KOMPUTASI DINAMIKA FLUIDA AIR ISIAN PADA ELBOW
EKONOMISER
1)
Arif Setyo Nugroho,
2)Heri Kustanto
1),2)
(Program Studi Teknik Mesin Akademi Tekhnologi Warga Surakarta)
ABSTRACT
Piping system using a branched elbow serves to combine stuffing water comes from natural springs with water from the main kondensator.diameter is 20,32 cm diameter pipe connection of the condenser is 5.08 cm. Flow rate through the big elbow diameter was 0,4 m/s. Speed through the small pipe is 1 m/s. Variations in water temperature stuffing into the elbow of the same condenser with a water temperature of 27 0C and a natural source of 450 C. Simulation using Computational Fluid Dynamics program FLUENT to form an engaging profile and the results can be known.
From the simulations it is known to supply water with a temperature of 45 OC, is the flow rate of the pipe diameter is 71,526 kg/s and for small pipe flow rate is equal to 44,704 kg /s. For heat transfer -4604,563 W. For data simulation results can be known to supply water at 27oC computational data obtained tubule flow rate is 44,7039 kg/s and for the flow rate of the pipe is equal to 71,526 kg/s, for heat transfer gained 17,25 W.
Keywords : Elbow, temperature, ekonomiser, computation fluid dynamics
I. PENDAHULUAN
Ketel uap atau boiler dalam bidang industri banyak dijumpai pemanfaatannya. Ketel uap banyak digunakan untuk pemanas, pengawet proses dan pembangkit energi. Saat ini, ketel uap mengalami kemajuan yang sangat cepat. Pembangkit listrik tenaga uap merupakan rangkaian beberapa instalasi yang tergabung menjadi satu, salah satunya yaitu instalasi boiler. Instalasi boiler merupakan suatu peralatan pembangkit uap yang cukup kompleks melalui pemanasan air oleh temperatur hasil pembakaran dari bahan bakar. Dobrowolski dkk ( 2007) Boiler dapat merubah komposisi air masukan menjadi uap melalui economiser, evaporator, superheater. Ekonomiser adalah suatu alat penukar panas yang berfungsi untuk meningkatkan suhu temperatur air sebelum masuk kedalam drum ketel, alat ini merupakan bagian dari alat yang berada di dalam ketel uap pipa air, dimana ketel uap adalah suatu alat konversi energi yang terbuat dari baja, berbentuk bejana dan berfungsi untuk menghasilkan uap dengan jalan mengubah fase cair menjadi uap dengan jalan pemanasan dari pembakaran bahan bakar (Nurchalis, 2005).
Air yang masuk kedalam ekonomiser adalah air yang berasal dari sumber air yang telah dilakukan pelunakan dari kondensator, dimana air dari kondensator masih mempunyai temperatur diatas temperatur air isian dari sumber air. Debnath dkk (2010) Penggunakan perhitungan komputasi Computational Fluid Dynamic (CFD) diharapkan mampu menghasilkan perhitungan sesuai dengan yang diharapkan. Langkah pertama membuat disain dengan menggunakan program gambit dan kemudian untuk simulasinya dengan menggunakan CFD fluent. Computational Fluid
Dynamic (CFD) merupakan suatu metoda perhitungan dinamika fluida yang meliputi perpindahan
massa, perpindahan momentum dan perpindahan energi didalam suatu sistem. Prasad dkk (2010) mengatakan pengaturan hukum proses perpindahan meliputi konservasi massa total, konservasi massa komponen, konservasi momentum dan konservasi energi. Secara matematik hukum konservasi . Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui nilai perpindahan panas hasil pencampuran fluida dengan jenis yang sama tetapi inputan temperatur yang berbeda. Simulasi program yang digunakan adalah program Computational Fluid Dynamics (CFD).
II. BAHAN DAN METODA
A. BAHAN DAN ALAT
CFD digunakan sebagai alat untuk mensimulasikan aliran fluida, evaluasi proses, dan mendesain komponen. Perkembangan teknologi aplikasi yang semakin baik, dapat menggunakan berbagai simulasi untuk menyelesaikan permasalahan yang lebih rumit, dengan lebih banyak detail, dan hasil lebih tepat, salah satunya adalah simulasi CFD.
Geometri yang telah dibuat akan dilakukan proses pembuatan Grid/Mesh.
Pembuatan mesh dilakukan menggunakan perangkat lunak ansys meshing. Meshing
merupakan proses pembagian geometri menjadi ruang yang memiliki ukuran lebih kecil
yang disebut dengan cell. Fungsi dari mesh adalah untuk melakukan perhitungan dalam
proses numerik. Mesh yang digunakan untuk penyelesaian dipilih jenis mesh fine dengan
bentuk mesh tetrahedral dan hexahedral. Bentuk dan kualitas mesh, berpengaruh terhadap
hasil pengujian.
Diameter utama adalah 20,32 cm diameter pipa sambungan dari kondensator
adalah 5,08 cm. Kecepatan aliran yang melewati diameter elbow besar adalah 0.4 m/s.
Kecepatan fluida melewati pipa kecil adalah 1 m/s. Variasi temperatur air isian yang
masuk ke elbow dari kondensator yaitu sama dengan temperatur air dari sumber alam,
yaitu : 45
oC dan 27
oC.
B. KAJIAN PUSTAKA
Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi ketel uap adalah dengan cara meningkatkan temperatur air isian sampai mendekati temperatur titik didihnya. Air isian berasal dari sumber air alam yang telah dilakukan pelunakan dan dari kondensator. Air yang berasal dari kondensator masih memiliki temperatur yang cukup tinggi. Arymba (2010) dan Prasad (2010) menjelaskan simulasi percampuran tersebut menggunakan CFD fluent dengan dasar perhitungan numerik. CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida, mulai dari aliran fluida ,heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum massa, serta spesies, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan - persamaan yang terlibat. Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundry condition.
Boundry condition adalah kondisi dimana kontrol penghitungan didefinisikan sebagai definisi awal
yang akan dilibatkan ke kontrol penghitungan yang berdekatan denganya melalui persamaan yang terlibat. Burn dkk (2008) mengatakan model numerik yang digunakan tiga persamaan model turbulen digunakan untuk simulasi CFD tersebut adalah fluida yang memiliki kerapatan (ρ) konstan , (μ) viskositas empat persegi panjang Sistem Cartesian Co-ordinat adalah sebagai berikut. Persamaan Continuity
………...….. (1)
Persamaan momentum Untuk sumbu x………...…....…. (2)
Untuk sumbu Y…………...…... (3)
Persamaan k-ε Modelk Equation
………...…. (4)
ε Equation
...(5)
...……...……….(6)
k- ω model
………...…...….(7)
…………...….(8)
Reynolds stress model:
u Equation
…….. (9)
v Equation
……...(10)
Untuk temperatur adiabatis
…...,,,...……. (11)
Untuk temperatur non adiabatik
…...…….. (12)
Keterangan :
= heat losses = heat reaksi kimia
……...…….,,, (13)
C. METODE PENELITIAN
Tahapan metodologi analisa ditunjukan pada gambar 1. Analisa yang dilakukan dengan menggunakan program untuk membuat geometri menggunakan gambit dan mashing. Pendifinisian model fisiknya dengan menggunakan Persamaan Continuity Momentum. Reynold stres model, Persamaan k-ε Model. Analisa numerik menggunakan fluent CFD. Analisa dengan memvariasikan temperatur fluida air yang masuk kedalam elbow.
Gambar 1. Tahapan Penelitian
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2. Bentuk gambit elbow
STUDI LITERATUR
ANALISA PERMASALAHAN
STUDI LAPANGAN
PEMBUATAN GEOMETRI GAMBIT
IMPUTAN DATA COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (FLUENT) VARIASI VELOCITY TEMPERATUR AIR DARI
KONDENSAT HASIL SIMULASI YA TIDAK ya tidak tidak
PENDIFINISIAN BIDANG BATAS PADA GEOMETRI
PENGECEKAN MESH
CFD FLUEN
KUALITA S MESH
Gambar 3. Velocity vektor temperatur air isian 45oC Gambar 4.Velocity vektor temperatur air isian 27oC
Gambar 5. Visualisasi aliran fluida pada temperatur Gambar 6. Visualisasi aliran pada temperatur air isian 45◦C air isian 27◦C
Dari gambar no 3, dapat dilihat dengan adanya penambahan fluida yang memiliki
temperatur lebih tinggi (berbeda) dengan temperatur air dari pemompaan yang bersumber
dari alam maka akan terjadi percampuran atau dengan kata lain temperatur akan menjadi
temperatur rata - rata dan bila temperatur semakin jauh dari percabangan maka temperatur
semakin mendekati temperatur 27
oC. Gambar 4, menjelaskan mengenai percampuran air
dengan temperatur yang sama. Data hasil simulasi dapat diketahui untuk suplai air dengan
temperatur 45◦C, diperoleh laju aliran diameter kecil sebesar 71,526398 kg/s dan untuk
laju aliran diameter kecil adalah sebesar 44,704 kg/s, dengan laju perpindahan panas total
-4604,563 W.
Sedangkan data hasil simulasi untuk suplai air dengan temperatur 27◦C diperoleh
laju aliran diameter kecil sebesar 44,704 kg/s dan untuk laju aliran diameter besar adalah
sebesar 71,526398 kg/s dengan laju perpindahan panas total sebesar 17,25 W.
Gambar 7. Visualisasi aliran fluida
Dari penampilan visualisasi yang terlihat digambar 7, menunjukkan adanya perbedaan laju aliran. Dimana yang dekat dengan dindin elbow nilainya lebih kecil dibandingkan dengan yang jauh dari dinding. Faktor gesekan mempengaruhi laju aliran fluida yang melewatinya.
Gambar 8. Vektor statik temperatur
Dengan data vektor untuk temperatur dapat kita ketahui bahwa apabila ada dua suplai fluida yang memiliki temperatur yang berbeda maka akan terjadi percampuran temperatur, dimana yang dulunya lebih panas akan menjadi turun tetapi yang dulunya dibawah akan menjadi naik sehingga temperatur akan menjadi temperatur rata-rata, berbeda kalau suplai fluida yang masuk dari kondensator lebih dingin suhunya maka akan terjadi penurunan suhu secara rata- rata.
IV. SIMPULAN
Hasil simulasi menunjukkan dengan kecepatan aliran yang melewati diameter elbow
besar 0,4 m/s dengan kecepatan aliran yang melewati pipa kecil 1 m/s untuk suplai air
dengan temperatur yang berbeda diperoleh nilai perpindahan panas yang berbeda. Untuk
suplai air dengan temperatur 45
OC, dengan laju aliran pipa diameter besar 71,526 kg/s
dan laju aliran pipa diameter 44,704 kg/s diperoleh perpindahan panas sebesar -4604,563
W. Sedangkan untuk suplai air dengan temperatur 27
OC, dengan laju aliran pipa diameter
besar 44,703972 kg/s dan laju aliran pipa diameter kecil sebesar 71.526 kg/s diperoleh
nilai perpindahan panas sebesar 17,25 W.
V. DAFTAR PUSTAKA
[1] Boleslaw Dobrowolski, Jacek Wydrych,2007, Computational And Experimental Analysis Of Gas
Particle Flow In Furnance Power Boiler Instalations With Respect to Erosion Phenomena, Journal of theoretical and Applied Mechanics.
[2] M.N Idris A Burn, 2008, CFD Modelling Gas – Solid Flow in CFB/FCC Riser Reactors Simulation
Using Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) in a Fully Developed Flow Situation, Annual International Conference.
[3] Naran Armbya, 2005, CFD Analysis 3D Thermal Hydraulics Flow Effects on Wall Concentration Gradient Profiles for LBE loop Fittings, Bachelor of Engeering PES Institute of Technology India. [4] Rabin Debnath, Somnath Bhattacharjee, 2010, Acomparative Study With Flow Visualization OF
Turbulent Fluid Flow In An Elbow,International journal of Engineering Science and Technology
[5] Visnhu Prasad, Ruchi Khare, Hydroulic Performance Of Elbow Draft Tube for Different, Geometrik
Configuration Using CFD, Ahec IIT Rookee, India.
[6] Visnhu Prasad, Ruchi Khare, 2010, Numerical Simulation for Performance of Elbow Draft Tube at
Different Geometric Configuration, Departement of Civil Engineering MA National Institute of
