simulasi numerik fenomena turbulensi di dalam … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui...

12
Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68 P-ISSN 1978 - 2365 E-ISSN 2528 - 1917 57 Diterima : 14 Juli 2016, direvisi : 19 Oktober 2016, disetujui terbit : 9 Februari 2017 SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM PEMBAKAR SIKLON NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENCE PHENOMENA WITHIN CYCLONE BURNER Yohanes Gunawan 1* , Mohammad Ridho 2 , Guntur Tri Setiadanu 1 1 Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konversi Energi, Jl. Ciledug Raya kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama. 2 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Jl. Prof. Dr. Sudjono D Pusponegoro, Kampus Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia. Email: [email protected] Abstrak Pembakar Siklon adalah tungku berbentuk silinder, dimana serbuk bahan bakar ditiupkan bersama udara pembakar secara tangensial, sehingga serbuk bahan bakar akan berputar dan terbakar dalam ruang siklon tersebut secara intensif. Tingkat homogenitas bahan bakar dengan udara (reaktan), waktu tinggal reaktan, tingkat turbulensi serta energi kinetik turbulensi (TKE) sangat mempengaruhi efisiensi pembakaran. Untuk mengetahui gambaran lebih detail terhadap fenomena turbulensi dan nilai TKE pada pembakar siklon maka dilakukan kajian secara numerik dengan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD). Variasi kecepatan udara awal yang digunakan dalam simulasi adalah 9,35; 8,45; 7,52 m/s. Domain utama untuk simulasi adalah tungku pembakar siklon yang mempunyai panjang 148 cm dengan diameter outlet 42 cm dan diameter pada pangkal interiornya 22 cm. Kecepatan udara awal untuk memvalidasi hasil simulasi diukur menggunakan venturi meter dan kecepatan aliran udara didalam tungku pembakar siklon diukur menggunakan hot wire anemometer. Hasil simulasi tervalidasi menunjukkan bahwa fenomena turbulensi pada setiap plane bervariasi sehingga TKE memiliki nilai yang semakin kecil seiring dengan jarak yang ditempuh setelah memasuki ruang bakar. Sementara itu, kecepatan baru mulai menunjukkan homogenitasnya dan pengurangan kecepatan ketika mendekati plane 3 yang berjarak 122.42 cm dari pusat inlet. Nilai TKE di sepanjang pembakar siklon dapat dijadikan acuan untuk memprediksi pada titik mana suhu tertinggi dan terendah akan terjadi jika eksperimen pembakaran dilakukan. Selain itu, adanya ruang deadzone pada ruang pembakar siklon juga menyebabkan sebagian aliran fluida mengalir dan terperangkap pada wilayah tersebut. Kata kunci: pembakar siklon, CFD, TKE, kecepatan alir, turbulensi Abstract A cyclone burner is a cylindrical furnace, where the fuel powder is blown along the air-fuel burners tangentially so that fuel powder is rotated and burned in the cyclone chamber intensively. The level of homogeneity of the fuel with air (reactants), the residence time of the reactants, the degree of turbulence and turbulence kinetic energy (TKE) greatly affect the efficiency of combustion. To find out a more detailed picture of the phenomenon of turbulence and the value of TKE on the cyclone burner, the numerical simulation using Computational Fluid Dynamics (CFD) is examined. Variations in the initial air velocity used in the simulation are 9.35; 8.45; 7.52 m/s. The main domain for simulation is a cyclone burner furnace which have a length of 148 cm with an outlet diameter of 42 cm and an interi- or base diameter of 22 cm. Initial air velocity to validate the simulation results were measured using a venturi meter and air flow velocity inside the cyclone furnaces is measured using a hot wire anemometer. The simulation results show that the phenomenon of turbulence validated on each plane is varied, hence TKE has a value that is smaller along the distance, only after entering the combustion chamber. While the new speed is starting to show homogeneity and reduced speeds when approaching plane 3 within 122.42 cm from the center of the inlet. TKE value along the cyclone burners can be used as a reference for predicting where the highest and lowest temperatures will occur if the

Upload: others

Post on 10-Jul-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68 P-ISSN 1978 - 2365

E-ISSN 2528 - 1917

57 Diterima : 14 Juli 2016, direvisi : 19 Oktober 2016, disetujui terbit : 9 Februari 2017

SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM

PEMBAKAR SIKLON

NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENCE PHENOMENA WITHIN

CYCLONE BURNER

Yohanes Gunawan1*, Mohammad Ridho2, Guntur Tri Setiadanu1

1Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konversi Energi,

Jl. Ciledug Raya kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama. 2Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,

Jl. Prof. Dr. Sudjono D Pusponegoro, Kampus Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia.

Email: [email protected]

Abstrak

Pembakar Siklon adalah tungku berbentuk silinder, dimana serbuk bahan bakar ditiupkan bersama

udara pembakar secara tangensial, sehingga serbuk bahan bakar akan berputar dan terbakar dalam

ruang siklon tersebut secara intensif. Tingkat homogenitas bahan bakar dengan udara (reaktan), waktu

tinggal reaktan, tingkat turbulensi serta energi kinetik turbulensi (TKE) sangat mempengaruhi efisiensi

pembakaran. Untuk mengetahui gambaran lebih detail terhadap fenomena turbulensi dan nilai TKE

pada pembakar siklon maka dilakukan kajian secara numerik dengan simulasi Computational Fluid

Dynamics (CFD). Variasi kecepatan udara awal yang digunakan dalam simulasi adalah 9,35; 8,45;

7,52 m/s. Domain utama untuk simulasi adalah tungku pembakar siklon yang mempunyai panjang 148

cm dengan diameter outlet 42 cm dan diameter pada pangkal interiornya 22 cm. Kecepatan udara awal

untuk memvalidasi hasil simulasi diukur menggunakan venturi meter dan kecepatan aliran udara

didalam tungku pembakar siklon diukur menggunakan hot wire anemometer. Hasil simulasi tervalidasi

menunjukkan bahwa fenomena turbulensi pada setiap plane bervariasi sehingga TKE memiliki nilai

yang semakin kecil seiring dengan jarak yang ditempuh setelah memasuki ruang bakar. Sementara itu,

kecepatan baru mulai menunjukkan homogenitasnya dan pengurangan kecepatan ketika mendekati

plane 3 yang berjarak 122.42 cm dari pusat inlet. Nilai TKE di sepanjang pembakar siklon dapat

dijadikan acuan untuk memprediksi pada titik mana suhu tertinggi dan terendah akan terjadi jika

eksperimen pembakaran dilakukan. Selain itu, adanya ruang deadzone pada ruang pembakar siklon

juga menyebabkan sebagian aliran fluida mengalir dan terperangkap pada wilayah tersebut.

Kata kunci: pembakar siklon, CFD, TKE, kecepatan alir, turbulensi

Abstract

A cyclone burner is a cylindrical furnace, where the fuel powder is blown along the air-fuel burners

tangentially so that fuel powder is rotated and burned in the cyclone chamber intensively. The level of

homogeneity of the fuel with air (reactants), the residence time of the reactants, the degree of turbulence and turbulence kinetic energy (TKE) greatly affect the efficiency of combustion. To find out

a more detailed picture of the phenomenon of turbulence and the value of TKE on the cyclone burner, the numerical simulation using Computational Fluid Dynamics (CFD) is examined. Variations in the

initial air velocity used in the simulation are 9.35; 8.45; 7.52 m/s. The main domain for simulation is a

cyclone burner furnace which have a length of 148 cm with an outlet diameter of 42 cm and an interi-or base diameter of 22 cm. Initial air velocity to validate the simulation results were measured using a

venturi meter and air flow velocity inside the cyclone furnaces is measured using a hot wire anemometer. The simulation results show that the phenomenon of turbulence validated on each plane

is varied, hence TKE has a value that is smaller along the distance, only after entering the combustion

chamber. While the new speed is starting to show homogeneity and reduced speeds when approaching

plane 3 within 122.42 cm from the center of the inlet. TKE value along the cyclone burners can be

used as a reference for predicting where the highest and lowest temperatures will occur if the

Page 2: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68

58

combustion experiments are performed. In addition, the dead zone space of the cyclone burner chamber also causes some fluid stream flows, which then get caught in the region.

Keywords: cyclone burner, CFD, TKE, flow velocity, turbulence

PENDAHULUAN

Modifikasi sistem pembakaran untuk

mendapatkan nilai efisiensi pembakaran yang

tinggi, api yang stabil dan aman, dan hasil

pembakaran dengan emisi yang seminimal

mungkin masih terus dilakukan. Salah satu

yang telah dilakukan oleh Pusat Penelitian dan

Pengembangan Teknologi Mineral dan

Batubara adalah mengembangkan teknologi

Pembakar Siklon sebagai tungku pembakaran

[1]. Pembakar Siklon berupa tungku berbentuk

silinder[1,2], telah dimanfaatkan untuk

mengganti pembakar minyak di berbagai

fasilitas industri dengan bahan bakar berupa

serbuk batubara ukuran rata-rata -30 mesh.

Bahan bakar yang berbentuk serbuk dan udara

ditiupkan bersama-sama secara tangensial,

sehingga serbuk bahan bakar akan berputar

(swirl) bersama udara pembakar di dalam

tungku[1-4]. Dengan aliran swirl pencampuran

bahan bakar dan udara menjadi lebih homogen

sehingga proses pembakarannya akan

menghasilkan api yang stabil, dapat

meminimalisasi emisi yang dihasilkan, serta

mengurangi pembentukan jelaga yang dapat

menurunkan efisiensi pembakaran[5].

Efisiensi pembakaran sangat

dipengaruhi oleh tingkat pencampuran bahan

bakar dengan udara (reaktan), sedangkan

proses pencampurannya dipengaruhi oleh

waktu tinggal reaktan dan tingkat turbulensi

sehingga reaktan mempunyai waktu yang

cukup untuk terbakar sampai titik tertentu di

mana pembakaran tidak terjadi lagi[6]. Sebagai

contoh, injeksi bahan bakar cair merupakan

salah satu prosedur yang paling umum dalam

sistem pembakaran non-premixed seperti pada

mesin pembakaran internal dan pembakar

turbin gas, aplikasi lain yang penting adalah

pada pembakaran serbuk batubara di

pembangkit listrik tenaga batubara[7].

Penelitian untuk meningkatkan efisiensi

pembakaran, meningkatkan keamanan dalam

pengoperasian, serta mengurangi emisi telah

dan terus dilakukan, mengingat ilmu

pembakaran menggabungkan semua disiplin

ilmu secara kompleks yaitu dinamika fluida,

perpindahan panas dan massa, termodinamika,

kinetika kimia dan fenomena transportasi.

Beberapa hal yang menjadi fokus penelitian

adalah pembakaran aliran turbulen, karena

permasalahannya sangat rumit dan belum

terselesaikan[7,8]. Liyuan Hu (2012),

menggunakan particle image velocimetry,

thermocouple, dan flue gas analizer untuk

mempelajari pengaruh swirl number dan rasio

udara pembakar sekunder terhadap nitrogen

oksida (NO) yang dihasilkan. Hasil studi

menunjukkan bahwa meningkatnya swirl

number akan meningkatkan formasi NO yang

dihasilkan, begitu juga sebaliknya. Sedangkan

rasio udara sekunder memiliki sedikit efek

Page 3: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

59

Simulasi Numerik Fenomena Turbulensi di dalam Pembakar Siklon

terhadap pembentukan NO di pintu keluar

ruang bakar[9]. Jun Xia (2012) melakukan

simulasi numerik dengan CFD untuk

mempelajari pengaruh turbulensi terhadap

pembentukan api. Analisisnya menggunakan

persamaan transportasi energi kinetik

turbulensi (TKE), dimana nilai TKE

memberikan pengaruh yang besar dalam

semua proses pembakaran. Piotr Warzecha

(2014) melakukan simulasi numerik pada

sistem pembakaran batubara pulverized di

dalam tungku pembakar model swirl

menggunakan metode Reynolds averaged

Navieren Stokes equations and large Eddy

simulation untuk aliran turbulen. Hasil studi

menyatakan perbandingan proses pembakaran

dengan udara biasa dan pembakaran full

oksigen (oxy-coal combustion) untuk batubara

bubuk menunjukkan perbedaan yang

signifikan dalam suhu, terutama dekat dengan

pintu keluar burner[10].

Karena seluruh katup pembakar siklon

harus selalu tertutup selama pengujian untuk

menjamin kinerja burner yang maksimal

mengakibatkan pengamatan fenomena

turbulensi dan nilai TKE dalam ruang bakar

tidak dimungkinkan. Oleh karena itu CFD

digunakan untuk menyelesaikan permasalahan

tersebut. Kajian secara numerik dengan CFD

sangat membantu dalam analisa karena jika

hanya menggunakan data-data eksperimental,

maka informasi yang lebih detail susah

didapatkan[11]. Hasil yang diharapkan dari

penelitian ini adalah diketahuinya fenomena

turbulensi dan nilai TKE pada setiap tingkat di

dalam Pembakar Siklon.

METODOLOGI

Perangkat lunak (software) yang

digunakan untuk proses CFD ini adalah

ANSYS Workbench versi 15.0 beserta

4 perangkat lunak di dalamnya, yaitu Design-

Modeller, Meshing, Fluent, dan CFD-Post[12].

Simulasi yang akan dilakukan dalam

penelitian ini adalah simulasi aliran dingin

(cold flow) yang menganalisis parameter

kecepatan, energi kinetik turbulen, dan

intensitas turbulensi.

Untuk melakukan simulasi CFD,

beberapa parameter untuk mengetahui nilai

TKE antara lain[13]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Dimana:

: diameter hidrolik

: luas penampang

: keliling penampang

: bilangan Reynolds

: kecepatan fluida

: viskositas fluida

: intensitas turbulensi (TI)

: energi kinetik turbulen

: laju disipasi turbulen

: konstanta empiris (0.0845)

: panjang turbulensi (0.07)

Page 4: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68

60

Persamaan Dasar untuk CFD

Persamaan Navier-Stokes

Persamaan Navier-Stokes untuk

kontinuitas ditentukan sebagai berikut:

(6)

Persamaan yang menjelaskan konservasi

momentum pada arah masing-masing x, y, dan

z adalah sebagai berikut:

Momentum arah X:

(7)

Momentum arah Y:

(8)

Momentum arah Z:

(9)

Konservasi Energi ditentukan pada persamaan di bawah berikut:

(10)

Persamaan K-Epsilon

Persamaan Transpor untuk k dan ε ditentukan sebagai[12]:

(11)

(12)

Menurut skema dari rangkaian alat uji,

aliran udara dihembuskan dari blower melalui

venturi meter, junction, dan pipa fleksibel.

Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

sehingga kecepatan aliran masuk pembakar

siklon diasumsikan sama dengan kecepatan

aliran saat dihembuskan dari blower. Proses

pencampuran bahan bakar dan udara yang

terjadi sebelum inlet menyebabkan

pembakaran bersifat premix, mengakibatkan

proses turbulensi yang tinggi sehingga terjadi

proses pembakaran sesaat setelah inlet. Bentuk

turbulensi aliran fluida dalam siklon burner

tidak dapat diamati secara langsung karena

sambungan dan bukaan siklon burner harus

selalu ditutup ketika dilakukan pengujian.

Page 5: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

61

Simulasi Numerik Fenomena Turbulensi di dalam Pembakar Siklon

Oleh karena itu, hanya obyek pembakar siklon

yang akan dimodelkan dalam simulasi ini.

Tahapan proses CFD[14,15], dapat

dijelaskan pada Gambar 1.

Gambar 1. Flowchart Urutan Proses Simulasi

CFD

Asumsi yang digunakan untuk simulasi

adalah 3 variabel kecepatan, yaitu 9,35; 8,45;

7,52 m/s, yang diperoleh dari pengukuran

aliran fluida dalam venturi meter yang

dihembuskan dari blower; Udara sebagai

medium fluida dengan massa jenis 1,225 kg/

m3 dan viskositas 0,000017894 kg/(m.s); Jenis

aliran yang terjadi di dalam merupakan aliran

turbulen dan mengikuti model K-Epsilon

RNG; dan memiliki nilai swirl number 0,07,

karena diasumsikan aliran dalam keadaan mild

flow[12].

Pemodelan pembakar siklon mengikuti

pembakar siklon yang ada di laboratorium

Boiler di Pusat Penelitian dan Pengembangan

Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru,

Terbarukan, dan Konservasi Energi. Burner

pada model tersebut berfungsi sebagai domain

utama dalam combustion chamber. Dimensi

pembakar siklon yang dipakai dalam analisa

ini dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Pembakar Siklon Tampak Samping

(cm)

Meshing dan Boundary

Meshing bertujuan untuk memberikan

node dan elemen mesh pada model yang

hendak disimulasikan. Keakuratan dari

penggambaran fenomena fluida oleh simulasi

CFD tergantung dari jumlah node dan mesh

yang dihasilkan dalam proses meshing[12, 14].

Hasil meshing dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Meshing dan Zona Batas

pada Pembakar Siklon

Page 6: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68

62

Proses penentuan kondisi batas pada

bagian permukaan suatu model dilakukan agar

face atau zone yang dipilih dapat

disimulasikan seperti fungsinya pada alat uji

yang nyata. Hal ini termasuk pula penentuan

inlet, outlet, dan dinding model. Proses Mesh

dan Boundary dilakukan dengan menggunakan

perangkat lunak ANSYS® Meshing™[12, 14].

Parameter-parameter dianalisis pada

plane setelah fluida keluar dari saluran inlet ke

arah X positif karena pada arah tersebut

percampuran bahan bakar dengan udara ke

arah outlet terjadi.

Gambar 4. Plane yang akan Dilihat Hasilnya.

Urutan ke arah X: plane 1, plane 2, plane 3,

plane 4 (merah), outlet (biru)

Pemilihan letak plane tersebut

dilakukan untuk menyesuaikan dengan titik

letak alat ukur dengan mengikuti arah X. Dari

situ juga fenomena dan perubahan

karakteristik turbulensi sepanjang ruang bakar

dari plane 1 hingga outlet akan diamati.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari data kecepatan hasil pengukuran

dengan venturimeter, dengan menggunakan

persamaan (1) s.d. (5), maka variabel kondisi

awal untuk simulasi dapat dilihat di Tabel 2

Tabel 1.Parameter Asumsi yang Digunakan

Tabel 2. Variabel Kondisi Awal

Hasil Simulasi dan Fenomena

Data pada Tabel 2 digunakan pada

simulasi numerik CFD sebagai input dari

kondisi batas awal pada inlet pembakar siklon.

Analisis Kecepatan

Dari hasil simulasi, seperti terlihat pada

Gambar 5(a), 5(b), dan 5(c), dapat dinyatakan

bahwa aliran dengan kecepatan terbesar terjadi

pada bagian pangkal ruang pembakar di bagian

pinggir. Selain itu, berlaku juga bahwa

semakin besar kecepatan masuk aliran

udaranya, maka semakin cepat pula kecepatan

aliran udara di dalam ruang bakar.

Parameter Nilai/Keterangan

Gaya Gravitasi -9.81 m/s2 arah Y

Kecepatan 9.35, 8.45, 7.52 (m/s)

Jenis Fluida Udara

Viskositas (µ) 0.000017894 Pa.s

Massa jenis (ρ) 1.225 kg/m3

Kondisi tekanan 4 in (0.1016 m)

Model Turbulensi k-ε RNG, karena dapat

mensimulasikan putaran

aliran udara[14, 16]

Page 7: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

63

Simulasi Numerik Fenomena Turbulensi di dalam Pembakar Siklon

Gambar 5(a). Kontur Kecepatan Aliran dalam

Ruang Bakar pada kondisi 1.

Gambar 5(b). Kontur Kecepatan Aliran dalam

Ruang Bakar pada kondisi 2.

Aliran kecepatan mengalami penurunan

sampai menjelang titik pengukuran ke-3.

Kecepatan fluida pada bagian tengah ruang

bakar meningkat lagi karena ada penyempitan

luas penampang ruang sepanjang aliran fluida

mengalir, sebelum akhirnya mengalami

penurunan lagi ketika aliran udara keluar dari

ruang bakar.

Gambar 5(c). Kontur Kecepatan Aliran dalam

Ruang Bakar pada Kondisi 3.

Analisis Energi Kinetik Turbulensi

Berdasarkan kontur hasil simulasi pada

Gambar 6(a), 6(b), dan 6(c), aliran udara

memiliki nilai energi kinetik tertinggi sesaat

setelah keluar dari inlet. Setelah itu, nilai

energi kinetik turbulen cenderung menurun

dengan signifikan sampai di daerah

pengukuran ke-dua. Selanjutnya, menurun

secara perlahan pada saat mendekati outlet,

yaitu pada daerah titik pengukuran ketiga,

sebelum akhirnya kembali menurun secara

signifikan pada mulut outlet. Sehingga,

terdapat kemungkinan bahwa jika pengujian

pembakaran dilakukan untuk memperoleh data

temperatur, dengan flowrate bahan bakar yang

masuk ke dalam ruang bakar dijaga konstan,

maka suhu tertinggi akan diperoleh pada titik

pengukuran pertama dan akan menurun

mengikuti tren karakteristik energi kinetik

dalam ruang bakar tersebut. Hal ini sesuai

dengan hasil yang dilaporkan dari hasil

penelitian eksperimen, bahwa suhu

pembakaran tertinggi terletak di awal dan

akan menurun sepanjang ruang pembakar

siklon[17].

Gambar 6(a).Kontur Energi Kinetik Turbulen

dalam Ruang Bakar padaKondisi 1.

Page 8: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68

64

Gambar 6(b).Kontur Energi Kinetik Turbulen

dalam Ruang Bakar padaKondisi 2.

Gambar 6(c).Kontur Energi Kinetik Turbulen

dalam Ruang Bakar padaKondisi 3.

Pada posisi Y yang sejajar dengan

dinding dan memiliki letak yang sejajar

dengan plane 4, karakteristik nilai TKE yang

lebih tinggi terdapat pada wilayah antara plane

2 dan 3, pertumbukan antar partikel fluida

akan lebih nyata terlihat pada daerah tersebut

dan akan bertumbukan dengan dinding plane

4. Sehingga, sebagian partikel fluida akan ada

yang terbawa masuk ke leher outlet dan

sebagian terperangkap dalam ruang bakar.

Pada Gambar 7 diperlihatkan grafik

energi kinetik turbulen untuk setiap plane.

Pada plane 1 terdapat kecenderungan untuk

membentuk lembah, yang artinya fenomena

turbulensi yang tinggi terjadi ada pada bagian

pinggir beberapa saat setelah aliran keluar dari

saluran inlet. Sehingga jika bahan bakar

dialirkan bersama udara ke dalam ruang bakar,

kemudian memasuki area inlet, maka proses

tumbukan antara udara dengan partikel bahan

bakar akan langsung terjadi sehingga memicu

pembakaran dalam kondisi suhu tinggi.

Gambar 7. Grafik Energi Kinetik Turbulen

setiap Plane

Nilai TKE pada plane 2 mulai

menunjukkan homogenitas, yang apabila

dikaitkan dengan suhu pembakaran yang

dihasilkan, maka percampuran bahan bakar

dengan udara dan persebaran suhu pada plane

tersebut akan lebih merata. Hal ini diakibatkan

terjadinya kenaikan nilai TKE pada bagian

tengah burner meskipun terjadi penurunan

suhu seiring dengan menurunnya nilai TKE di

bagian pinggir secara drastis. Pada plane 3,

bentuk grafik TKE cenderung bergelombang

menunjukkan ketidakhomogenan energi pada

titik tersebut karena titik tersebut mulai

mendekati outlet dan deadzone (ruang kosong

pada jarak setelah plane 4 tanpa outlet) pada

ruang bakar sehingga ada kemungkinan suhu

pembakaran yang diperoleh akan bervariasi.

Karena titik outlet merupakan batas

Page 9: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

65

Simulasi Numerik Fenomena Turbulensi di dalam Pembakar Siklon

antara ruang dengan ruang yang dimensinya

lebih besar atau alam bebas, nilai TKE akan

mengalami penurunan dan memiliki nilai

paling kecil di antara titik lainnya sehingga

ada kemungkinan bahwa data suhu diperoleh

akan memiliki nilai paling kecil.

Analisis Intensitas Turbulensi

Persamaan intensitas turbulensi

merupakan turunan dari persamaan energi

kinetik turbulen, sehingga kontur karakteristik

intensitas turbulensi pada Gambar 7(a), 7(b),

dan 7(c) yang dihasilkan identik dengan kontur

karakteristik energi kinetik turbulen. Kontur

intensitas turbulensi juga dapat digunakan

untuk mengamati penggambaran tumbukan

yang terjadi dalam pembakar siklon sesuai

besaran persentasenya[18].

Gambar 8(a).Kontur Intensitas Turbulensi

dalam Ruang Bakar pada Kondisi 1

Gambar 8(b).Kontur Intensitas Turbulensi

dalam Ruang Bakar pada kondisi 2.

Gambar 8(c).Kontur Intensitas Turbulensi

dalam Ruang Bakar pada Kondisi 3.

Validasi

Parameter validasi yang digunakan pada

alat uji Pembakar Siklon adalah kecepatan

coldflow tanpa campuran bahan bakar, karena

validasi tersebut yang paling memungkinkan

untuk dilakukan saat eksperimen. Berikut ini,

seperti dapat dilihat pada Gambar 9(a), 9(b),

dan 9(c), adalah perbandingan nilai kecepatan

udara antara eksperimen dengan simulasi un-

tuk titik pengukuran di plane 4:

Gambar 9(a).Perbandingan antara Grafik

Kecepatan Hasil Simulasi (Merah) dengan

Hasil Eksperimen (Biru) pada Kondisi 1.

Gambar 9 (b).Perbandingan antara Grafik

Kecepatan Hasil Simulasi (Merah) dengan

Hasil Eksperimen (Biru) pada Kondisi 2.

Page 10: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan

Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : 57 - 68

66

Gambar 9 (c).Perbandingan antara Grafik

Kecepatan Hasil Simulasi (Merah) dengan

Hasil Eksperimen (Biru) pada Kondisi 3.

Dari perbandingan di atas, selisih antara

titik pengukuran kecepatan dengan eksperimen

dan grafik hasil simulasi tidak terlalu jauh dan

letaknya saling menempel menimpa satu sama

lain.

KESIMPULAN DAN SARAN

Karakteristik fenomena turbulensi pada

setiap plane yang bervariasi menunjukkan

bahwa nilai TKE keseluruhan memiliki nilai

yang semakin kecil seiring dengan jarak yang

ditempuh dari inlet. Dengan nilai TKE atau TI

yang tinggi pada daerah awal (tidak jauh dari

saluran inlet), maka proses pertumbukan

partikel fluida terbesar dalam aliran terjadi

pada saat masuk ke dalam ruang bakar itu

juga. Hasil simulasi menunjukkan bahwa

fenomena turbulensi pada setiap plane

bervariasi sehingga TKE memiliki nilai yang

semakin kecil seiring dengan jarak yang

ditempuh setelah memasuki ruang bakar,

sementara kecepatan baru mulai menunjukkan

homogenitasnya dan pengurangan kecepatan

pada plane 3 yang berjarak 122,42 cm dari

pusat inlet. Persebaran nilai TKE yang merata

terdapat pada daerah antara titik pengukuran 2

dan 3, sehingga terjadi pertumbukan antar

partikel yang lebih merata pula, walau proses

pertumbukannya mengecil akibat

berkurangnya nilai TKE secara keseluruhan.

Nilai TKE di sepanjang pembakar siklon dapat

dijadikan acuan untuk memprediksi pada titik

mana suhu tertinggi dan terendah akan terjadi

jika eksperimen pembakaran dilakukan.

Adanya ruang deadzone dalam ruang

bakar yang terletak pada posisi X setelah plane

4 akan menyebabkan sebagian partikel udara

mengalir, bertumbukan, dan terperangkap

dalam ruang tersebut karena tidak ada outlet

yang dapat menghantarkannya keluar dari

ruang bakar.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terima kasih

kepada Kepala Puslitbang KEBTKE. Ucapan

terima kasih juga disampaikan kepada

Andriyanto, Adjar Hadiyono, Widhiatmaka,

dan Ahmad Farhan yang telah membantu

melakukan pengambilan data untuk kajian ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Sumaryono, "Development of Cyclone

Coal Burner for Fuel Oil Burner

Substitution in Industries," Indonesian

Mining Journal, vol. 12 no.13,

pp. 28-23, February 2009.

[2] Sumaryono, S. Munir, Y. Sofaeti, N.

Hanafiah, T. Koswara, E. Somadi, et al.,

"Modifikasi Boiler Industri Berbahan

Bakar Minyak Menjadi Berbahan Bakar

Batubara Menggunakan Pembakaran

Siklon," Jurnal Teknologi Mineral Dan

Page 11: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

67

Simulasi Numerik Fenomena Turbulensi di dalam Pembakar Siklon

Batubara, vol. 37, pp. 37-45, 2006.

[3] M. D. Surindra, "Unjuk Kerja Burner

Serbuk Batubara Dengan Laju Aliran

Masa Udara 0,85 M3/S Dengan Variasi

Laju Aliran Masa Bahan Bakar," Eksergi

Jurnal Teknik Energi, vol. 8 pp. 73-77,

September 2012.

[4] T. B. W. Company, Steam/its generation

and use, 42 ed. Charlotte, North

Carolina, U.S.A., 2015.

[5] T. A. Rohmat, R. Sahrudin, and

H. Saptoadi, "Pengaruh Swirl Vanes

Pada Aliran Udara Sekunder Terhadap

Api Difusi Yang Terbentuk Di Aliran

Sembur Double Concentric," in Seminar

Nasional Tahunan Teknik Mesin

(SNTTM), Palembang, 2010,

pp. 241-247.

[6] O. Musa, Z. Changsheng, C. Xiong, and

G. Lunkun, "Prediction of swirling cold

flow in a solid-fuel ramjet engine with a

modified rotation/curvature correction

SST turbulence model," Applied

Thermal Engineering, 2016.

[7] J. Xia, H. Zhao, A. Megaritis, K. H. Luo,

A. Cairns, and L. C. Ganippa,

"Inert-droplet and combustion effects on

turbulence in a diluted diffusion flame,"

Combustion and Flame, vol. 160, pp.

366-383, 2013.

[8] S. Candel, D. Durox, T. Schuller, N.

Darabiha, L. Hakim, and T. Schmitt,

"Advances in combustion and propulsion

applications," European Journal of

Mechanics - B/Fluids, vol. 40,

pp. 87-106, 2013.

[9] L. Hu, L. Zhou, Y. Luo, and C. Xu,

"Measurement and simulation of

swirling coal combustion," Particuology,

vol. 11, pp. 189-197, 2013.

[10] P. Warzecha and A. Boguslawski, "LES

and RANS modeling of pulverized coal

combustion in swirl burner for air and

oxy-combustion technologies," Energy,

vol. 66, pp. 732-743, 2014.

[11] R. Kurose, M. Ikeda, and H. Makino,

"Combustion Characteristics of High

Ash Coal in a Pulverized Coal

Combustion," Fuel, vol. 80, p. 55, 2001.

[12] "ANSYS Fluent Tutorial Guide."

[13] Daniel Flórez Orregoa, Walter Ariasa,

Diego Lópeza, and H. Velásqueza,

"Experimental and CFD study of a single

phase cone-shaped helical coiled heat

exchanger: an empirical correlation," in

Proceedings Of Ecos 2012 – The 25th

International Conference On Efficiency,

Cost, Optimization, Simulation And

Environmental Impact Of Energy

Systems, Perugia, Italia, 2012, pp. 1-75.

[14] J. Tu, G. Yeoh, and C. Liu,

Computational Fluid Dynamics:

A Practical Approach. Burlington, MA,

USA: Butterworth-Heinemann, 2013.

Page 12: SIMULASI NUMERIK FENOMENA TURBULENSI DI DALAM … · aliran udara dihembuskan dari blower melalui venturi meter, junction, dan pipa fleksibel. Losses (kerugian) kecepatan diabaikan,

68

HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN