Parameter Perhitungan Pipa LP Evaporator

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.

Gambar 4.16. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada LP Evaporator Di mana sebelumnya telah diperoleh :

3 = temperatur uap masuk LP evaporator = 164,9 C T o

4 = temperatur uap keluar LP evaporator = 164,9 C Tg o

E = temperatur gas buang masuk LP evaporator = 252,2 C Tg o

F = temperatur gas buang keluar LP evaporator = 181,4 C Maka :

∆ T max − ∆ T min LMTD =

∆ …………………. (F.P. Incropera, 1981, hal. 510) T max ln

∆ T min

∆T 1 = Tg E–T 3

o = 252,24 C – 164,9 C o = 87,34 C

∆T 2 = Tg F–T 4

o = 181,4 C –164,9 C o = 16,5 C

∆T 1 sebagai ∆T min dan Maka ∆T 2 sebagai ∆T max. Maka diperoleh harga LMTD :

0 87,34 0 C − 16 , 5 C

LMTD = 87,34 C ln

16 0 , 5 C

o = 42,5 C Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan berikut atas dasar bidang luas pipa, yaitu :

= +A h .R W + ………… (F.P. Incropera, 1981, hal. 505) U

i = Koefisien konveksi dalam pipa (W/m . C)

A c /A h = Perbandingan luas pipa bagian dalam dengan luas pipa yang menyerap kalor

h .R W = Tahanan konduksi pipa LP evaporator (m . C/W)

= Koefisien konveksi gas buang (W/m . C) η 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 :

: diameter dalam

= 2,067 in = 0,0525 m

= 2,375 in = 0,0603 m t

: diameter luar

: tebal pipa

= 0,154 in = 0,0039 m

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 :

panjang pipa

= 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 :

P . D o P S ≥ − .................................... (Vincent Cavaseno, 1979) 2 . t

2 di mana :

P = Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 7 bar = 101,526 psia S = tegangan tarik yang diijinkan (psia)

101,526 x 2 , 375 101,526

2 x 0 , 154

S ≥ 732,1 psia

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 o T = 165,9 C ) pada tekanan 7 bar. Dari tabel sifat-sifat

air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut :

o μ = 0,000164 kg/m.s k = 0,6836 W/m. C Pr = 1,06

Kecepatan aliran uap pada LP evaporator dihitung sebagai berikut :

V u = ……………………. (Sorensen, 1983, hal. 339) n . A 1

dengan :

V u = Kecepatan aliran uap dalam pipa (m/s)

m u = laju aliran uap = 20,54 kg/s n

= jumlah pipa LP evaporator = 59 batang = jumlah pipa LP evaporator = 59 batang

rata pada LP evaporator dengan tekanan 7 bar. v 3 + v 4

v = ; di mana pada 7 bar : 2

3 =v f = 0,001108 m /kg

4 =v g =0,2729 m /kg

= 0,137 m /kg

ρ = 1/v

3 = 1 / 0,137 = 7,3 kg/m Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :

20 , 54 x 0 , 137

59 x ( π / 4 ) x ( 0 , 0525 )

= 22,04 m/s Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold (Bayazitoglu, 1988, hal. 234) yaitu :

7 , 3 x 22 , 04 x 0 , 0525

0 , 000164 = 51505 Aliran yang terjadi adalah turbulen, R e > 4000 (JP. Holman, 1998), maka h i

dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : N u . K

h i = ……………………….. (Bayazitoglu, 1988, hal. 283)

Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan : Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan :

0,4 = 0,023 x (51505) x (1,06) = 138,46

o dengan : k = 0,6836 W/m. C dan D

i = 0,0525 m

1 38 , 46 x 0 , 6836

Maka : h i =

2 o = 1802,88 W/m . 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.

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 :

252 , 24 + 181 , 4 o

C = 489,97 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 udara), dalam hal ini sifat – sifat gas buang yang diperoleh adalah dari www.hrsgdesign.com , yaitu :

k = 0,038595 W/m.K -5 μ = 2,62.10 kg/m.s ρ = 0,72243 kg/m 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 : S T

V g maks =

. V g ( ………………… (Incropera, 1981, hal. 344)

o Apabila pada A 2 , maka : S T

V g maks = . V g ……………….. (Incropera, 1981, hal. 344)

o V g maks terjadi pada A 2 apabila : S T + D o

 ……... (Incropera, 1981, hal. 344) 

Maka dapat disimpulkan V gmaks terjadi pada A 1 :

V g maks =

di mana :

V g = Kecepatan gas masuk pada rangkuman pipa diukur pada temperatur gas buang masuk rangkuman pipa

dengan :

m g : laju aliran gas buang = 565,9 kg/s

g : massa jenis gas buang pada T gas buang masuk = 252,24

C adalah sebesar 0,67277 kg/m 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 :

0 , 67277 x 0 , 1206 x 59 x 14 , 64

= 8,07 m/s Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum (V g maks ) sebesar :

V g maks =

x 8 , 07 (

= 16,14 m/s

Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah :

ρ . V gmaks . D h ρ . V gmaks . D h

ρ : Massa jenis gas pada suhu rata-rata (kg/ m 3 )

D h : Diameter hidrolik pipa (m) μ : Viskositas dinamik pada suhu rata-rata (kg/m.s)

di mana :

D h =l f .4. ……………………….. (W.M. Kays, 1984, hal. 8)

di mana :

1 f : jarak dua buah pipa = 0,1206 m

a : luas penampang aliran (m )

h : luas total permukaan yang menyerap panas (m )

dan : N u . k

h o = ……………………….. (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 δ : tebal sirip

= 0,00031 m

n f : jumlah sirip

= 346 sirip/m

Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, berdasarkan penelitian, maka dapat dicari : Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, berdasarkan penelitian, maka dapat dicari :

di mana : 2 A

f : Luas permukaan sirip (m )

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 panjang pipa = 346 sirip

Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :

A f =  + π . 0 , 0783 . 0 , 00031  . 346 

= 1,38 dalam 1 meter panjang pipa o Luas permukaan primer (A p )

Dimana : N t : 1, untuk 1 batang pipa

A P = [ π . 0 , 0603 ( 1 − 0 , 00031 . 346 ) ] . 1

2 = 0,169 m 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 :

h : luas total permukaan pipa yang menyerap panas (m )

f : luas permukaan sirip (m )

2 A p : luas primer (m ) Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar :

A h = 1,38 + 0,169

2 = 1,549 m Luas penampang area (A a ) merupakan luas penampang tanpa sirip

dalam 1 meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter.

= (0,1206 – 0,0603) x 1 – 2 x (0,009 x 0,00031 x 346)

2 = 0,0182 m

Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik (D h ):  0 , 0584 

D h = 0,1206 x 4 x 

= 0,0182 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold :

0 , 72243 x 16 , 14 x 0 , 0182

2 , 62 x 10

= 8099,7 2000 < R e < 40.000, maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah :

1/3 N

………………. (Incropera, 1981, hal. 344) Harga konstanta C 1 dan m diperoleh dari tabel korelasi Grimson (lampiran

u = 1,13 . C 1. R e . Pr

1) yang bergantung pada harga S L /D o dan S T /D o dari susunan pipa yang direncanakan.

S L 0 , = 1206 =

D o 0 , 0603 S T 0 , = 1206 =

D o 0 , 0603

Dari tabel diperoleh : C 1 = 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt :

1/3 N

= 1,13 x 0,482 x (8099,7)

x (0,68)

= 71,35 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa (h o ): Nu . k

2 o = 151,3 W/m . 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

Dari data-data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung : δ

= 0,039305 m Ap = L C .δ = (0,009155 x 0,00031) m

2 = 0,2838 x 10 m r 2 c 0 , 039305

Lc 1/2 (h o / k.Ap) di mana : k = konduktivitas bahan pipa (Lampiran 9) diperoleh = 19,865

− 19 5 , 865 x 0 , 2838 x 10  = 1,435

Dari grafik diperoleh harga efesiensi sirip ( η ) setelah diinterpolasi f

diperoleh η = 48 % f

Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa

yang menyerap panas dalam 1 meter (A c /A h ):

A h 1 , 549 π . 0 , 0525 . 1

1 , 549 = 0,1065 Efektivitas sirip :

4.5.5. Tahanan Konduksi pada Pipa LP Evaporator Tahanan konduksi pada pipa LP evaporator (A h .R w ):

0 , 0525 x In 

2 x 19 , 865 x 0 , 1065

2 o = 0,00172 m . C/W

4.5.6. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dihitung dari

persamaan berikut, yaitu :

U 1802 , 88 x 0 , 1065

0 , 536 x 151 , 3

2 o U= 51,92 W/m . C

4.5.7. Luas Bidang Pindahan Panas Luas bidang pindahan panas diperoleh dengan rumus sebelumnya yaitu :

A = U .(LMTD )

di mana :

A = luas permukaan perpindahan kalor (m 2 ) Q = panas yang diserap LP evaporator, pada perhitungan sebelumnya

diperoleh = 42441390 W

2 U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 51,92 W/m o . C o LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 42,5 C

Maka : 42441390

51 , 92 x 42 , 5

2 = 19233,8 m Lintasan (N) yang dibutuhkan untuk menyediakan luas permukaan yang

menyerap panas :

di mana :

A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 19233,8 m 2

h = luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,5491 m n = jumlah pipa per baris = 59 batang/baris

1 = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka :

59 x 1 , 5491 x 14 , 64

= 14 lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan LP evaporator adalah 14 x 59 = 826 Batang.