TUGAS AKHIR RE-DESIGN LUBE OIL COOLER PADA TURBIN GAS DENGAN ANALISA TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS (STUDI KASUS PT. ENERGI MEGA PERSADA)

(1)

RE-DESIGN LUBE OIL COOLER PADA TURBIN GAS DENGAN

ANALISA TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS

(STUDI KASUS PT. ENERGI MEGA PERSADA)

Disusun Oleh:

Siti Duratun Nasiqiati Rosady NRP. 2110 100 057

Dosen Pembimbing:

Bambang Arip Dwiyantoro, ST, M.Eng, Ph.D

(2)

Supply energi listrik menggunakan sistem

pembangkit tenaga gas

Shut down pada gas turbin

Temperatur oli keluar lube oil cooler masih cukup tinggi

efektivitas perpindahan panas menurun

Re-Design Lube oil cooler

(3)

Perumusan Masalah

1. Bagaimana Performa Lube Oil Cooler Existing?

2. Bagaimana desain yang sesuai untuk meningkatkan

(4)

 PT. Energi Mega Persada

 Fluida panas=oli

fluida dingin=udara

 Steady state

 Profil kecepatan udara inlet

uniform

Batasan Masalah

 Analisa hanya dilakukan

pada satu cooler dan

hasilnya diterapkan pada

kedua cooler yang lain

Mengabaikan

 Perubahan energi kinetik dan

potensial

 Analisa perubahan performa

sistem PLTG karena peningkatan

performa lube oil cooler

 Perpindahan panas konduksi dan

konveksi tanpa radiasi

 Analisa metalurgi, ekonomi dan

manufaktur

(5)

Tujuan

1. Menambah wawasan dan pengetahuan untuk menganalisa dan melakukan perancangan ulang pada lube oil cooler menggunakan analisa termodinamika dan perpindahan panas.

2. Dapat digunakan sebagai referensi untuk perancangan heat exchanger pada dunia industri.

Manfaat

1. Mengetahui performa lube oil cooler existing.

2. Mendapatkan desain yang sesuai untuk meningkatkan effectiveness perpindahan panas dari lube oil cooler

(6)

(7)

(8)

Penelitian Terdahulu

M.K. Rathod, et al (2007)

”Performance Evaluation Of Flat Finned Tube Fin Heat Exchanger With Different Fin Surfaces”

Evaluasi performa dari Tube Fin

Heat Exchanger (TFHE) MATLAB 6.5.1

Udara sebagai fluida panas, dan air sebagai fluida dingin

(9)

Penelitian Terdahulu

Dong Junqi et al (2007)

“Heat transfer and pressure drop correlations for the wavy fin and flat tube heat exchangers”

Eksperimen => Performa heat

exchanger untuk flat and tube

(10)

Laju aliran massa udara 1. 4 kg/s 2. 5 kg/s 3. 6.5 kg/s 4. 7 kg/s

3. Metode

1. Perhitungan performa existing Effectiveness existing

2. Perancangan lube oil cooler metode ΔT_LMTD Mendapatkan dimensi baru

Surface designation 1. 8.0 - 3/8 T 2. 7.75 - 5/8 T Fins/in Diameter tube Continuous fins

(11)

3. Metode

2. Perancangan lube oil cooler metode ΔT_LMTD

Analisa perpindahan panas sisi internal

1. Dimensi, jumlah, dan jarak tube 2. Luas perpindahan panas

3. Koefisien konveksi

(12)

1. Luas perpindahan panas

 Frontal area  Volume

 Heat transfer area  Luas Fins

2. Koefisien konveksi 3. Pressure drop

3. Metode

2. Perancangan lube oil cooler metode ΔT_LMTD

(13)

3. Metode

3. Analisa performa lube oil cooler metode NTU

1. Heat capacity 2. Effectiveness

3. NTU 4. UA

Mengetahui performa lube oil cooler redesign

(14)

3. Metode

Batasan:

 Volume ruang penempatan heat exchanger

 Temperatur keluar oli < 348 K

Input Perancangan

Parameter Tetap Parameter Tidak Tetap

Mass flow rate oli (ṁ_h) = 6.4 kg/s Mass flowrate udara (ṁ_c)

T_in oli = 351.4 K surface designation

T_inudara = 300 K

Output Perancangan

Effectiveness UA

NTU Koefisien konveksi

A_h dan A_c T_out oli

(15)

3. Metode

Batasan:

 Volume ruang penempatan heat exchanger

 Temperatur keluar oli < 348 K

(16)

4.1. Perhitungan Performa existing

(17)

Tinjauan Termodinamika

ṁ_h= 6.4 kg/s

Tinjauan Perpindahan Panas

C_h = ṁ_hC_{p, h} C_h= 13555.2 W/ K C_c = ṁ_cC_{p, c} C_c= 6545.5 W/ K C_c<C_h C_min = C_c = 6545.5 W/ K C_max= C_h = 13555.2 W/ K C_r = C_min/ C_max C_r = 0.48 Effectiveness (Ɛ) C_{p, h}= 2118 J/ (Kg K) C_{p, c}= 1007 J/ (Kg K) ṁ_h C_p,h ΔT_h = ṁ_c C_p,c ΔT_c

(18)

q_act =ṁ_h c_p,h(T_h,i– T_h,o)

q_act= 45818.5 Watt

q_max = C_min(T_h,i - T_c,i)

q_max= 336438.7 Watt

Ɛ = q_act/ q_max

Ɛ = 0.136

Number of Transfer Unit

(NTU)

C_r = 0.48

Ɛ = 0.136

NTU = 0.25

Overall Heat Transfer Coefficient (UA)

UA = NTU C_min

UA = 1636.375 W/ K

(19)

Surface Designation

Satuan

8.0-3/8 T 7.75-5/8 T existing

Tube arrangement Staggered Staggered Staggered

Panjang tube, L_t 1.06 1.06 1.06 m Lebar HE, W_HE 0.9 0.9 0.9 m Tinggi HE, H_HE 0.16 0.16 0.16 m

Tube diameter, D 0.0102108 0.0171704 0.019812 m

Transverse tube spacing, S_t 0.0219964 0.04445 0.0762 m

Longitudinal tube spacing, S_l 0.0254 0.0381 0.0508 m Jumlah transverse tubes, N_T,t 7 4 3 tubes Jumlah longitudinal tubes, N_T,l 35 24 18 tubes Jumlah tubes, N_T 245 96 54 tubes

4.2.1. Analisa Perpindahan Panas Internal

Contoh perhitungan pada 8.0 - 3/8 T

1. Dimensi, Jumlah dan Jarak Tube

(20)

A_h = N_T π D L_t = 8.3265 m2  Reynolds Number = 85.65 < 2300 (Laminer)  Nusselt Number Nu_h = 3.66 (untuk temperatur permukaan uniform) = 548.61 W/m2_K

2. Luas Perpindahan Panas

3. Koefisien Konveksi 4.

Pressure Drop

= 1.094 x 10-4 _N/m2  Minor Losses = 1.86 x 10-8_N/m2  Major Losses

 Total pressure drop

(21)

 Frontal area

A_fr= L_HE W_HE = 0.954 m2

 Volume

= 0.0452 m3

 Heat Transfer Area

A_c = α Volume = 26.53 m2

 Luas Fins

Fin area = A_fin = 0.913 x A_c= 24.22 m2

 Minimum Free Flow Area = 0.02273 m2

4.2.2. Analisa Perpindahan Panas External

1. Luas Perpindahan Panas Contoh perhitungan pada: 8.0 - 3/8 T dan ṁ_c = 4 kg/s

(22)

 Maximum Mass Velocity = 176 kg/m2_s  Reynolds Number = 3413.18 = 6611.7 W/m2_K = 300 N/m2 2. Koefisien Konveksi 3. Pressure Drop

(23)

4.3. Pembahasan Hasil Perhitungan ∆T

_LMTD

8.0-3/8 T

Diameter tube lebih kecil Jarak antar fin lebih kecil

(24)

4.4. Analisa performa redesign metode NTU

1. Heat Capacity C_h = ṁ_hC_{p, h} = 13517.568 W/ K C_c = ṁ_cC_{p, c} = 4028.92 W/ K C_c<C_h C_min = C_c = 4028.92 W/ K C_max= C_h = 13517.568 W/ K C_r = C_min/ C_max = 0.3 2. Effectiveness

q_max = C_min(T_h,i - T_c,i) = 336438.7 W Ɛ = q_act/ q_max Ɛ = 0.22 3. NTU C_r = 0.3 Ɛ = 0.22 NTU = 0.33 4. UA UA = NTU C_min = 2326.7013 W/K

(25)

4.5. Pembahasan Hasil Perhitungan Metode NTU

(26)

4.6. Perbandingan Lube Oil Cooler

Existing dan Redesign

1. Temperatur keluar oli

(27)

4.7. Dimensi Redesign

Dimensi Surface Designation Satuan

Existing Redesign

Tube arrangement Staggered Staggered

Panjang tube, L_t 1.06 1.06 m

Lebar HE, W_HE 0.9 0.9 m

Tinggi HE, H_HE 0.16 0.16 m

Tube diameter, D 0.019812 0.0102108 m

Transverse tube spacing, S_t 0.0762 0.0219964 m

Longitudinal tube spacing, S_l 0.0508 0.0254 m Jumlah transverse tubes, N_T,t 3 7 tubes

Jumlah longitudinal tubes, N_T,l 18 35 tubes

Jumlah tubes, N_T 54 245 tubes

(28)

Performa Surface Designation Satuan

Existing Redesign

Laju aliran massa udara 6.5 7 Kg/s

Heat transfer actual 45818.5 106457.4 Watt

Temperatur Keluar Oli 348.04 343.52 K Temperatur Keluar Udara 304 316.7 K

Overall Heat Transfer Coefficient 1636 4230.366 W/K

Number of Transfer Unit 0.25 0.60

Effectiveness 13.6 32 %

4.8. Performa Redesign

(29)

5. Kesimpulan

1. Performa existing lube oil cooler memiliki nilai effectiveness 13.6%.

2. Semakin meningkat mass flowrate udara maka Reynolds number dan koefisien konveksi sisi udara juga akan meningkat. Semakin besar koefisien konveksi dan luasan perpindahan panas maka akan memperbesar perpindahan panas actual yang terjadi. Nilai perpindahan panas actual terbesar adalah 106457.4 Watt pada 8.0-3/8 T dengan mass flow rate udara 7 kg/s.

3. Semakin besar perpindahan panas actual maka effectiveness juga meningkat. Karena nilai perpindahan panas actual mendekati nilai perpindahan panas maksimal. Nilai effectiveness terbesar adalah 32% pada 8.0-3/8 T dengan mass flow rate udara 7 kg/s.

(30)

5. Kesimpulan

4. Semakin besar perpindahan panas, maka temperatur keluar oli menurun dan terjadi peningkatan temperatur keluar udara. Temperatur keluar oli terendah sebesar 343.52 K dengan temperatur keluar udara 316.7 K pada 8.0-3/8 T dengan mass flow rate udara 7 kg/s.

5. Surface designation 8.0-3/8 T dengan laju aliran massa udara 7 kg/s dimana temperatur keluar oli sebesar 343.52 K dengan effectiveness menjadi 32%.

(31)