BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pendahuluan
Kelangkaan air bersih untuk penduduk yang berdomisili di pesisir pantai adalah faktor utama dibuatnya alat desalinasi air laut ini. Dalam dunia nyata untuk mendapatkan air bersih dari air laut dapat dilakukan dengan 2 cara yaitu dengan Reserve Osmosis (RO) dan dengan memanaskannya, namun dengan sistem RO menggunakan begitu banyak energi untuk mendapatkan air bersih, sedangkan bila dengan memanaskan air laut langsung akan lebih sedikit menggunakan energi. Penggunaan pemanasan ini bisa dihemat lagi penggunaan energinya bila proses pemanasan dilakukan di dalam ruangan vakum, yang secara ilmiah panas yang diperlukan untuk memanaskan air diruang vakum akan lebih rendah dengan kata lain energi yang diperlukan untuk memanaskan air sampai mendidih menjadi lebih sedikit.
Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu : perebusan, penyaringan, desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa padatan-padatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman, bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil, Proses desalinasi secara umum biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011).
Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan adalah konsentrat
garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada penelitian ini adalah solar desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan yang lebih rendah dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar pemanasan dapat berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air setinggi 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10 meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum diatasnya.
Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa Tube-in-Tube. Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari kolektor surya plat datar. Kondensor berfungsi untuk menangkap uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem. Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery, dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem vakum. Selain desalinasi sistem vakum, masih banyak jenis lain sistem desalinasi bertenaga surya. Pembahasan mengenai sistem desalinasi jenis lain beserta prinsip kerja, kelebihan dan kelemahannya dibahas pada subbab berikutnya.
Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2 Klasifikasi Sistem Desalinasi 2.2.1 Solar Still
Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air payau atau air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang cocok tepat dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Gambar 2.2 menunjukkan sistem solar still sederhana.
Kelebihan menggunakan Solar Still : 1. Konstruksi sederhana
2. Kondensasi tidak menggunakan kondensor, kondensasi hanya terjadi di kaca
3. Mudah dalam perawatannya
Condensate Brine
Saline Water
Saline Water Tank Solar Heating System
Evaporator
C o n d e n s e r
Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang naik ke kaca dapat langsung terkondensasi dan jatuh bercampur dengan air laut yang belum mendidih
3. Tidak dapat memproduksi air bersih pada kondisi tidak ada matahari
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah embun yang membawa kapasitas udara bertambah dengan meningkatnya temperatur. Saat udara panas dipanaskan oleh kolektor surya disirkulasikan secara alamiah atau paksa bersinggungan dengan air laut yang disemprotkan di dalam evaporator, sebagian uap diekstrak oleh udara yang dapat dipulihkan oleh kondensor dimana air laut pengumpan dipanaskan terlebih dahulu (Parekh dkk, 2004). Untuk lebih mudah gambar 2.3 menunjukkan skema kerja sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi. Sea Water Tank Basin Brine Tank Fresh Water Tank
Solar Radiation
Glass SUN
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi : 1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah 3. Biaya produksi air tidak mahal
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi : 1. Konstruksi Kompleks
2. Sulit dalam perawatannya 3. Konstruksi sistem mahal
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
Hot Air Evaporator Air in Solar Air Heater Blower
Hot Air Inlet Brine Out
Brine Storage Tank
Solar Water Heater
Preheated Sea Water Hot Sea Water
Distillate Tank
Brine Recycle
Pump Dehumidified Air Outlet
Saline Water Tank
Sea Water In
2.2.3 Solar Chimney
Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbo-generator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney yang terlihat pada gambar 2.4 adalah diameter kolektor surya besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang panjang. Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai rumah kaca, menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada ruang dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara udara lingkungan dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir melalui cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan turbin yang dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi, 2012)
Kelebihan sistem desalinasi solar chimney : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih 3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah Kelemahan sistem desalinasi solar chimney :
1. Konstruksi sistem kompleks
2. Biaya kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat besar
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.4 Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash yang ditunjukkan pada gambar 2.5, air garam pengumpan dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan dibuat perubahan fasa secara cepat dalam bak dimana tekanan rendah dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diizinkan untuk berubah fasa secara cepat dalam tingkat berturutan dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu (Manjarrez dkk, 1979)
Kelebihan solar multi stage flash desalination : 1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi
2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari kolektor surya Condensate Tank Condensate Pump Condenser Air In Sea Water Air In Sea Water Transparent Plastic or Glass Cover SUN Chimney
Humid Hot Air
Wind Turbine
Solar Radiation Solar Radiation
3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi panas selama 24 jam
Kelemahan solar multi stage flash desalination : 1. Konstruksi sistem yang kompleks 2. Tangki penyimpan kalor mahal 3. Perawatan sulit dan mahal
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.5 Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disebut efek sukses dipertahankan pada tekanan rendah dimana air laut disemprot. Panas yang dibutuhkan untuk terjadi evaporasi pada efek pertama disuplai dari energi surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED. Sistem MED mendapat banyak pembagian di market karena kompatibilitas yang lebih baik dengan
Brine
Saline Water Tank
Saline Water Destilate Tank Pump Condenser Preheated Feed Water Solar Field Thermal Energy Storage
Heat Transfer Field
Thermic Fluid Boiler
desalinasi solar termal (Mezher dkk, 2011). Gambar 2.6 menunjukkan sistem desalinasi solar multi effect distillation.
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada air bersih yang terkandung dalam konsentrat garam
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah tingkat pemanasan 3. Biaya produksi air bersih yang rendah
Kelemahan solar multi effect distillation : 1. Proses pemvakuman ruangan sulit 2. Laju produksi air bersih yang rendah 3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap
Desalinasi Uap Terkompresi yang ditunjukkan pada gambar 2.7 menunjukkan, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas dari luar dan diizinkan untuk berubah fasa secara cepat, sehingga uap yang diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC) atau Thermo
To Vacuum To Vacuum To Vacuum
Preheated Feed Water
Saline Water Tank
Destillste Tank Destillate Pump Condenser Brine Solar Cell Hot Thermic Fluid
Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan kondensasi dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006) Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konsumsi daya spesifik lebih rendah dibanding sistem desalinasi lain 2. Biaya produksi air bersih lebih rendah
3. Dapat menghasilkan daya selain air bersih Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konstruksi Mahal dan Kompleks 2. Perawatan sistem yang sulit
3. Hanya efektif dalam menghasilkan air bersih bila tingkat proses ada 12 tingkat
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.7 Freeze Desalination
Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut diperbolehkan untuk mendinginkan bawah titik beku, dimana kristal es dari air murni yang terbentuk di
Condenser
Destillate Tank Saline Water Tank Pump Brine Tank Brine Out Compressor External power Source Electic Heater
Hot Saline Water
Heated Vapor
permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung, desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku operasi vakum (Rane dkk, 2011). Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan refrigeran (biasanya n-butana) dicampur langsung dengan masukan air garam dalam pembeku sehingga panas dari air garam akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air minum. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konvensional tidak ekonomis dan ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas hasilnya kontaminasi kristal es oleh minyak pelumas pun dihindari. Ukuran dari freezing desalination plant melter dan washer dapat di perkecil dengan menerima sejumlah garam dalam air hasilnya biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan produk air dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung, pendingin dan air garam yang tidak dicampur dengan satu sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk crystal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam system desalinasi beku vakum, air garam umpan didinginkan di bawah titik tiga dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensi di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination. Gambar sistem freeze desalination dapat dilihat pada gambar 2.8.
Kelebihan Freeze Desalination :
1. Biaya produksi air bersih dapat diperkecil
2. Dapat digunakan di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih 3. Laju Produksi air bersih tinggi
1. Konsumsi daya spesifik tinggi 2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.8 Desalinasi Adsorpsi
Sistem utama desalinasi adsorpsi terdiri dari evaporator, dudukan adsorpsi (silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan adsorpsi disuplai dengan air panas atau pendingin sesuai kebutuhan. Air garam menguap di evaporator diserap oleh dudukan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh sirkulasi air pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air pulih dikondensasikan dalam kondensor dan berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua dudukan, adsorpsi berlangsung di satu dudukan dan Desorpsi berlangsung di dudukan lain secara bersamaan (Wu dkk, 2010) untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar 2.9.
Fresh Water Brine Water Waste Washing Water Line
Brine Fresh Water
B
A
Evaporator or Condenser Evaporator or Condenser Solar PV or Thermal Powered Compressor UnitSolenoid Controlled Valve
Reversing Unit Throttling Valve
Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Konsumsi daya spesifik yang rendah 3. Biaya produksi air bersih yang rendah Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks 2. Perawatan sistem sulit dan mahal 3. Konstruksi mahal
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan) Brine Tank Ambient Temperatur Water Saline Water V1 V2
Warm Water Out Warm Water Out
Cold water In Hot water In
Adsorption Process Desorption Process BED 1 BED 2 V3 V4
Chilled Water Warm Water
Desalinated Water Destillate Tank Condenser Pump Chilled Water Evaporator
2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal
Dalam desalinasi RO tenaga panas surya, energi mekanik yang dihasilkan oleh siklus surya organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya termal adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit
tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012). Gambar 2.10 menunjjukan sistem desalinasi desalinasi osmosis terbalik tenaga surya termal.
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal selama 24 jam
2. Pemanasan cepat karena dibantu oleh boiler
3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai baik energi termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem
Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua pompa bertekanan tinggi
2. Biaya produksi air bersih mahal 3. Konstruksi kompleks dan mahal
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air garam dan unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air garam dan dipisahkan oleh kation dan anion membran pertukaran. Ketika polaritas DC diterapkan melalui katoda dan node, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion positif melewati membran penukar kation dan ion ini akan terakumulasi dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai air garam. Pembalikan polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran (Charcosset dkk, 2009). Cara kerja Elektrodialisis dapat dilihat pada gambar 2.11. Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Konstruksi sederhana
3. Laju produksi air bersih tinggi
Saline Water Tank Saline Water Condenser Solar Organic Rankine Cycle Organic Fluid Turbine High Pressure Pump RO Module Fresh Water Brine
Brine Tank Fresh Water Tank Heat Transfer Fluid
Thermal Energy Storage Boiler Solar Field Thermic Fluid
Kelemahan Elektrodialisis : 1. Membran sangat mahal
2. Biaya produksi air bersih mahal 3. Perawatan sistem mahal
Gambar 2.11. Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis (Sumber: Dokumentasi Franky C. Nababan)
2.3 Evaporator
Evaporator adalah sebuah alat yang berfungsi mengubah sebagian atau keseluruhan sebuah pelarut dari sebuah larutan dari bentuk cair menjadi uap. Evaporator mempunyai dua prinsip dasar, untuk menukar panas dan untuk memisahkan uap yang terbentuk dari cairan. Evaporator umumnya terdiri dari tiga bagian, yaitu penukar panas, bagian evaporasi (tempat di mana cairan mendidih lalu menguap), dan pemisah untuk memisahkan uap dari cairan lalu dimasukkan ke dalam kondenser (untuk diembunkan/kondensasi) atau ke peralatan lainnya. Hasil dari evaporator (produk yang diinginkan) biasanya dapat berupa padatan
Saline Water Tank Pump
Fresh Water Tank Brine Tank
Saline Water
Anode Cathode
CEM AEM CEM AEM
CEM AEM
- Cation Exchange Membrane - Anion Exchange Membrane
atau larutan berkonsentrasi. Larutan yang sudah dievaporasi bisa saja terdiri dari beberapa komponen volatil (mudah menguap). Evaporator biasanya digunakan dalam industri kimia dan industri makanan. Pada industri kimia, contohnya garam diperoleh dari air asin jenuh (merupakan contoh dari proses pemurnian) dalam evaporator. Evaporator mengubah air menjadi uap, menyisakan residu mineral di dalam evaporator. Uap dikondensasikan menjadi air yang sudah dihilangkan garamnya. Pada sistem pendinginan, efek pendinginan diperoleh dari penyerapan panas oleh cairan pendingin yang menguap dengan cepat (penguapan membutuhkan energi panas). Evaporator juga digunakan untuk memproduksi air minum, memisahkannya dari air laut atau zat kontaminasi lain.
Gambar 2.12 Evaporator
2.3.1 Jenis – Jenis Evaporator
Evaporator dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu:
1. Submerged combustion evaporator, adalah evaporator yang dipanaskan oleh api yang menyala di bawah permukaan cairan, dimana gas yang panas bergelembung melewati cairan.
2. Direct fired evaporator, adalah evaporator dengan pengapian langsung dimana api dan pembakaran gas dipisahkan dari cairan mendidih lewat dinding besi atau permukaan untuk memanaskan.
Steam heated evaporator, adalah evaporator dengan pemanasan stem
dimana uap atau uap lain yang dapat dikondensasi adalah sumber panas dimana uap terkondensasi di satu sisi dari permukaan pemanas dan panas ditranmisi lewat dinding ke cairan yang mendidih.
Selama proses destilasi ini bekerja panas yang dihasilkan dari heater akan memanaskan air laut yang temperaturnya berfluktuasi secara berulang. Fluktuasi temperatur tersebut mengakibatkan tegangan termal pada evaporator. Adanya tegangan termal yang berlangsung secara berulang akan mengakibatkan kegagalan struktur yang dikenal sebagai thermal fatigue. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisa kekuatan fatik yang diakibatkan fluktuasi temperatur dan memperkirakan umur dari evaporator tersebut.
2.4 Fatik (Fatigue)
Fatik atau kelelahan menurut American Society for Metals (ASM) (1975) di defenisikan sebagai proses perubahan stuktur permanen progresive localized pada material yang berada pada kondisi yang menghasilkan flukuasi regangan dan tegangan dibawah kekuatan tariknya dan pada suatu titik atau banyak titik yang dapat memuncak menjadi retak (Crack) atau patahan (fracture) secara keseluruhan sesudah flukuasi tertentu.
Menurut Collins (Collins 1993) kegagalan fatik adalah terpisahnya secara tiba-tiba atau bencana dari komponen mesin menjadi beberapa bagian akibat dari aplikasi fluktuasi beban atau deformasi yang terlalu lama. Ini sangatlah vital mengingat prosedur pengendalian kegagalan harus yakin untuk menentukan faktor keamanan dari komponen tertentu selama masa penggunaannya.
Kegagalan lelah ( fatigue failure ) terjadi secara tiba-tiba, mengakibatkan patah yang terlihat rapuh, pada tegangan jauh dibawah tegangan maksimumnya dan tercapai pada periode siklus tertentu. Kegagalan lelah atau kelelahan yang terjadi pada keadaan beban dinamis seperti pada poros mobil, pesawat terbang, kompresor, turbin atau serta peralatan lainnya yang sangat tidak di inginkan karena dapat merusak sistem dan menimbulkan kerugian besar.
Bradbury (1991) menyatakan bahwa kegagalan akibat fatik di industri sebesar 25% pada komponen pesawat terbang sebesar 61%. Kelelahan (fatique) merupakan salah satu fenomena kegagalan pada sebuah material. W.Elber (1970) memaparkan pentingnya mekanisme dan penutupan retak dalam memperlambat pertumbuhan celah kelelahan akibat pengaruh deformasi plastik wedging
tertinggal di ujung retak. Telah umum diketahui dalam dunia perekayasaan, fatik merupakan penyebab utama (sekitar 90%) kegagalan pada struktur.
Selama bertahun-tahun pengaplikasian dari desain material teknik merupakan kendala untuk umat manusia. Diamati dari pengalaman dimana struktur yang dibangun dari berbagai material tidak selamanya cocok, dan kegagalan yang tidak diinginkan sering terjadi.
Gambar (2.13; 2.14; 2.15) menunjukkan kerusakan atau bencana yang terjadi akibat kelelahan material, dan mengalami kerugian jutaan dolar serta jatuhnya korban manusia.
Gambar 2.13 Fatik pada Pesawat Terbang (Sumber: Thesis Hassan Osman Ali)
Gambar 2.15 Fatik pada Saluran Pipa (Sumber: Thesis Hassan Osman Ali)
2.4.1 Siklus Tegangan
Kelelahan (fatigue) adalah salah satu fenomena kegagalan material, dimana terjadi kegagalan di bawah beban berulang. Terdapat tiga fase dalam perpatahan fatigue, yaitu permulaan retak, penyebaran retak, dan patah. Fatigue terjadi ketika sebuah bahan telah mengalami siklus tegangan dan regangan yang menghasilkan kerusakan yang permanen dan dapat terjadi di bawah atau di atas tegangan luluh. Telah diketahui secara umum dalam bidang rekayasa, fatigue merupakan penyebab utama (sekitar 90%) kegagalan pada struktur.
Kerusakan yang terjadi secara tiba-tiba pada tingkat tegangan di bawah tegangan luluh merupakan alasan penting untuk memasukkan faktor ketahanan
fatigue dalam perencanaan struktur. Dengan mengetahui kekuatan fatigue maka
dapat diprediksi umur fatigue struktur, dimana hal ini menjadi bahan pertimbangan dalam pengoperasian dan perawatan dengan tujuan untuk menghindari un-scheduled shutdown. Di dalam memprediksi umur fatigue, terdapat tiga pendekatan, yaitu pendekatan tegangan (stress approach) atau dengan istilah lain pendekatan grafik S-N atau metode umur-tegangan (stress life
method), pendekatan regangan (strain approach) atau istilah lain metode
umur-regangan (strain-life method), dan pendekatan mekanika patahan (fracture
Karakteristik kelelahan logam dapat dibedakan menjadi 2 yaitu karakteristik makro dan karakteristik mikro. Karakteristik makro merupakan ciri-ciri kelelahan yang dapat diamati secara visual (dengan mata telanjang atau dengan kaca pembesar). Sedangkan karakteristik mikro hanya dapat diamati dengan menggunakan mikroskop. Suatu bagian dapat dikenakan berbagai macam kondisi pembebanan, termasuk tegangan berfluktuasi, regangan berfluktuasi, temperatur berfluktuasi (thermal fatigue), atau dalam kondisi lingkungan korosif atau temperatur tinggi. Kebanyakan kegagalan pemakaian terjadi sebagai akibat tegangan-tegangan tarik. Tiga jenis siklus tegangan yang umum terjadi diperlihatkan pada gambar berikut :
Gambar 2.16 Tipe Umum dari Siklus Tegangan
Pada gambar 2.16 di atas telah ditampilkan tiga macam pendekatan yang digunakan dalam perencanaan dan analisis untuk memprediksi kapan, bilamana, sebuah struktur yang mendapatkan pembebanan berulang akan mengalami kegagalan fatigue dalam batas waktu tertentu , yaitu metode umur-tegangan (stress-life method), metode umur-regangan (strain-life method), dan metode mekanika perpatahan (fracture mechanics). Masing-masing metode memiliki keunggulan dan kekurangan tergantung pada aplikasinya, walaupun berbeda konsep namun tujuannya adalah memprediksi umur fatigue.
Sebuah tegangan yang berfluktuasi terdiri dari dua komponen: mean atau steady,
σ
a. Jarak tegangan,σ
r, adalah perbedaan maksimum dengan minimum tegangan dalam satu siklus:σ
r=σ
max-σ
min (1)tegangan alternating adalah setengah dari jarak tegangan
(2) Tegangan mean adalah penjumlahan dari tegangan maksimum dan tegangan minimum dalam siklus:
(3) Dua ratio yang sering digunakan dalam menampilkan data fatik adalah: Stress ratio
(4)
Amplitude ratio
(5)
2.4.2 Faktor yang Mempengaruhi Fatik
Umur fatik dari komponen memiliki 3 tahap: 1. Awal retak
2. Perambatan retak 3. Fraktur (Kegagalan)
Selain itu terdapat banyak faktor-faktor lain yang dapat mempengaruhi umur lelah, yaitu:
1. Pembebanan
a. Jenis beban : uniaksial, lentur, puntir b. Pola beban : periodik, random c. Besar beban (besar tegangan)
d. Frekuensi siklus beban 2. Kondisi Material
a. Ukuran butir b. Kekuatan
c. Penguatan dengan larutan padat d. Penguatan dengan fasa ke-2 e. Penguatan regangan
f. Struktur mikro
g. Kondisi permukaan (surface finish) h. Ukuran komponen 3. Proses Pengerjaan a. Proses pengecoran b. Proses pembentukan c. Proses pengelasan d. Proses permesinan e. Proses perlakuan panas 4. Temperatur Operasi 5. Kondisi Lingkungan
Dalam perancangan suatu komponen, untuk menentukan tegangan aman yang diizinkan, para perekayasa sering menggunakan cara estimasi umur fatigue dengan menggunakan pendekatan tegangan. Metode ini merupakan cara konvensional yang paling simple, mudah dilakukan untuk aplikasi perancangan, sangat baik diterapkan pada kondisi pembebanan elastis, mampu menunjukkan batas rentang pakai yang aman (safe life) bahkan tak terhingga (infinite life), serta sangat tepat untuk perencanaan komponen pada kondisi fatigue siklus tinggi. Namun perlu diperhatikan bahwa metode ini tidak cocok untuk kondisi fatigue siklus rendah, karena metode ini tidak dapat menghitung pengaruh tegangan-regangan sebenarnya pada saat terjadi deformasi peluluhan local, terbatas hanya
pada material logam, terutama baja, karena pada material tertentu tidak dapat menunjukkan respon data yang tepat bila menggunakan pendekatan ini.
Syarat utama untuk menggunakan metode pendekatan tegangan mengacu pada asumsi perhitungan mekanika benda padat bahwa komposisi material idealnya homogen, kontinyu, dan bebas cacat, atau bebas retak. Tujuan utama menggunakan pendekatan ini pada perencanaan komponen adalah untuk mendapatkan umur pakai aman bahkan tak terhingga.
Faktor yang mempengaruhi umur fatigue : 1. Efek tegangan mean
Gambar 2.17 Efek Mean Stress 2. Konsentrasi Tegangan
a. Peningkatan tegangan akan menurunkan umur fatigue
b. Pemicunya dapat secara mekanis (misal : filet atau alur pasak) maupun metalurgi ( misal : porositas atau inklusi)
c. Kegagalan fatigue selalu dimulai pada peningkatan tegangan, biasanya pada atau dekat dengan permukaan
d. Beberapa faktor lain yang harus dipertimbangkan, seperti sifat-sifat permukaan dan tegangan sisa permukaan
3. Ukuran Struktur
a. Meningkatknya ukuran benda uji, umur fatigue kadang-kadang menurun b. Kegagalan fatigue biasanya dimulai pada permukaan
c. Penambahan luas permukaan dari benda uji besar, meningkatkan kemungkinan di mana terdapat suatu aliran yang akan memulai kegagalan dan menurunkan waktu untuk mulainya retak.
Peningkatan ukuran benda uji juga akan menurunkan gradien tegangan, sehingga lebih banyak bahan akan meningkatkan kemungkinan benda uji menegang lebih tinggi.
Analisis kelelahan (fatigue) adalah analisis untuk mengetahui kekuatan struktur terhadap beban yang berulang (siklik). Analisis kelelahan (fatigue) ini digunakan untuk memperoleh service life dari struktur. Fatigue failure adalah kegagalan yang timbul akibat beban yang berulang-ulang. Kegagalan ini biasanya diawali dengan retak (crack) serta adanya konsentrasi tegangan, sehingga akan mempercepat terjadinya fatigue failure, sehingga menyebabkan perpatahan (fracture).
Analisa umur lelah (fatigue life) dipengaruhi oleh factor-faktor sebagai berikut:
1. Endurance Limit. 2. Surface Factor.
3. Gradient Factor.
4. Specimen Endurance Limit.
2.4.3 Tegangan dan Regangan Termal
Beban luar bukanlah satu-satunya sumber tegangan dan regangan di suatu struktur. Perubahan temperatur menyebabkan ekspansi atau kontraksi bahan, sehingga terjadi regangan termal dan tegangan termal.
Pada kebanyakan bahan, regangan termal
ε
t sebanding dengan perubahantemperatur ΔT; jadi ,
(6)
Dalam hal ini benda mengalami sedikit perubahan volume dimana semua komponen regangan geser sama dengan nol.
Jika suatu batang yang ditahan untuk menahan pertambahan panjang dan karena adanya kenaikan suhu yang merata, akan menyebabkan adanya tegangan sehingga terjadi tegangan tekan. Tegangan ini disebut thermal fatigue
σ = ε E = α ΔT E
(7)Dimana: α = koefisien ekspansi thermal ΔT = perubahan temperatur E = Modulus elastisitas
2.4.4 Fatik Siklus Tinggi
Berdasar umur fatigue (N), fatigue dapat diklarifasi menjadi fatigue siklus rendah (low cycles fatigue) untuk umur fatigue 100 ≤ N ≤ 103 dan fatigue siklus tinggi (high cycles fatigue) untuk umur fatigue N ≥ 103. Dua cara pendekatan yang pertama memiliki parameter yang sama, yaitu mengolah parameter beban menjadi fungsi tegangan atau regangan terhadap siklus. Cara pendekatan yang terakhir menggunakan parameter perambatan retak (crack propagation) dengan memantau retak mula yang memiliki laju pertumbuhan panjang retak yang proporsional dengan intensitas tegangan yang diterapkan untuk mencapai perpatahan.
Fatik siklus tinggi melibatkan siklus dalam jumlah yang besar (N>105 siklus) dan memakai tegangan elastis. Pengujian fatik siklus tinggi biasanya didapatkan 107 siklus dan kadang kala 5 x 108 siklus untuk logam nonbesi. Walaupun tegangan yang dipakai cukup rendah untuk sampai menjadi elastik, deformasi plastis dapat mengambil tempat dititik crack. Data fatik siklus tinggi biasanya ditampilkan sebagai plot tegangan, S, melawan jumlah siklus sampai gagal, N. Rumus log digunakan menghitung jumlah siklus. Nilai dari tegangan, S, bisa saja tegangan maksimum, σmax, tegangan minimum, σmin, atau tegangan
amplitudo, σa. Hubungan S-N biasanya adalah menentukan nilai spesifik dari
tegangan rata-rata, σm, atau satu dari dua rasio, R atau A.
Estimasi penentuan siklus fatik tinggi dapat menggunakan rumus Basquin; sebagai berikut:
(8) Umur fatik adalah banyaknya jumlah siklus sampai terjadi kegagalan pada level tegangan tertentu, sedangkan kekuatan lelah (juga disebut sebagai batas daya tahan) adalah stres bawah yang gagal tidak terjadi. Sebagai tingkat stres diterapkan menurun, jumlah siklus kegagalan meningkat. Biasanya, kekuatan kelelahan meningkat sebagai statis kekuatan tarik meningkat. Sebagai contoh, baja berkekuatan tinggi dipanaskan sampai melewati batas 1400Mpa (200 ksi) titik luluh yang lebih tinggi daripada paduan aluminium yang hanya 480 Mpa (70 ksi) titik luluh. Perbandingan kurva S-N untuk baja dan aluminium ditujukan pada gambar 2.4. Perhatikan bahwa baja tidak hanya memiliki kekuatan luluh yang lebih tinggi dari aluminium, tetapi juga memiliki batas ketahanan. Di bawah tingkat stres tertentu, paduan baja tidak akan pernah mengalami kegagalan karena untuk beban siklik saja. Di sisi lain, aluminium tidak memiliki batas ketahanan yang pasti. Dia akan selalu mengalami kegagalan jika diuji dengan jumlah siklus yang cukup. Oleh karena itu, kekuatan fatik dari aluminium biasanya dilaporkan sebagai tegangan yang dapat bertahan dalam jumlah siklus yang besar, biasanya 5 x 108 siklus. Perlu dicatat bahwa ada cukup banyak tersebar di hasil tes kelelahan. Oleh karena itu penting untuk menguji dalam jumlah spesimen yang memadai untuk mendapatkan hasil statistik bermakna.
Untuk jumlah yang besar dari baja, terdapat korelasi langsung antara kekuatan tarik dengan kekuatan fatik; baja dengan kekuatan tarik yang lebih besar akan memiliki batas ketahanan yang tinggi. Batas ketahanan normalnya dalam jarak 0.35 sampai 0.60 dari kekuatan tarik. Hubungan ini tertuju kepada kekerasan sekitar 40 HRC (~120Mpa, atau 180 ksi kekuatan tarik), dan kemudian menyebar menjadi sangat baik untuk dipercaya (gambar 2.5). Bukan karena ini kita dapat dengan bijaksananya menggunakan baja yang berkekuatan tarik tinggi agar secara mungkin memaksimalkan umur fatik karena, bila kekuatan tarik meningkat, kekuatan patah menurun dan sensitivitas lingkungan meningkat. Batas ketahanan dari baja kekuatan tinggi begitu ekstrim sensitifnya dengan kondisi permukaan, kondisi bertegangan sisa, dan kehadiran dari pencantuman yang bertindak sebagai konsentrasi tegangan.
Retak fatik ini muncul begitu dini dalam penggunaan keseharian dari komponen oleh formasi dari retak kecil, umumnya pada beberapa titik diatas permukanan eksternal. Retak tersebut kemudian mulai merambat perlahan ke material dalam arah perlahan menuju pusat tarik poros (gambar 2.3).
Proses terjadinya retak ini dibagi menjadi 3 tahap: 1. Mulai terjadinya retak,
2. Perambatan retak 3. Kegagalan akhir.
Gambar 2.19 Tipe Penyebaran dari retak fatik
Puncaknya, area penyebrangan dari titik tersebut tidak lagi dapat menahan beban, dan komponen akan gagal akibat tekanan. Permukaan patah akibat dari kelelahan kekuatan tinggi dapat dilihat gambar 2.4. Porsi dari permukaan patah akibat retak fatik yang tumbuh dan porsi ini terakhir akan retak akibat dari pembebanan berlebih.
Gambar 2.20 Pertumbuhan Retak Fatik dalam Bagian Baja Berkekuatan Tinggi (Sumber: Elements of Metallurgy and Engineering Alloys #05224G) Seperti yang sudah disinggung sebelumnya, kebanyakan data fatik didalam literatur telah ditentukan untuk benar-benar reversed bending dengan σm =0.
Bagaimanapun, efek dari tegangan rata-rata sangatlah penting, dan peningkatan tegangan rata-rata juga akan menyebabakan penurunan umur fatik (gambar 2.21).
Gambar 2.21 Efek dari tegangan rata-rata terhadap umur fatik (Sumber: Elements of Metallurgy and Engineering Alloy #05224G)
Rumus matematika telah dikembangkan dan dapat mengizinkan efek dari tegangan rata-rata atas tegangan amplitudo dan terprediksi dari data penuh
reversed-bending. Goodman mengembangkan permodelan linier, namun Gerber
menggunakan model parabola (gambar 2.22). Data pengujian untuk logam lentur biasanya akan jatuh mendekati model kurva parabola Gerber; namun, dikarenakan penyebaran data fatik dan kenyataan data yang lebih mendekati garis Goodman, hubungan Goodman yang lebih konservatif lebih sering dipraktikkan. Jika komponen dari perancangan adalah atas dasar luluh ketimbang kekuatan puncak, maka akan lebih mendekati ke rumus Soderberg. Dalam matematika, ketiga hubungan ini dapat dituliskan menjadi
Goodman (9)
Soderberg (10)
Gerber (11)
Dimana: σe = kekuatan fatik untuk siklus N dibawah tegangan rata-rata nol
σa = kekuatan fatik untuk siklus N dibawah tegangan rata-rata dari
σm
σu = kekuatan tarik puncak
Gambar 2.22 Perbandingan kurva Goodman, Gerber dan Soderberg (sumber: Element of Metallurgy and Engineering Alloys #05224G)
2.4.5 Menentukan Umur Fatik
Untuk menentukan umur fatik kita dapat menggunakan diagram S-N atau yang disebut juga dengan diagram Wohler.
Gambar 2.23 Kurva S-N Wohler (Anders Ekberg, 2012)
Bisa diketahui dari kurva diatas bahwa umur kelelahan berkurang sehubungan dengan peningkatan kisaran stress (tekanan) dan nilai membatasi
stress. Titik dimana SN disebut daya tahan. Untuk memprediksi umur kelelahan, kerusakan kelelahan model linear digunakan dalam hubungannya dengan SN yang relevan atau sesuai. Model seperti kerusakan kelelahan telah dirumuskan oleh Wohler seperti yang di tunjukkan pada gambar diatas.
Dimana ‘N’ adalah jumlah siklus untuk kegagalan, ‘C’ adalah tergantung konstan pada kategori merinci, ‘S’ adalah kisaran konten diterapkan stress dan ‘m’ adalah leren dari kurva SN. Kisaran stress merupakan parameter penting dalam memperkirakan tekanan fatik. Tinggi kisaran stress maka lebih rendah umur kelelahan dan apabila tingkat kisaran stress menurun maka lebih tinggi umur kelelahan.
2.5 Simulasi Numerik
Berbagai fenomena dalam dunia science dan engineering dapat dideskripsikan dengan formulasi persamaan diferensial menggunakan model kontinum mekanik. Penyelesaian persamaan diferensial dengan kondisi yang bervariasi seperti kondisi batas atau kondisi inisial dapat membantu memahami fenomena dan dapat mengestimasi fenomena pada masa yang akan datang. Untuk persamaan diferensial, umumnya sulit diperoleh solusi analitisnya, ini disebabkan oleh kompleksitas sifat material, kondisi batas, dan juga bentuk struktur itu sendiri. Solusi yang mungkin untuk permasalahan yang demikian adalah dengan menggunakan analisa numerik menggunakan metode elemen hingga. Metode elemen hingga menerjemahkan pemasalahan persamaan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar linier dengan mengadopsi metode numerik untuk mendapatkan solusi pendekatan.
2.5.1 Simulasi struktur
Analisa struktur merupakan aplikasi metode elemen hingga yang paling sering digunakan. Struktur disini tidak dibatasi hanya pada bangunan dan jembatan, melainkan meliputi aeronautical, naval, dan struktur mechanical. Analisa struktur (static structural) memperhitungkan perpindahan, tegangan, regangan, dan gaya pada struktur akibat pembebanan dengan mengabaikan efek
inersia dan redaman. Analisa struktur sangat berperan dalam ilmu solid mechanics. Analisa struktur statik dapat berupa linier maupun nonlinier.
2.5.2. Simulasi termal
Analisa termal memperhitungkan distribusi temperatur dan besaran termal lainnya pada suatu komponen atau sistem. Simulasi termal memainkan peran yang penting dalam aplikasi engineering, seperti pada heat exchanger, piping systems,
combustion engine, turbin, dan komponen elektronik. Pada kasus tertentu, analisis
termal dimasukkan untuk memperhitungkan thermal stress.
2.5.3. Simulasi Thermal Stress
Simulasi thermal stress memungkinkan solusi dari analisa termal dimasukkan ke analisa struktur. Fitur ini berguna untuk menentukan efek distribusi temperatur terhadap respon struktur. User dapat memberikan beban termal secara terpisah atau dihubungkan dengan beban mekanik dalam satu seri dengan mengimpor beban termal Analisa termal dilakukan terlebih dahulu. Dari analisa ini didapat hasil seperti distribusi temperatur sesuai dengan kondisi batas yang diberikan. Temperatur dari solusi termal kemudian digunakan sebagai beban
(load) dengan preprocessing dan solusi untuk analisa struktur.
2.6 Ansys Workbench
Pada penelitian ini, thermal stress yang terjadi pada evaporator didefinisikan sebagai fenomena engineering yang melibatkan dua domain fisik yang berbeda, yaitu termal-struktur. Untuk itu, analisa fenomena tersebut menggunakan program Ansys Workbench. Untuk memulai analisa menggunakan Ansys Workbench dapat dilakukan dengan langkah-langkah seperti pada gambar 2.24
Gambar 2.24 Cara memulai analisa dengan program Ansys Workbench (Google.com)
Kelebihan program ini adalah dapat mengoperasikan beberapa solver dalam satu paket dengan interface yang berbeda namun data tetap terintegrasi dalam suatu sistem, seperti tampak pada gambar 2.25
Gambar 2.25 Interface program Ansys Workbench (Google.com)
2.6.1. Workbench environment
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
– Fluid Flow (FLUENT); untuk melakukan analisa CFD menggunakan FLUENT – Geometry (DesignModeler); untuk membuat geometri dan menyiapkan model solid yang digunakan dalam aplikasi Mechanical.
– Engineering Data; untuk mendifinisikan sifat-sifat material
– Meshing Application; untuk menghasilkan mesh CFD dan Explicit Dynamics – Design Exploration; untuk analisa optimasi
– Finite Element Modeler (FE Modeler); untuk menterjemahkan mesh NASTRAN dan ABAQUS agar dapat digunakan di Ansys Workbench.
– BladeGen (Blade Geometry); untuk membuat geometri sudu
– Explicit Dynamics; untuk simulasi explicit dynamics dan menampilkan pemodelan nonlinear. Workbench environment mendukung dua tipe aplikasi, seperti tampak pada gambar 2.26 yaitu; (1) Native applications (workspaces); Aplikasi asli (native) terkini adalah Project Schematic, Engineering Data, dan
Design Exploration. Aplikasi asli yang diluncurkan dan dijalankan di jendela
Workbench. (2) Data Integrated Applications; aplikasi terkini mencakup Mechanical, Mechanical APDL, FLUENT, CFX, AUTODYN dan aplikasi lainnya.
Native application Data integrated application
