JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Studi Numerik Pengaruh Sudut Bukaan Damper Pada Saluran Udara (Studi Kasus di PT. PJB UP Gresik) Aditya Sayudha Prabowo dan Kadarisman Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
Abstrak—Untuk menghasilkan pembakaran, ada 3 persyaratan yang harus terpenuhi, yaitu tersedianya bahan bakar, udara bakar, dan tercapainya temperatur pembakaran. Sebuah pembangkit listrik tenaga uap selalu dilengkapi dengan force draft fan (FDF) sebagai komponen pensuplai udara pembakaran. Udara yang disuplai FDF selanjutnya akan mengalir dalam saluran udara hingga menjadi udara pembakaran pada boiler. Namun di sisi keluaran FDF masih terdapat damper yang bertujuan untuk membatasi laju aliran udara disesuaikan dengan kebutuhan pembakaran. Penelitian ini dilakukan agar dapat mengetahui perilaku aliran udara bilamana dilakukan variasi sudut bukaan damper. Penelitian berikut dilakukan menggunakan bantuan perangkat lunak, yaitu dengan cara memodelkan geometri saluran udara serta variasi sudut bukaan 00, dan 150. Secara umum dilakukan beberapa pengaturan yaitu turbulence model realizable k-ԑ, dan pemodelan unsteady. Dari pembuatan variasi geometri yang telah selesai, kemudian dilanjutkan dengan proses iterasi dan komputasi. Hasil-hasil yang didapat diantaranya adalah temperatur udara keluar tertinggi pada variasi sudut 150 yaitu untuk masing-masing elevasi data y = 0,49 m; y = 1,47 m; y = 2,45 m sebesar 394,35 K, 416,41 K, dan 429,62 K. Selain itu kerugian tekanan di sepanjang saluran terjadi karena dimensi damper, konfigurasi steam coil air heater, dan geometri saluran udara sendiri. Kata Kunci: damper, pemodelan numerik, saluran udara, udara bakar
dilakukan di pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) milik PT. PJB UP Gresik unit 3, penurunan temperatur uap pada steam coil air heater bergradien linier, perpindahan panas ke sekeliling sistem dapat diabaikan, aliran udara dalam kondisi unsteady dan incompressible. Tujuan serta manfaat yang diharapkan dari penelitian ini antara lain adalah dapat tervisualisasikannya pola aliran udara yang terbentuk terhadap 2 variasi sudut bukaan damper, dan dapat memberikan informasi awal terhadap instansi terkait sehubungan dengan pola pengoperasian damper. II. URAIAN PENELITIAN A. Tahapan Pemodelan Geometri Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini didasarkan pada data yang diperoleh dari PLTU unit 3 PT. PJB UP Gresik, dengan membaca literatur yang masih terkait dengan permasalahan yang akan dibahas. Setelah didapatkan referensi dan literatur, dilanjutkan dengan memodelkan geometri ke dalam software computation fluid dynamics dengan sebelumnya telah ditentukan jumlah diskretisasi di tiap volume variasi. Dari file geometri yang telah dibuat, maka dilakukan langkah iterasi dan komputasi.
I. PENDAHULUAN
U
ntuk menghasilkan sebuah pembakaran ada 3 persyaratan yang harus terpenuhi, yaitu tersedianya temperatur pembakaran. Sebuah pembangkit listrik tenaga uap selalu dilengkapi dengan force draft fan (FDF) sebagai komponen pensuplai udara pembakaran. Juga pompa bahan bakar dan burner sebagai jalan masuk bahan bakar ke dalam boiler, selain itu boiler juga dilengkapi dengan ignitor yang dilengkapi dengan busi untuk mendapatkan temperatur tinggi pada awal pembakaran. Adapun udara bakar yang digunakan adalah udara ambient yang dihisap oleh FDF yang kemudian dialirkan ke dalam saluran udara dan melewati beberapa proses pemanasan yaitu oleh steam coil air heater (S.C.A.H) dan ljungstrom air preheater. Namun di sisi keluaran FDF udara akan melalui damper agar laju aliran udara dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Batasan-batasan masalah yang digunakan dalam analisis ini adalah pengambilan data
Gambar 1. Diskretisasi volume pada sudut bukaan damper 00
Gambar 1 menunjukkan hasil diskretisasi volume pada salah satu variasi penelitian, tampak bahwa elemen heksahedral dominan digunakan dalam pemodelan ini. Langkah selanjutnya ialah menetapkan kondisi batas di masing-masing lokasi pada saluran udara yaitu inlet sebagai velocity inlet, zona depan, tengah, belakang dan damper sebagai wall, outlet sebagai pressure outlet, S.C.A.H sebagai continuum. B. Tahapan Komputasi
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 Dalam tahap komputasi, geometri yang sebelumnya telah didiskretisasi akan diiterasi sampai memenuhi kriteria konvergensi sebesar kurang dari sama dengan 10-5 . Pada tahap ini diperlukan masukan nilai-nilai konstan sebelum iterasi dimulai seperti inlet velocity, inlet temperature, outlet pressure. Selain nilai-nilai yang telah disebutkan pengaturan kondisi batas zona continuum sebagai porous zone (porosity = 0,8) juga dilakukan di sini. C. Tahapan Penyuntingan Hasil iterasi dan komputasi yang telah memenuhi kriteria konvergensi dituliskan kembali untuk mendapatkan hasil-hasil yang akan dianalisis lebih lanjut seperti tekanan total, temperatur statik, dan kecepatan di sejumlah penampang bidang saluran udara.
2 Gambar 2. Grafik temperatur statik posisi sumbu-x
Gambar 2 merepresentasikan temperatur statik di sepanjang geometri dimana grafik temperatur pada ketinggian y = 2,45 m dan y = 1,47 m memiliki kecenderungan naik hingga kurang lebih x = 7,8 m selanjutnya turun. Jika dianalisis lebih lanjut mengenai kesesuaian grafik terhadap fenomena aktual yang terjadi adalah bahwa dengan sudut damper 00 atau serupa dengan kondisi operasi harian di lapangan, maka pada elevasi y = 0,49 m dapat dianggap sebagai aliran yang berada dekat dinding alas saluran sehingga meskipun pada rentang 13 m ≥ x ≥ 7,8 m belum menunjukkan peningkatan. Hal tersebut dapat diamati pada gambar 3 yang memperlihatkan kontur aliran. Disamping hal tersebut ialah juga karena adanya aliran terbelok, sehingga efek pemanasan setelah melewati S.C.A.H hanya dirasakan 1 sisi saja.
III. HASIL DAN DISKUSI Bagian ini menjelaskan analisis yang dilakukan terhadap kedua variasi pemodelan, yaitu pada sudut damper 00 dan 150 . Dengan pembuatan geometri model dan diskretisasi volume kemudian dilanjutkan dengan komputasi hingga akhirnya didapatkan visualisasi kontur yang akan mampu menjelaskan pola aliran udara yang terbentuk sekaligus perubahan properti selama udara mengalir. A. Nilai Kondisi Batas Karena pada bagian sebelumnya telah dijelaskan mengenai nilai-nilai konstan yang diperlukan, maka tabel 1 di bawah ini merupakan nilai-nilai yang telah dihitung untuk selanjutnya Tabel 1. Nilai kondisi batas pada sudut damper 00 Kondisi Batas
Nilai
Satuan Nilai
inlet velocity
23,35
m/sec
inlet temperature
308,27
K
outlet pressure 00
8516,446
Pa
Gambar 3. Kontur temperatur statik bidang-y
digunakan pada tahapan komputasi.
Temperatur Statik (K)
B. Hasil Sudut Damper 00 B.1 Analisis Temperatur
440 400 y=1.47m
360
y=0.49m
320
y=2.45m
280 0
5
10
Posisi Sumbu-x (m)
15
Efek pemanasan setelah melewati S.C.A.H hanya dirasakan di satu sisi saja, namun di sisi lain terdapat daerah dengan temperatur tinggi yang berada ketika aliran belum melintasi S.C.A.H. Anomali tersebut terjadi karena korelasi antara kecepatan aliran yang umumnya termanifestasikan sebagai angka Reynold terhadap kenaikan temperatur oleh perpindahan panas secara konveksi paksa yaitu bilamana angka Reynold rendah secara tidak langsung juga akan menurunkan koefisien konveksi selanjutnya dengan heat flux tetap maka akan berakibat kenaikan temperatur di area tersebut.
3
Tekanan Total (Pa)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 8600 8500 8400
y=0.49m
8300 8200
y=1.47m
8100
y=2.45m 0
5
10
15
Posisi Sumbu-x (m) Gambar 6. Grafik tekanan total posisi sumbu-x
Gambar 4. Kontur kecepatan bidang-y
Ketakmerataan distribusi temperatur statik juga terjadi pada bidang-x yang searah aliran udara menuju sisi outlet dimana distribusi temperatur dekat dinding saluran atas dibanding daerah di bawahnya. Adapun penjelasan fenomena yang terjadi ialah karena efek bouyancy force yang mengakibatkan fluida dengan temperatur tinggi lebih berkecenderungan untuk terangkat dibanding bertemperatur rendah. Selain oleh bouyancy force, fenomena ini juga diakibatkan adanya deadregion yang menyebabkan aliran teresirkulasi di satu daerah saja sehingga terjadi akumulasi panas.
Gambar 6 adalah grafik yang mengkorelasikan antara tekanan total posisi sumbu-x di ketinggian yang bervariasi, yaitu y = 2,45 m, y = 1,47 m, dan y = 0,49 m. Secara umum ketiga grafik di atas memiliki kecenderungan kenaikan dan penurunan yang sama, meskipun terdapat perbedaan saat berada di x = 13 m. Adapun tinjauan secara fenomena sehingga memunculkan grafik sedemikian rupa adalah karena saluran udara memiliki bentuk seperti diffuser, dimana secara umum pada aliran viscous-incompressible akan mengalami kenaikan tekanan bila melalui geometri dengan pembesaran penampang di sisi keluaran. Di sisi lain peralatan-peralatan yang terpasang di dalamnya akan mengakibatkan penurunan tekanan.
Gambar 5. Kontur temperatur statik bidang-x
Gambar 7. Kontur tekanan total bidang-y
B.2 Analisis Tekanan Selain analisis temperatur, disertakan juga analisis terhadap propertis aliran udara lainnya yaitu tekanan total. Dengan garis lokasi pengambilan data yang sama seperti analisis temperatur, didapat grafik yang menyatakan tekanan total di sepanjang sumbu-x untuk tiap posisi ketinggian.
Fenomena naiknya tekanan total di sisi outlet disebabkan karena profil kecepatan yang terjadi belum mencapai kondisi terkembang penuh atau fully developed flow. Karena sesuai dengan teorema fully developed flow in a pipe harga penurunan tekanan bernilai konstan jika dan hanya jika aliran telah mencapai kondisi terkembang penuh.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
4
Temperatur Statik (K)
C. Hasil Sudut Damper 150 C.1 Analisis Temperatur
440 400 360
y=0.49m
320
y=1.47m
280
y=2.45m 0
5
10
15
Posisi Sumbu-x (m) Gambar 8. Grafik temperatur statik posisi sumbu-x
Gambar 8 di atas memiliki perbedaan yang cukup signifikan jika dibanding gambar 2 yang juga melakukan analisis terhadap perubahan temperatur statik di sepanjang sumbu-x untuk tiap posisi ketinggian. Bila pada gambar 2 kenaikan temperatur untuk elevasi y = 0,49 m baru terjadi pada posisi x = 7,8 m, lain halnya dengan yang terjadi pada variasi ini. Kenaikan temperatur bahkan sudah terjadi di awal sisi masuk saluran, meskipun sempat terjadi penurunan sesaat namun pada rentang 9 m ≥ x ≥ 8 m keseluruhan grafik mengalami kenaikan yang sama. Secara fenomena hal di atas terjadi karena udara masuk lebih mendapat hambatan daripada jika damper dibuka penuh (φ = 00).
Gambar 10. Kontur kecepatan bidang-y
Kontur kecepatan yang ditunjukkan melalui gambar 10 diharapkan memberikan gambaran mengenai penyebab ketakmerataan distribusi temperatur statik pada bidang-x. Karena kecepatan pada bidang y = 2,21 m lebih besar daripada y = 1,47 m dan 0,73 m maka sesuai kaidah konveksi, akumulasi panas akan terdistribusi merata hampir pada sisi atas saja.
Gambar 11. Kontur temperatur statik bidang-x
Gambar 9. Kontur temperatur statik bidang-y
Gambar 9 sekaligus mengindikasikan bahwa kemampuan aliran udara dalam menyerap panas yang dibangkitkan oleh S.C.A.H juga makin meningkat. Namun demikian, terdapat perbedaan yang cukup signifikan jika dibanding variasi sudut damper 00 perbedaan tersebut ialah ketiadaan akumulasi panas di daerah sebelum S.C.A.H. Hal itu dikarenakan aliran dipaksa berbelok ke sisi atas saluran sehingga konsentrasi kecepatan yang berpengaruh terhadap kenaikan temperatur hanya didapati di salah satu sisi saluran saja.
C.2 Analisis Tekanan Setelah dilakukan analisis terhadap perilaku temperatur udara di sepanjang saluran pada sudut bukaan damper 150 selanjutnya ialah analisis terkait tekanan total di dalam saluran. Dimana gambar 12 diharapkan mampu memberikan gambaran awal mengenai evolusi tekanan udara mulai masuk hingga keluar saluran. Perbedaan dibanding gambar 6 adalah pada analisis ini lebih didominasi oleh munculnya kurva.
Tekanan Total (Pa)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5 Bapak Kadarisman dan Bapak Wawan Aries Widodo yang telah banyak memberikan saran demi perbaikan selama pengerjaan jurnal penelitian ini.
8500 8400
DAFTAR PUSTAKA
y=2.45m
8300
y=0.49m
8200
y=1.47m
8100 0
5
10
15
[1].
[2]. [3].
Posisi Sumbu-x (m)
[4].
Gambar 12. Grafik tekanan total posisi sumbu-x
[5].
Ditinjau dari grafik yang terbentuk, terdapat beberapa macam kemungkinan fenomena yang sebenernya terjadi di lapangan dan salah satunya ialah faktor geometri. Dimana aliran pada elevasi y = 2,45 m melalui damper teratas dengan celah yang paling sempit. Namun seperti variasi sudut damper 00 bahwa kenaikan tekanan di hampir sisi outlet adalah karena profil kecepatan yang terbentuk belum mencapai kondisi terkembang penuh.
[6].
Gambar 13. Kontur tekanan total bidang-y
IV. KESIMPULAN Kesimpulan atau ringkasan yang dapat diambil dari hasil simulasi dan analisis numerik mengenai aliran udara melintasi damper pada saluran udara diantaranya adalah bahwa nilai temperatur udara keluar tertinggi terjadi pada variasi sudut 150, serta dimensi damper dan konfigurasi steam coil air heater turut menjadi penyebab kerugian tekanan yang dialami udara saat mengalir di sepanjang saluran. Agar didapatkan penelitian selanjutnya dengan hasil yang lebih baik, maka diperlukan pemahaman lebih lanjut perihal pengaturan porous media. UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis hingga jurnal ini terselesaikan, khususnya kepada
[7].
Fox, Robert W, Mc Donald, Alan T, and Pritchard, Philip J. 2004. Introduction to Fluid Mechanics, 6th edition. United States of America : John Willey and Sons Idelchik, I.E. 1996. Handbook of Hydraulic Resistance, 3rd edition. United States of America : Begell House, Inc J. Moran, Michael and Shapiro, H.N. 1988. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. United States of America: John Wiley & Sons, Inc Tim Air Heater PLTU Gresik. 2007. Menuju Redesign Air Heater. Indonesia: Media Pustaka Versteeg, H.K and W. Malalasekara. 1996. An Introduction to Computational Fluid Dynamics. England : Longman Group Ltd CH. Ranganayakulu, K.N. Seetharamu and K.V. Sreevatsan. 1996. The Effects of Inlet Fluid Flow Nonuniformity on Thermal Performance and Crossflow Plate-Fin Compact Heat Exchangers. India : Indian Institute of Technology Li-Zhi Zhang. 2009. Flow Maldistribution and Thermal Performance Deterioration in a Cross- Flow Air to Air Heat Exchanger With Plate-Fin Cores. China : South China University of Technology.
