Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Perancangan Perangkat ...eprints.ulm.ac.id/638/1/KE-62.pdf · proses kondensasi memberikan perbedaan entalpi yang semakin besar pada ... bejana silinder

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-62

Perancangan Perangkat Eksperimen Kondensasi Kontak Langsungdengan Keberadaan Non Condensable Gas

Vivi Apriyanti,2, a *, Ari D. Pasek1b, Abdurrachim1c, Willy Adriansyah1d,Ridwan Abdurrahman1e

1Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung2Program Studi Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknologi Nasional Jambi

[email protected], [email protected], c,[email protected] ,[email protected], [email protected]

AbstrakPada suatu pembangkit listrik tenaga panas bumi (PLTP), kondensor merupakan alat penukar kaloryang berfungsi untuk mengkondensasikan uap sisa yang keluar dari turbin. Kondensat yangdihasilkan didinginkan lebih lanjut melewati menara pendingin sebelum disirkulasikan kembali kedalam kondensor sebagai fluida pendingin. Penurunan tekanan vakum di dalam kondensor saatproses kondensasi memberikan perbedaan entalpi yang semakin besar pada turbin. Diperkirakan,penurunan 0,01 Bar tekanan kondensor akan mampu menghasilkan 1,5-1,6% energi listrik darikapasitas pembangkit. Begitu juga sebaliknya, jika terjadi kenaikan tekanan kondensor maka energilistrik yang dihasilkan akan semakin berkurang. Energi listrik yang hilang dapat setara dengan suatuPLTP berkapasitas 2 MW. Kandungan gas tak terkondensasi (noncondensable gas–NCG) dantemperatur air pendingin menjadi variabel yang berpengaruh terhadap kinerja kondensor. Keduavariabel ini sangat bervariasi dan sulit untuk dikontrol karena sangat dipengaruhi olehlingkungannya. Konsentrasi NCG bergantung pada kondisi sumur pembangkit, sedangkantemperatur air pendingin ditentukan oleh temperatur udara di sekitar pembangkit dan performamenara pendingin. Untuk mengetahui pengaruh kedua variabel ini terhadap proses kondensasi dantekanan kondensor, maka perlu dilakukan studi eksperimental. Eksperimen dilakukan denganmengadopsi jenis kondensor yang digunakan di sebagian besar PLTP di Indonesia yaitu kondensorkontak langsung tipe spray. Artikel ini difokuskan pada perancangan perangkat pengujiankondensasi kontak langsung berkaitan pengaruh NCG terhadap perpindahan panas kondensasi.Rancangan peralatan eksperimen dan kondisi pengujian ditampilkan. Kondensor dirancang berupabejana silinder dan berisikan beberapa sprayer. Campuran uap dan NCG dialirkan dari bagian ataskondensor dan air pendingin disemprotkan melalui sprayer dengan aliran perpindahan panascrossflow.

Kata kunci : kondensasi, spray, NCG, PLTP

Pendahuluan

Kondensor adalah alat penukar kalor yangberfungsi untuk mengondensasikan uap.Kondensasi adalah perubahan uap menjadifasa cair yang terjadi ketika uap bersentuhanmelalui permukaan kontak yang memilikitemperatur lebih rendah dari temperatur jenuhuap. Energi laten dilepas dan panasdipindahkan sehingga terjadi perubahan fasapada uap [1]. Kondensor merupakan

komponen perpindahan panas yang berperanpenting untuk meningkatkan efisiensipembangkit dalam sistem pembangkit tenagauap. Fungsi utama kondensor adalahmengkondensasikan uap sisa dari turbinsebelum dikembalikan lagi ke sikluspembangkit serta dapat menurunkan tekanankeluaran turbin sehingga menghasilkanperbedaan entalpi dan menaikan kinerjaturbin. Tekanan kondensor yang rendah dibawah tekanan atmosfir menjadikan tekanan


KE-62

vakum pada keluaran turbin, perbedaantekanan yang besar akan menghasilkankinerja turbin yang lebih tinggi sehingga akanmenambah output energi listrik padagenerator dan meningkatkan efisiensipembangkit seperti terlihat pada gambar 1.Berdasarkan perhitungan secaratermodinamika, penurunan 0,01 Bar tekanankondensor akan mampu menghasilkan sekitar1,5-1,6% energi listrik dari kapasitas produksisuatu pembangkit panas bumi dan begitu jugasebaliknya. Untuk pembangkit dengankapasitas produksi 110 MW, kenaikantekanan kondensor 0,01 Bar setara dengankehilangan 2 MW energi listrik yang jugasebanding dengan sebuah pembangkitberkapasitas kecil.

Gambar 1. Kondensor menaikan kinerjaturbin [2]

Secara umum kondensor dibedakan atasdua tipe yaitu kontak langsung (direct-contact/open) dan permukaan (surface/shelland tube heat exchanger). Pada kondensorkontak langsung, uap dikondensasikan dengancara mencampurkannya secara langsungdengan air pendingin, sedangkan padakondensor permukaan, air pendingin dialirkanmelewati pipa-pipa dengan uap berada dibagian luar pipa [3]. Kondensor kontaklangsung merupakan alat penukar kalorberupa bejana tekan yang berisikan media

kontak dengan tujuan untuk mengubah uapmenjadi air dengan cara mencampurkan uapdengan air pendingin secara langsung. Mediakontak seperti spray, baffle, dan packingberfungsi untuk meningkatkan kualitas kontakantara gas dan cairan [4]. Kondensor kontaklangsung telah lama digunakan pada berbagaiaplikasi di antaranya pada pemanasan air,proses penyulingan minyak, pembangkitlistrik tenaga panas bumi, desalinasi air, danpemanfaatan energi matahari. Kondensorkontak langsung memiliki beberapakeunggulan dibandingkan dengan kondensorpermukaan yaitu: 1) tidak ada korosi ataufouling, 2) tidak ada tahanan termal padadinding, 3) konstruksi yang sederhana, 4) lajuperpindahan panas yang tinggi 5) pressuredrop uap yang rendah, 6) memungkinkanberoperasi dengan perbedaan temperatur yangrendah, 7) biaya yang rendah, 8) efisien dalammengekstraksi NCG 9) ukuran lebih kecil 10)membutuhkan lebih sedikit air pendinginhingga 60% dibandingkan surface condensersehingga kondensor kontak langsung menjadipilihan yang lebih baik pada PLTP [5,6,7].Namun dalam kenyataannya, tekanankondensor PLTP jauh lebih tinggi jikadibandingkan dengan tekanan operasi PLTUyang umumnya menggunakan kondensorjenis shell and tube. Gambar 2memperlihatkan perbedaan tekanankondensor di beberapa PLTU dan PLTP diIndonesia. Kondensor yang digunakan padasebagian besar PLTP di Indonesia adalahkondensor kontak langsung jenis spray. Padakondensor jenis ini air pendingindisemprotkan ke dalam kondensor melaluinosel-nosel sehingga berbentuk butiran-butiran. Selanjutnya butiran-butiran tersebutakan bersentuhan dengan butiran-butiran uapsisa turbin sehingga terjadi kondensasi yangditandai dengan pertumbuhan ukuran butiranair pendingin.

22s

3

T

1

100 oC

41,5oC

s

1 atm 3s

Pkon 0,08 bar

1,013bar


KE-62

Gambar 2. Grafik perbandingan tekananoperasi beberapa PLTU dan PLTP diIndonesia

Analisis kinerja kondensor PLTP patutdilakukan dengan melihat besarnya potensipanas bumi yang dimiliki Indonesia yaitu28.994 megawatt energi listrik (MW) atausekitar 40% potensi sumber panas bumidunia. Krisis listrik yang dialami Indonesiabeberapa tahun terakhir memaksa pemerintahuntuk memanfaatkan potensi energiterbarukan ini. Pemerintah telahmencanangkan The Crash Program 10.000MW Second Phase yang diimpementasikanantara tahun 2009–2018. Pada programtersebut mengembangkan 60% energi listrikyang bersumber dari energi terbarukan,sekurang-kurangnya 48% bersumber daripanas bumi atau sekitar 4.925 MW.Selanjutnya, pemerintah juga merencanakanpengembangan 12.000 MW PLTP hinggatahun 2025 [8]. Pada pertengahan tahun 2014Indonesia telah mengoperasikan 31 unit PLTPdengan kapasitas total 1.376 MW.

Beberapa peneliti telah menyelidikikeberadaan gas tidak terkondensasi(noncondensable gases, NCG) di dalamkondensor yang menyebabkan terjadinyapenurunan kerja turbin dan kinerja PLTP.NCG terdiri dari karbon dioksida (CO2),hidrogen sulfida (H2S), amoniak (NH3),metana (CH4), nitrogen (N2) dan etana (C2H6)dengan karbon dioksida sebagai konstituen

terbesar dengan komposisi lebih dari 85% [9].Jumlah NCG yang terlarut di dalam fluidapanas bumi bervariasi antara 0-25% dari beratuap, tergantung pada sumber masing-masingsumur produksi. Gas ini ikut terbawa kedalam kondensor membentuk efek selimut(gas-blanketing) yang menghambat prosesperpindahan panas, menaikkan temperaturdan tekanan kondensor sehingga menurunkankinerja turbin [10]. Sistem ekstraksi gas (gasremoval system, GRS) diperlukan untukmembuang NCG dari kondensor. Pemilihansistem ekstraksi gas disesuaikan denganjumlah kandungan gas di dalam fluida.Berdasarkan simulasi termodinamika dankeekonomisan sistem, Ozcan [11]merekomendasikan PLTP untuk memakaisistem ejektor uap untuk fraksi NCG 0-2%,sistem hybrid 2-10%, dan sistem kompresorbesar dari 10% dari fraksi uap. Banyakpeneliti telah melakukan kajian teoretis danekperimen berkaitan dengan keberadaan NCGpada proses kondensasi. Namun sedikit yangmempelajari pengaruhnya pada kondensorkontak langsung terutama tipe spray.Penelitian ini akan mengkaji pengaruh NCGdan temperatur air pendingin padaperpindahan panas kondensasi yang terjadipada kondensor kontak langsung tipe spray.Penelitian ini merupakan kajian tahap awaldalam mengupayakan peningkatan efisiensikinerja PLTP di Indonesia. Pada makalah iniakan dijabarkan rancangan alat eksperimendan parameter pengujian guna menyelidikipengaruh parameter berupa konsentrasi NCGyang terkandung di dalam uap dan temperaturair pendingin terhadap karakteristikperpindahan panas kondensasi dengan kondisieksperimen mendekati kondisi operasitekanan kondensor PLTP.


KE-62

Daftar Simbol

Qz [kW] Laju perpindahanpanas pada jarak z darinosel

λ [kJ/kg] Panas penguapan

Dm [m] Diameter maksimumbutiran

D [m] Diameter butiran

Di [m] Diameter awal butiran

N jumlah butiran persatuan waktu

hloc [kW/m2K] Koefisien perpindahanpanas lokal

ud [m/s] Kecepatan lokalbutiran

z [m] Jarak ke nosel

[kW/m2oC] Koefisien perpindahanpanas parsial fasa uapyang dikoreksi

Mst Berat molekul uap

u [kg/h] Laju massa uap

a [kg/h] Laju massa airpendingin

hk [kJ/kg] Entalpi kondensat

Studi Eksperimental Kondensasi KontakLangsung tipe spray

Penelitian yang berkaitan denganfenomena dan perpindahan panas kondensasitelah lama dan banyak dipublikasikan baikberupa kajian teoritis maupun eksperimental.Sebagian besar fokus peneliti adalah padakondensasi yang terjadi pada permukaan pipa.Kondensasi pada bagian dalam atau luar pipayang diamati secara horizontal dan vertikal.Penelitian juga melihat pengaruh NCG

terhadap laju kondensasi. Namun tidakbanyak yang melakukan penelitian padakondensasi kontak langsung terutama jenisspray. Lekic dan Ford (1980) [12 ] melakukanstudi secara teoretis dan eksperimenkondensasi kontak langsung pada uap murnidengan air pendingin berupa spray. Dalamanalisis teoretisnya diameter butiranmerupakan parameter yang palingmempengaruhi nilai pemanfaatan termal(thermal utilization) dibandingkan pergerakanbutir. Pengujian dilakukan dengan tiga ukurannosel yang berbeda menghasilkan diameterbutiran 0,25 mm, 0,5 mm dan 1 mm. Lajualiran air dan penurunan tekanan noseldisesuaikan dengan jenis nosel masing-masing yaitu 6-10 m/s dan 30-80 kPa. Uapdialirkan pada tekanan sekitar 99 kPa dan 138kPa. Temperatur air pendingin 10-15 oC. Daripengukuran temperatur yang dilakukan padajarak 0,64 cm, 0,95 cm dan 1,27 cmmemperlihatkan efisiensi kondensasi yangtinggi dengan nilai pemanfaatan termal 0,783-0,987%.

Celata dkk. (1991) [13] menginvestigasipengaruh diameter butiran dan kecepatanaliran uap serta air pendingin terhadap lajuperpindahan panas kondensasi kontaklangsung. Perangkat percobaan terdiri daribejana silinder pengujian, tangkipenyimpanan air, boiler (15 kW) dan pemanasair (10 kW), pemanas uap jenuh. Padapercobaan ini air pendingin diinjeksikandengan sistem injeksi ad hoc yaitumemberikan gangguan getaran akustik padacairan pada multihole nosel dengan enamvariasi ukuran. Temperatur rata-rata butirandiukur dengan menggunakan dua buahtermokopel tipe K 0,25 mm yang dipasangkanpada alat penangkap butiran berupa pipa kecilyang dapat bergerak secara vertikal di bagianbawah bejana. Parameter pengujian lainnyaadalah: laju aliran massa uap 1,7–15 g/s,temperatur uap 110 oC, 130 oC, 150 oC,


KE-62

Temperatur air 30 oC dan 60 oC, kecepatanbutiran 0,85– 9 m/s.

Bontozoglou dan Karabelas (1995) [14]melakukan eksperimen pada sebuah kolomyang diisi dengan struktured packingMellapak 250 dengan tinggi 72 cm denganperangkat pengujian. Kondensasi kontaklangsung terjadi antara uap yang mengandungCO2 dan air pendingin dengan arah aliranyang berlawanan. Campuran uap dialirkandari bagian bawah tangki berbahan stainlesssteel dengan diameter dalam 0,15 m, tinggi1,05 m dan volume 25 L. Air pendingindisemprotkan pada bagian atas kolom.Penelitian ini menggunakan parameter berupajumlah CO2, laju massa air dan laju massauap. Temperatur kolom diukur pada posisitertentu guna menghitung koefisienperpindahan panas lokal yang terjadi. Dariketiga peneliti di atas diperoleh korelasiperpindahan panas seperti yang diberikanpada tabel 1.

Tabel 1. Korelasi perpindahan panaskondensasi tipe spray

PenelitiPersamaan perpindahan panas

Lekic danFord

Celata

BontozogloudanKarabelas

Data Kandungan Noncondensable Gas

Berdasarkan studi literatur dan surveylapangan diperoleh kisaran jumlah NCG yangterkandung di dalam fluida panas bumi dibeberapa PLTP di Indonesia seperti yangdiberikan pada tabel 2. Dengan mengacu padadata ini, maka CO2 sebagai gas terbanyak

dalam komposisi NCG akan diamati berkisardari 0-4% dari berat uap.

Tabel 2. Kandungan NCG di beberapa PLTPdi Indonesia [15,16,17,18]

PLTPKonsentrasi NCG

(% berat total uap)

Gunung Salak 1,5 – 2,7

Kamojang 1,7

Lumut Balai 0,65 – 1,325

Sibayak 2,7 – 3,07

Patuha 1,1 – 1,75

Wayang Windu 1

Perbandingan massa air pendingin danuap

Kebutuhan air pendingin guna memenuhikebutuhan kondensasi uap dapat dihitungdengan mengacu kepada persamaan asasBlack mengenai kesetimbangan energi panasyang diterima dan energi panas yangdilepaskan suatu campuran, sehinggadiperoleh:

mu1.hu + mut.cpu. ΔTu = ma.cpa.ΔTa ... (1)

Kebutuhan air pendingin juga dapat diperolehdengan membandingkan entalpi input danoutput fluida fluida di dalam kondensordimana:

ma/mu = (hu-hk)/(hk-ha) .........................(2)

Rancangan Perangkat dan ParameterPengujian

Perangkat eksperimen dirancangmendekati keadaan yang terjadi di lingkungankondensor PLTP. Perangkat pengujian terdiri


KE-62

dari beberapa komponen utama yaitu boiler,gas CO2, mixing chamber, kondensor, pompavakum, pompa air, pompa kondensat, alatpenukar kalor, separator, tangki air dan alat-alat ukur seperti terlihat pada gambar 3 dangambar 4. Sprayers disusun secara horizontalpada pipa vertikal yang dipasang di dalamkondensor. Delapan buah termokopelditempatkan pada kondensor gunamendapatkan perubahan serta distribusitemperatur yang terjadi selama proseskondensasi terjadi. Pencatatan data temperaturdilakukan dengan sistem data akuisisi.

Gambar 3. Skema sistem pengujian

Mengacu pada kondisi aktual, prosespengujian dirancang berlangsung secarakontinu. Uap air dan CO2 akan dicampurkanterlebih dahulu sebelum dialirkan menujukondensor. Di dalam kondensor campuranuap dan CO2 akan dikondensasikan olehsemprotan air pendingin yang dialirkan olehpompa air. Pompa vakum berfungsi untukmenarik CO2 yang ikut ke dalam kondensor.Uap yang ikut terbawa pompa vakum akandikondensasikan pada alat penukar kalortambahan untuk memisahkan kondensatdengan NCG. Kondensat yang terbentuk didalam kondensor akan ditarik keluar denganbantuan pompa kondensat.

Gambar 4. Tampilan perangkat pengujian

Pada penelitian tahap eksperimen akanditeliti pengaruh kandungan NCG berupa gasCO2 (%NCG) dan temperatur air pendingin(Ta) terhadap laju kondensasi dengan kondisipengujian. Kandungan NCG dan temperaturair akan divariasikan untuk mendapatkanperubahan dan distribusi temperatur di dalamkondensor. Berdasarkan perhitunganperancangan, estimasi material dan anggaran,pengujian akan dilakukan dengan variabeleksperimen seperti yang diberikan pada tabel3.

Tabel 3. Variabel pengujian

Parameter Nilai

Laju aliran massa uap, u [kg/h] 2 – 4

Temperatur uap, Tu [oC] 110 – 130

Tekanan uap, Pu [bar] 1,5 – 2

Temperatur air, Ta [oC] 25 - 35

Berat kandungan NCG [%/beratuap]

0 – 4

Diameter nosel, dn [mm] 0,3

Laju aliran air pendingin, a

[kg/h]

30 – 40


KE-62

Validasi kecepatan aliran uap masukkondensor

Untuk memastikan kecepatan uap masukkondensor eksperimen sama dengankecepatan uap secara aktual, maka dilakukansimulasi dengan menggunakan softwareAnsys Fluent [20]. Diameter rancangan yangdidapat adalah 0,0164 m namun untukmengacu pada standar maka dipilih diameterstandar yang mendekati yakni ¾ inch atau0.01905 m. Dengan penyederhanaanAxisymmetry, diperoleh kontur kecepatanaliran seperti terlihat pada gambar 5.

Gambar 5. Kontur kecepatan uap menujukondensor

Selanjutnya dengan mengambil hasilsimulasi pada bagian outlet (pressure outlet)maka didapat persebaran kontur kecepatan vsposisi seperti diperlihatkan pada gambar 6.Dari data outlet maka dapat dinyatakan bahwaaliran yang akan dihasilkan merupakan fullydevelopment. Dimana perbedaan kecepatanyang terjadi ditinjau dari posisi sangat kecil.

Gambar 6. Kontur kecepatan uap menujukondensor

Kesimpulan

Penelitian ini merupakan tahapan awaldalam pengembangan efisiensi kondensorPLTP. Perangkat dan parameter eksperimendirancang berdasarkan kondisi tekananoperasi kondensor, temperatur air pendingindan kandungan NCG di beberapa PLTP diIndonesia. Selain itu pertimbangan kebutuhanmaterial dan anggaran sehingga kapasitaspengujian relatif kecil. Dari hasil perhitungandan validasi kecepatan aliran uap menunjukankemiripan dengan keadaan aktual kondensorPLTP. Diharapkan eksperimen nanti dapatberlangsung secara kontinu pada tekananvakum yang diinginkan. Kestabilan parameterakan menjadi tantangan tersendiri dalampelaksanaan eksperimen.

Referensi

[1] Incropera, F. P., DeWitt, D. P.,Fundamentals of Heat and Mass Transfer,edisi kelima, John Wiley & Son Pte. Ltd.Singapore, 2005.[2] Nag, P. K., Power Plant Engineering,edisi ketiga, McGraw Hill, New Delhi, 2008.[3] El-Wakil, M. M., PowerplantTechnology, McGraw-Hill, Inc., Singapore,1985.[4] Bharathan, D., Hoo, E., D'Errico, P., AnAssesment of The Use of Direct ContactCondensers with Wet Cooling Systems forUtility Steam Power Plants, NationalRenewable Energy Laboratory, Colorado,1992.[5] G.F. Hewitt, G. S., Process HeatTransfer, Begell House, Inc., New York,2000.[6] Lee, H., Kim, M., Park, S., The Effect ofNon-Condensable Gas on Direct ContactCondensation of Stream/Air Mixture, Journalof the Korean Nuclear Society, (2001) 585-595.[7] Mahood, H. B., Sharif, A. O., Al-Aibi,S., Hawkins, D., Thorpe, R., AnalyticalSolution and Experimental Measurements forTemperature Distribution Prediction ofThree-Phase Direct-Contact Condenser,Energy, (2014) 538-547.[8] WWF, Igniting the Ring of Fire, WWF,Indonesia, 2012.


KE-62

[9] Michaelides, E., The Influence of Non-condensable Gases on the Net WorkProduced by the Geothermal Steam PowerPlants, Geothermics, (1982)136-174.[10] Gokcen, G., Yildirim, N., Effect of Non-condensable Gases on Geothermal PowerCase Study: Kizildere Geothermal PowerPlant-Turkey, International Journal of Exergy,(2008) 684–695.[11] Ozcan, N., Modelling, Simulation andOptimalization of Flashed-Steam GeothermalPower Plants from the Point of View NonCondensable Gas Removal System, IzmirInsitute of Technology, Izmir, 2010.[12] Lekic, A., Ford, J. D., Direct ContactCondensation of Vapour on A Spray ofSubcooled Liquid Droplets, Int. J. Heat MassTransfer, (1980)1531-1537.[13] Celata, G. P., Cumo, M., D'Annibale, F.,Farello, G. E., Direct Contact Condensationof Steam on Droplets, International JournalMultiphase Flow, (1991)191-211.[14] Bontozoglou, V., Karabelas, A. J.,Direct-Contact Steam Condensation with

Simultaneous Noncondensable GasAbsorption, AIChE Journal, (1995)241-250.[15] Wahyuningsih, R., Sitorus, K.,Pengawasan Eksplorasi dan EksploitasiLapangan Panas Bumi yang Telah Beroperasi,Direktorat Inventarisasi Sumber DayaMineral, Jakarta, 2005.[16] Sulistyardi, H. B., Basic Design ofLumut Balai 2x55 MW Geothermal PowerPlant, Indonesia, United Nations University,Reykjavik, Iceland (2010)[17] Swandaru, R. B. (2006).Thermodynamic Analysis of PreliminaryDesign of Power Plant unit I Patuha, WestJava, Indonesia. Reykjavik, Iceland: TheUnited Nations University.[18] Siregar, P. H. (2004). Optimization ofElectrical Power Production Process for theSibayak Geothermal Field, Indonesia.Iceland: The United Nations University.[19] ANSYS Fluent 15.0 User’s Guide,2015.

Documents

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Perancangan Perangkat ...eprints.ulm.ac.id/638/1/KE-62.pdf · proses kondensasi memberikan perbedaan entalpi yang semakin besar pada ... bejana silinder