Panas yang Meninggalkan Ruang Bakar Superheater

63 Δɛ = Δα = 0,048 Dengan demikian diperoleh: ɛ g = [1 x 0,126 + 1,1 x 0,11] - 0,048 = 0,2 α g =[1x0,126 x1.954,65588,06 0,45 ]+[1,1x0,11x1.954,65 588,06 0,65 ]- 0,048 α g = 0,432 Maka panas radiasi persatuan luas yang mengenai pipa waterwall adalah: Q wt A w tot = ɛx σ x ��ɛ g x T g 4 � − �α g x T g 4 �� Q wt A w tot = 0,93 x 5,669. 10 −8 x ��0,2 x 1.954, 65 4 � − �0,432 x 588,06 4 �� Q wt A w tot = 165.623,7 Wm 2 Q wt A w tot = 596.127,79 kJjam m 2 Q wt = 179.851.754,2 kJjam

4.6 Panas yang Meninggalkan Ruang Bakar

Besarnya panas yang meninggalkan ruang bakar Q q1 dapat dihitung dengan persamaan Muin. Syamsir A, 1988, h48: Q q1 = Qrb - Q wt 4-12 Dimana Q rb = panas yang tersedia dalamruang bakar = 354.739.464,8 kJjam Q wt = panas yang diserap oleh pipa water wall = 179.851.754,2 kJjam Q gt = 174.887.710,6 kJjam Entalpi gas asap meninggalkan ruang bakar 4-10 h g1 = Q gt m g h g1 = 174 .887.710,6 174 .085,313 h g1 = 1.004,6 kJkg = 432,882 Btulb Temperature gasasap meninggalkan ruang bakardari lampiran8dengan kelembaban gas asap 5,20 adalah 1.663 F = 909,3 C Universitas Sumatera Utara 64

4.7 Superheater

Superheater adalah alat yang digunakanuntuk memanaskan uap saturasi menjadi uap kering. Adapun tujuan penggunaan superheater ini adalah: • Untuk mencegah adanya uap basah yang masuk ke sudu-sudu turbin • Menaikkan entalpi uap sehingga kemampuan kerja uap akan lebih besar • Panas dari gas asap dimanfaatkan untuk membentuk uap kering sehingga kerugian panas akan semakin kecil yang mana hal ini meningkatkan efisiensi ketel Suatu pemanas lanjut atau superheatermerupakan pipa-pipayang berbanding tipis,dimana uap saturasi dari pipa-pipawaterwallmasuk ke pipa-pipa superheater. Pipa-pipa superheater ini menyerap panas dari gas asap atau flue gas dari hal pembakaran bahan bakar di ruang bakar. Uap saturasi dalam pipa superheater tersebut akan naik temperaturnya akibat penyerapan panas dari gas asap tersebut, sehinggauap saturasi akan berubah menjadi uap panas lanjut. Panas yang diserap pipa superheater dapat dihitung dengan persamaan berikut Morse F.T, 1974, h 366: Q sh = m u x h sh out -h sh in 4-13 dimana: m u = massa uap kapasitas uap pada ketel uap =121.042,62 kgjam h sh in = entalpi uap masuk superheater pada P = 80 bar dan T= 295,06 C = 2.758 kJkg h shout = entalpi uap masuk superheater pada P = 80 bar dan T= 480 C = 3.347,78 kJkg maka: Q sh = 121.042,62 x 3.347,78 - 2.758 = 71.388.516,42 kJjam Temperatur gas asap meninggalkansuperheater dapatdihitungdenganpersamaan Graffert Gustaf A, Fourth Edition, h 228. Universitas Sumatera Utara 65 Q sh =m g xC p T g1 - T g2 4-14 dimana: T g1 = Temperatur gas asap meninggalkan ruang bakar = 909,3 C Q sh = Panas yang diserap oleh pipa superheater = 71.388.516,42 kJkg m g = laju aliran gas asap = 174.085,313 kJkg C p = panas jenis gas asap pada suhu 909,3 C disamakan dengan udara, menurut Syamsir Muin = 1,174 kJkg C maka: T g2 =T g1 − Q sh Cp x m g T g2 = 909,3 − 71 .388.516,42 1 ,174 ฀174.085,313 T g2 =560 C Bahan pipa superheater direncanakan dari bahan seamless carbonsteel A106- Grade B pada temperature 20-650 F diperolehallowable stress bahan pipa S a = 15.000 psi Nomor schedule NS, dihitung dengan persamaan 4-3 NS = 1000 . P S a dimana: P = Tekanan kerja ketel = 80 bar= 1.160 psi S a = Allowable stress = 15.000 psi maka : NS = 1000 x 1.160 15 .000 = 77,3 Universitas Sumatera Utara 66 Berdasarkan dimensi pipamenurutstandartANSIlampiran 7 untuk nomorschedule NS = 77,3 direncanakan diameter nominal pipa sebesar 40 mm, maka:  Diameter luar pipa D = 48,3mm  Tebal pipa t = 5,8 mm Tebal pipa superheater yang mampu menahan tekanan kerja ketel dapat dihitung dengan persamaan 4-4 t m = D x P 2 S+ 0,8 P +C dimana: P = 1,5 tekanan kerja ketel uap = 120 bar = 1.740 psi S = Tegangantarik izinuntuk bahanyang dipergunakan = 15.000 psi D = Diameterluar pipa = 48,3 = 1,9in C = Konstantapenambah untuk bahan baja = D 1 in digunakan C=0,065 dan D 1in digunakan C= 0,05 maka: t m = 1.740 2 x 15.000+ 0,8 x 1.740 + 0,065 t m = 0,133 in t m = 3,368 mm Dari perhitungan diatas,tebal yang direncanakansangat aman dimanatebalminimum pipalebih kecildaritebal pipa yang direncanakan yaitusebesar5,8 mm 4.7.1 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Koefisienperpindahanpanasmenyeluruhdapat dihitung dengan persamaan Holman. J. P, 1993, h482: Universitas Sumatera Utara 67 U = 1 Do Di x 1 hi + � r0 K x In r0 ri �+ 1 h0 4-15 dimana: D o = diameter luar pipa= 0,0483 m D i = diameter dalam pipa = 0,0425 m r o =jari-jari luar pipa = 0,02415 m D o = jari-jaridalam pipa = 0,02125 m D o = koefisien perpindahan panas di luar pipa h i = koefisien perpindahan panas di dalam pipa K =konduktifitasbahanpipa untukcarbonstell 0,5C,temperature 1.182,3 C = 30,825 Wm 2 C Temperatur uap rata-rata dalam pipa superheater T � u = T sh out + T sh in 2 dimana: T sh out = temperatur uap keluar superheater = 480 C T sh in = temperatur uap masuk superheater = 295,06 C maka: T � u = 387,53 C = 660,53 K Tipe pipa superheater yang digunakan dalam rancangan ini termasuk tipe rangkuman tabung yang segaris Adapun jumlah seksi pipa superheater disesuaikan dengan panjang bagian belakang dapur s dengan jarak antara seksi pipa direncanakan sebesar dua kali diameter luar pipaD .Adapun pengertian seksi pipa dalam rancangan ini adalah pipa-pipa pemanas yang dihubungkan oleh elbow. Jumlah seksi n seksi yang digunakan dapat diperoleh dengan: Universitas Sumatera Utara 68 n seksi = S 2 D dimana: s = panjang laluan gas asap setelah ruang bakar D = diameter luar pipa n seksi = 1500 2 x 48,3 = 15 buah Kecepatan uap dalam pipa superheater Cengel. Yunus, 1994, h 180 ṁ u xv = n seksi xv x A i 4-16 v = m x v n seksi x A i dimana: ṁ u = laju aliran massauap = 121.042,65 kJjam v = volume spesifik uap padasuhu 387,53 C dan tekanan 80 bar = 0,03124 m 3 kg v = kecepatan aliran uap dalam pipa superheater A i = luas pipa bagian dalam A i = π 4 x D i 2 = 0,00142 m 2 n seksi = jumlah seksi = 15 buah maka: v = 121.42,62 x 0,03124 15 x 0,00142 = 157.557,143 mjam = 43,766 ms Masih dalam batas kecepatan maksimum untukkecepatan uapdalampipa superheater. Bilangan Reynold untuk uap adalah Jack B. Evett, 1987, h 134 R e = ρ x v x D i μ 4-17 Universitas Sumatera Utara 69 Dari table uap pada suhu diperolehsifat-sifatuap pada temperatur rata-rata=387,53 C = 660,53 K ฀ = 22,84 x 10 -6 kgm.s k = 0,0473 Wm C v = kecepatan aliran uap dalam pipa superheater = 43,766 ms ฀ = rapat massa uap = 1 v = 1 ,03124 = 32,0101 kgm 3 maka: R e = 2 ,0101 x 43,766 x 0,0425 22 ,84.10 −6 R e = 2.606.854,052 Aliran dalam pipa superheateradalah aliran turbulen R e 2.300 sehinggakoefisien perpindahan panas dalam pipa superheater dapat dihitungdengan persamaan Holman. J. P, 1993, h 252: N u = 0,023 x R e 0 8 x Pr m 4-18 dimana: R e = bilangan Reynold = 2.606.854,052 Pr = bilangan Prandlt = 0,996 m = 0,4 untuk pemanasan maka: N u = 0,023 x 2.606.854,052 0,8 x 0,996 0,4 = 3.118,35 maka: h i = N u x k D i h i = 3.118,35 x ,0473 ,0425 h i = 3.470,54 Wm 2 ℃ Temperatur rata-rata gas asap: T � g = T g1 + T g2 2 Universitas Sumatera Utara 70 dimana: T g1 = temperatur gas asap masuksuperheater = 909,3 C T g2 =temperatur gas asap keluar superheater =560 C maka: T � g = 909 ,3 + 560 2 T � g = 734,65 ℃ = 1007,65K Sifat-sifat gas asap pada temperature 1.007,65 K dari tabel gas lampiran 11 diperoleh ฀ = 0,3529 kgm 3 μ = 4,159.105 kgms k = 0, 06758 Wm C Pr = 0,702 Laluan gas asap pada superheater dapat dilihat pada gambar berikut: Gambar 4.7 Susunan Pipa Superheater Bilangan Reynold untuk gas dengan persamaan4-17 R e = ρ + v g max x D μ S p v g T g D S p = 2 D S n = 2 D Universitas Sumatera Utara 71 dimana: v g max = S p S p − D v g v g max = 2 x v g v g max = m g ρ x A Untuk memperoleh V g terlebih dahulu dicari luas laluan gas asap, yaitu Crocker. Sabin and, 1973, h 3-16: A = L x s - n seksi x D x 1 pipa 4-19 dimana: n seksi = jumlah seksipemanas = 15 buah L = lebar dapur = 4 m s = panjang bagian belakang laluan asap = 1,5 m 1 pipa =panjang pipa pemanas Panjang pipa pemanas superheater yang bersentuhan langsungdengan gas asap direncanakan tidaksama dengan lebar ruang bakar. Sisa dari lebar ruangbakar tersebut digunakan sebagai ruangsambungan antara pipa pemanas yang direncanakan sambungan tersebut menggunakan elbow 180 o , dimana panjang pipa pemanas dapat diperoleh dengan rumus: 1 pipa = L- 2z z = panjang ruang untuk sambungan elbow = 0,15 m direncanakan 1 pipa = 4- 2 x 0,15 = 3,7 m Maka luas laluan gasasap adalah: = 4 x 1,5 - 15 x 0,0783 x 3,7 = 3,32 m 2 Dari perhitungandiatas dapat diperoleh kecepatangas asap maksimum, yaitu: v g = 174.085,313 0,3529 x 3,32 = 148.584,118 mjam = 41,27 mdet Universitas Sumatera Utara 72 V g max = 82,546 mdet Maka besar harga Reynold, yaitu: R ed max = ρ + v g max x D μ R ed max = ,2732+ 82,546x 0,0483 4 ,93.10 5 R ed max = 22 .048,58 Karena 2000 Red max 40.000, maka bilangan Nusselt menurut 4-18 N ud = C 1 x R ed max m x Pr 13 dimana: Nilai C 1 dan n diperoleh dari tabel untuk S p D = 2, S n D = 2 adalah C 1 = 0,254 m = 0,632 maka: N ud = 0,254x 22.048,58 0,632 x 0,7052 13 N ud = 125,7 SehinggaHolman. J. P , 1993, h 252 h = N ud x k D 4-20 h = 125,7 x 0,06758 ,0483 h = 175,46 Wm 2 0 C Sehingga koefisien perpindahan panas menyeluruhdapat diperoleh U = 1 ,0483 ,0425 x 1 3.470,54 + � ,02415 30 ,825 x 1 n ,02415 ,02125 �+ 1 175 ,46 U = 164,2 Wm 20 C = 591,12 kJjamm 20 C

4.7.2 Perbedaan Temperature Rata-rata Log LMTD

Perbedaan temperatur yang terjadi dapat ditentukan dengan persamaan Holman. J. P , 1993, h 264. Universitas Sumatera Utara 73 LMTD = �T g1 − T sh � − �T g2 − T sat � 1n � �Tg1− Tsh� �Tg2− Tsat� � 4-21 dimana: T g1 = temperatur gasasap masuk kesuperheater = 909,3 C T g2 = temperatur gasasap keluarsuperheater = 560 C T sh out = temperatur uap keluarsuperheater= 480 C T sh in = temperatur uap saturasi masuk superheater = 295,06 C maka: LMTD = 909,3 − 480 − 560− 295,06 1n � 909,3 − 480 560 − 295,06 � LMTD = 342,996 C 4.7.3 Faktor Koreksi Superheater Faktor koreksi untuk penukar kalor aliran silang dapatditentukan setelah terlebih dahulu mengetahui harga-harga dibawah ini: R = T 1 - T 2 t 2 - t 1 R = 909 ,3 − 560 480 – 295,06 = 1,88 P = t 2 − t 1 T 1 − t 1 P = 480 − 295,06 909 ,3 – 295,06 = 0,3 Dari grafik lampiran 12 diperoleh faktor koreksi F = 0,9 4.7.4 Tinggi Superheater Luas bidang pemanas superheater total Crocker. Sabin, 1973, h 3-16: A sh = Q sh U x F x LMTD 4-22 Universitas Sumatera Utara 74 A sh = 71 .388.516,42 591 ,12 x 0,91 x 342,996 A sh = 386,92 m 2 Luas permukaan tiap seksi: A seksi = A sh n seksi = 386 ,92 15 = 25,795 m 2 Sehingga panjang pipa pemanas superheater dalam satu seksi: l seksi = A seksi π. D = 25 ,795 3 ,14. 0,0483 = 170,08 m Jumlah pipapemanas tiap seksi: n p = 1 seksi 1 pipa dimana: n p = jumlah pipa pemanas dalam satu seksi 1 seksi = panjang pipauntuk satu seksi 1 pipa = panjang pipa pemanas maka: n p = 170 ,08 3 ,7 = 45,96 = 46 buah Jumlah total seluruh pipa pemanas superheater n pipa = n p x n seksi dimana: n seksi = jumlah seksi = 15buah n p = jumlah pipa tiap seksi = 46 buah Universitas Sumatera Utara 75 maka: n pipa = 46 x 15 = 690 buah Tinggi superheater: T sh = n p x s n dimana: n p = jumlah pipa pemanasdalam satu seksi s n = jarak tube maka: T sh = 46 x 2 x 0,0483 = 4,4 m

4.8 Ekonomiser