62
= 19,799 lintasan = 20 Lintasan
Jadi jumlah pipa yang dibutuhkan pada Evaporator, 20x 59= 1180 Batang
4.3 Perhitungan Parameter Pipa Ekonomiser.
Pipa Ekonomiser merupakan pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan air yang dipompakan dari tangki air umpan hingga cair jenuh pada
drum. Sistem perpindahan panas yang terjadi adalah konveksi berlawanan arah, dimana air mengalir dari atas ke bawah sedangkan gas buang mengalir dari bawah
keatas.
311,685
287,32 244,591
165
Gambar 4.11. Sket aliran uap dan gas buang pada Ekonomiser
Dimana sebelumnya telah diperoleh : T
4
= Temperatur uap keluar Ekonomiser = 287,32
C T
5
= Temperatur uap masuk Ekonomiser = 165
C T
g3
= Temperatur gas buang masuk Ekonomiser = 311,685
C T
g4
= Temperatur gas buang keluar Ekonomiser = 244,594
C Dimana :
63
min max
min max
ln T
T T
T LMTD
∆ ∆
∆ −
∆ =
dimana : ∆T
max
= T
g4
– T
5
= 244,594 -165 = 79,594
C ∆T
min
= T
g3
– T
4
= 311,685 – 287,32 = 24,365
C Maka diperoleh harga LMTD :
LMTD = 365
, 24
594 ,
79 ln
365 ,
24 594
, 79
−
LMTD = 46,65 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 Ekonomiser m
2 0
CW h
o
= Koefisien konveksi gas buang W m
2 o
C η = Efektivitas sirip bagian luar.
Pipa Ekonomiser dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja sama halnya dengan pipa Superheater dengan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari
ukuran standart pipa untuk baja schedule 40 dengan diameter nominal DN 1,5“ lampiran ukuran pipa .
Maka diambil ukuran- ukuran pipa Ekonomiser sebagai berikut : D
i
: Diameter dalam = 1,610 in = 0,0409m
64
D
o
: Diameter luar = 1,900 in = 0,04826 m t
: Tebal pipa = 0,145 in = 0,003683 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 Ekonomiser:
a. Panjang pipa uap aktif yang berhubungan dengan pipa – pipa = 7 m
b. Jarak antara dua buah pipa = D
o
= 0,04826 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. Sehingga jumlah
pipa – pipa Ekonomiser yang dibutuhkan adalah : 1
096 ,
7 +
= =
m m
ST a
panjangpip n
= 74 batang pipa dalam satu baris
4.3.1. 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 Ekonomiser =
u T
226,16
o
C pada tekanan 71,57 Bar. Dari tabel sipat- sipat air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi
diperoleh data – data sebagai berikut : κ
= 0,64715Wm C
µ = 1,2. 10
-4
kg m.s ρ
= 1v = 737,463 kgm
3
Pr = 0,85726
Cp = 4,6242 Jkg.K
Kecepatan aliran uap pada pipa Ekonomiser dihitung sebagai berikut :
i u
u
A n
v m
V .
.
=
Dimana: V
u
= Kecepatan aliran uap dalam pipa ms
65
u
m
= Laju aliran uap = 93,306 kgs n
= Jumlah pipa Ekonomiser = 74 batang v
= Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata- rata pada Ekonomiser dengan tekanan 7157 bar
Dari tabel diperoleh : v = 0,001356 m
3
kg
Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :
2
0409 ,
4 74
001356 ,
93,306 π
=
u
V
= 1,3 ms Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan
Reynold, dihitung berikut : R
e
= =
4
10 .
2 ,
1 0409
, .
3 ,
1 .
463 ,
737
−
= 326757,56 Aliran yang terjadi adalah turbulen R
e
2300 , 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 . 326757,56
0,8
. 0,85726
0,4
= 557,639 Dengan :
κ = 0,64715 Wm
o
C ; D
i
= 0,0409 m Maka:
0409 ,
64715 ,
. 557,639
=
i
h
= 8823,376 Wm
2 o
C
66
4.3.2 Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h
o
Susunan pipa Ekonomiser yang dirancang adalah susunan selang – seling. Seperti pada gambar dibawah ini.
Gambar 4.12. Susunan pipa selang – seling Ekonomiser Dimana : 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 Dimana direncanakan S
T
= S
L
= 2. D
o
= 0,09652 m Sifat – sifat gas buang dievaluasi pada temperatur rata – rata :
2 594
, 244
685 ,
311 +
=
g
T
= 277,9895
o
C = 551,14
o
K Dari tabel sipat – sipat udara lampiran 11 diperoleh :
κ = 0,0436 Wm
K µ
= 2,848 .10
-5
kg m.s ρ
= 0,6423 kgm
3
Pr = 0,680
Cp = 1,0392 kJkg. K
Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V
g maks
pada rangkuman pipa, dimana dari gambar 4.12, 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 .
− =
67
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 04826
, ,
09652 ,
2 09652
, 09652
,
5 ,
2 2
−
+
=
D
S
0,107912636 0,07239 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
=
dimana :
g
m
: Laju aliran gas buang = 784,66 kgs
g
ρ : Massa jenis gas buang pada T
gas masuk
= 311,685
o
C : = 584,835 K yaitu, sebesar 0,6044 kgm
3
S
T
: Jarak dua buah pipa = 0,09652 m n
: Banyak pipa 1 baris = 74 batang L
: Panjang pipa 1 batang = 14,64 m Maka:
64 ,
14 .
74 .
09652 ,
. 6044
, 66
, 784
=
g
V
= 12,42 ms Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V
g maks
sebesar :
68
42 ,
12 .
04826 ,
09652 ,
09652 ,
− =
gmaks
V
= 24,84 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 = 0,09652 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 Pada perancangan pipa – pipa Ekonomiser 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 = 0,02413 m 3
: Panjang sirip = 0,009 m r
e
: Jari –jari pipa bersirip =0,03313m δ
: Tebal sirip = 0,00046 m N
f
: Jumlah sirip = 289 siripm
69
Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran parameter sirip, 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 = 0,06626 m D
o
: Diameter luar pipa = 0,04826 m δ
: Tebal sirip = 0,00046 m N
f
: jumlah sirip dalam 1 meter panjang pipa = 289 sirip Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :
289 .
00046 ,
. 06626
, .
4 04826
, 06626
, .
. 2
2 2
+ −
= π
π
f
A = 0,963 m
2
dalam 1 meter panjang pipa a.
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 .
289 .
00046 ,
1 04826
, .
− =
π
p
A
= 0,1314 m
2
untuk 1 meter panjang pipa b.
Luas total permukaan pipa yang menyerap panas untuk 1 meter panjang pipa A
h
dan A
h
= A
f
+ A
p
Dimana : A
h
: Luas total permukaan pipa yang menyerap panas m
2
A
f
: Luas permukaan sirip = 0,963 m
2
A
p
: Luas primer = 0,1314 m
2
Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar :
70
A
h
= 0,963 + 0,1314 = 1,0944 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
− −
= = 0,09652– 0,04826 . 1 – 2 0,009. 0,00046.289
= 0,04587 m
2
Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D
h
: D
h
=
0944
, 1
04587 ,
. 4
. 09652
, = 0,0162 m dalam 1 m panjang pipa
Sehingga Bilangan Reynold dari persamaan sebelumnya:
5
10 .
848 ,
2 0162
, .
84 ,
24 .
6423 ,
−
=
e
R
= 9071,135 2000 R
e
40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah:
Nu = 1,13. C
1
. R
e m
. Pr
0,33
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 04826
, 09652
, =
=
o L
D S
dan 2
04826 ,
09652 ,
= =
o T
D S
Dari tabel diperoleh : C
1
= 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt :
3 1
556 ,
680 ,
135 ,
9071 482
, .
13 ,
1 =
Nu = 75,9897
Maka dapat dicari koefisien pindahan panas di luar pipa h
o
Dh k
Nu h
o
. =
71
=
0162 ,
0436 ,
. 9897
, 75
= 204,5155 Wm
2 o
C
4.3.3. Pemilihan Pipa Ekonomiser
Untuk dapat menjamin kekuatan pipa Ekonomiser 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
145 ,
. 2
9 ,
1 .
765 ,
1037 −
≥ S
≥ S
5813,27 psi Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang
memiliki tegangan ijin S diatas 5813,27 psi dalam suhu maksimum yang terjadi yaitu 584,835
o
F. Dari tabel bahan pipa lampiran 7 direncanakan material pipa yang digunakan adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel SA 176,18Cr – 8Ni
dimana pada temperatur 650
o
F masih memiliki tegangan ijin sebesar 8500 psi. Jadi cukup aman untuk digunakan pada Ekonomiser yang direncanakan.
Mencari efisiensi sirip dengan menggunakan grafik efisiensi sirip seperti pada gambar.
72
Gambar 4.13. Grafik efisiensi sirip Dari data – data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung :
a. 2
1 δ +
= Lc
=
2 00046
, 009
, +
= 0,00923 m b.
2
2
δ
+ =
e c
r r
=
2 00046
, 03313
, +
= 0,03336 m c.
δ
. Lc
Am =
= 0,00923.0,00046 m = 0,4245. 10
-5
m
2
d. 02413
, 03336
,
2
=
o c
r r
= 1,38
e.
2 1
2 3
. Am
k h
Lc
o
Dimana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 Diperoleh = 18,9934 wm
o
C
2 1
5 2
3
10 .
4245 ,
. 9934
, 18
5155 ,
204 00923
,
−
= 1,412
73
f. Dari grafik diperoleh harga efisiensi sirip
f
η setelah diinterpolasi diperoleh
f
η = 46,25 Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa
yang menyerap panas dalam 1 meter A
c
A
h
. 0944
, 1
. .
L D
A A
i h
c
π =
=
0944 ,
1 1
. 0409
, .
π
= 0,11735 Efektivitas sirip :
f h
f o
A A
η η
− −
= 1
1
= 1 – 1 – 0,4625
= 0,5270
Tahanan konduksi pada pipa Ekonomiser A
h.
R
w
=
h c
i o
i w
h
A A
k D
D D
R A
. 2
ln .
=
11735 ,
. 9934
, 18
. 2
0409 ,
04826 ,
ln 0409
,
= 0,00152 m
2 o
C W
4.3.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh
o o
w h
h c
i
h R
A A
A h
U .
1 .
1 1
η +
+
=
5155 ,
204 .
5270 ,
1 00152
, 11735
, .
376 ,
8823 1
1 +
+ =
U 01176
, 1 =
U
74
Maka : U = 85,034 Wm
2 o
C
4.3.5 Luas Bidang Pindahan Panas
LMTD U
Q A
. =
dimana :A = Luas permukaan perpindahan kalor m
2
Q = Panas yang diserap Ekonomiser, pada perhitungan sebelumnya
diperoleh = 54745240 W U
= Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 85,034 Wm
2 0
C LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma = 46,65
C Maka :
65 ,
46 .
034 ,
85 54745240
= A
; A = 13800,73 m
2
Jumlah lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74 batang pipa dalam 1 baris;
l A
n A
N
h
. =
Dimana : N
= jumlah lintasan A
= Luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 13800,73 m
2
A
h
= Luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1.0944 m
2
n = jumlah pipa perbaris = 74 batang baris
Maka :
64 ,
14 .
0944 ,
1 .
74 73
, 13800
= N
= 11,64 lintasan = 12 Lintasan
Jadi jumlah pipa yang dibutuhkan pada Ekonomiser, 12 x 74 = 888 Batang
4.4. Perhitungan Parameter Pipa Preheater.
Kategori