Pemodelan Penurun Tekanan Untuk Kenderaan Berbahan Bakar Gas Dengan Simulasi 3-D

2002 digitized by USU digital library 1

PEMODELAN PENURUN TEKANAN

UNTUK KENDARAAN BERBAHAN BAKAR GAS DENGAN SIMULASI 3-D

(Studi Kasus : Korelasi Perubahan Posisi pada Penurun Tekanan terhadap Tekanan dan Laju Aliran Massa )

TULUS BURHANUDDIN SITORUS UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN

1.1 Latar Belakang Saat ini Bahan Bakar Gas atau Compressed Natural Gas (CNG) merupakan bahan bakar alternatif yang sedang dikembangkan untuk menggantikan bahan bakar cair seperti solar dan bensin. Hal ini disebabkan semakin menipisnya persediaan bahan bakar cair tersebut dan polusi yang ditimbulkan oleh bahan bakar tersebut. Emisi gas buang mengakibatkan pemanasan global, yang salah satu dampaknya adalah perubahan iklim seperti yang terasa saat ini. Selain CNG, ada juga metanol, etanol, dan LPG (liquefied petroleum gas) dengan kelebihan dan kekurangan masing-masing. Walaupun begitu keempat jenis bahan bakar tersebut diakui sebagai bahan bakar yang bersih karena memiliki emisi gas buang yang rendah. Selain itu gas alam tidak bersifat korosif dan tidak beracun, sehingga tidak mengakibatkan kontaminasi dengan air tanah. Supaya dapat menggunakan BBG, kendaraan berbahan bakar bensin memerlukan seperangkat peralatan tambahan yang disebut kit konversi (conversion kit) yang terdiri dari tabung BBG, katup manual, pipa tekanan tinggi, manometer, dan saklar pilih, katup otomatis, penurun tekanan (pressure regulator), katup pengisian BBG (filling valve), pencampur gas dan udara (mixer) serta katup otomatis untuk bensin. Sistem pengaturan laju aliran dan langkah penurunan tekanan pada penurun tekanan akan sangat menentukan prestasi motor tersebut. Dari beberapa kajian yang pernah dilakukan terhadap karakteristik stabilitas dan prestasi kit konversi di LMBSP ITB Bandung[7,8,9], menunjukan bahwa kit konversi yang diimpor oleh beberapa penjual (vendor) di Indonesia masih memerlukan beberapa perbaikan. Beberapa penelitian yang telah diadakan untuk mencari penyebabnya[10,11], menyimpulkan bahwa masalah utama dari gangguan ini adalah ketidakstabilan dan respon transien yang kurang baik dari satu atau lebih mekanisme pegas-massa yang terdiri dari restriksi katup, pegas, diafragma, saluran orifis, dan ruang dari penurun tekanan. Mekanisme tersebut diharapkan untuk memungkinkan penurun tekanan menghantarkan secara baik sejumlah gas yang dibutuhkan oleh kendaraan bermotor, pada saat yang tepat, meskipun tekanan gas di dalam tangki berkurang selama pengoperasian kendaraan. Kesetimbangan antara gaya aerodinamis yang dihasilkan oleh aliran gas yang dimampatkan melalui penurun tekanan dan gaya mekanik dari pegas dan diafragma yang menggerakkan restriksi katup agar terbuka pada saat yang tepat secara baik untuk menghantarkan sejumlah gas yang diperlukan kendaraan bermotor, merupakan salah satu parameter utama yang ikut menentukan kondisi baik tidaknya suatu penurun tekanan .


1.2 Tujuan Penelitian ini dimaksudkan untuk memperoleh suatu hal yang berarti dalam memperbaiki prestasi kit konversi khususnya penurun tekanan mengenai kondisi tunak dan laju aliran massanya. Hal ini dapat diketahui dengan melakukan beberapa perubahan seperti posisi lubang masuk dan posisi lubang keluar yang memiliki indikasi prestasi kondisi tunak yang kurang baik. Selanjutnya data yang diperoleh dapat digunakan sebagai masukan untuk mendesain ulang penurun tekanan yang baru atau meningkatkan pengontrolan kit konversi di masa mendatang secara elektronik. 1.3 Ruang Lingkup Ruang lingkup penelitian ini adalah melakukan simulasi aliran fluida CNG di dalam penurun tekanan dengan menggunakan perangkat lunak FIRE v7.0b_pl3. Dalam simulasi ini dilakukan perubahan tekanan gas masuk ke penurun tekanan, perubahan tekanan keluar, perubahan diameter lubang keluar, perubahan posisi lubang masuk, dan posisi lubang keluar. Setiap perubahan dilihat pengaruhnya terhadap tekanan di dalam ruang penurun tekanan dan laju aliran massa keluar.

BAB II

TEORI DASAR

2.1. Bahan Bakar Gas

Bahan Bakar Gas atau BBG merupakan gas alam yang telah dimampatkan. Secara umum lebih dari 80% komponen gas bumi yang dipakai sebagai BBG merupakan gas metana, 10%-15% gas etana, dan sisanya adalah gas karbon dioksida, dan gas-gas lain. Susunan BBG yang dipakai di Jakarta 93% terdiri dari gas metana, 3,2% gas etana, dan 3,8% sisanya adalah gas nitrogen, propana, dan karbon dioksida [6]. Komposisi gas alam tersebut berbeda-beda antara satu sumber dengan sumber lainnya. Bahan bakar gas dapat dikelompokkan ke dalam dua bagian utama yaitu gas alam (natural gas) dan gas buatan (manufactured gas). Gas alam umumnya berada di tempat yang sama dengan endapan minyak dan batubara. Sedangkan gas buatan diproduksi dari kayu, tanah gambut, batubara, minyak, dan sebagainya. Komponen mampu bakar dari gas adalah metana, karbondioksida, dan hidrogen dalam jumlah yang bervariasi. Karakteristik dari gas sangat tergantung pada komponen yang ada dalam gas tersebut. Keunggulan BBG sebagai bahan bakar untuk kendaraan antara lain :

- Ramah lingkungan karena polusi yang disebabkan oleh BBG relatif lebih rendah dibandingkan BBM. Hal ini disebabkan karena BBG dengan unsur utama metana dan etana mempunyai perbandingan jumlah atom hidrogen terhadap atom karbon yang lebih tinggi. Dan pada proses pemurnian BBG tidak digunakan TEL (zat aditif untuk menaikkan angka oktan). Tingkat pengurangan emisi tertentu untuk kendaraan BBG jika dibandingkan dengan bensin adalah [5]:

• CO, 60%–80% • NOx, 50%–80% • CO2, sekitar 30% • Reaktifitas penghasil ozon, 80%–90%.

Sedangkan pengurangan emisi dari penggunaan gas pada mesin diesel umumnya berada pada rentang berikut ini[5]:

• CO, 70%–90% • NOx, 80%-90% • Bahan partikel (PM10), 90%–95%

2002 digitized by USU

Banyak partikel yang dikeluarkan cenderung berasal dari minyak pelumas mesin yang masuk ke kepala piston dan bukan merupakan akibat langsung dari BBG [5].

- Aman karena BBG memiliki berat jenis yang lebih ringan daripada udara sehingga bila terjadi kebocoran maka BBG segera membumbung ke udara dan sulit bagi BBG untuk membentuk campuran mampu terbakar di udara. Untuk menghindari ledakan, maka pada tangki BBG dilengkapi dengan katup yang akan terbuka jika tekanan tangki melebihi batas tekanan yang diizinkan dan segera kembali setelah tekanan tangki normal kembali.

- Lebih hemat dalam pemakaian minyak pelumas dan busi. - Bahan Bakar Gas memiliki nilai oktan yang lebih tinggi daripada bensin

sehingga mengurangi kemungkinan terjadinya detonasi. - Murah karena BBG dijual dalam satuan liter setara premium harganya

40% – 50% dari premium. - Diproduksi di dalam negeri

Namun walaupun BBG memiliki banyak keuntungan sebagai bahan bakar bagi kendaraan tetapi terdapat kendala yaitu penyimpanan bahan bakar gas tersebut. Terdapat dua kemungkinan penyimpanan gas alam yang digunakan sebagai bahan bakar untuk kendaraan yaitu :

- CNG (compressed natural gas) dimana gas disimpan di dalam silinder bertekanan tinggi hingga mencapai 200 bar. Penyimpanan CNG memerlukan volume yang lebih besar, namun memerlukan peralatan tambahan yang relatif lebih rendah.

- LNG (liquefied natural gas) dimana gas metana menjadi cair pada temperatur -162oC pada tekanan 1 bar. Tetapi untuk LNG dibutuhkan sejumlah energi yang cukup besar untuk mencairkan gas dan pengisian ulang yang lebih sulit dibandingkan dengan CNG.

2. 2. Sistem Kit Konversi

Peralatan yang harus ditambahkan pada kendaraan bermotor agar kendaraan bermotor dapat beroperasi dengan BBG adalah kit konversi seperti tampak pada gambar 2.1. Bahan bakar gas dimasukkan ke tabung BBG (1) melalui kerangan pengisian BBG (5) pada tekanan tinggi melalui pipa tekanan tinggi (3), kemudian gas disalurkan ke mesin mobil. Tekanan gas diturunkan ke atmosfir (LK.1) oleh penurun tekanan (6). Kemudian dicampur dengan udara oleh pencampur udara dan gas (8) dan selanjutnya masuk ke mesin untuk dibakar. Kendaraan bermotor dapat dioperasikan memakai bahan bakar gas atau bensin. Pengaturan operasinya diatur oleh sakelar pemilih (4) yang menutup atau membuka kerangan otomatis (6) dan (9) untuk gas atau bensin.

Gambar

Banyaknya volume gas Dalam pemakaian BBGmesin kendaraan, yanprosedur pemasangan dpenggunaannya akan am

digital library 3

2. 1. Letak kit konversi pada kendaraan

yang tersimpan di tangki dapat dilihat di manometer (4). untuk kendaraan tidak ada perubahan-perubahan pada g ada hanya penambahan peralatan kit konversi. Bila an pemeliharaan alat ini dilaksanakan dengan baik maka an.


2.2.1. Penurun Tekanan (Pressure Regulator)(11)

Pada kit konversi, penurun tekanan berfungsi untuk menurunkan tekanan bahan bakar gas dari tekanan tabung hingga mencapai tekanan tertentu disamping mengatur jumlah bahan bakar gas yang dibutuhkan pada saat motor penggerak beroperasi. Penurun tekanan ini ada yang memiliki dua ruang namun ada juga yang memiliki tiga ruang. Dan yang dibahas di sini adalah penurun tekanan yang memiliki tiga ruang. Prinsip kerja dari penurun tekanan adalah setelah melalui penyaringan oleh saringan (filter) untuk menghilangkan kotoran, gas bertekanan tinggi memasuki penurun tekanan menuju ruang pertama. Pada ruang pertama ini tekanan diturunkan dari sekitar 200 bar hingga tekanan tertentu yaitu 3 bar. Mekanismenya adalah gas yang mengalir menuju ruang pertama itu mengalami restriksi aliran dengan adanya katup jenis plat datar yang dihubungkan dengan diafragma berbeban pegas. Dengan adanya tekanan gas maka diafragma yang dihubungkan dengan tuas oleh suatu gagang akan mengatasi gaya tekan pegas sehingga ujung tuas menutup katup pertama ke suatu harga yang bervariasi antara 2,3 bar hingga 3 bar. Setelah tekanan di ruang pertama mencapai harga tertentu, katup plat datar akan menutup saluran masuk BBG. Bila tekanan di ruang pertama ini berkurang akibat mengalirnya BBG ke ruang kedua, pegas akan menekan diafragma dan membuka kembali katup plat datar. Dalam hal ini kekakuan pegas harus memiliki harga tertentu dan stabilitas respon yang baik sehingga dapat menjamin kesinambungan aliran bahan bakar tersebut. Ruang pertama berhubungan dengan ruang kedua dimana diafragma dihubungkan dengan menggunakan gagang ke tuas kedua. Tekanan yang berasal dari ruang pertama akan mengatasi gaya tekan pegas dan katup dan menutup saluran BBG serta menstabilkan tekanan berkisar 1 bar hingga 2 bar. Pada ruang ketiga terdiri dari diafragma yang dihubungkan oleh gagang ke tuas. Perbedaan antara gaya tekan oleh gas pada katup dan gaya tekan pegas dari tuas akan menentukan besarnya bukaan saluran masuk gas dan akibatnya akan menentukan kuantitas gas yang diperlukan untuk kondisi slow-running mesin. Gas kemudian dialirkan melalui dua saluran keluar ke pencampur yang dipasang sebelum karburator. Saat kebutuhan akan bahan bakar bertambah, diafragma tertarik lebih jauh ke arah bagian dalam penurun tekanan dan celah katup akan membesar sehingga kuantitas gas juga akan bertambah.

Gambar 2.2. Penurun tekanan

2.2.2. Pencampur (Mixer) Bentuk pencampur direncanakan sedemikian rupa yang pada dasarnya berfungsi untuk mencampur bahan bakar gas dan udara agar terjadi campuran yang


homogen, sehingga diharapkan proses pembakarannya lebih sempurna, apabila proses pembakaran sempurna maka prestasi mesin akan meningkat. Bentuk dan ukuran pencampur harus memenuhi beberapa persyaratan antara lain(13) :

- Pencampur harus dapat menyuplai campuran bahan bakar dan udara ke dalam silinder sesuai dengan sudut pancar dan kapasitasnya.

- Pencampur harus terbuat dari bahan yang tahan terhadap perubahan temperatur serta kondisi kerja yang erosif dan korosif

- Pencampur secara teoritis harus dapat mencampur bahan bakar dan udara dengan campuran yang homogen sehingga dapat terbakar dengan sempurna di dalam ruang bakar.

Pencampur ini memiliki konstruksi berupa venturi dan dipasang tepat di atas karburator. Skema aliran BBG dan udara di dalam pencampur dapat dilihat pada gambar 2.3.

Aliran Udara

Campuran Udara-Gas

Aliran Gas

Gambar 2.3. Skema aliran gas dan udara di dalam pencampur(11)

2.3. Persamaan aliran melalui suatu restriksi

Pada beberapa bagian dari siklus mesin, fluida mengalir melalui suatu restriksi atau reduksi dalam penampang aliran. Aliran sebenarnya ini biasanya dihubungkan dengan aliran ideal. Persamaan aliran ideal tersebut adalah aliran tunak adiabatik reversibel atau aliran isentropik dari suatu fluida ideal yang melalui saluran dengan geometri dan ukuran yang sama. Dalam kenyataannya aliran fluida diperoleh dari koefisien keluaran (discharge coefficient) CD yang didefinisikan sebagai (4):

idealmassaaliran

aktualmassaaliranD

C =

Alternatif lain, koefisien keluaran dapat didefinisikan dalam bentuk perbandingan luas penampang efektif saluran dan luas penampang referensi. Bila penampang referensi yang biasanya diambil sebagai luas penampang minimum adalah AR dan luas penampang efektif dari restriksi aliran adalah AE maka bisa dinyatakan bahwa :

R

ED A

AC = (2.9)

2

Orifis1

Gambar 2.4. Skema aliran cairan melalui orifis (4)


2.3.1. Aliran cairan

Bila ditinjau aliran fluida cair melalui suatu orifis seperti gambar 2.4 maka untuk aliran ideal, persamaan Bernoulli dapat ditulis

2

Vñp

2

Vñp

22

2

21

1 +=+ (2.10)

Untuk aliran inkompresibel, persamaan kontinuitasnya adalah V1A1= V2A2 dan laju aliran massa ideal melalui sebuah orifis adalah :

( )( )

1/2

2

12

21.

2ideal/AA1

pp2ñAm

−−

= (2.11)

Laju aliran massa sebenarnya diperoleh dari hubungan :

( )( )

1/2

2

12

21.

2Dsebenarnya/AA1

pp2ñACm

−−

= (2.12)

Koefisien keluaran merupakan fungsi dari ukuran, bentuk, kekasaran permukaan orifis, laju aliran massa serta sifat fluida seperti massa jenis, tegangan permukaan, dan viskositas. Bilangan Reynolds untuk orifis yaitu :

v

DV

ì

DVñRe 2222

o == (2.13)

sebagai korelasi parameter untuk penghitungan koefisien keluaran dimana µ viskositas dinamik (kg/m.s) dan ν viskositas kinematik (m2/s).

2.3.2. Aliran Gas

Bila suatu gas ideal yang memiliki panas jenis konstan mengalir melalui saluran seperti gambar 2.5 maka untuk aliran idealnya, temperatur stagnasi To dan tekanan stagnasi Po dihubungkan dengan kondisi lainnya di dalam saluran oleh persamaan energi untuk aliran tunak yaitu:

p

2

o 2c

VTT += (2.14)

dan

1)/ã(ã

oo P

p

T

T−

=

(2.15)

Kerongkongan

P

x

Po ideal

Po sebenarnyaP

Gambar 2.5. Distribusi tekanan untuk aliran gas melalui restriksi (4)


Untuk bilangan Mach M = V/a, dimana a merupakan kecepatan suara (= TRγ ),

maka persamaannya menjadi :

2o M2

1ã1

T

T −+= (2.16)

1)ã/(ã2o )M2

1ã(1

P

P −−+= (2.17)

Dan laju aliran massa m adalah :

m = ρ .A. V (2.18)

Berdasarkan hukum gas ideal dan hubungan antara p dan T, maka persamaan di atas menjadi :

1)1)/2(ã(ã

2

o

o

.

ideal M2

1ã1Mã

pA

TRãm −+−

−+=

atau 1/2

1)/ã(ã

o

1/ã

oo

o

.

ideal

p

p1

1ã

2

p

pã

pA

TRãm

−

−

=

−

diperoleh :

( )

1/21)/ã(ã

o

2/ã

o0

o.

ideal p

p

p

p

R1ã

2ã

T

pAm

−

−

=−

(2.19)

Untuk harga Po dan To yang diberikan, laju aliran massa maksimum terjadi saat kecepatan pada penampang minimum atau kerongkongan (throat) sama dengan kecepatan suara. Keadaan ini disebut dengan aliran tercekik (choked). Saat aliran tercekik pada kerongkongan, maka hubungan pT dengan tekanan stagnasi po menjadi :

1)ã/(ã

o

T

1ã

2

p

p−

+

= (2.20)

banPerdingan ini disebut dengan perbandingan tekanan kritis. Untuk (pT/po) kurang atau sama dengan perbandingan tekanan kritis maka :

1)1)/2(ã(ã

oT

oideal

.

1ã

2ã

pA

TRãm−+−

+

=

atau

( ) 1/211)/(ãã

o

oT.

ideal 1ã

2

R

ã

T

PAm

+

=−+

(2.21)

Besarnya perbandingan tekanan kritis adalah 0,528 untuk γ = 1,4 dan 0,546 untuk γ =1,3. Untuk aliran subkritis, laju aliran massa sebenarnya pada penampang minimum atau kerongkongan adalah(4) :

1/21)/ã(ã

o

T

1/ã

o

T

o

0TD.

sebenarnya p

p1

1ã

2ã

p

p

RT

pACm

−

−

=

−

(2.22)

Untuk aliran tercekik, maka


1)1)/2(ã(ã

1/2

o

0TD.

sebenarnya 1ã

2ã

RT

pACm

−+

+

= (2.23)

Kemudian persamaan (2.21) dapat dibuat seperti persamaan (2.12) dengan A2 ∨ A1 diperoleh :

[ ].

1/2Ö

TooRDsebenarnya )p(p2ñACm −= (2.24)

dengan : 1/2

oT

1)/ã(ãoT

2/ãoT

/pp1

)/p(p)/p1)][(p-/([Ö

−−=

+γγ (2.25)

dimana

Φ = fungsi kompresibilitas aliran

BAB III

PEMODELAN

3. 1. Gambaran Umum Program Fire v70b_pl3 Untuk melakukan pemodelan atau simulasi ini maka dipakai perangkat lunak pendukung yaitu program Fire v70b_pl3 dan pelaksanaannya dilakukan di Puslitbang Tenaga Listrik dan Mekatronika LIPI Bandung. Program Fire v70b_pl3 merupakan suatu perangkat lunak untuk tujuan CFD (computational fluid dynamics). Dalam mensimulasikan sistem fluida tersebut program FIRE menggunakan metode volume hingga (finite volume). Karakteristik sistem fluida tersebut antara lain : aliran tunak dan aliran transien, aliran kompresibel dan aliran inkompresibel, aliran viskos dan aliran non viskos, aliran isotermal dan aliran non-isotermal, aliran laminar dan turbulen, dan lain sebagainya(2). Program Fire ini dapat dibagi ke dalam tiga bagian utama yaitu:

- Pre-processor - Analisis Program (solver) - Post Processor

3. 2 Pemodelan Geometri Pemodelan Geometri bertujuan untuk membuat gambaran matematis dari suatu sistem fluida dan menampilkan gambaran tersebut pada layar, dimana di dalam gambaran tersebut kemudian diisi dengan volume grid. Sistem fluida tersebut antara lain dapat berupa impeler dengan sudu dan lubang yang kompleks atau pipa sederhana yang dibengkokkan. Pemodelan geometri ini dibuat pada bagian pre-processor dimana terdapat tiga menu pada bagian ini yaitu : plane, surface, dan intersection. Ketiga menu ini digunakan untuk pembuatan dan pemodifikasian model geometri yang sudah dirancang dimana(2) :

- Menu plane digunakan untuk membuat dan memodifikasi bidang dalam ruang kerja bidang. Pada bagian ini file dari bidang disimpan dalam ekstensi POI

- Menu surface digunakan untuk memanipulasi bidang untuk membuat dan memodifikasi permukaan tiga dimensi. File permukaan tiga dimensi ini disimpan dalam ekstensi SRF.

- Menu Intersection digunakan untuk membagi-bagi permukaan tiga dimensi menjadi permukaan kecil-kecil dan menata ulang kembali bagian


kecil tersebut menjadi permukaan tiga dimensi yang lebih kompleks. File intersection ini disimpan dalam ekstensi SRD.

Pada kasus ini, pembuatan geometri dari penurun tekanan dimulai dengan tahapan seperti yang telah dijelaskan di atas. Karena penurun tekanan ini terdiri dari tiga ruang yang dihubungkan oleh pipa maka pembuatan geometrinya dibagi atas beberapa bagian. Pertama-tama dibuat geometri surface untuk ruang pertama, ruang kedua dan ruang ketiga. Kemudian dibuat pipa berbentuk lurus dan pipa bengkok yang akan menghubungkan ketiga ruang tersebut. 3. 3 Pembuatan Volume Grid Setelah pembuatan ketiga ruang geometri surface dan pipa penghubung selesai maka tahap selanjutnya adalah pembuatan volume grid. Pembuatan grid dilakukan dengan mengadaptasi grid bentuk standar seperti kubus, bujur sangkar, dan hexahedron kepada tiap-tiap bagian geometri surface tadi. Setelah pembuatan volume grid pada tiap ruang dan pipa penghubung selesai dibuat maka langkah selanjutnya adalah menggabungkan volume grid dari tiap bagian tersebut sehingga terbentuk volume grid dari sebuah penurun tekanan.

(a)

(b)

Gambar 3. 1. Penurun tekanan setelah terbentuk

(a) Tampak depan (b) Tampak tiga dimensi

Pada simulasi ini seperti yang telah dijelaskan sebelumnya terdapat bagian yang bergerak yaitu katup. Di sini pergerakan ketiga katup dipengaruhi oleh tekanan masuk dan tekanan pada tiap ruang tersebut. Jadi tekanan masuk dan tekanan di ruang pertama mempengaruhi pergerakan katup pertama, katup kedua dipengaruhi oleh tekanan masuk ke ruang dua, dan tekanan di ruang kedua serta katup ketiga dipengaruhi oleh tekanan yang masuk ke ruang ketiga, dan tekanan pada ruang ketiga. Pada dasarnya prosedur untuk mensimulasikan bagian bergerak dalam perangkat lunak CFD adalah sama. Volume grid pada dua posisi dengan topologi yang serupa harus dibuat dan masing-masing disimpan dalam dua file, yaitu file link yang menyimpan informasi tentang topologi dan file geometri yang menyimpan koordinat nodal-nodal grid. Posisi katup di antara dua posisi tersebut dapat diinterpolasi oleh program CFD. Pada program Fire ini interpolasi di antara dua posisi dilakukan oleh suatu subrutin yang disebut usrblk, yaitu suatu subrutin


khusus untuk pergerakan mesh. Pada usrblk ini fungsi dari subrutin ini adalah mengubah posisi katup dari keadaan maksimum ke keadaan minimum dan sebaliknya. Perubahan posisi katup ini didasarkan pada perubahan tekanan yang terjadi dimana prosedur perhitungannya telah ditulis ke subrutin tersebut. Proses pergerakan katup ini dapat dilihat pada gambar 3.2. Gambar 3.2 menunjukkan bahwa pada geo =1 dan lnk= 1, posisi katup pada ruang satu dan ruang dua adalah maksimum, sedangkan posisi katup pada ruang ketiga ialah minimum. Namun pada geo=2 dan lnk=1, posisinya berubah dimana posisi katup pada ruang satu dan ruang dua adalah minimum, sedangkan posisi katup pada ruang ketiga ialah maksimum.

X

Y

Z

Katup Bergerak

Katup Bergerak

XZ

Y

Y

XZ

Katup Bergerak

Ruang Pertama

Ruang Kedua

Ruang Ketiga (1) (2)

Gambar 3. 2. Prinsip katup bergerak

(1) Geo 1 Lnk 1 (2) Geo 2 Lnk 1

Posisi di antara dua posisi tersebut ini didapat dengan interpolasi geometri seperti yang telah dijelaskan pada prinsip interpolasi di atas. Bila ditabelkan maka urutan volume grid yang dibuat untuk simulasi ini ditunjukkan pada tabel 3.1 :

Tabel 3.1 Urutan volume grid dan posisinya

GEO-Flag LINK-Flag Katup 1 Katup 2 Katup 3 1 1 maksimum maksimum minimum 2 1 minimum minimum maksimum

3. 4 Kondisi Batas

Tujuan dari pembuatan kondisi batas yaitu untuk menentukan karakteristik fisik bagian luar volume grid. Kondisi batas yang dipergunakan pada program Fire ini yaitu(2) :

- Lubang masuk (inlet), pada bagian ini kondisi batasnya dapat dinyatakan sebagai arah dan besar kecepatan aliran (m/s), laju aliran massa (kg/s), atau tekanan (pa). Pada pemodelan ini digunakan kondisi tekanan total masuk (inlet total pressure).

- Dinding tetap (fixed wall), dimaksudkan sebagai suatu dinding dimana tidak ada fluida yang melintasi batas, dan kecepatan fluida pada


permukaan batas adalah nol. Kondisi batas dinding tetap dinyatakan sebagai temperatur dan kekasaran permukaan.

- Dinding bergerak (moving wall) merupakan pemberian kondisi batas pada bagian yang bergerak. Kondisi batas dinding bergerak ini dinyatakan sebagai temperatur dan kekasaran permukaan.

- Lubang keluar (outlet) yaitu kondisi batas pada bagian keluarnya fluida. Kondisi batas lubang keluar ini dinyatakan sebagai tekanan, tekanan statis, dan address. Address umumnya dipakai bila kondisi pada lubang masuk berupa laju aliran massa atau kecepatan. Dan kondisi batas pada lubang keluar yang digunakan pada simulasi ini adalah tekanan statis.

Pada pemodelan ini, model volume grid memiliki dua jenis dinding, yaitu dinding tetap dan dinding bergerak. Dinding tetap terdiri bagian luar penurun tekanan berupa ketiga ruang dan pipa penghubung, sedangkan dinding bergerak yaitu katup yang terdapat pada ketiga ruang. Untuk membedakannya maka program Fire membuat warna-warna tertentu untuk tiap dinding. Dinding tetap ditandai dengan warna biru sedangkan dinding bergerak diberi warna kuning. Pada dinding ini dapat ditentukan besar temperatur atau fluks panas yang terjadi pada dinding, kekasaran permukaan, length scale (lsc) dan turbulent kinetic energy (TKE).

Dinding Tetap Dinding Bergerak

Gambar 3. 3 Dinding bergerak

3. 5. Manajemen Waktu

Tahap berikutnya setelah pembuatan volume grid dan kondisi batas adalah pengaturan waktu pada model yang dikenal dengan manajemen waktu. Manajemen waktu berfungsi untuk mengatur program analisis Fire dalam melakukan perhitungan terhadap model. Hal-hal yang diatur pada bagian manajemen waktu ini adalah(1) :

• Waktu awal dan akhir perhitungan serta kenaikan waktunya (time step)

• Nilai awal kondisi fluida (initial value) Di sini pengguna menspesifikasikan sifat-sifat fluida, tekanan awal (Pa), temperatur awal (K), besarnya turbulent kinetic energy (m2/s2), passive scalar untuk fisik fluida dalam daerah tersebut (domain).

• Nama file masukan (input) dan keluaran (output) Pengguna (user) menspesifikasikan file masukan dan keluaran untuk dianalisa. File-file tersebut adalah TIM, GEO, LNK, BND, FLO, RST, BCK, dan CHK.

• Parameter komputasi yang mengatur solusi numerik • Penghitungan variabel-variabel dan ditulis ke dalam file hasil

perhitungan • Submodel yang digunakan, meliputi persamaan energi,

kompresibilitas, model turbulen • Fungsi pengguna yang digunakan

3. 6 Fungsi Pengguna


Program Fire menyediakan fungsi khusus yang bertujuan untuk menyelesaikan kasus tertentu atau spesifik yang dimiliki. Fungsi tersebut disebut dengan fungsi pengguna atau user functions. Fungsi pengguna merupakan suatu subrutin yang dapat dibuat oleh pemakai. Dalam hal ini program Fire memberikan subrutin yang umum digunakan pada bidang motor bakar. Namun begitu pengguna dapat memodifikasi dari subrutin tersebut atau membuat yang baru sesuai dengan tujuan yang diinginkan. Fungsi pengguna yang disediakan oleh program Fire antara lain :

- usrblk.f (moving meshes) - usrout.f (output data) - usrbnd.f (boundary condition intializations) - usr_consts.f (constants) - usrden.f (density update) - usrvis.f (viscosity) - usrini.f (initialization)

Untuk simulasi yang dilakukan pada penelitian ini dipergunakan beberapa fungsi pengguna. Fungsi pengguna yang dipergunakan pada simulasi ini yaitu usrblk.f yang berfungsi untuk menggerakkan katup pada tiap-tiap ruang dimana gerakan katup tersebut dipengaruhi oleh tekanan pada ruang tersebut. Kemudian fungsi pengguna lainnya adalah usrout yang bertujuan untuk menampilkan harga tekanan pada tiap ruang pada file.log sehingga memudahkan untuk memantau perubahan tekanan yang terjadi setiap saat. Kemudian fungsi pengguna lainnya yang dipergunakan adalah file.cmb yang bertujuan agar fluida kerja yang dipergunakan dalam simulasi adalah metana.

BAB IV

HASIL DAN ANALISA

Pada bagian ini akan dijelaskan analisa yang dilakukan terhadap hasil simulasi yang telah diperoleh. Analisa dilakukan terhadap gaya yang bekerja serta perubahan tekanan dan laju aliran massa keluar pada penurun tekanan.

4.1 Gaya yang bekerja pada ruang penurun tekanan

Sebelum melakukan simulasi maka harus diketahui dulu gaya yang bekerja pada tiap ruang dari penurun tekanan tersebut. Karena perubahan posisi katup akan menyebabkan perubahan aliran dan juga perubahan tekanan sebagai konsekuensinya. Pada tiap ruang dari penurun tekanan bekerja gaya-gaya yang diakibatkan oleh katup, tuas, pegas maupun diafragma yang terdapat pada tiap ruang. Hal lain yang perlu diperhatikan yaitu bahwa pergerakan katup ini dipengaruhi oleh tekanan yang masuk dan tekanan di dalam tiap ruang. Berdasarkan gambar 4.1 hingga gambar 4.3 dapat ditinjau bahwa tekanan di dalam ruang penurun tekanan bergantung pada perbedaan gaya pegas dan gaya akibat tekanan masuk pada katup. Dengan kondisi ini maka tekanan di dalam ruang penurun tekanan dapat naik atau turun karena pengaruh dari tekanan masuk, bergantung pada apakah gaya pegas naik lebih cepat atau lebih lambat daripada gaya akibat

2002 digitiz

tekanan masuk. Gaya yang diakibatkan tekanan masuk ini akan naik lebih cepat bila tekanan masuk bertambah.

G

Untuk sudut

xa

b0.015

xa

b0.015k

FaFbF

0M

11

1

1

11

1k11s1

=+

+

−+=∑

[ Abkb

ax 1

121

11 =

dimana: a1 =

b1 = Ak1 = AD1 = Pin = p1 = p01 = k1 = x1 = untuk x1 = 0

Sedangkan udilihat pada gUntuk sudut

ed by USU digital library 13

ambar 4.1. Gaya-gaya yang bekerja pada ruang pertama

θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka

[ ])p(pAa)p(pAbkb

1

)ap(pA)bp(pAb

0b

011k11011D1111

1011k11011D111

D1

−−−

−−−=

=

( ) ( ) ] 0.015b

appAapp

1

11ink11011D1 −−−− (4.1)

0.011 m (lebar tuas katup 1) 0.025 m (panjang tuas katup 1) π.0.0032/4 (luas penampang katup 1) π.0.072/4 (luas penampang diafragma 1) tekanan masuk ke penurun tekanan tekanan pada ruang pertama tekanan udara luar konstanta pegas 1 langkah katup 1

, maka : pin = p1 = p01 = 1 bar / 1 atm, dan

D11k11

1101D11ink111 AbAa

k0.015bpAbpAap

+++

= (4.2)

ntuk menganalisa gaya-gaya yang bekerja pada ruang kedua dapat ambar 4.2.

θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka diperoleh

F k1 = (p

in - p 1 )A k1

F s1 = k

1 .(0.015 + x s1 )

F D1 = (p

1 - p 0 1 ) A D1

b 1 = 25 mm

a 1 = 11 mm


[ ])p(pAa)p(pAbkb

1x

a

b0.015

)ap(pA)bp(pAbxa

b0.015k

0bFaFbF

0M

022k22022D2222

22

2

2022k22022D2222

22

2D22k22s2

−−−=+

−−−=

+

=−+=∑

Gambar 4.2. Gaya-gaya yang bekerja pada ruang kedua

( ) ( )[ ] 0.015b

appAappAb

kb

ax

2

221k22022D22

222

22 −−−−= (4.3)

dimana:

a2 = 0.008 m (panjang tuas katup 2 ke arah X-) b2 = 0.013 m (panjang tuas katup 2 ke arah X+) Ak2 = π.0.0042/4 (luas penampang katup 2) AD2 = π.0.0542/4 (luas penampang diafragma 2) p12 = tekanan masuk ke ruang kedua p2 = tekanan pada ruang kedua p02 = tekanan udara luar k2 = konstanta pegas 2 x2 = langkah katup 2 untuk x2 = 0 , maka : p12 = p2 = p02 = 1 bar / 1 atm, dan

D22k22

2202D221k222 AbAa

k0.015bpAbpAap

+++

= (4.4)

Dan untuk meninjau gaya-gaya yang bekerja pada ruang ketiga dapat dilihat pada gambar 4.3.

Fk2 = (p12 - p2)Ak2FD2 = (p2 - p02)AD2

Fs2 = k2.(0.015 + x s2)

b2 = 13 mma2 = 8 mm

Fk3 = (p23 - p3)Ak3

a3 = 10 mm b3 = 24 mm

Fs3 = k3.xs3

c3 = 55 mm

FD3 = (p3 - p03)AD3


Gambar 4.3 Gaya-gaya yang bekerja pada ruang ketiga

Untuk sudut θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka

[ ])p(pAc)p(pAakb

1x

a

b0.015

)cp(pA)ap(pAbxa

b0.025k

0cFaFbF

0M

033D3332k3333

33

3

3033D3332k3333

33

3D33k33s3

−−−=+

−−−=

+

=+−=∑

( ) ( )[ ] 0.025b

appAcppAa

kb

ax

3

3033D3332k32

323

33 −−−−= (4.5)

dimana: a3 = 0.01 m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X-) b3 = 0.024 m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X+) c3 = 0.055 m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X+) Ak3 = π.0.0052/4 (luas penampang katup 3) AD3 = π.0.1542/4 (luas penampang diafragma 3) p23 = tekanan masuk ke ruang ketiga p3 = tekanan pada ruang ketiga p03 = tekanan udara luar k3 = konstanta pegas 3 x3 = langkah katup 3 untuk x3 = 0 , maka : p23 = p3 = p03 = 1 bar / 1 atm, dan

D33k33

3303D332k333 AcAa

k0.025bpAcpAap

+−+= (4.6)

2. Analisa Sistem Regulasi

Untuk mengetahui apakah penurun tekanan tersebut dapat dikatakan baik saat pengoperasiannya maka terdapat karakteristik penting yang perlu diperhatikan yaitu prestasi kondisi tunak dan laju aliran massa. Kondisi tunak merupakan suatu kondisi dimana sifat-sifat termodinamika antara lain tekanan, temperatur, dan laju aliran massa tidak berubah lagi terhadap waktu. Pada kondisi tunak ini laju aliran massa yang mengalir melalui restriksi harus memiliki harga yang sama sehingga massa gas total di dalam ruang penurun tekanan konstan. Pada penelitian ini dilakukan beberapa modifikasi untuk mengetahui pengaruhnya terhadap tekanan di tiap ruang dan laju aliran massa yang terjadi. Modifikasi yang dilakukan berupa perubahan tekanan masuk, posisi lubang masuk, posisi lubang keluar, perubahan diameter lubang keluar, dan perubahan tekanan keluar sehingga diharapkan nanti dapat diketahui perubahan yang memiliki laju aliran massa optimum. Dan pada simulasi ini diasumsikan bahwa aliran yang terjadi saat gas masuk hingga keluar dari penurun tekanan merupakan aliran isentropik dengan fluida kerja metana. Di bagian ini dianalisa perubahan tekanan yang


terjadi untuk tiap ruang sesuai dengan perubahan-perubahan yang dilakukan. Selain itu juga bagaimana pengaruhnya terhadap laju aliran massa keluar. Sebagai pembanding, dipakai penurun tekanan yang memiliki jumlah sel 5812 buah dengan volume keseluruhan 0,000560462 m3. Pada keadaan tunak tekanan pada ruang pertama mencapai sekitar 2,8684 bar. Sedangkan tekanan untuk ruang kedua dan ruang ketiga berkisar 1,7154 bar dan 0,99393 bar. Pada kondisi ini besarnya laju aliran massa keluar sekitar 0,00289 kg/s. Pergerakan katup telah ditentukan jarak minimum dan maksimumnya dimana penentuan rentang jarak ini berdasarkan data pengujian yang pernah dilakukan sebelumnya[11]. Jadi katup bergerak diantara rentang jarak yang telah ditentukan seperti tampak pada tabel 4.1.

Tabel 4.1. Jarak Pergerakan Katup

No Nama Jarak Minimum

(mm)

Jarak Maksimum

(mm) 1 2 3

Katup Pertama Katup Kedua Katup Ketiga

0,01 0,06 0,07

0,18 0,6 0,7

Untuk kondisi batas lubang keluar dibuat 0,99 bar dan tekanan awal di dalam penurun tekanan sebesar 1 bar. Tekanan masuk ke penurun tekanan dibuat sebesar 25 bar. Hal ini dilakukan untuk mempersingkat waktu perhitungan dan mempermudah analisa yang akan dilakukan karena untuk menjalankan satu program diperlukan waktu yang cukup lama. Hal ini disebabkan karena kondisi batas pada lubang masuk dan lubang keluar yang digunakan adalah tekanan. Berbeda bila kondisi batas yang digunakan pada lubang masuk dan lubang keluar adalah laju aliran massa atau kecepatan . Pada kondisi ini suatu program yang dijalankan memiliki waktu yang lebih singkat karena adanya fungsi global mass continuity yang mempercepat proses konvergensi. Untuk kondisi lainnya seperti dimensi dari penurun tekanan dapat dilihat pada tabel 4.2.

Tabel 4.2. Dimensi penurun tekanan

No Nama Dimensi (mm) 1 2 3 4 5

Lubang masuk Lubang keluar Ruang pertama Ruang kedua Ruang ketiga

∅ = 3 ∅ = 16 ∅ = 70, L = 35 ∅ = 54, L = 13 ∅ = 154, L = 20

4.3. Perubahan Tekanan Masuk Seperti diketahui bahwa kuantitas massa gas di dalam tabung gas turut mempengaruhi tekanan yang masuk ke penurun tekanan. Perubahan tekanan masuk ini diakibatkan berkurangnya persediaan jumlah massa gas di dalam tabung. Untuk menganalisa perubahan yang terjadi akibat perubahan tekanan masuk maka digunakan penurun tekanan dengan tekanan masuk sebesar 10 bar, 25


bar, dan 50 bar. Tekanan pada kondisi awal dan kondisi batas pada lubang keluar sebesar 0,99 bar. Tampak dari grafik 4.1 bahwa perubahan tekanan yang terjadi kurang signifikan walaupun tekanan masuk mengalami perubahan antara 10 bar, 25 bar dan 50 bar. Pada tekanan masuk 10 bar besarnya tekanan pada tiap ruang adalah 2,832 bar, 1,687 bar, dan 0,9928 bar. Untuk tekanan masuk 25 bar tekanan pada ruang satu hingga ruang ketiga berturut-turut adalah 2,868 bar, 1,701 bar, dan 0,9930 bar. Sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar besarnya tekanan pada ruang pertama adalah 2,889 bar, pada ruang kedua sebesar 1,695 bar, dan ruang ketiga 0,9933 bar. Perubahan tekanan yang terjadi pada ruang pertama yang berkisar 2,832 bar hingga 2,889 bar disebabkan oleh perbedaan besar laju aliran massa masuk ke ruang pertama. Laju aliran massa masuk dipengaruhi oleh besarnya bukaan katup dan perbedaan tekanan yang terjadi antara tekanan masuk dengan tekanan pada ruang pertama. Untuk kondisi tunak maka laju aliran massa masuk yang paling besar diperoleh penurun tekanan yang memiliki tekanan masuk sebesar 10 bar yaitu sekitar 0,00228 kg/s. Sedangkan untuk tekanan masuk 25 bar laju aliran massa masuknya sebesar 0,00196 kg/s dan pada tekanan masuk 50 bar didapatkan laju aliran massa masuk sekitar 0,00190 kg/s. Hal ini diakibatkan oleh bukaan katup yang terjadi pada ruang pertama. Pada kondisi tunak penurun tekanan yang memiliki tekanan masuk 10 bar memiliki bukaan katup yang lebih besar dibanding tekanan masuk 25 bar dan 50 bar. Perbedaan besarnya bukaan katup ini disebabkan oleh beda tekanan yang terjadi yang akhirnya mengakibatkan kecepatan pergerakan katup berbeda seperti terdapat pada grafik 4.2. Untuk tekanan masuk 10 bar kecepatan katup sekitar 0,0000614 m/s, tekanan masuk 25 bar diperoleh kecepatan katup sekitar 0,000205 m/s sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar kecepatan pergerakan katupnya sebesar 0,000362 m/s. Karena pada kondisi awal posisi katup pada ruang pertama terbuka maka dengan pergerakan katup yang semakin besar diperoleh luas bukaan katup semakin kecil. Pada grafik 4.3 untuk laju aliran massa keluar tampak juga bahwa perbedaan yang terjadi tidaklah terlalu besar karena untuk tekanan masuk 10 bar, 20 bar, dan 50 bar laju aliran massa keluarnya berkisar 0,00205 kg/s hingga 0,002327 kg/s. Sehingga dapat dikatakan bahwa perubahan tekanan masuk yang terjadi tidak menunjukkan perubahan yang signifikan baik terhadap perubahan tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa keluar. Tampak juga dengan perubahan tekanan masuk ikut mempengaruhi waktu pencapaian kondisi tunak pada ruang pertama, kedua, dan ketiga. Dari grafik dapat dilihat bahwa bila tekanan masuk ke penurun tekanan semakin besar maka waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi tunak pada tiap ruang cenderung semakin cepat. Pada tekanan masuk 10 bar kondisi tunak yang dicapai untuk tiap ruang adalah 0, 157s untuk ruang pertama, 0,157s untuk ruang kedua, dan 0,282s untuk ruang ketiga. Untuk tekanan masuk 25 bar kondisi tunak untuk tiap ruang berturut-turut adalah 0,03244s, 0,04624s, dan 0,06124s. Sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi tunak merupakan paling singkat yaitu 0,0154s untuk ruang pertama, 0,0297s untuk ruang kedua, dan 0,0297s untuk ruang ketiga. 4.4. Perubahan posisi lubang masuk Pada ruang pertama ini terdapat dua perubahan dilakukan. Perubahan pertama yaitu dengan memutar atau memindahkan lubang masuk sebesar 90 derajat ke arah sumbu X, sehingga arah masuk menjadi sumbu X-negatif seperti tampak pada gambar 4.4.


Sedangkan perubahan kedua yang tampak di gambar 4.5 adalah dengan memutar arah lubang masuk sebesar 1800 namun arah masuk tetap arah Sumbu Z_negatif. Untuk melihat perubahan yang terjadi baik tekanan maupun laju aliran massa keluar dapat dilihat dari grafik 4.4 dan grafik 4.5. Tampak bahwa pada kedua perubahan terjadi perubahan tekanan pada ruang pertama yang memiliki kecenderungan naik. Hal ini disebabkan laju aliran massa masuk yang lebih besar setelah diubah dimana sebelum diubah berkisar 0,00199 kg/s. Untuk perubahan pertama diperoleh laju aliran massa masuk sebesar 0,0021 kg/s sedangkan dengan perubahan kedua yang dilakukan besarnya laju aliran massa masuk yang diperoleh 0,00205 kg/s. Sedangkan laju aliran massa keluar yang paling besar dicapai perubahan lubang masuk yang kedua yaitu 0,0029 kg/s seperti terlihat pada grafik 4.5. Untuk perubahan lubang masuk yang pertama diperoleh laju aliran massa keluar sebesar 0,00271 kg/s. Perubahan laju aliran massa keluar ini diakibatkan oleh adanya beda tekanan antara ruang ketiga dan tekanan pada bagian keluar. Beda tekanan yang terjadi untuk perubahan pertama sebesar 0,00388 bar, pada perubahan kedua sekitar 0,00663 bar, dan untuk penurun tekanan sebelum diubah beda tekanannya sebesar 0,00393 bar. Seperti diketahui bahwa semakin besar beda tekanan semakin besar pula laju aliran massa yang terjadi.

4.5. Perubahan saluran masuk pada ruang kedua

Seperti pada ruang pertama, ada dua perubahan posisi yang dilakukan pada ruang kedua ini yaitu dengan mengubah arah saluran masuk menuju ruang ketiga. Perubahan pertama yaitu dengan membuat pipa saluran masuk ke ruang kedua sejajar dengan pipa saluran keluar ke ruang ketiga. Untuk perubahan kedua dilakukan dengan menggeser pipa saluran ke ruang ketiga menuju sumbu Z_positif dan membentuk sudut 900 dengan pipa saluran masuk ke ruang kedua. Kedua perubahan tersebut dapat dilihat pada gambar 4.6 dan gambar 4.7. Secara singkat dapat dilihat perubahan yang terjadi baik pada tekanan maupun pada laju aliran massa keluar pada dan grafik 4.6 dan grafik 4.7. Untuk perubahan pertama dari ruang kedua tekanan yang dicapai pada ruang pertama sebesar 2,86717 bar, pada ruang kedua 1,739 bar, dan pada ruang ketiga 0,99366 bar. Perubahan kedua yang dilakukan menghasilkan tekanan 2,86799 bar pada ruang pertama, 1,717 bar pada ruang kedua, dan 0,99347 bar pada ruang ketiga.

Grafik 4.6. Perubahan Tekanan Ruang-3 Akibat Perubahan Saluran Masuk Ruang-2

98600

98800

99000

99200

99400

99600

99800

100000

100200

0

0,00

10,

002

0,00

5

0,01

05

0,01

85

0,02

65

0,04

65

0,08

65

0,12

65

Waktu (s)

Te

kan

an

(P

a)

Posisi awal

Perubahan Pertama

Perubahan Kedua

Pada laju aliran masuk terjadi penurunan yaitu 0,0017184 kg/s untuk perubahan pertama dan 0,0017836 kg/s untuk perubahan kedua. Hal ini disebabkan pada


ruang pertama bukaan katupnya lebih kecil untuk kedua perubahan tersebut dibandingkan dengan bukaan katup sebelum diubah. Kecenderungan penurunan terjadi juga pada laju aliran massa keluar. Pada perubahan pertama besarnya laju aliran massa keluar adalah 0,00288 kg/s dan pada perubahan kedua kuantitas laju aliran massa keluar 0,002708 kg/s sedangkan sebelum diubah laju aliran massanya sebesar 0,00289 kg/s.

Grafik 4.7. Perubahan Laju Aliran Massa Keluar Akibat Perubahan Saluran Masuk Ruang-2

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

0

0,00

10,

002

0,00

8

0,01

45

0,02

25

0,03

65

0,06

65

0,10

65

0,14

65

Waktu (s)

La

ju a

lira

n m

ass

a k

elu

ar

(Kg

/s)

Posisi awal

Perubahan Pertama

Perubahan Kedua

Penurunan ini disebabkan beda tekanan antara ruang ketiga dan tekanan keluar kedua perubahan tersebut lebih kecil dibanding beda tekanan sebelum diubah.

4.6. Perubahan posisi lubang keluar

Disini perubahan dilakukan dengan mengubah posisi lubang keluar penurun tekanan. Pertama dengan memindahkan posisi lubang keluar ke arah sumbu Z_positif sejauh 24 mm. Sedangkan perubahan kedua dengan memindahkan posisi lubang keluar ke arah sumbu X_positif sejauh 24 mm. Perubahan yang terjadi akibat kedua perubahan tersebut dapat dilihat pada grafik 4.8 dan grafik 4.9. Akibat kedua perubahan posisi lubang keluar ini terdapat sedikit kenaikan tekanan di dalam ruang pertama. Dimana pada perubahan pertama tekanannya berkisar 2,86902 bar sedangkan untuk perubahan kedua sebesar 2,86973 bar. Kenaikan yang sedikit ini disebabkan bukaan katup ke ruang pertama lebih besar sehingga laju aliran massa masuk menjadi lebih besar. Tekanan di ruang kedua untuk perubahan pertama sekitar 1,711 bar dan untuk perubahan kedua 1,704 bar. Sedangkan tekanan di dalam ruang ketiga sebesar 0,9925 bar untuk perubahan pertama dan 0,99267 bar untuk perubahan kedua. Untuk laju aliran massa keluar terjadi penurunan setelah perubahan posisi lubang keluar dilakukan. Untuk perubahan pertama laju aliran massa keluar yang bisa dicapai untuk keadaaan tunak sekitar 0,00259 kg/s dan untuk perubahan kedua besarnya laju aliran massa keluar 0,002606 kg/s. Penurunan laju aliran massa keluar ini disebabkan beda tekanan yang terjadi antara ruang ketiga dengan tekanan keluar semakin kecil. 4.7. Perubahan terhadap Kondisi Batas Tekanan Keluar Pada bagian ini, diubah kondisi batas tekanan keluar. Hal ini untuk mengetahui apakah dengan adanya perubahan tekanan pada lubang keluar mempunyai pengaruh yang cukup berarti terhadap laju aliran massa keluar. Untuk tekanan keluar sebesar 0,92 bar maka tekanan pada ruang pertama untuk kondisi tunak sekitar 2,86852 bar. Dan untuk tekanan keluar 0,99 bar, tekanan di dalam ruang pertama yang dicapai sekitar 2,86840 bar sedangkan untuk tekanan keluar 1 bar diperoleh sedikit lebih tinggi yaitu 2,87358 bar.


Untuk ruang kedua pada kondisi tekanan keluar 0,92 bar, 0,99 bar, dan 1 bar diperoleh tekanan di dalam ruang berturut-turut adalah 1,67768 bar, 1,71539 bar, dan 1,78390 bar. Pada ruang ketiga untuk tekanan keluar 0,92 bar adalah 0,92413 bar, sedangkan untuk tekanan keluar 0,99 bar, dan 1 bar maka besarnya tekanan pada ruang ketiga yaitu 0,99393 bar dan 1,001 bar. Untuk tekanan keluar 0,92 bar laju aliran masuk sekitar 0,00201 kg/s, untuk tekanan keluar 0,99 bar berkisar 0,00199 kg/s dan untuk tekanan keluar 1 bar sebesar 0,0015 bar. Hal ini disebabkan pada kondisi tunak bukaan katup pada ruang pertama untuk tekanan keluar 0,92 bar lebih besar dari tekanan keluar lainnya. Untuk tekanan keluar 0,92 bar diperoleh laju aliran massa keluar penurun tekanan sebesar 0,00289 kg/s dan untuk tekanan keluar 0,99 bar serta 1 bar diperoleh laju aliran massa keluar masing-masing 0,00287 kg/s dan 0,00145 kg/s. Perbedaan ini disebabkan pada tekanan keluar 0,92 bar diperoleh beda tekanan yang paling besar antara tekanan pada ruang ketiga dengan tekanan keluar. Sedangkan pada tekanan keluar 1 bar posisi katup pada ruang ketiga menuju minimum disamping beda tekanan antara ruang ketiga dengan tekanan keluar semakin kecil sehingga laju aliran massa yang keluar semakin kecil. 4.8. Perubahan terhadap diameter lubang keluar Perubahan selanjutnya yang dilakukan adalah mengubah diameter lubang keluar dari penurun tekanan. Perubahan pertama dengan memperbesar diameter lubang keluar menjadi 20 mm sedangkan perubahan kedua dengan memperkecil diameter lubang keluar menjadi 12 mm. Dengan memperbesar diameter lubang keluar diperoleh tekanan di dalam ruang pertama 2,868 bar, tekanan di ruang kedua sebesar 1,716 bar, dan tekanan di ruang ketiga 0,9920 bar. Sedangkan dengan memperkecil diameter lubang keluar kondisi tunak belum dicapai karena tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa masih berfluktuasi atau transien. Besarnya laju aliran massa keluar paling besar diperoleh penurun tekanan yang diameter lubang keluarnya diperbesar yaitu 0,002899 kg/s. Untuk pengecilan diameter lubang keluar laju aliran massa keluar masih berfluktuasi dan cenderung berkurang. Hal ini disebabkan karena pada kedua perubahan baik pengecilan maupun pembesaran diameter lubang keluar berhubungan dengan perubahan koefisien keluarannya. Berdasarkan persamaan (2.9) pada bab II dimana harga koefisien keluaran dipengaruhi oleh luas penampang referensi aliran dan luas penampang restriksi aliran. Dengan pembesaran diameter lubang keluar membuat koefisien keluaran semakin besar dan sebaliknya bila diameter lubang keluar diperkecil. Sehingga perubahan harga koefisien keluaran ini berpengaruh terhadap laju aliran massa keluar sesuai dengan persamaan (2.24).

4.9. Pencapaian Waktu Keadaan Tunak

Untuk memperoleh kondisi tunak waktu yang diperlukan tiap-tiap penurun tekanan berbeda-beda. Walaupun begitu dapat disimpulkan bahwa secara umum semua penurun tekanan mencapai keadaan tunak setelah mencapai 0,03s. Kecuali untuk penurun tekanan yang diameter lubang keluarnya diperkecil menjadi 12 mm, membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mencapai kondisi tunak atau masih dalam keadaan transien. Sedangkan perubahan tekanan masuk ke ruang penurun tekanan ikut berpengaruh terhadap pencapaian waktu kondisi tunak. Untuk penurun tekanan dengan tekanan masuk 50 bar diperoleh waktu pencapaian kondisi tunak yang lebih cepat.

2002 digitiz

BAB IV

HASIL DAN ANALISA



Sebelum melakukan simulasi maka harus diketahui dulu gaya yang bekerja pada tiap ruang dari penurun tekanan tersebut. Karena perubahan posisi katup akan menyebabkan perubahan aliran dan juga perubahan tekanan sebagai konsekuensinya. Pada tiap ruang dari penurun tekanan bekerja gaya-gaya yang diakibatkan oleh katup, tuas, pegas maupun diafragma yang terdapat pada tiap ruang. Hal lain yang perlu diperhatikan yaitu bahwa pergerakan katup ini dipengaruhi oleh tekanan yang masuk dan tekanan di dalam tiap ruang. Berdasarkan gambar 4.1 hingga gambar 4.3 dapat ditinjau bahwa tekanan di dalam ruang penurun tekanan bergantung pada perbedaan gaya pegas dan gaya akibat tekanan masuk pada katup. Dengan kondisi ini maka tekanan di dalam ruang penurun tekanan dapat naik atau turun karena pengaruh dari tekanan masuk, bergantung pada apakah gaya pegas naik lebih cepat atau lebih lambat daripada gaya akibat tekanan masuk. Gaya yang diakibatkan tekanan masuk ini akan naik lebih cepat bila tekanan masuk bertambah.

Gam


bar 4.1. Gaya-gaya yang bekerja pada ruang pertama

F k1 = (p

in - p 1 )A k1

F s1 = k

1 .(0.015 + x s1 )

F D1 = (p

1 - p 0 1 ) A D1

b 1 = 25 mm

a 1 = 11 mm


Untuk sudut θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka

[ ])p(pAa)p(pAbkb

1x

a

b0.015

)ap(pA)bp(pAbxa

b0.015k

0bFaFbF

0M

011k11011D1111

11

1

1011k11011D1111

11

D11k11s1

−−−=+

−−−=

+

=−+=∑

( ) ( )[ ] 0.015b

appAappAb

kb

ax

1

11ink11011D11

121

11 −−−−= (4.1)

dimana:

a1 = 0.011 m (lebar tuas katup 1) b1 = 0.025 m (panjang tuas katup 1) Ak1 = π.0.0032/4 (luas penampang katup 1) AD1 = π.0.072/4 (luas penampang diafragma 1) Pin = tekanan masuk ke penurun tekanan p1 = tekanan pada ruang pertama p01 = tekanan udara luar k1 = konstanta pegas 1 x1 = langkah katup 1 untuk x1 = 0 , maka : pin = p1 = p01 = 1 bar / 1 atm, dan

D11k11

1101D11ink111 AbAa

k0.015bpAbpAap

+++

= (4.2)

Sedangkan untuk menganalisa gaya-gaya yang bekerja pada ruang kedua dapat dilihat pada gambar 4.2. Untuk sudut θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka diperoleh

[ ])p(pAa)p(pAbkb

1x

a

b0.015

)ap(pA)bp(pAbxa

b0.015k

0bFaFbF

0M

022k22022D2222

22

2

2022k22022D2222

22

2D22k22s2

−−−=+

−−−=

+

=−+=∑


( ) ( )[ ] 0.015b

appAappAb

kb

ax

2

221k22022D22

222

22 −−−−= (4.3)

Fk2 = (p12 - p2)Ak2FD2 = (p2 - p02)AD2

Fs2 = k2.(0.015 + x s2)

b2 = 13 mma2 = 8 mm

2002 digitized by

dimana: a2 = 0.008 m (panjang tuas katup 2 ke arah X-)

b2 = 0.013 m (panjang tuas katup 2 ke arah X+) Ak2 = π.0.0042/4 (luas penampang katup 2) AD2 = π.0.0542/4 (luas penampang diafragma 2) p12 = tekanan masuk ke ruang kedua p2 = tekanan pada ruang kedua p02 = tekanan udara luar k2 = konstanta pegas 2 x2 = langkah katup 2 untuk x2 = 0 , maka : p12 = p2 = p02 = 1 bar / 1 atm, dan

D22k22

2202D221k222 AbAa

k0.015bpAbpAap

+++

= (4.4)


Gambar Untuk sudut θ yan

[kb

1x

a

b0.015

bxa

b0.025k

0cFaFbF

0M

333

3

3

333

33

3D33k33s3

=+

=

+

=+−=∑

([ pAakb

ax 2k32

323

33 =

dimana: a3 = 0.01 b3 = 0.024 c3 = 0.05 Ak3 = π.0.00 AD3 = π.0.1 p23 = tekan p3 = tekan p03 = teka k3 = kons

USU digital library 23

4.3 Gaya-gaya yang bekerja pada ruang ketiga

g kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka

])p(pAc)p(pAa

)cp(pA)ap(pA

033D3332k33

3033D3332k3

−−−

−−−

) ( ) ] 0.025b

appAcp

3

3033D333 −−−− (4.5)

m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X-) m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X+)

5 m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X+) 52/4 (luas penampang katup 3)

542/4 (luas penampang diafragma 3) an masuk ke ruang ketiga an pada ruang ketiga nan udara luar tanta pegas 3

Fk3 = (p 23 - p3)Ak3

a3 = 10 mm b3 = 24 mm

Fs3 = k3.xs3

c3 = 55 mm

FD3 = (p 3 - p03)AD3


x3 = langkah katup 3 untuk x3 = 0 , maka : p23 = p3 = p03 = 1 bar / 1 atm, dan

D33k33

3303D332k333 AcAa

k0.025bpAcpAap

+−+= (4.6)

4.2. Analisa Sistem Regulasi

Untuk mengetahui apakah penurun tekanan tersebut dapat dikatakan baik saat pengoperasiannya maka terdapat karakteristik penting yang perlu diperhatikan yaitu prestasi kondisi tunak dan laju aliran massa. Kondisi tunak merupakan suatu kondisi dimana sifat-sifat termodinamika antara lain tekanan, temperatur, dan laju aliran massa tidak berubah lagi terhadap waktu. Pada kondisi tunak ini laju aliran massa yang mengalir melalui restriksi harus memiliki harga yang sama sehingga massa gas total di dalam ruang penurun tekanan konstan. Pada penelitian ini dilakukan beberapa modifikasi untuk mengetahui pengaruhnya terhadap tekanan di tiap ruang dan laju aliran massa yang terjadi. Modifikasi yang dilakukan berupa perubahan tekanan masuk, posisi lubang masuk, posisi lubang keluar, perubahan diameter lubang keluar, dan perubahan tekanan keluar sehingga diharapkan nanti dapat diketahui perubahan yang memiliki laju aliran massa optimum. Dan pada simulasi ini diasumsikan bahwa aliran yang terjadi saat gas masuk hingga keluar dari penurun tekanan merupakan aliran isentropik dengan fluida kerja metana. Di bagian ini dianalisa perubahan tekanan yang terjadi untuk tiap ruang sesuai dengan perubahan-perubahan yang dilakukan. Selain itu juga bagaimana pengaruhnya terhadap laju aliran massa keluar. Sebagai pembanding, dipakai penurun tekanan yang memiliki jumlah sel 5812 buah dengan volume keseluruhan 0,000560462 m3. Pada keadaan tunak tekanan pada ruang pertama mencapai sekitar 2,8684 bar. Sedangkan tekanan untuk ruang kedua dan ruang ketiga berkisar 1,7154 bar dan 0,99393 bar. Pada kondisi ini besarnya laju aliran massa keluar sekitar 0,00289 kg/s. Pergerakan katup telah ditentukan jarak minimum dan maksimumnya dimana penentuan rentang jarak ini berdasarkan data pengujian yang pernah dilakukan sebelumnya[11]. Jadi katup bergerak diantara rentang jarak yang telah ditentukan seperti tampak pada tabel 4.1.



(mm)

Jarak Maksimum

(mm) 1 2 3


0,01 0,06 0,07

0,18 0,6 0,7

Untuk kondisi batas lubang keluar dibuat 0,99 bar dan tekanan awal di dalam penurun tekanan sebesar 1 bar. Tekanan masuk ke penurun tekanan dibuat sebesar 25 bar. Hal ini dilakukan untuk mempersingkat waktu perhitungan dan mempermudah analisa yang akan dilakukan karena untuk menjalankan satu program diperlukan waktu yang cukup lama. Hal ini disebabkan karena kondisi batas pada lubang masuk dan lubang keluar yang digunakan adalah tekanan. Berbeda bila kondisi batas yang digunakan pada lubang masuk dan lubang keluar adalah


laju aliran massa atau kecepatan . Pada kondisi ini suatu program yang dijalankan memiliki waktu yang lebih singkat karena adanya fungsi global mass continuity yang mempercepat proses konvergensi. Untuk kondisi lainnya seperti dimensi dari penurun tekanan dapat dilihat pada tabel 4.2.




∅ = 3 ∅ = 16 ∅ = 70, L = 35 ∅ = 54, L = 13 ∅ = 154, L = 20

4.3. Perubahan Tekanan Masuk

Seperti diketahui bahwa kuantitas massa gas di dalam tabung gas turut mempengaruhi tekanan yang masuk ke penurun tekanan. Perubahan tekanan masuk ini diakibatkan berkurangnya persediaan jumlah massa gas di dalam tabung. Untuk menganalisa perubahan yang terjadi akibat perubahan tekanan masuk maka digunakan penurun tekanan dengan tekanan masuk sebesar 10 bar, 25 bar, dan 50 bar. Tekanan pada kondisi awal dan kondisi batas pada lubang keluar sebesar 0,99 bar. Tampak dari grafik 4.1 bahwa perubahan tekanan yang terjadi kurang signifikan walaupun tekanan masuk mengalami perubahan antara 10 bar, 25 bar dan 50 bar. Pada tekanan masuk 10 bar besarnya tekanan pada tiap ruang adalah 2,832 bar, 1,687 bar, dan 0,9928 bar. Untuk tekanan masuk 25 bar tekanan pada ruang satu hingga ruang ketiga berturut-turut adalah 2,868 bar, 1,701 bar, dan 0,9930 bar. Sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar besarnya tekanan pada ruang pertama adalah 2,889 bar, pada ruang kedua sebesar 1,695 bar, dan ruang ketiga 0,9933 bar. Perubahan tekanan yang terjadi pada ruang pertama yang berkisar 2,832 bar hingga 2,889 bar disebabkan oleh perbedaan besar laju aliran massa masuk ke ruang pertama. Laju aliran massa masuk dipengaruhi oleh besarnya bukaan katup dan perbedaan tekanan yang terjadi antara tekanan masuk dengan tekanan pada ruang pertama. Untuk kondisi tunak maka laju aliran massa masuk yang paling besar diperoleh penurun tekanan yang memiliki tekanan masuk sebesar 10 bar yaitu sekitar 0,00228 kg/s. Sedangkan untuk tekanan masuk 25 bar laju aliran massa masuknya sebesar 0,00196 kg/s dan pada tekanan masuk 50 bar didapatkan laju aliran massa masuk sekitar 0,00190 kg/s. Hal ini diakibatkan oleh bukaan katup yang terjadi pada ruang pertama. Pada kondisi tunak penurun tekanan yang memiliki tekanan masuk 10 bar memiliki bukaan katup yang lebih besar dibanding tekanan masuk 25 bar dan 50 bar. Perbedaan besarnya bukaan katup ini disebabkan oleh beda tekanan yang terjadi yang akhirnya mengakibatkan kecepatan pergerakan katup berbeda seperti terdapat pada grafik 4.2. Untuk tekanan masuk 10 bar kecepatan katup sekitar 0,0000614 m/s, tekanan masuk 25 bar diperoleh kecepatan katup sekitar 0,000205 m/s sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar kecepatan pergerakan katupnya sebesar 0,000362 m/s. Karena pada kondisi awal posisi katup pada ruang pertama terbuka maka dengan pergerakan katup yang semakin besar diperoleh luas bukaan katup semakin kecil. Pada grafik 4.3 untuk laju aliran massa keluar tampak juga bahwa perbedaan yang terjadi tidaklah terlalu besar karena untuk tekanan masuk 10 bar, 20 bar, dan 50 bar laju aliran massa keluarnya berkisar 0,00205 kg/s hingga 0,002327


kg/s. Sehingga dapat dikatakan bahwa perubahan tekanan masuk yang terjadi tidak menunjukkan perubahan yang signifikan baik terhadap perubahan tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa keluar. Tampak juga dengan perubahan tekanan masuk ikut mempengaruhi waktu pencapaian kondisi tunak pada ruang pertama, kedua, dan ketiga. Dari grafik dapat dilihat bahwa bila tekanan masuk ke penurun tekanan semakin besar maka waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi tunak pada tiap ruang cenderung semakin cepat. Pada tekanan masuk 10 bar kondisi tunak yang dicapai untuk tiap ruang adalah 0, 157s untuk ruang pertama, 0,157s untuk ruang kedua, dan 0,282s untuk ruang ketiga. Untuk tekanan masuk 25 bar kondisi tunak untuk tiap ruang berturut-turut adalah 0,03244s, 0,04624s, dan 0,06124s. Sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi tunak merupakan paling singkat yaitu 0,0154s untuk ruang pertama, 0,0297s untuk ruang kedua, dan 0,0297s untuk ruang ketiga. 4.4. Perubahan posisi lubang masuk

Pada ruang pertama ini terdapat dua perubahan dilakukan. Perubahan pertama yaitu dengan memutar atau memindahkan lubang masuk sebesar 90 derajat ke arah sumbu X, sehingga arah masuk menjadi sumbu X-negatif seperti tampak pada gambar 4.4. Sedangkan perubahan kedua yang tampak di gambar 4.5 adalah dengan memutar arah lubang masuk sebesar 1800 namun arah masuk tetap arah Sumbu Z_negatif. Untuk melihat perubahan yang terjadi baik tekanan maupun laju aliran massa keluar dapat dilihat dari grafik 4.4 dan grafik 4.5. Tampak bahwa pada kedua perubahan terjadi perubahan tekanan pada ruang pertama yang memiliki kecenderungan naik. Hal ini disebabkan laju aliran massa masuk yang lebih besar setelah diubah dimana sebelum diubah berkisar 0,00199 kg/s. Untuk perubahan pertama diperoleh laju aliran massa masuk sebesar 0,0021 kg/s sedangkan dengan perubahan kedua yang dilakukan besarnya laju aliran massa masuk yang diperoleh 0,00205 kg/s. Sedangkan laju aliran massa keluar yang paling besar dicapai perubahan lubang masuk yang kedua yaitu 0,0029 kg/s seperti terlihat pada grafik 4.5. Untuk perubahan lubang masuk yang pertama diperoleh laju aliran massa keluar sebesar 0,00271 kg/s. Perubahan laju aliran massa keluar ini diakibatkan oleh adanya beda tekanan antara ruang ketiga dan tekanan pada bagian keluar. Beda tekanan yang terjadi untuk perubahan pertama sebesar 0,00388 bar, pada perubahan kedua sekitar 0,00663 bar, dan untuk penurun tekanan sebelum diubah beda tekanannya sebesar 0,00393 bar. Seperti diketahui bahwa semakin besar beda tekanan semakin besar pula laju aliran massa yang terjadi.


Seperti pada ruang pertama, ada dua perubahan posisi yang dilakukan pada ruang kedua ini yaitu dengan mengubah arah saluran masuk menuju ruang ketiga. Perubahan pertama yaitu dengan membuat pipa saluran masuk ke ruang kedua sejajar dengan pipa saluran keluar ke ruang ketiga. 4.6 Untuk perubahan kedua dilakukan dengan menggeser pipa saluran ke ruang ketiga menuju sumbu Z_positif dan membentuk sudut 900 dengan pipa saluran masuk ke ruang kedua. Kedua perubahan tersebut dapat dilihat pada gambar dan gambar 4.7. Secara singkat dapat dilihat perubahan yang terjadi baik pada tekanan maupun pada laju aliran massa keluar pada dan grafik 4.6 dan grafik 4.7.


Untuk perubahan pertama dari ruang kedua tekanan yang dicapai pada ruang pertama sebesar 2,86717 bar, pada ruang kedua 1,739 bar, dan pada ruang ketiga 0,99366 bar. Perubahan kedua yang dilakukan menghasilkan tekanan 2,86799 bar pada ruang pertama, 1,717 bar pada ruang kedua, dan 0,99347 bar pada ruang ketiga.


98600

98800

99000

99200

99400

99600

99800

100000

100200

0

0,00

10,

002

0,00

5

0,01

05

0,01

85

0,02

65

0,04

65

0,08

65

0,12

65

Waktu (s)

Te

kan

an

(P

a)

Posisi awal

Perubahan Pertama

Perubahan Kedua

Pada laju aliran masuk terjadi penurunan yaitu 0,0017184 kg/s untuk perubahan pertama dan 0,0017836 kg/s untuk perubahan kedua. Hal ini disebabkan pada ruang pertama bukaan katupnya lebih kecil untuk kedua perubahan tersebut dibandingkan dengan bukaan katup sebelum diubah. Kecenderungan penurunan terjadi juga pada laju aliran massa keluar. Pada perubahan pertama besarnya laju aliran massa keluar adalah 0,00288 kg/s dan pada perubahan kedua kuantitas laju aliran massa keluar 0,002708 kg/s sedangkan sebelum diubah laju aliran massanya sebesar 0,00289 kg/s.


0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

0

0,00

10,

002

0,00

8

0,01

45

0,02

25

0,03

65

0,06

65

0,10

65

0,14

65

Waktu (s)

La

ju a

lira

n m

ass

a k

elu

ar

(Kg

/s)

Posisi awal

Perubahan Pertama

Perubahan Kedua

Penurunan ini disebabkan beda tekanan antara ruang ketiga dan tekanan keluar kedua perubahan tersebut lebih kecil dibanding beda tekanan sebelum diubah. 4.6. Perubahan posisi lubang keluar

Disini perubahan dilakukan dengan mengubah posisi lubang keluar penurun tekanan. Pertama dengan memindahkan posisi lubang keluar ke arah sumbu Z_positif sejauh 24 mm. Sedangkan perubahan kedua dengan memindahkan posisi lubang keluar ke arah sumbu X_positif sejauh 24 mm. Perubahan yang terjadi akibat kedua perubahan tersebut dapat dilihat pada grafik 4.8 dan grafik 4.9. Akibat kedua perubahan posisi lubang keluar ini terdapat sedikit kenaikan tekanan di dalam ruang pertama. Dimana pada perubahan pertama tekanannya berkisar 2,86902 bar sedangkan untuk perubahan kedua sebesar 2,86973 bar. Kenaikan yang sedikit ini disebabkan bukaan katup ke ruang pertama lebih besar sehingga laju aliran massa masuk menjadi lebih besar. Tekanan di ruang kedua


untuk perubahan pertama sekitar 1,711 bar dan untuk perubahan kedua 1,704 bar. Sedangkan tekanan di dalam ruang ketiga sebesar 0,9925 bar untuk perubahan pertama dan 0,99267 bar untuk perubahan kedua. Untuk laju aliran massa keluar terjadi penurunan setelah perubahan posisi lubang keluar dilakukan. Untuk perubahan pertama laju aliran massa keluar yang bisa dicapai untuk keadaaan tunak sekitar 0,00259 kg/s dan untuk perubahan kedua besarnya laju aliran massa keluar 0,002606 kg/s. Penurunan laju aliran massa keluar ini disebabkan beda tekanan yang terjadi antara ruang ketiga dengan tekanan keluar semakin kecil.

4.7. Perubahan terhadap Kondisi Batas Tekanan Keluar

Pada bagian ini, diubah kondisi batas tekanan keluar. Hal ini untuk mengetahui apakah dengan adanya perubahan tekanan pada lubang keluar mempunyai pengaruh yang cukup berarti terhadap laju aliran massa keluar. Untuk tekanan keluar sebesar 0,92 bar maka tekanan pada ruang pertama untuk kondisi tunak sekitar 2,86852 bar. Dan untuk tekanan keluar 0,99 bar, tekanan di dalam ruang pertama yang dicapai sekitar 2,86840 bar sedangkan untuk tekanan keluar 1 bar diperoleh sedikit lebih tinggi yaitu 2,87358 bar. Untuk ruang kedua pada kondisi tekanan keluar 0,92 bar, 0,99 bar, dan 1 bar diperoleh tekanan di dalam ruang berturut-turut adalah 1,67768 bar, 1,71539 bar, dan 1,78390 bar. Pada ruang ketiga untuk tekanan keluar 0,92 bar adalah 0,92413 bar, sedangkan untuk tekanan keluar 0,99 bar, dan 1 bar maka besarnya tekanan pada ruang ketiga yaitu 0,99393 bar dan 1,001 bar. Untuk tekanan keluar 0,92 bar laju aliran masuk sekitar 0,00201 kg/s, untuk tekanan keluar 0,99 bar berkisar 0,00199 kg/s dan untuk tekanan keluar 1 bar sebesar 0,0015 bar. Hal ini disebabkan pada kondisi tunak bukaan katup pada ruang pertama untuk tekanan keluar 0,92 bar lebih besar dari tekanan keluar lainnya. Untuk tekanan keluar 0,92 bar diperoleh laju aliran massa keluar penurun tekanan sebesar 0,00289 kg/s dan untuk tekanan keluar 0,99 bar serta 1 bar diperoleh laju aliran massa keluar masing-masing 0,00287 kg/s dan 0,00145 kg/s. Perbedaan ini disebabkan pada tekanan keluar 0,92 bar diperoleh beda tekanan yang paling besar antara tekanan pada ruang ketiga dengan tekanan keluar. Sedangkan pada tekanan keluar 1 bar posisi katup pada ruang ketiga menuju minimum disamping beda tekanan antara ruang ketiga dengan tekanan keluar semakin kecil sehingga laju aliran massa yang keluar semakin kecil.

4.9. Perubahan terhadap diameter lubang keluar

Perubahan selanjutnya yang dilakukan adalah mengubah diameter lubang keluar dari penurun tekanan. Perubahan pertama dengan memperbesar diameter lubang keluar menjadi 20 mm sedangkan perubahan kedua dengan memperkecil diameter lubang keluar menjadi 12 mm. Dengan memperbesar diameter lubang keluar diperoleh tekanan di dalam ruang pertama 2,868 bar, tekanan di ruang kedua sebesar 1,716 bar, dan tekanan di ruang ketiga 0,9920 bar. Sedangkan dengan memperkecil diameter lubang keluar kondisi tunak belum dicapai karena tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa masih berfluktuasi atau transien. Besarnya laju aliran massa keluar paling besar diperoleh penurun tekanan yang diameter lubang keluarnya diperbesar yaitu 0,002899 kg/s. Untuk pengecilan diameter lubang keluar laju aliran massa keluar masih berfluktuasi dan cenderung berkurang. Hal ini disebabkan karena pada kedua perubahan baik pengecilan maupun pembesaran diameter lubang keluar berhubungan dengan perubahan koefisien keluarannya. Berdasarkan persamaan (2.9) pada bab II dimana harga koefisien keluaran


dipengaruhi oleh luas penampang referensi aliran dan luas penampang restriksi aliran. Dengan pembesaran diameter lubang keluar membuat koefisien keluaran semakin besar dan sebaliknya bila diameter lubang keluar diperkecil. Sehingga perubahan harga koefisien keluaran ini berpengaruh terhadap laju aliran massa keluar sesuai dengan persamaan (2.24).



2002 digitiz

BAB IV

HASIL DAN ANALISA



Sebelum melakukan simulasi maka harus diketahui dulu gaya yang bekerja pada tiap ruang dari penurun tekanan tersebut. Karena perubahan posisi katup akan menyebabkan perubahan aliran dan juga perubahan tekanan sebagai konsekuensinya. Pada tiap ruang dari penurun tekanan bekerja gaya-gaya yang diakibatkan oleh katup, tuas, pegas maupun diafragma yang terdapat pada tiap ruang. Hal lain yang perlu diperhatikan yaitu bahwa pergerakan katup ini dipengaruhi oleh tekanan yang masuk dan tekanan di dalam tiap ruang. Berdasarkan gambar 4.1 hingga gambar 4.3 dapat ditinjau bahwa tekanan di dalam ruang penurun tekanan bergantung pada perbedaan gaya pegas dan gaya akibat tekanan masuk pada katup. Dengan kondisi ini maka tekanan di dalam ruang penurun tekanan dapat naik atau turun karena pengaruh dari tekanan masuk, bergantung pada apakah gaya pegas naik lebih cepat atau lebih lambat daripada gaya akibat tekanan masuk. Gaya yang diakibatkan tekanan masuk ini akan naik lebih cepat bila tekanan masuk bertambah.

Gam

Untuk sudut

xa

b0.015

xa

b0.015k

FaFbF

0M

11

1

1

11

1k11s1

=+

+

−+=∑

[ Abkb

ax 1

121

11 =


bar 4.1. Gaya-gaya yang bekerja pada ruang pertama

θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka

[ ])p(pAa)p(pAbkb

1

)ap(pA)bp(pAb

0b

011k11011D1111

1011k11011D111

D1

−−−

−−−=

=

( ) ( ) ] 0.015b

appAapp

1

11ink11011D1 −−−− (4.1)

F k1 = (p

in - p 1 )A k1

F s1 = k

1 .(0.015 + x s1 )

F D1 = (p

1 - p 0 1 ) A D1

b 1 = 25 mm

a 1 = 11 mm


dimana: a1 = 0.011 m (lebar tuas katup 1)

b1 = 0.025 m (panjang tuas katup 1) Ak1 = π.0.0032/4 (luas penampang katup 1) AD1 = π.0.072/4 (luas penampang diafragma 1) Pin = tekanan masuk ke penurun tekanan p1 = tekanan pada ruang pertama p01 = tekanan udara luar k1 = konstanta pegas 1 x1 = langkah katup 1 untuk x1 = 0 , maka : pin = p1 = p01 = 1 bar / 1 atm, dan

D11k11

1101D11ink111 AbAa

k0.015bpAbpAap

+++

= (4.2)

Sedangkan untuk menganalisa gaya-gaya yang bekerja pada ruang kedua dapat dilihat pada gambar 4.2. Untuk sudut θ yang kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka diperoleh

[ ])p(pAa)p(pAbkb

1x

a

b0.015

)ap(pA)bp(pAbxa

b0.015k

0bFaFbF

0M

022k22022D2222

22

2

2022k22022D2222

22

2D22k22s2

−−−=+

−−−=

+

=−+=∑


( ) ( )[ ] 0.015b

appAappAb

kb

ax

2

221k22022D22

222

22 −−−−= (4.3)

dimana:

a2 = 0.008 m (panjang tuas katup 2 ke arah X-) b2 = 0.013 m (panjang tuas katup 2 ke arah X+) Ak2 = π.0.0042/4 (luas penampang katup 2) AD2 = π.0.0542/4 (luas penampang diafragma 2) p12 = tekanan masuk ke ruang kedua p2 = tekanan pada ruang kedua p02 = tekanan udara luar k2 = konstanta pegas 2 x2 = langkah katup 2 untuk x2 = 0 , maka : p12 = p2 = p02 = 1 bar / 1 atm, dan

Fk2 = (p12 - p2)Ak2FD2 = (p2 - p02)AD2

Fs2 = k2.(0.015 + x s2)

b2 = 13 mma2 = 8 mm

2002 digitized by

D22k22

2202D221k222 AbAa

k0.015bpAbpAap

+++

= (4.4)


Gambar Untuk sudut θ yan

[kb

1x

a

b0.015

bxa

b0.025k

0cFaFbF

0M

333

3

3

333

33

3D33k33s3

=+

=

+

=+−=∑

([ pAakb

ax 2k32

323

33 =

dimana: a3 = 0.01 b3 = 0.024 c3 = 0.05 Ak3 = π.0.00 AD3 = π.0.1 p23 = tekan p3 = tekan p03 = teka k3 = kons x3 = lang untuk x3 = 0 , mak

3p =

4.2. Analisa Sist

USU digital library 32

4.3 Gaya-gaya yang bekerja pada ruang ketiga

g kecil, tan θ = xs1/b1 = x1/a1, maka

])p(pAc)p(pAa

)cp(pA)ap(pA

033D3332k33

3033D3332k3

−−−

−−−

) ( ) ] 0.025b

appAcp

3

3033D333 −−−− (4.5)

m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X-) m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X+)

5 m (panjang tuas katup 3 dari titik o ke arah X+) 52/4 (luas penampang katup 3)

542/4 (luas penampang diafragma 3) an masuk ke ruang ketiga an pada ruang ketiga nan udara luar tanta pegas 3 kah katup 3

a : p23 = p3 = p03 = 1 bar / 1 atm, dan

D33k33

3303D332k33

AcAa

k0.025bpAcpAa

+−+ (4.6)

em Regulasi

Fk3 = (p 23 - p3)Ak3

a3 = 10 mm b3 = 24 mm

Fs3 = k3.xs3

c3 = 55 mm

FD3 = (p 3 - p03)AD3


Untuk mengetahui apakah penurun tekanan tersebut dapat dikatakan baik saat pengoperasiannya maka terdapat karakteristik penting yang perlu diperhatikan yaitu prestasi kondisi tunak dan laju aliran massa. Kondisi tunak merupakan suatu kondisi dimana sifat-sifat termodinamika antara lain tekanan, temperatur, dan laju aliran massa tidak berubah lagi terhadap waktu. Pada kondisi tunak ini laju aliran massa yang mengalir melalui restriksi harus memiliki harga yang sama sehingga massa gas total di dalam ruang penurun tekanan konstan. Pada penelitian ini dilakukan beberapa modifikasi untuk mengetahui pengaruhnya terhadap tekanan di tiap ruang dan laju aliran massa yang terjadi. Modifikasi yang dilakukan berupa perubahan tekanan masuk, posisi lubang masuk, posisi lubang keluar, perubahan diameter lubang keluar, dan perubahan tekanan keluar sehingga diharapkan nanti dapat diketahui perubahan yang memiliki laju aliran massa optimum. Dan pada simulasi ini diasumsikan bahwa aliran yang terjadi saat gas masuk hingga keluar dari penurun tekanan merupakan aliran isentropik dengan fluida kerja metana. Di bagian ini dianalisa perubahan tekanan yang terjadi untuk tiap ruang sesuai dengan perubahan-perubahan yang dilakukan. Selain itu juga bagaimana pengaruhnya terhadap laju aliran massa keluar. Sebagai pembanding, dipakai penurun tekanan yang memiliki jumlah sel 5812 buah dengan volume keseluruhan 0,000560462 m3. Pada keadaan tunak tekanan pada ruang pertama mencapai sekitar 2,8684 bar. Sedangkan tekanan untuk ruang kedua dan ruang ketiga berkisar 1,7154 bar dan 0,99393 bar. Pada kondisi ini besarnya laju aliran massa keluar sekitar 0,00289 kg/s. Pergerakan katup telah ditentukan jarak minimum dan maksimumnya dimana penentuan rentang jarak ini berdasarkan data pengujian yang pernah dilakukan sebelumnya[11]. Jadi katup bergerak diantara rentang jarak yang telah ditentukan seperti tampak pada tabel 4.1.



(mm)

Jarak Maksimum

(mm) 1 2 3


0,01 0,06 0,07

0,18 0,6 0,7

Untuk kondisi batas lubang keluar dibuat 0,99 bar dan tekanan awal di dalam penurun tekanan sebesar 1 bar. Tekanan masuk ke penurun tekanan dibuat sebesar 25 bar. Hal ini dilakukan untuk mempersingkat waktu perhitungan dan mempermudah analisa yang akan dilakukan karena untuk menjalankan satu program diperlukan waktu yang cukup lama. Hal ini disebabkan karena kondisi batas pada lubang masuk dan lubang keluar yang digunakan adalah tekanan. Berbeda bila kondisi batas yang digunakan pada lubang masuk dan lubang keluar adalah laju aliran massa atau kecepatan . Pada kondisi ini suatu program yang dijalankan memiliki waktu yang lebih singkat karena adanya fungsi global mass continuity yang mempercepat proses konvergensi. Untuk kondisi lainnya seperti dimensi dari penurun tekanan dapat dilihat pada tabel 4.2.





∅ = 3 ∅ = 16 ∅ = 70, L = 35 ∅ = 54, L = 13 ∅ = 154, L = 20

4.3. Perubahan Tekanan Masuk

Seperti diketahui bahwa kuantitas massa gas di dalam tabung gas turut mempengaruhi tekanan yang masuk ke penurun tekanan. Perubahan tekanan masuk ini diakibatkan berkurangnya persediaan jumlah massa gas di dalam tabung. Untuk menganalisa perubahan yang terjadi akibat perubahan tekanan masuk maka digunakan penurun tekanan dengan tekanan masuk sebesar 10 bar, 25 bar, dan 50 bar. Tekanan pada kondisi awal dan kondisi batas pada lubang keluar sebesar 0,99 bar. Tampak dari grafik 4.1 bahwa perubahan tekanan yang terjadi kurang signifikan walaupun tekanan masuk mengalami perubahan antara 10 bar, 25 bar dan 50 bar. Pada tekanan masuk 10 bar besarnya tekanan pada tiap ruang adalah 2,832 bar, 1,687 bar, dan 0,9928 bar. Untuk tekanan masuk 25 bar tekanan pada ruang satu hingga ruang ketiga berturut-turut adalah 2,868 bar, 1,701 bar, dan 0,9930 bar. Sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar besarnya tekanan pada ruang pertama adalah 2,889 bar, pada ruang kedua sebesar 1,695 bar, dan ruang ketiga 0,9933 bar. Perubahan tekanan yang terjadi pada ruang pertama yang berkisar 2,832 bar hingga 2,889 bar disebabkan oleh perbedaan besar laju aliran massa masuk ke ruang pertama. Laju aliran massa masuk dipengaruhi oleh besarnya bukaan katup dan perbedaan tekanan yang terjadi antara tekanan masuk dengan tekanan pada ruang pertama. Untuk kondisi tunak maka laju aliran massa masuk yang paling besar diperoleh penurun tekanan yang memiliki tekanan masuk sebesar 10 bar yaitu sekitar 0,00228 kg/s. Sedangkan untuk tekanan masuk 25 bar laju aliran massa masuknya sebesar 0,00196 kg/s dan pada tekanan masuk 50 bar didapatkan laju aliran massa masuk sekitar 0,00190 kg/s. Hal ini diakibatkan oleh bukaan katup yang terjadi pada ruang pertama. Pada kondisi tunak penurun tekanan yang memiliki tekanan masuk 10 bar memiliki bukaan katup yang lebih besar dibanding tekanan masuk 25 bar dan 50 bar. Perbedaan besarnya bukaan katup ini disebabkan oleh beda tekanan yang terjadi yang akhirnya mengakibatkan kecepatan pergerakan katup berbeda seperti terdapat pada grafik 4.2. Untuk tekanan masuk 10 bar kecepatan katup sekitar 0,0000614 m/s, tekanan masuk 25 bar diperoleh kecepatan katup sekitar 0,000205 m/s sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar kecepatan pergerakan katupnya sebesar 0,000362 m/s. Karena pada kondisi awal posisi katup pada ruang pertama terbuka maka dengan pergerakan katup yang semakin besar diperoleh luas bukaan katup semakin kecil. Pada grafik 4.3 untuk laju aliran massa keluar tampak juga bahwa perbedaan yang terjadi tidaklah terlalu besar karena untuk tekanan masuk 10 bar, 20 bar, dan 50 bar laju aliran massa keluarnya berkisar 0,00205 kg/s hingga 0,002327 kg/s. Sehingga dapat dikatakan bahwa perubahan tekanan masuk yang terjadi tidak menunjukkan perubahan yang signifikan baik terhadap perubahan tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa keluar. Tampak juga dengan perubahan tekanan masuk ikut mempengaruhi waktu pencapaian kondisi tunak pada ruang pertama, kedua, dan ketiga. Dari grafik


dapat dilihat bahwa bila tekanan masuk ke penurun tekanan semakin besar maka waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi tunak pada tiap ruang cenderung semakin cepat. Pada tekanan masuk 10 bar kondisi tunak yang dicapai untuk tiap ruang adalah 0, 157s untuk ruang pertama, 0,157s untuk ruang kedua, dan 0,282s untuk ruang ketiga. Untuk tekanan masuk 25 bar kondisi tunak untuk tiap ruang berturut-turut adalah 0,03244s, 0,04624s, dan 0,06124s. Sedangkan untuk tekanan masuk 50 bar waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi tunak merupakan paling singkat yaitu 0,0154s untuk ruang pertama, 0,0297s untuk ruang kedua, dan 0,0297s untuk ruang ketiga.

4.4. Perubahan posisi lubang masuk

Pada ruang pertama ini terdapat dua perubahan dilakukan. Perubahan pertama yaitu dengan memutar atau memindahkan lubang masuk sebesar 90 derajat ke arah sumbu X, sehingga arah masuk menjadi sumbu X-negatif seperti tampak pada gambar 4.4. Sedangkan perubahan kedua yang tampak di gambar 4.5 adalah dengan memutar arah lubang masuk sebesar 1800 namun arah masuk tetap arah Sumbu Z_negatif. Untuk melihat perubahan yang terjadi baik tekanan maupun laju aliran massa keluar dapat dilihat dari grafik 4.4 dan grafik 4.5. Tampak bahwa pada kedua perubahan terjadi perubahan tekanan pada ruang pertama yang memiliki kecenderungan naik. Hal ini disebabkan laju aliran massa masuk yang lebih besar setelah diubah dimana sebelum diubah berkisar 0,00199 kg/s. Untuk perubahan pertama diperoleh laju aliran massa masuk sebesar 0,0021 kg/s sedangkan dengan perubahan kedua yang dilakukan besarnya laju aliran massa masuk yang diperoleh 0,00205 kg/s. Sedangkan laju aliran massa keluar yang paling besar dicapai perubahan lubang masuk yang kedua yaitu 0,0029 kg/s seperti terlihat pada grafik 4.5. Untuk perubahan lubang masuk yang pertama diperoleh laju aliran massa keluar sebesar 0,00271 kg/s. Perubahan laju aliran massa keluar ini diakibatkan oleh adanya beda tekanan antara ruang ketiga dan tekanan pada bagian keluar. Beda tekanan yang terjadi untuk perubahan pertama sebesar 0,00388 bar, pada perubahan kedua sekitar 0,00663 bar, dan untuk penurun tekanan sebelum diubah beda tekanannya sebesar 0,00393 bar. Seperti diketahui bahwa semakin besar beda tekanan semakin besar pula laju aliran massa yang terjadi.


Seperti pada ruang pertama, ada dua perubahan posisi yang dilakukan pada ruang kedua ini yaitu dengan mengubah arah saluran masuk menuju ruang ketiga. Perubahan pertama yaitu dengan membuat pipa saluran masuk ke ruang kedua sejajar dengan pipa saluran keluar ke ruang ketiga. Untuk perubahan kedua dilakukan dengan menggeser pipa saluran ke ruang ketiga menuju sumbu Z_positif dan membentuk sudut 900 dengan pipa saluran masuk ke ruang kedua. Kedua perubahan tersebut dapat dilihat pada gambar 4.6 dan gambar 4.7. Secara singkat dapat dilihat perubahan yang terjadi baik pada tekanan maupun pada laju aliran massa keluar pada dan grafik 4.6 dan grafik 4.7. Untuk perubahan pertama dari ruang kedua tekanan yang dicapai pada ruang pertama sebesar 2,86717 bar, pada ruang kedua 1,739 bar, dan pada ruang ketiga 0,99366 bar. Perubahan kedua yang dilakukan menghasilkan tekanan 2,86799 bar pada ruang pertama, 1,717 bar pada ruang kedua, dan 0,99347 bar pada ruang ketiga.



98600

98800

99000

99200

99400

99600

99800

100000

100200

0

0,00

10,

002

0,00

5

0,01

05

0,01

85

0,02

65

0,04

65

0,08

65

0,12

65

Waktu (s)

Te

kan

an

(P

a)

Posisi awal

Perubahan Pertama

Perubahan Kedua

Pada laju aliran masuk terjadi penurunan yaitu 0,0017184 kg/s untuk perubahan pertama dan 0,0017836 kg/s untuk perubahan kedua. Hal ini disebabkan pada ruang pertama bukaan katupnya lebih kecil untuk kedua perubahan tersebut dibandingkan dengan bukaan katup sebelum diubah. Kecenderungan penurunan terjadi juga pada laju aliran massa keluar. Pada perubahan pertama besarnya laju aliran massa keluar adalah 0,00288 kg/s dan pada perubahan kedua kuantitas laju aliran massa keluar 0,002708 kg/s sedangkan sebelum diubah laju aliran massanya sebesar 0,00289 kg/s.


0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

0

0,00

10,

002

0,00

8

0,01

45

0,02

25

0,03

65

0,06

65

0,10

65

0,14

65

Waktu (s)

La

ju a

lira

n m

ass

a k

elu

ar

(Kg

/s)

Posisi awal

Perubahan Pertama

Perubahan Kedua

Penurunan ini disebabkan beda tekanan antara ruang ketiga dan tekanan keluar kedua perubahan tersebut lebih kecil dibanding beda tekanan sebelum diubah. 4.6. Perubahan posisi lubang keluar

Disini perubahan dilakukan dengan mengubah posisi lubang keluar penurun tekanan. Pertama dengan memindahkan posisi lubang keluar ke arah sumbu Z_positif sejauh 24 mm. Sedangkan perubahan kedua dengan memindahkan posisi lubang keluar ke arah sumbu X_positif sejauh 24 mm. Perubahan yang terjadi akibat kedua perubahan tersebut dapat dilihat pada grafik 4.8 dan grafik 4.9. Akibat kedua perubahan posisi lubang keluar ini terdapat sedikit kenaikan tekanan di dalam ruang pertama. Dimana pada perubahan pertama tekanannya berkisar 2,86902 bar sedangkan untuk perubahan kedua sebesar 2,86973 bar. Kenaikan yang sedikit ini disebabkan bukaan katup ke ruang pertama lebih besar sehingga laju aliran massa masuk menjadi lebih besar. Tekanan di ruang kedua untuk perubahan pertama sekitar 1,711 bar dan untuk perubahan kedua 1,704 bar. Sedangkan tekanan di dalam ruang ketiga sebesar 0,9925 bar untuk perubahan pertama dan 0,99267 bar untuk perubahan kedua. Untuk laju aliran massa keluar terjadi penurunan setelah perubahan posisi lubang keluar dilakukan.


Untuk perubahan pertama laju aliran massa keluar yang bisa dicapai untuk keadaaan tunak sekitar 0,00259 kg/s dan untuk perubahan kedua besarnya laju aliran massa keluar 0,002606 kg/s. Penurunan laju aliran massa keluar ini disebabkan beda tekanan yang terjadi antara ruang ketiga dengan tekanan keluar semakin kecil.

4.7. Perubahan terhadap Kondisi Batas Tekanan Keluar

Pada bagian ini, diubah kondisi batas tekanan keluar. Hal ini untuk mengetahui apakah dengan adanya perubahan tekanan pada lubang keluar mempunyai pengaruh yang cukup berarti terhadap laju aliran massa keluar. Untuk tekanan keluar sebesar 0,92 bar maka tekanan pada ruang pertama untuk kondisi tunak sekitar 2,86852 bar. Dan untuk tekanan keluar 0,99 bar, tekanan di dalam ruang pertama yang dicapai sekitar 2,86840 bar sedangkan untuk tekanan keluar 1 bar diperoleh sedikit lebih tinggi yaitu 2,87358 bar. Untuk ruang kedua pada kondisi tekanan keluar 0,92 bar, 0,99 bar, dan 1 bar diperoleh tekanan di dalam ruang berturut-turut adalah 1,67768 bar, 1,71539 bar, dan 1,78390 bar. Pada ruang ketiga untuk tekanan keluar 0,92 bar adalah 0,92413 bar, sedangkan untuk tekanan keluar 0,99 bar, dan 1 bar maka besarnya tekanan pada ruang ketiga yaitu 0,99393 bar dan 1,001 bar. Untuk tekanan keluar 0,92 bar laju aliran masuk sekitar 0,00201 kg/s, untuk tekanan keluar 0,99 bar berkisar 0,00199 kg/s dan untuk tekanan keluar 1 bar sebesar 0,0015 bar. Hal ini disebabkan pada kondisi tunak bukaan katup pada ruang pertama untuk tekanan keluar 0,92 bar lebih besar dari tekanan keluar lainnya. Untuk tekanan keluar 0,92 bar diperoleh laju aliran massa keluar penurun tekanan sebesar 0,00289 kg/s dan untuk tekanan keluar 0,99 bar serta 1 bar diperoleh laju aliran massa keluar masing-masing 0,00287 kg/s dan 0,00145 kg/s. Perbedaan ini disebabkan pada tekanan keluar 0,92 bar diperoleh beda tekanan yang paling besar antara tekanan pada ruang ketiga dengan tekanan keluar. Sedangkan pada tekanan keluar 1 bar posisi katup pada ruang ketiga menuju minimum disamping beda tekanan antara ruang ketiga dengan tekanan keluar semakin kecil sehingga laju aliran massa yang keluar semakin kecil. 4.10. Perubahan terhadap diameter lubang keluar

Perubahan selanjutnya yang dilakukan adalah mengubah diameter lubang keluar dari penurun tekanan. Perubahan pertama dengan memperbesar diameter lubang keluar menjadi 20 mm sedangkan perubahan kedua dengan memperkecil diameter lubang keluar menjadi 12 mm. Dengan memperbesar diameter lubang keluar diperoleh tekanan di dalam ruang pertama 2,868 bar, tekanan di ruang kedua sebesar 1,716 bar, dan tekanan di ruang ketiga 0,9920 bar. Sedangkan dengan memperkecil diameter lubang keluar kondisi tunak belum dicapai karena tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa masih berfluktuasi atau transien. Besarnya laju aliran massa keluar paling besar diperoleh penurun tekanan yang diameter lubang keluarnya diperbesar yaitu 0,002899 kg/s. Untuk pengecilan diameter lubang keluar laju aliran massa keluar masih berfluktuasi dan cenderung berkurang. Hal ini disebabkan karena pada kedua perubahan baik pengecilan maupun pembesaran diameter lubang keluar berhubungan dengan perubahan koefisien keluarannya. Berdasarkan persamaan (2.9) pada bab II dimana harga koefisien keluaran dipengaruhi oleh luas penampang referensi aliran dan luas penampang restriksi aliran. Dengan pembesaran diameter lubang keluar membuat koefisien keluaran semakin besar dan sebaliknya bila diameter lubang keluar diperkecil. Sehingga perubahan harga koefisien keluaran ini berpengaruh terhadap laju aliran massa keluar sesuai dengan persamaan (2.24).




BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini akan disimpulkan hasil-hasil yang didapat dari hasil simulasi yang telah dilakukan serta saran-saran yang mungkin berguna untuk penelitian selanjutnya.

5.1 Kesimpulan

• Simulasi 3-D dengan program Fire ini memberikan gambaran tentang perubahan yang dilakukan pada penurun tekanan berupa perubahan posisi lubang masuk, posisi lubang keluar, diameter lubang keluar, tekanan keluar, dan pengaruhnya terhadap tekanan serta laju aliran massa keluar.

• Untuk perubahan tekanan masuk yang dilakukan dapat disimpulkan tidak menunjukkan adanya perubahan tekanan dan laju aliran massa keluar yang signifikan.

• Untuk perubahan posisi lubang masuk dan posisi lubang keluar yang dilakukan tampaknya tidak menunjukkan perubahan yang berarti baik terhadap tekanan di dalam ruang maupun laju aliran massa keluar penurun tekanan.

• Pada perubahan diameter lubang keluar, pengecilan diameter membuat aliran gas pada penurun tekanan menjadi lebih lama untuk mencapai kondisi tunak.

5.2 Saran-saran

• Pada simulasi ini terdapat kesulitan dalam hal penentuan nilai timestep increment dimana hal ini berkaitan langsung dengan pencapaian waktu keadaan tunak sehingga untuk penelitian selanjutnya diperlukan informasi tambahan mengenai hal ini.

• Untuk penelitian selanjutnya perlu dipertimbangkan juga bagaimana pengaruh luas penampang katup terhadap perubahan tekanan dan laju aliran massa.

• Agar hasil simulasi ini lebih berguna sebaiknya dilakukan pengujian sehingga hasilnya lebih akurat.


DAFTAR PUSTAKA

1. Advanced Simulation Technology (AST), ’’FIRE CFD v70b_pl3 User Manual’’, AVL List GmbH, 1998

2. “Update Status Jun.96 – Dec.96 FIRE Version 6.2b” AVL List GmbH, A-8020 Graz 1997

3. Wiranto Arismunandar “Penggerak Mula Motor bakar Torak”, Penerbit ITB Bandung 1988

4. Heywood, J.B., ‘’Internal Combustion Engine Fundamental’’, McGraw-Hill, Singapore 1988

5. “Panduan para Penentu Kebijakan pada Kendaraan Berbahan Bakar Gas”, Komisi Eropa Tim Kerja Kendaraan Berbahan Bakar Gas 2000

6. Atok Setiyawan. Ir. MEng, “Studi Kelayakan Mengenai Proyek Ujicoba Mikrolet dengan Bahan Bakar Gas di Surabaya”, 2000

7. Laboratorium Motor Bakar dan Sistem Propulsi “Proyek Percontohan Bahan Bakar Gas”, Lembaga Pengabdian Masyarakat ITB-Direktorat Jenderal Perhubungan Darat-Pertamina 1988

8. Wahidin, M Nur, “ Pengujian Prestasi Motor Diesel OM 352 dengan Bahan Bakar Solar dan Gas Solar”, Tugas Sarjana, Laboratorium Motor Bakar dan Sistem Propulsi Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung 1989

9. Radjo Zein, Mazda “Analisis Pemakaian Conversion Kit pada Motor Otto dengan BBG serta Penentuan saat Penyalaan Optimumnya” Tugas Sarjana, Laboratorium Motor Bakar dan Sistem Propulsi Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung 1990

10. Kusnandar, Unang “Analisis Pengaturan BBG pada Motor Diesel Berbahan Bakar Ganda BBG-Minyak Diesel” Tugas Sarjana, Laboratorium Motor Bakar dan Sistem Propulsi Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung 1990

11. Wahyudi Chandra, “Analisis Sistem Otoregulasi Tekanan pada Regulator Kit Konversi untuk Motor Bensin dengan Bahan Bakar CNG” ,Tugas Sarjana, Institut Teknologi Bandung 1991

12.Ellyanie, “Pengaruh konsentrasi Gas CO2 dalam Bahan Bakar Gas terhadap Prestasi Motor dan Emisi Gas Buang”, Tesis Magister Laboratorium Motor Bakar dan Sistem Propulsi Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Bandung 1999

Date post:	10-Dec-2023
Category:	Documents
Upload:	usu-id
View:	0 times
Download:	0 times

Pemodelan Penurun Tekanan Untuk Kenderaan Berbahan Bakar Gas Dengan Simulasi 3-D

Documents