Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater CPH

Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 19233,8 m 2 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 19233,8 x x N = = 14 lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan LP evaporator adalah 14 x 59 = 826 Batang.

4.6. Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater CPH

Pipa condensate preheater CPH merupakan pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan kondensat dari kondensor yang akan digunakan sebagai air umpan. Sistem perpindahan panas yang terjadi adalah konveksi berlawanan arah, di mana air mengalir dari atas ke bawah sedangkan gas buang mengalir dari bawah ke atas. 107 45,86 181,4 164,9 T o C Tg F Tg G T 2 T 3 L m Gambar 4.19. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Cond. Preheater Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Di mana sebelumnya telah diperoleh : T 2 = temperatur uap masuk CPH = 45,86 o C T 3 = temperatur uap keluar CPH = 164,9 o C Tg F = temperatur gas buang masuk CPH = 181,4 o C Tg G = temperatur gas buang keluar HP CPH = 107 o C Maka : LMTD = min max min max ln T T T T ∆ ∆ ∆ − ∆ ∆T 1 = Tg G – T 2 = 107 o C – 45,86 o C = 61,14 o C ∆T 2 = Tg F – T 3 = 181,4 o C – 164,9 o C = 16,5 o C ∆T 1 sebagai ∆T max dan Maka ∆T 2 sebagai ∆T min. Maka diperoleh harga LMTD : LMTD = C 5 , 16 C 14 , 1 6 ln C 5 , 16 C 14 , 1 6 − = 34 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 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 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 CPH m 2 . o CW h o = Koefisien konveksi gas buang Wm 2 . o C o = Efektivitas sirip bagian luar 4.6.1. Pemilihan Pipa CPH Pipa CPH dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja sama halnya dengan pipa LP superheater. Diambil ukuran pipa dari ukuran standar pipa untuk baja schedule 40 dengan diameter nominal DN 1½” lampiran ukuran pipa. Maka diambil ukuran-ukuran pipa CPH sebagai berikut : D o : Diameter luar = 1,9 in = 0,048 m Di : Diameter dalam = 1,61 in = 0,04089 m t : Tebal pipa = 0,145 in = 0,003683 m Untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yang dibutuhkan sesuai dengan laju aliran uap dan diameter pipa yang direncanakan, maka diambil suatu batasan sebagai berikut :  Panjang pipa aktif yang berhubungan dengan pipa-pipa = 7 m dengan memperhitungkan standar panjang pipa yang ada  Jarak antara dua buah pipa = D o = 0,048 m  Panjang pipa perbatang = 14,64 m Penentuan panjang pipa berdasarkan pemilihan dari panjang pipa yang sering digunakan Tunggul S., 1975, hal. 142. Jumlah pipa dalam 1 baris Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. direncanakan sama seperti perancangan pada HP superheater. Sehingga jumlah pipa-pipa CPH yang dibutuhkan adalah : n = ST pipa panjang + 1 = 096 , 7 + 1 = 74 batang dalam 1 satu baris Dengan ST adalah jarak antara dua titik pusat pipa. Untuk dapat menjamin kekuatan pipa CPH 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 maksimal 7 bar = 101,526 psia S = tegangan tarik yang diijinkan psia S ≥ 2 101,526 145 , 2 9 , 1 101,526 − x x S ≥ 614,4 psia Sehingga dengan tegangan yang diperoleh diatas, dipilih material yang memliki tegangan ijin S diatas 614,4 psia. 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 500 o F masih memiliki tegangan ijin sebesar 12150 psi, jadi cukup aman untuk digunakan pada CPH dengan suhu maksimum yang terjadi 358,52 o F. Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.6.2. 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 dan tekanan uap rata-rata CPH yaitu u T = 105,38 o C dan tekanan 7 bar. Dari tabel sifat-sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur, setelah diinterpolasi diperoleh data-data sebagai berikut : = 0,000264 kgm.s k = 0,6836 Wm. o C Pr = 1,66 Kecepatan aliran uap pada CPH 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 + 20,54 kgs = 88,19 kgs n = jumlah pipa CPH per baris = 74 batang v = Volume jenis uap, dihitung atas dasar volume jenis uap rata – rata pada CPH dengan tekanan 7 bar, yaitu v = 0,001108 m 3 kg ρ = 1v = 10,001 m 3 kg = 902,527 kgm 3 Maka diperoleh harga kecepatan uap sebesar : V u = 2 04089 , 4 74 001108 , 19 , 88 x x x π = 1,0 ms Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan Reynold Bayazitoglu, 1988, hal. 234 yaitu : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. R e = µ ρ i u D V . . = 000264 , 04089 , 1 527 , 902 x x = 139789,12 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 139789,12 0,8 x 1,66 0,4 = 368,25 dengan : k = 0,6836 Wm. o C dan D i = 0,04089 m, maka : h i = 04089 , 6836 , 368,25 x = 6156,4 Wm 2 . o C 4.6.3. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa h o Susunan pipa yang dirancang adalah susunan selang-seling seperti pada gambar 4.20 di bawah ini : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. S T S L S D A 1 A 2 Gambar 4.20. Susunan Pipa Selang-Seling pada CPH 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 = 0,096 m Sifat – sifat gas buang dievaluasi pada temperatur rata-rata gas buang : g T = 2 107 4 , 181 + = 144,2 o C = 417,35 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 : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. k = 0,03409 Wm.K = 2,35 .10 –5 kgm.s = 0,84257 kgm 3 Pr = 0,687 Maka dapat dihitung kecepatan gas maksimum V g maks pada rangkuman pipa pada gambar 4.20, 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 + S D = 5 , 2 2 2               + T L S S 2 o T D S − ……... Incropera, 1981, hal. 344 5 , 2 2 2 096 , 096 ,               + 2 048 , 096 , − 0,1073312 0,024 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 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 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 = 181,4 o C adalah sebesar 0,77849 kgm 3 S T : jarak dua buah pipa = 0,096 m n : banyak pipa 1 baris = 74 batang L : panjang pipa 1 batang = 14,64 m Maka : V g = 64 , 14 74 096 , 0,77849 9 , 565 x x x = 6,95 ms Maka dapat diperoleh kecepatan gas maksimum V g maks sebesar : V g maks = 95 , 6 048 , 096 , 9 , 565 x − = 13,9 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 : Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. D h = l f . 4 . h a A A ……………………….. W.M. Kays, 1984, hal. 8 di mana : 1 f : jarak dua buah pipa = 0,084 m A a : luas penampang aliran m 2 A h : luas total permukaan yang menyerap panas m 2 Maka : h o = h u D k N . …………………………. Bayazitoglu, 1988, hal. 283 Pada perancangan pipa-pipa CPH ini dirancang menggunakan sirip untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip sama seperti pada HP ekonomiser yaitu : r o : jari-jari luar pipa = 0,024 m 1 : panjang sirip = 0,009 m r e : jari-jari pipa bersirip = 0,033 m : tebal sirip = 0,00046 m n f : jumlah sirip = 289 siripm Penentuan panjang, tebal dan jumlah sirip diperoleh dari lampiran 2, 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 = 0,066 m D o : Diameter luar pipa = 0,048 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. : Tebal sirip = 0,00046 m N f : Jumlah sirip dalam panjang pipa Maka diperoleh luas permukaan sirip sebesar : A f = 289 . 00046 , . 066 , . 4 048 , 066 , . . 2 2 2       + − π π = 0,963 m 2 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 . 289 . 00046 , 1 048 , . − = π P A = 0,13075 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 = 0,963 + 0,13075 = 1,0944 m 2 Luas penampang area A a merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1 meter dikurangi luas sirip dalam 1 meter. A a = f o T N L D S . . 1 2 δ − − = 0,096 – 0,048 x1 – 2 x 0,009 x 0,00046 x 289 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. = 0,0456 m 2 Maka dapat diperoleh harga diameter hidrolik D h : D h = 0,096 x 4 x       1,0944 0456 , = 0,016 m dalam 1 m panjang pipa Sehingga Bilangan Reynold dari persamaan sebelumnya : R e = 5 10 35 , 2 016 , 9 , 13 84257 , − x x x = 8073,61 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 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. 2 048 , 096 , = = o L D S 2 048 , 096 , = = o T D S Dari tabel diperoleh : C 1 = 0,482 dan m = 0,556, maka diperoleh harga bilangan Nusselt : N u = 1,13 x 0,482 x 8073,61 0,556 x 0,687 13 = 71,46 Maka dapat dicari koefisien pindahan panas diluar pipa h o : h o = Dh k Nu. = 016 , 03409 , 46 , 71 x Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. = 150,39 Wm 2 . o C 4.6.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip Untuk mencari efesiensi sirip dapat digunakan dengan menggunakan grafik efisiensi sirip Incropera, 1981, hal. 108 seperti pada gambar 4.21 berikut : Gambar 4.21. Grafik Efisiensi Sirip Dari data-data sirip pada perhitungan sebelumnya maka dapat dihitung : L C = 2 1 δ + = 2 00046 , 009 , + = 0,00923 m r 2c = 2 δ + e r = 2 00046 , 033 , + = 0,03323 m Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. Ap = L C . = 0,00923 x 0,00046 m = 0,4245.10 5 − m 2 o c r r 2 = 024 , 03323 , = 1,3846 Lc 32 h o k.Ap 12 di mana : k = konduktivitas bahan pipa Lampiran 9 diperoleh = 18,9934 Wm 2 . o C 0,00923 32 2 1 5 10 4245 , 9934 , 18 150,39     − x x = 1,24 Dari grafik diperoleh harga efesiensi sirip f η setelah diinterpolasi diperoleh f η = 54 . Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa yang menyerap panas dalam 1 meter A c A h : 1,0944 . . L D A A i h c π = = 1,0944 1 . 04089 , . π = 0,11735 Efektivitas sirip : f h f o A A η η − − = 1 1 = 1 –       1,0944 963 , x 1 – 0,54 = 0,595 Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. 4.6.5. Tahanan Konduksi pada Pipa CPH Tahanan konduksi pada pipa CPH A h . R w         = h c i o i w h A A k D D In D R A . 2 . = 11735 , 9934 , 18 2 04089 , 048 , 04089 , x x In x       = 0,00152 m 2 . o CW 4.6.6. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh U dihitung dari persamaan berikut, yaitu : o o W h h c i h R A A A h U . 1 . 1 1 η + +     = 39 , 150 595 , 1 00152 , 11735 , 4 , 6156 1 1 x x U + + = 014079 , 1 = U U = 71,02 m 2 . o C 4.7.7. Luas Bidang Pindahan Panas Luas bidang pindahan panas diperoleh dengan rumus sebelumnya yaitu : .LMTD U Q A = Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010. di mana : A = luas permukaan perpindahan kalor m 2 Q = panas yang diserap CPH, pada perhitungan sebelumnya diperoleh 44508875 W U = Koefisien perpindahan kalor menyeluruh = 71,02 Wm 2 . o C LMTD = Beda suhu rata – rata logaritma = 34 o C Maka : A = 34 02 , 71 44508875 x = 18432,6 m 2 Lintasan N yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74 batang pipa dalam 1 baris : 1 . . h A n A N = di mana : A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan = 18432,6 m 2 A h = luas total permukaan pipa yang menyerap panas = 1,0944 m 2 n = jumlah pipa per baris = 74 batangbaris 1 = panjang pipa per batang = 14,64 m Maka : 64 , 14 0944 , 1 74 18432,6 x x N = = 15,6 lintasan = 16 Lintasan Maka jumlah pipa yang dibutuhkan CPH adalah 16 x 74 = 1184 Batang. Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator HRSG Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.

4.7. Perhitungan Luas Penampang HRSG