Parameter Perhitungan Pipa HP Evaporator

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 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

Distribusi temperatur dan arah aliran fluida serta besarnya harga LMTD yang dihasilkan pada HP evaporator ditunjukkan pada gambar 4.6 di bawah ini.

Gambar 4.6. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Evaporator Di mana sebelumnya telah diperoleh :

8 = temperatur uap masuk HP evaporator = 287,35 C T o

9 = temperatur uap keluar HP evaporator = 287,35 C Tg o

B = temperatur gas buang masuk HP evaporator = 483,36 C Tg o

C = temperatur gas buang keluar HP evaporator = 322,24 C Maka : ∆ T max − ∆ T min

LMTD = ∆ …………………. (F.P. Incropera, 1981, hal. 510) T max ln ∆ T min

∆T 1 = Tg C–T 7

o = 322,24 C – 287,35 C o = 34,89 C

∆T 2 = Tg B–T 8

o = 483,36 C – 287,35 C o = 196,01 C

∆T 1 sebagai ∆T min dan Maka ∆T 2 sebagai ∆T max.

Maka diperoleh harga LMTD :

0 196 0 , 01 C − 34,89 C

LMTD =

196 , 01 C

ln 34,89 0 C

o = 93,35 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

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 HP evaporator (m . C/W)

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

= Efektivitas sirip bagian luar

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 :

: diameter dalam

= 2,067 in = 0,0525 m

= 2,375 in = 0,0603 m t

: diameter luar

= 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 :

: tebal pipa

 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

Sehingga jumlah pipa-pipa HP evaporator yang dibutuhkan adalah : panjang pipa

= 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 :

P . D o P S ≥ − .................................... (Vincent Cavaseno, 1979) 2 . t

2 di mana :

P = Tekanan yang terjadi pada pipa, dalam hal ini sebesar 71,57 bar

= 1037,7651 psia S = tegangan tarik yang diijinkan (psi)

1037 , 765 x 2 , 375 1037 , 765

2 x 0 , 154

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.

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 o T = 287,35 C ) pada tekanan 71,57 bar. Dari tabel sifat-

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

-5 μ = 8,259 .10 kg/m.s o k = 0,4713 W/m. C

Pr = 0,969 Kecepatan aliran uap pada HP evaporator 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 kg/s 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 = ; di mana pada 71,57 bar :

7 = 0,02676 m /kg

8 = 0,001356 m /kg

3 = 0,014 m /kg

3 ρ = 1/v = 37,45 kg/m Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar :

67 , 65 x 0 , 014

59 x ( π / 4 ) x ( 0 , 0525 )

= 7,2 m/s Diperolehnya kecepatan uap dalam pipa sebesar 7,2 m/s masih dalam batas kecepatan uap maksimum yang diijinkan untuk uap yaitu sebesar 50 m/s (MJ. Djokostyardjo, 1990, hal. 186).

Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold (Bayazitoglu, 1988, hal. 234) yaitu :

37 , 45 x 7 , 2 x 0 , 0525

8 , 259 x 10 = 171.402

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 (171.402) x (0,969) = 349,52

o dengan : k = 0,4713 W/m. C dan D

i = 0,0525 m,

Maka :

349,52 x 0 , 4713

0 , 0525 2o = 3.137,7 W/m 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 :

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

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 :

2 o = 402,8 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 W/m. o C μ = 3,27.10 5 kg/m.s ρ = 0,5238 kg/m 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 : 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)

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

dengan :

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

g : massa jenis gas buang pada T gas buang masuk = 483,36

C adalah sebesar 0,4677 kg/m 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 :

= 11,61 m/s

0 , 4677 x 0 , 1206 x 59 x 14 , 64 Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum (V g maks ) sebesar :

V g maks =

x 11 , 61 (

= 23,22 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 = 0,1206 m

a : luas penampang aliran (m )

h : luas total permukaan yang menyerap panas (m )

dan : N u . k

h o = ……………………….. (Bayazitoglu, 1988, hal. 283)

dengan : N u : bilangan Nusselt o k : konduktivitas gas buang (W/m C)

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

1m

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 δ : tebal sirip

= 0,00031 m

n f : jumlah sirip

= 346 sirip/m

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

o Luas permukaan sirip (A f )

di mana :

f : Luas permukaan sirip (m )

D e : Diameter sirip = 0,0783 m

D o : Diameter luar pipa = 0,0603 m δ : Tebal sirip = 0,00031 m

N f : Jumlah sirip dalam panjang pipa = 346 sirip

Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar :

A f =  + π . 0 , 0783 . 0 , 00031  . 346 

= 1,38 dalam 1 meter panjang pipa o Luas permukaan primer (A p )

Dimana : N t : 1, untuk 1 batang pipa

A P = [ π . 0 , 0603 ( 1 − 0 , 00031 . 346 ) ] . 1

2 = 0,169 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 )

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

A h = 1,38 + 0,169

2 = 1,549 m Luas penampang area (A a ) merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1

meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter.

= (0,1206 – 0,0603) x 1 – 2 x (0,009 x 0,00031 x 346)

2 = 0,0182 m

Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik (D h ):  0 , 0584 

D h = 0,1206 x 4 x 

= 0,0182 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold :

0 , 5238 x 23 , 22 x 0 , 0182

3 , 27 x 10

= 6.769,42 2000 < R e < 40.000 Maka rumus mencari bilangan Nusselt adalah :

………………. (Incropera, 1981, hal. 344) di mana : N u = Bilangan Nusselt

1/3 N

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

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. S L 0 , = 1206 =

D o 0 , 0603 S T 0 , = 1206 =

D o 0 , 0603

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 (6.769,42)

x (0,683)

= 64,67 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa (h o ): Nu . k

2 o = 174,65 W/m . 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

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

= 0,039305 m Ap = L C .δ = (0,009155 x 0,00031) m

2 = 0,2838 x 10 m r 2 c 0 , 039305

Lc 1/2 (h o / k.Ap) di mana : k = konduktivitas bahan pipa (Lampiran 9) diperoleh = 19,865

− 19 5 , 865 x 0 , 2838 x 10  = 1,54

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

diperoleh η = 47 % f

Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa

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

A h 1 , 549 π . 0 , 0525 . 1

1 , 549 = 0,1065 Efektivitas sirip :

4.2.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Evaporator

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

0 , 0525 x In 

2 x 19 , 865 x 0 , 1065

2 o = 0,00172 m . C/W

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

persamaan berikut, yaitu :

U 3 . 137 x 0 , 1065

0 , 528 x 174 , 65

1= 0 , 015556732 U

2 U= o 64,28 W/m . C

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

A = U .(LMTD )

di mana :

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

diperoleh = 101142830 W

2 U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 64,28 W/m o . C o LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 93,35 C

101142830 Maka : A = 2 = 16855,62 m

64 , 28 x 93 , 35

Lintasan yang dibutuhkan untuk menyediakan luas permukaan yang

menyerap panas : N =

di mana : N = jumlah lintasan

A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 16855,62 m 2 A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 16855,62 m 2

1 = panjang pipa per batang = 14,64 m 16855 , 62

Maka : N =

59 x 1 , 5491 x 14 , 64

= 12,6 lintasan = 13 Lintasan

Maka jumlah pipa yang dibutuhkan HP evaporator adalah 13 x 59 = 767 Batang.