ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBErepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/47171/7/Cover.pdf · analisis alat penukar kalor shell and tube sebagai pemanas marine fuel oil

ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE

SEBAGAI PEMANAS MARINE FUEL OIL ( MFO ) UNTUK

BAHAN BAKAR BOILER PLTU UNIT 4

DI PT. PLN (PERSERO) SEKTOR PEMBANGKITAN

BELAWAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

SUHERI SUSANTO

NIM. 100421036

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2013

Universitas Sumatera Utara








KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena

atas segala karunia dan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan

Skripsi ini.

Skripsi ini berjudul " ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL

AND TUBE SEBAGAI PEMANAS MARINE FUEL OIL (MFO) UNTUK

BAHAN BAKAR BOILER PLTU UNIT 4 " dimaksudkan sebagai salah satu

syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana Teknik di Departemen Teknik

Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Sesuai dengan judulnya, dalam laporan ini akan dibahas mengenai

analisa kesetimbangan energi dan LMTD, analisa koefisien perpindahan panas,

pressure drop shell and tube, faktor pengotoran, dan efektivitas alat penukar

kalor.

Dalam penyusunan laporan skripsi, penulis telah banyak mendapat

dukungan dari berbagai pihak, baik materil, spiritual, informasi dan administrasi,

maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima

kasih kepada :

1. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku dosen penguji dan Ketua

Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA., selaku dosen pembimbing

yang telah banyak membantu dengan memberikan bimbingan, pengarahan

dalam penyusunan laporan skripsi ini.

3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc., selaku dosen penguji yang telah banyak

memberikan saran dan kritik yang membangun bagi penulis.

4. Bapak dan Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin

Fakultas Teknik USU.


5. Teristimewa kepada Ayahanda tercinta Alm. P. Nainggolan dan Ibunda

tercinta Siti Akes Simamora yang telah memberikan doa, motivasi,

dukungan moril maupun materil kepada penulis.

6. Kakak dan Abang tercinta Jurida Nainggolan, Mariana Nainggolan,

Minar Nainggolan, dan Charles Nainggolan yang memberi motivasi, dan

semangat.

7. Kekasih tercinta Elly Oktaviani Sembiring dan keluarga yang telah

memberi semangat.

8. Bapak Katrisnan, Bapak Suhartono, Bapak Antonius Indra, Bapak Juni

perangin – angin, Bapak Simbolon dan seluruh rekan kerja di

Pemeliharaan Boiler dan Alat Bantu di PT. PLN (Persero) Sektor

Pembangkitan Belawan.

9. Bapak Sumihar Manik Staff Labor PT. PLN (Persero) Sektor

Pembangkitan Belawan.

10. Rekan – Rekan Kerja Operator Regu C PLTU Unit 1.2 dan Unit 3.4

11. Seluruh Teman – teman teknik mesin angkatan 2010 terkhusus buat

Tyson Manurung, Zakaria Bernando, Ricardo Nainggolan, Cakra Messa

Abadi, Alexander Sebayang angkatan 2011.

Dalam penyusunan laporan skripsi ini penulis menyadari adanya

kekurangan – kekurangan dan kesilapan yang mungkin terjadi pada laporan

skripsi ini. Untuk itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang bersifat

membangun dari berbagai pihak untuk menyempurnakan laporan skripsi ini.

Semoga laporan skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak yang membaca.

Medan, Oktober 2013

Hormat saya,

Suheri Susanto


DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ............................................................................... ii

DAFTAR ISI ............................................................................................. iv

DAFTAR TABEL ................................................................................. vi

DAFTAR GAMBAR ............................................................................... vii

DAFTAR NOTASI ..................................................................................... viii

ABSTRAK ............................................................................................... xi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ................................................................... 1

1.2 Batasan Masalah ................................................................ 2

1.3 Tujuan Penulisan ................................................................ 3

1.4 Sistematika Pembahasan .................................................... 3

BAB II LANDASAN TEORI

2.1 Prinsip Dan Teori Dasar Perpindahan Panas ..................... 4

2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor........................................... 4

2.3 Pembagian Alat Penukar Kalor

Jenis Shell and Tube Berdasarkan TEMA ......................... 7

2.4 Komponen – Komponen Alat Penukar Kalor ................... 9

2.5 Log Mean Temperature Difference .................................. 15

2.6 Faktor Pengotoran ............................................................ 19


2.7 Koefisien Perpindahan Panas dan

Penurunan Tekanan pada Shell ........................................ 20

2.8 Koefisien Perpindahan Panas dan

Penurunan Tekanan Pada Tube ....................................... 23

2.9 Metode NTU – Efektifitas .............................................. 26

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tinjauan Plant .................................................................. 28

3.2 Metode Pengumpulan Data ............................................. 30

3.3 Flow Chart ....................................................................... 31

3.4 Data Peralatan Dan Dimensi Alat Penukar Kalor ............. 32

BAB IV ANALISA DATA dan PEMBAHASAN

4.1 Perhitungan Data Design .................................................... 33

4.2 Perhitungan Data Aktual ..................................................... 52

4.3 Pemeliharaan Alat Penukar Kalor ....................................... 70

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ......................................................................... 76

5.2 Saran .................................................................................... 77

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN - LAMPIRAN


DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Data Spesifikasi Dimensi Steam Heated Oil Heater ....... 32

Tabel 3.2 Data Spesifikasi Steam Heated Oil Heater PLTU unit 4 32

Tabel 3.3 Data Aktual Steam Heated Oil Heater Saat Operasi ........ 32

Tabel 4.1 Beda Temperature Fluida ................................................. 36

Tabel 4.2 Sifat Fisik Fluida .............................................................. 44

Tabel 4.3 Beda Temperature Fluida Kondisi Aktual ........................ 55

Tabel 4.4 Sifat Fisik Fluida Kondisi Data Aktual ............................ 62


DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Alat Penukar kalor Tipe AES .......................................... 8

Gambar 2.2 Alat Penukar Kalor Tipe BEM ........................................ 8

Gambar 2.3 Alat Penukar Kalor Tipe AKT ........................................ 8

Gambar 2.4 Alat Penukar Kalor Tipe CEU ........................................ 9

Gambar 2.5 Rancangan Alat Penukar Kalor Shell and Tube .............. 10

Gambar 2.6 Tipe Susunan Tube Alat Penukar Kalor .......................... 11

Gambar 2.7 Sekat Pelat Bentuk Segmen ............................................ 13

Gambar 2.8 Sekat Batang (Rod Baffle) ............................................ 13

Gambar 2.9 Sekat Longitudinal (Longitudinal Baffle) ..................... 14

Gambar 2.10 Sekat Impingement .......................................................... 14

Gambar 2.11 APK Aliran Sejajar .......................................................... 16

Gambar 2.12 APK Aliran Berlawanan Arah ......................................... 16

Gambar 2.13 Faktor Koreksi Aliran Silang, Kedua Fluida tak Campur... 18

Gambar 2.14 Faktor Koreksi Aliran Silang, Salah Satu Fluida Bercampur 18

Gambar 3.1 Tipe Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4 Sektor Belawan .... 29

Gambar 3.2 Skema Instalasi Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4 ............. 29

Gambar 3.3 Tube Bundle Alat Penukar Kalor ........................................ 30

Gambar 3.4 Diagram alir proses penelitian alat penukar kalor ............... 31

Gambar 4.1 Profil Temperature Pada Alat Penukar Kalor ...................... 36

Gambar 4.2 Pelepasan Panas Selama Proses Perubahan Fasa ................ 51

Gambar 4.3 Profil Temperature Alat Penukar Kalor Kondisi Actual ..... 54

Gambar 4.4 Pelepasan Panas Selama Proses Perubahan Fasa ................ 69


DAFTAR NOTASI

Simbol Arti Satuan

APK Alat Penukar Kalor

ASH Auxilarry Steam Header

A Luas Penampang m2

as Luas laluan aliran shell m2

at Luas laluan aliran tube m2

a′t Luas Laluan aliran tube m2

B Jarak antar baffle m

BWG Birmingham Wire gage

C Clearance m

Ch Kapasitas minimum fluida panas kW/°C

Cc Kapasitas minimum fluida panas kW/°C

do Diameter outlet tube m

din Diameter inlet tube m

Ds Diameter shell m

De Diameter ekuivalen shell m

Fc Faktor koreksi

FOH Fuel Oil Heater

Gs kecepatan aliran massa pada shell

Gt kecepatan aliran massa pada tube

hfg Entalpi Steam kJ/kg

Koefisien perpindahan panas konveksi shell

Koefisien perpindahan panas konveksi dinding tube


Koefisien perpindahan panas konveksi koreksi shell

Koefisien perpindahan panas konveksi koreksi tube

ID Diameter inlet shell m

JH Faktor perpindahan Panas

k Konduktivitas thermal

LMTD Log Mean Temperature Difference

MFO Marine Fuel Oil

Laju aliran massa residu

Laju aliran massa uap

NB Jumlah baffle

Np Jumlah pass/laluan

Nt Jumlah tube

P Efektivitas temperatur

Pr Prandtl number

Pt Pitch m

Qs Kalor steam kW

Qres Kalor residu kW

R Rasio kapasitas panas

Res Reynold number pada shell

Ret Reynold number pada tube

Rd Faktor pengotoran

TEMA Turbular Exchanger Manufactures Association

tc Temperatur koreksi Steam °C

tin Temperatur inlet °C

tout Temperatur outlet °C


tw Temperatur dinding °C

Tc Temperatur koreksi residu °C

Tci Temperatur masuk fluida dingin °C

Tco Temperatur keluar fluida dingin °C

Thi Temperatur masuk fluida panas °C

Tho Temperatur keluar fluida panas °C

Tr Temperatur rata – rata °C

Uc koefisien perpindahan panas permukaan yang bersih

Ud koefisien perpindahan panas menyeluruh

∆Ps Pressure drop Shell Bar

∆Pt Pressure drop tube Bar

∆Pr Pressure drop tube tambahan / ekspansi Bar

∆PT Pressure drop tube total Bar

∆tc selisih temperatur rendah °C

∆th selisih temperatur tinggi °C

∆Tm Beda temperatur rata – rata °C

φs rasio viskositas residual oil (fluida dalam shell)

φt rasio viskositas steam (fluida dalam tube)

µ Viskositas fluida mPa.s

ε Efektivitas APK %


ABSTRAK

Alat penukar kalor merupakan alat yang memindahkan energi panas dari suatu fluida ke fluida lain yang memiliki beda temperature. PLTU unit 4 Belawan memiliki 2 unit alat penukar kalor pemanas Marine Fuel Oil untuk bahan bakar boiler. Alat penukar kalor sudah beroperasi sejak 1988 sampai sekarang. Oleh karena itu perlu diketahui bagaimana performansi alat penukar kalor tersebut. Metode yang digunakan dalam penelitian performansi alat penukar kalor ini adalah analisa perhitungan nilai efektivitas, pressure drop, dan besarnya faktor pengotoran alat penukar kalor, dengan membandingkan kondisi desain dan kondisi aktual. Dari hasil perhitungan yang dilakukan pada kondisi aktual dengan kondisi desain diperoleh efektivitas lebih kecil, dimana efektivitas kondisi aktual 66% dan efektivitas kondisi desain 67%. Dan penurunan tekanan (pressure drop) pada sisi shell, berdasarkan hasil perhitungan dengan kondisi desain diperoleh bahwa ∆P s lebih kecil dari batas yang diijinkan dimana ∆P s hasil perhitungan 1,177 Bar dan ∆P s pabrikan / yang diijinkan 1,7 Bar, dan untuk faktor pengotoran bahwa kondisi aktual dibandingkan dengan kondisi desain diperoleh lebih besar, dimana faktor pengotoran kondisi aktual dan faktor pengotoran

kondisi desain . Maka dapat disimpulkan APK ini masih layak

untuk digunakan dan salah satu penyebab turunnya efektifitas APK adalah faktor pengotoran.

Kata Kunci : Efektivitas, Pressure Drop, Performansi, APK


ABSTRACT

Heat exchanger is a device that transfers thermal energy from one fluid to

another fluid that has a different temperature. Belawan power plant unit 4 has 2

heat exchanger unit heaters Marine Fuel Oil for boiler fuel . Heat exchanger has

been in operation since 1988 until now. Therefore it is necessary to know how the

performance of the heat exchanger. The method used in the research of heat

exchanger performance analysis of this is the calculation of effectiveness ,

pressure drop , and the amount of heat exchanger fouling factor , by comparing

the condition of the design and actual conditions. From the results of calculations

performed on the actual condition of the effectiveness of the design conditions

obtained are smaller , where the effectiveness of the actual condition of 66 % and

67 % effectiveness of the design conditions. And a decrease in pressure (pressure

drop) on the shell side , based on calculations derived design conditions that ΔPs

smaller than the allowable limit in which the calculation of 1.177 ΔPs Bar and

ΔPs manufacturer / allowable 1.7 Bar and for fouling factor that the actual

conditions than the design conditions is greater, where the actual condition fouling

factor fouling factor design conditions and .

It can be concluded APK is still feasible to use and one of the causes of decline in

the effectiveness of APK is fouling factor.

Keywords : Effectiveness , Pressure Drop , Performance , APK


Documents

ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBErepository.usu.ac.id/bitstream/123456789/47171/7/Cover.pdf · analisis alat penukar kalor shell and tube sebagai pemanas marine fuel oil