Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater (CPH)

4.6. Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater (CPH)

Pipa condensate preheater (CPH) merupakan pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan kondensat dari kondensor yang akan digunakan sebagai air umpan. Sistem perpindahan panas yang terjadi adalah konveksi berlawanan arah, di mana air mengalir dari atas ke bawah sedangkan gas buang mengalir dari bawah ke atas.

Gambar 4.19. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Cond. Preheater

Di mana sebelumnya telah diperoleh : T o

2 = temperatur uap masuk CPH

= 45,86 C

3 = temperatur uap keluar CPH

= 164,9 C

Tg o

F = temperatur gas buang masuk CPH

= 181,4 C

Tg G = temperatur gas buang keluar HP CPH = 107 o C Maka :

∆ T max − ∆ T min LMTD =

o = 107 C – 45,86 C o = 61,14 C

∆T 2 = Tg F – T 3

o = 181,4 C – 164,9 C o = 16,5 C

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

o = 34 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

h 1 

A   h 

2 dimana : h o

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 CPH (m . C/W)

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

= Efektivitas sirip bagian luar

4.6.1. Pemilihan Pipa CPH Pipa CPH dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja sama halnya

dengan pipa LP superheater. Diambil ukuran pipa dari ukuran standar pipa untuk

baja schedule 40 dengan diameter nominal ( DN ) 1½” (lampiran ukuran pipa). Maka diambil ukuran-ukuran pipa CPH 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). Jumlah pipa dalam 1 baris sering digunakan (Tunggul S., 1975, hal. 142). Jumlah pipa dalam 1 baris

panjang pipa

= 74 batang dalam 1 (satu) baris Dengan ST adalah jarak antara dua titik pusat pipa. Untuk dapat menjamin kekuatan pipa CPH 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 maksimal 7 bar

= 101,526 psia S = tegangan tarik yang diijinkan (psia)

101,526 x 1 , 9 101,526

2 x 0 , 145

S ≥ 614,4 psia Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang

memliki tegangan ijin (S) diatas 614,4 psia. 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 500 o F masih memiliki tegangan ijin sebesar 12150 psi, jadi cukup aman untuk digunakan pada CPH

dengan suhu maksimum yang terjadi 358,52 o F.

4.6.2. 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 dan tekanan uap rata-rata CPH yaitu u o T = 105,38 C dan tekanan 7 bar. Dari tabel

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

o μ = 0,000264 kg/m.s k = 0,6836 W/m. C Pr = 1,66

Kecepatan aliran uap pada CPH 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 = (67,65 + 20,54) kg/s = 88,19 kg/s n

= jumlah pipa CPH per baris = 74 batang v

= Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata – rata pada CPH dengan tekanan 7 bar, yaitu v = 0,001108 m 3 /kg

3 ρ 3 = 1/v = 1/0,001 m /kg = 902,527 kg/m Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :

88 , 19 x 0 , 001108

74 x ( π / 4 ) x ( 0 , 04089 )

= 1,0 m/s Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold (Bayazitoglu, 1988, hal. 234) yaitu :

902 , 527 x 1 x 0 , 04089

0 , 000264 = 139789,12 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 :

u = 0,023 R e . P r

0,4 = 0,023 x (139789,12) x (1,66) = 368,25

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

i = 0,04089 m, maka :

368,25 x 0 , 6836

2 o = 6156,4 W/m . C

4.6.3. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa (h o ) Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang-seling seperti pada gambar 4.20 di bawah ini :

Gambar 4.20. Susunan Pipa Selang-Seling pada CPH

di mana : 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 Sifat – sifat gas buang dievaluasi pada temperatur rata-rata gas buang :

181 , 4 + 107 T g = 2

o = 144,2 C = 417,35 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 : 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 :

Pr = 0,687

Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum (V g maks ) pada rangkuman pipa pada gambar 4.20, 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)  2    

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

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

g : massa jenis gas buang pada T gas buang masuk = 181,4

C adalah sebesar 0,77849 kg/m 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 : V g =

0,77849 x 0 , 096 x 74 x 14 , 64

= 6,95 m/s Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum (V g maks ) sebesar : 565 , 9

V g maks =

x 6 , 95 (

= 13,9 m/s

Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah :

ρ . V gmaks . D h

R e = µ dengan :

R e : Bilangan Reynold 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 = 0,084 m

a : luas penampang aliran (m )

h : luas total permukaan yang menyerap panas (m )

N u . k Maka : h o =

…………………………. (Bayazitoglu, 1988, hal. 283)

Pada perancangan pipa-pipa CPH ini dirancang menggunakan sirip untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip sama seperti pada HP ekonomiser yaitu :

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 sirip/m

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

o Luas permukaan sirip (A f )

di mana :

f : Luas permukaan sirip (m )

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 panjang pipa

Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :

2 = 0,963 m dalam 1 meter panjang pipa o Luas permukaan primer (A p )

Dimana : N t : 1, untuk 1 batang pipa

A P = [ π . 0 , 048 ( 1 − 0 , 00046 . 289 ) ] . 1

2 = 0,13075 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 )

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

A h = 0,963 + 0,13075

2 = 1,0944 m Luas penampang area (A a ) merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1

meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter.

= (0,096 – 0,048) x1 – 2 x (0,009 x 0,00046 x 289)

2 = 0,0456 m

Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik (D h ):  0 , 0456 

D h = 0,096 x 4 x 

= 0,016 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold dari persamaan sebelumnya :

0 , 84257 x 13 , 9 x 0 , 016

2 , 35 x 10 = 8073,61

2000 < R e < 40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah :

1/3 N

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

………………. (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.

S L 0 , 096 S T 0 , = 096 =

D o 0 , 048

D o 0 , 048 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 (8073,61)

x (0,687)

= 71,46 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa (h o ): Nu . k

h o = Dh

71 , 46 x 0 , 03409

2 o = 150,39 W/m . C

4.6.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip Untuk mencari efesiensi sirip dapat digunakan dengan menggunakan grafik efisiensi sirip (Incropera, 1981, hal. 108) seperti pada gambar 4.21 berikut :

Gambar 4.21. Grafik Efisiensi Sirip

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

= 0,00923 m δ

r 2c = r e + 2

= 0,03323 m

Ap = L C .δ = (0,00923 x 0,00046) m

= 0,4245.10 m r 2 c 0 , 03323

Lc 1/2 (h o / k.Ap) di mana : k = konduktivitas bahan pipa (Lampiran 9) diperoleh = 18,9934

− 18 5 , 9934 x 0 , 4245 x 10  = 1,24

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

diperoleh η = 54 %. Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total f

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

A h 1,0944 π . 0 , 04089 . 1

= 0,11735 Efektivitas sirip :

 x (1 – 0,54)  1,0944 

4.6.5. Tahanan Konduksi pada Pipa CPH

Tahanan konduksi pada pipa CPH (A h .R w )  D o 

0 , 04089 x In 

2 x 18 , 9934 x 0 , 11735

2 o = 0,00152 m . C/W

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

persamaan berikut, yaitu :

U 6156 , 4 x 0 , 11735

0 , 595 x 150 , 39

1= 0 , 014079 U

2 U= o 71,02 m . C

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

A = U .(LMTD ) A = U .(LMTD )

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

44508875 W

2 U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 71,02 W/m o . C o LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 34 C

Maka : 44508875

71 , 02 x 34

2 = 18432,6 m Lintasan (N) yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74

batang pipa dalam 1 baris :

di mana :