Upload
others
View
14
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Daud Gani Setyanto
2109 100 020
Dosen Pembimbing :
Vivien Suphandani Djanali, ST., M.Eng., Ph.D
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh
Nopember 2014
KOMPARASI MODEL TURBULENSI PADA HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR
Model Turbulensi
Fitur dalam FLUENT
Simulasi secara nilai rata-rata statistik
Menghemat waktu dan sumber daya
LATAR BELAKANG
Energi
HRSG
Performa
Studi Numerik
Penggunaan HRSG pada power plant
Metode paling ekonomis
Kebutuhan energi indonesia makin meningkat
Uniformity aliran, distribusi temperatur dan tekanan
COMBINED CYCLE
RUMUSAN MASALAH
Realizable k-ε
Standard k-ε
RNG k-ε
Model turbulensi paling akurat untuk
HRSG Horizontal
TUJUAN PENELITIAN
Membandingkan hasil simulasi dengan tiga model turbulensi yang berbeda (Standard k-ε, Realizable k-ε dan RNG k-ε ) untuk didapatkan model yang paling akurat.
Visualisasi aliran pada beberapa daerah berupa kontur kecepatan, temperatur, tekanan, dan grafik perbandingan hasil simulasi.
BATASAN MASALAH
• Simulasi dilakukan berdasar dari desain HRSG PT. Alstom Power Energy Systems Indonesia.
• Simulasi dilakukan dengan menggunakan software FLUENT 6.3.26
• Aliran fluida memasuki HRSG diasumsikan uniform dengan swirl angle 40o
• Aliran fluida yang melalui HRSG diasumsikan steady. • Model turbulensi yang digunakan adalah Standard k-ε,
Realizable k-ε dan RNG k-ε. • Flue gas dianggap sebagai gas ideal. • Heat Exchanger dimodelkan sebagai porous medium.
Hyuntae, dkk (2012)
HRSG tipe vertikal menggunakan model turbulensi RNG k-ɛ.
Grafik komparasi eksperimental dan simulasi numerik kecepatan pada aliran searah sumbu-x.
Hegde, dkk (2007)
HRSG vertikal skala 1:15 membandingakan 2 model turbulensi standard k-ɛ dan RNG k-ɛ
Grafik komparasi eksperimental dan simulasi numerik pada plane 1 pada jarak 0.106 m dari dasar
Jacob, dkk (2009) Simulasi pada convergent-divergent nozzle dengan 5 jenis model turbulensi.
Grafik perbandingan kecepatan kelima model turbulensi pada titik tengah geometri.
METODE PENELITIAN
Pre-Processing
Processing
Post-Processing
PEMODELAN NUMERIK
PRE-PROCESSING GEOMETRI DAN DOMAIN
PRE-PROCESSING MESH
MESH
Potongan pada z = 0
PROCESSING No. Parameter Identifikasi
1 Solver Pressure based
2 Energy Aktif 3 Viscous Model Standard k-ε, RNG k-ε, Realizable k-ε
4 Boundary Condition
Inlet Velocity inlet Outlet Out flow
Dinding No slip and stationary wall
Silencer & Damper Porous Jump Superheater
Fluid (Porous Zone) Evaporator 2 Evaporator 1 Economizer
Feedwater heater 5 Pressure Velocity Coupling SIMPLE 6 Dicretization First Order Upwind
DATA OPERASI Full load Half load
Reynolds Number 3207792.21 2762277.09 Mass Flow Rate ( kg/s ) 631.07 390.71
Kecepatan Masuk ( m/s ) 50 30.98 Tekanan Masuk (Pa) 104324 102526
Swirl Angle 40o 40o
Pressure Drop (Pa)
Superheater 590 261 Evaporator 2 587 247 Evaporator 1 666 277 Economizer 547 232
Feedwater Heater 323 140 Stack Damper 62 23 Stack Silencer 200 75
Temperatur (oC)
Superheater masuk 607 772 keluar 495 866
Evaporator 2 masuk 495 571 keluar 337 772
Evaporator 1 masuk 337 488 keluar 239 571
Economizer masuk 239 422 keluar 159 488
Feedwater Heater masuk 159 389 keluar 112 422
FLUE GAS
Properties Full load Half load
Molecular weight 28.1131 28.1622
Specific Heat (J/kg-K) 1197.84348 1189.46988 Thermal Conductivity
(W/m-K) 0.060229566 0.059710346
Viscosity (kg/m-s) 0.0000382 0.0000381
Properties dari flue gas yang disimulasikan sebagai berikut
POST-PROCESSING
Kontur kecepatan, temperatur, dan tekanan pada posisi masuk dan keluar dari masing-masing porous medium.
Posisi pengambilan data
PERHITUNGAN
Inertial Resistance
• 𝐶2 = ∆𝑃
0.5 𝜌 𝑉2∆𝑚
Dimana: 𝐶2 = Inertial resistance, 1/m ∆𝑃 = pressure drop, Pa 𝜌 = massa jenis gas, kg/m3 𝑉 = kecepatan gas sebelum memasuki porous medium , m/s ∆𝑚 = tebal porous medium, m
Modul Full load
∆P (Pa) Densitas (kg/m3) V (m/s) ∆m (m) C2 (1/m)
1 590 0.70 4.74 1.59 46.98 2 587 0.83 3.49 1.63 71.54 3 666 0.91 2.71 2.25 87.98 4 547 0.99 2.34 2.1 96.34 5 323 1.04 2.18 1.36 95.74 6 62 0.92 12.94 0.46 1.85 7 200 0.92 12.94 3.58 0.76
Modul Half load
∆P (Pa) Densitas (kg/m3) V (m/s) ∆m (m) C2 (1/m)
1 261 0.40 3.62 1.59 61.81 2 247 0.47 3.11 1.63 66.18 3 277 0.63 2.36 2.25 70.60 4 232 0.74 2.00 2.1 74.61 5 140 0.86 1.73 1.36 79.93 6 23 0.92 7.85 0.46 1.77 7 75 0.93 7.84 3.58 0.73
HASIL PERHITUNGAN
PERHITUNGAN
Heat Transfer
• 𝑄 = 𝑚 𝐶𝑝 ∆𝑇𝑓𝑙𝑢𝑒
Dimana: 𝑄 = Heat Transfer, W 𝑚 = laju alir massa flue gas, kg/s 𝐶𝑝 = specific heat dari flue gas, J/kg-K
∆𝑇𝑓𝑙𝑢𝑒 = selisih temperatur masuk dan keluar porous medium , K
HASIL PERHITUNGAN Modul Full load
𝒎 (kg/s) Cp ( J/(kg.K) ) T in (K) T out (K) Q (W) 1 508.34094 1197.84 880 768 68198242.63 2 509.29288 1197.84 768 610 96388398.6 3 509.30212 1197.84 610 512 59786293.93 4 509.29059 1197.84 512 432 48804033.01 5 509.28381 1197.84 432 385 28671987.69
Modul Half load
𝒎 kg/s) Cp ( J/(kg.K) ) T in (K) T out (K) Q (W) 1 318.00754 1189.47 873 765 40852122.17 2 318.00494 1189.47 765 573 72625401.18 3 318.00333 1189.47 573 487 32529962.92 4 318.01807 1189.47 487 425 23452920.76 5 318.03519 1189.47 425 378 17779784.13
PROFIL KECEPATAN INLET Profil flue gas masuk berupa Swirl dengan angle 40o
VELOCITY pada z = 0
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
VELOCITY pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
VEKTOR VELOCITY pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
VORTICITY pada z = 0
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
VORTICITY pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
PRESSURE pada z = 0
Full load
RNG
Half load
Standard Realizable
PRESSURE pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
TEMPERATURE pada z = 0
Full load
RNG
Half load
Standard Realizable
TEMPERATURE pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
TURBULENCE KINETIC ENERGY pada z = 0
Full load
RNG
Half load
Standard Realizable
TURBULENCE KINETIC ENERGY pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
TURBULENCE DISSIPATION RATE pada z = 0
Full load
RNG
Half load
Standard Realizable
TURBULENCE DISSIPATION RATE pada x = 18.6299
Full load
Standard Realizable RNG
Half load
ANALISA KUALITATIF Plot x-velocity pada x = 18.6299
Pada operasi full load
ANALISA KUANTITATIF Plot x-velocity pada x = 18.6299
Pada operasi half load
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1 2 3 4 5 6 7
Pre
ssu
re d
rop
(P
asca
l)
Modul
∆P Desain (Pa)
Standard k-ɛ
Realizable k-ɛ
RNG k-ɛ
ANALISA KUANTITATIF Pressure drop
(full load)
Modul ∆P Desain
(Pa)
Standard
k-ɛ
Error
(%)
Realizable
k-ɛ
Error
(%)
RNG k-
ɛ
Error
(%)
Modul-1 590 473.48 19.75 484.21 17.93 650.85 10.31
Modul-2 587 484.85 17.40 470.96 19.77 599.04 2.05
Modul-3 666 664.33 0.25 635.77 4.54 872.84 31.06
Modul-4 547 585.9 7.11 562.86 2.90 806.35 47.41
Modul-5 323 351.64 8.87 340.86 5.53 493.27 52.72
Modul-6 62 64.83 4.56 64.74 4.42 64.43 3.92
Modul-7 200 208.65 4.33 208.72 4.36 208.62 4.31
0
50
100
150
200
250
300
350
1 2 3 4 5 6 7
Pre
ssu
re d
rop
(P
asca
l)
Modul
∆P Desain (Pa)
Standard k-ɛ
Realizable k-ɛ
RNG k-ɛ
ANALISA KUANTITATIF Pressure drop
(half load)
Modul ∆P Desain
(Pa)
Standard
k-ɛ
Error
(%)
Realizable
k-ɛ Error (%)
RNG
k-ɛ
Error
(%)
Modul-1 261 219.76 15.80 212.15 18.72 318.8 22.15
Modul-2 247 158.85 35.69 120.27 51.31 207.22 16.11
Modul-3 277 181.91 34.33 105.52 61.91 258.98 6.51
Modul-4 232 156.49 32.55 77.96 66.40 229.39 1.13
Modul-5 140 104.81 25.14 46.31 66.92 150.8 7.71
Modul-6 23 23.05 0.22 9.56 58.43 22.94 0.26
Modul-7 75 75.03 0.04 31.51 57.99 75.01 0.01
ANALISA KUANTITATIF Temperature
(full load)
x (m) Desain
(K) Standard (K) Error (%)
Realizabl
e (K)
Error
(%) RNG (K)
Error
(%)
18.6 880 897.00 1.93 896.97 1.93 901.99 2.50
20.2 768 770.17 0.28 769.00 0.13 773.59 0.73
21.2 768 761.09 0.90 760.05 1.04 770.92 0.38
22.8 610 611.23 0.20 611.76 0.29 607.06 0.48
24.0 610 617.38 1.21 617.26 1.19 619.95 1.63
26.2 512 510.70 0.25 510.55 0.28 508.48 0.69
27.0 512 511.22 0.15 510.93 0.21 515.38 0.66
29.1 432 429.46 0.59 428.69 0.77 429.88 0.49
30.3 432 425.73 1.45 425.68 1.46 432.80 0.19
31.6 385 382.89 0.55 383.05 0.51 382.66 0.61
ANALISA KUANTITATIF Temperature
(half load)
x (m) Desain
(K)
Standard
(K)
Error
(%)
Realizable
(K)
Error
(%)
RNG
(K)
Error
(%)
18.6 873 878.06 0.58 875.34 0.27 900.76 3.18
20.2 765 753.52 1.50 747.88 2.24 766.86 0.24
21.2 765 725.25 5.20 720.69 5.79 762.82 0.28
22.8 573 568.48 0.79 567.71 0.92 564.01 1.57
24.0 573 569.68 0.58 568.89 0.72 580.29 1.27
26.2 487 480.46 1.34 479.63 1.51 477.58 1.94
27.0 487 480.13 1.41 479.36 1.57 488.30 0.27
29.1 425 415.68 2.19 414.30 2.52 417.87 1.68
30.3 425 409.15 3.73 409.05 3.75 422.97 0.48
31.6 378 370.44 2.00 370.74 1.92 370.49 1.99
KESIMPULAN
• Secara keseluruhan pada kondisi operasi full load, model turbulensi yang paling mendekati nilai data desain adalah realizable k-ɛ dengan penyimpangan rata-rata nilai temperatur sebesar 0.78% dan penyimpangan nilai pressure drop sebesar 8.5%.
• Pada kondisi operasi half load didapatkan bahwa model RNG k-ɛ memiliki penyimpangan rata-rata paling rendah dalam mendapatkan nilai temperatur maupun pressure drop. Yaitu sebesar 7.7% untuk pressure drop dan 1.29% untuk temperatur.
• Perbedaan bilangan reynold berpengaruh pada keakuratan model turbulensi. Terbukti dengan penyimpangan rata-rata paling rendah untuk kondisi operasi full load (Re = 3207792.21) adalah realizable k-ɛ sedangkan untuk kondisi operasi half load (Re = 276227.09) adalah RNG k-ɛ.
TERIMA KASIH