Perancangan Dan Simulasi Aliran Fluida Pada Turbin Uap Siklus Rankine Organik Dengan Daya Output 110 KW

PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA

TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA

OUTPUT 110 KW

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MAYCOLD MANURUNG NIM. 050401063

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA

TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA

OUTPUT 110 KW

MAYCOLD MANURUNG

NIM. 050401063

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Priode Ke-586 tanggal 23 oktober 2010

Disetujui Oleh:

Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II

Ir.A.Halim Nst,Msc

NIP. 195403201981021001 NIP. 194910121981031002 Ir.Mulfi Hazwi,Msc

PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA

TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA

OUTPUT 110 KW

MAYCOLD MANURUNG NIM. 05 0401 063

Diketahui / Disahkan : Disetujui :

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Tulus Burhanuddin, ST, MT NIP. 196412241992111001 NIP. 197209232000121003

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK USU M E D A N

TUGAS SKRIPSI

N A M A : MAYCOLD MANURUNG

N I M : 0 5 0 4 0 1 0 6 3 MATA PELAJARAN : TERMODINAMIKA

SPESIFIKASI :

DIBERIKAN TANGGAL : 05 / 07 / 2010 SELESAI TANGGAL : 07 / 10 / 2010

MEDAN,05/07/2010

KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

DR.ING IR.IKHWANSYAH ISRANURI

NIP. 196412241992111001 NIP. 197209232000121003

TULUS BURHANUDDIN, ST, MT Rancanglah sebuah turbin uap satu tingkat

penggerak generator untuk keperluan siklus rankine organik dengan daya output sebesar 110 kW. Buat perhitungan rancangan dan pemilihan jenis turbin. Kemudian simulasikan:

- Bentuk sudu -

- Aliran fluida pada rotor dengan mengunakan program CFD.

AGENDA : 889/TS/2010 DITERIMA TGL : 04/07/2010

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK U.S.U.

KARTU BIMBINGAN

MEDAN

No. : 889 / TS / 2010

TUGAS SARJANA MAHASISWA

Sub. Program Studi : Konversi Energi / Teknik Produksi

Bidang Studi : Termodinamika I

Judul Tugas : PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA OUTPUT 110 KW

Diberikan Tgl. : Selesai Tgl: Dosen Pembimbing : Tulus Burhannuddin, ST, MT Nama Mhs: Maycold M

N.I.M : 050401063 NO Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN

Tanda Tangan Dosen Pemb. 1. 05-07-2010 Spesifikasi Tugas Akhir

2. 27-07-2010 Analisa Termodinamika 3. 29-07-2010 BAB I

4. 15-08-2010 BAB II 5. 18-08-2010 BAB III

6. 03-09-2010 Perbaiki BAB III 7. 17-09-2010 BAB IV

8. 23-08-2010 Perbaiki BAB IV 9. 28-08-2010 Lanjut BAB V 10. 24-09-2010 Perbaiki BAB VI 11. 05-10-2010 Kesimpulan 12. 07-10-2010 ACC Seminar 13.

14. 15. 16.

CATATAN : Diketahui,

1. Kartu ini harus diperlihatkan kepada Dosen Ketua departemen TeknikMesin

Pembimbing setiap Asistensi F.T U.S.U 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi.

3. Kartu ini harus dikembalikan ke Jurusan, bila kegiatan Asistensi telah selesai.

NIP.196412241992111001 Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri

KATA PENGANTAR

Pujian dan rasa syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat karunia-Nya, Skripsi ini dapat selesai dengan baik. Skripsi ini diajukan untuk melengkapi syarat dan melengkapi studi untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada jenjang pendidikan sarjana (S1) menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Skripsi ini membahas tentang perancangan turbin uap satu tingkat untuk keperluan siklus rankine organik, yang berjudul , “ PERANCANGAN DAN SIMULASI ALIRAN FLUIDA PADA TURBIN UAP SIKLUS RANKINE ORGANIK DENGAN DAYA OUTPUT 110 KW”.

Dengan terselesainya Skripsi ini, pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima-kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Orang Tua dan seluruh keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil kepada penulis tanpa pamrih.

2. Bapak Dr,Eng Himsar Ambarita ST, MT dan Tulus Burhannuddin, ST, MT. selaku dosen pembimbing Skripsi yang telah meluangkan waktu dan pikiran untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan Skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .

4. Bapak Tulus Burhanuddin, ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara .

5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Lingkungan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

6. Kepada Daniel Sipayung, Diki Waldi Nababanyang, Ego Sinaga telah membantu terselesaikannya skripsi ini.

7. Ucapkan terima-kasih kepada semua mahasiswa Teknik Mesin umumnya, dan khususnya sesama rekan-rekan stambuk 2005.

Dalam menyelesaikan Tugas ini penulis telah mencoba semaksimal mungkin guna tersusunnya Skripsi ini. Saya mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun. Akhir kata, Penulis mengharapkan semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Medan, Oktober 2010 Penulis,

NIM : 050401063

ABSTRAK

Perancangan turbin uap satu tingakat dengan menggunakan fluida kerja organik yang ramah lingkungan, sebagai fluida dalam skripsi ini digunakan Novec 649. Melakukan perancangan awal siklus rankine dan penentuan data awal keadaan. Melakukan perhitungan segitiga kecepatan sebagai perhitungan mula yang selanjutnya menghitung kerugian-kerugian uap saat masuk turbin yang terdiri dari kerugian internal dan external. Selanjutnya merancang bagian-bagian utama turbin satu tingkat yang terdiri dari jenis nosel, dimensi nosel, dimensi sudu gerak.

Dari hasil perhitungan dimensi nosel dan sudu gerak mulai menggunakan software gambar AutoCAD untuk membuat gambaran nosel dan sudu gerak kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan software Gambit untuk membuat bentuk sudu gerak dan bentuk sederhana dari nosel dan sudu gerak pada turbin sesuai dengan data perhitungan awal.

Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software Gambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan software fluent dengan menggunakan semua data awal hasil perhitungan mulai dari data uap Novec 649 masuk keluar dari nosel dengan seluruh keadaan awalnya. Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil peranacangan turbin uap.

Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk turbin dan melalui sudu gerak seperti halnya keadaan saat uap memasuki turbin.

Dari hasil simulasi dapat dibuat kesimpulan kondisi uap yang melalui sudu gerak dan keadaan uap yang melalui sudu pengarah sesuai dengan teori perancangan.

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN i

EVALUASI SEMINAR SKRIPSI SPESIFIKASI TUGAS v

KARTU BIMBINGAN vi

KATA PENGANTAR vii

ABSTRAK viii

DAFTAR ISI ix

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR TABEL xv

DAFTAR NOTASI xvi

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang 1

1.2 Tujuan Perancangan 1

1.3 Batasan Masalah 1

1.4 Metodologi Penulisan 2

BAB II TINAJUAN PUSTAKA 2.1 Siklus Renkine Organik 4

2.2 Fluida Organik Berdasarkan Sifat Fisik Pada Lingkungan 5

2.3 Siklus Tenaga Uap pada Steam Power Plant 7

2.4 Pengertian Turbin 9

2.4.1 Tipe Turbin Uap 10

2.5 Cara Kerja Turbin 17

2.5.1 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Impuls 18

2.5.2 Kerugian Energi Pada Turbin Uap 22

2.6 Perancangan Nosel Dan Sudu Gerak 27

2.6.1 Perancangan Nosel 27

2.6.1.1 Pemilihan Jenis Nosel 27

2.6.1.2 Penentuan Dimensi Nosel 29

2.7 Model Matematis 36

2.7.1 Persamaan Atur Aliran Fluida (Governing Equation) 36

BAB III CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK 3.1 Computational Fluid Dinamycs (CFD) 48

3.1.1 Pengertian Umum CFD 48

3.1.2 Penggunaan CFD 49

3.1.3 Manfaat CFD 50

3.1.4 Proses Simulasi CFD 50

3.1.5 Metode Diskritisasi CFD 51

3.2 Pengenalan FLUENT 52

3.2.1 Struktur Program FLUENT 52

3.2.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT 53

3.3 Pendekatan Numerik pada CFD FLUENT 56

3.3.1 Ketentuan Matematis 56

3.3.2 Persamaan Kontinuitas, Momentum dan Energi 57

3.3.3 Fisik Aliran Kompressibel 60

3.3.4 Model Turbulensi 60

3.3.5 Persamaan Umum Transport Skalar, Diskritisasi dan Solusi 63

3.3.6 Penyelesaian Persamaan Linear 65

3.3.7 Dasar Penyelesaian Tekanan (Pressure-Based Solver) 65

3.3.8 Diskritisasi (Metode Interpolasi) 67

3.3.9 Pressure Velocity Coupling 68

BAB IV ANALISA TURBIN UAP

4.1 Data Perancangan 72

4.1.1 Data Rancangan Awal 72

4.1.2 Data Tambahan dan Besaran Teknis 72

4.2 Analisa Termodinamika 73

4.2.1 Perhitungan Laju Massa Uap 75

4.2.2 Efisiensi Termal Siklus 75

4.3 Perhitungan Termodinamik Uap pada Turbin 76

4.3.1 Perhitungan Kondisi Uap Masuk Turbin sebelum Katup Pengatur 77

4.3.2 Perhitungan Kondisi Uap Masuk Turbin setelah Katup Pengatur 77

4.3.3 Perhitungan Kondisi Uap saat Meninggalkan Turbin 78

4.3.4 Penurunan Entalpi Teoritis Uap pada Seluruh Turbin 78

4.4 Perhitungan Dimensi Utama Turbin Uap 78

4.4.1 Perhitungan Segitiga Kecepatan 81

4.4.2 Perhitungan Kerugian Kalor pada Sudu Gerak 83

4.5 Dimensi Nosel Dan Sudu Gerak 87

4.5.1 Dimensi Nosel 87

4.5.2 DimensiSudu Gerak 92

4.6 Proses Simulasi 98

4.7 Data Awal 99

4.8 Kondisi Batas (Boundary Condition) 99

4.9 Kasus yang Disimulasikan 101

4.10 Prosedur Simulasi 102

4.10.1 Membuat Geometri Sudu Turbin dengan Auto CAD dan GAMBIT 102

4.10.2 Membuat Mesh Sebagai Domain Komput asi di GAMBIT 103

4.11 Memasukkan Parameter Simulasi dan

Menjalankan Software CFD FLUENT 105 4.12 Melihat hasil simulasi dengan CFD FLUENT 106 BAB V HASIL DAN ANALISIS SIMULASI

5.1 Pendahuluan 107

5.2 Simulasi Profil Sudu 107 5.2.1 Simulasi Vektor Kecepatan Aliran 108 5.2.2 Simulasi Kontur Tekanan 109 5.2.3 Perbandingan Koefisien Lift (Cl) dan

Koefisien Drag (Cd) 111 5.3 Simulasi Kondisi Steady-State 112 5.3.1 Simulasi Kecepatan Aliran 113 5.3.2 Simulasi Kontur Tekanan 114 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 117

6.2 Saran 117

DAFTAR PUSTAKA xvii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Siklus Rankine Tertutup sederhana 8

Gambar 2.2 Diagram T-s 8

Gambar 2.3 Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 80) 11

Gambar 2.4 Penampang turbin impuls tiga tingkat tekanan (Lit.1, hal 89) 12

Gambar 2.5 Penampang turbin reaksi dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 107) 13

Gambar 2.6 Penggabungan sudu turbin uap Impuls dan Reaksi (Lit 11., www.google.com) 14

Gambar 2.7 Tekanan dan kecepatan uap melalui nosel, sudu impuls dan sudu reaksi (Lit 11., www.google.com) 15

Gambar 2.8 Sketsa turbin impuls sederhana (lit 1, hal 5) 17

Gambar 2.9 Nosel dan sudu turbin impuls tampak radial 18

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan 19

Gambar 2.11 Proses ekspansi uap melalui ekspansi pengatur Beserta kerugian-kerugian akibat penyempitan (Lit.1, hal 60) 23

Gambar 2.12 Koefisien kecepatan untuk nozel sebagai fungsi tinggi nozel l (Lit.1, hal 61) 24

Gambar 2.13 Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls (Lit.1, hal 65) 27

Gambar 2.14 a) Nosel konvergen dan b) Nosel konvergen-divergen (Lit.1, hal 21) 29

Gambar 2.15 Nomenklatur nosel ; a) Nosel konvergen, b) nosel konvergen-divergen (Lit.1, hal 29) 30

Gambar 2.16 Nomenklatur sudu impuls 34

Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT 53

Gambar 3.2 Diagram Alir Prosedur Simulasi 55

Gambar 3.3 Volume control digunakan utnuk mengilustrasikan diskritisasi persamaan transport skalar 64

Gambar 3.4 Volume control satu dimensi 68 Gambar 3.5 Kompatibilitas model pada FLUENT 71 Gambar 4.1 Diagram P-h (dari grafik Pressure vs Enthalpy

Diagram for 3MTM NovecTM 649) 73

Gambar 4.2 Segitiga kecepatan sudu gerak 82

Gambar 4.3 Penampang nosel 92

Gambar 4.4 Penampang sudu gerak 97

Gambar 4.5 Uap masuk memutar sudu gerak 98

Gambar 4.6 Profil sudu gerak 99

Gambar 4.7 Kondisi batas profil sudu gerak 100

Gambar 4.8 Kondisi batas profil sudu pengarah dengan sudut arah masuk nosel 100

Gambar 4.9 Kondisi batas nosel-rotor 101

Gambar 4.10 Domain komputasi sudu pengarah dengan sudut arah masuk nosel 103

Gambar 4.11 Mesh profil sudu gerak 104

Gambar 4.12 Mesh domain komputasi nosel 104

Gambar 4.13 Mesh domain komputasi sudu gerak baris (rotor) 105

Gambar 5.1 Vektor kecepatan aliran pada sudu gerak 108

Gambar 5.2 Daerah vektor kecepatan tertinggi pada sudu gerak 109

Gambar 5.3 Kontur tekanan statis pada sudu gerak 110

Gambar 5.4 Garis kontur tekanan statis pada sudu gerak 110

Gambar 5.5 Grafik Cl pada sudu gerak (pembacaan hasil Cl × ) 111

Gambar 5.6 Grafik Cd pada sudu gerak (pembacaan hasil Cd × ) 112

Gambar 5.7 Vektor kecepatan aliran steady tanpa perubahan gerakan rotor 113

Gambar 5.8 Vektor kecepatan tinggi pada upsteam rotor 113

Gambar 5.9 Kontur tekanan 114

Gambar 5.10 Garis kontur tekanan 115

Gambar 5.11 Distribusi Pressure Coefficient pada sudu gerak 115

Gambar 5.12 Koefisen Lift untuk turbin da kompressor rotor yang merupakan fungsi relatif aliran masuk dengan parameter sudut terhadap 116

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

Tabel 2.1 Formula kimia 5

Tabel 2.2 Sifat fisik Novec 649 6

Tabel 2.3 Perbandingan pengaruh penggunaan Novec 649

dengan fluida organik lainnya terhadap lingkungan 7

Tabel 2.4 Persamaan Konservasi 47

Tabel 2.5 Konstanta model 47

Tabel 4.1 Hasil perhitungan segitiga kecepatan pada

sudu gerak tingkat pertama dengan dua tingkat-kecepatan 82 Tabel 4.2 Hasil perhitungan dimensi nosel 91

Tabel 4.3 Hasil perhitungan sudu 96

DAFTAR SIMBOL

1. Simbol dari abjad biasa

Simbol Arti Satuan

Luas sisi masuk sudu total

Luas sisi keluar sudu total mm2

b Lebar sudu mm

c1 Kecepatan mutlak uap keluar nosel m/s c1t Kecepatan uap masuk mutlak teoritis m/s d Diameter nominal sudu atau rotor mm

dp Diameter poros mm

Go Massa alir uap kg/s

hb Kerugian energi dalam sudu-sudu gerak kJ/kg he Kerugian energi akibat aliran keluar kJ/kg hkebasahan Kerugian energi karena kelembaban uap keluar kJ/kg Ho Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan

kerugian tekanan kJ/kg

Ho’ Nilai penurunan kalor dengan memperhitungkan

kerugian tekanan dan pemipaan buang kJ/kg Ho,th Nilai penurunan kalor teoritis kJ/kg po Tekanan awal uap masuk turbin bar po’ Tekanan uap sebelum nosel bar

R Jari-jari konis sempurna mm

r1 Jari-jari hub mm

T Temperatur 0

C

z Jumlah sekat labirin buah

2. Simbol dari abjad Yunani (Greek Letters₎

Simbol Arti Satuan

α1 Sudut masuk kecepatan uap mutlak ke sudu gerak o

α2 Sudut keluar kecepatan uap mutlak o

β1 Sudut masuk kecepatan relatif uap ke sudu gerak o

ηg Efisiensi generator -

ηm Efisiensi mekanis -

ABSTRAK

Perancangan turbin uap satu tingakat dengan menggunakan fluida kerja organik yang ramah lingkungan, sebagai fluida dalam skripsi ini digunakan Novec 649. Melakukan perancangan awal siklus rankine dan penentuan data awal keadaan. Melakukan perhitungan segitiga kecepatan sebagai perhitungan mula yang selanjutnya menghitung kerugian-kerugian uap saat masuk turbin yang terdiri dari kerugian internal dan external. Selanjutnya merancang bagian-bagian utama turbin satu tingkat yang terdiri dari jenis nosel, dimensi nosel, dimensi sudu gerak.

Dari hasil perhitungan dimensi nosel dan sudu gerak mulai menggunakan software gambar AutoCAD untuk membuat gambaran nosel dan sudu gerak kemudian melakukan simulasi awal dengan menggunakan software Gambit untuk membuat bentuk sudu gerak dan bentuk sederhana dari nosel dan sudu gerak pada turbin sesuai dengan data perhitungan awal.

Hasil geometri yang telah berhasil di gambar di software Gambit kemudian di dimulasikan dengan menggunakan software fluent dengan menggunakan semua data awal hasil perhitungan mulai dari data uap Novec 649 masuk keluar dari nosel dengan seluruh keadaan awalnya. Kemudian melakukan pembatasaan kondisi sesuai dengan kondisi hasil peranacangan turbin uap.

Dari hasil simulasi didapatkan bentuk laju aliran fluida yang masuk turbin dan melalui sudu gerak seperti halnya keadaan saat uap memasuki turbin.

Dari hasil simulasi dapat dibuat kesimpulan kondisi uap yang melalui sudu gerak dan keadaan uap yang melalui sudu pengarah sesuai dengan teori perancangan.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Kebutuhan terhadap energi merupakan hal mendasar yang dibutuhkan dalam usaha meningkatkan taraf hidup masyarakat. Seiring dengan meningkatnya taraf hidup serta kuantitas dari masyarakat, maka semakin meningkat juga kebutuhan akan energi. Pada saat ini kebutuhan energi berhubungan langsung dengan tingkat kehidupan masyarakat serta kemajuan industrisasi di suatu negara. Dalam hal ini, energi listrik yang menjadi salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan oleh masyarakat dalam kehidupan, karena energi listrik dapat dengan mudah dan efisien diubah ke bentuk energi yang lainnya.

Untuk memenuhi kebutuhan energi yang semakin hari semakin meningkat perlu diadakannya pemanfaatan energi seperti panas buang dari industri-industri maupun sumberpanas bumi. Dalam hal ini dapat digunakan pembangkit listrik dengan menggunakan siklus renkine organik, yang memanfaatkan energi panas yang tidak terlalu besar di banding siklus rankine yang menggunakan air (H2O) sebagai fluida kerja.

1.2 Tujuan Perancangan

Adapun tujuan dari penulisan Skripsi antara lain:

Mensimulasikan perancangan turbin uap dengan menggunakan C6 – fluoroketone sebagai dasar analisa penggunaan Zat organik yang paling efisien digunakan dalam penggerak turbin uap dengan menggunakan siklus rankine organik. Dengan kapasitas turbin yang dirancang dapat memenuhi kebutuhan 112 rumah tangga (dengan asumsi tiap rumah tangga menggunakan 850 W ) atau 110 kW.

1.3 Batasan Masalah

Untuk membuat skripsi ini lebih terarah, maka dibuat beberapa batasan permasalahan. Batasan masalah pada skripsi ini adalah:

b. Merancang siklus termodinamika yang dapat memenuhi kondisi air panas, air dingin, dan daya listrik keluaran.

c. Kondisi fluida kerja masuk sebelum memasuki turbin diasumsikan pada kondisi masih uap jenuh dan keluar dari turbin.

d. Mempelajari teori dasar perencanaan turbin uap untuk tekanan rendah. e. Mengusulkan beberapa bentuk sudu turbin (blade) dan melakukan

analisis CFD dengan menggunakan salah satu commercial code untuk mengetahui karakteristik masing-masing blade.

f. Parameter-parameter yang akan dianalisa dengan menggunakan CFD antara lain bentuk sudu dan sudut masuk uap.

1.4 Metodologi Penulisan

Dalam metodologi penulisan skripsi ini menggunakan tahapan-tahapan sebagai berikut:

a. Identifikasi b. Analisis sistem c. Simulasi sistem d. Analisis hasil

Tahapan-tahapan yang digunakan pada metodologi ini menggunakan konsep tahapan yang berurutan dari atas ke bawah. Dimana hasil atau keluaran dari suatu tahap akan menjadi masukan bagi tahap selanjutnya. Berdasarkan batasan masalah yang telah ditetapkan, penulisan skripsi ini hanya sampai pada tahap simulasi aliran fluida.

a. Identifikasi

Tahap identifikasi dilakukan dengan melakukan pencarian data awal seperti spesifikasi turbin uap dan kondisi operasinya, serta penentuan nilai-nilai variabel yang diperlukan dalam melakukan perhitungan dan analisis masalah.

b. Analisis sistem

Tahap ini dilakukan untuk menganalisis kondisi kerja turbin uap, perhitungan geometri sudu dan aliran uap khususnya pada sudu tingkat pertama, berdasarkan kondisi operasi yang diperoleh.

c. Simulasi sistem

Tahap simulasi sistem meliputi proses sebagai berikut :

- Pembuatan model geometri profil sudu dan domain sudu stator dan rotor beserta meshnya. Perangkat lunak yang digunakan untuk membuat model adalah AutoCAD sedangkan mesh dibuat dengan GAMBIT. Pembuatan model dilakukan dengan membuat geometri masing-masing sudu serta domain sudu stator dan rotor terlebih dahulu, batas-batas permukaan yang lain seperti inlet, outlet dan permukaan wall didefinisikan selanjutnya. Mesh dibuat di GAMBIT secara otomatis, dilakukan dengan pembuatan geometri face terlebih dahulu, kemudian dilanjutkan dengan penentuan jumlah dan distribusi titik yang membentuk mesh.

- Dimulai dengan melakukan beberapa simulasi terhadap model profil

sudu, hubungan (interface) sudu stator dan rotor dalam kondisi steady, dan beberapa model turbulensi.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Siklus Renkine Organik

Untuk memanfaatkan energi panas berkualitas rendah ada dua siklus termodinamika yang dapat digunakan untuk melakukan tugas menjadi energi mekanik atau listrik, yaitu: siklus Rankine Organik dan siklus Kalina. Pada penulisan skripsi ini, saya hanya fokus pada pengembangan siklus Rankine Organik. Siklus Rankine Organik adalah suatu siklus tertutup yang menggunakan fluida kerja organik yang mempunyai titik didih yang jauh lebih rendah dibanding air pada siklus Rankine konvensional. Komponen utama ORC yang paling sederhana adalah pompa, evaporator, turbin, kondensor, dan fluida kerja (working fluid). Sebagai catatan, perbedaan-perbedaan utama siklus Rankine konvensional dan ORC adalah terletak pada evaporator dan fluida kerja yang digunakan. Jika siklus Rankine konvensional menggunakan boiler maka ORC menggunakan evaporator. Meskipun mempunyai fungsi yang sama mengubah fasa dari fluida kerja dari cair menjadi uap, tetapi bobot kualitas panas sumber energinya berbeda. Boiler mengubah air menjadi uap dan menjadi uap panas lanjut dengan membakar bahan bakar atau medium bersuhu tinggi. Sementara evaporator mengubahnya pada suhu yang relatif lebih rendah, biasanya tanpa pembakaran. Fluida kerja pada ORC adalah fluida organik yang dapat didefenisikan sebagai fluida yang berasal dari organisme dan umumnya mengandung unsur karbon. Refrigeran adalah fluida organik, dan ciri utamanya memiliki titik didih yang jauh lebih rendah di banding air. Sebagai contoh refrigeran R22 yang sudah mendidih pada temperatur -400C, sementara pada tekanan yang sama air akan mendidih pada 1000C.

2.2 Fluida Organik Berdasarkan Sifat Fisik Pada Lingkungan

Fluida kerja organik merupakan fluida yang bersal dari bahan organik karena dalam unsur kimianya mengandung ikatan karbon.

Fluida kerja organik akan menentukan efisiensi, performansi siklus, dan tekanan kerja. Parameter-parameter ini pada akhirnya akan menentukan spesifikasi yang dibutuhkan oleh komponen-komponen lainnya seperti evaporator, kondensor, pompa dan turbin. Syarat lain yang harus dipenuhi oleh suatu fluida kerja ORC adalah harus bersahabat dengan lingkungan dan tidak beracun, serta tidak mudah terbakar. Mengingat banyaknya syarat tersebut, satu fluida kerja ORC tidaklah mungkin memenuhi semua syarat tersebut. (Lit.12,hal 1)

Mendapatkan fluida kerja organik yang optimum. Sebagi fluida kerja organik dalam penulisan skripsi yang saya lakukan menggunkan fluida Novec 649. Novec 649 merupakan fluida organik yang secara fisik bersifat :

- berwarna jernih,

- tidak memiliki bau yang menyengat, - tidak merusak ozone,

- tidak mudah terbakar. Berikut

Tabel 2.1 keterangan Novec 649 (Lit.17,hal 1) Komposisi fluida Novec 649

Dedeca-2-methylpentan-3-satu _{99,0 mole %, minimum} Formula kimia

Tabel 2.2 Sifat Fisik Novec 649 (Lit.17,hal 1)

Sifat Fisik Satuan Novec 649

Titik didih 0

C 49

Titik leleh 0

C -108

Berat molekul 316

Temperatur kritis 0

C 169

Tekanan kritis MPa 1,88

Tekanan uap kPa 40

Panas untuk penguapan 88

Berat jenis cairan 1600

Koefisien expansi K-1 0,0018

Viskositas kinematik cST 0,4

Viskositas absolut cP 0,64

Panas jenis J/kg-K 1103

Tabel 2.3 Perbandingan pengaruh penggunaan Novec 649 dengan fluida organik lainnya terhadap lingkungan

Sifat fisik yang mempengaruhi pada lingkungan.

Novec HFC-245fa HFC-134a

Potensi merusak ozone 0,0 0,0 0,0 0,0 Potensi penyebab

pemanasan global

1 23900 1030 1300

Pengaruh pada atmosfer 0,014 3200 7,6 140 Sumber :

1. World Meteorological Organization (WMO) 1998, Model-Derived Method.

2. Intergovernmental Panel On Climate (IIPCC) 2007 Method, 100 year ITH.

Dalam penggunaannya sebagai fluida kerja Novec 649 merupakan zat yang ramah lingkungan. berdasarkan hal tersebut dalam skripsi ini memilih Novec 649 sebagagi fluida kerja. (Lit.17,hal 3)

2.3 Siklus Tenaga Uap pada Steam Power Plant

Siklus merupakan rantaian dari beberapa proses yang dimulai dari suatu tingkat keadaan kemudian kembali ke tingkat keadaan semula dan terjadi secara berulang. Pada pembangkit tenaga uap, fluida yang mengalami proses-proses tersebut adalah air. Air berfungsi sebagai fluida kerja. Air dalam siklus kerjanya mengalami proses-proses pemanasan, penguapan, ekspansi, pendinginan dan kompresi. Siklus pembangkit tenaga uap yang telah diterima sebagai siklus standarnya adalah siklus Rankine. Siklus Rankine sederhana terdiri dari empat komponen utama yaitu pompa, boiler, turbine dan condenser. Skematik siklus Rankine sederhana ditunjukkan pada Gambar .

1 wpump, in

ketel

Pompa 2

q in

q out

Kondensor 4

wturb, out

Turbin 3

Generator

Gambar 2.1 Siklus Rankine Tertutup sederhana

Siklus ini merupakan siklus tertutup, dimana air dipompa masuk ke boiler, kemudian di dalam boiler air dipanaskan hingga menjadi uap. Uap yang telah dihasilkan ini akan memutar steam turbine, didalam steam turbine terjadi perubahan energi panas yang dibawa uap menjadi energi mekanik berupa putaran turbin. Setelah uap menggerakkan turbin uap akan masuk ke kondenser untuk didinginkan dan berubah fasa kembali menjadi air dan kemudian kembali dimasukkan kedalam boiler.

Untuk mempermudah penganalisaan termodiamika siklus ini, proses-proses diatas dapat disederhanakan dalam diagram T-s sebagai berikut :

Siklus Rankine sederhana terdiri dari beberapa proses sebagai berikut : 1 → 2 : Proses pemompaan isentropik didalam pompa. 2 → 3 : Proses pemasukan kalor atau pemanasan pada

tekanan konstan dalam ketel uap.

3 → 4 : Proses ekspansi isentropik didalam turbin. 4 → 1 : Proses pengeluaran kalor pada tekanan konstan. Maka analisa pada masing-masing proses pada siklus untuk tiap satu-satuan massa dapat ditulis sebagai berikut:

1) Kerja pompa (WP) = (h2 – h1) = ν (P2 – P1)…...…………...(2.1) 2) Penambahan kalor pada evaporator (Qin) = (h3 – h2)………(2.2) 3) Kerja turbin (WT) = (h3 – h4)………..(2.3) 4) Kalor yang dilepaskan dalam kondensor (Qout) = (h4 – h1)…(2.4) 5) Efisiensi termal siklus

in P T in net th Q W W Q W − = = η ………..(2.5)

2.4 Pengertian Turbin

Turbin asal katanya adalah turbo dari bahasa latin yang artinya adalah berputar. Turbin uap adalah suatu penggerak mula yang mengubah energi potensial menjadi energi kinetik dalam nozel dan energi kinetik ini selanjutnya diubah menjadi energi mekanis dalam bentuk putaran poros turbin.

Poros turbin dapat dikopel langsung atau dengan bantuan roda gigi reduksi yang dihubungkan dengan mekanisme yang digerakkan, turbin uap dapat digunakan pada berbagai industri seperti untuk pembangkit tenaga listrik.

Berdasarkan fluida yang digunakan turbin diklasifikasikan sebagai: 1. Turbin air

2. Turbin uap 3. Turbin gas

1. Nozel : Berfungsi untuk mengubah energi potensial fluida menjadi energi kinetik, dimana terjadi perubahan kecepatan air aliran fluida ke sudu-sudu.

2. Sudu-sudu : Berfungsi untuk mengubah energi kinetis fluida menjadi energi mekanik (gerak)

3. Cakram : Berfungsi untuk meneruskan gerakan sudu ke poros, karena sudu gerak terpasang kuat pada cakram yang mengalami gaya tangensial.

4. Poros : Berfungsi untuk meneruskan daya dan putaran dari cakram

5. Rumah turbin : Sebagai tempat pemasangan rotor.

2.4.1 Tipe Turbin Uap

Secara umum tipe turbin uap dapat dibagi ke dalam beberapa kategori, diantaranya sebagai berikut :

1) Berdasarkan arah aliran uapnya

a) Turbin aksial, yaitu turbin dengan arah aliran uap sejajar dengan sumbu poros, turbin ini banyak digunakan dengan fluida yang kompressibel serta lebih efisien daripada tipe radial dengan rentang operasi yang luas.

b) Turbin radial, yaitu turbin dengan arah aliran uap tegak lurus terhadap sumbu poros.

2) Berdasarkan geometri sudu dan proses konversi energi uap / prinsip kerja uap.

a) Turbin impuls

Pada turbin impuls, uap diekspansikan di nosel sehingga terjadi konversi energi thermal menjadi energi kinetik, yang selanjutnya diubah menjadi energi gerak pada sudu turbin dan digunakan untuk menggerakkan rotor. Menurut rentang operasinya, turbin impuls yang paling banyak digunakan terdiri dari :

(1) Turbin Uap Curtis

Turbin uap Curtis adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan aliran aksial, sistem tingkat tekanan tunggal dan lebih dari satu tingkat kecepatan. Turbin uap ini memiliki putaran yang lebih rendah dari turbin uap De-Laval dan daya yang dihasilkan dapat mencapai 4.000 kW, sehingga turbin uap ini dapat dipakai untuk kapasitas generator yang sedang.

Dalam turbin uap Curtis ini, uap hanya diekspansikan pada nozel (sudu tetap yang pertama) dan selanjutnya tekanan konstan sedangkan dalam baris sudu gerak tidak terjadi ekspansi. Meskipun demikian, dalam kenyataannya penurunan tekanan yang kecil di dalam sudu gerak tidak dapat dihindarkan berhubung adanya gesekan, aliran turbulen dan kerugian lainnya. Keunggulan jenis turbin uap ini adalah konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan namun efisiensinya rendah.

Keterangan gambar :

1. Poros 2. Cakram 3. Baris pertama sudu gerak 4. Nozel 5. Stator 6. Baris kedua sudu gerak 7. Sudu pengarah.

Gambar 2.3 Turbin impuls tingkat tunggal dengan dua tingkat kecepatan dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 80)

(2) Turbin Uap Zoelly/Rateau

Turbin uap Zoelly/Rateau adalah turbin uap yang bekerja dengan prinsip impuls aksi dengan sistem tekanan bertingkat. Tekanan uap turun secara bertahap di dalam baris sudu tetap saja, sedangkan di dalam baris sudu gerak tidak terjadi penurunan tekanan. Daya yang dihasilkan adalah daya yang besar pada putaran rendah. Sehingga turbin uap ini cocok dipakai sebagai penggerak daya generator yang besar. Keuntungan turbin ini adalah efisiensinya yang tinggi, tetapi biaya konstruksinya mahal. Dengan demikian konstruksinya lebih rumit dari turbin uap satu tingkat tekanan.

Keterangan gambar : 1. Ruang uap segar 2. dan

3. Nosel 4. Sudu Gerak 5. Ruang uap buang 6. Diafragma

b) Turbin Reaksi

Dalam turbin reaksi, nosel dan sudu berekspansi sehingga tekanan statik menurun di sudu gerak dan sudu tetap. Sudu tetap berlaku sebagai nosel dan mengarahkan aliran ke sudu gerak pada kecepatan yang lebih tinggi dari kecepatan sudu gerak.

Keterangan :

1. Drum rotor 6. Rumah turbin 9. Pipa uap penyama-te 2. dan 3. Sudu-sudu gerak 7. ruang uap masuk kanan

4. dan 5. Sudu-sudu pengarah 8. Piston penyeimbang

Gambar 2.5 Penampang turbin reaksi dan diagram efisiensinya (Lit.1, hal 107) Secara umum, konstruksi turbin reaksi banyak digabungkan dengan turbin impuls. Tujuan dari turbin impuls adalah untuk mengontrol kecepatan dan mereduksi enthalpi uap, sedangkan turbin reaksi hanya menerima kondisi uap dari sudu impuls. Beberapa tipe gabungan turbin reaksi dan impuls :

- 1 tingkat Curtis + beberapa baris Rateau + baris reaksi - 1 tingkat Rateau + baris reaksi

Gambar 2.6 Penggabungan sudu turbin uap Impuls dan Reaksi (Lit 11., www.google.com)

Gambar 2.7 Tekanan dan kecepatan uap melalui nosel, sudu impuls dan sudu reaksi (Lit 11., www.google.com)

Besarnya energi kinetik uap yang bekerja pada sudu:

3) Berdasarkan kondisi uap yang meninggalkannya a) Turbin tekanan lawan (back pressure turbine)

Yaitu turbin yang tekanan uap bekasnya berada di atas tekanan atmosfir dan digunakan untuk keperluan proses.

b) Turbin kondensasi langsung

Yaitu turbin yang uap bekasnya dikondensasikan langsung dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensor pengisian ketel.

c) Turbin ekstraksi dengan tekanan lawan

Yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi digunakan untuk keperluan proses.

d) Turbin ekstraksi dengan kondensasi

Yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya di cerat (diekstraksi) sebagian lagi dikondensasikan dalam kondensor untuk mendapatkan air kondensat pengisian ketel.

e) Turbin non kondensasi dengan aliran langsung

Yaitu turbin yang uap bekasnya langsung dibuang ke udara. f) Turbin non kondensasi dengan ekstraksi

Yaitu turbin yang sebagian uap bekasnya dicerat (diekstraksi) dan sebagian lagi dibuang ke udara.

4) Berdasarkan tekanan uapnya

a) Turbin tekanan rendah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 2 ata.

b) Turbin tekanan menengah, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga 40 ata.

c) Turbin tekanan tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk hingga diatas 40 ata.

d) Turbin tekanan sangat tinggi, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 170 ata.

e) Turbin tekanan super kritis, yaitu turbin dengan tekanan uap masuk di atas 225 ata.

Dalam merencanakan suatu turbin uap, dibutuhkan kecermatan dalam penentuan jenis turbin uap agar dapat menghasilkan daya yang diinginkan dengan tidak mengalami kerugian-kerugian yang besar. Penentuan jenis turbin uap ini sangat penting, bukan hanya dari faktor teknisnya saja, tetapi juga faktor ekonomisnya, sehingga perlu diambil beberapa jenis turbin uap sebagai perbandingan terhadap turbin uap yang akan direncanakan.

2.5 Cara Kerja Turbin

Turbin uap telah mengalami perkembangan dalam desainnya. Turbin uap yang paling sederhana mempunyai komponen seperti yang ditunjukan pada gambar 2.8 dengan komponennya, yaitu (1) poros, (2) roda, (3) sudu gerak, dan (4) nosel.

Gambar 2.8 Sketsa turbin impuls sederhana (lit 1, hal 5)

Ekspansi uap terjadi di dalam nosel dari tekanan awal yang tinggi ke tekanan akhir yang lebih rendah. Adanya penurunan tekanan dan entalpi akan menyebabkan terjadinya peningkatan kecepatan uap yang keluar dari nosel. Uap kemudian masuk kedalam sudu gerak yang menyatu dengan roda. Pada sudu, uap

mengalami perubahan momentum atau momen momentum sehingga dibangkitkan gaya atau torsi yang memutar poros.

2.5.1 Segitiga Kecepatan Pada Turbin Impuls

Ketika sudu gerak berputar, maka akan terjadi kecepatan relatif antara uap dengan sudu gerak.

Gambar 2.9 Nosel dan sudu turbin impuls tampak radial

Secara matematis, hubungan antara kecepatan-kecepatan tersebut dinyatakan sebagai berikut:

= + ………(2.6) Dimana :

= + = + Dengan :

c : kecepatan absolut uap

u : kecepatan keliling sudu gerak

persamaan (2.6) tersebut merupakan vektor dan biasa dinyatakan dalam segitiga kecepatan seperti pada gambar 2.10 :

Gambar 2.10 Segitiga kecepatan

Dari gambar 2.10, diperoleh persamaan: Pada arah tangensial:

= . cos = . cos = . cos = . cos

Pada arah aksial :

= . sin = . sin = . sin = . sin

Dari segitiga kecepatan diperoleh persamaan sebagai berikut:

+ = +

+ = + …………...………(2.7)

Dari persamaan (3.2) diperoleh daya poros turbin sebagai berikut:

= u = u………...(2.8)

Uap dengan kecepatan absolut keluar dari nosel, kemudian masuk barisan sudu gerak dengan sudut . Kecepatan uap yang masuk sudu gerak tersebut akan berubah arah dan besarnya karena roda berputar dengan kecepatan tangensial u. kecepatan uap tersebut dinamakan dengan kecepatan relatif uap masuk sudu gerak ( ).

Uap dengan kecepatan absolut keluar dari nosel, kemudian keluar melalui pipa buang dengan sudut . Penurunan tekanan dari ke berlangsung pada nosel. Sebagai akibat dari penurunan tekanan tersebut, maka kecepatan uap bertambah dari menjadi , perubahan energi kinetik uap menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros turbin berlangsung dalam sudu gerak yang terpasang pada roda turbin.

Untuk memperoleh gaya tangensial yang benar, maka sudu serang nosel dibuat sekecil mungkin. Namun, karena dibatasi konstruksi turbin, maka sudut serang nosel berada dalam batas sebagai berikut :

1. = - untuk tingkat tekanan tinggi dan secara berangsur-angsur diperbesar hingga bahkan bisa mencapai untuk hal-hal khusus, bisanya pada tingkat tekanan rendah pada turbin kondensasi. (lit 1. hal 18) 2. = - untuk turbin Curtis dua tingkat kecepatan (lit 1. hal 62)

3. = - untuk turbin Curtis tiga tingkat kecepatan (lit 1. hal 62) Dari segitiga kecepatan didapat (Lit.1, hal 39 ):

1. Kecepatan teoritis uap keluar dari nosel (c_1t), yaitu :

= (m/det)

dimana : Ho’ = besar jatuh kalor (entalphi drop)

2. Kecepatan uap keluar nosel (c1), yaitu : ( m/det)

dimana : ϕ = koefisien gesek pada dinding nosel (0,91 s/d 0,98)

3. Kecepatan keliling (u), yaitu :

u = × (m/det)

Besarnya harga dipilih terlebih dahulu untuk turbin dengan kecepatan besarnya tersebut adalah sebagai berikut (lit 1, hal 62):

• Turbin impuls dengan satu tingkat kecepatan : 0,2−0,5

• Turbin impuls dengan tiga tingkat kecepatan : 0,1−0,18

4. Diameter cakram rata-rata (d), yaitu :

d = (m)

dimana : n = putaran poros turbin (rpm)

5. Kecepatan relatif uap memasuki sudu gerak pertama (w1), yaitu :

– (m/det)

6. Kecepatan absolut uap keluar sudu gerak baris pertama (c1u) , yaitu : (m/det)

7. Kecepatan absolut uap keluar sudu gerak baris kedua (c2u) , yaitu : (m/det)

8. Sudut relatif masuk sudu gerak baris pertama (β1) , yaitu :

sin

9. Sudut relatif uap sudu keluar sudu gerak baris pertama (β2), yaitu :

10. Kecepatan relatif uap keluar sudu gerak pertama (w2), yaitu : (m/det)

11. Kecepatan mutlak uap keluar sudu gerak pertama (c2), yaitu :

2.5.2 Kerugian Energi Pada Turbin Uap

Pertambahan energi kalor yang dibutuhkan untuk melakukan kerja mekanis pada kondisi aktual dibandingkan dengan nilai teoritis, yang proses ekspansinya terjadi benar-benar sesuai dengan proses adiabatik, dinamakan kerugian energi pada turbin. Bentuk kerugian ini secara umum yaitu kerugian internal dan eksternal, yang dikelompokkan sebagai berikut:

Rugi-rugi internal adalah rugi-rugi yang berhubungan dengan kondisi uap ketika mengalir melalui turbin sehingga menaikkan entalpi uap tersebut. Yang termasuk rugi- rugi internal adalah rugi dalam katup pengatur, rugi dalam nosel, rugi kecepatan keluar, rugi karena gesekan antara roda dengan sudu gerak, rugi karena windage, rugi clearance antara rotor dan sudu, rugi karena kebasahan uap, rugi karena saluran keluar.

Rugi-rugi eksternal adalah rugi-rugi yang tidak ada hubungannya dengan kondisi uap. Yang termasuk rugi-rugi eksternal adalah rugi mekanik dan rugi-rugi yang disebabkan oleh kebocoran uap dari labyrinth gland seals.

1) Kerugian Internal (Internal Losses) a) Kerugian pada katup pengatur.

Aliran uap melalui katup-katup penutup dan pengatur disertai oleh kerugian energi akibat proses penyempitan (throttling), kerugian ini yang disebut dengan kerugian katup pengatur. Jika tekanan uap masuk adalah Po maka akan terjadi penurunan tekanan menjadi tekanan awal masuk turbin Po’. Penurunan tekan awal (∆P) adalah sebesar (3% - 5% ) dari Po.

Dimana ∆P = Po – Po’ , pada perencanaan ini diambil kerugian pada katup pengatur sebesar 5% sehingga dapat di tuliskan ∆P = 5%Po.

Kerugian energi yang terjadi pada katup pengatur ditentukan dengan

∆H = Ho – Ho’

dimana: Ho = nilai penurunan kalor total turbin

Ho’= nilai penurunan kalor setelah mengalami proses penurunan tekanan akibat pengaturan melalui katup pengatur dan katup penutup yang ditetapkan sebesar 5% dari Po. Jadi tujuan perencanaan kerugian tekanan yaitu sebesar ∆P = 5%Po.

Adapun Gambar 2.11 menunjukkan proses ekspansi uap melalui mekanisme pengatur beserta kerugian-kerugian yang lainnya yang diakibatkan penyempitan (throttling). Nilai penurunan kalor Ho yang diandaikan pada turbin. Disebabkan oleh proses penyempitan yang terjadi pada katub pengatur , penurunan kalor yang tersedia pada turbin akan berkurang dari Ho menjadi Ho’ dengan kata lain ada kehilangan energi yang tersedia sebesar H = Ho - Ho’. Besarnya kerugian tekanan akibat penyempitan dengan katub pengatur terbuka lebar dapat diandaikan sebesar 5 % dari tekanan uap segar Po.

Gambar 2.11 Proses ekspansi uap melalui ekspansi pengatur beserta kerugian-kerugian akibat penyempitan (Lit.1, hal 60).

b) Kerugian energi pada nozel (hn)

Kerugian energi dalam nozel adalah dalam bentuk kerugian energi kinetis dimana besarnya adalah :

=

(

kal/kg) Atau:

=

(

kal/kg)

dimana : hn = besarnya kerugian pada nozel cit = kecepatan uap masuk nozel teoritis

c1 = c1t⋅ϕ= Kecepatan uap masuk mutlak dari nosel (m/s)

ϕ = Koefisien kecepatan atau angka kualitas nosel.

Gambar 2.12 Koefisien kecepatan untuk nozel sebagai fungsi tinggi nozel l (Lit.1, hal 61).

c) Kerugian energi pada sudu – sudu gerak

Kerugian pada sudu gerak dipengarui beberapa faktor yaitu : (1) Kerugian akibat tolakan pada ujung belokan sudu. (2) Kerugian akibat tubrukan.

(3) Kerugian akibat kebocoran uap melalui ruang melingkar. (4) Kerugian akibat gesekan.

(5) Kerugian akibat pembelokan semburan pada sudu.

Semua kerugian diatas disimpulkan sebagai koefisien kecepatan sudu gerak (ϕ).

d) Kerugian energi akibat gesekan cakra

Kerugian gesekan terjadi diantara cakram turbin yang berputar dengan uap yang menyelubunginya. Cakra yang berputar itu menarik partikel – partikel yang ada didekat permukaannya dan memberi gaya searah dengan putaran. Sejumlah kerja mekanis digunakan untuk mengatasi pengaruh gesekan dan pemberian kecepatan ini. Kerja yang digunakan untuk melawan gesekan dan percepatan-percepatan partikel uap ini pun akan di konversikan menjadi kalor, jadi akan memperbesar kalor kandungan uap.

Besarnya nilai kerugian akibat gesekan cakram dan ventilasi dalam satu kalor dapat ditentukan dari persamaan berikut:

dimana : G = massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/s) Ngea = daya gesek dari ventilasi cakram

Adapun penentuan daya gesek dari ventilasi cakram ini sering dilakukan dengan memakai rumus Forner sebagai berikut :

= β . . . . . γ (kW)

dimana : β = koefisien yang sama dengan 1,76 untuk cakra baris tunggal, dan 2,06 untuk cakra baris ganda, dan 2,80 untuk cakra tiga baris;

d = diameter cakra yang diukur pada tinggi rata-rata sudu (m) n = putaran poros turbin (rpm)

l1 = tinggi sudu (cm)

γ = bobot spesifik dimana cakra tersebut berputar (kg/m3), sama dengan 1/ν ;

e) Kerugian akibat ruang bebas

Ada perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakra nosel yang dipasang pada stator turbin ,sebagai akibat ekspansi uap di dalam nosel. Diafragma yang mempunyai sudu sudu gerak adalah dalam keadaan berputar ,sementara cakra-cakra adalah dalam keadaan diam sehingga selalu ada ruang bebas yang sempit antara cakram-cakram putar dan diafragma. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan adanya kebocoran melalui celah ini, yang besarnya (Lit.1, hal 64) :

= ( ) ( )

dimana G kebocoran ditentukan berdasarkan tekanan kritis

= (ata)

Bila tekanan kritis lebih rendah dari p2 ,maka kecepatan uap di dalam labirin adalah lebih rendah daripada kecepatan kritis dan massa alir kebocoran ditentukan dengan persamaan:

= 100 (kg/det)

Sebaliknya ,bila tekanan kritis lebih tinggi dari p2 , maka kecepatan uap adalah lebih tinggi dari kecepatan kritisnya dan massa alir kebocoran dihitung dengan :

Gambar 2.13 Celah kebocoran uap tingkat tekanan pada turbin impuls (Lit.1, hal 65).

2) Kerugian External ( External Losses )

Kerugian-kerugian ini merupakan kerugian yang bersifat mekanik yaitu kerugian energi yang digunakan untuk mengatasi tahanan-tahanan mekanik atau gesekan yang tidak langsung mempengarui kondisi uap, seperti gesekan antara poros dengan bantalan, mekanisme pengatur, pompa minyak pelumas, serta kerugian karena kebocoran pada paking.

2.6 Perancangan Nosel Dan Sudu Gerak

2.6.1 Perancangan Nosel

Perancangan nosel yang dilakukan meliputi: pemilihan jenis, luas sisi masuk, luas sisi keluar, tinggi dan luas leher nosel.

2.6.1.1 Pemilihan Jenis Nosel

Nosel dibedakan menjadi dua golongan, yaitu: a) Nosel konvergen (nosel menguncup)

Acuan dalam perencanaan penggunaan kedua jenis nosel tersebut adalah sebagai berikut (lit.1, hal.20):

Apabila tekanan uap akhir setelah diekspansikan lebih kecil dari pada tekanan keritisnya ( ), maka nosel yang digunakan adalah nosel konvergen-divergen.

Apabila tekanan uap akhir setelah diekspansikan lebih besar dari pada tekanan keritisnya, ( ), maka nosel yang digunakan adalah nosel konvergen.

Besar tekanan kritis didefinisikan sebagai berikut :

……….……(2.9) Dimana :

= tekanan uap masuk nosel.

= keceparan keritis dengan besar 0,577 untuk uap kering jenuh dan 0,546 untuk uap panas lanjut.

Gambar 2.14 a) Nosel konvergen dan b) Nosel konvergen-divergen (Lit.1, hal 21)

2.6.1.2 Penentuan Dimensi Nosel

Dalam merencanakan dimensi nosel, hal pertama yang dilakukan adalah menentukan tinggi nosel dan derajat pemasukan uap. Berdasarkan derajat pemasukan uap, maka turbin dibagi menjadi: turbin dengan derajat pemasukan uap penuh dan turbin dengan derajat pemasukan sebagian ( partial admission ). Disebut turbin dengan derajat pemasukan uap penuh jika nosel yang digunakan, diletakan diseluruh keliling roda. Sedangkan turbin dengan derajat pemasukan sebagian adalah turbin dengan nosel tidak diletakan di seluruh bagian roda, tetapi sebagian saja (m) (Lit.1, hal 56).

b) a)

Derajat pemasukan uap (ε) dinyatakan dengan persamaan :

………..(2.10) Dimana :

m : panjang busur yang digunakan nosel

t : pitch, yaitu jarak antara dua buah nosel yang berdekatan pada diameter roda rata-rata.

z : jumlah nosel

d : diameter roda rata-rata

Gambar 2.15 Nomenklatur nosel ; a) Nosel konvergen, b) nosel konvergen-divergen (Lit.1, hal 29)

Luas penampang nosel konvergen tegak lurus terhadap arah vektor kecepatan adalah :

Diman :

a : lebar nosel pada sisi keluar (minimum) l : tinggi nosel pada sisi keluar

z : jumlah nosel b : lebar nosel

dengan menerapkan persamaan kontinuitas pada sisi keluar maka diperoleh persamaan :

………..(2.12) Dimana :

: laju aliran massa melalui nosel ( )

: volume spesifik uap pada sisi keluar ( ) : kecepatan uap pada sisi keluar nosel

Dengan melakukan subsitusi persamaan 2.11 ke persamaan 2.12 lalu persamaan 2.10 dan dari gambar diperoleh bahwa , maka diperoleh :

……(2.13) Dari persamaan 2.13 dapat diperoleh persamaan sebagai berikut :

Dan

………(2.15) Persamaan 2.14 dan 2.15 adalah persamaan untuk menghitung dimensi sadar nosel. Semua besaran pada persamaan diatas diketahui kecuali untuk harga dan . Kita dapat menghitung dengan mengasumsikan sejumlah nilai dari ataupun sebaliknya.

Harga dan harus memenuhi batasan tertentu. Hal ini sudah sirekomendasikan oleh sylyakhin pada hal 61, yaitu tinggi nosel minimum adalah 10 mm dan minimum adalah 0,2. Pembatasan tersebut dilakukan karena kerugian yang terjadi pada nosel akan bertambah besar seiring dengan berkurangnya tinggi nisel dan derajat pemasukan uap sebagian.

Untuk nosel konvergen-divergen, luas penampang minimum ditentukan berdasarkan persamaan berikut (lit.1 hal.23)

Untuk uap panas lanjut

Untuk uap jenuh kering

Dimana :

: tekanan uap masuk nosel ( )

: volume spesifik uap sebelum nosel ( )

 Pada sisi masuk

(m)

………..……(2.17)

 Pada sisi keluar

(m)

………(2.18) Lebar badan sebuah nosel adalah sebagai berikut :

 Pada sisi masuk

(m)

..………(2.19)

 Pada sisi keluar

(m)

..………(2.20) Panjang daerah divergensi nosel adalah sebagai berikut :

2.6.2 Dimensi Sudu Gerak

Sudu gerak digunakan sebagai pengonversian energi kinetik uap yang mengalir menjadi kerja mekanis pada poros turbin. Sudu gerak dipasang disekeliling rotor membentuk suatu piringan. Dalam suatu rotor turbin terdiri dari beberapa baris piringan dengan diameter yang berbeda-beda. Banyaknya baris sudu gerak biasanya disebut banyaknya tingkat.

Gambar 2.16 Nomenklatur sudu impuls

Luas penampang sudu gerak pada arah tegak lurus aliran uap didefinisikan sebagai berikut :

Untuk penampang sisi masuk sudu :

Untuk penampang sisi keluar sudu :

=

( ) Dimana :

G = massa aliran uap melalui tingkatan turbin (kg/s)

2 1, v

v = volume spesifik uap pada sisi masuk dan sisi keluar sudu (m3/kg)

2 1, w

w = kecepatan aliran uap pada sisi masuk dan sisi keluar sudu (m/det)

Tinggi sudu gerak dihitung dengan persamaan berikut :

=

Dimana :

d = diameter rata-rata roda tempat sudu gerak (mm)

ε = derajat pemasukan uap

Dimensi-dimensi lain sudu gerak ditentukan berdasarkan persamaan berikut : Lebar sudu tambahan (c) : c = 0,1 b (mm)

Radius depan sudu (R) : R =

(mm) Dimana, b adalah lebar sudu

Pitch dari biling (t) : t =

(mm)

Jumlah sudu (z) : z =

Harga c pada sisi pengeluaran uap dimaksudkan untuk memperlama aliran uap pada sudu sewaktu meninggalkan sudu sehingga separasi uap pada sudu dapat dikurangi.

Jumlah sudu berdasarkan dari persamaan briling tidak selamanya menghasilkan jumlah sudu dalam jumlah bilangan bulat. Jumlah sudu yang

dihasilkan sebaiknya dibulatkan kebawah supaya pitch sudu yang dihasilkan sama dengan 1 sampai 1,2 pitch yang diberikan Briling.

Lebar sisi keluar sudu (ab) : ab = t.sin β2 – t2 (mm) Dimana, t2 adalah tebal sudu pada sisi keluar

Radius belakang sudu ( r ) : r = R – – t

–

– – (mm)

Persamaan radius belakang sudu tersebut berlaku jika tebal sudu pada sisi masuk dan tebal sudu pada sisi keluar adalah sama.

2.7 Model Matematis

Pada bagian ini akan dipaparkan persamaan – persamaan yang digunakan dalam simulasi sebagai bentuk pendekatan secara numerik, serta beberapa asumsi tentang aliran yang berlaku di dalamnya.

2.7.1 Persamaan Atur Aliran Fluida (Governing Equation)

Model persamaan atur aliran fluida menggambarkan pernyataan matematis dari hukum konservasi fisik, yang terdiri dari :

a) Konservasi massa / persamaan kontinuitas

b) Konservasi momentum, laju perubahan momentum sama dengan penjumlahan gaya – gaya pada partikel fluida (Hukum Newton II)

c) Konservasi energi, laju perubahan energi sama dengan laju penambahan panas pada fluida dan laju dari kerja yang dilakukan pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika)

Fluida dapat dianggap sebagai kontinum, artinya analisis aliran pada skala makroskopik (≥1μm) struktur molekular dari bahan dan gerakan molekular dapat diabaikan. Perilaku fluida digambarkan dalam properti makroskopik seperti kecepatan, tekanan, massa jenis dan temperatur pada ruang dan waktu. Hal ini dapat dibayangkan sebagai rata – rata dari sejumlah tertentu molekul – molekul fluida. Oleh karena itu, dapat didefinisikan elemen fluida terkecil yaitu elemen fluida dimana properti makroskopiknya tidak dipengaruhi molekul individualnya.

Pada analisa ini aliran fluida diasumsikan dalam kondisi steady – state, aliran kompresibel, dan bentuk aliran turbulen. Sehingga dapat dituliskan bentuk persamaannya sebagai berikut :

1) Persamaan konservasi massa

Konsep utama dalam persamaan konservasi massa adalah keseimbangan massa elemen fluida. Bentuk penyelesaian persamaan dalam bidang dua dimensi (2-D) untuk kondisi steady – state dapat ditulis :

+

= 0………(2.21) Atau dalam notasi tensor, persamaan dapat ditulis :

= 0………..……….(2.22) Dimana , i = 1,2,3 bentuk referensi searah dengan sumbu x, y, z.

2) Persamaan konservasi momentum

Didalam Hukum II Newton menyatakan bahwa laju perubahan momentum dari partikel sama dengan gaya – gaya pada partikel, secara matematis dapat ditulis :

………..(2.23)

Dimana Fx dan ax adalah resultan gaya yang bekerja searah sumbu – x.

Untuk bidang 2-D, laju peningkatan momentum per-unit volume fluida dapat dinyatakan dalam arah x, dan y, dapat ditulis :

ρ , dan ρ ………..…………(2.24) Sedangkan gaya yang bekerja dibagi ke dalam dua jenis, yaitu :

d) Surface force : pressure force, viscous force

e) Body force : gravity force, centrifugal force, electromagnetic force Dalam bentuk konservasi dapat ditulis :

Arah x : ρ = .………...(2.25)

Arah y : ρ = ………...(2.26)

Atau dalam notasi tensor, persamaan dapat ditulis :

= 0…………..……..(2.27)

Dimana i, j, k = 1, 2, 3 bentuk referensi searah sumbu x, y, z

Pada analisa ini, di asumsikan bahwa fluida yang bekerja adalah fluida Newton (Newtonian fluids). Menurut Hukum Stokes untuk gas monoatomik, besaran viskositas yaitu :

…………...……….(2.28)

Dengan demikian, besaran viskositas dapat didefinisikan :

………(2.29)

Sehingga persamaan laju perubahan momentum dapat ditulis dalam bentuk notasi tensor, sebagai berikut :

…...…(2.30)

Dimana i, j, k = 1, 2, 3 bentuk referensi searah sumbu x, y, z. Persamaan ini dikenal sebagai Persamaan Navier – Stokes.

3) Persamaan konservasi energi

Bentuk persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa, laju perubahan energi dari partikel fluida sama dengan laju penambahan panas ke partikel fluida ditambah laju kerja yang dilakukan terhadap partikel fluida, secara matematis dapat ditulis :

……….……(2.31)

Dimana, adalah energi pada partikel fluida; adalah laju penambahan panas (heat flux); dan adalah laju kerja yang dilakukan.

Persamaan laju kerja total yang dilakukan terhadap partikel fluida dapat ditulis sebagai berikut :

..(2.32) Persamaan laju penambahan panas searah sumbu x, y dapat ditulis :

………...….(2.33)

Laju penambahan panas menurut Hukum Fourier, yaitu :

; dan ………...………....(2.34)

Persamaan tersebut, merupakan laju penambahan panas searah sumbu x, y. Dalam hal ini k. adalah konduktivitas termal, sehingga persamaan (2.21) dapat ditulis :

…………..….(2.35)

Adapun persamaan energi dalam hal ini energi kinetik per massa yaitu , dimana , adalah :

………(2.36)

Dengan menjumlahkan persamaan laju penambahan panas dan persamaan kerja fluida, maka bentuk umum persamaan energi dapat ditulis :

………..(2.37)

Dalam hal ini, fluida yang bekerja adalah fluida Newtonia dan memiliki besaran viskositas dan faktor fungsi kehilangan energi _Φ, sehingga bentuk persamaan konservasi energi dapat ditulis :

…..……(2.38)

Dimana, fungsi kehilangan energi dapat ditulis dalam persamaan :

…………...(2.39)

Selanjutnya, dengan mensubtitusikan besaran energi dalam i = cT, dimana c adalah panas jenis/kapasitas panas fluida. Maka persamaan dapat ditulis :

….……...(2.40)

Dan dalam bentuk notasi tensor, persamaan energi dapat ditulis :

………(2.41)

Dimana, i, j, k = 1, 2, 3 bentuk referensi searah sumbu x, y, z. Dengan beberapa asumsi yang disajikan, bentuk persamaan energi dapat disederhanakan lagi. Misalnya, jika massa jenis konstan atau aliran inkompresibel maka bentuk sama dengan nol. Selanjutnya, jika viskositas diabaikan, maka bentuk dapat dihilangkan dari persamaan. Dan jika panas yang bekerja di dalam elemen adalah nol, maka dapat dihilangkan juga.

4) Persamaan aliran turbulen

Dalam aplikasinya tidak mungkin hanya menggunakan persamaan dasar dalam menyelesaikan analisa ini. Karena bilangan Reynolds berpengaruh terhadap turbin, maka persamaan aliran turbulen digunakan dalam penyelesaian analisa ini.

Dari bentuk fungsi sebagai bentuk variabel yang bergantung pada jenis aliran yang bekerja. Maka dapat didefinisikan dalam dua tipe perbedaan kesetimbangan dari , yaitu :

a) Kesetimbangan menurut waktu ( kesetimbangan Reynolds)

b) Kesetimbangan massa jenis

; Φ” = Φ− ……….(2.43)

Dengan catatan bahwa definisi , tetapi _.

Berdasarkan persamaan pembentukan aliran pada persamaan massa, momentum dan energi berlaku kesetimbangan waktu. Dengan memasukkan dan sebagai bentuk lain dari kesetimbangan massa jenis (2.31) serta ρ dan p sebagai bentuk lain dari kesetimbangan waktu (2.32), maka bentuk persamaan matematisnya adalah :

= 0………...………(2.44)

= 0………....(2.45)

= 0……(2.46)

Kesetimbangan massa jenis energi total yaitu :

……….(2.47)

Selanjutnya, energi turbulen didefinisikan dalam bentuk :

………..………...(2.48)

Sebuah persamaan energi, k, yang didefinisikan dalam persamaan (2.36) dapat diperoleh dengan mengalikan persamaan momentum sederhana (2.35) dengan dan kesetimbangan. Dengan menyusun kembali bentuk persamaan dengan mengunakan bentuk persamaan konservasi massa maka diperoleh persamaan matematis untuk k yaitu :

………..(2.49)

Dalam simulasi mengenai turbin ini ada beberapa hal yang memungkinkan untuk diabaikan, seperti bentuk tekanan – tekanan difusi, tekanan kerja dan dilatasi tekanan. Sehingga dapat dilakukan pendekatan terhadap bentuk difusi molekul dan laju aliran turbulen. Hasil dari persamaan bentuk k menjadi :

…………(2.50)

Dimana P didefinisikan dalam dalam bentuk:

………..…(2.51)

Dimana didefinisikan dalam dalam bentuk:

………...(2.52)

5) Model turbulensi k – epsilon (k – ε)

Model ini merupakan model turbulensi yang cukup lengkap dengan dua persamaan yang memungkinkan yaitu kecepatan turbulen (turbulent velocity) dan skala panjang (length scales) yang ditentukan secara independen. Kestabilan, ekonomis (dari sisi komputasi) dan akurasi yang memadai untuk berbagai jenis aliran turbulen membuat model k – epsilon sering digunakan pada simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Model matematis dari persamaan k – ε yaitu :

……….(2.53)

………...(2.54)

………..(2.55)

………...……..(2.56)

Model k – ε standar terdiri dari lima konstanta umum yaitu, Cµ = 0,09 dan C_ε1 = 1,44, yang diperoleh dari aliran lapisan batas, serta C_ε2= 1,92; σk = 1,0; dan σε = 1,3 berdasarkan hasil eksperimen wind tunnel. Kesemuanya akan ditetapkan

dalam optimasi komputer. Sedangkan fungsi damping fµ , f1 dan f2, adalah sumber tambahan dari bentuk D dan E yang hanya memungkinkan digunakan pada bidang solid dibawah viskositas lapisan bawah.

6) Kesimpulan persamaan atur aliran fluida (governing equations) Dari ketiga bentuk persamaan konservasi yaitu massa, momentum dan energy, serta dengan beberapa asumsi yang memungkinkan terjadi didalam aliran berupa kondisi steady – state, kompresibel, aliran yang terjadi adalah turbulen dan fluida yang bekerja adalah fluida Newtonia di dalam bidang tiga dimensi, maka persamaan atur aliran dapat dituliskan sebagai berikut :

- Persamaan konservasi massa / kontinuitas :

.…...…..(2.57)

- Persamaan momentum : Momentum arah –x :

…..……(2.58) Momentum arah –y :

- Persamaan konservasi energi :

……….….(2.60) - Persamaan aliran turbulen :

………...(2.61)

Dari persamaan atur aliran fluida (2.45) – (2.48) maka dapat disusun dalam bentuk persamaan :

……….(2.62)

Dimana bentuk pengganti dari variabel tak bebas u, v, k dan ε. Bentuk dan berkaitan dengan koefisien difusi turbulen dan sebagai istilah untuk variabel umum . Kesimpulan persamaan terdapat pada tabel 2.4, dan fungsi model konstanta turbulen terdapat pada tabel 2.5.

Selain itu, fluida yang bekerja diasumsikan sebagai gas ideal, dengan bentuk hubungan persamaan yaitu :

; p= RT; e= ;

………(2.63) Dimana γ , , dan Radalah konstan.

Tabel 2.4 Persamaan konservasi

(sumber: Fluent.Inc/fluent6.3.26/help/html/ug/node1513.htm)

Persamaan

Massa 1 0 0

Momentum arah -x u

Momentum arah -y v

Energi kinetik turbulen k

Tingkat disipasi energi

turbulen ε

Tabel 2.5 Konstanta model

(sumber: Fluent.Inc/fluent6.3.26/help/html/ug/node1513.htm)

Konstanta Cε1 Cε2 f1 f2 Cµ σk σε Ew κ Model k – ε

Standar

BAB III

CFD FLUENT DAN PENDEKATAN NUMERIK

3.1 Computational Fluid Dynamics (CFD)

Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari – hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

3.1.1 Pengertian Umum CFD

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

- Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi

- Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda – benda atau zat yang mengalir.

Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan – persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan – persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan – persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum – hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi yang diubah kedalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi.

Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda – benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data – data, gambar – gambar, atau kurva – kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain.

3.1.2 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi :

- Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman. - Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.

- Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. - Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

- Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics)

- Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam.

- Analis failure untuk mencari sumber – sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.

- Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya.

Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru

2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshouting 4. Desain ulang (re – design)

3.1.3 Manfaat CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency.

1) Insight – Pemahaman Mendalam

Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya.

2) Foresight – Prediksi Menyeluruh

Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3) Efficiency – Efisiensi Waktu dan Biaya

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

3.1.4 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Preprocessing

Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya.

2) Solving

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.

3) Postprocessing

Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva , dan animasi.

Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Pembuatan geometri dari model/problem

2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel – sel kecil (meshing) 3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan – persamaan gerak +

entalpi + konversi species (zat – zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan)

4) Pendefinisian kondisi – kondisi batas, termasuk didalamnya sifat – sifat dan perilaku dari batas – batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan.

5) Persamaan – persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient.

6) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

3.1.5 Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan – persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energy dengan persamaan – persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan – persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :

- Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite elements method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method)

- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan kehati – hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu.

3.2 Pengenalan FLUENT

Salah satu software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD adalah FLUENT, yaitu satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volume method). FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang realtif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh FLUENT adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). FLUENT juga memungkinkan untuk memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada.

Bahasa program FLUENT ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang efisien dan lebih fleksibel. FLUENT juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada klien desktop workstation dan computer server. Semua fungsi yang dibutuhkan untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada FLUENT melalui menu yang interaktif.

Beberapa alasan mengapa menggunakan FLUENT yaitu : - FLUENT mudah untuk digunakan

- Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver) - Diskritisasi meshing model yang efisien (dalam GAMBIT) - Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer) - Visualisasi yang mudah dimengerti

3.2.1 Struktur Program FLUENT

Dalam satu paket program FLUENT terdapat beberapa produk, yaitu : - FLUENT

mesh file PDF mesh 2D/3D geometri atau mesh boundary mesh boundary mesh dan/atau mesh volume - prePDF, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran

non-premixed pada FLUENT.

- GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari boundary mesh yang sudah ada.

- Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN dll. Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu, dapat juga menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid dari mesh bidang yang sudah ada. Struktur dari komponen tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.1.

Gambar 3.1 Struktur Komponen Program FLUENT

3.2.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT

Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan FLUENT, yaitu :

GAMBIT

- Setup geometri - Pembuatan

mesh 2D/3D

Program CAD/CAE lainnya

PrePDF

- Perhitungan dari look-up tables

FLUENT

- Impor&adaptasi mesh - Pemodelan fisik - Kondisi batas - Sifat-sifat material - Perhitungan - Post processing

TGrid

- Mesh triangular 2D - Mesh tetrahedral 3D - Mesh hybrid 2D/3D

Physical Properties of 3M

TM

Novec

TM

649

Property

Unit

Value Data Source

Molecular Weight

316.05

Boiling Point

°C

49.2

from vapor pressure

measurements

Freezing Point

°C

-108

measured value

Critical Temperature

°C

168.66 measured value

Critical Pressure

kPa

1865

measured value

Critical Volume

cc/mole

494.5

V

c

=Z

c

RT

c

/P

c

Critical Density

kg/m

3

639.1

calculated from V

c

Specific Heat, Liquid @ 25°C

kJ/kg°C

1.103

measured value

Specific Heat, vapor @ constant P (1atm &

25°C)

kJ/kg°C

0.891

measured value

Heat of vaporization @ bp

kJ/kg

88.0

measured value

Thermal Conductivity of liquid @ 25°C

W/m°C 0.0588 measured value

Viscosity, liquid @ 25°C

cp

0.524

measured value

Relative Dielectric Strength @ 1 atm (N

2

=1.0)

-

2.3

measured value

Solubility of water in agent @ 21°C

wt%

<0.001

based upon detection

limits

Thermodynamic Properties of the Saturated Liquid and Vapor Phases for 3M

TM

NovecTM 649

Saturated Liquid Phase

Saturated Vapor Phase

T T K

P °C

ρ

bars kg/m3

H Z

S kJ/kg kJ/kgK

P ρ

bars kg/m3

H Z

S kJ/kg kJ/kgK

ΔHvap 299.15

kJ/kg 26 0.421 1589.86 0.00324 71.994 0.2716 0.421 5.5108 0.97026 166.643 0.5880 94.649 300.15 27 0.439 1586.81 0.00338 73.103 0.2753 0.439 5.7304 0.96927 167.504 0.5899 94.401 301.15 28 0.457 1583.75 0.00351 74.214 0.2790 0.457 5.9570 0.96827 168.366 0.5917 94.152 302.15 29 0.476 1580.67 0.00365 75.325 0.2827 0.476 6.1908 0.96724 169.227 0.5935 93.902 303.15 30 0.496 1577.59 0.00380 76.438 0.2864 0.496 6.4318 0.96619 170.088 0.5953 93.651 304.15 31 0.516 1574.49 0.00395 77.551 0.2900 0.516 6.6803 0.96511 170.949 0.5971 93.398 305.15 32 0.537 1571.37 0.00410 78.665 0.2937 0.537 6.9365 0.96401 171.809 0.5989 93.144 306.15 33 0.558 1568.25 0.00426 79.780 0.2973 0.558 7.2005 0.96289 172.669 0.6007 92.889 307.15 34 0.581 1565.12 0.00443 80.896 0.3010 0.581 7.4724 0.96174 173.529 0.6026 92.632 308.15 35 0.604 1561.97 0.00460 82.014 0.3046 0.604 7.7526 0.96056 174.388 0.6044 92.374 309.15 36 0.627 1558.81 0.00477 83.132 0.3082 0.627 8.0411 0.95937 175.246 0.6062 92.115 310.15 37 0.652 1555.67 0.00495 85.132 0.3147 0.652 8.3354 0.95815 176.112 0.6080 90.980

311.15 38 0.677 1552.52 0.00513 86.234 0.3182 0.677 8.6379 0.95691 176.970 0.6098 90.737 312.15 39 0.702 1549.36 0.00532 87.336 0.3218 0.702 8.9491 0.95565 177.828 0.6117 90.492 313.15 40 0.729 1546.18 0.00552 88.440 0.3253 0.729 9.2694 0.95436 178.686 0.6135 90.246 314.15 41 0.756 1543.00 0.00572 89.545 0.3288 0.756 9.5988 0.95305 179.543 0.6153 89.998 315.15 42 0.784 1539.80 0.00592 90.651 0.3323 0.784 9.9375 0.95171 180.399 0.6171 89.749 316.15 43 0.813 1536.59 0.00614 91.758 0.3358 0.813 10.2859 0.95034 181.256 0.6189 89.498 317.15 44 0.843 1533.36 0.00635 92.866 0.3393 0.843 10.6440 0.94894 182.111 0.6207 89.245 318.15 45 0.873 1530.13 0.00658 93.976 0.3428 0.873 11.0121 0.94752 182.966 0.6225 88.991 319.15 46 0.905 1526.88 0.00681 95.086 0.3463 0.905 11.3905 0.94607 183.821 0.6243 88.735 320.15 47 0.937 1523.62 0.00705 96.198 0.3497 0.937 11.7793 0.94460 184.675 0.6261 88.477 321.15 48 0.970 1520.34 0.00729 97.311 0.3532 0.970 12.1787 0.94309 185.529 0.6279 88.218 322.15 49 1.005 1517.05 0.00754 98.426 0.3567 1.005 12.5890 0.94156 186.382 0.6297 87.956 323.15 50 1.040 1513.76 0.00780 99.541 0.3601 1.040 13.0104 0.93999 187.234 0.6315 87.693 324.15 51 1.076 1510.44 0.00806 100.658 0.3636 1.076 13.4432 0.93840 188.086 0.6333 87.428 325.15 52 1.113 1507.12 0.00833 101.776 0.3670 1.113 13.8877 0.93678 188.938 0.6351 87.161 326.15 53 1.151 1503.78 0.00861 102.896 0.3704 1.151 14.3439 0.93513 189.788 0.6368 86.892 327.15 54 1.190 1500.43 0.00890 104.017 0.3738 1.190 14.8123 0.93345 190.639 0.6386 86.622

328.15 55 1.230 1497.06 0.00919 105.139 0.3773 1.230 15.2930 0.93174 191.488 0.6404 86.349 329.15 56 1.271 1493.68 0.00949 106.263 0.3807 1.271 15.7863 0.93000 192.337 0.6422 86.074 330.15 57 1.314 1490.29 0.00980 107.388 0.3841 1.314 16.2926 0.92823 193.185 0.6440 85.797 331.15 58 1.357 1486.89 0.01012 108.515 0.3875 1.357 16.8120 0.92643 194.033 0.6457 85.518 332.15 59 1.401 1483.47 0.01045 109.643 0.3909 1.401 17.3448 0.92460 194.880 0.6475 85.237 333.15 60 1.447 1480.04 0.01078 110.772 0.3943 1.447 17.8914 0.92274 195.726 0.6493 84.954 334.15 61 1.494 1476.59 0.01113 111.903 0.3976 1.494 18.4520 0.92084 196.571 0.6510 84.668 335.15 62 1.542 1473.13 0.01148 113.036 0.4010 1.542 19.0269 0.91892 197.416 0.6528 84.380 336.15 63 1.591 1469.66 0.01184 114.170 0.4044 1.591 19.6165 0.91696 198.260 0.6545 84.090 337.15 64 1.641 1466.17 0.01221 115.306 0.4077 1.641 20.2210 0.91497 199.103 0.6563 83.797 338.15 65 1.693 1462.67 0.01259 116.443 0.4111 1.693 20.8408 0.91294 199.945 0.6580 83.502 339.15 66 1.745 1459.15 0.01298 117.582 0.4145 1.745 21.4761 0.91088 200.787 0.6598 83.205 340.15 67 1.799 1455.62 0.01338 118.722 0.4178 1.799 22.1274 0.90879 201.628 0.6615 82.905 341.15 68 1.855 1452.08 0.01379 119.865 0.4211 1.855 22.7949 0.90667 202.467 0.6633 82.603 342.15 69 1.912 1448.52 0.01421 121.008 0.4245 1.912 23.4791 0.90451 203.306 0.6650 82.298 343.15 70 1.970 1444.94 0.01464 122.154 0.4278 1.970 24.1802 0.90232 204.144 0.6668 81.990 344.15 71 2.029 1441.35 0.01508 123.302 0.4311 2.029 24.8986 0.90009 204.982 0.6685 81.680

345.15 72 2.090 1437.75 0.01553 124.451 0.4345 2.090 25.6348 0.89783 205.818 0.6702 81.367 346.15 73 2.152 1434.12 0.01599 125.602 0.4378 2.152 26.3890 0.89553 206.653 0.6719 81.051 347.15 74 2.216 1430.49 0.01647 126.755 0.4411 2.216 27.1618 0.89320 207.487 0.6737 80.733 348.15 75 2.281 1426.84 0.01695 127.909 0.4444 2.281 27.9534 0.89083 208.321 0.6754 80.411 349.15 76 2.347 1423.17 0.01745 129.066 0.4477 2.347 28.7644 0.88843 209.153 0.6771 80.087 350.15 77 2.415 1419.48 0.01796 130.224 0.4510 2.415 29.5951 0.88599 209.984 0.6788 79.760 351.15 78 2.485 1415.78 0.01848 131.385 0.4543 2.485 30.4460 0.88351 210.814 0.6805 79.429 352.15 79 2.556 1412.06 0.01901 132.547 0.4576 2.556 31.3175 0.88100 211.643 0.6822 79.096 353.15 80 2.629 1408.33 0.01956 133.712 0.4609 2.629 32.2101 0.87845 212.471 0.6839 78.759 354.15 81 2.703 1404.57 0.02012 134.878 0.4642 2.703 33.1242 0.87586 213.297 0.6856 78.419 355.15 82 2.779 1400.80 0.02070 136.047 0.4674 2.779 34.0604 0.87323 214.123 0.6873 78.076 356.15 83 2.856 1397.01 0.02128 137.218 0.4707 2.856 35.0192 0.87056 214.947 0.6890 77.730 357.15 84 2.936 1393.21 0.02189 138.390 0.4740 2.936 36.0010 0.86786 215.770 0.6907 77.380 358.15 85 3.016 1389.38 0.02250 139.565 0.4773 3.016 37.0064 0.86511 216.592 0.6923 77.026 359.15 86 3.099 1385.54 0.02313 140.743 0.4805 3.099 38.0360 0.86233 217.412 0.6940 76.670 360.15 87 3.183 1381.67 0.02378 141.922 0.4838 3.183 39.0902 0.85951 218.231 0.6957 76.309 361.15 88 3.269 1377.79 0.02444 143.104 0.4871 3.269 40.1698 0.85664 219.049 0.6973 75.945

362.15 89 3.357 1373.89 0.02511 144.288 0.4903 3.357 41.2752 0.85374 219.865 0.6990 75.577 363.15 90 3.447 1369.96 0.02581 145.475 0.4936 3.447 42.4072 0.85079 220.680 0.7007 75.205 364.15 91 3.538 1366.02 0.02652 146.664 0.4968 3.538 43.5662 0.84780 221.493 0.7023 74.830 365.15 92 3.632 1362.05 0.02724 147.855 0.5001 3.632 44.7531 0.84477 222.305 0.7040 74.450 366.15 93 3.727 1358.06 0.02798 149.049 0.5033 3.727 45.9684 0.84170 223.116 0.7056 74.066 367.15 94 3.824 1354.05 0.02874 150.246 0.5066 3.824 47.2129 0.83859 223.924 0.7072 73.679 368.15 95 3.923 1350.02 0.02952 151.445 0.5098 3.923 48.4873 0.83543 224.731 0.7089 73.286 369.15 96 4.024 1345.96 0.03032 152.646 0.5130 4.024 49.7923 0.83222 225.536 0.7105 72.890 370.15 97 4.127 1341.88 0.03113 153.851 0.5163 4.127 51.1287 0.82898 226.340 0.7121 72.489