Perencanaan Mesin Pendingin Absorbsi (Lithium Bromide) memanfaatkan Waste Energy di PT. PJB Paiton dengan tinjauan secara thermodinamika
Muhamad M h d Angga A A 2108 100 522
Dosen Pembimbing : Ary Bachtiar Krishna Putra, ST,MT,PhD
Latar Belakang • Waste Energy merupakan pemanfaatan energy buang yang sudah tidak terpakai lagi . Daripada energy nya terbuang sia-sia lebih baik dimanfaatkan lagi untuk penunjang p j gp proses lainnya y . • Pemanfaatan waste energy disini yaitu berupa dengan memanfaatkan kalor dari gas buang yang terletak di dalam stack (cerobong) boiler sehingga dapat digunakan untuk perancangan mesin pendingin sistem absorpsi ini khususnya y p pada g generator nya y . • Pada perencanaan sistem absorpsi ini penulis menggunakan air sebagai refrigeran dan lithium bromide sebagai absorbent. absorbent
Perumusan Masalah • • •
Untuk mengetahui dan memahami prinsip kerja dari alat penyejuk udara dengan sistem absorpsi. M Menghitung hit nilai il i COP d darii mesin i refrigerasi fi i absorpsi b i tersebut. Merencanakan generator absorpsi yang dipakai pada mesin pendingin absorpsi tersebut.
Tujuan Penulisan • •
•
Menghitung kalor yang dibutuhkan generator. Merencanakan mesin pendingin sistem absorpsi d dengan titinjauan j secara th thermodinamika di ik sehingga hi dapat ditentukan nilai COP nya . Merencanakan generator pada mesin pendingin tersebut.
Batasan Masalah • • • • • • • •
Perencanaan dikhususkan P dikh k pada d generator. t Sistem pendingin terisolasi sempurna dan tidak terjadi kebocoran. kebocoran Mesin pendingin diasumsikan dalam kondisi aliran mantap/tunak p atau kondisi steadyy state. Dalam perhitungan tidak disertakan faktor biaya Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan Keluar dari kondenser diasumsikan cair jenuh Hanya membahas siklus refrigerasi Mengenai kondensor, evaporator, absorber tidak dihitung
Penelitian terdahulu •
Rudi R di (2010) “Perencanaan generator sistem absorbsi (LiBr) dengan memanfaatkan p panas buang g kendaraan bermotor” . parameter penelitian : - menggunakan gas buang knalpot mobil - variasi waktu (menit) = 2 s/d 12 yang menghasilkan variasi temperatur knalpot Uap Air in
skema penelitian : LiBr-Air in Gas buang g in LiBr-Air larutan miskin out
Data perencanaan awal, • Temperatur kondensasi: 40°C 40 C • Temperatur evaporasi : 10°C • Temperatur absorber : 40°C • Temperatur generator : 90 90°C C
Dengan menggunakan perhitungan absorpsi didapat Q generator = 4,578 kW Hasil penelitian: Dengan menggunakan Qgenerator untuk merencanakan generator menggunamengguna kan metode LMTD, didapat dimensi tabung generator L pipa = L tabung = 52,5 meter Diameter tabung = 22 cm Tebal dinding = 1mm Material = stainless steel
Penelitian terdahulu •
Restina (2008) ( ) “Perencanaan evaporator AC mobil dengan refrigerasi sistem absorpsi” . parameter penelitian : - menggunakan gas buang knalpot mobil - variasi waktu (menit) = 2 s/d 12 yang menghasilkan variasi temperatur knalpot skema penelitian :
• • • •
Menentukan data perencanaan awal, p kondensasi: 40°C Temperatur Temperatur evaporasi : 10°C Temperatur absorber : 40°C Temperatur generator : 90 90°C C
Dengan menggunakan perhitungan absorpsi didapat Q evaporator = 3,517 kW Hasil penelitian: Dengan menggunakan Qevaporator untuk merencanakan evaporator menggunakan metode LMTD, didapat dimensi evaporator
L pipa = L tabung = 2 meter Diameter inlet = 0,00791 cm Diameter inlet = 0,00953 cm Tebal dinding = 0,00872 cm Material = tembaga g
Penelitian terdahulu •
Robin R bi S Sanjaya j (2010) “Perencanaan mesin pendingin sistem absorbsi (LiBr) dengan tinjauan secara thermodinamika” . parameter penelitian : - menggunakan gas buang knalpot mobil - variasi engine speed (rpm) = 1000-2500 - variasi temperatur generator, condensor, absorber, konsentrasi LiBr skema penelitian :
Hasil Penelitian :
- perubahan suhu pada generator secara signifikan akan mempengaruhi
COP (coefficient of performance) dari sistem refrigerasi absorpsi tersebut. Semakin meningkatnya suhu pada generator maka COP (coefficient of performance)) akan semakin menurun . p - tingkat perubahan temperatur pada generator akan mempengaruhi kinerja
perpindahan panas masing-masing komponen. Salah satu hasil yang ditunjukan adalah meningkatnya kapasitas evaporator dari -25 25 – 240 kW ketika suhu generator 85 – 120 °C.
Dasar Teori
Refrigerasi Absorbsi
Komponen yang digunakan: -
Evaporator Kondensor Katup ekspansi K Kompresor digantikan di tik oleh l h: ☻ Absorber menyerap uap refrigerant larutan lemah/miskin membentuk refrigerant larutan kaya/kuat ☻ Pompa menaikkan tekanan larutan kuat/kaya ke tekanan kondensor ☻ Generator/ desorber distilasi uap dari larutan kaya/kuat menjadi larutan lemah/miskin
Siklus absorpsi uap pada diagram ln p-1/T
Keseimbangan g Energi g Keseimbangan energi sirkuit larutan • Generator
• Absorber
Keseimbangan energi sirkuit refrigeran • Kondensor
• Evaporator
Metode NTU - Pada shell (fluegas) Ch = mh . Cphot - Pada tube (LiBr-Water) Cc = mc. Cpcold - NTU NTU = U.A / Cmin Jika Cc < Ch, maka q maks = Cc (Th, i – Tc,i) Jika Cc > Ch, maka q maks = Ch (Th, i – Tc, i) - Efectiveness Є = q / qmax
Flowchart pengerjaan tugas akhir Mulai
Studi literatur
Observasi
Perumusan sistem
Perencanaan dasar sistem
Pemilihan komponen
Pembuatan laporan
SELESAI
•
Flowchart perencanaan dan perhitungan start
- Data temperatur stack gas buang - Potensi panas stack Q = 18 MW - Q generator = 4 MW
Menentukan data perencaan awal: 1. temperature generator absorpsi 2. temperature kondensasi 3. temperature evaporasi 4 temperature 4. t t absorber b b Pengeplotan di diagram Ln P-1/T Pencarian data konsentrasi LiBr Mencari harga entalphi Menghitung kalor pada absorber, generator, kondensor dan evaporator
Menentukan COP absorpsi
A
A -Menentukan M t k properties ti LiBr-Water LiB W t -Menentukan properties Flue Gas
-Menentukan dimensi heatexchanger(generator) g (g ) - Menentukan tipe generator (shell and tube)
Fluida panas (shell)
Fluida dingin (tube)
Menghitung laju aliran massa flue gas
laju aliran massa = 1,27 kg/s
Menghitung debit: m dot / ρ fluegas
Menghitung debit: m dot / ρ LiBr-water
Menghitung kecepatan fluida di dlm shell
Menghitung kecepatan fluida di dlm tube
Menghitung angka Re shell tidak Red ≤ 2300
tidak
ya
Laminar Nu=4 Nu=4,36 36
B
Menghitung angka Re tube
ya
Nu=0 36 Re0,55.Pr Nu=0,36.Re Pr0,33 . (µb/µw)0,14
Nu=0 0265 Re4/5.Pr Nu=0,0265.Re Pr0,3
Red ≤ 2300
Laminar Nu=4 Nu=4,36 36
C
D
B
C
M Menghitung hit kkoefisien fi i perpindahan i d h konveksi ( h hot ) h hot =
D
M Menghitung hit kkoefisien fi i perpindahan i d h konveksi ( h cold )
Nud .k h Dh
h cold =
Nud .k c Di tube
Menghitung R total Nud .k h Dh
1 ntube.hh .Do tube.L
+
ln( Do tube / Di tube ) ntube.2 .K tube .L
Nud .k c
+
1 Di tube ntube.hc . .Di tube.L
UA = 1/R total
Menghitung kapasitas panas : - Cc = mcold ld . Cpcold ld - Ch = mhot . Cphot Nud .k h Dh
E
D
E
D tid k tidak
Cc < Ch ya
Cc = Cmin
Ch = Cmin
NTU = U.A / Cmin
Menghitung Cr = Cmin/Cmax
Menghitung Efectiveness
Menghitung e g tu g Thot ot out actual actua
Apakah sesuai yang
diharapkan? ya
Pemilihan HE yang dipakai
selesai
tidak
Penempatan generator absorpsi
•
Pengambilan data Jam
Temperatur (oC)
06.00
137,8
07 00 07.00
137 1 137,1
08.00
138,1
09.00
138,2
10.00
138,3
11.00
139,2
12.00
140,2
13.00
140,8
14.00
141,9
15.00
142,6
16.00
143,6
Perhitungan g siklus absorpsi p
Data Perencanaan
Temperatur kondensasi : 60 °C Temperatur evaporasi : 10 °C T Temperatur t absorber b b : 40 °C Temperatur generator : 130 °C Memakai pendingin udara Memakai refrigerant air Memakai absorbent berupa lithium bromida ( (LiBr) ) o Memakai generator jenis shell and tube o Q generator = 4 MW o o o o o o o
Tempat titik temperatur dalam Siklus absorbsi b b i refrigerant f i t
Pengeplotan Data Pada Diagram ln P-1/T
3, 3a 1
7,8
4, 4a
6
2
Dari pengeplotan data didapat : -
h1 = 203,43 kJ/kg h1a = 183,09 kJ/kg h2 = 320,88 320 88 kJ/kg h3 = 210,10 kJ/kg h4 = 93,5 kJ/kg h5 = 2745 2745,4 4 kJ/kg h6 = h7 = 251,1 kJ/kg h8 = 2519,8 kJ/kg •
•
COP = qo / qhh
Efek refrigerasi qo = h8 – h7 = 2519,8 – 251,1 = 2268,7 kJ/kg Kalor yang ditambahkan pada generator per unit massa uap yang didistilasikan qh = h5 – h2 + f (h2 – h1a) = 2745,4 – 320,88 + 5,23 (320,88-183,09) = 3145,16 kJ/kg
= 2268,7 kJ/kg / 3145,16 kJ/kg = 0,721
Perencanaan g generator absorpsi p
Laju aliran massa Hot fluid (flue gas) . Cp p . ∆T
Q=
= 123,26 , kg/s g
Cold fluid (LiBr-water) =
Qh qh
= 1,27 kg/s
Debit Hot fluid (flue gas) m
Q (debit) = h Cold fluid (LiBr-water) Q (debit) =
m
h
Q debit = 140,7 m3/s Q debit = 0,000857 m3/s
Kecepatan fluida pada shell and tube Hot fluid (flue gas-shell) Q Ah
V hot =
140,7 m 3 / s
=
[ .(1,21m) 2 ] [1600 . .(0,03175 m) 2 ] 4 4
= 240,16 , m3/s
Cold fluid (LiBr-water) V cold =
Q Ah
0,000857 m 3 / s
=
712 .
4
.(0,02975 m) 2
= 0,00173 m3/s
Perhitungan Angka Reynould Hot fluid (flue gas-shell) Red = Dh =
h .V h . Dh h
4. Ac P
4.[
=
= 4
0,876 kg / m 3 .240,16 m 3 / s.0,0313m 0,0000229
(1,21m) 2 ] [712.
Red = 287904,3
.(0,03175 m) 2 ] 4 ( .1,21m) ( .712.0,03175 m)
= 0,0313 m
C ld flfluid Cold id (LiB (LiBr-water) t ) Red =
4m = 1600 . .Di.
4.1,27 kg / s 712. .0,02975 m.0,0002996 Ns / m 2
Red = 254,93
Koefisien perpindahan panas Hot fluid (flue gas-shell) h hot =
Nud .k h Dh
h hot = 240,02 , W/m2.K
Nud : Laminar = 4,36 (Re≤2300) Turbulensi = 0,36 Re0,55Pr0,33 (µb/µw)0,14 Cold fluid (LiBr-water-tube) h cold =
Nud .k c Di tube
h cold = 46,46 W/m2.K 1 ntube.hh .Do tube.L
Nud : Laminar = 4,36 4 36 (Re≤2300) Turbulensi = 0,0243 Re4/5Pr0,3
Perhitungan tahanan panas total (Rtotal) Rtotal = Rkonveksi (fluegas) + Rkonduksi + Rkonduksi(LiBr-Water) 1
= ntube.h . .Dotube.L + h = 0,0000877 W/K
ln( Do tube / Di tube ) ntube.2 .K tube .L
+
1 ntube.hc . .Ditube.L
Perhitungan UA pada heat exchanger UA =
1 Rtotal
= 11398,71 W/K
Perhitungan kapasitas panas Hot fluid (flue gas) Chot = mh . Cph
Chot = 124,96 kW/K
Cold fluid (LiBr-water) Ccold = mc . Cpc
Perhitungan NTU NTU = =
UA C min i 11,39871kW / K 4,33kW / K
= 2,63
Ccold = 4,33 kW/K
Tabel perhitungan data
KESIMPULAN Dengan memanfaatkan panas dari gas buang stack sebesar 4 MW dapat di direncanakan k mesin i refrigerasi fi i sistem i t absorpsi b i dengan d COP sebesar b 0,72 dan kapasitas pendinginan 2987,3 kW Dari hasil perencanaan generator absorpsi dengan menggunakan metode NTU-efectiveness, dipilih heat exchanger tipe shell and tube yang paling efektif dengan spesifikasi sebagai berikut: diameter shell 48” x 20’10” overall length dan diameter outlet tube 1 1/4” x 19’10” long 304LSS tubes.
Terima Kasih Grazie Ragazzi g
