ANALISA UNJUK KERJA THERMAL ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE PEMANAS TEKANAN RENDAH ( LOW PRESSURE HEATER 1) PADA PLTU UNIT 3 SEKTOR BELAWAN LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III
Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik
Oleh RUTH DINA ASTARY SIDABUTAR 1105051037
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus, atas berkat dan kasih-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini merupakan syarat dalam menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III (D3) di Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. Tugas akhir ini adalah mata kuliah Alat Penukar Kalor dengan judul “ANALISAUNJUK KERJA THERMAL ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE
PEMANAS TEKANAN RENDAH (
LOW
PRESSURE HEATER 1 ) PADA PLTU UNIT 3 SEKTOR BELAWAN ” . Dalam penyelesaian tugas akhir ini, penulis mendapat banyak bimbingan dan dukungan dalam penyelesaiannya. Dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih sebesar – besarnya kepada: 1. Bapak M. Syahruddin, S.T., M.T.selaku Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Bapak Idham Kamil,S.T., M.T. selaku KetuaJurusanTeknikMesin Politeknik Negeri Medan. 3. Bapak Ir.Abdul Razak,M.T. selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Politeknik Negeri Medan. 4. Bapak Ir. Husin Ibrahim, M.T. selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan banyak waktu serta menyumbangkan ilmu dan nasehat kepada penulis sepanjang pengerjaan tugas akhir ini hingga selesai. 5. Bapak Drs. Benar, M.Si selaku ketua sidang, bapak Abdi Hanra Sebayang, S.T.,M.T. selaku penguji 1 dan bapak Ir. Abdul Razak, M. T. selaku penguji 2 dalam pelaksanaan sidang yang telah penulis selesaikan. 6. Bapak/Ibu dosen di Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Politeknik Negeri Medan. 7. Bapak/Ibu staff pegawai di Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Politeknik Negeri Medan. v
8. Secara khusus saya ucapkan kepada kedua orang tua tercinta Ayahanda B.Sidabutar dan Ibunda S. Sinaga yang telah berjuang untuk membimbing dan memberi dorongan moril serta buat semua doadoanya selama ini kepada penulis. 9. Kekasih penulis yang tercinta Arizona Aristokrat Prima Putra Nasution yang
selalu
mengerti
dan
mendukung
dalam
menyelesaikan
perkuliahan. 10. Sahabat-sahabat penulis khususnya : Evi khoiriah Siregar, Stevani Sihombing, Budi Santoso, Fahri Lubis dan Decky Suwarno yang selalu bekerja sama dengan penulis selama berkuliah di Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik Politeknik Negeri Medan. 11. Rekan – rekan mahasiswa kelas EN-6B, dan semua teman – teman mahasiswa Teknik Konversi Energi Mekanik 2011. 12. Bapak Sudarmin, Bapak Ricky Chandra Sihombing, dan Bapak Amin Hasibuan yang telah membantu penulis dalam pengambilan data di PLTU Sicanang. 13. Semua pihak yang membantu penulis yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dalam penyempurnaan tugas akhir ini. Penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi pembaca. Terima kasih.
Medan, 14 Agustus 2014 Penulis,
Ruth Dina Astary Sidabutar NIM. 1105051037
vi
DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR .................................................................. ii LEMBAR PERSETUJUAN ......................................................................... iii LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................... iv KATA PENGANTAR .................................................................................. v DAFTAR ISI ................................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... ix DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. x INTISARI ...................................................................................................... xi ABSTRACT .................................................................................................. xii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................. 1 A. Latar Belakang ................................................................................... 1 B. Perumusan Masalah ........................................................................... 2 C. Batasan Masalah ................................................................................ 2 D. Alasan Memilih Judul ........................................................................ 3 E. Tujuan Tugas Akhir ........................................................................... 3 F. Manfaat Tugas Akhir ........................................................................ 3 G. Teknik Pengumpulan Data ................................................................. 4 H. Sistematika Penulisan Laporan ......................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI ....................................................................... 6 A. Alat Penukar Kalor ........................................................................... 6 B. Klasifikasi Alat Penukar Kalor .......................................................... 6 1. Heat Exchanger Berdasarkan Proses Transfer Panas .................... 6 2. Heat Exchanger Berdasarkan Bentuk Aliran Fluida ..................... 7 3. Heat Exchanger Berdasarkan Konstruks ....................................... 9 4. Kriteria seleksi dari segi mekanikal .............................................. 10 5. Alat penukar kalor shell and tube ................................................. 14 6. Menentukan Fluida Dalam Shell atau Dalam Tube ...................... 16
vii
7. Jenis – Jenis Alat Penukar Kalor ................................................... 17 8. Faktor pengotoran (fouling factor) ............................................... 21 9. Siklus Air Uap pada PLTU ........................................................... 22 C. Perhitungan Kerja Heat Exchanger .................................................... 23
BAB III SPESIFIKASI ALAT PENUKAR KALOR ................................ 29 A. Spesifikasi Low Pressure Heater ...................................................... 29 B. Tipe Low Pressure Heater ................................................................. 31 C. Data Teknis ........................................................................................ 31
BAB IV ANALISA DATA ........................................................................... 33 A. Perhitungan Alat Penukar Kalor ........................................................ 33
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................ 41 A. Kesimpulan ....................................................................................... 41 B. Saran ................................................................................................. 42
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1. Gambar.2.1. Alat Penukar Kalor 1-1 pass.......................................... 8 2. Gambar.2.2. Alat Penukar Kalor 1-2 pass.......................................... 9 3. Gambar 2.3 Susunan tube ................................................................ 12 4. Gambar 2.4 Tipe-Tipe Desain Alat Penukar ................................... 15 5. Gambar 2.5 Shell and tube heat exchanger two pass....................... 16 6. Gambar 2.6 Chiller ........................................................................... 18 7. Gambar 2.7 Gambar Kondensor ...................................................... 18 8. Gambar 2.8 Cooler ........................................................................... 19 9. Gambar 2.9 Heat Exchanger ............................................................ 19 10. Gambar 2.10 Superheater ................................................................. 20 11. Gambar 2.11 Evaporator .................................................................. 21 12. Gambar 2.12 siklus air uap PLTU ................................................... 23 13. Gambar 3.1 low pressure heater ....................................................... 29 14. Gambar 3.2 bagian lph ..................................................................... 29 15. Gambar 3.3 bagian luar .................................................................... 30
ix
DAFTAR LAMPIRAN
1. Tabel 1. Data Spesifikasi Low Pressure Heater 2. Tabel 2. Sifat – Sifat Saturasi 3. Tabel 3. Satuan Energi 4. Tabel 4. Faktor Pengotoran 5. Tabel 5. Nilai Kira-Kira Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh
x
INTISARI
Alat Penukar Kalor (Heat exchanger) mempunyai peran yang sangat penting dalam dunia pembangkit listrik. Alat Penukar Kalor berfungsi untuk menaikkan suhu fluida uang lebih rendah dan atau mendinginkan suhu fluida yang lebih tinggi. Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar effektifitas kinerja dari penukar kalor yang telah di analisa. Salah satu alat penukar kalor yang digunakan adalah alat penukar kalor tipe shell and tube pada pemanas tekaan rendah (lph) . Laju aliran air masuk alat penukar kalor sebesar 60,314 kg/s, laju aliran uap sebesar 2,796 kg/s. Maka dari perhitungan yang dilakukan, diperoleh effektifitas alat penukar kalor sebesar 53,7 %. Alat utama dari pengambilan data ini adalah Low Pressure Heater 1 yang ada di PLTU Unit 3 sektor belawan.
Kata kunci : perpindahan panas, effektifitas shell and tube
xi
ABSTRACT
Heat Exchanger has a very important role in the steam power plant,. Heat exchanger serves to raise the fluid temperature which is lowes and/ or cool the fluid temperature which is higher. This final task was ti find out the effectivity of heat exchanger which have been design. Accelerate current of water enter the heat exchanger is equal to 60,314 kg/s, accelerate current of steam equal to 2,786 kg/s. So from the equation, got the effectivity performance of the heat exchanger is 53,7%. This thesis aimsto analyze Performance Low Pressure Heater 5 at the plant unit 3 secktor belawan.
Keyword : heat transfer, effectivity, shell and tube
xii
BAB 1 PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Bertambahnya perindustrian di Indonesia menyebabkan peningkatan kebutuhan listrik. Untuk mengatasi hal tersebut maka saat ini pemerintah berupaya untuk meningkatkan kapasitas daya listrik dengan cara menambah unit pembangkit listrik. Adapun pembangkit listrik yang umumnya digunakan di Indonesia yaitu PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap) dan PLTGU (Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap). Pada PLTU, uap dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin yang kemudian akan menggerakkan generator. Sedangkan pada PLTGU tenaga dari uap dikombinasikan dengan gas untuk menggerakkan generator. Seperti yang diungkapkan bahwa PLTU merupakan unit pembangkit yang banyak terdapat di Indonesia dan salah satu contohnya adalah PLTU sektor belawan. Pembangkit
Listrik
Tenaga
Uap
(PLTU)
merupakan
jenis
pembangkittenaga listrik yang menggunakan uap sebagai media untuk memutar sudu-suduturbin, uap yang digunakan memutar sudu-sudu tersebut adalah uap panas lanjut.PLTU beroperasi dengan siklus Rankine yang dimodifikasi agar mencakup prosespemanasan lanjut (super heating), pemanasan air pengisi ketel/boiler (feed waterheating) dan pemanasan kembali uap keluar turbin tekanan tinggi (steam reheating). Untuk meningkatkan efisiensi panas (thermal efficiency) maka uapyang dipakai harus dibuat bertekanan dan suhu setinggi mungkin. Demikian pulaturbin yang dipakai secara ekonomis dibuat dengan ukuran yang sebesar mungkinagar dapat menekan biaya investasi (karena daya yang dihasilkan menjadi besar). Salah satu alat yang selalu ada dalam PLTU yaitu alat-alat Heat Exchanger yang mendukung kinerja PLTU dalam penukar panas. Heat exchanger berfungsi sebagai alat penukar panas yang memanfaatkan panas dari suatu aliranfluida. Peralatan yang paling memegang peranan dari kinerja PLTU adalah
1
boiler. Boiler merupakan alat yang berguna untuk memproduksi uap pada tekanan dan suhu tertentu sehingga dihasilkan uap dengan tekanan dan suhu yang tinggi untuk menggerakkan Turbin Uap.Untuk menghasilkan listrik yang besar maka diperlukan efisiensi boiler yang besar juga. Berbagai cara dapat dilakukan dengan meningkatkan efisiensi dari Boiler yaitu dengan memasang economizer, High Pressure Heater (HPH), Low Pressure Heater (LPH), dll. Oleh karena itu penelitian saya kali ini memilih Low Pressure Heater (LPH) sebagai salah satu upaya meningkatkan efisiensi boiler. LPH
ini
merupakan heat exchanger dengan jenis shell and tube heat exchanger tipe UTube. Menurunnya efisiensi dari siklus secara keseluruhan yang disebabkan oleh kerusakan pada Low Pressure Heater, tentu saja akan membawa kerugian yang sangat besar. Di PLTU sektor belawan unit 3 terdapat 3 Low Pressure Heater yaitu Low Pressure Heater 1, Low Pressure Heater 2, dan Low Pressure Heater 3. Karena Low Pressure Heater tersebut mendapatkan uap ekstraksi langsung dari Low Pressure Turbine di dalam kondensor sehingga data yang dibutuhkan dalam perhitungan tidak dapat diketahui maka yang dapat di hitung Performancenya .
B. Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang tersebut, maka dirumuskanlah permasalahan dalam Tugas Akhir ini untuk kemudian berdasarkan metodologi yang ada harus dipecahkan. Adapun untuk rumusan permasalahannya adalah mencari efisiensi Low Pressure Heater(lph) unit 3 di PLTU sektor belawan mengalami kerusakan serta mencari kerugian yang di timbulkan oleh low pressure heater(lph) tersebut.
C. Batasan Masalah Batasan masalah untuk lebih memfokuskan penelitian Tugas Akhir ini, adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana perhitungan koefisien perpindahan panas di Low Pressure Heater(lph) unit 3 di PLTU.
2
2. Bagaimana perhitungan efektivitas pada pemanas tekanan rendah (low pressure heater) unit 3 di PLTU.
D. Alasan Memilih Judul Pemilihan Judul “Optimasi penyerapan panas pada sistem pendingin tipe shell and tube Low Pressure Heater unit 3 di PLTU sektor belawan “ mempertimbangkan beberapa alasan yaitu : 1) Menarik karena steam sisa dari Low Pressure Turbine dimanfaaatkan untuk memanaskan Low Pressure Heater sebelum dikondensasikan di kondensor. 2) Untuk menerapkan ilmu perpindahan panas dan thermodinamika
E. Tujuan Tugas Akhir Terkait dengan latar belakang dan rumusan masalah diatas maka tujuan perancangan ini adalah : a. Tujuan Penulisan Tujuan penulisan dari penelitian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1) Untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan studi pada Program Studi Diploma III Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan 2) Menerapkan ilmu pengetahuan yang didapat dari perkuliahan baik secara teori maupun praktek. 3) Untuk mengetahui dan memperdalam tentang alat penukar kalor tipe shell and tube (Low Pressure Heater 1) unit 3 PLTU sektor belawan. 4) Untuk menganalisa perpindahan panas pada alat penukar kalor tipe shell and tube (Low Pressure Heater 1) unit 3 PLTU sektor belawan.
F. Manfaat Tugas Akhir Jika tujuan penelitian ini mencapai hasil yang positif,maka manfaat yang akan diperoleh antara lain sebagai berikut :
3
1. Dapat mengetahui aplikasi dari ilmu thermodinamika dan perpindahan panas. 2. Dapat mengetahui efektivitas Low Pressure Heater unit 3 di PLTU sektor belawan. 3. Sebagai masukan bagi pembaca yang akan membahas masalah yang sama dengan topik yang menjadi bahasan penulis.
G. Teknik Pengumpulan Data Penulisan laporan dilaksanakan dengan menggunakan metode studi kasus : • Metode Observasi Metode pengumpulan data langsung mendatangi perusahaan serta melihat secara langsung kegiatan dalam perusahaan tersebut dalam mencari data-data yang diperlukan untuk perhitungannya. • Metode Wawancara Metode pengumpulan data dengan cara mengadakan tanya jawab secara langsung dengan operator, teknisi ataupun supervisor serta bagian yang terkait dalam proses produksi untuk memperoleh data yang diperlukan. • Diskusi Diskusi dilakukan dengan pembimbing, teman kerja praktek untuk memperoleh pengetahuan tentang analisa yang dilakukan. • Analisis Permasalahan Analisis dilakukan dengan arahan pembimbing sehingga analisis dapat diambil kesimpulan dan saran perbaikan yang sesuai dengan disiplin ilmu teknik mesin. • Metode Kepustakaan Metode pengumpulan data dengan cara studi literatur, seperti dokumen-dokumen dan manual book dari mesin yang digunakan dalam proses produksi. Dengan metode ini dapat Low Pressure Heater menunjang data-data yang didapat melalui kedua metode di atas.
4
H. Sistematika Penulisan Laporan Untuk memudahkan penulisan laporan Tugas Akhir ini penulis membuat sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I
: PENDAHULUAN Membahas tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, alasan pemilihan judul, tujuan tugas akhir, manfaat tugas akhir, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan laporan tugas akhir.
BAB II : LANDASAN TEORI Bab ini berisi tentang prinsip kerja turbin uap, dan dasar perhitungan yang mendukung dalam pembuatan laporan tugas akhir.
BAB III : SPESIFIKASI ALAT PENUKAR KALOR Membahas mengenai data-data yang terkait dalam perhitungan Low Pressure Heater Unit 3.
BAB IV : ANALISA DATA Membahas mengenai perhitungan Low Pressure Heater Unit 3.
BAB V : PENUTUP Membahas tentang kesimpulan dan saran-saran dari hasil tugas akhir. 5
