PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA
TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA
OUTPUT 110 KW
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
MAYCOLD MANURUNG NIM. 050401063
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA
TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA
OUTPUT 110 KW
MAYCOLD MANURUNG
NIM. 050401063
Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Priode Ke-586 tanggal 23 oktober 2010
Disetujui Oleh:
Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II
Ir.A.Halim Nst,Msc
PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA
TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA
OUTPUT 110 KW
MAYCOLD MANURUNG NIM. 05 0401 063
Diketahui / Disahkan : Disetujui :
Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,
Fakultas Teknik USU
Ketua,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus Burhanuddin, ST, MT NIP. 196412241992111001 NIP. 197209232000121003
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU M E D A N
TUGAS SKRIPSI
N A M A : MAYCOLD MANURUNG
N I M : 0 5 0 4 0 1 0 6 3
MATA PELAJARAN : TERMODINAMIKA
SPESIFIKASI :
DIBERIKAN TANGGAL : 05 / 07 / 2010 SELESAI TANGGAL : 07 / 10 / 2010
MEDAN,05/07/2010
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,
DR.ING IR.IKHWANSYAH ISRANURI
NIP. 196412241992111001 NIP. 197209232000121003
TULUS BURHANUDDIN, ST, MT
Rancanglah sebuah turbin uap satu tingkat
penggerak generator untuk keperluan siklus rankine
organik dengan daya output sebesar 110 kW. Buat
perhitungan rancangan dan pemilihan jenis turbin.
Kemudian simulasikan:
- Bentuk sudu -
- Aliran fluida pada rotor
dengan mengunakan program CFD.
AGENDA : 889/TS/2010
DITERIMA TGL : 04/07/2010
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK U.S.U.
KARTU BIMBINGAN
MEDAN
No. : 889 / TS / 2010
TUGAS SARJANA MAHASISWA
Sub. Program Studi : Konversi Energi / Teknik Produksi Bidang Studi : Termodinamika I
Judul Tugas : PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA OUTPUT 110 KW
Diberikan Tgl. : Selesai Tgl: Dosen Pembimbing : Tulus Burhannuddin, ST, MT Nama Mhs: Maycold M
N.I.M : 050401063
NO Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN
Tanda Tangan Dosen Pemb. 1. 05-07-2010 Spesifikasi Tugas Akhir
2. 27-07-2010 Analisa Termodinamika 3. 29-07-2010 BAB I
4. 15-08-2010 BAB II 5. 18-08-2010 BAB III
6. 03-09-2010 Perbaiki BAB III 7. 17-09-2010 BAB IV
8. 23-08-2010 Perbaiki BAB IV 9. 28-08-2010 Lanjut BAB V 10. 24-09-2010 Perbaiki BAB VI 11. 05-10-2010 Kesimpulan 12. 07-10-2010 ACC Seminar 13.
14. 15. 16.
CATATAN : Diketahui,
1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Ketua departemen TeknikMesin
Pembimbing setiap Asistensi F.T U.S.U 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.
3. Kartu ini harus dikembalikan ke Jurusan, bila kegiatan Asistensi telah selesai.
KATA PENGANTAR
Pujian dan rasa syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat karunia-Nya, Skripsi ini dapat selesai dengan baik. Skripsi ini diajukan untuk melengkapi syarat dan melengkapi studi untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada jenjang pendidikan sarjana (S1) menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini membahas tentang perancangan turbin uap satu tingkat untuk keperluan siklus rankine organik, yang berjudul , “ PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA OUTPUT 110 KW”.
Dengan terselesainya Skripsi ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Orang Tua dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil kepada penulis tanpa pamrih.
2. Bapak Dr,Eng Himsar Ambarita ST, MT dan Tulus Burhannuddin, ST, MT. selaku dosen pembimbing Skripsi yang telah meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
4. Bapak Tulus Burhanuddin, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .
5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Kepada Daniel Sipayung, Diki Waldi Nababanyang, Ego Sinaga telah membantu terselesaikannya skripsi ini.
7. Ucapkan terima-kasih kepada semua mahasiswa Teknik Mesin umumnya, dan khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2005.
Dalam menyelesaikan Tugas ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Skripsi ini. Saya mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun. Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Oktober 2010 Penulis,
ABSTRAK
Perancangan turbin uap satu tingakat dengan menggunakan fluida kerja organik yang ramah lingkungan, sebagai fluida dalam skripsi ini digunakan Novec 649. Melakukan perancangan awal siklus rankine dan penentuan data awal keadaan. Melakukan perhitungan segitiga kecepatan sebagai perhitungan mula yang selanjutnya menghitung kerugian-kerugian uap saat masuk turbin yang terdiri dari kerugian internal dan external. Selanjutnya merancang bagian-bagian utama turbin satu tingkat yang terdiri dari jenis nosel, dimensi nosel, dimensi sudu gerak.
Dari hasil perhitungan dimensi nosel dan sudu gerak mulai menggunakan
software gambar AutoCAD untuk membuat gambaran nosel dan sudu gerak
kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan software Gambit untuk membuat bentuk sudu gerak dan bentuk sederhana dari nosel dan sudu gerak pada turbin sesuai dengan data perhitungan awal.
Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software Gambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan software fluent dengan menggunakan semua data awal hasil perhitungan mulai dari data uap Novec 649 masuk keluar dari nosel dengan seluruh keadaan awalnya. Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil peranacangan turbin uap.
Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk turbin dan melalui sudu gerak seperti halnya keadaan saat uap memasuki turbin.
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN i
EVALUASI SEMINAR SKRIPSI SPESIFIKASI TUGAS v
KARTU BIMBINGAN vi
KATA PENGANTAR vii
ABSTRAK viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR GAMBAR x
DAFTAR TABEL xv
DAFTAR NOTASI xvi
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang 11.2 Tujuan Perancangan 1
1.3 Batasan Masalah 1
1.4 Metodologi Penulisan 2
BAB II TINAJUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Renkine Organik 4
2.2 Fluida Organik Berdasarkan Sifat Fisik Pada Lingkungan 5
2.3 Siklus Tenaga Uap pada Steam Power Plant 7
2.4 Pengertian Turbin 9
2.4.1 Tipe Turbin Uap 10
2.5 Cara Kerja Turbin 17
2.5.1 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Impuls 18
2.5.2 Kerugian Energi Pada Turbin Uap 22
2.6 Perancangan Nosel Dan Sudu Gerak 27
2.6.1 Perancangan Nosel 27
2.6.1.1 Pemilihan Jenis Nosel 27
2.6.1.2 Penentuan Dimensi Nosel 29
2.7 Model Matematis 36
2.7.1 Persamaan Atur Aliran Fluida (Governing Equation) 36
BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK 3.1 Computational Fluid Dinamycs (CFD) 48
3.1.1 Pengertian Umum CFD 48
3.1.2 Penggunaan CFD 49
3.1.3 Manfaat CFD 50
3.1.4 Proses Simulasi CFD 50
3.1.5 Metode Diskritisasi CFD 51
3.2 Pengenalan FLUENT 52
3.2.1 Struktur Program FLUENT 52
3.2.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT 53
3.3 Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT 56
3.3.1 Ketentuan Matematis 56
3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi 57
3.3.3 Fisik Aliran Kompressibel 60
3.3.4 Model Turbulensi 60
3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi 63
3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear 65
3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver) 65
3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi) 67
3.3.9 Pressure Velocity Coupling 68
BAB IV ANALISA TURBIN UAP
4.1 Data Perancangan 72
4.1.1 Data Rancangan Awal 72
4.1.2 Data Tambahan dan Besaran Teknis 72
4.2 Analisa Termodinamika 73
4.2.1 Perhitungan Laju Massa Uap 75
4.2.2 Efisiensi Termal Siklus 75
4.3 Perhitungan Termodinamik Uap pada Turbin 76
4.3.1 Perhitungan Kondisi Uap Masuk Turbin sebelum Katup Pengatur 77
4.3.2 Perhitungan Kondisi Uap Masuk Turbin setelah Katup Pengatur 77
4.3.3 Perhitungan Kondisi Uap saat Meninggalkan Turbin 78
4.3.4 Penurunan Entalpi Teoritis Uap pada Seluruh Turbin 78
4.4 Perhitungan Dimensi Utama Turbin Uap 78
4.4.1 Perhitungan Segitiga Kecepatan 81
4.4.2 Perhitungan Kerugian Kalor pada Sudu Gerak 83
4.5 Dimensi Nosel Dan Sudu Gerak 87
4.5.1 Dimensi Nosel 87
4.5.2 DimensiSudu Gerak 92
4.6 Proses Simulasi 98
4.7 Data Awal 99
4.8 Kondisi Batas (Boundary Condition) 99
4.9 Kasus yang Disimulasikan 101
4.10 Prosedur Simulasi 102
4.10.1 Membuat Geometri Sudu Turbin dengan Auto CAD dan GAMBIT 102
4.11 Memasukkan Parameter Simulasi dan
Menjalankan Software CFD FLUENT 105
4.12 Melihat hasil simulasi dengan CFD FLUENT 106
BAB V HASIL DAN ANALISIS SIMULASI
5.1 Pendahuluan 107
5.2 Simulasi Profil Sudu 107
5.2.1 Simulasi Vektor Kecepatan Aliran 108
5.2.2 Simulasi Kontur Tekanan 109
5.2.3 Perbandingan Koefisien Lift (Cl) dan
Koefisien Drag (Cd) 111
5.3 Simulasi Kondisi Steady-State 112
5.3.1 Simulasi Kecepatan Aliran 113
5.3.2 Simulasi Kontur Tekanan 114
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan 117
6.2 Saran 117
DAFTAR PUSTAKA xvii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Siklus Rankine Tertutup sederhana 8
Gambar 2.2 Diagram T-s 8
Gambar 2.3 Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 80) 11
Gambar 2.4 Penampang turbin impuls tiga tingkat tekanan (Lit.1, hal 89) 12
Gambar 2.5 Penampang turbin reaksi dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 107) 13
Gambar 2.6 Penggabungan sudu turbin uap Impuls dan Reaksi (Lit 11., www.google.com) 14
Gambar 2.7 Tekanan dan kecepatan uap melalui nosel, sudu impuls dan sudu reaksi (Lit 11., www.google.com) 15
Gambar 2.8 Sketsa turbin impuls sederhana (lit 1, hal 5) 17
Gambar 2.9 Nosel dan sudu turbin impuls tampak radial 18
Gambar 2.10 Segitiga kecepatan 19
Gambar 2.11 Proses ekspansi uap melalui ekspansi pengatur Beserta kerugian-kerugian akibat penyempitan (Lit.1, hal 60) 23
Gambar 2.12 Koefisien kecepatan untuk nozel sebagai fungsi tinggi nozel l (Lit.1, hal 61) 24
Gambar 2.13 Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls (Lit.1, hal 65) 27
Gambar 2.14 a) Nosel konvergen dan b) Nosel konvergen-divergen (Lit.1, hal 21) 29
Gambar 2.15 Nomenklatur nosel ; a) Nosel konvergen, b) nosel konvergen-divergen (Lit.1, hal 29) 30
Gambar 2.16 Nomenklatur sudu impuls 34
Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT 53
Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi 55
Gambar 3.3 Volume control digunakan utnuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar 64
Gambar 3.4 Volume control satu dimensi 68 Gambar 3.5 Kompatibilitas model pada FLUENT 71
Diagram for 3MTM NovecTM 649) 73
Gambar 4.2 Segitiga kecepatan sudu gerak 82
Gambar 4.3 Penampang nosel 92
Gambar 4.4 Penampang sudu gerak 97
Gambar 4.5 Uap masuk memutar sudu gerak 98
Gambar 4.6 Profil sudu gerak 99
Gambar 4.7 Kondisi batas profil sudu gerak 100
Gambar 4.8 Kondisi batas profil sudu pengarah dengan sudut arah masuk nosel 100
Gambar 4.9 Kondisi batas nosel-rotor 101
Gambar 4.10 Domain komputasi sudu pengarah dengan sudut arah masuk nosel 103
Gambar 4.11 Mesh profil sudu gerak 104
Gambar 4.12 Mesh domain komputasi nosel 104
Gambar 4.13 Mesh domain komputasi sudu gerak baris (rotor) 105
Gambar 5.1 Vektor kecepatan aliran pada sudu gerak 108
Gambar 5.2 Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu gerak 109
Gambar 5.3 Kontur tekanan statis pada sudu gerak 110
Gambar 5.4 Garis kontur tekanan statis pada sudu gerak 110
Gambar 5.5 Grafik Cl pada sudu gerak (pembacaan hasil Cl × ) 111
Gambar 5.6 Grafik Cd pada sudu gerak (pembacaan hasil Cd × ) 112
Gambar 5.7 Vektor kecepatan aliran steady tanpa perubahan gerakan rotor 113
Gambar 5.8 Vektor kecepatan tinggi pada upsteam rotor 113
Gambar 5.9 Kontur tekanan 114
Gambar 5.10 Garis kontur tekanan 115
Gambar 5.11 Distribusi Pressure Coefficient pada sudu gerak 115
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
Tabel 2.1 Formula kimia 5
Tabel 2.2 Sifat fisik Novec 649 6
Tabel 2.3 Perbandingan pengaruh penggunaan Novec 649
dengan fluida organik lainnya terhadap lingkungan 7
Tabel 2.4 Persamaan Konservasi 47
Tabel 2.5 Konstanta model 47
Tabel 4.1 Hasil perhitungan segitiga kecepatan pada
sudu gerak tingkat pertama dengan dua tingkat-kecepatan 82
Tabel 4.2 Hasil perhitungan dimensi nosel 91
Tabel 4.3 Hasil perhitungan sudu 96
DAFTAR SIMBOL
1. Simbol dari abjad biasa
Simbol Arti Satuan
Luas sisi masuk sudu total
Luas sisi keluar sudu total mm2
b Lebar sudu mm
c1 Kecepatan mutlak uap keluar nosel m/s
c1t Kecepatan uap masuk mutlak teoritis m/s
d Diameter nominal sudu atau rotor mm
dp Diameter poros mm
Go Massa alir uap kg/s
hb Kerugian energi dalam sudu-sudu gerak kJ/kg
he Kerugian energi akibat aliran keluar kJ/kg
hkebasahan Kerugian energi karena kelembaban uap keluar kJ/kg
Ho Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan
kerugian tekanan kJ/kg
Ho’ Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan
kerugian tekanan dan pemipaan buang kJ/kg
Ho,th Nilai penurunan kalor teoritis kJ/kg
po Tekanan awal uap masuk turbin bar
po’ Tekanan uap sebelum nosel bar
R Jari-jari konis sempurna mm
r1 Jari-jari hub mm
T Temperatur 0
C
z Jumlah sekat labirin buah
2. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters)
Simbol Arti Satuan
α1 Sudut masuk kecepatan uap mutlak ke sudu gerak o
α2 Sudut keluar kecepatan uap mutlak o
β1 Sudut masuk kecepatan relatif uap ke sudu gerak o
ηg Efisiensi generator -
ηm Efisiensi mekanis -
ABSTRAK
Perancangan turbin uap satu tingakat dengan menggunakan fluida kerja organik yang ramah lingkungan, sebagai fluida dalam skripsi ini digunakan Novec 649. Melakukan perancangan awal siklus rankine dan penentuan data awal keadaan. Melakukan perhitungan segitiga kecepatan sebagai perhitungan mula yang selanjutnya menghitung kerugian-kerugian uap saat masuk turbin yang terdiri dari kerugian internal dan external. Selanjutnya merancang bagian-bagian utama turbin satu tingkat yang terdiri dari jenis nosel, dimensi nosel, dimensi sudu gerak.
Dari hasil perhitungan dimensi nosel dan sudu gerak mulai menggunakan
software gambar AutoCAD untuk membuat gambaran nosel dan sudu gerak
kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan software Gambit untuk membuat bentuk sudu gerak dan bentuk sederhana dari nosel dan sudu gerak pada turbin sesuai dengan data perhitungan awal.
Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software Gambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan software fluent dengan menggunakan semua data awal hasil perhitungan mulai dari data uap Novec 649 masuk keluar dari nosel dengan seluruh keadaan awalnya. Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil peranacangan turbin uap.
Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk turbin dan melalui sudu gerak seperti halnya keadaan saat uap memasuki turbin.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Kebutuhan terhadap energi merupakan hal mendasar yang dibutuhkan
dalam usaha meningkatkan taraf hidup masyarakat. Seiring dengan meningkatnya
taraf hidup serta kuantitas dari masyarakat, maka semakin meningkat juga
kebutuhan akan energi. Pada saat ini kebutuhan energi berhubungan langsung
dengan tingkat kehidupan masyarakat serta kemajuan industrisasi di suatu negara.
Dalam hal ini, energi listrik yang menjadi salah satu bentuk energi yang paling
banyak digunakan oleh masyarakat dalam kehidupan, karena energi listrik dapat
dengan mudah dan efisien diubah ke bentuk energi yang lainnya.
Untuk memenuhi kebutuhan energi yang semakin hari semakin meningkat
perlu diadakannya pemanfaatan energi seperti panas buang dari industri-industri
maupun sumberpanas bumi. Dalam hal ini dapat digunakan pembangkit listrik
dengan menggunakan siklus renkine organik, yang memanfaatkan energi panas
yang tidak terlalu besar di banding siklus rankine yang menggunakan air (H2O)
sebagai fluida kerja.
1.2 Tujuan Perancangan
Adapun tujuan dari penulisan Skripsi antara lain:
Mensimulasikan perancangan turbin uap dengan menggunakan C6 –
fluoroketone sebagai dasar analisa penggunaan Zat organik yang paling efisien
digunakan dalam penggerak turbin uap dengan menggunakan siklus rankine
organik. Dengan kapasitas turbin yang dirancang dapat memenuhi kebutuhan 112
rumah tangga (dengan asumsi tiap rumah tangga menggunakan 850 W ) atau 110
kW.
1.3 Batasan Masalah
Untuk membuat skripsi ini lebih terarah, maka dibuat beberapa batasan
permasalahan. Batasan masalah pada skripsi ini adalah:
b. Merancang siklus termodinamika yang dapat memenuhi kondisi air
panas, air dingin, dan daya listrik keluaran.
c. Kondisi fluida kerja masuk sebelum memasuki turbin diasumsikan
pada kondisi masih uap jenuh dan keluar dari turbin.
d. Mempelajari teori dasar perencanaan turbin uap untuk tekanan rendah.
e. Mengusulkan beberapa bentuk sudu turbin (blade) dan melakukan
analisis CFD dengan menggunakan salah satu commercial code untuk
mengetahui karakteristik masing-masing blade.
f. Parameter-parameter yang akan dianalisa dengan menggunakan CFD
antara lain bentuk sudu dan sudut masuk uap.
1.4 Metodologi Penulisan
Dalam metodologi penulisan skripsi ini menggunakan tahapan-tahapan
sebagai berikut:
a. Identifikasi
b. Analisis sistem
c. Simulasi sistem
d. Analisis hasil
Tahapan-tahapan yang digunakan pada metodologi ini menggunakan konsep
tahapan yang berurutan dari atas ke bawah. Dimana hasil atau keluaran dari suatu
tahap akan menjadi masukan bagi tahap selanjutnya. Berdasarkan batasan masalah
yang telah ditetapkan, penulisan skripsi ini hanya sampai pada tahap simulasi
a. Identifikasi
Tahap identifikasi dilakukan dengan melakukan pencarian data awal seperti
spesifikasi turbin uap dan kondisi operasinya, serta penentuan nilai-nilai variabel
yang diperlukan dalam melakukan perhitungan dan analisis masalah.
b. Analisis sistem
Tahap ini dilakukan untuk menganalisis kondisi kerja turbin uap, perhitungan
geometri sudu dan aliran uap khususnya pada sudu tingkat pertama, berdasarkan
kondisi operasi yang diperoleh.
c. Simulasi sistem
Tahap simulasi sistem meliputi proses sebagai berikut :
- Pembuatan model geometri profil sudu dan domain sudu stator dan rotor
beserta meshnya. Perangkat lunak yang digunakan untuk membuat model
adalah AutoCAD sedangkan mesh dibuat dengan GAMBIT. Pembuatan
model dilakukan dengan membuat geometri masing-masing sudu serta
domain sudu stator dan rotor terlebih dahulu, batas-batas permukaan
yang lain seperti inlet, outlet dan permukaan wall didefinisikan
selanjutnya. Mesh dibuat di GAMBIT secara otomatis, dilakukan dengan
pembuatan geometri face terlebih dahulu, kemudian dilanjutkan dengan
penentuan jumlah dan distribusi titik yang membentuk mesh.
- Dimulai dengan melakukan beberapa simulasi terhadap model profil
sudu, hubungan (interface) sudu stator dan rotor dalam kondisi steady,
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Siklus Renkine Organik
Untuk memanfaatkan energi panas berkualitas rendah ada dua siklus
termodinamika yang dapat digunakan untuk melakukan tugas menjadi energi
mekanik atau listrik, yaitu: siklus Rankine Organik dan siklus Kalina. Pada
penulisan skripsi ini, saya hanya fokus pada pengembangan siklus Rankine
Organik. Siklus Rankine Organik adalah suatu siklus tertutup yang menggunakan
fluida kerja organik yang mempunyai titik didih yang jauh lebih rendah dibanding
air pada siklus Rankine konvensional. Komponen utama ORC yang paling
sederhana adalah pompa, evaporator, turbin, kondensor, dan fluida kerja (working
fluid). Sebagai catatan, perbedaan-perbedaan utama siklus Rankine konvensional
dan ORC adalah terletak pada evaporator dan fluida kerja yang digunakan. Jika
siklus Rankine konvensional menggunakan boiler maka ORC menggunakan
evaporator. Meskipun mempunyai fungsi yang sama mengubah fasa dari fluida
kerja dari cair menjadi uap, tetapi bobot kualitas panas sumber energinya berbeda.
Boiler mengubah air menjadi uap dan menjadi uap panas lanjut dengan membakar
bahan bakar atau medium bersuhu tinggi. Sementara evaporator mengubahnya
pada suhu yang relatif lebih rendah, biasanya tanpa pembakaran. Fluida kerja
pada ORC adalah fluida organik yang dapat didefenisikan sebagai fluida yang
berasal dari organisme dan umumnya mengandung unsur karbon. Refrigeran
adalah fluida organik, dan ciri utamanya memiliki titik didih yang jauh lebih
rendah di banding air. Sebagai contoh refrigeran R22 yang sudah mendidih pada
temperatur -400C, sementara pada tekanan yang sama air akan mendidih pada
2.2 Fluida Organik Berdasarkan Sifat Fisik Pada Lingkungan
Fluida kerja organik merupakan fluida yang bersal dari bahan organik
karena dalam unsur kimianya mengandung ikatan karbon.
Fluida kerja organik akan menentukan efisiensi, performansi siklus, dan
tekanan kerja. Parameter-parameter ini pada akhirnya akan menentukan
spesifikasi yang dibutuhkan oleh komponen-komponen lainnya seperti evaporator,
kondensor, pompa dan turbin. Syarat lain yang harus dipenuhi oleh suatu fluida
kerja ORC adalah harus bersahabat dengan lingkungan dan tidak beracun, serta
tidak mudah terbakar. Mengingat banyaknya syarat tersebut, satu fluida kerja
ORC tidaklah mungkin memenuhi semua syarat tersebut. (Lit.12,hal 1)
Mendapatkan fluida kerja organik yang optimum. Sebagi fluida kerja
organik dalam penulisan skripsi yang saya lakukan menggunkan fluida Novec
649. Novec 649 merupakan fluida organik yang secara fisik bersifat :
- berwarna jernih,
- tidak memiliki bau yang menyengat,
- tidak merusak ozone,
- tidak mudah terbakar.
Berikut
Tabel 2.1 keterangan Novec 649 (Lit.17,hal 1)
Komposisi fluida Novec 649
Dedeca-2-methylpentan-3-satu 99,0 mole %, minimum
Tabel 2.2 Sifat Fisik Novec 649 (Lit.17,hal 1)
Sifat Fisik Satuan Novec 649
Titik didih 0
C 49
Titik leleh 0
C -108
Berat molekul 316
Temperatur kritis 0
C 169
Tekanan kritis MPa 1,88
Tekanan uap kPa 40
Panas untuk penguapan 88
Berat jenis cairan 1600
Koefisien expansi K-1 0,0018
Viskositas kinematik cST 0,4
Viskositas absolut cP 0,64
Panas jenis J/kg-K 1103
Tabel 2.3 Perbandingan pengaruh penggunaan Novec 649 dengan fluida organik
lainnya terhadap lingkungan
Sifat fisik yang
mempengaruhi pada
lingkungan.
Novec HFC-245fa HFC-134a
Potensi merusak ozone 0,0 0,0 0,0 0,0
Potensi penyebab
pemanasan global
1 23900 1030 1300
Pengaruh pada atmosfer 0,014 3200 7,6 140
Sumber :
1. World Meteorological Organization (WMO) 1998, Model-Derived Method.
2. Intergovernmental Panel On Climate (IIPCC) 2007 Method, 100 year ITH.
Dalam penggunaannya sebagai fluida kerja Novec 649 merupakan zat yang ramah
lingkungan. berdasarkan hal tersebut dalam skripsi ini memilih Novec 649
sebagagi fluida kerja. (Lit.17,hal 3)
2.3 Siklus Tenaga Uap pada Steam Power Plant
Siklus merupakan rantaian dari beberapa proses yang dimulai dari suatu
tingkat keadaan kemudian kembali ke tingkat keadaan semula dan terjadi secara
berulang. Pada pembangkit tenaga uap, fluida yang mengalami proses-proses
tersebut adalah air. Air berfungsi sebagai fluida kerja. Air dalam siklus kerjanya
mengalami proses-proses pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan dan
kompresi. Siklus pembangkit tenaga uap yang telah diterima sebagai siklus
standarnya adalah siklus Rankine. Siklus Rankine sederhana terdiri dari empat
komponen utama yaitu pompa, boiler, turbine dan condenser. Skematik siklus
1 wpump, in
ketel
Pompa 2
q in
q out Kondensor
4
wturb, out Turbin
3
Generator
Gambar 2.1 Siklus Rankine Tertutup sederhana
Siklus ini merupakan siklus tertutup, dimana air dipompa masuk ke boiler,
kemudian di dalam boiler air dipanaskan hingga menjadi uap. Uap yang telah
dihasilkan ini akan memutar steam turbine, didalam steam turbine terjadi
perubahan energi panas yang dibawa uap menjadi energi mekanik berupa putaran
turbin. Setelah uap menggerakkan turbin uap akan masuk ke kondenser untuk
didinginkan dan berubah fasa kembali menjadi air dan kemudian kembali
dimasukkan kedalam boiler.
Untuk mempermudah penganalisaan termodiamika siklus ini,
proses-proses diatas dapat disederhanakan dalam diagram T-s sebagai berikut :
Siklus Rankine sederhana terdiri dari beberapa proses sebagai berikut :
1 → 2 : Proses pemompaan isentropik didalam pompa.
2 → 3 : Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada
tekanan konstan dalam ketel uap.
3 → 4 : Proses ekspansi isentropik didalam turbin.
4 → 1 : Proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan.
Maka analisa pada masing-masing proses pada siklus untuk tiap
satu-satuan massa dapat ditulis sebagai berikut:
1) Kerja pompa (WP) = (h2 – h1) = ν (P2 – P1)…...…………...(2.1)
2) Penambahan kalor pada evaporator (Qin) = (h3 – h2)………(2.2)
3) Kerja turbin (WT) = (h3 – h4)………..(2.3)
4) Kalor yang dilepaskan dalam kondensor (Qout) = (h4 – h1)…(2.4)
5) Efisiensi termal siklus
in P T in net th Q W W Q W − = = η ………..(2.5)
2.4 Pengertian Turbin
Turbin asal katanya adalah turbo dari bahasa latin yang artinya adalah
berputar. Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi
potensial menjadi energi kinetik dalam nozel dan energi kinetik ini selanjutnya
diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.
Poros turbin dapat dikopel langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi
yang dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat
digunakan pada berbagai industri seperti untuk pembangkit tenaga listrik.
Berdasarkan fluida yang digunakan turbin diklasifikasikan sebagai:
1. Turbin air
2. Turbin uap
3. Turbin gas
1. Nozel : Berfungsi untuk mengubah energi potensial fluida
menjadi energi kinetik, dimana terjadi perubahan
kecepatan air aliran fluida ke sudu-sudu.
2. Sudu-sudu : Berfungsi untuk mengubah energi kinetis fluida menjadi
energi mekanik (gerak)
3. Cakram : Berfungsi untuk meneruskan gerakan sudu ke poros,
karena sudu gerak terpasang kuat pada cakram yang
mengalami gaya tangensial.
4. Poros : Berfungsi untuk meneruskan daya dan putaran dari
cakram
5. Rumah turbin : Sebagai tempat pemasangan rotor.
2.4.1 Tipe Turbin Uap
Secara umum tipe turbin uap dapat dibagi ke dalam beberapa kategori,
diantaranya sebagai berikut :
1) Berdasarkan arah aliran uapnya
a) Turbin aksial, yaitu turbin dengan arah aliran uap sejajar dengan
sumbu poros, turbin ini banyak digunakan dengan fluida yang
kompressibel serta lebih efisien daripada tipe radial dengan rentang
operasi yang luas.
b) Turbin radial, yaitu turbin dengan arah aliran uap tegak lurus
terhadap sumbu poros.
2) Berdasarkan geometri sudu dan proses konversi energi uap / prinsip
kerja uap.
a) Turbin impuls
Pada turbin impuls, uap diekspansikan di nosel sehingga terjadi konversi
energi thermal menjadi energi kinetik, yang selanjutnya diubah menjadi energi
gerak pada sudu turbin dan digunakan untuk menggerakkan rotor. Menurut
(1) Turbin Uap Curtis
Turbin uap Curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip
impuls aksi dengan aliran aksial, sistem tingkat tekanan tunggal dan lebih
dari satu tingkat kecepatan. Turbin uap ini memiliki putaran yang lebih
rendah dari turbin uap De-Laval dan daya yang dihasilkan dapat mencapai
4.000 kW, sehingga turbin uap ini dapat dipakai untuk kapasitas generator
yang sedang.
Dalam turbin uap Curtis ini, uap hanya diekspansikan pada nozel
(sudu tetap yang pertama) dan selanjutnya tekanan konstan sedangkan
dalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi. Meskipun demikian, dalam
kenyataannya penurunan tekanan yang kecil di dalam sudu gerak tidak
dapat dihindarkan berhubung adanya gesekan, aliran turbulen dan
kerugian lainnya. Keunggulan jenis turbin uap ini adalah konstruksinya
sederhana, mudah dioperasikan namun efisiensinya rendah.
Keterangan gambar :
1. Poros 2. Cakram 3. Baris pertama sudu gerak
4. Nozel 5. Stator 6. Baris kedua sudu gerak
7. Sudu pengarah.
Gambar 2.3 Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan
(2) Turbin Uap Zoelly/Rateau
Turbin uap Zoelly/Rateau adalah turbin uap yang bekerja dengan
prinsip impuls aksi dengan sistem tekanan bertingkat. Tekanan uap turun
secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja, sedangkan di dalam baris
sudu gerak tidak terjadi penurunan tekanan. Daya yang dihasilkan adalah
daya yang besar pada putaran rendah. Sehingga turbin uap ini cocok
dipakai sebagai penggerak daya generator yang besar. Keuntungan turbin
ini adalah efisiensinya yang tinggi, tetapi biaya konstruksinya mahal.
Dengan demikian konstruksinya lebih rumit dari turbin uap satu tingkat
tekanan.
Keterangan gambar :
1. Ruang uap segar
2. dan
3. Nosel
4. Sudu Gerak
5. Ruang uap buang
6. Diafragma
b) Turbin Reaksi
Dalam turbin reaksi, nosel dan sudu berekspansi sehingga tekanan statik menurun
di sudu gerak dan sudu tetap. Sudu tetap berlaku sebagai nosel dan mengarahkan
aliran ke sudu gerak pada kecepatan yang lebih tinggi dari kecepatan sudu gerak.
Keterangan :
1. Drum rotor 6. Rumah turbin 9. Pipa uap penyama-te
2. dan 3. Sudu-sudu gerak 7. ruang uap masuk kanan
[image:30.595.112.538.187.444.2]4. dan 5. Sudu-sudu pengarah 8. Piston penyeimbang
Gambar 2.5 Penampang turbin reaksi dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 107)
Secara umum, konstruksi turbin reaksi banyak digabungkan dengan turbin
impuls. Tujuan dari turbin impuls adalah untuk mengontrol kecepatan dan
mereduksi enthalpi uap, sedangkan turbin reaksi hanya menerima kondisi uap dari
sudu impuls. Beberapa tipe gabungan turbin reaksi dan impuls :
- 1 tingkat Curtis + beberapa baris Rateau + baris reaksi
- 1 tingkat Rateau + baris reaksi
Gambar 2.6 Penggabungan sudu turbin uap Impuls dan Reaksi (Lit 11.,
Gambar 2.7 Tekanan dan kecepatan uap melalui nosel, sudu impuls
dan sudu reaksi (Lit 11., www.google.com) Besarnya energi kinetik uap yang
bekerja pada sudu:
3) Berdasarkan kondisi uap yang meninggalkannya
a) Turbin tekanan lawan (back pressure turbine)
Yaitu turbin yang tekanan uap bekasnya berada di atas tekanan atmosfir
dan digunakan untuk keperluan proses.
b) Turbin kondensasi langsung
Yaitu turbin yang uap bekasnya dikondensasikan langsung dalam
kondensor untuk mendapatkan air kondensor pengisian ketel.
c) Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan
Yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan
sebagian lagi digunakan untuk keperluan proses.
d) Turbin ekstraksi dengan kondensasi
Yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya di cerat (diekstraksi) sebagian
lagi dikondensasikan dalam kondensor untuk mendapatkan air
kondensat pengisian ketel.
e) Turbin non kondensasi dengan aliran langsung
Yaitu turbin yang uap bekasnya langsung dibuang ke udara.
f) Turbin non kondensasi dengan ekstraksi
Yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan
sebagian lagi dibuang ke udara.
4) Berdasarkan tekanan uapnya
a) Turbin tekanan rendah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga
2 ata.
b) Turbin tekanan menengah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk
hingga 40 ata.
c) Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga
diatas 40 ata.
d) Turbin tekanan sangat tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di
atas 170 ata.
e) Turbin tekanan super kritis, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di
Dalam merencanakan suatu turbin uap, dibutuhkan kecermatan dalam
penentuan jenis turbin uap agar dapat menghasilkan daya yang diinginkan dengan
tidak mengalami kerugian-kerugian yang besar. Penentuan jenis turbin uap ini
sangat penting, bukan hanya dari faktor teknisnya saja, tetapi juga faktor
ekonomisnya, sehingga perlu diambil beberapa jenis turbin uap sebagai
perbandingan terhadap turbin uap yang akan direncanakan.
2.5 Cara Kerja Turbin
Turbin uap telah mengalami perkembangan dalam desainnya. Turbin uap
yang paling sederhana mempunyai komponen seperti yang ditunjukan pada
gambar 2.8 dengan komponennya, yaitu (1) poros, (2) roda, (3) sudu gerak, dan
[image:34.595.176.450.356.621.2](4) nosel.
Gambar 2.8 Sketsa turbin impuls sederhana (lit 1, hal 5)
Ekspansi uap terjadi di dalam nosel dari tekanan awal yang tinggi ke
tekanan akhir yang lebih rendah. Adanya penurunan tekanan dan entalpi akan
menyebabkan terjadinya peningkatan kecepatan uap yang keluar dari nosel. Uap
mengalami perubahan momentum atau momen momentum sehingga dibangkitkan
gaya atau torsi yang memutar poros.
2.5.1 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Impuls
Ketika sudu gerak berputar, maka akan terjadi kecepatan relatif antara uap
dengan sudu gerak.
Gambar 2.9 Nosel dan sudu turbin impuls tampak radial
Secara matematis, hubungan antara kecepatan-kecepatan tersebut dinyatakan
sebagai berikut:
= + ………(2.6)
Dimana :
= +
= +
Dengan :
c : kecepatan absolut uap
u : kecepatan keliling sudu gerak
persamaan (2.6) tersebut merupakan vektor dan biasa dinyatakan dalam segitiga
kecepatan seperti pada gambar 2.10 :
Gambar 2.10 Segitiga kecepatan
Dari gambar 2.10, diperoleh persamaan:
Pada arah tangensial:
= . cos = . cos
= . cos = . cos
Pada arah aksial :
= . sin = . sin
= . sin = . sin
Dari segitiga kecepatan diperoleh persamaan sebagai berikut:
+ = +
+ = + …………...………(2.7)
Dari persamaan (3.2) diperoleh daya poros turbin sebagai berikut:
= u = u………...(2.8)
Uap dengan kecepatan absolut keluar dari nosel, kemudian masuk
barisan sudu gerak dengan sudut . Kecepatan uap yang masuk sudu gerak
tersebut akan berubah arah dan besarnya karena roda berputar dengan kecepatan
tangensial u. kecepatan uap tersebut dinamakan dengan kecepatan relatif uap
Uap dengan kecepatan absolut keluar dari nosel, kemudian keluar
melalui pipa buang dengan sudut . Penurunan tekanan dari ke
berlangsung pada nosel. Sebagai akibat dari penurunan tekanan tersebut, maka
kecepatan uap bertambah dari menjadi , perubahan energi kinetik uap
menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin berlangsung dalam
sudu gerak yang terpasang pada roda turbin.
Untuk memperoleh gaya tangensial yang benar, maka sudu serang nosel
dibuat sekecil mungkin. Namun, karena dibatasi konstruksi turbin, maka
sudut serang nosel berada dalam batas sebagai berikut :
1. = - untuk tingkat tekanan tinggi dan secara berangsur-angsur
diperbesar hingga bahkan bisa mencapai untuk hal-hal khusus,
bisanya pada tingkat tekanan rendah pada turbin kondensasi. (lit 1. hal 18)
2. = - untuk turbin Curtis dua tingkat kecepatan (lit 1. hal 62)
3. = - untuk turbin Curtis tiga tingkat kecepatan (lit 1. hal 62)
Dari segitiga kecepatan didapat (Lit.1, hal 39 ):
1. Kecepatan teoritis uap keluar dari nosel (c1t), yaitu :
= (m/det)
dimana : Ho’ = besar jatuh kalor (entalphi drop)
2. Kecepatan uap keluar nosel (c1), yaitu :
( m/det)
dimana : ϕ = koefisien gesek pada dinding nosel (0,91 s/d 0,98)
3. Kecepatan keliling (u), yaitu :
u = × (m/det)
Besarnya harga dipilih terlebih dahulu untuk turbin dengan kecepatan
besarnya tersebut adalah sebagai berikut (lit 1, hal 62):
• Turbin impuls dengan satu tingkat kecepatan : 0,2−0,5
• Turbin impuls dengan tiga tingkat kecepatan : 0,1−0,18
4. Diameter cakram rata-rata (d), yaitu :
d = (m)
dimana : n = putaran poros turbin (rpm)
5. Kecepatan relatif uap memasuki sudu gerak pertama (w1), yaitu :
– (m/det)
6. Kecepatan absolut uap keluar sudu gerak baris pertama (c1u) , yaitu :
(m/det)
7. Kecepatan absolut uap keluar sudu gerak baris kedua (c2u) , yaitu :
(m/det)
8. Sudut relatif masuk sudu gerak baris pertama (β1) , yaitu :
sin
9. Sudut relatif uap sudu keluar sudu gerak baris pertama (β2), yaitu :
10. Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak pertama (w2), yaitu :
(m/det)
11. Kecepatan mutlak uap keluar sudu gerak pertama (c2), yaitu :
2.5.2 Kerugian Energi Pada Turbin Uap
Pertambahan energi kalor yang dibutuhkan untuk melakukan kerja
mekanis pada kondisi aktual dibandingkan dengan nilai teoritis, yang proses
ekspansinya terjadi benar-benar sesuai dengan proses adiabatik, dinamakan
kerugian energi pada turbin. Bentuk kerugian ini secara umum yaitu kerugian
internal dan eksternal, yang dikelompokkan sebagai berikut:
Rugi-rugi internal adalah rugi-rugi yang berhubungan dengan kondisi uap
ketika mengalir melalui turbin sehingga menaikkan entalpi uap tersebut. Yang
termasuk rugi- rugi internal adalah rugi dalam katup pengatur, rugi dalam nosel,
rugi kecepatan keluar, rugi karena gesekan antara roda dengan sudu gerak, rugi
karena windage, rugi clearance antara rotor dan sudu, rugi karena kebasahan uap,
rugi karena saluran keluar.
Rugi-rugi eksternal adalah rugi-rugi yang tidak ada hubungannya dengan
kondisi uap. Yang termasuk rugi-rugi eksternal adalah rugi mekanik dan rugi-rugi
yang disebabkan oleh kebocoran uap dari labyrinth gland seals.
1) Kerugian Internal (Internal Losses)
a) Kerugian pada katup pengatur.
Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh
kerugian energi akibat proses penyempitan (throttling), kerugian ini yang disebut
dengan kerugian katup pengatur. Jika tekanan uap masuk adalah Po maka akan
terjadi penurunan tekanan menjadi tekanan awal masuk turbin Po’. Penurunan
tekan awal (∆P) adalah sebesar (3% - 5% ) dari Po.
Dimana ∆P = Po – Po’ , pada perencanaan ini diambil kerugian pada katup
pengatur sebesar 5% sehingga dapat di tuliskan ∆P = 5%Po.
Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan
∆H = Ho – Ho’
dimana: Ho = nilai penurunan kalor total turbin
Ho’= nilai penurunan kalor setelah mengalami proses penurunan tekanan
akibat pengaturan melalui katup pengatur dan katup penutup yang
ditetapkan sebesar 5% dari Po. Jadi tujuan perencanaan kerugian
Adapun Gambar 2.11 menunjukkan proses ekspansi uap melalui
mekanisme pengatur beserta kerugian-kerugian yang lainnya yang diakibatkan
penyempitan (throttling). Nilai penurunan kalor Ho yang diandaikan pada turbin.
Disebabkan oleh proses penyempitan yang terjadi pada katub pengatur ,
penurunan kalor yang tersedia pada turbin akan berkurang dari Ho menjadi Ho’
dengan kata lain ada kehilangan energi yang tersedia sebesar H = Ho - Ho’.
Besarnya kerugian tekanan akibat penyempitan dengan katub pengatur terbuka
lebar dapat diandaikan sebesar 5 % dari tekanan uap segar Po.
Gambar 2.11 Proses ekspansi uap melalui ekspansi pengatur beserta
kerugian-kerugian akibat penyempitan (Lit.1, hal 60).
b) Kerugian energi pada nozel (hn)
Kerugian energi dalam nozel adalah dalam bentuk kerugian energi kinetis
=
(kal/kg)
Atau:
=
(
kal/kg)dimana : hn = besarnya kerugian pada nozel
cit = kecepatan uap masuk nozel teoritis
c1 = c1t⋅ϕ= Kecepatan uap masuk mutlak dari nosel (m/s)
ϕ = Koefisien kecepatan atau angka kualitas nosel.
Gambar 2.12 Koefisien kecepatan untuk nozel sebagai fungsi tinggi nozel l
(Lit.1, hal 61).
c) Kerugian energi pada sudu – sudu gerak
Kerugian pada sudu gerak dipengarui beberapa faktor yaitu :
(1) Kerugian akibat tolakan pada ujung belokan sudu.
(2) Kerugian akibat tubrukan.
(3) Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar.
(4) Kerugian akibat gesekan.
(5) Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu.
Semua kerugian diatas disimpulkan sebagai koefisien kecepatan sudu
d) Kerugian energi akibat gesekan cakra
Kerugian gesekan terjadi diantara cakram turbin yang berputar dengan uap
yang menyelubunginya. Cakra yang berputar itu menarik partikel – partikel yang
ada didekat permukaannya dan memberi gaya searah dengan putaran. Sejumlah
kerja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan dan pemberian
kecepatan ini. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan
percepatan-percepatan partikel uap ini pun akan di konversikan menjadi kalor, jadi akan
memperbesar kalor kandungan uap.
Besarnya nilai kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satu
kalor dapat ditentukan dari persamaan berikut:
dimana : G = massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/s)
Ngea = daya gesek dari ventilasi cakram
Adapun penentuan daya gesek dari ventilasi cakram ini sering dilakukan dengan
memakai rumus Forner sebagai berikut :
= β . . . . . γ (kW)
dimana : β = koefisien yang sama dengan 1,76 untuk cakra baris tunggal,
dan 2,06 untuk cakra baris ganda, dan 2,80 untuk cakra tiga
baris;
d = diameter cakra yang diukur pada tinggi rata-rata sudu (m)
n = putaran poros turbin (rpm)
l1 = tinggi sudu (cm)
γ = bobot spesifik dimana cakra tersebut berputar (kg/m3), sama
dengan 1/ν ;
e) Kerugian akibat ruang bebas
Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakra nosel yang dipasang
pada stator turbin ,sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel. Diafragma yang
mempunyai sudu sudu gerak adalah dalam keadaan berputar ,sementara
cakra-cakra adalah dalam keadaan diam sehingga selalu ada ruang bebas yang sempit
antara cakram-cakram putar dan diafragma. Adanya perbedaan tekanan
menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang besarnya (Lit.1, hal 64) :
= ( ) ( )
dimana G kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis
= (ata)
Bila tekanan kritis lebih rendah dari p2 ,maka kecepatan uap di dalam labirin
adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran
ditentukan dengan persamaan:
= 100 (kg/det)
Sebaliknya ,bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2 , maka kecepatan uap adalah
lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung dengan :
Gambar 2.13 Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls (Lit.1, hal
65).
2) Kerugian External ( External Losses )
Kerugian-kerugian ini merupakan kerugian yang bersifat mekanik yaitu
kerugian energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan-tahanan mekanik atau
gesekan yang tidak langsung mempengarui kondisi uap, seperti gesekan antara
poros dengan bantalan, mekanisme pengatur, pompa minyak pelumas, serta
kerugian karena kebocoran pada paking.
2.6 Perancangan Nosel Dan Sudu Gerak
2.6.1 Perancangan Nosel
Perancangan nosel yang dilakukan meliputi: pemilihan jenis, luas sisi
masuk, luas sisi keluar, tinggi dan luas leher nosel.
2.6.1.1 Pemilihan Jenis Nosel
Nosel dibedakan menjadi dua golongan, yaitu:
a) Nosel konvergen (nosel menguncup)
Acuan dalam perencanaan penggunaan kedua jenis nosel tersebut
adalah sebagai berikut (lit.1, hal.20):
Apabila tekanan uap akhir setelah diekspansikan lebih kecil dari
pada tekanan keritisnya ( ), maka nosel yang digunakan adalah
nosel konvergen-divergen.
Apabila tekanan uap akhir setelah diekspansikan lebih besar dari
pada tekanan keritisnya, ( ), maka nosel yang digunakan adalah
nosel konvergen.
Besar tekanan kritis didefinisikan sebagai berikut :
……….……(2.9)
Dimana :
= tekanan uap masuk nosel.
= keceparan keritis dengan besar 0,577 untuk uap kering jenuh dan
Gambar 2.14 a) Nosel konvergen dan b) Nosel konvergen-divergen
(Lit.1, hal 21)
2.6.1.2 Penentuan Dimensi Nosel
Dalam merencanakan dimensi nosel, hal pertama yang dilakukan
adalah menentukan tinggi nosel dan derajat pemasukan uap. Berdasarkan
derajat pemasukan uap, maka turbin dibagi menjadi: turbin dengan derajat
pemasukan uap penuh dan turbin dengan derajat pemasukan sebagian (
partial admission ). Disebut turbin dengan derajat pemasukan uap penuh
jika nosel yang digunakan, diletakan diseluruh keliling roda. Sedangkan
turbin dengan derajat pemasukan sebagian adalah turbin dengan nosel
tidak diletakan di seluruh bagian roda, tetapi sebagian saja (m) (Lit.1, hal
56).
Derajat pemasukan uap (ε) dinyatakan dengan persamaan :
………..(2.10)
Dimana :
m : panjang busur yang digunakan nosel
t : pitch, yaitu jarak antara dua buah nosel yang berdekatan pada
diameter roda rata-rata.
z : jumlah nosel
d : diameter roda rata-rata
Gambar 2.15 Nomenklatur nosel ; a) Nosel konvergen, b) nosel
konvergen-divergen (Lit.1, hal 29)
Luas penampang nosel konvergen tegak lurus terhadap arah vektor
kecepatan adalah :
Diman :
a : lebar nosel pada sisi keluar (minimum)
l : tinggi nosel pada sisi keluar
z : jumlah nosel
b : lebar nosel
dengan menerapkan persamaan kontinuitas pada sisi keluar maka
diperoleh persamaan :
………..(2.12)
Dimana :
: laju aliran massa melalui nosel ( )
: volume spesifik uap pada sisi keluar ( )
: kecepatan uap pada sisi keluar nosel
Dengan melakukan subsitusi persamaan 2.11 ke persamaan 2.12
lalu persamaan 2.10 dan dari gambar diperoleh bahwa ,
maka diperoleh :
……(2.13)
Dari persamaan 2.13 dapat diperoleh persamaan sebagai berikut :
Dan
………(2.15)
Persamaan 2.14 dan 2.15 adalah persamaan untuk menghitung
dimensi sadar nosel. Semua besaran pada persamaan diatas diketahui
kecuali untuk harga dan . Kita dapat menghitung dengan
mengasumsikan sejumlah nilai dari ataupun sebaliknya.
Harga dan harus memenuhi batasan tertentu. Hal ini sudah
sirekomendasikan oleh sylyakhin pada hal 61, yaitu tinggi nosel minimum
adalah 10 mm dan minimum adalah 0,2. Pembatasan tersebut dilakukan
karena kerugian yang terjadi pada nosel akan bertambah besar seiring
dengan berkurangnya tinggi nisel dan derajat pemasukan uap sebagian.
Untuk nosel konvergen-divergen, luas penampang minimum
ditentukan berdasarkan persamaan berikut (lit.1 hal.23)
Untuk uap panas lanjut
Untuk uap jenuh kering
Dimana :
: tekanan uap masuk nosel ( )
: volume spesifik uap sebelum nosel ( )
Pada sisi masuk
(m)
………..……(2.17)
Pada sisi keluar
(m)
………(2.18)
Lebar badan sebuah nosel adalah sebagai berikut :
Pada sisi masuk
(m)
..………(2.19)
Pada sisi keluar
(m)
..………(2.20)
Panjang daerah divergensi nosel adalah sebagai berikut :
2.6.2 Dimensi Sudu Gerak
Sudu gerak digunakan sebagai pengonversian energi kinetik uap yang
mengalir menjadi kerja mekanis pada poros turbin. Sudu gerak dipasang
disekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari
beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda. Banyaknya baris
sudu gerak biasanya disebut banyaknya tingkat.
Gambar 2.16 Nomenklatur sudu impuls
Luas penampang sudu gerak pada arah tegak lurus aliran uap didefinisikan
sebagai berikut :
Untuk penampang sisi masuk sudu :
Untuk penampang sisi keluar sudu :
=
( )
Dimana :
G = massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/s)
2 1, v
v = volume spesifik uap pada sisi masuk dan sisi keluar sudu (m3/kg)
2 1, w
w = kecepatan aliran uap pada sisi masuk dan sisi keluar sudu (m/det)
Tinggi sudu gerak dihitung dengan persamaan berikut :
=
Dimana :
d = diameter rata-rata roda tempat sudu gerak (mm) ε = derajat pemasukan uap
Dimensi-dimensi lain sudu gerak ditentukan berdasarkan persamaan berikut :
Lebar sudu tambahan (c) : c = 0,1 b (mm)
Radius depan sudu (R) : R =
(mm)
Dimana, b adalah lebar sudu
Pitch dari biling (t) : t =
(mm)
Jumlah sudu (z) : z =
Harga c pada sisi pengeluaran uap dimaksudkan untuk memperlama aliran uap
pada sudu sewaktu meninggalkan sudu sehingga separasi uap pada sudu dapat
dikurangi.
Jumlah sudu berdasarkan dari persamaan briling tidak selamanya
dihasilkan sebaiknya dibulatkan kebawah supaya pitch sudu yang dihasilkan sama
dengan 1 sampai 1,2 pitch yang diberikan Briling.
Lebar sisi keluar sudu (ab) : ab = t.sin β2 – t2 (mm)
Dimana, t2 adalah tebal sudu pada sisi keluar
Radius belakang sudu ( r ) : r = R – – t
–
– –
(mm)
Persamaan radius belakang sudu tersebut berlaku jika tebal sudu pada sisi masuk
dan tebal sudu pada sisi keluar adalah sama.
2.7 Model Matematis
Pada bagian ini akan dipaparkan persamaan – persamaan yang digunakan
dalam simulasi sebagai bentuk pendekatan secara numerik, serta beberapa asumsi
tentang aliran yang berlaku di dalamnya.
2.7.1 Persamaan Atur Aliran Fluida (Governing Equation)
Model persamaan atur aliran fluida menggambarkan pernyataan matematis
dari hukum konservasi fisik, yang terdiri dari :
a) Konservasi massa / persamaan kontinuitas
b) Konservasi momentum, laju perubahan momentum sama dengan
penjumlahan gaya – gaya pada partikel fluida (Hukum Newton II)
c) Konservasi energi, laju perubahan energi sama dengan laju penambahan
panas pada fluida dan laju dari kerja yang dilakukan pada partikel fluida
(Hukum I Termodinamika)
Fluida dapat dianggap sebagai kontinum, artinya analisis aliran pada skala
makroskopik (≥1μm) struktur molekular dari bahan dan gerakan molekular dapat
diabaikan. Perilaku fluida digambarkan dalam properti makroskopik seperti
kecepatan, tekanan, massa jenis dan temperatur pada ruang dan waktu. Hal ini
dapat dibayangkan sebagai rata – rata dari sejumlah tertentu molekul – molekul
fluida. Oleh karena itu, dapat didefinisikan elemen fluida terkecil yaitu elemen
Pada analisa ini aliran fluida diasumsikan dalam kondisi steady – state,
aliran kompresibel, dan bentuk aliran turbulen. Sehingga dapat dituliskan bentuk
persamaannya sebagai berikut :
1) Persamaan konservasi massa
Konsep utama dalam persamaan konservasi massa adalah keseimbangan
massa elemen fluida. Bentuk penyelesaian persamaan dalam bidang dua dimensi
(2-D) untuk kondisi steady – state dapat ditulis :
+
= 0………(2.21)Atau dalam notasi tensor, persamaan dapat ditulis :
= 0………..……….(2.22)
Dimana , i = 1,2,3 bentuk referensi searah dengan sumbu x, y, z.
2) Persamaan konservasi momentum
Didalam Hukum II Newton menyatakan bahwa laju perubahan momentum
dari partikel sama dengan gaya – gaya pada partikel, secara matematis dapat
ditulis :
………..(2.23)
Dimana Fx dan ax adalah resultan gaya yang bekerja searah sumbu – x.
Untuk bidang 2-D, laju peningkatan momentum per-unit volume fluida dapat
dinyatakan dalam arah x, dan y, dapat ditulis :
ρ , dan ρ ………..…………(2.24)
Sedangkan gaya yang bekerja dibagi ke dalam dua jenis, yaitu :
d) Surface force : pressure force, viscous force
e) Body force : gravity force, centrifugal force, electromagnetic force
Arah x : ρ = .………...(2.25)
Arah y : ρ = ………...(2.26)
Atau dalam notasi tensor, persamaan dapat ditulis :
= 0…………..……..(2.27)
Dimana i, j, k = 1, 2, 3 bentuk referensi searah sumbu x, y, z
Pada analisa ini, di asumsikan bahwa fluida yang bekerja adalah fluida
Newton (Newtonian fluids). Menurut Hukum Stokes untuk gas monoatomik,
besaran viskositas yaitu :
…………...……….(2.28)
Dengan demikian, besaran viskositas dapat didefinisikan :
………(2.29)
Sehingga persamaan laju perubahan momentum dapat ditulis dalam bentuk notasi
tensor, sebagai berikut :
…...…(2.30)
Dimana i, j, k = 1, 2, 3 bentuk referensi searah sumbu x, y, z. Persamaan ini
3) Persamaan konservasi energi
Bentuk persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang
menyatakan bahwa, laju perubahan energi dari partikel fluida sama dengan laju
penambahan panas ke partikel fluida ditambah laju kerja yang dilakukan terhadap
partikel fluida, secara matematis dapat ditulis :
……….……(2.31)
Dimana, adalah energi pada partikel fluida; adalah laju penambahan panas
(heat flux); dan adalah laju kerja yang dilakukan.
Persamaan laju kerja total yang dilakukan terhadap partikel fluida dapat
ditulis sebagai berikut :
..(2.32)
Persamaan laju penambahan panas searah sumbu x, y dapat ditulis :
………...….(2.33)
Laju penambahan panas menurut Hukum Fourier, yaitu :
; dan ………...………....(2.34)
Persamaan tersebut, merupakan laju penambahan panas searah sumbu x, y. Dalam
hal ini k. adalah konduktivitas termal, sehingga persamaan (2.21) dapat ditulis :
…………..….(2.35)
Adapun persamaan energi dalam hal ini energi kinetik per massa yaitu
………(2.36)
Dengan menjumlahkan persamaan laju penambahan panas dan persamaan kerja
fluida, maka bentuk umum persamaan energi dapat ditulis :
………..(2.37)
Dalam hal ini, fluida yang bekerja adalah fluida Newtonia dan memiliki besaran
viskositas dan faktor fungsi kehilangan energi Φ, sehingga bentuk persamaan
konservasi energi dapat ditulis :
…..……(2.38)
Dimana, fungsi kehilangan energi dapat ditulis dalam persamaan :
…………...(2.39)
Selanjutnya, dengan mensubtitusikan besaran energi dalam i = cT, dimana c
….……...(2.40)
Dan dalam bentuk notasi tensor, persamaan energi dapat ditulis :
………(2.41)
Dimana, i, j, k = 1, 2, 3 bentuk referensi searah sumbu x, y, z. Dengan beberapa
asumsi yang disajikan, bentuk persamaan energi dapat disederhanakan lagi.
Misalnya, jika massa jenis konstan atau aliran inkompresibel maka bentuk
sama dengan nol. Selanjutnya, jika viskositas diabaikan, maka bentuk
dapat dihilangkan dari persamaan. Dan jika panas yang bekerja di dalam elemen
adalah nol, maka dapat dihilangkan juga.
4) Persamaan aliran turbulen
Dalam aplikasinya tidak mungkin hanya menggunakan persamaan dasar
dalam menyelesaikan analisa ini. Karena bilangan Reynolds berpengaruh
terhadap turbin, maka persamaan aliran turbulen digunakan dalam penyelesaian
analisa ini.
Dari bentuk fungsi sebagai bentuk variabel yang bergantung pada jenis
aliran yang bekerja. Maka dapat didefinisikan dalam dua tipe perbedaan
kesetimbangan dari , yaitu :
a) Kesetimbangan menurut waktu ( kesetimbangan Reynolds)
b) Kesetimbangan massa jenis
; Φ” = Φ− ……….(2.43)
Dengan catatan bahwa definisi , tetapi .
Berdasarkan persamaan pembentukan aliran pada persamaan massa,
momentum dan energi berlaku kesetimbangan waktu. Dengan memasukkan
dan sebagai bentuk lain dari kesetimbangan massa jenis (2.31) serta ρ dan p
sebagai bentuk lain dari kesetimbangan waktu (2.32), maka bentuk persamaan
matematisnya adalah :
= 0………...………(2.44)
= 0………....(2.45)
= 0……(2.46)
Kesetimbangan massa jenis energi total yaitu :
……….(2.47)
Selanjutnya, energi turbulen didefinisikan dalam bentuk :
………..………...(2.48)
Sebuah persamaan energi, k, yang didefinisikan dalam persamaan (2.36)
dapat diperoleh dengan mengalikan persamaan momentum sederhana (2.35)
dengan dan kesetimbangan. Dengan menyusun kembali bentuk persamaan
dengan mengunakan bentuk persamaan konservasi massa maka diperoleh
persamaan matematis untuk k yaitu :
………..(2.49)
Dalam simulasi mengenai turbin ini ada beberapa hal yang memungkinkan untuk
diabaikan, seperti bentuk tekanan – tekanan difusi, tekanan kerja dan dilatasi
tekanan. Sehingga dapat dilakukan pendekatan terhadap bentuk difusi molekul
dan laju aliran turbulen. Hasil dari persamaan bentuk k menjadi :
…………(2.50)
Dimana P didefinisikan dalam dalam bentuk:
………..…(2.51)
Dimana didefinisikan dalam dalam bentuk:
………...(2.52)
5) Model turbulensi k – epsilon (k – ε)
Model ini merupakan model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua
persamaan yang memungkinkan yaitu kecepatan turbulen (turbulent velocity) dan
skala panjang (length scales) yang ditentukan secara independen. Kestabilan,
ekonomis (dari sisi komputasi) dan akurasi yang memadai untuk berbagai jenis
aliran turbulen membuat model k – epsilon sering digunakan pada simulasi aliran
fluida dan perpindahan panas. Model matematis dari persamaan k – ε yaitu :
……….(2.53)
………...(2.54)
………..(2.55)
………...……..(2.56)
Model k – ε standar terdiri dari lima konstanta umum yaitu, Cµ = 0,09 dan
Cε1 = 1,44, yang diperoleh dari aliran lapisan batas, serta Cε2= 1,92; σk = 1,0; dan
σε = 1,3 berdasarkan hasil eksperimen wind tunnel. Kesemuanya akan ditetapkan dalam optimasi komputer. Sedangkan fungsi damping fµ , f1 dan f2, adalah sumber
tambahan dari bentuk D dan E yang hanya memungkinkan digunakan pada bidang
6) Kesimpulan persamaan atur aliran fluida (governing equations)
Dari ketiga bentuk persamaan konservasi yaitu massa, momentum dan
energy, serta dengan beberapa asumsi yang memungkinkan terjadi didalam aliran
berupa kondisi steady – state, kompresibel, aliran yang terjadi adalah turbulen dan
fluida yang bekerja adalah fluida Newtonia di dalam bidang tiga dimensi, maka
persamaan atur aliran dapat dituliskan sebagai berikut :
- Persamaan konservasi massa / kontinuitas :
.…...…..(2.57)
- Persamaan momentum :
Momentum arah –x :
…..……(2.58)
Momentum arah –y :
- Persamaan konservasi energi :
……….….(2.60)
- Persamaan aliran turbulen :
………...(2.61)
Dari persamaan atur aliran fluida (2.45) – (2.48) maka dapat disusun
dalam bentuk persamaan :
……….(2.62)
Dimana bentuk pengganti dari variabel tak bebas u, v, k dan ε. Bentuk dan
berkaitan dengan koefisien difusi turbulen dan sebagai istilah untuk variabel
umum . Kesimpulan persamaan terdapat pada tabel 2.4, dan fungsi model
konstanta turbulen terdapat pada tabel 2.5.
Selain itu, fluida yang bekerja diasumsikan sebagai gas ideal, dengan
; p= RT; e= ;
………(2.63)
Dimana γ , , dan Radalah konstan.
Tabel 2.4 Persamaan konservasi
(sumber: Fluent.Inc/fluent6.3.26/help/html/ug/node1513.htm)
Persamaan
Massa 1 0 0
Momentum arah -x u
Momentum arah -y v
Energi kinetik turbulen k
Tingkat disipasi energi
turbulen ε
Tabel 2.5 Konstanta model
(sumber: Fluent.Inc/fluent6.3.26/help/html/ug/node1513.htm)
Konstanta Cε1 Cε2 f1 f2 Cµ σk σε Ew κ
Model k – ε
Standar
BAB III
CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK
3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat
yang sangat kentara dengan kehidupan sehari – hari. Misalnya pengkondisian
udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi,
interaksi berbagai objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar
panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk
diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan
sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu
menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah
suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam
bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.
3.1.1 Pengertian Umum CFD
Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :
- Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan
metode numerik atau komputasi
- Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.
Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi
yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda – benda atau zat
yang mengalir.
Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara
memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reak