ANALISA HEAT EXCHANGER KNL DENGAN TEKNIK KONTROL FUZZY. Sugeng Tirta Atmadja 1)

Transkripsi

1 ANALISA HEAT EXCHANGER KNL 5-05 DENGAN TEKNIK KONTROL FUZZY Sugeng Tirta Atmadja ) Abstrat Suatu mesin transmisi penerus putaran dan daya di dalam gearbox menggunakan oli atau minyak pelumas yang berfungsi sebagai pendingin dan juga berguna untuk mengurangi gesekan yang terjadi. Akan tetapi oli tersebut juga membutukan pendinginan yang dinamakan eat exanger. Selama ini metode yang digunakan dalam dunia industri, kebanyakan menggunakan metode kontrol konvensional yaitu on-off dan keepatan aliran yang konstan. Namun demikian, terkadang metode kontrol konvensional kurang mampu bekerja sesuai dengan yang diarapkan, seingga memungkinkan untuk mengaplikasikan metode kontrol yang lebi modern, sala satunya adala dengan teknik kontrol fuzzy. Heat exanger merupakan sala satu bagian alat di mesin finis mill yang terdapat di PT. Indoement Tunggal Prakarsa Citeureup yang berfungsi untuk menurunkan temperatur oli dan menjaga suu pada keadaan normal sekitar 48 0 C, dengan mengatur keepatan aliran oli masuk dan keluari. Pada keadaan tunak, put temperatur oli tidak sesuai dengan setting point-nya walaupun anya terdapat sedikit perbedaan Hal ini menunjukkan bawa dalam praktek variabel kontrol tidak selalu sama dengan set-point, disebabkan adanya faktor dinamika dari proses yang dikendalikan, juga pengaru faktor lingkungan. Kata kuni : eat exanger dan kontrol Fuzzy. PENDAHULUAN Latar Belakang Semen merupakan material yang bersifat plastik yang suda digunakan sejak lama atau zaman daulu untuk membuat konstruksi. Kata semen berasal dari baasa Yunani Caementum, yang artinya baan pengikat. Adapun definisi semen seara umum adala baan perekat yang dapat mengikat baan baan padat menjadi satu kesatuan yang kuat. Adapun dengan semakin banyaknya pembangunan industri, baik pertokoan maupun perkantoran dimana dalam pembangunannya tidak lepas dari kebutuan akan semen. Ole karena itu PT. Indoement Tunggal Prakarsa Tbk sebagai produsen semen ikut berpartisipasi dalam memenui kebutuan akan semen. PT. Indoement Tunggal Prakarsa Tbk memiliki plant yang tersebar di pulau Jawa yaitu di Citeureup dan Cirebon, Jawa Barat dan di Tarjun, Kalimantan. Pada proses pembuatan semen ada suatu taapan dimana baan baku mengalami pengeilan ukuran atau penggerusan dari raw mill dengan menggunakan mesin vertial mill. Tujuan dari vertial mill ini adala agar mengasilkan semen dalam bentuk bubuk yang alus sebelum masuk ke dalam silo. ) Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin FT-UNDIP Permasalaan timbul pada mesin vertial mill,yang berputar beroperasi selama 4 jam maka timbul panas. Sebagaimana biasa lazimnya mesin, dibutukan pelumasan untuk mengurangi timbulnya panas dan juga untuk menega dari keausan. Maksud dan Tujuan. Mengetaui besarnya perpindaan panas dari oli ke air pendingin dan temperatur keluaran pada eat exanger.. Merenanakan pengendalian temperatur keluaran dan keepatan aliran eat exanger KNL 5-05 seara off-line dengan menggunakan teknik kontrol fuzzy. Pembatasan Masala Membaas pengendalian temperatur pada eat exanger KNL 5-05 dengan menggunakan kontrol Fuzzy. DASAR TEORI Gambaran Umum Heat Exanger Heat exanger adala suatu alat yang mengasilkan perpindaan panas dari suatu fluida ke fluida lainnya. Jenis eat exanger yang sederana adala wada dimana fluida yang panas dan fluida yang dingin diampur seara langsung. Pada sistem ini, kedua fluida akan menapai suu akir yang sama, dan jumla panas yang berpinda dapat diperkirakan dengan mempersamakan kerugian energi dari fluida yang ROTASI Volume 9 Nomor Januari 007 5

2 lebi panas dengan perolean energi ole fluida yang lebi dingin. Hal yang lazim pada eat exanger adala perpindaan panas pada suatu fluida terpisa dengan fluida lainnya ole dinding atau sekat yang dilalui ole panas. Penukar panas seperti ini disebut reuperator. Alat ini terdapat dalam berbagai bentuk, dari pipa-didalam-pipa (sell and tube). Satuan ini dipergunakan seara luas karena dapat dibangun dengan permukaan perpindaan panas yang besar dalam volume yang relatif keil, dapat dibuat dari logam paduan (alloy) agar taan teradap korosi, dan sesuai untuk pemanasan, pendinginan, penguapan, atau pengembunan (ondensation) segala jenis fluida. Gambar Heat exanger di mesin finis mill Tipe tipe dasar Heat Exanger Tipe eat exanger yang paling sederana adala angkang dan pipa. Alat ini terdiri dari sebua pipa yang terletak konsentrik di dalam pipa lainnya yang merupakan angkang untuk susunan. Sala satu fluidanya mengalir melalui pipa didalamnya, fluida lainnya mengalir melalui inin (annulus) yang terbentuk diantara pipa dalam dan pipa luar. Karena kedua aliran fluida melintasi penukar panas anya sekali, maka susunan ini disebut penukar panas satu lintasan (single pass; lintasan tunggal). Jika bertipe aliran seara (parallel flow; aliran sejajar), jika fluida fluida itu mengalir dalam ara yang berlawanan, maka penukar panas ini bertipe aliran lawan (ounter flow). Keefektifan Heat Exanger Dalam analisa termal berbagai tipe eat exanger guna memperole laju perpindaan panas yang tidak menyangkut suu keluar yaitu dengan menggunakan keefektifan penukar panas (eat exanger effetiveness) ε. Keefektifan penukar panas berdefinisi perbandingan laju perpindaan panas yang sebenarnya dalam penukar panas tertentu teradap laju pertukaran panas maksimum. Bentuk persamaan yang dipergunakan dalam analisa berbagai tipe penukar panas yang diperlukan untuk menentukan arga suu rata rata adala : q U. A. T rata rata C ( Tin T ) atau C ( T T ) min C min in C ( T ( T in in T in T Faktor Pengotoran Unjuk kerja penukar panas dalam kondisi pengoperasian, terutama dalam industri proses, seringkali tidak dapat diramalkan dari analisa termal saja. Selama dioperasikan dengan kebanyakan airan dan minyak, terbentuk suatu lapisan kotoran pada permukaan perpindaan panas seara berangsur angsur seperti endapan pada tube yang menyebabkan kurang efektifnya laju perpindaan panas. Efeknya yang disebut pengotoran (fouling) adala mempertinggi taanan termal. Taanan termal endapan pada umumnya dapat diperole dari pengujian pengujian nyata atau pengalaman. Jika diadakan pengujian unjuk kerja teradap suatu penukar panas yang bersi dan belakangan diulangi setela satuannya dioperasikan agak lama, maka taanan termal endapan dapat ditentukan dari ubungan : Rd Ua U Ud Ro Rk o in ) ) RiAo Ai Ao iai Analisa Peritungan Spesifikasi alat : Model : KNL 5-05 VALCO ENGINEERING CO.LTD. JAPAN Kapasitas : 5 m 3 Fluida tube : oli ( ISO VG30 ) Fluida sell : water Diketaui: Q = 5, m 3 /jam Do = 0,0 m Di = 0,009 m N = 4 Tin oil = 57 o C T oil = 48 o C Tin water = 30 o C Sifat fisik fluida : ROTASI Volume 9 Nomor Januari

3 R R f f 4,4.0 6, _ W / mk _ W / mk Analisa : m. C p.( Tin T ) m. C p.( T Tin ), 8 (57 48),4 478 ( T 30) 3065,0 593,76 ( T T T q m. C o 33,89 C 34 o p C.( T T ) q,4 478 (34 30) q 373,04 _ J / s m m N,4 m 0,0 4 4m 40,0 R ED D 3,4 0,009 7,69.0 0,8 in 30) 4 800,66 0,4 0,8 N UD 0,03. RED.Pr 0,03 (800,66) (5,) K f. NUD 0,6 7,88 04,95 D 0,009 m, m, N 4. m 4, 4,84 R ED D 3,4 0,0 3,5.0 0,058.0 N UD U 0,4 7,88 0,03 (4378,98) K. N 0,8 0,6 33,9 0,0 f UD D 04, 95 (540,6) 4463 Faktor Koreksi dari grafik : F 0,97 T m 0,4 4463,98, LMTD F 0,97 9,3 7 ln( ) 4 33,9, ,98 q 373,04 L 0,78_ meter U. N.. D. F. T,9 4 3,4 0,009 0,97 9,3 m Fouling Fator (Faktor pengotoran) : Ud Rf Rf W/m.K 4,4.0 04,95 5 6, ,98 994,98 q 373,04 L 0,3_ meter U. N.. DF.. T 994,98 4 3,4 0,009 0,97 9,3 d m Jumla tube minimal yang diizinkan : q 373,04 N U.. D. L. F.,9 3,4 0,009 0,3 0,97 9,3 T m 373,04 N 7,7 7 _ tube 85,80 Jumla _ tube _ efektif 7 00% 88,44% 88% 4 Heat exanger efektif : C min m. p atau m. p yang lebi keil. Karena m. m., maka suu keluar fluida p p yang lebi panas (dengan kata lain suu oli) sama dengan suu masuk fluida yang lebi dingin (air). C ( ). ( Tin T m p Tin T C min( Tin Tin ) C min( Tin T 9 0,33 7 in ) (57 48) ) (57 30) Kontrol Fuzzy Fuzzy berarti samar atau kabur, merupakan istila yang dipakai ole Lotfi A Zade pada Taun 965 untuk menyatakan kelompok/impunan yang dapat dibedakan dengan kelompok lain berdasarkan derajat keanggotaan seara kabur. Didalam teori impunan klasik objek dinyatakan suatu anggota jika bernilai dan bukan anggota jika bernilai 0 dari suatu impunan dengan batas keanggotaan yang jelas/tegas. Namun dalam teori impunan fuzzy memungkinkan derajat keanggotaan (member of degree) suatu objek bernilai antara 0 dan atau dalam interval antara 0 dan, biasa ditulis[0 ]. Himpunan fuzzy F dalam semesta X biasanya diyatakan sebagai pasangan berurutan dari elemen x dan mempunyai derajat keanggotaan : F=[(x, (x)) x Є X} dimana: F X F = Notasi impunan fuzzy = Semesta pembiaraan ROTASI Volume 9 Nomor Januari

4 x = Elemen dari X F (x) = Derajat keanggotaan x dalam interval [0 ] Sistem Fuzzy ini mempunyai beberapa kelebian antara lain:. Konsep logika fuzzy muda dimengerti. Konsep matematis yang mendasari logika fuzzy sangat sederana dan muda dimengerti.. Logika fuzzy sangat fleksibel. 3. Logika fuzzy memiliki toleransi teradap data-data yang tidak tepat. 4. Logika fuzzy mampu memodelkan fungsi-fungsi nonlinier yang sangat komplek. 5. Logika fuzzy dapat membangun dan mengaplikasikan pengalamanpengalaman para pakar seara langsung tanpa arus mengalami pelatian. 6. Logika fuzzy dapat bekerjasama dengan teknik teknik kendali seara konvensional. 7. Logika fuzzy didasarkan pada baasa alami. Blok diagram pengendali logika fuzzy diperliatkan pada Gambar.6 dengan masingmasing blok dijelaskan sebagai berikut: Fuzzifikasi (Fuzzyfiation) Fuzzifikasi adala suatu proses menguba peuba masukan dari bentuk tegas (Crisp) menjadi peuba fuzzy (Variable Linguisti) yang biasanya disajikan dalam bentuk impunanimpunan fuzzy dengan suatu fungsi keanggotaan masing-masing. Fungsi keanggotaan segitiga direpresentasikan sebagai berikut: Evaluasi Aturan (Rule Evaluation) Evaluasi aturan disebut juga proses pengambilan keputusan (Inferene) yang ditetapkan pada basis aturan (Rule Base) untuk mengubungkan antar peuba-peuba fuzzy masukan dan peuba fuzzy keluaran. Aturan ini berbentuk jika.maka (If Ten). Input Membersip Funtion Output Membersip Funtion Crisp inputs Fuzzyfiation Fuzzy Inputs Rule Evaluation Fuzzy Outputs Defuzzyfiation Crisp puts Rule Base Gambar 3. Blok diagram pengendali fuzzy Metode MAX-MIN Pada metode MAX-MIN pengambilan keputusan didasarkan pada aturan operasi menurut Mamdani. Gambar 4 dibawa ini menggambarkan metode MAX-MIN: Domain Gambar. Representasi Kurva Segitiga Fungsi Keanggotaan: Gambar 4 Metode MAX-MIN Defuzzifikasi (Defuzzyfiation) Defuzzifikasi berarti proses pengubaan kembali impunan fuzzy keluaran menjadi impunan dalam bentuk tegas (risp). Hal ini ROTASI Volume 9 Nomor Januari

5 diperlukan karena plant anya mengenal nilai tegas. Metode Centroid Metode entroid ini dikenal juga sebagai metode COA (Center of Area) atau metode Center of Gravity. Pada metode ini nilai tegas keluarannya diperole berdasarkan titik berat dari kurva asil proses pengambilan keputusan (inferene) yang dapat dilukiskan pada Gambar.5 Rumus COA: z z z z( z) dz ( z) dz n j n z ( z ) j j j j ( z ) Peranangan Sistem Fuzzy Fungsi Keanggotaan Sistem ini memiliki dua variabel masukan dan dua variabel keluaran, seperti ditunjukkan pada Tabel berikut: Tabel. Variabel masukan dan keluaran yang diperlukan Fuzzyfikasi a. Fungsi Keanggotaan temperature oli Gambar 5. Metode Centroid APLIKASI KONTROL FUZZY PADA PENGENDALIAN TEMPERATUR HEAT EXCHANGER Heat exanger merupakan suatu alat untuk memindakan energi termal dari sumber panas ke sumber yang lebi dingin. Alat ini berguna untuk mendinginkan fluida oli yang digunakan pada pelumasan gearbox pada mesin vertikal mill dan menjaganya pada temperatur normal dengan mengatur keepatan aliran oli dan air sebagai media pendingin. Besar keilnya keepatan aliran ini ditentukan ole temperatur input eat exanger. Jika temperatur keluaran eat exanger masi tinggi dari setting point maka keepatan aliran dari pompa akan membuka besar seingga temperatur yang digunakan untuk mendinginkan oli suda menukupi, sebaliknya jika temperatur keluaran eat exanger renda dari setting point maka keepatan aliran dari pompa akan menutup seingga tidak ada aliran yang mengalir atau keil sekali aliran yang mengalir yang digunakan untuk mendinginkan oli. Temperatur keluaran eat exanger arus dikontrol extra karena jika tidak maka akan berpengaru teradap kegiatan operasional mesin itu sendiri. Gambar 5. Himpunan Fuzzy temperature oli Fungsi Keanggotaanya adala: dingin sedang panas 0 ( a) (5.6 a) / ( a) ( a 48.9) / 0.4 (56. a) / ( a) ( a 53.4) / 0.4 a a 5.6 a 48.9 atau 48.9 a a 56. a a 57 a 57 b. Fungsi Keanggotaan Temperatur air a 56. Gambar 6. Himpunan Fuzzy Temperatur air ROTASI Volume 9 Nomor Januari

6 Fungsi Keanggotaanya adala: dingin sedang panas 0 ( b) (3 b) / ( b) ( b 30.5) / 0.4 (34.5 b) / ( b) ( b 33) / 0.4 b 3 30 b 3 b 30.5 atau 30.5 b b 34.5 b b 35 a 35 b Fungsi Keanggotaan keepatan aliran oli Gambar 7. Himpunan Fuzzy keepatan aliran oli Fungsi Keanggotaanya adala: lambat sedang epat 0 ( ) (0.38 ) / ( ) ( 0.3) / 0.45 (0.48 ) / ( ) ( 0.4) / atau d. Fungsi Keanggotaan keepatan aliran air Gambar 8. Himpunan Fuzzy keepatan aliran air Fungsi keanggotaannya adala : lambat sedang epat 0 ( d ) (.008 d ) / ( d ) ( d.00 ) / 0.40 (.08 d ) / ( d ) ( d.0 ) / 0.40 d.008 d.008 d d d.08 d.0.0 d.00 d.00 atau d.08 Basis aturan Logika algoritma fuzzy sebetulnya anya terdiri dari pernyataan IF-THEN. Pernyataan ini mengungkapkan bawa apabila suatu variabel masukan terjadi, maka variabel keluaran arus menunjuk ke fungsi keanggotaan tertentu. Gabungan kemungkinan antara masukan pengendali fuzzy dengan masukan lain akan mengakibatkan keluaran tertentu. Aturan ini dibuat sedemikian seingga keepatan aliran akan optimal, aturan tersebut antara lain: [R] If Temperatur oli DINGIN and Temperatur air DINGIN ten keepatan aliran oli LAMBAT and keepatan aliran air LAMBAT [R] If Temperatur oli SEDANG and Temperatur air SEDANG ten keepatan aliran oli SEDANG and keepatan aliran air SEDANG [R3] if Temperatur oli PANAS and Temperatur air DINGIN ten keepatan aliran oli SEDANG and keepatan aliran air SEDANG [R4] if Temperatur oli SEDANG and Temperatur air PANAS ten keepatan aliran oli CEPAT and keepatan aliran air CEPAT [R5] if Temperatur oli PANAS and Temperatur air SEDANG ten keepatan aliran oli LAMBAT and keepatan aliran air CEPAT [R6] if Temperatur oli SEDANG and Temperatur air DINGIN ten keepatan aliran oli LAMBAT and keepatan aliran air SEDANG [R7] if Temperatur oli DINGIN and Temperatur air SEDANG ten keepatan aliran oli SEDANG and keepatan aliran air SEDANG Evaluasi aturan Dengan menggunakan aturan-aturan yang suda ada dalam basis aturan, maka sistem fuzzy akan melaksanakan proses pengambilan keputusan seingga didapatkan suatu penyelesaian dalam evaluasi aturan. Teknik yang digunakan untuk pengambilan keputusan tesebut adala dengan metode MAX-MIN. Defuzzyfikasi Defuzzifikasi merupakan taap akir pada proses dasar pengendali logika fuzzy. Pada proses ini dilakukan pengubaan dari fuzzy put yaitu berupa grade sebagai proses evaluasi aturan menjadi bentuk tegasnya (risp). Metode yang digunakan untuk proses defuzzyfikasi adala metode entroid. ROTASI Volume 9 Nomor Januari

7 PENGUJIAN DAN ANALISA Temp. oli =50. 0 C dan temp. air=3 0 C Temp. oli = 48 0 C dan Temp. air = 30 0 C Gambar 9. Hasil Pengujian Temp.oli = 48 dan Temp. air = 30 Pada pengujian sistem dengan pengubaan Temperatur oli didapat asil seperti pada Gambar 9, terliat bawa ketika Temperatur oli berada pada temperatur 48 0 C dan Temperatur air berada pada temperatur 30 0 C maka keepatan oli adala sebesar 0.36 m/s dan keepatan air adala sebesar m/s. Dengan keepatan sebesar itu diarapkan temperatur oli akan tetap pada kondisi normalnya yaitu sekitar 48 0 C. Temp. oli =48 0 C dan Temp air = C Pada pengujian sistem dengan pengubaan temperatur air didapat asil seperti pada Gambar 0, terliat bawa ketika temperatur oli berada pada temperatur 48 0 C dan temperatur air berada pada temperatur 3 0 C maka keepatan aliran oli adala sebesar m/s dan keepatan aliran air adala sebesar m/s. Dengan keepatan sebesar itu diarapkan temperatur oli akan tetap pada kondisi normalnya yaitu sekitar 48 0 C, walaupun temperatur air beruba. Gambar. Hasil Pengujian Temp. oli = 50. dan Temp.air = 3 Pada pengujian sistem dengan kombinasi masukan didapat asil seperti pada Gambar, terliat bawa ketika temperatur oli berada pada temperatur 50, 0 C dan temperatur air berada pada temperatur 3 0 C maka keepatan aliran oli adala sebesar 0,376 m/s dan keepatan aliran air sebesar,0 m/s. Dengan keepatan aliran sebesar itu diarapkan temperatur oli akan tetap pada kondisi normalnya yaitu sekitar 48 0 C, walaupun temperatur air masukan beruba Dari beberapa asil pengujian yang tela dilakukan, keepatan aliran akan mengalir sesuai dengan kombinasi masukan dari temperatur oli maupun temperatur air, seingga keepatan aliran tersebut diarapkan merupakan keepatan paling optimal sedemikian seingga keluaran temperatur pada eat exanger sesuai dengan yang diinginkan. Disamping itu dengan menggunakan kontrol fuzzy maka keepatan aliran akan kontinyu. Hal ini dikarenakan pada berbagai masukan dapat ditentukan keepatan alirannya. Tabel. Beberapa Hasil Pengujian pada berbagai kondisi masukan Gambar 0. Hasil Pengujian Temp. oli = 48 dan Temp.air = 30.6 ROTASI Volume 9 Nomor Januari

8 PENUTUP Kesimpulan. Respon yang didapat asil simulasi berbeda dengan kenyataanya, al ini dikarenakan dalam simulasi banyak dilakukan pendekatanpendekatan.. Logika Fuzzy bisa digunakan untuk mengendalikan sistem yang memiliki banyak masukan dan banyak keluaran (MIMO = Multi Input Multi Output). 3. Dari asil pengujian diperole bawa berbagai kemungkinan masukan akan mengasilkan keepatan aliran tertentu berdasar proses defuzzyfikasinya. 4. Pengendalian dengan logika fuzzy lebi fleksibel (Aturan-aturan dan fungsi keanggotaan bisa diuba jika diperlukan). 5. Faktor pengotoran dapat mengurangi keefektifan dalam eat exanger,al ini terjadi karena mengalangi proses perpindaan panas. Saran. Fungsi keanggotaan dari tiap-tiap variabel masukan dan keluaran perlu dibuat lebi banyak lagi untuk mengantisipasi kemungkinan-kemungkinan yang ada.. Bisa juga digunakan Auto Tuning Regulator/Self Tuning Regulator untuk mengendalikan temperatur eat exanger atau kontrol adaptif lain. 3. Sebaiknya perlu pengurasan seara rutin dalam saluran eat exanger 4. Cairan pendingin yang digunakan sebaiknya perlu dilakukan softening terlebi daulu. DAFTAR PUSTAKA. Duda, W.H, 985, Cement Data Book, vol., 3ed, pp , PT. ITP Bauverlag GmB, Berlin.. Kusumadewi, Sri, Analisis dan Desain Sistem Fuzzy, Graa Ilmu, Yogyakarta, Lea, F.M, 976, Te Cemistry of Cement and Conrete, 3ed, pp. 6 57, Edward Arnold Ltd, London 4. Ogata, Katsuiko, Teknik Kontrol Otomatik Jilid, Erlangga, Bandung, Holman, J.P, Perpindaan Kalor, Penerbit Erlangga, Jakarta. 6. Tomas dan Agung Prasetyo, Analisis dan Desain Sistem Kontrol dengan Matlab, Penerbit Andi, Yogyakarta ROTASI Volume 9 Nomor Januari