31
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan Q
gas
gas buang adalah sebesar 45560,94 kW.
Q
gas
=
out in
g
h h
m −
45560,94 kW = 784,66 kgs . 503,40 kJkg – h
out
h
out
= 445,33 kJkg dari tabel udara diperoleh :
T
out
= 443,84K = 170,69
o
C Maka temperatur gas buang keluar preheater adalah 170,69
o
C dan gas buang akan menuju cerobong.
3.4. Spesifikasi HRSG yang direncanakan
Dari perhitungan dan beberapa penentuan yang menjadi pertimbangan dalam rancangan diambil spesifikasi,yaitu :
1. Jenis HRSG yang direncanakan adalah HRSG pipa air sirkulasi alami.
2. Sumber panas pada HRSG berasal dari panas gas buang dari satu unit
turbin gas. a.
Temperatur gas masuk superheater = 555,66
o
C b.
Laju aliran massa gas buang masuk HRSG = 814,42 kg s 3.
Uap yang dihasilkan HRSG : a.
Temperatur = 530,66
o
C b.
Tekanan = 71,57 bar
c. Laju aliran massa uap
= 96,875 kg s 4. Temperatur di tiap titik komponen HRSG :
a. Temperatur gas buang masuk superheater
= 555,66
o
C b.
Temperatur gas buang masuk evaporator = 478,37
o
C c.
Temperatur gas buang masuk ekonomiser = 311,68
o
C d.
Temperatur gas buang masuk preheater = 244,594
o
C e.
Temperatur gas buang keluar preheater = 188,024
o
C
32
3.5. Daya yang dibangkitkan HRSG
Berdasarkan uap yang dihasilkan HRSG, maka daya yang dihasilkan turbin uap tersebut adalah :
P
T
= .
T
η
u
m h
8
– h
9a
= 0,85. 93,306 kgs 3460,744 kJkg – 2370,28 kJkg = 86484,80 kW = 86,484 MW
Jadi daya yang dihasilkan turbin uap adalah sebesar 86,484 MW.
15
KONDENSOR P1
TURBIN UAP GENERATOR
GENERATOR TURBIN GAS
KOMPRESOR RUANG BAKAR
UDARA ATMOSFER
SH
SIKLUS UAP
SIKLUS GAS
GAS BUANG
BAHAN BAKAR
EVA EKO
PRE FWT
P2
HRSG
SD
Keterangan : LPH
= Low pressure heater HPH
= High pressure heater P
= Pompa air umpan SH
= Superheater EVA
= Evaporator EKO
= Ekonomiser PRE
= Preheater FWT
= Feed water tank SD
= Steam drum
567
o
c 555,66
o 478,37
311,68 244,594 C
o 188,024
o
C o
530
o
C
Gambar 3.8. Diagram Instalasi Gabungan
34
BAB IV UKURAN-UKURAN UTAMA
4.1. Parameter Pipa Superheater
Superheater adalah pipa-pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan uap yang berasal dari drum uap menjadi uap panas lanjut.
Superheater ini terletak pada bagian bawah sekali daripada susunan komponen alat penukar kalor yang ada pada HRSG.
Sistem perpindahan panasnya adalah sistem konveksi berlawanan arah. Dimana uap mengalir dari atas ke bawah sementara gas buang mengalir dari
bawah ke atas. Pada sistem perpindahan panas konveksi berlawan 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 arus berlawanan arah adalah lebih besar daripada konveksi searah. Besarnya luas permukaan perpindahan panas yang dibutuhkan diperoleh
dari persamaan berikut J.P Holman, 1998: A =
.LMTD U
Q Dimana :
A = Luas permukaan perpindahan kalor m
2
Q = Besar perpindahan kalor Js
U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh Wm
2 o
C LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma
o
C Besarnya harga LMTD sistem perpindahan panas pada superheater ini
adalah seperti ditunjukkan pada gambar berikut :
35
555,66
530,66 461,78
287,35
Gambar 4.1. Sket aliran uap dan gas buang pada superheater
Dimana sebelumnya telah diperoleh : T
6
= Temperatur uap masuk superheater = 287,35
C T
7
= Temperatur uap keluar superheater = 530,66
C T
g1
= Temperatur gas buang masuk superheater = 555,66
C T
g2
= Temperatur gas buang keluar superheater = 461,78
C Dimana :
min max
min max
ln T
T T
T LMTD
∆ ∆
∆ −
∆ =
dimana : ∆T
max
= T
g1
– T
7
= 555,66 C – 530,66
C = 25
o
C ∆T
min
= T
g2
– T
6
= 461,78 C – 287,35
C = 174,43
C Maka diperoleh harga LMTD :
LMTD =
C C
C C
25 43
, 174
ln 25
43 ,
174 −
LMTD = 76,63 C
36
Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut Incropera, 1981:
. 1
. 1
1 h
R A
A A
h U
w h
h c
i
η +
+
=
dimana : h
i
= Koefisien konveksi dalam pipa Wm
2 0
C A
c
A
h
= Perbandingan luasan pipa bagian dalam dengan luasan pipa yang menyerap kalor
A
h
.R
w
= Tahanan konduksi pipa Superheater m
2 0
CW h
o
= Koefisien konveksi gas buang W m
2 o
C η = Efektivitas sirip bagian luar.
Pipa superheater dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari ukuran standart pipa untuk baja
schedule 40 dengan diameter nominal DN 1 ½, bertujuan agar pembentukan uap dapat berlangsung lebih cepat.
Maka diambil ukuran- ukuran pipa sebagai berikut : D
i
: Diameter dalam = 1,9 in = 0,048 m
D
o
: Diameter luar = 1,61 in = 0,040894 m t
: Tebal pipa = 0,145 in = 0,003683 m untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan
kapasitas uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan sebagai berikut :
a. Panjang pipa uap aktif yang berhubungan dengan pipa – pipa = 7 m
dengan memperhitungkan standart panjang pipa yang ada b.
Jarak antara dua buah pipa = 2 . D
o
= 0,084 m c.
Panjang pipa perbatang = 14,64 m Penentuan panjang pipa berdasarkan pemilihan dari panjang pipa yang sering
digunakan dengan panjang 4,88 m Tunggul S, 1975. Maka sket perancangan pipa superheater dapat dilihat pada gambar berikut :
37
Gambar 4.2 Sketsa rancangan pipa – pipa superheater.
Sehingga jumlah pipa – pipa superheater yang dibutuhkan adalah : 1
096 ,
7 +
= =
m m
ST a
panjangpip n
= 74 batang dalam satu baris Dimana: ST = jarak antar dua titik pusat pipa
4.1.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa h
i
Koefisien pindahan panas dalam pipa h
i
seharusnya ditentukan pada temperatur film. Dalam hal ini dapat juga ditentukan pada kondisi temperatur uap
rata – rata superheater =
u T
409
o
C pada tekanan 71,57 bar. Dari tabel sifat- sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, Lampiran 11 setelah diinterpolasi
diperoleh data – data sebagai berikut : µ
= 2,577 . 10
-5
kg m.s k
= 0,0644 Wm C
ρ = 1v = 25 kgm
3
Pr = 1,068
Cp = 2,67 Jkg.K
Kecepatan aliran uap pada superheater dihitung sebagai berikut Sorensen, 1983:
i u
u
A n
m V
. .
.
ρ
= dimana:
V
u
= Kecepatan aliran uap dalam pipa ms
u
m
= Laju aliran uap = 93,306 kg s
38
n = Jumlah pipa superheater = 74 batang
v = Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata- rata
pada superheater dengan tekanan 71,57 bar.
Dimana: v
6
= 0,02676 m
3
kg v
7
= 0,04943m
3
kg = 0,038095m
3
kg maka diperoleh harga kecepatan aliran uap:
2
0409 ,
4 74
306 ,
93 π
=
u
V = 36,565 ms
Diperoleh kecepatan uap dalam pipa sebesar 36,565 ms masih dalam batas kecepatan uap maksimum yang diijinkan untuk uap yaitu sebesar 50 ms
M.J.Djokostyardjo, 1990. Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan
Reynold Bayazitogli, 1988: Re =
Dimana: = massa jenis uap pada superheater kgm
3
= Viskositas dinamika uap kgm.s Di = Diameter dalam m
Maka: Re =
5
10 .
577 ,
2 0409
, .
565 ,
36 .
25
−
= 14,50823. 10
5
Aliran yang terjadi adalah turbulen, R
e
2300 JP.Holman, 1998 , maka h
i
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut Bayazitoglu, 1988:
i u
i
D k
N h
. =
Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan JP.Holman 1998:
4 ,
8 ,
. 023
,
r e
u
P R
N =
= 0,023 . 14,50823 . 10
5 0,8
. 1,068
0,4
= 2006,54
39
Dengan : κ
= 0,0644 Wm
o
C D
i
= 0,0409 m Maka :
0409 ,
0644 ,
. 54
, 2006
=
i
h h
i
= 3159,44 Wm
2 o
C
4.1.2 Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h
o
Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang – seling. Seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.3 Susunan pipa selang – seling Dimana : 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 Dalam perencanaan ini susunan pipa direncanakan selang – seling. Untuk
mendapatkan besarnya koefisien konveksi terlebih dahulu ditentukan sifat – sifat gas buang. Sipat – sipat gas buang seharusnya dievaluasi pada temperatur film,
dapat juga dievaluasi pada temperatur rata – rata pendekatan gas buang, yaitu :
2 478
66 ,
555 +
=
g
T
= 5 17
o
C = 790,15
o
K
40
Dari tabel sipat – sipat udara lampiran 10 diperoleh : κ
= 0,05726 Wm K
µ = 3,596 .10
-5
kg m.s ρ
= 0,4465 kgm
3
Pr = 0,6884
Cp = 1,0954 Jkg. K
Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V
g maks
pada rangkuman pipa, dimana dari gambar 4.3, maka kecepatan maksimum dapat terjadi pada A
1
dan A
2
a. Apabila pada A
1
, maka :
g O
T T
gmaks
V D
S S
V .
− =
...................... Incropera, 1981 b.
Apabila pada A
2
, maka :
g O
D T
gmaks
V D
S S
V .
2 −
= ...................... Incropera, 1981
V
gmaks
terjadi pada A
2
apabila:
2 2
5 ,
2 2
O T
T L
D
D S
S S
S −
+ =
...... Incropera, 1981 040894
, 648574783
, .
0197427 ,
422 =
i
h 0,107912636 0,07239
Maka dapat disimpulkan V
g maks
terjadi pada A
1
:
g O
T T
gmaks
V D
S S
V .
− =
dimana : V
g
= Kecepatan gas masuk pada rangkuman pipa diukur pada temperatur gas buang masuk rangkuman pipa
L n
S m
V
T g
g g
. .
.
ρ
=
2
O T
D
D S
S +
41
dimana :
g
m : Laju aliran gas buang = 784,66 kgs
g
ρ : Massa jenis gas buang pada T
gas buang masuk
= 555,66
o
C : = 828,81 K yaitu, sebesar 0,4257 kgm
3
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 :
64 ,
14 .
74 .
096 ,
. 4257
, 66
, 784
=
g
V = 17,723 ms
Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V
g maks
sebesar : 723
, 17
. 048
, 096
, 096
, −
=
gmaks
V = 35,45 ms
Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang, adalah : µ
ρ
h gmaks
e
D V
R .
. =
Dimana : R
e
: Bilangan Reynold ρ
: Massa jenis gas pada suhu rata – rata kgm
3
D
h
: Diameter hidrolik pipa m µ : Viskositas dinamik pada suhu rata – rata kgm.s
Dimana : D
h
=
h a
f
A A
. 4
. 1
……………W.M. Kays, 1984
Dimana : 1
f
: Jarak dua buah pipa = 0,084 m A
a
: Luas penampang aliran m
2
A
h
: Luas total permukaan yang menyerap panas m
2
42
Dan : h
o
=
Dh k
Nu.
Dimana : N
U
= Bilangan Nusselt k = Konduktivitas gas buang Wm
o
C Pada perancangan pipa – pipa Superheater ini, dirancang menggunakan
sirip untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip terlihat pada gambar di bawah ini.
Gambar 4.4. Penampang pipa bersirip Dimana :
r
o
: Jari – jari luar pipa = 0,024 m 1
: Panjang sirip = 0,009 m r
e
: Jari –jari pipa bersirip =0,033 m δ
: Tebal sirip = 0,00046 m N
f
: Jumlah sirip = 289 siripm r
i
: jari-jari dalam pipa = 0,0204 m
Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, maka dapat dicari :
a. Luas permukaan sirip A
f f
e o
e f
N D
D D
A .
. .
4 .
2
2 2
+ −
= δ
π π
43
dimana : A
f
: Luas permukaan sirip m
2
D
e
: Diameter sirip = 0,066 m D
o
: Diameter luar pipa = 0,048 m δ
: Tebal sirip = 0,00046 m N
f
: jumlah sirip dalam 1 meter panjang pipa Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :
289 .
00046 ,
. 066
, .
4 048
, 066
, .
. 2
2 2
+ −
=
π π
f
A
= 0,959 m
2
dalam 1 meter panjang pipa b.
Luas permukaan primer A
p
t f
o p
N N
L D
A .
. δ
π −
= Dimana : N
t
: 1, untuk 1 batang pipa.
[ ]
1 .
289 .
00046 ,
1 048
, .
− =
π
p
A
= 0,13075m
2
untuk 1 meter panjang pipa c.
Luas total permukaan pipa yang menyerap panas untuk 1 meter panjang pipa A
h
dan A
h
= A
f
+ A
p
Dimana : A
h
: Luas total permukaan pipa yang menyerap panas m
2
A
f
: Luas permukaan sirip A
p
: Luas primer Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar :
A
h
=0,959 + 0,13075 = 1,08975 m
2
d. Perhitungan Diameter hidraulik D
h
: Luas penampang area aliran gas buang gambar 4.5
Gambar 4.5. Profil luas penampang area Superheater
44
Dalam hal ini, Luas penampang area A
a
merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1 meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter.
f O
T a
N L
D S
A .
. 1
2
δ
− −
=
= 0,096 – 0,048 . 1 – 2 0,009.0,00046.289 = 0,0456 m
2
Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D
h
: D
h
=
0893
, 1
0456 ,
. 4
. 096
, = 0,016 m dalam 1 m panjang pipa
Sehingga Bilangan Reynold :
5
10 .
596 ,
3 016
, .
46 ,
35 .
4465 ,
−
=
e
R = 7042,68
2000 R
e
40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt Incropera, 19981 adalah:
Nu = 1,13. C
1
. R
e m
. Pr
0,33
Dimana: Nu
= Bilangan Nusselt Re
= Bilangan Reynold Pr
= Bilangan Prandalt 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,
3 1
556 ,
6884 ,
68 ,
7042 482
, .
13 ,
1 =
Nu = 66,285
45
Maka dapat dicari koefisien pindahan panas di luar pipa h
o
Dh k
Nu h
o
. =
= 016
, 05726
, .
285 ,
66 = 237,217 Wm
2 o
C
4.1.3. Pemilihan Pipa Superheater
Untuk dapat menjamin kekuatan pipa Superheater khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi didalam pipa, maka kekuatan material pipa yang
digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus Vincent Cavaseno, 1979:
2 .
2 .
P t
D P
S
O
− ≥
Dimana : P
= Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 71,57 Bar = 1037,765 psi
S = Tegangan tarik yang diijinkan psi
2 765
, 1037
145 ,
. 2
9 ,
1 .
765 ,
1037 −
≥ S
≥ S
6280,2675 psi
Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memiliki tegangan ijin S diatas 6280,2675 psi dalam suhu maksimum yang
terjadi. Dari tabel bahan pipa lampiran 7 direncanakan material pipa yang digunakan adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel SA 176, 16 Cr-12Ni- 2Mo
dimana pada temperatur 1100
o
F masih memiliki tegangan ijin sebesar 10300 psi. Jadi cukup aman untuk digunakan pada superheater dengan suhu maksimum yang
terjadi 1045,44
o
F. Mencari efisiensi sirip dengan menggunakan grafik efisiensi sirip
Incropera, 1981 seperti pada gambar dibawah ini.
46
Gambar 4.6. Grafik efisiensi sirip Dari data – data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung :
a.
2
δ
+ = L
Lc
=
2 00046
, 009
, +
= 0,00923 m b.
2
2
δ
+ =
e c
r r
=
2 00046
, 033
, +
= 0,03323 m c.
δ. Lc
Ap =
= 0,00923.0,00046 m = 0,4245. 10
-5
m
2
d. 024
, 03323
,
2
=
o c
r r
= 1,3846 e.
2 1
2 3
. Ap
k h
Lc
o
Dimana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 Diperoleh = 21,33 wm
o
C
47
2 1
5 2
3
10 .
4245 ,
. 33
, 21
217 ,
237 00923
,
−
= 1,435 Dari grafik diperoleh harga efisiensi sirip
f
η setelah diinterpolasi diperoleh
f
η = 45 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 .
0409 ,
. π
= 0,1179 Efektivitas sirip :
f h
f o
A A
η η
− −
= 1
1 = 1 –
1 – 0,72 = 0,5160
Tahanan konduksi pada pipa superheater A
h.
R
w
=
h c
i o
i w
h
A A
k D
D D
R A
. 2
ln .
= 1179
, .
33 ,
21 .
2 04094
, 04826
, ln
040894 ,
= 0,0013456 m
2 o
C W
4.1.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh
o o
w h
h c
i
h R
A A
A h
U .
1 .
1 1
η +
+
=
217 ,
237 .
516 ,
1 0013456
, 1179
, .
44 ,
3159 1
1 +
+ =
U
48
0121998 ,
1 = U
Maka : U = 81,96 Wm
2 o
C
4.1.5 Luas Bidang Pindahan Panas
Luas bidang perpindahan panas didapat dengan: LMTD
U Q
A .
= dimana :A
= Luas permukaan perpindahan kalor m
2
Q = Panas yang diserap superheater, pada perhitungan sebelumnya
diperoleh = 66498250 W U
= Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 81,96 Wm
2 0
C LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma = 76,63
C Maka :
63 ,
76 .
96 ,
81 66498250
= A
A = 10587,89 m
2
Lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74 batang pipa dalam 1 baris :
l A
n A
N
h
. =
Dimana : N
= jumlah lintasan A
= Luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 10587,89m
2
A
h
= Luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,08975 m
2
n = jumlah pipa perbaris = 74 batang baris
Maka : 64
, 14
. 08975
, 1
. 74
89 ,
10587 =
N = 8,97 lintasan
= 9 Lintasan Jadi jumlah pipa yang dibutuhkan pada Superheater, 9 x 74= 666 batang.
49
4.2 Perhitungan Parameter Pipa Evaporator