Sistem Penukar Kalor..

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