1
ANALISA PENGARUH PERUBAHAN NILAI SWIRL NUMBER TERHADAP EFFISIENSI PEMBAKARAN PADA GAS TURBIN DENGAN MENGGUNAKAN LARGE EDDY SIMULATION(LES)
Farid Viko B, Dr. Gunawan Nugroho. Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology ITS Surabaya Indonesia 60111, email:
[email protected]
Abstrak— Desain gas turbin membutuhkan atomisasi effisiensi dan pencampuran yang bagus pada proses reaksi pembakaran. Hal yang terkait dengan beberapa persyaratan ini adalah temperatur yang lebih tinggi, peningkatan perpindahan panas, sehingga dapat meningkatkan ketidak stabilan pembakaran(yang menyebabkan penurunan kinerja dan beban mekanis yang berlebihan) dan dapat dimungkinkan terjadi operasi yang tidak sesuai perancangan. Simulasi numerik merupakan salah sau cara untuk mengatasi permsalahan ini. Hingga saat ini Large Eddy Simulation (LES) merupakan salah satu metode yang sangat menjanjikan untuk mengatasi permasalahan ini. Filosofi yang terdapat pada LES adalah metode ini secara eksplisit mensimulasikan skala besar dari aliran dan thermokimia yang dipengaruhi oleh kondisi batas, sementara skala kecil dimodelkan, yang termasuk didalamnya interaksi aliran dalam proses pembakaran. Pada artikel ini memperkenalkan desain swirler dengan memvariasikan bukaan swirler, terdapat 5 variasi sudut bukaan yaitu 50, 150, 200, 250 dan 300. Kinerja dari swirler ini diselidiki menggunakan 5 simulasi CFD yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh sudut bukaan swirler terhadap daerah resirkulasi pembakaran. Dari hasil simulasi, terlihat bahwa sudut bukaan 250 pada daerah pembakaran menghasilkan titik stagnasi yang paling tinggi sekitar 45,26022 mm.. Kata kunci: Gas turbin, Large Eddy Simulation, Swirler
I. PENDAHULUAN
D
ari berbagai cara dalam penbangkitan daya mekanik turbin yang terbaik. Ketidakberadaan mesin torak dan pembungkus karet, hal ini berarti permasalahan dalam kesetimbangan selama proses tersebut berkurang. Kebutuhan akan minyak pelumas juga semakin kecil dan realibilas dari suatu sistem tersebut dapat menjadi tinggi. Keuntungan dari penggunaan pertama kali disadari dalam usaha pembangkitan daya listrik dengan air sebagai fluida kerja dari sistem tersebut. Sistem tersbut lebih dikenal sebagai Turbin Uap. Penggunaan Turbin uap pertama kali pada awal abad ke 20 dan telah menjadi alat utama yang digunakan dalam pembangkitan sumber daya listrik. Daya yang dihasilkan dapat mencapai 1000MW dengan effisiensi mencapai 40 persen pada saat ini. Meskipun terdapat kelebihan pada Turbin uap ini tetapi terdapt juga beberapa kekurangan. Produksi uap yang bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi melibatkan biaya yang sangat tinggi dalam pembelian peralatan dan pemasangan sistem tersebut baik itu ketel konvensional ataupun reaktor nuklir. Selain itu
penggunaan gas bahan bakar pada ketel tidak digunakan secara langsung oleh turbin melainkan gas bahan bakar ini digunakan seba0.gai bahan bakar untuk memanaskan air untuk menghasilkan fluida yaitu berupa uap, berdasarkan hal tersebut maka gagasan untuk pemanfaatan langsung gas bahan bakar tersebut terus dikembangkan. Perkembangan sistem baru ini dimulai pada saat sebelum perang dunia kedua yang dinamakan sabagai Turbin Gas. Untuk menghasilkan sebuah ekspansi melalui sebuah turbin, ratio tekanan harus disediakan, dan hal pertama yang diperlukan pada siklus turbin gas adalah kompresi fluida kerja pada siklus tersebut. Ketika fluida kerja terkompresi tersebut langsung diekspansi melalui turbin dan dalam proses ini tidak terjadi kehilangan tekanan maka daya keluaran dari siklus turbin gas ini akan sama dengan daya yang dibutuhkan kompresor untuk mengkompresi fluida kerja tersebut. Daya siklus dapat ditingkatkan dengan cara penambahan energi untuk menaikkan suhu dari fluida kerja tersebut. Penambahan energi ini terjadi setelah fluida kerja mengalami kompresi pada bagian kompresor. Penambahan energi ini tidak hanya meningkatkan daya dari siklus ini, melainkan juga dapat digunakan untuk menggerakkan kompresor oleh sebuah poros yang terhubung diantara kompresor dan turbin. Kinerja turbin gas dapat diketahui melalui dua faktor utama yaitu effisiensi komponen dan suhu kerja turbin. Ruang pembakaran merupakan slah satu komponen turbin gas yang paling berpengaruh dalam kinerja sistem. Pada komponen terjadi penambahan energi untuk menaikkan suhu fluida kerja yaitu udara terkompresi. Penambahan energi pada turbin gas ini dilakukan dengan cara pembakaran fluida kerja terkompresi pada ruang bakar sistem[1]. Untuk mengetahui kinerja dari ruang bakar ini, terdapat berbagai cara yaitu : dengan percobaan langsung pada sistem turbin gas tersebut dan studi numerik dari ruang bakar diperlukan. Percobaan langsung pada Turbin gas memerlukan biaya yang sangat besar untuk melakukannya dan cara ini jarang sekali dipakai untuk melakukan analisa pembakaran pada turbin gas dan memiliki beberapa keterbatasan. Oleh karena itu studi numerik diperlukan. CFD(Computational Fluid Dynamic) digunakan pada studi numerik ini. Pada CFD ini aliran dari fluida memainkan peran penting. CFD pada dasarnya adalah sebuah ilmu pengetahuan dari penggantian governing equation yang menjelaskan prinsip dasar fisika dengan pendiskritisasian bentuk aljabar, dimana pada gilirannya diselesaikan untuk mendapatkan nilai numerik untuk medan aliran titik-titik diskrit pada domain ruang dan waktu. Terdapat berbagai metode dalam CFD salah satunya adalah LES(Large Eddy Simulation). Les merupakan metode standar untuk melakukan studi dinamika pembakaran turbulen. Sebagai contoh, LES muncul sebagai salah satu alat kunci
2 untuk memprediksi dan studi ketidakstabilan pembakaran yang terdapat pada turbin gas. Large Eddy Simulations (LESs) dari aliran turbulen merupakan tehnik yang kuat terdiri dari eliminasi dari skala lebih kecil dibandingkan beberapa skala ∆x dengan sebuah pemfilteran low-pass yang tepat untuk memungkinkan perkembangan persamaan yang cocok untuk skala besar untuk ditulis. LES merupakan alat untuk menerjemahkan struktur berpusar dari turbulensi, karena LES memungkinkan bagi kita untuk menangkap secara deterministik formasi dan perkembangan yang belum diketahui dari hubungan antara vortisitas dan struktur. LES juga memperkenankan prediksi dari banyak statistik yang berhubungan dengan turbulensi dan campuran induksi(paksa). LES telah berkontribusi dalam perkembangan industri dalam aerodinamika mobil, kereta dan pesawat[2]. Selain itu, LES merupakan pendekatan menengah diantara RAN(Reynolds Average Modelling) dan DNS(Direct Numerical Simulation) sementara RAN merupakan pendekatan berupa model yang hanya berdasarkan kumpulan dari statistik, DNS merupakan pendekatan yang dapat menyelesaikan seluruh aliran fluida yang bergerak bertentangan dengan arah arus utama terutama dalam gerakan melingkar. Konsekuensinya, segala macam aspek dimasukkan dalam metode ini dan skala sub grid yang digunakan sangat detail. RAN biasanya digunakan dalam simulasi steady state dan metode CFD ini tidak bisa digunakan untuk menjelaskan detail yang lebih halus, sedangkan pemakaian DNS pada simulasi ini tidak terlalu dibutuhkan dikarenakan simulasi pembakaran ini memiliki bilangan reynold rendah dan bentuk aliran yang sederhana mengacu pada kebutuhan resolusi. Hal ini tidak sebanding dengan usaha dan dana yang sudah dikeluarkan. Untuk memenuhi tantangan dalam biaya dan keefektifan waktu maka LES digunakan dalam simulasi pembakaran ini. Pada metode ini, pergerakan turbulen dari skala yang paling besar dihitung secara numerik(tanpa dibutuhkan model fisik) dan hanya subgrid berskala kecil[3]. Kelebihan LES daripada RANS adalah LES mampu memberikan simulasi tiga dimensi bergantung pada waktu dari pergerakan turbulen skala besar untuk campuran turbulen dengan skala yang lebih kecil daripada grid komputasi yang dimodelkan[4]. Pembakaran non-premixed menggunakan conserved scalar formalism untuk menghindari permasalahan dari evaluasi permasalahan sumber kimia. Pada pendekatan ini, reaksi kimia diasumsikan "fast" sehinggan domain thermokimia dari campuran dapat ditentukan hanya dalam bentuk conserved quantity dari fraksi campurannya. LES juga berdasarkan pada teori Kolmogorov(1941) yang sangat terkenal tentang turbulensi. Teori tersebut mengasumsikan bahwa Eddy yang besar dari aliran tidak bergantung pada geometri aliran, dimana Eddy yang lebih kecil sama dengan dirinya sendiri(self-similar) dan mempunyai karakter yang universal. Hal ini menjadi sebuah penerapan untuk menyelesaikan hanya pada eddy besar secra eksplisit. Pada LES, pergerakan aliran dihitung berdasarkan pengaruh skala universal yang lebih kecil(subgrid) dimodelkan menggunakan sebuah model SGS(subgrid scale). Aplikasi nyata dari, SGS dibutuhkan untuk menyelesaikan filter berdasarkan persamaan Navier-Stoke dengan tambahan batasan SGS stress. Pada LES pemfilteran lebih banyak digunakan daripada perata-rataan seperti halnya yang
dilakukan di RANS, komponen kecil pada LES tidak lagi bernilai nol ư ≠ 0(ư adalah vektor kecepatan aliran). Pada LES pemfilteran(Filter) secara spasial diaplikasikan pada persamaan gerak. Filter spasial ini merupakan fungsi konvolusi filter spasial dengan sebuah fungsi filter kernel, fungsi kernel adalah sebuah fungsi lokal[5]. Filter kernel yang banyak digunakan pada LES adalah Gaussian, box dan cutoff[6].
II. DASAR TEORI A. Karakteristik dari bilangan Swirl Bilangan swirl dari sebuah rancangan tertentu didapatkan jika kecepatan rata axial, radial dan tangensial diketahui sebagai sebuah fungsi dari lokasi radial pada ruang bakar4. Ekspresi berikut dapat diaplikasikan jika hanya kecepatan axial dan tangensial diketahui : =
(1)
V merupakan kompnent kecepatan rata-rata axial, w adalah kompenen kecepatan rata-rata tangensial dan r adalah lokasi radial. Massa jenis diasumsikan tidak bervariasi, dan gradien tekanan radial yang dihasilkan oleh gerakan swirling diabaikan pada ekspresi diatas. Penyederhanaan ini menyebabkan beberapa error4. Bilangan swirl dari aliran berputar seharusnya merupakan sebuah kuantitas yang terkonservasi. Jika bagian tekanan diabaikan, bilangan swirl yang didapatkan tidak akan dilihat sebagai kuantitas terkonservasi pada aliran. Tekanan statis pada aliran susah untuk dilakukan pengukuran, bagaimanapun juga dan bentuk yang dimodifikasi dari persamaan diatas yang berkontribusi pada variasi tekanan berdasarakan pada hubungan kecepatan axial dan tangensial tidak cocok untuk bilangan swirl tinggi (dimana bilangan swirl,S>1). Pemberian efek swirl pada aliran dapat dilakukan dengan berbagai cara. Aplikasi praktisnya, swirl secara umum dihasilkan oleh rancangan Swirler, yang merupakan paket sudu yang terpasang pada saluran udara. Sudu swirler biasanya sejajar dengan arah aliran udara. Derajat sudu swirl maksimum mencapai sekitar 700. Nilai lebih dari 70 biasanya tidak akan terjadi efek pusaran, dikarenakan sudu ini harus dengan ketebalan yang terbatas(finite thickness). Terdapat pressure drop yang berhubungan dengan bentuk sudu. Parameter pressure drop sangat erat berpengaruh pada efisiensi ruang bakar, mak untuk itu diperlukan suatu perhitungan dimana rancangan swirl nantinya akan menghasilkan pressure drop yang rendah. Aliran yang berputar juga cukup sensitif dengan kondisi masukan. Desain swirler yang tidak simetris dan tidak sempurna akan menghasilkan efek swirl yang tidak simetris pada medan kecepatan. Hasilnya, bentuk api yang dihasilkan akan tidak simetris, dan hal ini akan memepengaruhi karakteristik pembakaran dari api. Terdapat 2 jenis sudu turbin yaitu lurus dan berlekuk. Swirler yang memiliki sudu lurus, derajat sudunya tidak dipengaruhi oleh jarak radial dari sudu tersebut. jenis ini lebih
3 gampang untuk dibuat tetapi kurang efisien dalam permsalahan pressure drop. Swirl yang berlekuk memliki sudut swirl yang kecil dekat garis tengah dan sudut swirl semakin besar semakin besar pula jari-jari dari swirl tersebut. Bilangan swirl untuk tipe sudu swirl yang lurus dapat didiefinisikan sebagai berikut : =
2 1− 3 1−
tan ∅
D. Pembakaran Non-Premixed
(2)
Dh merupakan diameter dalam dari swirler sedangkan do merupakan diameter luar dari swirler. Terlihat pada (2) nilai bilangan swirl bergantung pada nilai sudut swirl ∅. B. Pemecah vortex dan aliran balik Fenomena pemecah vortex ditandai dengan daerah toroidal beresirkulasi yang terletak pada daerah sesudah pembangkit swirl. Biasanya, bentuk aliran pada daerah ini akan mengalami pembesaran(ekspansi), dikarenakan bentuk ruang bakar lebih besar dari pada bentuk swirl. Pada ruang bkara dengan swirl yang terstabilkan, gerakan swirl menghasilkan daerah yang bertekanan rendah pada tengahtengah aliran. Jika bilangan swirl cukup tinggi, daerah bertekanan rendah ini akan membesar sehingga memeperlambat pergerakan aliran, gas bertekanan tinggi di dorong kembali dari daerah hilir ke daerah hulu. Fenomena in cukup berguna dalam penstabilan pembakaran, dikarenakan hal ini menciptakan sebuah mekanisme yang baik gas produk yang bersuu tinggi dapat dikontakkan langsung(direaksikan) dengan udara, bahan bakar yang belum terbakar dan pengoksidasi. C. Pembakaran Menurut kamus Webster, Pembakaran adalah proses oksidasi yang terjadi secara cepat yang mampu menghasilkan panas atau cahaya dan panas sedangkan untuk proses oksidasi lambat panas timbul relative kecil dan tidak ada cahaya. Pembakaran dapat ditandai dengan adanya api maupun tidak. Untuk pembakaran yang terjadi menghasilkan api dibagi menjadi dua yaitu premixed dan nonpremixed(difusi). Premixed dan nonpremixed, sesuai namanya kedua tipe dihubungkan pada keadaan dari campuran reaktan dalam hal ini bahan bakar dan udara. Pada pembakaran premixed, bahan bakar dan oxidizer mengalami pencampuran sebelum mencapai tingkat molekul untuk menghasilkan reaksi kimia yang significant. Sedangkan pada pembakaran nonpremixed, reaktan pada mulanya terpisah dan reaksi terjadi hanya pada antar muka antara bahan bakar dengan oxidizer, dimana proses pencampuran dan reaksi berlangsung [4].
Gambar 1. Nonreaksi, pancaran bahan bakar keluar menuju reservoir udara diam tak berhingga.
Terdapat dua jenis pembakaran non-premixed, yaitu laminar dan turbulen. Pada laminar non-premixed profil kecepatan bahan bakar pada keluaran nozzle dianggap seragam seperti tampak pada gambar di atas. Pada gambar terdapat area yang bernama potential core dari pancaran. Pada potential core, diffusi telah terjadi namun masih terdapat pengaruh dari tegangan geser viscous. Oleh karena itu, kecepatan dan fraksi massa fluida pada nozzle tidak berbeda dengan nilai pada keluaran nozzle. Situasi ini sama halnya dengan aliran di dalam pipa. Hanya saja pada pipa, konservasi massa membutuhkan aliran inti yang seragam untuk mempercepat proses tersebut. Pada bagian antara potential core dan tepi pancaran, kecepatan dan konsentrasi bahan bakar(fraksi massa) menurun secara konstan sampai bernilai nol pada tepi pancaran. Di luar potential core(x > xc), pengaruh adanya tegangan gecer viscous dan diffuse massa secara aktif terjadi sepanjang lebar dari pancaran. Pada laminar non-premixed perhatian pokok terletak pada geometri api yang dihasilkan dari proses pembakaran, dengan cirikhas api yang pendek [5]. Pada turbulen non-premixed, secara visual mempunyai tepian yang tidak jelas. Sama halnya pada pembakaran premixed namun pembakaran non-premixed mempunyai luminous yang lebih tinggi dari pada pembakaran premixed. Factor yang mempengaruhi pembakaran non-premixed turbulen yaitu pengaruh dari gaya apung, sudut relative antara bahan bakar dan udara, pusaran udara, rasio antara bahan bakar dan udara[6]. E. Stoichiometry Pembakaran Kuantitas stoikiometri merupakan perbandingan antara banyaknya udara (oxidizer) yang dibutuhkan untuk memenuhi pembakaran sejumlah bahan bakar. Jika jumlah pengoksidasi melebihi dari kondisi kesetimbangan maka campuran tersebut bisa dikatakan udara berlebih (lean), sedangkan jika jumlah udara yang diberikan kurang atau tidak mencapai kondisi kesetimbangan maka dapat dikatakan bahan bakar berlebih (rich). Perbandingan antara jumlah oxidizer dan bahan bakar ditentukan dengan menuliskan kesetimbangan atom sederhana , dengan asumsi bahwa bahan bakar bereaksi untuk membentuk sebuah produk. Untuk bahan bakar hidrokarbon dengan struktur CxHy, hubungan stoikiometrinya dapat dinyatakan ke dalam bentuk,
4 xCO2 + (y/2)H2O + 3,76aN2 (3) Dimana a = x + y/4 Untuk memudahkan, kita mengasumsikan bahwa susunan udara tersusun atas oksigen(O2)21%, Nitrogen (N2)79% jadi untuk setiap mol oksigen terdapat 3,76 mol nitrogen. CxHy + a(O2 + 3,76N2)
A
Analisa Data
Kesetimbangan rasio bahan bakar-udara dapat diperoleh sebagai berikut, (A/F)stoic =
!
&
"#$% '( )*
=
+,-./ 12 ! 0 12"#
%$Kesimpulan
(4)
Laporan
Dimana MWair dan MWfuel adalah berat molekul dari udara dan bahan bakar. Secara umum nilai perbandingan campuran antara bahan bakar - oxidizer dapat dinyatakan dalam Rasio ekuivalen (Φ) seperti dibawah ini, Φ=
34657 89 : 46 5
=
35647 5 3 647 89 :
(5)
Dari definisi di atas diperoleh bahwa untuk bahan bakar berlebih (rich) maka Φ>1, dan untuk udara berlebih (lean), Φ<1. Untuk keadaan setimbang nilai Φ = 1 [8]. III. METODOLOGI PENELITIAN Bab ini berisi tentang penuruna model geometri yang digunakan untuk simulasi. Berikut dibawah ini adalah gambar diagram alir dari penelitian ini. mulai
selesai Gambar 2. Diagram alir penelitian
1) Algoritma pengerjaan Tugas Akhir Penjelasan algoritma pengerjaan tugas akhir sebagai berikut : • Studi literatur Large Eddy Simulation dipelajari, dimana Large Eddy simulation adalah metode turbulensi pada di beberapa jurnal diilai cukup layak utuk melakukan simulasi pembakaran. Selain itu, karakteristik ruang bakar pada gas turbin juga ikut dipelajari terutama pada daerah Swriler. Pengetahuan diatas didapatkan dari jurnal ilmiah terkenal seperti : journal of Combustion. •
Studi literatur
Mencari nilai bilangan Swirl
Pengambilan data di PJB
Data yang diperoleh
Menggambar plant pada Gambit
•
•
Analisa Dimensi
Simulasi Plant pada fluent
Hasil simulasi
verifikasi A
•
Nilai bilangan swirl Nilai ini didapatkan dari bentuk geometri dari swirler itu sendiri, yang lebih tepatnya nilai ini didaptkan dari perumusan diameter dalam swirler, diameter luar swirler dan sudut bukaan dari swirler tersebut. Proses menggambar plant gas turbin Tahapan ini berupa proses penggambaran detail desain dari gas turbin yang akan dibuat berdasarkan analisa dimensi. Analisa dimensi Analisa dimensi yang digunakan pada simulasi ini yaitu dengan mengacu reynolds number. Reynolds Number untuk aliran turbulen pada LES sekitar 3 juta. Simulasi dan verifikasi Setelah mendapatkan beberapa data dari PJB gresik berupa laju aliran massa, tekanan dan temperatur. Ketiga data tersebut dilakakun analisa dimensi sebelum melakukan simulasi, setelah mendapatkan hasil simulasi lalu hasil simulasi tersebut dibandingkan dengan data plant di lapangan. Pada umumnya perbedaan yang masih bisa ditolerir dari hasil simulasi terhadap data sebenarnya yaitu dibwah 10 %. Hasil simulasi yang telah dilakukan memiliki tingkat kesamaan dengan data plant asli berkisar 92,5 %.
5 •
Analisa data Analisa data data dilakuan setelah memvariasikan sudut bukaan swirler dengan 5 variasi (50,150,200,250,300). Lima variasi tersebut memiliki fenomena tesendiri yang dapat ditarik analisa fenomena tersebut.
2) Pemodelan sistem dan Simulasi Model ruang bakar yang digambar pada Gambit merupakan model model ruang bakar sebenarnya gas turbin pada PT.PJB Gresik dimana sebelumnya telah terjadi penskalaan terhadap ruang bakar tersebut dengan perbandingan skala 1:10.
(a)
(b)
(b)
(c) Gambar 4. Skematik ruang bakar. Tampak samping (a) basket, (b) saluran pengarah dan (c) tampak depan
(c) Gambar 3. (a) Geometri ruang bakar, (b) Geometri transition piece,(c) Geometri nozzle bahan bakar dan swirler
B. Menggambar ruang bakar Menggambar dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Gambit. Gambar berupa gambar 3 dimensi dari model dengan penskalaan 1:10. Berikut ini gambar yang telah berhasil dibuat.
Gambar 3 merupakan model asli beberapa bagian dari ruang bakar dimana secara garis besar ruang bakar gas turbin dapat dibagi 3 bagian yaitu tempat nozzle bahan bakar dan swirler, basket dan transition piece. Dari ketiga bagian tersebut dilakuan pengukuran panjang dan dilakukan penskalaan 1:10 seperti yang terlihat pada gambar 4. Pemilihan skala 1:10 dikarenakan model turbulensi yang digunakan pada simulasi kali ini sangat membutuhkan kemampuan komputasi yang besar. C. Penentuan model dan jumlah grid
Gambar 5. Grid view ruang bakar
(a)
Setelah melakukan penggambaran pada Gambit, selanjutnya model geometri tersebut di-meshing, tujuan dari meshing ini adalah untuk membuat daerah diskritisasi berupa cell, nantinya dari daerah ini akan dilakukan pengiterasian persamaan dasar(governing equation). Pada simulasi kali ini metode finite volume. Pemberian dilakukan pada 3 bagian, jadi 1 ruang bakar(combustor) dilakukan pembagian volume yang bertujuan untuk memperingan beban komputasi ketika memberikan meshing. Dari kepala sampai jarak(z) 0.0045 cm digunakan ukuran 0.04 sedangkan untuk jarak(z) 0.0045 sampai dengan 0.09 digunakan ukuran 0.08. Jumlah element(grid/cell) yang terbentuk sekitar 1700983 elemen(gambar 5).
6 Setelah pemberian mesh, geometri tersebut diberi tipe batas(boundary type) dan tipe kontinum(continuum type). Pada pemberian tipe batas untuk setiap masukan diberi tipe mass flow inlet dan untuk keluaran pressure outlet. Pada gambar 5 dapat dilihat bahwa terdapat daerah yang diberi warna biru yang berarti merupakan masukan dan daerah berwarna merah berarti keluaran. Kemudian setelah selesai seluruh proses tadi, maka dilakukan proses eksport mesh agar dapat dilakukan simulasi pada fluent. IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Simulasi yang dilakukan sangat berguna sebagai pertimbangan sifat kualitatif yang ditampilkan oleh medan kecepatan pada kasus pembakaran, seperti yang terlihat pada
a
B
c
D
e
F
Gambar 7. Medan aliran pada bagian primary (kiri) dan bagian secondary(kanan) Pada gambar 7, terlihat jelas bahwa aliran udara dari lubang primary dan lubang secondary saling bertubrukan sehingga menghasilkan aliran pusaran ditengah ruang bakar. Selain hal tersebut, fenomena ini juga dipengaruhi oleh aliran udara balik dari bagian head ruang bakar. Hal semeacam ini sama seperti percobaan yang pernah dilakukan oleh Bicen et al. Inti yang berputar di tengah ruang bakar ini merupakan bukti proses perata-rataan pada daerah dimana aliran dari jets saling bertubrukan bervariasi terhadap waktu
Time step : 500 Simulation time : 0,001 s
Time step : 1500 Simulation time: 0,003s
Gambar 6. Medan aliran streamline penampang vertical
gambar 6 yaitu streamline pada bidang vertikal. Pada gambar terlihat perbedaan topologi aliran yang diprediksi terlihat jelas. Perbedaan ini terjadi akibat interaksi pusat inti vortex dengan aliran menyebar yang terjadi akibat aliran tersebut dilewatkan pada sebuah nozzle(jet stream), dimana aliran ini menggerakkan aliran balik pada daerah primary. Struktur memutar terbentuk pada keadaan perbandingan masukan udara dan bahan bakar yang sama, tetapi berbeda sudut bukaan swirlernya. Perbedaan struktur aliran ini sangat berhubungan erat dengan perbedaan sudut bukaan swirler dimana untuk setiap kasus diberi perbedaan sudut 50. Keberadaan struktur aliran tambahan ini tentu saja merubah konfigurasi aliran pada daerah primary yang juga merubah distribusi temperatur dan species.
Time step : 2500 Simulation time: 0,005s
Time step : 3500 Simulation time: 0,007s
Time step : 4500 Simulation Time step : 5000 Simulation time: 0,01s time: 0,009s Gambar 8. Medan temperatur setiap time step .
7
Tabel 1. Nilai bilangan Swirl pada 5 keadaan berbeda
a
c
B
D
E Gambar 9. Kontur iso surface api pada suhu 2300K Nyatanya, gambar 7 merupakan representasi yang cocok dan lebih baik terhadap kelakuan aliran pada ruang bakar, di lain pihak pada gambar 6 kelakuan aliran menunjukkan ke”individualitasnya” sehingga kurang tepat digunakan sebagai representasi kelakuan aliran pada ruang bakar. Pada gambar 7 dimungkinkan untuk mengidentifikasi ketidaksimetrisan dalam penetrasi jets dan ini mungkin terkait bentuk nozzle yang bundar dan persegi panjang. Pola aliran yang sebelumnya digambarkan dapat secara langsung diketahui dalam perubahan waktu dari medan temperatur sebagaimana yang ditampilkan pada gambar 8 yang menampilkan 6 kedaan berbeda. Daerah panas terlihat pada daerah pembakaran yaitu daerah primary, daerah secondary dan daerah diantara secondary dan daerah dilusi. Pembakaran tidak terjadi lagi setelah daerah dilusi dan api distabilkan pada daerah resirkulasi pada bagian head ruang bakar. Pada daerah sekitar dinding tidak terjadi reaksi dan pembakaran dikarenakan daerah sekitar dinding diisolasi oleh aliran udara yang dilepaskan oleh udara dinding yang menyelimuti ruang bakar, buktinya dapat dilihat pada masingmasing gambar. Studi visualisasi aliran menunjukkan bahwa beberapa kejadian sbelumnya yang sudah dipaparkan beruhubungan erat dengan ketidak tunakan(unsteadiness) disekitar titik tubrukan(impingement region) jet dan mereka ini merupakan pengaruh penting terhadap distribusi temperatur pada daerah keluaran ruang bakar. Fenomena pemecah vortex pada aliran berputar berhubungan erat dengan bilangan Reynold aliran inlet ReD dan bilangan Swirl Sn. Hal ini diakibatkan oleh kondisi batas downstream(daerah awal). Pengaruh aliran berputar diteliti lebih lanjut dengan pengajuan rancangan baru swirler pada medan aliran berputar dengan melihat pengaruh dari dimensi dan sudut kemiringan dari swirler. Bagian ini menampilkan sebuah diskusi dari bentuk CRZ(combustion recirculation zone) dan bentuk tambahan dari daerah resirkulasi.
Kasus
A
B
C
D
E
swirl number
0,063
0,192
0,261
0,335
0,415
Flame stagnation point
39,139
39,695
43,034
45,26
39,324
Satuan
[mm]
Bilangan Swirl dihitung dari 5 keadaan yang berbeda, bilangan Swirl dihitung ketika aliran udara tepat akan keluar dari Swirler. Pada tabel 1, terlihat kenaikan bilangan Swirl mengakibatkan kenaikan pada jarak api stagnasi , kecuali pada kasus ke 5, hal ini terjadi diakibatkan desain Swirler dengan sudut 300 pada model combustor kurang sesuai pada kasus ini. Kontur titik stagnasi api ditentukan pada saat api bersuhu 2300 K untuk setiap kondisi. Kontur dari daerah aliran balik (kecepatan axial negatif) pada bidang streamwise ditunjukkan pada gambar 5. Pada gambar kontur menyatakan ketergantungan dari CRZ(combustion recirculation zone) dan meruapakan bukti bahwa CRZ dapat terkontrol dengan menerapkan desain baru . Pada gambar juga menjelaskan dengan mengubah nilai bilangan Swirl yaitu dengan mengubah dimensi dan sudut dari Swirl dapat mengurangi adanya pengaruh dead zone(daerah mati). Daerah ini mempunyai efek negatif pada proses pembakaran dan keseragaman temperatur dinding. Oleh karena itu menghilangakan atau setidaknya mengurangi daerah ini merupakan hal yang vital untuk meningkatkan proses pembakaran. Pengurangan daerah ini dapat menyebabkan peningkatan pressure drop didalam combustor. Konsekuensinya, effisiensi pada turbin gas menurun maka diperlukan sebuah studi optimasi yang seksama untuk menentukan nilai toleransi dari masukan(inlet)pada turbin gas.
Tekanan [Pa] pada keluaran 138000000 137000000 136000000
136945000 136546000 136151000
135000000 134000000
134125000 133630000
Tekanan [Pa]
133000000 132000000 131000000 R5 R15 R20 R25 R30 Grafik 1. Tekanan statik pada setiap keadaan Tekanan statik diplot pada grafik 1 untuk semua keadaan. Pada grafik terlihat jelas bahw peningkatan tekanan statik sesuai dengan kenaikan derajat sudut Swirl yang juga berpengaruh pada nilai bilangan Swirl. Hal ini dapat dipahami secara fisis, yaitu pengaruh daerah tegangan geser CRZ, yang mendisipasi energi aliran, dalam hal ini tekanan .
8
Plane 1 kecepatan
Selain menentukan disain dari bentuk pembakar(burner), hal lain yang perlu diperhatikan dalam penelitian di pembakaran adalah pengurangan emisi gas polutan. Pada studi ini dilakukan simulasi pembakaran gas turbin dengan nilai inlet bahan bakar dan udara sama di setiap kondisi simulasi. Kondisi berbeda ini dikarenakan perbedaan sudut swirler yang berubah. Parameter yang digunakan sebagai pertimbangan bahwa proses pembakaran yang terjadi bagus atau tidak adalah fraksi massa CO dan CO2 sebagai produk dari hasil pembakaran dan fraksi massa O2 sebagai senyawa yang dibutuhkan dalam pembakaran. Temperatur yang dihasilkan juga menjadi salah satu pertimbangan dalam studi ini.
5700 5600 5500 5400 5300 5200 R5 R10 R15 R20 R25 R30
Grafik 3. kecepatan udara pada plane 1
Plane 1 0,14 0,12 mass draction
m/s
0,1 0,08
CO
0,06
O2
0,04
CO2
0,02
Fenomena ini mengakibatkan proses pembakaran kurang bagus, hal ini dapat dilihat dari grafik 4, temperatur yang dihasilkan pada keadaan ini cukup rendah. Pada R20 proses pembakaran dan pencampuran yang terjadi paling baik diantara lainnya, hal ini dapat dilihat rendahnya kandungan CO dan tingginya temperatur pada keadaan ini. Pada gambar 10b, terlihat proses pencampuran yang baik diakibatkan pusaran yang terjadi sangat bagus sehingga dapat mencampur bahan bakar(gas) dan udara sangat baik. Temperatur yang dihasilkan pada keadaan ini sekitar 1414,23 K.
0 R5 R10 R15 R20 R25 R30
Plane 1 Grafik 2. Fraksi massa pada plane 1 Temperatur
1450 1400 K
1350 1300 R5
Grafik 4. Temperatur pada plane 1
b
Gambar 10. Kontur medan aliran kecepatan Plane 1.(a)R15, (b)R20 Plane 1 merupakan perpotongan melintang terhadap sumbu z, dimana plane 1 memotong bagian melintang dari primary. Pada grafik 2, fraksi massa dari oksigen cenderung membentuk kurva lengkung dan pada R30 terjadi penyimpangan yaitu nilai fraksi massa oksigen naik. Nilai maksimal pada kurva lengkung ini terjadi pada R15. Proses pencampuran pada keadaan ini kurang baik, terlihat dari medan aliran yang memebentuk pusaran pada R15 tidak cukup sempurna(gambar 10a) dan nilai kecepatan pada kedaan ini sangat tinggi daripada yang lainnya yaitu berkisar 5589,56 m/s(grafik 3).
Plane 3 merupakan potongan melintang bagian secondary zone, pada bagian ini bahan bakar(gas) yang masih tersisa dari proses pada primary zone dibakar kembali sehinga setelah bagian ini bahan bakar yang tersisa sudah tidak ada lagi.
Plane 3 mass fraction
a
R10 R15 R20 R25 R30
0,3 0,2
CO2
0,1
O2
0
CO R5 R10 R15 R20 R25 R30
Grafik 5. Fraksi massa pada plane 3
9 Konsentrasi karbondioksida(CO2) lebih besar dari pada konsentrasi karbonmonoksida(CO) dan oksigen(O2) terlihat pada grafik 5, hal ini dikarenakan karbondioksida pada bagian ini merupakan akumulasi karbondioksida pembakaran sebelumnya dan pada bagian ini sendiri. Fraksi massa CO hampir bernilai nol untuk setiap keadaan, hal ini berarti, pada bagian ini proses pembakaran yang terjadi sempurna,
dihasilkan hampir sama berkisar 0,032, tetapi suhu yang dihasilkan pada kedua keadaan tersebut terlihat perbedaan yang cukup jauh yaitu 1414,23K dan 1366,55K. Fraksi massa oksigen dari kedua keadaan in hampir sama yaitu 0,12. Perbedaan suhu yang sangat jauh ini diakibatkan pada proses pencampuran bahan bakar dan udara yang kurang sempurna.
Plane 3 temperatur
1500 1480 1460 K
1440
Gambar 11. kontur medan aliran kecepatan Plane 1, R20(kiri) dan R30(kanan)
1420 1400 R5 R10 R15 R20 R25 R30
Grafik 6 Temperatur pada plane 3 Temperatur pada bagian ini untuk tiap keadaan semakin menurun. Tetapi, nilai temperatur lebih tinggi daripada plane 1 hal ini disebabkan terjadi pembakaran lagi yang berarti penambahan energi yang diikuti dengan kenaikan suhu. Setelah dari bagian ini(secondary), terdapat bagian dilution, dimana pada bagian ini api yang terjadi didinginkan, selain berfungsi mendinginkan api, bagian ini juga berfungsi sebagai penstabil bentuk api, sehingga api pada bagian ini akan stabil. Setalah bagian dilution, tidak terjadi lagi pembakaran. Tujuan pendinginan yaitu untuk menurunkan temperatur api dan diikuti dengan penurunan temperatur udara pada ruang bakar yang akan digunakan untuk memutar sudu turbin, sudu turbin hanya mampu menerima temperatur pada nilai tertentu bergantung jenis bahan pembentuk sudu turbin. Pembakaran dikatakan sempurna, apabila bahan bakar yang digunakan tebakar dan tidak tersisa. Pada proses pembakaran tidak hanya bahan bakar saja yang digunakan dalam proses ini, terdapat udara dan panas agar pembakaran dapat terjadi. Pada proses ini trejadi reaksi antara beberapa element yaitu elemen karbon (C), hidrogen(H) bereaksi dengan oksigen yang terdapat pada udara. Reaksi ini akan menghasilkan karbon dioksida(CO2) dan uap air(H2O) ketika proses ini sempurna(complete). Hal ini menyatakan bahwa oksigen yang dibutuhkan dalam pembakaran cukup untuk membakar karbon dan hidrogen. Pembakran dikatakan tidak sempurna(incomplete) apabila jumlah oksigen yang digunakan kurang atau perbandingan udara dan bahan bakar yang tidak sesuai maka sebagian gas bahan bakar didinginkan dibawah suhu pembakaran(ignition temperature). gas hasil pembakran masih mengandung komponen yang dapat mudah terbakar terutama karbonmonoksida(CO). Hasil reaksi pembakaran menimbulkan efek yang diinginkan yaitu panas dan tekanan. Pada studi ini terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan yang berhubungan dengan proses pembakaran dan hasilnya. Pada R20 dan R30 fraksi massa CO yang
Pada gambar 11 merupakan profil aliran udara pada plane 1, terlihat pada keadaan R20, terdapat 2 pusaran aliran sedangkan pada keadaan R30 hanya terdapat 1 pusaran aliran. Keberadaan pusaran yang memepengaruhi pencampuran/reaksi karbon dan hidrogen sehingga menghasilkan efek panas pada proses pembakaran ini. Pada keadaan R20 terdapat 2 pusaran yang mengakibatkan pencampuran lebih baik dari pada R30, yang mengakibatkan penambahan energi yaitu berupa panas lebih tinggi dari pada R30 V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan
Berdasarkan abalisa data dan pembahasan hasil simulasi variasi perubahan bilangan swirl, maka dapat disimpulkan : 1. Telah didesain variasi bukaan sudut swirler pada sebuah ruang bakar gas turbin, hal ini mempengaruhi nilai bilangan swirl yang dihasilkan. 2. Perubahan nilai bilangan swirl, mengakibatakan panjang titik stagnasai api(lidah api) berubahubah. Titik stagnasi api terpanjang terjadi pada bilangan swirl 0,612 dengan panjang lidah api 45,02666 mm. 3. Perubahan nilai bilangan swirl ini juga mengakibatkan proses pencampuran yang terjadi pada setiap daerah ruang bakar berbeda. 4. Pada daerah primary, pencampuran paling baik trejadi pada bilangan swirl 0,478, dimana fraksi massa gas CO yang tersisa 0,0313357. Temperatur yang dihasilkan pada bilangan swirl ini sekitar 1414,23 K. 5. Pada daerah secondary fraksi massa CO yang tersisa hampir mendekati nol untuk semua
10
6.
7.
8.
kondisi. Temperatur tertinggi pada daerah ini, terjadi pada keadaan bilangan swirl 0,06285. Pada daerah keluaran ruang bakar temperatur tertinggi terjadi pada keadaan bilangan swirl 0,7583 berkisar 1155 K. Perbedaan tempertur, fraksi massa gas CO pada setiap kedaan berbeda. Hal ini dikarenakan untuk setiap daerah untuk mencapai keadaan stabil pembakaran berbeda, bergantung pada geometri setiap kompnen pada ruang bakar tersebut. Effisiensi pembakaran tertinggi terjadi pada keadaan bilangan Swirl 0,7583 yaitu sekitar 18,049 %
B. Saran Kedepannya dari penelitian dapat diarahkan untuk menyelidiki secara komprehensif kinerja swirler isothermal. Hal ini dapat dilakukan melalui studi numerik dibarengi dengan prcobaan yang terpercaya. Hal ini juga penting untuk memepelajari pengaruh desain swirler baru terhadap kecepatan axial dan tangential yang dihasilkan terhadap efisiensi pembkaran, emisi dan stabilitas api.
VI. DAFTAR PUSTAKA [1] Levabre, Arthur H. “Gas Turbin Combustion” Mc Graw Hill 1983. [2] Jiang, Xi. Hong lai, Choi. “Numerical Techniques for Direct and Large-Eddy Simulation” Chapman & Hall/CRC.2009. [3] L.X. Zhou, L.Y. Hu, F. Wang.”Large eddy simulations of turbulent combustion using different combustion models. Fuel 87 (2008). hal 3123-3131. [4] F. di Mare, W.P Jones, and K.R. Menzies ”Large Eddy Simulations of a model gas turbin combustor”, Combustion and Flame 137(2004). hal 278-294. [5] Yan Ying-Wen, Zhao Jian-Xing, Zhang Jing-Zhou, Liu Yong.”Large Eddy Simulation of two-phase spray combustion for gas turbine combustor” Applied Thermal Engineering 28(2007). hal 1365-1374. [6] Yehia A.Eldrainy, Hossam S. Ally, Khalid M. Saqr, Nazri Mohd Jafaar. “CFD Insight of the flow dynamicsin a novel swirler gas turbine combustor” International Communications in Heat and Mass Transfer 36(2009) hal 93
Biodata Penulis: Nama : Farid Viko B.. NRP : 2407.100.020 TTL : Surabaya, 23 Oktober 1989 Alamat : Jl. Karah Tama Asri I/43, Surabaya Riwayat Pendidikan : • SDN Kaliasain IV no.283 Surabaya (1995 – 2001) • SMP Negeri 6 Surabaya (2001 – 2004) • SMA Negeri 21 Surabaya (2004 – 2007) • Teknik Fisika-FTI-ITS (2007 – sekarang)
