji untuk digunakan agar tabung CNG dapat didistribusikan dengan aman. 2.2 Tabung CNG Dengan tekanan sebesar 200 bar, tentunya penanganan CNG perlu dilakukan secara hati-hati. Antara lain dengan menggunakan tangki gas yang memenuhi persyaratan dan dipasang di bengkel yang direkomendasi. Tangki CNG dibuat dengan menggunakan bahan-bahan khusus yang mampu membawa CNG dengan aman. Desain terbaru tangki CNG menggunakan lapisan alumunium dengan diperkuat oleh fiberglass. Karena CNG lebih ringan dari udara, kebocoran tidak menjadi terlalu beresiko bila sirkulasi udara terjaga dengan baik. Jika gas terbakar, mesh logam atau keramik akan mencegah tangki agar tidak meledak. Sama sekali tidak diperkenankan untuk memodifikasi tangki tersebut. Jika dianggap tangki yang dibeli volumenya terlalu kecil, lebih baik membeli tangki yang volumenya lebih besar dari pada memodifikasinya sendiri. Sama sekali tidak diperkenankan untuk memodifikasi tangki tersebut. Jika dilakukan, daya tahan tangki tersebut terhadap tekanan tinggi menjadi tidak terukur. 2.2.1 Tabung tipe 1 (All metal cylinder)
Tabung tipe 1 ini full, semuanya terbuat dari logam dan merupakan tabung tipe pertama yang dikembangkan untuk bahan bakar CNG. So, bisa dibilang tabung tipe 1 ini adalah “kakak pertama”. Desain awal tabung ini pada tahun 1920-an masih menggunakan carbon steel. Namun, seiring 7
perjalanan waktu, para engineer semakin mengembangkan teknologi material untuk tabung tipe 1 ini hingga menuju logam paduan (alloy) Salah satu standar yang digunakan dalam proses desain tabung tipe 1 adalah ISO 11439 Berikut salah satu spesifikasi teknis tabung yang dihasilkan salah satu pabrikan ,
Gambar 2.1 Dimensi Tabung CNG
2.2.2 Tabung Tipe 2 (Metal liner with hoop wrapped composite) Pada tabung tipe 2, liner tabung tetap terbuat dari logam namun liner tersebut dibungkus sebagian (yaitu hanya pada bagian silinder sirkularnya sedangkan bagian dome/kubah tidak dibungkus) oleh material komposit semacam carbon fiber dan glass fiber dan dikeraskan dengan epoxy atau polyester resin 8
Gambar 2.2 Tabung CNG type 2
2.2.3 Tabung Tipe 3 (Metal liner with fully wrapped composite) Tabung tipe 3 sebenarnya hampir sama dengan tabung tipe 2. Bedanya pada tabung tipe 3 full, semua permukaan liner terbungkus oleh komposit (carbon fiber dan fiber glass) yang dikeraskan dengan resin. Secara umum, tabung tipe 3 memiliki berat 70 % lebih ringan daripada tabung tipe 1 dan 50 % lebih ringan daripada tabung tipe 2. Selain itu, karena penggunaan material aluminium (misalnya A6061) alloy cukup luas sebagai bahan liner-nya, maka tabung tipe 3 ini memiliki sifat anti-korosi yang baik dan umur fatigue yang tingg
9
Gambar 2.3 Tabung CNG type 3
2.2.4 Tabung Tipe 4 (Plastic liner with fully wrapped composite) Pada tabung tipe 4, linernya terbuat dari plastik/polymer dan luarnya dibungkus dengan komposit (carbon fiber dan fiber glass) yang dikeraskan dengan resin. Plastiknya tentu bukan sembarang plastik. Biasanya digunakan plastik tipe HDPE dan sejenisnya yang sangat kuat terhadap tekanan yang tinggi dan tidak mudah bereaksi dengan CNG yang tersimpan. Kelebihan tabung tipe 4 adalah bobotnya yang sangat ringan namun harganya masih relatif mahal (sekitar 2 – 3 kali lipat harga tabung tipe 1)
Gambar 2.4 tabung CNG typen4
10
semakin tinggi tipe tabung, tentunya semakin tinggi konten teknologi yang dikandungnya dan semakin baik propertinya terutama bobot dan kekuatan (tekan, impact, hidrostatik, dll). Namun konsekuensinya, harganya juga semakin tinggi. Sekedar gambaran buat teman – teman sekalian, coba perhatikan gambar berikut 2.3 Keuntungan CNG Keuntungan: a. Harga yang relatif lebih murah dibandingkan bahan bakar minyak (HSD, MDF,MFO) atau LPG (Liquified Petroleum Gas) sehingga dapat meningkatkan efisiensi biaya produksi. b. Tingkat pencemaran yang rendah sebagai hasil pembakaran yang sempurnamembuat CNG ramah lingkungan. c. Biaya investasi yang rendah, dibandingkan dengan investasi menggunakan bahanbakar lain seperti batubara, dan lainnya. d. Biaya operasional dan maintenance yang rendah, karena tingkat pengotor CNG yang juga rendah. e. Nilai kalori yang konstan karena telah melalui proses pengurangan kandungan air. f. Mengatasi tekanan inlet rendah, yang biasa terjadi pada distribusi menggunakan jaringan pipa. g. Waktu instalasi yang lebih cepat, karena tidak diperlukan instalasi atau konstruksi jaringan pipa luar. h. Dapat digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti boiler, furnace, oven, dll.
11
2.4 LPG (Liquified Petroleum Gas) Elpiji, pelafalan bahasa Indonesia dari akronim bahasa Inggris; LPG (liquified petroleum gas, harafiah: "gas minyak bumi yang dicairkan"), adalah campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal dari gas alam. Dengan menambah tekanan dan menurunkan suhunya, gas berubah menjadi cair. Komponennya didominasi propana (C3H8) dan butana (C4H10). Elpiji juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12). Dalam kondisi atmosfer, elpiji akan berbentuk gas. Volume elpiji dalam bentuk cair lebih kecil dibandingkan dalam bentuk gas untuk berat yang sama. Karena itu elpiji dipasarkan dalam bentuk cair dalam tabung-tabung logam bertekanan. Untuk memungkinkan terjadinya ekspansi panas (thermal expansion) dari cairan yang dikandungnya, tabung elpiji tidak diisi secara penuh, hanya sekitar 80-85% dari kapasitasnya. Rasio antara volume gas bila menguap dengan gas dalam keadaan cair bervariasi tergantung komposisi, tekanan dan temperatur, tetapi biasaya sekitar 250:1. Tekanan di mana elpiji berbentuk cair, dinamakan tekanan uap-nya, juga bervariasi tergantung komposisi dan temperatur; sebagai contoh, dibutuhkan tekanan sekitar 220 kPa (2.2 bar) bagi butana murni pada 20 °C (68 °F) agar mencair, dan sekitar 2.2 MPa (22 bar) bagi propana murni pada 55 °C (131 °F). Menurut spesifikasinya, elpiji dibagi menjadi tiga jenis yaitu elpiji campuran, elpiji propana dan elpiji butana. Spesifikasi masing-masing elpiji tercantum dalam keputusan Direktur Jendral Minyak dan Gas Bumi Nomor: 25K/36/DDJM/1990. Elpiji yang dipasarkan Pertamina adalah elpiji campuran. 12
2.4.1 Bagian tabung LPG Bagian dari tabung baja LPG terdiri dari:
Badan tabung, terdiri dari bagian atas dan bawah (top & bottom) untuk konstruksi 2 (dua) bagian dan untuk konstruksi 3 (tiga) bagian terdiri dari bagian atas, tengah dan bawah Cincin leher (neck ring) Pegangan tangan (hand guard) Cincin kaki (foot ring)
Gambar 2.5 Tabung LPG 3kg
2.4.2 Bahan tabung LPG
Bahan untuk badan tabung sesuai dengan SNI 07-30182006, Baja lembaran pelat dan gulungan canai panas untuk tabung gas (SG 295). Bahan untuk cincin leher sesuai dengan JIS G 4051 kelas S17C sampai dengan S45C. 13
Bahan untuk cincin kaki dan pegangan tangan sesuai dengan SNI 07-0722-1989, Baja canai panas untuk konstruksi umum, JIS G 3101 kelas SS400 atau sesuai dengan bahan untuk badan tabung yang bersangkutan.
2.5 Sejarah Biogas Gas CH4 terbentuk karena proses fermentasi secara anaerobik oleh bakteri metana atau disebut juga bakteri anaerobik dan bakteri biogas yang mengurangi sampah-sampah yang banyak mengandung bahan organik sehingga terbentuk gas metana (CH4) yang apabila dibakar dapat menghasilkan energi panas. Sebetulnya di tempat-tempat tertentu proses ini terjadi secara alamiah sebagaimana peristiwa ledakan gas yang terbentuk di bawah tumpukan sampah di Tempat Pembuangan Sampah Akhir (TPA) Leuwigajah, Kabupaten Bandung, Jawa Barat. Gas metana sama dengan gas LPG (Liquidified Petroleum Gas), perbedaannya adalah gas metana mempunyai satu atom C, sedangkan elpiji lebih banyak . Universitas Sumatera Utara Kebudayaan Mesir, China, dan Roma kuno diketahui telah memanfaatkan gas alam ini yang dibakar untuk menghasilkan panas. Namun, orang pertama yang mengaitkan gas bakar ini dengan proses pembusukan bahan sayuran adalah Alessandro Volta (1776), sedangkan Willam Henry pada tahun 1806 mengidentifikasikan gas yang dapat terbakar tersebut sebagai CH4. Becham (1868), murid Louis Pasteur dan Tappeiner (1882), memperlihatkan asal mikrobiologis dari pembentukan CH4. Pada akhir abad ke-19 ada beberapa riset dalam bidang ini dilakukan. Jerman dan Perancis melakukan riset pada masa antara dua Perang Dunia dan beberapa unit pembangkit biogas dengan memanfaatkan limbah pertanian. Selama Perang Dunia II banyak petani di Inggris dan benua Eropa yang membuat digester kecil untuk menghasilkan biogas yang 14
digunakan untuk menggerakkan traktor. Karena harga BBM (Bahan Bakar Minyak) semakin murah dan mudah memperolehnya pada tahun 1950-an pemakaian biogas di Eropa ditinggalkan. Namun, di negara-negara berkembang kebutuhan akan sumber energi yang murah dan selalu tersedia selalu ada. Kegiatan produksi biogas di India telah dilakukan semenjak abad ke-19. Alat pencerna anaerobik pertama dibangun pada tahun 1900. Negara berkembang lainnya, seperti China, Filipina, Korea, Taiwan, dan Papua Niugini, telah melakukan berbagai riset dan pengembangan alat pembangkit biogas dengan prinsip yang sama, yaitu menciptakan alat yang kedap udara dengan bagian-bagian pokok terdiri atas pencerna (digester), lubang pemasukan bahan baku dan pengeluaran lumpur sisa hasil pencernaan (slurry) dan pipa penyaluran gas bio yang terbentuk. Dengan teknologi tertentu, gas metana dapat dipergunakan untuk menggerakkan turbin yang menghasilkan energi listrik, menjalankan kulkas, mesin tetas, traktor, dan mobil. Secara sederhana, gas metana dapat digunakan untuk keperluan memasak dan penerangan menggunakan kompor gas sebagaimana halnya LPG (FAO, 1981). 2.6 Sensor Gas LPG MQ-6 Sensor gas LPG merupakan sensor yang dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan gas LPG, melalui keberadaan senyawa propane dan butane yang memang terdapat dalam gas LPG. Sensor gas LPG memiliki sensitifitas yang tinggi dan waktu respon yang cepat dalam mendeteksi gas LPG. Pada percobaan ini kami menggunakan sensor gas MQ 6. Sensor gas MQ 6 sendiri dapat mendeteksi jenis-jenis gas sebagai berikut : LPG, iso butana, propana dan LNG. Pada percobaan ini dapat dideteksi keberadaan gas iso butana dengan menggunakan korek api gas.
15
Gambar 2.6 Sensor MQ-6
2.7 Desain Pressure Hull Konsep pressure hull sama dengan pressure vessel yaitu menyimpan tekanan dari suatu fluida kompresibel . dalam kasus AUV ini, fluida yang di kompres adalah udara lingkungan. Untuk mengetahui factor keamanan dari pressure hull , perlu di analisa tegangan yang terjadi pada pressure hull. tegangan yang terjadi pada ressure vessel meliputi : 1. longitudinal stress (axial) 2. radial stress 3. hoop stress
`
pressure hull harus memenuhi kriteria wall-thickness yang di definiskan Dengan kriteria tersebut , di anggap berat dari pressure hull tidak mempengaruhi tegangan yang terjadi pada pressure hull
16
2.7.1
Hoop stress pada gambar , terlihat gambar potongan silinder pada pressure hull . gaya internal yang bekerja di pressure hull menyebabkan terjadinya tegangan dengan arah normal terhadap ketebalan silinder . tegangan normal tersebut di sebut tegangan hoop (hoop stress) . terlihat pula pada gambar , gaya yang di gunakan untuk perhitungan tegangan hoop adalah gaya akibat . tekanan internal yang bekerja pada luas proyeksi silinder,
Gambar 2.7. Tegangan hoop akibat tekanan internal
sehingga rumus untuk menganalisa tegangan hoop adalah :
(2.4) 2.7.2
Longitudinal stress Tegangan longitudinal merupakan tegangan yang terjadi akibat tekanan internal dan bekerja pada penampang pressure hull .tegangan tersebut terjadi karena adanya gaya akibat tekanan internal pada luasan penampang bagian dalam silinder. Rumus perhitungan tegangan longitudinal adalah : 17
Subtitusi
memberikan , (2.5)
Degan asumsi sangat kecil, sehingga sangat kecil hingga dapat di abaikan . rumus perhitungan tegangan longitudinal menjadi : (2.6)
Gambar 2.8 . Longitudinal stress
18
2.7.3
Radial stress
Gambar 2.9. Radial Stress
Dari gambar terlihat bahwa tegangan radial terbesar berada pada permukaan dalam pressure hull. Rumus untuk menghitung tegangan radial adalah :
Atau di definisikan sebagai (2.7) Dengan,
19
2.7.4 Spherical
Gambar 2.10 Spherica
P.A1- α1.A2=0
20
21 BAB III METODOLOGI 3.1. Diagram Alir dan Metode Tugas Akhir
21
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
22
Diagram alir diatas dapat dijabarkan sebagai berikut : 1. Studi Literatur & Observasi Lapangan Meliputi penelusuran jurnal – jurnal, pencarian pustaka berupa handbook, website, serta penelitian sebelumnya tentang pehitungan manual dan numerik secara statik dan dinamik pada rangaka sepeda. 2. Perumusan masalah Perancang desain tabung CNG dengan membandingkan dengan tabung LPG untuk mendapat desain yang lebih ringan den sesuai dengan 3. Pembuatan Model Setelah diketahui dimensi dari tabung, kemudian pada tahap ini dilakukan permodelan rangka menggunakan software CAD 3 dimensi. Permodelan tersebut dapat mengatasi kesulitan dalam mendesain produk 4. Parameter Input pada Program Simulasi Numerik Simulasi diartikan sebagai teknik menirukan atau memperagakan kegiatan berbagai macam proses atau fasilitas yang ada di dunia nyata. Fasilitas atau proses tersebut disebut dengan sistem, yang mana didalam keilmuan digunakan untuk membuat asumsi-asumsi bagaimana sistem tersebut bekerja. Pada tahap ini nantinya dapat mengetahui parameter apa saja yang dibutuhkan untuk simulasi secara numerik. 5. Simulasi preeesure dengan ANSYS Setelah diketahui parameter yang digunakan untuk simulasi secara numerik, kemudian dilakukan simulasi numerik secara statis menggunakan finite element method (metode elemen hingga) dengan bantuan software ansys 12.1
23
6. Analisa Perhitungan Setelah tabung di analisa numerik, dilakukan pengujian pada tabung dengan dilakukan perhitungan secara statik. 7. Perakitan sensor MQ 6 Pada tahap ini dilakukan perakitan sensor yang sudah sesuai dengan rangkaian. setelah rangkaian sudah selesai dirangkai,setelah itu di lakukan pemasangan sensor ke sepeda motor gas 8. Pembuatan Laporan Pada tahap ini hasil dari seluruh penelitian ini akan dianalisa dan nantinya mendapatkan kesimpulan.
24
3.2.
Diagram Alir Parameter Input Pada Program Simulasi Numerik
Gambar 3.2 Parameter Input Pada Program Simulasi Numerik
25
Diagram alir parameter input pada program simulasi numerik dijelaskan sebagai berikut : 1. Pembuatan Model Pada tahap ini dilakukan permodelan tabung menggunakan software solidworks 2012 yang nantinya didapatkan 2 model tabung, diantaranya : tabung CNG dan tabung LPG 2. Export ANSYS Setelah didapatkan model tabung CNG dan LPG, pada tahap ini model tersebut di export ke ANSYS untuk nantinya dianalisa secara numeric 3. Menentukan Fix Suport dan Free Suport Pada tahap ini ditentukan boundary condition tabung bagian mana yang fix (diam) atau free (bebas) 4. Pemilihan Spesifiksi Material Setelah diketahui fix suport dan free suport, selanjutnya menentukan material yang pakai 5. Meshing Pada tahap ini, meshing menentukan pada daerah mana yang didetailkan sehingga nantinya pada daerah tersebut dapat diketahui lebih detail pengaruh dari gaya-gaya yang ditimbulkan 6. Pemberian Tekanan Pada tahap ini dilakukan simulasi numerik dengan memberikan pressure di dalam tabung 7. Running Setelah dilakukan pembebanan kemudian di running sehingga mendapatkan tegangan maksimum, regangan maksimum, dan deformasi maksimum.
26
3.3 Diagram alir perancangan sensor gas
Gambar 3.2 Diagram alir perancangan sensor gas
27
“Halaman ini sengaja dikosongkan”
28
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 komponen penyusun tabung LPG dan CNG Beberapa material digunakan dalam perencanaan tabung ini. Material utama penyusuntabung adalah:
no 1 2
Tabel 4.1 Daftar jenis-jenis material tabung LPG dan CNG Yield keteranagn Nama Densitas strength CNG Aluminium Alloy T62,7 g/cm3 275 Mpa 6061 CNG 7,83 1804 Mpa AISI 4340Steel 3 g/cm
3
Carbon Fiber Epoxy
1,7 g/cm3
500 Mpa
4
Epoxy/Aramid Composite
1,4 g/cm3
1400 Mpa
5
SG295 stell
3
7,5 g/cm
CNG CNG LPG
295 Mpa
4.2 Permodelan Tabung CNG dan LPG Setelah diketahui tipe dan jenis tabung , selanjutnya dibuat model tabung CNG dan tabung LPG tersebut dengan menggunakan bantuan software CAD 3 dimensi sesuai dengan tipe dan dimensi yang akan dibuat.
29
Gambar 4.1Desain Tabung LPG 3kg
Gambar 4.2 Desain Tabung CNG
4.3 Validasi ( hand calculation ) Pressure hull VBS ini tergolong thick walled pressure vessel dengan syarat : 𝑟𝑟 ≥ 10 𝑡𝑡 30
Jika mengikuti syarat di atas, maka di anggap tegangan radial pada pressure vessel di anggap nol karena lapisan pressure vessel di anggap tipis ( 𝑟𝑟 = 0.3 𝑐𝑐𝑐𝑐 ). Namun untuk perhitungan secara mendetail, parameter tegangan radial juga di masukan ke dalam persamaan perhitungan tegangan von misses. 4.3.1 Perhitungan Pressure Vassel Tabung LPG •
Tegangan hoop
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 =
𝑃𝑃 . 𝑟𝑟 𝑡𝑡
3. 105 𝑃𝑃𝑃𝑃 . 0,128 𝑚𝑚 2,3. 10−3 𝑚𝑚
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 16,695. 107 Pa
•
Tegangan longitudinal
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙
𝑃𝑃 . 𝑟𝑟 2𝑡𝑡
3. 105 𝑃𝑃𝑃𝑃 . 0,128 𝑚𝑚 = 2 .2,3. 10−3 𝑚𝑚
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = 8,347. 107 Pa
31
•
Tegangan Radial
Menurut teori, tegangan radial terbesar yang bekerja pada silinder adalah bagian permukaan dalam silinder (𝑟𝑟 = 𝑟𝑟1 = 0,128 𝑚𝑚). 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = � 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = � 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = �
(𝑃𝑃1 . 𝑟𝑟12 − 𝑃𝑃2 𝑟𝑟22 ) 𝑟𝑟12 𝑟𝑟22 (𝑃𝑃2 − 𝑃𝑃1 ) � � � + (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 ) 𝑟𝑟 2 (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 ) (𝑃𝑃1 . 𝑟𝑟12 ) 𝑟𝑟12 𝑟𝑟22 (−𝑃𝑃1 ) � � � + (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 ) 𝑟𝑟 2 (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 )
(3.105 𝑃𝑃𝑃𝑃. ( 0,128 𝑚𝑚)2 ) ( 0,128)2 (0,13)2 (−3.105 𝑃𝑃𝑃𝑃) �+� � ((0,13 𝑚𝑚)2 − ( 0,128 𝑚𝑚)2 ) (0,128 𝑚𝑚)2 {(0,132 ) − (0,1282 )}
𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = �
(0,0164)(0,0169)(−3. 105 ) 3. 105 (0,0164) �+� � (0.0169) − (0,0164) (0,0164) {(0.0169) − (0,0164)}
= −0,3. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃
32
Tegangan circumferential or hoop
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑃𝑃 . 𝑑𝑑 4. 𝑡𝑡
5
3. 10 . 0.26 = 4.0,0023 7
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 8.47. 10 𝑃𝑃𝑃𝑃
Untuk tegangan yield di dapat,
𝜎𝜎𝑦𝑦 = � 𝜎𝜎𝑦𝑦 = �
2
(𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 − 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 )2 + �𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 − 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 � + (𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 − 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 )2 √2
(1,67. 107 − 0,83. 107 )2 + (0,83. 107 − (−0,3. 107 ))2 + (−0,3. 107 − 1,67. 107 )2
σy = 2,6633. 107 Pa
√2
33
Dari perhitungan Hand calculation dan Finite Elemen Method , di dapat eror sebesar 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = �
𝜎𝜎 𝑦𝑦 ,ℎ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
Didapat :
𝜎𝜎𝑦𝑦 ,𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
−𝜎𝜎𝑦𝑦 ,𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
� . 100%
(pers)
2,66. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 − 2,590. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 � . 100 % = 2,70 % 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = � 2,590. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 Dari perhitungan diatas, eror yang terjadi cukup kecil , sehingga data dari simulasi Finite Elemen Method di anggap valid. 4.3.2 Perhitungan Pressure Vassel Tabung CNG • 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 =
Tegangan hoop 𝑃𝑃 . 𝑟𝑟 𝑡𝑡
2. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 . 0,1925 𝑚𝑚 7,5. 10−3 𝑚𝑚
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 51,33.107 Pa
34
•
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 =
Tegangan longitudinal 𝑃𝑃 . 𝑟𝑟 2𝑡𝑡
2 . 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 . 0,1925𝑚𝑚 2 . 7,5. 10−3 𝑚𝑚
𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = 25,66.107 Pa
Tegangan Radial Menurut teori, tegangan radial terbesar yang bekerja pada silinder adalah bagian permukaan dalam silinder (𝑟𝑟 = 𝑟𝑟1 ). 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = �
(𝑃𝑃1 . 𝑟𝑟12 − 𝑃𝑃2 𝑟𝑟22 ) 𝑟𝑟12 𝑟𝑟22 (𝑃𝑃2 − 𝑃𝑃1 ) � � � + (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 ) 𝑟𝑟 2 (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 ) 35
𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = � 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = �
(𝑃𝑃1 . 𝑟𝑟12 ) 𝑟𝑟12 𝑟𝑟22 (−𝑃𝑃1 ) � � � + (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 ) 𝑟𝑟 2 (𝑟𝑟22 − 𝑟𝑟12 )
(2. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃. (0,1925 𝑚𝑚)2 ) (0,1925)2 (0,2)2 (−2.107 𝑃𝑃𝑃𝑃) �+� � ((0,2 𝑚𝑚)2 − (0,1925 𝑚𝑚)2 ) (0,1925 𝑚𝑚)2 [(0,22 − 0.19252 ) . ]
𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = −2,03. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃
•
Tegangan circumferential or hoop
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 =
𝑃𝑃 . 𝑑𝑑 4. 𝑡𝑡
2. 107 . 0,4 4.7,5. 10−3
𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 0,266. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃
36
Untuk tegangan yield di dapat,
𝜎𝜎𝑦𝑦 = �
2
(𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 − 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 )2 + �𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 − 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 � + (𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 − 𝜎𝜎ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 )2 √2
𝜎𝜎𝑦𝑦 = �52. 107 Pa
Dari perhitungan Hand calculation dan Finite Elemen Method , di dapat selisi sebesar 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = �
Didapat :
𝜎𝜎 𝑦𝑦 ,ℎ 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝜎𝜎𝑦𝑦 ,𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
−𝜎𝜎𝑦𝑦 ,𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹
� . 100%
(pers)
52. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 − 51,39. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃 � . 100 % = 1,18 % 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 = � 51,39. 107 𝑃𝑃𝑃𝑃
Dari perhitungan diatas, eror yang terjadi cukup kecil , sehingga data dari simulasi Finite Elemen Method di anggap valid. 4.4 Simulasi Numerik tabung LGP dan CNG Pada simulasi numerik dengan metode elemen hingga nantinya didapatkan , equivalent stress. 37
4.4.1 Analisa Numerik Pada Tabung LPG Proses ini juga bisa disebut sebagai tahap persiapan dari sebuah simulasi dengan metode elemen hingga. Tabung yang digunakan dalam simulasi pengujian ini adalah tabung LPG 3kg . Ada beberapa poin yang masuk kedalam tahapan preprocessor ini yaitu permodelan, meshing, dan connections dan penentuan material properties.
Gambar 4.3 Model 3 Dimensi Tabung LPG 3kg Yang Sudah Di Export Ke ANSYS
Gambar 4.4 Model 3 Dimensi Tabung LPG 3Kg Yang Sudah Melelui Meshing
38
Tabung LPG 3kg dengan dimensi panjang 295 mm diamter 26mm.Dengan menggunaan material SG295 Steel.Dari hasil mesh sehingga didapatkan hasil pada gambar 4.4
Gambar 4.5 Fix Support Pada Tabung LPG
Selanjutnya boundary condition yang terdiri dari fix support dan load. Pada Fix Support terdapat dua face di sisiatas dan bawahbenda
Gambar 4.6 . Pembebanan (tekanan didalam tangki)
39
Pemberian distribusi pembebanan statis pada permodelan 3 dimensi Tabung LPG 3kg ini digunakan tipe pembebanan tekanan didalam tabung.
Gambar 4.7 Simulasi Tabung LPG 3kg
Setelah tabung diberi pembebanan (tekanan di dalam tabung) selanjutnya yaitu menganalisa hasil tekanan untuk mengetahui seberapa besar tegangan terhadap material yang terjadi dan untuk mengetahui dibagian mana terdapat tegangan maksimalnya. Tabel 4.2. analisa kekuatan struktur pressure hull Tabung LPG Percobaan 1 2
Tensile strength , yield 295MPa
Pembebanan ( tekanan )
Tegangan
Sf
3.105 Pa 5. 105 Pa
2,5.107 Pa 7,9.107Pa
2 2
40
4.4.2 Analisa Numerik Pada Tabung CNG Tabung CNG berfungsi sebagai penyimpan gas bertekanan tinggi pada bagian ini harus di desain kuat agar mampu menahan tekana yang disebabkan oleh gas yang besar. Tabung CNG didesain dengan dimensi 900mm diamter 400mm . Dengan menggunaan material AISI 4340 Steel.
Gambar 4.8 Model 3 Dimensi Tabung CNG Type 1 Yang Sudah Di Export Ke ANSYS
Gambar 4.9 Model 3 Dimensi Tabung CNG Type 1 Yang Sudah Melelui Meshing
41
.Dari hasil meshing dengan ukuran sizing 10 mm kemudian melakukan sizing dengan ukuran 5 mm pada bagian yang dianggap kritis, sehingga didapatkan hasil pada gambar 4.7.
Gambar 4.10 Fix Support Pada Tabung CNG
Selanjutnya boundary condition yang terdiri dari fix support dan load. Pada Fix Support terdapat satu face di sisibawahbenda.
Gambar 4.11 . Pembebanan (tekanan didalam tangki)
42
Pemberian distribusi pembebanan statis pada permodelan 3 dimensi Tabung CNG ini digunakan tipe pembebanan tekanan didalam tabung
Gambar 4.12 Simulasi Tabung CNG Type Setelah tabung diberi pembebanan (tekanan di dalam tabung) selanjutnya yaitu menganalisa hasil tekanan untuk mengetahui seberapa besar tegangan terhadap material yang terjadi dan untuk mengetahui dibagian mana terdapat tegangan maksimalnya. Tabel 4.3. analisa kekuatan struktur pressure hull tabung CNG Percobaan
Tensile srength , yield
2.107
1 2 3
Pembebanan ( tekanan )
1804MPa
3.107 5.107
43
Tegangan 51,391.107 Pa 77,086. 107 Pa 12,848.107 Pa
Sf 2,14 2,14 2,14
4.5 Rancang Bangun Sensor Gas Dalam proses rancang bangun ini akan di bahas mengenai rancang bangun rangkaian elektrik-elektronik penyusun sensor gas.Rincian untuk pembahasan pada bab ini adalah sebagai berikut: A. Komponen rangkaian Elektrik-elektrolik,akan di bahas mengenai data awal setiap komponen elektrik-elektrolik pada sensor gas,spesifikasi dari tiap komponen yang di gunakan B. Rancang bangun rangkaian Elektrik-Elektronik sensor gas.Dalam tahapan ini akan di bahas rancang bangun yang nantinya di gunakan untuk sensor gas C. Skema sensor gas.pada bagian ini akan di bahas bagaimana sensor gas akan mendeteksi kebocoran gas 4.6 Komponen Rangkaian Elektrik-ElektrolikSensor gas 4.6.1 Sensor MQ-6
Gambar 4.13 sensor MQ 6 sensor gas analog MQ6, sebuah sensor sederhana yang dapat digunakan baik di industri maupun rumah untuk mendeteksi 44
LPG (Liquid Petroleum Gas), iso-butane, propane, dan LNG. Module sensor ini sudah dilengkapi dengan potensiometer untuk mengatur sensitifitas.
Gambar 4.14. Bagian-bagian sensor Tabel 4.4. Bagian-bagian sensor dan material penyusun No 1
Part Gas sensing layer
Material SnO 2
2
Electrode
Au
3
Electrode line
Pt
4
Heater coil
Ni-Cr alloy
5
Tubular ceramic
6
Anti-explosic network
45
Al 2 O 3 Stainless steel gauze
7
Clam ring
8
Resin Base
9
Tube pin
Copper plating Ni Bakelite Copper plating Ni
Kondisi standar bekerja Tegangan Sirkuit(Vc) : 5V ± 0.1 AC atau DC Tegangan Pemanasan(Vh) : 5V ± 0.1 AC atau DC Resistansi Load(PL) : 20kΩ Konsumsi Pemanasan(Ph) : kurang dari 750mw Kondisi lingkungan
Suhu Penggunaan : -10℃ hingga 50℃ Suhu Penyimpanan : -20℃ hingga 70℃ Kelembapan Terkait : Kurang dari 95% Rh Konsentrasi Oksigen : 21%(Kondisi Standar) konsentrasi oksigen dapat mempengaruhi sensitivitas
Karakteristik Sensivitas Resistansi Pengindraan(Rs) : 10KΩ- 60KΩ (1000 ppm LPG) Kondisi Standar Deteksi : Temp: 20℃±2℃ Vc:5V±0.1 Humidity: 65%±5% Vh: 5V±0.1 Jangkauan Deteksi : 200-10000ppm LPG , isobutane,propane,LNG
46
4.6.2 Potensiometer
Gambar 4.15. Potensiometer Potensiometer adalah resistor tiga terminal dengan sambungan geser yang membentuk pembagi tegangan dapat disetel. Jika hanya dua terminal yang digunakan (salah satu terminal tetap dan terminal geser), potensiometer berperan sebagai resistor variabel atau Rheostat. Potensiometer biasanya digunakan untuk mengendalikan peranti elektronik seperti pengendali suara pada penguat. Potensiometer yang dioperasikan oleh suatu mekanisme dapat digunakan sebagai transduser, misalnya sebagai sensor joystick. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Elemen resistif Badan Penyapu (wiper) Sumbu Sambungan tetap pertama Sambungan penyapu Cincin Baut Sambungan tetap kedua 47
Potensiometer jarang digunakan untuk mengendalikan daya tinggi (lebih dari 1 Watt) secara langsung. Potensiometer digunakan untuk menyetel taraf isyarat analog (misalnya pengendali suara pada peranti audio), dan sebagai pengendali masukan untuk sirkuit elektronik. Sebagai contoh, sebuah peredup lampu menggunakan potensiometer untuk menendalikan pensakelaran sebuah TRIAC, jadi secara tidak langsung mengendalikan kecerahan lampu. Potensiometer yang digunakan sebagai pengendali volume kadangkadang dilengkapi dengan sakelar yang terintegrasi, sehingga potensiometer membuka sakelar saat penyapu berada pada posisi terendah. 4.6.3 Integrasi Sirkuit (IC)
Gambar 4.16.Integrasi Sirkuit Regulator tegangan sederhana-nya adalah suatu rangkaian elektronika yang berfungsi untuk mengatur agar tegangan keluarannya tetap berada pada posisi yang ditentukan walau tegangan masukkan-nya berubah-ubah. Rangkaian regulator tegangan ini kemudian dikemas dalam bentuk sirkuit terintegrasi (IC). 4.6.4IC LM324 48
Gambar 4.17.IcLM324 IC LM324 merupakan komponen elektronik yang berfungsi sebagai penguat tegangan atau penguat signal atau sebagai amplifier. IC LM324 umumnya dikenal dengan Op Amp (Operational Amplifier).Op Amp mempunyai dua kaki input yaitu inverting input (simbol negative) dan non inverting input (simbol positive). Sinyal dari kedua kaki input Op Amp ini bisa diolah menjadi data output yang berbeda-beda sesuai dengan fungsi Op Amp yang dijalankan. Salah satu fungsi Op Amp adalah sebagai komparator. Komparator difungsikan untuk membandingkan tegangan yang masuk pada kedua kaki input Op Amp. Untuk membandingkan kedua kaki input pada Op Amp salah satu kaki input bisa diberi tegangan referensi dan kaki lainnya diberi tegangan pembanding. Jika tegangan pada kaki non inverting input (+) lebih besar atau sama dengan tegangan pada kaki inverting input (-) maka output akan berharga high (1). Jika tegangan pada kaki non inverting input (+) lebih kecil daripada tegangan pada kaki inverting input (-) maka kaki output akan berharga low (0). Salah satu keunggulan LM324 adalah dapat beroperasi pada voltase 3.0 V sampai 32.0 V.
49
4.7Rancang bangun rangkaian Elektrik-Elektronik sensor gas Dalam bagian ini akan menerangkan tentang rancang bangun rangkain sensor gas
Gambar 4.18. rangkain sensor gas 4.8Skema Kerja Sensor Gas
Skema s ederhana menggunakan sensor Gas dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar
50
Gambar 4.19. Skema Sensor Gas Pertama-tama detektor gas mendapat suplay listrik dari accu sebesar 12 volt danKetika molekul gas menyentuh permukaan lapisan sensitif SnO 2 , maka satuan resistansi dari kawat pemanas (heater) akan mengecil sesuai dengan konsentrasi gas. Sebaliknya, jika konsentrasi gas menurun akan menyebabkan semakin tingginya resistansi kawat pemanas (heater) sehingga tegangan keluarannya akan menurun. D engan demikian perubahan konsentrasi gas dapat mengubah nilai resistansi sensor dan juga akan mempengaruhi tegangan keluarannya juga, hal inilah yang dijadikan acuan bagi pendeteksian gas LPG setelah Sensor mendeteksi adanya kebocoran gas maka sensor akan memberikan sinyal keluaran yang kemudian diolah menjadi sinyal notifikasi kebocoran gas seperti lampu atau suara alarm.
51
“Halaman Sengaja di kosongkan”
52
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Setelah perhitungan manual dan analisa numerik telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan dari hasil yang sudah diperoleh. Yaitu sebagai berikut : 1. Analisa tekanan dengan menggunakan metode numerik dalam tabung yang dilakukan pada jenis tabung gas Elpiji 3Kg tersebut,menyatakan bahwa jenis tabung lpg 3kg aman,karena tegangan maksimal sebesar 2.66.10-6 Mpa pada tekanan 3 bar tidak melebihi yieldstregth dari material sebesar 295 MPa 2. Material AISI 4340Steel dengan yield strength 1804 Mpa yang digunakan untuk tabung CNG bertekanan 200bar telah memenuhi syarat sebab tegangan maksimal sebesar 513,91 MPa tidak melebihi dari yield strength 3. Dapat mengetahui kebocoran gas dengan sensor yang
telah dirancang 5.2. Saran 1. Perhitungan kekuatan akibat pengaruh las tidak dilakukan,hal ini dapat dijadikan sebagai bahan penelitian selanjutnya 2. Dengan menggunakan material yang memiliki allowable strees yang lebih tinggi akan didapat ukuran tabung yang lebih tipis dan lebih ringan.
50
Lampiran 1 Spesifikasi material tabung CNG
Lampiran 2 Tabel C1 : konversi
Tabel C2 : lanjutan
Tabel C3 : lanjutan
Lampiran 3 Dimensi tabung CNG
Lampiran 4 Spesifikasi material tabung LPG
Lampiran 5 Spesifikasi Sensor MQ 6
51 DAFTAR PUSTAKA
Adinda, Lutfi Swara . 2011. “Berkenalan Dengan Tegangan, Regangan, Modulus Elastisitas & Daktalitas Material (Part-1)” http://kampustekniksipil.com Anggono, Willyanto, Etc. 2008. “Aplikasi Finite Element Application And Pugh’s Concept Selection Pada Perancangan Mountain Bike Rigid Body”. Mechanical Engineering, Petra Christian University Annaratone, Donatello. (2007). Pressure Vessel Design. Berlin Heidenberg : SpringerEPRI. (2007). Carbon Steel Handbook. California : EPRI Caveman, F., (2009), Crude, Gasoline, Fuel Oil, and Natural Gas PriceComparisons.http://www.cavemanforecaster.com/20 09/06/crude-gasolinefuel-oil-and-natural-gas.html ,diakses 20 Januari 2009 Irfan . 2009. “LPG”. http://pertamax7.com
51
BIODATA PENULIS
Penulis merupa kan anak pertama dari 3 bersaudara yang dilahirkan pada tanggal 03 November 1992 di Jombang, Provinsi Jawa Timur. Pendidikan formal yang pernah ditempuh meliputi MI Alkaromahn Banjaranyar,SMP Negeri 3 Peterongan, dan SMA Darul Ulum Peterongan Jombang.Setelah itu penulis meneruskan pendidikan tingkat perguruan tinggi di Program Studi D3 Teknik Mesin dan mengambil bidang studi Manufaktur di Institut Teknologi Sepuluh Nopember pada tahun 2011. Selama masa pendidikan baik di perkuliahan penulis aktif di beberapa kegiatan, seperti,mengikuti pelatian – pelatian baik tingkat kampus, maupun nasional.Menjadi panitia kegiatan pelatian-pelatian, pelatihan dan organisasi kemahasiswaan.Pada masa berorganisasi, penulis pernah menjabat sebagai staf Divisi Penelitian dan Pengembangan – Departemen Riset dan Teknologi – Himpunan Mahasiswa D3 Teknik Mesin FTI-ITS.Penulis pernah melakukan kerja praktekdi PT. Ajinomoto (Persero) mojokerto, Jawa Timur.Bagi pembaca yang ingin lebih mengenal penulis dan ingin berdiskusi lebih luas lagi dapat menghubungi E-mail :
[email protected] dan facebook : Fahmi na dhea
