Parameter Perhitungan Pipa LP Evaporator

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. L D n A N o . . . π = di mana : A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 283,37 m 2 n = jumlah pipa per baris = 59 batangbaris L = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka : 64 , 14 0603 , 14 , 3 59 283,37 x x x N = = 1,73 lintasan = 2 Lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan LP Superheater adalah 2 x 74 = 148 Batang.

4.5. Parameter Perhitungan Pipa LP Evaporator

Sistem perpindahan panas pada LP evaporator adalah sistem konveksi searah, di mana air mengalir dari bawah ke atas demikian juga gas buang. Gas buang yang dimanfaatkan pada komponen ini berasal dari gas buang yang keluar dari LP superheater. Distribusi temperatur dan arah aliran fluida dapat dilihat seperti pada gambar 4.15. Besarnya harga LMTD yang dihasilkan pada LP evaporator ditunjukkan pada gambar 4.15 di bawah ini. Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 181,4 164,9 252,2 T o C Tg E Tg F T 4 T 3 L m 164,9 Gambar 4.16. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada LP Evaporator Di mana sebelumnya telah diperoleh : T 3 = temperatur uap masuk LP evaporator = 164,9 o C T 4 = temperatur uap keluar LP evaporator = 164,9 o C Tg E = temperatur gas buang masuk LP evaporator = 252,2 o C Tg F = temperatur gas buang keluar LP evaporator = 181,4 o C Maka : LMTD = min max min max ln T T T T ∆ ∆ ∆ − ∆ …………………. F.P. Incropera, 1981, hal. 510 ∆T 1 = Tg E – T 3 = 252,24 o C – 164,9 o C = 87,34 o C ∆T 2 = Tg F – T 4 = 181,4 o C –164,9 o C = 16,5 o C ∆T 1 sebagai ∆T min dan Maka ∆T 2 sebagai ∆T max. Maka diperoleh harga LMTD : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. LMTD = C 5 , 16 C 87,34 ln C 5 , 16 C 87,34 − = 42,5 o C Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut atas dasar bidang luas pipa, yaitu : 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 LP evaporator m 2 . o CW h o = Koefisien konveksi gas buang Wm 2 . o C o = Efektivitas sirip bagian luar 4.5.1. Pemilihan Pipa LP Evaporator Pipa LP evaporator dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari ukuran standar pipa untuk baja schedule 40 dengan diameter nominal DN 2” lampiran ukuran pipa. Maka diambil ukuran –ukuran pipa LP evaporator sebagai berikut : D i : diameter dalam = 2,067 in = 0,0525 m D o : diameter luar = 2,375 in = 0,0603 m t : tebal pipa = 0,154 in = 0,0039 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan laju aliran uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan seperti yang ada pada HP evaporator, yaitu :  Panjang pipa aktif yang berhubungan dengan pipa-pipa = 7 m dengan memperhitungkan standar panjang pipa yang ada  Jarak antara dua buah pipa = D o = 0,0603 m  Panjang pipa perbatang = 14,64 m Penentuan panjang pipa berdasarkan pemilihan dari panjang pipa yang sering digunakan Tunggul S., 1975, hal. 142. Direncanakan ST = SL = 2 . D o = 0,1206. Sehingga jumlah pipa-pipa LP evaporator yang dibutuhkan adalah : n = ST pipa panjang + 1 = 1206 , 7 + 1 = 59 batang dalam 1 satu baris Untuk dapat menjamin kekuatan pipa LP evaporator 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 7 bar = 101,526 psia S = tegangan tarik yang diijinkan psia S ≥ 2 101,526 154 , 2 375 , 2 101,526 − x x S ≥ 732,1 psia Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memliki tegangan ijin S diatas 732,1 psia dalam suhu maksimum yang terjadi 486,32 o F. Dari tabel bahan pipa lampiran 7 direncanakan material pipa yang digunakan adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel SA 176, 18Cr – 8Ni di mana pada temperatur 600 o F masih memiliki tegangan ijin sebesar 11400 psi, jadi cukup aman untuk digunakan pada LP evaporator dengan suhu maksimum yang terjadi 486,32 o F. 4.5.2. 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 LP evaporator u T = 165,9 o C pada tekanan 7 bar. Dari tabel sifat-sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut : = 0,000164 kgm.s k = 0,6836 Wm. o C Pr = 1,06 Kecepatan aliran uap pada LP evaporator 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 = 20,54 kgs n = jumlah pipa LP evaporator = 59 batang Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. v = Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata – rata pada LP evaporator dengan tekanan 7 bar. v = 2 4 3 v v + ; di mana pada 7 bar : v 3 = v f = 0,001108 m 3 kg v 4 = v g =0,2729 m 3 kg v = 2 0,2729 001108 , + = 0,137 m 3 kg ρ = 1v = 1 0,137 = 7,3 kgm 3 Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar : V u = 2 0525 , 4 59 137 , 54 , 20 x x x π = 22,04 ms Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold Bayazitoglu, 1988, hal. 234 yaitu : R e = µ ρ i u D V . . = 000164 , 0525 , 04 , 22 3 , 7 x x = 51505 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 : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. N u = 0,023 4 , 8 , . r e P R = 0,023 x 51505 0,8 x 1,06 0,4 = 138,46 dengan : k = 0,6836 Wm. o C dan D i = 0,0525 m Maka : h i = 0525 , 6836 , 46 , 38 1 x = 1802,88 Wm 2 . o C 4.5.3. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h o Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang-seling seperti gambar 4.17. di bawah ini. S T S L S D A 1 A 2 Gambar 4.17. Susunan Pipa Selang-Seling pada LP Evaporator 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 4 , 181 24 , 252 + = 216,82 o C = 489,97 K Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 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 udara, dalam hal ini sifat – sifat gas buang yang diperoleh adalah dari www.hrsgdesign.com , yaitu : k = 0,038595 Wm.K = 2,62.10 -5 kgm.s = 0,72243 kgm 3 Pr = 0,68 Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V g maks pada rangkuman pipa pada gambar 4.17. Maka kecepatan maksimum dapat terjadi pada A 1 dan A 2. o Apabila pada A 1 , maka : 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 12065 , 12065 ,               + 2 060325 , 12065 , − 0,13489078 0,08616 Maka dapat disimpulkan V gmaks terjadi pada A 1 : 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 . − 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 = 252,24 o C adalah sebesar 0,67277 kgm 3 S T : jarak dua buah pipa = 0,1206 m n : banyak pipa 1 baris = 59 batang L : panjang pipa 1 batang = 14,64 m Maka : V g = 64 , 14 59 1206 , 67277 , 9 , 565 x x x = 8,07 ms Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V g maks sebesar : V g maks = 07 , 8 0603 , 1206 , 9 , 565 x − = 16,14 ms Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah : R e = µ ρ h gmaks D V . . Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. dengan : R e : Bilangan Reynold : Massa jenis gas pada suhu rata-rata kg m 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 = 0,1206 m 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 Pada perancangan pipa-pipa LP evaporator ini, dirancang menggunakan sirip dengan profil yang sama seperti HP evaporator untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan. Ukuran sirip seperti di bawah ini. r o : jari-jari luar pipa = 0,03015 m 1 : panjang sirip = 0,009 m r e : jari-jari pipa bersirip = 0,0391625 m : tebal sirip = 0,00031 m n f : jumlah sirip = 346 siripm Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, berdasarkan penelitian, maka dapat dicari : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 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 = 0,0783 m D o : Diameter luar pipa = 0,0603 m : Tebal sirip = 0,00031 m N f : Jumlah sirip dalam panjang pipa = 346 sirip Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar : A f = 346 . 00031 , . 0783 , . 4 0603 , 0783 , . . 2 2 2       + − π π = 1,38 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 . 346 . 00031 , 1 0603 , . − = π P A = 0,169 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 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 : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. A h = 1,38 + 0,169 = 1,549 m 2 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 − − = 0,1206 – 0,0603 x 1 – 2 x 0,009 x 0,00031 x 346 = 0,0182 m 2 Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D h : D h = 0,1206 x 4 x       549 , 1 0584 , = 0,0182 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold : R e = 5 10 62 , 2 0182 , 14 , 16 72243 , − x x x = 8099,7 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 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 0603 , 1206 , = = o L D S 2 0603 , 1206 , = = o T D S Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Dari tabel diperoleh : C 1 = 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt : N u = 1,13 x 0,482 x 8099,7 0,556 x 0,68 13 = 71,35 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa h o : h o = Dh k Nu. = 0182 , 038595 , 35 , 1 7 x = 151,3 Wm 2 . o C 4.5.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip Untuk mencari efesiensi sirip dapat digunakan dengan menggunakan grafik efisiensi sirip Incropera, 1981, hal. 108 seperti pada gambar 4.18 berikut. Gambar 4.18. Grafik Efisiensi Sirip Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Dari data-data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung : L C = 2 1 δ + = 2 00031 , 009 , + = 0,009155 m r 2c = 2 δ + e r = 2 00031 , 03915 , + = 0,039305 m Ap = L C . = 0,009155 x 0,00031 m = 0,2838 x 10 -5 m 2 o c r r 2 = 03015 , 039305 , = 1,3036 Lc 32 h o k.Ap 12 di mana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 diperoleh = 19,865 Wm 2 . o C 0,009155 32 2 1 5 10 2838 , 865 , 19 3 , 151     − x x = 1,435 Dari grafik diperoleh harga efesiensi sirip f η setelah diinterpolasi diperoleh f η = 48 Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa yang menyerap panas dalam 1 meter A c A h : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 549 , 1 . . L D A A i h c π = = 549 , 1 1 . 0525 , . π = 0,1065 Efektivitas sirip : f h f o A A η η − − = 1 1 = 1 –       549 , 1 38 , 1 x 1 – 0,48 = 0,536 4.5.5. Tahanan Konduksi pada Pipa LP Evaporator Tahanan konduksi pada pipa LP evaporator A h . R w :         = h c i o i w h A A k D D In D R A . 2 . = 1065 , 865 , 19 2 0525 , 0603 , 0525 , x x In x       = 0,00172 m 2 . o CW 4.5.6. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dihitung dari persamaan berikut, yaitu : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. o o W h h c i h R A A A h U . 1 . 1 1 η + +     = 3 , 151 536 , 1 00172 , 1065 , 88 , 1802 1 1 x x U + + = U = 51,92 Wm 2 . o C 4.5.7. 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 Q = panas yang diserap LP evaporator, pada perhitungan sebelumnya diperoleh = 42441390 W U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 51,92 Wm 2 . o C LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 42,5 o C Maka : A = 5 , 42 92 , 51 42441390 x = 19233,8 m 2 Lintasan N yang dibutuhkan untuk menyediakan luas permukaan yang menyerap panas : 1 . . h A n A N = di mana : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 19233,8 m 2 A h = luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,5491 m 2 n = jumlah pipa per baris = 59 batangbaris 1 = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka : 64 , 14 5491 , 1 59 19233,8 x x N = = 14 lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan LP evaporator adalah 14 x 59 = 826 Batang.

4.6. Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater CPH