BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Gas buang (exhaust gas) yang dikeluarkan melalui cerobong dari suatu
sistem turbin gas pada umumnya masih mengandung energi termal yang cukup tinggi. Hal ini berdampak pada efisiensi keseluruhan dari sistem turbin gas yang relatif rendah. Oleh karena itu, berbagai usaha telah dilakukan dalam rangka meningkatkan efisiensi dari sistem tersebut. Salah satunya adalah dengan penerapan cogeneration plant untuk menyerap atau memanfaatkan kembali energi termal yang terkandung di dalam gas buang. Penerapan cogeneration plant yang disampaikan di atas akan berkontribusi pada energi total yang dihasilkan oleh suatu sistem turbin gas. Selain menghasilkan energi listrik sebagai keluaran utamanya, sistem turbin gas dengan cogeneration plant juga bisa menghasilkan energi pemanasan di distrik heating maupun energi pendinginan di distrik cooling. Jadi, hal ini dapat dipahami bahwa penerapan cogeneration plant akan berdampak pada kenaikan efisiensi total dari suatu sistem turbin gas. Selanjutnya, agar dapat memberikan manfaat yang optimal baik pada pengoperasian distrik heating maupun distrik cooling maka pada cogeneration plant mutlak diperlukan suatu tangki penyimpan energi termal (Ataer, 2006). Tangki penyimpan energi termal (tangki PET) merupakan alat yang dapat menyimpan energi termal pada saat beban pemanasan/pendinginan rendah, dan menggunakannya saat beban pemanasan/pendinginan tinggi. Sebagai contoh, beban pendinginan di perkantoran lebih tinggi pada siang hari daripada saat malam hari, beban pemanasan di perumahan lebih tinggi pada malam/pagi hari daripada saat siang hari, dan lain sebagainya. Dengan demikian, adanya tangki tersebut di dalam sistem pengoperasian distrik heating/cooling sangat dibutuhkan untuk mengoptimalkan pengaturan beban dan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.
Tangki PET dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu tangki PET sensible dan latent. Tangki PET jenis sensible dapat dibedakan lagi menjadi dua jenis berdasarkan metode pemisahan air panas dan air dingin di dalamnya, yaitu pemisahan dengan metode stratifikasi secara alami dan metode menggunakan sekat atau pemisah. Umumnya metode pemisahan yang digunakan adalah metode stratifikasi secara alami, karena paling sederhana, efisien, dan ekonomis (Zurigat dkk, 1988). Dalam operasiannya, tangki PET stratifikasi mula-mula berisikan air dingin. Proses penyimpanan energi termal dilakukan dengan cara memasukkan air panas ke dalam tangki melalui pipa bagian atas dan mengeluarkan air dingin melalui pipa bagian bawah. Efisiensi sistem pengoperasian distrik heating/cooling yang menggunakan tangki PET stratifikasi sangat bergantung pada bagaimana air panas dan air dingin di dalamnya terstratifikasi atau terpisah dengan baik selama pengoperasian. Sebaliknya, apabila terjadi mixing antara air dingin dan air panas, maka energi yang tersimpan akan berkurang sehingga efisiensi pun menurun. Untuk mengurangi mixing yang berlebih antara air panas dan air dingin, maka pada ujung pipa bagian atas maupun pipa bagian bawah dipasang difuser. Secara garis besar, proses penyimpanan energi termal yang terjadi akan menghasilkan distribusi temperatur air tertentu di dalam tangki. Parameterparameter yang memengaruhi unjuk kerja tangki PET umumnya diukur berdasarkan distribusi temperatur tersebut. Saat ini, metode penentuan dari parameter unjuk kerja yang tersedia adalah dengan cara melakukan estimasi terhadap profil distribusi temperatur (Musser & Bahnfleth, 1998). Dalam hal ini, implementasi dari metode tersebut perlu melakukan capturing terhadap distribusi temperatur. Distribusi temperatur biasanya diukur dengan alat pengukur suhu pada titik-titik tertentu di dalam tangki. Sejauh ini, banyak penelitian secara eksperimen terkait tangki PET stratifikasi yang menggunakan pengukur suhu pada titik-titik tertentu di dalam tangki mengasumsikan bahwa temperatur pada satu titik di ketinggian tertentu di dalam tangki telah mewakili temperatur secara radialnya (temperatur pada satu lapisan horizontal). Salah satunya seperti yang dikemukakan oleh Ghaddar dan Al-Marafie (1997), yang menyebutkan bahwa distribusi temperatur secara radial
pada tangki PET stratifikasi dengan flow rate yang rendah hampir uniform. Padahal, perlu dilakukan verifikasi terlebih dahulu apakah memang dapat diasumsikan bahwa temperatur pada satu lapisan tersebut uniform atau tidak. Untuk melakukan hal tersebut secara eksperimen, tentunya memerlukan biaya yang tidak sedikit. Oleh sebab itu, metode yang paling efisien adalah dengan menggunakan simulasi numerik. Dari persoalan tersebut, muncul gagasan untuk memverifikasi secara komprehensif mengenai distribusi temperatur di dalam tangki PET stratifikasi dengan menggunakan sofware Computational Fluid Dynamics (CFD), Fluent. Data yang dijadikan sebagai referensi untuk verifikasi numerik di sini adalah data yang diperoleh dari penelitian secara eksperimen yang dilakukan oleh Purnanto (2013). Dengan melakukan verifikasi secara numerik ini, diharapkan dapat diketahui apakah distribusi temperatur yang digunakan sudah tepat apabila mengasumsikan bahwa distribusi temperatur secara radial sudah dapat dikatakan sebagai distribusi temperatur yang uniform.
1.2
Rumusan Masalah Seperti yang telah disebutkan di atas, bahwa sampai saat ini banyak
penelitian terkait tangki PET stratifikasi dengan metode eksperimen yang mengasumsikan bahwa pada satu titik ketinggian (vertikal) di dalam tangki, temperaturnya diasumsikan sudah mewakili temperatur satu lapisan horizontal. Namun, sebaiknya perlu dilakukan sebuah verifikasi/konfirmasi serta kajian yang lebih komprehensif mengenai distribusi temperatur di dalam tangki PET. Selanjutnya, rumusan permasalahan yang akan dipecahkan melalui penelitian ini adalah: 1. Bagaimana distribusi temperatur secara radial di dalam tangki PET stratifikasi? 2. Apabila distribusi temperatur secara radial di dalam tangki PET tidak uniform, seberapa besarkah ketidak-uniform-an tersebut? 3. Sejauh manakah keakuratan simulasi yang dilakukan?
4. Apakah penggunaan model turbulensi tertentu pada simulasi memberi pengaruh yang signifikan terhadap hasil verifikasi?
1.3
Asumsi dan Batasan Masalah Asumsi dan batasan masalah yang digunakan pada penelitian ini antara lain: 1. Tangki PET stratifikasi yang disimulasikan adalah tangki skala kecil hasil eksperimen oleh Purnanto (2013) yang ada di Laboratorium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin dan Industri, FT-UGM. 2. Proses yang disimulasikan mengikuti eksperimen yang telah dilakukan, yaitu hanya mencakup proses charging sampai dengan 30 menit saja. 3. Temperatur awal air dingin di dalam tangki sesaat sebelum proses charging dimulai diasumsikan dalam keadaan uniform, yaitu pada temperatur 29,5 oC. 4. Temperatur masuk air panas diasumsikan tetap selama proses charging yaitu pada temperatur 50 oC. 5. Pembuatan domain komputasi (computational domain) dan mesh dilakukan dengan menggunakan software Gambit 2.3.16. 6. Simulasi 3D dengan aliran unsteady dilakukan dengan menggunakan software Fluent 14.0. 7. Model turbulensi yang digunakan untuk variasi adalah model k-ϵ Standard, k-ϵ RNG, dan k-ϵ Realizable 8. Tangki diisolasi sehingga diasumsikan tidak ada kalor yang keluar ke lingkungan maupun masuk ke dalam sistem. 9. Verifikasi dilakukan dengan membandingkan data yang didapat dari hasil simulasi dengan data hasil eksperimen Purnanto (2013).
1.4
Tujuan Penelitian Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini yaitu: 1. Mendapatkan distribusi temperatur secara radial di dalam tangki PET stratifikasi. 2. Menganalisis distribusi temperatur secara radial di dalam tangki PET secara lebih komprehensif. 3. Mengetahui tingkat keakuratan hasil simulasi. 4. Membandingkan keakuratan hasil simulasi berdasarkan model turbulensi yang digunakan.
1.5
Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini antara lain: 1. Memberikan saran untuk penelitian tangki PET stratifikasi pada masa yang akan datang, baik eksperimen maupun simulasi. 2. Dengan tingkat keakuratan simulasi yang baik, diharapkan metode simulasi numerik dapat mengurangi jumlah eksperimen yang relatif membutuhkan lebih banyak biaya. 3. Memahami
prinsip-prinsip
penggunaan
metode
simulasi
untuk
menyelesaikan permasalahan di dalam tangki PET stratifikasi.
1.6
Sistematika Penulisan Tugas akhir ini disusun dalam enam bab sebagai berikut: 1. Bab I – Pendahuluan Berisi latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. 2. Bab II – Tinjauan Pustaka
Menguraikan penelitian-penelitian mengenai tangki PET stratifikasi yang sudah dilakukan sebelumnya, khususnya penelitian secara numerik. 3. Bab III – Landasan Teori Memberikan gambaran tentang tangki PET stratifikasi, penerapannya dalam sistem untuk distrik pemanas dan pendingin, parameter-parameter yang menentukan unjuk kerja tangki PET stratifikasi, serta fenomenafenomena fisis yang terjadi di dalamnya. 4. Bab IV – Metodologi Penelitian Menjelaskan tahapan-tahapan dilakukannya verifikasi numerik tangki PET stratifikasi secara terperinci. 5. Bab V – Hasil dan Pembahasan Membahas hasil simulasi dan perbandingannya dengan hasil eksperimen tangki PET stratifikasi yang sudah dilakukan sebelumnya. 6. Bab VI – Penutup Berisi kesimpulan penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya.
