studi numerik peningkatan cooling performance pada lube...

Studi Numerik Peningkatan Cooling Performance pada Lube Oil Cooler Gas Turbine Disusun Secara Seri dan Paralel dengan Variasi Kapasitas Aliran Lube Oil (Studi Kasus PT. EMP Unit Bisnis Malacca Strait)

Oleh :

Annis Khoiri Wibowo

2110 100 067

Dosen Pembimbing

Bambang Arip Dwiyantoro, ST. M.Sc. Ph.D.

Supply energi listrik EMP Malacca Straits listrik didapat dengan pembangkitan menggunakan gas turbin

Kegagalan proses pendingin pada lube oil cooler

Simulasi CFD (Computional Fluid Dynamic) pada lube oil cooler untuk mengetahui karakteristik

perpindahan panas dan uniformity flow rate pada susunan 3 cooler yang dipasang seri dan paralel

Menurunkan temperatur Lube Oil sebelum masuk gas turbine dan pemilihan susunan lube oil cooler

Gas Turbine sering mengalami indikasi alarm dan shut down

• Bagaimana pengaruh pemasangan susunan seri & paralel pada cooler terhadap efektifitas perpindahan panas ?

• Bagaimana pengaruh variasi kapasitas lube oil terhadap temperatur keluaran cooler dan pressure drop yang terjadi pada susunan cooler seri dan paralel ?

• Bagaimana pengaruh susunan lube oil cooler seri-paralel dan kapasitas lube oil terhadap uniformity flow rate dan efektifitas perpindahan panas

Rumusan masalah

• Menentukan instalasi mana yang tebaik, seri atau paralel pada lube oil cooler

• Mengetahui pengaruh variasi kapasitas lube oil terhadap temperatur keluar cooler dan pressure drop pada pemasangan masing-masing instalasi lube oil cooler.

• Mengetahui pengaruh susunan lube oil cooler seri-paralel dan kapasitas lube oil terhadap uniformity flowrate setiap tube dan efektifitas perpindahan panas

• Karakteristik perpindahan panas dan distribusi temperatur

Tujuan

Batasan Masalah

1. Fluida kerja yang mengalir dicelah antar fin berupa udara yang dimodelkan gas ideal sedangkan fluida yang mengalir didalam tube dan header berupa lube oil yang memiliki properties konstan.

2. Pemodelan 3 dimensi pada simulasi eksternal flow untuk mengetahui besarnya koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube , kemudian nilai tersebut dijadikan kondisi batas atau nilai input untuk convection wall pada tube pada simulasi internal flow.

3. Aliran udara melalui tube dengan straight fin. 4. Profil kecepatan pada sisi inlet fluida panas (lube oil) dan fluida dingin

(udara) uniform. 5. Kondisi operasi lube oil dalam tube diasumsikan steady state dan

incompressible flow.

Batasan Masalah

6. Temperatur surface wall pada tube dan fin pada masing-masing cooler dianggap uniform pada setiap variasi flow rate lube oil. Dengan pengambilan data berupa rata-rata temperatur masing-masing tube dan masing-masing cooler

7. Perpindahan panas antara fluida dingin, tube dan fluida panas terjadi secara konveksi dan konduksi dengan mengabaikan perpindahan panas secara radiasi.

8. Pemodelan menggunakan simulasi computitational fluid dynamic (CFD) dengan software fluent 6.3.26 dan gambit 2.4.6 dengan pemilihan model pressure based solution dan turbulent model k-ε RNG untuk simulasi internal flow dan k-ε Standard untuk simulasi eksternal flow

Dasar Teori Lube Oil Cooler

Proses Pelumasan, Pendinginan

dan media pembersih

Komponen Gas Turbine

•Generator bearing

•Thrust bearing

•Gearbox

•Compressor dan Turbine

bearing

•Accecories gear

Bentuk dan

desain

Heat exchanger untuk menukarkan

panas yang dibawa oleh lube oil

dari komponen gas turbine ke udara

sekitar

Compact heat Exchanger

Penelitian Terdahulu

“The design of uniform tube flow rates for Z-type compact parallel flow heat exchangers” Cheng-Hung Huang , dkk (2013)

Pada kondisi existing nilai L=90, t= 3.5 sedangkan pada modifikasi nilai L=120, t=18.5 dengan diameter tube sama

Existing Modifikasi

L = Panjang header t = Jarak inlet header dengan tube pertama

Existing

Modifikasi

Metodologi Penelitian

• Referensi jurnal dan text book

• SOP Lube Oil Cooler dan pengambilan data lapangan Studi literature

• Untuk memperoleh nilai koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube

Simulasi Eksternal Flow

• Variasi Kapasitas Lube Oil

• Variasi Susunan Cooler Seri dan Paralel Simulasi Internal

Flow

• Distribusi dan kontur temperatur , tekanan, kecepatan. Serta mass flow rate pada masing-masing tube

• Perbandingan temperatur keluar cooler, ∆P, dan uniformity flow rate lube oil masing-masing tube

Analisa dan Pembahasan

• Pemilihan susunan cooler seri dan paralel

• Temperatur Lube Oil keluar cooler dan pressure drop pada masing-masing variasi

Kesimpulan dan Rekomendasi

Simulasi Eksternal Flow CFD (Comptational Fluid Dynamics)

Pre-Processing

1. Gambit

• Membuat Domain dan geometri Susunan tube 3D

• Meshing • Membuat

kondisi batas

Processing

2. Fluent

• Menentukan jenis kondisi batas

• Pengaturan solver models k-ε standard dan materials

• Penentuan control and monitoring solutions

• Variasi Temperatur wall tube

• Proses Iterasi

Post- Processing

Pengambilan data koefisien heat transfer

pada masing-masing baris tube

Convergen

Ya

Tidak

Simulasi Eksternal Flow Pemodelan Susunan Tube 3D

Geometri dan kondisi batas

Hasil meshing 3D

ST = 7,62 cm SL = 5,08 cm Lube Oil Cooler TT 318 =3 baris, 18 kolom

Kecepatan udara 340 m3/min atau 20 m/s

Simulasi Internal Flow CFD (Comptational Fluid Dynamics)

Pre-Processing

1. Gambit

• Membuat Domain dan geometri Susunan Cooler Seri dan Paralel 3D

• Meshing • Membuat kondisi

batas

Processing

2. Fluent

• Menentukan jenis kondisi batas

• Pengaturan solver models k-ε RNG dan materials

• Penentuan control and monitoring solutions

• Variasi kapasitas Lube Oil 30gpm, 50gpm, dan 74gpm

• Proses Iterasi

Post- Processing

Pengambilan data : • Distribusi dan

kontur temperatur, tekanan, dan kecepatan

• Mass flow rate pada masing-masing tube

Convergen

Ya

Tidak

Simulasi Internal Flow

E-3

E-4E-5

E-6

P-2

P-3

Cooler 3 Cooler 1Cooler 2

Rangkaian cooler seri

P-4

P-5

I-2

I-3

Pump

E-3

E-4E-5

E-6

Cooler 3 Cooler 1Cooler 2

Rangkaian cooler paralel

P-4

P-5

I-2

P-7P-5 P-8P-5

P-9

P-4 P-10P-4

I-4 Pump

Variasi Flowrate 30 gpm, 50 gpm, 74 gpm

Pemodelan Susunan Cooler Seri dan Paralel 3D

Variabel Penelitian

Kondisi Batas Eksternal Flow (3 Dimensi)

Susunan

cooler

Flow rate lube oil

Variabel terkontrol Variabel

bebas

Velocity inlet

Temperature inlet

outlet symmetry

Temperatureavg wall

(tube and fin)

seri

30 gpm

20 m/s 27 ° C outflo

w symmetry 45,8°C

50 gpm


w symmetry 50°C

74 gpm


w symmetry 56,4°C

paralel

30 gpm


w symmetry 56,8 °C

50 gpm


w symmetry 61,4°C

74 gpm


w symmetry 66,7°C

Kondisi Batas Internal Flow (3 Dimensi)

Variabel Bebas Variabel terkontrol

Susunan cooler

Flow rate lube oil

Inlet Wall pada susunan tube Outlet

Mass flow inlet

Temperatur inlet

Koef.heat

transfer

Temp. Ambie

nt

Tebal Tube

Pressure

Outlet

seri 30 gpm 1,5833 kg/s 84,4 ° C Hasil

Simulasi

Eksternal

Flow

27 ° C 0,5 mm 88 psi 50 gpm 2,773 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi 74 gpm 4,104 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi

paralel 30 gpm 1,5833 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi 50 gpm 2,773 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi 74 gpm 4,104 kg/s 84,4 ° C 27 ° C 0,5 mm 88 psi

Hasil dan Pembahasan

Post-processing Simulasi Eksternal Flow Rata-rata koefisien heat transfer pada masing-masing baris tube

Kecepatan Udara

Kapasitas Lube oil

Susunan Tube

Koefisien Heat Transfer

(W/m2.K)

Susunan Seri Susunan Paralel

20 m/s

30 gpm

Baris Atas 111,44 129,77

Baris Tengah 122,56 142,71

Baris Bawah 113,70 132,40

50 gpm

Baris Atas 119,38 134,86



74 gpm

Baris Atas 129,28 139,60



seri

Paralel • Semakin besar kapasitas lube oil maka rata-rata koefisien heat transfer akan semakin besar

• Rata-rata koefisien heat transfer pada susunan cooler paralel lebih tinggi dari pada susunan cooler seri

Post-processing / Pengambilan Data pada Simulasi internal Flow

• Kontur Temperatur

• Kontur Kecepatan

Pengamatan dilakukan pada setiap baris susunan tube dan pada masing-masing tube

• Kontur Tekanan

• Mass flow report pada setiap tube

Validasi Hasil Simulasi dengan Kondisi Existing

Temperatur (°C)

Validasi

Parameter

Susunan cooler seri pada Flow rate 50 gpm

Press. Inlet

Temp. Inlet

Press. Outlet

Temp. Outlet

Mass Flow outlet

Data Aktual

610255,5 Pa

84,4 °C 606739

Pa 68,3 °C 2,773 kg/s

Hasil Simulasi

609713,5 Pa

84,4 °C 606739

Pa 68,754°C 2,7732 kg/s

Error 0,09% - - 0,66% 0,04%

Tekanan (Pa)

Kecepatan (m/s)

A. Iso-surface baris tengah pada susunan cooler seri dengan kapasitas 50 gpm

Susunan Cooler Seri

A. Iso-surface baris tengah pada susunan cooler seri dengan kapasitas 50 gpm

pathline (cm/s)

Kontur Tekanan (Pa)

Kontur Temperatur (°C)

Susunan Cooler Seri

Kontur kecepatan (cm/s)

B. Analisa Distribusi Flow Ratio

(m/s)

Kontur kecepatan

B.1. Distribusi flow ratio pada kondisi existing (susunan cooler seri kapasitas 50 gpm)

Ф=0,42 Ф=0,45 Ф=0,46

Ф=0,412

Ф=0,412

Ф=0,413

B.2 Distribusi Flow Ratio pada Variasi Kapasitas Lube Oil

Kapasitas Lube Oil

Standard Deviasi Flow Ratio

Cooler 1 Cooler 2 Cooler 3 Total

30 Gpm 0,298 0,33089 0,33505 0,31561

50 Gpm 0,42604 0,45915 0,46479 0,44174

74 Gpm 0,51817 0,54328 0,55248 0,52793

m/s

Kontur Kecepatan


C. Analisa Tekanan dengan Variasi Kapasitas Lube Oil

Pa

Kontur Tekanan

D. Analisa Temperatur dengan variasi kapasitas Lube Oil

3,38°C

5,9°C

Kontur Temperatur

A. Iso-surface baris tengah pada kapasitas 50 gpm.

Susunan Cooler Paralel

A. Iso-surface baris tengah pada kapasitas 50 gpm.

Susunan Cooler Paralel

Pathline (m/s)

Kontur Tekanan (Pa)

Kontur Temperatur (°C)

Kontur kecepatan (m/s)

Distribusi Flow Ratio pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 50 gpm


m/s

Kontur Kecepatan

m/s

Kontur Kecepatan

Distribusi Flow Ratio pada susunan cooler paralel dengan kapasitas 50 gpm


m/s

Kapasitas Lube Oil


Cooler 1 Cooler 2 Cooler 3 Total

30 Gpm 0,09833 0,0233 0,77924 0,56609

50 Gpm 0,07303 0,01991 1,10504 0,7492

74 Gpm 0,05545 0,01908 1,34807 0,88401

Distribusi Flow Ratio pada Variasi Kapasitas Lube Oil


Kontur Kecepatan

C. Analisa Tekanan dengan Variasi Kapasitas Lube Oil

Pa

Kontur Tekanan

D. Analisa Temperatur dengan variasi kapasitas Lube Oil

3,2°C

6,1°C

84,4°C

Kontur Temperatur

Perbandingan Susunan Seri dan Paralel

Susunan Cooler


30 gpm 50 gpm 74 gpm

Seri 0,31561 0,44174 0,52793

Paralel 0,56609 0,7492 0,88401

A. Analisa Distribusi Flow Ratio (uniformity)

Susunan cooler dipasang seri lebih uniform dari pada susunan cooler paralel

Analisa Pressure Drop Analisa Temperatur Outlet

B. Analisa Temperatur Keluar Cooler Dan Pressure Drop

5 % 5,3

% 5,6 %

Allowable Pressure Drop

Kesimpulan

1. Susunan cooler dipasang seri memiliki efektifitas pendinginan yang lebih baik

dari pada susunan cooler paralel. Pada kapasitas 50 gpm , temperatur outlet

cooler sebesar 68,75°C untuk susunan seri dan 72,57°C untuk susunan paralel

2. Semakin besar kapasitas lube oil maka temperatur lube oil keluar cooler akan

semakin tinggi. Pada susunan cooler seri untuk kapasitas 30 gpm, 50 gpm dan

74 gpm temperatur outlet cooler sebesar 62,8°C, 68,75°C dan 72,1°C

3. Agar gas turbine tidak mengalami kegagalan karena shut down akibat high

temperature pada lube oil maka dioperasikan pada kapasitas 30 gpm dengan

temperatur outlet lube oil sebesar 62,8°C untuk susunan cooler seri dan 66,

5°C untuk susunan paralel

Kesimpulan

4. Susunan Cooler Seri menghasilkan pressure drop yang lebih besar daripada

susunan paralel. Pada kapasitas 50 gpm untuk susunan cooler seri sebesar

2974,5 Pa sedangkan paralel sebesar1230,2 Pa.

5. Semakin rendah kapasitas lube oil maka uniformity flow rate akan semakin baik.

Pada kapasitas 74 gpm, 50 gpm dan 30 gpm memiliki standard deviasi flow ratio

sebesar 0,55, 0,46, 0,33

6. Susunan cooler dipasang seri menghasilkan uniformity flow rate yang lebih baik

daripada susunan paralel. Sehingga menghasilkan efektifitas pendinginanyang

lebihg baik. Pada kapasitas 50 gpm untuk susunan seri dan paralel memiliki

standard deviasi flow ratio sebesar 0,46 dan 0,75

Saran

Saran yang dapat diberikan setelah dilakukan penelitian ini diantaranya : 1. Diperlukan adanya record data temperatur dan tekanan pada setiap

variasi kapasitas lube oil. Selain itu diperlukan data bahan dari material tube pada lube oil cooler.

2. Proses simulasi eksternal flow dilakukan dengan wavy fin dan memperhitungkan perpindahan panas melalui fin.

3. Dilakukan penelitian lebih lanjut dengan dilakukan modifikasi pada header cooler secara 3D

SEKIAN DAN TERIMAKASIH MOHON MASUKAN DAN KRITIKAN

studi numerik peningkatan cooling performance pada lube...

Documents