rancangan dan validasi komputasi superheater pada …

B. 260

RANCANGAN DAN VALIDASI KOMPUTASI SUPERHEATER PADA PLTU

SUPERCRITICAL KAPASITAS 660 MW

Khanif Wahyuningtyas*, Ika Yuliyani

Jurusan Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Bandung

Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kecamatan Parongpong Kabupaten Bandung Barat,

40012

*E-mail: [email protected]

Abstrak

Salah satu komponen utama pada sistem pembangkit tenaga uap adalah steam generator

(boiler), dimana didalamnya terdapat sebuah komponen, yaitu superheater (SH). Superheater

pada PLTU supercritical merupakan alat pemanas lanjut untuk memanaskan uap yang berasal

dari separator vessel. Uap yang dihasilkan oleh superheater akan memiliki nilai temperatur

yang lebih tinggi dibandingkan uap keluaran water wall. Ada tiga jenis superheater pada

PLTU supercritical, yaitu primary SH, secondary SH, dan tertiary SH yang memiliki letak,

temperatur kerja keluaran dan perpindahan panas yang berbeda satu sama lainnya. Tugas akhir

ini akan menghasilkan rancangan primary SH pada PLTU supercritical kapasitas 660 MW

dengan analisis distribusi panas dan aliran di sepanjang pipa primary SH. Spesifikasi

rancangan primary SH didapat dari simulasi menggunakan software STEAMPRO yang

berpacu pada data basic design PLTU supercritical kapasitas 660 MW. Hasil dari rancangan

primary SH diperoleh dimensi panjang pipa (L1) sebesar 17,92 m, lebar ruang primary SH (L3)

sebesar 18,04 m, tinggi ruang primary SH (L2) sebesar 1,35 m, jarak sentral pipa transversal

(St) sebesar 254,3 mm, jarak sentral pipa longitudinal (Sl) sebesar 79,4 mm, diameter luar pipa

(Do) sebesar 63,5 mm, diameter dalam pipa (Di) sebesar 46,2 mm, tebal pipa (t) sebesar 8,633

mm, dan besarnya energi kalor yang diserap oleh pipa primary SH secara aktual ataupun

desain besarnya sama, yaitu sebesar 145364,2 kJ/s. Sedangkan hasil dari analisis rancangan

dengan pendekatan CFD menggunakan software Ansys R19.0 diketahui bahwa distribusi panas

di sepanjang pipa primary SH, yaitu terjadi kenaikan nilai temperatur yang sangat cepat dan

untuk distribusi aliran di sepanjang pipa primary SH diketahui bahwa nilai kecepatan pada pipa

tidak terjadi perubahan yang signifikan. Nilai kecepatan aliran sangat mempengaruhi nilai head

loss yang dihasilkan. Salah satu cara untuk mengurangi nilai head loss pada pipa primary SH,

yaitu dengan memperbesar nilai radius atau bending pada pipa elbow.

Kata Kunci: PLTU supercritical; superheater; komputasi; distribusi panas dan aliran.

PENDAHULUAN

Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan

energi panas dari uap untuk diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran pada

turbin yang dikopel dengan generator, sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Menurut

K. Rayaprolu (2009) dalam bukunya yang berjudul Boiler for Power and Process, siklus

Prosiding Seminar Nasional NCIET Vol.1 (2020) B260-B276

1st

National Conference of Industry, Engineering and Technology 2020,

Semarang, Indonesia.

B. 261

Khanif Wahyuningtyas, dkk. / NCIET Vol. 1 (2020) B260-B276

yang digunakan pada sistem PLTU adalah siklus tenaga uap atau siklus Rankine. Ada

beberapa teknologi pada PLTU berdasarkan pengembangan siklus Rankine, seperti PLTU

subcricitical, PLTU subcritical fluidized bed, PLTU supercritical, dan PLTU ultra-

supercritical (MITs, 2007).

PLTU supercritical merupakan salah satu pembangkit yang mampu meningkatkan nilai

efisiensi siklusnya, karena pembangkit ini mampu bekerja pada tekanan dan temperatur

yang melebihi titik kritis air, yaitu di atas 221,2 bar dan 374,1 . Menurut MIT Study

(2007) dalam bukunya yang berjudul The Future of Coal, nilai efisiensi siklus pada PLTU

subcritical sebesar 33-37%, sedangkan nilai efisiensi siklus pada PLTU supercritical

sebesar 37-40%. Karena PLTU supercritical mampu menghasilkan nilai efisiensi siklus

yang lebih besar, maka pengoperasian PLTU supercritical dapat mengurangi emisi gas

buang karena penggunaan bahan bakar yang lebih sedikit (Rayaprolu, 2009).

Salah satu komponen utama pada PLTU supercritical adalah superheater (SH).

Superheater merupakan alat pemanas lanjut untuk memanaskan uap yang berasal dari

separator vessel. Uap yang dihasilkan oleh superheater akan memiliki nilai temperatur

yang lebih tinggi dibandingkan uap keluaran water wall, sehingga dapat menaikkan daya

yang dihasilkan dari ekspansi turbin. Kualitas uap keluaran superheater pada PLTU

supercritical sama sekali tidak mengandung kelembaban dan menyimpan energi panas

sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari uap saturated. Superheater pada PLTU supercritical

memiliki temperatur kerja sebesar 560 . Karena tingginya nilai temperatur yang harus

dihasilkan, maka terdapat beberapa jenis superheater agar dapat menghasilkan uap

keluaran yang dibutuhkan. Ada tiga jenis superheater pada PLTU supercritical, yaitu

primary SH, secondary SH, dan tertiary SH yang memiliki letak, temperatur kerja

keluaran dan perpindahan panas yang berbeda satu sama lainnya (Rayaprolu, 2009).

Primary SH terletak pada saluran gas buang (back pass) dengan perpindahan panas

yang didominasi secara konveksi, secondary SH terletak secara langsung di atas ruang

bakar dengan perpindahan panas yang didominasi secara radiasi, dan tertiary SH terletak

setelah secondary SH dengan perpindahan panas yang didominasi secara konveksi. Karena

letak superheater yang berbeda satu sama lainnya, maka penyerapan panas yang terjadi

pada primary SH, secondary SH, dan tertiary SH juga akan berbeda-beda. Hal ini tentunya

akan berpengaruh terhadap kerja masing-masing superheater. Sehingga, uap yang

dihasilkan oleh primary SH, secondary SH, dan tertiary SH juga akan memiliki nilai

temperatur yang berbeda-beda.

B. 262


METODE PENELITIAN

Sebelum melakukan rancangan superheater pada PLTU supercritical kapasitas 660

MW, ada beberapa tahapan yang perlu dilakukan, seperti melakukan pengambilan data di

lapangan, melakukan simulasi sistem PLTU supercritical, dan selanjutnya melakukan

proses perhitungan parameter rancangan superheater, sehingga didapat dimensi rancangan

pipa superheater. Untuk melihat lebih jelas tahapan pada penelitian tugas akhir ini, dapat

dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian Tugas Akhir

Penelitian tugas akhir ini dilakukan pada salah satu PLTU supercritical kapasitas 660

MW di Indonesia. Sebagai referensi PLTU supercritical PT Lestari Banten Energi (LBE)

dijadikan sebagai tempat pengambilan data lapangan. Dimana data lapangan yang

diperoleh meliputi data spesifik komponen utama pada PLTU, seperti sistem boiler, sistem

turbin uap, dan sistem kelistrikan.

Selanjutnya, data basic design yang diperoleh akan digunakan sebagai acuan pada

simulasi sistem PLTU. Simulasi sistem PLTU supercritical dilakukan dengan

menggunakan software STEAMPRO dari Thermoflow. Pertama, data yang perlu

dimasukkan meliputi jenis boiler, jumlah unit, besar daya keluar (net power), frekuensi

B. 263


generator, dan konfigurasi turbin uap. Selanjutnya, menentukan kondisi lingkungan tempat

PLTU yang akan dibangun, menentukan sistem pendingin, dan bahan bakar yang akan

digunakan pada PLTU. Lalu, memasukkan data nilai tekanan dan temperatur pada turbin

uap. Tabel 1 di bawah ini merupakan tabel parameter simulasi sistem PLTU supercritical

kapasitas 660 MW.

Tabel 1. Parameter Simulasi Sistem PLTU

Setelah semua parameter simulasi sistem PLTU pada tabel 1. di atas dimasukkan,

kemudian compute, selanjutnya software tersebut melakukan proses iterasi. Didapatkan

hasil simulasi, seperti gambar 2. di bawah ini.

Gambar 2. Hasil Simulasi Sistem PLTU Supercritical Kapasitas 660 MW

Dari hasil simulasi sistem PLTU supercritical didapatkan hasil simulasi boiler pada

PLTU supercritical seperti pada gambar 3. di bawah ini. Dimana boiler yang dihasilkan,

No Jumlah Satuan

1 1 unit

2 660 MW

3 Single reheat condensing

4 50 Hz

5 30 oC

6 2,5 m

7 83 %

8Once through open loop

water cooling

9 30 oC

10 30 oC

11Kaltim Prima (Spesifikasi

terlampir)

12 242 bar

13 566 oC

14 40 bar

15 566 oC

16 8 unit

17 98,85 %

18 90 %

Temperatur steam masuk IPT

Jumlah FWH

Efisiensi Generator

Frekuensi generator

Ambient temperature

Ambient relative humidity

Altitude

Jenis pendingin

Temperatur air make up

Temperatur air pendingin

Bahan bakar

Tekanan steam masuk HPT

Efisiensi Boiler feed pump

Temperatur steam masuk HPT

Tekanan steam masuk IPT

Data Input

Conventional boiler

Output (net power )

Konfigurasi turbin uap

205,0T

24,74 p46,95 T367,5 m

272,8 p286,7 T572,3 m

0,5

38

p 8

3,2

T 1

9,3

2 m

0,538 p 83,2 T

1,7

85

p 1

67

T 2

3 m

1,785 p 167 T

4,7

82

p 2

71

,7 T

24

,51

m

4,782 p 271,7 T

10

,91

p 3

75

,1 T

60

,58

m

10,91 p 375,1 T

BFPT34,71 m

17

,75

p 4

42

,9 T

19

,9 m

17,75 p 442,9 T

27

,99

p 5

11

,1 T

16

,57

m

27,99 p 511,1 T

43

,7 p

31

3 T

27

,49

m

43,7 p 313 T

71

,07

p 3

77

T 4

6,3

7 m

71,07 p 377 T

0,827 p0,353 m GSC

40 p566 T487,7 m

1,0

49

m S

SR

Le

ak

1,6

31

m

LP

crs 10

,91

p 3

74

,7 T

39

8,9

m

0,0

69

p 3

8,7

4 T

33

2,1

m

242 p566 T572,3 m

1,132 mSSR

0,262 m

6,5

9 m

1,6

31

m L

Pcrs

1,1

12

m S

SR

2,4

23

m

SSR

0,3

02

m

0,3

53

mto

FW

H1

1,7

68

m

BFPT

25380 kW34,71 m373,6 T10,39 p

34,71 m46 T0,101 p

To FPT condenser

HPT IPT1x2(double f low)

LPT1x4(2 double f low)

19,32 m81,97 T0,513 p

23 m165,6 T1,7 p

24,51 m270,3 T4,554 p

25,87 m373,6 T10,39 p

19,9 m441,5 T17,24 p

16,57 m509,6 T27,17 p

27,49 m310,8 T42,42 p

46,37 m374,5 T69 p

FWH1FWH2FWH3FWH4DA (FWH5)FWH6A&BFWH7A&BFWH8A&B

0,513 p81,97 T94,47 m

46,95 T367,5 m

79,19 T

TTD2,78 T

1,7 p84,82 T73,38 m

79,82 T461,9 m

112,4 T

TTD2,77 T

DCA5,00 T

4,554 p117,4 T50,38 m

112,4 T461,9 m

145,6 T

TTD2,78 T

DCA5,00 T

10,39 p150,6 T25,87 m

145,6 T461,9 m

178,8 T

TTD2,78 T

DCA5,00 T

17,24 p205 T572,3 m

178,8 T461,9 m

205 T

27,17 p216,5 T90,43 m

211,5 T572,3 m

230,7 T

TTD-2,32 T

DCA5,00 T

42,42 p235,7 T73,86 m

230,7 T572,3 m

253,4 T

TTD0,48 T

DCA5,00 T

69 p258,4 T46,37 m

253,4 T572,3 m

286,7 T

TTD-1,87 T

DCA5,00 T

272,8 p286,7 T572,3 m

245,6 p 568 T 572,3 m

42,84 p 311,2 T 487,7 m

40,8 p 567,3 T 487,7 m

0,101 p46 T332,7 m

0,4 p45,99 T367,5 m

34,71 m

30,01 T13264 m

43,01 T13264 m

706964 kW

3000

RPM

STEAM PRO 21.00 Demonstration 0 03-05-2020 17:48:34 Steam Properties: IFC-67FILE: E:\KULIAH\TUGAS AKHIR\SIMULASI\STEAMPRO\STPRO PLTU Supercritical 660 MW net.STP CYCLE SCHEMATICp[bar], T[C], h[kJ/kg], m[kg/s]

BOILER EFF (HHV/LHV) 84,4% / 92,6%NET PLANT EFF (HHV/LHV) 36,6% / 40,2% NET PLANT HR (HHV/LHV) 9827 / 8951 kJ/kWh

NET POWER 659977 kW AUX 46987 kWTURBINE HR 7726 kJ/kWh

B. 264


yaitu boiler dengan tipe vertikal. Di dalam boiler tersebut terdapat alat seperti economizer,

water wall, primary SH, secondary SH, tertiary SH, primary RH, final RH, dll.

Gambar 3. Hasil Simulasi Boiler Pada PLTU Supercritical Kapasitas 660 MW

Dari hasil simulasi boiler pada PLTU supercritical dihasilkan simulasi superheater

pada PLTU supercritical seperti pada gambar 4. di bawah ini. Terdapat tiga jenis

superheater pada simulasi ini, yaitu CS1 (primary SH), RSH (secondary SH), dan CS2

(tertiary SH). Dimana data hasil simulasi superheater terdapat pada tabel 2. di bawah ini.

Gambar 4. Hasil Simulasi Superheater Pada PLTU Supercritical Kapasitas 660 MW

33,35T

30T212,2 m

42,52T

50,96 m

42,52T 29,25 m 15,53% of PA

345,1T 188,4 m 27,3% of total air

22,98 m

65,56T

Kaltim Prima

107,6m 30T 34% moist.

9300 t/day

Ash 1,722 m (149 t/day)

Fly Ash

6,889 m

30T550,7 m

385T 500,7 m

398,9T 159,1 m

788,1 m

1510,6T

1172,2T

788,1 m

1043,4T

901,2T

759,7T

610T

423,5T146,5T146,5T

Ash 6,855 m (592 t/day)

154,1T

Ash 0,026 m

141,7T59,99T

8,616 m

25,85 m

74,99 T

894,6 m

Fly Ash

0,008 m

0,01 %SO2

0,77 %Ar

63,83 %N2

4,28 %O2

11,62 %CO2

19,49 %H2O

Plume visible

HX Tin Tout

ECO1 286,7 343,5

REV 343,5 398,9

CS1 398,9 419,4

RSH 419,4 492,5

CS2 492,5 568

CR1 311,2 433,1

CR2 433,1 567,3

FUEL WEIGHT%

C % 40,8

H % 6,8

O % 43,05

N % 0,53

S % 0,76

ASH % 8

ESPID Fan

WFGD

Flue Gas Reheater

1ECO1

CS1

RSHCS2

18

19

CR1

CR2

29

STEAM PRO 21.00 Demonstration 0 03-05-2020 17:48:34 Steam Properties: IFC-67FILE: E:\KULIAH\TUGAS AKHIR\SIMULASI\STEAMPRO\STPRO PLTU Supercritical 660 MW net.STP BOILER SCHEMATIC p T m BOILER EFF BOILER FUEL INPUT (kJ/s) bar C kg/s 84,4 % (HHV) 92,6 % (LHV) 1801534(HHV) 1640957(LHV)

B. 265


Tabel 2. Data Hasil Simulasi Superheater Pada PLTU Supercritical Kapasitas 660 MW

Dari tiga jenis superheater yang dihasilkan pada simulasi hanya akan ada satu jenis

superheater yang akan dirancang dan dianalisis, yaitu superheater dengan jenis primary

SH. Dimana data yang dibutuhkan meliputi nilai tekanan (P), temperatur (T), enthalpy (h),

dan mass flow fluida ( ) pada sisi masuk dan keluar uap dan gas panas pada pipa primary

SH yang dapat dilihat pada tabel 3. di bawah ini.

Tabel 3. Data Parameter Awal Rancangan Primary SH

Selanjutnya, data hasil simulasi superheater pada sistem PLTU supercritical digunakan

sebagai parameter awal untuk menghitung dimensi rancangan superheater. Untuk

mempermudah proses perhitungan, maka dibuatlah beberapa tahapan seperti pada gambar

5. di bawah ini.

Gambar 5. Diagram Alir Rancangan Superheater

PARAMETER P

(bar)

T

( ) h

(kJ/kg)

(kg/s)

Primary SH inlet 256,56 398,9 2519,1 572,3

Primary SH outlet 248,95 419,4 2773,1 572,3

Secondary SH inlet 248,95 419,4 2773,1 572,3

Secondary SH outlet 245,97 492,5 3144,1 572,3

Tertiary SH inlet 245,97 492,5 3144,1 572,3

Tertiary SH outlet 245,63 568,0 3398,1 572,3

Parameter Primary SH P

(bar)

T

( ) h

(kJ/kg)

(kg/s)

Uap inlet 256,56 398,9 2519,1 572,3

Uap outlet 248,95 419,4 2773,1 572,3

Gas panas inlet 901,2 788,1

Gas panas outlet 759,7 788,1

B. 266


Terdapat beberapa tahap perhitungan parameter rancangan superheater. Tahap

pertama, yaitu menentukan klasifikasi dan dimensi dari primary SH. Klasifikasi dan

dimensi tersebut meliputi panjang pipa, diameter pipa (Do dan Di), ketebalan pipa (t),

susunan pipa, dan material pipa yang akan digunakan.

Tabel 4. Klasifikasi Pipa Primary SH

Menentukan ukuran dimensi, seperti diameter pipa (Do dan Di), panjang (L1), lebar

(L3), dan tinggi (L2) pipa primary SH harus dilakukan sebelum menghitung koefisien

perpindahan panas. Berikut merupakan tabel dimensi pipa primary SH yang didapatkan

dari hasil iterasi sampai didapat nilai yang sama antara nilai laju kalor aktual dengan nilai

laju kalor desain ( ).

Tabel 5. Dimensi Pipa Primary SH

Selanjutnya, yaitu tahap rancangan kapasitas termal dan menghitung perpindahan

panas pada pipa primary SH. Nilai kapasitas termal harus dihitung agar dapat mengetahui

nilai kalor yang diserap oleh pipa primary SH. Dimana, besarnya kalor yang diserap oleh

pipa primary SH dapat dihitung menggunakan persamaan di bawah ini.

......................................................................................................... (1)

Dimana:

= laju perpindahan panas aktual (kJ/s)

= laju alir massa fluida (kg/s)

= perubahan nilai entalpi fluida (kJ/kg)

Klasifikasi Primary SH

Desain Counter flow

Konvektif

Konstruksi

Horizontal

In-line

Plain

Multiple tubes per loop

Material SA-213 T91

Dimensi Nilai

Diameter luar pipa (Do) 63,5 mm

Tebal pipa (t) 8,633 mm

Diameter dalam pipa (Di) 46,2 mm

Panjang pipa (L1) 17,92 m

Lebar ruang primary SH (L3) 18,04 m

Tinggi ruang primary SH (L2) 1,35 m

Jarak sentral pipa transversal (St) 254,3 mm

Jarak sentral pipa longitudinal (Sl) 79,4 mm

B. 267


Sedangkan nilai perpindahan panas harus dihitung agar dapar mengetahui nilai kalor

yang dibutuhkan pada rancangan pipa primary SH dan dapat dihitung menggunakan

persamaan di bawah ini.

......................................................................................... (2)

Dimana:

= laju perpindahan panas desain (kJ/s)

= koefisien perpindahan panas total (W/m2 o

C)

A = luas perpindahan panas total (m2)

= faktor koreksi efektivitas penukar kalor

= log mean temperature different (°C)

Nilai dan yang didapat besarnya harus sama ( ) atau

perbandingan kedua nilai ini (% kesalahan) besarnya kurang dari 5 %. Maka, dapat

dikatakan dimensi yang telah ditentukan sebelumnya dapat diterima dan desain telah

berhasil.

Setelah semua tahap rancangan telah dilakukan dan diketahui dimensi pipa primary SH

yang akan dirancang, selanjutnya data tersebut digunakan untuk membuat gambar

rancangan pipa primary SH pada software Inventor Autodesk. Dibuatnya gambar

rancangan ini bertujuan untuk melihat konstruksi pipa primary SH.

Setelah didapat desain pipa primary SH yang sesuai dengan klasifikasi yang telah

ditentukan dan dimensi hasil perhitungan, selanjutnya adalah melakukan simulasi CFD

menggunakan software Ansys R19.0. Dimana, sebelumnya diperlukan desain pipa primary

SH dengan format STP agar dapat terbaca saat menjalankan software Ansys R19.0.

Langkah yang dilakukan pada perangkat lunak dibagi menjadi empat sebagai berikut.

Gambar 6. Proses Simulasi CFD

Simulasi CFD pipa primary SH dilakukan pada kondisi dua dimensi karena faktor

bentuk, ukuran, dan arah aliran yang hanya dua sumbu, yaitu sumbu X dan Y. Selanjutnya,

yaitu langkah mesh digunakan untuk mengubah volume fluida menjadi cell kecil. Semakin

banyak jumlah cell pada simulasi, maka semakin akurat hasil iterasinya. Pada simulasi ini

menggunakan jenis meshing campuran, yaitu skewness mesh metric dan orthogonal quality

B. 268


mesh metric. Dimana, bentuk meshing didominasi oleh bentuk persegi yang tujuannya

adalah untuk mempercepat proses iterasi. Dipilih jenis meshing campuran agar semua

permukaan pipa primary SH dapat ter-meshing dengan sempurna, karena tidak semua

permukaan pipa dapat ter-meshing dengan bentuk persegi. Dimana, detail hasil meshing

pipa primary SH dapat dilihat pada gambar 7. di bawah ini.

Gambar 7. Detail Hasil Meshing Pipa Primary SH

Langkah fluent berfungsi mendefinisikan kondisi batas (boundary condition) pada

desain yang telah dibuat, seperti model aliran yang digunakan, parameter yang dimasukan,

dan dilakukannya iterasi dari hasil meshing yang telah dilakukan sebelumnya. Pada

simulasi model aliran yang digunakan adalah jenis k-epsilon standard dengan parameter

yang dimasukan, meliputi nilai temperatur uap masuk dan keluar, tekanan kerja uap, mass

flow uap, massa jenis uap, dan kecepatan uap untuk sisi fluidanya, dan untuk sisi pipa atau

wall, yaitu nilai temperatur permukaan dalam dan luar pipa. Selanjutnya, dilakukanlah

proses iterasi dimana proses ini dilakukan sampai konvergen. Jika iterasi belum sampai

konvergen, maka perlu diatur pada bagian meshing.

Tahap terakhir pada simulasi CFD adalah result yang berfungsi untuk memperlihatkan

hasil iterasi berupa pola aliran fluida dan perpindahan panas pada fluida.

HASIL DAN PEMBAHASAN

1.1 Distribusi Panas

Analisis distribusi panas pada pipa primary SH dilakukan dengan melihat nilai

distribusi temperatur di sepanjang pipa primary SH. Gambar 8. di bawah ini merupakan

gambar kontur temperatur pada pipa primary SH yang dihasilkan dari simulasi

menggunakan software Ansys R19.0 melalui pendekatan CFD.

Simulasi ini lebih difokuskan pada distribusi panas di sepanjang pipa primary SH pada

sisi uap tanpa melibatkan simulasi distribusi panas pada sisi ruang bakar atau gas panas.

Sehingga, parameter yang dimasukan pada simulasi adalah nilai temperatur uap masuk dan

B. 269


keluar untuk sisi fluida, lalu nilai temperatur permukaan dalam dan luar pipa untuk sisi

pipa atau wall. Karena nilai parameter yang dimasukan untuk semua pipa besarnya sama,

maka simulasi dilakukan pada satu buah pipa yang dipilih secara acak. Dengan besarnya

nilai parameter temperatur uap masuk sebesar , temperatur uap

keluar dan temperatur permukaan dalam pipa sebesar , dan

temperatur permukaan luar pipa sebesar , maka dihasilkan gambar

distribusi panas di sepanjang pipa primary SH seperti di bawah ini.

Gambar 8. Kontur Temperatur Pipa Primary SH

Gambar 9. Detail 1 Kontur Temperatur Pipa Primary SH

Gambar 10. Detail 2 Kontur Temperatur Pipa Primary SH

Dari gambar 8. dapat dilihat distribusi panas di sepanjang pipa primary SH. Dimana,

ujung pipa yang berwarna biru tua merupakan sisi inlet pipa primary SH dan ujung pipa

yang berwarna hijau merupakan sisi outlet pipa primary SH. Dari hasil simulasi ini terlihat

bahwa terjadi perubahan nilai temperatur yang signifikan yang ditandai dengan naiknya

nilai temperatur pada pipa primary SH dengan sangat cepat.

Kenaikan nilai temperatur yang sangat cepat ditunjukkan pada pipa laluan pertama (sisi

inlet) hingga laluan kedua. Pada bagian pipa tersebut terlihat bahwa terjadi perubahan

B. 270


warna yang sangat signifikan, yaitu pada laluan pertama (sisi inlet) uap berwarna biru tua

yang mengartikan uap memiliki nilai temperatur sebesar dan pada laluan kedua

uap telah berwarna hijau yang mengartikan uap memiliki nilai temperatur sebesar

. Dimana, nilai temperatur ini merupakan nilai temperatur uap keluar pada pipa

primary SH. Sehingga, uap dengan warna hijau ini adalah uap dengan nilai temperatur

maksimum (temperatur uap keluar). Maka, dapat disimpulkan bahwa pada pipa primary

SH terjadi perubahan nilai temperatur yang sangat cepat.

Meskipun demikian, kenaikan nilai temperatur pada primary SH tidak terlalu besar.

Hal ini dikarenakan panas (temperatur permukaan dalam dan luar pipa) yang diberikan di

sepanjang pipa primary SH dari sisi inlet hingga outlet besarnya sama. Untuk melihat

detail kontur temperatur di sepanjang pipa primary SH dapat dilihat pada gambar 9. dan

10. Dimana, uap telah berwarna hijau dari laluan kedua hingga laluan kedelapan (sisi

outlet).

Gambar 11. Detail 3 Kontur Temperatur Pipa Primary SH Sisi Kiri

Gambar 12. Detail 3 Kontur Temperatur Pipa Primary SH Sisi Tengah

Gambar 13. Detail 3 Kontur Temperatur Pipa Primary SH Sisi Kanan

B. 271


Gambar 11. di atas merupakan gambar detail kontur temperatur pipa primary SH pada

sisi kiri yang bertujuan untuk melihat perbedaan warna dari sisi pipa atau wall dan dari sisi

fluida atau uap. Pada sisi wall dapat dilihat terdapat dua warna, yaitu warna merah yang

mengartikan permukaan luar pipa memiliki nilai temperatur sebesar dan warna

hijau yang mengartikan permukaan dalam pipa memiliki nilai temperatur sebesar

. Selanjutnya, dari sisi uap dapat dilihat pada sisi inlet (biru tua) memiliki

perbedaan warna yang cukup signifikan dari sisi tepi pipa hingga bagian tengah pipa. Pada

sisi tepi pipa memiliki uap dengan warna hijau yang dilanjut dengan warna biru muda lalu

biru tua pada bagian tengah pipa. Hal ini menunjukkan bahwa terjadi penurunan nilai

temperatur dari sisi tepi pipa hingga bagian tengah pipa. Hal ini diakibatkan pada sisi tepi

pipa terdapat uap yang tidak tidak mengalir atau tidak memiliki kecepatan dikarenakan

adanya faktor gesekan fluida pada pipa. Sehingga, nilai temperatur uap di sisi tepi pipa

bernilai tinggi.

Pada gambar 12. dan 13. tidak terlalu terlihat perbedaan warna yang signifikan. Hal ini

dikarenakan pada pipa sisi tengah dan kanan telah menghasilkan uap dengan nilai

temperatur yang telah mendekati nilai temperatur uap keluar. Dimana, temperatur uap

keluar (temperatur maksimum) ditandai dengan uap yang berwarna hijau.

1.2 Distribusi Aliran

Analisis distribusi aliran pada pipa primary SH dilakukan dengan melihat nilai

distribusi kecepatan di sepanjang pipa primary SH. Sama halnya dengan simulasi distribusi

panas, simulasi distribusi aliran dilakukan dengan menggunakan software Ansys R19.0

melalui pendekatan CFD. Dimana, hasil simulasinya ditunjukkan oleh gambar 14. di

bawah ini yang merupakan gambar kontur kecepatan di sepanjang pipa primary SH.

Simulasi ini lebih difokuskan pada distribusi kecepatan pada sisi uap tanpa melibatkan

simulasi distribusi kecepatan pada sisi ruang bakar atau gas panas. Sehingga, parameter

yang dimasukan pada simulasi adalah nilai-nilai pada sisi fluida saja, seperti nilai tekanan

kerja uap, mass flow uap, massa jenis uap, dan kecepatan rata-rata uap. Karena nilai

parameter yang dimasukan untuk semua pipa besarnya sama, maka simulasi dilakukan

pada satu buah pipa yang dipilih secara acak. Dengan besarnya nilai parameter tekanan

kerja uap sebesar , mass flow uap sebesar

, massa jenis uap sebesar

B. 272


, dan kecepatan rata-rata uap sebesar , maka dihasilkan gambar

distribusi kecepatan aliran uap di sepanjang pipa primary SH seperti di bawah ini.

Gambar 14. Kontur Kecepatan Pipa Primary SH

Dari gambar 14. dapat dilihat distribusi kecepatan aliran uap di sepanjang pipa primary

SH. Sama halnya dengan hasil simulasi distribusi panas, ujung pipa bagian bawah

merupakan sisi inlet pipa primary SH dan ujung pipa bagian atas merupakan sisi outlet

pipa primary SH. Dari hasil simulasi terlihat bahwa tidak terjadi perubahan nilai kecepatan

yang signifikan. Hal ini ditandai dengan tidak adanya perubahan warna di sepanjang pipa

primary SH yang artinya tidak ada perubahan nilai kecepatan aliran uap dari sisi inlet

hingga outlet pipa.

Nilai kecepatan besarnya sama dikarenakan nilai kecepatan yang dimasukan pada

simulasi merupakan nilai kecepatan rata-rata uap. Sehingga, besarnya nilai kecepatan yang

dihasilkan di sepanjang pipa primary SH merupakan kecepatan rata-rata uap. Terlihat dari

kontur warna yang dihasilkan dari sisi inlet hingga outlet pipa, yaitu berwarna hijau-kuning

yang mengartikan uap memiliki nilai kecepatan diantara nilai . Untuk

melihat detail dari kontur kecepatan aliran uap di sepanjang pipa primary SH dapat dilihat

pada gambar 15, 16, dan 17 di bawah ini.

Gambar 15. Detail Kontur Kecepatan Pipa Primary SH Sisi Kiri

B. 273


Gambar 16. Detail Kontur Kecepatan Pipa Primary SH Sisi Tengah

Gambar 17. Detail Kontur Kecepatan Pipa Primary SH Sisi Kanan

Dari gambar detail kontur kecepatan di atas terlihat bahwa terdapat perbedaan warna

yang signifikan. Di sepanjang tepi pipa memiliki warna biru tua yang mengartikan nilai

kecepatan uap sebesar atau uap tidak memiliki kecepatan. Hal ini terjadi karena

adanya faktor gesekan fluida pada pipa yang mengakibatkan terjadinya head loss di

sepanjang pipa primary SH. Lalu, mengakibatkan pula terjadinya kenaikan nilai temperatur

di sepanjang tepi pipa dikarenakan kecepatan aliran uap yang bernilai kecil, sehingga

panas yang terserap oleh uap tidak dapat terpindahkan. Dimana, kenaikan nilai temperatur

di sepanjang tepi pipa secara langsung akan mempengaruhi nilai kekuatan material pipa.

Maka dari itu, pemilihan material harus didasarkan pada nilai temperatur kerja dan tekanan

kerja baik dari sisi ruang bakar (gas panas) ataupun dari sisi fluida (uap). Lalu,

memperhatikan komposisi yang menyusun material tersebut agar dapat mengurangi

terjadinya kerusakan pada pipa seperti retak atau pecah akibat pengikisan dan korosi.

Selanjutnya, terdapat warna merah disetiap pipa elbow atau belokan pada bagian pipa

dalam yang menandakan adanya peningkatan nilai kecepatan aliran uap sebesar

. Terjadinya peningkatan nilai kecepatan aliran diakibatkan karena arah aliran

B. 274


yang berubah (berbelok) pada pipa elbow ditambah dengan pipa elbow pada bagian pipa

dalam memiliki sudut belok (radius) yang kecil.

Akibat dari arah aliran yang berubah (berbelok) dengan radius yang kecil, maka terjadi

head loss berupa aliran dalam bentuk pusaran yang disebut dengan eddy current atau arus

pusar. Eddy current yang dihasilkan ditandai dengan adanya warna biru tua yang

mengartikan uap memiliki nilai kecepatan sebesar atau uap tidak memiliki

kecepatan yang berada tepat pada tikungan pipa elbow. Untuk melihat detail dari eddy

current yang terbentuk dapat dilihat pada gambar 18. di bawah ini.

Gambar 18. Detail Eddy Current Pada Kontur Kecepatan Pipa Primary SH

Eddy current pada gambar di atas ditandai oleh lingkaran berwarna hitam. Dimana,

eddy current adalah aliran berbentuk pusaran yang terbentuk karena adanya aliran yang

terhalang oleh aliran lain, sehingga menghasilkan aliran dengan arah berbalik yang

selanjutnya akan menghasilkan pusaran. Oleh karena itu, eddy current yang terbentuk

memiliki nilai kecepatan yang rendah atau tidak mengalir.

Akibat dari nilai kecepatan yang rendah memungkinkan terbentuknya endapan.

Dimana, endapan yang terbentuk akan menghambat proses heat transfer dari sisi gas panas

ke sisi uap yang berada di dalam pipa. Eddy current yang terbentuk dapat diatasi dengan

memperbesar nilai radius atau bending pada pipa elbow. Dapat dilihat pada gambar di atas

bagian pipa yang ditandai oleh lingkaran berwarna merah terlihat bahwa di sepanjang pipa

elbow pada bagian pipa luar tidak terbentuk eddy current.

KESIMPULAN

Berdasarkan analisis yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan

sebagai berikut.

B. 275


1. Dari hasil rancangan primary SH diperoleh dimensi panjang pipa (L1) sebesar

17,92 m, lebar ruang primary SH (L3) sebesar 18,04 m, tinggi ruang primary SH

(L2) sebesar 1,35 m, jarak sentral pipa transversal (St) sebesar 254,3 mm, jarak

sentral pipa longitudinal (Sl) sebesar 79,4 mm, diameter luar pipa (Do) sebesar 63,5

mm, diameter dalam pipa (Di) sebesar 46,2 mm, tebal pipa (t) sebesar 8,633 mm,

multiple tubes sebanyak 2 buah, jumlah laluan (Z) sebanyak 8 laluan, dan besarnya

energi kalor yang diserap oleh pipa primary SH secara aktual ataupun desain

besarnya sama, yaitu sebesar 145364,2 kJ/s.

2. Dari hasil validasi pipa primary SH diperoleh hasil yang kurang valid. Dikarenakan

masih ada parameter yang belum masuk pada perhitungan dan proses simulasi.

Seperti tidak melakukan perhitungan pada pipa elbow di setiap laluan pipa dan pada

simulasi tidak dilakukan simulasi distribusi panas dan distribusi aliran pada sisi

ruang bakar atau gas panas.

3. Dari hasil simulasi distribusi panas diketahui bahwa kenaikan nilai temperatur pada

pipa primary SH terjadi sangat cepat.

4. Semakin besar nilai temperatur uap, maka semakin kecil nilai kecepatan aliran

uapnya.

5. Dari hasil simulasi distribusi aliran diketahui bahwa nilai kecepatan pada pipa

primary SH tidak terjadi perubahan yang signifikan.

6. Nilai kecepatan aliran sangat mempengaruhi nilai head loss yang dihasilkan.

Dimana, pada pipa primary SH dihasilkan head loss dari gesekan yang terjadi di

sepanjang pipa karena adanya faktor kekasaran pipa dan dari terbentuknya eddy

current, yaitu aliran dalam bentuk pusaran.

7. Salah satu cara untuk mengurangi nilai head loss pada pipa primary SH, yaitu

dengan memperbesar nilai radius atau bending pada pipa elbow.

DAFTAR PUSTAKA

Andersson B [et al.]. (2012). Computational Fluid Dynamics for Engineers. New York :

United States of America by Cambridge University Press.

Holman J. P. (2010). Heat Transfer, 10th Edition. New York : McGraw-Hill.

Incropera [et al.]. (2011). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th Edition. Jefferson

City : John Wiley & Sons, Inc.

Kitto J. B. and Stultz S. C. (2005). Steam/Its Generation and Use, 41th Edition. Ohio : The

Babcock & Wilcox Company.

MITs. (2007). The Future of Coal. Massachusetts Institute of Technology.

B. 276


Moran M. J. [et al.]. (2011). Fundamentals of Engineering Thermodynamics 7th Edition.

John Wiley & Sons, Inc.

Rayaprolu K. (2009). Boiler for Power and Process. New York : CRC Press.

Shah R. K. and Sekulic D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John

Wiley & Sons.

Wylen J. and Sonntag R. (1994). Fundamentals of Classical Thermodynamics. John Wiley

rancangan dan validasi komputasi superheater pada …

Documents