BAB IV PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR

BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR

BAB IV PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR 4.1 Data-Data yang Diperoleh Dalam tugas akhir ini, data–data yang diperlukan adalah sebagai berikut : •

•

Spesifikasi alat : > Material Kondensor

: ST 37

> Material Pipa pendingin

: Cu Zn 20 Al

> Media Pendingin

: Air Laut

Data Teknik : > Diameter luar pipa pendingin

: 23 mm

> Diameter dalam pipa pendingin

: 21 mm

> Tebal pipa

: 1 mm

> Panjang pipa

: 6660 mm

> Jumlah pipa

: 2 x 3840 buah

> Temperatur uap masuk kondensor

: 150 ˚C

> Temperatur uap keluar kondensor

: 140 ˚C

> Temperatur air laut masuk kondensor

: 28 ˚C

> Temperatur air laut keluar kondensor

: 35 ˚C

> Temperatur permukaan pipa

: 145˚C

> Kecepatan media pendingin (air laut)

: 1,8 m/s

> Kapasitas pengaliran uap bekas

: 119 T/jam

> Luas permukaan pendingin bagian luar

: 1830 m2

> Tekanan kondensor

: 0,094 atm

> Laju aliran air pendingin

: 8650 m3/jam

Universitas Mercu Buana

22


Uap masuk

T = 150 oC

Pipa

Uap keluar T = 140 oC

T = 28 oC Air laut masuk


Pompa

T = 35 oC Air laut keluar

23


Pengolahan Data •

Koefisien konveksi air laut dalam pipa Pada saat temperatur air laut masuk 28 ˚C maka sifat - sifat air yang diperoleh dari tabel lampiran J.P Holman hal 593 sebagai berikut : kg/m3

Massa jenis fluida ( )

: 995,58

Viskositas fluida ( )

: 8,37 x 10-4 kg/m.s

Koef. Konduktivitas panas (K)

: 0,616

Bilangan Prandtl (Pr)

: 5,67

W/m˚C

1. Aliran pendingin yang terjadi dalam kondensor (Re) Diketahui : Kecepatan media pendingin air laut (v)= 1,8 m/s Diameter dalam pipa pendingin (di)

= 21 mm = 0,021 m

Massa jenis fluida ( )

= 995,58 kg/m3

Viskositas fluida ( )

= 8,37 x 10-4 kg/m.s

Ditanya : Re (aliran Turbulen) ? Jawab

Re =

:

ν .d .ρ µ

=

1,8 m / s. 0,021 m. 995,58 kg / m 3 8,37 x 10 − 4 kg / ms

= 44961,677 2. Bilangan Nusselt (Nud) Untuk mencari nilai (Nud) maka digunakan rumus aliran turbulen di dalam pipa, maka untuk aliran turbulen rumusnya adalah : Nud

= 0,023 . Re0,8 . Pr0,4 = 0,023 . (44961,677)0,8 . (5,67)0,4


24


Nud

= 242,904

3. Koefisien konveksi air dalam pipa (hi) Dari data yang ada : Diameter dalam pipa (di) : 21 mm di = 21 mm di = 0,021 m Dit

: hi....?

Jawab : hi =

=

=

•

Nud . k di

242,904 x 0,616 W / m oC 0,021 m

149,629 W / m oC 0,021 m

, hi = 7125,19 W/m2 ˚C

Koefisien konveksi air dalam pipa setelah adanya faktor pengotor Dari tabel 4.1. G.F. Hewit, GL. Shires, T.R. Boot hal 644 didapatkan

faktor pengotor untuk air < 50 ˚C adalah 0,0002 – 0,001 W/m2 K, karena beberapa lembaga telah menetapkan standar faktor pengotor air yang digunakan untuk pendingin kondensor sebesar 0,000176 W/m2 K, supaya kerja kondensor mencapai kapasitas yang diinginkan, maka nilai faktor pengotor yang diambil adalah 0,0002 W/m2 K. Representative fouling factors [ 1 ] Tabel 4.1 Faktor pengotor untuk fluida air FLUID

Rf (m2.K/W)

Sea water and treated boiler feed water (below 50 oC)

0,0001

Sea water and treated boiler feed water (above 50 oC)

0,0002

River water (below 50 oC)


0,0002-0,001

25


Fuel oil

0,0009

Referigerating liquids

0,0002

Steam (non-oil bearing)

0,0001

Rf =

1

1 hkotor

=

hkotor

−

1 hbersih

(Ref : J.P. Holman Hal. 449)

1 + 0,0001 m 2 K / W 7125,19 W / m 2 K

= 0,0001 + 0,0001 1

= 0,0002 m 2 K / W

hkotor

hkotor = hi =

1 0,0002 m 2 K / W

h kotor = hi = 5000 W/m2 K •

Koefisien pengembunan uap ( ho ) Pada saat temperatur 140 ˚C maka data–data yang diperoleh dari tabel

lampiran JP. Holman hal 593 dan tabel lampiran termodinamika teknik hal 565 adalah sebagai berikut : Viskositas fluida ( )

: 1,96 x 10 -4 kg/m s

Kalor penguapan (hfg)

: 2144,49 kJ/kg = 2144490 J/kg

Koef. Konduktansi fluida (k) : 0,685 W/m.˚C Volume spesifik fluida (v)

: 1,08 x 10 -3 m3/kg

Gravitasi (g)

: 9,8 m/s2

- Untuk mencari nilai massa jenis fluida (

ρ=

)

1 v


26


=

1 1,08 x 10 −3 m 3 / kg

= 925,926 kg/m3

ho = 0,725

g .ρ 2 . h fg . k 3

0 , 25

µ . N . d o . ∆T

T = Tg – To dimana : Tg = Temperatur uap masuk kondensor To = Temperatur permukaan pipa

ho = 0,725 .

0 , 25

g .ρ 2 . h fg . k 3

µ. N . d o . (Tg − To)

9,8 x (925,926 ) x 2144490 x (0,685 ) = 0,725 . 1,96 x 10 − 4 x 3840 x 0,023 x (150 − 145 ) 2

(

3

0, 25

)

9,8 x (857338,9 ) x 2144490 x (0,321419125 ) = 0,725 . (0,01731072 ) x (5)

0 , 25

9,8 x (857338,9 ) x 2144490 x (0,321419125 ) = 0,725 . (0,0865536 )

0 , 25

9,8 x (857338,9 ) x 2144490 x (0,321419125 ) = 0,725 . (0,0865536 )

0 , 25

= 0,725 .

(8401921,22 ) x 2144490 x (0,321419125 ) (0,0865536 )


0, 25

27


= 0,725 .

(5,791277093 x10 ) 12

0 , 25

(0,0865536 )

ho = 0,725 (6,690971945 x 1013) 0,25 ho = 0,725 x 2860,041 ho = 2073,53 W/m2. oC

• Koeffesien pengembunan uap setelah adanya faktor pengotor (ho) Dari tabel 4.2 JP.Holman hal 486 faktor pengotor untuk uap Rf = 0,00009 m2. oC/W Tabel 4.2 Faktor pengotor untuk uap Jenis Fluida

Faktor Pengotor R.ft .F/Btu

m2.oC/W

0,0005

0,00009

Air laut, diatas 125 F

0,001

0,002

Air umpan ketel yang diolah

0,001

0,002

Minyak Bakar

0,005

0,0009

Minyak celup (quenching oil)

0,004

0,0007

Uap Alkohol

0,0005

0,00009

Uap, tidak mengandung minyak

0,0005

0,00009

Udara industri

0,002

0,0004

Zat cair pendingin (refrigerating)

0,001

0,0002

Air laut, dibawah 125 oF o

Rf = 0,00009 m 2 o C / W = 0,00009 m 2 .o C / W =

2

1 1 − hk hb

1 1 − hk 2073,53 W / m 2 .o C

1 1 = + 0,00009 m 2 .o C / W hk 2073,53 W / m 2 .o C


28


1 = 0,0004 W / m 2 .o C + 0,00009 m 2 .o C / W hk 1 = 0,00049 m 2 .o C / W hk

hk =

1 0,00049 m 2 .o C / W

hk = ho = 2040,816 W/m2.oC • Resistansi termal dinding (Rw) Dari data yang ada untuk do = 0,023 m dan untuk di = 0,021 Untuk mencari nilai Rw didapat dari :

Rw =

=

do d . ln o 2. k di 0,023 m 0,023 m . ln o 0,021 m 2. 0,685 W / m. C

= 0,016788321 m2.oC/W x ln 1,095238095 = 1,53 x 10-3 m2.oC/W • Koefisien perpindahan panas menyeluruh sebelum adanya faktor

pengotor (U)

1 1 d 1 = . o + Rw + U hi d i hk

=

0,023 m 1 1 . + 1,53.10 −3 m 2 .o C / W + 2 o 7125,19 W / m . C 0,021 m 2073,53W / m 2 .o C

= (1,4x10-4 m2.oC/W x 1,095) + (1,53x10-3 W/m2 oC) + (4,8x10-4 m2. oC/W)


29


(

) (

) (

1 = 1,53 x 10 − 4 m 2 .o C / W + 1,53 x 10 −3 m 2 .o C / W + 4,8 x 10 − 4 m 2 .o C / W U

)

1 1,53 x 10 m . C / W + 1,53 x 10 m 2 .o C / W + 4,8 x 10 − 4 m 2 .o C / W

U=

(

U=

−4

2 o

) (

−3

) (

)

1 0,00216 m 2 .o C / W

U = 462,963 W/m2 oC • Koefisien perpindahan panas menyeluruh setelah adanya faktor pengotor

(U)

1 1 d 1 = . o + Rw + U hi d i ho

=

0,023 m 1 1 . + 1,53.10 −3 m 2 .o C / W + 2 o 5000 W / m . C 0,021 m 2040,816 W / m 2 .o C

= (2x10-4 m2.oC/W x 1,095) + (1,53x10-3 m2.oC/W) + (4,9x10-4 m2.oC/W) 1 = 2,19 x 10 − 4 m 2 .o C / W + 1,53 x 10 −3 m 2 .o C / W + 4,9 x 10 − 4 m 2 .o C / W U

(

)

1 2,19 x 10 m . C / W + 1,53 x 10 m 2 .o C / W + 4,9 x 10 − 4 m 2 .o C / W

)

U=

U=

) (

(

−4

2 o

) (

) (

−3

) (

1 0,002239 m 2 .o C / W

U = 446,628 W/m2 . oC


30


•

Luas permukaan perpindahan panas ( A ) Dari data yang ada : Jumlah pipa (N)

= 3840 buah

Diameter luar pipa (d)

= 23 mm = 0,023 m

Panjang pipa (L)

= 6660 mm = 6.66 m

Luas permukaan perpindahan panas : A=

N.d.L

A = 3,14 x 3840 x 0,023 m x 6,66 m A = 1846,983 m2

•

Beda temperatur rata – rata differensial ( TLMTD )

∆Tm = LMTD =

(Thin − Tc out ) − (Thout − Tc in ) Ln

Thin − Tc out Thout − Tcin

Diketahui dari data yang ada : Thin

= 150 oC

Thout

= 140 oC

Tcin

= 28 oC

Tcout

= 35 oC

∆Tm = LMTD =

(Thin − Tc out ) − (Thout − Tc in ) Ln

∆Tm = LMTD =


Thin − Tc out Thout − Tcin

(150 oC − 35 oC ) − (140 oC − 28 oC ) 150 oC − 35 oC Ln 140 oC − 28 oC

31


∆Tm = LMTD =

(115 oC ) − (112 oC ) Ln

115 oC 112 oC

∆Tm = LMTD =

(3 oC ) Ln (1,026 )

∆Tm = LMTD =

(3 oC ) 0,0256

Tm = LMTD = 117,187 oC - Untuk mencari nilai faktor koreksi didapat dari grafik 4.1 F. Keith hal 558. dengan cara mencari nilai P (efektivitas termal) dan R (kapasitas perbandingan panas) terlebih dahulu. > Efektivitas termal (P)

P=

Tc out − Tc in Thin − Tc in

P=

(35 o C − 28 o C ) (150 o C − 28 o C )

P=

7oC 122 o C

P = 0,057 > Kapasitas perbandingan panas (dalam grafik 4.1 R=Z)

R=

Thin − Thout Tc out − Tc in

R=

(150 oC − 140 oC ) (35 oC − 28 oC )


32


R=

10 o C 7oC

R = 1,43 > Faktor koreksi didapatkan dari hubungan nilai P = 0,057 dan nilai R = 1,43 didapatkan nilainya adalah : F = 0,98 > Beda temperatur differensial ( TLMTD ) T LMTD = Tm x F = 117,187 oC x 0,98 = 114,843 oC

• Perpindahan panas dalam kondensor sebelum adanya faktor pengotor (q) Dari data yang ada : U

= 462,963 W/m2 oC

A

=1846,983 m2

TLMTD

= 114,843 oC

Maka : q = U x A x TLMTD = 462,963 W/m2 oC x 1846,983 m2 x 114,843 oC = 98200502,61 W = 98200,50261 kW


33


• Perpindahan panas dalam kondensor setelah adanya faktor pengotor (q) Dari data yang ada : U

= 446,628 W/m2 oC

A

= 1846,983 m2 TLMTD

= 114,843 oC

Maka : q = U x A x TLMTD = 446,628 W/m2 oC x 1846,983 m2 x 114,843 oC = 94735635,63 W = 94735,63563 kW

• Efisiensi kerja kondensor Pada saat temperatur air laut 28 oC maka sifat – sifat air yang diperoleh Tabel JP. Holman hal 593 sebagai berikut : Massa jenis air ( )

= 995,58 kg/m3

Panas jenis air (Cp)

= 4,177 kJ/kg oC

Laju liran air ( Q )

= 8650 m3/jam = 2,403 m3/s

> Laju aliran massa air (m) m=

x Q

= 995,58 kg/m3 x 2,403 m3/s = 2392,378 kg/s

> Perpindahan panas pada air pendingin (qap) qap = m x Cp x


T

34


= 2392,378 kg/s x 4,177 kJ/kg oC x (35 – 28) o = 69950,740 kJ/s qap = 69950,740 kW

> Efisiensi kerja kondensor ( )

q ap

η=

x 100 %

q

69950,740 x 100 % 98200,50261

=

= 0,7123 x 100 % = 71,23 %

• Aliran yang terjadi pada saat air pendingin keluar ( Re ) Pada saat temperatur air laut 35 oC maka sifat–sifat air yang diperoleh dari tabel lampiran JP. Holman hal 593 sebagai berikut : = 993,95 kg/m3 = 7,2 x 10-4 kg/m s

Re =

v.d . ρ

µ

dimana : v = 1,8 m/s d = 0,021 m maka, Re =

v.d . ρ

µ


35


Re =

1,8 m / s x 0,021 m x 993,95 kg / m 3 7,2 x 10 − 4 kg / m.s

Re =

37,57131kg / m 3 . m . m / s 7,2 x 10 − 4 kg / m.s

Re =

52182,375 ( Aliran Turbulen )

• Faktor gesekan (f) Faktor gesekan (f) adalah suatu fungsi dari bilangan Reynolds dan kekasaran relatif permukaan pipa ( /D), dengan

adalah kekasaran absolut, bersatuan

meter serta D adalah diameter dalam pipa..(Lampiran Suparman Hara hal 9798). Dimana,

pipa = 0,0000015 m (tabel 6-1 lampiran Supraman hara hal 98) D = 0,021 m (diameter dalam pipa)

Jadi di dapat : /D

=

0,0000015 m 0,021 m

= 0.00007

maka faktor gesekan dapat dicari dengan grafik bagan Moody pada lampiran Supraman hara hal 99,didapat faktor gesekan (f) sebesar 0,02.


36


• Penurunan tekanan ( P )

L V2 ∆P = f . . . ρ d 2 Dimana : L = 6,66 m d = 0,021 m v = 1,8 m/s = 993,95 kg/m3 maka,

∆P = 0,02 x

6,66 m (1,8 m / s ) 2 . x 993,95 kg / m 3 0,021 m 2

= 0,02 x 317,143 x 1,62 m2/s2 x 993,95 kg/m3 = 10213,267 kg m/m2 . s2 = 10213,267 N/m2 P = 10213,267 Pa


37


4.2. PEMBAHASAN Dari hasil perhitungan dan pengolahan data pada kondensor di PT. Krakatau Daya Listrik, telah diuraikan pada sub bab sebelumnya, didapat besarnya perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi q = 98200,50261 kW, sedangkan besarnya perpindahan panas aktual q = 69950,740 kW, maka hasil analisanya sebagai berikut : 1. Semakin besar kecepatan aliran fluida yang terjadi didalam kondensor maka semakin besar pula perpindahan panas yang akan terjadi. 2. Semakin besar luas bidang permukaan perpindahan panas yang digunakan maka semakin besar pula perpindahan panas yang akan terjadi. 3. Semakin besar faktor pengotor yang terjadi pada aliran fluida maka perpindahan panas yang akan terjadi akan semakin kecil.


38

BAB IV PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR

Recommend Documents