Studi Numerik Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas pada Tube Platen Superheater PLTU Pacitan

Transkripsi

1 Studi Numerik Karakteristik Aliran dan Perpindahan Panas pada Tube Platen Superheater PLTU Pacitan Kurniadi Heru Prabowo 1, Prabowo 2 1) Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Magister Rekayasa Energi, ITS Surabaya 1) khp_st@yahoo.com ABSTRAK Boiler merupakan salah satu main unit dalam sistem PLTU. Boiler memiliki susunan tube superheater dan reheater yang berfungsi untuk menghasilkan superheated steam. Kualitas steam yang dihasilkan akan melindungi turbin dari bahaya kavitasi ataupun overheating. Desain aligned tube bank pada platen superheater (PSH) akan mempengaruhi laju perpindahan panas yang terjadi dan mempengaruhi kualitas steam yang dihasilkan. Variasi beban operasi yang digunakan pada penelitian ini adalah pada beban full load atau maximum continuous rate (MCR) dan boiler maximum continuous rate (BMCR). Tujuan penelitian ini untuk mengetahui laju perpindahan panas pada tube PSH dan melakukan pemetaaan laju perpindahan panas pada grup aligned tube bank PSH. Kata kunci: Nusselt number, aligned tube bank, CFD. ABSTRACT Boiler is a main unit in power plant system. Boiler has superheater and reheater tube bank which used to make superheated steam. The superheater steam quality can protect turbine from cavitation or overheating. The design of platen superheater tube bank can influence heat transfer processed and steam quality produced. This paper uses load variation in full load or maximum continuous rate (MCR) and boiler maximum continuous rate (BMCR) The purpose of the present study was to expect heat transfer process and make heat transfer mapping in group of PSH aligned tube bank. Keywords: Nusselt number, aligned tube bank, CFD. Pendahuluan Tube PSH merupakan salah satu peralatan pemanas pada area boiler. Beberapa PLTU yang beroperasi di Indonesia mempunyai susunan dan desain tube PSH berbeda. Dengan simulasi ini akan diketahui tube yang mempunyai nusselt number terbesar dalam proses perpindahan panas di aligned tube bank PSH PLTU Pacitan. Unit 1 PLTU Pacitan mempunyai beban operasi terpasang sebesar 315 MWe. Beban operasi MCR adalah beban unit beroperasi sebesar 100%. Beban operasi BMCR adalah batas maksimal beban operasi unit yang diperbolehkan (110%). Metode Penelitian Pada penelitian ini menggunakan 2 variasi beban operasi, yaitu beban MCR (100%) dan BMCR (110%). Hasil simulasi yang akan diamati adalah nusselt number lokal pada tube sisi ujung (1 dan 13) dan SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

2 tube sisi tengah (7) serta nuseelt number rataan pada grup tube PSH. Metode validasi yang digunakan adalah prosentasi gap temperatur flue gas outlet antara data aktual dengan data hasil simulasi. Bilangan tak berdimensi berguna untuk mengetahui kondisi atau karakteristik suatu aliran fluida. Beberapa macam bilangan tak berdimensi antara lain nusselt number (Nu), reynolds number (Re), dan prandtl number (Pr). Nusselt number adalah rasio laju perpindahan panas konveksi terhadap laju perpindahan panas konduksi fluida. Nusselt number merupakan fungsi dari reynolds dan prandtl number. Reynolds number menunjukkan kondisi aliran fluida pada permukaan benda.. Ada tiga macam aliran fluida yaitu laminar, turbulen, dan transisi. Perbedaan kondisi aliran fluida yang terjadi akan mempengaruhi proses perpindahan panas yang terjadi. Prandtl number merupakan perbandingan viskositas kinematik terhadap difusitas termal fluida. (1) (2) (3) Tahap Pre-Processing Pada tahap ini, pembuatan meshing dengan quad element. Area yang akan disimulasikan adalah sepertujuh bagian dari area PSH. Batas boundary condition sisi kiri menggunakan symmetry dan sisi kanan menggunakan wall. Gambar 1. Pembuatan geometri dan meshing Gambar 2. Meshing single tube platen superheater SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

3 Tahap Solver Tabel 1 adalah data input operasi dan Tabel 2 adalah model yang digunakan dalam penelitian ini. Tabel 1. Data operasi PLTU Pacitan Data Nilai Keterangan Temperatur Inlet flue gas C ( K) Performance test CCR Tekanan inlet flue gas Pa Performance test CCR Kecepatan inlet flue gas 1. Kondisi BMCR 6.6 m/s Manufacture test (Dongfang) 2. Kondisi MCR 6.2 m/s Temperatur outlet flue gas C ( K) Performance test CCR Temperatur steam PSH inlet header C (722.1 K) Performance test CCR Temperatur steam PSH outlet header C (788.3 K) Performance test CCR Temperatur water (wall)-right-bmcr 281 C (554 K) Manufacture test Temperatur water (wall)-right- MCR 277 C (550 K) Manufacture test Total air flow T/h (335.5 kg/s) Performance test CCR Total coal flow 151.7T/h (42.1 kg/s) Performance test CCR Total fluid flow T/h (377.6 kg/s) Performance test CCR Tabel 2. Data model yang digunakan dalam simulasi Energy Model Viscous (model turbulensi) Keterangan On K-ɛ standard - Pressure gradient effect - Thermal effect Hasil dan Pembahasan Nusselt Number Lokal pada Tube PSH 1, 7, dan 13 Gambar 3. Nusselt number lokal tube PSH 1,7, dan 13 sisi inlet SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

4 Gambar 4. Nusselt number lokal tube PSH 1,7, dan 13 sisi outlet Gambar 3 menunjukkan laju perpindahan panas maksimal tube PSH 1c sisi inlet terjadi pada sekitar titik stagnasi. Laju perpindahan panas akan terus menurun hingga melewati titik separasi dan pada sudut 115, laju perpindahan panas akan meningkat karena aliran flue gas telah membentuk aliran turbulen. Pada tube 7c dan13c sisi inlet, laju perpindahan terburuk pada titik stagnasi. Laju perpindahan panas tube 13c lebih baik daripada tube 1c dikarenakan mempunyai jarak longitudinal lebih besar dengan tube di belakang. Kim et al. [4] melakukan penelitian pengaruh variasi rasio jarak longitudinal terhadap laju perpindahan panas pada aligned tube bank. Semakin besar rasio jarak longitudinal maka akan mempunyai nusselt number rataan lebih besar. Hal ini berarti akan semakin baik dalam proses perpindahan panas pada tube PSH. Pada gambar 4 menunjukkan laju perpindahan panas pada tube PSH 1c, 7c, dan 13c sisi outlet tidak terjadi secara baik. Jarak antar tube yang terlalu dekat mengakibatkan laju perpindahan panas terbaik tidak terjadi pada sudut 0. Lundborg [5] melakukan penelitian pada susunan aligned tube bank superheater dengan simulasi 2 dimensi. Jarak longitudinal antara tube pada aligned tube bank mempunyai pengaruh terhadap aliran kecepatan flue gas yang mengalir di antara tube. Semakin kecil jarak longitudinal maka kecepatan yang melalui di antara 2 tube akan menurun. Hal ini menyebabkan perpindahan panas di antara tube tidak maksimal. Mapping Laju Perpindahan Panas pada Grup Tube PSH Gambar 5 dan Gambar 6 menunjukkan laju perpindahan panas yang baik terjadi pada grup tube PSH yang terletak di ujung aligned tube bank. Laju perpindahan panas terbaik pada grup tube PSH baris pertama dari aligned tube bank sisi inlet. Gambar 5. Nusselt number rataan terhadap grup tube PSH sisi inlet SENATEK 2015 Malang, 17 Januari

5 Gambar 6. Nusselt number rataan terhadap grup tube PSH sisi outlet Pada penelitian ini, temperatur flue gas outlet adalah 1120 K. Pada data pengukuran aktual temperatur flue gas terukur adalah 1071,4 K. Dengan nilai gap hasil validasi sebesar 4,5%, hasil simulasi ini bisa digunakan untuk mengetahui kondisi aktual laju perpindahan panas di tube PSH PLTU Pacitan. Kesimpulan Kecilnya perbedaan kecepatan flue gas inlet area PSH yang terukur pada kondisi kedua beban operasi menyebabkan nilai laju perpindahan panasnya tidak jauh berbeda. Laju perpindahan panas yang terjadi pada tube PSH adalah kurang baik. Hal ini disebabkan karena rasio jarak longitudinal sangat kecil (0,11). Laju perpindahan panas tube PSH dapat ditingkatkan dengan melakukan redesain jarak longitudinal antara tube menjadi lebih besar. Laju perpindahan panas tube PSH terbaik terjadi pada grup tube PSH 1c sisi inlet. Daftar Pustaka 1. Bergman, T.L., Lavine, A.S., Incropera, F.P., Dewitt, D.P., (2012), Fundamentals of Heat Transfer, 6th Edition, John Wiley and Sons Inc., New York. 2. Buyruk, E. (1997), Heat Transfer and Flow Structures Around Circular Cylinders in Cross-Flow, Tr. J. of Engineering and Environmental Science, 23 (1999), hal Gonzalez, M.M.P., Garcia, F.J.F., Ramon, I.S., Roces, H.S. (2006), Experimental Thermal Behavior of a Power Plant Reheater, Energy 31, hal Kim, T., Hwang, D., Lee, C., Kim, K. (2006), Effect of Longitudinal Pitch on the Convection Heat Transfer From the Tube Banks in Crossflow, Transactions of the Korean Nuclear Society Autumn Meeting, Eds: Deokjin-Dong et al, Atomic Energy Research Instittut, Gyeongju. 5. Lundborg, A. (2005), Simulation of the Flue Gas Flow Through The Superheater in Recovery Boiler, Thesis M.Sc., KTH-Royal Institute of Technology, Stockholm. SENATEK 2015 Malang, 17 Januari