Parameter Perhitungan Pipa HP Superheater

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

BAB IV UKURAN – UKURAN KOMPONEN UTAMA

HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

4.1. Parameter Perhitungan Pipa HP Superheater

HP superheater adalah pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan uap yang berasal dari drum uap HP menjadi uap panas lanjut. HP superheater ini terletak pada bagian bawah sekali dari susunan komponen alat penukar kalor yang ada pada HRSG. Sistem perpindahan panasnya adalah sistem konveksi berlawanan arah, di mana uap mengalir dari atas ke bawah sementara gas buang mengalir dari bawah ke atas. Pada sistem perpindahan panas konveksi berlawanan arah, luas perpindahan panas yang dibutuhkan akan lebih kecil bila dibandingkan dengan sistem konveksi satu arah, karena untuk kondisi kapasitas dan temperatur yang sama besarnya, harga beda suhu rata – rata logaritma LMTD pada sistem konveksi berlawanan arah adalah lebih kecil dari pada konveksi searah. Besarnya luas permukaan perpindahan panas yang dibutuhkan diperoleh dari persamaan berikut : A = . LMTD U Q ……………… J.P. Holman, 1998, hal. 490 dengan : A = luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U m 2 Q = besarnya perpindahan kalor Js U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh Wm 2 . o C Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. LMTD = beda suhu rata-rata logaritma o C Besarnya harga LMTD sistem perpindahan panas pada HP superheater ini adalah seperti ditunjukkan pada gambar berikut : 483,36 287,35 565,7 530,7 T o C Tg A Tg B T 9 T 8 L m Gambar 4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Superheater Di mana sebelumnya telah diperoleh : T 9 = temperatur uap masuk HP superheater = 287,35 o C T 10 = temperatur uap keluar HP superheater = 530,7 o C Tg A = temperatur gas buang masuk HP superheater = 565,7 o C Tg B = temperatur gas buang keluar HP superheater = 483,36 o C Maka : LMTD = min max min max ln T T T T ∆ ∆ ∆ − ∆ …………………. F.P. Incropera, 1981, hal. 510 ∆T 1 = Tg B – T 8 = 483,36 o C – 287,35 o C = 196,01 o C Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. ∆T 2 = Tg A – T 9 = 565,7 o C – 530,7 o C = 35 o C ∆T 1 sebagai ∆T max dan Maka ∆T 2 sebagai ∆T min. Maka diperoleh harga LMTD : LMTD = C 35 C 01 , 196 ln C 35 C 01 , 196 − = 93,45 o C Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : U 1 =     h c A A h 1 1 +A h . R W + . 1 h η ………… F.P. Incropera, 1981, hal. 505 dimana : h i = Koefisien konveksi dalam pipa Wm 2 . o C A c A h = Perbandingan luas pipa bagian dalam dengan luas pipa yang menyerap kalor A h . R W = Tahanan konduksi pipa HP superheater m 2 . o CW h o = Koefisien konveksi gas buang Wm 2 . o C o = Efektivitas sirip bagian luar 4.1.1. Pemilihan Pipa HP Superheater Pipa HP superheater dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari ukuran standar pipa untuk baja Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. schedule 40 dengan diameter nominal DN 1½” bertujuan agar pembentukan uap dapat berlangsung lebih cepat. Maka diambil ukuran-ukuran pipa sebagai berikut : D o : Diameter luar = 1,9 in = 0,048 m Di : Diameter dalam = 1,61 in = 0,04089 m t : Tebal pipa = 0,145 in = 0,003683 m Untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan laju aliran uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan sebagai berikut :  Panjang pipa aktif yang berhubungan dengan pipa-pipa = 7 m dengan memperhitungkan standar panjang pipa yang ada  Jarak antara dua buah pipa = D o = 0,048 m  Panjang pipa perbatang = 14,64 m Penentuan panjang pipa berdasarkan pemilihan dari panjang pipa yang sering digunakan Tunggul S., 1975, hal. 142. Maka sket perancangan pipa HP superheater dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 4.2. Sketsa Rancangan Pipa – pipa HP Superheater Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Sehingga jumlah pipa-pipa HP superheater yang dibutuhkan adalah : n = ST pipa panjang + 1 = 096 , 7 + 1 = 74 batang dalam 1 satu baris Dengan ST adalah jarak antara dua titik pusat pipa. Untuk dapat menjamin kekuatan pipa HP superheater khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi di dalam pipa, maka kekuatan material pipa yang digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus : S ≥ 2 . 2 . P t D P o − .................................... Vincent Cavaseno, 1979 di mana : P = Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 71,57 bar = 1037,7651 psia S = tegangan tarik yang diijinkan psia S ≥ 2 765 , 1037 145 , 2 9 , 1 765 , 1037 − x x S ≥ 6280,2675 psia Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memliki tegangan ijin S diatas 6280,2675 psia dalam suhu maksimum yang terjadi. Dari tabel bahan pipa lampiran 7 direncanakan material pipa yang digunakan adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel SA 135, 5Cr – 12Mo di mana pada temperatur 1100 o F masih memiliki tegangan ijin sebesar 10.300 psi, jadi cukup aman untuk digunakan pada HP superheater dengan suhu maksimum yang terjadi 1049,99 o F. Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas di Dalam Pipa h i Koefisien perpindahan panas dalam pipa h i seharusnya ditentukan pada temperatur film. Dalam hal ini dapat juga ditentukan pada kondisi temperatur uap rata-rata HP superheater u T = 409 o C pada tekanan 71,57 bar. Dari tabel sifat- sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut : = 2,577 . 4 10 − kgm.s k = 0,0644 Wm. o C Pr = 1,068 Kecepatan aliran uap pada HP superheater dihitung sebagai berikut : V u = 1 . . . A n V m u ……………………. Sorensen, 1983, hal. 339 dengan : V u = Kecepatan aliran uap dalam pipa ms u m . = laju aliran uap = 67,65 kgs n = jumlah pipa HP superheater = 74 batang v = Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata – rata pada HP superheater dengan tekanan 71,57 bar v = 2 9 8 v v + ; di mana : v 8 = 0,02676 m 3 kg v 9 = 0,04943 m 3 kg v = 2 04943 , 02676 , + = 0,038095 m 3 kg = 1v = 26,25 kgm 3 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar : V u = 2 04089 , 4 74 038095 , 65 , 67 x x x π = 26,52 ms Diperolehnya kecepatan uap dalam pipa sebesar 26,52 ms masih dalam batas kecepatan uap maksimum yang diijinkan untuk uap yaitu sebesar 50 ms MJ. Djokostyardjo, 1990, hal. 186. Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold yaitu : R e = µ ρ i u D V . . ……………………….. Bayazitoglu, 1988, hal. 234 dengan : = Massa jenis uap pada HP superheater kg m 3 = Viskositas dinamik uap kgm.s D i = Diameter dalam m Maka : R e = µ ρ i u D V . . = 5 10 577 , 2 04089 , 52 , 26 25 , 26 − x x x = 11,048 x 10 5 Aliran yang terjadi adalah turbulen, R e 4000 JP. Holman, 1998, maka h i dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : h i = i u D K N . ……………………….. Bayazitoglu, 1988, hal. 283 Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan : N u = 0,023 4 , 8 , . r e P R Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. = 0,023 x 11,048 x 10 5 0,8 x 1,068 0,4 = 1613,63 dengan : k = 0,644 Wm. o C D i = 0,04089 m Maka : h i = 04089 , 0644 , 63 , 1613 x = 2540,77 Wm 2 o C 4.1.3. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h o Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang-seling. Seperti pada gambar di bawah ini : S T S L S D A 1 A 2 Gambar 4.3. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Superheater di mana : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. S T = Jarak transversal transverse pitch m S L = Jarak longitudinal longitudinal pitch m S D = Jarak diagonal m A 1 = Jarak antara 2 buah pipa secara transversal m A 2 = Jarak antara 2 buah pipa secara diagonal m Direncanakan S T = S L = 2 . D o = 0,096 m Untuk mendapatkan besarnya koefisien konveksi, terlebih dahulu ditentukan sifat-sifat gas buang. Sifat-sifat gas buang seharusnya dievaluasi pada temperatur film, dapat juga dievaluasi pada temperatur rata-rata gas buang, yaitu : g T = 2 36 , 483 7 , 565 + = 524,53 o C = 797,53 K Untuk mencari sifat – sifat gas buang dapat diperoleh dari website www.hrsgdesign.com dengan memasukkan komposisi dan temperatur gas buang, atau sifat – sifat gas buang dapat juga disamakan dengan sifat-sifat udara tabel sifat – sifat udar, dalam hal ini sifat – sifat gas buang yang diperoleh adalah dari www.hrsgdesign.com , yaitu : k = 0,0555 Wm.K = 3,64.10 -5 kgm.s = 0,4437 kgm 3 Pr = 0,689 Cp = 1,1388 kJkg.K Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V g maks pada rangkuman pipa pada gambar 4.3, maka kecepatan maksimum dapat terjadi pada A 1 dan A 2. o Apabila pada A 1 , maka : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. V g maks = g o T T V D S S . − ………………… Incropera, 1981, hal. 344 o Apabila pada A 2 , maka : V g maks = g o D T V D S S . 2 − ……………….. Incropera, 1981, hal. 344 o V g maks terjadi pada A 2 apabila : S D 2 o T D S + S D = 5 , 2 2 2               + T L S S 2 o T D S − ……... Incropera, 1981, hal. 344 5 , 2 2 2 096 , 096 ,               + 2 048 , 096 , − 0,1073312 0,024 Maka dapat disimpulkan V gmaks terjadi pada A 1 : V g maks = g o T T V D S S . − di mana : V g = Kecepatan gas masuk pada rangkuman pipa diukur pada temperatur gas buang masuk rangkuman pipa V g = L n S m T g g . . . . ρ dengan : g m . : laju aliran gas buang = 565,9 kgs g : massa jenis gas buang pada T gas buang masuk = 565,7 o C adalah sebesar 0,4212 kgm 3 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. S T : jarak dua buah pipa = 0,096 m n : banyak pipa 1 baris = 74 batang L : panjang pipa 1 batang = 14,64 m Maka : V g = 64 , 14 74 096 , 4212 , 9 , 565 x x x = 12,92 ms Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V g maks sebesar : V g maks = 92 , 12 048 , 096 , 096 , x − = 25,84 ms Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah : R e = µ ρ h gmaks D V . . dengan : R e : Bilangan Reynold : Massa jenis gas pada suhu rata-rata kgm 3 D h : Diameter hidrolik pipa m : Viskositas dinamik pada suhu rata-rata kgm.s di mana : D h = l f . 4 . h a A A ……………………….. W.M. Kays, 1984, hal. 8 di mana : 1 f : jarak dua buah pipa = 0,084 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. A a : luas penampang aliran m 2 A h : luas total permukaan yang menyerap panas m 2 dan : h o = h u D k N . …………………………. Bayazitoglu, 1988, hal. 283 dengan : N u : bilangan Nusselt k : konduktivitas gas buang Wm o C Pada perancangan pipa-pipa HPsuperheater ini, dirancang menggunakan sirip untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip terlihat pada gambar di bawah ini. 0,00046 m l 1 m r e r o r i Gambar 4.4. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Superheater di mana : r i : jari-jari dalam pipa = 0,02 m r o : jari-jari luar pipa = 0,024 m 1 : panjang sirip = 0,009 m r e : jari-jari pipa bersirip = 0,033 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. : tebal sirip = 0,00046 m n f : jumlah sirip = 289 siripm Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, maka dapat dicari : o Luas permukaan sirip A f A f = f e o e N D D D . . . 4 2 2 2         + − δ π π di mana : A f : Luas permukaan sirip m 2 D e : Diameter sirip = 0,066 m D o : Diameter luar pipa = 0,048 m : Tebal sirip = 0,00046 m N f : Jumlah sirip dalam panjang pipa Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar : A f = 289 . 00046 , . 066 , . 4 048 , 066 , . . 2 2 2       + − π π = 0,959m 2 dalam 1 meter panjang pipa o Luas permukaan primer A p A p =   t f o N N L D . . δ π − Dimana : N t : 1, untuk 1 batang pipa [ ] 1 . 289 . 00046 , 1 048 , . − = π P A = 0,13075 m 2 untuk 1 meter panjang pipa o Luas total permukaan pipa yang menyerap panas untuk 1 meter panjang pipa A h dan A h = A f + A p Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. di mana : A h : luas total permukaan pipa yang menyerap panas m 2 A f : luas permukaan sirip m 2 A p : luas primer m 2 Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar : A h = 0,959 + 0,13075 = 1,08975 m 2 o Perhitungan Diameter Hidraulik D h : Luas penampang area A a merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1 meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter. A a = f o T N L D S . . 1 2 δ − − = 0,096 – 0,048 x1 – 2 x 0,009 x 0,00046 x 289 = 0,0456 m 2 Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D h : D h = 0,096 x 4 x       08975 , 1 046 , = 0,016 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold : R e = 5 10 64 , 3 016 , 84 , 25 4212 , − x x x = 4784,09 2000 R e 40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah : N u = 1,13 . C 1 . R e m . Pr 13 ………………. Incropera, 1981, hal. 344 di mana : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. N u = Bilangan Nusselt R e = Bilangan Reynold Pr = Bilangan Prandtl Harga konstanta C 1 dan m diperoleh dari tabel korelasi Grimson lampiran 1 yang bergantung pada harga S L D o dan S T D o dari susunan pipa yang direncanakan. 2 048 , 096 , = = o L D S 2 048 , 096 , = = o T D S Dari tabel diperoleh : C 1 = 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt : N u = 1,13 x 0,482 x 4784,09 0,556 x 0,689 13 = 53,477 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa h o : h o = Dh k Nu. = 016 , 05555 , 477 . 53 x = 185,66 Wm 2 . o C Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.1.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip Untuk mencari efesiensi sirip dapat digunakan dengan menggunakan grafik efisiensi sirip Incropera, 1981, hal. 108 seperti pada gambar 4.5. di bawah ini. Gambar 4.5. Grafik Efisiensi Sirip Dari data-data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung : L C = 2 1 δ + = 2 00046 , 009 , + = 0,00923 m r 2c = 2 δ + e r = 2 00046 , 033 , + = 0,03323 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Ap = L C . = 0,00923 x 0,00046 m = 0,4245.10 5 − m 2 o c r r 2 = 024 , 03323 , = 1,3846 Lc 32 h o k.Ap 12 di mana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 diperoleh = 21,33 Wm 2 . o C 0,00923 32 2 1 5 10 4245 , 33 , 21 66 , 185     − x x = 1,27 Dari grafik diperoleh harga efesiensi sirip f η setelah diinterpolasi diperoleh f η = 50,5 Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa yang menyerap panas dalam 1 meter A c A h : 08975 , 1 . . L D A A i h c π = = 08975 , 1 1 . 04089 , . π = 0,1179 Efektivitas sirip : f h f o A A η η − − = 1 1 = 1 –       08975 , 1 959 , x 1 – 0,505 = 0,565 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.1.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Superheater Tahanan konduksi pada pipa superheater A h . R w         = h c i o i w h A A k D D In D R A . 2 . = 1179 , 33 , 21 2 04089 , 04826 , 04089 , x x In x       Tahanan Konduksi pada Pipa HP Superheater = 0,0013456 m 2 . o CW 4.1.6. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dihitung dari persamaan berikut, yaitu : o o W h h c i h R A A A h U . 1 . 1 1 η + +     = 66 , 185 565 , 1 0013456 , 1179 , 77 , 2540 1 1 x x U + + = U = 70,34 Wm 2 . o C 4.1.7. Luas Bidang Pindahan Panas Luas bidang pindahan panas diperoleh dengan rumus sebelumnya yaitu : .LMTD U Q A = di mana : A = luas permukaan perpindahan kalor m 2 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Q = panas yang diserap HP superheater, pada perhitungan sebelumnya diperoleh = 53.060.060 W U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 70,34 Wm 2 . o C LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 93,45 o C Maka : A = 45 , 93 34 , 70 060 . 060 . 53 x = 8072,1 m 2 Lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74 batang pipa dalam 1 baris : 1 . . h A n A N = di mana : N = jumlah lintasan A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 8072,1 m 2 A h = luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,08975 m 2 n = jumlah pipa per baris = 74 batangbaris 1 = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka : 64 , 14 08975 , 1 74 1 , 8072 x x N = = 6,83 lintasan = 7 Lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan HP superheater adalah 7 x 74 = 518 Batang.

4.2. Parameter Perhitungan Pipa HP Evaporator