BAB 3 METODELOGI PENELITIAN

(1)

34

BAB 3

METODELOGI PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu

Penelitian dilaksanakan seperti ditunjukkan pada tabel 3.1.

Tabel 3.1. Tempat dan Aktifitas Penelitian

No Kegiatan Tempat Keterangan

1. Pengambilan data Salah satuPKS Swasta

Industri hulu kelapa sawit

2. Menggambar teknik boiler dan pipa superheater

Kampus STIP- AP Medan

Software AutoCad 2007

3. Simulasi numeric Kampus ITM Software Ansys Workbench 14.5 4. Analisa akhir dan

pembuatan laporan akhir

Kampus STIP- AP Medan

Software MS.

Office

Waktu penelitian dilakukan selama lebih kurang 9 bulan terhitung mulai bulan Januari 2016 sampai dengan September 2016.

3.2 Rancangan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode FEM (Finite Element Method). Variabel pada penilitian ini adalah data parameter material Carbon Stell DIN 17175seperti ditunjukkan pada gambar 3.7 dan data operasional dilapangan seperti ditunjukkan pada tabel 3.2. Data yang diperoleh dianalisa dengan menggunakan Software Ansys Workbench 14.5 untuk mengetahui nilai Distribusi Temperatur, Total Heat Flux, dan Thermal stress.

3.3 Bahan dan Peralatan

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah pipa superheater (DIN 17175) boiler yang baru.

(2)

35

Gambar 3.1 Pipa Superheater DIN 17175

Alat-alat yang digunakan dalam proses penelitian ini antara lain adalah:

1. Boiler PT Swasta

Boiler yang digunakan ialah boiler yang berada di Pabrik Kelapa Sawit PT Swasta, boiler ini dilakukan pengukuran untuk variabel yang digunakan pada simulasi, spesifikasiboiler PT Swasta adalah sebagai berikut:

1. Merek : ATMINDO SFPO

2. Kapasitas : 26 ton/jam 3. Tekanan Kerja : 30 bar

4. Tahun : 1971

2. Laptop dan Software Ansys Workbench 14,5

Gambar 3.2 Laptop dan Software Ansys Workbench 14.5

Laptop digunakan untuk merancang desain dan simulasi menggunakan software engineringAnsys workbench14,5 yang sudah diinstal di dalam

(3)

36

laptop. Untuk software tersebut digunakan laptop dengan spesifikasi berikut:

1. Merek : Asus A455L

2. Processor : Intel® Core™ i5-5200U CPU @ 2,20GHz 2,19 GHZ

3. Installed memory (RAM) : 4,00 GB

4. System Type : 64-bit

5. NVDIA : Geforce 930M

3.4 Tahapan Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode simulasi (software enginering) dengan menggambar model pipa superheater. Sampel yang akan disimulasikan sebanyak tiga pipa karena prinsip kerja superheater terjadi secara tiga phasa (melalui tiga pipa dalam satu pipa header uap) dan pada tahapan simulasi dilakukan pembelahan pipa untuk mempermudah pembacaan simulasi pada bagian dalam pipa.Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan diantaranya adalah pengukuran lapangan, pembuatan model dan simulasi model.

3.4.1 Pengukuran Lapangan

Sebelum melakukan simulasi terlebih dahulu melakukan pengukuran untuk data yang akan di input kedalam simulasi, data-data yang sudah di dapatkan berdasarkan pengamatan seperti ditunjukkan pada tabel 3.2 dan gambar 3.3 dibawah ini.

Tabel 3.2 Tabel Pengukuran Lapangan

Parameter Nilai Satuan

Temperatur uap pada superheater. 250 ºC

Temperature lingkungan 300 ºC

Tekanan aliran uap 25 Bar

(4)

37

Gambar 3.3 SketchBoiler

3.4.2 Modeling Pipa Superheater

Desain model dikerjakan dengan menggunakan software AutoCad 2007. Model yang dibuat sesuai dengan keadaan boiler, menggunakan pipa 2 inchi pada pipa superheater dengan diameter 50.8 mm dan ketebalan 3.2 mm. Sedangkan pipa header uap menggunakan pipa 8 inchi dengan diameter 203.2 mm dan ketebalan 15mm. Langkah- langkah dalam menggambar meliputi:

a. Klik program AutoCad pada desktop.

Gambar 3.4 Dekstop

(5)

38

b. Menggambar pola sesuai dengan ukuran pada Software AutoCad 2007.

Gambar 3.5 Pola Pipa Superheater c. Bentuk 3 dimensi gambar pipa superheater.

Gambar 3.6Tampilan Tiga Dimensi Pipa Superheater

d. Untuk proses simulasi digunakan pipa pada nomor 1, 2, 3, 4,5, dan 6 seperti pada gambar 3.7.

(6)

39

Gambar 3.7 Sampel Pipa yang akan Disimulasi

e. Membelah gambar pipa sampel sehingga pada saat proses simulasi hanya setengah bagian pipa dengan tujuan mempermudah proses simulasi.

Gambar 3.8 Tampilan Setengah Sampel Pipa

3.4.3 Simulasi Thermal Stress

Analisa yang dilakukan adalah simulasi thermal stress.Thermal stress, yaitu analisa dengan menggabungkan temperatur dan tekanan. Untuk melihat pengaruh strain hardening pada daerah plastis, dipilih model isotropik. Pipa superheater yang dikaji terhadap pembebanan mekanis

1

2

3

(7)

40

akibat tekanan internal sebesar 2,5 MPa. Radius dalam (ro), radius luar (ri), tebal (t), modulus elastis (E), dan rasio Poison (v) berturut- turut adalah (25,4 mm), (50,8 mm), (3,2 mm), (2 x 10⁵MPa), dan (0,3).

Tube bertekanan 2.5 MPa dan temperatur bervariasi pada dinding (250°C s/d. 350°C pada bagian dalam) dan drop (300°C s/d. 400°C pada bagian luar), mendekati dengan kondisi operasional. Langkah- langkah simulasi thermal stress memiliki urutan yaitu:

1. Memilih software ansys workbench 14.5 pada desktop 2. Memilih sistem pada toolbox (Custom System)

3. Klik ganda thermal stress

4. Klik kanan pada Steady State>Replace With>Transient Thermal 5. Menyelasaikan simulasi termal sesuai dengan urutan program

seperti tampak pada gambar 3.9

1

(8)

41

Gambar 3.9 Langkah-langkah Simulasi Thermal Stress

a. Data Material (Engineering Data)

Cara memasukkan data material adalah dengan klik gandaEngineering Data dan pilih add new material. Data material DIN 17175 (Gambar 3.7) untuk simulasi thermal stress adalah temperature-dependent material properties. Sifat material diperoleh dari literatur, meliputi berat jenis, modulus, kekuatan, koefisien ekspansi termal, dan konduktivitas termal. Setelah data dimasukkan, klik tanda centang pada kolom(parameterized).

Gambar 3.10 Data Material DIN 17175

Model material elastis-plastis dipilih multilinier isotropic hardening. Pada temperatur 400°C, DIN 17175 memiliki sifat kekuatan seperti gambar 3.11.

2 4

3

5

(9)

42

Gambar 3.11 Kekuatan Material pada Temperatur Tinggi

Baja yang ulet (ductile) akan mulai mencapai batas elastis jika pemuluran (yield) melewati 0,005 mm. Besarnya tegangan mulur (σy) DIN 17175 pada temperatur 250°C adalah 170 MPa. Nilai regangan ini diperhitungkan sebagai regangan plastis inisial untuk model pada simulasi ini. Kemudian tegangan dinaikkan sehingga tampak seperti tabel 3.12 berikut:

Gambar 3.12 Sifat Multilinear Isotropic Hardening

b. Geometri dan Mesh

Pipa superheater yang telah digambar di software autocad 2007 di pindahkan ke software ansys workbench 14.5 untuk disimulasikan dengan langkah:

1. Klik File pada menu autocad 2007 pilih export.

250 170

400

(10)

43

2. Pilih lokasi penyimpanan, beri nama file gambar dan merubah format penyimpanan menjadi ACIS.sat pada setiap sampel.

3. Kembali ke software ansys workbench 14.5, klik kanan Geometry pilih file kemudian klik Import External Geometry Filekemudian pilih Generate.

4. Pilih Model > Mesh > Generate.

Gambar 3.13 Geometri dan Mesh

c. Kondisi Batas dan Beban (Thermal)

Terdapat dua kondisi batas dan beban untuk jenis simulasi ini, yaitu termal dan struktur. Untuk kondisi batas dan beban struktur diberikan setelah didapatkan hasil simulasi termal.

Kondisi batas dan beban termal diselesaikan dengan langkah berikut:

1. Klik pada Initial Temperatur, isikan 400°C .

2. Klik pada Analysis Setting, masukkan time stpes seperti pada gambar 3.14 Akhir simulasi hingga 30 detik.

3. Klik kanan Transient Thermal (A5) > Insert > Temperature

>Tabular, isikan data temperatur pada kulit luar dan kulit dalam seperti pada gambar 3.15.

(11)

44

Gambar 3.14Analysis Setting

Gambar 3.15 Kondisi Batas Termal

Temperatur flue gas pada kulit luar Tabel 29

Transient Thermal>Temperatur

Temperatur Kulit Dalam Tabel 30