Daud Gani Setyanto

2109 100 020

Dosen Pembimbing :

Vivien Suphandani Djanali, ST., M.Eng., Ph.D

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh

Nopember 2014

KOMPARASI MODEL TURBULENSI PADA HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

Model Turbulensi

Fitur dalam FLUENT

Simulasi secara nilai rata-rata statistik

Menghemat waktu dan sumber daya

LATAR BELAKANG

Energi

HRSG

Performa

Studi Numerik

Penggunaan HRSG pada power plant

Metode paling ekonomis

Kebutuhan energi indonesia makin meningkat

Uniformity aliran, distribusi temperatur dan tekanan

COMBINED CYCLE

RUMUSAN MASALAH

Realizable k-ε

Standard k-ε

RNG k-ε

Model turbulensi paling akurat untuk

HRSG Horizontal

TUJUAN PENELITIAN

Membandingkan hasil simulasi dengan tiga model turbulensi yang berbeda (Standard k-ε, Realizable k-ε dan RNG k-ε ) untuk didapatkan model yang paling akurat.

Visualisasi aliran pada beberapa daerah berupa kontur kecepatan, temperatur, tekanan, dan grafik perbandingan hasil simulasi.

BATASAN MASALAH

• Simulasi dilakukan berdasar dari desain HRSG PT. Alstom Power Energy Systems Indonesia.

• Simulasi dilakukan dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26

• Aliran fluida memasuki HRSG diasumsikan uniform dengan swirl angle 40o

• Aliran fluida yang melalui HRSG diasumsikan steady. • Model turbulensi yang digunakan adalah Standard k-ε,

Realizable k-ε dan RNG k-ε. • Flue gas dianggap sebagai gas ideal. • Heat Exchanger dimodelkan sebagai porous medium.

Hyuntae, dkk (2012)

HRSG tipe vertikal menggunakan model turbulensi RNG k-ɛ.

Grafik komparasi eksperimental dan simulasi numerik kecepatan pada aliran searah sumbu-x.

Hegde, dkk (2007)

HRSG vertikal skala 1:15 membandingakan 2 model turbulensi standard k-ɛ dan RNG k-ɛ

Grafik komparasi eksperimental dan simulasi numerik pada plane 1 pada jarak 0.106 m dari dasar

Jacob, dkk (2009) Simulasi pada convergent-divergent nozzle dengan 5 jenis model turbulensi.

Grafik perbandingan kecepatan kelima model turbulensi pada titik tengah geometri.

METODE PENELITIAN

Pre-Processing

Processing

Post-Processing

PEMODELAN NUMERIK

PRE-PROCESSING GEOMETRI DAN DOMAIN

PRE-PROCESSING MESH

MESH

Potongan pada z = 0

PROCESSING No. Parameter Identifikasi

1 Solver Pressure based

2 Energy Aktif 3 Viscous Model Standard k-ε, RNG k-ε, Realizable k-ε

4 Boundary Condition

Inlet Velocity inlet Outlet Out flow

Dinding No slip and stationary wall

Silencer & Damper Porous Jump Superheater

Fluid (Porous Zone) Evaporator 2 Evaporator 1 Economizer

Feedwater heater 5 Pressure Velocity Coupling SIMPLE 6 Dicretization First Order Upwind

DATA OPERASI Full load Half load

Reynolds Number 3207792.21 2762277.09 Mass Flow Rate ( kg/s ) 631.07 390.71

Kecepatan Masuk ( m/s ) 50 30.98 Tekanan Masuk (Pa) 104324 102526

Swirl Angle 40o 40o

Pressure Drop (Pa)

Superheater 590 261 Evaporator 2 587 247 Evaporator 1 666 277 Economizer 547 232

Feedwater Heater 323 140 Stack Damper 62 23 Stack Silencer 200 75

Temperatur (oC)

Superheater masuk 607 772 keluar 495 866

Evaporator 2 masuk 495 571 keluar 337 772

Evaporator 1 masuk 337 488 keluar 239 571

Economizer masuk 239 422 keluar 159 488

Feedwater Heater masuk 159 389 keluar 112 422

FLUE GAS

Properties Full load Half load

Molecular weight 28.1131 28.1622

Specific Heat (J/kg-K) 1197.84348 1189.46988 Thermal Conductivity

(W/m-K) 0.060229566 0.059710346

Viscosity (kg/m-s) 0.0000382 0.0000381

Properties dari flue gas yang disimulasikan sebagai berikut

POST-PROCESSING

Kontur kecepatan, temperatur, dan tekanan pada posisi masuk dan keluar dari masing-masing porous medium.

Posisi pengambilan data

PERHITUNGAN

Inertial Resistance

• 𝐶2 = ∆𝑃

0.5 𝜌 𝑉2∆𝑚

Dimana: 𝐶2 = Inertial resistance, 1/m ∆𝑃 = pressure drop, Pa 𝜌 = massa jenis gas, kg/m3 𝑉 = kecepatan gas sebelum memasuki porous medium , m/s ∆𝑚 = tebal porous medium, m

Modul Full load

∆P (Pa) Densitas (kg/m3) V (m/s) ∆m (m) C2 (1/m)

1 590 0.70 4.74 1.59 46.98 2 587 0.83 3.49 1.63 71.54 3 666 0.91 2.71 2.25 87.98 4 547 0.99 2.34 2.1 96.34 5 323 1.04 2.18 1.36 95.74 6 62 0.92 12.94 0.46 1.85 7 200 0.92 12.94 3.58 0.76

Modul Half load

∆P (Pa) Densitas (kg/m3) V (m/s) ∆m (m) C2 (1/m)

1 261 0.40 3.62 1.59 61.81 2 247 0.47 3.11 1.63 66.18 3 277 0.63 2.36 2.25 70.60 4 232 0.74 2.00 2.1 74.61 5 140 0.86 1.73 1.36 79.93 6 23 0.92 7.85 0.46 1.77 7 75 0.93 7.84 3.58 0.73

HASIL PERHITUNGAN

PERHITUNGAN

Heat Transfer

• 𝑄 = 𝑚 𝐶𝑝 ∆𝑇𝑓𝑙𝑢𝑒

Dimana: 𝑄 = Heat Transfer, W 𝑚 = laju alir massa flue gas, kg/s 𝐶𝑝 = specific heat dari flue gas, J/kg-K

∆𝑇𝑓𝑙𝑢𝑒 = selisih temperatur masuk dan keluar porous medium , K

HASIL PERHITUNGAN Modul Full load

𝒎 (kg/s) Cp ( J/(kg.K) ) T in (K) T out (K) Q (W) 1 508.34094 1197.84 880 768 68198242.63 2 509.29288 1197.84 768 610 96388398.6 3 509.30212 1197.84 610 512 59786293.93 4 509.29059 1197.84 512 432 48804033.01 5 509.28381 1197.84 432 385 28671987.69

Modul Half load

𝒎 kg/s) Cp ( J/(kg.K) ) T in (K) T out (K) Q (W) 1 318.00754 1189.47 873 765 40852122.17 2 318.00494 1189.47 765 573 72625401.18 3 318.00333 1189.47 573 487 32529962.92 4 318.01807 1189.47 487 425 23452920.76 5 318.03519 1189.47 425 378 17779784.13

PROFIL KECEPATAN INLET Profil flue gas masuk berupa Swirl dengan angle 40o

VELOCITY pada z = 0

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

VELOCITY pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

VEKTOR VELOCITY pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

VORTICITY pada z = 0

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

VORTICITY pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

PRESSURE pada z = 0

Full load

RNG

Half load

Standard Realizable

PRESSURE pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

TEMPERATURE pada z = 0

Full load

RNG

Half load

Standard Realizable

TEMPERATURE pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

TURBULENCE KINETIC ENERGY pada z = 0

Full load

RNG

Half load

Standard Realizable

TURBULENCE KINETIC ENERGY pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

TURBULENCE DISSIPATION RATE pada z = 0

Full load

RNG

Half load

Standard Realizable

TURBULENCE DISSIPATION RATE pada x = 18.6299

Full load

Standard Realizable RNG

Half load

ANALISA KUALITATIF Plot x-velocity pada x = 18.6299

Pada operasi full load

ANALISA KUANTITATIF Plot x-velocity pada x = 18.6299

Pada operasi half load

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 2 3 4 5 6 7

Pre

ssu

re d

rop

(P

asca

l)

Modul

∆P Desain (Pa)

Standard k-ɛ

Realizable k-ɛ

RNG k-ɛ

ANALISA KUANTITATIF Pressure drop

(full load)

Modul ∆P Desain

(Pa)

Standard

k-ɛ

Error

(%)

Realizable

k-ɛ

Error

(%)

RNG k-

ɛ

Error

(%)

Modul-1 590 473.48 19.75 484.21 17.93 650.85 10.31

Modul-2 587 484.85 17.40 470.96 19.77 599.04 2.05

Modul-3 666 664.33 0.25 635.77 4.54 872.84 31.06

Modul-4 547 585.9 7.11 562.86 2.90 806.35 47.41

Modul-5 323 351.64 8.87 340.86 5.53 493.27 52.72

Modul-6 62 64.83 4.56 64.74 4.42 64.43 3.92

Modul-7 200 208.65 4.33 208.72 4.36 208.62 4.31

0

50

100

150

200

250

300

350

1 2 3 4 5 6 7

Pre

ssu

re d

rop

(P

asca

l)

Modul

∆P Desain (Pa)

Standard k-ɛ

Realizable k-ɛ

RNG k-ɛ

ANALISA KUANTITATIF Pressure drop

(half load)

Modul ∆P Desain

(Pa)

Standard

k-ɛ

Error

(%)

Realizable

k-ɛ Error (%)

RNG

k-ɛ

Error

(%)

Modul-1 261 219.76 15.80 212.15 18.72 318.8 22.15

Modul-2 247 158.85 35.69 120.27 51.31 207.22 16.11

Modul-3 277 181.91 34.33 105.52 61.91 258.98 6.51

Modul-4 232 156.49 32.55 77.96 66.40 229.39 1.13

Modul-5 140 104.81 25.14 46.31 66.92 150.8 7.71

Modul-6 23 23.05 0.22 9.56 58.43 22.94 0.26

Modul-7 75 75.03 0.04 31.51 57.99 75.01 0.01

ANALISA KUANTITATIF Temperature

(full load)

x (m) Desain

(K) Standard (K) Error (%)

Realizabl

e (K)

Error

(%) RNG (K)

Error

(%)

18.6 880 897.00 1.93 896.97 1.93 901.99 2.50

20.2 768 770.17 0.28 769.00 0.13 773.59 0.73

21.2 768 761.09 0.90 760.05 1.04 770.92 0.38

22.8 610 611.23 0.20 611.76 0.29 607.06 0.48

24.0 610 617.38 1.21 617.26 1.19 619.95 1.63

26.2 512 510.70 0.25 510.55 0.28 508.48 0.69

27.0 512 511.22 0.15 510.93 0.21 515.38 0.66

29.1 432 429.46 0.59 428.69 0.77 429.88 0.49

30.3 432 425.73 1.45 425.68 1.46 432.80 0.19

31.6 385 382.89 0.55 383.05 0.51 382.66 0.61

ANALISA KUANTITATIF Temperature

(half load)

x (m) Desain

(K)

Standard

(K)

Error

(%)

Realizable

(K)

Error

(%)

RNG

(K)

Error

(%)

18.6 873 878.06 0.58 875.34 0.27 900.76 3.18

20.2 765 753.52 1.50 747.88 2.24 766.86 0.24

21.2 765 725.25 5.20 720.69 5.79 762.82 0.28

22.8 573 568.48 0.79 567.71 0.92 564.01 1.57

24.0 573 569.68 0.58 568.89 0.72 580.29 1.27

26.2 487 480.46 1.34 479.63 1.51 477.58 1.94

27.0 487 480.13 1.41 479.36 1.57 488.30 0.27

29.1 425 415.68 2.19 414.30 2.52 417.87 1.68

30.3 425 409.15 3.73 409.05 3.75 422.97 0.48

31.6 378 370.44 2.00 370.74 1.92 370.49 1.99

KESIMPULAN

• Secara keseluruhan pada kondisi operasi full load, model turbulensi yang paling mendekati nilai data desain adalah realizable k-ɛ dengan penyimpangan rata-rata nilai temperatur sebesar 0.78% dan penyimpangan nilai pressure drop sebesar 8.5%.

• Pada kondisi operasi half load didapatkan bahwa model RNG k-ɛ memiliki penyimpangan rata-rata paling rendah dalam mendapatkan nilai temperatur maupun pressure drop. Yaitu sebesar 7.7% untuk pressure drop dan 1.29% untuk temperatur.

• Perbedaan bilangan reynold berpengaruh pada keakuratan model turbulensi. Terbukti dengan penyimpangan rata-rata paling rendah untuk kondisi operasi full load (Re = 3207792.21) adalah realizable k-ɛ sedangkan untuk kondisi operasi half load (Re = 276227.09) adalah RNG k-ɛ.

TERIMA KASIH