fire tube boiler Analisis FEM Untuk Menghitung Defleksi Tube Pada Fire Tube Boiler Yang Dipengaruhi Oleh Total Dissolved Solids (TDS) Di Dalam Feed Water

fire tube boiler

Analisis FEM Untuk Menghitung Defleksi Tube Pada Fire Tube Boiler Yang Dipengaruhi Oleh Total Dissolved Solids (TDS) Di Dalam Feed Water

Pendahuluan

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

Fire Tube Boiler merupakan salah satu jenis boiler dimana gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan (feed water) boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan baker minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya.

Total Dissolved Solids (TDS) merupakan larutan padat yang terdiri dari garam anorganik dan sejumlah kecil bahan organik yang dilarutkan dalam air. Konstituen utama biasanya kation, kalsium, magnesium, natrium dan kalium dan anion karbonat, bikarbonat, klorida, sulfat dan partikel-partikel yang ada di dalam tanah dan nitrat. Total Dissolved Solids yang mengendap pada permukaan tube dapat mengurangi laju perpindahan panas dari gas panas ke air / uap. Selain itu berat TDS yang mengendap pada permukaan tube dapat menimbulkan defleksi yang mempengaruhi kekuatan konstruksi tabung boiler tersebut.

Penelitian Yang Pernah Dilakukan

Sebelumnya pernah dilakukan penelitian oleh Sandip Sonawane dan Avinash Patil di India. Penilitian ini dilakukan untuk menghitung defleksi tube pada Fire Tube Boiler akibat berat Total Dissolved Solids (TDS) yang mengendap dalam tabung boiler. Penelitian ini dilakukan dengan melakukan experiment pada tube dengan menggunakan 2 media air sebagai Feed Watery aitu Soft Water dan Reverse Osmosis (RO) Water
Fire Tube Boiler yang digunakan pada eksperimen ini berlokasi di M.B. Sugars & Pharmaceuticals Ltd., Malegaon, Dist. Nashik (Maharashtra State), India. Diagram skematik Fire Tube Boiler ditunjukkan dalam gambar dibawah ini

Fire Tube Boiler yang digunakan adalah tipe Horizontal, Multitubular dan Two Pass Package yang menggunakan kayu sebagai bahan bakar. Terdapat 147 tabung pada Fist Pass dan 143 tabung pada Second Pass. Kapasitas penguapan boiler adalah 4500 kg / jam.
Berikut Ini adalah Data Observasi dan Data Analisis Soft Water dan RO Water.

Untuk menghitung defleksi tube di posisi center digunakan persamaan berikut ini :

Adapun data dimensi tube dan material adalah sebagai berikut :

Dan setelah dilakukan analisa, maka didapat hasil sebagai berikut :

Analisis FEM

Analisis Finite Element Methods (Metode Elemen Hingga) pada kasus ini adalah menganalisa defleksi yang terjadi pada tube dengan menggunakan Program Simulation Work dari Software Solid Work 2009. Adapun data yang dibutuhkan adalah sama dengan data pada penelitian yang telah dijelaskan pada bagian atas. Dan tujuan dari Analisis FEM ini adalah membandingkan hasil analisis FEM dengan hasil yang diperoleh dari penelitian yang telah dijalaskan diatas.

Analisa Berat Total Dissolved Solids

Untuk Melakukan analisa defleksi Tube menggunakan Metode Elemen Hingga (FEM), maka dibutuhkan data berat TDS yang diasumsikan sebagai Beban / Load pada tube yang terdistribusi secara merata. Adapaun analisa berat TDS adalah sebagai berikut :

Sedangkan untuk menghitung Volume TDS dan berat TDS Persamaan yang digunakan adalah

Hasil dari observasi pada penelitian yang pernah dilakukan, diperoleh data TDS adalah sebagai berikut :

• D2 = Diameter by considering dissolved solid layer = 76.1+ 4+ 4 = 84.1 mm = 0.0841 m
• Do = Outer diameter of boiler tube = 76.1 mm = 0.0761 m
• L = Length of boiler tube = 1.082 m
• w = weight density of water = 9810 N/m3
• TDS = Total Dissolved Solids in blow down water = 31600 ppm

= 1.02872 (diperoleh dari TDS)
Sehingga didapat

• V = 0.001088899 m3
• wds =10091.74 N/m3

Dari data diatas, maka dapat dihitung Berat TDS dengan menggunakan persamaan yaitu

Sehingga berat TDS adalah

• W = 10.98 N

Pembuatan Model Geometri FEM

Pembuatan Model Geometri FEM dilakukan dengan menggunakan Program Solid Work 2009. Untuk membuat Model Geometri FEM, perlu diketahui dimensi model yang akan dibuat.
Adapun dimensi Tube yang akan dibuat model geometri adalah sebagai berikut :

• Panjang Tube = 1082 mm
• Diameter Luar Tube = 76.1 mm
• Diameter Dalam Tube = 68.78 mm
• Ketebalan Tube = 3.66 mm

Langkah-langkah Pembuatan Model adalah sebagai berikut :
1. Membuka program solid work 2009 lalu buka new part

2. Membuat sketch 2 buah lingkaran dengan posisi Right Plane dan dengan dimensi diameter luar 76.1 mm dan ketebalan 3.66 mm

3. Melakukan proses extrude pada sketch yang telah dibuat dengan panjang 1082 mm

4. Didapat hasil model geometri

Simulasi FEM

Simulasi Metode Elemen Hingga (FEM) menggunakan Program Simulation Work dari Software Solid Work 2009. Sebelum melakukan simulasi untuk menghitung defleksi Tube (Tabung Boiler) pada Fire Tube Boiler, perlu dilakukan asumsi-asumsi untuk memudahkan simulasi.
Adapun asumsi-asumsi tersebut adalah :

• Menggunakan Type Study Static
• Load yang dibeikan merupakan berat TDS yang terdistribusi secara merata
• Material yang digunakan Steel AISI 1020
• Tumpuan yang digunakan disumsikan menggunakan tumpuan Jepitl- Jepit

Langkah-langkah Proses Simulasi adalah sebagai berikut :
Pre Processing
1. Membuka program Simulation, Jenis Simulasi "Static" dan membuat study baru dengan nama "Defleksi Fire Tube Boiler"

2. Memberikan input material Steel type AISI 1020
3 . Memberikan tumpuan Jepit (Fixed Geometry) pada kedua nodal

4. Memberikan Beban/ Load terdistribusi merata sepanjang elemen kearah Y(-) sebesar 10.98 N

5. Proses terakhir dari Pre Processig adalah melakukan proses meshing pada tube

Processing
Setalah Proses Pre Processing selesai, selanjutnnya dilakukan Processing

Post Processing
Setelah Processing selesai, maka didapat hasil simulasi sebagai berikut :
1. Distribusi Stress

2. Distribusi Displacement

3. Distribusi Strain