STUDI PERBANDINGAN UNTUK KERJA PENUKAR KALOR REAKTOR SERBA GUNA G.A. SIWABESSY

MENGGUNAKAN METODA EFEKTIFITAS DAN METODA LOGARITHMIC MEAN TEMPRATURE

DIFFERENCE (LMTD)

Oleh

Kuswanto, Suroso,SungkonoJurusan : Teknik Mesin Fakultas: Teknik dan Sains

Jl.Sawo Manila ,Pasar Minggu Jakarta12520

ABSTRAKAlat penukar kalor berfungsi memindahkan panas dari system pendingin primer ke system sekunder dan diteruskan ke atmosfir melalui menara pendingin. Penukar kalor tipe shell and tube dengan arah aliran berlawanan merupakan salah satu komponen utama system pendingin pada reactor serba guna G.A Siwabessy.Harga koefisien perpindahan panas kondisi bersihsaat komisioning penukar kalor I dan penukar kalor II U1 = 3720.571 W/m2 .0C dan U2 = 4111.859 W/m2.0C, harga koefisien perpindahan panas sebelum dan sesudah dilakukan penggantian blower pada menara pendingin pada penukar kalor I dan penukar kalor II masing-masing U1 = 2409.937 W/m2.0C dan U2 = 2854.9 W/m2. 0C dan U1 = 3512.407 W/m2.0C dan U2 = 3149.983 W/m2.0C,terjadi peningakatan untuk kerja penukar kalor sebesar 29.64% unutk penukar kalor I dan penukar kalor II 7.18% untuk penukar kalor II.

Kata kunci : Analisis, alat penukar kalor, koefisien perpindahan panas, factor pengotor untuk kerja.

I PendahuluanRSG – GAS merupakan reactor riset atau penelitian kolam dengan daya termal 30 MW. RSG – GAS memiliki dua system pendingin utama yaitu system pendingin primer dan system pendingin sekunder. Untuk menjaga kondisi alat penukar kalor tetap terjaga dengan baik diperlukan suatu teknik perawatan yang baik. Penukar kalor yang digunakan tipe shell and tube, yang apabila telah lama beroperasi di mungkinkan timbul kerak dan lumut yang dapat mengurangi kemampuan penukar kalor memindahkan panas. Karakteristik perpindahan panas (U) dan factor pengotor (fouling factor) pada alat penukaran kalor sebelum dan sesudah dilakukan perawatan dan penggantian suku cadang pada menara pendingin.

Tujuan penelitian: adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari alat penukar kalor tipe shell and tube pada RSG – GAS Serpong yang meliputi : perhitungan koefisien perpindahan panas dan factor pengotor sebelum dan sesudah dilakukan perawatan dan perbaikan pada menara pendinginnya.

Perumusan Masalah : Semakin lama alat penukar kalor beroperasi dimungkinkan timbul kerak dan lumut yang mengganggu koefisien perpindahan panas pada alat penukar kalor.

Dengan demikian diperlukan pemantauan karakteristik perpindahan panas dan factor pengotor pada alat penukar kalor.

II DASAR TEORIPerpindahan panasPerpindahan panas atau alih bahang (heat transfer) adalah untuk meramalkan perpindahan energi karena perbedaan suhu diantara benda atau material. Proses perpindahan panas dapat terjadi dengan 3 cara yaitu1) :

♦ Konduksi♦ Konveksi♦ Radiasi

a. Perpindahan panas secara konduksi umumnya terjadi pada benda padat dengan getaran atom atom dalam kristal dan gerakan electron bebas pada bahan. Besarnya laju perpindahan panas yang terjadi dapat dihitung dengan rumus1) :

Qk = k . A . ΔTL

Dimana :Qk : Laju perpindahan panas (W)K : koefisien konduktifitas termal dari benda yang memindahkan panas (W/(m2.0C))A : luas permukaan penghantar panas (m2)L : lebar/tebal benda yang memindahkan panas (m)ΔT : selisih temperatur antara dinding bahan penghantar panas (0C)

b. Perpindahan Panas Secara Konveksiterjadi antara permukaan benda padat dengan fluida atau sebaliknya dengan besar laju perpindahan panasnya dapat dirumuskan sebagai berikut1) :

Qc = hc.AΔT

Dimana: Qc : laju perindahan panas konveksi (W)hc : koefisien rata-rata perpindahan panas konveksi untuk suatu luasan (W/(m2.0C))A : luasan permukaan penghantar (m2)ΔT :selisih suhu antara dinding bahan penghatar panas dengan fluida atau sebaliknya (0C)

c. Perpindahan Panas Secara Radiasi terjadi akibat pancaran gelombang elektromagnetik dalam bentuk cahaya energi termal atau panas pada suatu benda dan gelombang ini dapat melalui ruang hampa. Untuk menentukan laju perpindahan panas (Q) pada alat penukar kalor dalam keadaan aliran tunak (stedy state) dapat dirumsukan sebagai berikut1) :

Q=Q1=Q2=Q3

Dimana:

Q : laju perpindahan panas (W)Q1 : laju perpindahan panas antara dinding 1 dengan dinding 1 (W)Q2 : laju perpindahan panas antara dinding 1 dengan dinding 2 (W)Q3 : laju perpindahan panas antara dinding 1 dengan dinding 3 (W)Besarnya harga Q1, Q2 dan Q3 dapat dirumuskan berturut-turut sebagai berikut1) :

Q1 = h1.A1.ΔT1 (konveksi)Q2 = k . Aw.ΔTW (konduksi) h

Q3 = h2.A2. ΔT2 (konveksi)

Dimana:h1 : koefisien perpindahan panas antara medium 1 dan dinding 1 (W/(m2.0C))A1 : luas permukaan dinding 1 (m2)ΔT1 : selisih suhu antara medium 1 dan permukaan dinding 1 (t1-t2) (0C)k : koefisien konduktifitas panas dingin (W/(m2.0C))L : tebal diding (m)Aw : luas dinding 1(m2)h2 : koefisien perpindahan panas antara dinding 2 dengan medium 2 (W/(m2.0C))A2 : luas dinding 2 (m2)ΔT2 : selisih temperatur antara dua dinding dengan dinding 2 (t1-t2) (0C)

Laju perpindahan panas dapat dihitung dengan cara mencari laju perpindahan panas keseluruhan yang dirumuskan sebagai berikut:

Dari medium 1 ke medium 2 berlaku:

Q = U1.A1. ΔTm1 Atau dari medium 2 ke medium 1:Q = U2.A2. ΔTm2

Nilai dari U1 dan U2 dapat dicari masing-masing dengan rumus:

U1 = 1 1 + A1.L + A1 + FF

h1 k. Aw h2.A2

dan U2 = 1

Aw + Aw.L + 1 + FF

h1.Aw k. Aw h2

dimana:U1, U2 : koefisien perpindahan panas keseluruhan dari medium 1 ke medium 2 dan sebaliknya (W/(m2.0C))ΔTm1, ΔTm2 : selisih suhu rata-rata sebenarnya dari medium 1 ke medium 2 dan

sebaliknya (0C)FF : koefisien factor pengotor (fouling factor) karena adanya lapisan kerak pada

dinding

Untuk menetukan laju perpindahan panas (Q) dengan aliran masa yang diperhitungkan adalah:

Q= Qp = Qd

Dengan besarnya berturt-turut:

Q = U.A. ΔTm

Qp = mp. ΔTp

Qd = mp.cpd. ΔTd

Dimana:Q : laju perpindahan panas alat penukar kalor (W)Qp : laju perpindahan panas pada fluida yang lebih panas (W)Qd : laju perpindahan panas pada fluida yang lebih dingin (W)mp, mp : laju aliran massa fluida panas,fluida dingin (kg/s)cpp, cpd : panas jenis fluida panas, fluida dingin (J/(kg. 0C))ΔTp, ΔTd, ΔTm : selisih suhu fluida panas,fluida dingin dan selisih temperatur rata-rata

sebernya (0C)

Alat penukar kalor: merupakan suatu peralatan yang fungsinya memindahkan panas dari suatu fluida yang suhunya lebih tinggi ke fluida suhunya lebih rendah

Klasifikasi Alat penukar kalorAlat penukar kalor dapat diklasifikasikan dalam berbagai kategori antara lain:

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a) Langsung (direct contact) ialah dimana fluida yang didinginkan atau fluida

panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin dalam suatu ruangan tertentu

b) Tidak langsung (indirect contact) ialah nama fluida panas tidak berhubungan dengan fluida dingin

2. Klasifikasi berdasarkan konstruksinyaa) Shell and tubePada konstruksi ini terdapat pipa-pipa kecil (tube) yang tersusun didalam tabung (shell)b) Pipe in pipePada konstruksi ini terdapat susunan dua buah pipa yang sejajarc) Pipe coilPada konstruksi ini terdapat coil pipa dalam tabung ynag dipasang pada posisi verticald) Plate type Pada konstruksi ini terdapat coil pipa bersirip pelat untuk mengalirkan fluida yang berlainan

3. Klasifikai berdasarkan fungsinya : chiller,Condensor,Cooleor Head Exchanger,Reboiler,Heator,Vaporiser dan Superheater

Selisih Suhu Rata-rataSelisih Suhu Rata-rata atau Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD) dipengaruhi dari sifat aliran dan sifat medium.Besarnya selisih suhu rata-rata sebenarnya itu adalah:ΔTm = Ft. ΔTm1 = Ft. LMTDDimana:ΔTm : selisih suhu rata-rata yang sebenarnya (0C)ΔTm1 : selisih suhu rata-rata logaritmik (LMTD)(0C)Ft : faktor koreksi yang didapat dari grafik koreksi dengan harga0harga R dan S

Jenis Aliran Pada Alat Penukar KalorTerdapat dua jenis aliran a) Aliran sejajar (pararel flow) LMTD = ΔTm = (T1-t1)- (T2-t1) [0C]

ln(T1-t1) (T2-t1)

b) Aliran berlawanan (counter flow)LMTD = ΔTm = (T1-t2)- (T2-t1) [0C]

ln(T1-t2) (T2-t1)

Metoce NTU- Efektifitas Merupakan metode yang digunakan untuk menetukan koefisien perpindahan panas dari alat penukar kalor,bila dengan LMTD tidak didapatkan hasil yang sesuai

Efektifitas =ε= perpindahan –kalor nyata Perpindahan-kalor maksimum yang mungkin

Faktor Pengotor

Rf = 1 1 -

Ukotor Ubersih

III TATA KERJA

Perawatan Pada Sistem PrimerDilakukan dengan 2 cara:

- Kimiawi : bertujuan untuk menjaga kualitas air pendingin pada system primer agar sesuai dengan standar desain yang direncanakan

Studi literature dan pemahaman konsep

Penentuan masalah

Studi lapangan dan pencarian informasi

Pengumpulan data

Pengolahan data

Hasil dan analisis

Kesimpulan dan saran

Selesai

Mulai

- Mekanis : untuk menyaring partikel-partikel resin dan kotoran mekanis yang masih lolos dari tabung filter resin agar tidak terbawa ke kolam reaktor

Perawatan Pada Sistem SekunderDilakukan dengan 2 cara:

- Kimiawi bertujuan untuk menjaga kualitas air agar sesuai dengan standar desain- Mekanis dilakukan secara kontinu dengan menggunakan bola-bola spons yang

terbuat dari bahan karet alam berdiameter 21 mm.

Prosedur pengolahan data 1. Data operasi yang didapat dari lembar data yang diukur tiap satu jam sekali rata-rata

baik sisi shell maupun tube untuk tiap harinya, sebelum maupun sesudah perbaikan2. temperatur pada sisi shell dan tube di rata-rata untuk masing-masing sisi, untuk

mendapatkan temperature bulk agar dapat hrga kalor spesifik dan densitas 3. Mencari harga Cprimer dan Csekunder dan ditentukan Cmin dan Cmaks setelah itu mencari

harga C dari perbandingan Cmin dan Cmaks

4. Mencari harga efektifitas ε5. setelah harga efektifitas didapat mencari NTU6. Lalu mencari harga koefisien perpindahan panas keseluruhan U baik pada kondisi

bersih maupun kondisi kotor7. harga faktor pengotor Ff dapat dicari

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN4.1 DataData Suhu Masuk dan Keluar sell dan tube serta kecepataan aliran Fluida , sebelum perawataan penggantiaan komponen pada menara pendinggin dan data sebuah perawatan dan penggantiaan komponen pada menara pendingin pada tabel berikut :Data masuk dan keluar shell dan tube kondisi komisioning diberikan pada tabel 4.1. dan 4.2

Tabel 4.1 data suhu masuk dan keluar kondisi komisioning penukar kalor I

No jam Laju Alir shell (m3/jam)

Laju Alir tube (m3/jam

Suhu masuk shell T1(oC)

Suhu masuk shell T2(oC)

Suhu masuk tube T1(oC)

Suhu masuk tube T2(oC)

1 00 3150 1950 39.5 33 33 372 01 3150 1950 40 33 33 373 02 3150 1950 40 33 33 374 03 3150 1950 40 33 33 375 04 3150 1950 40 33 33 376 05 3150 1950 40 33,3 33 377 06 3150 1950 40 33,5 33 378 07 3150 1950 40 33,7 33,8 379 08 3150 1950 40 34 34 3710 09 3150 1950 40 34 34 37,211 10 3150 1950 40 34 34 3812 11 3150 1950 40 34 34,2 38

13 12 3150 1950 40 34 35 3814 13 3150 1950 40 35 35 3815 14 3150 1950 40 35 35 3816 15 3150 1950 40 34 34,5 3917 16 3150 1950 40 34 34 3918 17 3150 1950 40 34 34 3819 18 3150 1950 40 34 34 3820 19 3150 1950 40 34 34 3821 20 3150 1950 40 34 34 37,522 21 3150 1950 40 33,8 34 37,523 22 3150 1950 40 35,5 33,5 37,524 23 3150 1950 40 33 33 37Rerata 3150 1950 40,23 33,7 33,792 37,571

Tabel 4.2 data suhu masuk dan keluar kondisi komisioning penukar kalor I

No jam Laju Alir shell (m3/jam)

Laju Alir tube (m3/jam

Suhu masuk shell T1(oC)

Suhu masuk shell T2(oC)

Suhu masuk tube T1(oC)

Suhu masuk tube T2(oC)

1 00 3150 1950 39 33 33 36,52 01 3150 1950 39 33 33 36,53 02 3150 1950 39 33 33 36,54 03 3150 1950 39 33 33 375 04 3150 1950 39 33 33 376 05 3150 1950 39 33 33 377 06 3150 1950 39 33 33 36,58 07 3150 1950 39 33 33 36,59 08 3150 1950 39 33,5 33,5 3710 09 3150 1950 39,5 34 34 37,511 10 3150 1950 40 34 34 37,512 11 3150 1950 40 34 34 37,513 12 3150 1950 40 34 34 3814 13 3150 1950 40 34 34 3815 14 3150 1950 40,2 34,5 35 3816 15 3150 1950 40,5 34,5 35 3817 16 3150 1950 40,5 34 34 37,818 17 3150 1950 40,2 34 34 37,219 18 3150 1950 40 34 34 37,220 19 3150 1950 40 33,8 33,5 37,21 20 3150 1950 40 33,8 33,5 3722 21 3150 1950 40 33,5 33 3723 22 3150 1950 40 33,5 33 3724 23 3150 1950 39 33 33 37Rerata 3150 1950 39,61 33,59 33,56 37,175

4.2 Perhitungan Analisis untuk kerja penukar kalor RSG-GAS sebelum dan sesudah dilakukan perawataan dan penggantiaan komponen pada menara pendingin dengan cara mengisi koefisien per pindahaan panas dan fakor pengotor dengan menggunakan metoda Logarithmic Mean Temprature Difference(LMTD).dan NTU-efektifitas seperti berikut:4.2.1 Menghitung efektifitas, NTU dan Koefisien Perpindahaan panas kondisi komisioning a. pertukaran kalor I

Diketahui :T1 = 40.23 oC Ť =39,965 oCT2 = 33,7 oC

T1 = 33,792 oC Ť =35,68 oCT1 = 37,751 oC

U p = 3150 m3/h = 0,875 m3/sU p = 3150 m3/h = 0,542 m3/s

Dari tabel 4.1 Didapat : Cp = Cs 4,174 kJ/Kg. oCρp = 993,28 kg/ m3

ρs = 993.72 kg/ m3

mh Cp = ρp U p . Cp = 993,28 x 0,875 x 4,174 = 3627,701 kW/ oCmc Cc = ρs U s . Cs = 993,72 x 0,542 x 4,174 = 2248, 095 kW/ oC

jadi air diisi sekunder adalah fluida mimimum dan

C = Cmin = 2248,095 = 0,5787 Cmaks 3627,971

Efektifitasnya adalah

ε = Δ Th = 37,571-33,792 = 0,5787 ΔTmaks 40,23-37,7Menghitung NTU

NTU : - (1+C2 )-1/2 X ln 2/ ε -1- C- (1+C 2 ) 1/2

2/ε -1- C+ (1+C2 ) ½

: (1 + (0,6197) 2 ) -1/2 X ln 2/ 0,5787-1-0,6197-(1+0,6197) 1/2 2/ 0,5787-1-0,6197-(1+0,6197) 1/2

:1,2909

Menghitung koefisien perpindahaan kalor NTU NTU = U.A = NTU x Cmin = 1,2909 x 2248,095 = 3720,5871 W/m2 . oC Cmin A 780

Jadi koefisien perpindahan penukar kalor I pada kondisi komisioning adalah 3720,571 W/m2 . oC

a. pertukaran kalor II

Diketahui :T1 = 39,62 oC Ť = 3,6 oCT2 = 33,59 oC

T1 = 33,56 oC Ť =35,67 oCT1 = 37,175 oC

U p = 3150 m3/h = 0,875 m3/sU p = 3150 m3/h = 0,542 m3/s

Dari tabel 4.2 Didapat : Cp = Cs 4,174 kJ/Kg. oCρp = 993,28 kg/ m3

ρs = 993.72 kg/ m3

mh Cp = ρp U p . Cp = 992,22 x 0,875 x 4,174 = 3623,3835 kW/ oCmc Cc = ρs U s . Cs = 993,28 x 0,542 x 4,174 = 2247,105 kW/ oC

jadi air diisi sekunder adalah fluida mimimum dan

C = Cmin = 2247,095 = 0,5976 Cmaks 36230,971

Efektifitasnya adalah

ε = Δ Th = 38,48-35,45 = 0,5976 ΔTmaks 42,11-37,04Menghitung NTU

NTU : - (1+C2 )-1/2 X ln 2/ ε -1- C- (1+C 2 ) 1/2

2/ε -1- C+ (1+C2 ) ½

: (1 + (0,6197) 2 ) -1/2 X ln 2/ 0,5976-1-0,6201-(1+0,6201) 1/2 2/ 0,5976-1-0,6201-(1+0,6201) 1/2

:1,4139

Menghitung koefisien perpindahaan kalor NTU NTU = U.A = NTU x Cmin = 1,4139x 2247,643 = 4074,46 W/m2 . oC Cmin A 780Jadi koefisien perpindahan penukar kalor I pada kondisi komisioning adalah 4074,46 W/m2 . oCData hasil operasi hasil pengamatan suhu masuk laju alir Shll dan Tube sebelum melakukan perawatan dan penggantian komponen pada menara pendinggin untuk penukar kalor I dan

penukar kalor II pada kondisi komosioning pada tabel 4.1 dan 4.2. Terlihat pada hasil perhitungan suhu operasi berubah ubah baik suhu maupun suhu keluar pada kedua penukar kalor.

V. KesimpulanBerdasarkan Hasil Penelitian dan hasil analisis studi perbandingan unjuk kerja penukar kalor reakto Serba guna G.A. Siwabessy (RGS-GAS) Menggunakan metoda Efektifitas dan Logarithmic Mean Temprature Difference (LMTD). Sebelum dan sesudah Perawatan Dan Penggantian Komponen Pada menara pendinggin ini dapat ditarik kesimpulan sebagai Berikut :

1. Hasil perbandingan koefisien perpindahan panas menggunakan metoda Logarithmic Mean Temprature Difference (LMTD) lebih besar dibandingkan dengan metoda efektifitas

2. perbedaannya adalah 11,38 % untuk Penukar kalor I dan 8,92 % untuk Penukarv kalor II

DAFTAR PUSTAKA1. HOLMAN JP, dan JASJFI,”penukar kalor”,penerbit Erlangga, Jakarta 1990 2. KREITH FRANK dan PRIJONO ARKO , Prinsip-Prinsip perpindahan panas,

Erlanga, 19903. SUROSO,”Evaluasi Unjuk Kerja Penukar Kalor RSG-GAS Selama Beroperasi 12

Tahun ”, Seminar Sehari,UNTAR,19904. TARINGAN.A,’Sistem Pendingin Reaktor”P2TRR,Serpong,19965. SASTRA PUDJANTORO,”Laporan Kerja Peraktek”,UNTAR,19956. IRAWAN,BAMBANG” Analisis Unjuk Kerja Penukar Kalor Serba Guna G.A.

Siwabessy Sebelum Dan Sesudah Perawatan Dan Penggantian Komponen pada Menara Pendinggin ”,UNAS 2004