OCEAN RENEWABLE RESOURCES (OTEC) - … · evaporator,turbin uap expansi dan generator ... hidrogen...

OTEC Ocean Sustainable Energy

Hal | 1

OCEAN RENEWABLE RESOURCES

(OTEC)

2.1 Penjelasan OTEC

OTEC merupakan sumber energi terbaharukan yang menggunakan bahan bakar (fuel) air laut

(warm water dan cold water).Air laut tersebut merupakan media thermal heat sinar matahari

yang digunakan untuk memutar turbin sehingga dapat menghasilkan listrik dan air tawar. Sistem

kerja OTEC ini pada umumnya terbagi atas 2 yaitu open siklus dan closed siklus. Pada open

siklus, air dengan temperatur berkisar 25-30 o C, dipompa dengan menggunakan pipa, masuk ke

dalam vacuum ruang untuk di-evaporate menjadi uap.Akibat perbedaan tekanan antara tekanan

uap air dan tekanan dalam turbin maka uap air tadinya yang telah masuk kedalam turbin dapat

memutar rotor turbin sehingga menghasilkan listrik. Selanjutnya uap air dialirkan kembali lagi ke

kondensator, untuk dikondensasikan kembali oleh air dingin yang dipompa dari kedalaman 1000

m untuk dijadikan sebagai air tawar (desalinated water).

Suhu air laut pada permukaan tidaklah sama dengan suhu air laut pada bagian dalam. Semakin

dalam air, semakin dingin suhunya. Di permukaan laut yang terhangati oleh sinar matahari, suhu

sekitar 24 C,sedangkan setelah kedalaman 1000 meter yang gelap gulita suhu sekitar 5 o C hingga

sangat dingin. Perubahan yang drastis terjadi pada kedalaman 100 m hingga 500 m, dimana

suhu air berubah dari sekitar 20 o C menjadi sekitar 4-5 o C, penurunan yang drastis ini dikenal

sebagai thermocline. Untuk keperluan OTEC yang ideal diperlukan perbedaan suhu 22-24 o C

antara permukaan laut dan laut bagian dalam.

Sistem kerja OTEC mirip dengan sistem kerja siklus hidrologi di bumi yaitu ketika pada saat

siang,matahari mengangkat molekul-molekul air terevaporasi ke awan lalu angin meniupkan ke

arah daratan,dan saat terjadi kondensasi di awan,maka butiran-butiran air yang tadinya berupa

uap kembali menjadi cair lalu turun ke darat.Sistem kerja inilah yang ditiru oleh OTEC yaitu

2

Created with Print2PDF. To remove this line, buy a license at: http://www.software602.com/


Hal | 2

memompa air laut permukaan yang bertemperatur tinggi (hangat) dan mengevaporasikannya

kedalam turbin untuk menghasilkan listrik lalu mengkondensasikannya kembali dengan air laut

dingin yang diambil pada kedalaman laut kemudian siklus berulang.

Gambar 2.2

Peta global yang menunjukkan kawasan-kawasan yang memiliki perbedaan temperatur yang

tinggi antara permukaan laut dan kedalaman lebih dari 1000 meter.Kawasan perairan Indonesia

berada pada kawasan yang mempunyai potensi yang besar untuk dikembangkan pusat-pusat

pembangkit listrik tenaga konversi heat laut (OTEC).

Konsep ocean thermal energy conversion (OTEC) adalah menggunakan perbedaan alamiah yang

ada diantara permukaan air tropis yang hangat dengan di kedalaman.Karena temperatur laut

hanya berubah sedikit antar siang dan malam hari – di tropik terhadap perubahan musim- suatu

pembangkit listrik OTEC dapat membangkitkan listrik secara kontinu tidak seperti kebanyakan

sumber energi terbarukan lainnya.



Hal | 3

2.2 OTEC POWER SYSTEM

Sistem power OTEC dapat dibagi kedalam dua kategori, closed siklus dan open siklus.Pada

operasi closed siklus, working fluid di pompa ke dalam evaporator setelah mengalami

kondensasi.

Pada sistem open siklus,working fluid di keluarkan setelah digunakan.Pada kasus ini,working

fluid adalah uap air.Air laut hangat dipompa kedalam ruang dimana tekanan dikurangi oleh

pompa vakum menjadi suatu nilai yang cukup rendah untuk menyebabkan air mendidih.Uap

bertekanan rendah,setelah melewati turbin,dikondensasi oleh air dingin pada sebuah ruang dan

dibuang kembali ke laut.Sebaliknya dari kondisi kondensasi oleh kontak langsung dengan air

dingin,uap dapat diarahkan ke heat exchanger didinginkan oleh air laut dingin.Pada kasus ini,uap

yang terkondensasi menjadi sebuah sumber air tawar.



Hal | 4

Gambar 2.3 OTEC Open Siklus Picture

Open siklus merupakan pelopor dari variasi siklus OTEC .Open siklus berhubungan pada

penggunaan air laut sebagai working fluid.Sebuah skema diatas,dimana terdiri atas sebuah flash

evaporator,turbin uap expansi dan generator,kondenser steam,alat-alat pemindah non

kondensable,dan deaerator.Siklus tersebut merupakan dasar dari siklus Rankine yang

mengkonversi thermal energi dari air hangat permukaan menjadi energy listrik.Dalam

siklusnya,air laut yang hangat di deaerasi dan dilewatkan kedalam ruang evaporasi,dimana

bagian dari air laut di konversi ke dalam uap bertekanan rendah.Uapnya kemudian dilewatkan

melalui turbin, dimana mengekstraksi energi darinya,lalu kemudian keluar kedalam

kondenser.Sebaliknya,air yang mengalami kondensasi dapat digunakan sebagai desalinisasi air

karena tidak dikembalikan kedalam evaporator.

Gambar 2.4 OTEC Closed Siklus Picture

Rankine siklus tertutup merupakan proses dimana heat digunakan untuk mengevaporasikan

fluida pada tekanan yang tetap di dalam sebuah tangki pemanas atau evaporator, dari yang



Hal | 5

mana uap masuk ke piston mesin atau turbin dan berekspansi melakukan kerja.Uap keluar

kemudian masuk ke dalam suatu wadah dimana heat ditransfer dari uap ke cairan pendingin,

menyebabkan uap terkondensasi menjadi cair lalu cairan tersebut dipompa kembali ke dalam

evaporator untuk melengkapi siklus.

GAMBAR 2.5 SIKLUS RANKINE YANG DITERAPKAN PADA OTEC

Siklus Rankine diatas menunjukkan perbedaan tekanan dan suhu dari waktu ke waktu pada saat

berlangsungnya sistem OTEC, dimana working fluid yang mengalir ke evaporator akan di

evaporasikan terlebih dahulu hingga suhu dan tekanan tertentu sehingga dapat menggerakkan

turbin lalu dialirkan kembali ke kondensator untuk dijadikan cair kembali dengan suhu dan

tekanan yang telah diatur.

2.3 HASIL PRODUK OTEC

Berikut penjelasan hasil by-product OTEC:

a. Desalinated water (air tawar)



Hal | 6

Oleh sebab evaporasi yang terjadi pada proses closed siklus pada OTEC maka air laut yang

terevaporasi melalui turbin, terkondensasi kembali menjadi air tawar.Jumlah debit air tawar

yang dihasilkan dapat berlimpah karena air yang dipompa sebagian besar jumlah air dari

permukaan untuk dijadikan air tawar.

Hasil produksi sampingan dari air tawar adalah salah satu keuntungan utama dari proses

OTEC.Sampai pada 0.7 ton hingga 0.8 juta gallon per hari air tawar dapat dihasilkan per MW

kapasitas gross electric tyang terpasang.

Hasil by-product dari OTEC ini sangat berguna khususnya untuk daerah-daerah kepulauan yang

memiliki akses terbatas untuk sumber air bersih baik untuk kebutuhan minum, masak, mandi

dan kebutuhan sehari-hari.

b. Sistem pendingin oleh OTEC

Hasil yang paling jelas untuk penghematan energi teraplikasi pada sistem OTEC desain adalah

air-conditioning gedung atau penyejuk udara.Hampir semua Negara kepulauan memiliki

kesamaan kebutuhan akan penyejuk udara.Sistem Penyejuk udara konvensional adalah energy

intensif dan memakai 35% hingga 45% dari total pemakaian energy di tipikal gedung

perkantoran dan hotel di komunitas tropis.

Jumlah air dingin yang dibutuhkan untuk men-generate 1MW energy listrik dari plant OTEC

dapat menyediakan 10 MW ekivalen untuk penyejuk udara dan akan mengurangi 40% beban

kebutuhan untuk penyejuk udara.

Air dingin yang dipompa oleh sistem OTEC dapat dialirkan ke gedung-gedung sebagai bahan

pendingin udara sehingga menjadikannya cost-effective dan dapat menghemat pemakaian listrik

yang digunakan untuk menyalakan AC pada gedung-gedung. Seawater Air Conditioning ini juga

ramah lingkungan karena tidak memakai CFC sebagai bahan pendingin udara tetapi hanya

memakai air laut yang dingin.

c. OTEC Sea-farming

Air dari laut dalam memiliki karakter yang baik untuk pengembangan budidaya perikanan sebab

air laut pada kedalaman 1000m bebas dari pathogen yang menyebabkan penyakit pada ikan dan

kaya akan nutrisi seperti dissolved nitrogen, phosphorus, carbon dan phytoplankton sehingga

ideal untuk aquaculture dan mariculture.Air laut dalam memiliki suhu yang dingin sehingga



Hal | 7

bakteri tidak mampu untuk hidup pada keadaan air tersebut sedangkan ikan, udang dll masih

dapat bertahan hidup.

Ikan yang pada umumnya tertarik pada struktur offshore, diharapkan untuk meningkatkan

konsentrasi ambient yang berada dekat dengan plant OTEC.Hasil tahunan penangkapan ikan

mencapai angka 70 juta ton,dengan hasil tangkapan utama pada daerah continental

shelves.kenyataannya (90% dari total luas permukaan laut) hanya menghasilkan 0.7 % ikan oleh

sebab kebanyakan nutrient pada permukaan air diekstrak oleh tanaman dan dialirkan kebawah

ke dasar laut dari sisa tanaman dan hewan laut.Air pada coastal zone disupply secara terus-

menerus dengan nutrient pada runoff yang bersebelahan dengan daratan dan dari sini

mensupport sebuah level tinggi dari aktivitas tanaman dan memproduksi 54% dari ikan.Alasan

untuk perbedaan yang spektakular ini menunjukkan konsentrasi nitrat dan fosfor pada

kedalaman laut lebih banyak 5 kali.

OTEC aquaculture tidak hanya menguntungkan dari segi sumber makanan yang berkelanjutan

untuk komunitas daerah kepulauan tropis dan industri pariwisata, tetapi juga memiliki potensi

untuk menciptakan ketersediaan, yang secara komersial attraktif, pada skala industry yang

dapat diekspor dan membuka lapangan pekerjaan baru untuk buruh ahli maupun tak terlatih

dari warga setempat.



Hal | 8

Gambar sistem water tank OTEC sea farming

d.Agriculture

Pada daerah kepulauan tropis, kondisi tanah pada umumnya kering akibat kurangnya pasokan

air bersih menyulitkan masyarakat untuk membangun agriculture di wilayah pesisir. Dengan

adanya OTEC yang memompa sejumlah air dingin dari dasar laut dan menyirami tanaman, maka

dapat tercipta suatu agriculture yang baik oleh kesuburan tanah yang meningkat.

e. Hidrogen



Hal | 9

Salah satu hasil produk utama dari pada OTEC adalah hidrogen. Hidrogen adalah bahan bakar

sempurna yang terbakar dengan efisiensi tinggi dan menghasilkan air sebagai hasil pembakaran.

Hidrogen dihasilkan melalui proses elektrifikasi yaitu melalui penambahan KOH pada air laut

yang mengandung NaCl. Hidrogen merupakan energi masa depan sebagai pengganti minyak

bumi dan gas karena memiliki sifat fisik yang sama dengan bahan bakar minyak dan gas yaitu

mudah untuk dibawa dan disimpan.Hidrogen dalam bentuk fuell cell sangat cocok sebagai

energi pengganti dari minyak dan gas sehingga dapat digunakan pada kendaraan-kendaraan

bermotor. Kendaraan bermotor saat ini meningkat dengan pesat seiring dengan mobilitas

jumlah penduduk yang semakin bertambah pula sedangkan kapasitas energi minyak dan gas

terbatas, sehingga diperlukan pengganti yang berperan sama dengan minyak dan gas bumi yaitu

sebagai bahan bakar.

Reservoar hidrogen yang besar di kepulauan tropis tersedia melalui proses dari OTEC yang

membutuhkan bentuk yang dapat dipindahkan untuk memudahkan akses terhadap kebutuhan

energi.Energi yang transportable attraktif saat ini adalah hidrogen, khususnya hidrogen cair LH2,

yang mana sumber energi terbarukan lainnya tidak memilikinya.

Logam aktif seperti magnesium bereaksi dengan uap menghasilkan hidrogen.pengurangan dari

air oleh magnesium atau alumunium merupakan proses yang menguntungkan, akan tetapi,

formasi dari hidroksida melindungipermukaan logam dari reaksi selanjutnya untuk menghasilkan

2H .

oG =-352kj/mole

2 2 23 ( ) 3 / 2Al H O Al OH H oG =-426 kj/mole

Penambahan ion Cl pada air dapat meningkatkan reaksi dari Mg dengan air pada temperatur

ambient.Air laut mengandung sekitar 28 g/l dari NaCl.Ion Cl pada air laut dapat berperan

sebagai ion efektif yang dapat mengaktivasi Mg atau logam lain untuk bereaksi dengan air.

2 2 22 ( )Mg H O Mg OH H



Hal | 10

Gambar 2.6 siklus pembuatan hidrogen hingga penggunaannya.

Mobil fuel cell adalah mobil listrik yang menghasilkan listriknya sendiri.Listrik untuk

menggerakkan motor listrik diperoleh dari freaksi kimia antara hidrogen yang disimpan dalam

tangki penampungan dan oksigen yang diambil dari udara,yang berlangsung dalam perangkat

fuel cell.Dalam perangkat fuell cell terdapat dua lempeng elektroda.Hidrogen dilewatkan pada

salah satu lempeng elektroda,dan oksigen dilewatkan pada satu lempeng elektroda lainnya dan

menghasilkan aliran listrik.Listrik ini kemudian dialirkan ke motor listrik yang berfungsi

menggerakkan listrik.

Sekitar 5 kilogram hidrogen disimpan dalam tangki penampungan yang bertekanan 5.000

psi,atau sekitar 340 atm,dapat digunakan untuk menempuh perjalanan sejauh 563 km,setara

dengan jarak tempuh mobil berbahan bakar bensin dalam keadaan tangki penuh.

2.4 DASAR-DASAR TEORI OTEC

2.4.1 MAJOR SUBSISTEM DARI SISTEM OTEC

Subsistem utama dari sistem OTEC

1. Mesin heat atau power plant, termasuk heat exchanger, turbin, electric generator, pompa air

dan working fluid.

-turbin dan generator menyatu dalam satu unit,

-heat exchanger untuk evaporator dan kondenser

2.Sebuah sistem saluran, termasuk sebuah cold water pipe melalui dimana air dipompa dari

sebuah kedalaman 900 hingga 1000m dan pintu air hangat dan exhaust flow pipe.

-Cold water pipe (CWP), sebuah pipa yang berdiameter besar.



Hal | 11

-Pompa dan drive pompa

Tiga pompa utama yang dibutuhkan dalam stasiun power OTEC untuk memindahkan massa

yang besar dari cairan

-Warm water pump bekerja menghisap air dari saluran pipa, masuk melewati tabung evaporator

dan keluar melalui mulut pipa keluaran.

-Cold water pump bekerja memompa air dari kedalaman laut, masuk melalui kondenser dan

keluar melalui mulut pipa keluaran.

-Working fluid pump, merupakan pompa yang bekerja mendistribusikan working fluid sepanjang

proses berlangsung.

2.4.2 Faktor desain Heat exchanger

Heat exchanger untuk pada siklus tertutup berperan untuk memindahkan panas antara working

fluid dengan air hangat dan dingin dari permukaan maupun kedalaman laut melalui permukaan

yang terpisah.

Laju dari heat transfer dari satu fluida melalui dinding yang tersekat ke fluida yang lain diatur

oleh persamaan umum berikut.

1 2( )Q UA T T

Dimana Q =laju transfer panas; U= koefisien transfer panas,A=luas permukaan,T1= temperatur

dari fluida ke satu,T2=temperatur dari fluida ke dua



Hal | 12

Gambar 2.7 heat exchanger

2.4.2.1 Kondenser

Untuk aliran heat dari amonia ke cold water di dalam kondenser.

( )c c c ac cwQ U A T T

Dimana Qc=laju transfer heat untuk kondenser;Uc=koefisien transfer heat untuk

kondenser,Ac=luas area kondenser;Tcc=temperatur amonia di kondenser;T=temperatur air

dingin.

2.4.2.2 Evaporator

Untuk laju transfer heat dari warm water hingga amonia didalam evaporator,

( )e e e ww aeQ U A T T



Hal | 13

Dimana Q=laju transfer panas evaporator; Ue=koefisien transfer heat untuk evaporator, Ae=luas

area transfer panas dari evaporator; Tww=temperatur air hangat; T=temperatur ammonia di

dalam evaporator

( ) ( ) ( / )( )w w sb sb sb mo mo miQ h T T h T T k x T T

( ) ( ) ( )sa mi sa a sa a w ah T T h T T U T T

wT = bulk temperature air

sbT =Surface temperature

moT =temperature of outside HX metal surface

miT =temperature of inside HX

saT =surface temperature of scale of ammonia side

aT =bulk temperature of ammonia

, , ,w sb sa ah h h h =koefisien corresponding heat transfer

K=thermal conductivity of HX

X=thickness of HX wall

2.4.3 Subsistem saluran air

2.4.3.1 OTEC cold water pipe

Persyaratan umum

Sesuatu yang tidak dapat dipisahkan pada konsep OTEC adalah penggunaan air dingin yang

diambil dari kedalaman 1000m untuk mendinginkan dan menglikuifikasi uap yang muncul dari

turbin.Pipa dan tambahan pada platform wajib didesain untuk menahan beban statis dan

dinamis yang dibebankan oleh berat pipa,gerakan relatif dari pipa dan platform ketika

gelombang dan beban arus dihitung hingga badai 100 tahun-an dan beban yang dapat

merubuhkan disebabkan oleh pengisapan pompa air.CWP harus cukup besar untuk mengatasi

aliran air yang dibutuhkan dengan loss drag yang rendah;tapi juga harus terbuat dari material

yang memiliki ketahanan di dalam air laut dan tidak mudah untuk terkorosi.



Hal | 14

Panjang dari CWP ditentukan oleh kebutuhan untuk menarik air dari kedalaman dimana

temperatur mendekati 4.4 o C.Laju aliran air ditentukan oleh output power dan efisiensi OTEC

power plant dalam mengkonversi energi heat menjadi mekanis lalu berubah menjadi energi

listrik.

Gambar pipa

(Lingkaran merah menunjukkan lokasi terjadinya span)

Perhitungan Diameter cold water pipa tergantung pada power yang dibutuhkan untuk

memompa cold water ke sistem kondenser OTEC diberikan oleh produk dari aliran massa air dan

total head hidrolik.

Dapat dilihat bahwa:

Flow rate 2 ( / 4)w A D

Flow drag force per unit flow = hydraulic head

2( / 2 )( / )dh f g L D

Dimana f adalah koefisien friksi

f = 0.0094 (smooth concrete pipe)



Hal | 15

Power pompa untuk mengatasi drag flow =Pd

=flow rate x hydraulic head

3( / 8 )f g L D

Karena

/d dh P w

2

2

4 /( )

4 / )d

w D

h f w D

224 / ) (1/ 2 )( / )dh f w D g L D

2

5 2 2

8d

fw LhD g

Keterangan

dh =Hidraulik head untuk melawan drag pipa

dP =Power to melawan CWP drag

W =Flow Rate

=Massa jenis air laut

= Kecepatan aliran

f = Koefisien drag

L=Panjang pipa

A=Luas penampang pipa

D=Diameter pipa

OTEC WATER PUMP

Tipe pompa yang digunakan pada proses pemompaan air sistem OTEC :

1.Displacement pumps

-Reciprocating



Hal | 16

Pumping capacity 2. . .

924d l nQ c N

Dimana :

c=loss of efficiency due to slippage (0.95-0.97)

d=diameter silinder (inch)

l=panjang stroke (inch)

n=jumlah stroke/menit (x2 for double acting)

N=jumlah silinder pada single pump (N=2 for duplex)

Pumping power . .

33,000 33.000.W w Q hP

e

Dimana :

W = Energi untuk memindahkan air (ft-lbs/menit)

w = berat 1 galon cairan (lbs)

Q =kapasitas pompa (gpm)

h =total head (including loss) (ft)

e =Efisiensi pompa

WHP = Power yang dibutuhkan untuk memompa sejumlah volume air pada sebuah total

dynamic head (TDH)

( ) ( )3960

TDH ft xQ gpmWHP atau ( ) ( / min)4569

TDH m xQ lWHP

BHP=Jumlah power yang harus diberikan pada pompa

( ) ( )3960

TDH ft xQ gpmBHPxe

dimana WHPeBHP

e= efisiensi (rasio)



Hal | 17

-Diaphragma

Pumping capacity:

Two-inch single : 2.000 gpm

Three-inch single : 3.000 gpm

Four-inch single : 6.000 gpm

Four-inch double :9.000 gpm

2.Centrifugal pumps

A pump that convert kinetic energy to potential energy (height)

-Submersible pumps

2V gh sehingga 2

2Vh

g

V=Kecepatan (fps)

g=percepatan akselerasi (fps) 32.2 fps pada sea level

h=ketinggian jatuh (ft)

2.4.3.2 Saluran air hangat

Air hangat disedot dari lapisan percampuan berada dekat dengan permukaan pada kedalaman

pilihan untuk meminimalisasi efek dari gelombang.Pengaturan perpipaan tergantung pada

konfigurasi platform.

Untuk perhitungan head hidrolik beserta water flow pada saluran air hangat adalah sama

dengan perhitungan pada CWP dan yang membedakan adalah ukuran penampang pipa. Volume

air yang dibutuhkan oleh kondenser tidak jauh berbeda dengan yang dibutuhkan di kondenser.

Material Density Yield Strength Elastic Modulus Poisson Ratio

(kg/ 3m ) (MN/ 2m ) (MN/ 2m )

Steel 7850 138.0 207.0 0.30



Hal | 18

Alumunium 2770 117.0 70.0 0.33

Prestressed concrete

Concrete 2400 18.6 20.7 0.18

Tendons 2770 1034.0 207.0 0.30

Post-tension lightweight concrete

Concrete 1362 16.9 11.7 0.23

Tendons 7850 1850.0 199.0 0.30

Glass Reinforced

Plastic 1700 138.0 17.2 0.30

2.4.3.3 Saluran pembuangan

Pipa pembuangan yang akan mengatur aliran air dari heat exchanger ke sebuah kedalaman

dibawah mixed layer dipertimbangkan membutuhkan penambatan pada perencanaan

awal.Akan tetapi eksperimen menunjukkan bahwa pipa pembuangan eksternal tidak akan

dibutuhkan karena kehadiran larangan lingkungan.



Hal | 19

Gambar 2.8 Water exhausting

Pelepasan air dilakukan pada kedalaman tertentu dimana air yang semula dipompa dari suatu

kedalaman dikembalikan ke tempat semula sehingga tidak menggunakan suhu perairan laut

yang dapat berdampak pada ekosistem laut.

2.4.4 Sistem turbin

Persyaratan kemampuan untuk sebuah turbin disusun dan dibahas dengan perusahaan

manufaktur turbin.Tabel menunjukkan hasil keluaran power yang diinginkan dan karakteristik

dari working fluid pada kondisi operasi yang diharapkan dari turbin.Tabel ini menunjukkan

kondisi desain yang telah di update,sementara data yang diberikan perusahaan manufaktur

disesuaikan dengan spesifikasi yang berbeda.

Turbin performance Requirements (25 Mwe Module)

Horsepower 41.700

Working Fluid NH3

Inlet temperatur 68.6 F

Inlet Pressure 125.7 psia

Outlet temperatur 50.1 F



Hal | 20

Outlet pressure 89.4 psia

Gambar 2.9 OTEC turbin generator

OTEC Ammonia Vapor Turbin Karakteristik

Shaft Power, 44236 hp



Hal | 21

Shaft speed 1800 rpm

Ammonia Flow rate 1938 lb/sec

Spesifik speed 109

Efisiensi keseluruhan 90%

Inlet Total pressure 1221 psia

Inlet temperatur 67 F

2.4.5 POWER OUTPUT

Hasil optimum power akan terjadi ketika total perbedaan suhu antara air hangat dan dingin

memasuki closed-siklus OTEC plant terbagi kira-kira sebagian dari delta T digunakan untuk

mencapai sebuah perbedaan dalam tekanan uap antara evaporator dan kondenser.

max 1 cw

ww

TPT

Sekitar 2350 kg/s dari aliran air hangat akan dibutuhkan per megawatt dari OTEC power yang

dibangkitkan. Hampir sejumlah aliran yang sama akan dibutuhkan di dalam kondenser.Perkiraan

volume total air laut adalah berkisar 4.7 m3/s per megawatt dari gross electric power yang

dibangkitkan.

Power pompa air,untuk hidrolik head dari 3.05 m dan efisiensi pompa dari 75%(termasuk drive

motor elektris),perkiraan power pompa Pwe,untuk evaporator adalah 9600 kg m/s=94 kWe,per

megawatt gross power listrik.

2.4.5.2 Ammonia pumping power

Total panas yang ditransfer ke amonia permegawatt dari power electric yang dibangkitkan

adalah 32.7 MW.

Heat yang ditransfer ke amonia di evaporator pertama-tama menaikkan temperatur hingga

vaporisasi dimulai dan diserap sebagai heat dari evaporisasi pada temperatur konstan,untuk

itu,per megawatt dari gross power



Hal | 22

a e c p vP A T T C H

Where Pa=ammonia pumping power ;p=cair ammonia density =625 kg/m3 ;v=ammonia inlet

velocity; A= inlet area ;Te =evaporator temperatur;Tc=kondenser temperatur ;Cp=specific

heat=4.72 kJ/kg C ;Hv=latent heat of ammonia vaporization at 21.1 C=1460 kJ/kg;rvA=27 kg/s

and vA=0.043 m3/s

o

Gambar pompa



Hal | 23

Persyaratan kondenser adalah sekitar 20% lebih tinggi,untuk itu total power pemompaan air

yang dibutuhkan sekitar 21% dari nilai gros power yang diantarkan.

2.4.5.1 OTEC net power output

Ringkasan menunjukkan bahwa sekitar 24% dari gross power dibangkitkan oleh OTEC plant

beroperasi dengan total delta T dari 22.2 o C akan dibutuhkan untuk kebutuhan operating

plant.Maka dari itu,efisiensi operasi,didefinisikan sebagai net power/gross power akan menjadi

76%.Estimasi dari net efisiensi untuk contoh ini adalah 0.76 X 3.7 =2.81% (efisiensi ocean heat

transfer menjadi listrik diambil sebesar 3,7%)

2 0.26netP a T

2(22.2) 0.26 1.00a MWe

(0.26 1.00)493.8 0.02252a

0.000788 352 0.26 0.70netP x MWe

0.000788 462 0.26 1.40netP x MWe

2.4.6 OTEC Efficiency and cost implication

Ada teori limit, hingga efisiensi maksimum dari sebuah sistem OTEC dengan mengkonversi panas

yang disimpan di air permukaan hangat dari lautan tropis menjadi kerja mekanis.

maxTw Tc

Tw

Dimana efisiensi carnott,Tw=temperatur absolut dari air hangat,Tc=temperatur absolut dari air

dingin.

Untuk wilayah laut yang paling cocok untuk operasi OTEC,temperatur permukaan rata-rata tiap

tahunannya adalah berkisar 26.7 hingga 29.4 o C.Cold water pada 4.4 o C atau dibawah tersedia



Hal | 24

pada kedalaman dari 900 m.Oleh karena itu, maksimum efisiensi heat OTEC bahkan tanpa

reduksi yang tak dapat dihindari disebabkan oleh friksi dan kehilangan panas,dapat dicapai

hanya pada laju yang sangat kecil dari produksi power.

Efsiensi:perbandingan dari energi atau hasil kerja pada sistem ke dalam input energi ke dalam

sistem.

Analisis menunjukkan bahwa 25 hingga 30% dari gross power elektrik dibangkitkan oleh

pembangkit listrik dengan delta T dari 22 o C akan dibutuhkan untuk mengoperasikan air dan

pompa amonia dan untuk menyuplai power untuk memenuhi kebutuhan tambahan untuk

operasi plant dan stasiun kapal.Sehingga ,net efisiensi dari konversi dari thermal energi yang

tersimpan di air permukaan laut hingga net energi listrik tersedia pada on board bus baw akan

berada pada kisaran 2.5 hingga 3%.

Working Fluid Characteristic (Ammonia)

Rankine closed cycle dapat bekerja sebagai sebuah media working pada segala fluida dengan

sebuah tekanan uap yang baik pada suhu dari permukaan yang panas dan physical dan yang

cocok untuk desain total power.

Property Ammonia Propane Butane R-22

Formula 3NH 3 8C H 4 10C H 2CHF Cl

Molecular weight (M) 17.03 44.09 58.12 123.46

Density (l) (kg/ 3m ) 616.73 508.60 583.73 1229.78

Density (v) (kg/ 3m ) 5.82 16.19 4.61 33.89

Vapor pressure(sat)(kPa) 741.88 741.40 179.40 801.93

Heat of vaporization(kJ/kg) 1214.63 350.63 374.64 193.51

Spesifik Heat(l)(kJ/kg K) 4.68 2.56 2.37 1.22

Spesifik Heat (v)(kJ/kg K) 2.92 2.01 1.76 0.78

Viscosity (l) (Pa s) 1.596x 410 1.199x 410 1.782x 410 2.21x 410



Hal | 25

Viscosity (v) (Pa s) 1.100x 510 8.681x 610 7.606x 610 1.277x510

Thermal Conductivity 0.50343 0.101551 0.1211 0.092382

Amonia (NH3) merupakan working fluid yang dipilih pada proses closed cycle OTEC, karena

memiliki titik didih sangat rendah sehingga mudah untuk dievaporasikan oleh air hangat

sehingga dapat menggerakkan turbin.

Heat Transfer Characteristics (50 to 70 F)

Thermal conductivity (BTU/hr-ft-F) Liquid: 0.29

Vapor: 0.014

Kompatibilitas material Ammonium Hidroksida

Tidak kompetibel dengan material

Mengandung copper

Thermodynamic Properties (50 to 70F):

Heat of Evaporation (BTU/lb) 500

Heat Capacity (BTU/lb-F) Liquid: 1.13

Vapor: 0.19

Keamanan:

Toxicity Sedang dan mudah untuk dilacak

Flammability Sedang

Kemampuan bercampur Tinggi

Ketersediaan supplai Telah tersedia



Hal | 26

Working fluid flow in heat exchanger

Faktor utama dalam pemilihan working fluid adalah:

1.Tekanan uap berkisar 700 hingga 1400 kPa pada suhu 27o C

2.Aliran bervolume rendah per kilowatt dari power yang dihasilkan.

3.Chemical stability dan compatibility.

4.Keamanan

5.Harga

Non-Condensible removal system

Air laut yang mengandung gas terlarut yang dilepaskan pada tekanan rendah di OTEC open

cycle.Nilai tipikal adalah 10,9 dan 6,6 ppm untuk 2N dan 2O .Gas-gas ini tidak dapat dilikuifaksi

dan akan mengakumulasi setidaknya secara berlanjut dipindahkan.Kehadiran dari non-



Hal | 27

condensable dari kedua predearation chamber dan vent condenser,menyediakan rasio kompresi

yang cukup.

Gas yang terdischarged diserap oleh effluent air hangat pada sebuah tekanan subatmospheric

dari 30kPa,yang menghemat sekitar 35 kW.Intercooling antara tahapan compressor

menyebabkan terjadinya reduksi pada pembebanan compressor.Kompresor displacement

positif yang dipilih sebab tekanan hisap yang rendah.jumlah Keseluruhan Konsumsi power

adalah 160 kW jika sebuah precooler termasuk untuk mengurangi bagian uap upstream hingga

ke tahap pertama.

2.5 DASAR-DASAR TEORI PIPELINE

Pipeline merupakan komponen utama dari sistem OTEC (Cold Water pipe dan Warm water pipe)

dimana berfungsi untuk mengalirkan air laut baik dari laut dalam (cold water) ataupun warm

water (surface water).

Seperti yang diterangkan sebelumnya bahwa sistem kerja OTEC memerlukan range temperatur

berkisar 20-24 o C sehingga untuk mendapatkan range sebesar tersebut maka diperlukan air laut

di kedalaman 1000 m.

Dalam mendesain pipeline untuk mencapai kedalaman 1000 meter, berbagai analisis dalam ilmu

Teknik Kelautan diperlukan untuk menghitung kekuatan, kapasitas dari pipeline itu

sendiri.Analisis-analisis berupa free-span analysis,buckling,on-bottom analysis,dan routing

sangat diperlukan untuk mendesain pipeline dari OTEC ini.Dengan mendesain pipeline yang

terperinci diharapkan sistem kerja OTEC mampu menjadi yang terbaik.



Hal | 28

Analisis terhadap free span dalam tugas akhir ini akan dibahas pada fase operation dan

mencakup analisis VIV yang menyebabkan osilasi pada pipa yang memicu keruntuhan

pipa secara fatigue serta analisis tegangan yang terjadi pada pipa,dibatasi pada

perhitungan hoop stress,bending stress dan von mises stress.

Seluruh perhitungan, analisis dan pembahasan akan dilakukan berdasarkan kode standar yang

berlaku untuk struktur pipa bawah laut.Desain pipa bawah laut pada tugas akhir ini mengacu

pada kode standar DnV 1981 Rules for submarine pipelines, DnV RP F-105 free spanning

pipelines dan kode standar untuk struktur baja lepas pantai API RP2A.

2.5.1 PROPERTI PIPA BAWAH LAUT



Hal | 29

Pada umumnya, material utama pipa bawah laut adalah pipa yang terbuat dari carbon

steel, atau logam lainnya. Dalam lingkungan laut yang tidak bersahabat, dimana terdapat arus,

gelombang dan sifat kimia air laut yang korosif, maka perlu diberikan perlindungan terhadap

pipa tersebut. Perlindungan anti korosi antara lain dengan lapisan High Density Polyethylene

(HDPE) dan lapisan beton. Lapisan beton ini juga berfungsi sebagai pemberat untuk menjaga

stabilitas pipa di bawah laut. Potongan melintang sebuah pipa bawah laut ditunjukkan gambar

2.14 di bawah ini.

Gambar 2.10 Ilustrasi penampang pipa bawah laut. Dan penamaan properti pipa sebagai berikut:

ID : Diameter dalam pipa baja

OD (Ds) : Diameter luar pipa baja = ID + 2.ts

ts : Ketebalan dinding pipa baja

tcorr : Ketebalan lapisan anti korosi (corrosion coating)

tcc : Ketebalan lapisan beton (concrete coating)

Wst : Berat pipa baja di udara



Hal | 30

Wcorr : Berat lapisan anti korosi di udara

Wcc : Berat lapisan beton di udara

Wcont : Berat content (isi pipa) di udara

Wbuoy : Berat/gaya apung (buoyancy)

Wsub : Berat pipa di dalam air (terendam)

ρs : Massa jenis baja

ρcorr : Massa jenis lapisan anti korosi

ρcc : Massa jenis lapisan beton

ρsw : Massa jenis air laut

ρcont : Massa jenis content (isi pipa)

Dalam perhitungan beban yang akan diterima pipa, berat dari pipa itu sendiri juga

diperhitungkan sebagai berat pipa terdistribusi merata per satuan panjang. Dalam analisis free

span ini, perhitungan berat sendiri pipa dilakukan untuk dua fase, yaitu fase instalasi (pipa

kosong) dan fase operasi (pipa dengan gas content).

Spesifikasi material

Grade Minimum Yield Strength Minimum Tensile strength YS/TS

lb/ 2in MPa lb/ 2in MPa Ratio

A25 25.000 172 45.000 310 0.556

A 30.000 207 48.000 331 0.625

B 35.000 241 60.000 413 0.583

X42 42.000 289 60.000 413 0.700

X46 46.000 317 63.000 434 0.730

X52 52.000 358 66.000 455 0.788

X56 56.000 386 71.000 489 0.789



Hal | 31

X60 60.000 413 75.000 517 0.800

X65 65.000 448 77.000 530 0.844

X70 70.000 482 82.000 565 0.854

X80 80.000 551 90.000 620 0.889

Tabel Standard strength Grade and yield to tensile ratio

2.5.2 ROUTING ANALYSIS

Seleksi dari rute pipa bawah laut untuk meminimalkan resiko yang berpotensi merusak pipa

selama fasa instalasi dan operasi yang memungkinkan untuk menggelar pipa.Rute pipa yang

optimum dipilih berdasarkan hasil survey detail diantara koridor pipa spesifik.

-Menghindari hambatan dasar

-Menghindari gerakan signifikan pada dasar laut untuk meminimalisasi span yang tak

tersupport

-Meminimalkan crossing pipeline



Hal | 32

2.5.3 WALL THICKNESS CALCULATION

Perhitungan ketebalan pipa sangatlah penting mengingat terjadinya perbedaan tekanan

antara bagian dalam pipa dan diluar pipa sehingga dapat menyebabkan buckling.Pipa

semestinya didesain memiliki ketebalan yang cukup untuk menghindari buckling.

(DnV1981)

2. . .i e

t

P P Dt

S k

dimana: t = nominal wall thickness

iP =Pressure internal (pressure design)



Hal | 33

eP =External pressure

D=Outside diameter = Usage factor

S=SMYS (Specified Minimum Yield Stress)

Buckling types

Local Buckling: - Collapse due to external pressure

- Buckling due to combined bending and external pressure

- Propagating Buckles

Propagasi buckle pada pipa sangat susah untuk diprediksi sebab dapat terjadi dengan tekanan

yang kecil dibanding dengan collapse pipa.untuk itu, jika sebuah buckle propagation terjadi,

maka akan berlanjut sepanjang pipa pada kedua arah yang sama hingga mencapai kedalaman air

yang cukup dangkal untuk mengurangi tekanan external dibawah tekanan propagasi.Jadi

dibutuhkan untuk mendesain buckle arrestor untuk membatasi buckle propagating yang hanya

terjadi pada bentang buckle arrestor.(API RP 11 )

Global Buckling: - Lateral Buckling

-Upheavel Buckling

-Downward Buckling

Upheaval dan lateral buckling disebabkan oleh gaya tekan longitudinal pada dinding pipa dan isis

cairan.Perhitungan dari longoitudinal stress dapat dengan mudah salah jika tidak dihitung secara

sistematis.

Propagating Buckles:

o i p pP P f P

Dimana :

2.4

24ptP SD

Buckle Propagation pressure (psi)

pf = 0,8 (propagating design factor)

iP = Pressure internal (pressure design)



Hal | 34

eP = External pressure

Local buckling adalah deformasi dari cross section pipeline

Pada studi kasus dimana tidak ada external pressure,maka stress circumferential ditentukan dan

diberikan oleh formula berikut:

HpRSt

Dimana

P is the internal pressure, which is the Barlow formula Equation

The longitudinal strain L is given by the stress-strain relation for a linear elastic isotropic

material:

1L H Ls s

E

Dimana

L = longitudinal strain

Ls = longitudinal stress

Hs =circumferential stress

E = modulus young

=Poisson ratio

=Koefisien ekspansi thermal linear

=perubahan temperature

Analisis Upheavel movement

1/ 2 1 cos 2 /y H x L

Dimana



Hal | 35

y= ketinggian

x=jarak horizontal

Ketahanan pipa yang terkubur pada tanah atau batu nonkohesif:

' 1 Hq HD fD

Dimana

=Berat unit tanah yang terkubur.

H= Ketinggian tanah yang menutupi

D= Diameter luar pipa

f= Uplift koefisien 0.7 (rock) and 0.5(sand)

Buckle arrestor design

Pada laut dalam, tidak layak secara ekonomi untuk mendesain ketebalan pipa untuk menjawab

tantangan kriteria propagasi.Ketebalan dinding dapat berkurang dari perhitungan minimum

berdasarkan kriteria buckles dan buckle arrestor di rekomendasikan untuk membatasi resiko

dari buckle propagasi.

Buckle arrestor merupakan alat yang terpasang atau di las sebagai bagian dari pipa, diletakkan

pada interval yang lapang sepanjang pipa, mampu membatasi sebuah kegagalan collapse pada

interval antara arrestor.

D =Diameter luar pipa, mm(in)

aD =Diameter luar dari arrestor pipa mm(in)

L =Panjang dari buckle arrestor

t =Ketebalan minimal pipa, mm(in.)

at =Ketebalan pipa dari buckle arrestor, mm(in)

Tekanan minimum yang dibutuhkan untuk menghitung arrestor yang diberikan dari OTC 10711

dan menggunakan safety factor sebesar 1,35.



Hal | 36

mP =1,35 eP

Dimana: mP =Tekanan minimum yang dibutuhkan untuk cross over arrestor, in N/ 2mm (psi)

eP =Tekanan hidrostatis external, in N/ 2mm (psi)

Ketebalan Buckle arrestor minimum yang dibutuhkan menggunakan persamaan untuk tebal

dinding pipa.

1,35. . .24

SWa a

y

g WDt D

Dimana ;

at = Ketebalan arrestor yang dibutuhkan

aD = Diameter luar arrestor

SW = Seawater density

g = Percepatan gravitasi

WD = Kedalaman air maximum

y =Specified Minimum Yield Strength (SMYS) dari material arrestor

Tabel perhitungan Wall thickness yang dibutuhkan untuk mencegah buckling pada CWP

menurut kapasitas power plant:

Power CWP Length CWP Diameter p Wall Thickness

Mwe (m) (m) (kPa) Steel Alumunium Concrete FRP

40 800 8.32 16.4 2.76 3.94 7.31 6.30

1000 7.13 16.1 2.35 3.35 6.23 5.37

60 800 8.74 15.0 2.82 4.02 7.45 6.42

1000 8.74 14.1 2.76 3.93 7.30 6.29

80 800 10.09 13.6 3.15 4.49 8.33 7.18

1000 10.09 14.4 3.21 4.57 8.49 7.32



Hal | 37

2.5.4 SUBMERGED WEIGHT CALCULATION

Ouside diameter 2 2tot s corr ccD D t t

Elastic modulus 4 4.64 sEI E D ID

Inertia 4 4

64 sI D ID

Weight of pipe

Steel weight 2 2

4st s SW D ID

Corrosion coating weight 2 224corr s corr s corrW D t D

Concrete coating weight 22 24cc tot s corr ccW D D t

Content weight 2.4content contentW ID

Added mass

Total effective weight eff st corr cc content addW W W W W W

External pressure . .e SWP g d

Pressure difference o eP P P

2.5.5 ON BOTTOM STABILITY

Sebuah pipa harus stabil diatas seabed.jika terlalu ringan, maka akan meluncur kesamping

akibat gaya dari arus dan gelombang.Di lain pihak, jika terlalu berat, akan menjadi susah dan

mahal untuk membangunnya.



Hal | 38

Untuk mengatasi hal tersebut, desain dapat meningkatkan berat pada pipeline dengan

menambahkan concrete coating weight yang juga dapat memberikan proteksi mekanis terhadap

korosi.

L D Iw

W F F FF

Berat submerged yang dibutuhkan

1L D I wW F F F F

Dimana

Lift force 21 ( ) cos( )2

swL cc L s DF D t C U U

g

Gaya lift force bekerja dalam arah tegak lurus arah rambatan gelombang/arus.Gaya angkat ini

terjadi akibat adanya konsentrasi streamline pada bagian atas pipa.Konsentrasi streamline

membuat kecepatan arus pada atas pipa menjadi besar, sehingga tekanan hidrodinamik

mengecil,dan pipa menjadi terangkat.Jika terdapat celah antara pipa dan seabed,maka

konsentrasi streamline akan terjadi,sehingga dengan proses yang sama pipa akan jatuh

kembali,atau dengan kata lain gaya angkat akan bernilai negative.

Drag Force 21 ( ) cos( )2

swD cc D s DF D t C U U

g

Adanya tanda absolut menyatakan bahwa arah gaya harus dan pasti searah dengan arah

arusnya.Kecepatan arus total adalah jumlah atau superposisi dari kecepatan arus akibat

gelombang (wave-induced current) dan kecepatan arus pasut (tidal current).Luas proyeksi pipa

merupakan proyeksi pipa dari tampak depan tegak lurus arah arus.

Inertia Force 2( ) sin( )

4cc sw

I M sD tF C A

g



Hal | 39

Gaya inersia terjadi pada struktur akibat gaya oleh perubahan perpindahan massa air yang

disebabkan oleh keberadaan pipa. Faktor yang mempengaruhi gaya inersia adalah percepatan

partikel air.Perubahan perpindahan massa diakibatkan oleh adanya fluktuasi percepatan arus.

Untuk menentukan koefisien hidrocinamik (Cd,Ci ,Cl) maka ditentukan terlebih dahulu bilangan

reynould number .

eV LR

dimana:

ReeR ynould number

tanV Kecepa partikel

kinematic velocity

2.5.6 IN PLACE STRENGTH DESIGN

In place strength desain merupakan inti analisis dari free span. Menurut definisinya, free span

adalah bentang bebas. Pada pipa bawah laut/subsea pipeline yang tergeletak pada seabed, free

span terjadi akibat ketidak-rataan (uneven) permukaan dasar laut dengan kurvatur yang tidak

memenuhi kurvatur natural dari pipa tersebut, sehingga bentang pipa akan menggantung. Selain

itu, free span juga dapat terjadi jika pada rute pipa tersebut memiliki persimpangan (crossing)

dengan pipa atau kabel lain di bawah laut.Dimulai dari perhitungan terhadap stress atau

tegangan-tegangan yang terjadi pada pipa baik itu horizontal ataupun vertical,baik itu oleh

panas ataupun kesemuanya mempengaruhi free span.

Hoop stress

Hoop stress atau tegangan tangensial ini merupakan tegangan yang terjadi akibat tekanan yang

diberikan pada suatu silinder dan bekerja pada dinding silinder tersebut.Untuk pipa bawah laut,

maka tekanan tersebut diberikan dari dalam pipa dan dari luar pipa.Penurunan persamaan hoop

stress menggunakan asumsi silinder berdinding tipis.

Hoop Stress

2i e

y o

P PD

t

dimana

y =hoop stress



Hal | 40

iP =Internal pressure

eP =external pressure

oD =outside diameter

t = nominal pipe wall thickness

Longitudinal stress

Longitudinal stress merupakan kombinasi dari bending stress, thermal stress, end cap

effect, dan poisson effect. Longitudinal stress ini merupakan tegangan aksial yang bekerja pada

penampang pipa. Persamaan longitudinal stress adalah sebagai berikut;

L B ep T p

Bending stress

Tegangan tekuk (bending stress) terjadi akibat adanya momen tekuk pada pipa,

sehingga perlu diketahui beban total penghasil gaya tekuk pada pipa. Beban ini merupakan

kombinasi dari berat pipa dalam air dan gaya hidrodinamik horizontal dengan persamaan

berikut;

22maxsub D Iq W F F

Maka, tegangan tekuk maksimum yang terjadi adalah;

. .2.

B B tccB

M y M DI I

Persamaan momen tekuk statik maksimum (MB) diberikan oleh DNV 1981 sebagai

berikut;

2. effB

q LM

C

Thermal stress

Thermal stress adalah tegangan yang terjadi akibat adanya ekspansi yang terjadi pada

pipa.Persamaan tegangan pemuaian adalah sebagai berikut:

. .T TE T



Hal | 41

Dimana;

E = modulus elastisitas baja

αT = perbedaan temperatur antara kondisi instalasi dan operasional

ΔT = koefisien ekspansi thermal

Poisson stress

Poisson stress merupakan tegangan yang terjadi akibat adanya tegangan residual pada

saat fabrikasi pipa, sehingga pipa harus kembali ke keadaan semula. Maka, kembalinya pipa ke

keadaan semula menyebabkan terjadinya gaya aksial, sehingga menyebabkan kontraksi pada

dinding pipa.

.p H

Von Mises 2 2 3e x y y x t

Dimana

e =maximum equivalent stress

y =hoop stress

x =longitudinal stress

=maximum tangential shear stress

Allowable freespan static

2. .

.e

atot

CLW D

aL =allowable ststic freespan

C= 8.0 for pinned to pinned conditionI=moment of inertia

e =equivalent stress

W=distributed load



Hal | 42

Allowable freespan dynamic

Pada perhitungan freespan dynamic, yang perlu diperhatikan adalah Vortex Induced Vibration

(VIV).Fenomena VIV adalah fenomena terjadinya vibrasi atau getaran yang terjadi akibat

resonansi yang disebabkan oleh terbentuknya wake atau vortex di belakang struktur

membelakangi arah aliran sehingga meyebabkan fatigue pada pipa akibat span dynamic yang

berlebihan. Ketika aliran fluida mengalir melewati pipa, maka akan terbentuk vortex di belakang

pipa. Vortex ini disebabkan adanya turbulensi dan ketidak stabilan aliran di belakang pipa.

Pembentukan vortex (vortex sheeding) ini menyebabkan perubahan tekanan hidrodinamika

secara periodik pada pipa, sehingga mengakibatkan bentang pipa (pipe span) bervibrasi dan

akan menjadi fatigue.

Frekuensi vortex shedding yang terjadi tergantung pada diameter pipa dan kecepatan aliran.

Mengacu pada DNV 1981, frekuensi vortex ini disebut juga frekuensi Strouhal. Jika frekuensi

Strouhal ini memiliki besar yang mendekati atau bahkan menyamai frekuensi natural pipe span,

maka akan terjadi resonansi pada pipe span tersebut. Resonansi yang terjadi dapat

mengakibatkan kegagalan/collapse pada pipe span, dengan pola keruntuhan kelelehan (yielding)

dan tentunya keruntuhan kelelahan (fatigue).

Vortex shedding frequency ( , )t w c

vtot

S U d Uf

D

Vf = frekuensi vortex shedding

Uc+Uw = kecepatan aliran total

S = bilangan Strouhal

Dtcc = diameter pipa

Parameter lain yang menentukan tipe osilasi pipe dynamic span, yaitu:



Hal | 43

Reduced velocity VR, parameter untuk penentuan range kecepatan aliran yang

dapat menyebabkan vortex shedding.

. .

c wR

n n

U UVVf D f D

dimana;

V = kecepatan aliran total

fn = frekuensi natural pipe span

D = diameter pipa total terluar

Koefisien stabilitas K, parameter stabilitas yang mengontrol jenis gerakan osilasi.

2

2. ..

eS

MK

D

dimana;

Me = massa efektif pipa

ρ = massa jenis air laut

δ = pengurangan redaman struktur secara logaritmik.

Dari parameter penentu tipe osilasi diatas, maka tabel 2.3 menjelaskan kriteria

osilasinya.

Parameter Tipe shedding Tipe osilasi

1.0 < Vr < 3.5

Ks < 1.8

Vr > 2.2 Asimetris In-line

Ks < 16 Asimetris Cross-flow

Simetris In-line

Tabel 2.1 Kriteria Tipe Osilasi VIV

Setelah parameter-parameter pipe span diketahui maka critical pipesapan dapat dihitung

dengan menggunakan rumus berikut:



Hal | 44

Critical pipesapan 9.872 ( , )

rcr tot

eff add w c

VEIL DW W U d U

Significant Keulegan-carpenter number: s uU TKD

FREKUENSI NATURAL PIPA

Suatu free span memiliki frekuensi natural sebagai respon dinamiknya terhadap beban

lingkungan dan operasi yang diterima. Besar frekuensi natural free span bergantung kepada

jenis tanah, jenis perletakan ujung free span, beban yang diterima pipa, jenis material pipa dan

gaya yang bekerja pada pipa. Perlunya diketahui frekuensi natural pipa agat tidak terjadi

resonansi akibat kesamaan frekuensi pipa dengan frekuensi yang ditimbulkan oleh arus,jika

terjadi resonansi maka pipa akan bergetar dengan cepatnya sehingga dapat terjadi fracture atau

kepatahan.Frekuensi natural pipa dituliskan oleh persamaan berikut;

2

1 2 34 2. 1 . . 1 . ..

effO

eff eff E

SEIf C CSF C Cm L P D

Dimana;

C1, C2, C3 = koefisien kondisi batas; tabel 3.11

E = modulus Young baja

Leff = panjang span efektif

D = diameter terluar pipa

I = momen inersia penampang

meff = massa efektif pipa

Seff= gaya aksial efektif, tension bernilai positif

= [massa total pipa + added mass (buoyancy) + massa content] x koef. Added mass



Hal | 45

Ca = koefisien added mass = 1.60.68

1 5 /1

untuk e/D < 0.8

untuk e/D 0.8e D

CSF = faktor penguat akibat kekakuan beton.

δ = defleksi statik, diabaikan untuk arah in-line. Tidak lebih dari 4D

PE=beban Euler buckling = 2

2

(1 ). .

eff

CSF EIL

Tabel 3.1 Koefisien Kondisi Batas Untuk Analisis Free Span (DNV RP F105)

Koefisien Pinned-pinned Fixed-fixed Single span on seabed

C1 1.57 3.56 3.56C2 1 0.25 0.25C3 0.8 0.2 0.4

Shoulder: 14.1(L/Leff)2

Midspan: 8.6

Midspan: 1/24C6 5/384 1/384 1/384

C4 4.39 14.1

Shoulder:1/121/8C5 2

1

18 / 6effL L



Hal | 46


OCEAN RENEWABLE RESOURCES (OTEC) - … · evaporator,turbin uap expansi dan generator ... hidrogen...

Documents

Transcript of OCEAN RENEWABLE RESOURCES (OTEC) - … · evaporator,turbin uap expansi dan generator ... hidrogen...