JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
1
PERANCANGAN DAN STUDI NUMERIK VARIASI POSISI INLET UDARA MASUK TERHADAP PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA PADA INDUCED DRAFT COOLING TOWER UNTUK SISTEM ORGANIC RANKINE CYCLE Haykel Fibra Prabowo dan Prabowo Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrak—Cooling tower merupakan salah satu komponen yang penting dalam kinerja Organic Rankine Cycle. Cooling tower berguna untuk melepaskan panas ke lingkungan. Penelitian ini membahas cooling tower jenis induced draft. Tujuannya adalah untuk mendapatkan geometri induced draft cooling tower dan mengetahui perbedaan distribusi perpindahan panas dan massa melalui simulasi numerik. Perancangan dilakukan berdasar azas thermodinamika dan perpindahan panas dengan beban panas yang telah diketahui dari sistem ORC. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan software Fluent 6.3.26 dan berbasis 2D steady flow dengan pemodelan aliran k-ε realizable dan skema interpolasi second-order upwind. Pemodelan perpindahan massa dilakukan dengan menggunakan model species transport dengan melakukan pengaturan relatif humidity pada udara. Penelitian ini dilakukan dengan variasi posisi inlet udara masuk. Dari penelitian ini didapatkan geometri induced draft cooling tower yaitu tinggi 1.9 meter, lebar 1.83 meter dan panjang 1.83 meter. Dari simulasi numerik didapat hasil kuantitatif dan kualitatif yaitu dengan adanya variasi posisi inlet udara masuk memberikan perbedaan distribusi temperatur maupun kelembaban relatif sepanjang ruangan cooling tower, namun tidak memberikan perbedaan yang cukup signifikan di sisi keluaran cooling tower. Kata Kunci-- Organic Rankine Cycle, Induced draft Cooling tower, CFD
I. PENDAHULUAN
S
alah satu komponen dari ORC adalah cooling tower, yang digunakan untuk menurunkan suhu aliran air pada kondensor dengan cara mengekstraksi panas dari air dan mengemisikannya ke atmosfir. Cooling tower menggunakan penguapan dimana sebagian air diuapkan ke aliran udara yang bergerak dan kemudian dibuang ke atmosfir. Pada cooling tower untuk siklus tertutup seperti pada ORC digunakan induced draft cooling tower. Terdapat penelitian penelitian terdahulu mengenai cooling tower. Penelitian oleh Alok singh dan S P S Rajput (2011) berjudul “Application of CFD in Natural draft Wet Cooling tower Flow”.Pada penelitian ini dilakukan simulasi dengan menggunakan software CFD FLUENT terhadap Cooling tower tipe Natural draft. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perilaku termodinamik pada cooling tower melalui simulasi pada tiga garis vertikal berbeda. Hasil penelitian yang dilakukan oleh adalah berupa investigasi kaitan beberapa properties dari cooling tower yakni seperti static temperatur, total pressure, effective thermal conductivity, density, turbulent intensity, turbulent viscosity, stream functions, dan ethalpy.
Selain itu, juga terdapat penelitian yang dilakukan oleh Anjar Yoharko (2004). Penelitian ini ditujukan untuk merancang induced draft cooling tower. Penelitian ini adalah penelitian berbasis perancangan dan simulasi menggunakan Borland Delphi dengan judul “Perancangan Cooling tower Counterflow di PLTGU Gresik”. Pada penelitian yang dilakukan oleh Anjar Yoharko (2004), dilakukan perancangan untuk mendapatkan geometri cooling tower yang sesuai dengan kebutuhan PLTGU. Jenis cooling tower yang digunakan adalah mechanical draft counterflow cooling tower. Setelah itu, dilakukan pengujian performansi cooling tower hasil rancangan menggunakan Borland Delphi 5 untuk mengetahui apakah performansi cooling tower sesuai yang diharapkan atau tidak. Penelitian mengenai cooling tower juga dilakukan oleh Rafat dan Masud (2005) dengan judul “CFD simulations of wet cooling towers. Penelitian ini difokuskan pada natural draft cooling tower. Penelitian ini berbasis 3D dengan permodelan aliran k-ε. Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah variasi dengan dan tanpa adanya pengaruh kecepatan angin. Hasil dari penelitian ini adalah berupa kontur yang menjelaskan distribusi temperatur sepanjang ruangan cooling tower dan distribusi kelembaban relatif sepanjang ruangan cooling tower. Dalam karya tulis ilmiah ini akan dibahas mengenai perancangan dan simulasi numerik yang terjdi dalam ruang cooling tower dengan melakukan analisa secara numerik aliran 2 dimensi. Beberapa faktor yang mempengaruhi pendinginan adalah temperatur udara sekeliling, range dan approach. Berdasarkan hal tersebut pada penelitian ini, rumusan masalah yang akan dikaji antara lain : 1. Bagaimana mendapatkan geometri induced draft cooling tower dengan berdasarkan analisa termodinamika dan perpindahan panas untuk sistem Organic Rankine Cycle 2. Bagaimana pengaruh variasi posisi inlet udara masuk terhadap perpindahan panas dan massa pada cooling tower II. METODE PENELITIAN Secara garis besar, terdapat dua metodologi dalam penilitian induced draft cooling tower, metodologi perancangan dan metodologi simulasi numerik. A. Perancangan Induced Draft Cooling Tower Perancangan induced draft cooling tower meliputi perancngan geometri. Terdapat dua hal penting dalam penentuan geometri cooling tower, yaitu :
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 1. Perancangan Luasan Cooling Tower Luasan cooling tower dipengaruhi oleh debit air yang masuk kedalam cooling tower. Selain itu, dipengaruhi pula oleh water concentration chart
2 pembuatan meshing dan penentuan parameter-parameter yang digunakan. Domain Pemodelan Induced draft Cooling tower Geometri yang dibentuk dalam penelitian ini adalah geometri induced draft cooling tower dimana penelitian dibatasi pada rain zone saja seperti yang terlihat pada gambar :
Gambar 4 Water concentration Chart
A=
Qw L
2. Perancangan Tinggi Cooling Tower Tinggi cooling tower dipengaruhi oleh range temperatur dalam ruangan cooling tower. Dilakukan pendekatan analisa numeric dengan melakukan pembagian distribusi temperatur seperti pada gambar di bawah ini :
Gambar 5 Distribusi Temperatur
Sehingga nilai karakteristik cooling tower didapat :
= ∆T. ∑
Gambar 1 Domain Cooling tower
• Variabel Penelitian Umum Variabel variabel yang menentukan adalah : Variabel bebas : Posisi Inlet Udara Masuk Variabel terkontrol :Debit air cooling tower, dimensi cooling tower Pada penelitian kali ini difokuskan untuk meneliti pengaruh posisi inlet udara masuk yang berbeda terhadap proses pelepasan panas yang terjadi pada cooling tower. Bidang atau volum yang diisi oleh fluida dibagi menjadi sel-sel kecil (meshing) sehingga kondisi batas dan beberapa parameter yang diperlukan dapat diaplikasikan ke dalam elemen-elemen kecil tersebut. Bentuk mesh yang dipilih adalah hex-map. Proses meshing dilakukan dengan merapatkan meshing pada daerah yang dekat dengan permukaan air. Perapatan meshing pada bagian geometri tertentu dilakukan untuk meningkatkan ketelitian hasil simulasi. Fenomena dan karakteristik aliran yang dianalisa secara mendalam adalah daerah sekitar permukaan air. Setelah proses meshing, dilakukan pengubahan format model dengan melakukan dilakukan proses ekspor file ke bentuk format *.msh pada software FLUENT 6.3.26. B.
Setelah mendapatkan nilai karakteristik cooling tower, maka langkah selanjutnya adalah mencari nilai tinggi cooling tower (z). Tinggi cooling tower :
z=
.
B. Simulasi Numerik Induced Draft Cooling Tower Pada penelitian ini juga digunakan metode numerik berbasis komputasi CFD (Computational Fluid Dynamic). Pada metode numerik dibutuhkan tiga tahapan utama yang harus dilakukan, antara lain: preprocessing, solving atau processing, dan postprocessing. Tahapan Preprocessing terdiri dari beberapa sub-tahapan antara lain: pembuatan geometri, penentuan domain,
Processing Pada tahapan Processing penelitian dilakukan dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26 yang terdiri dari tahapan dibawah ini. • Pemilihan Spesies Pada penelitian ini juga digunakan pemodelan spesies transport. Pemodelan Spesies transport digunakan untuk memodelkan kondisi perpindahan massa yang terjadi pada udara masuk yang mengandung fraksi massa air (H2O). adalah 1 karena merupakan H2O murni. • Boundary Condition Data yang diperlukan pada batas tergantung dari tipe kondisi batas yang digunakan. Dalam simulasi ini menggunakan batas kondisi yang ditampilkan pada tabel 1
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
3
Tabel 1. Boundary Condition Boundary Condition Inlet Outlet Wall Water
Keterangan Tipe : Velocity Inlet Temperatur : 304.67 K Kecepatan : 0.165 (arah sumbu-y) Species mass transport : 0.67 Tipe : Outflow Tipe : Wall Tipe : Wall Temperatur : 306.5 K Species mass transport : 1
• Iterasi Nilai residual yang digunakan dalam mengatur tingkat ketelitian iterasi pada penelitian ini adalah 10-4 untuk persamaan dasar yang digunakan dalam penyelesaian penelitian.
Pada laju alir massa yang sama, udara memasuki ruang cooling tower. Terdapat masing masing empat buah lubang inlet di sisi kanan dan kiri cooling tower pada arah variasi 1 dan terdapat masing masing sebuah inlet pada sisi kanan kiri cooling tower pada arah variasi 2. Terjadi perpindahan panas antara air dan udara sehingga memberikan distribusi temperatur ruangan cooling tower. Udara masuk dengan temperature 304.67 Kelvin pada sisi inlet, kemudian perlahan lahan temperatur udara semakin meningkat seiring dengan bertambahnya elevasi cooling tower.
Gambar 8 Kontur Kelembaban Relatif
Distribusi kelembaban relatif yang ditunjukkan pada variasi 2 memiliki pola yang hampir serupa dengan kontur temperatur. Kesamaan pola tersebut adalah pada distribusi kelembaban relatif yang memiliki nilai terendah pada sisi sekitar inlet. Namun, semakin bertambahnya elevasi pada ruang cooling tower, fraksi massa yang ditunjukkan semakin besar. Grafik kelembaban relatif (ϕ) vs Ketinggian (y) 90 88 86
Kelembaban Relatif (%)
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil perancangan induced draft cooling tower, didapatkan dimensi berupa panjang, lebar dan tinggi cooling tower. Tinggi cooling tower yang didapat adalah 1.9 meter. Tinggi cooling tower ini sangat dipengaruhi oleh range temperatur air pada cooling tower. Sedangkan luasan yang didapat yaitu 3.35 m2, sehingga panjangnya adalah 1.83 meter dan lebarnya adalah 1.83 meter. Luasan cooling tower dipengaruhi oleh debit air yang masuk kedalam cooling tower. Penelitian ini juga menggunakan simulasi numerik , yakni dalam hal ini adalah CFD. Pada penelitian dengan simulasi numerik dapat diketahui profil kontur selama dilakukannya pengambilan data. Kontur karakteristik perpindahan panas dan massa pada cooling tower menunjukkan fenomena yang terjadi selama penelitian secara kualitatif. Pada penelitian ini akan dianalisa kontur temperatur dan fraksi massa air di dalam cooling tower secara dua dimensi.
Gambar 7 Kontur Temperatur
84 82 80
variasi 2
78
variasi 1
76 74 72 70 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
ketinggan (m)
Gambar 6 Kontur Kecepatan
Kontur diatas merupakan kontur kecepatan didalam ruang cooling tower. Pada variasi 2, udara masuk dari sisi kanan kiri bawah ruang cooling tower, sedangkan pada variasi 1, udara masuk dari sisi kanan dan kiri cooling tower lewat masing masing empat buah laluan inlet. Selanjutnya udara akan terkontakkan dengan air panas sehingga terjadilah perpindahan panas dan massa.
Gambar 9. Grafik Kelembaban Relatif versus Ketinggian
Terdapat dua garis yang mengintepretasikan keadaan rasio kelembaban sepanjang elevasi 0.1 meter hingga 1.9 meter. Pada arah variasi 2, kenaikan secara konstan terjadi pada elevasi 0.4 meter hingga 0.8 meter. Namun, terjadi perubahan penambahan kenaikan kelembaban relatif pada elevasi 0.8 meter hingga sisi outlet.Pada arah variasi 1 yang ditunjukkan dengan garis merah, menunjukkan fluktuasi nilai kelembaban relatif sepanjang elevasi cooling tower.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
4 butiran. Sedangkan nilai paling besar terletak pada tengah sisi keluaran cooling tower. Nilai rata rata pada variasi 2 adalah lebih besar daripada variasi 1
Grafik Temperatur (T) vs Ketinggian (y) 306.2 306
Temperatur (T)
305.8 305.6 variasi 2
305.4
variasi 1
305.2 305 304.8 0
0.5
1
1.5
2
Ketinggian (y)
Gambar 10 Grafik Temperatur versus Ketinggian
Kedua garis tersebut mengintepretasikan nilai temperatur sepanjang posisi cooling tower. Terlihat, grafik yang dimunculkan pada temperatur hampir menyerupai grafik pada perubahan rasio kelembaban. Hal ini dikarenakan oleh adanya teori yang menyatakan bahwa perpindahan panas juga terkait dengan perpindahan massa. Distribusi Temperatur Sepanjang Outlet (x) 306.6 306.4 306.2
Temperatur
306 305.8
variasi 2 variasi 1
305.6 305.4 305.2
Gambar 13. Bagan Psikrometrik Sepanjang Ruangan Cooling tower
Berikut merupakan bagan psikometrik yang diplot terhadap lima titik yang diambil untuk mewakili udara lembab pada sisi inlet hingga pada sisi outlet. Masing masing memiliki nilai temperatur dan kelembaban relatif yang berbeda satu sama lain, dimana nilai temperatur dan nilai kelembaban relatif diambil nilai rata ratanya pada tiap elevasinya. Secara keseluruhan, garis yang menghubungkan keadaan pada sisi inlet dan outlet yang tergambar pada bagan psikometrik memiliki kecendurungan arah ke kanan atas. Hal ini menandakan bahwa pada sepanjang ruangan cooling tower terjadi perpindahan panas sensibel dan laten. Perpindahan panas sensibel ditandai dengan arah pergeseran garis yang cenderung ke kanan
305 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
x
Gambar 11. Grafik Temperatur sepanjang outlet
Gambar 11 menunjukkan grafik yang menunjukkan perbedaan yang ditampilkan pada variasi arah variasi 1 dan 2. Nilai rata rata pada variasi 2 adalah lebih besar daripada variasi 1. Terjadi fluktuasi nilai temperatur sepanjang sisi keluaran cooling tower, hal ini disebabkan oleh keacakan butiran. Sedangkan nilai paling besar terletak pada tengah sisi keluaran cooling tower. Distribusi Kelembaban Relatif Sepanjang Outlet (x) 100
95
Kelembaban Relatif
90
85
variasi 2 variasi 1
80
75
70 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
x
Gambar 12. Grafik Kelembaban relatif sepanjang outlet
Gambar 12 menunjukkan grafik yang menunjukkan perbedaan yang ditampilkan pada variasi arah variasi 1 dan 2. Terjadi fluktuasi nilai kelembaban relatif sepanjang sisi keluaran cooling tower, hal ini disebabkan oleh keacakan
IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan pembahasan serta analisa data pada bab sebelumnya, maka dalam penelitian mengenai perancangan dan studi numerik pengaruh variasi posisi udara masuk terhadap perpindahan panas dan massa pada induced draft cooling tower untuk sistem ORC dapat diambil kesimpulan bahwa 1. Didapatkan geometri induced draft cooling tower yaitu tinggi 1.9 meter, lebar 1.83 meter dan panjang 1.83 meter. 2. Besarnya range antara Temperatur air masuk dan keluar cooling tower mempengaruhi dimensi tinggi cooling tower. Sedangkan besarnya debit air yang masuk kedalam cooling tower mempengaruhi dimensi luasan cooling tower. Semakin besar debit air masuk dan range pendinginan cooling tower mengakibatkan semakin besar luasan dan tinggi cooling tower. 3. Ketiadaan packing (fill) akan menyebabkan lama kontak antara air dan udara semakin cepat sehingga menurunkan nilai koefisien perpindahan massa, akibatnya tinggi cooling tower bertambah. 4. Pada masing masing variasi yaitu variasi 1 dan 2, udara keluar dari cooling tower dalam keadaan mendekati jenuh karena kelembaban relatif udara pada sisi keluaran hampir mencapai 100%, yiatu berturut turut 90% dan 88% 5. Dengan adanya garis kerja udara pada bagan psikometrik yang menunjukkan tren garis kekanan atas menandakan bahwa selain terjadi perpindahan panas sensibel, juga
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 terjadi perpindahan panas laten karena ada perpindahan massa dari muka air basah ke udara. 6. Variasi posisi inlet tidak memberikan perbedaan yang signifikan pada sisi keluaran cooling tower, baik temperatur maupun kelembaban relatif. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Haykel Fibra Prabowo mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah mendukung hingga penulisan jurnal ilmiah ini. Ucapan terima kasih kepada Dr.Eng.Ir.Prabowo,M.Eng selaku dosen pembimbing tugas akhir penulis. Ucapan terima kasih pada kedua orang tua penulis dan segenap kolega yang senantiasa mendukung penulis. Ucapan terima kasih dan hormat kepada semua dosen, karyawan dan mahasiswa Teknik Mesin ITS yang telah mengajarkan tentang hidup dan kemahasiswaan yang bermakna selama penulis berkuliah di ITS. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
[10] [11]
Couture, Philip. Thermal-Hydaraulic Design of Replacement Cooling towers for Vermont Yankee Nuclear Power Station. 2010. Rensselaer Polytechnic Institute Hartford Along, Rajput. Application CFD on Wet Draft Cooling tower.2011. ijera.com Rafat, Masud. CFD Simulation On Wet Cooling Towers. 2005. Universty of Sidney Yoharko, Anjar. Perancangan Induced draft Cooloing Tower pada PLTGU Gresik. 2004,.ITS Mc Kelvey. Industrial Cooling tower Book. 1960. Mc Graw Hill. www.energyefficiencyasia.org/coolingtower Leeper, Stephen. Cooling tower Rule of Thumb.1981. US Department of Energy Cheremisinoff, Nicholas., Cooling towers Selection, Design, and Practice. 1990. Ann Arbor Science Incropera, Frank P., De Witt, David P. Fundamental of Heat and Mass Transfer. 5th Edition. 2002. John Wiley & Sons Inc. New York. Perry., Green., Perry’s Chemical Engineering Handbook.2006. McGraw Hill Geankoplis, Christie., Transport Processes and Unit Operations. 1990. Prentice Hall Inc
5
