Studi Numerik Peningkatan Cooling Performance pada Lube Oil Cooler Gas Turbine Disusun Secara Seri dan Paralel dengan Variasi Kapasitas Aliran Lube Oil (Studi Kasus PT. EMP Unit Bisnis Malacca Strait) Oleh : Annis Khoiri Wibowo 2110 100 067 Dosen Pembimbing Bambang Arip Dwiyantoro, ST. M.Sc. Ph.D.
Supply energi listrik EMP Malacca Straits listrik didapat dengan pembangkitan menggunakan gas turbin Gas Turbine sering mengalami indikasi alarm dan shut down Kegagalan proses pendingin pada lube oil cooler Simulasi CFD (Computional Fluid Dynamic) pada lube oil cooler untuk mengetahui karakteristik perpindahan panas dan uniformity flow rate pada susunan 3 cooler yang dipasang seri dan paralel Menurunkan temperatur Lube Oil sebelum masuk gas turbine dan pemilihan susunan lube oil cooler
Rumusan masalah Tujuan Bagaimana pengaruh pemasangan susunan seri & paralel pada cooler terhadap efektifitas perpindahan panas? Bagaimana pengaruh variasi kapasitas lube oil terhadap temperatur keluaran cooler dan pressure drop yang terjadi pada susunan cooler seri dan paralel? Bagaimana pengaruh susunan lube oil cooler seri-paralel dan kapasitas lube oil terhadap uniformity flow rate dan efektifitas perpindahan panas Menentukan instalasi mana yang tebaik, seri atau paralel pada lube oil cooler Mengetahui pengaruh variasi kapasitas lube oil terhadap temperatur keluar cooler dan pressure drop pada pemasangan masing-masing instalasi lube oil cooler. Mengetahui pengaruh susunan lube oil cooler seri-paralel dan kapasitas lube oil terhadap uniformity flowrate setiap tube dan efektifitas perpindahan panas Karakteristik perpindahan panas dan distribusi temperatur
Batasan Masalah 1. Fluida kerja yang mengalir dicelah antar fin berupa udara yang dimodelkan gas ideal sedangkan fluida yang mengalir didalam tube dan header berupa lube oil yang memiliki properties konstan. 2. Pemodelan 3 dimensi pada simulasi eksternal flow untuk mengetahui besarnya koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube, kemudian nilai tersebut dijadikan kondisi batas atau nilai input untuk convection wall pada tube pada simulasi internal flow. 3. Aliran udara melalui tube dengan straight fin. 4. Profil kecepatan pada sisi inlet fluida panas (lube oil) dan fluida dingin (udara) uniform. 5. Kondisi operasi lube oil dalam tube diasumsikan steady state dan incompressible flow.
Batasan Masalah 6. Temperatur surface wall pada tube dan fin pada masing-masing cooler dianggap uniform pada setiap variasi flow rate lube oil. Dengan pengambilan data berupa rata-rata temperatur masing-masing tube dan masing-masing cooler 7. Perpindahan panas antara fluida dingin, tube dan fluida panas terjadi secara konveksi dan konduksi dengan mengabaikan perpindahan panas secara radiasi. 8. Pemodelan menggunakan simulasi computitational fluid dynamic (CFD) dengan software fluent 6.3.26 dan gambit 2.4.6 dengan pemilihan model pressure based solution dan turbulent model k-ε RNG untuk simulasi internal flow dan k-ε Standard untuk simulasi eksternal flow
Dasar Teori Lube Oil Cooler Heat exchanger untuk menukarkan panas yang dibawa oleh lube oil dari komponen gas turbine ke udara sekitar Proses Pelumasan, Pendinginan dan media pembersih Komponen Gas Turbine Generator bearing Thrust bearing Gearbox Compressor dan Turbine bearing Accecories gear Bentuk dan desain Compact heat Exchanger
Penelitian Terdahulu
The design of uniform tube flow rates for Z-type compact parallel flow heat exchangers Cheng-Hung Huang, dkk (2013) Existing Existing Modifikasi Pada kondisi existing nilai L=90, t= 3.5 sedangkan pada modifikasi nilai L=120, t=18.5 dengan diameter tube sama L = Panjang header t = Jarak inlet header dengan tube pertama Modifikasi
Metodologi Penelitian Studi literature Referensi jurnal dan text book SOP Lube Oil Cooler dan pengambilan data lapangan Simulasi Eksternal Flow Untuk memperoleh nilai koefisien heat transfer pada masingmasing baris tube Simulasi Internal Flow Variasi Kapasitas Lube Oil Variasi Susunan Cooler Seri dan Paralel Analisa dan Pembahasan Distribusi dan kontur temperatur, tekanan, kecepatan. Serta mass flow rate pada masing-masing tube Perbandingan temperatur keluar cooler, P, dan uniformity flow rate lube oil masing-masing tube Kesimpulan dan Rekomendasi Pemilihan susunan cooler seri dan paralel Temperatur Lube Oil keluar cooler dan pressure drop pada masing-masing variasi
Simulasi Eksternal Flow CFD (Comptational Fluid Dynamics) Pre- Processing Processing Convergen Ya Post- Processing 1. Gambit Membuat Domain dan geometri Susunan tube 3D Meshing Membuat kondisi batas 2. Fluent Menentukan jenis kondisi batas Pengaturan solver models k-ε standard dan materials Penentuan control and monitoring solutions Variasi Temperatur wall tube Proses Iterasi Tidak Pengambilan data koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube
Simulasi Eksternal Flow Pemodelan Susunan Tube 3D Geometri dan kondisi batas ST = 7,62 cm SL = 5,08 cm Lube Oil Cooler TT 318 =3 baris, 18 kolom Kecepatan udara 340 m3/min atau 20 m/s Hasil meshing 3D
Simulasi Internal Flow CFD (Comptational Fluid Dynamics) Ya Pre-Processing Processing Convergen Post- Processing 1. Gambit Membuat Domain dan geometri Susunan Cooler Seri dan Paralel 3D Meshing Membuat kondisi batas 2. Fluent Menentukan jenis kondisi batas Pengaturan solver models k-ε RNG dan materials Penentuan control and monitoring solutions Variasi kapasitas Lube Oil 30gpm, 50gpm, dan 74gpm Proses Iterasi Tidak Pengambilan data : Distribusi dan kontur temperatur, tekanan, dan kecepatan Mass flow rate pada masing-masing tube
P-4 P-4 P-10 P-5 P-7 P-5 P-8 P-9 P-5 I-2 Simulasi Internal Flow Pemodelan Susunan Cooler Seri dan Paralel 3D Rangkaian cooler seri P-4 I-2 Rangkaian cooler paralel P-4 P-2 E-6 E-6 I-3 P-3 P-5 Pump I-4 Pump E-3 E-4 Cooler 3 Cooler 2 Cooler 1 E-5 E-3 E-4 Cooler 3 Cooler 2 Cooler 1 E-5 Variasi Flowrate 30 gpm, 50 gpm, 74 gpm
Variabel Penelitian Susuna n cooler seri paralel Flow rate lube oil 30 gpm 50 gpm 74 gpm 30 gpm 50 gpm 74 gpm Kondisi Batas Eksternal Flow (3 Dimensi) Veloci ty inlet Variabel terkontrol Tempera ture inlet 20 m/s 27 C 20 m/s 27 C 20 m/s 27 C 20 m/s 27 C 20 m/s 27 C 20 m/s 27 C outlet outflo w outflo w outflo w outflo w outflo w outflo w symmetry symmetry Variabel bebas Temperature avg wall (tube and fin) 45,8 C symmetry 50 C symmetry 56,4 C symmetry 56,8 C symmetry symmetry 61,4 C 66,7 C Susunan cooler seri paralel Kondisi Batas Internal Flow (3 Dimensi) Variabel Bebas Flow rate lube oil Mass flow inlet Variabel terkontrol Inlet Wall pada susunan tube Outlet Tempera tur inlet Koef.h eat transfe r Temp. Ambie nt Tebal Tube Pressu re Outlet 30 gpm 1,5833 kg/s 84,4 C Hasil 27 C 0,5 mm 88 psi 50 gpm 2,773 kg/s 84,4 C Simula 27 C 0,5 mm 88 psi 74 gpm 30 gpm 4,104 kg/s 1,5833 kg/s 84,4 C 84,4 C si Ekster 27 C 27 C 0,5 mm 0,5 mm 88 psi 88 psi 50 gpm 2,773 kg/s 84,4 C nal 27 C 0,5 mm 88 psi Flow 74 gpm 4,104 kg/s 84,4 C 27 C 0,5 mm 88 psi
Hasil dan Pembahasan
Post-processing Simulasi Eksternal Flow Rata-rata koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube Kecepatan Udara Kapasitas Lube oil Susunan Tube Koefisien Heat Transfer (W/m 2.K) Susunan Seri Susunan Paralel Baris Atas 111,44 129,77 seri 30 gpm Baris Tengah 122,56 142,71 Baris Bawah 113,70 132,40 Baris Atas 119,38 134,86 20 m/s 50 gpm Baris Tengah 131,81 148,31 Baris Bawah 122,22 137,59 Baris Atas 129,28 139,60 74 gpm Baris Tengah 142,17 153,52 Baris Bawah 131,89 142,42 Semakin besar kapasitas lube oil maka rata-rata koefisien heat transfer akan semakin besar Rata-rata koefisien heat transfer pada susunan cooler paralel lebih tinggi dari pada susunan cooler seri Paralel
Post-processing / Pengambilan Data pada Simulasi internal Flow Kontur Temperatur Kontur Kecepatan Kontur Tekanan Mass flow report pada setiap tube Pengamatan dilakukan pada setiap baris susunan tube dan pada masing-masing tube
Post-processing / Pengambilan Data pada Simulasi internal Flow Kontur Temperatur Kontur Kecepatan Kontur Tekanan Mass flow report pada setiap tube Pengamatan dilakukan pada setiap baris susunan tube dan pada masing-masing tube
Validasi Hasil Simulasi dengan Kondisi Existing Temperatur ( C) Tekanan (Pa) Validasi Susunan cooler seri pada Flow rate 50 gpm Paramet Press. Temp. Press. Temp. Mass Flow er Inlet Inlet Outlet Outlet outlet Data 610255, 606739 84,4 C Aktual 5 Pa Pa 68,3 C 2,773 kg/s Hasil 609713, 606739 84,4 C Simulasi 5 Pa Pa 68,754 C 2,7732 kg/s Error 0,09% - - 0,66% 0,04% Kecepatan (m/s)
Susunan Cooler Seri A. Iso-surface baris tengah pada susunan cooler seri dengan kapasitas 50 gpm
Susunan Cooler Seri A. Iso-surface baris tengah pada susunan cooler seri dengan kapasitas 50 gpm Kontur kecepatan (cm/s) Kontur Tekanan (Pa) pathline (cm/s) Kontur Temperatur ( C)
B. Analisa Distribusi Flow Ratio B.1. Distribusi flow ratio pada kondisi existing (susunan cooler seri kapasitas 50 gpm) (m/s) Ф=0,412 Ф=0,412 Ф=0,413 Ф=0,42 Ф=0,45 Ф=0,46 Kontur kecepatan
B. Analisa Distribusi Flow Ratio B.2 Distribusi Flow Ratio pada Variasi Kapasitas Lube Oil m/s Kapasitas Lube Oil Standard Deviasi Flow Ratio Cooler 1 Cooler 2 Cooler 3 Total 30 Gpm 0,298 0,33089 0,33505 0,31561 50 Gpm 0,42604 0,45915 0,46479 0,44174 74 Gpm 0,51817 0,54328 0,55248 0,52793 Kontur Kecepatan
C. Analisa Tekanan dengan Variasi Kapasitas Lube Oil Pa Kontur Tekanan
D. Analisa Temperatur dengan variasi kapasitas Lube Oil 5,9 C 3,38 C Kontur Temperatur
Susunan Cooler Paralel A. Iso-surface baris tengah pada kapasitas 50 gpm.
Susunan Cooler Paralel A. Iso-surface baris tengah pada kapasitas 50 gpm. Kontur kecepatan (m/s) Kontur Tekanan (Pa) Pathline (m/s) Kontur Temperatur ( C)
B. Analisa Distribusi Flow Ratio Distribusi Flow Ratio pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 50 gpm m/s Kontur Kecepatan
B. Analisa Distribusi Flow Ratio Distribusi Flow Ratio pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 50 gpm m/s Kontur Kecepatan
B. Analisa Distribusi Flow Ratio Distribusi Flow Ratio pada Variasi Kapasitas Lube Oil m/s Kapasitas Lube Oil Standard Deviasi Flow Ratio Cooler 1 Cooler 2 Cooler 3 Total 30 Gpm 0,09833 0,0233 0,77924 0,56609 50 Gpm 0,07303 0,01991 1,10504 0,7492 74 Gpm 0,05545 0,01908 1,34807 0,88401 Kontur Kecepatan
C. Analisa Tekanan dengan Variasi Kapasitas Lube Oil Pa Kontur Tekanan
D. Analisa Temperatur dengan variasi kapasitas Lube Oil 6,1 C 3,2 C 84,4 C Kontur Temperatur
Perbandingan Susunan Seri dan Paralel A. Analisa Distribusi Flow Ratio (uniformity) Susunan Cooler Standard Deviasi Flow Ratio 30 gpm 50 gpm 74 gpm Seri 0,31561 0,44174 0,52793 Paralel 0,56609 0,7492 0,88401 Susunan cooler dipasang seri lebih uniform dari pada susunan cooler paralel
B. Analisa Temperatur Keluar Cooler Dan Pressure Drop Analisa Pressure Drop Analisa Temperatur Outlet Allowable Pressure Drop 5,6 % 5,3 % 5 %
Kesimpulan 1. Susunan cooler dipasang seri memiliki efektifitas pendinginan yang lebih baik dari pada susunan cooler paralel. Pada kapasitas 50 gpm, temperatur outlet cooler sebesar 68,75 C untuk susunan seri dan 72,57 C untuk susunan paralel 2. Semakin besar kapasitas lube oil maka temperatur lube oil keluar cooler akan semakin tinggi. Pada susunan cooler seri untuk kapasitas 30 gpm, 50 gpm dan 74 gpm temperatur outlet cooler sebesar 62,8 C, 68,75 C dan 72,1 C 3. Agar gas turbine tidak mengalami kegagalan karena shut down akibat high temperature pada lube oil maka dioperasikan pada kapasitas 30 gpm dengan temperatur outlet lube oil sebesar 62,8 C untuk susunan cooler seri dan 66, 5 C untuk susunan paralel
Kesimpulan 4. Susunan Cooler Seri menghasilkan pressure drop yang lebih besar daripada susunan paralel. Pada kapasitas 50 gpm untuk susunan cooler seri sebesar 2974,5 Pa sedangkan paralel sebesar1230,2 Pa. 5. Semakin rendah kapasitas lube oil maka uniformity flow rate akan semakin baik. Pada kapasitas 74 gpm, 50 gpm dan 30 gpm memiliki standard deviasi flow ratio sebesar 0,55, 0,46, 0,33 6. Susunan cooler dipasang seri menghasilkan uniformity flow rate yang lebih baik daripada susunan paralel. Sehingga menghasilkan efektifitas pendinginanyang lebihg baik. Pada kapasitas 50 gpm untuk susunan seri dan paralel memiliki standard deviasi flow ratio sebesar 0,46 dan 0,75
Saran Saran yang dapat diberikan setelah dilakukan penelitian ini diantaranya : 1. Diperlukan adanya record data temperatur dan tekanan pada setiap variasi kapasitas lube oil. Selain itu diperlukan data bahan dari material tube pada lube oil cooler. 2. Proses simulasi eksternal flow dilakukan dengan wavy fin dan memperhitungkan perpindahan panas melalui fin. 3. Dilakukan penelitian lebih lanjut dengan dilakukan modifikasi pada header cooler secara 3D
SEKIAN DAN TERIMAKASIH MOHON MASUKAN DAN KRITIKAN