1

Analisis Finite Elemen Method Untuk Menghitung

Defleksi Tube Pada Fire Tube Boiler

Oleh : Romiyadi

ABSTRAK

Fire Tube Boiler telah digunakan di seluruh dunia selama lebih dari satu abad dan telah

menjadi salah satu pendukung utama proses aplikasi pemanas uap dan power plant. Fire Tube

Boiler merupakan salah satu jenis boiler dimana gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan

(feed water) ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Total Dissolved Solids (TDS) yang

mengendap pada permukaan tabung Fire Tube Boiler dapat mengurangi laju perpindahan panas

dari gas panas ke air / uap. Selain itu berat TDS pada permukaan tabung boiler dapat

menimbulkan defleksi yang mempengaruhi kekuatan konstruksi tabung boiler tersebut. Apliksasi

Finite Element Method (FEM) dapat digunakan untuk menghitung dan menganalisa defleksi dan

tegangan (Stress) pada tabung (tube) Fire Tube Boiler akibat berat endapan dari Total Dissolved

Solids yang mengendap pada tabung Fire Tube Boiler

Keyword : Fire Tube Boiler, Total Dissolved Solid, Defleksi, Finite Element Method

LATAR BELAKANG

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk

uap panas atau steam yang digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan Turbin. Boiler dalam

bidang industri banyak dijumpai pemanfaatannya. Pembangkit listrik tenaga uap merupakan

rangkaian beberapa instalasi yang tergabung menjadi satu, salah satunya yaitu instalasi boiler.

Fire Tube Boiler merupakan salah satu jenis boiler dimana gas panas melewati pipa-pipa dan

air umpan (feed water) ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire Tube Boiler telah

digunakan di seluruh dunia selama lebih dari satu abad dan telah menjadi salah satu pendukung

utama proses aplikasi pemanas uap dan power plant.

Total Dissolved Solids (TDS) merupakan larutan padat yang terdiri dari garam anorganik

dan sejumlah kecil bahan organik yang terlarut dalam air. Total Dissolved Solids yang

mengendap pada permukaan tabung boiler dapat mengurangi laju perpindahan panas dari gas

panas ke air / uap. Selain itu berat TDS pada permukaan tabung boiler (tube) dapat menimbulkan

defleksi yang mempengaruhi kekuatan konstruksi tabung boiler tersebut.

Perhitungan defleksi yang terjadi pada tabung boiler akibat berat Total Dissolved Soilds

(TDS) yang mengendap pada permukaan tabung dapat dihitung secara manual maupun dengan

aplikasi komputasi. Finite Element Method adalah salah satu metode dalam aplikasi penggunaan

komputasi teknik. Penggunaan Finite Element Method akan sangat membantu para engineer

dalam menganalisa defleksi serta stress analysis pada tabung Fire Tube Boiler akibat berat

endapan Total Dissolved Solids dan tetap memperhatikan perhitungan secara manual untuk

verifikasi dan validasi.

2

KAJIAN LITERATUR

1. Fire Tube Boiler

Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam

shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas

steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman,

fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan

sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan baker minyak bakar, gas atau

bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers

dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar

Gambar. 1 Diagram Sederhana Fire Tube Boiler

2. Total Dissolved Solids (TDS)

Total Dissolved Solids (TDS) merupakan larutan padat yang terdiri dari garam anorganik

dan sejumlah kecil bahan organik yang terlarut dalam air. Konstituen utama biasanya kation

kalsium, magnesium, natrium dan kalium dan anion karbonat, bikarbonat, klorida, sulfat dan,

partikel-partikel di dalam tanah serta nitrat. Total Dissolved Solids (TDS) dalam pasokan air

berasal dari sumber-sumber alam, limbah -limbah perkotaan dan pertanian dan air limbah

industri. Konsentrasi TDS di dalam air bervariasi karena kelarutan mineral yang berbeda

daerah. Konsentrasi TDS di dalam air mengalami kontak dengan granit, pasir silikous , atau

bahan lain yang relatif tidak larut dan biasanya di bawah 30 mg / L.

Metode yang paling sering digunakan untuk analisis dari TDS dalam pasokan air adalah

pengukuran spesifik konduktivitas dengan konduktivitas probe yang mendeteksi kehadiran

ion dalam air. Pengukuran konduktivitas dikonversi ke nilai-nilai TDS oleh faktor yang

bervariasi dengan jenis air. Batas praktis untuk TDS dalam air dengan metode ini adalah 10

mg / L. Tinggi Konsentrasi TDS juga dapat diukur, walaupun metode ini termasuk volatile

organik. The konstituen dari TDS juga dapat diukur secara individual.

3

3. Finite Element Method

Finite element method (metode elemen hingga) atau FEM adalah salah satu metode

numerik yang paling banyak di dunia engineering (sipil, mesin, penerbangan,

mikroelektronik, bioengineering, material) dan diajarkan di dunia (baik akademia maupun

industri). Usianya lebih dari 40 tahun, dan hingga kini masih tetap dipakai, bahkan makin

established. Metode ini berusaha memecahkan partial differential equations dan persamaan

integrasi lainnya yang dihasilkan dari hasil diskritisasi benda kontinum. Meski berupa

pendekatan, metode ini dikenal cukup ampuh memecahkan struktur-struktur yang kompleks

dalam analisis mekanika benda padat (solid mechanics) dan perpindahan panas (heat

transfer).

Saat ini, banyak sekali software FEM berkeliaran dengan berbagai mutu dan kemudahan.

Software ini biasanya sangat ramah-sama-pengguna (user-friendly) tapi tidak dompet-

friendly (mahal sekaliiii). Contoh dari software ini adalah MSC.NASTRAN, ABAQUS,

ANSYS, LSDYNA, dan lainnya. Pengguna software FEM kemudian terbiasa melihat GUI

(graphic user interface) di mana suatu benda didiskritisasi menjadi sekian puluh bahkan ribu

elemen. Istilah baru kemudian muncul yaitu Finite Element Modeling, karena pengguna

hanya memodelkan fisik suatu benda dengan elemen-elemen kecil, mendefinisikan sifat-sifat

material, memberikan kondisi batas dan pembebanan, menjalankan software. Ini yg

dinamakan pre-processing. Fase post-processing biasanya lebih sulit karena pengguna

diharapkan bisa menginterpretasi hasil, menganalisis angka dan fisik yang dihasilkan dan

melakukan trouble-shooting jika hasilnya kurang memuaskan.

PERMODELAN

Pembuatan Model Geometri FEM dilakukan dengan menggunakan Program Solid Work

2009. Bentuk model geometri FEM ini diasumsikan elemen solid. Untuk membuat Model

Geometri FEM, perlu diketahui dimensi model yang akan dibuat. Adapun dimensi Tube yang

akan dibuat model geometri adalah sebagai berikut :

Panjang Tube = 1082 mm

Diameter Luar Tube = 76.1 mm

Diameter Dalam Tube = 68.78 mm

Ketebalan Tube = 3.66 mm

PROSEDUR SIMULASI A. Analisa Statik

Pembebanan Statik pada kasus ini adalah pembebanan yang disebabkan oleh Berat Total

Dissolved Solids (TDS) yang mengendap pada permukaan tabung boiler. Pembebanan oleh

berat TDS ini diasumsikan terdistribusi merata pada permukaan tabung boiler.

Simulasi akibat pembebanan static pada tabung menggunakan Program Solid Simulation

dari Software Solid Work 2009. Sebelum dilakukan simulasi menggunakan program Solid

Simulation Work 2009, perlu ditentukan asumsi-asumsi yang diperlukan dalam simulasi

yaitu :

4

1. Material Tube

Material Tube yang digunakan dalam simulasi adalah Steell AISI 1020. Adapun

properties material steel AISI 1020 adalah sebagai berikut :

Material : AISI 1020

Elastic modulus (E) : 2e+011 N/m2

Poisson's ratio : 0.29

Shear modulus : 7.7e+010 N/m2

Mass density : 7900 kg/m3

Tensile strength : 4.2051e+008 N/m2

Yield strength : 3.5157e+008 N/m2

2. Tumpuan yang digunakan

Tumpuan yang digunakan disumsikan tumpuan jepit (fixed geometry)

3. Berat TDS

Berat TDS yang mengendap pada permukaan tabung boiler / tube, disumsikan

sebagai beban / load panda tube yang terdisttribusi merata. Setelah dihitung, didapat Berat

TDS 10,98 N

4. Prosedur Simulasi

Prosedur Simulasi dapat dilihat dari diagram alir dibawah ini :

Mulai

Pilih Model

Simulasi

Input

Material,

Fixture,

Load

Meshing

Processing

Hasil

Selesai

Tidak

Ya

Tidak

Ya

5

B. Analisa Dinamik

1. Asumsi

Asumsi yang digunakan dalam simulasi analisa dinamik ini adalah :

Mengunakan type study Time Hystory Analysis

Asumsi waktu 20 detik

Damping 0,05

Beban dynamic adalah Gaya Drag dari aliran fluida

FD = ½. CD. . A. v2 Sin (2ft)

2. Prosedur Simulasi

Mulai

Pilih Tab

Frequency

Setting Time

History

Study

Hasil

Selesai

Buat Time

History Study

dari Ferquency

Study

Input

Load,Time

Variation

Setting Damping

Properties dan

Result Option

Meshing dan

Running Process

Ya

Tidak

6

HASIL DAN PEMBAHASAN

1. Mesh Dipandang Sebagai Study

Mesh dependenvy merupakan modifikasi penggunaan mesh baik kualitas mesh maupun

type mesh yang menghasilkan kegagalan (error). Untuk kasus tabung boiler Fire Tube Boiler

ini, dilakukan modifikasi penggunaan mesh pada analisa statis. Setelah dilakukan simulasi

dengan memodifikasi type mesh, maka kegagalan (error) terjadi dengan penggunaan mesh

type curvature based mesh.

Sedangkan, modifikasi terhadap kualitas mesh yaitu draft dan high dengan

parameter/type mesh standar, maka didapat hasil simulasi yang berbeda. Adapun perbedaan

hasil dapat dilihat sebagai berikut :

1. Penggunaan mesh dengan high quality mesh

Displacement maksimum = 3,719e-7 m

Stress maksimum = 64231,6 N/m2

2. Penggunaan mesh dengan draft quality mesh

Displacement maksimum = 3,466e-7 m

Stress maksimum = 50123,8 N/m2

2. Verifikasi Analisa Statis

Untuk melakukan verifikasi terhadap hasil simulasi yaitu untuk menghitung defleksi

yang terjadi pada tabung boiler, maka persamaan yang digunakan asumsikan bahwa batang

yang dijepit pada kedua ujungnya dan mendapat pembebanan merata.

Adapun persamaan yang digunakan untuk menghitung defleksi maksimal yang terjadi

pada tabung boiler adalah sebagai berikut :

Dibawah ini adalah hasil verifikasi defleksi yang terjadi pada tabung boiler

Defleksi maksimal yang terjadi :

7

max = 3,579.10

-7 m

3. Distribusi Displacement dan Stress Analisa Statis

Hasil simulasi analisa statis dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Dari hasil simulasi seperti terlihat pada gambar diatas, dapat dilihat bahwa,

displacement atau defleksi yang terjadi pada tabung boiler akibat berat TDS yang

mengendap pada permukaan tabung boiler terjadi pada posisi tengah. Defleksi yang

terjadi sebesar 0,0000003719 m atau 0,003719 mm. Nilai ini sangat kecil sekali dan tidak

akan terlalu berpengaruh terhadap konstruksi tabung.

Sedangkan Distribusi Stress dapat dilihat pada gambar dibawah ini

8

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa tegangan terbesar terjadi pada bagian ujung

pipa sebesar 64291,6 N/m2. Terjadinya stress terbesar pada bagian ujung pipa karena

pada bagian tersebut merupakan bagian yang mendapat beban terbesar karena selain

mendapat beban TDS, juga menahan tekanan akibat dibagian tersebut terjepit sehingga

distribusi terbesar terjadi pada bagian tersebut.

4. Perbandingan Hasil Simulasi Analisa Statis dengan Teori

Setelah dilakukan srimulasi maka didapat nilai defleksi terbesar 0,0000003719 m.

Sedangkan dari hasil verifikasi didapat hasil defleksi 0,0000003579 m. Dari hasil tesebut

terlihat jelas bahwa perbedaan hasil simulasi dengan teori tidak terlalu kecil. Dan dapat

disimpulkan bahwa penggunaan simulasi tidak terlalu berbeda dengan teori dan penggunaan

simulasi sangat membantu para engineer dalam mendesain dan menganalisa struktur dan

kosntruksi suatu instalasi mesin industri dan lain-lain.

5. Distribusi Displacement dan Stress Analisa Dinamis.

Dari hasil analisa dinamik dapat dilihat distribusi displacement dan stress seperti

gambar dibawah ini

9

Distribusi Displacement

Distribusi Stress

Dari gambar hasil simulasi diatas bahwa displacement terbesar terjadi pada posisi

tengah tabung dengan nilai 0,0000008161 m dan 1,00E-33 displacement terkecil terjadi

panda kedua ujung tabung dengan nilai 728,7 N/m2.

Sedangkan untuk distribusi stress

10

terlihat bahwa stress terbesar terjadi pada kedua ujung tabung dengan nilai 121397,7

N/m2

6. Perbandingan Hasil Simulasi Analisa Statis dan Dinamis

Dibawah ini adalah hasil simulasi analisa statis dan dinamis pada tabung boiler :

Dari tabel diatas dapat terlihat jelas perbedaan antara analisa statis dan dinamis. Pada

analisa dinamis terlihat jelas bahwa nilai displacement dan stress lebih besar dari pada

analisa dinamis. Hal ini terjadi karena adanya pengaruh getaran akibat aliran fluida yaitu

Vortex Induced Vibration atau getaran akibat pelepasan vortex. VIV ini sangat besar

pengaruhnya terhadap umur lelah (fatigue life) struktur tabung boiler.

KESIMPULAN

Dari hasil analisa simulasi baik analisa statis dan dinamis dapat disimpulkan bahwa :

1. Penggunaan mesh type curvature based mesh menghasilkan kegagalan (failed) dalam proses

meshing.

2. Nilai defleksi (displacement) hasil simulasi dan dan verifikasi adalah sebagi berikut :

Hasil simulasi = 0,0000003719 m

Hasil verifikasi = 0,0000003579 m

3. Nilai displacement dan stress hasil simulasi analisa statis dan dinamis adalah sebagai berikut

a. Analisa Statis

Displacement terbesar = 0,0000003719 m

Displacement terkecil = 1,00E-33 m

Stress terbesar = 64231,6 N/m2

Stress = 18,9 N/m2

b. Analisa Dinamis

Displacement terbesar = 0,0000008161 m

Displacement terkecil = 1,00E-33 m

Stress terbesar = 121397,7 N/m2

Stress terkecil = 728,7 N/m2

11

DAFTAR PUSTAKA

1. Sonawane,S., Patil. A., “ Analysis Of Fire Tube Boiler Influenced By Dissolvedsolids In

Feed Water”, Journal Of Applied Science In The Thermodynamics And Fluid Mechanics

vol. 2, No. 2/2008, ISSN 1802-9388

2. Smith, I. M., Griffiths, D. V., 2004, “Programming the Finite Element Method, 4th ed.,

John Wiley & Sons, Ltd

3. Hutton, D. V., 2004, “Fundamental of Finite Elemen Analysis”, 4th ed., McGraw-Hill

4. Kelly, S.G., 2000, Fundamental of Mecahanical Vibrations”, 2nd

ed., McGraw-Hill,

Singapore

5. Anonim., “Boiler & Pemanas Fluida Termis”

6. Anonim., “Unit Penyediaan Steam (Boiler dan Sistem Kukus) PT. Krakatau Daya Listrik”,

Universitas Ageng Tirtayasa, Banten.

7. Anonim., 1994, “Load & Resistance Factor Design”

8. Anonim.,“Unit Penyediaan Steam (Boiler dan Sistem Kukus) PT. Krakatau Daya Listrik”,

Universitas Ageng Tirtayasa, Banten. 9. Anonim,. “Total Dissolved Solids in Water”

10. Anonim., “Solid Work Simulation Online”

11. Anonim., “Solid Work Simulation Help Topics