49
4.2 Perhitungan Parameter Pipa Evaporator
Evaporator adalah pipa-pipa pemanas yang berfungsi untuk menguapkan air dari keadaan cair jenuh menjadi uap yang hampir jenuh. Air jenuh berasal dari
drum, dan akibat perbedaan massa jenis yang diakibatkan pemanasan terjadi sirkulasi, dan uap akan kembali ke drum. Sistem pindahan panas yang terjadi
adalah sistem konveksi searah, dimana air mengalir dari bawah keatas demikian juga gas buang. Gas buang yang dimanfaatkan pada komponen ini berasal dari gas
buang yang keluar dari Superheater. Distribusi temperatur dan arah aliran fluida dapat dilihat seperti pada
gambar. Besarnya harga LMTD sistem perpindahan panas pada Evaporator ini seperti ditunjukkan gambar dibawah ini.
478,37
311,68
287,35 287,35
Gambar 4.7. Sket aliran uap dan gas buang pada Evaporator
Dimana sebelumnya telah diperoleh : T
6
= Temperatur uap keluar Evaporator = 287,35
C T
5
= Temperatur uap masuk Evaporator = 287,35
C T
g2
= Temperatur gas buang masuk Evaporator = 478,37 C
T
g3
= Temperatur gas buang keluar Evaporator = 311,68 C
50
Dimana :
min max
min max
ln T
T T
T LMTD
∆ ∆
∆ −
∆ =
dimana : ∆T
max
= T
g2
– T
5
= 478,37 – 287,35,7 = 174,12
C ∆T
min
= T
g3
– T
6
= 311,68 – 287,35 = 24,33
C
Maka diperoleh harga LMTD : LMTD =
33 ,
24 12
, 174
ln 33
, 24
12 ,
174 −
LMTD = 76,11 C
Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dihitung dari persamaan berikut atas dasar bidang luas pipa, yaitu:
. 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 Evaporator m
2 0
CW h
o
= Koefisien konveksi gas buang W m
2 o
C η = Efektivitas sirip bagian luar.
Pipa Evaporator dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter lebih besar dar pipa Superheater. Diambil ukuran pipa dari
ukuran standart pipa untuk baja schedule 40 dengan diameter nominal DN 2.
51
Maka diambil ukuran- ukuran pipa 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 untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan
kapasitas uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan seperti yang ada pada Superheater:
a. Panjang pipa uap aktif yang berhubungan dengan pipa – pipa = 7 m
b. Jarak antara dua buah pipa = 2.D
o
= 0,0603 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. Jumlah pipa dalam 1 baris direncanakan sama seperti perancangan pada
Superheater. Maka sket perancangan pipa Evaporator dapat dilihat pada gambar dibawah:
Gambar 4.8. Evaporator yang direncanakan Sehingga jumlah pipa – pipa Evaporator yang dibutuhkan adalah :
1 12065
, 7
+ =
= m
m ST
a panjangpip
n = 59 batang pipa dalam 1 baris
4.2.1. 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 Evaporator =
u T
287,35
o
C pada tekanan 71,57 Bar. Dari tabel sifat-
52
sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, Lampiran 11 setelah diinterpolasi diperoleh data – data sebagai berikut :
κ = 0,4713 Wm
C µ
= 8,259 . 10
-5
kg m.s ρ
= 1v = 37,45 kgm
3
Pr = 0,969
Cp = 4,879 Jkg.K
Kecepatan aliran uap pada pipa Evaporator dihitung sebagai berikut :
i u
u
A n
v m
V .
.
=
Dimana: V
u
= Kecepatan aliran uap dalam pipa ms
u
m
= Laju aliran uap = 93,306 kgs n
= Jumlah pipa Evaporator = 59 batang v
= Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata- rata pada Evaporator dengan tekanan 71,57 bar
; 2
5 6
v v
v +
= dimana : pada71,57 Bar : v
6
=v
g
= 0,0267 m
3
kg v
5
=v
f
= 0,001356 m
3
kg
2 001356
, 0267
, +
= v
= 0,014 m
3
kg Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :
2
0525 ,
4 .
59 014
, 306
, 93
π =
u
V = 10,23 ms
Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold, dihitung dari persamaan berikut :
R =
5
10 .
259 ,
8 0525
, .
23 ,
10 .
45 ,
37
−
= 243533,83
53
Aliran yang terjadi adalah turbulen R
e
2100 , maka h
i
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
i u
i
D k
N h
. =
Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan :
4 ,
8 ,
. 023
,
r e
u
P R
N =
= 0,023 . 243533,83
0,8
. 0,969
0,4
= 462,92 Dengan :
κ = 0,4713 Wm
o
C D
i
= 0,0525 m Maka :
0525 ,
0,4713 .
462,92 =
i
h = 4155,699 Wm
2 o
C
4.2.2 Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h
o
Susunan pipa Evaporator yang dirancang adalah susunan selang – seling. Seperti pada gambar di bawah ini.
Gambar 4.9. Susunan pipa selang – seling
Dimana direncanakan S
T
= S
L
= 2. D
o
= 0,12065 m Sipat – sipat gas buang dievaluasi pada temperatur rata – rata :
2 68
, 311
34 ,
478 +
=
g
T
54
= 395,15
o
C = 651,3 K Dari tabel sipat – sipat udara lampiran 10 diperoleh :
κ = 0,04960 Wm
K µ
= 3,181 .10
-5
kg m.s ρ
= 0,54196 kgm
3
Pr = 0,682
Cp = 1,0638 kJkg.K.
Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V
g maks
pada rangkuman pipa, dimana dari gambar 4.9 dibawah ini, 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 .
− =
b. Apabila pada A
2
, maka :
g O
D T
gmaks
V D
S S
V .
2 −
= V
g maks
terjadi pada A
2
apabila :
2
O T
D
D S
S +
2 2
5 ,
2 2
O T
T L
D
D S
S S
S −
+ =
2 060325
, 12065
, 2
12065 ,
12065 ,
5 ,
2 2
+
+
=
D
S
0,134890796 0,0904875 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
=
55
dimana :
g
m : Laju aliran gas buang = 784,66 kgs
g
ρ : Massa jenis gas buang pada T
gas masuk
= 478,37
o
C yaitu, sebesar 0,4805 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 : 64
, 14
. 59
. 1206
, .
4805 ,
66 ,
784 =
g
V = 15,676 ms
Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V
g maks
sebesar : 676
, 15
. 0603
, 1206
, 1206
, −
=
gmaks
V = 31,35 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
Dimana : 1
f
: Jarak dua buah pipa = 0,12065 m A
a
: Luas penampang aliran m
2
A
h
: Luas total permukaan yang menyerap panas m
2
Dan : h
o
= Dh
k Nu.
Dimana : N
U
= Bilangan Nusselt k = Konduktivitas gas buang Wm
o
C
56
Pada perancangan pipa – pipa Evaporator ini, dirancang menggunakan sirip dengan profil yang sama dengan Superheater Gambar 4.4 untuk
menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip seperti di bawah ini.
r
o
: Jari – jari luar pipa = 0,03015 m 2
: Panjang sirip = 0,009 m r
e
: Jari –jari pipa bersirip =0,0391625 m δ
: 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 : Luas permukaan sirip A
f f
e o
e f
N D
D D
A .
. .
4 .
2
2 2
+ −
= δ
π π
dimana : A
f
: Luas permukaan sirip m
2
D
e
: Diameter sirip = 0,0783 m D
o
: Diameter luar pipa = 0,0603 m δ
: Tebal sirip = 0,00031 m N
f
: jumlah sirip dalam 1 meter panjang pipa = 346 sirip Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :
246 .
00031 ,
. 0783
, .
4 0603
, 0783
, .
. 2
2 2
+ −
=
π π
f
A
= 1,38 m
2
dalam 1 meter panjang pipa 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 .
346 .
00031 ,
1 0603
, .
− =
π
p
A
= 0,169m
2
untuk 1 meter panjang pipa Luas total permukaan pipa yang menyerap panas untuk 1 meter panjang
pipa A
h
dan A
h
= A
f
+ A
p
57
Dimana : A
h
: Luas total permukaan pipa yang menyerap panas m
2
A
f
: Luas permukaan sirip = 1,38 m
2
A
p
: Luas primer = 0,169 m
2
Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar : A
h
=1,138 + 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.
f O
T a
N L
D S
A .
. 1
2
δ
− −
=
= 0,1206– 0,0603 . 1 – 2 0,009. 0,00031.346 = 0,0182 m
2
c. Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D
h
: D
h
=
549
, 1
0584 ,
. 4
. 1206
, = 0,0182 m dalam 1 m panjang pipa
d. Sehingga Bilangan Reynold :
5
10 .
181 ,
3 0182
, .
352 ,
31 .
54196 ,
−
=
e
R = 9721,65
2000 R
e
40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt 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 0603
, 1206
, =
=
o L
D S
58
2 0603
, 1206
, =
=
o T
D S
Dari tabel diperoleh : C
1
= 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt :
3 1
556 ,
682 ,
65 ,
9721 482
, .
13 ,
1 =
Nu = 79,05
Maka dapat dicari koefisien pindahan panas di luar pipa h
o
Dh k
Nu h
o
. =
= 0182
, 04960
, .
05 ,
79 = 215,43 Wm
2 o
C
4.2.3. Pemilihan Pipa Evaporator
Untuk dapat menjamin kekuatan pipa Evaporator khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi didalam pipa, maka kekuatan material pipa yang
digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus :
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
154 ,
. 2
75 ,
2 .
765 ,
1037 −
≥ S
≥ S
7483,36 psi
Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memiliki tegangan ijin S diatas 7483,36 psi dalam suhu maksimum yang terjadi.
Dari tabel bahan pipa lampiran 7 direncanakan material pipa yang digunakan
59
adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel 17618Cr – 8Ni dimana pada temperatur 900
o
F masih memiliki tegangan ijin sebesar 10150 psi. Jadi cukup aman untuk digunakan pada Evaporator dengan suhu maksimum yang
terjadi 863,204
o
F Mencari efisiensi sirip dengan menggunakan grafik efisiensi sirip seperti
pada gambar,
Gambar 4.10. Grafik efisiensi sirip Dari data – data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung :
a.
2
δ
+ = L
Lc
=
2 00031
, 009
, +
= 0,009155 m b.
2
2
δ +
=
e c
r r
=
2 00031
, 03915
, +
= 0,039305 m c.
δ. Lc
Ap =
= 0,009155.0,00031 m = 0,2838.10
-5
m
2
60
d. 03015
, 039305
,
2
=
o c
r r
= 1,3036
e.
2 1
2 3
. Ap
k h
Lc
o
Dimana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 Diperoleh = 19,865 wm
o
C
2 1
5 2
3
10 .
2838 ,
. 865
, 19
93 ,
192 009155
,
−
= 0,667 f.
Dari grafik diperoleh harga efisiensi sirip
f
η setelah diinterpolasi diperoleh
f
η = 37,5 Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa
yang menyerap panas dalam 1 meter A
c
A
h
. 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 –
1 – 0,375 = 0,4432
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 .
= 1065
, .
865 ,
19 .
2 0525
, 0603
, ln
0525 ,
= 0,00172 m
2 o
C W
61
4.2.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh
o o
w h
h c
i
h R
A A
A h
U .
1 .
1 1
η +
+
=
43 ,
215 .
4432 ,
1 00172
, 1065
, .
699 ,
4155 1
1 +
+ =
U
014453 ,
1 = U
Maka : 01187328
, 1
= U
= 69,189 Wm
2 o
C
4.2.5 Luas Bidang Pindahan Panas
LMTD U
Q A
. =
dimana :A = Luas permukaan perpindahan kalor m
2
Q = Panas yang diserap Evaporator, pada perhitungan sebelumnya
diperoleh = 139500860 W U
= Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 69,189 Wm
2 0
C LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma = 76,11
C Maka :
11 ,
76 .
189 ,
69 139500860
= A
, A = 26490,98 m
2
Jumlah lintasan yang dibutuhkan untuk menyediakan luas permukaan yang menyerap panas :
h
A n
A N
. =
Dimana : N
= jumlah lintasan A
= Luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 26490,98 m
2
A
h
= Luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,5491m
2
n = jumlah pipa perbaris = 59 batang baris
Maka : 64
, 14
. 549
, 1
. 59
26490,98 =
N
62
= 19,799 lintasan = 20 Lintasan
Jadi jumlah pipa yang dibutuhkan pada Evaporator, 20x 59= 1180 Batang
4.3 Perhitungan Parameter Pipa Ekonomiser.
Kategori