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.
Sistem perpindahan panas pada pipa kondensat preheater adalah sistem konveksi berlawanan arah, dimana air mengalir dari atas ke
bawah sementara gas buang mengalir dari bawah ke atas.
Besarnya luas permukaan perpindahan kalor yang dibutuhkan diperoleh dari persamaan berikut :
75
LMTD U
Q A
. =
dimana :A = Luas permukaan perpindahan kalor m
2
. Q
= Besar perpindahan kalor Js . U
= Koefisien perpindahan kalor menyeluruh Wm
2 0
C . LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma
C .
Besarnya harga LMTD sistem perpindahan panas pada preheater ini adalah seperti ditunjukkan pada gambar berikut:
244,59
161,2 188,1
45,81
Gambar 4.14. Sket aliran uap dan gas buang pada preheater.
Dimana sebelumnya telah diperoleh : T
3
= Temperatur uap masuk preheater = 45,81
C T
2
= Temperatur uap keluar preheater = 161,2
C T
g4
= Temperatur gas buang masuk preheater = 244,59
C T
g5
= Temperatur gas buang keluar preheater = 188,1
C Dimana :
min max
min max
ln T
T T
T LMTD
∆ ∆
∆ −
∆ =
76
dimana : ∆T
max
= T
g5
– T
2
= 188,1 – 45,81 = 142,29
C ∆T
min
= T
g4
– T
3
= 244,59 – 161,2 = 83,39
C Maka diperoleh harga LMTD :
LMTD = 39
, 83
29 ,
142 ln
39 ,
83 29
, 142
−
LMTD = 110,229 C
Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
. 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 preheater m
2 0
CW . h
o
= Koefisien konveksi gas buang W m
2 o
C . η = Efektivitas sirip bagian luar.
Pipa preheater dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari ukuran standart pipa untuk baja schedule
40 dengan diameter nominal DN 1 ½ “ lampiran ukuran pipa . Maka diambil ukuran- ukuran pipa sebagai berikut :
D
i
: Diameter dalam = 1,61 in = 0,04089 m. D
o
: Diameter luar = 1,9 in = 0,04826 m. t
: Tebal pipa = 0,145 in = 0,003683 m.
77
Untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan kapasitas uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan
sebagai berikut: a.
Panjang pipa uap aktif yang berhubungan dengan pipa – pipa = 7 m dengan memperhitungkan standart panjang pipa yang ada .
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 satu baris direncanakan sama seperti perancangan pada superheater. Sehingga
jumlah pipa – pipa preheater yang dibutuhkan adalah : 1
096 ,
7 +
= =
m m
ST a
panjangpip n
= 74 batang dalam satu baris.
4.4.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa h
i
.
Koefisien pindahan panas dalam pipa h
i
seharusnya ditentukan pada temperatur film. Dalam hal ini bisa juga ditentukan pada kondisi temperatur uap
rata – rata preheater =
u T
103,505
o
C pada tekanan 6,376 Bar. Dari tabel sifat- sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, Lampiran 11 setelah diinterpolasi
diperoleh data – data sebagai berikut : κ
= 0,6792 Wm C.
µ = 2,884.10
-4
kg m.s ρ
= 1v = 904,408 kgm
3
Pr = 1,798
Cp = 4,2256 Jkg.K.
Kecepatan aliran uap pada superheater 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 superheater = 74 batang. v
= Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata- rata pada preheater dengan tekanan 6,376 Bar.
Dari table diperoleh : v = 0,001103256 m
3
kg.
78
SL
ST
SD
A2
Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :
2
0409 ,
4 .
74 001103256
, .
306 ,
93
π
=
u
V
= 1,0588 ms. Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan
Reynold, dihitung dari persamaan berikut : µ
ρ
i u
e
D V
R .
. =
Dimana : ρ = Massa jenis uap pada superheater kgm
3
. µ = Viskositas dinamik uap kgm.s .
D
i
= Diameter dalam m. Maka :
µ ρ
i u
e
D V
R .
. =
=
4
10 .
884 ,
2 0409
, .
0588 ,
1 .
408 ,
906
−
= 136102,3784 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 . 136102,3784
0,8
. 1,798
0,4
= 372,165 Dengan :
κ = 0,6792 Wm
o
C D
i
= 0,0409 m Maka:
i
h =
0409 ,
6792 ,
. 165
, 372
= 6180,3 Wm
2 o
C.
4.4.2 Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h
o
.
Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang – seling. Seperti pada gambar dibawah ini.
79
Gambar 4.16. Susunan pipa selang – seling preheater. 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 Dalam perencanaan ini susunan pipa direncanakan selang – seling. 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 pendekatan gas buang, yaitu :
2 1
, 188
59 ,
244 +
=
g
T
= 216,345
o
C = 489,495
o
K Dari tabel sifat – sifat udara lampiran 10 diperoleh :
k
= 0,03968 Wm K
µ = 2,6317 .10
-5
kg m.s ρ
= 0,7213 kgm
3
Pr = 0,6806
Cp = 1,0276 Jkg. K
Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V
g maks
pada rangkuman pipa, dimana dari gambar 4.15 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 −
=
80
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 buang masuk
= 244,59
o
C = 517,74
o
K yaitu, sebesar 0,6826 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 :
46 ,
14 .
74 .
09652 ,
. 6826
, 66
, 784
=
g
V
= 10,99 ms Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V
g maks
sebesar :
99 ,
10 .
04826 ,
09652 ,
09652 ,
− =
gmaks
V
81
= 21,98 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: Diameter hidrolik:
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 preheater ini, dirancang menggunakan sirip
untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, dengan profil yang sama pada superheater Gambar 4.4. Ukuran-ukuran sirip tertera
dibawah ini: r
o
: Jari – jari luar pipa = 0,02413 m 4
: Panjang sirip = 0,009 m r
e
: Jari –jari pipa bersirip =0,03313 m δ
: Tebal sirip = 0,00046 m
82
N
f
: Jumlah sirip = 289 siripm Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran II, 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. c.
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. 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 : A
h
=0,963 + 0,1314 = 1,0944 m
2
83
Luas penampang area A
a
merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1 meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter. Profil luas penampang area preheater
sama dengan superheater.
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 :
5
10 .
6317 ,
2 0162
, .
19 ,
21 .
7213 ,
−
=
e
R
= 9759,38 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 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 ,
6806 ,
38 ,
9759 482
, .
13 ,
1 =
Nu = 79,16
Maka dapat dicari koefisien pindahan panas di luar pipa h
o
84
Dh k
Nu h
o
. =
=
0162 ,
03968 ,
. 16
, 79
= 193,89 Wm
2 o
C
4.4.3. Pemilihan Pipa Preheater.
Untuk dapat menjamin kekuatan pipa preheater 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 6,376 Bar = 92,452 Psia.
S = Tegangan tarik yang diijinkan Psia .
T = Tebal pipa in.
o
D = Diameter luar pipa in.
2 452
, 92
145 ,
. 2
9 ,
1 .
452 ,
92 −
≥ S
≥ S
559,494 Psia. Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang
memiliki tegangan ijin S diatas 559,494 Psia dalam suhu maksimum yang terjadi. Dari tabel bahan pipa lampiran 7 direncanakan material pipa yang
digunakan adalah terbuat dari Seamless Alloy Steel SA 176, 18Cr-8Ni , dimana pada temperatur 500
o
F masih memiliki tegangan ijin sebesar 12150 Psia. Jadi cukup aman untuk digunakan pada preheater dengan suhu maksimum yang terjadi
472,262
o
F. Mencari efisiensi sirip dengan menggunakan grafik efisiensi sirip seperti
pada gambar berikut ini.
85
Gambar 4.16. 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 = 18,0361 Wm
o
C
2 1
5 2
3
10 .
4245 ,
. 0361
, 18
89 ,
193 00923
,
− 2
1 2
3
. Am
k h
Lc
o
= 1,4 Dari grafik diperoleh harga efisiensi sirip
f
η setelah diinterpolasi diperoleh
f
η = 47 . Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa
yang menyerap panas dalam 1 meter A
c
A
h
.
86
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 – 0,469 = 0,53275 Tahanan konduksi pada pipa preheater A
h.
R
w
=
h c
i o
i w
h
A A
k D
D D
R A
. 2
ln .
= 11735
, .
0361 ,
18 .
2 0409
, 04826
, ln
0409 ,
= 0,001599 m
2 o
C W
4.4.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh
o o
w h
h c
i
h R
A A
A h
U .
1 .
1 1
η +
+
=
89 ,
193 .
53279 ,
1 001599
, 11735
, .
3 ,
6180 1
1 +
+ =
U 012658
, 1 =
U
Maka :
012658 ,
1 =
U
= 79 Wm
2 o
C.
4.4.5. Luas Bidang Pindahan Panas.
Luas bidang perpindahan panas didapat dengan:
LMTD U
Q A
. =
dimana :A = Luas permukaan perpindahan kalor m
2
Q = Panas yang diserap superheater, pada perhitungan sebelumnya
diperoleh = 45560940 W U
= Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 79 Wm
2 0
C
87
LMTD = Beda suhu rata-rata logaritma = 110,229 C
Maka :
229 ,
110 .
79 45560940
= A
= 5232,02 m
2
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 = 5232,02 m
2
A
h
= Luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,0944 m
2
n = Jumlah pipa perbaris = 74 batang baris. L = Panjang pipa per batang = 14,64 m.
Maka :
64 ,
14 .
0944 ,
1 .
74 02
, 5232
= N
= 4,4128 lintasan ≅ 5lintasan
Jadi jumlah pipa yang dibutuhkan pada preheater, 5 x 74 = 370 Batang.
4.5.Effisiensi HRSG.
Effisiensi HRSG dihitung dengan persamaan :
HRSG
= panas yang dimanfaatkan x 100 panas masuk
Panas yang dimanfaatkan = Q
SH
+ Q
EVA
+ Q
EKO
+ Q
PRE
= 66498,25+139500,86+54745,24+45560,94 kW = 306305,29 kW
Panas masuk =
g g
h m .
= 784,66 kgs . 866,24 kJkg Q
g
= 639703,87 kW Sehingga diperoleh :
HRSG
=
639703,87 306305,29
x 100
88
= 45
4.6. Perhitungan Penurunan Tekanan Pada Komponen Utama HRSG.
Kategori