27
BAB IV PEMILIHAN SISTEM PEMANASAN AIR
4.1
Pemilihan Sistem Pemanasan Air Terdapat beberapa alternatif sistem pemanasan air yang dapat dilakukan,
seperti yang telah dijelaskan dalam subbab 2.2.1 mengenai jenis instalasinya dan 2.2.2 mengenai cara pemanasannya. Kriteria pemilihan sistem terbaik akan didasarkan pada kemampuan sistem untuk dapat menyediakan air dalam jumlah yang sesuai kebutuhan, menjaga temperatur air di atas 58°C, dan waktu pemanasan yang relatif singkat.
4.1.1 Alternatif berdasarkan jenis instalasi Berikut merupakan beberapa alternatif pemilihan berdasarkan pada jenis instalasinya.
4.1.1.1 Instalasi Lokal Jumlah air panas yang dapat dihasilkan terbatas. Tetapi air panas dapat dengan mudah diperoleh. Penggunaan instalasi lokal sangat cocok apabila digunakan untuk sistem pemanasan air dalam satu rumah.
4.1.1.2 Instalasi Sentral Terbuka Jumlah air panas yang dapat dihasilkan cukup besar. Tetapi dibutuhkan jalur pemipaan sebagai sarana pendistribusian air menuju alat plambing karena umumnya sistem pembangkitan air panas dilakukan di tempat lain. Temperatur air dapat mengalami penurunan apabila air lama tidak dipergunakan karena air akan terjebak dalam pipa distribusi sampai dikeluarkan melalui alat plambing. Meskipun demikian biaya investasi untuk jalur pemipaan kecil.
4.1.13 Instalasi Sentral Tertutup Pada prinsipnya serupa dengan instalasi sentral terbuka. Tetapi pada instalasi sentral tertutup, temperatur air dapat dijaga konstan meskipun air lama
28
tidak dipergunakan karena air akan disalurkan kembali menuju sistem pembangkitan untuk dipanaskan kembali apabila temperaturnya turun. Sebagai akibatnya biaya investasi untuk jalur pemipaan akan menjadi lebih besar.
4.1.2
Alternatif berdasarkan cara pemanasan Sedangkan berdasarkan cara pemanasannya terdapat pula beberapa
alternative sistem pemanasan, antara lain :
4.1.2.1 Pemanasan Langsung Pada sistem pemanasan langsung diperlukan ketel pemanas untuk memanaskan air. Besar ketel pemanas dan lama waktu pemanasan disesuaikan dengan jumlah air yang akan dipanaskan. Air hasil pemanasan dapat langsung didistribusikan menuju alat plambing atau dapat pula ditampung terlebih dahulu dalam tanki penyimpanan.
4.1.2.2 Pemanasan Tidak Langsung Pada
sistem pemanasan
tidak
langsung
ketel
diperlukan untuk
menghasilkan uap, kemudian digunakan penukar panas sebagai media untuk mengahasilkan air panas.
4.1.3
Hasil Pemilihan Berdasarkan kriteria kemampuan sistem untuk dapat menghasilkan air
panas dalam jumlah besar yang sesuai kebutuhan maka dipilih jenis instalasi sentral. Kemudian berdasarkan kriteria sistem untuk menjaga temperatur sesuai dengan kebutuhan maka dipilih jenis sirkulasi tertutup, dengan konsekuensi membuat jalur pemipaan tambahan untuk kembali ke sistem pembangkitan air panas. Terakhir berdasarkan kriteria kecepatan waktu pemanasan maka dipilih jenis pemanasan tidak langsung karena ketel hanya perlu memanasakan air dalam jumlah yang kecil. Selain itu keuntungan lain yang akan diperoleh adalah ukuran ketel menjadi lebih kecil, bahan bakar yang diperlukan menjadi lebih sedikit
29
sehingga sistem cenderung lebih murah, meskipun diperlukan peralatan tambahan berupa penukar panas. Gambar 3.1 menjelaskan mengenai skema sistem pemanasan kawasan yang terpilih Sumber air akan berasal dari air cooiling tower. Saat melewati kondensor chiller, air akan mengalami kenaikan temperatur menjadi sekitar 35°C. selanjutnya air akan menuju tanki penyimpanan air hangat, warm water tank. Temperatur air masih dibawah temperatur kebutuhan air panas yaitu 60°C, sehingga air perlu dipanaskan kembali. Pemanasan air akan dilakukan dengan menggunakan penukar panas. Setelah melewati penukar panas dan temperaturnya meningkat sesuai dengan kebutuhan, air akan ditampung kembali dalam tanki penyimpanan air panas, hot water tank. Selanjutnya air akan dipompakan oleh pompa sumber untuk menuju ke rumah-rumah. Apabila air tidak dipergunakan air akan terus melewati jalur pemipaan sampai akhirnya kembali ke warm water tank. Pada awal perancangan, pompa akan digunakan untuk mendistribusikan air. Tetapi dengan untuk mencegah pompa untuk bekerja selama satu hari penuh, maka fungsi pompa akan dibantu oleh tanki tekan. Sistem bekerja berdasarkan lama waktu kebersamaan mandi yaitu 3 jam, tetapi tetap sistem harus dapat menyediakan air selama satu hari penuh.
4.2
Pemilihan tanki Terdapat beberapa macam tanki yang digunakan untuk sistem pemanasan
ini, antara lain tanki air hangat untuk menyimpan air dengan temperatur 35°C dan tanki air panas untuk menyimpan air dengan temperatur 65°C. Kebutuhan volume penyimpanan air kedua tanki sama sehingga spesifikasi ukuran keduanya sama. Kemudian, diperlukan juga tanki tekan dengan ukuran volume yang disesuaikan dengan kebutuhan. Perancangan tanki tekan dilakukan dengan menggunakan code yang berasal dari ASME section VIII. Beberapa data yang diambil dari code tersebut antara lain : 1. Material tanki menggunakan AISI 1020 sehingga besarnya allowable stress adalah 2/3 dari kekuatan tariknya. 2. Besarnya corrosion allowance tanki adalah 3 mm/tahun.
30
Selain itu asumsi lain yang dipilih sendiri adalah faktor keamanan 20% untuk tekanan dalam tanki. Seperti halnya pipa, karena temperaturnya berbeda dengan lingkungan diharapkan panas yang terbuang ke lingkungan kecil sehingga tanki perlu juga untuk diisolasi. Perhitungan kapasitas penyimpanan tanki dihitung dengan mengambil faktor pengali 0,2. Hal ini memiliki arti bahwa ketika penuh tanki hanya memenuhi 0,2 dari kebutuhan total. Hal ini diperbolehkan selama laju pengisian air sama atau lebih cepat daripada laju pemakaiannya. Ukuran tanki dipilih berdasarkan pada kebutuhan dan kesesuaian tempat penyimpanan. Detail hasil perhitungan dimensi tanki tekan dapat dilihat pada lampiran 2E-1. Tanki yang terpilih belum memiliki insulasi untuk mengurangi panas yang mungkin terbuang ke lingkungan. Maka dengan menggunakan prinsip perumusan yang sama dengan tebal insulasi pipa diketahui besar insulasi tanki air hangat terbesar adalah 3 cm dengan menggunakan material Styrofoam yang memiliki konduktiviats termal 0,027 W/mK. Sedangkan insulasi tanki air panas terbesar adalah 3 cm dengan menggunakan material yang sama. Detail
perhitungan
mengenai
insulasi
pipa
dapat
dilihat
pada
Lampiran 2E-2. Gambar 4.1 menunjukan penampang dari pipa dan Gambar 4.2 menunjukan rangkaian termal pipa yang akan digunakan dalam perhitungan tebal insulasi.
Gambar 4.1 Penmpang tanki dan isolasi
Gambar 4.2 Rangkaian termal tanki
31
4.3
Perhitungan Kapasitas Pemanasan Boiler Air yang memiliki temperatur kurang dari 60°C perlu dipanaskan kembali.
Selain itu, untuk menghindari rendahnya temperatur akibat kebocoran yang mungkin terjadi maka proses pemanasan dilakukan sampai 65°C. Sumber panas berasal dari uap boiler, sehingga diperlukan pemilihan boiler yang dapat menghasilkan uap yang sesuai dengan kebutuhan untuk memanaskan air. Berdasarkan perhitungan laju kebutuhan pemakaian air panas setiap tahap perumahan diketahui laju aliran air panas yang dibutuhkan adalah 27,9 kg/s dengan perincian sebagai berikut Tabel 4.1 Laju kebutuhan air panas per tahap perumahan Tahap 1 2 3 4 5 6 7 Total
Cu.m/s 0,00510 0,00470 0,00410 0,00310 0,00200 0,00450 0,00440 0,02790
Jumlah GPM 80,85 74,50 64,99 49,14 31,70 71,33 69,75 442,27
kg/s
27,9
Dengan menggunakan persamaan 2.1 diketahui jumlah panas yang harus diterima air agar temperaturnya naik dari 35°C menjadi 65°C adalah 3515,4 kW. Kriteria pemilihan boiler didasarkan pada kebutuhan jumalh air yang harus dipanaskan tersebut. Terdapat dua alternatif pemilihan boiler, antara lain digunakan satu boiler untuk memenuhi semua kebutuhan pemanasan atau digunakan beberapa boiler untuk digunakan secara parallel. Berdasarkan pada ketersediaan boiler di pasaran diketahui bahwa apabila akan digunakan satu boiler dapat digunakan boiler Ferolli tipe PREX 3G AS dengan kapasitas daya kerja 5.815 kW. Atau digunakan dua boiler dengan tipe yang sama tetapi dengan kapasitas daya kerja yang berbeda yaitu 2907 kW. Dengan mempertimbangkan diperlukannya pembelian satu boiler lain sebagai cadangan apabila terjadi kerusakan, maka dipilih boiler pada alternatif kedua sebagai alat penyuplai panas.
32
Spesifikasi boiler yang digunakan adalah •
Daya kerja
2907 kW.
•
Tekanan kerja
5 bar
•
Temperatur uap keluar
175°C
Spesifikasi lebih lengkap diberikan pada lampiran 2F. Kemudian, perhitungan boiler dilakukan untuk mengetahui banyaknya uap yang dihasilkan. Dengan menggunakan perumusan hukum kekekalan energi akhirnya diketahui bahwa jumlah uap yang dihasilkan oleh satu boiler adalah 0,874 kg/s.
4.4
Pemilihan Penukar Panas Air akan melewati penukar panas untuk dipanaskan kembali oleh uap
boiler. Dengan mengetahui bahwa nilai entalpi saat terjadi perubahan fasa, uap menjadi air, jauh lebih besar dari pada entalpi ketika satu fasa, hanya uap atau hanya air, maka diharapkan proses perpindahan panas meliputi proses perubahan fasa uap menjadi air. Kemudian, ketika uap telah menjadi air jenuh, diharapkan penurunan temperatur tidak terlalu besar. Hal tersebut diakibatkan karena air hasil kondensasi akan masuk kembali ke dalam boiler sebagai bagian dari air pengisi, sehingga apabila temperaturnya terlalu rendah, ketika dicampur dengan make up water temperaturnya akan jauh lebih rendah lagi. Keadaan rendahnya temperatur air umpan dapat menyebabkan dinding pipa boiler mengalami perubahan temperatur yang cukup besar sepanjang waktu pemakaian air panas. Perubahan temperatur ini menyebabkan perubahan tegangan dalam dinding pipa yang dapat memperpendek umur dan kekuatan pipa. Analisis yang dilakukan dengan menggunakan standard TEMA. Beberapa hal yang dianalisis antara lain perhitungan perpindahan panas yang terjadi, pemilihan jenis dan material penukar panas, jumlah dan ukuran diameter pipa, serta panjang penukar panas yang dibutuhkan. Pemilihan pertama adalah pemilihan jenis aliran pada heat exchanger. Untuk menghindari perbedaan temperatur yang sangat jauh antara uap dengan air yang akan dipanaskan maka dipilih jenis aliran counterflow.
33
4.4.1
Perhitungan Perpindahan panas Sesuai dengan kebutuhan yang diutarakan pada penjelasan sebelumnya,
proses perpindahan panas akan meliputi tiga keadaan uap, yaitu fasa uap superheated, fasa campuran, dan fasa cair subcooled. Pada fasa cair ini dilakukan perhitungan untuk dua tingkat keadaan akhir, yaitu 50°C dan 80°C. Dengan menggunakan hukum kekekalan energi, pada perhitungan dua tingkat keadaan ini akan diperoleh jumlah air yang dapat dipanaskan dengan menggunakan boiler yang terpilih. Pemilihan temperatur akhir air subcooled keluar boiler didasarkan pada hasil perhitungan terdekat yang mendekati kebutuhan. Laju
energi yang dipindahkan ditunjukan pada tabel 4.2 untuk fasa
superheated dan tabel 4.3 untuk fasa campuran Tabel 4.2 Laju energi pada fasa superheated Qsuperheated (kW)
MVap kg/s
Cp,h kJ/kg.K
Th,i C
Th,o C
40,029
0,874
1,98
175
151,86
Tabel 4.3 Laju energi pada fasa campuran Qsuperheated (kW) 1840,83
Mvap kg/s 0,874
hfg kJ/kg.K 2107
Sedangkan laju energi untuk fasa subcooled dilakukan pada dua tingkat keadaan. Tabel 4.4 Laju energi pada fasa subcooled, temperatur akhir 50°C Qsubcooled (kW) 373,77
Mvap kg/s 0,437
Cp,h kJ/kg.K 4,2
Th,i C 151,86
Th,o C 50
Dengan menjumlahkan seluruh Q yang dihasilkan dan dilakukan balans massa terhadap air dingin 35°C diperoleh besar air yang dapat dipanaskan adalah 16,217 kg/s Tabel 4.5 Perhitungan massa air yang dipanaskan pada iterasi 1 Mc,45C kg/s 16,217
Cp,c kJ/kg.K 4,2
Tc,i C 35
Tc,o C 65
34
Tabel 4.6 Laju energi pada fasa subcooled, temperatur akhir 80°C Qsuperheated (kW) 263,68
Mvap kg/s 0,437
Cp,h kJ/kg.K 4,2
Th,i C 151,86
Th,o C 80
Dengan menjumlahkan seluruh Q yang dihasilkan dan dilakukan balans massa terhadap air dingin 35°C diperoleh besar air yang dapat dipanaskan adalah 15,425 kg/s
Tabel 4.7 Perhitungan massa air yang dipanaskan pada iterasi 2 Mc,45C kg/s 15,43
Cp,c kJ/kg.K 4,2
Tc,i C 35
Tc,o C 65
Besar kebutuhan air yang harus dipanaskan adalah 13,95 kg/s. Dipilih tingkat keadaan kedua sebagai tingkat keadaan akhir uap keluar dari penukar panas.
4.4.1.1 Fasa Uap Superheated Besar energi yang dikeluarkan oleh uap pada fasa superheated diketahui dengan menggunakan persamaan 2.1 adalah 40,029 kW. Kemudian energi yang dikeluarkan uap akan diserap oleh air sehingga temperaturnya meningkat. Pada fasa superheated ini air akan mengalami peningkatan temperatur dari 66,65°C menjadi 68,01°C. Tabel 4.8 Perhitungan kenaikan temperature air pada fasa superheated Mh
Cp,h
Th,i
Th,o
Q
kg/s
kJ/kg.K
C
C
kW
Uap
0,874
1,98
175
151,86
40,029
Air
15,425
4,2
67,48
68,10
40,029
Fluida
4.4.1.2 Fasa Campuran Besar energi yang dikeluarkan oleh uap pada fasa campuran adalah 1840,83 kW. Pada fasa ini air akan mengalami peningkatan temperatur dari 39,07°C menjadi 67,48°C.
35
Tabel 4.9 Perhitungan kenaikan temperature air pada fasa campuran Mh
Cp,h
Th,i
Th,o
Q
kg/s
kJ/kg.K
C
C
kW
Uap
0,874
2107
151,86
151,86
1840,83
Air
15,425
4,2
39,07
67,48
1840,83
Fluida
4.4.1.3 Fasa Air Subcooled Besar energi yang dikeluarkan oleh uap pada fasa subcooled adalah 131,89 kW. Pada fasa ini air akan mengalami peningkatan temperatur dari 35 °C menjadi 39,07°C. Tabel 4.10 Perhitungan kenaikan temperature air pada fasa subcooled Fluida
4.4.2
Mh
Cp,h
Th,i
Th,o
Q
kg/s
kJ/kg.K
C
C
kW
Uap
0,874
4,2
151,86
80
263,69
Air
15,425
4,2
35
39,07
263,69
Pemilihan Jenis Penukar Panas Terdapat dua alternatif penggunaanpenukar panas, yaitu double pipe heat
exchanger (DPHE) dan shell and tube HE (STHE). Penggunaan plate HE dihindari karena tekanan yang tinggi dari uap keluar boiler. DPHE dan STHE pada prinsipnya memiliki mekanisme kerja yang sama. Perbedaan terletak pada jumlah pipa, tube, dalam saluran atau biasa disebut shell. Pada DPHE jumlah tube dalam shell satu, sedangkan pada STHE jumlah tube banyak, disesuaikan dengan kebutuhan perpindahan panas.
Terdapat dua fluida yang akan mengalir melalui tube dan shell, yaitu air dengan temperatur awal 35°C dengan tekanan 1 bar dan uap dengan temperatur awal 175°C dengan tekanan 5 bar. Untuk keamanan agar tidak terjadi gaya yang besar pada dinding pipa, uap yang memiliki tekanan lebih tinggi dilalukan dalam tube yang luas permukaannya lebih kecil. Penyimpanan uap di bagian dalam juga berguna agar seluruh panas dapat diserap oleh air. Selain itu apabila terjadi pengerakan pada dinding pipa akibat proses perubahan fasa, proses pemeliharaan dapat dilakukan
dengan lebih mudah. Selanjutnya pemilihan didasarkan pada spesifikasi ukuran dari kedua penukar panas.
36
4.4.2.1 Double Pipe Heat Exchanger Konstruksi rangkaian termal dari DPHE ditunjukan oleh gambar 4.4.
Awal perhitungan dimulai dengan melakukan pemilihan ukuran diameter tube dan shell. Hal ini dilakukan dengan memperhatikan bahwa kecepatan aliran air maksimum dalam pipa adalah 1 – 1.2 m/s. Tabel 4.11 Perhitungan diameter DPHE Fluida Uap Air
M cu.m/s 0,249 0,0158
V m/s 3 1
A sq.m 0,0832381 0,0157952
D m 0,326 0,355
in 12,82 13,98
D terpilih 12 14
Gambar 4.3 Pandangan depan dan rangkaian termal DPHE
Berdasarkan hasil perhitungan yang dilakukan pada Tabel 4.11, maka diketahui diameter pipa dalam untuk uap adalah 12 in dan pipa luar 14 in. Kemudian dilakukan analisis per fasa untuk mengetahui besar koefisien perpindahan panas. Analisis terdiri atas tiga bagian, antara lain aliran dalam pipa yang diwakili oleh R1 pada gambar, konduksi diwakili oleh R2, dan aliran diluar pipa diwakili oleh R3. Hasil perhitungan akan memberikan keterangan mengenai panjang penukar panas dalam setiap tahap. Setelah dilakukan perhitungan dengan menggunakan persamaan 2.18 dan 2.19 untuk aliran dalam pipa, kemudian perumusan 2.19, 2.22, 2.23, 2.24, 2.25 untuk aliran di luar pipa, perumusan dan perumusan 2.26, 2.27 untuk aliran dua fasa. Berdasarkan perhitungan yang telah dilakukan panjang DPHE untuk setiap fasa ditabelkan pada Tabel 4.12
37
Tabel 4.12 Panjang DPHE setiap fasa Fasa Superheated Campuran Subcooled
L Meter 6,178 6,147 25,215
Pada akhirnya diketahui panjang keseluruhan dari DPHE adalah 37,54 m. Ukuran DPHE hasil perhitungan terlalu panjang sehingga tidak dapat digunakan. Oleh karena itu perhitungan selanjutnya dilakukan untuk mencari spesifikasi dari STHE. Detail hasil perhitungan mengenai DPHE diberikan pada lampiran 3B-1.
4.4.2.2 Shell and Tube Heat Exchanger Konstruksi rangkaian termal dari STHE ditunjukan pada Gambar 4.6
Gambar 4.4 Pandangan depan dan rangakaian termal STHE
Awal perhitungan dimulai dengan melakukan pemilihan ukuran diameter tube dan shell dengan pertimbangan yang sama. Saat perhitungan dilakukan apabila hanya digunakan satu penukar panas untuk satu boiler, diperoleh kecepatan air yang mengalir dalam shell akan sangat besar mencapai 3 m/s sehingga akhirnya diputuskan untuk memakai dua penukar panas untuk satu boiler. Sebagai akibatnya jumlah massa uap dan air dibagi dua.
38
Jumlah tube disesuaikan dengan konstruksi shell yang berbentuk lingkaran. Berdasarkan pada parameter nilai kecepatan yang dipilih diperoleh jumlah tube adalah 52 dengan diameter dalam 1.18 in dan diameter luar 1.25 in, kemudian ukuran diameter dalam shell 18 in. Tabel 4.13 Perhitungan diameter STHE Fluida Vapor Water
M cu.m/s 0,125 0,0079
Ntube 52 1
Mh/tube Cu.m/s 0,0024 0,0079
V m/s 3,4 1,5
A sq.m 0,0007 0,16
D m 0,03 0,45
in 1,18 18
Tabel 4.14 Perhitungan diameter hidrolik Dh
Ac
P1
P2
0,5096822
1,435608
4,8938282
m 0,0805257
in 3,1703024
dengan Ac = Cross sectional area = Ashell - NAtube, (m2) P1 = Keliling shell (m) P2 = Keliling N tube (m) Dh = Diameter hidrolik =
Ac (m) P1 + P 2
Untuk memperoleh kecepatan maksimum air dalam shell diperlukan perhitungan diameter hidrolik shell, Dh. Metode perhitungan koefisien perpindahan panas untuk mendapatkan panjang dari penukar panas dilakukan sama dengan DPHE. Perbedaannya pada saat perhitungan luas jumlah tube harus diperhatikan. Hasil perhitungan pada tabel 4.15 menunjukkan panjang STHE untuk setiap fasa adalah sebagai berikut Tabel 4.15 Panjang STHE setiap tahap Fasa Superheated Campuran Subcooled
L Meter 1 0.6 0.04
Berdasarkan hasil perhitungan, akhirnya diketahui panjang keseluruhan dari STHE adalah 1.64 m. Detail hasil perhitungan mengenai STHE diberikan pada lampiran 3B-2.
