ANALISA PERFORMANSI HEAT EXCHANGER PADA

ANALISA PERFORMANSI HEAT EXCHANGER PADA
SISTEM PENDINGIN MAIN ENGINE FIREBOAT WISNU I
(Studi Kasus untuk Putaran Main Engine 600-1200 rpm)
Oleh:
NURHADI GINANJAR KUSUMA
NRP. 6308030042
PROGRAM STUDI TEKNIK PERMESINAN KAPAL
JURUSAN TEKNIK PERMESINAN KAPAL
POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2011
PERMASALAHAN
1. Perhitungan perpindahan kalor maksimum yang
terjadi di HE.
2. Perhitungan nilai efektifitas yang terjadi di HE.
3. Perhitungan nilai effisiensi thermal yang terjadi
di HE.
4. Perhitungan pemakaian bahan bakar pada
putaran tinggi, sedang, dan rendah.
TUJUAN
1. Mengidentifikasi perubahan temperatur maksimal
yang diharapkan sehingga dapat masuk water
jacket dengan temperatur tertentu.
2. Menganalisa pengaruh laju massa fluida terhadap
effisiensi HE jenis shell and tube.
BATASAN MASALAH
1. Tipe heat exchanger (HE) terpasang tipe shell and tube.
2. Temperatur ambient air tawar 32oC; udara 33oC.
3. Temperatur air laut masuk HE dianggap konstan (26oC).
4. Putaran maksimal main engine adalah 1200rpm sesuai
dengan standar operasi.
METODOLOGI
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Pemilihan obyek, topik, dan fokus FP
Observasi dan studi literatur
Perumusan masalah
Pendataan
Analisa
Pelaporan
Sidang
FIREBOAT WISNU I
FB Wisnu I merupakan kapal pemadam kebakaran milik PT. Pertamina
yang digunakan untuk menjamin keselamatan aktifitas bongkar muat kapal di
pelabuhan. FB Wisnu I menggunakan jenis kapal tunda (tugboat) agar mampu
bermanuver dengan cepat. Kapal ini memiliki dua buah main engine yang
berfungsi sebagai sistem penggerak; masing-masing memiliki daya sebesar 480
HP. Mesin ini memiliki sistem pendingin berupa water jacket yang dilengkapi
dengan sebuah heat exchanger (HE) yang memanfaatkan air lait sebagai fluida
kerjanya. HE yang dipergunakan pada sistem pendingin di FB Wisnu I ini
adalah jenis shell and tube; dan telah dioperasikan sejak tahun 1978.
SISTEM PENDINGIN MAIN ENGINE
FIREBOAT WISNU I
MAIN ENGINE
Main Engine
Spesifikasi
*)
Port
**)
Starboard
Merk
Mitshubishi
Type
6 SN
Daya
480 HP
Putaran
1600
Konsumsi
bahan bakar
44 l/hr
Gambar 1 main engine FB Wisnu I
Sumber : Manual book Mitshubishi Diesel Engine S6N
Keterangan: *)Port: sisi sebelah kiri; **)Starboard: sisi sebelah kanan
HEAT EXCHANGER
Sistem pendingin pada main engine FB Wisnu I dilengkapi
dengan sebuah HE yang difungsikan untuk menurunkan temperatur
air tawar setelah keluar water jacket. Jenis HE yang digunakan
pada FB Wisnu I adalah shell and tube, yaitu pipa aliran air laut
terdapat
di
dalam
tabung
aliran
air
tawar.
Gambar
2
memperlihatkan kedudukan HE pada main engine yang posisinya
berada dibawah tangki air tawar. Spesifikasi teknis HE ini tidak
mudah didapat karena manual sudah tidak ada dan name plate
sudah tidak terbaca.
HEAT EXCHANGER
Heat Exchanger
Gambar 2 Heat Exchanger
POMPA AIR TAWAR
Fresh water pump yang digunakan pada FB Wisnu I
adalah jenis sentrifugal. Pompa ini juga memanfaatkan main
engine
sebagai
penggerak
dengan
sistem
transmisi
menggunakan teknologi pulley and belt. Fresh water pump
digunakan untuk mesirkulasikan air tawar dari water tank ke
sistem water jacket (cylinder liner dan head) kembali ke water
tank
POMPA AIR TAWAR
Pompa Air Tawar
Gambar 3 Pompa Air Tawar
POMPA AIR LAUT
Di FB Wisnu I, sea water pump digunakan untuk
memompa air laut dari sea chest dan didistribusikan ke HE
untuk mengambil kalor air tawar hasil pendinginan mesin
diesel. Keluar dari HE, air laut ini dialirkan ke oil cooler
kemudian diteruskan ke manifold gas buang dan shell
pendingin poros penggerak kapal. Pompa yang digunakan
adalah jenis pompa sentrifugal yang memanfaatkan main
engine sebai penggerak mula dengan sistim transmisi
menggunakan teknologi pulley and belt.
POMPA AIR LAUT
Pompa Air Laut
Gambar 4 Pompa Air Laut
∞
DATA OPERASIONAL
Tabel 1. Data Operasional Heat Exchanger
No
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
n
(rpm)
600
700
800
900
1000
1100
1200
T
͚
(°C)
34
34
34
34
34
34
34
Air Laut
Ts
(°C)
35
40
46
52
58
63
69
Tin
(°C)
26
26
26
26
26
26
26
Tout
(°C)
32
37
43
48
53
59
64
Air Tawar
Tin
(°C)
40
47
53
60
67
73
80
Sumber : Pengamatan dan Pengukuran pada tanggal 10 Maret 2011
Keterangan:
n
: Putaran main engine
T͚
: Temperatur ruangan
Ts
: Temperatur surface
Tin
Tout
: Temperatur fluida masuk HE
: Temperatur fluida keluar HE
DATA ANALISA
Tabel 2. Kalor yang Dilepas Air Tawar
n
No.
(rpm)
Tin
(°C)
34,28
(l/det)
30,85
(kg/det)
30,85
(Kj)
739,38
2
36,51
36,00
36,00
1583,82
3
800
53
36,78
41,15
41,15
2796,63
4
900
60
39,01
46,29
46,29
4071,12
5
1000
67
41,24
51,43
51,43
5551,07
6
1100
73
41,52
56,58
56,58
7462,97
7
1200
80
43,75
61,72
61,72
9374,50
Rumus yang relevan:
ṁ
q
Q
(°C)
600 40
700 47
1
V
Tout
Air Tawar
V
ṁ
= πr2 .n
= V.ρ
= ṁ.Cp.∆T
DATA ANALISA
Tabel 2. Kalor yang Diserap Air Laut
Air Laut
n
Tin Tout
V
ṁ
No.
(rpm)
(°C) (°C) (l/det) (kg/det)
1
600 26 32 30,85 31,62
Performansi
q
∆TLMTD
ε
(kJ)
(°C)
(%)
739,91
7,25 42,86
ηth
(%)
18,29
2
700 26
37
36,00
36,90
1583,19
9,37 52,38
38,27
3
800 26
43
41,15
42,18
2796,28
9,13 62,96
44,07
4
900 26
48
46,29
47,45
4071,06
12,62 64,71
47,53
5
1000 26
53
51,43
52,72
5551,44
14,39 65,85
49,49
6
1100 26
59
56,58
57,99
7463,60
14,70 70,21
49,22
7
1200 26
64
61,72
63,26
9375,77
17,40 70,37
50,34
Rumus yang relevan:
V
ṁ
q
= πr2 .n
= V.ρ
= ṁ.Cp.∆T
ΔTLMTD =
ΔT1 − ΔT2
ΔT
In 1
ΔT2
ε=
qaktual
qmaks
ηth =
(Tairtawar−in − Tairtawar−out )
(Tairlaut−in − Tairlaut−out ) + (Ts − T∞ )
DATA ANALISA
Tabel 2. Kalor yang Dilepas ke Lingkungan
Udara Ruangan
No.
n
Ts
(rpm) (°C)
T
Tf
v
k
pr
(°C)
(°C)
(m²/det) (kJ/m °C)
β
h
qkonveksi
(kJ/m °C)
(Kj)
Gr
(K-1)
1
600 35
34
34,5
1,65.10-5
2,65.10-5
0,725
3,25.10-3
3,69.107
1,65.10-3
6,60.10-4
2
700 40
34
37,0
1,67.10-5
2,63.10-5
0,726
3,23.10-3
2,20.108
2,56.10-3
6,14.10-3
3
800 46
34
40,0
1,70.10-5
2,66.10-5
0,722
3,19.10-3
4,36.108
3,07.10-3
1,47.10-2
4
900 52
34
43,0
1,73.10-5
2,68.10-5
0,724
3,16.10-3
6,47.108
3,42.10-3
2,46.10-2
5
1000 58
34
46,0
1,75.10-5
2,70.10-5
0,723
3,13.10-3
8,55.108
3,69.10-3
3,54.10-2
6
1100 63
34
48,5
1,78.10-5
2,72.10-5
0,723
3,11.10-3
1,02.109
3,89.10-3
4,50.10-2
7
1200 69
34
51,5
1,81.10-5
2,74.10-5
0,727
3,08.10-3
1,23.109
4,11.10-3
5,73.10-2
Rumus yang relevan:
q = h. A.∆T
DATA ANALISA
Tabel 2. Konsumsi Bahan Bakar Main Engine FB Wisnu I Berdasar Spec Teknis
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
n
(rpm)
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
P out-e
P out -spec
(kW)
112,61
131,38
150,14
168,91
187,68
206,45
225,22
243,98
262,75
281,52
300,29
Pemakaian Bahan Bakar
SFOC
η
Energi Input
(kW-t)
(g/kW)
(%)
0,0278
130,99
86
0,0276
152,06
86
0,0275
172,92
87
0,0274
193,55
87
0,0272
213,97
88
0,0271
234,18
88
0,0270
254,16
89
0,0270
275,34
89
0,0270
296,52
89
0,0272
320,96
88
0,0275
345,83
87
P out-m
(kW)
87,90
102,55
117,20
131,85
146,50
161,15
175,80
190,45
205,10
219,75
234,40
Rumus yang relevan:
Pout − m
π
= .D.S.n.Z.pe.50
4
SFOC =
m
Ρ out -spec
η=
Pout−spec
Energi input
DATA ANALISA
Gambar 5. Perpindahan Kalor Maksimum Yang Terjadi Di Heat Exchanger
DATA ANALISA
Dari ketujuh percobaan yang telah dilakukan dengan memvariasikan putaran main
engine didapatkan nilai laju perpindahan kalor fluida panas dan fluida dingin yang
menunjukkan kecenderungan yang hampir sama. Hal ini disebabkan karena kedua fluida
saling menyerap dan melepas kalor sehingga akan terjadi keseimbangan energi.
Peningkatan kapasitas aliran perpindahan kalor yang terjadi di heat exchanger
disebabkan karena adanya korelasi antara putaran main engine dengan pompa air laut dan air
tawar. Semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar temperatur yang terjadi
sehingga laju aliran massa yang dihasilkan oleh pompa air laut dan air tawar semakin tinggi
untuk memindahkan kalor yang terjadi pada kedua fluida tersebut.
DATA ANALISA
Gambar 6. Performansi HE dengan parameter ηth dan q berdasarkan
variasi putaran main engine.
DATA ANALISA
Pengamatan yang telah dilakukan dengan memvariasikan putaran main engine
didapatkan nilai efektifitas yang semakin rendah dari putaran rendah menuju ke
putaran tinggi. Sedangkan effisiensi thermal menunjukkan bahwa semakin tinggi
putaran main engine maka semakin besar effisiensi thermal yang terjadi pada shell
and tube HE.
Peningkatan kapasitas aliran perpindahan kalor yang terjadi di heat exchanger
disebabkan karena adanya korelasi antara putaran main engine dengan pompa air
laut dan air tawar. Semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar
temperatur yang terjadi sehingga laju aliran massa yang dihasilkan oleh pompa air
laut dan air tawar semakin tinggi untuk memindahkan kalor yang terjadi pada kedua
fluida tersebut.
DATA ANALISA
Gambar 5 Konsumsi Bahan Bakar Main Engine FB. Wisnu I
Berdasarkan Spec Teknis
DATA ANALISA
Konsumsi pemakaian bahan bakar berdasarkan spesifikasi teknis
menunjukkan bahwa pada putaran 1200-1400 terjadi pemakaian bahan bakar
yang optimal. Data tersebut berdasarkan spec teknis pemakaian bahan bakar
terhadap putaran main engine. Spesifikasi teknis main engine FB Wisnu I
dapat diketahui konsumsi bahan bakar pada putaran maksimal (1600rpm)
sebesar 44 l/hr. Sementara SFOC main engine FB Wisnu I tidak diperoleh
referensi, sebagai pendekatan spesifikasi teknis produk yang sebanding
digunakan untuk memproyeksikan konsisi SFOC main engine FB Wisnu I.
KESIMPULAN
1. Putaran rendah, kenaikan perpindahan kalor pada water jacket
mencapai 114,21 % senilai 843,28 kJ; putaran sedang, kenaikan
perpindahan kalor pada water jacket mencapai 62,79 % senilai
1377,58 kJ; dan putaran tinggi, kenaikan perpindahan kalor pada
water jacket mencapai 25,61 % senilai 1912,16 kJ.
2. Efektifitas (ε) yang terjadi di HE pada putaran rendah mencapai
52,38%; putaran sedang 35,49%; dan putaran tinggi 29,71%.
3. Efisiensi thermal (ηth) yang terjadi di HE optimal dicapai pada putaran
900-1600rpm dengan perubahan yang cenderung konstan.
4. SFOC main engine FB Wisnu I berdasarkan spec teknis mencapai
kondisi optimal pada putaran 1200-1400rpm sebesar 0,027 g/kW.
USULAN
1. Pengambilan operasi data HE sebaiknya dilakukan
dalam 3 kondisi; ketika main engine dalam keadaan
pemanasan, pelayaran, dan pemadaman.
2. Konsumsi bahan bakar perlu dilakukan pengambilan
data secara faktual agar dapat mencapai hasil yang
maksimal.
3. Pengoperasian FB Wisnu I sebaiknya dilakukan pada
putaran maksimal (1200rpm) karena menghemat biaya
konsumsi bahan bakar.
TERIMA KASIH