REKALKULASI DIMENSI HEAT EXCHANGER PADA PULVERIZED-COAL BOILER KAPASITAS 32 MWE BERDASARKAN ANALISIS TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS

(1)

TUGAS AKHIR – TM141585

REKALKULASI DIMENSI HEAT EXCHANGER

PADA PULVERIZED-COAL BOILER

KAPASITAS 32 MWE BERDASARKAN

ANALISIS TERMODINAMIKA DAN

PERPINDAHAN PANAS

ARIF MAULANA AKBAR NRP. 2113106038

Dosen Pembimbing

Dr. Wawan Aries Widodo ST., MT.

JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2016

(2)

FINAL PROJECT - TM141585

RECALCULATION HEAT EXCHANGER

DIMENSIONS IN PULVERIZED-COAL BOILER

32 MWE CAPACITY BASED ON

THERMODYNAMIC AND HEAT TRANSFER

ANALYSIS

ARIF MAULANA AKBAR NRP. 2113106038

Supervisor :

Dr. Wawan Aries W. ST. MT

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT Industrial Technology Faculty

Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2016

(3)

BERI}ASARKAhI ANALISIS TER]VTODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS

TUGAS

AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Bidang Sfudi Konversi Energi Program Studi S-l Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Telarologi Industri Institut Telarologi Sepuluh November

Oleh:

ARIF MAULANA AKBAR

NRP. 2t 13 106 038

2.

Ary Bachtiar KP, ST,

Dr. Barnbang Sudanhffiq ,,..(Penguj i 2) 3,

4.

"o**"*.ii.il.1**.. '.. ' j'

SW

(4)

i

BERDASARKAN ANALISIS TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS

Nama Mahasiswa : Arif Maulana Akbar NRP : 2113 106 038

Jurusan : Teknik Mesin FTI – ITS Dosen Pembimbing : Dr.Wawan Aries W.ST.MT

ABSTRAK

Berdasarkan data statistik ketenagalistrikan 2014, pada

tahun 2013 pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) batubara menyumbang 45 % kebutuhan listrik nasional, sehingga perhatian kepada PLTU batubara dianggap penting. Salah satu komponen penting dari PLTU adalah boiler. Boiler berfungsi untuk menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin yang dikopel dengan generator sehingga dapat menghasilkan listrik. Boiler pada umumnya memliki beberapa komponen utama yaitu dapur pembakaran bahan bakar (furnace) dan water wall tube,

superheater, economizer, dan air preheater seperti yang dimiliki

oleh boiler PT Petrokimia Gresik. Mengamati konstruksi dari boiler PT Petrokimia Gresik yang memiliki tinggi 28 m dengan panjang dan lebar masing-masing sebesar 7 m untuk menghasilkan energi listrik sebesar 32 MWe, menjadi perhatian

awal dalam penelitian ini. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari proses kalkulasi dan analisis untuk mengetahui kebutuhan luas area perpindahan panas dari tiap komponen heat

exchanger serta dimensi dari ruang bakar sehingga bisa diketahui

kebutuhan dari dimensi boiler secara keseluruhan.

Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu analisis berdasarkan termodinamika dan perpindahan panas mengacu pada kondisi existing pada boiler PT Petrokimia Gresik. Tahap awal dari metode ini adalah menentukan panas diserap

(5)

oleh tiap komponen boiler. Setelah itu dilakukan perhitungan

losses berdasarkan ASME PTC 4-1, dimana outputnya berupa air fuel ratio dan losses boiler. Selanjutnya menghitung temperatur

fluida melewati masing-masing heat exchanger. Setelah dilakukan perhitungan temperatur fluida pada sisi external dan

internal tube, bisa dilakukan perhitungan heat transfer coefficient

untuk mendapatkan luas area perpindahan panas dari tiap-tiap

heat exchanger antara lain, superheater, economizer, air preheater, dan waterwall tube.

Hasil yang diperoleh dari proses rekalkulasi ini antara lain persentase besar panas yang diserap oleh tiap heat exchanger mulai dari platen superheater sebesar 5,36 %, superheater class 2 sebesar 8,9 %, superheater class 1 sebesar 10,7 %, high pressure

economizer sebesar 8,53 %, top air preheater sebesar 6,67 %, low pressure economizer sebesar 2,35 %, middle air preheater sebesar

2,76 %, bottom air preheater sebesar 2,94 %, waterwall tube sebesar 51,78 %. Dari hasil perhitungan, panjang dan lebar

furnace didapat sebesar 6,9 m dan tinggi furnace sebesar 28,9 m.

Perhitungan luas area perpindahan panas dari masing-masing heat

exchanger yaitu Platen Superheater sebesar 251,84 m2_,

Superheater Class 2 sebesar 609,66 m2_{, Superheater Class 1}

sebesar 873,17 m2_{, High Pressure Economizer sebesar 831,27 m}2_.

Top Air Preheater sebesar 1646,85 m2_{, Low Pressure Economizer}

sebesar 1082,93 m2_{, Middle Air Preheater sebesar 710,78 m}2_,

Bottom Air Preheater sebesar 689,8 m2_{, Waterwall Tube sebesar}

1633,09 m2_{. Berdasarkan hasil perbandingan dengan kondisi}

existing luas area tube boiler PT petrokimia, nilai ketidaksesuaian

terhadap existing terbesar yaitu pada perhitungan komponen top

air preheater sebesar 68,81 % dimana hasil perhitungan pada

komponen tersebut lebih kecil daripada kondisi existing. Nilai ketidaksesuaian paling kecil yaitu pada perhitungan superheater

class 2 yaitu sebesar 4,26 %.

Kata Kunci : pulverized-coal boiler, rekalkulasi boiler, heat

(6)

iii

BASED ON THERMODYNAMIC AND HEAT TRANSFER ANALYSIS

Student Name : Arif Maulana Akbar NRP : 2113 106 038

Major : Mechanical Engineering FTI - ITS Supervisior : Dr.Wawan Aries W.ST.MT

ABSTRACT

Based on statistical data of electricity in 2014, in 2013 coal-fired power plant accounted for 45% of national demand, thus attention to the coal-fired power plant is considered important. One important component of the plant is a boiler. Boiler is used to generate steam to drive a turbine coupled with a generator that can produce electricity. Boiler generally possess some of the main components like furnace and the water wall tubes, superheater, economizer and air preheater as owned by the boiler PT. Petrokimia Gresik (PKG). Observing the construction of the boiler PT PKG which has a 28 m high with length and width of each of 7 m to generate 32 MW electricity (MWe), as a concern in this research. The purpose of this research is to study the process of calculation and analysis to determine the area of heat transfer needed of each component of the heat exchanger and furnace dimensions so they can know the needs of the overall dimensions of the boiler.

The method used in this research is the analysis based on thermodynamics and heat transfer refers to the existing condition of the boiler PT PKG. The initial step of this method is to determine the heat absorbed by each component of the boiler. Then calculation of losses based on ASME PTC 4-1, where the output is air fuel ratio and boiler losses. Next calculate the temperature of the fluid passing through each heat exchanger.

(7)

After calculating the fluid temperature in the external and internal side of the tube, can be calculated overall heat transfer coefficient to obtain the heat transfer area of each heat exchanger, among others superheater, economizer, air preheater, and waterwall tube.

The results of this recalculation process, among others a percentage of the heat absorbed by each heat exchanger from platen superheater amounted to 5.36%, superheater class 2 is 8.9%, superheater class 1 of 10.7%, high pressure economizer for 8.53%, top air preheater at 6.67%, a low pressure economizer of 2.35%, middle air preheater by 2.76%, bottom water preheater at 2.94%, and waterwall tube amounted to 51.78%. From the calculation, the length and width of furnace is 6.9 m and furnace height is 28.9 m. Calculation of heat transfer area of each heat exchanger which amounted to 251.84 m2_{platen superheater,}

superheater Class 2 amounted to 609.66 m2_{, superheater Class 1}

of 873.17 m2_{, high pressure economizer of 831.27 m}2_{, top air}

preheater of 1646.85 m2_{, low pressure economizer of 1082.93 m}2_,

middle air preheater of 710.78 m2_{, bottom air preheater of 689.8}

m2_{, and waterwall tube 1633,09 m}2_{. Based on the results of the}

comparison with the existing condition of the area of the boiler tube PT PKG, the most discrepancy with existing is 68.81% in calculation of the top air preheater, where the results of the calculation of this component is smaller than the existing condition. The smallest discrepancy is 4.26% in calculation of the superheater class 2.

Key word : pulverized-coal boiler, boiler recalculation, heat exchanger, furnace dimensions

(8)

v

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam yang selalu memberi kasih sayang tiada tara pada penulis hingga mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas dari bantuan dan dorongan dari berbagai pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih dan penghargaan setinggi-tingginya kepada : 1. Kedua orang tua penulis, bapak Achmad Budiman dan ibu

Sumiyartini yang senantiasa memberi dukungan baik secara materi maupun moril sehingga penulis dapat menyelesaikan perkuliahan di ITS dan tugas akhir ini.

2. Dr. Wawan Aries Widodo, ST, MT., selaku dosen pembimbing yang telah dengan sangat sabar membimbing penulis dan memberikan waktunya hingga terselesaikannya Tugas Akhir ini.

3. Ary Bachtiar KP, ST, MT, PhD., Bambang Arip, ST, M.Eng, PhD., dan Dr. Bambang Sudarmanta, ST, MT selaku dosen penguji yang memberi banyak arahan dan masukan serta kritikan yang sangat membangun.

4. Prof. Dr. Ir. Triyogi Yuwono, DEA., selaku dosen wali yang senantiasa memberi arahan selama pengambilan mata kuliah. 5. Ir Bambang Pramujati MSc, PhD., selaku Ketua Jurusan

Teknik Mesin FTI – ITS.

6. Bapak Fuguh, ST., dan PT. Petrokimia yang telah membantu penulis dalam pengambilan data

7. Keluarga Jakarta Team yaitu Muh. Irvan Yusup, Antonius Danny, Ade Iskandar, Akbar Adrieq, Saifudin Nur, Muchamad Faiz, dan Kamal Fontana yang senantiasa berbagi suka duka selama hidup di Surabaya.

8. Eza Anansa selaku teman diskusi, Syukron Masruri selaku partner bimbingan, Cheridolang, Sinta Khalida, Galih Setyo dan Mirza Hamdhani, selaku teman-teman terbaik

(9)

vi

9. Teman-teman LJ genap '13 atas bantuannya selama 2 tahun masa studi kepada penulis.

10. Sri Sumarsi yang senantiasa memberi dukungan secara moril dan mendoakan penulis

11. Serta semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah memberikan do’a, bantuan, dan dukungannya bagi penulis hingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik dan tepat waktu.

Kekurangan atau kesalahan tentu masih ada, namun bukan suatu yang disengaja, hal tersebut semata-mata disebabkan karena kekhilafan dan keterbatasan pengetahuan yang dimiliki. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan Tugas Akhir ini.

Akhir kata, semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pembaca dan mahasiswa, khususnya mahasiswa S1 Teknik Mesin FTI-ITS.

Wassalam.

Surabaya, Januari 2016

(10)

vii

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK i ABSTRACT iii KATA PENGANTAR v

DAFTAR ISI vii

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR TABEL xiii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang Masalah 1

1.2 Perumusan Masalah 2

1.3 Tujuan Penelitian 2

1.4 Batasan Masalah 2

1.5 Manfaat Hasil Penelitian 3

BAB II DASAR TEORI 4

2.1 Dasar Teori 5

2.1.1 Furnace 5

2.1.2 Water wall tube 5

2.1.3 Superheater 5

2.1.4 Air Pre-Heater 6

2.1.5 Economizer 6

2.2 Teori Pembakaran Tangentially-Fired Pada Pulverized

Coal Boiler 6

2.3 Perhitungan Efisiensi Boiler ASME PTC 4.1 7

2.3.1 Direct Method 7

2.3.2 Indirect Method 8

2.4 Persamaan Energi 12

2.4.1 Energi yang harus dihasilkan boiler 12 2.4.2 Kesetimbangan Energi Boiler 13

2.4.3 Persamaan Termodinamika 15

2.5 Perpindahan Panas 15

2.5.1 Konveksi 15

(11)

viii

2.5.3 Tahanan Termal Pada Dinding Silinder 18 2.5.4 Koefisien Overall Heat Transfer 19

2.5.5 External Flow 20

2.5.6 Internal Flow 21

2.5.7 Metode LMTD untuk analisa perpindahan panas 22 2.5.8 Perhitungan Heat Transfer Coefficient Water Wall

Tube 24

2.6 Grafik Pendukung 27

2.6.1 Grafik Pengaruh Heat Release Rate Terhadap

Temperature Gas Keluar Furnace 27

2.6.2 Grafik Pengaruh Heat Flux terhadap Tinggi furnace 28

2.7 Rekomendasi Desain 30

BAB III METODE PENELITIAN 35

3.1 Flowchart Rekalkulasi 39

3.2 Data Bahan Bakar dan Parameter Desain 40 3.2.1 Data dan Parameter Untuk Perhitungan Efisiensi

Indirect Method 40

3.2.2 Data Temperatur Flue Gas Masuk dan Keluar Heat

Exchanger 41

3.3 Proses Rekalkulasi 42

3.3.1 Perhitungan Laju massa bahan bakar (ṁf) 42

3.3.2 Perhitungan Laju massa udara (ṁair) 43

3.3.3 Perhitungan Laju massa flue gas (ṁflue gas) 43 3.3.4 Perhitungan Panas Diserap Superheater, Economizer

dan Air Preheater 43

3.3.5 Hitung Temperatur Uap, Air, dan Udara yang

melewati Heat Exchanger 45

3.3.6 Hitung Geometri Furnace 46

3.3.7 Hitung Area Perpindahan Panas Platen Superheater 46 3.3.8 Hitung Area Perpindahan Panas Superheater Class 2

47 3.3.9 Hitung Area Perpindahan Panas Superheater Class 1

(12)

ix

3.3.10 Hitung Area Perpindahan Panas High Pressure

Economizer 48

3.3.11 Hitung Area Perpindahan Panas Top Air Heater 48 3.3.12 Hitung Area Perpindahan Panas Low Pressure

Economizer 49

3.3.13 Hitung Area Perpindahan Panas Middle Air Heater 49 3.3.14 Hitung Area Perpindahan Panas Low Air Heater 50 3.3.15 Hitung Area Water Wall Tube 50 3.3.16 Hitung Luas Area Perpindahan Panas Kondisi Existing

51

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 53

4.1 Data Perhitungan 53

4.1.1 Data Heat Balance Untuk Estimasi Efisiensi Siklus 53 4.1.2 Data awal untuk Perhitungan Indirect Method 55 4.1.3 Data Distribusi Temperatur Flue Gas 56

4.2 Perhitungan dan Analisis 57

4.2.1 Perhitungan efisiensi dengan Direct Method 58 4.2.2 Perhitungan heat loss dengan Indirect Method 58

4.2.3 Analisis Termodinamika 63

4.2.4 Menghitung Temperatur Air dan Udara Pada Heat

Exchanger 70

4.2.5 Perhitungan Dimensi Furnace 77 4.2.6 Perhitungan Luas Area Perpindahan Panas 80

4.3 Pembahasan Hasil Perhitungan 104

4.3.1 Efisiensi Boiler 104

4.3.2 Panas Diserap Komponen Heat Exchanger 105 4.3.3 Profil Temperatur Flue Gas, Uap, Air, Udara Tiap

Komponen Boiler 106

4.3.4 Luas Area Perpindahan Panas 107

BAB V KESIMPULAN 111

5.1 Kesimpulan 111

5.2 Saran 112

(13)

x

(14)

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Boiler PT Petrokimia Gresik Andi, (2012) 1

Gambar 2.1 Tangentially-Fired 7

Gambar 2.2 Heat loss yang terjadi pada boiler 8 Gambar 2.3. Siklus PLTU sederhana (Moran&Shapiro, 2006) 12 Gambar 2.4. Desain Existing komponen alat penukar kalor pada

Boiler PT Petrokimia Gresik 14

Gambar 2.5. Basic radiation heat transfer coefficient 17 Gambar 2.6. Tahanan termal pada silinder 18 Gambar 2.7. Skema tube bank pada cross flow (a) aligned (b)

staggered (Incropera, 2011) 20

Gambar 2.8. LMTD correction factor untuk aliran crossflow

dimana kedua fluida tidak bercampur 24

Gambar 2.9. Grafik boiling untuk air pada 1 atm: Surface Heat

flux adalah fungsi dari excess temperature 25

Gambar 2.10. Pengaruh Heat release rate terhadap temperatur gas

keluar furnace 28

Gambar 2.11. Pengaruh Heat flux terhadap tinggi furnace 29 Gambar 2.12. Skema dari oil, gas, atau pulverized coal fired

furnace [4] 30

Gambar 2.13. Pengaruh kualitas batu bara terhadap geometri

furnace [4] 32

Gambar 2.14. Rekomendasi heat absorbed pada tiap komponen

boiler [7] 33

Gambar 2.15. Rekomendasi heat absorbed pulverized coal boiler

[9] 34

Gambar 3.1. Flowchart Rekalkulasi 39

Gambar 3.2. Skema aliran flue gas melewati area Heat Exchanger 42 Gambar 3.3. Desain Boiler Existing PT Petrokimia 44 Gambar 4.1. Desain boiler 150 ton/jam steam 57

Gambar 4.2. Heat Balance pada boiler 68

Gambar 4.3. Skema aliran steam 71

(15)

xii

Gambar 4.5. Skema aliran udara melewati heat exchanger 75 Gambar 4.6. LMTD untuk proses boiling [6] 99 Gambar 4.7. Grafik persentase panas yang diserap oleh tiap komponen boiler berdasarkan klasifikasi tipe heat exchanger 105 Gambar 4.8. Profil temperatur fluida yang melewati heat

(16)

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Nilai Gs,f untuk kombinasi surface-fluid 27 Tabel 2.2. Batas bawah untuk nilai Hfu 31

Tabel 2.3. Nilai minimum kedalaman furnace (b) 31

Tabel 3.1. Data untuk perhitungan 40

Tabel 4.1 Data Heat Balance PT Petrokimia Gresik 53 Tabel 4.2. Data Desain boiler PT Petrokimia Gresik 55 Tabel 4.3. Distribusi temperatur flue gas 56 Tabel 4.4. Data flue gas melewati Platen Superheater 63 Tabel 4.5. Data flue gas melewati Superheater Class 2 64 Tabel 4.6. Data flue gas melewati Superheater Class 1 65 Tabel 4.7. Data flue gas melewati high pressureeconomizer 65 Tabel 4.8. Data flue gas melewati top air preheater 66 Tabel 4.9. Data flue gas melewati low pressure economizer 66 Tabel 4.10. Data flue gas melewati middle air preheater 67 Tabel 4.11. Data flue gas melewati bottom air preheater 67 Tabel 4.12. Besar panas yang diserap masing-masing heat

exchanger 70

Tabel 4.13. Data Perhitungan Temperatur Steam 71 Tabel 4.14. Data Perhitungan Temperatur Air 74 Tabel 4.15. Data Perhitungan Temperatur Udara 76 Tabel 4.16. Analisis temperatur fluida pada sisi dalam tube heat

exchanger 77

Tabel 4.17. Data perhitungan dimensi furnace 78 Tabel 4.18. Data perhitungan Platen Superheater 80 Tabel 4.19. Data Superheater Class 2 84 Tabel 4.20. Data hasil perhitungan Superheater Class 2 86 Tabel 4.21. Data Superheater Class 1 88 Tabel 4.22. Data hasil perhitungan Superheater Class 1 88 Tabel 4.23. Data High Pressure Economizer 89 Tabel 4.24. Data hasil perhitungan High Pressure Economizer 90

Tabel 4.25. Data Top Air Heater 91

Tabel 4.26. Data hasil perhitungan Top Air Heater 92 Tabel 4.27. Data Low Pressure Economizer 93

(17)

xiv

Tabel 4.28. Data hasil perhitungan Low Pressure Economizer 93

Tabel 4.29. Data Middle Air Heater 95

Tabel 4.30. Data hasil perhitungan Middle Air Heater 95

Tabel 4.31. Data Bottom Air Heater 97

Tabel 4.32. Data hasil perhitungan Bottom Air Heater 97 Tabel 4.33. Data perhitungan Waterwall tube 98 Tabel 4.34. Perbandingan hasil perhitungan efisiensi boiler Direct

dan Indirect Method 104

Tabel 4.35. Luas area tube pada kondisi existing boiler PT

Petrokimia Gresik 108

Tabel 4.36. Perbandingan luas area tube hasil perhitungan dan kondisi existing pada heat exchanger boiler PT Petrokimia Gresik

(18)

1

1.1 Latar Belakang Masalah

Berdasarkan data statistik ketenagalistrikan 2014, pada tahun 2013 pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) batubara menyumbang 45 % kebutuhan listrik nasional, sehingga perhatian kepada PLTU batubara dianggap penting. Untuk menghasilkan energi listrik, PLTU terdiri dari beberapa peralatan yang saling berkaitan, salah satu komponen utamanya yaitu boiler.

Boiler merupakan sebuah peralatan yang digunakan untuk menghasilkan uap, dengan proses memanaskan air dan mengubah air tersebut menjadi uap jenuh, uap jenuh digunakan untuk menggerakkan turbin yang dikopel dengan generator, sehingga menghasilkan tenaga listrik. Boiler pada umumnya memliki beberapa komponen utama yaitu dapur pembakaran bahan bakar (furnace) dan water wall tube, superheater, economizer, dan air

preheater seperti yang dimiliki oleh boiler PT Petrokimia Gresik.

PT Petrokimia Gresik merupakan suatu perusahaan produsen pupuk nasional yang terletak di Gresik, Jawa Timur yang memiliki PLTU dengan boiler tipe tangentially fired

pulverized-coal seperti pada gambar 1.1. Boiler milik PT Petrokimia Gresik

memiliki tinggi 28 m dengan panjang dan lebar masing-masing sebesar 7 m untuk menghasilkan energi listrik sebesar 32 MW.

(19)

Pulverized coal boiler merupakan salah satu tipe boiler yang

menghasilkan energi termal dengan membakar bubuk batubara yang ditiupkan ke ruang bakar (furnace). Ide dasar dari sistem dengan bakan bakar bubuk ini adalah untuk menggunakan keseluruhan volume dari ruang bakar untuk membakar partikel solid dari batu bara.

Dalam proses awal engineering untuk mengetahui kebutuhan dimensi dari suatu boiler, diperlukan proses kalkulasi dan analisis. Beberapa text book yang memberikan referensi untuk kalkulasi dan analisis geometri suatu boiler antara lain Boilers and Burners

- Design and Theory, kemudian Boilers for Power and Process, dan Steam: Its Generation and Use.

1.2 Perumusan Masalah

Dimensi dari boiler secara keseluruhan dipengaruhi oleh kebutuhan dimensi ruang bakar dan jajaran heat exchanger yang terdapat di dalamnya. Proses kalkulasi dan analisis untuk mengetahui luas area perpindahan panas dari tiap komponen heat

exchanger serta dimensi dari ruang bakar penting untuk dipelajari

sehingga bisa diketahui kebutuhan dari dimensi boiler secara keseluruhan..

1.3 Tujuan Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah di atas, maka tujuan penelitian ini adalah: Mempelajari alur kalkulasi luasan area perpindahan panas dan perhitungan dimensi furnace boiler PT. Petrokimia Gresik untuk mendapatkan dimensi furnace, serta luasan.

1. Membandingkan hasil kalkulasi dengan kondisi existing desain Proyek Konversi Energi Boiler Batu bara (KEBB) PT. Petrokimia Gresik

1.4 Batasan Masalah

Beberapa batasan yang digunakan dalam penelitian ini adalah:.

(20)

1. Pendekatan empiris berdasarkan kondisi existing boiler PLTU PT. Petrokimia Gresik

2. Formulasi yang dihasilkan hanya untuk perancangan luas area furnace, water-wall tube dan superheater, economizer dan air preheater

3. Laju masa air masuk = laju masa uap 4. Kalkulasi tidak melibatkan desain burner

5. Analisis hanya dengan termodinamika dan perpindahan panas, tanpa melibatkan perhitungan stress analysis

6. Tidak melibatkan perhitungan isolasi pada dinding furnace 7. Bahan bakar boiler yaitu batu bara

8. Tube heat exchanger diasumsikan smooth sehingga kekasaran material tube tidak diperhitungkan untuk perhitungan Reynolds number

1.3 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian yang dilakukan adalah

1. Menghasilkan langkah-langkah perhitungan untuk mempermudah alur kalkulasi perhitungan kebutuhan luas perpindahan panas komponen-komponen boiler

2. Sebagai referensi bagi mahasiswa atau engineer untuk melakukan pendekatan teoritis dalam desain permulaan suatu boiler

(21)

(22)

5

2.1. Dasar Teori

Boiler adalah suatu bejana tertutup yang mampu mengubah air menjadi steam dengan bantuan panas dari proses pembakaran batubara. Boiler secara efisien dapat mengubah air menjadi steam yang sangat panas dalam volume yang besar.

Steam tersebut akan digunakan untuk menggerakkan turbin yang

dikopel dengan generator. Generator adalah alat untuk membangkitkan listrik. Di dalam boiler terdapat beberapa komponen utama yaitu:

2.1.1 Furnace

Furnace atau ruang bakar merupakan suatu ruangan

tempat terjadinya pembakaran serbuk batu bara. Pada ruangan inilah sumber panas boiler dihasilkan. Pada ruangan ini juga terjadi proses evaporasi yaitu berubahnya air menjadi uap. Pembakaran di dalam furnace ini nantinya akan menghasilkan gas yang sangat panas yang biasa disebut sebagai flue gas yang dialirkan ke jajaran heat exchanger untuk meningkatkan temperatur fluida yang mengalir.

2.1.2 Water wall tube

Bagian ini biasa disebut sebagai evaporator. Water-wall

tube merupakan pipa-pipa yang menempel pada dinding furnace

yang berfungsi sebagai pipa penguap air. Pada water-wall tube, air berubah fasa dari air menjadi uap.

2.1.3 Superheater

Superheater merupakan jajaran pipa boiler yang terletak di

daerah aliran gas panas hasil pembakaran. Panas dari gas ini dipindahkan ke saturated steam yang ada dalam tube superheater, sehingga berubah menjadi superheated steam.

(23)

Superheater ini ada dua bagian, yaitu Primary Superheater

dan Secondary Superheater. Primary Superheater merupakan pemanas pertama yang dilewati oleh Saturated Steam setelah keluar dari Steam drum, setelah itu baru melewati Platen

Superheater kemudian menuju Secondary Superheater dan

menjadi Superheated Steam. Superheated Steam akan dialirkan untuk memutar Turbin, tekanan dan temperaturnya akan turun.

2.1.4 Air Pre-Heater

Air pre-heater adalah bagian yang berfungsi untuk

memanasi udara pembakaran sebelum dikirim ke furnace. Pemanas udara pembakaran tersebut diambil dari gas buang hasil pembakaran dari furnace yang dialirkan melalui air pre-heater.

2.1.5 Economizer

Economizer merupakan jajaran tube yang berfungsi untuk

meningkatkan temperatur air (pemanasan awal) sebelum masuk ke boiler untuk selanjutnya dialirkan ke steam drum, komponen ini berada dalam boiler yang terdiri dari rangkaian tube yang menerima air dari inlet.

Sumber panas yang diperlukan oleh alat tersebut berasal dari gas buang dalam boiler. Air mengalir dalam pipa–pipa, sementara diluar mengalir gas panas yang berasal dari hasil pembakaran boiler. Selanjutnya steam panas tersebut dimanfaatkan untuk memanaskan air sehingga temperaturnya meningkat.

2.2 Teori Dasar Pembakaran

Pulverized Coal merupakan serbuk batubara dengan

dimensi partikel mencapai ukuran mikron yang menjadi bahan bakar dari boiler. Adapun tipe pembakaran yang digunakan oleh boiler PT. Petrokimia Gresik yaitu tipe Tangentially-Fired.

Tangentially-Fired adalah suatu bentuk proses pembakaran dalam

boiler dengan pemasukan bahan bakar dan udara yang membentuk poligon dengan empat, enam, delapan atau lebih

(24)

sudut yang akan membentuk lingkaran bola api, seperti ditunjukkan pada gambar 2.1 [2]. Lingkaran bola api di tengah

furnace tersebut akan membuat suatu aliran vortek motion yang

akan bergerak ke atas. Bentuk ini banyak dipakai dalam power

plant karena memiliki beberapa keuntungan antara lain :

1. Poses percampuran bahan bakar dengan udara yang lebih merata sehingga distribusi temperatur akan lebih merata. 2. Heat flux yang merata di dinding furnance, sehingga akan

mengurangi kegagalan akibat thermal stress.

3. Vortex motion dari tengah furnance dapat mengurangi erosi dan overheating.

4. NOx yang dihasilkan tangentially-fire furnace lebih kecil dari pada dengan firing type.

5. Aliran udara dan bahan bakar dapat bergerak ke atas dan ke bawah, sehingga panasnya dapat diserap dengan baik oleh dinding furnace dan dapat mengontrol superheater

temperature.

a) b) c)

Gambar 2.1 Tangentially-Fired

a) Square Corners, b) Regular Duedecahedren, c) Regular Octahedren

2.3 Perhitungan Efisiensi Boiler ASME PTC 4.1 2.3.1 Direct Method

Analisis Direct Method didasarkan pada steam yang dihasilkan berbanding terhadap energi input.

𝐵𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 (%) = 𝐻𝑒𝑎𝑡 𝑂𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡

(25)

𝐵𝑜𝑖𝑙𝑒𝑟 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 (%)

= ṁ𝑠 (𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝ℎ𝑖 − 𝑓𝑒𝑒𝑑𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝ℎ𝑖)

ṁ𝑓𝑢𝑒𝑙𝑥𝐺𝐶𝑉 𝑥100 (2.2)

2.3.2 Indirect Method

Indirect Method adalah suatu metode untuk menghitung

effisiensi boiler dengan cara mengestimasi semua losses sewaktu proses yang terjadi. Metode ini dapat mengatasi kekurangan dari perhitungan efisiensi secara direct method, dengan menghitung berbagai macam heat loss yang terjadi seperti pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Heat loss yang terjadi pada boiler

Efisiensi boiler dengan indirect method: 100 - (L1+L2+L3+L4+L5+L6+L7+L8)

Dimana,

L1 : Loss due to dry flue gas

L2 : Loss due to hydrogen in fuel (H2)

(26)

L4 : Loss due to moisture in air L5 : Loss due to carbon monoxide

L6 : Loss due to surface radiation, convection and other unaccounted

L7 : Unburnt losses in fly ash ( carbon) L8 : Unburnt losses in bottom ash (carbon)

Untuk melakukan perhitungan secara indirect method harus melakukan perhitungan terlebih dahulu dengan stoichiometric air fuel ratio dan excess air.

1. Kondisi teori udara yang dibutuhkan untuk pembakaran( kg/kg of coal) 𝑇ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟 (𝑡) = (11.6𝑥𝐶) + {34.8𝑥(𝐻2− 𝑂2⁄8)} + (4.35𝑥𝑆)] 100 (2.3) 2. Kondisi teori CO2 𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 𝑖𝑛 𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟 = 𝑇ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟 (𝑡) 𝑥 77 100 (2.4) 𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 𝑖𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑙 = 𝑁2 100 (2.5) 𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑜𝑓 𝑁2 = 𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 𝑖𝑛 𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟 𝑀𝑜𝑙 𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 +𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 𝑖𝑛 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑀𝑜𝑙 𝑊𝑡 𝑜𝑓 𝑁2 (2.6) Dimana, Mol Wt of N2 = 28 𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑜𝑓 𝐶 = 𝐶 100 𝑥 𝑀𝑜𝑙 𝑤𝑡 𝑜𝑓 𝐶 (2.7) Dimana, Mol Wt of C = 12 (𝐶𝑂2)𝑡 = 𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑜𝑓 𝐶 𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑜𝑓 𝑁2+ 𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑜𝑓 𝐶 (2.8) 3. Excess air supplied (dari analisis flue gas)

(27)

𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 𝑎𝑖𝑟 = 𝑂2% 21 − 𝑂2% 𝑥100 (2.9) Dari pengukuran CO2 𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 𝑎𝑖𝑟 =7900𝑥[(𝐶𝑂2%)𝑡− (𝐶𝑂2%)𝑎 (𝐶𝑂2%)𝑎𝑥[100 − (𝐶𝑂2%)𝑡] (2.10)

4. Actual mass of air supplied (AAS)

𝐴𝐴𝑆 = {1 + 𝐸𝐴 100} 𝑥 𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟⁄ (2.11)

ṁair = AAS x ṁfuel (2.12)

Dimana :

ṁair = laju massa udara (kg/s)

5. Actual mass of dry flue gas (kg / kg of coal) = ( 𝐶 100𝑥 44 12) + ( 𝑁2 100) + (𝐴𝐴𝑆 𝑥 77 100) + ((𝐴𝐴𝑆 − 𝑇ℎ𝑒𝑜𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑟 (𝑡))𝑥 23/100) (2.13) ṁfg = Actual mass of dry flue gas x ṁfuel (2.14)

Dimana,

ṁfg = laju massa flue gas (kg/s)

Dibawah ini adalah rumus yang digunakan untuk menghitung berbagai macam losses yang terjadi.

1. Heat loss due to dry flue gas (%)

𝐿1 ∶ 𝑚 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥100 (2.15) Dimana :

m = massa dari dry flue gas per massa bahan bakar (kg/kg coal)

Cp = Specific heat of flue gas (kCal/kgC) Tf = Temperatur flue gas (C)

Ta = Temperatur ambient (C)

GCV = Nilai kalor batu bara (kCal/kg)

2. Heat loss due to evaporation of water formed due to H2 in

(28)

𝐿2 ∶ 9 𝑥 𝐻2 𝑥 { 584 + 𝐶𝑝𝑠 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)}

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 100 (2.16) Dimana :

H2 = kg of hydrogen present in fuel on 1 kg basis

Cps = Specific Heat of superheated steam (kCal/kg) 584 = Latent heat corresponding to partial pressure

of water vapour

3. Heat loss due to moisture present in fuel (%)

𝐿3 ∶ 𝑀 𝑥 { 584 + 𝐶𝑝𝑠 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎)}

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 100 (2.17) Dimana :

M = kg moisture in fuel on 1 kg basis 4. Heat loss due to moisture present in air (%)

𝐿4 ∶ 𝐴𝐴𝑆 𝑥 ℎ𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡𝑦 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑥 𝐶𝑝𝑎 𝑥 (𝑇𝑓− 𝑇𝑎) 𝑥 100

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 (2.18) Dimana :

Cpa = Specific Heat of air (kCal/kg)

5. Heat loss due to incomplete combustion (%)

𝐿5 ∶ %𝐶𝑂 𝑥 𝐶 %𝐶𝑂 + %𝐶𝑂2

𝑥 5744

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙𝑥 100 (2.19)

6. Heat loss due to radiation and convection (%) Heat loss radiation (Rd)

Untuk menghitung heat loss radiation dilakukan dengan mengetahui daya yang dihasilkan dari generator maka dapat dihitung besar heat loss radiasi

Heat loss radiation (Rd)

(29)

Heat loss convection (Cv)

𝐶𝑣 = 1,957 𝑥 (𝑇𝑠− 𝑇𝑎)1,25 𝑥 √[(196,85𝑉𝑚+ 68,9)/68,9] (2.21)

Heat loss due to radiation and convection (%)

𝐿6 = 𝑅𝑑 + 𝐶𝑣 Dimana :

Ts = Temperatur surface (C)

7. Heat loss due to unburnt in fly ash (%)

𝐿7

=𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑠ℎ 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡𝑒𝑑 𝑘𝑔 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑙𝑦 𝑎𝑠ℎ 𝑥 100⁄

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 (2.22)

8. Heat loss due to unburnt in bottom ash (%)

𝐿8

=𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑠ℎ 𝑐𝑜𝑙𝑙𝑒𝑐𝑡𝑒𝑑 𝑝𝑒𝑟 𝑘𝑔 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 𝐺𝐶𝑉 𝑏𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚 𝑎𝑠ℎ 𝑥100

𝐺𝐶𝑉 𝑜𝑓 𝑓𝑢𝑒𝑙 (2.23)

2.4 Persamaan Energi

2.4.1 Energi yang harus dihasilkan boiler

(30)

Pada gambar 2.3 merupakan siklus Rankine sederhana dimana terdapat komponen boiler. Berdasarkan siklus di atas, maka dibuat persamaan sebagai berikut

MWth(useful) = MWe ηcycle (2.24) Qboiler(100%) = MWth ηb (2.25) Qboiler(100%) = ṁ𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 𝐺𝐶𝑉𝑐𝑜𝑎𝑙 (2.26) Dimana :

MWe = daya output yang dihasilkan generator (MW)

MWth = energi useful boiler (MW)

Qboiler = 100 % energi input boiler (MW)

𝜂cycle = efisiensi siklus pembangkit

𝜂b = efisiensi boiler

ṁfuel = laju massa bahan bakar (kg/s)

GCVcoal = nilai kalor batu bara (kJ/kg)

2.4.2 Kesetimbangan Energi Boiler

Kesetimbangan energi pada boiler dibangun berdasarkan analisis dari existing boiler pada PT Petrokimia Gresik pada gambar 2.4

Qboiler = qwater wall tube + (qplatensuperheater + qSH2 + qSH1 + qHPeconomizer

+ qtop air heater + qLP economizer + qmiddle air heater + qbottom air pre-heater)+

losses (2.27) atau

Qboiler = (ṁsteam x hfg) + (ṁflue gas x Cp x (T1-T9))+ losses (2.28)

Dimana :

qwater wall tube = panas latent terjadi pada water wall tube (MW)

qsuperheater = Energi yang terjadi pada superheater (MW)

qeconomizer = Energi yang terjadi pada economizer (MW)

(31)

Cp = Heat specific flue gas (kJ/kg C) – ASME PTC 4-1

Gambar 2.4. Desain Existing komponen alat penukar kalor pada Boiler PT Petrokimia Gresik

Dimana:

FEGT = Furnace Exit Gas Temperature (C) T1 sampai T9 = Temperatur flue gas (C)

(32)

2.4.3 Persamaan Termodinamika

Persamaan termodinamika yang dapat kita gunakan untuk perhitungan energi pada superheater dan economizer adalah sebagai berikut

Q = ṁs Cp (T2 – T1) atau Q = ṁs x (h2 - h1) (2.29)

Dimana :

ṁs = laju massa air atau uap (kg/s)

Cp = kalor spesifik pada tekanan konstan (kJ/kg K) h2 = Entalphi air atau uap yang keluar (kJ/kg)

h1 = Entalphi air atau uap yang masuk (kJ/kg)

2.5 Perpindahan Panas

Perpindahan panas akan terjadi jika ada perbedaan temperatur. Perpindahan panas dapat terjadi dengan tiga cara yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada komponen boiler, perpindahan panas yang akan dianalisis yaitu perpindahan panas yang terjadi secara konveksi, yaitu yang terjadi pada jajaran heat exchanger, dan radiasi yaitu yang terjadi pada water wall tube.

2.5.1 Konveksi

Konveksi merupakan perpindahan panas yang terjadi dengan disertai perpindahan partikel zat atau fluidanya. Konveksi yang terjadi pada bagian superheater dan economizer yaitu perpindahan panas antara fluida panas yaitu flue gas dan fluida yang lebih rendah temperaturnya yaitu air pada economizer dan steam pada superheater. Panas yang dipindahkan secara konveksi dapat dihitung dengan persamaan,

q = h x A x (T2 – T1) (2.30)

Dimana :

h = koefisien konveksi (W/m2_K)

T2 = Temperatur fluida yang lebih tinggi (K)

T1 = Temperatur fluida yang lebih rendah (K)

(33)

2.5.2 Radiasi

Radiasi merupakan perpindahan panas yang terjadi tanpa adanya perantara, atau yang biasa kita sebut sebagai ruang hampa, perpindahan panas yang terjadi yaitu karena pancaran sumber panasnya. Panas yang dipindahkan secara radiasi dapat dihitung dengan persamaan,

q = σ x A x ε x (T24 – T14) (2.31) Dimana :

σ = konstanta boltzman = 5,67 x 10-8

ε = nilai emisivitas benda, 0 < ε < 1, semakin gelap suatu benda maka nilainya

mendekati 1 maka semakin tinggi dalam penyarapan panas

T2 = Temperatur fluida yang lebih tinggi (K)

T1 = Temperatur fluida yang lebih rendah (K)

A = Luas perpindahan panas (m2₎

Untuk mendapat nilai radiation heat transfer coefficient, dapat mengacu pada gambar 2.5 berikut, dimana nilai hrad fungsi

(34)

(35)

2.5.3 Tahanan Termal Pada Dinding Silinder q

1 ℎ𝑖𝐴1

ln( 𝑟2/𝑟1) 2π L k

1 h𝑜.A

Gambar 2.6. Tahanan termal pada silinder

Berdasarkan tahanan termal secara seri pada gambar 2.6, maka tahanan termal total dapat dirumuskan sebagai berikut

𝑅𝑡𝑜𝑡= 1 ℎ𝑖𝐴1 + ln(𝑟2/𝑟1) 2𝜋 𝐿 𝑘 + 1 ℎ𝑜𝐴2 (2.32) Dimana :

hi = koefisien konveksi bagian dalam pipa (W/m2 K)

ho = koefisien konveksi bagian luar pipa (W/m2 K)

r2 = jari-jari luar (m)

r1 = jari-jari dalam (m)

k = koefisien termal konduksi (W/m) A1 = Luas penampang dalam pipa (m2)

A2 = Luas penampang dalam pipa (m2)

(36)

Jika dinding dianggap tipis, maka tahanan termal konduksi dapat diabaikan sehingga tahanan termal total sebagai berikut

𝑅𝑡𝑜𝑡= 1 ℎ𝑖𝐴1 + 1 ℎ𝑜𝐴2 (2.33) Karena dinding tipis maka A1 = A2

2.5.4 Koefisien Overall Heat Transfer

Berdasarkan tahanan termal yang tersusun secara parallel, maka persamaan perpindahan panas adalah sebagai berikut

q = U . A . ∆T (2.34)

Dimana :

U = koefisien overall heat transfer (W/m2 K) A = luas area perpindahan panas (m2) ∆T = beda temperatur (K)

Persamaan perpindahan panas hubungan antara koefisien

overall heat transfer dan tahanan termal adalah sebagai berikut

𝑈. 𝐴 = 1 𝑅𝑡𝑜𝑡 𝑈 = 1

𝑅𝑡𝑜𝑡. 𝐴

Karena tahanan termal secara konveksi pada posisi dalam dan luar tube, maka persamaannya menjadi

𝑈 = 1 (_ℎ1 𝑖𝐴+ 1 ℎ𝑜𝐴) . 𝐴 (2.35)

Persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi 𝑈 = ₁ 1

ℎ𝑖+ 1 ℎ𝑜

(37)

2.5.5 External Flow

Pada gambar 2.7 berikut adalah skema tube bank pada

cross flow yang tersusun secara staggered dan aligned, dimana

pada komponen heat exchanger boiler yaitu superheater,

economizer, dan air heater semua menggunakan tipe staggered

(a) (b) Gambar 2.7. Skema tube bank pada cross flow (a) aligned (b)

staggered [6]

Beberapa persamaan yang dapat digunakan untuk analisa pada external flow dengan skema staggered antara lain sebagai berikut

1. Temperatur film, adalah temperatur rata-rata gas (K) 𝑇𝑓 =

𝑇𝑠+ 𝑇∞

2 (2.37) Dimana :

Ts = Temperatur surface pipa (K)

T∞ = Temperatur infinity (K) 2. Kecepatan gas (m/s) 𝑉𝑔= ṁ𝑔 𝜌 . 𝐴 (2.38) Dimana :

ṁg = laju massa gas (kg/s)

ρ = density gas (kg/m3₎

(38)

3. Kecepatan maksimal gas (m/s) 𝑉𝑔 𝑚𝑎𝑥= 𝑆𝑇 2(𝑆𝑇− 𝐷) . 𝑉𝑔 (2.39) Dimana :

ST = jarak transversal antar tube (gambar 2.4 a) (m)

D = diameter tube (m) 4. Bilangan Reynolds

𝑅𝑒 = 𝑉𝑔 𝑚𝑎𝑥. 𝐷

𝜗 (2.40) Dimana,

𝜗 = viskositas kinematik gas (m2_/s)

D = diameter tube (m) 5. Bilangan Nusselt

Perhitungan Nusselt metode Churcil pada External Flow [6] 𝑁𝑢 = 0,3 + 0,62 𝑅𝑒𝐷 1/2_𝑃𝑟1/3 [1 + (0,4/𝑃𝑟)2/3_]1/4[1 + ( 𝑅𝑒𝐷 282000) 5/8 ] 4/5 (2.41) Syarat Pr ≤ 0,2 Semua bulangan ReD 6. Koefisien konveksi (W/m2_K) ℎ𝑜= 𝑁𝑢𝐷 . 𝑘𝑓 𝐷 (2.42) Dimana :

kf = konduktivitas termal fluida (W/mK)

2.5.6 Internal Flow

Internal flow adalah aliran di dalam tube, dimana fluida

yang mengalir pada jajaran heat exchanger pada boiler adalah air di economizer, dan uap di superheater.

Beberapa persamaan yang dapat digunakan untuk analisa pada internal flow dengan skema antara lain sebagai berikut

(39)

1. Temperatur mean, adalah temperatur rata-rata fluida yang mengalir dalam tube (K)

𝑇𝑚 =

𝑇𝑖+ 𝑇𝑜

2 (2.43) Dimana :

Ti = Temperatur air atau steam masuk heat exchanger (K)

To = Temperatur air atau steam keluar heat exchanger (K)

2. Bilangan Reynolds

𝑅𝑒 = 4 . ṁ𝑠

𝜋. 𝐷. 𝜇 (2.44) Dimana :

ṁs = laju massa air atau steam (kg/s)

μ = viskositas dinamis air atau steam (kg/m s) 3. Bilangan Nusselt metode Gnielinski

𝑁𝑢 = (𝑓/8)(𝑅𝑒𝐷− 1000)𝑃𝑟 1 + 12.7(𝑓/8)1/2_(𝑃𝑟2/3_{− 1)} (2.45) Syarat 0,5 ≤ Pr ≤ 2000 3000 ≤ ReD ≤ 5x106 L/D ≥ 10 Untuk nilai f, f = (0,790 ln ReD – 1,64)-2 (2.46) Dimana :

Pr = bilangan Prandtl air atau steam dalam tube f = faktor gesek 4. Koefisien konveksi ℎ𝑖= 𝑁𝑢 . 𝑘𝑓 𝐷 (2.47) Dimana :

(40)

2.5.7 Metode LMTD untuk analisa perpindahan panas

LMTD (Log Mean Temperature Different) adalah salah satu metode yang digunakan untuk menganalisis perpindahan panas dengan menghitung beda temperature rata-rata yang terjadi antara fluida panas dan dingin pada heat exchanger tersebut, sehingga besarnya perpindahan panas dapat dihitung dengan persamaan

Q = U . A . LMTD atau

Q = U . A . LMTD . Nt (2.48) Dimana :

U = koefisien overall heat transfer (W/m2 K) A = Luas area perpindahan panas (m2)

LMTD = Beda temperatur rata-rata antara kedua fluida (K) Nt = Jumlah tube pada heat exchanger

Aliran yang terjadi pada jajaran heat exchanger adalah tipe

crossflow, yaitu dimana arah aliran externalnya mengalir tegak

lurus terhadap arah aliran dalam tube. Pada gambar 2.6 berikut dapat dilihat perubahan temperatur yang terjadi.

Berdasarkan tipe aliran yaitu crossflow, maka persamaan untuk perhitungan LMTD pada bagian superheater, economizer, dan air preheater adalah sebagai berikut

𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇ℎ𝑖− 𝑇𝑐𝑜) − (𝑇ℎ𝑜− 𝑇𝑐𝑖) ln ( 𝑇_𝑇ℎ𝑖− 𝑇𝑐𝑜

ℎ𝑜− 𝑇𝑐𝑖 )

(2.49) Dimana

Thi = Temperatur masuk fluida panas (K)

Tho = Temperatur keluar fluida panas (K)

Tci = Temperatur masuk fluida dingin (K)

Tco = Temperatur keluar fluida dingin (K)

Berdasarkan tipe aliran crossflow dimana kedua fluida

unmixed atau tidak bercampur, maka ada faktor koreksi untuk

(41)

koreksi F, pengaruh dari temperature efficiency P dan heat

capacity rate ratio R [9]. Sehingga perhitungan untuk nilai

perpindahan panas menjadi

𝑄 = 𝑈 . 𝐴 . 𝐹 . 𝐿𝑀𝑇𝐷

Gambar 2.8. LMTD correction factor untuk aliran crossflow dimana kedua fluida tidak bercampur

2.5.8 Perhitungan Heat Transfer Coefficient Water Wall Tube 2.5.8.1 Bagian External

Pada bagian external waterwall tube, terjadi perpindahan panas secara radiasi. Dimana nilai dari hrad dapat dilihat pada gambar 2.3.

2.5.8.2 Bagian Internal (2 fasa) Untuk menghitung Heat

Transfer Coefficient

Pada bagian internal waterwall tube, terjadi perpindahan panas secara konveksi dimana juga terjadi perubahan fasa fluida dari liquid menjadi vapor. Pada gambar 2.9 berikut merupakan kurva surface heat flux pengaruh dari excess temperature. [6]

(42)

Gambar 2.9. Grafik boiling untuk air pada 1 atm: Surface Heat

flux adalah fungsi dari excess temperature

Nilai untuk maximum surface heat flux, q”max, 𝑞𝑚𝑎𝑥" = 𝐶 ℎ𝑓𝑔𝜌𝑣 [ 𝜎 𝑔 (𝜌𝑙− 𝜌𝑣) 𝜌𝑣2 ] 1/4 (2.50) Dimana nilai C = 0,131(the Zuber constant)

(43)

Persamaan untuk koefisien konveksi saturated flow pada

circular tube merujuk pada buku incropera adalah sebagai berikut

ℎ ℎ𝑠𝑝 = 0,6683 (𝜌𝑙 𝜌𝑣 ) 0,1 𝑋0,16_{(1 − 𝑋)}0,64_{𝑓(𝐹𝑟)} + 1058 ( 𝑞𝑠" ṁ"ℎ𝑓𝑔 ) 0,7 (1 − 𝑋)0,8_𝐺 𝑠,𝑓 (2.51𝑎) atau ℎ ℎ𝑠𝑝 = 1,136 (𝜌𝑙 𝜌𝑣 ) 0,45 𝑋0,72_{(1 − 𝑋)}0,08_{𝑓(𝐹𝑟)} + 667,2 ( 𝑞𝑠" ṁ"ℎ𝑓𝑔 ) 0,7 (1 − 𝑋)0,8_𝐺 𝑠,𝑓 (2.51𝑏) 0 < X ≤ 0,8 Dimana,

X = kualitas vapor pada sisi output

ṁ” = ṁ/Ac, dimana Ac adalah cross sectional area Fr = (ṁ”/ρl)2/g D

hsp = koefisien konveksi pada single fasa, persamaan Nusselt

2.41 sampai 2.45

Untuk Fr ≤ 0,04, f(Fr) = 2,63 Fr0,3

Nilai untuk Froude number adalah sebagai berikut 𝐹𝑟 =(ṁ" / 𝜌𝑙)

2 𝑔 𝐷

Nilai koefisien Gs,f tergantung dari kombinasi surface-fluid pada tabel 2.1

(44)

Tabel 2.1. Nilai Gs,f untuk kombinasi surface-fluid [6]

Fluid in Commercial Copper Tubing Gsf

Kerosene 0.488

Refrigerant R-13a 1.63

Refrigerant R-152a 1.10

Water 1.00

For stainless steel tubing, use Gsf = 1

2.6 Grafik Pendukung

2.6.1 Grafik Pengaruh Heat Release Rate Terhadap Temperature Gas Keluar Furnace

Pada gambar 2.10 berikut, menggambarkan pengaruh heat

release rate terhadap Furnace Exit Gas Temperature (FEGT) [3].

Dengan mendapatkan nilai heat rate, maka kita bisa mendapatkan Area dari furnace dimana,

ℎ𝑒𝑎𝑡 𝑟𝑎𝑡𝑒 =𝑄𝑏

𝐴 (2.52) Dimana :

Qb = Panas atau Energi input boiler (MW)

(45)

Gambar 2.10. Pengaruh Heat release rate terhadap Furnace Exit

Gas Temperature (FEGT)

2.6.2 Grafik Pengaruh Heat Flux Terhadap Tinggi Furnace

Pada gambar 2.11 berikut, menggambarkan pengaruh heat

(46)

(47)

Dengan mendapatkan tinggi furnace, kita bisa merencanakan perhitungan panjang dan lebar dengan asumsi bahwa heat flux = heat rate, maka.

𝐴𝑓 = 2 (𝑝 + 𝑙)ℎ (2.53) Dimana :

A = Luas area furnace (m2)

h = tinggi furnace dari grafik – tinggi ash hopper (m) dimana tinggi bottom ash hopper sekitar 5 m p = panjang bagian dalam furnace (m)

l = lebar bagian dalam furnace (m)

2.7 Rekomendasi Desain

Basu, dkk (2000) pada bukunya yang berjudul Boilers and

Burners - Design and Theory, memberi beberapa rekomendasi

terkait desain furnace untuk boiler seperti pada gambar 2.12 berikut

Gambar 2.12. Skema dari oil, gas, atau pulverized coal fired

furnace [4]

Proporsional dari pulverized coal boiler seperti pada gambar 2.12 di atas mengikuti referensi sebagai berikut

(48)

β > 30˚

γ = 50 sampai 55˚ E = 0.8 sampai 1 m d = (0,25 sampai 0,33)b

Batas bawah untuk nilai Hfu menurut Lin, (1991) ditunjukkan

pada tabel 2.2

Tabel 2.2. Batas bawah untuk nilai Hfu

Jenis Batu bara Boiler capacity (t/h) 65 - 75 130 220 420 670

Anthracite 8 11 13 17 18

Bituminous 7 9 12 14 17

Lignite

Oil 5 8

Rekomendasi nilai minimum untuk b dapat dilihat pada tabel 2.3 berikut

Tabel 2.3. Nilai minimum kedalaman furnace (b) Jenis Bahan bakar Boiler Capacity (t/h)

130 220 420 670 >670

Coal 6.0 7.0 7.5 8.0 ≥(5-6)dra

Oil 5.0 5.0 6.0 7.5

Dimana, dra_{adalah maksimum nozzle diameter of burner}

Nilai dari heat release rate dihitung dengan persamaan 𝑞" =ṁ𝑓𝑢𝑒𝑙 𝑥 𝐺𝐶𝑉

𝐴𝑓 (2.54) Prabir Basu, dkk memberi rekomendasi geometri pengaruh dari kualitas batu bara mengacu pada buku Singer (1991) Fossil

Power Systems, Combustion Engineering, Inc., Windsor, USA, P.

(49)

Gambar 2.13. Pengaruh kualitas batu bara terhadap geometri

furnace [4]

Kumar (2009) pada bukunya yang berjudul Boilers for

Power and Process memberi beberapa rekomendasi terkait desain furnace dan persentase heat absorbed pada gambar 2.14 oleh tiap

komponen boiler. Berikut adalah rekomendasi desain furnace yang dapat digunakan

1. Tinggi furnace dari center of burner ke middle area keluaran

furnace harus cukup untuk waktu tinggal gas buang

(residence time), yaitu 1 – 2 s

2. Jarak platen superheater 600 sampai 1000 mm dari area keluaran furnace

3. Jarak penangkap bottom ash sekitar 3 – 6 m dari burner yang paling bawah

(50)

Gambar 2.14. Rekomendasi heat absorbed pada tiap komponen boiler [7]

Kakac (1971) memberikan rekomendasi heat absorbed oleh tiap komponen heat exchanger pada pulverized coal boiler pada gambar 2.15. Rekalkulasi boiler mengacu pada tipe industrial dengan pressure 10.3 MPa

(51)

Gambar 2.15. Rekomendasi heat absorbed pulverized coal boiler [9]

(52)

35

- Data bahan bakar

Proximate: Ultimate:

Moisture Kandungan Ash C, O, H, S, N GCV fuel

- Heat balance

- Temperatur flue gas masuk dan keluar heat exchanger - Dimensi Furnace

- Diameter, panjang, jumlah tube Superheater, Economizer, Air

Heater

Parameter Awal: Laju massa steam (kg/s)

Steam Pressure (Mpa) Steam Temperature (C) Feedwater Temperature (C) Ambient Temperature (C)

Temperatur akhir flue gas (C) Temperatur surface boiler (C)

Mulai

A

3.1 Flowchart Rekalkulasi

Proses rekalkulasi meliputi analisis pembakaran, termodinamika, dan perpindahan panas untuk menghitung kebutuhan area perpindahan panas dari tiap heat exchanger. Adapun tahapannya dapat dilihat pada gambar 3.1 berikut.

(53)

Tentukan Daya output Generator atau MWe

(MW)

Tentukan efisiensi siklus PLTU cycle

sehingga

Daya output boiler atau MWth = MWe / cycle

Tentukan efisiensi boiler b sehingga

Qb = MWth / b

Hitung laju massa bahan bakar

ṁfuel = Qb / GCV

Perhitungan efisiensi boiler dengan direct

Method

A

Hitung laju massa udara pembakaran dan flue gas ṁair

ṁflue gas

(54)

B

Hitung dimensi Furnace Tinggi, panjang, lebar

Hitung Luas Area Perpindahan panas

Platen Superheater

Perhitungan efisiensi boiler dengan

Indirect Method

Hitung temperatur air yang melewati economizer, udara yang melewati air preheater, dan uap yang

melewati superheater dengan asumsi Asas Black

ṁfluegas. Cp. (Tin – Tout) = ṁsteam. h

C

Hitung panas yang diserap oleh masing-masing heat

exchanger

Superheater, Economizer, Air Preheater, dan waterwall tube

(55)

High Pressure Economizer

Top Air Preheater

Superheater Class 2

Superheater Class 1

Low Pressure Economizer C

(56)

waterwall tube

Selesai

Hasil kalkulasi dibandingkan dengan dimensi existing

Middle Air Preheater

Bottom Air Preheater

Hitung Luas Area Perpindahan panas masing-masing heat exchanger kondisi

existing D

(57)

3.2 Data Bahan Bakar dan Parameter Desain

Tahap awal dari proses perancangan adalah mengumpulkan data dan parameter berdasarkan heat balance

3.2.1 Data dan Parameter Untuk Perhitungan Efisiensi Indirect Method

Pada tabel 3.1 berikut merupakan data desain untuk perhitungan heat loss dengan Indirect Method

Tabel 3.1. Data untuk perhitungan

1. Fuel firing rate kg/hr

2. Steam generation rate kg/hr

3. Steam pressure Mpa

4. Steam temperature °C

5. Feed water temperature °C

6. %CO2 in flue gas %

7. %CO in flue gas %

8. %O2 in flue gas %

9. Average flue gas temperature °C

10. Ambient temperature °C

11. Humidity in ambient air kg / kg dry air

12. Surface temperature of boiler °C

13. Wind velocity around the boiler m/s 14. Total surface area of boiler m2

15. GCV of Bottom ash kCal/kg

(58)

Fuel Analysis in (%)

1. Ash content in fuel 2. Moisture in coal 3. Carbon content 4. Hydrogen content 5. Nitrogen content 6. Oxygen content 7. GCV of Coal kCal/kg

3.2.2 Data Temperatur Flue Gas Masuk dan Keluar Heat

Exchanger

Pada Gambar 3.2 berikut adalah data temperatur yang dibutuhkan untuk melakukan analisis panas yang diserap oleh tiap

(59)

Gambar 3.2. Skema aliran flue gas melewati area Heat Exchanger

3.3 Proses Rekalkulasi

3.3.1 Perhitungan Laju massa bahan bakar (ṁf)

1. Tentukan daya output generator nilai MWe (MW) 2. Asumsi efisiensi pembangkit (𝜂cycle)

3. Daya output boiler, 𝑀𝑊𝑡ℎ= MWe ηcycle

(60)

4. Asumsi efisiensi boiler (𝜂b) 5.

Q

boiler = MWth

ηb

6. Hitung laju massa bahan bakar, ṁ𝐟= 𝐐𝐛 𝐆𝐂𝐕

3.3.2 Perhitungan Laju massa udara (ṁair)

1. Hitung kebutuhan udara kondisi teori (2.3) 2. Hitung % CO2 kondisi teori

a) Wt N2 (2.4) b) Wt N2 fuel (2.5) c) Hitung mols N2 (2.6) d) Hitung mols C (2.7)

e) Dapat nilai % CO2 kondisi teori (2.8) 3. Hitung supply excess air, EA (2.9)

4. Hitung kebutuhan udara kondisi aktual, AAS (2.11) 5. Dapat nilai kebutuhan laju massa udara, ṁair (2.12)

3.3.3 Perhitungan Laju massa flue gas (ṁflue gas)

Hitung nilai laju massa flue gas dengan persamaan (2.13) dan (2.14)

3.3.4 Perhitungan Panas Diserap Superheater, Economizer dan Air Preheater

Pada gambar 3.3 berikut merupakan desain existing boiler PT Petrokimia, kemudian dilakukan analisis termodinamika untuk mendapatkan nilai panas yang diserap oleh Superheater,

Economizer, dan Air Preeater

(61)

Gambar 3.3. Desain Boiler Existing PT Petrokimia Dimana,

T9 diketahui = Temperatur akhir flue gas (C)

T’7 diketahui = Tempratur steam menuju steam turbine (C)

(62)

T’4 sampai T’7 = Temperatur steam (C)

T1 sampai T9 = Temperatur flue gas (C)

Sehingga persamaan energi dibangun sebagai berikut qSH = ṁfg . Cp . (T1 – T4) = ṁs. (h’7 – h’4) qEco = ṁfg . (Cp . (T4 – T5) + Cp (T6 – T7)) = ṁs. ((h’2 – h’1)+(h’3 – h’2)) qAH = ṁfg . (Cp . (T4 – T5) + Cp (T7 – T8) + Cp (T8 – T9)) qSH + qECON + qAH = ṁfg . Cp . (T1 – T9) Dimana :

ṁfg = laju massa flue gas (kg/s)

ṁs = laju massa steam = laju massa air (water) (kg/s)

h'1 = entalphi air dari feedwater pada temperatur T’1 (kJ/kg)

h’3 = entalphi air keluar feedwater pada temperatur T’3

h’4 = entalphi steam masuk superheater class 1 (kJ/kg)

h’7 = entalphi superheated steam pada temperatur steam ke

steam turbin (kJ/kg)

3.3.5 Hitung Temperatur Uap, Air, dan Udara yang melewati Heat Exchanger

Besarnya Temperatur dari tiap fluida yang dipanaskan dapat dihitung dengan pendekatan asas black, dimana kalor yang dilepaskan = kalor yang diterima.

𝑞ℎ= 𝑞𝑐

𝑞𝑆𝐻= ṁ𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑥 ∆ℎ𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝑞𝐸𝐶𝑂𝑁= ṁ𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑥 ∆ℎ𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟

𝑞𝐴𝐻 = ṁ𝑎𝑖𝑟 𝑥 ∆ℎ𝑎𝑖𝑟

Karena salah satu temperatur fluida diketahui, maka nilai entalphi juga bisa diketahui sehingga temperatur masuk dan keluar fluida dapat diketahui dari nilai entalphi nya. Pada

(63)

superheater, temperatur keluar diketahui sehingga temperatur

masuk dapat diketahui. Pada Economizer temperatur air dari

feedwater diketahui, sehingga temperatur keluar dapat diketahui.

Pada air preheater temperatur udara masuk diketahui sehingga temperatur udara keluar air preheaterdapat diketahui. Temperatur fluida ini akan mempengaruhi dalam perhitungan nusselt number untuk menghitung nilai heat transfer coefficient

3.3.6 Hitung Geometri Furnace

1. Hitung q flux = fungsi dari FEGT, gambar 2.6 Dimana,

Q" = Q

b

/A,

sehingga dapat nilai A

2. Hitung h furnace (m) = fungsi dari Q” (gambar 2.7)

h furnace (m) = h total furnace (m) – tinggi ash hopper (m)

Dimana,

Tinggi ash hopper = 3 – 5 m 3. A = 2(p + l) h

4. Jika p = l, maka

Dapat nilai panjang dan lebar furnace

3.3.7 Hitung Area Perpindahan Panas Platen Superheater

1. Hitung q= ṁfg . Cp . (T1 – T2) 2. Hitung LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇1− 𝑇′6) − (𝑇2− 𝑇′5) ln ( 𝑇1− 𝑇′6 𝑇2− 𝑇′5 ) 3. q = U . A . LMTD

4. Hitung nilai koefisien overall heat transfer U (2.36) 5. Mencari nilai koefisien konveksi external tube dengan

pendekatan radiasi

6. Mencari nilai koefisien konveksi internal tube (persamaan 2.43 – 2.47)

(64)

7. Hitung nilai luas area perpindahan panas,

𝐴 = 𝑞

𝑈 . 𝐹. 𝐿𝑀𝑇𝐷

3.3.8 Hitung Area Perpindahan Panas Superheater Class 2

metode nusselt number persamaan Churcil

6. Mencari nilai koefisien konveksi internal tube dengan metode nusselt number persamaan Gnielinsky (persamaan 2.43 – 2.47)

𝐴 = 𝑞

3.3.9 Hitung Area Perpindahan Panas Superheater Class 1

6. Mencari nilai koefisien konveksi internal tube dengan

metode nusselt number persamaan Gnielinsky (persamaan 2.43 – 2.47)

(65)

𝐴 = 𝑞

3.3.10 Hitung Area Perpindahan Panas High Pressure

Economizer 1. Hitung q = ṁfg . Cp . (T4 – T5) 2. Hitung LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇4− 𝑇′3) − (𝑇5− 𝑇′2) ln ( 𝑇4− 𝑇′3 𝑇5− 𝑇′2 ) 3. q = U . A . LMTD

4. Hitung nilai koefisien overall heat transfer U (2.36) 5. Mencari nilai koefisien konveksi external tube dengan

𝐴 = 𝑞

3.3.11 Hitung Area Perpindahan Panas Top Air Heater

1. Hitung q = ṁfg . Cp . (T5 – T6) 2. Hitung LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇5− 𝑇4 𝑎𝑖𝑟) − (𝑇6− 𝑇3 𝑎𝑖𝑟) ln ( 𝑇5− 𝑇 4 𝑎𝑖𝑟 𝑇6− 𝑇3 𝑎𝑖𝑟 ) 3. q = U . A . LMTD

4. Hitung nilai koefisien overall heat transfer U (2.36)

5. Mencari nilai koefisien konveksi eksternal

tube dengan metode nusselt number

(66)

𝐴 = 𝑞

3.3.12 Hitung Area Perpindahan Panas Low Pressure

Economizer 1. Hitung q = ṁfg . Cp . (T6 – T7) 2. Hitung LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇6− 𝑇′2) − (𝑇7− 𝑇′1) ln ( 𝑇6− 𝑇′2 𝑇7− 𝑇′1 ) 3. q = U . A . LMTD

4. Hitung nilai koefisien overall heat transfer U (2.36) 5. Mencari nilai koefisien konveksi eksternal tube dengan

6. Mencari nilai koefisien konveksi internal tube dengan metode nusselt number persamaan Gnielinsky 7. Hitung nilai luas area perpindahan panas,

𝐴 = 𝑞

3.3.13 Hitung Area Perpindahan Panas Middle Air Heater

1. Hitung q = ṁfg . Cp . (T7 – T8) 2. Hitung LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇7− 𝑇′3 𝑎𝑖𝑟) − (𝑇8− 𝑇′2 𝑎𝑖𝑟) ln ( 𝑇7− 𝑇′3 𝑎𝑖𝑟 𝑇8− 𝑇′2 𝑎𝑖𝑟 ) 3. q = U . A . LMTD

4. Hitung nilai koefisien overall heat

(67)

5. Mencari nilai koefisien konveksi external tube dengan metode nusselt number persamaan Churcil

𝐴 = 𝑞

𝑈 . 𝐹 . 𝐿𝑀𝑇𝐷

3.3.14 Hitung Area Perpindahan Panas Low Air Heater

1. Hitung q = ṁfg . Cp . (T8 – T9) 2. Hitung LMTD 𝐿𝑀𝑇𝐷 (𝐾) =(𝑇8− 𝑇′2 𝑎𝑖𝑟) − (𝑇9− 𝑇′1 𝑎𝑖𝑟) ln ( 𝑇8− 𝑇′2 𝑎𝑖𝑟 𝑇9− 𝑇′1 𝑎𝑖𝑟 ) 3. q = U . A . LMTD

4. Hitung nilai koefisien overall heat

transfer U (2.36)

5. Mencari nilai koefisien konveksi external

tube dengan metode nusselt number

persamaan Churcil

6. Mencari nilai koefisien konveksi internal tube dengan metode nusselt number persamaan Gnielinsky

7. Hitung nilai luas area perpindahan panas

𝐴 = 𝑞

3.3.15 Hitung Area Water Wall Tube

1. qwater wall tube = ṁs x hfg

2. Hitung h pada sisi external tube dengan pendekatan radiasi 3. Hitung h single fasa konveksi pada sisi internal tube 4. Hitung h konveksi pada sisi internal tube dengan

pendekatan perhitungan boiling persamaan (2.51a atau 2.51b)