Analisis Finite Elemen Method Untuk Menghitung Defleksi Defleks i Tube Tube Pada P ada Fire Tube Tube Boiler B oiler Oleh : Romiyadi ABSTRAK
Fire Tube Boiler telah digunakan di seluruh dunia selama lebih dari satu abad dan telah menjadi salah satu pendukung utama proses aplikasi pemanas uap dan power plant. Fire Tube Boiler merupakan salah satu jenis boiler dimana gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan (feed water) ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Total Dissolved Solids (TDS) yang mengendap pada permukaan tabung Fire Tube Boiler dapat mengurangi laju perpindahan panas dari gas panas ke air / uap. Selain itu berat TDS pada permukaan tabung boiler dapat menimbulkan defleksi yang mempengaruhi kekuatan konstruksi tabung boiler tersebut. Apliksasi Finite Element Method (FEM) dapat digunakan untuk menghitung dan menganalisa defleksi dan tegangan (Stress) pada tabung (tube) Fire Tube Boiler akibat berat endapan dari Total Dissolved Solids yang mengendap pada tabung Fire Tube Boiler Keyword : Fire Tube Boiler, Total Dissolved Solid, Defleksi, Finite Element Method LATAR BELAKANG
Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk uap panas atau steam yang digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan Turbin. Boiler dalam bidang industri banyak dijumpai pemanfaatannya. Pembangkit listrik tenaga uap merupakan rangkaian beberapa instalasi yang tergabung menjadi satu, salah satunya yaitu instalasi boiler. Fire Tube Boiler merupakan salah satu jenis boiler dimana gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan (feed water) ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire Tube Boiler telah digunakan di seluruh dunia selama lebih dari satu abad dan telah menjadi salah satu pendukung utama proses aplikasi pemanas uap dan power plant. Total Dissolved Solids (TDS) merupakan larutan padat yang terdiri dari garam anorganik dan sejumlah kecil bahan organik yang terlarut dalam air. Total Dissolved Solids yang mengendap pada permukaan tabung boiler dapat mengurangi laju perpindahan panas dari gas panas ke air / uap. Selain itu berat TDS pada permukaan tabung boiler (tube) dapat menimbulkan defleksi yang mempengaruhi kekuatan konstruksi tabung boiler tersebut. Perhitungan defleksi yang terjadi pada tabung boiler akibat berat Total Dissolved Soilds (TDS) yang mengendap pada permukaan tabung dapat dihitung secara manual maupun dengan aplikasi komputasi. Finite Element Method adalah salah satu metode dalam aplikasi penggunaan komputasi teknik. Penggunaan Finite Element Method akan sangat membantu para engineer dalam menganalisa defleksi serta stress analysis pada tabung Fire Tube Boiler akibat berat endapan Total Dissolved Solids dan tetap memperhatikan perhitungan secara manual untuk verifikasi dan validasi. 1
KAJIAN LITERATUR 1. Fire Tube Boiler
Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan baker minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar
Gambar. 1 Diagram Sederhana Fire Tube Boiler 2. Total Dissolved Solids (TDS)
Total Dissolved Solids (TDS) merupakan larutan padat yang terdiri dari garam anorganik dan sejumlah kecil bahan organik yang terlarut dalam air. Konstituen utama biasanya kation kalsium, magnesium, natrium dan kalium dan anion karbonat, bikarbonat, klorida, sulfat dan, partikel-partikel di dalam tanah serta nitrat. Total Dissolved Solids (TDS) dalam pasokan air berasal dari sumber-sumber alam, limbah -limbah perkotaan dan pertanian dan air limbah industri. Konsentrasi TDS di dalam air bervariasi karena kelarutan mineral yang berbeda daerah. Konsentrasi TDS di dalam air mengalami kontak dengan granit, pasir silikous , atau bahan lain yang relatif tidak larut dan biasanya di bawah 30 mg / L. Metode yang paling sering digunakan untuk analisis dari TDS dalam pasokan air adalah pengukuran spesifik konduktivitas dengan konduktivitas probe yang mendeteksi kehadiran ion dalam air. Pengukuran konduktivitas dikonversi ke nilai-nilai TDS oleh faktor yang bervariasi dengan jenis air. Batas praktis untuk TDS dalam air dengan metode ini adalah 10 mg / L. Tinggi Konsentrasi TDS juga dapat diukur, walaupun metode ini termasuk volatile organik. The konstituen dari TDS juga dapat diukur secara individual.
2
3. Finite Element Method
Finite element method (metode elemen hingga) atau FEM adalah salah satu metode numerik yang paling banyak di dunia engineering (sipil, mesin, penerbangan, mikroelektronik, bioengineering, material) dan diajarkan di dunia (baik akademia maupun industri). Usianya lebih dari 40 tahun, dan hingga kini masih tetap dipakai, bahkan makin established. Metode ini berusaha memecahkan partial differential equations dan persamaan integrasi lainnya yang dihasilkan dari hasil diskritisasi benda kontinum. Meski berupa pendekatan, metode ini dikenal cukup ampuh memecahkan struktur-struktur yang kompleks dalam analisis mekanika benda padat (solid mechanics) dan perpindahan panas (heat transfer). Saat ini, banyak sekali software FEM berkeliaran dengan berbagai mutu dan kemudahan. Software ini biasanya sangat ramah-sama-pengguna (user-friendly) tapi tidak dompetfriendly (mahal sekaliiii). Contoh dari software ini adalah MSC.NASTRAN, ABAQUS, ANSYS, LSDYNA, dan lainnya. Pengguna software FEM kemudian terbiasa melihat GUI (graphic user interface) di mana suatu benda didiskritisasi menjadi sekian puluh bahkan ribu elemen. Istilah baru kemudian muncul yaitu Finite Element Modeling, karena pengguna hanya memodelkan fisik suatu benda dengan elemen-elemen kecil, mendefinisikan sifat-sifat material, memberikan kondisi batas dan pembebanan, menjalankan software. Ini yg dinamakan pre-processing. Fase post-processing biasanya lebih sulit karena pengguna diharapkan bisa menginterpretasi hasil, menganalisis angka dan fisik yang dihasilkan dan melakukan trouble-shooting jika hasilnya kurang memuaskan. PERMODELAN
Pembuatan Model Geometri FEM dilakukan dengan menggunakan Program Solid Work 2009. Bentuk model geometri FEM ini diasumsikan elemen solid. Untuk membuat Model Geometri FEM, perlu diketahui dimensi model yang akan dibuat. Adapun dimensi Tube yang akan dibuat model geometri adalah sebagai berikut :
Panjang Tube = 1082 mm Diameter Luar Tube = 76.1 mm Diameter Dalam Tube = 68.78 mm Ketebalan Tube = 3.66 mm PROSEDUR SIMULASI
A. Analisa Statik Pembebanan Statik pada kasus ini adalah pembebanan yang disebabkan oleh Berat Total Dissolved Solids (TDS) yang mengendap pada permukaan tabung boiler. Pembebanan oleh berat TDS ini diasumsikan terdistribusi merata pada permukaan tabung boiler. Simulasi akibat pembebanan static pada tabung menggunakan Program Solid Simulation dari Software Solid Work 2009. Sebelum dilakukan simulasi menggunakan program Solid Simulation Work 2009, perlu ditentukan asumsi-asumsi yang diperlukan dalam simulasi yaitu : 3
1. Material Tube Material Tube yang digunakan dalam simulasi adalah Steell AISI 1020. Adapun properties material steel AISI 1020 adalah sebagai berikut : Material : AISI 1020 2 Elastic modulus (E) : 2e+011 N/m Poisson's ratio : 0.29 2 Shear modulus : 7.7e+010 N/m 3 Mass density : 7900 kg/m 2 Tensile strength : 4.2051e+008 N/m 2 Yield strength : 3.5157e+008 N/m 2. Tumpuan yang digunakan Tumpuan yang digunakan disumsikan tumpuan jepit (fixed geometry) 3. Berat TDS Berat TDS yang mengendap pada permukaan tabung boiler / tube, disumsikan sebagai beban / load panda tube yang terdisttribusi merata. Setelah dihitung, didapat Berat TDS 10,98 N 4. Prosedur Simulasi Prosedur Simulasi dapat dilihat dari diagram alir dibawah ini : Mulai
Pilih Model Simulasi
Input Material, Fixture, Load
Meshing
Tidak
Ya
Processing
Tidak
Ya
Hasil
Selesai
4
B. Analisa Dinamik 1. Asumsi Asumsi yang digunakan dalam simulasi analisa dinamik ini adalah : Mengunakan type study Time Hystory Analysis Asumsi waktu 20 detik Damping 0,05 Beban dynamic adalah Gaya Drag dari aliran fluida 2
FD = ½. CD. . A. v Sin (2 ft)
2. Prosedur Simulasi Mulai
Pilih Tab Frequency
Buat Time History Study dari Ferquency Study Setting Time History Study
Tidak
Input Load,Time Variation Setting Damping Properties dan Result Option
Meshing dan Running Process Ya
Hasil
Selesai
5
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Mesh Dipandang Sebagai Study
Mesh dependenvy merupakan modifikasi penggunaan mesh baik kualitas mesh maupun type mesh yang menghasilkan kegagalan (error). Untuk kasus tabung boiler Fire Tube Boiler ini, dilakukan modifikasi penggunaan mesh pada analisa statis. Setelah dilakukan simulasi dengan memodifikasi type mesh, maka kegagalan (error) terjadi dengan penggunaan mesh type curvature based mesh.
Sedangkan, modifikasi terhadap kualitas mesh yaitu draft dan high dengan parameter/type mesh standar, maka didapat hasil simulasi yang berbeda. Adapun perbedaan hasil dapat dilihat sebagai berikut : 1. Penggunaan mesh dengan high quality mesh Displacement maksimum = 3,719e-7 m 2 Stress maksimum = 64231,6 N/m 2. Penggunaan mesh dengan draft quality mesh Displacement maksimum = 3,466e-7 m Stress maksimum = 50123,8 N/m2 2. Verifikasi Analisa Statis
Untuk melakukan verifikasi terhadap hasil simulasi yaitu untuk menghitung defleksi yang terjadi pada tabung boiler, maka persamaan yang digunakan asumsikan bahwa batang yang dijepit pada kedua ujungnya dan mendapat pembebanan merata. Adapun persamaan yang digunakan untuk menghitung defleksi maksimal yang terjadi pada tabung boiler adalah sebagai berikut :
Dibawah ini adalah hasil verifikasi defleksi yang terjadi pada tabung boiler Defleksi maksimal yang terjadi : 6
max
= 3,579.10-7 m
3. Distribusi Displacement dan Stress Analisa Statis S tatis
Hasil simulasi analisa statis dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Dari hasil simulasi seperti terlihat pada gambar diatas, dapat dilihat bahwa, displacement atau defleksi yang terjadi pada tabung boiler akibat berat TDS yang mengendap pada permukaan tabung boiler terjadi pada posisi tengah. Defleksi yang terjadi sebesar 0,0000003719 m atau 0,003719 mm. Nilai ini sangat kecil sekali dan tidak akan terlalu berpengaruh terhadap konstruksi tabung. Sedangkan Distribusi Stress dapat dilihat pada gambar dibawah ini
7
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa tegangan terbesar terjadi pada bagian ujung 2 pipa sebesar 64291,6 N/m . Terjadinya stress terbesar pada bagian ujung pipa karena pada bagian tersebut merupakan bagian yang mendapat beban terbesar karena selain mendapat beban TDS, juga menahan tekanan akibat dibagian tersebut terjepit sehingga distribusi terbesar terjadi pada bagian tersebut. 4. Perbandingan Hasil Simulasi Analisa Statis dengan Teori
Setelah dilakukan srimulasi maka didapat nilai defleksi terbesar 0,0000003719 m. Sedangkan dari hasil verifikasi didapat hasil defleksi 0,000000 3579 m. Dari hasil tesebut terlihat jelas bahwa perbedaan perbedaan hasil simulasi simulasi dengan teori tidak terlalu terlalu kecil. Dan dapat dapat disimpulkan bahwa penggunaan simulasi tidak terlalu berbeda dengan teori dan penggunaan simulasi sangat membantu para engineer dalam mendesain dan menganalisa struktur dan kosntruksi suatu instalasi mesin industri dan lain-lain.
5. Distribusi Displacement dan Stress Analisa Dinamis.
Dari hasil analisa dinamik dapat dilihat distribusi displacement dan stress seperti gambar dibawah ini
8
Distribusi Displacement
Distribusi Stress
Dari gambar hasil simulasi diatas bahwa displacement terbesar terjadi pada posisi tengah tabung dengan nilai 0,0000008161 m dan 1,00E-33 displacement terkecil terjadi 2. panda kedua ujung tabung dengan nilai 728,7 N/m Sedangkan untuk distribusi stress 9
terlihat bahwa stress terbesar terjadi pada kedua ujung tabung dengan nilai 121397,7 2 N/m 6. Perbandingan Hasil Simulasi Analisa Statis dan Dinamis
Dibawah ini adalah hasil simulasi analisa statis dan dinamis pada tabung boiler :
Dari tabel diatas dapat terlihat jelas perbedaan antara analisa statis dan dinamis. Pada analisa dinamis terlihat jelas bahwa nilai displacement dan stress lebih besar dari pada analisa dinamis. Hal ini terjadi karena adanya pengaruh getaran akibat aliran fluida yaitu Vortex Induced Vibration atau getaran akibat pelepasan vortex. VIV ini sangat besar pengaruhnya terhadap umur lelah ( fatigue life) struktur tabung boiler.
KESIMPULAN
Dari hasil analisa simulasi baik analisa statis dan dinamis dapat disimpulkan bahwa : 1. Penggunaan mesh type curvature based mesh menghasilkan kegagalan (failed) dalam proses meshing. 2. Nilai defleksi (displacement) hasil simulasi dan dan verifikasi adalah sebagi berikut : Hasil simulasi = 0,0000003719 m Hasil verifikasi = 0,000000 3579 m 3. Nilai displacement dan stress hasil simulasi analisa statis dan dinamis adalah sebagai berikut a. Analisa Statis Displacement terbesar = 0,0000003719 m Displacement terkecil = 1,00E-33 m 2 Stress terbesar = 64231,6 N/m 2 Stress = 18,9 N/m b. Analisa Dinamis Displacement terbesar = 0,0000008161 m Displacement terkecil = 1,00E-33 m 2 Stress terbesar = 121397,7 N/m 2 Stress terkecil = 728,7 N/m
10
DAFTAR PUSTAKA
1. Sonawane,S., Patil. A., “ Analysis Of Fire Tube Boiler Influenced By Dissolvedsolids In Feed Water”, Journal Of Applied Science In The Thermodynamics And Fluid Mechanics vol. 2, No. 2/2008, ISSN 1802-9388 “Programming the Finite Element Method, 4th ed., 2. Smith, I. M., Griffiths, D. V., 2004, “Programming John Wiley & Sons, Ltd 3. Hutton, D. V., 2004, “Fundamental “Fundamental of Finite Elemen Analysis”, Analysis”, 4th ed., McGraw-Hill McGraw-Hill nd 4. Kelly, S.G., 2000, Fundamental of Mecahanical Vibrations”, 2 ed., McGraw-Hill, Singapore 5. Anonim., “Boiler “Boiler & Pemanas Fluida Termis ” ”, 6. Anonim., “Unit Penyediaan Steam (Boiler dan Sistem Kukus) PT. Krakatau Daya Listrik ”, Universitas Ageng Tirtayasa, Banten. 7. Anonim., 1994, “Load “Load & Resistance Factor Design ” ”, 8. Anonim.,“Unit Penyediaan Steam (Boiler dan Sistem Kukus) PT. Krakatau Daya Listrik ”, Universitas Ageng Tirtayasa, Banten. 9. Anonim,. “Total Dissolved Solids in Water” 10. Anonim., “Solid Work Simulation Online” 11. Anonim., “Solid Work Simulation Help Topics
11
