UNJUK KERJA SISTEM PENUKAR KALOR TIPE CROSS FLOW PADA INSINERATOR FBC

PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

UNJUK KERJA SISTEM PENUKAR KALOR TIPE CROSS FLOW PADA INSINERATOR FBC Supriyatno, M. Affendi dan Yusuf S. Utomo Pusat Penelitian Fisika - LIPI Jl. Sangkuriang Gd. 80 Lt.2 Kompleks. LIPI, Bandung 40135. Telp. 022-2507773 Fax. 022-2503050 e-mail : [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstrak Telah dilakukan perancangan dan konstruksi sistem penukar kalor (PK) pada insinerator FBC sampah kota kapasitas 100 kg/jam. Sistem PK berupa cangkang dan tabung (shell and tube) tipe cross flow yang dilengkapi pelat hambat alir (barrier) yang tersusun di dalam tabung silinder sehingga terjadi perpindahan panas efektif antara aliran gas buang dengan udara primer ke ruang pembakaran insinerator FBC. Rancangan didasarkan pada kebutuhan pemanasan udara dari 30 oC ke 200 oC menggunakan aliran gas buang insinerator dengan suhu 500 oC menurun menjadi 300 oC, sehingga dapat ditentukan daya panas PK sebesar 26.33 kW. Hasil perhitungan luas perpindahan panas adalah 6.83 m2. Metoda penentuan luas penampang perpindahan panas menggunakan beberapa parameter, yaitu aliran kalor atau daya panas Q, koefisien total sistem PK U, perbedaan suhu kedua sisi aliran dingin dan panas yaitu antara gas buang dan udara primer yang dipanaskan. U merupakan fungsi dari koefisien panas konduksi tabung pada permukaan luar ho dan permukaan dalam hi yang ditentukan berdasarkan bilangan Nusselt pada aliran laminar dan turbulen serta faktor koreksi antara lain perubahan arah aliran, konfigurasi lubang tabung pada pelat barrier dan aliran by pass antara tabung dan cangkang luar. Konstruksi PK mempunyai dimensi, panjang tabung 0.9 m, diameter dalam 0.05 m dan diameter luar 0,06 m, sehingga diperoleh ho 49 W/mK dan hi 17.6 W/mK. Pengukuran di lapangan menunjukkan hasil bahwa, dengan suhu gas buang pada inlet 544 oC dan outlet 280 oC mampu meningkatkan suhu rata-rata udara primer pembakaran dari 56 oC naik menjadi 178 oC.

Kata kunci : Penukar kalor (PK); daya panas; luas bidang perpindahan panas; panas konduksi; faktor koreksi.

Pendahuluan Penukar kalor (PK) banyak dipakai oleh industri dan yang banyak dikenal adalah model cangkang dan tabung (shell and tube) dimana fluida dingin mengalir di dalam tabung yang diletakkan di dalam cangkang pelindung. Permukaan tabung kecil berfungsi sebagai bidang PK dimana fluida panas gas pembakaran dialirkan ke dalam cangkang melewati permukaan bagian luar tabung PK. Untuk mendapatkan tingkat efektivitas perpindahan panas yang tinggi dari fluida pemanas, maka tabung PK terpasang pada beberapa bidang penyekat hambat aliran. Sistem PK ini digunakan pada uji coba insinerator FBC untuk pembakaran sampah kota dengan kapasitas desain 100 kg/jam. Berdasarkan hasil perhitungan proses fluidisasi pembakaran, insinerator FBC tersebut membutuhkan volume alir udara primer untuk pembakaran yang besarnya ekivalen dengan kapasitas blower 9.2 m3/min dan menghasilkan volume alir gas asap pembakaran sebesar 17.8 m3/min1). Gas asap pembakaran tersebut dilalukan ke dalam PK setelah keluar dari sistem siklon. Induced Draft (ID) fan digunakan pada insinerator untuk membantu penarikan gas asap pembakaran dari sistem siklon dan PK ke cerobong. Sebagai upaya peningkatan efisiensi pembakaran pada insinerator FBC, maka diterapkan cara memanfaatkan panas gas buang untuk peningkatan suhu udara primer pembakaran yaitu dengan penggunaan sistem PK. Gas buang insinerator FBC sebelum dialirkan ke cerobong dilalukan ke dalam sistem PK dan secara terpisah udara primer pembakaran dari blower dilalukan pula ke sistem PK sehingga memperoleh panas dari gas buang dan suhu udara primer pembakaran meningkat. Dalam pembuatan konstruksi PK harus ditentukan luas bidang perpindahan panas yang memisahkan aliran udara primer pembakaran dan gas asap pembakaran dan sekaligus berfungsi sebagai PK. Bidang pemisah aliran

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-7-1

fluida panas dan dingin tersebut berupa luas penampang tabung dengan permukaan luar sebagai sisi panas dan permukaan dalam sebagai sisi dingin. Karena konstruksi PK terdiri dari sejumlah tabung PK berukuran kecil dan cangkang luar berupa tabung besar, maka variabel luas bidang perpindahan panas ditentukan oleh jumlah total luas bidang permukaan silinder dari tabung kecil PK yang ditempatkan di dalam tabung silinder besar. Pada sisi aliran panas, permukaan luar tabung PK terpasang pada sejumlah dinding pelat yang berfungsi sebagai barrier (penghambat) aliran fluida panas sehingga meningkatkan efektivitas fungsi perpindahan panas. Makalah ini membahas teori perancangan PK dan uji coba PK dengan cara mengamati perubahan suhu aliran fluida panas gas hasil pembakaran dan aliran fluida dingin udara primer untuk pembakaran dalam pengoperasian insinerator FBC.

Metodologi Untuk memperoleh unjuk kerja dari konstruksi PK sesuai dengan harapan, maka metodologi yang dilakukan sebagai berikut: 1. Membuat rancangan PK menggunakan model cangkang dan tabung (shell and tube), dimana fluida dingin adalah udara primer untuk pembakaran dialirkan di dalam tabung PK sedang fluida panas gas asap pembakaran dialirkan ke dalam cangkang melewati tabung PK bagian luar. Tabung PK ini terpasang pada sekat-sekat penghambat aliran fluida pemanas. 2. Membuat konstruksi PK hasil rancangan. 3. Melakukan pengukuran suhu pada uji coba insinerator FBC dengan sistem PK hasil konstruksi. 4. Analisis data hasil pengamatan suhu aliran fluida panas dan dingin pada sistem PK. 5. Analisis hasil rancangan dan hasil uji coba PK dimana pemanasan aliran udara primer pembakaran dari suhu ambient 30 oC ke 200 oC dan pemanfaatan panas gas buang hasil pembakaran dengan suhu 500 oC menjadi 300 oC.

Hasil dan Pembahasan 1. Rancangan PK Pada perancangan daya panas PK, suhu gas buang pembakaran yang masuk ke PK dan keluar dari PK masing-masing adalah T11 500 oC dan T12 300 oC. Sedangkan suhu udara primer untuk pembakaran masuk ke PK adalah T21 30 oC dan keluar T22 200 oC. Berdasarkan teknis hasil perhitungan koefisien perpindahan panas fluida pada bidang tabung PK permukaan luar ho sebesar 49 W/m2 K. Untuk konstruksi PK yang dibuat dengan cangkang yang mempunyai spesifikasi diameter luar Do 340 mm, jarak antara pelat barrier 170 mm, tinggi barrier 151 mm, diameter tabung PK 60 mm dan jumlah tabung PK 19. Sedangkan faktor koreksi untuk sistem PK dengan spesifikasi, dimensi, kondisi suhu dan jenis fluida gas asap pembakaran seperti tersebut diatas diperoleh hasil sebagai berikut: koreksi perubahan aliran fG =1.012, koreksi konfigurasi lubang tabung pada pelat penghambat alir barrier fB = 0.664 dan koreksi aliran bypass antara berkas tabung di dalam cangkang tabung luar fL = 0.566. Koefisien konduksi panas tabung PK bagian dalam ditentukan berdasarkan hubungan2) :

hi =

Nu ⋅ λ ud di

(1)

Bilangan Reynold aliran fluida dingin udara primer dengan kondisi tersebut diatas adalah 8861, berarti aliran turbulen. Bila volume alir udara v = 0.15 m3/s, atau v pada tabung = 0.008 m3/s, dengan di = 0.05 m, maka diperoleh kecepatan alir v = 4.02 m/s. Viskositas udara pada suhu rata-rata 115 oC v = 22.57 x 10-6 m2/s6) dan koefisien konduktivitas udara λ = 0.0311 W/m K, maka berdasarkan hubungan2): Nu = 0.0214 ⋅ ⎛⎜ Re

⎝

0.8

− 100 ⎞⎟ ⋅ Pr

⎠

0.4

(1 + di / L )0.7

(2)

diperoleh Nusselt = 28.33 dengan bilangan Pr = 0.697 dan berdasarkan hubungan (1) diperoleh harga hi = 17.62 W/m2 K.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-7-2

Dengan harga di = 0.05 m, do = 0.06 m, k = 50 W/m K, ho = 49 W/m2K, hi = 17.62 W/m2K, maka harga U total dari sistem PK ditentukan berdasarkan rumus3): 1 U= (3) ⎛ ro ⎞ ri 1 1 r + ⋅ ln⎜ ⎟ + ⋅ ⎜r ⎟ r h h k ⎝ i⎠ o o i dan diperoleh hasil U total = 13.54 W/m2 K. Luas bidang perpindahan panas ditentukan berdasarkan beberapa parameter antara lain laju kebutuhan kalor pemanas Q, Koefisien total perpindahan panas U ditentukan dari perbedaan suhu logarithmic antara kedua sisi dingin dan panas sistim PK dengan aliran fluida dingin udara primer pembakaran dan fluida panas gas asap pembakaran. Daya panas PK dapat ditentukan menggunakan rumus1) sebagai berikut : Q = m ud ⋅ C P ⋅ Tak − Taw

(

)

(4)

Dengan menggunakan harga laju volume alir udara 9.2 m3/min, berat jenis udara 1.2 kg/m3 dan Cp udara 1.01 kJ/kgK dan asumsi perhitungan suhu udara primer naik dari 30 oC ke 200 oC dan penurunan suhu gas buang pembakaran dari 500 oC ke 300 oC, maka diperoleh daya panas PK sebesar 26.33 kW. Perhitungan luas bidang perpindahan panas A dilakukan dengan menggunakan hubungan3) :

⎛ ∆T2 ⎜ ∆T ⎝ 1

q ⋅ ln⎜ A=

(

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

U ∆T2 − ∆T1

)

(5)

Dengan menggunakan hasil perhitungan ∆T1 = 270 oC, ∆T2 = 300 oC, diperoleh ln (∆T2/∆T1) = 0.105, selisih ∆T2 - ∆T1 = 30 oC, maka diperoleh harga A = 6.83 m2. Luas bidang perpindahan panas A ekivalen dengan luas bidang permukaan tabung PK dengan panjang tabung 43.5 m. Apabila dimensi panjang tabung PK dibuat 0.9 m, maka jumlah total tabung (n) yang diperlukan adalah 48 buah.

2.

Hasil Uji Coba

Bentuk konfigurasi sistem siklon FBC dan PK disajikan pada gambar 1:

Gambar 1. Diagram Sistem PK pada Siklon FBC Sedangkan konstruksi Sistem PK mempunyai bentuk dan dimensi seperti terlihat pada gambar 2 :

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-7-3

Gambar 2. Bentuk dan Dimensi Sistem PK

Sistem pengukuran pada uji coba insinerator FBC yang dilengkapi PK dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 3. Sistem Pengukuran pada Uji Coba Insinerator FBC yang dilengkapi PK Dimana T1 : suhu unggun, , T2 : suhu Free board, T3 : suhu gas asap inlet, T4 : suhu gas asap outlet, T5 : suhu udara pembakar outlet, T6 : suhu udara pembakar inlet

Data hasil pengamatan di lapangan disajikan pada tabel 1. berikut: Tabel 1. Pembakaran Sampah (dengan PK) Waktu 11:45 11:50 11:55 12:00 12:05 12:10 12:15 12:20 12:25 12:30 12:35 12:40 12:45 12:50 12:55 13:55 rata-rata

T1 433 584 597 930 918 1047 674 698 678 769 751 686 744 714 700 698 726.31

T2 410 600 600 605 590 590 570 600 600 640 750 940 750 600 950 900 668.44

T3 344 397 408 425 426 466 478 619 545 639 650 679 594 638 698 701 544.19

T4 230 220 232 260 268 294 307 364 357 384 387 411 513 399 422 434 342.63

T5 141 118 128 138 139 148 151 184 189 204 211 224 206 207 228 234 178.13

T6 48 49 50 51 52 54 53 54 56 58 58 58 61 60 63 63 55.50

Laju Umpan BB (kg/jam) 48 90 48 114 52 244 18 144 60 60 144 92.91

Pada kenyataannya suhu udara masuk rata-rata 55.5 oC relatif lebih tinggi dari suhu ambient karena penempatan PK berada di sekitar cerobong dan sistem siklon.

Hasil pengukuran suhu pada insinerator dan PK dapat direpresentasikan dalam bentuk grafik sebagai berikut: JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-7-4

Suhu

1200 1000

T1

800

T2 T3

600

T4 400

T5

200

T6

13:55

12:55

12:50

12:45

12:40

12:35

12:30

12:25

12:20

12:15

12:10

12:05

12:00

11:55

11:50

11:45

0

Waktu

Gambar 4. Grafik Suhu Terhadap Waktu Hasil Pembakaran Sampah pada Insinerator FBC yang Menggunakan PK Terlihat pada grafik penurunan suhu gas buang pada insinerator dari T3 ke T4 yang diikuti oleh kenaikan suhu udara primer gas pembakaran dari T6 ke T5. Kendala-kendala yang dijumpai dalam uji coba tersebut antara lain: (1) daya ID fan sebesar 2 HP kurang memadai sehingga produksi gas pembakaran tidak seluruhnya dapat masuk ke dalam sistem PK. (2) Gas asap pembakaran masih banyak mengandung fly ash, sehingga mengganggu aliran fluida panas. Perbandingan suhu pada sisi panas dan dingin antara hasil rancangan dan uji coba disajikan dalam tabel 2: Tabel 2. Perbandingan Suhu pada Sisi Panas dan Dingin Antara Hasil Rancangan dan Uji Coba Suhu [oC] Suhu udara Suhu gas hasil pembakaran

Rancangan Sisi panas 200 500

Uji Coba Sisi dingin 30 300

Sisi panas 178 544

Sisi dingin 55. 343

Perbedaan tersebut dapat disebabkan antara lain: jumlah gas asap masuk ke dalam sistem PK tidak optimal. Untuk memperbaiki kinerja sistem PK disarankan dimensi cangkang luar dibuat lebih besar dan jumlah tabung PK diperbanyak. dan penambahan sistem saringan untuk fly ash. Kesimpulan Unjuk kerja sistem penukar kalor tipe cross flow pada insinerator FBC di lapangan telah diamati mendekati hasil rancangan perubahan suhu dan hasilnya masih perlu penyempurnaan yaitu dimensi cangkang luar dan luas bidang tabung PK dibuat lebih besar sesuai dengan rancangan. Disamping itu perlu penambahan sistem saringan untuk fly ash.

Daftar Notasi λud ∆T1 ∆T2 A Cp di ho, hi,

: : : : : : :

Koefisien konduktivitas udara, W/m K Beda suhu antara fluida dingin masuk PK T21 dan fluida panas keluar PK T22, oC Beda suhu antara fluida panas masuk T11 PK dan fluida dingin keluar PK T12,oC Luas bidang perpindahan panas (perpan), m2 Kapasitas panas udara, kkal/kg oC Diameter permukaan dalam tabung PK, m Koefisien perpindahan panas permukaan dalam dan luar tabung PK, W/m2 K

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-7-5

K L mud Nu Pr Q q Re Tak Taw ri,ro U v

: : : : : : : : : :

Konduktivitas logam tabung penghantar, W/m K Panjang tabung, m Laju massa alir udara, kg/s Bilangan Nuselt Prandel Daya panas, kW Aliran kalor dari fluida panas ke dingin, kW Bilangan Reynold Suhu udara akhir, oC Suhu udara awal, oC Jari-jari bagian penampang tabung dalam, tabung luar, m : Koefisien perpan total PK, W/m2 K : Viskositas kinematis, m2/s

Ucapan Terima Kasih Disampaikan terima kasih kepada Proyek Penelitian Pengembangan Insinerator Puslitbang Pemukiman PU dan P3FT-LIPI yang telah mengalokasikan dana untuk terlaksananya kegiatan penelitian dan rekan-rekan peneliti dan pembantu peneliti yang terlibat dalam kegiatan. Daftar Pustaka 1.

Anonim, 1994, “Laporan Akhir Pembuatan Model dan Uji Coba Pembakaran Sampah (Insinerator Pilot Plant – Pemukiman)”, Pusat Penelitian dan Pengembangan Pemukiman PU kerjasama Puslitbang Fisika Terapan LIPI, Bandung.

2.

Gnielinski,V., 1984, “Warmeubertragung bei erzwungerener einphasiger Stromung”,” Warmeubertragung bei der Stromung durch Rohre Gb”,”Warmeubertragung im Aussenraum von Rhorbundel-Warmeubertragern mit Umlenkblechen Gg”, VDI-Warmeatlas 4.Auflage. Holman, J.P., 1990,”Heat Transfer” seventh edition, McGraw-Hill Publishing Company, New York. Nugraha Ramdhani, 1997, “Insinerator Sampah Pemukiman dengan Sistem Tungku Unggun Pancar (Fluidized Bed Combustion) di TPS Antapani Bandung” Tugas Akhir, Diploma III, Program Studi Teknik Energi, Politeknik ITB. Henri Brunklaus,J., 1979, “Industrieofen Bau Und Betrieb (fruher “industrieofenbau”), 4 neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Vulkan-Verlag – Essen, hal. 331.

3. 4.

5.

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

D-7-6