## ANALISIS ALIRAN UAP PADA NOZZLE TIP SAMPLING PROBE PLTP MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Bayu Yoga Prawira           Chandrasa Soekardi Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta 11650 Email: bayuprawiro9@gmail.com, chandrasa.soekardi@mercubuana.ac.id
Abstrak  --Tulisan  ini  berisi  gambaran  tentang  hasil  analisis  aliran  uap  pada  Nozzle  Tip  Sampling Probe  di  lapangan  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Panas  Bumi  dengan  menggunakan  perangkat  lunak Computational Fluid Dynamics (CFD). Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari mengapa sering terjadi  perbedaan  hasil  pengukuran  temperatur  dari  diameter  lubang  nozzle  tip  dengan  ukuran  0,125 inch  dan  0,25  inch. Simulasi  dengan  menggunakan  perangkat  lunak  CFD  diterapkan  terhadap  aliran fluida  uap  panas  yang  mengalir  di  dalam  sebuah  saluran  berdiameter  0,5  inch  dengan  laju  aliran massa  23,15  kg/s,  tekanan  aliran  18,48  bar,  dan  temperatur  fluida  212,97°C.  Proses  ini  dilakukan dengan memasang dua buah sampling probe berukuran berbeda untuk mempelajari vektor kecepatan, vektor tekanan, dan vektor temperaturnya. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa kecepatan rata-rata dan  temperatur  rata-rata  aliran  uap  panas  yang  bersirkulasi  di  sekitar  nozzle  tip  sampling  probe dengan tip berdiameter 0,125 inch lebih tinggi daripada nozzle tip berdiameter 0,250 inch.

## Kata kunci: Nozzle tip, Sampling probe, Panas bumi, CFD, Aliran uap
Abstract -- This paper presents flow analysis of the steam circulated around the Nozzle Tip Sampling Probe  at  Geothermal  Power  Plant  by  using  Computational  Fluid  Dynamics  (CFD)  software.  The objective  of this study  is to  investigate why  there  are differences  in  temperature measurement  results from hole diameters of 0,125 inches and of 0,25 inches at the side of the sampling probe nozzle tips. The  numerical  simulation  using  CFD  have  been  applied  to  a  23,15  kg/s  steam  flowing  in  a  0,5  inch diameter  pipeline  at  the  pressure  of  18,48  bar  and  temperature  of  212,97 o C  equiped  by  2  differents sampling  probes  for  studying  the  velocity,  pressure  and  temperature  profiles  around  the  sampling probes tips. The numerical results show that the higher relative speed occurs at hole diameter of 0,125 inch nozzle tip sampling probe which has the effect of temperature reading which tend to be high when compared to hole diameter of 0,25 inch nozzle tip of the sampling probes.
Keywords: Nozzle tip, Sampling probe, Geothermal, CFD, Steam flow

## PENDAHULUAN
Sampling  probe yang  dipasang  pada saluran  uap  panas  bumi  di  sebuah  Pembangkit Listrik Tenaga  Panas Bumi (PLTP) dimaksudkan untuk  memperkirakan  besarnya  energi  panas yang  terkandung  di  dalam  uap  panas  tersebut, yaitu melalui pengukuran temperatur dan tekanan  dari  sampel  aliran  uap.  Sebagai  objek studi  pada  penelitian  ini  adalah  s ampling  probe yang  dipasang  pada  saluran  aliran  uap  panas bumi  yang  mengalir  menuju  saluran  masuk  ke turbin uap dengan laju aliran 21,33 kg/s, di mana saluran berdiameter luar 406 mm dan berdiameter  dalam  381  mm  terbuat  dari  bahan cast carbon-steel . Sementara  itu nozzle  tip  sampling  probe yang  dipergunakan  untuk  mengukur  temperatur dan  tekanan  uap  berjenis multi-port ,  terbuat  dari bahan stainless  steel .  Salah  satu probe memiliki lubang sensor berdiameter 0,125 inch dan probe kedua  memiliki  lubang  sensor  berdiameter  0,25 inch. Pengukuran temperatur uap panas
menggunakan kedua probe tersebut memberikan hasil  yang  berbeda.  Sampling  probe  dengan nozzle  tip berdiameter  0,125  inch  memberikan hasil  pengukuran  temperatur  yang  lebih  tinggi dibandingkan  dengan  sampling  probe  dengan nozzle tip berdiameter lubang 0,25 inch.
Perbedaan  hasil  pengukuran  temperatur tersebut  dapat  menyebabkan  interpretasi  yang kurang  tepat  terhadap  sifat  termodinamika  fluida uap  panas  bumi  yang  mengalir  di  dalam  saluran pemipaan  PLTP.  Perbedaan  hasil  pengukuran tersebut kemungkinan besar terutama disebabkan  oleh  perbedaan  karakteristik  aliran fluida  uap  yang  bersirkulasi  di  sekitar nozzle  tip pada masing-masing sampling probe . Beberapa  peneliti  telah  melakukan  studi terhadap  karakteristik  aliran  fluida  uap  di  dalam sistem pemipaan menggunakan metode numerik. Taler  &  Koczmarski  (2016)  mengembangkan model  numerik  terhadap  aliran  uap  di  dalam sistem  saluran  tertentu  menggunakan  metode volume  hingga  untuk  menghitung  temperatur
aliran  uap,  temperatur  dinding  saluran  dan tegangan  termalnya. Kong et  al. (2013) menggunakan
metode CFD untuk mensimulasikan  pola  aliran  fluida  uap  yang bersirkulasi  di  dalam  saluran  sistem  diffuser- ejector.  Hasil  simulasi  divalidasi  menggunakan data-data eksperimental.
Purnanto  et  al.  (2012)  telah  melakukan pemodelan dari perangkat pemisah atau separator  fluida  uap  dan  air.  Hasil  pemodelan menunjukkan  adanya  pergerakan  di  dalam cyclone separator  yang  menyebabkan  terjadinya turbulensi.
Selanjutnya,  Karvounis  &  Jenny  (2011) membuat  model  CFD  untuk  aliran  pada Enhanced  Geothermal  Systems (EGS)  untuk memperoleh gambaran modeling framework bagi cadangan  panas  bumi  ( reservoir ).  Hasil  simulasi memberikan  gambaran  distribusi  tekanan  dan temperatur  pada  area  reservoir  dan  batuan dengan skala fracture tertentu.
Federico  et  al.  (2017)  mengembangkan pemodelan  CFD  atas  pergerakan  aliran  fluida uap  basah  di  dalam supersonic  nozzle .  Hasil analisis memperlihatkan adanya penurunan profil tekanan  sepanjang  sumbu axis terhadap  model nozzle selaras  dengan  baik  itu dilakukan melalui simulasi maupun percobaan hasil eksperimen.
Chien  N.B.  et  al.  (2015)  melakukan eksperimen menggunakan CFD untuk mempelajari kondisi perpindahan panas fluida air yang  mendidih  pada  suatu  media horizontal multiport
mini-channel .
Hasil
simulasi menunjukkan  bahwa  pengaruh  faktor  gesekan ( friction )  yang  tinggi  terjadi  pada heat  flux yang lebih  rendah,  tetapi  sebaliknya Nusselt  Number justru  cenderung  lebih  tinggi  terjadi  pada heat flux yang lebih tinggi.
Pada  studi  ini  dilakukan  simulasi  numerik menggunakan  metode  CFD Solidworks  Flow Simulation  2013 terhadap  aliran  fluida  uap  yang bersirkulasi  di  sekitar  model nozzle  tip sampling probe yang  berukuran  sama  dengan  yang dipergunakan  untuk  mengukur  temperatur  dan tekanan  aliran  uap  pada  saluran  utama  PLTP. Tujuan  utamanya  adalah  untuk  memperoleh gambaran  karateristik  kecepatan,  tekanan  dan temperatur lokal aliran fluida uap yang bersirkulasi  di  sekitar  model nozzle  tip sampling probe .

## METODOLOGI PENELITIAN
Pada tahap pertama dilakukan eksperimen langsung  di  fasilitas  lapangan  panas  bumi,  yaitu pengukuran uap pada  jalur pipa sumur produksi. Sampling  probe yang  dipergunakan  untuk melakukan  pengukuran  sample  uap,  sesuai dengan  rekomendasi  dari Thermochem,Inc , sketsanya  diberikan  seperti  yang  tertera  pada Gambar 1.
Gambar 1. Konstruksi sampling probe untuk pengukuran superheat
Dua  buah sampling  probe yang  terbuat dari  bahan stainless  steel dengan  dua  ukuran diameter  lubang nozzle  tip yang  berbeda,  yaitu berdiameter 0,125 inch dan 0,25 inch,
ditunjukkan Gambar 2. Dalam hal ini, tube utama berdiameter luar 0,5 inch dan memiliki ketebalan 0,083 inch.
Untuk mengukur temperatur uap dipergunakan  sensor  termokopel  tipe-K  yang dipasang  pada  sampling  probe,  sementara  itu untuk  mengukur  tekanan  uap  dipergunakan digital pressure indicator (Gambar 3).
Gambar 2. Nozzle tip sampling probe dengan ukuran diameter lubang 0,125 inch (kiri) dan ukuran diameter lubang 0,25 inch (kanan)
Nozzle Tip
Gambar 3. Konfigurasi alat ukur temperatur dan tekanan pada sampling probe
Pengukuran  temperatur  dan  tekanan  uap dilakukan  secara  bergantian  pada  jalur  pipa sumur  produksi  melalui sampling  port (Gambar 4).
Gambar 4. Posisi sampling probe setelah dipasang dalam saluran pipa
Pengukuran temperatur dan tekanan (Gambar  5)  dilakukan  dengan  menempatkan s ampling  probe pada  3  titik  yang  berbeda,  yaitu di bawah (1), di tengah (2) dan di atas (3).
Gambar 5. Konfigurasi titik pengukuran
Hasil  pengukuran  temperatur  dan  tekanan sampel uap dari saluran utama PLTP pada ketiga konfigurasi  titik  pengukuran    diberikan  pada Tabel  1.  Dari  data  temperatur  uap  panas  yang terukur  dari  kedua  sample  probe,  kemudian apabila dibandingkan dengan temperatur jenuhnya,  maka  memberikan  gambaran  tentang harga temperatur uap superpanas (nilai superheat).  Perbedaan  sedikit  saja  pada  harga temperatur  uap  superpanas  akan  berdampak pada  perubahan  yang  cukup  signifikan  pada harga  enthalpi  yang  dikandung  oleh  uap  panas bumi yang diukur.
Tabel 1. Data hasil pengukuran superheat
Diameter Lubang Nozzle Tip (inci) Posisi Titik
Parameter yang diukur di Lapangan
Nilai Superheat ( ᵒC) Tekanan Absolut (bar) Temperatur terbaca ( ᵒC) Temperatur Saturasi ( ᵒC) 0,125 1 18.695 213.20 208.998 4.20 0,125 2 18.735 213.90 209.105 4.80 0,125 3 18.715 213.60 209.052 4.55 0,25 1 18.495 213.10 208.463 4.64 0,25 2 18.535 213.60 208.571 5.03 0,25 3 18.495 213.30 208.463 4.84 Pada tahap selanjutnya, untuk
mempelajari  seberapa  jauh  faktor  karakteristik aliran uap berpengaruh terhadap temperatur dan tekanan uap yang tertangkap oleh sample probe , maka  dilakukan  simulasi  numerik  menggunakan CFD Solidworks  Flow  Simulation  2013 terhadap aliran  fluida  uap  yang  bersirkulasi  di  sekitar model nozzle tip sampling probe yang berukuran sama dengan yang dipergunakan untuk
mengukur  temperatur  dan  tekanan  aliran  uap pada saluran utama PLTP.
Simulasi menggunakan Computational Fluid Dynamics Solidworks Flow Simulation 2013 dilakukan dengan memasukan parameter- parameter  nilai  rata-rata  hasil  pengukuran tekanan,  temperatur  dan  laju  aliran  massa sebagai  kondisi  batas.  Setelah  itu  dilakukan menggambarkan  geometri  3D  (tiga  dimensi)
nozzle  tip  sampling  probe dan  penampang  pipa produksi  dengan  ukuran  yang  menyerupai kondisi di lapangan (Gambar 6 & 7).
Gambar 6. Model 3D nozzle tip sampling probe
Gambar 7. Konstruksi nozzle tip sampling probe yang terpasang pada pipa

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  parameter  temperatur  fluida uap  panas  bumi  yang  mengalir  pada nozzle  tip sampling  probe yang  memiliki  diameter  lubang 0,125  inch  di  bagian  ujungnya  diberikan  pada Gambar  8,  di  mana  memberikan  hasil  nilai temperatur maksimum
sebesar ±267 ⁰ C. Sementara itu, pada Gambar 9, temperatur fluida uap  panas  yang  mengalir  pada nozzle  tip sampling  probe dengan  diameter  lubang  0,25 inch  menunjukkan  nilai  temperatur  maksimum ±241 ⁰ C.
Gambar 8. Profil simulasi temperatur fluida uap nozzle tip probe diameter 0,125 inch
Gambar 9. Profil simulasi temperatur fluida uap nozzle tip probe diameter 0,25 inch
Selanjutnya,  karakteristik  tekanan  statik uap  panas  yang  bersirkulasi  di  sekitar  nozzle  tip yang  memiliki  diameter  lubang  0,125  inch diberikan pada Gambar 10. dimana tekanan rata- rata  di  sekitar  lubang  tip  berkisar  ±18,51  bar. Sedangkan  tekanan  statik  uap  panas  yang bersirkulasi  di  sekitar  nozzle  tip  yang  memiliki diameter  lubang  0,250  inch  diberikan  pada Gambar  11  dan  tekanan  rata-ratanya  juga berkisar ±18,51 bar.
Nozzle Tip
Gambar 10. Profil simulasi tekanan fluida uap nozzle tip probe diameter 0,125 inch
Gambar 11. Profil simulasi tekanan fluida uap nozzle tip probe diameter 0,25 inch
Gambar 12 adalah karakteristik kecepatan aliran  fluida  panas  bumi  yang  bersirkulasi  di sekitar nozzle  tip  sampling  probe dengan  tip berdiameter  0,125  inch.  Dari  gambar  tersebut terlihat  bahwa  kecepatan  rata-rata  di  sekitar lubang tip adalah sekitar ± 8,9 m/s  (porsi kontur warna biru muda).
Gambar 12. Profil simulasi kecepatan fluida uap nozzle tip sampling probe diameter 0,125 inci
Gambar 13. Profil simulasi kecepatan fluida uap nozzle tip sampling probe diameter 0,25 inci
Sementara  itu,  pada  Gambar  13  untuk  diameter lubang ( hole ) dengan ukuran 0,25 inch kecepatan  rata-rata  di  sekitar  lubang  tip  adalah sekitar ±2 m/s.

## KESIMPULAN
Simulasi  numerik  menggunakan  metode CFD Solidworks  Flow  Simulation  2013 terhadap aliran  fluida  uap  yang  bersirkulasi  di  sekitar  dua buah  model nozzle  tip sampling  probe  dengan lubang nozzle  tip berdiameter  0,125  inch  dan
0,25  inch  telah  dilakukan.  Pengaruh  profil kecepatan terhadap karakteristik temperatur lokal aliran  fluida  uap  yang  bersirkulasi  di  sekitar model nozzle tip sampling probe telah dipelajari. Hasil simulasi menunjukkan bahwa kecepatan rata-rata aliran fluida panas bumi yang bersirkulasi  di  sekitar nozzle  tip  sampling  probe dengan  tip  berdiameter  0,125  inch  lebih  tinggi daripada nozzle  tip berdiameter  0,250  inch.  Hal tersebut berdampak kepada karakteristik temperatur  aliran  uapnya  di  mana  temperatur fluida  uap  yang  bersirkulasi  di  sekitar nozzle  tip berdiameter  0,125  inch  lebih  tinggi  daripada nozzle tip berdiameter 0,250 inch. Sementara itu, sesuai  dengan  prinsipnya,  kecepatan  lokal  fluida tidak  berpengaruh  secara  signifikan  terhadap tekanan statis aliran fluida.
Penelitian  tahap  selanjutnya  yang  akan dilakukan adalah melakukan eksperimen numerik untuk  mempelajari  diameter  lubang nozzle  tip yang paling optimal yang memberikan perbedaan hasil pengukuran temperatur yang paling minimum,  kemudian  membandingkan  hasilnya dengan pengujian eksperimental di lapangan.

## REFERENSI
American Standard Testing and Material (ASTM)
International. Standard  Practice  for  Sampling Steam,  Designation:  D  1066-97 (Reapproved 2001).  United  States:  ASTM  International. 2001.
Chien,  N.B.,  Vu,  P.Q.,  Ghazali,  N.M.,  dan  Taek O.J. Convective Heat Transfer Characteristics of Single-Phase
Liquid
in Multiport
Minichannel  Tube:  Experiment  and  CFD
Simulation .  The  7th  International  Conference on Applied Energy-ICAE2015. Energy Procedia 75 (2015) 3180-3185. 2015.
Dennis, R., Samples, R.W., Anderson, D.M., dan Silverman,  L. Isokinetic  Sampling  Probes. Industrial  and  Engineering  Chemistry Vol.49,
No.2  (pp.  294-302).  Boston:  Harvard  School of  Public  Health,  Department  of  Industrial Hygiene, Boston 15, Mass. 1957.
Federico,  M.,  Francesco,  G.,  dan  Adriano,  M. CFD  Modelling  of  the  Condensation  Inside  a Supersonic Nozzle: Implementing Customized Wet-Steam Model in Commercial Codes . 72nd
Conference  of  the  Italian  Thermal  Machines Engineering Association, ATI2017, 6-8
September 2017. Lecce, Italia. 2017.
Jung,  D.B. Geothermal  Steam  Quality  Testing . Geothermal  Resources  Council  Transaction, 19. 1995.
Karvounis,  D.  dan  Jenny,  P. Modelling  of  Flow and  Transport  in  Enhanced  Geothermal Systems .  Proceedings,  Thirty-Sixth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering
Stanford University, California. 2011. Kong,F.S.,  Kim,  H.D.,  Jin,  Y.  dan  Setoguchi,T. Application of Chevron Nozzle to A Supersonic Ejector-Diffuser System . 5th BSME  International  Conference  on  Thermal Engineering.  Procedia  Engineering  56:  183- 200. 2013.
Purnanto,  M.H.,  Zarrouk,  S.J.,  dan  Cater,  J.E. CFD  Modelling  of  Two-Phase  Flow  Inside Geothermal  Steam-Water  Separators .  New Zealand Geothermal Workshop 2012 Proceedings. Aucland, New Zealand. 2012. Solidworks  Education. An  Introduction  to  Flow Analysis Applications with Solidworks Simulation, Student Guide . Engineering Design and Technology Series. USA: Dassault  Systems  Solidworks  Corporation.
2010.
Taler,D dan Kaczmarski,K. A Numerical Model of Steam  Pipeline .  IX  International  Conference on  Computational  Heat  and  Mass  Transfer, ICCHMT  2016.  Procedia  Engineering  157: 158-162. 2016. Thermochem  Indonesia. Exploration  Drilling  and Early Stage Geothermal Reservoir Characterization: Geothermal Well Flow Testing Hardware, Instrumentation and Measurement Techniques . 2nd ITB Workshop
2013, Bandung, Indonesia. 2013.