ANALISIS ENERGI INTERCOOLER METODE LMTD

PT INDONESIA POWER UBP KAMOJANG

diajukan untuk memenuhi tugas besar mata kuliah penukar panas tahun ajaran

2014/2015

Anggota kelompok:

Ahmad Romadun 13111014

Arif Nugroho 13111022

Muhammad Azka 13111038

Muhammad Kamal W 13111039

Moch. Yusuf Bachtiar 13111073

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Abdurrachim

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2014

2

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ............................................................................................................................. 2

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................ 3

DAFTAR TABEL ..................................................................................................................... 4

BAB I ........................................................................................................................................ 5

PENDAHULUAN .................................................................................................................... 5

1.1 Latar Belakang .......................................................................................................... 5

1.2 Objektif ..................................................................................................................... 5

1.3 Tujuan ....................................................................................................................... 6

1.4 Ruang Lingkup Masalah ........................................................................................... 6

BAB II ....................................................................................................................................... 7

STUSI KASUS ......................................................................................................................... 7

2.1 Penukar Panas yang Dibutuhkan .............................................................................. 7

2.2 Plate Heat Exchanger ................................................................................................ 9

BAB III ................................................................................................................................... 13

PENGOLAHAN DATA ......................................................................................................... 13

3.1 Perhitungan LMTD ................................................................................................. 15

3.2 Perhitungan U (overall heat transfer coefficient) .................................................... 16

3.3 Perhitungan Q (heat transfer rate) ........................................................................... 20

3.4 Perhitungan Efectiveness (E) .................................................................................. 20

3.5 Perhitungan Cost (Biaya) Intercooler ..................................................................... 21

BAB IV ................................................................................................................................... 22

ANALISIS .............................................................................................................................. 22

BAB V .................................................................................................................................... 24

KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................................... 24

5.1 Kesimpulan ............................................................................................................. 24

5.2 Saran ....................................................................................................................... 24

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 25

3

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Operasi Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang PLTP

Darajat ..........................................................................................................................8

Gambar 2.2 Skema Operasi Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang PLTP

Darajat..........................................................................................................................9

Gambar 2.3. Plate Heat Exchanger tipe Chevron....................................................10

Gambar 2.4 Intercooler PLTP Kamojang.................................................................11

Gambar 2.5 Plate Heat Exchanger PLTP Kamojang...............................................12

4

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Spesifikasi desain intercooler PLTP Kamojang........................................13

Tabel 3.2 Parameter proses dalam desain intercooler PLTP Kamojang....................14

Tabel 3.3 Data kondisi opersi pada intercooler PLTP Kamojang..............................14

Tabel 3.4 Tabel konstanta chevron untuk perhitungan..............................................17

5

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penukar panas merupakan perangkat yang cukup vital dalam kehidupan

sehari-hari, termasuk dalam dunia pembangkitan energi. PT. Indonesia Power UBP

Kamojang merupakan salah satu perusahaan pembangkitan listrik dengan

memanfaatkan panas bumi sebagai sumber energi primernya. Untuk mendukung

performa yang optimal pada sistem pembangkitannya, peralatan penukar panas sangat

berperan penting. Perangkat penukar panas yang penting dalam sistem pembangkitan

PT. Indonesia Power UBP Kamojang diantaranya adalah kondensor, cooling tower,

dan pendingin-pendingin komponen seperti turbin, generator, motor pompa dan

sebagainya.

Analisis sistem penukar panas pada suatu sistem pembangkit sangat penting

agar sesuai dengan performa yang diinginkan. Terganggunya performa komponen

penukar panas akan menyebabkan performa keseluruhan sistem pembangkit akan

menurun.

1.2 Objektif

Menganalisis salah satu penukar panas yang ada dalam proses pembangkitan

energi listrik di PT. Indonesia Power UBP Kamojang

Memenuhi tugas mata kuliah pilihan MS4035 Penukar Panas di program studi

Teknik Mesin, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara - Institut Teknologi

Bandung

6

1.3 Tujuan

Menentukan nilai LMTD, Overall Heat Transfer (U), perpindahan

panas(Q), dan Efectiveness (E) dari Intercooler PT. Indonesia Power

Kamojang UBP Kamojang

Menganalisis kinerja dari Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang

UBP Kamojang

Menentukan biaya Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang UBP

Kamojang

1.4 Ruang Lingkup Masalah

Laporan ini hanya akan membahas analisis energi dengan metode LMTD

pada intercooler yang terdapat di PT Indonesia Power UBP Kamojang unit 2.

7

BAB II

STUSI KASUS

2.1 Penukar Panas yang Dibutuhkan

Pada Unit Bisnis Pembangkit Kamojang PLTP Darajat, terdapat sebuah

secondary cooling water system yang digunakan untuk mendinginkan beberapa

komponen seperti generator cooler, lube oil cooler, dan kompresor. Secondary

cooling water system mempunyai siklus tertutup sehingga tidak memerlukan supply

air dari luar secara terus menerus. Kadar pH pada air yang mengalir di secondary

cooling water system harus dijaga dalam keadaan netral. Jika kadar pH meningkat,

maka akan terjadi scale formation, yaitu terbentuknya lapisan dari kristalisasi

senyawa-senyawa kimia pada air. Jika kadar pH menurun, maka korosi akan mudah

terjadi. Oleh karena itu, temperatur air pada secondary cooling water system harus

dijaga pada nilai tertentu agar nilai pH fluida pendingin dapat dikendalikan sehingga

komponen-komponen yang didinginkan mempunyai umur yang panjang.

Untuk menjaga temperatur secondary cooling water system, dibutuhkan

sebuah pendingin. Pendingin tersebut adalah air dari primary cooling water system

yang diperoleh dari cooling tower. Berbeda dengan secondary cooling water system,

primary cooling water system menggunakan siklus terbuka. Fluida pendingin pada

primary cooling water system diperoleh dari uap yang didinginkan di cooling tower.

Fungsi utama dari primary cooling water adalah sebagai pendingin secondary cooling

water.

Dibutuhkan suatu media agar terjadi perpindahan panas antara fluida dingin

dari primary cooling water system dengan fluida panas dari secondary cooling water

system. Media tersebut adalah intercooler. Intercooler merupakan suatu heat

exchanger (alat penukar panas) yang berfungsi sebagai media perpindahan panas

8

antara dua fluida yang mengalir di dalamnya. Penukar panas yang digunakan berupa

plate heat exchanger, terdiri dari tumpukan pelat yang mempunyai bentuk khusus dan

mempunyai saluran untuk mengalirkan fluida.

Berikut ini gambaran skema operasi intercooler pada PT Indonesia Power

UBP Kamojang PLTP Darajat, yang kemungkinan sama dengan PLTP Kamojang

unit 2 :

Gambar 2.1 Skema Operasi Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang PLTP Darajat

9

Gambar 2.2 Skema Operasi Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang PLTP Darajat

Pada Unit Darajat I, terdapat satu buah unit pembangkit dan memiliki satu

unit intercooler. Unit Darajat I merupakan unit yang mulai beroperasi pada tahun

1994 dengan kapasitas pembangkitan sebesar 55 MW. Sedangkan untuk Unit

Kamojang I beroperasi sejak 1983 (dengan kapasitas 30 MW) dan Unit II, III

Kamojang beroperasi sejak 1987 (dengan kapasitas masing-masing 55 MW).

2.2 Plate Heat Exchanger

Plate heat exchanger merupakan alat penukar panas yang tidak memakan

ruang yang banyak dan mempunyai koefisien perpindahan panas yang baik. Pelat

yang digunakan pada plate heat exchanger merupakan pelat tipis yang memiliki pola

khusus pada permukaan dan memiliki empat lubang sebagai saluran fluida. Pola

khusus pada permukaan pelat membuat aliran fluida menjadi turbulen sehingga

koefisien perpindahan panas menjadi tinggi. Pola tersebut juga membantu

meningkatkan luas permukaan efektif perpindahan panas. Pola yang digunakan pada

10

plate heat exchanger UBP Kamojang PLTP Kamojang unit 2 adalah produk dari

Alfa-Laval Engineering model AM-20FM single pass tipe Chevron.

Gambar 2.3. Plate Heat Exchanger tipe Chevron

(sumber: http://www.wassertech.net/content/view/15/51/lang,thai/)

Berikut ini merupakan foto intercooler pada PLTP Darajat yang kira – kira

mirip dengan intercooler pada PLTP Kamojang adalah sebagai berikut :

11

Gambar 2.4 Intercooler PLTP Kamojang

Berikut ini merupakan foto – foto pelat – pelat intercooler saat dilakukan

pembersihan secara berkala :

12

Gambar 2.5 Plate Heat Exchanger PLTP Kamojang

13

BAB III

PENGOLAHAN DATA

Pada bab pengolahan data, digunakan spesifikasi desain dan juga kondisi

operasi intercooler pada PLTP Kamojang unit 2. Data – data dan perhitungan heat

rate ini kami dapatkan pada daftar pustaka yang pertama (laporan Kerja Praktek atas

nama Muhammad Rifky).

Berikut ini merupakan data – data operasi dan spesifikasi desain dari

intercooler PLTP Kamojang unit 2 :

Tabel 3.1 Spesifikasi desain intercooler PLTP Kamojang

Dan parameter proses dalam kondisi desain sebagai berikut :

14

Tabel 3.2 Parameter proses dalam desain intercooler PLTP Kamojang

Untuk kondisi operasi pada PLTP Kamojang intercooler, digunakan pada 1 hari

yaitu pada tanggal 6 November 2013

Tabel 3.3 Data kondisi opersi pada intercooler PLTP Kamojang

15

3.1 Perhitungan LMTD

Salah satu cara untuk menganalisis performa heat exchanger adalah dengan

menggunakan metoda Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD). Menurut

metoda LMTD,

dengan q adalah laju perpindahan panas, U adalah koefisien perpindahan panas

keseluruhan, A adalah luas perpindahan panas, adalah perbedaan temperature

rata-rata logaritmik, dan F adalah faktor koreksi LMTD.

Untuk mengetahui digunakan persamaan:

Plate heat exchanger yang digunakan pada intercooler UBP Kamojang memiliki

aliran counter-flow, sehingga untuk:

dimana adalah temperatur fluida panas masuk, adalah temperatur fluida

panas keluar, adalah temperatur fluida dingin masuk, dan adalah temperatur

fluida dingin keluar. Maka,

16

3.2 Perhitungan U (overall heat transfer coefficient)

Plate heat exchanger yang digunakan pada intercooler UBP Kamojang unit 2

memiliki konfigurasi single pass dan counter-flow, sehingga LMTD Factor adalah

sebesar 0,95. Maka

Untuk mengetahui koefisien perpindahan panas keseluruhan, digunakan persamaan:

dimana U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan, adalah koefisien

perpindahan panas pada fluida panas, adalah koefisien perpindahan panas pada

fluida dingin, adalah tebal pelat, dan adalah konduktivitas termal pelat. Untuk

mengetahui koefisien perpindahan panas pada fluida panas dan dingin, dibutuhkan

bilangan Nusselt, dengan persamaan:

dimana Nu adalah nusselt number, h adalah koefisien perpindahan panas, adalah

diameter ekivalen, k adalah konduktivitas termal, Ch adalah Konstanta Chevron

Angle. Nilai Ch dan n tergantung pada karakteristik aliran fluida dan chevron angle,

yang ditentukan oleh tabel berikut:

17

Tabel 3.4 Tabel konstanta chevron untuk perhitungan

Diketahui bahwa dari perhitungan, dengan menggunakan data operasi dan juga

data pada tabel sifat air yang bergantung pada temperatur (seperti volume jenis),

didapatkan :

Ṁh =

Dan Ṁ

Dimana Ṁ merupakan mass flow rate dari aliran dingin maupun panas

Nilai dari bilangan Reynolds dapat dicari dengan menggunakan data dari

geometri pelat dan laju aliran massa fluida, menggunakan persamaan:

18

dimana μ adalah viskositas fluida dan Gc adalah laju aliran massa fluida pada tiap kanal,

didapatkan dengan menggunakan persamaan:

dengan NCP adalah jumlah kanal per laluan (channel per pass), didapat menggunakan

persamaan:

dengan Nt adalah jumlah total pelat pada plate heat exchangers dan Np adalah jumlah

laluan. Diameter ekivalen, De, didapat dengan menggunakan persamaan:

dengan W adalah lebar pelat dan b adalah jarak celah pelat rata-rata (mean plate gap).

Karena nilai b sangat kecil bila dibandingkan dengan W, maka:

Untuk mencari mean plate gap, digunakan persamaan:

dimana p adalah pitch antara dua pelat. Untuk mencari besarnya pitch digunakan

persamaan:

Dengan memasukkan data yang dimiliki, maka

19

Karena plate heat exchanger pada intercooler unit 2 menggunakan pelat tipe

chevron dengan angle sebesar 65°, maka nilai Ch adalah sebesar 0,087 sedangkan nilai n

adalah sebesar 0,718, sehingga:

( )

( )

20

3.3 Perhitungan Q (heat transfer rate)

Pada kondisi operasi, laju perpindahan panas yang terjadi adalah sebesar:

3.4 Perhitungan Efectiveness (E)

Effectiveness pada heat exchanger dihitung dengan menghitung terlebih dulu

kriteria dengan kapasitas terkecil, apakah di aliran dingin atau aliran panas.

Rumus awal

Dikarenakan nilai Ṁh (mass flow rate aliran panas) adalah 88.27 kg/s dan Ṁc

(mass flow rate pada aliran dingin) adalah 81.42 kg/s, dan juga nilai dari cp,l pada

kedua aliran panas dan dingin adalah sama karena temperatur tidak jauh berbeda,

yaitu pada temperatur 305 K dan 310 K adalah 4178 J/kgK, maka kapasitas (Ṁ*cp)

pada aliran panas lebih besar daripada kapasitas aliran dingin. Sehingga digunakan

persamaan efektivitas adalah sebagai berikut :

[ ]

[ ]

Untuk mengetahui efektivitas, maka diperlukan nilai NTUmin, dimana :

21

=

0.36

Sedangkan untuk mengetahui nilai R adalah :

Sehingga nilai Efektivitas intercooler adalah :

[ ]

[ ]

( )

( )

3.5 Perhitungan Cost (Biaya) Intercooler

Dari nilai Q dan ∆Tm yang didapat, maka untuk mencari cost per Q/∆Tm

diperlukan nilai Q/∆Tm. Sehingga didapatkan :

Q/∆Tm =

Sehingga didapatkan nilai cost dalam poundsterling / (W/K) adalah dengan

interpolasi, 0.017 poundsterling / (W/K). Sehingga harga intercooler setelah operasi

adalah 0.017*246426 = 17,496.24 poundsterling atau Rp 347.178.000.

22

BAB IV

ANALISIS

Dari nilai LMTD dan nilai yang diperoleh, terlihat bahwa nilainya

sangat kecil. Hal ini dapat disebabkan karena laju massa fluida pendingin sama

dengan fluida panas yaitu 320 m3/h, sehingga perpindahan panas yang terjadi

hanyalah kecil. Jika massa fluida pendingin diperbesar, maka LMTD juga akan

meningkat.

Nilai LMTD pada counter flow plate heat exchanger ini secara teoritik lebih

tinggi daripada co-current. Hal ini disebabkan karena ada driving force atau

perbedaan temperatur yang cukup besar disetiap titiknya.

Nilai heat transfer rate (Qdot) terlihat sangat besar, hal ini disebabkan karena

beberapa hal :

- Nilai koefisien heat transfer yang sangat besar, jika dilihat lebih lanjut, yang

menyebabkan nilai koefisien heat transfer besar adalah koefisien perpindahan

panas konveksi pada sisi panas dan dingin (hc dan hh). Kenaikan koefisien

konveksi ini disebabkan karena laju fluida yang mengalir baik panas maupun

dingin tinggi.

- Luas permukaan yang besar yaitu sekitar 1,173 m3

per plat.

- Menggunakan plat sebanyak 79 plat.

Nilai efektivitas yang didapatkan adalah 0.27. Nilai ini cenderung kecil

dibandingkan efektivitas yang seharusnya terdapat pada berbagai heat exchanger,

yaitu mendekati nilai 1. Hal ini antara lain disebabkan oleh penurunan dan penaikan

temperatur pada aliran air yang panas dan dingin sangat kecil (hanya sekitar 2 derajat

23

celcius). Sehingga semakin kecil temperatur yang berubah pada kedua aliran tersebut,

maka semakin kecil efektivitas.

Hal ini kami hitung berdasarkan kenyataan temperatur masuk dan keluar pada

aliran panas dan dingin. Karena itu, nilai LMTD dan nilai NTU min sangat kecil,

sehingga menyebabkan pendinginan semakin tidak efektif. Hal ini juga dapat dilihat

pada grafik efektivitas terhadap NTU, dimana NTU yang semakin kecil menyebabkan

efektivitas makin kecil. Namun hal ini tidak masalah, dikarenakan fungsi intercooler

pada PLTP untuk menurunkan temperatur secara tidak terlalu jauh, yang penting

masih berada dalam batas normal.

Sedangkan untuk perhitungan harga, didapatkan bahwa nilainya adalah Rp

347.178.000. Harga ini cukup mahal dibandingkan harga – harga plate heat

exchanger lainnya. Hal ini disebabkan besarnya nilai Q dan kecilnya nilai .

Sehingga nilai Q/ sangat besar, walaupun harga per W/K nya sangat kecil, tetapi

nilai harganya akan sangat besar. Sehingga menurut analisis kami, dengan harga yang

mahal tersebut pembelian intercooler ini kurang tepat, dikarenakan efektivitasnya

yang sangat kecil namun harganya sangat mahal.

24

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang kami peroleh setelah melakukan proses perhitungan dan

analisis adalah

- Intercooler PT. Indonesia Power Kamojang UBP Kamojang memiliki nilai :

LMTD = 6.61 oC

Overall Heat Transfer (U) =

Heat transfer rate (Q) =

Efectiveness (E) = 0.27

- Biaya yang dibutuhkan dalam pembuatan Intercooler PT. Indonesia Power

Kamojang UBP Kamojang adalah sebesar Rp 347.178.000.

5.2 Saran

Untuk saran, yang diperlukan untuk pengembangan efektivitas intercooler

pada PLTP Kamojang adalah mengganti pelat agar efektivitas bagus dan sesuai

kondisi desain, dan juga membersihkan pelat sehingga efektivitas lebih tinggi.

25

DAFTAR PUSTAKA

1. Mukhammad Rifky (NIM 13110119). Laporan Kerja Praktek, “Analisis

Performa Plate Heat Exchanger UNIT II”. Fakultas Teknik Mesin dan

Dirgantara, Teknik Mesin ITB, Bandung : Juni 2013

2. Hewitt, G.F., Shires G.L., Bott, T.R. 1994. “Process Heat Transfer”.New

York : Begell house, inc.

3. Saunders, E. A. D. Heat Exchangers – Selection, Design and Construction.

New York: John Wiley & Sons. 1988.

4. http://novita-elyanti.blogspot.com/2011/01/exchanger-spesifikasi-

peralatan.html

5. http://www.wassertech.net/content/view/15/51/lang,thai/)