REDESIGN HIGH PRESSURE FEEDWATER HEATER (HPH2) PLTU UJP PELABUHAN RATU DENGAN PENDEKATAN THERMODYNAMICS - HEAT TRANSFER

i

TUGAS AKHIR – TM141585

REDESIGN HIGH PRESSURE

FEEDWATER HEATER (HPH2) PLTU UJP

PELABUHAN RATU DENGAN

PENDEKATAN THERMODYNAMICS -

HEAT TRANSFER

DICKY ARI KURNIAWAN NRP. 02111645000023

Dosen Pembimbing

Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME

Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2018

i

HALAMAN JUDUL

TUGAS AKHIR – TM141585

REDESIGN HIGH PRESSURE

FEEDWATER HEATER (HPH2) PLTU UJP

PELABUHAN RATU DENGAN

PENDEKATAN THERMODYNAMICS -

HEAT TRANSFER

DICKY ARI KURNIAWAN NRP. 02111645000023 Dosen Pembimbing

Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME Departemen Teknik Mesin

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2018

iii

FINAL PROJECT – TM141585

RE-DESIGN HIGH PRESSURE FEEDWATER

HEATER (HPH2) PLTU UJP PELABUHAN

RATU WITH THERMODYNAMICS - HEAT

TRANSFER APPROACH

DICKY ARI KURNIAWAN NRP. 02111645000023

Supervisor

Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME

Department of Mechanical Engineering Faculty Of Industrial Technology

Sepuluh Nopember Institute Of Technology

v

LEMBAR PENGESAHAN

RE-DESIGN HIGH PRESSURE FEEDWATER

HEATER (HPH2) PLTU UJP PELABUHAN RATU

DENGAN PENDEKATAN THERMODYNAMICS -

HEAT TRANSFER

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Program Studi S-1 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

DICKY ARI KURNIAWAN

NRP. 02111645000023

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir :

1. Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME ... (Pembimbing) NIP. 195312191981031001

2. Ary Bachtiar K.P., ST, MT, PhD. ... (Penguji I) NIP. 197105241997021001

3. Bb. Arip Dwiyantoro, ST, M.Eng, PhD. ... (Penguji II) NIP. 197804012002121001

4. Prof. Dr. Eng. Prabowo, M.Eng. ... (Penguji III) NIP. 196505051990031005

SURABAYA

JULI 2018

vii

REDESIGN HIGH PRESSURE FEEDWATER HEATER (HPH2) PLTU UJP PELABUHAN RATU DENGAN PENDEKATAN THERMODYNAMICS - HEAT TRANSFER Nama Mahasiswa : Dicky Ari Kurniawan

NRP : 02111645000023

Jurusan : Teknik Mesin FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME.

ABSTRAK

High pressure heater (HPH) 2 merupakan salah satu peralatan yang menunjang kinerja feed water sistem pada siklus air dan uap di PLTU. HPH 2 berfungsi untuk memanaskan feed water dengan menggunakan ekstraksi dari turbin sebelum air tersebut dipanaskan dalam boiler sehingga kerja boiler menjadi lebih ringan dan dapat meningkatkan efisiensi pembangkit listrik. Namun HPH 2 pada PLTU UJP Jabar 2 Pelabuhan Ratu telah mengalami kebocoran sejumlah 532 tube dari 1429. Hal ini merupakan akibat off service HPH 3 dan over extraction flow masuk HPH 2. Kebocoran pada HPH 2 membuat keluaran temperature feed water pada HPH 1 yang masuk boiler menurun. Hal tersebut menyebabkan konsumsi bahan bakar pada boiler meningkat, sehingga efisiensi siklus pembangkit menurun. Oleh karena itu, perlu dilakukan proses redesign dan recalculation pada HPH 2 secara Thermodynamics-Heat Transfer agar didapatkan desain HPH 2 dengan performa yang terbaik.

Proses redesign dan recalculation dilakukan dengan menggunakan analisis termodinamika dan perpindahan panas dimana data propertis feedwater, properties uap pemanas dan properties drain digunakan sebagai inputnya. Data masukan dihitung dengan analisis termodinamika dan dimensi HPH dihitung dengan metode LMTD (Log Mean Temperature Diffirence). Variasi yang digunakan pada proses redesign adalah variasi kecepatan aliran di dalam tube dan jarak baffle untuk mendapatkan design paling optimal.

viii

Hasil yang didapatkan dari perancangan HPH 2 adalah heat duty yang harus dipenuhi sebesar 43400 kW. HPH 2 terdiri dari 4 zona, yaitu zona Desuperheating, zona Condensing I, zona Condensing II, dan zona Subcooling. Desain baru HPH 2 adalah panjang tube zona Desuperheating 1,553 m, zona Condensing I 3,703 m, zona Condensing II 3,197 m, zona Subcooling 2,08 m. Jumlah baffle pada masing-masing zona adalah 1 buah pada zona Desuperheating, 5 buah pada zona Condensing I, 5 buah pada zona Condensing II, dan 1 buah pada zona Subcooling. Dimensi tube yang digunakan adalah diameter luar tube 16 mm, tebal tube 2,17 mm, jumlah tube 1784 buah, dan diameter dalam shell 1,39 m. Pressure drop yang terjadi pada sisi tube sebesar 0,512 bar dan pada sisi shell sebesar 0,292 bar.

Kata Kunci : High Pressure Heater, Multi Zone Heat

Exchanger, Redesign .

ix

REDESIGN HIGH PRESSURE FEEDWATER HEATER

(HPH2) PLTU UJP PELABUHAN RATU WITH

THERMODYNAMICS - HEAT TRANSFER APPROACH

Name : Dicky Ari Kurniawan

NRP : 02111645000023

Department : Mechanical Engineering- ITS

Academic Supervisor : Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo,

ME.

ABSTRACT

High-pressure heater (HPH) 2nd is one of component to support feed water systems and steam cycles in coal fired power plant. HPH 2nd pre-heats the feed water using extracted turbine steam before being heated in boiler to increase the efficiency of power plant. HPH 2nd Pelabuhan Ratu has leakages in 532 out of 1429 tubes. It was caused by HPH 3nd out of service and then trigger over extraction flow to HPH 2nd. The leakage of HPH 2nd resulted in boiler temperatre decrease. The fuel required for boiler firing increases and efficiency of power plant decreases. So that, HPH 2nd have to be redesign and recalculated using Thermodynamics-Heat Transfer to achieve best performance.

The re-design and re-calculation process using Thermodynamics-Heat Transfer analysis using the feedwater, steam and drain properties as inputs. The input data is calculated by thermodynamic analysis and the HPH dimension is calculated by the LMTD (Log Mean Temperature Diffirence) method. Redesign variations consisted of flow velocity inside of tubes and distance of baffles to acquire optimal design.

Results of redesigning HPH 2nd is that heat duty must be 43398,816 kW. HPH 2nd consisted of 4 zones, there are Desuperheating, Condensing I, Condensing II, and Subcooling. The ammount of baffle in each zone is, 5 units in Condensing I and II, and 2 units in Subcooling. The tube dimensions is 16 mm in outer diameter of tube, and 2.17 mm in thickness, the ammount

x

of tube is 1784, and the inner diameter of the shell is 1.39 m. The pressure drop occured inside the tube is 0.574 bar, and 0.292 bar inside the shell.

Keyword : High Pressure Heater, Multi Zone Heat Exchanger, Redesign

xi

KATA PENGANTAR

Segala Puji dan Syukur penulis panjatkan sepenuhnya kepada Allah SWT, karena atas berkah dan izin-Nya tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penulis sangat menyadari bahwa keberhasilan dalam penulisan tugas akhir ini tak lepas dari dukungan dan bantuan berbagai pihak. Melalui kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu dan mendukung baik secara moril maupun materiil dalam proses penyelesaian tugas akhir ini, antara lain:

1. Bapak Ibu tercinta dan Keluarga yang senantiasa memberi dukungan dan doa hingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

2. Bapak Dr. Ir. Budi Utomo Kukuh Widodo, ME. , selaku dosen pembimbing tugas akhir yang selalu memberikan saran, motivasi, dan ilmu-ilmu yang sangat bermanfaat bagi penulis. Terima kasih atas kesabarannya selama membimbing penulis.

3. Bapak Ary Bachtiar K.P., ST. MT. PhD., Bapak Bb, Arip Dwiyantoro, ST, M.Eng, PhD., Bapak Prof. Dr. Eng. Prabwo, M.Eng., selaku dosen penguji tugas akhir penulis, terima kasih telah meluangkan waktunya dan atas saran-saran yang telah diberikan.

4. Rekan satu tim tugas akhir penulis Hario, Iqbal, Hakim, Raka, Adit dan kawan lainnya dalam susah senang menyelesaikan tugas akhir bersama.

5. Kekasih tercinta, Esti Kurnia Putri, terima kasih atas kasih sayang dan kesabarannya mengingatkan penulis untuk mengerjakan tugas akhir.

6. Seluruh teman-teman Lintas Jalur 2016.

7. Sahabat laboratorium Rekayasa Termal dan Otomasi yang memberikan semangat penulis.

8. Seluruh civitas akademika Teknik Mesin ITS yang Baik dan Ramah.

xii

9. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan oleh penulis. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan tugas akhir ini, oleh karena itu saran dan masukan dari semua pihak sangat penulis harapkan. Penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat dan sumbangsih bagi perkembangan ilmu pengetahuan.

Surabaya, 26 Juli 2018 Penulis

xiii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i LEMBAR PENGESAHAN ... v ABSTRAK ... vii ABSTRACT ... ix KATA PENGANTAR ... xi

DAFTAR ISI ...xiii

DAFTAR GAMBAR ... xvii

DAFTAR TABEL ... xix

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 2 1.3 Tujuan Penelitian ... 2 1.4 Manfaat Penelitian ... 2 1.5 Batasan Masalah ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 5

2.1 Dasar Teori ... 5

2.1.1 High Pressure Heater ... 5

2.1.2 Analisis Termodinamika ... 6

2.1.3 Analisis dengan Metode LMTD ... 7

2.1.4 Analisis Perpindahan Panas ... 9

2.1.4.1 Perpindahan Panas Sisi Shell ... 9

2.1.4.2 Perpindahan Panas Sisi Tube ... 14

xiv

2.1.6 Analisis Pressure Drop ... 17

2.1.6.1 Pressure Drop Sisi Shell ... 17

2.1.6.2 Pressure Drop Sisi Tube ... 19

2.2 Penelitian Terdahulu ... 20

2.2.1 Ekadewi Anggraini Handoyo (2001) ... 20

2.2.2 Irfan S.Hussaini, Syed M. Zubair, (2006) ... 21

BAB III METODOLOGI ... 25

3.1 Metode Penelitian ... 25

3.2 Flowchart Metodologi Penelitian ... 27

3.3 Pengumpulan Data ... 27

3.4 Flowchart Redesign High Pressure Heater 2 ... 29

3.5 Flowchart Perhitungan Variasi Kecepatan Feedwater terhadap hi dan ... 34

3.6 Flowchart Perhitungan Variasi Baffle Terhadap ho dan ... 36

BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN ... 39

4.1 Data yang Digunakan ... 39

4.2 Analisis Termodinamika ... 39

4.2.1 Laju perpindahan Panas Pada Sisi Shell ... 41

4.3 Analisis Perpindahan Panas pada Heat Exchanger dengan Metode Log Mean Temperatur Difference (LMTD) ... 45

4.3.1 Perhitungan ∆TLMTD Tiap Zona ... 45

4.3.2 Perhitungan Luas Perpindahan Panas Tiap Zona ... 46

4.3.3 Analisis Aliran Internal ... 47

xv

4.3.4.1 Zona Desuperheating ... 50

4.3.4.2 Zona Condensing I ... 52

4.3.4.3 Zona Condensing II ... 54

4.3.4.4 Zona Subcooling ... 54

4.4 Analisis Pressure Drop ... 57

4.4.1 Perhitungan Pressure Drop Sisi Tube ... 57

4.4.2 Perhitungan Pressure Drop Sisi Shell ... 59

4.5 Analisis Nilai Koefisien Konveksi dan Pressure Drop ... 61

4.5.1 Grafik Pengaruh Kecepatan Aliran Dalam Tube Terhadap Nilai Koefisien Konveksi dan Pressure drop ... 61

4.5.2 Grafik Pengaruk Jarak Baffle Terhadap Koefisien Konveksi dan Pressure Drop Sisi Shell ... 63

4.6 Desain Optimal HPH 2 ... 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 69

5.1 Kesimpulan ... 69

5.2 Saran ... 70

DAFTAR PUSTAKA ... 71

LAMPIRAN... 73

xvi

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bagian-bagian Shell and Tube Heat Exchanger ... 5

Gambar 2.2 B Distribusi temperatur pada counterflow heat exchanger ... 8

Gambar 2.3 Susunan tube (a) aligned, (b) Staggered. ... 10

Gambar 2.4 Tahanan termal pada tube ... 17

Gambar 2.5 Efektifitas pemanasan dari heat exchange ... 21

Gambar 2.6 Penurunan tekanan sisi shell. ... 21

Gambar 2.7 Distribusi temperature pada area sepanjang heat exchanger ... 22

Gambar 2.8 Pembagian zona pada feedwater heater ... 23

Gambar 2.9 Variasi dari distribusi area dengan tekanan uap ekstraksi ... 27

Gambar 3.1 Flowchart Penelitian ... Gambar 3.2 Properties Fluida pada HPH 2 ... 29

Gambar 3.3 Flowchart Design Menggunakan Analisa TermodinamikadanPerpindahan Panas ... 33

Gambar 3 4 Flowchart Perhitungan Variasi Kecepatan feedwater terhadap hi dan ... 34

Gambar 3 5 Flowchart Perhitungan Variasi baffle terhadap ho dan ... 37

Gambar 4 1 Kesetimbangan Energi HPH 2 ... 40

Gambar 4 2 Pembagian Section pada HPH ... 41

Gambar 4 3 Distribusi temperatur HPH 2 ... 44

Gambar 4 4 Grafik pengaruh kecepatan aliran dalam tube terhadap nilai koefisien konveksi dan pressure drop sisi tube ... 61

Gambar 4 5 Grafik pengaruh baffle spacing terhadap nilai h dan pressure drop ……… 63

Gambar 4 6 Front end head types, shell types, dan rear end head types ... 67

xviii

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 2 1 Constants of Equation 2.15 For tube banks ... 2

Tabel 2 2 Constants of Equation 2.11 For tube banks ... 12

Tabel 3.1 Data Properties Fluida pada HPH 2 ... 28

Tabel 4.1 Data properties fluida pada HPH 2 ... 39

Tabel 4.2 Data spesifikasi tube HPH 2 ... 47

Tabel 4.3 Variasi kecepatan aliran pada tube... 48

Tabel 4.4 Data properties air di dalam tube ... 48

Tabel 4.5 Variasi baffle spacing ... 50

Tabel 4.6 Properties uap pada zona Desuperheating ... 50

Tabel 4.7 Properties fluida zona condensing I ... 52

Tabel 4.8 Properties fluida zona condensing II ... 54

Tabel 4.9 Properties uap pada zona Subcooling ... 55

Tabel 4.10 Pressure drop sisi shell variasi baffle spacing ... 60

Tabel 4.11 Nilai rasio variasi kecepatan ... 62

Tabel 4.12 Desain Optimal HPH 2 ... 65

Tabel 4.13 Dimensi desain baru dan desain lama HPH 2 ... 66

xx

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah salah satu instalasi penghasil listrik yang melayani kebutuhan listrik masyarakat,dimana energi listrik merupakan suatu kebutuhan yang sangat mendasar bagi kehidupan manusia.Untuk memenuhi kebutuhan listrik saat ini, sebuah unit harus mampu mempertahankan kehandalannya dalam beroperasi. Kehandalan operasi tersebut perlu didukung kinerja semua peralatan utama maupun peralatan pendukung. Kehandalan alat yang satu akan menunjang kehandalan alat yang lainnya. Salah satu peralatan yang menujang kinerja feed water sistem pada siklus air dan uap di PLTU secara keseluruhan adalah high pressure heater.

High Pressure Heater (HPH) merupakan alat penukar kalor untuk memanaskan feedwater sebelum masuk boiler. Heater berfungsi untuk memanaskan feed water (air pengisi) dengan menggunakan uap yang diekstraksi dari turbin. Pemanas air ini umumnya merupakan tipe Heat exchanger (alat penukar kalor) Shell and Tube. Pada high pressure heater, dua fluida dengan perbedaan temperatur mengalir melalui alat penukar kalor (Heat exchanger). Panas dipindahkan dari fluida satu ke fluida yang lain melalui dinding pipa (heating tube) baik dari sisi tube maupun pada sisi shell. Untuk meningkatkan efisiensi perpindahan panas, luas area perpindahan panas harus dibuat lebih besar, salah satunya dengan menggunakan lebih banyak tube (pipa).

Pada PLTU UJP Jabar 2 Palabuhan Ratu, jumlah HPH yang digunakan sebanyak 3 buah, yaitu HPH 1, 2, dan 3. Namun yang akan dibahas pada tugas akhir ini adalah HPH 2. Jenis dari HPH 2 ini merupakan heat exchanger jenis shell and tube heat exchanger tipe U-tube. Saat ini, HPH 2 pada PLTU UJP Jabar 2 Palabuhan Ratu mengalami kebocoran sejumlah

532 tube dari 1429. Hal ini disebabkan karena HPH 3 mengalami off service yang mengakibatkan terjadinya over extraction flow pada HPH 2. Sehingga kebocoran pada HPH 2 membuat temperature feedwater yang masuk boiler menurun. Hal tersebut menyebabkan konsumsi bahan bakar pada boiler meningkat, sehingga efisiensi siklus pembangkit menurun. Oleh karena itu, perlu dilakukan proses redesign dan recalculation pada HPH 2 secara Thermodynamics-Heat Transfer agar didapatkan desain HPH 2 dengan performa yang terbaik.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun permasalahan yang terjadi saat ini adalah kerusakan pada HPH 2 PLTU UJP Jabar 2 Palabuhan Ratu yang dapat mengurangi efisiensi thermal dan life time komponen itu sendiri. Kebocoran yang terjadi pada HPH 2 telah mencapai 20% dari mass flow rate sehingga perlu dilakukan re-design. Desain tersebut meliputi besarnya bidang perpindahan panas efektif, jumlah dan susunan baffle, dan jarak antar baffle. Analisis akan dilakukan dalam bentuk perhitungan laju perpindahan panas, overall heat transfer coefficient (U), luas perpindahan panas (A), dan pressure drop (∆P) untuk masing-masing zona perpindahan panas pada HPH.

1.3 Tujuan Penelitian

Berdasarkan latar belakang dan rumusan masalah maka tujuan penelitian ini adalah:

1. Untuk mendesain ulang HPH dengan menggunakan analisis thermodynamics-heat transfer.

2. Untuk mendapatkan dimensi dari feedwater heater masing-masing zona desuperheating, condensing, dan subcoolingdengan menggunakan analisis thermodynamics-heat transfer.

3

Berdasarkan tujuan penelitian diatas manfaat penelitian yang dapat diambil adalah:

1. Menambah pengetahuan mengenai cara mendesain alat penukar panas yang optimal lewat perhitungan secara thermodinamika dan perpindahan panas.

2. Mendapatkan desain baru dari hasil perancangan HPH yang memiliki performa yang lebih baik dari desain HPH sebelumnya.

1.5 Batasan Masalah

Beberapa batasan dan asumsi yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Analisis berdasarkan data operasi PLTU UJP Palabuhan Ratu pada kondisi TMCR 350 MW.

2. Kondisi operasi steady state.

3. Perpindahan panas radiasi diabaikan.

4. Perancangan tidak mengikutsertakan analisis metalurgi dan manufacturing.

5. Perubahan energi potensial dan energi kinetic diabaikan 6. Faktor pengotor diabaikan.

7. U tube bend tidak diperhitungkan, hanya menghitung

effective length.

8. Aliran dalam pipa diasumsikan fully developed flow. 9. Luas area yang tersedia 20m x 6m.

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dasar Teori

2.1.1 High Pressure Heater

High pressure heater merupakan alat pemanas awal feedwater sebelum masuk boiler. HPH berfungsi untuk memanaskan feed water dengan menggunakan uap yang di ekstraksi dari turbin. HPH umumnya merupakan tipe Shell and Tube Heat exchanger. Shell and Tube Heat exchanger adalah alat penukar kalor yang disusun oleh serangkain pipa yang berada di dalam cilindrical shell dimana didalamnya terjadi perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida atau lebih. Satu fluida mengalir didalam pipa sementara fluida lain mengalir di sisi shell. Komponen utama dari alat penukar kalor ini diantaranya adalah tubes, shell, front end head, rear end head, baffle dan tube sheet.

Gambar 2.1 Bagian-bagian Shell and Tube Heat exchanger Sumber: Heat exchangers (Selection, Rating, and Thermal

6

Dalam satu unit pembangkit PLTU, umumnya terdapat beberapa high pressure heater. High pressure heater memanaskan feedwater dari boiler feed pump sebelum menuju boiler untuk dipanaskan lagi hingga menjadi steam. Fluida pemanas pada high pressure heater berasal dari ekstraksi steam High Pressure Turbin. HPH disusun secara bertingkat dengan arah feedwater dan steam saling berlawanan (counterflow).

High Pressure Heater memiliki tiga bagian utama yaitu Desuperheating zone, condensing zone, Subcooling zone. Desuperheating zone adalah zona dimana terjadi penurunan temperatur uap dari kondisi superheat sampai kondisi uap jenuh. Desuperheating zone adalah zona terakhir dari pemanasan feedwater pada HPH. Condensing zone adalah zona dimana tidak terjadi penurunan temperatur uap namun terjadi perubahan fase. Dari kondisi uap jenuh sampai menjadi kondisi cair jenuh. Condensing zone adalah zona terbesar di dalam sebuah closed feedwater heater. Subcooling zone adalah zona lanjutan dari condensing zone. Pada zona ini uap yang sudah mencapai kondisi cair jenuh terus memanaskan feedwater yang melewati tube akibatnya temperatur uap menurun sampai pada fase subcool. 2.1.2 Analisis Termodinamika

Berdasarkan siklus rankine, Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) memiliki 4 peralatan utama yaitu boiler, turbin, kondensor dan pompa. Proses analisis aliran masuk dan keluar dari fluida didalam peralatan PLTU dapat didekati dengan analisis control volume. Control volume merupakan pembatasan daerah tinjauan pada suatu komponen untuk mempermudah perhitungan dan proses analisis. Untuk memudahkan perhitungan control volume biasa dihitung pada kondisi steady yaitu kondisi ideal dimana semua sifat tidak berubah seiring dengan

7

7 berubahnya waktu. Sifat-sifat yang dimaksud antara lain temperatur, tekanan, massa jenis. Begitu pula pada laju aliran massa, dan laju perpindahan energi oleh kalor dan kerja juga konstan terhadap waktu. Sehingga laju aliran massa dapat dituliskan dalam persamaan 2.1

∑ ̇ ∑ ̇ ... (2.1) Dimana ̇ dan ̇ menunjukakan jumlah massa yang masuk pada i dan keluar dari e selama selang waktu tertentu. Dari persamaan 2.1 dapat disederhanakan menjadi ̇ = ̇ = ̇. Hal ini juga terjadi pada neraca energi dimana total energi didalam control volume tidak berubah terhadap waktu ⁄ . Maka menjadi persamaan 2.2

̇ ̇ ∑ ̇ ∑ ̇ ... (2.2) Berikutnya, dengan mengaplikasikan laju perpindahan energy dan dengan menghubungkan dengan laju aliran massa ̇= ̇ = ̇ maka hasilnya adalah

̇ ̇ ̇ ̇ ( ) ...

(2.3)

dengan, ̇ = Laju aliran massa (kg/s) ̇ = Kalor (kJ) ̇ = Kerja (kJ) = Entalphi/massa (kJ/kg) v = Kecepatan fluida (m/s) g = Konstanta gravitasi ( ) z = Ketinggian (m)

2.1.3 Analisis Heat exchanger dengan Metode LMTD Analisis perpindahan panas dapat dilakukan dengan menggunakan metode Log Mean temperature Difference (LMTD) atau . Metode ini dapat digunakan bila temperatur fluida masuk dan temperatur fluida keluar ditentukan besarnya atau dapat ditentukan dari persamaan kesetimbangan energi, sehingga

8

nilai dari ΔTlm dapat ditentukan. Metode LMTD cocok digunakan untuk mendesain heat exchanger. Berdasarkan karakteristik aliran pada HPH 2 merupakan tipe counterflow heat exchanger. Distribusi temperatur untuk counterflow heat exchanger dapat dilihat pada Gambar 2.2. Berdasarkan metode LMTD, besarnya heat rate (Q) adalah sebagai berikut:

... (2.4) dengan, Q = heat rate (W)

U = overall heat transfer coefficient (W/m².K) A = luasan perpindahan panas (m²)

= beda temperatur rata-rata (ºC)

Gambar 2.2 Distribusi temperatur pada counterflow heat exchanger

Sumber: Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th edition Nilai dari LMTD untuk counterflow heat exchanger dapat dilihat pada persamaan 2.5

⁄ ⁄ ... (2.5) dengan,

9

9

2.1.4 Analisis Perpindahan Panas

2.1.4.1 Perpindahan Panas Sisi Shell

Perpindahan panas yang terjadi di sisi shell terbagi menjadi 3 zona utama, yaitu: desuperheating zone, condensing zone dan subcooling zone. Proses perpindahan panas pada masing-masing zona dianalisis berdasarkan perpindahan panas secara konveksi yang melewati susunan tube pada heat exchanger. Nilai koefisien perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh turbulensi aliran, susunan tube, dan jumlah baris tube. Ada dua jenis susunan tube bank yang biasa digunakan pada perancangan heat exchanger, yaitu tipe aligned dan staggered seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 (a) dan (b). Susunan tube jenis stagered memiliki koefisien perpindahan panas lebih tinggi karena bentuknya yang berliku-liku sehingga semakin banyak bagian tube yang teraliri fluida. Selain dipengaruhi oleh susunan tube banks, besarnya olakan (turbulensi) yang terbentuk juga dipengaruhi oleh kecepatan aliran. Semakin besar kecepatan aliran maka semakin besar pula olakan yang ditimbulkan.

Koefisien perpindahan panas pada aliran yang melintasi tube banks dipengaruhi oleh susunan tube. Koefisien perpindahan panas pada baris pertama kurang lebih dengan aliran yang melintasi single tube pada cross flow.Tube pada baris pertama yang menyebabkan terjadinya turbulensi aliran, sehingga nilai koefisiensi konveksi meningkat pada baris berikutnya.

10

Gambar 2.3 Susunan tube (a) aligned, (b) Staggered Sumber: Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th

edition

Reynolds number pada aliran melewati tube banks dihitung berdasarkan kecepatan maksimum dari aliran fluida saat melewati tube banks. Persamaan 2.6 digunakan untuk menghitung reynolds number aliran yang melewati tube banks.

_{...………(2.6)} Berdasarkan gambar 2.2, pada aligned tube banks pasti terjadi di sisi melintang A1. Sementara untuk staggered, dapat terjadi di sisi melintang A1 atau di sisi diagonal A2. Berdasarkan konservasi massa pada fluida incompressible, nilai

dapat dihitung dengan persamaan:

……….(2.7)

Persamaan 2.7 dapat digunakan jika terjadi pada sisi melintang A1 dimana . Jika terjadi pada sisi diagonal A2 dimana , maka persamaan 2.8 digunakan.

11

11 dengan, = kecepatan aliran fluida maksimum melalui tube banks (m/s)

= kecepatan aliran fluida masuk tube banks (m/s)

= jarak melintang (transverse) antar tiitik pusat tubes (m)

= jarak diagonal antar titik pusat tube (m) = diameter luar tubes (m)

Analisis perpindahan panas berdasarkan masing-masing zona adalah sebagai berikut:

a) Desuperheating Zone

Secara umum koefisien perpindahan rata-rata untuk aliran eksternal pada bank of tubes didapatkan dengan menggunakan persamaan berikut :

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

………...(2.9) dengan, ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = Nusselt number rata-rata desuperheating

zone

Pr = Prandtl number

= Koefisien konveksi desuperheating zone ( ⁄ )

= Konduktivitas termal fluida ( ⁄ )

Untuk mencari nilai Nusselt number digunakan persamaan Zukauskas disertai korelasinya sebagai berikut :

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ( ) ⁄ …….(2.10)

12 * +

Dimana seluruh properties dicari pada temperatur rata-rata antara fluida masuk dan fluida keluar , kecuali yang dicari berdasarkan temperature dinding tube . Nilai dan m dapat diperoleh dari Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Constants of Equation 2.15 For tube banks

Jika nilai NL < 20, digunakan faktor koreksi yang didapatkan dari Tabel 2.2 dan persamaan nusselt number menjadi:

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ………(2.11) Tabel 2.2 Constants of Equation 2.11 For tube bank

b) Condensing Zone

Pada condensing zone terjadi perpindahan panas yang disertai dengan perubahan fase. Dengan adanya perubahan fase

13

13 ini, hukum Zukauskas tidak dapat digunakan. Koefisien konveksi condensing zone rata-rata pada permukaan luar tube banks dapat dihitung menggunakan analisis film condensation pada radial system dengan rumus:

[

]

⁄

…………(2.12) Seluruh properties aliran dicari pada film temperature [ ⁄ ] kecuali dan yang dicari pada saturated temperature (Tsat). Nilai dapat dihitung dengan:

…………(2.13) Ja merupakan Jacob number yang dihitung dengan persamaan:

(

)………(2.14) dengan, = Koefisien konveksi condensing zone

⁄

= Percepatan gravitasi = ⁄ = Massa jenis fluida ⁄

= Perubahan entalpi ⁄

= Viskositas absolut fluida ⁄ = Panas jenis fluida ⁄

= Jumlah tubes horizontal pada baris vertical c) Subcooling Zone

Fluida masuk pada subcooling zone berupa saturated water. Nilai reynold number pada subcooling zone dapat dihitung dengan persamaan 2.6. Setelah mendapat nilai , maka nilai nusselt number dapat dihitung dengan korelasi Zukauskas pada persamaan 2.15. ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ₍ ) ⁄ …………..(2.15)

14 * +

Dimana seluruh properties dicari pada temperatur rata-rata antara fluida masuk dan fluida keluar , kecuali yang dicari berdasarkan temperature dinding tube . Nilai dan m dapat diperoleh dari table 2.1.

Jika nilai NL < 20, digunakan faktor koreksi yang didapatkan dari Tabel 2.2 dan persamaan nusselt number menjadi:

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ………….(216) Setelah diperoleh nilai Nusselt Number dari aliran, maka koefisien konveksi dapat dihitung dengan rumus:

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

……….(2.17) dengan, ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = Nusselt number rata-rata subcooling zone

Pr = Prandtl number

= Koefisien konveksi subcooling zone ( ⁄ )

= Konduktivitas termal fluida ( ⁄ ) 2.1.4.2 Perpindahan Panas Sisi Tube

Perpindahan panas akibat fluida mengalir didalam pipa termasuk pada aliran internal. Aliran internal adalah aliran fluida yang dibatasi oleh surface. Dalam aliran internal dibagi menjadi 2 jenis aliran yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Kedua jenis aliran ini dapat dibedakan berdasarkan nilai Reynolds number. Suatu aliran dikatakan turbulen jika memiliki nilai Reynolds number lebih dari 2300 (aliran dalam pipa), jika nilai Reynolds

15

15 number kurang dari 2300 maka aliran tersebut berpola laminar. Reynolds number untuk aliran dalam pipa digunakan persamaan berikut ini

... (2.18) Karena ̇ = ρ.v.Ac dan nilai Ac = π D2

/4 (aliran di dalam circular tube), maka Reynolds number juga bias dituliskan sebagai

berikut:

̇

... (2.19) dengan, = massa jenis fluida

= kecepatan fluida D = diameter dalam tube = viskositas absolut fluida ̇ = laju aliran massa a. Aliran Laminar

Aliran laminar adalah aliran yang memiliki reynolds number < 2300. Perpindahan panas pada aliran laminar didalam pipa dapat ditinjau dari 2 kondisi yaitu constant wall temperature dan constant wall heat flux. Pada circular tube dengan karakteristik uniform surface heat flux dan laminar fully develop condisition Nusselt numbernya konstan dan tidak bergantung pada Re, Pr, dan axial location. Nilai Nusselt number pada aliran laminar didapatkan dari persamaan berikut:

(Ts = konstan) ... (2.20) (q” = konstan) ... (2.21) b. Aliran Turbulen

Dalam aliran turbulen Nusselt number dapat dihitung menggunakan persamaan dari Gnielinski’s correlation, pada persamaan berikut:

⁄

16

dengan, f = = Reynolds number sisi tube Pr = Prandtl number

Persamaan 2.15 dapat diaplikasikan jika memenuhi beberapa persyaratan berikut ini:

[

⁄ ]

Setelah dilakukan perhitungan nilai Nusselt Number (Nu) maka nilai koefisien konveksi pada sisi tube dapat diperoleh dengan rumus:

………(2.23)

2.1.5 Overall Heat Transfer Coeficient

Overall heat transfer coeficient adalah total tahanan thermal antar dua fluida yang terjadi perpindahan panas. Koefisien ini dapat dihitung dengan cara menjumlahkan tahanan thermal akibat konduksi dan konveksi diantara dua fluida yang dibatasi dinding silinder. Secara umum overall heat transfer coeficient dapat dicari dengan rumus berikut:

... (2.24) Nilai tahanan termal yang terdapat dalam sistem terdiri atas tahanan termal akibat konveksi aliran dalam tube, konduksi dalam material silinder, dan konveksi aliran di luar tube seperti pada Gambar 2.4, maka persamaan tahanan termal total pada system dapat dihitung dengan persamaan berikut

... (2.25)

17

17 = koefisien konveksi untuk aliran di dalam tube

Gambar 2.4 Tahanan termal pada tube

Sumber: Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6th edition Nilai tahanan termal total dapat berubah akibat pengaruh fouling atau pengotor. Pengotoran yang terjadi pada tube akan menghambat aliran perpindahan panas. Faktor pengotor ini dinamakan fouling factor atau tahanan pengotor( ). Apabila dalam perencanaan Heat exchanger dipertimbangkan juga factor pengotoran, maka persamaan koefisien perpindahan panas menyeluruh adalah sebagai berikut:

... (2.26) 2.1.6 Analisis Pressure Drop

2.1.6.1 Pressure Drop Sisi Shell

Penurunan tekanan di sisi shell dipengaruhi oleh berapa kali fluida mengalir secara menyilang terhadap tube bundle. Misalnya, jika panjang dari tube bundle dibagi oleh empat baffle, maka fluida mengalir secara menyilang terhadap tube bundle sebanyak lima kali. Itu artinya pemilihan jumlah baffle dan baffle spacing menjadi parameter penting dalam menentukan pressure

18

drop di sisi shell. Perhitungan shell side pressure drop dapat dihitung dengan pendekatan rumus empiris dari McAdams, yaitu:

( ⁄ ) …………..(2.27) adalah jumlah baffle yang dapat dihitung dengan rumus:

………(2.28) adalah friction factor pada sisi shell yang dapat dihitung dengan rumus:

……….(2.29) * +

adalah shell side mass velocity yang dapat dihitung dengan rumus:

̇ ………..(2.30) adalah diameter dalam shell dapat dihitung dengan rumus:

adalah bundle crossflow area yang dapat dihitung dengan rumus:

………..…..(2.31) dengan, = Diameter dalam shell (m)

= Clearance (m) = baffle spacing (m)

= Pitch tube (m)

19

19 * ( √ )⁄( ⁄ )+

= Panjang tiap zona perpindahan panas (m) = Viskositas absolut pada ⁄ = Viskositas absolut pada ⁄ PR = Pitch tube ratio (

CTP = Konstanta tube pass, 1 tube pass CTP = 0,93 2 tube pass CTP = 0,9 3 tube pass CTP = 0,85 CL = konstanta tube layout , CL=1 untuk 900 dan 450

CL=0,87 untuk 300 dan 600 2.1.6.2 Pressure Drop pada sisi tube

Pressure drop yang terjadi didalam tube terdiri dari headloss major dan headloss minor. Headloss major terjadi akibat adanya gesekan didalam tube sedangkan headloss minor terjadi akibat adanya perubahan arah aliran di dalam tube (aliran multipass) dan adanya perubahan luasan (sudden expansion dan sudden contraction). Headloss major dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

... (2.32) Besarnya minor losses dapat dihitung dengan persamaan,

... (2.33) Sehingga, total penurunan tekanan di sisi tube adalah:

[

] ... (2.34) dengan, = Pressure drop pada sisi tubes (Pa)

= Friction factor, ( ) L = Panjang tube pada satu laluan heat exchanger (m) Np = Jumlah laluan tubes pada heat exchanger

20

= Diameter dalam tubes (m)

2.2 Penelitian Terdahulu

Pada subbab ini akan dibahas mengenai penelitianpenelitian terdahulu yang akan digunakan sebagai dasar pertimbangan dalam re-design high pressure heater.

2.2.1 Ekadewi Anggraini Handoyo (2001)

Ekadewi Anggraini Handoyo (2001), melakukan penelitian yang berjudul “Pengaruh Penggunaan Baffle pada

Shell-and-Tube Heat exchanger”. Penelitian dilakukan untuk

mengetahui pengaruh penggunaan baffle terhadap efektifitas dan penurunan tekanan dalam heat exchanger. Fluida yang digunakan dalam eksperimen adalah udara yang dialirkan masuk heat exchanger dengan bantuan blower. Udara panas dihasilkan dengan mengalirkan udara melalui elemen pemanas, sehingga temperatur udara panas konstan 165oC. Udara yang bertemperatur lebih rendah (disebut dingin) masuk pada temperature kamar yang dijaga konstan 27oC.

Dari Gambar 2.4 terlihat bahwa efektifitas pemanasan meningkat seiring dengan peningkatan laju aliran massa sampai titik tertentu dan kemudian menurun. Hal ini dapat dimengerti karena dengan naiknya laju aliran massa berarti kecepatan aliran meningkat. Kecepatan aliran yang meningkat membuat bilangan Reynold aliran membesar (lebih turbulen), dimana hal ini membawa dampak yang menguntungkan yaitu kenaikan koefisien perpindahan panas konveksi yang pada akhirnya meningkatkan koefisien perpindahan panas total dalam heat exchanger. Namun, kenaikan laju aliran massa juga membuat waktu kontak/singgung antara kedua fluida (dalam hal ini udara panas dan udara dingin)

21

21 menjadi lebih singkat. Jadi, dengan meningkatnya laju aliran massa perpindahan panas dalam heat exchanger lebih baik namun waktu kontak lebih singkat.

Dari Gambar 2.5 terlihat bahwa penurunan tekanan aliran sisi shell meningkat dengan naiknya laju aliran massa dan mengecilnya jarak antar baffle yang digunakan. Semakin banyak baffle yang dipasang, luas penampang aliran melintang (cross flow) dari udara semakin kecil. Lintasan yang ditempuh udara dingin semakin panjang dan untuk laju aliran massa yang sama, dibanding dengan jika jumlah baffle sedikit, akan membuat kecepatan udara dingin meningkat sehingga penurunan tekanan membesar.

22

Gambar 2.6 Penurunan tekanan sisi shell.

2.2.2 Irfan S.Hussaini, Syed M. Zubair, M.A.Antar (2006) Irfan S.Hussaini, Syed M. Zubair, M.A.Antar (2006) dalam penelitiannya yang berjudul “Area Allocation in Multi

Zone Feedwater Heaters” melakukan penelitian yang bertujuan

untuk mengetahui perpindahan panas yang terjadi pada zona-zona yang terdapat pada feedwater heater yaitu pada Desuperheating zone, Condensing zone, dan Subcooling zone. Peneltitian dilakukan pada shell and tube heat exchanger tipe U-Tube dengan arah aliran counterflow. Penelitian menggunakan metode LMTD untuk menghitung besar beda temperatur rata-rata yang terjadi pada setiap zona feedwater heater.

Pada Gambar 2.6 dapat dilihat bahwa zona terbesar yang terdapat pada feedwater heater adalah zona Condensing dan berikutnya adalah zona Desuperheating. Temperatur steam pada shell side mengalami penurunan dari 701.9 oF menjadi 395 oF. Temperatur feedwater pada tube side mengalami kenaikan dari 385.4 ºF menjadi 457.9 ºF. Pada gambar juga dapat dilihat bahwa zona Desuperheating memiliki luas sekitar 30% dari total area perpindahan panas di heat exchanger. Selain itu pada Gambar 2.7 dapat dilihat pembagian daerah pada feedwater heater. Dimana zona 1 adalah zona Desuperheating, zona 2 adalah zona Condensing, dan zona 3 adalah zona Subcooling.

23

23 Gambar 2.7 Distribusi temperatur pada area sepanjang

heat exchanger

Gambar 2.8 Pembagian zona pada feedwater heater Dalam penelitian ini juga dapat disimpulkan bahwa alokasi area perpindahan panas pada feedwater heater tidakd ipengaruhi oleh perubahan temperatur inlet uap tetapi sangat dipengaruhi oleh tekanan uap ceratan dari turbin dan perubahan dari laju aliran massa uap. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.8.

24

Gambar 2.9 Variasi dari distribusi area dengan tekanan uap ekstraksi

25

BAB III

METODOLOGI

3.1 Metodologi Penelitian

Pada perancangan High Pressure Heater 2 dilakukan dengan menggunakan bantuan software dan perhitungan dengan analisis termodinamika dan perpindahan panas. Terdapat variasi kecepatan pada feedwater dan baffle spacing yang akan digunakan guna memperoleh hasil design yang paling optimal. Kemudian hasil output sizing dari simulasi akan dibandingkan dengan perhitungan manual dengan analisis termodinamika dan perpindahan panas. Secara garis besar, tahapan yang dilakukan untuk melakukan simulasi dan perhitungan HPH 2 dengan variasi kecepatan masuk feedwater dan baffle spacing adalah sebagai berikut:

1.Idenfitikasi Masalah

Dilakukan identifikasi masalah yang ada di PLTU, khususnya pada peralatan HPH 2 yang mengalami kerusakan pada bagian tube.

2. Studi Literatur

Studi literatur berfokus pada bagaimana merancang sistem heat exchanger jenis shell and tube sesuai dengan standar dan mempelajari karakteristik pada beberapa variasi kecepatan feedwater yang akan diaplikasikan pada batas operasional heat exchanger. Selain itu perlu dipelajari analisis termodinamika dan perpindahan panas untuk menghitung kalor, geometri , pressure drop, serta vibrasi pada tiap variasi. Studi literatur diperoleh dari e-book, jurnal, dan penelitian yang berkaitan dengan topik permasalahan yang akan diteliti.

3. Pengumpulan dan Pengolahan Data

Pengumpulan data dapat diperoleh dari data existing yang berasal dari PLTU, berbagai jurnal dan penelitian

26

tentang heat exchanger yang sudah dilakukan sebelumnya. Data-data pendukung yang digunakan dalam perancangan mempunyai peranan yang sangat penting sebagai dasar dalam menentukan langkah-langkah perancangan alat yang diinginkan, data tersebut didapatkan dari data operasi PLTU UPJ 2 Pelabuhan Ratu. Properties fluida harus disesuaikan dengan batasan yang ada pada sistem.

4. Redesign HPH 2

Redesign HPH 2 dilakukan dengan 2 cara, yaitu: Simulasi perancangan HPH 2 menggunakan software design heat exchanger dengan beberapa referensi design dengan variasi kecepatan dan baffle spacing yang telah ditentukan. Setelah itu dilakukan perhitungan dengan analisis termodinamika dan perpindahan panas. Perhitungan digunakan untuk memperoleh sizing dari heat exchanger. Sizing tersebut diantaranya: jumlah tube, Panjang tube, Panjang tiap zone, diameter shell, dll. 5. Analisis dan Pengolahan Data Hasil Perhitungan

Setelah melakukan perhitungan hasil perhitungan tersebut akan diolah dalam bentuk tabel dan grafik. Setelah itu analisis secara perpindahan panas dan pressure drop akan dilakukan terhadap beberapa variasi kecepatan feedwater dan baffle spacing yang digunakan untuk menghasilkan sizing heat exchanger yang paling optimal. 6. Penyusunan Laporan

hasil dari perhitungan akan dituangkan ke dalam laporan yang disusun secara sistematis dan sesuai dengan laporan tugas akhir pada umumnya.

27

27

3

.2 Flowchart Metodologi Penelitian

Gambar 3.1 Flowchart Penelitian 3.3 Pengumpulan Data

Data yang digunakan untuk melakukan perhitungan didapat dari data operasi, dan data desain High Pressure Feedwater

Start

Identifikasi masalah

Studi literatur

Pengumpulan dan Pengolahan Data

Redesign HPH 2 dengan variasi kecepatan, baffle spacing menggunakan perhitungan

Analisis dan pengolahan data hasil perhitungan

Penyusunan laporan

28

Heater 2 diperoleh dari dokumen PLTU UPJ 2 Pelabuhan Ratu. Data spesifikasi operasi dapat dilihat pada Tabel 3.1. dan Gambar 3.2.

Tabel 3.1 Data Properties Fluida pada HPH 2 Existing

#2 HP Heater Extraction Steam

Inlet Water of 2nd HP Heater

Temperature T2w_in ℃ 212,71

Outlet Water of 2nd HP Heater

Temperature T2w_out ℃ 243,95

2ndExtraction Steam Pressure

(heater side) P2s_in MPa 3,66

2nd Extraction Steam

Temperature (heater side) T2s_in ℃ 326.6 Drain Water of 2nd HP Heater

Temperature T2w_d ℃ 218.2

2nd HP Heater Inlet Water

Enthalpy H2w_in kJ/kg 916.15

2nd HP Heater Outlet Water

Enthalpy H2w_out kJ/kg 1058.18

2nd Extraction Steam Enthalpy

(heater side) H2s_in kJ/kg 3041.95

Drain Water of 2nd HP Heater

Saturation Pressure P2w_d bar 22.42

Drain Water of 2nd HP Heater

Enthalpy H2w_d kJ/kg 935.35

#2 HP Heater Extraction Steam

29

29 Gambar 3.2 Properties Fluida pada HPH 2

3.4 Flowchart Redesign High Pressure Heater 2

1

H

To HPH 1 243,95 °C 1058,18 kJ/kg From Drain HPH 1 252,69 °C 1058.18 kJ/kg 82 t/h

From Extraction Steam

3,66 MPa 3041,95 kJ/kg 67,80 t/hr 326,6 °C From HPH 3 212,71°C 916,15 kJ/kg 1100 t/hr To HPH 3 218.2 °C 935,35 kJ/kg 149,8 t/hr INPUT: Feedwater : 𝑚̇𝑤𝑖 𝑇𝑤𝑖 𝑃𝑤𝑖 𝐻𝑤𝑖 Steam Inlet : 𝑚̇𝑠𝑖 𝑇𝑠𝑖 𝑃𝑠𝑖 𝐻𝑠𝑖 Drain Inlet : 𝑚̇𝑑𝑖 𝑇𝑑𝑖 𝑃𝑑𝑖 𝐻𝑑𝑖 Drain Outlet : 𝑚̇𝑑𝑜 𝑇𝑑𝑜 𝑃𝑑𝑜 𝐻𝑑𝑜 Start A

30 𝑇𝑙𝑚 𝑑𝑒𝑠 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑑𝑠 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑐 𝑙𝑛 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑑𝑠 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑐 Menghitung 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑇𝑙𝑚 𝑑𝑒𝑠 𝑇𝑠𝑖 𝑇𝑐𝑜 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑑𝑠 𝑙𝑛 𝑇𝑠𝑖 𝑇𝑐𝑜 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑑𝑠 Menghitung 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑇𝑙𝑚 𝑑𝑒𝑠 𝑇𝑠𝑖 𝑇𝑐𝑜 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑑𝑠 𝑙𝑛 𝑇𝑠𝑖 𝑇𝑐𝑜 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑤𝑑𝑠 Menghitung 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷

Asumsi nilai overall heat transfer coeffiecient desuperheating

𝑈𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑠

Asumsi nilai overall heat transfer coeffiecient condensing 𝑈𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛

Asumsi nilai overall heat transfer coeffiecient desuperheating 𝑈𝑎𝑠 𝑠𝑢𝑏 𝐴𝑑𝑒𝑠 𝑄𝑑𝑒𝑠 𝑈𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑠 𝑇𝑙𝑚 𝑑𝑒𝑠 Menghitung Luas Desuperheating Zone 𝐴𝑐𝑜𝑛 𝑄𝑐𝑜𝑛 𝑈𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑇𝑙𝑚 𝑐𝑜𝑛 Menghitung Luas Condensing Zone 𝐴𝑠𝑢𝑏 𝑄𝑠𝑢𝑏 𝑈𝑎𝑠 𝑠𝑢𝑏 𝑇𝑙𝑚 𝑠𝑢𝑏 Menghitung Luas Subcooling Zone E Menghitung nilai:  𝑄𝑑𝑒𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟 𝑒𝑎𝑡𝑖𝑛𝑔 𝑄𝐶𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛𝑔 𝑄𝑆𝑢𝑏𝑐𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔  𝑇𝑤𝑜 𝑇𝑤𝑐 𝑇𝑤𝑑𝑠 A B

31

31 Menghitung diameter shell

𝐷𝑠 𝐶𝐿 𝐶𝑇𝑃 * 𝐴𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑅 𝑑𝑜 𝐿 +

Menghitung jumlah tube 𝑁𝑇 (𝐶𝑇𝑃 𝐶𝐿) 𝐷𝑠 𝑃𝑅 𝑑𝑜 𝐴𝑆𝑑𝑒𝑠 𝐼𝐷𝑠 𝑒𝑙𝑙 𝐶 𝐿𝑑𝑒𝑠 𝑃𝑡 Menghitung Crossflow Area Desuperheating Zone

𝐴𝑆𝑐𝑜𝑛 𝐼𝐷𝑠 𝑒𝑙𝑙 𝐶 𝐿𝑐𝑜𝑛 𝑃𝑡 Menghitung Crossflow Area Condensing Zone

𝐴𝑆𝑠𝑢𝑏 𝐼𝐷𝑠 𝑒𝑙𝑙 𝐶 𝐿𝑠𝑢𝑏 𝑃𝑡 Menghitung Crossflow

Area Subcooling Zone

𝑉𝑠𝑑𝑒𝑠 𝑚̇𝑠 𝐴𝑆𝑑𝑒𝑠 𝜌𝑑𝑒𝑠 Menghitung Shell Side

Mass Velocity Desuperheating Zone

𝑉𝑠𝑠𝑢𝑏

𝑚̇𝑠 𝑚̇𝑑𝑖 𝐴𝑆𝑠𝑢𝑏 𝜌𝑠𝑢𝑏 Menghitung Shell Side Mass Velocity Subcooling

Zone

B

32

𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑒𝑠 (

𝑆𝑇

𝑆𝑇 𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒) 𝑉𝑠𝑑𝑒𝑠 Menghitung Kecepatan Maksimum Fluida Sisi Shell,

Desuperheating

𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑢𝑏 (

𝑆𝑇

𝑆𝑇 𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒) 𝑉𝑠𝑠𝑢𝑏 Menghitung Kecepatan Maksimum Fluida Sisi Shell,

Subcooling

Menghitung Reynold Max sisi Shell, Desuperheating 𝑅𝑒𝑑𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑒𝑠 𝜌𝑑𝑒𝑠 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒

𝜇𝑑𝑒𝑠

Menghitung Reynold Max sisi Shell, Subcooling

𝑅𝑒𝑑𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑢𝑏 𝜌𝑠𝑢𝑏 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑢𝑏 𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒

𝜇𝑠𝑢𝑏

Menghitung Nusselt Number Desuperheating 𝑵𝒖𝑫 𝒅𝒆𝒔 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐶 𝑅𝑒𝑑𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑒𝑠𝑚 𝑃𝑟 ( 𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑠) ⁄ Atau 𝑵𝒖𝑫 𝒅𝒆𝒔 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐶 𝑅𝑒𝑑𝑚𝑎𝑥 𝑑𝑒𝑠𝑚 𝑃𝑟 𝑵𝒖𝑫 𝒔𝒖𝒃 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐶 𝑅𝑒𝑑𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑢𝑏𝑚 _{𝑃𝑟 (}𝑃𝑟 𝑃𝑟𝑠 ) ⁄ 𝑵𝒖𝑫 𝒔𝒖𝒃 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐶 𝑅𝑒𝑑𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑢𝑏𝑚 𝑃𝑟 Menghitung Nusselt Number Subcooling

Atau

𝑜𝑑𝑒𝑠

𝑁𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑠 𝐾𝑑𝑒𝑠

𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒 Menghitung Koefisien

Konveksi Sisi Shell,

Desuperheating 𝑜𝑐𝑜𝑛

*𝑔 𝜌𝑙 𝜌𝑙 𝜌𝑣 𝑘𝑙 𝑓𝑔 𝑁 𝜇𝑓 𝑇𝑠𝑎𝑡 𝑇𝑐 𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒 +

Menghitung Koefisien Konveksi Sisi

Shell, Desuperheating

𝑜𝑠𝑢𝑏

𝑁𝑢𝑑 𝑠𝑢𝑏 𝐾𝑠𝑢𝑏

𝑑𝑜𝑡𝑢𝑏𝑒 Menghitung Koefisien

Konveksi Sisi Shell, Subcooling C

𝑣𝑓𝑤

𝑚̇ 𝑁𝑃⁄𝑁𝑇 𝜋 𝜌 𝑑𝑖

Menghitung kecepatan aliran sisi tube

D

𝑅𝑒𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜌 𝑣𝑓𝑤 𝑑𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜇𝑡𝑢𝑏𝑒

33

33 Gambar 3.3 Flowchart Design Menggunakan Analisis

Termodinamika dan Perpindahan Panas D 𝑁𝑢𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑓 𝑅𝑒 𝑃𝑟 𝑓 _(𝑃 𝑟 ) Menghitung Reynold Number Sisi Tube

𝑖

𝑁𝑢𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑘

𝑑𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒

Menghitung Koefisien konveksi Sisi Tube

𝑈𝑐𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑠 𝑟𝑜 𝑟𝑖 𝑖 𝑟𝑜 (𝑟𝑜_𝑟 𝑖 ⁄ ) 𝑘 𝑜𝑑𝑒𝑠

Menghitung Nilai Overall Heat Transfer Coefficient Desuperheating 𝑈𝑐𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑜 𝑟𝑖 𝑖 𝑟𝑜 (𝑟𝑜_𝑟 𝑖 ⁄ ) 𝑘 𝑜𝑐𝑜𝑛

Menghitung Nilai Overall Heat Transfer Coefficient Condensing 𝑈𝑐𝑎𝑙 𝑠𝑢𝑏 𝑟𝑜 𝑟𝑖 𝑖 𝑟𝑜 (𝑟𝑜_𝑟 𝑖 ⁄ ) 𝑘 𝑜𝑠𝑢𝑏

Menghitung Nilai Overall Heat Transfer Coefficient Subcooling ≤𝑈𝑎𝑠 𝑈𝑐𝑎𝑙 𝑈𝑐𝑎𝑙 ≤ E OUTPUT: 1. Tube:  Jumlah tube  Kecepatan feedwater 2. Shell:  Diameter shell  Luas shell 3. Baffle:  Jumlah baffle End

34

3.5 Flowchart Perhitungan Variasi Kecepatan feedwater

terhadap hi dan

Start

𝑣𝑓𝑤 𝑣𝑓𝑤 𝑣𝑓𝑤 𝑣𝑓𝑤 𝑣𝑓𝑤5 INPUT:

µ, ρ, K, Pr , Cp

(pada temperature rata-rata tube)

𝑣𝑓𝑤 𝑖 𝑣𝑓𝑤 𝑅𝑒𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜌 𝑣𝑓𝑤 𝑖 𝑑𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜇 𝑓𝑖 ( 𝑙𝑛𝑅𝑒 𝑖 ) 𝑁𝑢𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑓 (𝑅𝑒 𝑖 ) 𝑃𝑟 𝑓𝑖 (𝑃𝑟 ) 𝑖 𝑁𝑢𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑘 𝑑𝑖 𝑡𝑢𝑏𝑒

Menghitung Reynold Number Sisi Tube

B B

𝑣𝑓𝑤 𝑖

35

35 Gambar 3.4 Flowchart Variasi Kecepatan terhadap hi dan

𝑁𝑇 𝑖 𝑚̇ 𝜌 𝑣 𝐴 𝐴𝑑𝑒𝑠 𝑖 𝑄𝑑𝑒𝑠 𝑈𝑑𝑒𝑠 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑑𝑒𝑠 𝐹𝑇 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑖 𝑄𝑐𝑜𝑛 𝑈𝑐𝑜𝑛 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑐𝑜𝑛 𝐹𝑇 𝐴𝑠𝑢𝑏 𝑖 𝑄𝑠𝑢𝑏 𝑈𝑠𝑢𝑏 𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑠𝑢𝑏 𝐹𝑇 𝐿_{𝑑𝑒𝑠 𝑖} 𝐴𝑑𝑒𝑠 𝑖 𝜋 𝑑_𝑜 𝑁_𝑇 𝐿𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑖 𝐴_{𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑖} 𝜋 𝑑𝑜 𝑁𝑇 𝐿_{𝑠𝑢𝑏 𝑖} 𝐴𝑠𝑢𝑏 𝑖 𝜋 𝑑_𝑜 𝑁_𝑇 𝑈𝑖 𝑟𝑜 𝑟𝑖 𝑖 𝑟𝑜 (𝑟𝑜_𝑟 𝑖 ⁄ ) 𝑘 𝑜 𝑖

Menghitung Nilai Overall Heat Transfer Coefficient masing-masing velocity A 𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐿𝑑𝑒𝑠 𝐿𝑐𝑜𝑛𝑑 𝐿𝑠𝑢𝑏 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ( 𝑓 𝐿 𝑁𝑝 𝑑𝑖 𝑁𝑝) 𝜌 𝜇𝑚 𝑓 𝑅𝑒 𝑣𝑓𝑤 𝑖 𝑣𝑓𝑤 5 OUTPUT:  Grafik v vs hi  Grafik v vs 𝑃 End B

36

3.6 Flowchart Perhitungan Variasi Baffle terhadap ho dan

B Start 𝐵𝑆𝑖 𝐵𝑆 𝐴𝑠 𝐼𝐷𝑠 𝑒𝑙𝑙 𝐶 𝐵𝑆 𝑆𝑇 𝐺𝑠 𝑚̇ 𝐴𝑠 𝐷𝑒 (𝑆𝑇 √ 𝜋𝑑𝑜₎ 𝜋𝑑𝑜 𝑁𝑏 𝐿𝑧𝑜𝑛𝑒 𝐵𝑆 𝐵𝑆𝑖 𝐵𝑆 𝐵𝑆 𝐵𝑆 𝐵𝑆 𝐵𝑆5 INPUT: µ, ρ , K, Pr , Cp

(pada temperature rata-rata shell)

𝑅𝑒𝑠

𝐷𝑒 𝐺𝑠

𝜇

37

37 Gambar 3.5 Flowchart Perhitungan Variasi baffle terhadap ho

dan 𝑓 𝑅𝑒𝑠 A 𝑃 𝑓 𝐺𝑠 𝐷𝑠 𝑁𝐵 𝜌 𝐷𝑒 (𝜇𝑏⁄ )𝜇_𝑘 𝑜 𝑖 * ( 𝐷𝑒 𝐺𝑠 𝜇 ) 55 (𝑐𝑝 𝜇 𝑘 ) (𝜇𝑏 𝜇𝑤 ) + 𝑘 𝐷⁄ 𝑒

Menghitung heat transfer coefficient sisi shell

B B 𝐵𝑆𝑖 𝐵𝑆5

End

OUTPUT: 1. Grafik Bs vs ho 2. Grafik Bs vs 𝑝 B

38

39

BAB IV

ANALISIS DAN PEMBAHASAN

4.1 Data yang Digunakan

Proses redesign HPH 2 membutuhkan beberapa data untuk digunakan sebagai acuan. Data diperoleh dari PLTU UJP Jabar 2 Palabuhan Ratu dalam kondisi beban maksimum. Beberapa data yang digunakan adalah tekanan masuk, tekanan keluar, temperatur masuk, dan temperatur keluar steam maupun feedwater pada HPH 2. Data tersebut ditunjukkan pada Tabel 4.1. Tabel 4.1 Data properties fluida pada HPH 2

Parameter Unit Steam In Drain In Drain Out Feedwater In Feedwater Out Pressure MPa 3,66 6,26 3,66 19,35 19,35 Temperature C 326,2 6 252,69 218,2 0 212,71 243,95 Enthalpy Kj/Kg 3.041 ,95 1.098,8 1 935,3 5 916,15 1.058,18 Mass Flowrate Kg/s) 18,83 22,78 41,61 305,56 305,56 4.2 Analisis Termodinamika

High Pressure Heater 2 dianalisis secara termodinamika, sehingga HPH 2 dianggap sebagai sebuah volume atur. Dengan menggunakan data dari Tabel 4.1 maka HPH 3 dapat dianalisis dengan persamaan kesetimbangan energi sesuai dengan skema pada Gambar 4.1. Analisis termodinamika dilakukan pada kondisi steady state, sehingga persamaan kekekalan energi pada HPH 2 adalah sebagai berikut:

40

Gambar 4.1 Kesetimbangan Energi HPH 2 ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ( ̇ ) ( ) ( ) ̇

41

41 Dari kesetimbangan energi diatas didapatkan ̇ . Dari perhitungan diperoleh ̇ sebesar 18,83 Kg/s namun untuk mencegah terjadinya losses yang terjadi maka nilai ̇ ditingkatkan sebesar 10% menjadi 20,71 Kg/s.

4.2.1 Laju Perpindahan Panas pada Sisi Shell

Perhitungan laju perpindahan panas pada sisi shell dilakukan berdasarkan masing-masing zona pada HPH 2 meliputi zona desuperheating, condensing dan subcooling. Untuk memudahkan analisis, dilakukan pembagian section pada HPH 2 berdasarkan zona. Pembagian section pada HPH 2 seperti pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 Pembagian Section pada HPH a. Zona Desuperheating (Section 1-2)

Laju perpindahan panas zona desuperheating ditunjukkan sebagai berikut,

̇ ( )

42

= 5012,986 kW

Nilai temperatur aliran di dalam tube di awal zona Desuperheating section 1-2 (Tx3) dapat dihitung dengan persamaan konservasi energi sebagai berikut.

̇ b. Zona Condensing

Zona Condensing pada HPH dibagi menjadi 2 section yaitu Condensing steam dan drain inlet.

1. Condensing I (section 2-3)

Laju perpindahan panas pada kondensasi 1 section 2-3 ini dihitung dengan persamaan konservasi energi, dengan adalah laju perpindahan panas pada aliran dalam tube sepanjang section 2-3 dan adalah laju perpindahan panas akibat proses kondensasi steam pada sisi shell yang terjadi di sepanjang 2-3. Berdasarkan hasil iterasi diketahui temperature aliran di dalam tube di akhir section 2-3 ( ) sebesar , sehingga laju perpindahan panas panas pada zona condensing I dapat diperoleh dari persamaan berikut,

̇

= 16388,68 kW

Sedangkan kualitas campuran steam pada section ini dapat diperoleh dengan persamaan berikut:

̇ ( )

43

43 2. Condensing II (section 3-4)

Pada zona condensing section 3-4 terjadi proses perpindahan panas akibat percampuran antara aliran steam dan kondensat dari section 2-3 dengan drain yang berasal dari HPH 1. Untuk itu, perlu dicari kualitas uap campuran rata-rata antara kedua fluida tersebut. Ketika drain dari HPH 1 masuk ke HPH 2 maka akan mengalami penurunan tekanan dari 6,3 MPa menjadi 3,66 MPa pada entalpi konstan, sehingga perlu diketahui berapa kualitas campuran drain pada tekanan 3,66 MPa. Kualitas campuran drain dapat dicari menggunakan persamaan sebagai berikut: = 0,0211

Setelah mendapatkan kualitas campuran drain inlet, maka dapat dihitung kualitas uap campuran rata-rata sebagai berikut. ̇ ̇ ̇

( ) ( )

Maka laju perpindahan panas di zona Condensing II adalah sebagai berikut, ̇ ̇ ( ) c. Zona Subcooling

Laju perpindahan panas pada zona subcooling sebagai berikut

̇ ( )

44

Nilai temperatur aliran di dalam tube di akhir zona Subcooling section 4-5 ( ) dapat dihitung dengan persamaan konservasi energi sebagai berikut.

̇

Maka laju perpindahan panas dari sisi shell yaitu sebagai berikut

Serta untuk laju perpindahan disisi tube didapat sebagai berikut. ̇

45

45 Gambar 4.3 Distribusi temperatur HPH 2

4.3 Analisis Perpindahan Panas pada Heat Exchanger dengan Metode Log Mean Temperatur Difference (LMTD)

4.3.1 Perhitungan ∆TLMTD Tiap Zona

Analisis HPH 2 dengan metode LMTD dilakukan dengan menghitung besarnya ∆TLMTD masing-masing zona pada HPH 2. Analisis dilakukan dengan melakukan pendekatan terhadap karakteristik aliran pada HPH 2 yaitu crossflow. Nilai ∆TLMTD pada masing-masing zona dapat dihitung dengan persamaan berikut: ( ) = 5 5 ( ) ( )

46 = 5 5 5 ( ) ( ) = 5 5 5 5 ( ) ( ) = 5 5 ( )

4.3.2 Perhitungan Luas Perpindahan Panas Tiap Zona

Perhitungan luas perpindahan panas untuk masing-masing zona pada HPH 2 dilakukan dengan mengasumsikan terlebih dahulu nilai overall heat transfer coefficient (Uas). Setelah dilakukan proses looping beberapa kali maka akan didapatkan Uas yang paling mendekati benar.

Diketahui:

Selanjutnya luas perpindahan panas tiap zona didapatkan dari perhitungan berikut ini.



47 47 5 5 139,26 m2  5 5 331,9 m2  5 5 268,71 m2  186,46 m2

Dari hasil perhitungan diatas luas masing-masing zona ditambah safety factor sebesar 10% menjadi 153,2 m2

, 365,1 m2, 295,6 m2 , dan 205,1 m2. Dari hasil yang didapatkan sesuai dengan teori yang ada dimana luas zona condensing jauh lebih besar dari zona desuperheating. Begitu pula bila dibandingkan dengan zona subcooling

4.3.3 Analisis Aliran Internal

Setelah menganalisa metode LMTD maka analisis selanjutnya yang dilakukan adalah menganalisa aliran internal atau aliran feedwater dalam tube. Analisis ini dilakukan untuk mendapatkan dimensi tube, kecepatan optimal dalam tube, jumlah tube yang dibutuhkan dan besarnya koefisien konveksi dalam tube. Beberapa data tube telah diketahui dari HPH 2 sebelumnya seperti tercantum pada Tabel 4.2