EFEKTIVITAS PENUKAR KALOR TIPE PLATE P41 73TK Di PLTP LAHENDONG UNIT 2 Harlan S. F. Egeten1), Frans P. Sappu2), Benny Maluegha3) Jurusan Teknik Mesin Universitas Sam Ratulangi 2014
ABSTRACT One way to keep a plant operate optimally is keeping the effectiveness of the components properly. One of the components used in the production process is heat exchanger. In PLTP Lahendong unit 2 is used as a the cooler lubricant system of generator and turbine is using type of plate P41 73TK heat exchanger. This research objective is to determine the effectiveness of the heat exchanger plate type PLTP Lahendong P41 73TK. Calculation are using formulas that correspond to the type of heat exchanger plate and plate heat exchanger assuming that analyzed as a tube. Results of the calculations shows that the effectiveness of plate heat exchanger on the methods of LMTD is 83,3%, obtained by the thermal heat exchanger effectiveness of 55.6% and effectiveness based on method of NTU is 30.3%. Keywords : Effectiveness, type heat exchanger plate, LMTD method, method of
NTU
ABSTRAK Salah satu cara yang dapat ditempuh agar pembangkit-pembangkit dapat berproduksi maksimal adalah dengan menjaga efektivitas komponen-komponen di dalamnya tetap baik. Salah satu komponen yang digunakan dalam proses produksi adalah alat penukar panas. Penukar panas tipe plate P41 73TK di PLTP Lahendong unit 2 digunakan sebagai pendingin dari sistem pelumas di generator dan sistem pelumas pada turbin. Penulisan ini dilakukan untuk mengetahui efektivitas dari penukar panas tipe plate P41 73TK di PLTP Lahendong. Perhitungan pada penulisan ini menggunakan rumusrumus yang bersesuaian bagi penukar panas tipe plate dan dengan mengasumsikan pelat penukar panas yang dianalisa sebagai sebuah tabung/pipa. Dari hasil perhitungan pada penukar panas tipe plate maka diperoleh efektivitas berdasarkan metode LMTD didapat 83,3 %, efektivitas termal penukar panas sebesar 55.6 % dan efektivitas berdasarkan metode NTU sebesar 30,3 %. Kata kunci : Efektivitas, penukar panas tipe plate,metode LMTD,metode NTU.
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
66
I. PENDAHULUAN
dengan menjaga efektivitas komponen-
1.1 Latar Belakang
komponen di dalamnya tetap baik.
Listrik sudah menjadi kebutuhan
Salah satu komponen yang digunakan
yang penting dalam kehidupan masyarakat
dalam proses produksi adalah alat
sehari-hari, dan kebutuhan akan energi
penukar panas.
listrik terus meningkat. Untuk memenuhi
Unit penukar panas adalah suatu
kebutuhan listrik maka produksi listrik
alat untuk memindahkan panas dari
harus ditingkatkan. Dengan demikian,
suatu
semua sumber energi untuk pembangkitan
(Holman, 1986). Sebagian besar dari
listrik yang telah ada harus dioptimalkan,
industri-industri yang berkaitan dengan
serta ada upaya untuk mencari sumber-
pemrosesan selalu menggunakan alat
sumber energi baru harus ditingkatkan.
ini, karena alat penukar kalor ini
Potensi energi yang cukup berlimpah di
mempunyai peran yang penting dalam
Sulawesi Utara yang bisa dimanfaatkan
suatu proses produksi atau operasi.
untuk pembangkitan energi listrik adalah
Salah satu tipe dari alat penukar kalor
energi panas bumi.
yang banyak dipakai adalah tipe plate.
Pembangkit Listrik Tenaga Panas
fluida
ke
fluida
yang
lain
Plate heat exchanger adalah suatu alat
bumi (PLTP) Lahendong merupakan unit
perpindahan
pembangkit terbesar dengan energi yang
frame yang diberi plat sebagai sekat-
ramah lingkungan berbasiskan sumber
sekat (J.P Holman, 1986).
daya panas bumi di Sulawesi Utara. PLTP
panas
Penelitan
yang
ini
berbentuk
dibuat
untuk
Lahendong memberikan kontribusi sebesar
mengetahui efektivitas penukar panas
60% pada sistem kelistrikan di Provinsi
Tipe Plate P41 73 TK di PLTP
Sulawesi Utara (Kementerian Energi dan
Lahendong Unit 2, yang berfungsi
Sumber Daya Mineral, 2009).
untuk
Uap panas bumi memutar poros
memindahkan
panas
dari
generator dan pelumas kompresor.
turbin uap yang terhubung dengan poros generator
untuk
menghasilkan
tenaga
1.2
listrik. Uap sisa dari turbin mengalir ke
Rumusan Masalah Bagaimana
laju
perpindahan
kondensor. Salah satu cara yang dapat
panas dan efektivitas dari alat penukar
ditempuh
kalor tipe plate P41 73 TK.
dapat
agar
pembangkit-pembangkit
berproduksi
maksimal
adalah
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
67
Perpindahan panas adalah ilmu
1.3 Tujuan Perencanaan Tujuan perencanaan penulisan ini
yang
memperkirakan
terjadinya
adalah:
perpindahan energi yang disebabkan
1. Menentukan efektivitas alat penukar
oleh adanya perbedaan suhu di antara
kalor tipe plate P41 73 TK.
benda atau material. Ilmu perpindahan
2. Menentukan besar laju perpindahan
kalor menjelaskan bagaimana energi
panas pada penukar kalor tipe plate P41
berpindah dari suatu benda ke benda
73 TK.
lain
dengan
memperkirakan
laju
perpindahan yang terjadi pada kondisikondisi tertentu (Holman, 1986).
1.4 Batasan Masalah Agar penulisan tugas akhir ini lebih
Terdapat tiga cara perpindahan
terarah dan jelas, perlu adanya pembatasan
panas dari sumber ke penerima, namun
masalah yang dibatasi pada beberapa hal
sebagian besar aplikasi dari teknik
berikut :
adalah kombinasi dua atau ketiganya
Adapun permasalahan penulisan tugas
(Holman, 1986). Cara tersebut adalah
akhir ini dibatasi pada perhitungan kajian
perpindahan
teoritis
konveksi, kadang-kadang juga radiasi.
mengenai
faktor-faktor
yang
kalor
konduksi
dan
berpengaruh pada alat penukar kalor tipe plate P41 73 TK di PLTP Lahendong Unit
2.2
2.
Alat-alat Penukar Panas Dalam penukar kalor yang paling
sederhana, fluida panas dan fluida dingin bercampur langsung sedangkan
1.5 Manfaat Penulisan. Hasil penulisan ini dapat memberi
dalam kebanyakan penukar kalor yang
manfaat yang berguna, untuk:
lain kedua fluida itu terpisah oleh suatu
1. Memperdalam pengetahuan tentang
dinding. Penukar kalor jenis ini, disebut
alat penukar kalor tipe plate.
rekuperator, mungkin hanya berupa
2. Dapat menjadi bahan pertimbangan bagi PLTP
Lahendong
dalam
perawatan alat penukar panas.
hal
dinding
rata
sederhana
yang
memisahkan dua fluida yang mengalir, tetapi
mungkin
konfigurasi
rumit
pula
merupakan
yang
melibatkan
II.
LANDASAN TEORI
lintas-lintas rangkap, sirip, atau sekat.
2.1
Perpindahan Panas
2.2.1 Penukar panas pipa rangkap
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
67
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang
penukar panas shell dan tube dipasang sekat (baffle).
dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan
dengan
kotak
penyekat.
Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam antara pipa luar dan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar digunakan
Gambar 2.2 shell and tube heat exchanger
penukar panas jenis shell and tube. 2.2.3 Penukar panas jenis pelat Penukar panas jenis pelat adalah alat
yang
digunakan
untuk
mempertukarkan panas secara kontinu dari suatu medium ke medium lainnya dengan
membawa
energi
panas
(Saunders, 1988). Gambar.2.1 Penukar panas jenis pipa
Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu:
rangkap
2.2.2 shell and tube heat exchanger
a. direct heat exchanger, dimana kedua
Alat penukar shell dan tube terdiri atas
medium penukar panas saling kontak
suatu bundel pipa yang dihubungkan
satu sama lain.
secara paralel dan ditempatkan dalam
b. indirect heat exchanger, dimana
sebuah pipa (cangkang). Fluida yang satu
kedua media penukar panas dipisahkan
mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan
oleh sekat/ dinding dan panas yang
fluida yang lain mengalir di luar pipa pada
berpindah juga melewatinya. Contoh,
arah
atau
indirect heat exchanger adalah penukar
bersilangan. Untuk meningkatkan efisiensi
panas jenis shell and tube, pelat, dan
pertukaran panas, biasanya pada alat
spiral. Sedangkan yang tergolong direct
yang
sama,
berlawanan,
heat exchanger adalah cooling tower Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
68
dimana operasi perpindahan panasnya terjadi
akibat
adanya
= kecepatan rata-rata fluida
pengontakan
(m/s)
langsung antara air dan udara (Saunders,
d = diameter dalam tabung (m)
1988). 2.3.2 Bilangan Nusselt Nu = di mana: Nu = angka Nusselt h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2 Gambar 2.4 Penukar panas tipe
)
L = panjang efektif (m)
plate 2.3.3 Bilangan Prandtl
dimana : ν : kekentalan kinematik fluida, ν = μ / ρ, (m2/s) α : daya hantar panas, α = k / (ρcp), (m2/s)
Gambar 2.5 Pola aliran penukar panas
μ : kekentalan dinamik fluida,
Tipe plate yang umum
( (N s)/m2) 2.3 Perhitungan Perpindahan Panas
k : konduktivitas panas, ( W/(m
2.3.1 Bilangan Reynolds
K) cp : panas spesifik, (J/(kg K) )
Red =
ρ : berat jenis, (kg/m3 ).
Dimana : Rex = angka Reynolds di atas pelat
2.4
Pendekatan
rata
panas Gasket-plate
Termal
Penukar
Red = angka Reynolds di dalam tabung
2.4.1 Geometri pelat 1. Sudut Chevron
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
69
2. Panjang efektif pelat.
dimana: = faktor gesekan = ρ = massa jenis fluida (kg/
)
3. Rugi tekanan port
̇
}
= laju aliran massa fluida
melewati penampang port
2.4.2 Perhitungan koefisien perpindahan
̇
={
panas, rugi tekanan saluran dan rugi
}
( )
tekanan port 1. Koefisien perpindahan panas
̇
={
Δ
̇ = total aliran fluida di mulut port (kg/s)
= Jh Pr0.33 atau hch =
Nu = (
)
= diameter port (m) 2.4.3 Beda temperatur rata-rata untuk aliran berlawanan arah. 1.Beda Temperatur Efektif (LMTD)
dimana:
̇ =Δ
hch = koefisien perpindahan panas k = konduktifitas termal
.U.A
̇ =laju perpindahan panas total (kW)
Pr = angka Prandtl
U = koefisien perpindahan
= faktor koreksi viskositas
Jh = Ch Rey
panas
keseluruhan (W/m² °C) A = total luas perpindahan panas (m²)
dan angka Reynolds adalah : Re = { dimana: melewati
̇
̇
̇
}={
}
Δ
=Δ
) (
⌊( ⌊(
= laju aliran massa fluida penampang
satu
saluran
dimana :
(kg/s.m2)
= temperatur fluida
2. Rugi tekanan saluran Δ
) (
)⌋ )⌋
={
panas masuk (°C) ̇
}
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
70
= temperatur fluida panas
dimana: E = efektivitas penukar panas
keluar (°C)
̇ = laju perpindahan panas
= temperatur fluida dingin
aktual (kW)
masuk (°C)
̇
=laju perpindahan panas
= temperatur fluida dingin
maksimum yang mungkin (kW)
keluar (°C) 2.4.4
̇
Koefisien
perpindahan
panas
= total laju aliran massa
fluida dalam saluran (kg/s)
keseluruhan
= panas jenis fluida (J/kg )
2.4.6 Efektivitas metode NTU
dimana : U
= koefisien perpindahan
panas keseluruhan (m ,
W)
NTUmin = (
Cr =
panas film untuk fluida
(W/m²
)
dan
= koefisien perpindahan
panas dan fluida dingin
̇
( ̇ ) ( ̇ )
dimana :
/W)
Cr = perbandingan laju kapasitas
= faktor pengotor untuk fluida
panas.
panas dan fluida dingin (m
W)
t = tebal pelat (m)
3.1.1 Waktu pelaksanaan
(m
Pengambilan data ini dilakukan selama
W)
̇
2013. ) (
( ̇
)
( ̇
) (
( ̇
)
satu bulan, terhitung mulai dari tanggal 15 Mei sampai dengan tanggal 12 Juni
̇
( ̇
=
3.1 Waktu dan Tempat Pelaksanaan
= konduktifitas termal pelat 2.4.5 Efektivitas penukar panas E=
III. METODOLOGI PENELITIAN
) (
) )
(
)
atau
3.1.2 Tempat Untuk pelaksanaannya dilakukan di PLTP Lahendong, Tomohon
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
71
3.2 Diagram Alir Penelitian
Temperatur fluida dingin masuk, Tc,in (0C) Temperatur fluida dingin keluar, T c,out (0C) Temperatur fluida panas masuk, T c,in (0C) Temperatur fluida panas keluar, T c,in (0C) Debit fluida dingin, Qc (m3/h) Debit fluida panas, Qh (m3/h) Sudut chevron,β (0) Tebal pelat, t (m)
Mulai
Tahap persiapan
Pengambilan data
Tidak
Perhitungan & Analisis data
Koefisien perpindahan panas fluida dingin, hchc (W/m2K) Koefisien perpindahan panas fluida dingin, hchc (W/m2K) Rugi tekanan saluran fluida dingin Rugi tekanan saluran fluida panas Rugi tekanan port fluida dingin Rugi tekanan fluida panas
Ya
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Metode Perhitungan Tahapan
perhitungan
dalam
penelitian ini diuraikan dalam diagram alir berikut
ini.
menggunakan
Perhitungan rumus-rumus
Luas penampang slauran, Ax (m2) Laju aliran massa fluida dingin per saluran 𝑀̇ ch,c(kg/s) Laju aliran massa fluida panas per saluran 𝑀̇ ch
Beda temperatur efektif, ΔTm (0C) Koefisien perpindahan panas keseluruhan, U (kW/m20C) Laju perpindahan panas total (kW) Efektivitas termal, Eth (%) Efektivitas metode LMTD, ELMTD (%) Efektivitas metode NTU, ENTU (%)
dilakukan
Selesai
yang
bersesuain bagi penukar panas tipe plate.
Gambar 3.2 Diagram alir perhitungan penukar panas tipe plate P41-73-TK
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
72
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN (
4.1 Perhitungan Koefisien Perpindahan
=
)
⁄
)
⁄
Panas, Rugi Tekanan Saluran dan
⁄
= 28814,32
Rugi Tekanan Port
⁄
= 28814,32 Pa 4.1.1 Koefisien perpindahan panas
= 0,28 bar
Fluida dingin
Fluida panas
Koefisien perpindahan panas konveksi
hch,c =
(
)
Δ
̇
={
} (
=
⁄
⁄
=
= 25962,11
= 11059,74
⁄
= 11059,74
⁄
= 25962,11 Pa Δ
Fluida panas (
)
Fluida dingin rugi tekanan port ΔPpc
⁄
=
= 0,26 bar
4.1.3 Rugi tekanan Port
Koefisien perpindahan panas konveksi hch,h =
⁄
={
̇
= {
= 16855,53 = 16855,53
} Np 〈
〉 ⁄
}1
⁄ = 11691,18
4.1.2 Rugi tekanan saluran Fluida dingin
= 11691,18 Pa
rugi tekanan saluran
= 0,12 bar
={
⁄
} Fluida panas rugi tekanan Port
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
73
ΔPp,h = {
Tabel 4.1 Hasil perhitungan dengan
} Np
metode MTD 〈
={
〉 ⁄
}1
Hasil
No Parameter
Fluida dingin
= 10077,04
⁄
Laju
1
= 10077,04 Pa
aliran
massa
per
saluran
= 0,101 bar ̇
4.2 Perhitungan Beda Temperatur rata-
Fluida panas
0,9978
0,861
11059,74
16855,53
⁄ )
(
Koefisien
rata
perpindahan
Beda temperatur rata-rata logaritmik [(
) (
[(
)]
) (
[(
) (
[(
) (
2
)]
)]
3
)]
4
4,48 0C
panas,
hch
( ⁄
)
Log
MTD,
ΔTlm ( ) MTD actual, ΔTm ( )
4.3 Perhitungan Koefisien Perpindahan
Koefisien
Panas Keseluruhan
perpindahan
5
panas
4,48
4,4
1622,9
keseluruhan, )
U( ⁄
(
Laju
)( ⁄ = 61,71.10
)
6
⁄
-5
U = 1620,4
⁄
=1,6204
⁄
U= 1,6204
⁄
panas
total,
230,65
̇ (kW)
4.5 Efektivitas Termal dan Efektivitas dengan Metode LMTD 1.
4.4 Laju Perpindahan Panas Total ̇ T = A.U.ΔTm = 32,06 m2x1,6204
perpindahan
⁄
Efektivitas termal
Ep = ̇ =
x 4,44 = 0,5558
= 230,65 kW Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
74
= 55,58 2.
4.7 Hasil Kerja Penukar Panas Dari hasil perhitungan diperoleh
Efektivitas dengan metode LMTD.
koefisien ̇
ELMTD = ̇
keseluruhan U sebesar 1662,9
dimana ̇ = ( ̇ ..cp)h.(
)
,laju perpindahan panas total
= ( ̇ ..cp)h. ΔTh )
masing
data
metode
⁄
NTU adalah 83,3 % , 55,6 % , 30,3 %. 100
dengan
Metode NTU
Efektivitas (%)
Efektivitas
[(
)
]
[(
)
]
[(
)
[(
)
80 60 40 20
Efektivitas penukar panas
0 15 22 29 5 Juni 12 Mei Mei Mei 2013 Juni 2013 2013 2013 2013 Waktu
] ]
Gambar 4.1 Grafik waktu terhadap
= 0,2983
efektivitas dengan metode LMTD
Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Data lain dengan metode NTU Waktu R
P
data
ENTU
100 Efektivitas (%)
= 29,83%
pengambilan
berdasarkan
LMTD, efektivitas termal dan metode
= 83,36
NO
̇ sebesar
⁄
= 0,8336
=
⁄
Efektivitas rata-rata dari masing-
( ̇ ..cp)min . ΔTmax
ENTU =
panas
230,67 kW.
̇ max = ( ̇ ..cp)min (
4.6 Perhitungan
perpindahan
(%)
80 60 40 20 0
1
15 Mei 2013
1.33
0.38
29.8
15 Mei22 Mei29 Mei 5 Juni 12 Juni 2013 2013 2013 2013 2013
2
22 Mei 2013
1.46
0.38
32.2
Waktu
3
29 Mei 2013
0.94
0.44
29.06
4
5 Juni 2013
1.33
0.38
30.42
Gambar 4.2 Grafik waktu terhadap
5
12 Juni 2013
1.16
0.38
30.04
efektivitas dengan efektivitas termal
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
75
berturut-turut sebesar 83,3 % , 55,6
Efektivitas (%)
100
% , 30,3 %.
80
2.
60
40
Hasil
perhitungan
menunjukkan
laju perpindahan panas total adalah
20
230,65 kW
0 15 mei
22 mei
5.2 Saran
29 5 juni 12 mei juni
Pemeliharaan
Waktu
penukar
panas
tetap harus dilakukan secara rutin, agar Gambar 4.3 Grafik waktu terhadap
kinerja alat penukar panas tipe plate P41
efektivitas dengan metode NTU
73 TK dapat selale bekerja dengan baik. DAFTAR PUSTAKA
100 80
Holman,
J.P.
1988.
Perpindahan
60
Kalor. Terjemahan E Jasjfi. Jakarta.
40
Erlangga.
E
20
0
Saunders,
E.A.D.
1988.
exchangers
Selections,
Heat
Design
&
Construction. Longman Scienfic &
00.511.522.533.544.555.5
Technical. Essex-
NTU
Lahendong geothermal power plant. Gambar 4.12 Grafik efektivitas untuk
Design manual lube oil cooler. Hisaka
kemampuan kerja Penukar panas aliran
Daniel E.F Ngantung. 2006 Efektivitas
lawan arah
Penukar Panas Gasketed-Plate LT 26
BAB V PENUTUP
HS A66 N6 di PLTP Lahendong
5.1 Kesimpulan
Tomohon.
Dari hasil perhitungan efektivitas
Muaya, G.W.A. Analisis Termal Dari
terhadap penukar panas tipe plate P41 73
Extraction Ejector Dua tingkat Pada
TK, diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
Sistem
1.
Hasil perhitungan menunjukan bahwa
Lahendong-Silawesi
rata-rata efektivitas dengan metode
Jurusan
LMTD,
Manado.
efektivitas
efektivitas dengan
termal metode
dan
Tenaga
Teknik
Uap
Di
Utara, Mesin
PLTP Skripsi
UNSRAT
NTU
Jurnal Online Poros Teknik Mesin Volume 3 Nomor 1
76
