Upload
dangthuan
View
236
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
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
Gas Turbine sering mengalami indikasi alarm dan shut down
• 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
Rumusan masalah
• 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
Tujuan
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
Proses Pelumasan, Pendinginan
dan media pembersih
Komponen Gas Turbine
•Generator bearing
•Thrust bearing
•Gearbox
•Compressor dan Turbine
bearing
•Accecories gear
Bentuk dan
desain
Heat exchanger untuk menukarkan
panas yang dibawa oleh lube oil
dari komponen gas turbine ke udara
sekitar
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)
Pada kondisi existing nilai L=90, t= 3.5 sedangkan pada modifikasi nilai L=120, t=18.5 dengan diameter tube sama
Existing Modifikasi
L = Panjang header t = Jarak inlet header dengan tube pertama
Existing
Modifikasi
Metodologi Penelitian
• Referensi jurnal dan text book
• SOP Lube Oil Cooler dan pengambilan data lapangan Studi literature
• Untuk memperoleh nilai koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube
Simulasi Eksternal Flow
• Variasi Kapasitas Lube Oil
• Variasi Susunan Cooler Seri dan Paralel Simulasi Internal
Flow
• 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
Analisa dan Pembahasan
• Pemilihan susunan cooler seri dan paralel
• Temperatur Lube Oil keluar cooler dan pressure drop pada masing-masing variasi
Kesimpulan dan Rekomendasi
Simulasi Eksternal Flow CFD (Comptational Fluid Dynamics)
Pre-Processing
1. Gambit
• Membuat Domain dan geometri Susunan tube 3D
• Meshing • Membuat
kondisi batas
Processing
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
Post- Processing
Pengambilan data koefisien heat transfer
pada masing-masing baris tube
Convergen
Ya
Tidak
Simulasi Eksternal Flow Pemodelan Susunan Tube 3D
Geometri dan kondisi batas
Hasil meshing 3D
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
Simulasi Internal Flow CFD (Comptational Fluid Dynamics)
Pre-Processing
1. Gambit
• Membuat Domain dan geometri Susunan Cooler Seri dan Paralel 3D
• Meshing • Membuat kondisi
batas
Processing
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
Post- Processing
Pengambilan data : • Distribusi dan
kontur temperatur, tekanan, dan kecepatan
• Mass flow rate pada masing-masing tube
Convergen
Ya
Tidak
Simulasi Internal Flow
E-3
E-4E-5
E-6
P-2
P-3
Cooler 3 Cooler 1Cooler 2
Rangkaian cooler seri
P-4
P-5
I-2
I-3
Pump
E-3
E-4E-5
E-6
Cooler 3 Cooler 1Cooler 2
Rangkaian cooler paralel
P-4
P-5
I-2
P-7P-5 P-8P-5
P-9
P-4 P-10P-4
I-4 Pump
Variasi Flowrate 30 gpm, 50 gpm, 74 gpm
Pemodelan Susunan Cooler Seri dan Paralel 3D
Variabel Penelitian
Kondisi Batas Eksternal Flow (3 Dimensi)
Susunan
cooler
Flow rate lube oil
Variabel terkontrol Variabel
bebas
Velocity inlet
Temperature inlet
outlet symmetry
Temperatureavg wall
(tube and fin)
seri
30 gpm
20 m/s 27 ° C outflo
w symmetry 45,8°C
50 gpm
20 m/s 27 ° C outflo
w symmetry 50°C
74 gpm
20 m/s 27 ° C outflo
w symmetry 56,4°C
paralel
30 gpm
20 m/s 27 ° C outflo
w symmetry 56,8 °C
50 gpm
20 m/s 27 ° C outflo
w symmetry 61,4°C
74 gpm
20 m/s 27 ° C outflo
w symmetry 66,7°C
Kondisi Batas Internal Flow (3 Dimensi)
Variabel Bebas Variabel terkontrol
Susunan cooler
Flow rate lube oil
Inlet Wall pada susunan tube Outlet
Mass flow inlet
Temperatur inlet
Koef.heat
transfer
Temp. Ambie
nt
Tebal Tube
Pressure
Outlet
seri 30 gpm 1,5833 kg/s 84,4 ° C Hasil
Simulasi
Eksternal
Flow
27 ° C 0,5 mm 88 psi 50 gpm 2,773 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi 74 gpm 4,104 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi
paralel 30 gpm 1,5833 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi 50 gpm 2,773 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi 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/m2.K)
Susunan Seri Susunan Paralel
20 m/s
30 gpm
Baris Atas 111,44 129,77
Baris Tengah 122,56 142,71
Baris Bawah 113,70 132,40
50 gpm
Baris Atas 119,38 134,86
Baris Tengah 131,81 148,31
Baris Bawah 122,22 137,59
74 gpm
Baris Atas 129,28 139,60
Baris Tengah 142,17 153,52
Baris Bawah 131,89 142,42
seri
Paralel • 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
Post-processing / Pengambilan Data pada Simulasi internal Flow
• Kontur Temperatur
• Kontur Kecepatan
Pengamatan dilakukan pada setiap baris susunan tube dan pada masing-masing tube
• Kontur Tekanan
• Mass flow report pada setiap tube
Post-processing / Pengambilan Data pada Simulasi internal Flow
• Kontur Temperatur
• Kontur Kecepatan
Pengamatan dilakukan pada setiap baris susunan tube dan pada masing-masing tube
• Kontur Tekanan
• Mass flow report pada setiap tube
Validasi Hasil Simulasi dengan Kondisi Existing
Temperatur (°C)
Validasi
Parameter
Susunan cooler seri pada Flow rate 50 gpm
Press. Inlet
Temp. Inlet
Press. Outlet
Temp. Outlet
Mass Flow outlet
Data Aktual
610255,5 Pa
84,4 °C 606739
Pa 68,3 °C 2,773 kg/s
Hasil Simulasi
609713,5 Pa
84,4 °C 606739
Pa 68,754°C 2,7732 kg/s
Error 0,09% - - 0,66% 0,04%
Tekanan (Pa)
Kecepatan (m/s)
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
pathline (cm/s)
Kontur Tekanan (Pa)
Kontur Temperatur (°C)
Susunan Cooler Seri
Kontur kecepatan (cm/s)
B. Analisa Distribusi Flow Ratio
(m/s)
Kontur kecepatan
B.1. Distribusi flow ratio pada kondisi existing (susunan cooler seri kapasitas 50 gpm)
Ф=0,42 Ф=0,45 Ф=0,46
Ф=0,412
Ф=0,412
Ф=0,413
B.2 Distribusi Flow Ratio pada Variasi Kapasitas Lube Oil
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
m/s
Kontur Kecepatan
B. Analisa Distribusi Flow Ratio
C. Analisa Tekanan dengan Variasi Kapasitas Lube Oil
Pa
Kontur Tekanan
D. Analisa Temperatur dengan variasi kapasitas Lube Oil
3,38°C
5,9°C
Kontur Temperatur
A. Iso-surface baris tengah pada kapasitas 50 gpm.
Susunan Cooler Paralel
A. Iso-surface baris tengah pada kapasitas 50 gpm.
Susunan Cooler Paralel
Pathline (m/s)
Kontur Tekanan (Pa)
Kontur Temperatur (°C)
Kontur kecepatan (m/s)
Distribusi Flow Ratio pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 50 gpm
B. Analisa Distribusi Flow Ratio
m/s
Kontur Kecepatan
m/s
Kontur Kecepatan
Distribusi Flow Ratio pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 50 gpm
B. Analisa Distribusi Flow Ratio
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
Distribusi Flow Ratio pada Variasi Kapasitas Lube Oil
B. Analisa Distribusi Flow Ratio
Kontur Kecepatan
C. Analisa Tekanan dengan Variasi Kapasitas Lube Oil
Pa
Kontur Tekanan
D. Analisa Temperatur dengan variasi kapasitas Lube Oil
3,2°C
6,1°C
84,4°C
Kontur Temperatur
Perbandingan Susunan Seri dan Paralel
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
A. Analisa Distribusi Flow Ratio (uniformity)
Susunan cooler dipasang seri lebih uniform dari pada susunan cooler paralel
Analisa Pressure Drop Analisa Temperatur Outlet
B. Analisa Temperatur Keluar Cooler Dan Pressure Drop
5 % 5,3
% 5,6 %
Allowable Pressure Drop
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