BAB IV PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR

Universitas Mercu Buana 22

BAB IV

PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR

4.1 Data-Data yang Diperoleh

Dalam tugas akhir ini, data–data yang diperlukan adalah sebagai berikut :

• Spesifikasi alat :

> Material Kondensor : ST 37

> Material Pipa pendingin : Cu Zn 20 Al

> Media Pendingin : Air Laut

• Data Teknik :

> Diameter luar pipa pendingin : 23 mm > Diameter dalam pipa pendingin : 21 mm

> Tebal pipa : 1 mm

> Panjang pipa : 6660 mm

> Jumlah pipa : 2 x 3840 buah

> Temperatur uap masuk kondensor : 150 ˚C > Temperatur uap keluar kondensor : 140 ˚C > Temperatur air laut masuk kondensor : 28 ˚C > Temperatur air laut keluar kondensor : 35 ˚C > Temperatur permukaan pipa : 145˚C > Kecepatan media pendingin (air laut) : 1,8 m/s > Kapasitas pengaliran uap bekas : 119 T/jam > Luas permukaan pendingin bagian luar : 1830 m² > Tekanan kondensor : 0,094 atm > Laju aliran air pendingin : 8650 m³/jam

Universitas Mercu Buana 23 Uap masuk

T = 150 ^oC Pipa

Uap keluar T = 140 ^oC

T = 28 ^oC Pompa T = 35 ^oC Air laut masuk Air laut keluar

Universitas Mercu Buana 24 Pengolahan Data

• Koefisien konveksi air laut dalam pipa

Pada saat temperatur air laut masuk 28 ˚C maka sifat - sifat air yang diperoleh dari tabel lampiran J.P Holman hal 593 sebagai berikut :

Massa jenis fluida ( ) : 995,58 kg/m³ Viskositas fluida ( ) : 8,37 x 10^-4 kg/m.s

Koef. Konduktivitas panas (K) : 0,616 W/m˚C Bilangan Prandtl (Pr) : 5,67

1. Aliran pendingin yang terjadi dalam kondensor (Re)

Diketahui : Kecepatan media pendingin air laut (v) = 1,8 m/s

Diameter dalam pipa pendingin (d_i) = 21 mm = 0,021 m Massa jenis fluida ( ) = 995,58 kg/m³ Viskositas fluida ( ) = 8,37 x 10^-4 kg/m.s Ditanya : Re (aliran Turbulen) ?

Jawab :

= 44961,677 2. Bilangan Nusselt (Nud)

Untuk mencari nilai (Nud) maka digunakan rumus aliran turbulen di dalam pipa, maka untuk aliran turbulen rumusnya adalah :

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

= 0,023 . (44961,677)^0,8 . (5,67)^0,4 µ

ρ ν. . Re= d

ms kg x

m kg m

s m

/ 10 37 , 8

/ 58 , 995 . 021 , 0 . / 8 , 1

4

3

= −

Universitas Mercu Buana 25 Nud = 242,904

3. Koefisien konveksi air dalam pipa (hi) Dari data yang ada :

Diameter dalam pipa (di) : 21 mm di = 21 mm

di = 0,021 m Dit : hi....?

Jawab :

, hi = 7125,19 W/m² ˚C

• Koefisien konveksi air dalam pipa setelah adanya faktor pengotor

Dari tabel 4.1. G.F. Hewit, GL. Shires, T.R. Boot hal 644 didapatkan faktor pengotor untuk air < 50 ˚C adalah 0,0002 – 0,001 W/m² K, karena beberapa lembaga telah menetapkan standar faktor pengotor air yang digunakan untuk pendingin kondensor sebesar 0,000176 W/m² K, supaya kerja kondensor mencapai kapasitas yang diinginkan, maka nilai faktor pengotor yang diambil adalah 0,0002 W/m² K.

Representative fouling factors [ 1 ]

Tabel 4.1 Faktor pengotor untuk fluida air

FLUID Rf (m².K/W)

Sea water and treated boiler feed water (below 50 ^oC) 0,0001 Sea water and treated boiler feed water (above 50 ^oC) 0,0002

River water (below 50 ^oC) 0,0002-0,001

di k hi Nud.

=

m

C m W

x ^o

021 , 0

/ 616 , 0 904 ,

= 242

m C m

W ^o

021 , 0

/ 629 ,

=149

Universitas Mercu Buana 26

Fuel oil 0,0009

Referigerating liquids 0,0002

Steam (non-oil bearing) 0,0001

(Ref : J.P. Holman Hal. 449)

= 0,0001 + 0,0001

h _kotor = hi = 5000 W/m² K

• Koefisien pengembunan uap ( ho )

Pada saat temperatur 140 ˚C maka data–data yang diperoleh dari tabel lampiran JP. Holman hal 593 dan tabel lampiran termodinamika teknik hal 565 adalah sebagai berikut :

Viskositas fluida ( ) : 1,96 x 10 ^-4 kg/m s

Kalor penguapan (h_fg) : 2144,49 kJ/kg = 2144490 J/kg Koef. Konduktansi fluida (k) : 0,685 W/m.˚C

Volume spesifik fluida (v) : 1,08 x 10 ^-3 m³/kg Gravitasi (g) : 9,8 m/s² - Untuk mencari nilai massa jenis fluida ( )

bersih

kotor h

Rf = h1 − 1

W K K m

m

h_kotor W 0,0001 /

/ 19 , 7125

1

1 ₂

2 +

=

W K h_kotor1 =0,0002m2 /

W K hi m

h_kotor

/ 0002 , 0

1

= 2

=

v

= 1 ρ

Universitas Mercu Buana 27

= 925,926 kg/m³

T = Tg – To

dimana : Tg = Temperatur uap masuk kondensor To = Temperatur permukaan pipa

kg

m x10 / 08

, 1

1

3

−3

=

25 , 3 0 2

. . .

. . 725 . ,

0 ∆

= N d T

k h ho g

o fg

µ ρ

25 , 3 0 2

) (

. . .

. . . .

725 ,

0 −

= N d Tg To

k h ho g

o fg

µ ρ

( ) ( )

( ) ^{( )}

25 , 0 4

3 2

145 150 023 , 0 3840 10

96 , 1

685 , 0 2144490 926

, 925 8 , . 9 725 ,

0 −

= ₋

x x

x x

x x

x

( ) ( )

( ) ( )

25 , 0

5 01731072 ,

0

321419125 ,

0 2144490 9

, 857338 8

, . 9 725 ,

=0

x x x

x

( ) ( )

( )

25 , 0

0865536 ,

0

321419125 ,

0 2144490 9

, 857338 8

, . 9 725 ,

=0 x x x

( ) ( )

( )

25 , 0

0865536 ,

0

321419125 ,

0 2144490 9

, 857338 8

, . 9 725 ,

=0 x x x

( ) ( )

( )

25 , 0

0865536 ,

0

321419125 ,

0 2144490 22

, 8401921 .

725 ,

=0 x x

Universitas Mercu Buana 28 ho = 0,725 (6,690971945 x 10¹³) ^0,25

ho = 0,725 x 2860,041 ho = 2073,53 W/m². ^oC

• Koeffesien pengembunan uap setelah adanya faktor pengotor (ho) Dari tabel 4.2 JP.Holman hal 486 faktor pengotor untuk uap Rf = 0,00009 m². ^oC/W

Tabel 4.2 Faktor pengotor untuk uap

Jenis Fluida Faktor Pengotor

R.ft².F/Btu m².^oC/W

Air laut, dibawah 125 ^oF 0,0005 0,00009

Air laut, diatas 125 ^oF 0,001 0,002

Air umpan ketel yang diolah 0,001 0,002

Minyak Bakar 0,005 0,0009

Minyak celup (quenching oil) 0,004 0,0007

Uap Alkohol 0,0005 0,00009

Uap, tidak mengandung minyak 0,0005 0,00009

Udara industri 0,002 0,0004

Zat cair pendingin (refrigerating) 0,001 0,0002

b k o

h W h

C m

Rf 1 1

/ 00009 ,

0 ² = −

=

C m W W h

C

m _o

k o

. / 53 , 2073

1 / 1

. 00009 ,

0 ² = − ₂

W C C m

m h W

o k o

/ . 00009 , . 0 / 53 , 2073

1

1 2

2 +

=

( )

( )

25 , 12 0

0865536 ,

0

10 791277093 ,

. 5 725 ,

=0 x

Universitas Mercu Buana 29

h_k = ho = 2040,816 W/m².^oC

• Resistansi termal dinding (Rw)

Dari data yang ada untuk d_o = 0,023 m dan untuk d_i = 0,021 Untuk mencari nilai Rw didapat dari :

= 0,016788321 m².^oC/W x ln 1,095238095

= 1,53 x 10^-3 m².^oC/W

• Koefisien perpindahan panas menyeluruh sebelum adanya faktor pengotor (U)

= (1,4x10^-4 m².^oC/W x 1,095) + (1,53x10^-3 W/m^{2 o}C) + (4,8x10^-4 m². ^oC/W) W

C m C

m h W

o o

k

/ . 00009 , 0 . / 0004 ,

1 0 _{2 2}

+

=

W C h m

o k

/ . 00049 ,

1 =0 2

W C

h_k m _o

/ . 00049 , 0

1

= 2

i o o

d d k Rw d .ln

.

=2

m m C

m W

m

o 0,021

023 , ln0 . . / 685 , 0 . 2

023 ,

= 0

k i

o

i Rw h

d d h U

. 1 1

1 = + +

C m W W

C m m

m C

m

W ^o

o

o 2073,53 / .

/ 1 . 10 . 53 , 021 1 , 0

023 , . 0 . / 19 , 7125

1

2 2

3

2 + +

= ⁻

Universitas Mercu Buana 30

U = 462,963 W/m^{2 o}C

• Koefisien perpindahan panas menyeluruh setelah adanya faktor pengotor (U)

= (2x10^-4 m².^oC/W x 1,095) + (1,53x10^-3 m².^oC/W) + (4,9x10^-4 m².^oC/W)

U = 446,628 W/m² . ^oC

o i

o

i Rw h

d d h U

. 1 1

1 = + +

(

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

)

U

o o

o / 1,53 10 . / 4,8 10 . /

. 10 53 ,

1 = 1 _{−4 2} + _{−3 2} + _{−4 2}

(

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

)

U _{o o o}

/ . 10 8 , 4 /

. 10 53 , 1 / . 10 53 , 1

1

2 4 2

3 2

4 − −

− + +

=

W C

U m _o

/ . 00216 , 0

1

= 2

C m W W

C m m

m C

m

W ^o

o

o 2040,816 / .

/ 1 . 10 . 53 , 021 1 , 0

023 , . 0 . / 5000

1

2 2

3

2 + +

= ⁻

(

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

)

U

o o

o / 1,53 10 . / 4,9 10 . /

. 10 19 ,

1 = 2 −4 2 + −3 2 + −4 2

(

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

) (

^{x m C W}

)

U _{o o o}

/ . 10 9 , 4 /

. 10 53 , 1 / . 10 19 , 2

1

2 4 2

3 2

4 − −

− + +

=

W C

U m _o

/ . 002239 ,

0

1

= 2

Universitas Mercu Buana 31

• Luas permukaan perpindahan panas ( A ) Dari data yang ada :

Jumlah pipa (N) = 3840 buah

Diameter luar pipa (d) = 23 mm = 0,023 m Panjang pipa (L) = 6660 mm = 6.66 m Luas permukaan perpindahan panas :

A = N . d . L

A = 3,14 x 3840 x 0,023 m x 6,66 m A = 1846,983 m²

• Beda temperatur rata – rata differensial ( TLMTD )

Diketahui dari data yang ada :

Th_in = 150 ^oC Th_out = 140 ^oC Tc_in = 28 ^oC Tc_out = 35 ^oC

−

−

−

−

= −

=

∆

in out

out in

in out out

in

Tc Th

Tc Ln Th

Tc Th Tc

LMTD Th

Tm ( ) ( )

−

−

−

−

= −

=

∆

in out

out in

in out out

in

Tc Th

Tc Ln Th

Tc Th Tc

LMTD Th

Tm ( ) ( )

−

−

−

−

= −

=

∆

C C

C Ln C

C C

C LMTD C

Tm

o o

o o

o o

o o

28 140

35 150

) 28 140

( ) 35 150

(

Universitas Mercu Buana 32

Tm = LMTD = 117,187 ^oC

- Untuk mencari nilai faktor koreksi didapat dari grafik 4.1 F. Keith hal 558.

dengan cara mencari nilai P (efektivitas termal) dan R (kapasitas perbandingan panas) terlebih dahulu.

> Efektivitas termal (P)

P = 0,057

> Kapasitas perbandingan panas (dalam grafik 4.1 R=Z)

= −

=

∆

C Ln C

C LMTD C

Tm

o o

o o

112 115

) 112 ( ) 115 (

(

^1,026)

)

3 ( Ln LMTD C

Tm= = ^o

∆

0256 , 0

) 3 LMTD ( C

Tm= = ^o

∆

in in

in out

Tc Th

Tc P Tc

−

= −

) 28 150

(

) 28 35

(

C C

C P ^o_oC ^o_o

−

= −

C P ^oC_o

122

= 7

in out

out in

Tc Tc

Th R Th

−

= −

) 28 35

(

) 140 150

(

C C

C R _o^oC _o^o

−

= −

Universitas Mercu Buana 33

R = 1,43

> Faktor koreksi didapatkan dari hubungan nilai P = 0,057 dan nilai R = 1,43 didapatkan nilainya adalah :

F = 0,98

> Beda temperatur differensial ( T_LMTD ) T LMTD = Tm x F

= 117,187 ^oC x 0,98 = 114,843 ^oC

• Perpindahan panas dalam kondensor sebelum adanya faktor pengotor (q) Dari data yang ada :

U = 462,963 W/m^{2 o}C

A =1846,983 m²

T_LMTD = 114,843 ^oC Maka :

q = U x A x T_LMTD

= 462,963 W/m^{2 o}C x 1846,983 m² x 114,843 ^oC = 98200502,61 W

= 98200,50261 kW C

R _o^oC 7

=10

Universitas Mercu Buana 34

• Perpindahan panas dalam kondensor setelah adanya faktor pengotor (q) Dari data yang ada :

U = 446,628 W/m^{2 o}C A = 1846,983 m² T_LMTD = 114,843 ^oC Maka :

q = U x A x T_LMTD

= 446,628 W/m^{2 o}C x 1846,983 m² x 114,843 ^oC

= 94735635,63 W

= 94735,63563 kW

• Efisiensi kerja kondensor

Pada saat temperatur air laut 28 ^oC maka sifat – sifat air yang diperoleh Tabel JP. Holman hal 593 sebagai berikut :

Massa jenis air ( ) = 995,58 kg/m³ Panas jenis air (Cp) = 4,177 kJ/kg ^oC Laju liran air ( Q ) = 8650 m³/jam

= 2,403 m³/s

> Laju aliran massa air (m) m = x Q

= 995,58 kg/m³ x 2,403 m³/s

= 2392,378 kg/s

> Perpindahan panas pada air pendingin (qap) qap = m x Cp x T

Universitas Mercu Buana 35

= 2392,378 kg/s x 4,177 kJ/kg ^oC x (35 – 28) ^o

= 69950,740 kJ/s qap = 69950,740 kW

> Efisiensi kerja kondensor ( )

= 0,7123 x 100 % = 71,23 %

• Aliran yang terjadi pada saat air pendingin keluar ( Re )

Pada saat temperatur air laut 35 ^oC maka sifat–sifat air yang diperoleh dari tabel lampiran JP. Holman hal 593 sebagai berikut :

= 993,95 kg/m³ = 7,2 x 10^-4 kg/m s

dimana :

v = 1,8 m/s d = 0,021 m

maka,

% 100 q x q_ap η =

% 50261 100

, 98200

740 ,

69950 x

=

µ ρ . Re v.d

=

µ ρ . Re v.d

=

Universitas Mercu Buana 36

Re = 52182,375 ( Aliran Turbulen )

• Faktor gesekan (f)

Faktor gesekan (f) adalah suatu fungsi dari bilangan Reynolds dan kekasaran relatif permukaan pipa ( /D), dengan adalah kekasaran absolut, bersatuan meter serta D adalah diameter dalam pipa..(Lampiran Suparman Hara hal 97- 98).

Dimana, pipa = 0,0000015 m (tabel 6-1 lampiran Supraman hara hal 98) D = 0,021 m (diameter dalam pipa)

Jadi di dapat :

/D ₌ 0,0000015 m 0,021 m = 0.00007

maka faktor gesekan dapat dicari dengan grafik bagan Moody pada lampiran Supraman hara hal 99,didapat faktor gesekan (f) sebesar 0,02.

s m kg x

m kg x

m x

s m

. / 10 2 , 7

/ 95 , 993 021

, 0 / 8 ,

Re=1 ₋₄ ³

s m kg x

s m m m kg

. / 10 2 , 7

/ . . / 57131 ,

Re=37 ₋₄ ³

Universitas Mercu Buana 37

• Penurunan tekanan ( P )

Dimana : L = 6,66 m d = 0,021 m v = 1,8 m/s = 993,95 kg/m³ maka,

= 0,02 x 317,143 x 1,62 m²/s² x 993,95 kg/m³

= 10213,267 kg m/m² . s²

= 10213,267 N/m² P = 10213,267 Pa

ρ 2 . . . V²

d f L P=

∆

2 3

/ 95 , 2 993

) / 8 , 1 .( 021 , 0

66 , 02 6 ,

0 m s x kg m

m x m

P=

∆

Universitas Mercu Buana 38 4.2. PEMBAHASAN

Dari hasil perhitungan dan pengolahan data pada kondensor di PT. Krakatau Daya Listrik, telah diuraikan pada sub bab sebelumnya, didapat besarnya perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi q = 98200,50261 kW, sedangkan besarnya perpindahan panas aktual q = 69950,740 kW, maka hasil analisanya sebagai berikut :

1. Semakin besar kecepatan aliran fluida yang terjadi didalam kondensor maka semakin besar pula perpindahan panas yang akan terjadi.

2. Semakin besar luas bidang permukaan perpindahan panas yang digunakan maka semakin besar pula perpindahan panas yang akan terjadi.

3. Semakin besar faktor pengotor yang terjadi pada aliran fluida maka perpindahan panas yang akan terjadi akan semakin kecil.