C. SYNOPSIS PENELITIAN LANJUTAN
PENGARUH PEMODELAN TURBULENSI PADA PREDIKSI PERPINDAHAN PANAS DI HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR
(HRSG)
Heat exchanger (alat penukar panas) banyak telah banyak diaplikasikan untuk
berbagai bidang, mulai dari industri makanan (Grijspeerdt dkk., 2002), otomotif sampai bidang pembangkit energi (Lin dkk., 2004). Desain Heat exchanger yang tepat memerlukan perhitungan perpindahan panas dan pressure drop yang akurat.
Keterbatasan utama dari perhitungan secara konvensional adalah adanya asumsi bahwa aliran yang akan memasuki heat exchanger bersifat seragam (uniform), steady dan menyeluruh (overall).
Salah satu modus kegagalan heat exchanger pada boiler adalah pecahnya pipa (tube) exchanger karena localized overheating pada pipa tersebut. Hal ini umumnya disebabkan oleh kecepatan aliran yang akan memasuki heat exchanger tidak seragam. Pemodelan heat exchanger dengan Computational Fluid Dynamics (CFD) akan mengurangi resiko kesalahan karena perhitungannya menggunakan metode Finite Element, sehingga kondisi aliran yang tidak seragam dan transient dapat disimulasikan dengan baik.
Pemodelan heat exchanger dalam software Fluent telah mampu memprediksi perpindahan panas dan pressure drop dengan penyimpangan masing-masing sebesar 9% dan 4%. Dengan kemampuan prediksi ini, pemodelan heat exchanger dapat dipergunakan untuk memprediksi perpindahan panas dan presure drop pada boiler
Boiler HRSG adalah salah satu peralatan yang menggunakan heat exchanger dan menggunakan gas buang (exhaust) turbin gas sebagai sumber panas. Karena exhaust turbin gas memiliki pola aliran yang tangensial, aliran yang masuk boiler HRSG tidak bersifat uniform. Kondisi ini diperparah oleh perubahan luas penampang (ekspansi) boiler HRSG pada sisi atas yang cukup besar. Kondisi ini akan menyebabkan perubahan karakteristik turbulensi aliran, perubahan laju perpindahan panas dan pressure drop.
1. Perumusan Masalah
Perhitungan perpindahan panas dan pressure drop pada heat exchanger secara konvensional memiliki keterbatasan pada asumsi bahwa aliran bersifat seragam dan steady. Disisi lain, beberapa peralatan yang menggunakan heat exchanger memiliki pola aliran fluida yang tidak uniform. Contoh peralatan ini adalah boiler HRSG.
Untuk dapat memprediksi perpindahan panas dan pressure drop di HRSG dengan akurat, diperlukan penelitian yang mengevaluasi kemampuan pemodelan turbulensi dalam memprediksi laju perpindahan panas dan pressure drop di dalam HRSG.
2. Rancangan Penelitian
Penelitian yang akan dilakukan terdiri dari tiga tahap: mencari data pembanding berupa heat transfer performance HRSG dari manufacturer, studi literatur dan simulasi numerik.
a). Mencari data pembanding
Heat transfer performance HRSG ditentukan oleh geometri dari heat exchanger dan kondisi aliran gas masuk. Manufacturer HRSG umumnya telah memiliki data heat transfer performance suatu HRSG untuk memastikan bahwa peralatan dapat bekerja sesuai dengan kondisi lapangan. Salah satu manufacturer HRSG yang mungkin dapat memberikan data ini adalah PT ALSTOM Indonesia.
b) studi literatur
Studi literatur akan dilakukan pada berbagai artikel dan buku yang membahas penggunaan pemodelan turbulensi untuk simulasi pada heat exchanger, aliran melalui sudden expansion dan simulasi perpindahan panas di HRSG. Studi literatur dimaksudkan untuk memberikan gambaran yang lebih rinci tentang progress yang telah dicapai dalam mensimulasikan perpindahan panas di HRSG.
c) simulasi numerik
Simulasi akan dilaksanakan dengan memakai software CFD komersial, Fluent 6.2 untuk kasus perpindahan panas dan pressure drop pada HRSG. Heat exchanger yang ada di HRSG terdiri dari:
• Superheater 1 dan 2
• Economizer
• Evaporator
Umumnya boiler HRSG digunakan untuk beberapa variasi pembebanan, tergantung pada tingkat pembebanan turbin gas. Variasi pembebanan yang ada adalah 80%, 90%
Pemodelan turbulensi yang dipakai adalah:
• Standard k-ε turbulence model
• RNG k-ε turbulence model
• Realizeable k-ε turbulence model
• Standard k-ω turbulence model
• ShearStress Transport k-ω turbulence model
• Reynolds Stress Model (RSM)
Domain aliran dari HRSH dapat dilihat di gambar 1 dan profile aliran gas panas masuk ke HRSG di gambar 2.
Gambar 1. Domain aliran dalam HRSG Evaporator &
economizer
Superheater 1 & 2
Aliran gas masuk
Gambar 2 Profil kecepatan gas panas masuk ke HRSG
Hasil simulasi ini akan dibandingkan dengan data heat transfer performance dari manufacturer HRSG.
