+ . +
….. (27) keterangan:
= konduktivitas yang berlaku (k+kt,, ktmerupakan konduktivitas termal turbulen, ditentukan berdasarkan model turbulen yang sedang digunakan)
= fluks difusi dari spesiesj(kg m-2 det-1)
= panas dari reaksi kimia yang terjadi, dan sumber-sumber panas volumetrik lainnya yang telah ditentukan oleh pengguna.
kemudian untuk kondisi aliran inkompresibel, nilaihditentukan sebagai berikut:
= +
….. (28) adalah fraksi massa dari spesies j, dan adalah sebagai berikut:
= ,
….. (29) , merupakan kapasitas panas (Joule kg-1 K -1
) dan nilai adalah sebesar 298.15 K. Gaya buoyancy dalam aliran konveksi campuran dapat ditentukan dengan membandingkan antara Grashof dan bilangan Reynolds sebagai berikut:
=
….. (30)
merupakan bilangan Grashof, merupakan koefisien pemuaian panas (K-1), dan merupakan skala panjang (m). Dalam kondisi konveksi alami, kekuatan dari aliran
buoyancy-induced dapat ditentukan dengan bilangan Rayleigh sebagai berikut:
=
….. (31) Nilai dapat ditentukan menggunakan persamaan sebagai berikut:
= 1
….. (32)
dan merupakan difusivitas panas (m2 det-1), yang dirumuskan sebagai berikut:
=
….. (33) merupakan konduktivitas panas (W m-1 K-1). Bilangan Rayleigh jika kurang dari 108 mengindikasikan bahwa aliran tersebut laminar, sedangkan alirannya turbulen jika angkanya berkisar antara 108< Ra < 1010.
III METODOLOGI
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Meteorologi dan Polusi Atmosfer, Departemen Geofisika dan Meteorologi, IPB serta Laboratorium Aero-Gasdinamika dan Getaran (LAGG), BPPT dari bulan Juni-Oktober 2009.
3.2 Bahan dan Alat
3.2.1 Jenis dan Sumber Data
Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data sekunder yaitu berupa data fisik cerobong, data kadar emisi (Q),dengan studi kasus PLTU Suralaya (Lampiran 1). Sebagai pembanding digunakan data sampling konsentrasi SO2 ambien di dua lokasi yaitu perumahan Suralaya dan Lebak Gede. 3.2.1.1 Data Fisik Cerobong
Data ini meliputi ketinggian cerobong (m), diameter cerobong bagian atas (m), kecepatan aliran gas dalam cerobong (m s-1), dan suhu gas (ºC). Data fisik cerobong yang
Tabel 5 Data fisik cerobong
Keterangan Cerobong Kapasitas (MW) 400 Waktu Operasi (jam tahun-1) 7446 Efisiensi Produksi (%) 34.8 Jenis Bahan Bakar batubara Konsumsi (ton jam-1) 170
Tinggi (m) 200
Diameter Dalam (m) 5.5 Suhu Gas (oC) 130 Kecepatan Gas Keluar (m det-1) 20 digunakan pada penelitian ini adalah data
cerobong pada unit 1-4 (Tabel 5). 3.2.1.2 Data Klimatologi
Simulasi penyebaran SO2 yang dilakukan pada penelitian ini menggunakan data klimatologi pada tanggal 5 Mei 2005 yang didapatkan dari Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Serang, Banten. Data klimatologi tersebut antara lain:
• Suhu rata-rata harian: 28.2oC
• Kecepatan angin rata-rata : 2.5 m det-1
• Arah angin terbanyak : 225º
Tanggal 5 Mei 2005 dipilih dengan pertimbangan bahwa pada tanggal tersebut arah angin rata-rata berhembus menuju ke arah 225º (barat daya). Arah tersebut kurang lebih sama dengan lokasi pengukuran sampling polutan SO2 yaitu perumahan Suralaya dan Lebak Gede yang letaknya di sebelah barat daya PLTU Suralaya. Hal tersebut dimaksudkan agar pembandingan data hasil simulasi dengan data hasil pengukuran lapang yang nantinya dilakukan akan menjadi lebih realistis.
3.2.1.3 Data Validasi dan Pembanding
Data validasi dan pembanding yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari dua jenis data, yaitu data validasi untuk model geometri dan data pembanding untuk hasil simulasi.
a. Data Validasi untuk Model Geometri
Validasi kondisi aliran di dalam model geometri dilakukan untuk melihat apakah aliran tersebut sudah memenuhi kriteria mendekati kondisi sebenarnya. Selain itu, validasi juga dilakukan dengan tujuan mengetahui apakah model yang telah dibuat
terdapat kesalahan yang nantinya dapat berdampak pada keakuratan hasil dari komputasi yang akan dilakukan.
Besaran yang digunakan sebagai validasi adalah nilai drag coefficient (CD) pada bilangan Reynolds (Re) yang mendekati sama dengan penelitian sebelumnya. Perhitungan bilangan Reynolds pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
=1.225 × 3.7634 × 5.51.7894 × 10 = 1.4 × 10
b. Data Pembanding untuk Hasil Simulasi
Data pengukuran lapang yang digunakan sebagai pembanding adalah data hasil pengukuran kualitas udara emisi SO2 di cerobong PLTU Suralaya serta data hasil pengukuran SO2 di udara ambien yang dilakukan di sekitar daerah Suralaya yaitu perumahan Suralaya dan Lebak Gede pada tahun 2005.
3.2.2 Alat
1. Seperangkat alat komputer 2. Microsoft Office 2007 3. GAMBIT versi 2.2.30 4. Fluent versi 6.3.26
3.3 Perhitungan Kadar Emisi SO2 dari Cerobong
Perhitungan kadar emisi SO2 (Q) dihitung menggunakan nilai faktor emisi (emission factor) sesuai dengan standar EPA. Perhitungan faktor emisi untuk SO2 adalah sebagai berikut (Nevers 2000):
Faktor emisi = kadar sulfur× faktor pengali = 0.3× 38
Nilai kadar sulfur tersebut didapat dari data pengukuran lapang yang dilakukan oleh Ruhiyat (2009) yaitu sebesar 0.3% sedangkan nilai faktor pengali merupakan nilai standar yang ditetapkan EPA untuk kandungan SO2 dalam pembakaran batubara.
Setelah mendapatkan nilai faktor emisi, kadar emisi SO2 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini:
Q = faktor emisi× konsumsi batubara = 11.4 lb ton-1× 170 ton jam-1 = 1938 lb jam-1
= 0.24418 kg det-1
3.4 Langkah Kerja Penelitian
Pada penelitian ini simulasi dilakukan dengan menggunakan dua perangkat lunak untuk memecahkan permasalahan, yaitu perangkat lunak Gambit dan Fluent. Langkah pengerjaan yang dilakukan adalah sebagai berikut :
1. Membuat geometri danmesh
Pemodelan geometri pada simulasi ini berbentuk balok berdimensi (x, y, z) 4800 m, 250 m, 800 m dan sebuah cerobong dengan bentuk silinder di dalamnya dengan tinggi 200 m dan diameter 5.5 meter (Gambar 8). Keterangan diagram kartesian pada hasil simulasi menunjukkan bahwa arah x merupakan arah downwind (searah aliran angin) dan arah y merupakan arahcrosswind
(tegak lurus terhadap arah datang angin). Jarak 4800 m ke arah x ditentukan berdasarkan adanya pemukiman pada jarak 2900 m. Selain itu, pada jarak 4800 m tersebut (daerah outflow) dianggap alirannya sudah tidak terganggu (undisturbed flow), demikian pula pada batasan wilayah ke arah y dan z serta jarak antara velocity inlet dengan cerobong. Selain itu, untuk batasan wilayah 800 m ke arah z, jarak tersebut dianggap cukup untuk melihat bentukan kepulan dan sebaran SO2, begitu pula dengan batasan wilayah 250 m ke arah y dianggap sudah dapat mewakili sebaran gas SO2. Setelah model geometri dengan batasan-batasan tersebut telah dibuat, maka geometri tersebut harus diberikan grid (meshing).
Pengaturan ukuran grid pada geometri dilakukan dengan mempertimbangkan lamanya waktu komputasi sehingga ukuran grid yang halus hanya difokuskan pada daerah yang vital saja yaitu daerah yang berada dekat dengan benda padat (cerobong dan tanah)
karena pada daerah tersebut banyak terjadi gangguan (gradien tinggi). Semakin menjauhi benda padat, ukuran grid akan semakin besar (Blockenet al. 2006 dan Baiket al. 2003).
Gambar 8 Model geometri simulasi Selain itu, penghematan waktu komputasi juga dilakukan dengan cara memberikan kondisi batas simetri pada daerah
centerface (searah sumbu x), komputasi hanya dilakukan pada sebagian daerah model saja sehingga dapat menghemat waktu sampai dengan 50% (Lampiran 2a). Hal tersebut dapat dilakukan karena angin yang mengalir di dalam model tersebut membentuk sudut serang 0º atau paralel terhadap sumbu x sehingga fenomena yang terjadi di sebelah kanan ataupun kiri simetri akan sama. Oleh karena itu, pada penelitian ini komputasi hanya dilakukan pada daerah di sebelah kiri saja.
Sebelum geometri tersebut dimasukkan ke dalam Fluent, mesh yang telah dibuat harus diperiksa terlebih dahulu. Salah satu tipe kualitas yang dapat dipakai sebagai rujukan apakahmesh yang telah kita buat sudah baik atau tidak adalah dengan melihat nilai
equiangle skew yang nilainya tidak boleh melebihi dari 0.9 (Tuakia 2008). Pada penelitian ini, nilaiequiangle skew dari mesh yang telah dibuat adalah sebesar 0.85 yang artinya mesh yang telah dibuat sudah cukup baik dan dapat diproses selanjutnya di dalam Fluent.
2. Memilihsolver
Pada saat membuka Fluent, terdapat pilihan untuk menggunakan solver 2D atau 3D dengan presisi tunggal atau presisi ganda (single precision ataudouble precision). Pada penelitian ini digunakan Solver 3D dengan keakuratandouble precision.
3. Mengimpor dan memeriksa grid
Grid model yang dibuat di dalam GAMBIT diimpor dalam bentuk mesh file kemudian di dalam Fluent diperiksa kembali
apakah grid tersebut masih terdapat kesalahan atau tidak.
4. Memilih formulasiSolver
Fluent menyediakan tiga formulasi
solver antara lain:
•Pressure Based •Density Based implicit •Density Based explisit
Pada penelitian ini formulasi solver yang digunakan adalah Pressure Based Solver
dengan rincian sebagai berikut:
•Solver :pressure-based •Space :3D •Velocity formulation :absolute •Formulation :implicit •Time :steady •Gradient
option :green gauss cell based
•Porous
formulation :superficial velocity
5. Menentukan model dan persamaan dasar Pada Fluent terdapat berbagai model dan persamaan dasar yang dapat dipilih sesuai dengan kasus yang akan dianalisis. Pada penelitian ini digunakan beberapa persamaan yaitu viskositas (Spalart-Almarass), transpor spesies tanpa reaksi kimia, dan perpindahan panas secara konveksi.
Persamaan turbulensi Spalart-Allmaras dipilih dengan pertimbangan bahwa persamaan ini membutuhkan daya komputasi yang lebih kecil dibandingkan dengan model turbulensi lainnya sehingga dapat menghemat waktu komputasi.
Rincian penentuan model dan persamaan dasar pada Fluent adalah sebagai berikut:
1. Persamaan viskositas
•Model : Spalart-Allmaras
•Options :vorticity based production
2. Persamaan transpor spesies
• Model :spesies transport • Mixture Template
üMixture species : SO2dan udara
üDensity :incompressible ideal
gas
üCp :mixing law
üThermal
conductivity :ideal gas mixing law
üViscosity :ideal gas mixing law
üMass diffusivity :constant dilute appx
3. Menentukan kondisi operasi (operating conditions)
Kondisi operasi yang harus ditentukan antara lain:
• Tekanan : 1 atm
• Percepatan gravitasi : -9.8 m det-2
• Suhu operasi : rata-rata suhu dari masing kestabilan atmosfer 4. Menentukan material
Fluida yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara dan SO2 pada kondisi STP dengan sifat fisik masing-masing (Tabel 6).
5. Menentukan kondisi batas (boundary condition)
Pada penelitian ini, diperlukan informasi mengenai variabel pada domain geometri dan informasi tersebut harus dimasukkan ke dalam kondisi batas (Lampiran 3). Penentuan kondisi batas tersebut antara lain :
Velocity Inlet
Adalah daerah inputan untuk data profil angin dan suhu. Pada kondisi batas ini dimasukkan nilai-nilai sebagai berikut:
• Momentum üVelocity specification
method :components
üReference frame :absolute
üX-velocity (m/s) : profil angin manual üY-velocity (m/s) : 0
üZ-velocity (m/s) : 0
Tabel 6 Karakteristik udara dan SO2
Keterangan SO2 Udara Suhu (oC) 130 Bervariasi Konduktivitas Panas (W m-1K-1) 0.0104 0.025 Viskositas (kg m-1s-1) 1.2 × 10-5 1.7894 × 10-5 Kerapatan (kg m-3) 2.77 1.225
üTurbulence
vSpecification
method :turbulent viscosity
ratio
vTurbulent viscosity
ratio : 0.1 (konstan)
•Termal
üSuhu : profil suhu manual
•Spesies üFraksi massa SO2 : 0 Mass Flow Inlet
Adalah daerah tempat dimana keluarnya emisi SO2 (daerah muka cerobong bagian atas). Pada kondisi batas ini dimasukkan nilai-nilai sebagai berikut:
•Momentum
üSO2flow rate : 0.24418 kg det-1 üSupersonic
gauge pressure : 0 üDirection
specification
method : direction vector
üReference Frame: absolute
üCoordinate system
vX-component of flow direction =0 vY-component of flow direction =0 vZ-component of flow direction =1 üTurbulence
vSpecification
method :turbulent viscosity
ratio vTurbulent viscosity ratio : 0.1 (konstan) •Termal üSuhu : 130 ºC •Spesies üFraksi massa SO2 : 0.003 Outflow
Adalah batas terluar downwind. Pada penelitian ini terdapat duaoutflow yang pada masing-masing kondisi batas tersebut dimasukkan nilaiflow rate weighting sebesar 0.5.
Wall
Adalah daerah batasan model yang berbentuk padat (tanah dan cerobong). Nilai pada kondisi batas ini dikondisikandefault. Symmetry
Adalah daerah yang alirannya terbebaskan (tidak ada halangan). Pada kondisi batas ini tidak perlu memasukkan nilai tertentu.
6. Solusi kontrol
Pada saat menentukan kriteria solusi kontrol dalam Fluent, ditentukan nilai-nilai sebagai berikut:
• Pressure velocity coupling : SIMPLE
• Under Relaxation Factor (URF)
üPressure : 0.3
üDensity :1
üBody force : 1
üMomentum : 0.3 üModified turbulent viscosity : 0.8 üTurbulent viscosity : 1
üSO2 : 1
üEnergi : 1
• Diskretisasi
üPressure :second order upwind
üMomentum :second order upwind
üModified turbulent
viscosity :second order upwind
üSO2 :second order upwind
üEnergi :second order upwind
7. Inisialisasi medan aliran
Sebelum memulai perhitungan atau menjalankan program, hal yang harus lebih dahulu dilakukan adalah melakukan inisialisasi. Inisialisasi merupakan dugaan awal pada kondisi batas mana kita akan memulai perhitungan.
8. Melakukan perhitungan atau iterasi Pada proses perhitungan, terlebih dahulu yang dilakukan adalah menentukan kriteria konvergensi, yaitu kesalahan atau perbedaan antara dugaan awal dan hasil akhir yang dilakukan oleh Fluent pada masing-masing persamaan yang digunakan. Setelah itu, barulah tentukan jumlah iterasi model yang akan dilakukan. Fluent akan berhenti melakukan iterasi ketika telah konvergen atau ketika mencapai jumlah iterasi.
9. Output program
Hasil keluaran dari Fluent diantaranya dapat berupa kontur, vector, pathline dan
particle track. Pada penelitian ini
penggambaranoutput akan ditampilkan dalam bentuk kontur tiga dimensi. Kontur konsentrasi SO2 hasil simulasi, diatur skalanya dengan konsentrasi maksimumnya sebesar 365 µg m-3 atau sama dengan 5.703125 × 10-9 kmol m-3. Nilai tersebut merupakan nilai ambang batas polutan SO2 berada di udara ambien.
Konversi satuan konsentrasi SO2 hasil simulasi Fluent ditunjukkan pada contoh perhitungan sebagai berikut:
1 = × 64 × 10 × 10
= 6.4 × 10 3.5 Asumsi Model
Sehubungan dengan adanya berbagai keterbatasan, maka pada penelitian ini digunakan asumsi sebagai berikut :
1. Simulasi dilakukan pada kondisi steady state
2. Topografi daerah kajian dianggap datar 3. Sumber emisi hanya berasal dari PLTU
Suralaya
Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Lampiran 4.