Perhitungan Untuk Pipa Evaporator - : PERHITUNGAN KOMPONEN

BAB IV : PERHITUNGAN KOMPONEN – KOMPONEN UTAMA HRSG

4.2. Perhitungan Untuk Pipa Evaporator

Evaporator merupakan pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk menguapkan air dari keadaan cair jenuh menjadi uap jenuh. Air ini berasal dari drum akibat perbedaan massa jenis dikarenakan terjadinya sirkulasi panas dan selanjutnya uap akan kembali lagi ke drum. Sistem pindahan panas yang terjadi adalah sistem konveksi searah. Dimana air mengalir dari bawah keatas demikain juga pada gas buang. Gas buang yang dimanfaatkan evaporator ini berasal dari gas buang yang keluar dari superheater.

Besarnya harga LTMD sistem pindahan panas pada evaporator dapat dilihat pada gambar berikut :

274,61 Tg3 Tg2 T6 T5 274,61 T(°C) A (m²) 299,63 406,73

Dimana, nilai masing – masing temperatur sudah diperoleh sebelumnya :

T6 = Temperatur uap keluar evaporator = 274,61 °C

T5 = Temperatur uap yang masuk evaporator = 274,61 °C

Tg2 = Temperatur gas buang masuk evaporator = 406,73 °C

Tg3 = temperatur gas buang keluar evaporator = 299,63 °C Maka, LTMD = ��_��−��_�� ^{�� } �� Dimana, ΔTmax= T_g2 – T₅ = 406,73 – 274,61 = 132,12 °C ΔT_min= T_g3 – T₆ = 299,63 – 274,61 = 25,02 °C LTMD = ^132,12−25,02 ��^{132 ,12}_{25 ,02} = 64,36 °C

Dalam perancangan ini pipa yang direncanakan merupakan pipa yang diameternya lebih besar dari pipa superheater yaitu pipa baja schedule 40 dengan diameter nominal ( DN ) 2". Maka diambil ukuran – ukuran pipa evaporator sebagai berikut :

Diameter luar pipa ( Do ) = 2,375 in = 0,060325 m

Diameter dalam pipa ( D_i ) = 2,067 in = 0,052 m

Tebal pipa ( t ) = 0, 154 in = 0,0039 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 = 0,12065 m

ST 7 m 7 m 1^4, 6⁴ m 0,1206m 0,0603m

Gambar 4.8. Sketsa rancangan pipa-pipa evaporator

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

n = ⁷

0,12065 + 1

= 59 batang pipa dalam satu baris.

4.2.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam Pipa ( hi )

Koefisien pindahan panas dalam pipa seharusnya ditentukan pada temperatur film. Dalam hal ini dapat juga ditentukan pada kondisi uap rata – rata pada evaporator ( �^��_� = 274,61 °C ) pada tekanan 59,15 bar. Maka dari tabel sifat – sifat air pada berbagai tekanan dan temperatur diperoleh data sebagai berikut :

k = 0,58 W/m.°C

μ = 0,961 . 10^-4 kg/m.s

Pr = 0,848

ρ = 30,6 kg/m³

 Kecepatan aliran uap pada evaporator dihitung :

V_u = �_�̇.� � .�_�

dimana:

�_�̇ = Laju aliran uap = 50,5 kg/s

n = Jumlah pipa evaporator = 59 batang

v = Volume jenis uap, dimana dihitung berdasarkan volume

jenis uap rata – rata pada tekanan 59,15 bar = 0,03303 m³/kg

Maka, V_u = ^{50,5(0,03303 )}

59.�/4 (0,052)2

= 13,31 m/s

 Besarnya koefisien pindahan panas dianalisa berdasarkan harga bilangan

Reynold ( R_e) dari persamaan berikut :

Re = �.�_�.�_� �

R_e = ^{30,6.13,31.0,052}

0,961 � 10−4 = 220383,68

 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 . (220383,68)^0,8. (0,58)^0,4 = 348,05

Maka, nilai hi dapat diperoleh yaitu : hi = ^348,05� 0,58

0,052

= 3882,09 W/m².°C

4.2.2. 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 4.9. Susunan pipa selang-seling

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 = 0,12065 m.

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

��g = ^{406,73+299,63}

= 353,18°C = 626,33 °K Dari tabel sifat – sifat udara diperoleh :

k = 0,046 W/m .°K

μ = 3,101 . 10^-5 kg/m.s

Pr = 0,681

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 = 679,88 °K = 0,519 kg/m³.

ST = jarak dua buah pipa = 0,12605 m n = jumlah pipa 1 baris = 59 batang L = panjang pipa = 14,64 m

Vg = ^477,5

0,519 . 0,12605 . 59 . 14,64

= 8,45 m/s

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

Vg maks = �_� (�_�−�_�). Vg

= ^0,12605

(0,12605−0,06). 8,45 = 16,12 m/s

Sehingga dapat dihitung bilangan Reynold ( Re ), yaitu :

R_e = � . �_�_�� . �_ℎ �

Dimana :

R_e = Bilangan Reynold

ρ = Massa jenis gas ( kg/m³ )

D_h = Diameter hidrolik pipa ( m )

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

D_h = ��^{. 4 .}^�_�^�_ℎ

�_� = Jarak antara dua buah pipa ( m ) Aa = Luas penampang aliran ( m² )

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 evaporator dirancang dengan menggunakan sirip yang sama dengan profil sirip superheater ( Gambar 4.4 ) untuk menyediakan luas permukaan pindahan panas yang dibutuhkan, ukuran sirip seperti dibawah ini.

ro = Jari – jari luar pipa = 0,03 m

l = panjang sirip = 0,009 m

r_e = Jari – jari pipa bersirip = 0,039 m

δ = Tebal sirip = 0,00031 m

N_f = Jumlah sirip = 346 sirip/m

r_i = Jari – jari dalam pipa = 0,026 m Berdasarkan data diatas, maka dapat dicari :

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

4 +�.�_�.��.�_� dimana :

�_� = Luas permukaan sirip ( m² ) D_e = Diameter sirip = 0,078 m

D_o = Diameter luar pipa = 0,06 m

δ = Tebal sirip = 0,00031 m

maka, luas permukaan sirip adalah :

�_� = �^2.^�^.^�^0,078₄²⁻^0,06²^�+�. 0,078. 0,00031�.346 = 1,37 m²

Ap = ��.�_�.�� − �.�_��.�_� dimana :

�� ^{= 1 ( untuk 1 batang pipa )} Ap = [3,14.0,06 (1− 0,00031. 346)].1

= 0,16 m²

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

A_h = A_f + A_p

= 1,37+ 0,16 = 1,53 m²

 Perhitungan pada diameter hidrolik : Dh = 0,12 . 4 . ^0,058

1,53

= 0,018 m ( tiap 1 meter panjang pipa )

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

Aa = (�_�− �_�)� −2.��.�.�_�� = ( 0,12 – 0,06 ).1 – 2.( 0,009.0,00031.346 ) = 0,058 m² S T S T - D O 0,00031 m 1 m

Sehingga diperoleh bilangan Reynold adalah :

Re = ^{0,564.16,12.0,018}

3,101 � 10−5

= 5277,33 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

Pr = 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.

�_� �_�⁼

0,012 0,06 = 2

• Maka, dari tabel kolerasi diperoleh :

C₁ = 0,482

m = 0,556

• Jadi nilai untuk Nu adalah:

Nu = 1,13 . 0,482 . 5277,33^0,556 . 0,68^0,33 = 56,3

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

�ℎ

= ^{56,3 .0,048}

0,018

= 150,13 W/m² . k

4.2.3 Pemilihan Pipa Pada Evaporator

Untuk menjamin kekuatan pada pipa evaporator khususnya dalam menahan tekanan yang terjadi didalam pipa. Maka, kekuatan material yang digunakan ditentukan dengan menggunakan rumus seperti berikut :

S ≥ ^�.�_� 2.� − ^�₂ Dimana :

S = Tegangan tarik yang di ijinkan ( Psia )

P = Tekanan yang terjadi pada pipa yaitu sebesar 59,15 bar = 857,82 Psia.

t = Tebal pipa ( in )

Do = Diameter luar pipa ( in )

S ≥ 857,82.2,375

2.0,154 − 857,82 2 S ≥ 6185,77 Psia.

Dari hasil tegangan yang diperoleh diatas, maka dipilih pipa degan tegangan tarik ijin diatas 6185,77. Dari tabel bahan pipa direncanakan material pipa yang digunakan adalah Seamless Alloy Steel 176 ( 18Cr – 8Ni ) dimana pada temperatur 900 °F dan tegangan tarik ijin sebesar 10150 psi. Untuk mencari efisiensi sirip dengan cara menggunakan grafik efisiensi sirip seperti pada gambar berikut :

Dari data sirip diatas,maka diperoleh : • L_C = L + � 2 = 0,009 + ^0,00031 2 = 0,0091 m • r_2c = r_e + � 2 = 0,039 + ^0,00031 2 = 0,0391 m • Am = LC . δ = 0,0091 . 0,00031 = 2,82 x 10^-6 m² • ^�2� �� ⁼ 0,0391 0,03 = 1,3 • �_�3/2 . ( ℎ_�/�.�m)^1/2 Dimana:

k = konduktivitas bahan pipa (dari lampiran bahan pipa diperoleh 19,2 W/m.°C

maka, dapat dihitung :

��^3/2^{. (}ℎ�^/�.�m)^1/2 = 0,0091^1,5. ( 150,13/19,2.2,82x10^-6)^0,5 = 1,44

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

diinterpolasikan sebesar ηf = 37,69 %

• Perbandingan luasan permukaan sirip dengan luas total permukaan pipa

yang menyerap panas dalam tiap 1 meter adala : Af /Ah = 1,37 m² / 1,53 m²

= 0,89

• Perbandingan luas bagian dalam pipa dengan luas total permukaan pipa

yang menyerap panas dalam tiap 1 meter adalah : �_� �_ℎ ⁼ � .�_�.� 1,53 = ^3,14.0,052.1 1,53

= 0,106

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

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

= 2. 3,14. 25 (0,0391² – 0,03²)(406,73 – 25) = 37,68 W

�_� = 0,3769 x 37,68

= 14,2 W (untuk tiap sirip)

�_�� = 14,2 x 346

= 4913,2 W (untuk jumlah sirip/m) • Efektivitas sirip :

ηo = 1 - ��

�_ℎ^(1-�_�)

= 1 - 0,89. (1 – 0,3769) = 0,44

• Tahanan konduksi pipa superheater ( A_h.R_w ) :

A_h.R_w =�_��^��^� 2.��^�� ℎ^� = ^0,052.��_0,052^0,06� 2.19,4.(0,106) = 0,00018 m²°C/W

4.2.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh 1 � ⁼ 1 ℎ_��^�� ℎ^� + �_ℎ.�_� +_� ¹ �.ℎ_� = ¹ 3882 ,09 .0,106+0,00018 + ¹ 0,44.150,13 = 0,017 U = 58,82 W/m².°C

4.2.5. Luas Bidang Pindahan Panas.

A = �

Dimana:

A = Luas permuakaan perpindahan panas ( m² )

Q = Kapasitas panas yang diserap evaporator, dimana perhitungan

sebelumnya diperoleh sebesar 54048630 W.

U = Koefisien pindahan panas kalor menyeluruh yaitu 58,82W/m²°C.

LTMD = Beda suhu rata – rata logaritma sebesar 64,36 °C Maka, nilai untuk luas bidang pindahan panas ( A ) adalah :

A = ^54048630

58,82 64,36

= 14277,21 m²

Lintasan yang dibutuhkan untuk menyerap panas dengan jumlah 59 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 = ^{14277 ,21}�2 59 . 1,53 �2.14,64

= 10,8 lintasan = 11 lintasan

Jadi, jumlah pipa yang dibutuhkan pada evaporator = 11 x 59 = 649 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 62-74)