Parameter Perhitungan Pipa HP Evaporator

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Q = panas yang diserap HP superheater, pada perhitungan sebelumnya diperoleh = 53.060.060 W U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 70,34 Wm 2 . o C LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 93,45 o C Maka : A = 45 , 93 34 , 70 060 . 060 . 53 x = 8072,1 m 2 Lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74 batang pipa dalam 1 baris : 1 . . h A n A N = di mana : N = jumlah lintasan A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 8072,1 m 2 A h = luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,08975 m 2 n = jumlah pipa per baris = 74 batangbaris 1 = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka : 64 , 14 08975 , 1 74 1 , 8072 x x N = = 6,83 lintasan = 7 Lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan HP superheater adalah 7 x 74 = 518 Batang.

4.2. Parameter Perhitungan Pipa HP Evaporator

HP Evaporator adalah pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk menguapkan air dari keadaan cair jenuh menjadi uap jenuh. Air jenuh berasal dari drum, dan akibat dari perbedaan massa jenis yang diakibatkan pemanasan maka terjadi sirkulasi, dan uap akan kembali ke drum. Drum uap di sini berfungsi Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. memisahkan antara air dan uap jenuh karena diakibatkan perbedaan massa jenis tadi. Uap jenuh kemudian dialirkan ke pipa HP superheater. Sistem perpindahan panas pada HP 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 HP superheater. Distribusi temperatur dan arah aliran fluida serta besarnya harga LMTD yang dihasilkan pada HP evaporator ditunjukkan pada gambar 4.6 di bawah ini. 322,24 287,35 483,36 T o C Tg B Tg C T 7 T 8 L m 287,35 Gambar 4.6. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Evaporator Di mana sebelumnya telah diperoleh : T 8 = temperatur uap masuk HP evaporator = 287,35 o C T 9 = temperatur uap keluar HP evaporator = 287,35 o C Tg B = temperatur gas buang masuk HP evaporator = 483,36 o C Tg C = temperatur gas buang keluar HP evaporator = 322,24 o C Maka : LMTD = min max min max ln T T T T ∆ ∆ ∆ − ∆ …………………. F.P. Incropera, 1981, hal. 510 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. ∆T 1 = Tg C – T 7 = 322,24 o C – 287,35 o C = 34,89 o C ∆T 2 = Tg B – T 8 = 483,36 o C – 287,35 o C = 196,01 o C ∆T 1 sebagai ∆T min dan Maka ∆T 2 sebagai ∆T max. Maka diperoleh harga LMTD : LMTD = C 34,89 C 01 , 196 ln C 34,89 C 01 , 196 − = 93,35 o C Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut atas dasar bidang luas pipa, yaitu : U 1 =     h c A A h 1 1 +A h . R W + . 1 h η ………… F.P. Incropera, 1981, hal. 505 dimana : h i = Koefisien konveksi dalam pipa Wm 2 . o C A c A h = Perbandingan luas pipa bagian dalam dengan luas pipa yang menyerap kalor A h . R W = Tahanan konduksi pipa HP evaporator m 2 . o CW h o = Koefisien konveksi gas buang Wm 2 . o C o = Efektivitas sirip bagian luar Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.2.1. Pemilihan Pipa HP Evaporator Pipa HP evaporator dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja dengan diameter lebih besar dari pipa HP superheater. Diambil ukuran pipa dari ukuran standar pipa untuk baja schedule 40 dengan diameter nominal DN 2. Maka diambil ukuran –ukuran pipa HP evaporator sebagai berikut : D i : diameter dalam = 2,067 in = 0,0525 m D o : diameter luar = 2,375 in = 0,0603 m t : 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 superheater :  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. Maka sket perancangan pipa HP evaporator dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 4.7. Sketsa Rancangan Pipa – pipa HP Evaporator Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Sehingga jumlah pipa-pipa HP evaporator yang dibutuhkan adalah : n = ST pipa panjang + 1 = 1206 , 7 + 1 = 59 batang dalam 1 satu baris Dengan ST adalah jarak antara dua titik pusat pipa. Untuk dapat menjamin kekuatan pipa HP evaporator khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi di dalam pipa, maka kekuatan material pipa yang digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus : S ≥ 2 . 2 . P t D P o − .................................... Vincent Cavaseno, 1979 di mana : P = Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 71,57 bar = 1037,7651 psia S = tegangan tarik yang diijinkan psi S ≥ 2 765 , 1037 154 , 2 375 , 2 765 , 1037 − x x S ≥ 7483,36 psi Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memliki tegangan ijin S diatas 7483,36 psi 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 di mana pada temperatur 1000 o F masih memiliki tegangan ijin sebesar 9.750 psi, jadi cukup aman untuk digunakan pada HP evaporator dengan suhu maksimum yang terjadi 902,04 o F. Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.2.2. 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 HP evaporator u T = 287,35 o C pada tekanan 71,57 bar. Dari tabel sifat- sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut : = 8,259 .10 -5 kgm.s k = 0,4713 Wm. o C Pr = 0,969 Kecepatan aliran uap pada HP evaporator dihitung sebagai berikut : V u = 1 . . . A n v m u ……………………. Sorensen, 1983, hal. 339 dengan : V u = Kecepatan aliran uap dalam pipa ms u m . = laju aliran uap = 67,65 kgs n = jumlah pipa HP evaporator = 59 batang v = Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata – rata pada HP evaporator dengan tekanan 71,57 bar v = 2 8 7 v v + ; di mana pada 71,57 bar : v 7 = 0,02676 m 3 kg v 8 = 0,001356 m 3 kg v = 2 0,001356 02676 , + = 0,014 m 3 kg Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. = 1v = 37,45 kgm 3 Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar : V u = 2 0525 , 4 59 014 , 65 , 67 x x x π = 7,2 ms Diperolehnya kecepatan uap dalam pipa sebesar 7,2 ms masih dalam batas kecepatan uap maksimum yang diijinkan untuk uap yaitu sebesar 50 ms MJ. Djokostyardjo, 1990, hal. 186. Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold Bayazitoglu, 1988, hal. 234 yaitu : R e = µ ρ i u D V . . = 5 10 259 , 8 0525 , 2 , 7 45 , 37 − x x x = 171.402 Aliran yang terjadi adalah turbulen, R e 4000 JP. Holman, 1998, maka h i dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : h i = i u D K N . ……………………….. Bayazitoglu, 1988, hal. 283 Bilangan Nussselt dapat dihitung dengan : N u = 0,023 4 , 8 , . r e P R = 0,023 x 171.402 0,8 x 0,969 0,4 = 349,52 dengan : k = 0,4713 Wm. o C dan D i = 0,0525 m, Maka : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. h i = 0525 , 4713 , 349,52 x = 3.137,7 Wm 2 o C 4.2.3. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h o Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang-seling seperti pada gambar di bawah ini : S T S L S D A 1 A 2 Gambar 4.8. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Evaporator 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 = 0,12065 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 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 : g T = 2 24 , 322 36 , 483 + = 402,8 o C = 675,95 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 : k = 0,04915 Wm. o C = 3,27.10 5 kgm.s = 0,5238 kgm 3 Pr = 0,683 Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V g maks pada rangkuman pipa pada gambar 4.8, maka kecepatan maksimum dapat terjadi pada A 1 dan A 2. o Apabila pada A 1 , maka : V g maks = g o T T V D S S . − ………………… Incropera, 1981, hal. 344 o Apabila pada A 2 , maka : V g maks = g o D T V D S S . 2 − ……………….. Incropera, 1981, hal. 344 o V g maks terjadi pada A 2 apabila : S D 2 o T D S + Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. S D = 5 , 2 2 2               + T L S S 2 o T D S − ……... Incropera, 1981, hal. 344 5 , 2 2 2 12065 , 12065 ,               + 2 060325 , 12065 , − 0,13489078 0,08616 Maka dapat disimpulkan V gmaks terjadi pada A 1 : V g maks = g o T T V D S S . − di mana : V g = Kecepatan gas masuk pada rangkuman pipa diukur pada temperatur gas buang masuk rangkuman pipa V g = L n S m T g g . . . . ρ dengan : g m . : laju aliran gas buang = 565,9 kgs g : massa jenis gas buang pada T gas buang masuk = 483,36 o C adalah sebesar 0,4677 kgm 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 : V g = 64 , 14 59 1206 , 4677 , 9 , 565 x x x = 11,61 ms Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V g maks sebesar : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. V g maks = 61 , 11 0603 , 1206 , 9 , 565 x − = 23,22 ms Sehingga Bilangan Reynold maksimum untuk gas buang adalah : R e = µ ρ h gmaks D V . . dengan : R e : Bilangan Reynold : Massa jenis gas pada suhu rata-rata kg m 3 D h : Diameter hidrolik pipa m : Viskositas dinamik pada suhu rata-rata kgm.s di mana : D h = l f . 4 . h a A A ……………………….. W.M. Kays, 1984, hal. 8 di mana : 1 f : jarak dua buah pipa = 0,1206 m A a : luas penampang aliran m 2 A h : luas total permukaan yang menyerap panas m 2 dan : h o = h u D k N . ……………………….. Bayazitoglu, 1988, hal. 283 dengan : N u : bilangan Nusselt k : konduktivitas gas buang Wm o C Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Pada perancangan pipa-pipa HP evaporator ini, dirancang menggunakan sirip untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan seperti terlihat pada gambar di bawah ini. 0,00031 m l 1 m r e r o r i Gambar 4.9. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Evaporator 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 : tebal sirip = 0,00031 m n f : jumlah sirip = 346 siripm Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, berdasarkan penelitian, maka dapat dicari : o Luas permukaan sirip A f A f = f e o e N D D D . . . 4 2 2 2         + − δ π π di mana : A f : Luas permukaan sirip m 2 D e : Diameter sirip = 0,0783 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. D o : Diameter luar pipa = 0,0603 m : Tebal sirip = 0,00031 m N f : Jumlah sirip dalam panjang pipa = 346 sirip Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar : A f = 346 . 00031 , . 0783 , . 4 0603 , 0783 , . . 2 2 2       + − π π = 1,38 dalam 1 meter panjang pipa o Luas permukaan primer A p A p =   t f o N N L D . . δ π − Dimana : N t : 1, untuk 1 batang pipa [ ] 1 . 346 . 00031 , 1 0603 , . − = π P A = 0,169 m 2 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 : A h : luas total permukaan pipa yang menyerap panas m 2 A f : luas permukaan sirip m 2 A p : luas primer m 2 Maka luas total permukaan pipa yang menyerap panas diperoleh sebesar : A h = 1,38 + 0,169 = 1,549 m 2 Luas penampang area A a merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1 meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter. Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. A a = f o T N L D S . . 1 2 δ − − = 0,1206 – 0,0603 x 1 – 2 x 0,009 x 0,00031 x 346 = 0,0182 m 2 Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D h : D h = 0,1206 x 4 x       549 , 1 0584 , = 0,0182 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold : R e = 5 10 27 , 3 0182 , 22 , 23 5238 , − x x x = 6.769,42 2000 R e 40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah : N u = 1,13 . C 1 . R e m . Pr 13 ………………. Incropera, 1981, hal. 344 di mana : N u = Bilangan Nusselt R e = Bilangan Reynold Pr = Bilangan Prandtl 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 0603 , 1206 , = = o L D S 2 0603 , 1206 , = = o T D S Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Dari tabel diperoleh : C 1 = 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt : N u = 1,13 x 0,482 x 6.769,42 0,556 x 0,683 13 = 64,67 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa h o : h o = Dh k Nu. = 0182 , 04915 , 64,67 x = 174,65 Wm 2 . o C 4.2.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip Untuk mencari efesiensi sirip dapat digunakan dengan menggunakan grafik efisiensi sirip Incropera, 1981, hal. 108 seperti pada gambar 4.9 berikut : Gambar 4.10. Grafik Efisiensi Sirip Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Dari data-data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung : L C = 2 1 δ + = 2 00031 , 009 , + = 0,009155 m r 2c = 2 δ + e r = 2 00031 , 03915 , + = 0,039305 m Ap = L C . = 0,009155 x 0,00031 m = 0,2838 x 10 -5 m 2 o c r r 2 = 03015 , 039305 , = 1,3036 Lc 32 h o k.Ap 12 di mana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 diperoleh = 19,865 Wm 2 . o C 0,009155 32 2 1 5 10 2838 , 865 , 19 65 , 174     − x x = 1,54 Dari grafik diperoleh harga efesiensi 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 : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 549 , 1 . . L D A A i h c π = = 549 , 1 1 . 0525 , . π = 0,1065 Efektivitas sirip : f h f o A A η η − − = 1 1 = 1 –       549 , 1 38 , 1 x 1 – 0,47 = 0,528 4.2.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Evaporator Tahanan konduksi pada pipa HP evaporator A h . R w         = h c i o i w h A A k D D In D R A . 2 . = 1065 , 865 , 19 2 0525 , 0603 , 0525 , x x In x       = 0,00172 m 2 . o CW 4.2.6. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dihitung dari persamaan berikut, yaitu : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. o o W h h c i h R A A A h U . 1 . 1 1 η + +     = 65 , 174 528 , 1 00172 , 1065 , 137 . 3 1 1 x x U + + = 015556732 , 1 = U U = 64,28 Wm 2 . o C 4.2.7. Luas Bidang Pindahan Panas Luas bidang pindahan panas diperoleh dengan rumus sebelumnya yaitu : .LMTD U Q A = di mana : A = luas permukaan perpindahan kalor m 2 Q = panas yang diserap HP evaporator, pada perhitungan sebelumnya diperoleh = 101142830 W U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 64,28 Wm 2 . o C LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 93,35 o C Maka : A = 35 , 93 28 , 64 101142830 x = 16855,62 m 2 Lintasan yang dibutuhkan untuk menyediakan luas permukaan yang menyerap panas : 1 . . h A n A N = di mana : N = jumlah lintasan A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 16855,62 m 2 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. A h = luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,5491 m 2 n = jumlah pipa per baris = 59 batangbaris 1 = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka : 64 , 14 5491 , 1 59 62 , 16855 x x N = = 12,6 lintasan = 13 Lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan HP evaporator adalah 13 x 59 = 767 Batang.

4.3. Parameter Perhitungan Pipa HP Ekonomiser