ANALISA PERFORMANSI HEAT EXCHANGER PADA SISTEM PENDINGIN MAIN ENGINE FIREBOAT WISNU I (Studi Kasus untuk Putaran Main Engine 600-1200 rpm) Oleh:
NURHADI GINANJAR KUSUMA NRP. 6308030042
PROGRAM STUDI TEKNIK PERMESINAN KAPAL JURUSAN TEKNIK PERMESINAN KAPAL POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2011
PERMASALAHAN 1. Perhitungan perpindahan kalor maksimum yang terjadi di HE. 2. Perhitungan nilai efektifitas yang terjadi di HE. 3. Perhitungan nilai effisiensi thermal yang terjadi di HE. 4. Perhitungan pemakaian bahan bakar pada putaran tinggi, sedang, dan rendah.
TUJUAN 1. Mengidentifikasi perubahan temperatur maksimal yang diharapkan sehingga dapat masuk water jacket dengan temperatur tertentu. 2. Menganalisa pengaruh laju massa fluida terhadap effisiensi HE jenis shell and tube.
BATASAN MASALAH 1. Tipe heat exchanger (HE) terpasang tipe shell and tube. 2. Temperatur ambient air tawar 32oC; udara 33oC. 3. Temperatur air laut masuk HE dianggap konstan (26oC). 4. Putaran maksimal main engine adalah 1200rpm sesuai dengan standar operasi.
METODOLOGI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Pemilihan obyek, topik, dan fokus FP Observasi dan studi literatur Perumusan masalah Pendataan Analisa Pelaporan Sidang
FIREBOAT WISNU I FB Wisnu I merupakan kapal pemadam kebakaran milik PT. Pertamina yang digunakan untuk menjamin keselamatan aktifitas bongkar muat kapal di pelabuhan. FB Wisnu I menggunakan jenis kapal tunda (tugboat) agar mampu bermanuver dengan cepat. Kapal ini memiliki dua buah main engine yang berfungsi sebagai sistem penggerak; masing-masing memiliki daya sebesar 480 HP. Mesin ini memiliki sistem pendingin berupa water jacket yang dilengkapi dengan sebuah heat exchanger (HE) yang memanfaatkan air lait sebagai fluida kerjanya. HE yang dipergunakan pada sistem pendingin di FB Wisnu I ini adalah jenis shell and tube; dan telah dioperasikan sejak tahun 1978.
SISTEM PENDINGIN MAIN ENGINE FIREBOAT WISNU I
MAIN ENGINE Main Engine
Spesifikasi *)
Port
**)
Starboard
Merk
Mitshubishi
Type
6 SN
Daya
480 HP
Putaran
1600
Konsumsi bahan bakar
44 l/hr
Gambar 1 main engine FB Wisnu I Sumber : Manual book Mitshubishi Diesel Engine S6N Keterangan: *)Port: sisi sebelah kiri; **)Starboard: sisi sebelah kanan
HEAT EXCHANGER Sistem pendingin pada main engine FB Wisnu I dilengkapi dengan sebuah HE yang difungsikan untuk menurunkan temperatur air tawar setelah keluar water jacket. Jenis HE yang digunakan pada FB Wisnu I adalah shell and tube, yaitu pipa aliran air laut terdapat
di
dalam
tabung
aliran
air
tawar.
Gambar
2
memperlihatkan kedudukan HE pada main engine yang posisinya berada dibawah tangki air tawar. Spesifikasi teknis HE ini tidak mudah didapat karena manual sudah tidak ada dan name plate sudah tidak terbaca.
HEAT EXCHANGER
Heat Exchanger
Gambar 2 Heat Exchanger
POMPA AIR TAWAR Fresh water pump yang digunakan pada FB Wisnu I adalah jenis sentrifugal. Pompa ini juga memanfaatkan main engine
sebagai
penggerak
dengan
sistem
transmisi
menggunakan teknologi pulley and belt. Fresh water pump digunakan untuk mesirkulasikan air tawar dari water tank ke sistem water jacket (cylinder liner dan head) kembali ke water tank
POMPA AIR TAWAR
Pompa Air Tawar
Gambar 3 Pompa Air Tawar
POMPA AIR LAUT Di FB Wisnu I, sea water pump digunakan untuk memompa air laut dari sea chest dan didistribusikan ke HE untuk mengambil kalor air tawar hasil pendinginan mesin diesel. Keluar dari HE, air laut ini dialirkan ke oil cooler kemudian diteruskan ke manifold gas buang dan shell pendingin poros penggerak kapal. Pompa yang digunakan adalah jenis pompa sentrifugal yang memanfaatkan main engine sebai penggerak mula dengan sistim transmisi menggunakan teknologi pulley and belt.
POMPA AIR LAUT
Pompa Air Laut
Gambar 4 Pompa Air Laut
∞
DATA OPERASIONAL Tabel 1. Data Operasional Heat Exchanger
No 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
n (rpm) 600 700 800 900 1000 1100 1200
T
͚
(°C) 34 34 34 34 34 34 34
Air Laut
Ts (°C) 35 40 46 52 58 63 69
Tin (°C) 26 26 26 26 26 26 26
Tout (°C) 32 37 43 48 53 59 64
Air Tawar
Tin (°C) 40 47 53 60 67 73 80
Sumber : Pengamatan dan Pengukuran pada tanggal 10 Maret 2011
Keterangan: n : Putaran main engine T͚ : Temperatur ruangan Ts : Temperatur surface
Tin Tout
: Temperatur fluida masuk HE : Temperatur fluida keluar HE
DATA ANALISA Tabel 2. Kalor yang Dilepas Air Tawar
n No. (rpm)
Tin
(°C) 34,28
(l/det) 30,85
(kg/det) 30,85
(Kj) 739,38
2
36,51
36,00
36,00
1583,82
3
800
53
36,78
41,15
41,15
2796,63
4
900
60
39,01
46,29
46,29
4071,12
5
1000
67
41,24
51,43
51,43
5551,07
6
1100
73
41,52
56,58
56,58
7462,97
7
1200
80
43,75
61,72
61,72
9374,50
Rumus yang relevan: ṁ q
Q
(°C) 600 40 700 47
1
V
Tout
Air Tawar V ṁ
= πr2 .n
= V.ρ = ṁ.Cp.∆T
DATA ANALISA Tabel 2. Kalor yang Diserap Air Laut
Air Laut n Tin Tout V ṁ No. (rpm) (°C) (°C) (l/det) (kg/det) 1 600 26 32 30,85 31,62
Performansi q ∆TLMTD ε (kJ) (°C) (%) 739,91 7,25 42,86
ηth (%) 18,29
2
700 26
37
36,00
36,90
1583,19
9,37 52,38
38,27
3
800 26
43
41,15
42,18
2796,28
9,13 62,96
44,07
4
900 26
48
46,29
47,45
4071,06
12,62 64,71
47,53
5
1000 26
53
51,43
52,72
5551,44
14,39 65,85
49,49
6
1100 26
59
56,58
57,99
7463,60
14,70 70,21
49,22
7
1200 26
64
61,72
63,26
9375,77
17,40 70,37
50,34
Rumus yang relevan: V
ṁ q
= πr2 .n
= V.ρ = ṁ.Cp.∆T
ΔTLMTD =
ΔT1 − ΔT2 ΔT In 1 ΔT2
ε=
qaktual qmaks
ηth =
(Tairtawar−in − Tairtawar−out ) (Tairlaut−in − Tairlaut−out ) + (Ts − T∞ )
DATA ANALISA Tabel 2. Kalor yang Dilepas ke Lingkungan Udara Ruangan No.
n Ts (rpm) (°C)
T
Tf
v
k pr
(°C)
(°C)
(m²/det) (kJ/m °C)
β
h
qkonveksi
(kJ/m °C)
(Kj)
Gr
(K-1)
1
600 35
34
34,5
1,65.10-5
2,65.10-5
0,725
3,25.10-3
3,69.107
1,65.10-3
6,60.10-4
2
700 40
34
37,0
1,67.10-5
2,63.10-5
0,726
3,23.10-3
2,20.108
2,56.10-3
6,14.10-3
3
800 46
34
40,0
1,70.10-5
2,66.10-5
0,722
3,19.10-3
4,36.108
3,07.10-3
1,47.10-2
4
900 52
34
43,0
1,73.10-5
2,68.10-5
0,724
3,16.10-3
6,47.108
3,42.10-3
2,46.10-2
5
1000 58
34
46,0
1,75.10-5
2,70.10-5
0,723
3,13.10-3
8,55.108
3,69.10-3
3,54.10-2
6
1100 63
34
48,5
1,78.10-5
2,72.10-5
0,723
3,11.10-3
1,02.109
3,89.10-3
4,50.10-2
7
1200 69
34
51,5
1,81.10-5
2,74.10-5
0,727
3,08.10-3
1,23.109
4,11.10-3
5,73.10-2
Rumus yang relevan:
q = h. A.∆T
DATA ANALISA Tabel 2. Konsumsi Bahan Bakar Main Engine FB Wisnu I Berdasar Spec Teknis No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
n (rpm) 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
P out-e P out -spec (kW) 112,61 131,38 150,14 168,91 187,68 206,45 225,22 243,98 262,75 281,52 300,29
Pemakaian Bahan Bakar SFOC η Energi Input (kW-t) (g/kW) (%) 0,0278 130,99 86 0,0276 152,06 86 0,0275 172,92 87 0,0274 193,55 87 0,0272 213,97 88 0,0271 234,18 88 0,0270 254,16 89 0,0270 275,34 89 0,0270 296,52 89 0,0272 320,96 88 0,0275 345,83 87
P out-m (kW) 87,90 102,55 117,20 131,85 146,50 161,15 175,80 190,45 205,10 219,75 234,40
Rumus yang relevan:
Pout − m
π = .D.S.n.Z.pe.50 4
SFOC =
m Ρ out -spec
η=
Pout−spec Energi input
DATA ANALISA
Gambar 5. Perpindahan Kalor Maksimum Yang Terjadi Di Heat Exchanger
DATA ANALISA Dari ketujuh percobaan yang telah dilakukan dengan memvariasikan putaran main engine didapatkan nilai laju perpindahan kalor fluida panas dan fluida dingin yang menunjukkan kecenderungan yang hampir sama. Hal ini disebabkan karena kedua fluida saling menyerap dan melepas kalor sehingga akan terjadi keseimbangan energi. Peningkatan kapasitas aliran perpindahan kalor yang terjadi di heat exchanger disebabkan karena adanya korelasi antara putaran main engine dengan pompa air laut dan air tawar. Semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar temperatur yang terjadi sehingga laju aliran massa yang dihasilkan oleh pompa air laut dan air tawar semakin tinggi untuk memindahkan kalor yang terjadi pada kedua fluida tersebut.
DATA ANALISA
Gambar 6. Performansi HE dengan parameter ηth dan q berdasarkan variasi putaran main engine.
DATA ANALISA Pengamatan yang telah dilakukan dengan memvariasikan putaran main engine didapatkan nilai efektifitas yang semakin rendah dari putaran rendah menuju ke putaran tinggi. Sedangkan effisiensi thermal menunjukkan bahwa semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar effisiensi thermal yang terjadi pada shell and tube HE. Peningkatan kapasitas aliran perpindahan kalor yang terjadi di heat exchanger disebabkan karena adanya korelasi antara putaran main engine dengan pompa air laut dan air tawar. Semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar temperatur yang terjadi sehingga laju aliran massa yang dihasilkan oleh pompa air laut dan air tawar semakin tinggi untuk memindahkan kalor yang terjadi pada kedua fluida tersebut.
DATA ANALISA
Gambar 5 Konsumsi Bahan Bakar Main Engine FB. Wisnu I Berdasarkan Spec Teknis
DATA ANALISA Konsumsi pemakaian bahan bakar berdasarkan spesifikasi teknis menunjukkan bahwa pada putaran 1200-1400 terjadi pemakaian bahan bakar yang optimal. Data tersebut berdasarkan spec teknis pemakaian bahan bakar terhadap putaran main engine. Spesifikasi teknis main engine FB Wisnu I dapat diketahui konsumsi bahan bakar pada putaran maksimal (1600rpm) sebesar 44 l/hr. Sementara SFOC main engine FB Wisnu I tidak diperoleh referensi, sebagai pendekatan spesifikasi teknis produk yang sebanding digunakan untuk memproyeksikan konsisi SFOC main engine FB Wisnu I.
KESIMPULAN 1. Putaran rendah, kenaikan perpindahan kalor pada water jacket mencapai 114,21 % senilai 843,28 kJ; putaran sedang, kenaikan perpindahan kalor pada water jacket mencapai 62,79 % senilai 1377,58 kJ; dan putaran tinggi, kenaikan perpindahan kalor pada water jacket mencapai 25,61 % senilai 1912,16 kJ. 2. Efektifitas (ε) yang terjadi di HE pada putaran rendah mencapai 52,38%; putaran sedang 35,49%; dan putaran tinggi 29,71%. 3. Efisiensi thermal (ηth) yang terjadi di HE optimal dicapai pada putaran 900-1600rpm dengan perubahan yang cenderung konstan. 4. SFOC main engine FB Wisnu I berdasarkan spec teknis mencapai kondisi optimal pada putaran 1200-1400rpm sebesar 0,027 g/kW.
USULAN 1. Pengambilan operasi data HE sebaiknya dilakukan dalam 3 kondisi; ketika main engine dalam keadaan pemanasan, pelayaran, dan pemadaman. 2. Konsumsi bahan bakar perlu dilakukan pengambilan data secara faktual agar dapat mencapai hasil yang maksimal. 3. Pengoperasian FB Wisnu I sebaiknya dilakukan pada putaran maksimal (1200rpm) karena menghemat biaya konsumsi bahan bakar.
TERIMA KASIH
