BAB IV HASIL YANG DICAPAI DAN POTENSI KHUSUS

Transkripsi

1 47 BAB IV HASIL YANG DICAPAI DAN POTENSI KHUSUS 4.1 PENDAHULUAN Bab ini menampilkan hasil penelitian dan pembahasan berdasarkan masing-masing variabel yang telah ditetapkan dalam penelitian. Hasil pengukuran dan simulasi dari Computational Fluid Dynamics (CFD) ditampilkan dalam Bab IV ini. Hasil pengukuran diuraikan untuk mengetahui kondisi karakteristik fluida uap pada nozzle tip sampling probe di lapangan Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) Darajat. Analisa dan hipotesa setiap data juga akan ditulis sehingga memperjelas hipotesa. Adapun hasil penelitian dan simulasi disajikan dalam bentuk data-data atau informasi yang diperoleh selama melakukan penelitian. Hasil penelitian kuantitatif disajikan dalam bentuk angka-angka seperti persentase, pecahan, desimal dalam tabel, diagram, atau grafik hasil pengukuran. Sementara itu, data penelitian kualitatif berupa deskripsi dari hasil penelitian yang dilakukan berbentuk pernyataan-pernyataan pendapat, penjelasan gambar, dan/atau uraian hasil observasi. Dalam melakukan simulasi pengujian ini, penulis melakukan beberapa pengujian mulai dari jalur pipa sederhana, jalur pipa berbelok 90⁰ (elbow), jalur pipa dengan hambatan solid/block tube, jalur pipa dengan terpasangnnya nozzle tip sampling probe dengan diameter nozzle 0,125 inci dan jalur pipa dengan terpasangnya nozzle tip sampling probe dengan diameter 0,25 inci. Analisis penulis tentang hasil simulasi ini menghasilkan gambaran kontur/profil distribusi tekanan, temperatur dan kecepatan pada aliran fluida uap yang melalui jalur pipa dan lubang nozzle tip sampling probe. Setelah dilakukan pengoperasian simulasi, maka akan muncul beberapa warna. Fungsi dari warna yang ditampilkan ini memperlihatkan variasi dari hasil yang

2 48 diperoleh, tetapi tidak ditunjukkan secara detil, namun dapat diambil distribusi ratarata dari warna tersebut. Skala warna biasanya terletak di sebelah kiri atas gambar simulasi model, dimulai dari angka terendah sampai angka tertinggi. Skala warna dapat kita tentukan, tergantung dari range angka yang kita butuhkan, yang artinya tingkat ketelitian yang semakin tinggi maka skala warna juga akan memiliki range yang semakin kecil. 4.2 SIMULASI CFD JALUR PIPA SEDERHANA Bagian ini menampilkan deskripsi awal dalam penelitian ini, yaitu simulasi aliran fluida uap pada jalur pipa yang sederhana. Data-data nilai rata-rata termodinamika fluida uap di jalur pipa produksi yang berhasil didapatkan oleh penulis, yaitu sebagai berikut: a. Tekanan absolut : 18,48 bar b. Temperatur : 212,97 ⁰C c. Laju aliran massa : 23,15 kg/s Gambar 4.1 Model 3D pipa produksi Gambar 4.2 Konstur distribusi tekanan untuk simulasi pipa produksi Tujuan simulasi pada model pipa sederhana yang berfungsi sebagai media transfer fluida uap panas bumi dari sumur produksi adalah untuk mengamati pola aliran di dalam pipa dengan material carbon-steel dan nilai diameter dalam 381 mm

3 49 dan nilai diameter luar 406 mm atas perubahan parameter tekanan, temperatur dan kecepatan dari pipa produksi (Gambar 4.1). Tahap Post-Processing untuk mendapatkan simulasi ini adalah setelah proses solver yang mana didapatkan hasil aliran fluida uap (steam) di dalam pipa produksi. Dari hasil analisis (Gambar 4.2) dapat diketahui bahwa nilai dari tekanan fluida tersebut cenderung menurun secara perlahan yaitu pada kisaran 18,48 bar. Gambar 4.3 Kontur distribusi temperatur untuk simulasi pipa produksi Dari hasil analisis (Gambar 4.3) dapat diketahui bahwa nilai temperatur cenderung menurun dari 213,01ᵒC ke 209,55ᵒC. Hal ini terjadi sesuai dengan prinsip perpindahan panas bahwa suatu fluida dapat mengalir salah satunya karena adanya perubahan temperatur. Argumen ini diperkuat lagi dengan adanya fenomena distribusi temperatur ini serupa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4 di bawah ini, dengan catatan nilai temperatur pada dinding bagian dalam pipa lebih rendah dibandingkan nilai temperatur fluida uap itu sendiri. Gambar 4.4 Lapisan batas (boundary layer) termal pada pipa (Sumber: Bergman, 2011)

4 50 Gambar 4.5 Kontur distribusi kecepatan aliran untuk simulasi pipa produksi Gambar 4.6 Arah aliran fluida berdasarkan parameter kecepatan Dari hasil analisis (Gambar 4.5) terlihat pada awal perjalanan itu perubahan kecepatan tidak terlihat atau relatif kecil. Setelah menempuh jarak tertentu terjadi perubahan yang disebabkan oleh efek gesekan antara fluida uap (steam) dengan permukaan dinding bagian dalam pipa sumur produksi. Pada Gambar 4.6 juga menunjukan arah pergerakan fluida berdasarkan parameter kecepatan. Hal ini sesuai dengan karakteristik parameter fluida yang ditunjukkan seperti pada Gambar 4.7 dan Gambar 4.8. Pada gambar tersebut terlihat bahwa gradient dan nominal tertinggi kecepatan berada pada bagian tengah pipa. Gambar 4.7 Mekanisme aliran internal (Sumber: Bhandari, 2012) Gambar 4.8 Kontur kecepatan aliran fluida air pada pipa stainless steel. (Sumber: Sambit, S)

5 SIMULASI CFD JALUR PIPA YANG BERBELOK 90⁰ (elbow) Gambar 4.9 Model 3D pipa produksi berbelok 90⁰ (elbow) Bagian berikutnya, penulis melakukan pembuatan geometri model 3D untuk pipa produksi dengan jalur yang berbelok membentuk 90ᵒ atau menyerupai elbow (Gambar 4.9), penulis melakukan simulasi untuk mendapatkan kontur distribusi tekanan, temperatur dan kecepatan. Tahap Post-Processing untuk mendapatkan simulasi adalah setelah proses solver yang mana didapatkan hasil aliran fluida uap (steam) di dalam pipa produksi berbelok 90ᵒ. Dari hasil simulasi (Gambar 4.10) dapat diketahui bahwa nilai dari tekanan fluida tersebut mulai berubah dan cenderung menurun walaupun masih dalam batas toleransi yaitu 18,50 bar hingga 18,46 bar. Hal ini terjadi karena di dalam pipa tersebut adanya fluida yang mengalir dalam belokan dan bertumbuk sebelum fluida tersebut melanjutkan perjalanan ke bagian pipa yang horizontal. Gambar 4.10 Kontur tekanan untuk simulasi pipa produksi belok 90⁰ (elbow)

6 52 Gambar 4.11 Kontur temperatur untuk simulasi pipa produksi belok 90⁰ (elbow) Dari hasil analisis (Gambar 4.11) dapat diketahui bahwa nilai temperatur cenderung menurun dari 213,13ᵒC ke 210,77ᵒC. Baik parameter tekanan maupun temperatur memperlihatkan penurunan nilai. Hal ini sesuai dengan rujukan pada Gambar 4.12 yang juga perubahan nilai tekanan maupun kecepatan pada sisa belokan. Gambar 4.12 Hasil tes numerik jalur pipa belok 90⁰ (elbow) (Sumber: Stepuk dkk, 2014) Gambar 4.13 Kontur kecepatan aliran fluida untuk simulasi pada pipa (elbow)

7 53 Dari hasil analisis (Gambar 4.13) dapat diketahui bahwa nilai kecepatan bervariasi, namun di bagian sisi radius bagian dalam cenderung lebih tinggi dibandingkan dengan bagian yang dekat dinding permukaan pipa sisi radius luar. Hal ini menunjukkan bahwa distribusi kecepatan berubah sebelum fluida uap tersebut menuju saluran pipa yang lurus kembali. 4.4 SIMULASI CFD JALUR PIPA DENGAN HAMBATAN BLOCK/SOLID TUBE Gambar 4.14 Model 3D pipa produksi yang dihalangi block/solid tube Gambar 4.15 Kontur tekanan untuk simulasi pipa dengan block tube Bagian berikutnya, penulis melakukan pembuatan geometri model 3D untuk pipa produksi dengan hambatan solid tube (Gambar 4.14), penulis melakukan simulasi untuk mendapatkan kontur distribusi tekanan, temperatur dan kecepatan. Tahap Post- Processing untuk mendapatkan simulasi adalah setelah proses solver yang mana didapatkan hasil aliran fluida uap (steam) di dalam pipa produksi. Dari hasil analisis (Gambar 4.15) dapat diketahui bahwa nilai dari tekanan fluida tersebut mulai berubah dan cenderung menurun yaitu 18,52 bar hingga 18,48 bar. Hal ini terjadi karena di dalam pipa tersebut adanya fluida yang bertumbuk bagian dinding permukaan solid tube.

8 54 Gambar 4.16 Kontur temperatur untuk simulasi pipa dengan block tube Dari hasil analisis (Gambar 4.16) dapat diketahui bahwa nilai temperatur cenderung sedikit meningkat dari 216,94ᵒC dan setelah menabrak block tube menjadi 225,59ᵒC. Hal ini terjadi karena dipicu oleh meningkatkan tekanan di bagian block tube sehingga berdampak pada perubahan temperatur pada area tersebut. Gambar 4.17 Kontur kecepatan untuk simulasi pipa dengan block tube Gambar 4.18 Arah aliran kecepatan untuk simulasi pipa dengan block tube Dari hasil analisis (Gambar 4.17) dapat diketahui bahwa nilai kecepatan cenderung konstan sebelum melewati block tube, namun keadaan setelah melewati block tube cenderung terjadi peningkatan dari 24,046 menjadi 37,786 di area

9 55 sekeliling block tube itu sendiri. Hal ini menunjukkan bahwa fluida uap bertumbuk dan setelah melewati wilayah yang lebih sempit sehingga distribusi kecepatannya menjadi naik. Kemudian jika dibandingkan antara Gambar 4.18 dan Gambar 4.19, maka didapatkan kesamaan dalam flow trajectory-nya khususnya kondisi setelah melewati block/solid tube. Gambar 4.19 Aliran particle trajectories di sekeliling obyek silinder (Sumber: Merzkirch, 1974) 4.5 SIMULASI CFD JALUR PIPA YANG DIPASANG NOZZLE SAMPLING PROBE Dalam penelitian ini telah dilakukan pengambilan data termodinamika fluida kerja dan simulasi di dalam sistem yaitu pipa dan nozzle tip sampling probe. Gambar 4.20 Model 3D nozzle tip 0,125 in yang terpasang pada pipa

10 56 Gambar 4.21 Model 3D nozzle tip 0,25 in yang terpasang pada pipa Pada sub-bab berikut ini, penulis sudah sampai tahap pembuatan geometri model 3D untuk pipa produksi dengan diameter dalam dan diameter luar serta aplikasi material yang menyerupai kondisi di lapangan dan telah terpasang nozzle sampling probe (Gambar 4.20 dan Gambar 4.21) yang mana bagian nozzle tip terdapat lubang yang akan berhadapan langsung dengan fluida yang diukur, kemudian penulis melakukan simulasi untuk mendapatkan kontur distribusi tekanan, temperatur dan kecepatan. Gambar 4.22 Simulasi kontur tekanan nozzle tip 0,125 in (kiri) dan 0,25 in (kanan)

11 57 Tahap Post-Processing untuk mendapatkan simulasi ini adalah setelah proses solver yang mana didapatkan hasil aliran fluida uap (steam) di dalam pipa produksi. Dari hasil analisis (Gambar 4.22) dapat diketahui bahwa nilai dari tekanan fluida tersebut hampir mendekati yaitu 18,47-18,49 bar. Hal ini menunjukkan bahwa parameter tekanan yang diukur adalah tekanan statis, yang mana tidak terpengaruh terhadap perubahan kecepatan fluida. Gambar 4.23 Simulasi kontur temperatur nozzle tip 0,125 in (kiri) dan 0,25 in (kanan) Dari hasil analisis (Gambar 4.23) dapat diketahui bahwa nilai temperatur cenderung lebih tinggi pada nozzle tip 0,125 inci dibanding nozzle tip 0,25 inci. Hal ini terlihat pada ujung nozzle tip 0,125 inci kontur warna merah yang mana artinya memiliki skala nilai/angka temperatur yang lebih tinggi dari warna biru pada nozzle tip 0,25 inci. Gambar 4.24 Simulasi kontur kecepatan nozzle tip 0,125 in (kiri) dan 0,25 in (kanan)

12 58 Dari hasil analisis (Gambar 4.24) dapat diketahui bahwa nilai kecepatan ketika fluida uap memasuki nozzle tip menurun. Hal ini terlihat pada hasil simulasi pada saat fluida mengalir di dalam pipa mempunyai nilai kecepatan ±20-22 m/s, namun ketika sudah memasuki nozzle tip sampling probe, fluida yang mengalir menjadi turun nilai kecepatannya yaitu ±11 m/s. Khusus mengenai faktor kecepatan, penulis juga melakukan perhitungan numerik dengan memanfaatkan persamaan (2.1), (2.2) dan (2.3) yang telah disebutkan pada Bab 2, untuk memprediksi nilai kecepatan fluida yang masuk nozzle tip sampling probe dengan dimensi lubang (hole) yang berbeda. 4.6 PERHITUNGAN KECEPATAN FLUIDA YANG MENGALIR PADA PIPA PRODUKSI Perhitungan Luas Penampang Pipa yang Dilewati Fluida Berdasarkan rujukan persamaan (2.1), didapatkan luas penampang pipa produksi yang dilewati fluida uap: A = 1 4 πdi2 (2.1) dimana: A = luas penampang pipa produksi bagian dinding dalam (m 2 ) π = phi = 3,14 = 22 7 Di= diameter lingkaran penampang bagian dalam pipa (m) A = 1. 3,14. (0,381 m)2 4 A = 1. 3,14. 0, m2 4 A = 0,114 m Perhitungan Laju Aliran Volume Berdasarkan rujukan persamaan (2.2), didapatkan luas penampang pipa produksi yang dilewati fluida uap:

13 59 Ṽ = ṁ ρ (2.2) dimana: Ṽ = laju aliran volume/ debit fluida yang mengalir (m 3 /s) ṁ = laju aliran massa fluida yang mengalir (kg/s) ρ = massa jenis fluida uap pada temperatur (kg/m 3 ) 23,15 kg/s Ṽ = 10,15639 kg/m 3 Ṽ = 2,2794 m 3 /s Hubungan Laju Aliran Volume dengan Kecepatan Berdasarkan rujukan persamaan (2.3), didapatkan luas penampang pipa produksi yang dilewati fluida uap: Ṽ = va (2.3) dimana: Ṽ = laju aliran volume/debit fluida yang mengalir (m 3 /s) v = kecepatan aliran fluida (m/s) A = luas penampang pipa produksi bagian dinding dalam (m 2 ) v = Ṽ A v = 2,2794 m3 /s 0,114 m 2 v = 19,9947 m/s ~ v = 20 m/s 4.7 PERHITUNGAN LAJU ALIRAN MASSA FLUIDA PADA SAMPLING PROBE Data yang didapatkan mengenai fasilitas pengambilan sampel fluida uap: Do = diameter lingkaran penampang bagian luar pipa (m) = 0,406 m Di = diameter lingkaran penampang bagian dalam pipa (m) = 0,381 m

14 60 T = ketebalan dinding pipa produksi (m) = 0,013 m N = jumlah port/ lubang pada nozzle tip sampling probe = Formula Perhitungan Sampling Nozzle Tabel 4.1 Contoh formula perhitungan sampling nozzle (Sumber: ASTM International D , 2001) Perhitungan Luas Lubang Nozzle Bore b = ( 3a 1,5708 ) b 2 = 3a 1,5708 a = (b 2. 1,5708)/3 a = (0,0085 m 2. 1,5708)/3 a = 3, m Perhitungan Laju Aliran Massa Fluida Sampling Probe a* = luas lubang nozzle bore (m 2 ) A = luas penampang pipa produksi bagian dinding dalam (m 2 ) f = laju aliran massa fluida sampel yang diambil keseluruhan (kg/s) F = laju aliran massa fluida yang melalui pipa produksi (kg/s) a = A.f F f = a. F A

15 61 f = 3, m 2. 23,15 kg/s 0,114 m 2 f = 7, kg/s Perhitungan Laju Aliran Volume Fluida pada Sampling Probe V = f ρ V = 7, kg/s 10,15639 kg/m 3 V = 7, m 3 /s Perhitungan luas keseluruhan pada masing-masing diameter port Untuk diameter lubang (port) 0,125 inci d = ( a ) 0,7854.N d 2 = a 0,7854. N a = d 2. 0,7854. N a1 = d1 2. 0,7854. N a1 = (0,0032 m) 2. 0, a1 = 3, m 2 Untuk diameter lubang (port) 0,25 inci a = d 2. 0,7854. N a2 = d2 2. 0,7854. N a2 = (0,0064 m) 2. 0, a2 = 1, m 2

16 Perbandingan Nilai Kecepatan pada Nozzle Tip Sampling Probe Untuk diameter lubang (port) 0,125 inci v1 = V a1 v1 = 7, m 3 /s 3, m 2 v1 = 24 m/s Untuk diameter lubang (port) 0,25 inci v2 = V a2 v1 = 7, m 3 /s 1, m 2 v1 = 6 m/s Dari hasil perhitungan di atas, maka dapat dilakukan analisa bahwa kecepatan fluida sampel uap panas bumi saat memasuki sampling probe dengan diameter nozzle tip 0,125 inci yaitu 24 m/s dan kecepatan fluida sampel uap panas bumi saat memasuki sampling probe dengan diameter nozzle tip 0,25 inci yaitu 6 m/s. Artinya, dari sisi kecepatan aliran fluida sampel yang dapat diambil pada sampling probe, didapatkan diameter yang lebih kecil mempunyai nilai kecepatan yang lebih tinggi.