Perhitungan Untuk Pipa Ekonomiser - : PERHITUNGAN KOMPONEN

BAB IV : PERHITUNGAN KOMPONEN – KOMPONEN UTAMA HRSG

4.3. Perhitungan Untuk Pipa Ekonomiser

Pipa ekonomiser merupakan pipa pemanas yang berfungsi untuk memanaskan air yang dipompakan dari tangki air hingga menjadi cair jenuh pada drum. Pada pipa ekonomiser sistem pindahan panas yang terjadi adalah konveksi yang berlawanan arah. Dimana air mengalir dari atas menuju ke bawah, sedangkan pada gas buang mengalir dari bawah menuju ke atas. Adapun aliran uap dan gas buang pada ekonomiser ini dapat dilihat pada sketsa gambar berikut :

166,5 A (m²) T(°C) 274,61 263,75 313,55 T5 T4 Tg3 Tg4

Gambar 4.12. Sketsa aliran uap dan gas buang pada ekonomiser

Dimana :

T5 = Temperatur uap keluar ekonomiser = 274,61 °C

T6 = Temperatur uap yang masuk ekonomiser = 166,5 °C

T_g3 = Temperatur gas buang masuk ekonomiser = 299,63 °C

Tg4 = temperatur gas buang keluar ekonomiser = 246,32°C

Maka, LTMD = ��_��− ��_�� ^{�� } �� Dimana, ΔTmax= T_g4 – T₆ = 246,32 – 166,5 = 79,82 °C ΔTmin= Tg3 – T5 = 299,63 – 274,61 = 25,02 °C LTMD = ^79,82−25,02 ��^{79 ,82}_{25 ,02} = 47,23 °C

Dalam perancangan ini pipa yang direncanakan merupakan pipa yang diameternya lebih kecil yaitu pipa baja schedule 40 dengan diameter nominal ( DN ) 1½". Maka diambil ukuran – ukuran pipa ekonomiser sebagai berikut :

Diameter luar pipa ( Do ) = 1,9 in = 0,04826 m

Diameter dalam pipa ( Di ) = 1,61 in = 0,04089 m

Tebal pipa ( t ) = 0,145 in = 0,0036 m

Jumlah pipa yang dibutuhkan disesuaikan dengan kapasitas uap dan diameter pipa yang direncanakan seperti pada pipa superheater. Dalam hal ini diambil suatu batasan sebagai berikut:

• Panjang pipa uap aktif yang saling berhubungan : 7 m ( standart

ukuran pipa yang ada)

• Panjang pipa perbatang : 14,64 m • Jarak antara dua pipa : 2 x D_o = 0,096 m

Sehingga jumlah pipa yang dibutuhkan untuk ekonomiser dalam tiap satu baris adalah :

n = ⁷

0,096 + 1

= 74 batang pipa dalam satu baris.

4.3.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam Pipa ( h_i )

Koefisien pindahan panas dalam pipa seharusnya ditentukan pada temperatur film. Dalam hal ini dapat juga ditentukan pada kondisi uap rata – rata pada ekonomiser ( �^��_� = 220,55 °C ) pada tekanan 59,15 bar. Maka dari tabel sifat – sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur diperoleh data sebagai berikut :

k = 0,649 W/m.°C

μ = 1,217 . 10^-4 kg/m.s

P_r = 0,864

ρ = 839,56 kg/m³

 Kecepatan aliran uap pada ekonomiser dihitung :

Vu = �_�̇.� � .�_�

dimana:

�_�̇ = Laju aliran uap = 50,5 kg/s

n = Jumlah pipa ekonomiser = 59 batang

v = Volume jenis uap, dimana dihitung berdasarkan volume

jenis uap rata – rata pada tekanan 59,15 bar ( dari tabel diperoleh 0,001316 m³/kg ).

Maka, V_u = ^{50,5(0,001316 )}

74.�/4 (0,04089 )2

= 0,68 m/s

 Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan

Reynold ( R_e) dari persamaan berikut :

Re = �.�_�.�_� �

R_e = ^{839,56 .0,68 .0,04089}

1,217 � 10−4 = 191817,03

 Aliran yang terjadi adalah turbulen dengan R_e > 2300, maka nilai h_i dapat dihitung dari persamaan berikut :

hi = �_�.� �_�

Bilangan Nusselt ( Nu ) dapat dihitung dari persamaan berikut :

Nu = 0,023 . Re^0,8 . Pr^0,4

= 0,023 . (191817,03)^0,8. (0,864)^0,4 = 365,29

Maka, nilai hi dapat diperoleh yaitu : hi = ^365,29� 0,649

0,04089

= 5797,82 W/m².°C

4.3.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Luar Pipa ( h_o )

Dalam perancangan ini susunan pada pipa dirancang dengan susunan selang – seling. Seperti pada sketsa gambar berikut:

ALIRAN GAS A1

A

S

D ST

S

Gambar 4.13. Susunan pipa selang - seling ekonomiser.

Dimana :

S_T = Jarak transversal ( m ) SL = Jarak longitudinal ( m )

SD = Jarak diagonal ( m )

A1 = Jarak antara dua buah pipa secara transversal ( m ) A2 = Jarak antara dua buah pipa secara diagonal ( m ) Dalam perencanaan ini bahwa jarak ST = SL = 2 x Do = 0,096 m.

Untuk mendapatkan besarnya koefisien konveksi terlebih dahulu ditentukan temperatur rata – rata, yaitu :

��g = ^{299,63+246,32}

= 272,97 °C = 546,12 °K Dari tabel sifat – sifat udara diperoleh :

k = 0,043 W/m .°K

μ = 2,83 . 10^-5 kg/m.s

Pr = 0,68

Maka, dari data diatas dapat dihitung kecepatan gas maksimum ( Vg maks ) yang terjadi :

V_g = �_�̇ �� . ��. � . �

dimana:

Vg = kecepatan gas masuk pada pipa diukur pada temperatur gas buang.

�_�̇ = laju aliran gas buang = 477,5 kg/s

ρg = massa jenis gas buang pada Tgas masuk= 572,78°K = 0,617kg/m³ ST = jarak dua buah pipa = 0,096 m

n = jumlah pipa 1 baris = 74 batang L = panjang pipa = 14,64 m

Vg = ^477,5

0,617 . 0,096. 74 . 14,64 = 7,44 m/s

Maka, diperoleh kecepatan maksimum gas ( Vg maks ) adalah :

Vg maks = �_� (�_�−�_�). Vg

= ^0,096

(0,096−0,04826 )^{. 7,44}

= 14,96 m/s

Sehingga dapat dihitung bilangan Reynold ( R_e ), yaitu :

Re = � . �_�_�� . �_ℎ �

Dimana :

Re = Bilangan Reynold

ρ = Massa jenis gas ( kg/m³ )

Dh = Diameter hidrolik pipa ( m )

μ = Viskositas dinamik pada suhu rata – rata ( kg/m.s ) Pada D_h dapat diperoleh dengan rumus:

Dh = �_�. 4 .^��_�

ℎ

Dimana:

�� ^{= Jarak antara dua buah pipa ( m )}

Ah = Luas total permukaan yang menyerap panas ( m² ) Dan : ho = �_�.� �_ℎ dimana: Nu = Bilangan Nusselt

k = Konduktivitas gas buang ( W/m.°K )

Dalam hal perancangan ini, pipa – pipa pada ekonomiser dirancang dengan menggunakan sirip yang sama dengan superheater ( Gambar 4.4 ) untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan. Adapun ukuran – ukuran sirip yaitu:

r_o =Jari – jari luar pipa = 0,02413 m

l = panjang sirip = 0,009 m

r_e = Jari – jari pipa bersirip = 0,033 m

δ = Tebal sirip = 0,00046 m

Nf = Jumlah sirip = 289 sirip/m

r_i = Jari – jari dalam pipa = 0,020447 m Berdasarkan data diatas, maka dapat dicari :

 Luas permukaan sirip ( �_� ) �_� = �^2.^�^.^��²−�_�2�

4 +�.�_�.��.�_� dimana :

�_� = Luas permukaan sirip ( m² )

De = Diameter sirip = 0,066 m

Do = Diameter luar pipa = 0,04826 m

δ = Tebal sirip = 0,0046 m

maka, luas permukaan sirip adalah :

�_� = �^2.^�^.^�^0,066²₄⁻^0,04826²^�+�. 0,066. 0,00046�.289 = 0,947 m²

 Luas permukaan primer ( ��⁾ A_p = ��.��^.�� − �.��.��

dimana :

�_� = 1 ( untuk 1 batang pipa )

A_p = [3,14.0,04826 (1− 0,00046. 289)].1 = 0,131 m²

 Luas total pada permukaan pipa yang menyerap tiap 1 meter panjang pipa adalah :

A_h = A_f + A_p

= 0,947 + 0,131 = 1,078 m²

 Perhitungan pada diameter hidrolik : Dh = 0,096 . 4 . ^0,045

1,078

= 0,016 m ( tiap 1 meter panjang pipa )

Dalam hal ini luas penampang area ( A_a ) merupakan luas penampang tanpa sirip dalam 1 meter dikurangi dengan luas sirip dalam 1 meter.

• A_a = (��− ��⁾� −2.��.�.��

= ( 0,096 – 0,04826 ).1 – 2.( 0,009.0,00046.289 ) = 0,045 m²

• Sehingga diperoleh bilangan Reynold adalah :

Re = ^{0,647.14,96.0,016}

2,83 � 10−5

= 5472,29 2000 < Re < 40.000

Untuk mencari nilai Nu ( bilangan Nusselt ) digunakan rumus yaitu :

Nu = 1,13 . C1 . Re^m . Pr^0,33 dimana, Nu = bilangan Nusselt

Re = bilangan Reynold

P_r = bilangan Prandalt

• Untuk nilai pada C₁ dan m dapat diperoleh dengan menggunakan tabel

kolerasi Grimson yang bergantung pada harga S_L/D_oatau S_T/D_o dari susunan pipa yang direncanakan.

�_� ��⁼

0,096 0,04826 = 2

C1 = 0,482

m = 0,556

• Jadi nilai untuk Nu adalah:

N_u = 1,13 . 0,482 . 5472,29^0,556 . 0,685^0,33 = 57,4

• Maka dapat diperoleh koefisien panas diluar pipa ( ho ) ho = �_�.�

�_ℎ

= ^{57,4 .0,043}

0,016

= 154,26 W/m². K

4.3.3 Pemilihan Pipa Pada Ekonomiser

Untuk dapat menjamin kekuatan pipa ekonomiser khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi di dalam pipa, maka kekuatan material yang digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus berikut :

S ≥ ^�.�_� 2 .�^-

� 2

Dimana :

S = Tegangan tarik yang diijinkan ( psi )

P = Tekanan yang terjadi di dalam pipa, dimana dalam hal ini

tekanan pipa sebesar 59,15 bar = 857,82 psi

t = Tebal pipa ( in )

Do = Diameter luar pipa

Maka, tegangan tarik yang diijinkan adalah :

S ≥ 857,82 . 1,9

2 .0,145 – ^857,82

2 S ≥ 5191,29 Psia

Dari hasil tegangan yang diperoleh diatas, maka dipilih pipa degan tegangan tarik ijin diatas 5191,29. Dari tabel bahan direncanakan material pipa yang digunakan adalah Seamless Alloy Steel ( SA 176, 18Cr-8Ni ) dimana pada temperatur 650°F dan tegangan tarik ijin sebesar 6550 psi. Dalam hal ini akan cukup aman digunakan untuk pipa ekonomiser. Untuk mencari efisiensi sirip dengan cara menggunakan grafik efisiensi sirip seperti pada gambar berikut :

Gambar 4.14. Grafik efisiensi sirip

Dari data sirip diatas,maka diperoleh : • LC = L + � 2 = 0,009 + ^0,00046 2 = 0,00923 m • r2c = re + � 2 = 0,033 + ^0,00046 2 = 0,03328 m • A_m = L_C. δ = 0,00923 . 0,00046 = 4,24 x 10^-6 m² • ^�2� �_� ⁼ 0,03328 0,024 = 13,86

• ��^3/2^{. (}ℎ�^/�.�m)^1/2 Dimana:

k = konduktivitas bahan pipa (dari lampiran bahan pipa diperoleh 18,992 W/m.°C )

maka, dapat dihitung :

��^3/2^{. (}ℎ�^/�.�m)^1/2 = 0,00923^1,5. ( 154,26/18,992.4,24x10^-6)^0,5 = 1,22

• Dari grafik sirip diatas, maka didapat harga efisiensi sirip setelah

diinterpolasikan sebesar ηf = 42,3 %

• Perbandingan luasan permukaan sirip dengan luas total permukaan pipa

yang menyerap panas dalam tiap 1 meter adala : Af /Ah = 0,947 m² / 1,078 m²

= 0,878

• Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa

yang menyerap panas dalam tiap 1 meter adalah : �� _ℎ ⁼ � .�_�.� 1,078 = ^{3,14.0,040894 .1} 1,078 = 0,119

• Panas yang hilang pada sirip : �� ⁼��^x��

Dimana untuk sirip anular : �_�� = 2π.h.(�2�− �_�)�_�

= 2. 3,14. 25 (0,03328² – 0,024²)(299,63 – 25) = 22,91 W

�_� = 0,423 x 22,91

= 9,69 W (untuk tiap sirip)

�_�� = 9,69 x 289

= 2800,41 W (untuk jumlah sirip/m) • Efektivitas sirip :

ηo = 1 - �_�

= 1 - 0,878. (1 – 0,423) = 0,5

• Tahanan konduksi pipa superheater ( A_h.R_w ) :

A_h.R_w =�_��^��^� 2.��^�� ℎ^� = ^{0,040894 .}��_0,040894^0,04826 � 2.18,992.(0,119) = 0,00015 m²°C/W

4.3.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh 1 � ⁼ 1 ℎ_��^�� ℎ^� + �_ℎ.�_� +_� ¹ �.ℎ_� = ¹ 5797,82.0,119+0,00015 + ¹ 0,5.154,26 = 0,014 U = ¹ 0,014 = 71,42 W/m².°C

4.3.5. Luas Bidang Pindahan Panas.

A = �

�.(��)

Dimana:

A = Luas permuakaan perpindahan panas ( m² )

Q = Kapasitas panas yang diserap ekonomiser, dimana perhitungan

sebelumnya diperoleh sebesar 26455940 W

U = Koefisien pindahan panas kalor menyeluruh yaitu 71,42 W/m²°C

LTMD = Beda suhu rata – rata logaritma sebesar 47,23 °C Maka, nilai untuk luas bidang pindahan panas ( A ) adalah :

A = ^26455940

71,42 . 47,23

= 7843,05 m²

Lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 74 batang pipa dalam 1 meter adalah :

N = � � . �_ℎ

Dimana :

N = Jumlah lintasan

A = Luas permukaan pindahan panas ( m²)

Ah = Luas total permukaan pipa yang menyerap panas ( m² )

Maka, N = ^{7843 ,05}�2

74 . 1,078 �2.14,64

= 6,71 lintasan = 7 lintasan

Jadi, jumlah pipa yang dibutuhkan pada ekonomiser = 7 x 74 = 518 batang.

Dalam dokumen Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Yang Memanfaatkan Gas Buang Turbin Gas Di PLTG PT. PLN (Persero) Pembangkitan Dan Penyaluran Sumatera Bagian Utara Sektor Belawan (Halaman 74-86)