Simulasi Numerik dan Validasi Experimental Distribusi Aliiran Udara

di Dalam Cooling Tower

Bambang Teguh Prasetyo

BalaiTermodinamika, Motordan Propulsi (BTMP)-BPPT, PuspiptekSerpongJurusan Teknik Mesin, FakultasTeknologi Industri, Universitas Trisakti

Kampus A, Gedung Heri Hartanto- Lt.5, Jl. Kyai TapaNo 1, Grogol, JakartaBarat 11440Telp. 5663232 Ext: 434, Fax: 5605841,E-mail: prasetyo@doctor.com

ABSTRACT: Numerical Simulation and Experimental Validation ofAir Flow Distribution in CoolingTower. Numerical simulation and experimental validation of air flow distribution in induced draftCooling Tower (CT) has been done. Numerical simulation was done by using Computational FluidDynamics (CFD) software, while measurement was conducted by using a testfacility exist in BTMP-BPPT This studyis aimedto assist thepreliminary analysis predicting thatone ofcause a higherofmakeup waterconsumption in CT is mal-distribution ofair stream in CT. The results ofnumerical simulationand testing shows that tendency of mal-distribution of air stream is true happened. But to ensure thatwhether this mal-distribution ofairflow mentioned as the root cause ofheight consumemake waterstillrequireto be proved after the CTprovided withhomogeniser ofair stream..

Keywords', airflow distribution, cooling tower, CFD, experimental, make-up water.

PENDAHULUAN

Cooling Tower (CT) adalah komponen pentingpada sistem refrigerasi/pengkondisian udara maupunpada sistem proses dalam industri dimana diperlukanpendinginan ulang air yang digunakan dalam sistemtersebut. CT bekerja mengunakan kombinasiperpindahan panas dan perpindahan massa untukmendinginkan air. Air yg didinginkan didistribusikan kedalam tower dengan spray nozzles, splash bars, ataufilmingfill sebagai cara untuk membuat luas permukaanair yg berhubungan udara atmosfir sebesar mungkin.Sirkulasi udara atmosfir sebagai pendingin bisa dengancara paksa menggunakan fans, atau secara natural.

T„

Gambar 1. Prinsip kerja CT [4]

Gambar 1 menunjukan diagram skematik aliran airdan udara di dalam CT. Air panas dengan suhu Ta masukke dalam CT, dan memindahkan panasnya ke aliranudara yang masuk dengan suhu bola basah Twb sehinggaair keluar dari CT dalam keadaan dingin dengan suhu Tb.

190

Akibat kontak langsung aliran air panas dan udaradingin akan terjadi pelepasan panas sensibel dan panaslatent yang menimbulkan efek pendinginan. Pelepasanpanas latent akan disertai penguapan sebagian kecilcairan yang menyebabkan kehilangan air. Kehilangan airbisa juga dalam bentuk kabut akibat fragmentasi butiranair oleh aliran udara yang relatif cepat.

Hasil pengujian yang telah dilakukan terhadapsalah satu produk CT yang banyak digunakan diIndonesia yang mempunyai daya motor 3HP, laju aliranair 1300 liter/menit, menunjukkan bahwa efisiensitermisnya berkisar 58% dan jumlah pemakaian airpenambah adalah 21 liter per menit atau \0m3 se\ama %jam beroperasi [1]. Jumlah pemakaian air penambah inicukup besar, terlebih apabila dikaitkan dengan upayapenghematan penggunaan air bersih di kota-kota besarseperti Jakarta.

Analisis awal terhadap penyebab besarnyakonsumsi air penambah adalah adanya kelemahan desaindistribusi aliran udara. Desain distribusi aliran udara

pada CT tersebut mengakibatkan kecepatan relatif aliranudara terhadap air di beberapa bagian tertentu, melebihiharga nominal sehingga mengakibatkan penguapan danpengkabutan yang berlebihan. Pernyataan terkahir inilahyang menjadi fokus dalam studi ini.

METODOLOGI

Permasalahan yang dihadapi sekarang antara lainadalah pembuktian baik analitis maupun eksperimentaldari analisis tersebut di atas, dan bagaimanamemperbaiki desain distribusi aliran udara untukmeningkatkan kinerja CT tersebut. Sebagai tahap awaltelah dilakukan simulasi numerik [4] dan eksperimental.Studi ini ditujukan untuk memvalidasi analisis bahwa

MESIN, Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007, 190-194

penyebab tingginya jumlah air penambah adalah ketidakrataan distribusi kecepatan aliran udara pada penampangmelintang (CT).

Pemodelan numerik dilakukan dengan bantuanperangkat lunak Computational Fluid Dynamics (CFD),sedangkan eksperimental dilakukan denganmenggunakan untai uji yang keduanya ada di BalaiTermodinamika, Motor dan Propulsi. Simulasi numerikmenghasilkan profil kecepatan udara di dalam CT. Profilkecepatan ini kemudian dibandingkan denganpengukuran langsung pada benda uji untuk kondisioperasional yang sama.

ComputationalFluid Dynamics (CFD)

CFD merupakan suatu teknik komputasi berbasisnumerik yang digunakan untuk menganalisis sebuahsistem yang melibatkan permasalahan-permasalahandinamika fluida, perpindahan panas dan fenomenaterkait lainnya seperti reaksi kimia, dan Iain-lain.Dengan menggunakan CFD dapat dibuat sebuah modelkomputasi pada sebuah sistem yang ingin dipelajari,dengan output berupa prediksi pola aliran yang terjadi,perpindahan panas dan massa, reaksi kimia, dan Iain-lain.

Untuk membuat suatu simulasi fluida bergerakdalam CFD dapat dilakukan dengan mengaplikasikanprogram-program khusus yang dibuat dengan memakaihukum-hukum dasar yang berhubungan dengan fluidamengalir yaitu persamaan umum konservasi. Persamaanumum konservasi terpenting adalah kekekalan massa,momentum dan energi.

Bila p.AV merupakan elemen massa dari aliran,maka persamaan kekekalan massa menayatakan esarnyalaju pertumbuhan massa di dalam elemen tersebut samadengan laju aliran massa neto yang masuk ke dalamelemen. Menurut [2] persamaan kekekalan massa dapatdituliskan:

^ +div(pO)=0dt r }

(1)

dimana AV adalah elemen volume aliran, p massa jenis

aliran dan U adalah vektor kecepatan tiga dimensi yangmempunyai komponen masing-masing; u ke arah x, v kearah y, w ke arah z.

Adapun prisnsip kekekalan momentum menyatakanbahwa laju pertumbuhan momentum dari partikel fluidasama dengan jumlah gaya-gaya yang bekerja padapartikel fluida tersebut, dan dinyatakan menurut [2]:

• Momentum ke arah x

^ ' +div(puu)=-— +div(p.grad u)+SMx (2.a)

Momentum ke arah y

^^+div(pvO)=-^ +div(ugrad v)+SMy (2.b)dt dy '

• Momentum ke arah y

f^+div(pwu)=-^+div(ugrad w)+SMz (2.c)dt dz

dimana p adalah tekanan fluida, u viskositas dinamisfluida dan SM adalah sumber momentum.

Persamaan energi diturunkan dari hukum pertamatermodinamika yang menyatakan bahwa laju perubahanenergi di dalam partikeI fluida sama dengan lajupenambahan panas ditambah dengan kerja yangdiberikan kepada partikel fluida tersebut. Secara umumpersamaan kekekalan energi menurut [2] dapatditulis:

a(ph)at

+div(phO)=-pdivU +div(kgrad T)+<D +Sj (3)

dimana h entalpi fluida, k konduktivitas termal fluida, Ttemperatur fluida, O fungsi disipasi dan Sj adalahsumber energi yang lain.

Sudah banyak tersedia paket program CFD yangantara lain; Trio VF, Fluent, Phoenics. Pada paketprogram CFD, umumnya terdiri dari tiga bagian pentingyang masing-masing adalah [3]: pre-processor,processor atau solver dan post processor.

Pre-processor adalah bagian yang berfungsisebagai penterjemah dari instruksi yang diberikan olehpengguna. Pre-processor membuat file data yangmemuat instruksi dimana processor dapat mengerti danmelaksanakan instruksi tersebut dengan melakukanperhitungan yang terkait. Kemudian solver akanmemproduksi sebuah file output pada mana penggunamembacanya, dan juga (bila diinstruksikan) akanmemproduksi file hasil. Post processor berfungsisebagai alat untuk mevisualisasikan hasil perhitungandalam bentuk medan kecepatan, tekanan, dan Iain-lain.

Metoda numerik yang sering digunakan dalamCFD adalah metoda Volume Hingga.

Pemodelan Numerik

• Model Geometri

Sebagai acuan [4], geometri CT yang akandioptimasi adalah salah satu produk yang sangatbanyakdigunakan di Indonesia seperti Gambar 2. Geometri CTkemudian didiskret menjadi sejumlah elemen volume(controle volume) pada mana persamaan-persamaankonservasi (massa, momentum, energi) diterapkan.Bentuk elemen volume tergantung pada jenis meshyang dipilih. Sebagai contoh, Gambar 3 menunjukkanbentuk geometri CT dengan jenis mesh hybrid.

• Fluida kerjaUntuk mendapatkan distribusi aliran udara, dalam

pemodelan ini, sebagai tahap awal, diasumsikan tidakada aliran air sehingga fluida kerja adalah udara saja, dandiasumsikan sebagai udara kering pada suhu 30°C, dantekanan I atm. Sebagai konsekuensi tidak adaperpindahan panas yang terjadi, dan semua sifat-sifatfisik udara diperhitungkan pada kondisi tersebut di atas

Simulasi Numerik dan Pengukuran Distribusi Aliran ... (Bambang TeguhP.) 191

dan dalam kasus ini diasumsikan konstan pada scluruhdomain.

• Syarat batasSebagai syarat batas dalam pemodelan digunakan

parameter proses yang diyakini kcbenarannya. Dalamkasus ini, parameter yang dimaksud adalah kecepatanpada sisi outlet dan tekanan pada sisi inlet aliran udara.Sesuai dengan desain, sisi inlet CT berhubunganlangsung dengan udara luar sehingga tekanan pada sisiini ditetapkan sama dengan tekanan atmosfir (sekitar 10"Pa), scdangkan debit aliran udara scbesar 97,6 m/menitmengalir melalui sisi outlet, atau identik dengankecepatan aliran sebesar 3.71 m/det pada penampangkeluar yang berdiameter 0,747 m. Tidak ada syarat batastermal yang dipcrlukan mcngingat tidak ada perpindahanpanas yang terjadi.

Gambar 2. Gcomclri CT [4]

Gambar 3. Geometri CT dengan mesh hybrid[4|

Untai Uji

Pengujian dilakukan pada sebuah untai uji CT skalalaboratorium. Diagram skematik untai uji seperti tersajidalam Gambar 4.

192

Untai uji terdiri dari peralatan yang antara lainadalah: Coling Tower (1), sebagai benda uji, mempunyaidebit air 130 liter/min dan debit udara 85 nrVjam, buatanIndonesia.

Pompa sirkulasi (2), berfungsi untukmensirkulasikan air. Pompa tersebut mempunyaikapasitas 3 m /jam, buatan EBARA, Japan. Flow-meter(3), berfungsi untuk mengukur debit aliran air, dengankapasitas 40 liter/min, buatan DWYER, USA. Heater(4), berfungsi sebagai sumber panas untuk memanaskanair, dengan daya 45 kW, buatan INCO, Indonesia. Flowmeter air penambah (5), berfungsi untuk mengukurjumlah air penambah, dengan kapasitas 5 m /jam, buatanBR, Indonesia dan yang terkahir adalah tangki airpenambah (6), berfungsi untuk mencatu air penambah.dengan kapasitas 20 literPrinsip kerja dari instalasi tersebut adalah sebagaiberikut. Setelah instalasi terisi penuh oleh air. makasirkulasi air dilakukan oleh pompa (2). Debit aliran airdiukur dengan flow-meter (3) dan diatur denganmenggunakan sistem bypass. Air tersebut selanjutnyadipanaskan dengan menggunakan heater (4). Pengaturandaya input ke pemanas digunakan sebuah regulatorbuatan OKI yang mampu mengatur daya 0 - 250 W.Pengaturan dilakukan sccara bertahap sesuai dengantemperatur air yang diinginkan. Tempcratur maksimumyang dapat dicapai adalah 90°C. Air panas tersebutkemudian dialirkan ke dalam CT (1)

, ,: . ,

:•

Gambar 4. Diagram skematik untai uji

Proses perpindahan panas antara air dan udaraterjadi dengan kontak langsung di dalam CT. Air dinginditampung di dalam basin CT dan selanjutnyadisirkulasikan kcinbali oleh pompa (2). Aliran udara diCT dihasilkan oleh fan isap yang ada di CT. Kekuranganair akibat adanya penguapan dan pengkabutan akanditambah dari tangki air penambah (6) yang jumlahnyadiukur o\ch flow-meter (5).

Pengukuran temperatur air dan udara dilakukandengan tcrmokopel tipe K dengan ketelitian sekitar0,1 °C.

Pengukuran pro 111 kecepatan aliran dilakukandengan menggunakan alat ukur turbine anemometerscbagaimana ditunjukan pada Gambar 5. Rentangpengukuran dari alat tersebut sekitar 0,6 m/s sampaidengan 20 m/s dengan ketelitian bcrkisar pada 0,2 m/s +1% dari harga terukur.

MESIN. Volume 9 Nomor 3, Oktober 2007, 190-194

Gambar 5. Turbine Anemometer

Pengkuran dilakukan pada sejumlah titik sepanjangdiameter CT. Pengukuran dilakukan pada duapenampang mclintang, yang masing-masing adalah padaperpanjangan kanal sisi pengeluaran udara dan padapenampang mclintang CT persis di atas springkler.

Pengukuran profil kecepatan pada daerah pertamadimaksudkan untuk menghitung debit aliran udara.scdangkan pada daerah ke dua dimaksukan untukmemvalidasi model simulasi numerik.

Perhitungan debit aliran udara menggunakankorclasi sebagai bcrikut:

L = -D2 V (4)4

dimana L debit aliran udara (m3/s), D diameterpenampang mclintang sisi pengeluaran (m), dan Vkecepatan rata-rata (m/s)

Kecepatan rata-rata diperoleh dari rerata kecepatanhasil pengukuran sebagai berikut:

1 RV ="rT (JKr)dr (5)

U Rdimana R jari-jari penempang melintang = Vi D (m), v(r)profil kecepatan hasil pengukuran (m/s)

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukran profil kecepatan pada penampangkeluar aliran udara ditunjukkan pada Gambar 6. Darigambar tampak adanya harga kecepatan rendah di dacrahpusat kanal. Hal ini discbabkan pada daerah tersebutterdapat motor penggerak fan. Dari perhitungan hasilpengukuran memberikan kecepatan rata-rata sekitar3.71 m/s. Dari kecepatan rata-rata ini diperoleh debitaliran udara sebesar 1.627 m3/s atau 97.606 nrVmenit.Data tersebut selanjutnya akan digunakan sebagai syaratbatas pada pemodelan simulasi numerik.

9

8

7

6

5

4

2 E _

v rata-rata

/

♦ ♦

25 50

Diameter penampang keluar (cm)

75

Gambar 6, Hasil pengukuran profil keeepatan udara padapenampang keluar

Pemodelan numerik aliran udara di dalam CT

dilakukan dengan bantuan perangkat lunak CFD.Sebagai syarat batas pemodelan pada sisi keluar adalahkecepatan rata-rata hasil perhitungan dari persamaan (5)dan pada sisi pemasukan adalah tekanan atmosfir. Hasilpemodelan berupa profil kecepatan udara di dalam CTseperti ditunjukkan pada Gambar 7. Pada daerahpemasukan (di bawah fill) tampak bahwa kontourkecepatan tinggi mendominasi pada daerah pinggirsampai mendekati pusat CT. sedangkan pada daerahsekitar pipa air relatif lebih rendah. Setelah melalui fill,pada daerah di atas fill (ditunjukkan dengan garis )tampak kontour kecepatan tinggi mendominasi daerahpusat CT di sekitar pipa air, dan ada di sebagian dacrahdekat dinding CT. Harga kecepatan pada daerah yangditunjukkan dengan garis selanjutnya dapat dilihatpada Gambar 8. Dari hasil pengamatan, hal ini sangatdimungkinkan mengingat fan isap berada di pusat daerahlchcr, scdangkan pada dacrah dinding CT terdapat celahantar fill yang lebih lebar.

Untuk memvalidasi hasil simulasi numerik sepertiGambar 7, maka dilakukan pengukuran kecepatan aliranudara pada lokasi yang sama dengan garis . Hasilpengukuran ditunjukkan seperti pada Gambar8.

•4 00^00

7 4SfOO

7 3Ck.OO

. . .

6 tOfto

5 Iln-W

5 5^.00

S iOoOO

i es^oo

» JOfOO

i ' .

• ••

3 45^00

j Kit.00

u

7_

Gambar 7. Kontour keeepatan udara di dalam CT [4]

Simulasi Numerik dan Pengukuran Distribusi Aliran ... {Bambang Teguh P. 193

3.00c.00 -

cm

Ci •

•

•

a.sofoo -

• €'Cp

c

a.60c«oo -

a.40c.oo -•

c

«

a.aoc-oo •

• <•

a.oOfOO -

1.80c-00 -• *

-0.5 -0.1 -0.3 -0.3 -0.1 0 0.1 0.3 0.3 0.4 0.5

Position (rn)

Gambar 8. Harga kecepatan pada daerah yang ditunjukkandengan garis [4]

~ 35-

I 3-I 2.5-

"D (

s 2"5 1.5-Q.

U 1 •

0.5-

0-

-50 -30 -10 10 30 50

Posisi pengukuran sepanjang diameter CT (cm)

Gambar9. Profil kecepatanhasil pengukuran pada garis

Bila dibandingkan antara Gambar 7 dan Gambar 9,kedua profil kecepatan udara sepanjang diameter CTmenunjukkan kecenderungan yang sama, walaupunharga kuantitatif kecepatan ada perbedaan. Hal ini telahmenunjukkan kebenaran asumsi bahwa terjadi ketidakmerataan aliran udara di dalam CT.

194

SIMPULAN

Dengan memperhatikan hasil-hasil penelitianpendahuluan berupa simulasi aliran udara danpengukuran kecepatan aliran udara di dalam CT, analisisawal terjadinya ketidak rataan aliran udara di dalam CTdapat dibenarkan. Untuk itu tahap penelitian awal sudahpada jalur yang benar. Namun demikian untukmemvalidasi apakah ketidak rataan tersebut sebagaipenyebab utama dari tingginya konsumsi air penambahmasih perlu dilakukan pengujian lanjutan baik dalamkondisi dingin atau panas setelah CT tersebut dilengkapidengan perata aliran udara.

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terimakasih disampaikan pada rekan-rakandi BTMP-BPPT dan Pak Suratman dari programmagister Teknik Mesin ISTN atas kolaborasinyasehingga studi ini bisa terlaksana dengan baik.

DAFTAR PUSTAKA

1. A. Halili, B. Teguh P., Sarwono, Laporan PengujianKarakteristik Prestasi Kerja Menara PendinginBasah, No: 94.14.01.1, 7 Nopember 1994, LTMP-BPPT, Serpong.

2. H. K. Versteeg and W. Malalasekera, AnIntroduction to Computational Fluid Dynamics, TheFinite Volume Method, 1999, Longman.

3. Concentration, Heat & Momentum Limited (CHAM)"PHOENICS Introductory Lectures ", -1998.

4. Bambang Teguh P., Madinah, Simulasi NumerikAliran Udara di Dalam Cooling Tower, JurnalSainstech, 2006, 16 (3), ISSN 1410 - 7104

MESIN, Volume9 Nomor 3, Oktober 2007, 190-194