KE DAFTAR ISI Djullaidi. dkk.
ISSN 0216-3128
427
EVALUASI PENURUNAN TEKANAN KALOR RSG-GAS DARI SISI SEKUNDER Djunaidi,
PADA
PENUKAR
Aep Saefudin Catur
PRSG-GAS,
BATAN
ABSTRAK EVALUASI PENURUNAN TEKANAN PADA PENUKAR KALOR RSG-GAS DARI SISI SEKUNDER. Telah dilakllkan perhitungan terhadap penurunan tekanan pipa-pipa pada sisi sekunder penukar kalor RSG-GAS. Apahila penllkar kalor RSG-GAS mengalami penyumbatan maka ada indikasi pertambahan penurunan tekanan pada sisi tubenya. Evaluasi ini bertujuan untuk menjaga memburuknya perpindahan panas akibat menurunnya laju alir didalam tube akibat penyumbatan. Suatu alat penukar kalor akan tetap berfungsi dengan baik apabi/a terhindar dari penyumbatan aliran didalam bidang kontak pendingin dan yang didingillkan. I'ertambahan penllrunan tekanan merupakan fungsi luas bidang kontak aUran, frik.vi dan parameter jisik fluida lainnya. Dari hasi/ perhitungan menunjukkan bahwa pada kondisi yang bersih penurllnall tekanan di dalam tube sisi sekunder penukar kalor RSG-GAS sebesar 0,3546 bar. Apabi/a terjadi penyumbatan sebuah pipa maka akan terjadi suatu kenaikan tekanan sebesar 0,0008 bar, dan kondisi ini akan lebih pesimistis apabi/a pipa yang tersumbat semakin banyak. Sebenamya angka-angka tersebllt dapat diamati dengan baik apabila dipasang alat IIkur tekanan (diff pressure) an tara inlet dan olltlet penukar kalor pada sisi tube dengan skala mbar. Kata kUllci : I'enllkar kalor
ABSTRACT EVALUATION
OF PRESSURE DROP HEAT EXCHANGER
RSG-GAS FROM SECUNDARY
SID£.
Have
been conducted calculation the pressure drop in pipes secondary side heat exchanger of RSG-GAS. If heat exchanger of RSG-GAS gagging hence there is indication increase a pressure drop at the tube side. This evaluation aim to take care of to deteriorating it transfer of downhill effect heat it rate of flow in tube effect of gagging. A n appliance heat exchanger will remain to function beller if protected from gagging of stream in area contact cooler and which is made cool. Increase pressure drop represent wide a function of area contact stream, other fluid physical parameter and friksion. From result of calculation indicate that clean condition the pressure drop in tube of secondary heat exchanger of RSG-GAS equal to 0,3546 bar. In the event of gagging a pipe hence will happened an increase of pressure equal to 0,0008 bar, and this condition is pessimistic will be more if pipe which stuff up progressively its it the numbers can perceive beller if allached by presure difference between inlet and outlet heat exchanger at tube side with scale ofmbar. Keywords: Heat exchanger
PENDAHULUAN Penggunaan penukar panas sebagai suatu sarana, pemindah panas/kalor dalam sistim pendingin adalah sangat penting. Demikian pula halnya pada reaktor RSG-GAS, pengambilan panasnya menggunakan pendingin primer dan pendingin sekunder yang akan saling bersilang di penukar panas. Penukar panas RSG-GAS bekerja untuk memindahkan panas yang telah diambil dari pendingin primer untuk dipindahkan ke pendingin sekunder dengan media air.!I] Sehubungan dengan telah lamanya alat tersebut digunakan, maka sudah sangat mungkin mulai terjadi proses penyempitan pada pipa-pipa
pemindah yang dapat menghambat laju alir dan perpindahan kalor dari primer ke sekunder. Dalam rangka antisipasi secara dini hal ini dapat dievaluasi dari kenaikan penurunan tekanan antara inlet dan outlet sisi tube (sisi sekunder). Dari hasil perhitungan yang dibandingkan dengan data disain dapat mengungkapkan kondisi adanya penyumbatan yang secara teknis hams dilakukan pemeriksaan fisiko Untuk mempertahankan kemampuan penukar kalor yang handal dan aman pengembangan sistem pendingin reaktor diarahkan kepada penentuan besamya kenaikan penurunan tekanan pada sisi tubenya agar dapat diketahui mulai terjadinya penyumbatan dan upaya paling baik untuk mengetahui
Proslding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
428
ISSN 0216 - 3128
!!!!!!!!!!!
kenaikan penurunan tekanan adalah memasang alat pengukur tekanan dengan skala mbar.
TEORI Diskripsi Penukar Panas RSG-GAS Sistem pendingin reaktor RSG-GAS terdiri atas 2 untai sistem pendingin primer dan sekunder yang berfungsi memindahkan panas hasil reaksi fisi di teras reaktor ke lingkungan. Transfer panas dari sistem pendingin primer ke sekunder dilakukan oleh alat penukar panas. Setiap penukar panas didesain memindahkan panas pada daya 16,5 MW. Dua buah alat penukar panas yang ada mampu memindahkan
Djunaidi, dkk.
panas yang dibangkitkan oleh teras reaktor sebesar 30 MW. Alai penukar panas pada sistem pendingin reaktor RSG-GAS adalah jenis Shell and Tube berbentuk tabung tegak, aliran berlawanan 2 pass shell dan 2 pass tube. Jumlah 2 buah alat yang terpasang secara paralel, masing-masing memiliki data geometri dan kapasitas yang sarna dengan beban nominal 15 MW. Alat ini memiliki penyekat (baffle) longitudinal pada bagian garis tengah shell. sisi shell dilalui oleh fluida panas sedangkan tube dilalui olehfluida dingin seperti pada Gambar I. Alat pembersih tube berupa bola-bola elastis dilewatkan tube secara regular bersama aliran yang digerakkan oleh pompa sirkulasi. Tabel 1 menyajikan data spesifikasinya.
longitutJjnaJ
boffle
Gambar
Tabell.
1. Skema aliran penukar panas.
Data Spesifikasi alat penukar kalor shell-tube
Type/Kode (KKS)
2-2.111
38°C 816 buah Shell and tube / JE-OI 22 mm 10,23 mm 00,0,91710,0,90600 430 m2, 120900,242 in2BCOI/BC02/BC03 Square 780 7410 291,732" 1300 mm, 51,181" 485 kg/det = (1950-2000) m3/jam, 1067 Ib/det
Luas alir sisi tubepass Diameter tube Diameter shell Tube Lay outper Luas alir sisi shell Jumlah bidang kontak Panjang tube Suhu airtube pendingin
Prosldlng PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
Djlllluidi,
ISSN 0216-3128
dkk.
Penukar panas Jenis ini (shell-tube) memiliki luas bidang pemindah panas (A) paling besar diantara beberapa jenis lain. Penggunaan alat penukar panas jenis ini cukup banvak terutama dalam industri modern, dan diantara pemakaiannya adalah[2] : -
Sebagai Cooler dan Heater, untuk pendinginan (tidak ada perubahan fase) dengan Pendingin (re rigerant) yang biasa disebut sebagai chiller.
-
Sebagai Kondenser dan Reboiler.
429 Fv
v
Untuk menghitung pressure drop pada tube side penukar kalor oleh perpindahan panas (pemanasan atau pendinginan), dengan menggunakan persamaan FANNING seperti berikut[3] : 2fG,2
!!"P,
Diantara beberapa pemakaian di atas yang paling awet penggunaannya adalah sebagai cooler dan heater karena beban kerjanya yang umumnya tidak terlalu berat. Sistem pendingin sekunder dialirkan melalui menara pendingin yang terbuka ke lingkungan sekitarnya, sehingga cenderung kualitas airnya rendah. Untuk mengantisipasi timbulnya deposit yang berupa kerak pada tube-side, disirkulasikan bola-bola spon pada bagian dalam tube-side bersama air pendingin sekunder oleh sistem PAH. Sebanyak 50 bola spon disirkulasikan untuk sebuah penukar kalor. Kemudian untuk alat penukar panas yang digunakan terus menerus sebaiknya inspeksi dilakukan tiap tahun sedangkan untuk sistem pendinginan yang jarang digunakan paling tidak sepuluh tahun sekali harus dilakukan overhaul. Pad a inspeksi tanggal 29 Mei sampai 2 Juni tahun 2000 yang terjadi adalah daerah aliran pendingin sekunder (sisi-tube) di dalam alat penukar panas kelihatan bersih (mengkilap) jika dibandingkan dengan bagian yang tidak terkena aliran pada sisi tube. Beberapa bola karet tersangkut di beberapa tempat di dalam alat penukar panas dan ada beberapa kotoran mekanik yang masih tertinggal berupa kawat yang diduga tersangkut pad a saat pemasangan.
Dasar Perltitungan Penurunan tekanan atau rugi tekanan suatu aliran yang melewati kanal secara umum disebabkan oleh beberapa masalah hilangnya energi karena gesekan dan perubahan-perubahan luas bidang kontak suatu aliran, keadaan semacam ini dapat dinyatakan dalam persamaan[2] (keterangan. rumus dapat dilihat pad a Lampiran daftar notasi) :
!!"p=
4f-+I,Ki-( D L )/3V2 2g
L Nt,
(3)
D g /3(:w f'4 Pada fluida yang memiliki rentang perbedaan suhu yang besar maka diperlukan faktor koreksi viskositas f.I sebagaimana ditunjukkan pad a persamaan (3). Pad a aliran searah ke arah pembalikan terjadi pad a kanal head (tutup bawah) yang berbalik 1800, meskipun area aliran pada kanal head tidak lebih kecil dari total area aliran di tube side namun perubahan aliran ini dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan pressure drop yang blasa disebut return loss dan dapat dituliskan[41 :
(4)
dapat saja berasal dari bentuk-bentuk kontraksi yang mana dapat diformulasikan pad a persamaan[4] :
!!"p
(5)
Kemudian untuk menentukan kenaikan pressure drop secara keseluruhan dalam tube side dengan cara menjumlahkan semua kenaikan tekanan seperti tertulis berikut
Atau untuk pembuktian kebenaran perhitungan dengan menggunakan rumus Kern[4] yang sederhana hanya saja satuannya menggunakan satuan britis.
fG;
(I)
Kecepatan volumetrik aliran pada tube side dapat dituliskan[2]
(2)
5,22.1010
LN ID,
(6a) <5
({J
Faktor friksi sangat berpengaruh terhadap perhitungan kenaikan pressure drop suatu aliran dalam kanal. Jika aliran fluida di suatu kelompok
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
430
kanal
ISSN 0216 - 3128 berlangsung
secara
isotennal
dalam
alat
penukar kalor maka boleh jadi tekanan akan menurun tetapi keadaannya tidak demikian. Untuk aliran yang turbulen faktor &iksifmerupakan fungsi dari bilangan Reynolds dan dapat ditulis dalam persamaan berikut[5] :
f
= 0,0014 + 0,125
(7)
(Re) 0.32
Bentuk lain untuk menentukan besamya faktor &iksifmerupakan fungsi kekasaran pipa yang dilalui aliran dan juga bilangan Reynolds. Persamaan implisit ini diselesaikan dengan menggunakan metoda Newton Rapson.15]
.J7 ~ -410g[ kiD 3,7 _1_
+~]
(8)
Djunaidi, dkk.
Metoda Evaluasi Berdasarkan deskripsi penukar panas di atas tahapan evaluasi meliputi perhitungan I1P, yang meliputi I1P disepanjang saluran pipa, I1P kontraksi terhadap pipa-pipa dan I1P pada kanal balik dengan menggunakan program dibelakang kemudian hasilnya dibandingkan dengan batasan desain yang telah ada. Yang kedua perhitungan dengan menggunakan asumsi adanya beberapa pipa yang tersumbat sehingga alirannya berkurang, proses perhitungan dapat dilihat pad a Gambar 2. Proses perhitungan ini juga untuk kenaikan I1P karena mengecilnya diameter pipa akibatfouling faktor yang makin lama makin tebal.
HASIL DAN EV ALUASI
Re .J7
Dari data spesifikasi teknis alat penukar kalor pada Tabel digunakan sebagai data masukan untuk menghitung I1P, I1Pr jarang dihitung dan I1P" sudah ditentukan sedangkan hasil perhitungan I1P ditampilkan pad a Tabel 2. Untuk mengetahui kebenaran hasil perhitungan digunakan I1PtOllll aCllan dengan menggunakan rum us 6a yang sudah diketahui kebenarannya dengan rum us Keren dengan menggunakan satuan britis. Dengan mengabaikan kenaikan tekanan ditempat lain rumus 6a dianggapnya I1PtOllll.
I
Asumsi terjadinya pcnyumbatan
pipa
Tabel 2.
Hasil perhitungan tanpa penyumbatan kenaikan tekanan pada tube-
.•• ide. - - HasH - 6a) Acuan 0,0288 0,3546 0,2926 0,0001 0,3257 (rumus I1Ptotlll (bar) I1P. (bar) I1Pt I1Pr (bar) I1P" (bar)
perhitungan
Menghitung
dPI di a1iran pipa-pipa
Menghitung
dPk,n kc pipa clan nosel
Gambar
2. Tata kerja perhitungan.
Pressure drop
Dari Tabel 2 menunjukkan I1P yang berpengaruh (besar nilainya) berasal dari gesekan sepanjang pipa dan akibat tekanan balik, sedangkan I1P dari kontraksi-expansi dan I1P pad a nosel penukar kalor nilainya sangat kecil (dapat diabaikan). Perbedaan nilai I1Ptotal pada perhitungan dan acuan sebesar 17,48 %, hal ini disebabkan karena bentuk penukar kalor RSG-GAS memang berbeda
Proslding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006
-
ISSN 0216 - 3128
Djunaidi, dkk.
dengan penukar panas pada umurnnya sehingga pada acuan ini I1P akibat tekanan balik kurang mendapat perhatian. Perhitungan tanpa penyumbatan diperoleh harga I1P'o/a1 = 0,3546 bar yang berarti lebih rendah dari persyaratan yang diijinkan yaitu 0,4 bar. Perhitungan ini wajar diterima karena data desain biasanya selalu konservatif dan untuk penukar kalor jenis tube-shell seperti yang digunakan di RSG-GAS dianjurkan I1P/iJ,al tidak lebih dari 0,68 bar karena akan banyak rnasalah yang berkepanjangan.
43/
bar, tidak terasa besar tetapi kalau 50 pipa tersumbat sekaligus akan terasa., besamya tekanan menjadi 0,3986 bar mendekati batas yang diijinkan dan berpengaruh terhadap laju perpindahan panas. Gambar 2 rnemperlihatkan 2 kurva untuk laju aliran pendingin 1950 m3 /jam dan 2000 m3 /jam. Angka ini sengaja digunakan karena laju aliran sekunder berada pad a rentang angka tersebut. Kalau dihitung dengan neraca panas penyumbatan akan menurunkan tranfer panas dan sedikit menaikan suhu air yang akan kembal ke kolam reaktor.
Untuk perhitungan penyumbatan kenaikan tekanan dihitung berdasarkan jurnlah pipa yang tersumbat sampai dengan jumlah yang mendekati batas keselamatan (angka pesimistis). Sebagai asumsi katakanlab 50 pipa dari 816 pipa tersumbat dan tidak dapat dialiri air sehingga luas bidang kontak berkurang dan perpindahan kalor tidak dapat sempuma. Dari hasil pemantauan pada saat inspeksi pembongkaran masih ada beberapa bola karet yang menyangkut pada beberapa lobang pipa sehingga distribusi alat pembersih itu tidak merata di dalam alat penukar kalor. Sementara ini dengan tersumbatnya sebuah pipa kenaikan tekanan sebesar 0,0008
Cara paling baik untuk mengetahui adanya penyumbatan dengan memasang alat ukur beda tekanan bersekala mbar antara inlet dan outlet sisi sekunder pada penukar kalor akibat mengumpulnya bola spon yang menyangkut dan benda asing lainnya. Berdasarkan penentuan kenaikan tekanan secara teoritis dari hasil evaluasi diatas dihirnbau untuk ditindak lanjuti dengan pengukuran secara langsung dengan cara memasang alat ukur beda tekanan untuk menjaga keandalan kinerja alat penukar kalor RSG-GAS.
0.205
0.2 0.195 c:
0.19
as
; 0.185
~
.., 'Q
0.18
2
0.175
CD
0.17 0.165 o
5
10
15
20
25
30
35
40
n penyumbatan Gambar 3. Grafik penyumbatan
tube penukar kalor RSG-GAS.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
45
50
-
ISSN 0216-3128
432
KESIMPULAN Atas dasar perhitungan dan evaluasi diatas dapat disimpulkan bahwa dengan munculnya penyumbatan pad a pipa-pipa sisi sekunder, kenaikan tekanan hanya pada orde mbar. Pada kondisi bersih beda tekanan pada penukar kalor sebesar 0,3546 bar dan tersumbat 50 buah pipa kenaikan beda tekanan menjadi 0,3986 bar masih berada dibawah batas yang diijinkan. Berdasarkan hasil evaluasi sebaiknyalah dipasang alat ukur beda tekanan agar dapat di\ihat secara Iangsung kenaikan tekanan akibat penyumbatan tube pada sisi sekunder.
DAFTARPUSTAKA
2. BELL, KJ., Heat Exchanger Desgn Hand-Book (HEDH) Chapter 3, Hemisphere Publishing Corp. Wasington DC, 1983. 3. PERRY, H.R., Chemical Engineering HandBook 6th ed., Section 10, Me. Grow Hill Book Co. New York, 1984. 4. KERN D.Q., Process Heat Tranfer, Chapter 4, Mc Grow Hill Co, International Student Edition, 1965. 5. BIRTH, R.B., et.al., Transport Phenomena. Interphase Transport in Isothermal Systems, Dep.of Chem.Eng. Univ. of Wiseobsin. J. Wiley&Sons, New York.
I. Anommous, Safety Analysis Report Rev-8, Bab 5, PRSG-BA TAN, I 998.
Lampiran 1. Daftar Notasi I!o..Pr :
Kenaikan Pressure drop akibat aliran balik
I!o..Pk
Kenaikan Pressure drop akibat aliran keluar/masuk pipa.
I!o..P,
Kenaikan Pressure drop sepanjang pipa.
I!o..Pn :
Kenaikan Pressure drop oleh nosel penukar kalor.
K
:
Koefisien resistan.
0,
:
Keeepatan massa.
V
:
Keeepatan volumetrik.
L
:
panjang pipa.
n
:
Jumlah pipa.
p
:
Densitas.
Np
:
Jumlah \intas.
D
:
Diameter dalam pipa.
Fv
:
Laju a\iran volumetrik.
f
:
Faktor friksi.
g
:
Pereepatan gravitasi.
Re
:
D.G/m : Bilangan Reynolds (tak berdimensi)
kiD:
Djullaidi, dkk.
(Re > 2100 laminer.
Faktor kekasaran pipa.
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006
ISSN 0216 - 3128
Djullaidi, dkk.
Lampiran
433
2. Program perhitungan READ fv, Id, cis,INz, ONz, L, NPas, NT, tern DATA 127.9, 19.05,387.35,36,38,4.877,2,160,31.6 CLS
PRINT" Flow="; fv; "m3/j" 'PERHIT. delta Press pada sisi tube HE - 200 1 ge = 32.2 • «60 • 60) "2): 'percep grav. ftlj2 Id;::: Id • .001 • 3.281:
'mm_>ft
ds = ds • .001 • 3.281: 'mm->ft L = L • 3.281: 'm->ft fv = fv· 35.314: 'm3/j->ft3/j IT = tem GOSUB 350: 'Mencari ro & myu > 'FOR NT;:::766 TO 816 FOR NT;:::815 TO 816 '<---flow/tube FVT = fv I (1.02 • NT): velt = FVT 1 «3.14· Id" 2) 1 4): '<--kcc RE ;:::Id • velt • RL 1 (ML • 2.42) velke = (FVT 1(3.14 • cisA 2) 14): '<--kec shell 'print "re="; re: END GOSUB 2000: 'mencari fMe.Adams 'print "F"; f: END 'GOSUB 5000: 'Mencari f dg.Newton_Raphs.'f;::: x pdt ;:::f· L • velt " 2 • NPas • RL 1 (2 • ge • Id): 'lb/ft2 pdnz = velt A 2 .•.NPas • 2 • RL 1 (gc) pdke = NT· 4· (.5 + 1)· RL· velke A 21 (gc) 'print "PDT,PDNZ="; PDT, PDNZ pdtot = pdke + pdt + pdnz: '---> Ib/ft2 'pDtot = pDtot 147.88 • 10 A 5 pdtot = pdtot 1144 114.69 • 1.03 'print USING "Pres.Drop offubeside(bar)= ##.####"; pDtot PRINT USING" ### ##.####"; NT; pdtot NEXT NT PRINT "pdtot="; pdke + pdt + pdnz PRINT "pdke="; pdke 1144/14.69 • 1.03 PRINT "pdt="; pdt 1144/14.69 • 1.03 1.03 PRINT "pdnz="; pdnz 1144/14.69· PRINT "pdtot="; pdtot END 350 'SUBWATER 'print "(C) (psia) Lb/ftJ) (eP) BTU/ ..) (BTU/..)" 'INPUT Pressure ...Anthony Eqn. T = (IT .•.1.8 + 32) + 460 A = 14.47: B = -6998.6: C = -78: P = EXP(B 1 (T + C) + A) 'T=(B 1(LOG(P)-A»-C : 'print "T="; T-460;"F="; T/l.8-273;"C" PC = 3208: TC = 1165.2: PR = P I PC: 'T in Rankin ZS = .9815 - 1.0641 • PR + 1.4688 • PR" 2 - 1.0828 • PR" 3 'RHOVapor=RV
=================
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
434
ISSN 02J6 - 3J28
Djllnaidi, dkk.
!!!!!!!!!!!
MW = 18.02: RV = MW • P / ZS /10.73/ T 'RHOLiquid=RL A = 57: B = .03337: C = -.00004: D = -838.2 RL = A + B • T + C • T 1\ 2 + D / (TC + 62 - T) 'VAPor VIScosity=MV A = -.003056: B = .0000226: C = 0: D = 0 MV = A + B • T + C • T 1\ 1.5 / (1 + D • T) ~IQuid VIScosity=ML A = -2.9868: B = -389!: C = 10377oo!: D = 0 ML = EXP(A + B / T + C IT 1\ 2 + D I T 1\ 3) 'print "L.DEN,LBIFD"; RL 'print n L.visc.cp="; ML RETURN • 2000 f= .0014 + (.125/ RE RETURN
1\
.32)
============
5000 'SUB NEWTON-RAPHSON Xold = .000009: delX = .001 : 'guess 5010 x = Xold GOSUB 5100 FXold = FX x = Xold - delX GOSUB 5100 FXdel = FX Faksen = (FXold - FXdel) / delX Xnew = Xold - (FXold / Faksen) IF ABS(Xnew - Xold) < delX THEN GOTO 5200 Xold = Xnew GOTO 5010 5100 'Persamaan friksi (Colebrook): FX = -2 • 1n(.OOO6/ 3.7 + 1.26/ (RE • X 1\ .5» - II (x 1\ .5) 5200 'RETURN -
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
KE DAFTAR ISI
