PROPOSAL SKRIPSI DESAIN ECONOMIZER PADA WATERTUBE BOILER UNTUK SISTEM PLTU DENGAN KAPASITAS 80 MW
Oleh : DEVI PERMATA 111724008
TEKNOLOGI PEMBANGKIT TENAGA LISTRIK TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2015
LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL SKRIPSI
DESAIN ECONOMIZER PADA WATERTUBE BOILER UNTUK SISTEM PLTU DENGAN KAPASITAS 80 MW
Oleh DEVI PERMATA 111724008
Menyetujui :
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. MARIDJO ,MT.
IKA YULIYANI, ST.,MT.
NIP. 19580219 198603 1 003
NIP. 19720328 200212 2 001
Mengetahui, Koordinator Skripsi,
Ir. TEGUH SASONO, MT. NIP. 19640607 199512 1 001 ii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL SKRIPSI .............................................................ii DAFTAR ISI........................................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... iv BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................................... 1 I.1
Latar Belakang .......................................................................................................... 1
I.2
Tujuan ........................................................................................................................ 2
I.3
Rumusan Masalah ..................................................................................................... 2
I.4
Batasan Masalah ....................................................................................................... 2
I.5
Metodelogi .................................................................................................................. 2
I.6
Sistematika Penulisan ............................................................................................... 3
BAB II
LANDASAN TEORI ............................................................................................. 5
II.1
Siklus Rankine ........................................................................................................... 5
II.2
Economizer ................................................................................................................. 6
II.3
Economizer Construction........................................................................................... 7
II.4
Perpindahan Panas ................................................................................................... 8
II.5
Perpindahan Panas Konveksi .................................................................................. 8
II.6
Perhitungan Penyerapan Panas ............................................................................... 8
II.6.1
Kapasitas Pembangkitan Energi ...................................................................... 9
II.6.2
Penentuan Aliran ............................................................................................... 9
II.7
Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Keseluruhan (U) .................................. 10
II.7.1
Perencanaan Pipa ............................................................................................. 10
II.7.2
Koefisien Perpindahan Panas dalam Pipa Ekonomiser ............................... 11
II.7.3
Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa (ho) ............................................... 12
II.8
Lintasan Pipa yang Dibutuhkan ............................................................................ 18
II.9
Persamaan Pressure Drop Pipa ............................................................................. 18
II.10
Rugi Rugi Belokan pada Pipa............................................................................. 19
BAB III
PERANCANGAN ALAT .................................................................................... 20
III.1
Perancangan Economizer .................................................................................... 20
III.2
Tahap Perancangan............................................................................................. 21
III.3
Rencana Jadwal Pengerjaan Skripsi ................................................................. 22
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 23
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1Siklus Rankine Ideal ......................................................................................6 Gambar II.2 Economizer Construction .............................................................................7 Gambar II.3 Hubungan Aliran Silang Fluida Uap dan Gas Terhadap Temperatur ....9 Gambar II.4 Stagered tube .................................................................................................12 Gambar II.5 Finned Tube ...................................................................................................13 Gambar II.6 Grafik Efisiensi Sirip ....................................................................................17 Gambar III.1 Sistem PLTU ................................................................................................20
iv
BAB I PENDAHULUAN
I.1
Latar Belakang PLTU Krakatau Daya Listrik merupakan pembangkit listrik 80 MW. PLTU yang
merupakan singkatan dari pembangkit listrik tenaga uap adalah pembangkit listrik yang memanfaatkan energi uap untuk menghasilkan listrik. Adapun komponen utama dari PLTU diantaranya adalah boiler, turbin uap, kondensor dan juga pompa. Pada PLTU air umpan masuk ke bolier kemudian diberi panas sehingga menjadi uap superheat. Uap superheat kemudian menggerakan turbin uap dimana turbin uap dikopel dengan generator dimana rotor di generator ikut berputar sehingga menghasilkan energi listrik. Boiler atau steam generator adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem uap dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem uap mengumpulkan dan mengontrol produksi uap dalam boiler. Uap dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan uap diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Untuk bahan bakar yang digunakan pada boiler ini adalah bahan bakar batubara. Salah satu komponen di boiler adalah economizer. Economizer pada dasarnya adalah turbular heat transfer surface yang berfungsi untuk memanaskan air umpan sebelum masuk ke drum boiler. Economizer juga berfungsi untuk memperingan proses penguapan pada evaporator.
1
2
I.2
Tujuan Tujuan yang diharapkan dari skripsi ini adalah: 1.
Membuat simulasi sistem PLTU dengan kapasitas 80 MW dengan menggunakan cycle tempo;
2.
Merancang economizer dengan material yang cocok untuk PLTU kapasitas 80MW;
3.
Menentukan kinerja yang dapat dihasilkan oleh economizer tersebut berdasarkan pada hasil perhitungan perpindahan panas dan pengaruh dari materialnya.
I.3
Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah dalam skripsi ini adalah: Menggunakan software cycle tempo dalam membuat simulasi PLTU berkapasitas 80 MW; Desain awal economizer dilakukan dengan perhitungan termodinamika dan perpindahan panas; Membahas efisiensi dan kondisi material dari desain economizer tersebut.
I.4
Batasan Masalah Sistem PLTU yang digunakan menggunakan pemodelan sistem PLTU dengan software cycle tempo; Perhitungan desain awal economizer dan sistem PLTU dilakukan dengan menggunakan data operasi; Perencanaan perhitungan mencakup dimensi dan material economizer.
I.5
Metodelogi Studi Pustaka Metode ini merupakan suatu metode dimana buku-buku dan internet dijadikan sumber penunjang pembuatan skripsi, serta berbagai referensi dari skripsi / TA tahun-tahun sebelumnya. Diskusi Diskusi dilakukan secara tanya jawab dengan pembimbing dan staf pengajar lainnya dalam pengerjaan skripsi.
3
Perancangan Desain Sistem PLTU Untuk metode ini dilakukan dengan merancang sistem dengan menggunakan software cycle tempo. Dimana di dalam software tersebut, dapat dilakukan simulasi dan heat balance pada system dapat langsung diketahui. Perancangan Desain Economizer Untuk merancang economizer, dilakukan dengan menganalisa dari bagian perpindahan panasnya terlebih dahulu. Kemudian menentukan dimensi economizer dan jumlah tube-tube pada economizer. Kemudian untuk desain dan material menggunakan software Solidworks 2013. Pembuatan Laporan Pembuatan laporan merupakan hasil dari perancangan desain economizer untuk sistem PLTU 80 MW. I.6
Sistematika Penulisan BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini berisi tentang latar belakang, tujuan skripsi, rumusan masalah, batasan masalah, metode yang digunakan dalam pembuatan skripsi, dan sistematika penulisan skrpsi.
BAB II DASAR TEORI Pada bab ini berisi tentang dasar-dasar teori yang berkaitan dengan tema yang diambil oleh penulis yaitu perancangan economizer, sehingga penulis mampu merancang sebuah economizer untuk PLTU kapasitas 80 MW.
BAB III PERANCANGAN ECONOMIZER Pada bab ini berisi tentang tahapan-tahapan perancangan dari economizer. Tahapantahapan ini berupa perhitungan perpindahan panas hingga menyeleksi material yang cocok.
BAB IV ANALISA PERANCANGAN Pada bab ini berisi tentang analisa-analisa dari perhitungan perpindahan panas pada economizer.
4
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil perancangan economizer untuk sistem PLTU kapasitas 80 MW, serta material-material yang cocok.
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II LANDASAN TEORI
II.1 Siklus Rankine Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine. Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari. Siklus Rankine kadang-kadang diaplikasikan sebagai siklus Carnot, terutama dalam menghitung efisiensi. Perbedaannya hanyalah siklus ini menggunakan fluida yang bertekanan, bukan gas. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 oC (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30 oC. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik tenaga batu bara sebesar 42%. Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah. Untuk siklus rankine dapat dilihat pada Gambar II.1Siklus Rankine Ideal. Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).
5
6
Gambar II.1Siklus Rankine Ideal
Proses 1: Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.
Proses 2: Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.
Proses 3: Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.
Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh. Dalam siklus Rankine ideal, pompa dan turbin adalah isentropik, yang berarti pompa
dan turbin tidak menghasilkan entropi dan memaksimalkan output kerja. Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropik. Dengan kata lain, proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkan erosi dan korosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi. II.2 Economizer Economizers pada dasarnya pipa permukaan perpindahan panas yang digunakan untuk memanaskan air umpan boiler sebelum memasuki drum boiler. Air ini berasal dari elemen pemanas feed water heater. Hal itu untuk kebutuhan
pemanasan
air
umpan
7
bertekanan. Dengan mengambil energi dari gas buang sebelum habis ke atmosfer ini melakukan fungsi kunci dalam memberikan efisiensi termal boiler keseluruhan yang tinggi. Fungsi dari ekonomiser adalah untuk memperingan proses penguapan pada evaporator. II.3 Economizer Construction Economizer dirancang dalam dua konfigurasi konstruksi dasar. Economizer dibuat dari pipa boiler baja melewati lembar tabung, seperti boiler firetube. Sebagai pembuangan efluen melewati atau sekitar tabung tersebut mengalihkan panas ke air umpan di sisi shell dari economizer. Desain ini berkaitan dengan efisiensi rata-rata 45-75 persen. Desain economizer alternatif yang mendapatkan penerimaan luas adalah horizontal high-efficiency condensing economizer. Desain ini dibangun dari exhaust stainless steel chest dan pipa penukar panas thin-wall high tensile. Air yang mengalir melalui tabung, yang dipasang di exhaust chest, menyerap panas transien gas buang. Condensing Economizers dapat mencapai efisiensi hingga 85% di tumpukan kecepatan yang sangat rendah. Sebuah siku kondensat breech dan drain diperlukan dalam kondensasi aplikasi.
Gambar II.2 Economizer Construction
8
II.4 Perpindahan Panas Perpindahan panas adalah proses terjadinya perpindahan energi yang disebabkan adanya perbedaan tekanan dan temperature. Ilmu perpindahan panas mencakup hukum-hukum termodinamika yaitu hukum pertama dan hukum kedua. Hukum kedua termodinamika berisi tentang : “tidak mungkin bagi sistem apapun untuk beroperasi sedemikian rupa sehingga hasil tunggalnya akan berupa suatu perpindahan energy dalam bentuk kalor dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas.” (Claucius). II.5 Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang terjadi di antara permukaan padat dengan aliran gas atau cairan. Panas yang dipindahkan pada proses konveksi ini dapat berupa panas laten dan panas sensible. Panas laten adalah panas yang menyertai perubahan fasa akibat adanya perbedaan temperature dan tekanan. Panas sensible adalah panas yang tidak disertai perubahan fasa, walaupun adanya perbedaan temperatur dan tekanan. Perpindahan panas secara konveksi terbagi 2 yaitu : 1. Konveksi Paksa Konveksi paksa adalah terjadinya proses perpindahan panas dikarenakan ada sirkulasi lain, sehingga perubahan temperature menjadi cepat. 2. Konveksi Alamiah
Konveksi alamiah adalah terjadi proses perpindahan secara alami karena fluida yang berubah densitasnya karena proses pemanasan bergerak naik. II.6 Perhitungan Penyerapan Panas Konsep untuk perancangan economizer dalam boiler ini adalah perpindahan panas. Sehingga area perpindahan panas harus diperhitungkan. Q = U A LMTD ............................................................................................. (2. 1) Keterangan : Q= Panas yang diserap oleh pipa (J/s) A= Luas perpindahan panas yang dibutuhkan U= Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2) LMTD= Log Mean Temperature Different (°C)
9
Berdasarkan persamaan umum diatas maka nilai area yang dibutuhkan untuk perpindahan panas bisa kita peroleh. Maka, dibawah ini merupakan tahapan tahapan untuk memperoleh nilai area tersebut. II.6.1 Kapasitas Pembangkitan Energi Kesetimbangan energi laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan kalor (Moran, 2003) ̇ 𝑸 = 𝒎̇ . ∆𝒉 ........................................................................................................... (2.2) Keterangan: ∆ℎ = perbedaan entalpi [kJ/kg] 𝑚̇ = laju alir massa uap [kg/s] II.6.2 Penentuan Aliran Perancangan ini diawali dengan menentukan LMTD yang merupakan perbedaan temperatur rata rata berdasarkan arah aliran yang terjadi antara gas buang dengan pipa pipa di dalam boiler. Pada umumnya arah aliran untuk pipa superheater dan ekonomiser menggunakan konveksi berlawanan arah, dimana gas mengalir dari bawah ke atas melewati pipa pipa yang di dalamnya air bergerak berlawanan arah, sedangkan untuk pipa evaporator mengalami konveksi searah, sehingga LMTD keduanya memiliki nilai yang berbeda. LMTD untuk aliran yang berlawanan arah lebih kecil bila dibandingkan terhadap konveksi satu arah, hal ini juga berpengaruh terhadap area perpindahan panas keduanya.
Gambar II.3 Hubungan Aliran Silang Fluida Uap dan Gas Terhadap Temperatur
(Incropera, 2003)
10
Gambar II.3 merupakan rangkaian pipa yang dilalui oleh gas buang, berdasarkan arah aliran fluidanya maka dapat ditentukan nilai Log Mean Temperatur Different (LMTD) dengan persamaan sebagai berikut (Holman, 1998)
𝐋𝐌𝐓𝐃 =
∆𝑻𝒎𝒂𝒙 − ∆𝑻𝒎𝒊𝒏 ∆𝑻
𝒍𝒏 ∆𝑻𝒎𝒂𝒙
................................................................................... (2. 3)
𝒎𝒊𝒏
Untuk menentukan LMTD tersebut maka dihitung terlebih dahulu untuk nilai ∆𝑇, setelah itu maka klasifikasikan nilai maksimum dan minimumnya. Maka akan didapatkan nilai LMTD yang selanjutnya dapat diaplikasikan ke dalam persamaan 2.1 II.7 Koefisien Perpindahan Panas Konveksi Keseluruhan (U) Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (Hewitt,1994): 1 U
=
1 𝐴
hi(𝐴 𝑐 )
+ 𝐴ℎ . 𝑅𝑤 +
ℎ
1 𝑛0 .ℎ0
......................................................................... (2. 4)
dimana hi = Koefisien konveksi dalam pipa [W/m2.oC] Ac / Ah = Perbandingan luas pipa bagian dalam dengan luas pipa yang menyerap kalor Ah . Rw = Tahanan konduksi pipa superheater [m2.oC/W] Ho = Koefisien konveksi gas buang [W/m2.oC] Ηo = Efektivitas sirip bagian luar [%] Setelah didapatkan nilai koefisien perpindahan panas konveksi keseluruhan tersebut, maka dapat diaplikasikan ke dalam persamaan 2.1 II.7.1 Perencanaan Pipa Untuk merancang boiler yang terdiri atas pipa pipa, diperlukan asumsi dimensi pipa yang ditentukan terlebih dahulu, seperti diameter luar (d o) diameter dalam (di) maupun ketebalan (t). Penentuan ini dberdasarkan standar pemilihan material yang biasa digunakan
11
di pembangkit. Selanjutnya untuk menentukan jumlah pipa maka digunakan persamaan sebagai berikut: 𝐧=
𝑳𝒃 𝒑𝟏
+ 𝟏 .......................................................................................................................(2.5)
Dimana : Lb = panjang pipa aktif [m] p1 = Jarak antara dua titik pusat pipa Selanjutnya kekuatan pipa untuk mampu menahan tekanan pun perlu diperhatikan, maka kekuatan material pipa ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : 𝐒 ≥
𝑷.𝑫𝟎 𝟐.𝒕
𝑷
− .................................................................................................. (2. 6) 𝟐
P = Tekanan yang terjadi pada pipa S = tegangan tarik yang diijinkan [psia] t = tebal pipa [m] II.7.2 Koefisien Perpindahan Panas dalam Pipa Ekonomiser Koefisien perpindahan panas dalam pipa dapat ditentukan pada kondisi temperatur uap rata rata dan tekanan tertentu. Selanjutnya didapat harga µ, k, dan Pr. Kemudian kecepatan aliran uap dihitung melalui persamaan (Hewitt, 1994) : Vu =
𝑚̇u .v 𝑛.𝐴1
......................................................................................................................(2. 7)
Vu = Kecepatan aliran uap dalam pipa (m/s) 𝑚̇u = laju aliran uap (kg/s) n
= jumlah pipa
v
= Volume jenis uap (m3/kg)
Kecepatan aliran uap tersebut digunakan untuk menghitung bilangan Reynold pada persamaan 2.8. Besarnya koefisien perpindahan panas dalam pipa dianalisa berdasarkan harga bilangan persamaan bilangan Reynold (Hewitt, 1994) :
12
𝐑𝐞 =
𝜌 . 𝑉𝑢 . 𝐷𝑖 𝜇
..................................................................................................................(2. 8)
dengan : ρ
= Massa jenis uap pada HP superheater [kg/m3]
μ
= Viskositas dinamik uap [kg/m.s]
Di = Diameter dalam [m] Jika aliran yang terjadi adalah turbulen, Re > 4000, maka hi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : hi =
𝑁𝑢 .𝐾 𝐷𝑖
....................................................................................................... (2. 9)
K = Konduktivitas thermal uap uap [W/moC] Dengan harga bilangan Nusselt dapat dihitung bersadarkan persamaan 2.10 Bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan berikut: Nu = 0.023 Re0.8. Pr0.4 ...........................................................................................................(2. 10)
II.7.3 Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa (ho) Susunan pipa pada boiler terdiri dari beberapa konfigurasi pipa, dilihat dari susunan pipa yang membentuk sudut. Darisana bisa kita rencanakan jumlah pipa dan aliran gas pada rangkaian luar pipa. Berikut ialah konfigurasi pipa yang sering digunakan: 1. Pipa stagered 2. Pipa bersirip Pipa Stagered
Gambar II.4 Stagered tube
(Hewitt, 1994)
13
Pada gambar II.4 merupakan susunan pipa yang akan dirancang. Susunan tersebut dinamakan dengan susunan staggered (selang seling). Hal ini dipilih
agar
perpindahan panas terjadi merata. Perpindahan panas dengan rangkaian tersebut cocok digunakan untuk pemanas berupa gas buang karena laluan pipa yang rapat. Pipa Sirip
Gambar II.5 Finned Tube
(Hewitt, 1994) Pada gambar II.5 terlihat bahwa pipa yang digunakan merupakan jenis pipa bersirip. Hal ini berguna untuk menyaring gas buang sebelum ke atmosfer dan agar luas perpindahan panas semakin besar. Pipa jenis ini digunakan pada desain economizer di PT. KDL. Selanjutnya, tahapan untuk menghitung perpindahan panas dalam pipa adalah sebagai berikut (Hewitt, 1994) : 1. Menghitung bilangan Reynold untuk mencari koefisien perpindahan luar pipa untuk pipa bersirip. 𝑅𝑒𝑔 =
𝜌𝑔 𝑣𝑚𝑎𝑥 𝑑ℎ 𝜇𝑔
.................................................................................................(2. 25)
Ρg = massa jenis gas Dh = diameter hidrolik [m] 2. Menghitung kecepatan gas Dengan vmax merupakan kecepatan maksimum untuk gas buang yang melalui rangkaian pipa stagerred. Maka vmax dihitung sebagai berikut: 𝑣𝑚𝑎𝑥 =
𝑚̇𝑔𝑎𝑠 𝜌𝑔 𝑆𝑚𝑖𝑛
..................................................................................................( 2. 26)
𝑚̇𝑔𝑎𝑠 = laju aliran gas buang. [kg/s]
14
ρg = massa jenis gas buang pada T gas buang masuk [kg/m3] 3. Menghitung Luas Area Minimum Aliran gas melewati rangkaian pipa luar dan memiliki luas permukaan minimum surface area minimum, (Smin) yang dilewati pipadihitung dengan persamaan 2𝑤ℎ
Smin = 2NL [p1 − Dr − (𝑤+𝑠)] ........................................................ (2. 27) 4. Menghitung Bilangan Nusselt Untuk menghitung bilangan Nusselt pada sisi gas dengan susunan stagerred dapat menggunakan persamaan atas dasar korelasi Grimson dengan memasukan data
𝑆𝑇 𝐷
pada sumbu x dan
𝑆𝐿 𝐷
pada sumbu y, maka
diperoleh nilai B dan N seperti pada tabel dibawah ini
Tabel II.1 Grimson Number
15
Didapat nilai B dan N Nu = B RegN ................................................................................................................................ (2. 28) Maka harga perpindahan panas luar pipa dapat dihitung ℎ𝑜 =
𝑁𝑢 𝑘 𝑑ℎ
.........................................................................................................( 2. 29)
Nu = bilangan Nusselt k = konduktivitas gas buang [W/m°C] dh = diameter hidrolik [m] 5. Menghitung Luas Permukaan Sirip [Af] Pada perancangan pipa-pipa boiler ini, dirancang menggunakan sirip untuk menyediakan luas permukaan perpindahan panas yang dibutuhkan menurut (Hewitt ,1994). Maka Af dapat dihitung sebagai berikut : 𝐀𝐟 =
𝑵𝑳𝝅
𝟏
[ (𝑫𝒇𝟐 − 𝑫𝒓𝟐 ) + 𝑫𝒇 𝒘] .........................................................(2. 30)
(𝒔+𝒘) 𝟐
N = Jumlah pipa [buah] L = panjang pipa [m] w = tebal sirip [m] s = jarak antar sirip [m] Df = diameter sirip [m] Dr = Diameter akar sirip = Do [m] 6. Menghitung luas permukaan di antara tube (Aw) Pipa HRSG satu dan yang lainnya memilki jarak tertentu, sebagai laluan gas.
Kemudian
jarak
jarak
tersebut
membentuk
suatu
luas
permukaan, yang dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut : 𝐀𝐰 =
𝑵𝑳𝝅 (𝑫𝒓𝒙𝒔) ........................................................................................(2. 31) (𝒔=𝒘)
16
7. Menghitung luas permukaan total dari sejumlah pipa bersirip sepanjang 1 meter (Ah) Ah = Af + Aw ....................................................................................................( 2. 32) 8. Menghitung Luas permukaan area tanpa sirip (Abt) Abt = nLπdr .......................................................................................................................................... (2. 33) n
= jumlah pipa (buah)
9. Menghitung Surface area frontal (So) Merupakan keseluruhan area yang dilewati pipa secara frontal So = [(N x Dr)+ (P1 x Dr) x (N – 1)] xL .......................................... (2. 34) 10.
Menghitung Tahanan Konduksi pada pipa (AhRw)
AhRw =
𝑫𝒐 ) 𝒊 𝑨𝒄 𝟐𝒌𝑨𝒉
𝑫𝒊 𝒍𝒏 (
............................................................................... (2. 35)
Dimana Ac/Ah merupaka perbandingan luas permukaan dalam pipa dan luas total yang menyerap panas, maka Ac/ah dihitung sebagai berikut Ah=A 𝐀𝐜 𝐀𝐡
=
𝝅𝒅𝒊𝑳 𝑨𝒉
............................................................................................. (2. 36)
dimana Dh = p1 x 4 ......................................................................................... (2. 37)
p1 = Jarak antar pipa transfersal (m) Aa = Luas perpindahan permukaan yang menyerap panas ( m2) Ah =: Luas permukaan total (m) Aa= ( p1 - do ) L – 2 ( 1. wf. nf) ........................................................... (2. 38) wf = tebal sirip [m]
17
nf = banyaknya sirip [m] 11.
Menghitung Efisiensi sirip Berdasarkan gambar II.6 efisiensi sirip ditentukan berdasarkan hasil perhitungan pada sumbu x dan kurva s. Dengan perhitungan sebagai berikut : 𝒘
𝒉𝒐
𝟐
𝒌𝒇
Menghitung sumbu x = [𝒉 + ] [
𝟎.𝟓
. 𝒘]
................................... (2. 39)
Hasil perhitungan diletakan pada sumbu x sesuai hasil yang didapatkan, lalu tarik ke arah vertical menuju hasil kurva s Menghitung Kurva S =
𝑫𝒇+𝒘 𝑫𝒓
...................................................................(2. 40)
Hasil perhitungan diletakan pada kurva S sesuai hasil yang didapatkan, sehingga terjadi titik temu antara perhitungan sumbu x dan perhitungan kurva S, selanjutnya tarik garis horizontal ke arah sumbu y (sebelah kiri) maka didapat nilai efisiensi
Gambar II.6 Grafik Efisiensi Sirip
(Hewitt 1994)
18
II.8 Lintasan Pipa yang Dibutuhkan Untuk mendapatkan jumalah pipa pemanas yang dibutuhkan maka dapat dihitung dengan persamanaan (Ganapathy,1996):
Nr =
𝑨 𝒏.𝑨𝒉.𝑳
.........................................................................................................................(2. 41)
A = luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan [m2] Ah = luas total permukaan pipa yang menyerap panas [m2] n = jumlah pipa dalam satu baris L = panjang pipa per batang [m]
II.9 Persamaan Pressure Drop Pipa Penurunan tekanan sepanjang rangkaian pipa biasanya berkisar antara 0,2-0,5 bar Maka pressure drop dapat dihitung dengan persamaan (Ganapthy,1996):
𝟏
∆𝒑 = (𝑲𝒂 + 𝒏𝒓 + 𝑲𝒇) 𝝆 𝒎𝒂𝒙 ............................................................. (2.43) 𝟐
Ka = Konstanta aliran minimum pipa cross sectional nr = Banyaknya baris pipa ρ = massa jenis gas [kg/m3] Vmax = kecepatan gas maksimum [m/s] Kf = friction factor dalam baris pipa untuk susunan pipa stagered dan bersirip 𝐴
0.504
Kf = 4.567 𝑅𝑒 −0.242 ( ) 𝐴𝑇
Ka σ=
𝑝1 −0.376
( ) 𝐷𝑟
𝑃
−0.546
( 2) 𝐷𝑟
= 1+σ2: 𝑝1−𝐷𝑟−2ℎ𝑤/(𝑤+𝑠) 𝑝1
.................................................................................. (2. 44)
Dimana σ adalah aliran minimum pada area bebas menuju area frontal
19
II.10 Rugi Rugi Belokan pada Pipa Rugi rugi belokan termasuk ke dalam kerugian minor (minor losses) yang merupakan kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada katup – katup, sambungan, belokan, dan pada luas penampang yang tidak konstan. Pada aliran yang melewati belokan atau katup, head loss minor dihitung berdasarkan persamaan (Weisbache, 1998) yaitu : Hlm= k
𝑣2 2𝑔
.................................................................................................... (2. 45)
Keterangan : Hlm = head loss minor (m) v = kecepatan (m/s) g = gravitasi bumi (m/s2) k = koefisien kerugian pada belokan
Koefisien pada belokan pipa (k) terbagi menjadi 2 yaitu belokan lengkung dan belokan patah. Untuk belokan lengkung digunakan rumus persamaan Fuller sebagai berikut(Sularso, 2000) : 𝐷𝑏 3,5
k = [0,131 + 1,847 ( ) 2𝑅
𝜃 0,5
][ ] 90
........................................................... (2. 46)
keterangan : Db = Diameter dalam belokan [m] R = Jari jari lengkung sumbu belokan [m] ɵ = sudut belokan [derajato] k = koefisien kerugian
BAB III PERANCANGAN ALAT
III.1 Perancangan Economizer Perancangan economizer tipe water tube dengan sirkulasi alami untuk kapasitas PLTU 80 MW. Perancangan PLTU sederhana dideskripsikan pada gambar Gambar III.1 Sistem PLTU.yang dibuat menggunakan cycle tempo.
Gambar III.1 Sistem PLTU
Keterangan: 1. Boiler 2. Turbin Uap 3. Kondensor 4. Main Cooling Water Pump 5. Laut 6. Pompa 7. Feedwater Heater 8. Deaerator 9. Kompresor
20
21
III.2 Tahap Perancangan
22
III.3 Rencana Jadwal Pengerjaan Skripsi No
Jenis Kegiatan
Pelaksanaan Kegiatan Minggu KeDesember
Januari
Februari
Maret
April
Mei
Juni
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1
Persiapan Skripsi a. Studi Pustaka b. Judul c. Pembuatan Proposal
2
Bimbingan Skripsi
3
Pendesignan Sistem
4
Progres Skripsi
5
Pendesignan Economizer
6
Evaluasi hasil
7
Pembuatan Laporan Skripsi
DAFTAR PUSTAKA
Darcy, Weisbache, 1998. Fluid Mechanics. White Publisher DeWitt, Incropera, 2003 Fundamental of Heat Exchanger Desain. Begell House Publisher Ganapathy,V, 1996. Heat-Recovery Steam Generator. ABCO Industries. Hewitt, G.F, Shires, G.L., Bott, T.R., 1994 Process Heat Transfer. Begell House Publisher. Holman, J.P. 1998. Perpindahan Kalor. Edisi Ke enam. Jakarta: Erlangga. Moran.J.M, Shapiro.N.H 2003. Termodinamika Teknik, Fourth Edition. Jakarta: Erlangga
23
