BAB IV PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR 4.1 Data

BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
BAB IV
PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
4.1 Data-Data yang Diperoleh
Dalam tugas akhir ini, data–data yang diperlukan adalah sebagai berikut :
•
•
Spesifikasi alat :
> Material Kondensor
: ST 37
> Material Pipa pendingin
: Cu Zn 20 Al
> Media Pendingin
: Air Laut
Data Teknik :
> Diameter luar pipa pendingin
: 23 mm
> Diameter dalam pipa pendingin
: 21 mm
> Tebal pipa
: 1 mm
> Panjang pipa
: 6660 mm
> Jumlah pipa
: 2 x 3840 buah
> Temperatur uap masuk kondensor
: 150 ˚C
> Temperatur uap keluar kondensor
: 140 ˚C
> Temperatur air laut masuk kondensor
: 28 ˚C
> Temperatur air laut keluar kondensor
: 35 ˚C
> Temperatur permukaan pipa
: 145˚C
> Kecepatan media pendingin (air laut)
: 1,8 m/s
> Kapasitas pengaliran uap bekas
: 119 T/jam
> Luas permukaan pendingin bagian luar
: 1830 m2
> Tekanan kondensor
: 0,094 atm
> Laju aliran air pendingin
: 8650 m3/jam
Universitas Mercu Buana
22
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
Uap masuk
T = 150 oC
Pipa
Uap keluar
T = 140 oC
T = 28 oC
Air laut masuk
Universitas Mercu Buana
Pompa
T = 35 oC
Air laut keluar
23
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
Pengolahan Data
•
Koefisien konveksi air laut dalam pipa
Pada saat temperatur air laut masuk 28 ˚C maka sifat - sifat air yang diperoleh
dari tabel lampiran J.P Holman hal 593 sebagai berikut :
kg/m3
Massa jenis fluida ( )
: 995,58
Viskositas fluida ( )
: 8,37 x 10-4 kg/m.s
Koef. Konduktivitas panas (K)
: 0,616
Bilangan Prandtl (Pr)
: 5,67
W/m˚C
1. Aliran pendingin yang terjadi dalam kondensor (Re)
Diketahui : Kecepatan media pendingin air laut (v)= 1,8 m/s
Diameter dalam pipa pendingin (di)
= 21 mm = 0,021 m
Massa jenis fluida ( )
= 995,58 kg/m3
Viskositas fluida ( )
= 8,37 x 10-4 kg/m.s
Ditanya : Re (aliran Turbulen) ?
Jawab
Re =
:
ν .d .ρ
µ
=
1,8 m / s. 0,021 m. 995,58 kg / m 3
8,37 x 10 − 4 kg / ms
= 44961,677
2. Bilangan Nusselt (Nud)
Untuk mencari nilai (Nud) maka digunakan rumus aliran turbulen di dalam
pipa, maka untuk aliran turbulen rumusnya adalah :
Nud
= 0,023 . Re0,8 . Pr0,4
= 0,023 . (44961,677)0,8 . (5,67)0,4
Universitas Mercu Buana
24
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
Nud
= 242,904
3. Koefisien konveksi air dalam pipa (hi)
Dari data yang ada :
Diameter dalam pipa (di) : 21 mm
di = 21 mm
di = 0,021 m
Dit
: hi....?
Jawab :
hi =
=
=
•
Nud . k
di
242,904 x 0,616 W / m oC
0,021 m
149,629 W / m oC
0,021 m
, hi = 7125,19 W/m2 ˚C
Koefisien konveksi air dalam pipa setelah adanya faktor pengotor
Dari tabel 4.1. G.F. Hewit, GL. Shires, T.R. Boot hal 644 didapatkan
faktor pengotor untuk air < 50 ˚C adalah 0,0002 – 0,001 W/m2 K, karena beberapa
lembaga telah menetapkan standar faktor pengotor air yang digunakan untuk
pendingin kondensor sebesar 0,000176 W/m2 K, supaya kerja kondensor
mencapai kapasitas yang diinginkan, maka nilai faktor pengotor yang diambil
adalah 0,0002 W/m2 K.
Representative fouling factors [ 1 ]
Tabel 4.1 Faktor pengotor untuk fluida air
FLUID
Rf (m2.K/W)
Sea water and treated boiler feed water (below 50 oC)
0,0001
Sea water and treated boiler feed water (above 50 oC)
0,0002
River water (below 50 oC)
Universitas Mercu Buana
0,0002-0,001
25
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
Fuel oil
0,0009
Referigerating liquids
0,0002
Steam (non-oil bearing)
0,0001
Rf =
1
1
hkotor
=
hkotor
−
1
hbersih
(Ref : J.P. Holman Hal. 449)
1
+ 0,0001 m 2 K / W
7125,19 W / m 2 K
= 0,0001 + 0,0001
1
= 0,0002 m 2 K / W
hkotor
hkotor = hi =
1
0,0002 m 2 K / W
h kotor = hi = 5000 W/m2 K
•
Koefisien pengembunan uap ( ho )
Pada saat temperatur 140 ˚C maka data–data yang diperoleh dari tabel
lampiran JP. Holman hal 593 dan tabel lampiran termodinamika teknik hal 565
adalah sebagai berikut :
Viskositas fluida ( )
: 1,96 x 10 -4 kg/m s
Kalor penguapan (hfg)
: 2144,49 kJ/kg = 2144490 J/kg
Koef. Konduktansi fluida (k) : 0,685 W/m.˚C
Volume spesifik fluida (v)
: 1,08 x 10 -3 m3/kg
Gravitasi (g)
: 9,8 m/s2
- Untuk mencari nilai massa jenis fluida (
ρ=
)
1
v
Universitas Mercu Buana
26
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
=
1
1,08 x 10 −3 m 3 / kg
= 925,926 kg/m3
ho = 0,725
g .ρ 2 . h fg . k 3
0 , 25
µ . N . d o . ∆T
T = Tg – To
dimana : Tg = Temperatur uap masuk kondensor
To = Temperatur permukaan pipa
ho = 0,725 .
0 , 25
g .ρ 2 . h fg . k 3
µ. N . d o . (Tg − To)
9,8 x (925,926 ) x 2144490 x (0,685 )
= 0,725 .
1,96 x 10 − 4 x 3840 x 0,023 x (150 − 145 )
2
(
3
0, 25
)
9,8 x (857338,9 ) x 2144490 x (0,321419125 )
= 0,725 .
(0,01731072 ) x (5)
0 , 25
9,8 x (857338,9 ) x 2144490 x (0,321419125 )
= 0,725 .
(0,0865536 )
0 , 25
9,8 x (857338,9 ) x 2144490 x (0,321419125 )
= 0,725 .
(0,0865536 )
0 , 25
= 0,725 .
(8401921,22 ) x 2144490 x (0,321419125 )
(0,0865536 )
Universitas Mercu Buana
0, 25
27
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
= 0,725 .
(5,791277093 x10 )
12
0 , 25
(0,0865536 )
ho = 0,725 (6,690971945 x 1013) 0,25
ho = 0,725 x 2860,041
ho = 2073,53 W/m2. oC
• Koeffesien pengembunan uap setelah adanya faktor pengotor (ho)
Dari tabel 4.2 JP.Holman hal 486 faktor pengotor untuk uap Rf = 0,00009
m2. oC/W
Tabel 4.2 Faktor pengotor untuk uap
Jenis Fluida
Faktor Pengotor
R.ft .F/Btu
m2.oC/W
0,0005
0,00009
Air laut, diatas 125 F
0,001
0,002
Air umpan ketel yang diolah
0,001
0,002
Minyak Bakar
0,005
0,0009
Minyak celup (quenching oil)
0,004
0,0007
Uap Alkohol
0,0005
0,00009
Uap, tidak mengandung minyak
0,0005
0,00009
Udara industri
0,002
0,0004
Zat cair pendingin (refrigerating)
0,001
0,0002
Air laut, dibawah 125 oF
o
Rf = 0,00009 m 2 o C / W =
0,00009 m 2 .o C / W =
2
1
1
−
hk hb
1
1
−
hk 2073,53 W / m 2 .o C
1
1
=
+ 0,00009 m 2 .o C / W
hk 2073,53 W / m 2 .o C
Universitas Mercu Buana
28
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
1
= 0,0004 W / m 2 .o C + 0,00009 m 2 .o C / W
hk
1
= 0,00049 m 2 .o C / W
hk
hk =
1
0,00049 m 2 .o C / W
hk = ho = 2040,816 W/m2.oC
• Resistansi termal dinding (Rw)
Dari data yang ada untuk do = 0,023 m dan untuk di = 0,021
Untuk mencari nilai Rw didapat dari :
Rw =
=
do
d
. ln o
2. k
di
0,023 m
0,023 m
. ln
o
0,021 m
2. 0,685 W / m. C
= 0,016788321 m2.oC/W x ln 1,095238095
= 1,53 x 10-3 m2.oC/W
• Koefisien perpindahan panas menyeluruh sebelum adanya faktor
pengotor (U)
1
1 d
1
= . o + Rw +
U hi d i
hk
=
0,023 m
1
1
.
+ 1,53.10 −3 m 2 .o C / W +
2 o
7125,19 W / m . C 0,021 m
2073,53W / m 2 .o C
= (1,4x10-4 m2.oC/W x 1,095) + (1,53x10-3 W/m2 oC) + (4,8x10-4 m2. oC/W)
Universitas Mercu Buana
29
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
(
) (
) (
1
= 1,53 x 10 − 4 m 2 .o C / W + 1,53 x 10 −3 m 2 .o C / W + 4,8 x 10 − 4 m 2 .o C / W
U
)
1
1,53 x 10 m . C / W + 1,53 x 10 m 2 .o C / W + 4,8 x 10 − 4 m 2 .o C / W
U=
(
U=
−4
2 o
) (
−3
) (
)
1
0,00216 m 2 .o C / W
U = 462,963 W/m2 oC
• Koefisien perpindahan panas menyeluruh setelah adanya faktor pengotor
(U)
1
1 d
1
= . o + Rw +
U hi d i
ho
=
0,023 m
1
1
.
+ 1,53.10 −3 m 2 .o C / W +
2 o
5000 W / m . C 0,021 m
2040,816 W / m 2 .o C
= (2x10-4 m2.oC/W x 1,095) + (1,53x10-3 m2.oC/W) + (4,9x10-4 m2.oC/W)
1
= 2,19 x 10 − 4 m 2 .o C / W + 1,53 x 10 −3 m 2 .o C / W + 4,9 x 10 − 4 m 2 .o C / W
U
(
)
1
2,19 x 10 m . C / W + 1,53 x 10 m 2 .o C / W + 4,9 x 10 − 4 m 2 .o C / W
)
U=
U=
) (
(
−4
2 o
) (
) (
−3
) (
1
0,002239 m 2 .o C / W
U = 446,628 W/m2 . oC
Universitas Mercu Buana
30
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
•
Luas permukaan perpindahan panas ( A )
Dari data yang ada :
Jumlah pipa (N)
= 3840 buah
Diameter luar pipa (d)
= 23 mm = 0,023 m
Panjang pipa (L)
= 6660 mm = 6.66 m
Luas permukaan perpindahan panas :
A=
N.d.L
A = 3,14 x 3840 x 0,023 m x 6,66 m
A = 1846,983 m2
•
Beda temperatur rata – rata differensial ( TLMTD )
∆Tm = LMTD =
(Thin − Tc out ) − (Thout − Tc in )
Ln
Thin − Tc out
Thout − Tcin
Diketahui dari data yang ada :
Thin
= 150 oC
Thout
= 140 oC
Tcin
= 28 oC
Tcout
= 35 oC
∆Tm = LMTD =
(Thin − Tc out ) − (Thout − Tc in )
Ln
∆Tm = LMTD =
Universitas Mercu Buana
Thin − Tc out
Thout − Tcin
(150 oC − 35 oC ) − (140 oC − 28 oC )
150 oC − 35 oC
Ln
140 oC − 28 oC
31
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
∆Tm = LMTD =
(115 oC ) − (112 oC )
Ln
115 oC
112 oC
∆Tm = LMTD =
(3 oC )
Ln (1,026 )
∆Tm = LMTD =
(3 oC )
0,0256
Tm = LMTD = 117,187 oC
- Untuk mencari nilai faktor koreksi didapat dari grafik 4.1 F. Keith hal 558.
dengan cara mencari nilai P (efektivitas termal) dan R (kapasitas perbandingan
panas) terlebih dahulu.
> Efektivitas termal (P)
P=
Tc out − Tc in
Thin − Tc in
P=
(35 o C − 28 o C )
(150 o C − 28 o C )
P=
7oC
122 o C
P = 0,057
> Kapasitas perbandingan panas (dalam grafik 4.1 R=Z)
R=
Thin − Thout
Tc out − Tc in
R=
(150 oC − 140 oC )
(35 oC − 28 oC )
Universitas Mercu Buana
32
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
R=
10 o C
7oC
R = 1,43
> Faktor koreksi didapatkan dari hubungan nilai P = 0,057 dan nilai R =
1,43 didapatkan nilainya adalah :
F = 0,98
> Beda temperatur differensial ( TLMTD )
T LMTD = Tm x F
= 117,187 oC x 0,98
= 114,843 oC
• Perpindahan panas dalam kondensor sebelum adanya faktor pengotor (q)
Dari data yang ada :
U
= 462,963 W/m2 oC
A
=1846,983 m2
TLMTD
= 114,843 oC
Maka :
q = U x A x TLMTD
= 462,963 W/m2 oC x 1846,983 m2 x 114,843 oC
= 98200502,61 W
= 98200,50261 kW
Universitas Mercu Buana
33
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
• Perpindahan panas dalam kondensor setelah adanya faktor pengotor (q)
Dari data yang ada :
U
= 446,628 W/m2 oC
A
= 1846,983 m2
TLMTD
= 114,843 oC
Maka :
q = U x A x TLMTD
= 446,628 W/m2 oC x 1846,983 m2 x 114,843 oC
= 94735635,63 W
= 94735,63563 kW
• Efisiensi kerja kondensor
Pada saat temperatur air laut 28 oC maka sifat – sifat air yang diperoleh
Tabel JP. Holman hal 593 sebagai berikut :
Massa jenis air ( )
= 995,58 kg/m3
Panas jenis air (Cp)
= 4,177 kJ/kg oC
Laju liran air ( Q )
= 8650 m3/jam
= 2,403 m3/s
> Laju aliran massa air (m)
m=
x Q
= 995,58 kg/m3 x 2,403 m3/s
= 2392,378 kg/s
> Perpindahan panas pada air pendingin (qap)
qap = m x Cp x
Universitas Mercu Buana
T
34
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
= 2392,378 kg/s x 4,177 kJ/kg oC x (35 – 28) o
= 69950,740 kJ/s
qap = 69950,740 kW
> Efisiensi kerja kondensor ( )
q ap
η=
x 100 %
q
69950,740
x 100 %
98200,50261
=
= 0,7123 x 100 %
= 71,23 %
• Aliran yang terjadi pada saat air pendingin keluar ( Re )
Pada saat temperatur air laut 35 oC maka sifat–sifat air yang diperoleh dari
tabel lampiran JP. Holman hal 593 sebagai berikut :
= 993,95 kg/m3
= 7,2 x 10-4 kg/m s
Re =
v.d . ρ
µ
dimana :
v = 1,8 m/s
d = 0,021 m
maka,
Re =
v.d . ρ
µ
Universitas Mercu Buana
35
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
Re =
1,8 m / s x 0,021 m x 993,95 kg / m 3
7,2 x 10 − 4 kg / m.s
Re =
37,57131kg / m 3 . m . m / s
7,2 x 10 − 4 kg / m.s
Re =
52182,375 ( Aliran Turbulen )
• Faktor gesekan (f)
Faktor gesekan (f) adalah suatu fungsi dari bilangan Reynolds dan kekasaran
relatif permukaan pipa ( /D), dengan
adalah kekasaran absolut, bersatuan
meter serta D adalah diameter dalam pipa..(Lampiran Suparman Hara hal 9798).
Dimana,
pipa = 0,0000015 m (tabel 6-1 lampiran Supraman hara hal 98)
D = 0,021 m (diameter dalam pipa)
Jadi di dapat :
/D
=
0,0000015 m
0,021 m
= 0.00007
maka faktor gesekan dapat dicari dengan grafik bagan Moody pada lampiran
Supraman hara hal 99,didapat faktor gesekan (f) sebesar 0,02.
Universitas Mercu Buana
36
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
• Penurunan tekanan ( P )
L V2
∆P = f . . . ρ
d 2
Dimana : L = 6,66 m
d = 0,021 m
v = 1,8 m/s
= 993,95 kg/m3
maka,
∆P = 0,02 x
6,66 m (1,8 m / s ) 2
.
x 993,95 kg / m 3
0,021 m
2
= 0,02 x 317,143 x 1,62 m2/s2 x 993,95 kg/m3
= 10213,267 kg m/m2 . s2
= 10213,267 N/m2
P = 10213,267 Pa
Universitas Mercu Buana
37
BAB IV - PERHITUNGAN PERPINDAHAN KALOR
4.2. PEMBAHASAN
Dari hasil perhitungan dan pengolahan data pada kondensor di PT. Krakatau
Daya Listrik, telah diuraikan pada sub bab sebelumnya, didapat besarnya
perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi q = 98200,50261 kW,
sedangkan besarnya perpindahan panas aktual q = 69950,740 kW, maka hasil
analisanya sebagai berikut :
1. Semakin besar kecepatan aliran fluida yang terjadi didalam kondensor
maka semakin besar pula perpindahan panas yang akan terjadi.
2. Semakin besar luas bidang permukaan perpindahan panas yang
digunakan maka semakin besar pula perpindahan panas yang akan
terjadi.
3. Semakin besar faktor pengotor yang terjadi pada aliran fluida maka
perpindahan panas yang akan terjadi akan semakin kecil.
Universitas Mercu Buana
38