dipresentasikan oleh: Dian Safarudin Nrp : 2105 202 010 Surabaya, 01 Agustus 2011 T e s i s SIMULASI VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI NOZZLE EJECTOR TERHADAP TINGKAT KE-VACUUM-AN PADA STEAM EJECTOR DI PLTP KAMOJANG PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBER SURABAYA
63
Embed
SIMULASI VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI … · •Model Aliran Kompresible T M R p w ρ= abst c V M ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
dipresentasikan oleh:Dian SafarudinNrp : 2105 202 010Surabaya, 01 Agustus 2011
T e s i s
SIMULASI VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI NOZZLE EJECTOR TERHADAP TINGKAT KE-VACUUM-AN PADA
STEAM EJECTOR DI PLTP KAMOJANG
PROGRAM MAGISTERBIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBERSURABAYA
2
PENDAHULUAN
Latar Belakang Penelitian
1. Pembangkitan Listrik Tenaga Panas Bumi merupakan SumberEnergi Terbarukan.
3. Panduan operasional Ejector dari pabrik pembuatnya:- Bekerja pada kondisi Tekanan inlet nozzle tertentu.- Tidak terdapat kurva kondisi operasional 65% duty- Tidak ditunjukan tekanan outlet yang dapat dicapai.
2. Uap dari lapangan panas bumi, mengandung non-cndensablegas (NCG), yang mempengaruhi performa unit pembangkitan.
Sidang t e s i s
3
Lapangan Panas Bumi Kamojang
Sidang t e s i s
Lapangan panas bumikamojang tahaun 2000Terdiri dari KMJ I - III
3. Perubahan posisi keluaran nozzle ejector, terhadap tingkatke-vacuum-an bagian suction dan tekanan outlet ejector
PENDAHULUANSidang t e s i s
1. Perubahan beban suction ejector terhadap kebutuhan steam oleh nozzle ejector dan tekanan outlet ejector yang terjadi
2. Perubahan tekanan masuk steam pada nozzle ejector, terhadap tingkat ke-vacuum-an bagian suction dan tekananoutlet ejector yang dapat dicapai
PERMASALAHAN-PERMASALAHN TERSEBUT, AKAN DITELITI MENGGUNAKAN SIMULASI SOFWARE CFD, FLUENT6.3
9
Batasan Permasalahan yang akan Diteliti
1. Fluida NCG beban di kondensor diasumsikan sebagai Gas CO22. Objek penelitian hanya pada steam ejector 65% duty 3. Aliran dalam ejector dianggap tunak4. Performa ejector objek penelitian, dianggap sesuai desain
pabrik, yaitu mampu mengekstrasi 65% beban di kondensor5. Kandungan NCG dalam steam yang memasuki nozzle,
diabaikan6. Tekanan Outlet ejector selalu dikondisikan oleh sistem
ekstrasi gas tahap kedua7. Tingkat keadaan steam di inlet nozzle ejector, dianggap
saturated vapor. 8. Tidak ada reaksi kimia selama pencampuran steam dan Gas
CO2 di dalam ejector 9. Desain C-D nozzle tertentu, dengan desain normal shock pada
aliran di dalam C-D nozzle, tidak terjadi.
PENDAHULUANSidang t e s i s
10
Tujuan Penelitian
1.Menganalisis simulasi perubahan beban suction ejector, terhadaptekanan outlet ejector yang dapat dicapai
PENDAHULUAN
2.Menganalisis hasil simulasi perubahan beban suction ejector, terhadap tekanan inlet nozzle yang diperlukan untuk menghasilkantekanan outlet tertentu
3.Menganalisis variasi tekanan inlet nozzle ejector terhadap tingkatke-vacuum-an suction ejector yang dicapai
4.Mensimulasikan perubahan posisi nozzle, pengaruhnya terhadaptingkat ke-vacuum-an suction dan tekanan outlet ejector
Sidang t e s i s
11
Keutamaan dan Kontribusi Penelitian
Penelitian yang akan dilakukan, diharapkan dapat menarik minatpeneliti lain, untuk melakukan penelitian terhadap performasteam ejector ataupun peningkatan performa unit pembangkitanlistrik tenaga panas bumi, pada umumnya.
Diharapkan dapat menjadi bahan masukan bagi PLTP KamojangUnit IV, untuk pengembangan unit pembangkitannya
PENDAHULUANSidang t e s i s
12
KAJIAN PUSTAKASistem Ekstrasi Non-Condensable Gas di PLTP Kamojang Unit IV
Steam ejector 65% duty, objek penelitian
Sidang t e s i s
13
Ejector 65% duty, objekpenelitian
Steam Ejector 65% duty, perangkat sistem ekstraksi NCGdi PLTP Kamojang Unit IV
14
Prinsip Kerja Steam Jet Vacuum EjectorKAJIAN PUSTAKA
Sidang t e s i s
15
Persamaan Dasar Aliran dalam Ejecor
RTp=
ρ
•Gas Ideal
•Model Aliran Kompresible
TMRp
w
abst=ρ
cVM ≡
•Teori Hubungan Dinamika Gas
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −+= 20
211 M
TT γ
120
21
1−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+=
γγ
γM
pp
11
20
21
1−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+=
γγρρ
M
KAJIAN PUSTAKASidang t e s i s
16
Pemodelan CFD dengan Software Fluent Versi 6.3
PersamaanDifferentia-Partial Pembangun dan
Kondisi Batas
DeskretisasiSistem
PersamaanAljabar
PemecahPersamaan
Hasilpendekatan
KAJIAN PUSTAKA
CFD merupakan pendekatan terhadap persoalan yang asalnya kontinum(memiliki sel tak hingga), menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga)
3. Posprocessingmerupakan tahapan terahir. Yaitu mengorganisir dan interpretasi data hasil simulasi, menjadi berupa gambar, kurva, animasi
Tahapan penggunaan simulasi CFD dengan Fluent 6.3 :1. Preprocessing
- Pembuatan model benda uji- Pembagian volume / bidang benda uji menjadi sel-sel, dengan meshing
2. Solving- Pendefinisian model fisik: persamaan gerak, energy, turbulent, dsb- Pendefinisian kodisi batas- persamaan matematika yang sdh dipilih, diselesaikan secara iteratif
Sidang t e s i s
17
1. Mawardi (1998), dalam final report di Geothermal InstituteAnalisis perhitungan ekonomis pemilihan perangkat sistem extrasi NCG
2. Satha Aphornratana (2003), dalam Journal of Applied Thermal EngineeringStudi experiment pada ejector refrigerator. Variasi temperatur steam penggerakejector dan posisi nozzle.
3. Somsak Watanawanavet (2005), dalam tesis program magister-nyaAnalitis simulasi CFD fluent, optimalisasi ejector penelitian Holtzapple (2001)
4. K. Piantong (2007), dalam Journal of Energy Conversion and ManagementSimulasi CFD fluent, pada model CMA dan CPM ejector, untuk mengetahuifenomena aliran dan performa ejector
5. Chaqing Liao (2008), dalam desertasi program Doctor of Philosofhymenyusun model analitik 1-D untuk desain dan analisis performa gas ejector
KAJIAN PUSTAKAPenelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan
6. B.J. Huang (1998), dalam Industrial Journal of Refrigeration, menyusun model analitik 1-D untuk desain dan analisis performa gas ejector
Sidang t e s i s
18
KAJIAN PUSTAKAPenelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan• Hasil penelitian Mawardi (1998)
1. Setiap Penambahan 1% Kandungan NCG dalam Steam:- Potensi uap berkurang sekitar 0.5%- Konsumsi uap dan/atau daya listrik oleh sistem ekstrasi NCG,meningkat 0.8%-3.2%
2. Pada sistem ekstrasi NCG, centrifugal compressor menghasilkannet output power plant, terbesar. Diikuti hybrid sistem(ejector-LRVP), dan kemudian steam jet ejector.
3. Sensitivity analysis biaya perawatan-operasional, pada NCG < 2%,- Hybrid sistem (ejector-LRVP) lebih menguntungkan.- Penggunaan steam jet ejector, efektif pada kandungan NCG
di bawah 0.3%.
Sidang t e s i s
19
Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan• Ejector, objek penelitian Satha Aphornratana (2003)
KAJIAN PUSTAKA
Pengaruh Variasi NXP dan temperatur fluida primerYang memasuki nozzle, terhadap COP daur refrigerasi.
boilerpadainputheatevaporatordiserapyangheatCOP =
COP akan besar pada laju alir panas diserap evaporatornilainya besar, yaitu pada temperatur evaporator rendah.Dapat diartikan sebanding dengan ke-vacuum-an suction.
Sidang t e s i s
20
KAJIAN PUSTAKAPenelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan• Hasil penelitian Satha Aphornratana (2003)
Effisiensi mixing chamb., ηp =0.88Dengan error yang dapat diterima ±10%
Sidang t e s i s
28
METODE PENELITIANGeometri Steam Ejector Objek Penelitian
Sidang t e s i s
29
Pemodelan dengan Software CFD, Fluent Versi 6.3
1. Pre-ProcessingPembuatan Objek Penelitian supaya dapat disimulasikan software fluent- Pembuatan gambar meshing benda- Penentuan kondisi batas setiap bidang garis benda uji- Disimpan dalam data digital format meshing (*.msh)
2. SolvingProgram inti pencari solusi- meng akses gambar objek penelitian- input model aliran- input data nilai kondisi batas- iterasi penghitungan persamaan model aliran yang dipilih
3. PostprocessingMenginterpretasikan hasil simulasi, dalam bentuk nilai, kontur, grafik, dan animasi
METODE PENELITIANSidang t e s i s
30
Pemodelan dengan Software CFD, Fluent Versi 6.3
1. Pre-ProcessingDomain Ejector objek penelitian, yang menggunakan model axisymmetric
METODE PENELITIAN
31
Pemodelan dengan Software CFD, Fluent Versi 6.3
1. Pre-ProcessingGambar meshing objek penelitian
METODE PENELITIAN
Objek penelitian digambar menggunakan software GAMBIT 2.2.3• Pilih solver fluent 5/6 pada menu solver software gambit.• Gambar 2D Ejector objek penelitian. Gambar dibuat
symetry-nya saja, Untuk aplikasi 2D-axisymmetric – fluent. • Meshing dengan elemen meshing bidang Quad type Map• Tentukan Batas Kondisi aliran, tiap garis yang mewakili bidang• Simpan dalam file format (*.msh)
Sidang t e s i s
32
Pemodelan denan Software CFD, Fluent Versi 6.32. Solving
Pilihan model aliran dalam penelitian
METODE PENELITIAN
Memodelkankondisi hisapan / transfer aliranuntuk material yang berbeda
Sidang t e s i s
33
Rencana Variasi pada Simulasi yang akan Dilakukan1. Variasi kondisi operasional ejector
METODE PENELITIANSidang t e s i s
34
Rencana Variasi pada Simulasi yang akan Dilakukan2. Variasi nozzle exit position - NXP
METODE PENELITIANSidang t e s i s
35
Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek PenelitianMETODE PENELITIAN
Sidang t e s i s
36
Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek PenelitianMETODE PENELITIAN
Sidang t e s i s
37
Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek PenelitianMETODE PENELITIAN
• Kontur tekanan statik
Sidang t e s i s
38
Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek PenelitianMETODE PENELITIAN
• Kontur Mach number
Sidang t e s i s
39
Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek PenelitianMETODE PENELITIAN
• Grafik distribusi tekanan sepanjang garis tengah ejector
Pada tekanan inlet nozzle yang lebih tinggi, pencampuran fluida di throat terjadi pada tekanan yang lebih tinggi. Aliran lebih tahan hambatan, sehingga shock aliran terjadi terlambat.
Fenomena Aliran pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle• Tekanan mixing dan fenomena shocking
HASIL DAN BAHASAN
shock
shock
shock
shock
44
Fenomena Aliran pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle• Tekanan Aliran saat mixing terhadap hasil shocking
HASIL DAN BAHASAN
Distribusi Tekanan Sepanjang Axis Ejector pada Variasi Tekanan Inlet Nozzle
Walaupun shocking terjadi terlambat, momentum aliran yang dimiliki lebih besar, sehingga menghasilkan kenaikan tekanan setelah shock yang lebih tinggi.
45
HASIL DAN BAHASANPengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadapTekanan Outlet Ejector Dan Laju aliran massa dari Suction
tiap kondisi operasionaldengan tekanan inlet nozzleyang berbeda, memiliki nilai CBP tersendiri.Semakin tinggi tekanan inlet nozzle, CBP semakintinggi.
Laju Alir Massa Suction FungsiTekanan Outlet Ejector
1
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
1.07
1.08
0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
Tekanan Outlet Ejector (Bara)
Laju
Alir
Mas
sa S
uctio
n(k
g/s)
p1=9 Barg
p1 = 10.4 Barg
p1 = 12.5 Barg
p1 = 15 Barg
tiap satu variasi tekanan inletNozzle, dilakukan variasi denganInput tekanan outlet yang beda.
Perbandingan hasil simulasi pada tiap variasi, Dilakuakn pada kondisi aliran mencapai CBP masing-masing
46
HASIL DAN BAHASAN
Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap CBP Outlet Ejector
9, 0.41825
10.4, 0.46825
12.5, 0.54025
15, 0.61085
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tekanan Inlet Nozzle (Barg)
CB
P O
utle
t Eje
ctor
(Bar
a)
p2 = 0.11 Bara
Semakin tinggi tekanan inlet nozzle, CBP yang terjadi semakintinggi.
Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap• Tekanan kritis di outlet ejector, CBP
47
HASIL DAN BAHASAN
Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadapLaju Aliran Massa di Suctio Ejector
9, 1.0254158
10.4, 1.052915715, 1.049762
12.5, 1.0698158
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
1.07
1.08
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tekanan Inlet Nozzle (Barg)
Laju
Alir
Mas
sa S
uctio
n (k
g/s)
p suction = 0.11 Bara, pada Titik CBP
tekanan inlet nozzle naik, laju aliran massa suction semakin besar.Pada p1 di atas 12.5 Barg, kapasitas hisap menurun. Hal inidisebabkan aliran terganggu blockage.
Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap• Laju aliran massa dari suction
48
HASIL DAN BAHASANFenomenan blockage aliran padatekanan inlet nozzle yang semakin tinggi
Annulus untuk laluan gas CO2 menjadi lebih kecil dnganmembesarnya inti aliran keluaran nozzle, pengaruh tekanan inlet nozzle yang lebih tinggi. Oleh karenanya, gas CO2 yang masuk keMC menjadi lebih sedikit.
49
Kondisi adanya aliran, berarti adanya komponen tekanan dinamis dalam aliran yang identik dengan besarnya aliran. Dengan demikian pada aliran yang semakin besar, diikuti penurunan tekanan statik atau peningkatan tingkat ke-vacuum-an.
Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap• Tinkat ke-vacuum-an daerah suction
HASIL DAN BAHASAN
Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Tingkat ke-Vacuum-an Suction
9, 0.10907792
10.4, 0.10901486
12.5, 0.1089622815, 0.10897514
0.10895
0.10898
0.10901
0.10904
0.10907
0.1091
8 9 10 11 12 13 14 15 16
Variasi Tekanan Inlet nozzle (Barg)
Teka
nan
Stat
ik S
uctio
n (B
ara)
p2 = 0.11 Bara, p3 pada CBP
50
Fenomena Aliran Dalam Ejector, pada Variasi Posis Nozzle
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)
1. Pergeseran NXP mengakibatkan
penampang anullusmengecil, sehinggaaliran gas CO2 lebih
sedikit.
2. Keberadaan gas CO2pada aliran campuran,
hanya akan menurunkanmomentum aliran steam.
Oleh karenanya pada NXPyang positif dengan m2yang kecil, momentumaliran nya lebih tinggi.
51
Fenomena Aliran Dalam Ejector, pada Variasi Posis Nozzle
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)
Terjadi awal mixing lebih terlambat, sehingga kenaikan tekanan oleh konvergen ejector lebih singkat, menghasilkan tekanan di throat paling rendah, sehingga terjadi shock lebih awal, dengan kondisi kenaikan tekanan setelah shock lebih besar.
52
Fenomena Aliran pada Variasi Posis Nozzle semakin negatif
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)
Pergeseran negatif, menghilangkan pengaruh dinding sehingga aliran dari suction berkecenderungan menuju inti aliran keluaran nozzle.
53
• Adanya pengaruh aliran gas CO2 ke inti steam keluaran nozzle, mengakibatkan efek kompresi terhadap steam. Terlihat daerah inti aliran dengan warna biru tua lebih luas pada NXP semakin positif. •Kompresi ke inti mengakibatkan momentum aliran steam semakin kecil, sehingga dihasilkan CBP yang kecil.
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)Fenomena Aliran pada Variasi Posis Nozzle semakin negatif
54Dilakukan simulasi dengan variasi NXP. Setiap NXP melakukan simulasi untuk mencari CBP
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)Hasil simulasi posisi CBP pengaruh variasi NXP
551. Pada NXP yang semakin positif, CBP semakin Tinggi pengaruh tingginya momentum aliran
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)Hasil simulasi variasi NXP terhadap tekanan kritis outlet ejector
56
1. NXP dengan arah semakin positif dari NXP aktual, kapasitas hisapsuction terus menurun menurun.
2. Akan tetapi penurunan kapasitas hisap, terjadi juga pada variasi NXP upstream NXP aktual, NXP -12.
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)Hasil simulasi variasi NXP terhadap laju alir massa suction
57Ke-vacuum-an semakin turun, pada variasi NXP semakin positif.
Hasil simulasi variasi NXP terhadap ke-vacuum-an suction
HASIL DAN BAHASANSimulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP)
58
KESIMPULAN DAN SARAN
K e s i m p u l a n
1. Pada variasi tekanan inlet nozzle dengan nilai yang lebih tinggi, nilai tekanan kritis outlet ejector, CBP, menjadi naik. Kenaikan tersebut lebih dikarenakan kenaikan momentum aliran, seiring naiknya tekanan inlet nozzle
2. Sampai nilai variasi 12.5 Barg, kapasitas hisap dan ke-vacuum-an suction meningkat. Pada peningkatan lebih lanjut, baik kapsitas hisap maupun ke-vacuum-an menurun. Hal ini dikarenakan terjadinya blockage aliran.
3. Pada simulasi posisi nozzle, untuk NXP yang semakin positif, kapasitas dan ke-vaccum-an suction menurun. Hal ini dikarenakan semakin sempitnya penampang laluan gas CO, seiring penggeseran nozzle ke convergen nozzle
4. Adapun nilai CBP yang dihasilkan lebih tinggi pada NXP yang lebih positif dari kondisi aktual. Hal ini dikarenakan, pada NXP lebih positif, porsi gas CO2 yang ke hisap sedikit, sehingga momentum alira campuran lebih besar.
5. Pada NXP lebih negati dari NXP aktual, NXP -12, terjadi penurunan kapasitashisap, disisi lain ke-vacuum-an terus meningkat. Hal ini dikarenakan padapergeseran negatif, dinding nozzle sebagai pengarah aliran akan semakinpendek, bahkan hilang pada NXP -12. Dengan demkian ada porsi gas CO2yang mengalir ke arah inti dan menekan inti aliran keluaran nozzle.
59
KESIMPULAN DAN SARAN
S a r a n
A. Saran Khusus • Dipertimbangkan penelitian lebih lanjut, khususnya di daera tekanan inlet
nozzle 112.5 sampai 15 Barg. Sehingga diperoleh kondisi optimum.
• Dilakukan penelitian lanjutan, dengan simulasi CFD, mengacu datakandungan NCG, sehingga dihasilkan kurva operasional 65% duty.
B. Saran Khusus • Ditujukan sebagai masukan ke PLTP Kamojang Unit IV, untuk
mempertimbangkan kondisi operasional ejector, dengan tekanan inlet nozzle sampai 12,5 Barg.
• Masukan untuk memanfaatkan liquid ejector, sebagai penghisap NCG, yang bersamaan dengan proses re-injection reservoir. Dengan demikian NCG dialirkan kembali ke reservoir panas bumi.
60
61
62
63
Aliran pada Convergen-Divergen Nozzle• Laju aliran massa max pada nozzle
• Pressure ratio tekanan outlet terhadaptekanan stagnasi inlet-