ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE
SEBAGAI PEMANAS MARINE FUEL OIL ( MFO ) UNTUK
BAHAN BAKAR BOILER PLTU UNIT 4
DI PT. PLN (PERSERO) SEKTOR PEMBANGKITAN
BELAWAN
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena
atas segala karunia dan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan
Skripsi ini.
Skripsi ini berjudul " ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SEBAGAI PEMANAS MARINE FUEL OIL (MFO) UNTUK BAHAN BAKAR BOILER PLTU UNIT 4 " dimaksudkan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana Teknik di Departemen Teknik
Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Sesuai dengan judulnya, dalam laporan ini akan dibahas mengenai
analisa kesetimbangan energi dan LMTD, analisa koefisien perpindahan panas,
pressure drop shell and tube, faktor pengotoran, dan efektivitas alat penukar
kalor.
Dalam penyusunan laporan skripsi, penulis telah banyak mendapat
dukungan dari berbagai pihak, baik materil, spiritual, informasi dan administrasi,
maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima
kasih kepada :
1. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku dosen penguji dan Ketua
Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA., selaku dosen pembimbing
yang telah banyak membantu dengan memberikan bimbingan, pengarahan
dalam penyusunan laporan skripsi ini.
3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc., selaku dosen penguji yang telah banyak
memberikan saran dan kritik yang membangun bagi penulis.
4. Bapak dan Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin
5. Teristimewa kepada Ayahanda tercinta Alm. P. Nainggolan dan Ibunda
tercinta Siti Akes Simamora yang telah memberikan doa, motivasi,
dukungan moril maupun materil kepada penulis.
6. Kakak dan Abang tercinta Jurida Nainggolan, Mariana Nainggolan,
Minar Nainggolan, dan Charles Nainggolan yang memberi motivasi, dan
semangat.
7. Kekasih tercinta Elly Oktaviani Sembiring dan keluarga yang telah
memberi semangat.
8. Bapak Katrisnan, Bapak Suhartono, Bapak Antonius Indra, Bapak Juni
perangin – angin, Bapak Simbolon dan seluruh rekan kerja di
Pemeliharaan Boiler dan Alat Bantu di PT. PLN (Persero) Sektor
Pembangkitan Belawan.
9. Bapak Sumihar Manik Staff Labor PT. PLN (Persero) Sektor
Pembangkitan Belawan.
10. Rekan – Rekan Kerja Operator Regu C PLTU Unit 1.2 dan Unit 3.4
11. Seluruh Teman – teman teknik mesin angkatan 2010 terkhusus buat
Tyson Manurung, Zakaria Bernando, Ricardo Nainggolan, Cakra Messa
Abadi, Alexander Sebayang angkatan 2011.
Dalam penyusunan laporan skripsi ini penulis menyadari adanya
kekurangan – kekurangan dan kesilapan yang mungkin terjadi pada laporan
skripsi ini. Untuk itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang bersifat
membangun dari berbagai pihak untuk menyempurnakan laporan skripsi ini.
Semoga laporan skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak yang membaca.
Medan, Oktober 2013
Hormat saya,
DAFTAR ISI
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Prinsip Dan Teori Dasar Perpindahan Panas ... 4
2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 4
2.3 Pembagian Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Berdasarkan TEMA ... 7
2.4 Komponen – Komponen Alat Penukar Kalor ... 9
2.5 Log Mean Temperature Difference ... 15
2.7 Koefisien Perpindahan Panas dan
Penurunan Tekanan pada Shell ... 20
2.8 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Pada Tube ... 23
2.9 Metode NTU – Efektifitas ... 26
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tinjauan Plant ... 28
3.2 Metode Pengumpulan Data ... 30
3.3 Flow Chart ... 31
3.4 Data Peralatan Dan Dimensi Alat Penukar Kalor ... 32
BAB IV ANALISA DATA dan PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan Data Design ... 33
4.2 Perhitungan Data Aktual ... 52
4.3 Pemeliharaan Alat Penukar Kalor ... 70
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 76
5.2 Saran ... 77
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Data Spesifikasi Dimensi Steam Heated Oil Heater ... 32
Tabel 3.2 Data Spesifikasi Steam Heated Oil Heater PLTU unit 4 32 Tabel 3.3 Data Aktual Steam Heated Oil Heater Saat Operasi ... 32
Tabel 4.1 Beda Temperature Fluida ... 36
Tabel 4.2 Sifat Fisik Fluida ... 44
Tabel 4.3 Beda Temperature Fluida Kondisi Aktual ... 55
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.6 Tipe Susunan Tube Alat Penukar Kalor ... 11
Gambar 2.7 Sekat Pelat Bentuk Segmen ... 13
Gambar 2.8 Sekat Batang (Rod Baffle) ... 13
Gambar 2.9 Sekat Longitudinal (Longitudinal Baffle) ... 14
Gambar 2.10 Sekat Impingement ... 14
Gambar 2.11 APK Aliran Sejajar ... 16
Gambar 2.12 APK Aliran Berlawanan Arah ... 16
Gambar 2.13 Faktor Koreksi Aliran Silang, Kedua Fluida tak Campur... 18
Gambar 2.14 Faktor Koreksi Aliran Silang, Salah Satu Fluida Bercampur 18 Gambar 3.1 Tipe Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4 Sektor Belawan .... 29
Gambar 3.2 Skema Instalasi Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4 ... 29
Gambar 3.3 Tube Bundle Alat Penukar Kalor ... 30
Gambar 3.4 Diagram alir proses penelitian alat penukar kalor ... 31
Gambar 4.1 Profil Temperature Pada Alat Penukar Kalor ... 36
Gambar 4.2 Pelepasan Panas Selama Proses Perubahan Fasa ... 51
Gambar 4.3 Profil Temperature Alat Penukar Kalor Kondisi Actual ... 54
DAFTAR NOTASI
Simbol Arti Satuan
APK Alat Penukar Kalor
ASH Auxilarry Steam Header
A Luas Penampang m2
as Luas laluan aliran shell m2
at Luas laluan aliran tube m2
a′t Luas Laluan aliran tube m2
B Jarak antar baffle m
BWG Birmingham Wire gage
C Clearance m
Ch Kapasitas minimum fluida panas kW/°C
Cc Kapasitas minimum fluida panas kW/°C
do Diameter outlet tube m
din Diameter inlet tube m
Ds Diameter shell m
De Diameter ekuivalen shell m
Fc Faktor koreksi
FOH Fuel Oil Heater
Gs kecepatan aliran massa pada shell
Gt kecepatan aliran massa pada tube
hfg Entalpi Steam kJ/kg
Koefisien perpindahan panas konveksi shell
Koefisien perpindahan panas konveksi koreksi shell
Koefisien perpindahan panas konveksi koreksi tube
ID Diameter inlet shell m
JH Faktor perpindahan Panas
k Konduktivitas thermal
LMTD Log Mean Temperature Difference
MFO Marine Fuel Oil
Laju aliran massa residu
Laju aliran massa uap
NB Jumlah baffle
Np Jumlah pass/laluan
Nt Jumlah tube
P Efektivitas temperatur
Pr Prandtl number
Pt Pitch m
Qs Kalor steam kW
Qres Kalor residu kW
R Rasio kapasitas panas
Res Reynold number pada shell
Ret Reynold number pada tube
Rd Faktor pengotoran
TEMA Turbular Exchanger Manufactures Association
tc Temperatur koreksi Steam °C
tin Temperatur inlet °C
tw Temperatur dinding °C
Tc Temperatur koreksi residu °C
Tci Temperatur masuk fluida dingin °C
Tco Temperatur keluar fluida dingin °C
Thi Temperatur masuk fluida panas °C
Tho Temperatur keluar fluida panas °C
Tr Temperatur rata – rata °C
Uc koefisien perpindahan panas permukaan yang bersih
Ud koefisien perpindahan panas menyeluruh
∆Ps Pressure drop Shell Bar
∆Pt Pressure drop tube Bar
∆Pr Pressure drop tube tambahan / ekspansi Bar
∆PT Pressure drop tube total Bar
∆tc selisih temperatur rendah °C
∆th selisih temperatur tinggi °C
∆Tm Beda temperatur rata – rata °C
φs rasio viskositas residual oil (fluida dalam shell)
φt rasio viskositas steam (fluida dalam tube)
µ Viskositas fluida mPa.s
ABSTRAK
Alat penukar kalor merupakan alat yang memindahkan energi panas dari suatu fluida ke fluida lain yang memiliki beda temperature. PLTU unit 4 Belawan memiliki 2 unit alat penukar kalor pemanas Marine Fuel Oil untuk bahan bakar boiler. Alat penukar kalor sudah beroperasi sejak 1988 sampai sekarang. Oleh karena itu perlu diketahui bagaimana performansi alat penukar kalor tersebut. Metode yang digunakan dalam penelitian performansi alat penukar kalor ini adalah analisa perhitungan nilai efektivitas, pressure drop, dan besarnya faktor pengotoran alat penukar kalor, dengan membandingkan kondisi desain dan kondisi aktual. Dari hasil perhitungan yang dilakukan pada kondisi aktual dengan kondisi desain diperoleh efektivitas lebih kecil, dimana efektivitas kondisi aktual 66% dan efektivitas kondisi desain 67%. Dan penurunan tekanan (pressure drop) pada sisi shell, berdasarkan hasil perhitungan dengan kondisi desain diperoleh bahwa ∆Ps lebih kecil dari batas yang diijinkan dimana ∆P s hasil perhitungan
1,177 Bar dan ∆P s pabrikan / yang diijinkan 1,7 Bar, dan untuk faktor pengotoran
bahwa kondisi aktual dibandingkan dengan kondisi desain diperoleh lebih besar,
dimana faktor pengotoran kondisi aktual dan faktor pengotoran
kondisi desain . Maka dapat disimpulkan APK ini masih layak
untuk digunakan dan salah satu penyebab turunnya efektifitas APK adalah faktor pengotoran.
ABSTRACT
Heat exchanger is a device that transfers thermal energy from one fluid to
another fluid that has a different temperature. Belawan power plant unit 4 has 2
heat exchanger unit heaters Marine Fuel Oil for boiler fuel . Heat exchanger has
been in operation since 1988 until now. Therefore it is necessary to know how the
performance of the heat exchanger. The method used in the research of heat
exchanger performance analysis of this is the calculation of effectiveness ,
pressure drop , and the amount of heat exchanger fouling factor , by comparing
the condition of the design and actual conditions. From the results of calculations
performed on the actual condition of the effectiveness of the design conditions
obtained are smaller , where the effectiveness of the actual condition of 66 % and
67 % effectiveness of the design conditions. And a decrease in pressure (pressure
drop) on the shell side , based on calculations derived design conditions that ΔPs
smaller than the allowable limit in which the calculation of 1.177 ΔPs Bar and ΔPs manufacturer / allowable 1.7 Bar and for fouling factor that the actual conditions than the design conditions is greater, where the actual condition fouling
factor fouling factor design conditions and .
It can be concluded APK is still feasible to use and one of the causes of decline in
the effectiveness of APK is fouling factor.
ABSTRAK
Alat penukar kalor merupakan alat yang memindahkan energi panas dari suatu fluida ke fluida lain yang memiliki beda temperature. PLTU unit 4 Belawan memiliki 2 unit alat penukar kalor pemanas Marine Fuel Oil untuk bahan bakar boiler. Alat penukar kalor sudah beroperasi sejak 1988 sampai sekarang. Oleh karena itu perlu diketahui bagaimana performansi alat penukar kalor tersebut. Metode yang digunakan dalam penelitian performansi alat penukar kalor ini adalah analisa perhitungan nilai efektivitas, pressure drop, dan besarnya faktor pengotoran alat penukar kalor, dengan membandingkan kondisi desain dan kondisi aktual. Dari hasil perhitungan yang dilakukan pada kondisi aktual dengan kondisi desain diperoleh efektivitas lebih kecil, dimana efektivitas kondisi aktual 66% dan efektivitas kondisi desain 67%. Dan penurunan tekanan (pressure drop) pada sisi shell, berdasarkan hasil perhitungan dengan kondisi desain diperoleh bahwa ∆Ps lebih kecil dari batas yang diijinkan dimana ∆P s hasil perhitungan
1,177 Bar dan ∆P s pabrikan / yang diijinkan 1,7 Bar, dan untuk faktor pengotoran
bahwa kondisi aktual dibandingkan dengan kondisi desain diperoleh lebih besar,
dimana faktor pengotoran kondisi aktual dan faktor pengotoran
kondisi desain . Maka dapat disimpulkan APK ini masih layak
untuk digunakan dan salah satu penyebab turunnya efektifitas APK adalah faktor pengotoran.
ABSTRACT
Heat exchanger is a device that transfers thermal energy from one fluid to
another fluid that has a different temperature. Belawan power plant unit 4 has 2
heat exchanger unit heaters Marine Fuel Oil for boiler fuel . Heat exchanger has
been in operation since 1988 until now. Therefore it is necessary to know how the
performance of the heat exchanger. The method used in the research of heat
exchanger performance analysis of this is the calculation of effectiveness ,
pressure drop , and the amount of heat exchanger fouling factor , by comparing
the condition of the design and actual conditions. From the results of calculations
performed on the actual condition of the effectiveness of the design conditions
obtained are smaller , where the effectiveness of the actual condition of 66 % and
67 % effectiveness of the design conditions. And a decrease in pressure (pressure
drop) on the shell side , based on calculations derived design conditions that ΔPs
smaller than the allowable limit in which the calculation of 1.177 ΔPs Bar and ΔPs manufacturer / allowable 1.7 Bar and for fouling factor that the actual conditions than the design conditions is greater, where the actual condition fouling
factor fouling factor design conditions and .
It can be concluded APK is still feasible to use and one of the causes of decline in
the effectiveness of APK is fouling factor.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Seiring dengan perkembangan dunia industri yang semakin pesat yang
didukung oleh kemajuan teknologi, maka biaya produksi suatu industri akan
meningkat seiring dengan meningkatnya kebutuhan akan energi bahan bakar
untuk mendukung operasional suatu industri.
Untuk mengurangi biaya produksi suatu industri, khususnya di bidang
pembangkitan energi listrik maka dibutuhkan suatu pemikiran tentang
pemanfaatan energi dengan lebih efektif dan efisien agar konsumsi terhadap suatu
energi khususnya energi yang berasal dari bahan bakar tidak berlebihan.
Untuk mendukung hal tersebut dibutuhkan suatu peralatan yang dapat
mengurangi pemakaian energi secara berlebihan. Adapun salah satu peralatan
yang dimaksud adalah heat exchanger atau sering disebut alat penukar kalor.
Alat penukar kalor merupakan alat yang memindahkan energi panas dari
suatu fluida ke fluida lain yang memiliki beda temperature. Alat penular kalor
sangat dibutuhkan dalam dunia industri, khususnya industri pembangkitan energi
listrik di PT PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan.
Adapun berbagai jenis alat penukar kalor yang banyak ditemui di PT
PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan adalah boiler, low pressure heater,
high pressure heater, lube oil cooler, dan fuel oil heater dan lain sebagainya.
Fuel oil heater merupakan alat penukar kalor tipe shell and tube yang
digunakan untuk memanaskan Marine Fuel Oil (MFO) untuk bahan bakar boiler
dengan memanfaatkan energi panas dari steam.
Untuk mendukung unjuk kerja atau optimalisasi peralatan ini maka harus
Selain itu juga dibutuhkan analisa yang baik agar dapat diketahui energi
perpindahan panas, faktor pengotoran, dan efektifitas peralatan ini sehingga dapat
lebih diketahui layak atau tidaknya peralatan tersebut dioperasikan atau dapat
membuat schedule perawatan peralatan ini.
1.2 Batasan Masalah
Dalam penulisan ini, penulis membatasi masalah – masalah yang akan
dibahas yaitu :
1. Bagaimana analisa kesetimbangan energi dan LMTD pada APK shell
and tube ?
2. Bagaimana analisa perhitungan alat penukar kalor yang meliputi
koefisien perpindahan panas, pressure drop shell and tube, faktor
pengotoran, dan efektivitas alat penukar kalor ?
1.3 Tujuan Penulisan
Adapun tujuan dari penulisan tugas sarjana ini adalah:
1. Untuk mengetahui koefisien perpindahan panas dan pressure drop pada
shell
2. Untuk mengetahui koefisien perpindahan panas dan pressure drop pada
tube
3. Untuk mengetahui besarnya faktor pengotoran / fouling factor
4. Untuk mengetahui efektivitas alat penukar kalor
1.4 Sistematika Pembahasan
Untuk mempermudah pembaca dalam memahami tulisan ini, maka
dilakukan pembagian bab berdasarkan isinya. Tulisan ini disusun dalam lima bab.
Bab I PENDAHULUAN, berisi latar belakang masalah, batasan masalah, tujuan
penulisan, dan sistematika pembahasan. BAB II LANDASAN TEORI, berisi teori
dasar yang berhubungan dengan alat penukar kalor, jenis – jenis alat penukar
kalor, komponen – komponen alat penukar kalor, proses perpindahan panas. BAB
III METODOLOGI PENELITIAN, berisi proses penelitian yang dilakukan,
flowchart, metode pengumpulan data, data peralatan dan dimensi alat penukar
kalor. BAB IV ANALISA PERHITUNGAN DAN PERAWATAN ALAT
PENUKAR KALOR, perhitungan – perhitungan pada alat penukar kalor yang
meliputi perhitungan pada tube side, perhitungan pada shell side, perhitungan
koefisien perpindahan panas, perhitungan fouling factor (faktor pengotoran), dan
perhitungan pressure drop (penurunan tekanan), serta pemeliharaan dan
perawatan alat penukar. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Pada bab ini
berisikan tentang kesimpulan dan saran dari hasil pembahasan pada bab – bab
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu
tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali.
Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu
zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung,
yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin
tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantar
dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat
pemisah.
2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor
Melihat begitu banyaknya jenis alat penukar kalor, maka dapat
diklasifikasikan berdasarkan bermacam – macam pertimbangan yaitu:
2.2.1 Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas
a. Jenis kontak tidak langsung
1) Jenis dari satu fase
2) Jenis dari banyak fase
3) Jenis yang ditimbun (storage tipe)
4) Jenis fluidized bed
b. Jenis kontak langsung
1) Immiscible fluids
2) Gas liquid
2.2.2 Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida yang Mengalir
a. Dua jenis fluida
b. Tiga jenis fluida
c. Empat jenis fluida
2.2.3 Klasifikasi Berdasarkan Kompaknya Permukaan
a. Jenis penukar kalor yang kompak,
density luas permukaannya > 700 m2/m3 b. Jenis penukar kalor yang tidak kompak,
density luas permukaannya < 700 m2/m3
2.2.4 Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas
a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya
b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya
terdapat cara konveksi 2 aliran
c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass
aliran masing – masing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi
2.2.5 Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi
a. Konstruksi turbular (shell and tube)
1) Tube ganda (double tube)
2) Konstruksi shell and tube
a) Sekat plat (plate baffle)
b) Sekat batang (rod baffle)
b. Konstruksi Jenis pelat
1) Jenis pelat
2) Jenis lamella
3) Jenis spiral
4) Jenis pelat coil
c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)
1) Sirip pelat (plate fin)
2) Sirip tube (tube fin)
a) Heat pipe wall
b) Ordinary separating wall
d. Regenerative
1) Jenis rotary
2) Jenis disk
3) Jenis drum
4) Jenis matrik tetap
2.2.6 Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran
a. Aliran dengan satu pass
1) Aliran berlawanan
2) Aliran pararel
3) Aliran melintang
4) Aliran split
5) Aliran yang dibagi (divided)
b. Aliran multipass
1) Permukaan yang diperbesar (extended surface)
a) Aliran berlawanan menyilang
b) Aliran sejajar menyilang
2) Shell and tube
a) Aliran pararel yang berlawanan (1 laluan pada shell dan 2
laluan pada tube)
b) Aliran split
c) Aliran dibagi ( divided )
2.3 Pembagian Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Berdasarkan TEMA
Begitu banyaknya jenis dari alat penukar kalor shell and tube yang
dipergunakan pada dunia industri. Untuk membuat pembagiannya secara pasti
adalah sangat sulit.
Tetapi oleh Standard of Turbular Exchanger Manufactures Association
(Ir. Tunggul M. Sitompul, S.E., M.Sc., 1993) dikelompokkan berdasarkan
pemakaian dari heat exchanger itu menjadi 3 kelompok yaitu:
a. Alat Penukar Kalor Kelas “R”, yang dipergunakan pada industri minyak
dan peralatan yang berhubungan proses tersebut.
b. Alat Penukar Kalor Kelas “C”, yang dipergunakan pada keperluan
komersial atau general purpose dengan didasarkan pada segi ekonomis
dan ukuran kecil.
c. Alat Penukar Kalor Kelas “B” yang banyak dipergunakan pada proses
kimia.
Alat penukar kalor kelas “R”, kelas “C”, dan kelas “B” ini, semuanya
adalah alat penukar kalor yang tidak dibakar (unfired Shell and tube), tidak sama
dengan ketel uap. Berikut contoh dari beberapa jenis alat penukar kalor standar
Gambar 2.1 Alat Penukar Kalor Tipe AES
Gambar 2.2 Alat Penukar Kalor Tipe BEM
Gambar 2.4 Alat Penukar Kalor Tipe CEU
2.4 Komponen – Komponen Alat Penukar Kalor
Dalam penguraian – penguraian komponen – komponen alat penukar
kalor jenis shell and tube akan dibahas beberapa komponen yang sangat
berpengaruh pada konstruksi alat penukar kalor. Untuk lebih jelasnya disini akan
dibahas beberapa komponen dari alat penukar kalor jenis shell and tube.
2.4.1 Shell
Konstruksi shell sangat ditentukan oleh kapasitas dan keadaan
tubes yang akan ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang
berukuran besar atau pelat baja yang dirol. Shell merupakan badan dari alat
penukar kalor, dimana terdapat tube bundle. Untuk temperature kerja yang
tinggi kadang – kadang shell dibagi dua sambungan dengan sambungan
ekspansi. Pada gambar dibawah ini dapat dilihat rancangan atau design untuk
2.4.2 Tube
Tube merupakan bidang pemisah antara dua fluida yang mengalir,
dan sekaligus sebagai bidang perpindahan panas. Pada umumnya flow fluida
yang mengalir di dalam tube lebih kecil dibandingkan dengan flow fluida yang
mengalir di dalam shell. Ketebalan dan material tube harus dipilih berdasarkan
tekanan operasi dan jenis fluidanya. Agar tidak mudah bocor dan korosi akibat
aliran fluida yang mengalir di dalam tube. Adapun tipe susunan tube
berdasarkan TEMA seperti gambar berikut ini.
Gambar 2.6 Tipe Susunan Tube Alat Penukar Kalor
Susunan tube segitiga sangat popular dan sangat baik dipakai
melayani fluida kotor / berlumpur atau yang bersih. Pembersihan tube
dilakukan dengan cara kimia (chemical cleansing). Koefisien perpindahan
panasnya lebih baik dibandingkan susunan pipa bujur (in – line square pitch).
Susunan tube segitiga banyak dipergunakan dan menghasilkan perpindahan
panas yang baik per satu satuan penurunan tekanan (per unit pressure drop),
Susunan tube bujur sangkar membentuk 900 (in – line square pitch) banyak dipergunakan, dengan pertimbangan seperti berikut :
a. Apabila penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi pada alat penukar
kalor itu sangat kecil.
b. Apabila pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tube adalah dengan
cara pembersihan mekanik (mechanical cleansing). Sebab pada susunan
seperti ini terdapat celah antara tube yang dipergunakan untuk
pembersihannya.
c. Susunan ini memberikan perilaku yang baik, bila terjadi aliran turbulen,
tetapi untuk aliran laminar akan memberikan hasil yang kurang baik.
Susunan tube yang membentuk 450 atau susunan belah ketupat (diamond square pitch) baik dipergunakan pada kondisi operasi yang
penurunan tekanan kecil, tetapi lebih besar dari penurunan tekanan jenis bujur
sangkar. Selain itu susunan tube ini relatif lebih baik dibanding susunan tube
yang membentuk 300 terhadap aliran.
2.4.3 Baffle
Baffles atau sekat – sekat yang dipasang pada alat penukar kalor
mempunyai beberapa fungsi, yaitu :
a. Struktur untuk menahan tube bundle
b. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran pada
tube
c. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang
Ditinjau dari segi konstruksi, sekat itu dapat diklasifikasikan dalam
4 kelompok yaitu:
a. Sekat pelat berbentuk segment (segmental baffle plate)
b. Sekat batang (rod baffle)
c. Sekat mendatar atau longitudinal baffle
d. Sekat impingement (impingement baffle)
Berikut gambar dari beberapa jenis baffle yang digunakan pada
berbagai APK jenis shell and tube.
Gambar 2.7 Sekat Pelat Bentuk Segmen
Gambar 2.9 Sekat Longitudinal (Longitudinal Baffle)
2.4.4 Tube Sheet
Tube sheet atau pelat tube merupakan bagian alat penukar kalor
untuk tempat mengikat tube. Pelat dilubangi dengan diameter lebih besar dari
diameter luar tube. Tube dimasukkan ke dalam lubang tersebut, lalu diikat.
Cara pengikatannya bermacam – macam, seperti pengikatan roll, weld, dan
lain – lain. Untuk menghindari kebocoran dari sisi shell ke sisi tube, maka tube
sheet sering dibuat ganda (double sheet). Tube sheet dapat dikelompokkan
dalam 2 jenis yaitu:
a. Pelat tube stationer (stationary tube sheet)
b. Pelat tube mengambang (floating tube sheet).
2.5 Log Mean Temperature Difference (LMTD)
Pokok perhitungan alat penukar kalor adalah masalah perpindahan
panasnya. Apabila panas yang dilepaskan besarnya sama dengan Q persatuan
waktu, maka panas yang diterima oleh fluida dingin sebesar Q tersebut dengan
persamaan :
Dimana :
Q = kalor yang dilepaskan/diterima [ W ]
U = koefisien perpindahan panas menyeluruh [ W/m2oC ]
A = luas penampang [ m2 ]
∆Tm = beda temperatur rata – rata [ oC ]
Proses perpindahan panas sangat ditentukan oleh jenis aliran fluida yang mengalir
didalam APK. Pada skripsi ini aliran fluida yang terjadi adalah aliran yang
berlawanan ( counter flow ). Pada aliran sejajar, dua fluida masuk bersama – sama
sama pula. Sedangkan pada aliran berlawanan, dua fluida bergerak dengan arah
yang berlawanan. Dan pada aliran menyilang, dua fluida bergerak saling
menyilang/bergerak saling tegak lurus.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.11 dan 2.12 menunjukkan
bahwa beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan
pada waktu keluar tidaklah sama, dan kita perlu menentukan nilai rata – rata untuk
menentukan jumlah kalor yang dipindahkan dari fluida pada alat penukar kalor.
Gambar 2.11 APK Aliran Sejajar
Sehingga :
Untuk aliran sejajar :
Dimana :
∆Tlm = LMTD = beda temperatur rata – rata [ oC ]
Thi = temperatur masuk fluida panas [ oC ]
Tho = temperatur keluar fluida panas [ oC ]
tci = temperatur masuk fluida dingin [ oC ]
tco = temperatur keluar fluida dingin [ oC ]
Untuk aliran berlawanan :
Untuk alat penukar kalor tipe aliran silang (cross flow heat exchanger)
atau tipe 2 pass atau multiple pass maka nilai LMTD sebenarnya akan didapatkan
dengan mengalikannya dengan faktor koreksi ( F ). Nilai F dapat dicari dengan
menentukan nilai temperature efficiency ( P ) dan heat capacity rate ratio ( R ).
Sehingga untuk APK, 1 shell dengan 2 laluan tube, faktor koreksi F dapat
dihitung dengan persamaan berikut ini:
Sehingga LMTD yang sebenarnya adalah :
Selain dengan menggunakan rumus diatas, nilai F juga dapat ditentukan dengan
menggunakan grafik seperti gambar dibawah ini :
Gambar 2.13 Factor Koreksi Aliran Silang, Kedua Fluida tak Campur
Gambar 2.14 Factor Koreksi Aliran Silang, Salah Satu Fluida Bercampur
2.6 Faktor Pengotoran
Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas pada alat
penukar kalor. Pengotoran pada bagian dalam dan luar tube selalu terjadi selama
peralatan beroperasi. Terjadinya endapan atau deposit pada permukaan luar tube
akan menaikkan tahanan panasnya, dan menurunkan koefisien perpindahan panas
keseluruhan (U)
Beberapa faktor dapat menimbulkan pengotoran pada alat penukar kalor
yaitu :
a. Temperatur fluida
b. Temperatur dinding tube
c. Kecepatan aliran fluida
Faktor pengotoran dapat dicari dengan persamaan berikut :
Dimana :
Uc = koefisien perpindahan panas keseluruhan permukaan yang bersih
hio = koefisien perpindahan panas di dalam tube [ W/m2.oC ]
ho = koefisien perpindahan panas di luar tube [ W/m2.oC ]
2.7 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan pada Shell
Dalam shell umumnya terdapat baffle (sekat) yang berfungsi selain
sebagai penyangga / penunjang tube – tube dalam shell dan pengaruh aliran fluida
dalam shell, tetapi juga berfungsi sebagai permukaan perpindahan kalor dan
penurunan tekanan fluida sisi shell, karena koefisien perpindahan panas kalor
dapat lebih besar apabila terdapat baffle dibanding tanpa baffle. Besarnya
koefisien perpindahan kalor yang terjadi pada sisi shell dapat dinyatakan dengan
persamaan berikut.
Dimana :
φs = rasio viskositas fluida shell,
JH = faktor perpindahan panas shell
k = konduktivitas Thermal fluida dalam shell [ W/m.oC ]
De = diameter ekivalen [ m ]
Pr = Prandtl number
Dimana : cp = kalor jenis fluida dalam shell [ J/kg.K ]
µ = viskositas fluida dalam shell [ Ns/m2 ]
Nilai bilangan Reynold pada fluida shell dapat dicari dengan menggunakan
persamaan :
Dimana :
Gs = laju aliran massa fluida dalam shell per satuan luas [ kg/s.m2 ]
De = diameter ekivalen [ m ]
µ = viskositas fluida dalam shell [ Ns/m2 ]
Kecepatan massa fluida dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Dimana :
[ kg ]
As = Luas aliran dari shell [ m2 ]
Luas aliran dari shell dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
Dimana :
C = clearance, = Pt - do
B = jarak antara baffle / sekat.
Diameter ekivalen De dapat ditentukan apabila susunan pipa diketahui, seperti
ditunjukkan pada gambar 2.6 (sususan tube alat penukar kalor). Atau dapat
ditentukan dengan rumus persamaan berikut ini :
Dimana :
Pt = Pitch
do = diameter luar tube
sehingga pressure drop / penurunan tekanan pada shell dapat kita hitung dengan
µ = viskositas absolut fluida [ Ns/m2 ]
µw = viskositas absolut fluida pada temperatur dinding [ Ns/m2 ]
2.8 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan pada Tube Besarnya koefisien perpindahan kalor yang terjadi pada sisi tube dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut :
Dimana :
φt = rasio viskositas fluida tube,
JH = faktor perpindahan panas tube, dapat diperoleh pada daftar
lampiran, didapat hubungan L/D dengan bilangan Reynold
k = konduktivitas thermal fluida dalam tube [ W/m .oC ]
din = diameter dalam tube [ m ]
Pr = Prandtl number
Dimana :
Dapat juga ditentukan besarnya bilangan Reynold dalam tube dengan persamaan
berikut :
Untuk menentukan koefisien perpindahan kalor dinding luar dan seluruh dinding
tube, maka harus menentukan temperatur dinding tube dan rasio viskositas
terlebih dahulu, yaitu :
Dimana :
tw = temperatur dinding tube [ oC ]
tc = temperatur kalorik pada sisi tube [ oC ]
Maka koefisien koreksi perpindahan kalor dinding luar tube/didalam shell adalah :
dimana :
hos = koefisien koreksi perpindahan kalor pada sisi shell
φs = rasio viskositas fluida dalam shell
Sedangkan koefisien koreksi perpindahan kalor pada keseluruhan dinding tube
adalah :
Dimana :
hiot = koefisien koreksi perpindahan kalor pada keseluruhan dinding
tube
Dan dapat dihitung pressure drop / penurunan tekanan pada tube dengan
persamaan Nikuradse sebagai berikut :
Dimana :
maka persamaan 2.27 menjadi :
Pada saat fluida berubah arah ketika melakukan pass / laluan (bila pass
tube Np > 1), maka akan terjadi pressure drop tambahan yang disebabkan oleh
konstraksi dan ekspansi pipa. Pressure drop tambahan ini dapat dihitung dengan
persamaan berikut :
2.9 Metode NTU – Efektivitas
Efektivitas didefenisikan sebagai laju perpindahan panas aktual dengan
perpindahan panas maksimum yang mungkin dari suatu APK. Hubungan
efektivitas alat penukar kalor secara khusus terkait dengan NTU. Untuk mencari
efektivitas dan NTU secara umum dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut :
Dimana :
Q = laju perpindahan panas actual [ W ]
Qmaks = laju perpindahan panas maksimum yang dapat terjadi [ W ]
Cmin = kapasitas panas aliran minimum [ W/oC ]
[ Kg/s ]
Cp min = panas jenis yang minimum [ J/kg.K ]
Dan untuk menentukan efektivitas pada alat penukar kalor tipe shell and
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tinjauan Plant
Objek penelitian yang diangkat penulis merupakan alat penukar kalor
tipe shell and tube. Dimana alat penukar kalor ini digunakan untuk memanaskan
Marine Fuel Oil (MFO) dengan media pemanas berupa steam/uap yang diperoleh
dari Auxiliary Steam Header (ASH). Tujuan dari pemanasan bahan bakar ini
adalah untuk memudahkan proses pengabutan bahan bakar sehingga diperoleh
pembakaran yang sempurna. Steam dari ASH dialirkan ke alat penukar kalor
melewati control valve masuk pada sisi sebelah tube dan diatur dengan pressure 7
bar dan temperatur 165 oC, sementara marine fuel oil dipompakan dan dialirkan ke alat penukar kalor melewati control valve masuk pada sisi sebelah shell pada
temperatur 32 oC dan mengalami proses pemanasan, sehingga keluar pada temperatur 120 oC. Steam yang telah terkondensasi akan mengalir keluar melewati
steam trap dan dibuang ke sewerage. Marine Fuel Oil (MFO) yang telah
dipanaskan akan digunakan untuk bahan bakar boiler.
Observasi penelitian pada alat penukar kalor jenis shell and tube ini
dilakukan pada tanggal 23 April 2012 – 04 Mei 2012 di PLTU unit 4 PT.PLN
Gambar 3.1 Tipe Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4 Sektor Belawan
Gambar 3.3 Tube Bundle Alat Penukar Kalor
3.2 Metode Pengumpulan Data
Proses pengumpulan data – data tentang spesifikasi dan data-data pada
saat alat penukar kalor beroperasi ini dilakukan dengan melakukan peninjauan
langsung ke PLTU unit 4 PT.PLN (Persero) sektor pembangkitan belawan.
Pengumpulan data dilakukan dengan cara tanya jawab langsung dengan
beberapa pegawai bidang operasi dan pemeliharaan, menelaah dari manual
handbook dan mencatat data-data pada saat alat penukar kalor beroperasi.
Untuk mendapatkan data – data sebagai penunjang diperlukan adanya
langkah-langkah kerja yaitu:
1. Mengetahui cara pengoperasian alat penukar kalor tipe shell and tube
2. Mencari dan mengumpulkan referensi – referensi mengenai perpindahan
panas dan alat penukar kalor
3. Menganalisa data-data tersebut untuk mendapatkan perhitungan efisiensi
3.3 Flow chart
Gambar 3.4 Diagram alir proses penelitian alat penukar kalor Mulai
Menentukan Jenis APK yang menjadi objek penelitian
Memahami Prinsip Kerja APK yang akan Diteliti
Melakukan Tinjauan Plant
Mencatat data Spesifikasi APK
Mencatat Data dari Parameter Ukur saat APK beroperasi
Sharing dengan Pegawai Operasi dan Pemeliharaan Terkait dengan Sistem Operasi dan pemeliharaan APK
3.4 Data Peralatan dan Dimensi Alat Penukar Kalor
Table 3.1 Data Spesifikasi Dimensi Steam Heated Oil Heater
Tube Side
Shell Side
Baffle
Fluid Residual oil Steam
Flow rate [ kg/h ] 24700 2125,268
* Heat Performance 1220.1 kWatt
Tabel 3.3 Data Aktual Steam Heated Oil Heater Saat Operasi
Shell Side Tube Side
Fluid Residual oil Steam
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Perhitungan Data Design 4.1.1 Spesifikasi Peralatan
a. Spesikasi Pada Shell
∼ diameter shell (368 x 8) mm
∼ jarak antar baffle 125
∼ Jumlah pass 1
∼ Fluida dalam shell : residual oil ;
∼ Temperatur fluida masuk 30 0C
∼ Temperatur fluida keluar 120 0C
b. Spesifikasi Pada Tube
∼ Temperatur fluida masuk 164,17 0C
4.1.2 Neraca Panas
a. Fluida Panas Steam
Pada kondisi ini dianggap pada temperatur ideal, dimana tidak
terjadi penurunan temperatur atau dengan kata lain temperatur masuk dan
temperatur keluar sama, tetapi terjadi perubahan fasa uap menjadi cair /
kondensasi. Sebelum menghitung nilai kalor steam terlebih dahulu harus
mengetahui sifat fisik fluida. Adapun sifat fisik fluida diketahui dari
temperatur rata – rata fluida tersebut. Temperatur rata – rata fluida dapat
dinyatakan dengan rumus berikut:
Pada nilai temperatur 164,17 0C dari lampiran C, maka diperoleh sifat fisik fluida sebagai berikut:
hfg = 2068,197 kJ / kg
ρ = 3,599 kg / m3
k = 0,03285 W / ( m.K)
µ = 0,01445 mPa.s
Maka dari data diatas dapat diperoleh nilai kalor yang dihasilkan fluida
steam, dapat dihitung sebagai berikut:
b. Fluida Dingin Residual Oil
Sebelum menghitung nilai kalor residual oil, terlebih dahulu harus
mengetahui sifat fisik fluida tersebut. Untuk mengetahui sifat fisik fluida
residual oil, maka harus mengetahui temperatur fluida rata – rata Tr .
Untuk mencari nilai Tr dapat dinyatakan dengan rumus berikut, yaitu :
Dari nilai temperatur diatas diperoleh sifat fisik fluida cp 1,976
4.1.3 Log Mean Temperature difference
Perhitungan LMTD dapat diperoleh sebagai berikut :
Tabel 4.1 Beda Temperatur Fluida
Keterangan Fluida panas o Fluida dingin Beda temperatur
C ( oF ) oC ( oF ) oC ( oF ) Temperatur
tinggi 164,17 ( 327,506 ) 120 ( 248 ) 44,17 ( 79,506 ) Temperatur
rendah 164,17 ( 327,506 ) 30 ( 86 ) 134,17 ( 241,506 ) Beda
Untuk menentukan beda temperatur yang sebenarnya, dicari besarnya P dan R,
sehingga faktor koreksi temperatur Fc diketahui.
Pada kondisi ini terjadi perubahan fasa seperti kondensasi. Untuk kondisi ini R
menjadi nol, sehingga Fc = 1,0
Maka :
4.1.4 Temperatur Kalorik
Untuk menghitung temperatur kalorik fluida panas (tube) dan
Harga fc dapat diketahui pada grafik faktor temperatur kalori dengan
mengetahui nilai ∆tc / ∆th.
API gravity residual oil pada 60 0F = 17,18 dan selisih temperatur fluida
residual 162 0F, maka kc = 1 dan dari grafik faktor fc (lampiran N) temperatur
kalori dengan data diatas diperoleh fc = 0.535
Maka :
Karena pada fluida steam (tube) temperatur fluida masuk dan keluar sama,
maka harga tc = 164,17
4.1.5 Bilangan Reynold
a. Bilangan Reynold Pada Shell
Untuk menentukan besarnya bilangan Reynold pada shell, maka
harus mengetahui luas laluan aliran shell, kecepatan aliran massa pada
shell, dan diameter ekuivalen. Adapun untuk mengetahui luas laluan aliran
Untuk menghitung kecepatan aliran massa pada shell dapat dinyatakan
dengan rumus berikut :
Dan untuk menentukan diameter ekuivalen shell dengan susunan tube
Maka dari data diatas, dapat kita peroleh bilangan Reynold pada shell
dengan rumus berikut :
Dimana :
µ = viskositas fluida dalam shell (residual oil) pada
temperatur kalorik 71,85 oC, diperoleh dari lampiran J
108, 6 mPa.s
Sehingga :
b. Bilangan Reynold Pada Tube
Untuk menentukan bilangan Reynold pada tube, maka terlebih
dahulu harus mengetahui luas laluan aliran pada tube, kecepatan aliran
massa, dan viskositas fluida yang mengalir dalam tube. Adapun untuk
Dimana nilai diperoleh dari lampiran O, untuk tube diameter 12,1 mm
dan 14 BWG, maka = 0,0876 in2 = 56,516 x 10-6 m2
maka :
Untuk menghitung kecepatan aliran massa pada tube dapat dinyatakan
dengan rumus berikut :
Maka dari data diatas, dapat kita peroleh bilangan Reynold pada tube
Dimana :
µ = viskositas fluida dalam tube ( uap jenuh ) pada
temperatur kalorik 164,17 oC, diperoleh dari
lampiran C 0,01445 mPa.s
sehingga :
4.1.6 Koefisien Perpindahan Panas
a. Koefisien Perpindahan Panas Pada Shell
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada shell dapat
dinyatakan dengan rumus berikut :
Dimana :
JH = faktor perpindahan panas pada shell
=
= 1,9
k = konduktivitas residual oil pada temperatur kalorik 71,85 oC
= (lihat lampiran N)
Pr = Prandtlnumber residual oil pada temperatur kalorik 71,85 oC
= 1820 (lihat lampiran N)
Sehingga :
Maka telah diketahui besarnya harga koefisien perpindahan panas shell
seperti harga di atas.
b. Koefisien Perpindahan Panas Pada Tube
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada tube dapat
dinyatakan dengan rumus berikut :
Dimana :
JH = faktor perpindahan panas pada tube, dimana dapat diperoleh pada
L/D = 2560,2 / 8,5 = 301,2 dengan bilangan Reynold 35517,65
maka diperoleh JH = 110
k = konduktivitas steam pada temperatur kalorik 164,17 oC
= (lihat lampiran C)
Pr = Prandtlnumber steam pada temperatur kalorik 164,17 oC
= 1,115 (lihat lampiran C)
Sehingga :
4.1.7 Temperatur Dinding Tube dan Koefisien Perpindahan Panas yang Dikoreksi
Untuk menentukan temperatur dinding tube, maka sebelumnya
perlu ditentukan dahulu harga hio/ φt , dimana hio/ φt dapat diperoleh sebagai
Maka :
Pada temperatur dinding tube 120 oC, maka dari lampiran L dan E diperoleh sifat fisik masing – masing fluida sebagai berikut :
Tabel 4.2 Sifat Fisik Fluida
Keterangan
Residual oil
Steam
Konduktivitas thermal ( W/m.K ) 0,1142 0,02696
Viskositas ( mPa.s ) 17,82 0,01293
Prandtl number ( Pr ) 332,4 1,042
Dari table diatas dapat ditentukan rasio viskositas masing – masing fluida,
dimana viskositas residual oil ( shell ) dapat dinyatakan sebagai berikut :
Setelah diperoleh rasio viskositas masing – masing fluida, dapat ditentukan
juga koefisien perpindahan panas yang dikoreksi. Adapun untuk mengetahui
masing – masing komponen perpindahan panas yang dikoreksi dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut :
Koefisien perpindahan panas yang dikoreksi pada shell
Koefisien perpindahan panas yang dikoreksi pada tube
4.1.8 Faktor Pengotoran
Untuk menentukan harga dari faktor pengotoran, maka terlebih
permukaan yang bersih Uc dan koefisien perpindahan panas keseluruhan Ud.
Adapun untuk menentukan harga dari Uc dan Ud diperoleh sebagai berikut :
Dimana :
Qres = panas yang diserap oleh residual oil
A = Luas permukaan pada bagian luar tube
=
=
=
Sehingga dari data diatas dapat ditentukan faktor pengotoran Rd sebagai
berikut :
4.1.9 Pressure Drop
a. Pressure Drop Shell Side
untuk menghitung pressure drop shell side dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut :
Dimana :
f = friction factor
=
=
NB = 18 (jumlah baflle)
ρ = massa jenis residual oil pada temperatur kalorik 71,85 oC
Sehingga :
b. Pressure Drop Tube Side
Untuk menghitung pressure drop tube side dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut :
Dimana :
f = friction factor
=
=
NP = 2 ( jumlah pass / laluan )
ρ = massa steam pada temperatur kalorik 164,17 oC
= (lihat lampiran C)
v = kecepatan alir fluida
Maka persamaan menjadi :
Karena pada saat fluida berubah arah ketika melakukan pass / laluan,
dimana pass tube NP > 1 , maka akan terjadi pressure drop tambahan yang
disebabkan oleh konstraksi dan ekspansi pipa. Pressure drop tambahan ini
Sehingga pressure drop total pada tube adalah :
4.1.10 Efektivitas
Untuk menentukan nilai efektivitas alat penukar kalor dapat
dinyatakan dengan rumus berikut :
Oleh karena yang mempunyai nilai C minimum mungkin fluida
yang panas atau yang dingin, maka ada dua nilai efektivitas yang mungkin.
Dimana :
Ch = kapasitas minimum fluida panas
=
Cc = kapasitas minimum fluida dingin
Thi = temperatur masuk fluida panas
Tho = temperatur keluar fluida dingin
Tci = temperatur masuk fluida dingin
Tco = temperatur keluar fluida dingin
Kapasitas panas aliran fluida selama proses perubahan fasa mendekati tak
terhingga karena perubahan temperatur pada kenyataannya sama dengan nol.
Maka , seperti gambar dibawah ini.
Karena , maka efektivitas pada kondisi
4.2 Perhitungan Data Aktual
Perhitungan data adalah perhitungan dengan data – data kondisi operasi
alat penukar kalor yang sebenarnya terjadi dilapangan. Adapun data yang
dimaksud adalah sebagai berikut :
∼ Tekanan kerja steam masuk alat penukar kalor 7 bar
∼ Flow rate residua l oil yang akan dipanaskan 15420 l/hr
∼ Temperatur inlet residual oil 32 oC
∼ Temperatur outlet residual oil 120 oC
4.2.1 Neraca Panas
a. Fluida Dingin Residual Oil
Sebelum menghitung nilai kalor residual oil, terlebih dahulu harus
mengetahui sifat fisik fluida tersebut. Untuk mengetahui sifat fisik fluida
residual oil, maka harus mengetahui temperatur fluida rata – rata Tr .
Dari nilai temperatur diatas diperoleh sifat fisik fluida cp 1,984 ,
(lihat lampiran I)
Maka :
b. Fluida Panas Steam
Pada kondisi ini dianggap pada temperatur ideal, dimana tidak
terjadi penurunan temperatur atau dengan kata lain temperatur masuk dan
temperatur keluar sama, tetapi terjadi perubahan fasa uap menjadi cair /
kondensasi. Sebelum menghitung nilai kalor steam terlebih dahulu harus
mengetahui sifat fisik fluida. Dari lembar lampiran pada pressure kerja
steam 7 Bar diperoleh Tsaturated 165 oC. Selanjutnya dihitung temperatur
rata – rata Tr. Temperatur rata – rata fluida dapat dinyatakan dengan
Pada nilai temperatur 165 0C, maka dari lampiran D diperoleh sifat fisik fluida sebagai berikut:
hfg = 2066 kJ / kg
ρ = 3,666 kg / m3
Selanjutnya dihitung harga laju aliran massa uap yang mengalir di dalam
tube alat penukar kalor. Dimana untuk menghitung laju aliran massa uap
dapat dihitung sebagai berikut :
4.2.2 Log Mean Temperature difference
Tabel 4.3 Beda Temperatur Fluida Kondisi Data Aktual
Keterangan Fluida panas o Fluida dingin Beda temperatur
C ( oF ) oC ( oF ) oC ( oF ) Temperatur
tinggi 165 ( 329 ) 120 ( 248 ) 45 ( 81 )
Temperatur
rendah 165 ( 329 ) 32 ( 89,6 ) 133 ( 239,4 )
Beda
temperature 0 88 ( 158,4 ) -88 ( -158,4 )
Untuk menentukan beda temperatur yang sebenarnya, dicari besarnya P dan R,
sehingga faktor koreksi temperatur Fc diketahui.
Pada kondisi ini terjadi perubahan fasa seperti kondensasi. Untuk kondisi ini R
menjadi nol, sehingga Fc = 1,0
4.2.3 Temperatur Kalorik
Untuk menghitung temperatur kalorik fluida panas (tube) dan
fluida dingin (shell) maka harus mengetahui harga fc masing – masing fluida.
Harga fc dapat diketahui pada grafik faktor temperatur kalori dengan
mengetahui nilai ∆tc / ∆th.
API gravity residual oil pada 60 0F = 17,18 dan selisih temperatur fluida residual 158,4 0F, maka kc = 1 dan dari lampiran N faktor fc temperatur kalori
dengan data diatas diperoleh fc = 0.53
Maka :
Karena pada fluida steam (tube) temperatur fluida masuk dan keluar sama,
maka harga tc = 165
4.2.4 Bilangan Reynold
Untuk menentukan besarnya bilangan Reynold pada shell, maka
harus mengetahui luas laluan aliran shell, kecepatan aliran massa pada
shell, dan diameter ekuivalen. Adapun untuk mengetahui luas laluan aliran
shell dapat dinyatakan dengan rumus :
Untuk menghitung kecepatan aliran massa pada shell dapat dinyatakan
dengan rumus berikut :
Dan untuk menentukan diameter ekuivalen shell dengan susunan tube
Maka dari data diatas, dapat kita peroleh bilangan Reynold pada shell
dengan rumus berikut :
Dimana :
µ = viskositas fluida dalam shell (residual oil) pada
temperatur kalorik 73,36 oC, diperoleh dari lampiran K
101,1 mPa.s
Sehingga :
b. Bilangan Reynold Pada Tube
Untuk menentukan bilangan Reynold pada tube, maka terlebih
massa, dan viskositas fluida yang mengalir dalam tube. Adapun untuk
mengetahui luas laluan aliran tube dapat dinyatakan dengan rumus :
Dimana nilai diperoleh dari lampiran “O”, untuk tube diameter 12,1
mm dan 14 BWG, maka = 0,0876 in2 = 56,516 x 10-6 m2
maka :
Untuk menghitung kecepatan aliran massa pada tube dapat dinyatakan
dengan rumus berikut :
Maka dari data diatas, dapat diperoleh bilangan Reynold pada tube dengan
rumus berikut :
Dimana :
temperatur kalorik 165 oC, diperoleh dari daftar
lampiran D 0,01447 mPa.s
sehingga :
4.2.5 Koefisien Perpindahan Panas
a. Koefisien Perpindahan Panas Pada Shell
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada shell dapat
dinyatakan dengan rumus berikut :
Dimana :
JH = faktor perpindahan panas pada shell
=
= 1,57
k = konduktivitas residual oil pada temperatur kalorik 73,36 oC
= (lihat lampiran K)
Pr = Prandtl number residual oil pada temperatur kalorik 73,36 oC
= 1701 (lihat lampiran K)
Sehingga :
b. Koefisien Perpindahan Panas Pada Tube
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada tube dapat
dinyatakan dengan rumus berikut :
Dimana :
JH = faktor perpindahan panas pada tube, dimana dapat diperoleh pada
lampiran kurva perpindahan panas pada tube didapat hubungan
L/D = 2560,2 / 8,5 = 301,2 dengan bilangan Reynold 20037
k = konduktivitas steam pada temperatur kalorik 165 oC
= (lihat lampiran D)
Pr = Prandtlnumber steam pada temperatur kalorik 165 oC
= 1,116 (lihat lampiran D)
Sehingga :
4.2.6 Temperatur Dinding Tube dan Koefisien Perpindahan Panas yang Dikoreksi
Untuk menentukan temperatur dinding tube, maka sebelumnya
perlu ditentukan dahulu harga hio/ φt , dimana hio/ φt dapat diperoleh sebagai
Maka :
Pada temperatur dinding tube 116 oC, maka dari lampiran M dan F diperoleh sifat fisik masing – masing fluida sebagai berikut :
Tabel 4.4 Sifat Fisik Fluida Kondisi Data Aktual
Keterangan
Residual oil
Steam
Konduktivitas thermal ( W/m.K ) 0,1144 0,02651
Viskositas ( mPa.s ) 20,08 0,01297
Prandtl number ( Pr ) 371,7 1,038
Dari table diatas dapat ditentukan rasio viskositas masing – masing fluida,
dimana viskositas residual oil ( shell ) dapat dinyatakan sebagai berikut :
Dan rasio viskositas steam ( tube ) dapat dinyatakan sebagai berikut :
Setelah diperoleh rasio viskositas masing – masing fluida, dapat ditentukan
masing – masing komponen perpindahan panas yang dikoreksi dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut :
Koefisien perpindahan panas yang dikoreksi pada shell
Koefisien perpindahan panas yang dikoreksi pada tube
4.2.7 Faktor Pengotoran
Untuk menentukan harga dari faktor pengotoran, maka terlebih
dahulu menentukan harga koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk
permukaan yang bersih Uc dan koefisien perpindahan panas keseluruhan Ud.
Dimana :
Qres = panas yang diserap oleh residual oil
A = Luas permukaan pada bagian luar tube
=
=
Maka :
Sehingga dari data diatas dapat ditentukan faktor pengotoran Rd sebagai
4.2.8 Pressure Drop
a. Pressure Drop Shell Side
untuk menghitung pressure drop shell side dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut :
Dimana :
f = friction factor
=
=
NB = 18 (jumlah baflle)
ρ = massa jenis residual oil pada temperatur kalorik 73,36 oC
Sehingga :
b. Pressure Drop Tube Side
Untuk menghitung pressure drop tube side dapat dinyatakan
dengan persamaan berikut :
Dimana :
f = friction factor
=
=
NP = 2 ( jumlah pass / laluan )
ρ = massa steam pada temperatur kalorik 165 oC
= (lihat lampiran D)
v = kecepatan alir fluida
Maka persamaan menjadi :
Karena pada saat fluida berubah arah ketika melakukan pass / laluan,
dimana pass tube NP > 1 , maka akan terjadi pressure drop tambahan yang
disebabkan oleh konstraksi dan ekspansi pipa. Pressure drop tambahan ini
dapat dihitung dengan persamaan berikut :
4.2.9 Efektivitas
Untuk menentukan nilai efektivitas alat penukar kalor dapat
dinyatakan dengan rumus berikut :
Oleh karena yang mempunyai nilai C minimum mungkin fluida
yang panas atau yang dingin, maka ada dua nilai efektivitas yang mungkin.
Dimana :
Ch = kapasitas minimum fluida panas
=
Cc = kapasitas minimum fluida dingin
=
Thi = temperatur masuk fluida panas
Tho = temperatur keluar fluida dingin
Tco = temperatur keluar fluida dingin
Kapasitas panas aliran fluida selama proses perubahan fasa mendekati tak
terhingga karena perubahan temperatur pada kenyataannya sama dengan nol.
Maka , seperti gambar dibawah ini.
Karena , maka efektivitas pada kondisi
4.3 Pemeliharaan Alat Penukar kalor
Kegiatan pemeliharaan peralatan merupakan hal yang sangat penting
dalam pengoperasian suatu sistem atau peralatan, khususnya alat penukar kalor.
Kegiatan pemeliharaan untuk mempertahankan tingkat keselamatan, kelancaran
proses operasi, dan efisiensi. Selain itu pemeliharaan ditujukan agar peralatan
dapat beroperasi optimal dan tahan lama.
Jenis pemeliharaan yang dilakukan pada alat penukar kalor fuel oil heater
di PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan yaitu preventive
maintenance, predictive maintenance, corrective maintenance. Selain itu
pemeliharaan juga dilakukan pada kondisi unit dalam keadaan shutdown dan
laporan dari operator tentang keadaan kondisi operasi alat penukar kalor yang
tidak lagi optimal, baik itu temperatur residu keluar APK yang tidak tercapai,
maupun adanya kebocoran dari sisi APK.
Mengingat APK merupakan suatu alat yang sangat mahal harganya,
maka dibutuhkan perhatian khusus terhadap pemeliharaan APK. Adapun
komponen – komponen atau bagian yang perlu diperhatikan pada pemeliharaan
APK meliputi :
4.3.1 Inspeksi Bagian Luar
Pada umumnya pemeriksaan bagian luar dari alat penukar kalor
dapat dilakukan secara visual sewaktu alat sedang beroperasi. Bagian – bagian
yang perlu diinspeksi meliputi pondasi, pipe connection, cat, isolasi, alat
pelengkap dan sebagainya. Dapat juga dilakukan pengukuran tebal dengan
cara Non Destructive Test (NDT) terhadap komponen-komponen dari
untuk pemeriksaan lebih seksama diwaktu alat shutdown / tidak dalam
keadaan operasi.
a. Pemeriksaan Pondasi dan Support
Pondasi alat penukar kalor biasanya terdiri dari support baja duduk
diatas beton, ada juga yang seluruh supportnya dari baja. Pondasi beton
harus diperiksa terhadap kemungkinan retak, spalling dan settling.
Bagian-bagian baja dari pondasi diperiksa secara visual dan dengan
hammer test. Ketebalan dari pelat T support diperiksa dengan kaliper dan
baut pondasi diperiksa dengan hammer test.
b. Nozzle / Pipa Connection
Bagian luar pipa connection diperiksa secara visual terhadap
korosi, retak pada pengelasan, sambungan pipa dengan alat penukar kalor
merupakan tempat yang kristis. Support tambahan perlu dipertimbangkan
ditempat yang tinggi getarannya. Apabila ditemukan tanda-tanda retak
pada nozzle, pada waktu unit stop maka komponen ini supaya disandblast
atau dibersihkan dengan sikat kawat untuk pemeriksaan yang lebih teliti
dan seksama.
c. Alat Pelengkap
Alat - alat pelengkap seperti pressure gauge, thermometer, katup
pengaman supaya diperiksa secara visual sewaktu unit sedang beroperasi
untuk melihat kondisinya.
Kondisi cat sewaktu – waktu harus diperiksa. Tempat yang
berkarat, spalling atau lapisan cat yang terkupas menandakan ada
kerusakan pada cat. Ini akan mudah terlihat pada waktu diadakan
pemeriksaan visual. Tempat-tempat yang sering mengalami kerusakan cat
adalah pada celan-celah.
Bila alat diisolasi, isolasinya juga harus diperiksa secara visual
untuk meyakinkan bahwa isolasinya masih dalam keadaan baik, utuh dan
rapat melekatnya ke shell atau channel. Daerah nozzle adalah tempat
dimana sering ditemukan kerusakan isolasi. Isolasi yang terbuka didaerah
nozzle akan dimasuki oleh air hujan dan ini dapat menyebabkan korosi
dibawah isolasi (corrosion under insulation) pada shell alat penukar kalor.
4.3.2 Inspeksi Bagian Dalam
Inspeksi bagian dalam bertujuan untuk melihat keretakan pada
komponen – komponen APK. Untuk pemeriksaan bagian-bagian dari
permukaan yang akan diperiksa supaya dibersihkan dengan baik sebelum
pemeriksaan dimulai. Tempat yang diperkirakan terdapat retak atau tempat
yang akan diperiksa dengan cara magnetic particle atau dengan dye-penetrant
atau NDE lainnya haruslah dibersihkan dengan seksama. Bila perlu
dibersihkan dengan sand blast, sikat kawat atau chemical cleaning.
a. Pemeriksaan Shell, Channel, dan Shell Cover
Tindakan pertama untuk memeriksa shell, channel dan shell cover
adalah pemeriksaan umum secara visual.
Alat yang diperlukan untuk memeriksa adalah sebuah scraper dan
hammer. Scraper yang runcing dapat digunakan untuk mengerik-ngerik
tempat-tempat yang mungkin terjadi pits, cracks ataupun grooves. Dalam