Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BAB I
TINJAUAN PUSTAKA
1.1 Sistem PLTP
Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi adalah pembangkit listrik yang
menggunakan panas bumi sebagai sumber energinya. Pembangkit listrik tenaga panas bumi
membutuhkan sumber panas bersuhu tinggi untuk menggerakan turbin uap sehingga dapat
memutarkan generator dan menghasilkan tenaga listrik. Pada dasarnya pembangkit ini dibagi ke
dalam beberapa tipe yaitu pembangkit uap kering, pembangkit flash steam, dan pembangkit siklus
biner.
Berbeda dengan sistem PLTU yang menggunakan ketel uap (boiler) sebagai komponen
utama penghasil uap panas pada sistem pembangkitannya, uap panas pada sistem PLTP dihasilkan
dari perut bumi yang langsung dialirkan ke turbin dimana komponen pada uap panas bumi tersebut
akan dipisahkan terlebih dahulu dari butiran padat dan butiran cair sehingga menjadi uap yang
benar-benar kering.
Sebuah turbin uap memiliki siklus yang disebut siklus Rankine, yang terdiri dari dua jenis
siklus yaitu:
Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin langsung dipakai untuk keperluan proses.
Siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin dimanfaatkan lagi dengan cara
mendinginkannya pada kondensor, kemudian dialirkan kembali ke pompa dan seterusnya
sehingga merupakan suatu siklus tertutup.
Gambar I-1 Diagram T-S pada PLTP single flash
(Yunus A. Cengel, Michael Boles, 2001)
Penjelasan mengenai siklus rankine pada PLTP dapat dilihat pada Gambar I-1 dimana
pada titik (1) fluida panas bumi berupa campuran dua fasa. Sebelum memasuki turbin, uap
mengalami proses pemisahan butiran padat di separator dan pemisahan butiran cair di demister
dari titik (1) ke titik (2). Uap yang berasal dari demister (2) memasuki turbin (4) untuk kemudian
diekspansikan dan menghasilkan daya turbin, dimana uap hasil ekspansi langsung dialirkan
menuju condenser (5). Turbin secara langsung dikopelkan dengan generator yang menghasilkan
daya output.
1.2 Sistem Turbin
Sebuah PLTP dilengkapi dengan sistem pembangkitan dengan Turbin uap sebagai
komponen konversi energi utama dalam sebuah pembangkit listrik tenaga termal. Turbin uap
berfungsi untuk mengubah energi panas dari uap menjadi energi mekanik (putaran) sebagai
penggerak generator untuk menghasilkan energi listrik. Biasanya turbin uap langsung terkopel
dengan generator sehingga sering disebut steam turbine generator.
Dalam sebuah sistem turbin uap terdapat komponen komponen secara umum yaitu:
Sudu-sudu adalah suatu piringan yang membantu rotor turbin berputar (sudu tetap)
dan pengarah atau pengatur kecepatan uap (sudu gerak)
Casing turbin/shell sebagai wadah pelindung sudu dan pembatas tempat mengalirnya
uap melewati sudu turbin.
Rotor turbin adalah bagian dari turbin yang berputar akibat pengaruh gerakan uap
terhadap sudu-sudu gerak
Bantalan/bearing adalah sebuah elemen mesin yang berfungsi untuk membatasi
gerak relatif antara dua atau lebih komponen mesin agar selalu bergerak pada arah
yang diinginkan.
Sistem lubrikasi bantalan. Lube Oil atau Minyak Pelumas dan Control Oil berfungsi
untuk melumasi bantalan turbin, mengangkat poros pada saat turning gear beroperasi
dan untuk mengontrol gerakan beberapa Valve.
1.3 Sistem Lubrikasi Bantalan
Bantalan adalah sebuah elemen mesin yang berfungsi untuk membatasi gerak relatif antara
dua atau lebih komponen mesin agar selalu bergerak pada arah yang diinginkan. Bantalan menjadi
komponen penting pada berbagai desain mesin yang melibatkan poros/shaft dengan casing atau
bagian yang diam, seperti motor listrik, motor bakar, pompa, roda, dan lain sebagainya. Bantalan
menjadi titik pertemuan antara bagian mesin yang berputar dengan bagian yang diam. Ia juga
bertugas untuk mentransmisikan beban yang ada pada poros untuk diteruskan ke sisi casing, atau
bisa juga sebaliknya.
Karena fungsinya yang krusial, bearing membutuhkan perawatan yang baik sehingga
didapatkan umur kerja yang panjang. Salah satu bentuk perawatan bantalan yang utama adalah
lubrikasi atau pelumasan. Berikut adalah fungsi lubrikasi pada bantalan:
1. membentuk lapisan film lubrikasi diantara dua bidang kontak sehingga dapat membantu
menahan beban kerja serta mencegah keausan dan kerusakan prematur.
2. menyerap panas yang timbul.
3. mencegah kontaminasi kotoran-kotoran yang berasal dari luar.
4. menghindari suara bising.
5. mencegah korosi pada bearing.
6. sebagai sistem sealing tambahan.
Secara umum sistem pelumasan pada bearing dibagi menjadi tiga jenis, yakni menggunakan
grease, menggunakan oli, dan tipe kering. Pemilihan diantara ketiganya tergantung atas kondisi
operasional bantalan, jenis dan ukuran bantalan, konstruksi penggunaan bantalan, kebutuhan
sirkulasi pelumasnya serta biaya yang tersedia. Berikut adalah skema pelumasan turbin yang
umumnya terdapat pada sebuah turbin uap yang dapat dilihat pada Gambar I-2
Gambar I-2 Skema Pelumasan Turbin
(Ansaru, 2016)
1.3.1 Oli Pelumas
Pelumas adalah zat kimia, yang umumnya cairan, yang diberikan di antara dua benda
bergerak untuk mengurangi gaya gesek. Zat ini merupakan fraksi hasil destilasi minyak bumi yang
memiliki suhu 105-135 derajat celcius. Pelumas berfungsi sebagai lapisan pelindung yang
memisahkan dua permukaan yang berhubungan. Umumnya pelumas terdiri dari 90% minyak dasar
dan 10% zat tambahan. Salah satu penggunaan pelumas paling utama adalah oli mesin yang
dipakai pada mesin pembakaran dalam. (Cao, 2010)
1.3.2 Tugas Pokok Pelumas
Pada dasarnya yang menjadi tugas pokok pelumas adalah mencegah atau mengurangi
keausan sebagai akibat dari kontak langsung antara permukaan logam yang satu dengan
permukaan logam lain terus menerus bergerak. Selain keausan dapat dikurangi, permukaan logam
yang terlumasi akan mengurangi besar tenaga yang diperlukan akibat terserap gesekan, dan panas
yang ditimbulkan oleh gesekan akan berkurang.
Selain mempunyai tugas pokok, pelumas juga berfungsi sebagai penghantar panas. Pada
mesin mesin dengan kecepatan putaran tinggi, panas akan timbul pada bantalan bantalan sebagai
akibat dari adanya gesekan yang banyak. Dalam hal ini pelumas berfungsi sebagai penghantar
panas dari bantalan untuk mencegah peningkatan temperatur atau suhu mesin.
Suhu yang tinggi akan merusak daya lumas. Apabila daya lumas berkurang, maka gesekan
akan bertambah dan selanjutnya panas yang timbul akan semakin banyak sehingga suhu terus
bertambah. Akibatnya pada bantalan-bantalan tersebut akan terjadi kemacetan yang secara
otomatis mesin akan berhenti secara mendadak. Oleh karena itu, mesin mesin dengan kecepatan
tinggi digunakan pelumas yang titik cairnya tinggi, sehingga walaupun pada suhu yang tinggi
pelumas tersebut tetap stabil dan dapat melakukan pelumasan dengan baik. Oleh karena itu,
diperlukan pendinginan pelumas yang teratur untuk memastikan keseluruhan mesin dan sistem
terlumas dengan baik.
1.4 Heat Exchanger
Penukar panas atau heat exchanger adalah alat yang digunakan untuk mempertukarkan
panas secara berkelanjutan dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas.
(Chapter 12 Heat Transfer Equipment) Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu:
a. Direct Heat Exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain.
Yang tergolong direct heat exchanger adalah cooling tower dimana operasi perpindahan
panasnya terjadi akibat adanaya kontak langsung antara air dan udara.
b. Indirect Heat Exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisahkan oleh sekat/ dinding
dan panas yang berpindah juga melewatinya. Yang tergolong indirect heat exchanger adalah
penukar panas jenis shell and tube, pelat, dan spiral.
1.4.1 Prinsip Kerja Heat Exchanger
Heat Exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas (heat transfer), dimana
terjadi perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya
lebih rendah. Biasanya, ada suatu dinding metal yang menyekat antara kedua cairan yang berlaku
sebagai konduktor. Suatu solusi panas yang mengalir pada satu sisi yang mana memindahkan
panasnya melalui fluida lebih dingin yang mengalir di sisi lainnya. Energi panas hanya mengalir
dari yang lebih panas kepada yang lebih dingin dalam percobaan untuk menjangkau
keseimbangan. Permukaan area heat exchanger mempengaruhi efisiensi dan kecepatan
perpindahan panas. Heat exchanger dengan area permukaan panas yang lebih besar akan
mengakibatkan perpindahan panas lebih efisien dan yang lebih cepat pemindahan panasnya. (Cao,
2010)
1.4.2 Jenis-jenis Heat Exchanger
Terdapat beberapa jenis tipe Heat Exchanger, yaitu:
a. Plate Heat Exchanger
Gambar I-3 Plate Heat Exchanger
(Cao, 2010)
Plate heat exchanger yang ditunjukan pada Gambar I-3 adalah salah satu tipe heat
exchanger yang menggunakan plat logam untuk memindahkan panas antara dua liquid.
Penggunaan heat exchanger ini menguntungkan dari heat exchanger konvensional karena
permukaan kontak fluida lebih luas. Plate heat exchanger merupakan suatu kemajuan desain
dasar yang membuat perpindahan panas yang cepat. Plate heat exchanger terbagi dua ruangan,
yang tipis berada di dalam, membagi dua fluida dengan luas permukaan yang paling luas oleh
plat logam. Plat tersebut memungkinkan perpindahan panas yang paling cepat. Membuat setiap
ruangan tipis memastikan sebagian besar volume dari liquid akan mengalami kontak dengan
plat.
b. Shell and Tube Heat Exchanger
Shell merupakan bagian-bagian heat exchanger yang berbentuk tube yang besar. Tube
berada di dalam shell. Dua fluida yang berbeda temperatur mengalir melalui heat exchanger
dan terjadi pertukaran panas di dalamnya. Satu fluida mengalir melalui tube dan yang lainnya
mengalir melalui shell. Dengan menggunakan tipe heat exchanger ini maka panas tidak akan
terbuang dengan sia – sia sehingga dapat menghemat energi.
Gambar I-4 Shell and Tube Heat Exchanger
(kakaç, Liu, & Pramuanjaroenkij, 2012)
1.5 Plate Heat Exchanger
Plate and Frame Heat Exchanger adalah suatu tipe heat exchanger yang menggunakan
pelat sebagai tempat perpindahan panas di antara dua fluida. (Cao, 2010). Alat penukar panas jenis
ini dibuat oleh pelat logam stainless steel tahan karat. Aliran fluida panas dan dingin mengalir
masuk dan keluar melalui suatu lubang pada 4 sudut lembar yang menghasilkan efek perpindahan
panas.
Gambar I-5 Plate Heat Exchanger
(Cao, 2010)
Dalam rangka mencegah kebocoran dan pencampuran dari cairan panas dan dingin, Suatu
gasket dari suatu Plate and Frame Heat Exchanger berfungsi untuk menghindari bercampurnya
fluida panas dan fluida dingin. Gasket diapit di antara plat dan menyegel pelat di sekeliling tepi
plat tersebut. Pengatur jarak dan plat dirakit dalam bingkai (frame). Area dari pertukaran panas
ditetapkan menurut volume pertukaran panas tersebut.
Aplikasi plate heat exchanger sendiri sangat luas, misalnya untuk mendinginkan minyak
pelumas dari mesin, mendinginkan waste water, mendinginkan generator cooler, memanaskan air
untuk industri minuman, pasteurisasi susu, dan lain sebagainya.
1.5.1 Komponen Plate Heat Exchanger
1.5.1.1 Pelat
Pelat penukar panas bergelombang. Bentuk kerutan merupakan karakteristik masing-
masing model pelat dan dipelajari secara hati-hati oleh produsen. Tujuan dari bergelombang adalah
untuk memberikan turbulensi untuk meningkatkan koefisien perpindahan panas dan, pada saat
bersamaan, untuk meningkatkan kekuatan struktural perakitan. Setiap lempeng harus didukung
secara mekanis untuk menahan perbedaan tekanan cairan pada kedua sisi lempeng. Kasus yang
paling parah adalah ketika salah satu cairan berada pada tekanan maksimumnya dan yang lainnya
adalah tekanan nol. Keadaan ini dapat terjadi saat startup atau saat unit dikosongkan untuk
dibersihkan. Hal ini diperlukan untuk menghindari deformasi pelat karena efek tekanan ini.
Galatan pelat itu memberikan banyak titik kontak di antara pelat, sehingga mencegah deformasi.
Ada banyak model plate bergelombang. Pada tipe "washboard", kerutan sejajar di antara mereka
dan tegak lurus terhadap arah aliran pada saluran. Jenis kerutan ini ditunjukkan pada Gambar
Gambar I-6a dan Gambar I-7a. Pola kerutan yang paling umum adalah pola herringbone, yang
ditunjukkan pada Gambar. Gambar I-6b dan Gambar I-7b. Dalam kasus ini, kerutan lempeng
berturut-turut diputar 180 derajat, jadi di antara dua lempeng terdapat sejumlah besar titik kontak
dimana gelombang bergelombang. Hal ini memungkinkan dukungan plat yang sangat kaku dan
tingginya turbulensi pada cairan. Model lain, tidak sering digunakan, ditunjukkan pada Gambar
Gambar I-7c dan d. Setiap pabrikan memiliki beberapa jenis plat untuk berbagai aplikasi.
Pemilihan pelat untuk aplikasi tergantung pada persyaratan proses dalam hal koefisien
perpindahan panas dan tekanan penukar panas yang diijinkan jatuh. Model yang memungkinkan
koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi untuk laju alir yang diberikan juga menghasilkan
tekanan tetes yang lebih tinggi. Jadi, untuk aplikasi apa pun, perancang harus memilih jenis plate
yang menawarkan keseimbangan terbaik dari kedua efek tersebut. (Cao, 2010)
Gambar I-6 Jenis pola pelat
Gambar I-7 Jenis pola lekukan pada pelat
(a) Paralel corrugation (b) Transversal Corrugation
(Cao, 2010)
Pelat diproduksi dengan pembentukan dingin di mesin presse hidrolik. Masing-masing
produsen memiliki matriks yang sesuai dengan model standarnya dan biasanya memiliki
persediaan pelat nonperforasi tertentu. Saat alat penukar panas dibeli, pabrikan mendesain pola
sirkulasi fluida, kemudian lempeng dilubangi pada posisi yang disyaratkan oleh desain. Jadi
penukar panas pelat harus dianggap sebagai unit semistandard, dan karena perforasi dan perakitan
adalah operasi yang agak cepat, waktu pengiriman lebih pendek dibandingkan dengan jenis
penukar panas lainnya.
Area perpindahan panas yang efektif dari plate bisa sekecil 0,033 𝑚2 pada model
laboratorium hingga 3 𝑚2 pada model yang lebih besar (Cao, 2010). Jumlah pelat maksimum yang
dapat dirakit dalam satu unit dibatasi oleh kekuatan kompresi yang dapat dicapai dengan baut dan
distribusi arus di antara saluran aliran, namun maksimum 500 pelat dimungkinkan pada kasus
tertentu.
Bahan konstruksi. Pelat dapat dibuat dari bahan yang berbeda, seperti baja tahan karat,
tembaga dan paduannya, paduan aluminium, titanium, nikel atau nikel-molibdenum, dan lain-lain.
Ketebalan pelat antara 0,5 dan 1,2 mm. Karena lempengnya sangat tipis, perlu menggunakan bahan
tahan korosi. Inilah sebabnya mengapa baja karbon jarang digunakan dalam pembuatan plat, dan
baja tahan karat digunakan sebagai kualitas minimum. Bahan pelat harus sesuai untuk
pembentukan dingin. Paduan krom, zirkonium, dan titanium tertentu sulit untuk bentuk dingin dan
tidak digunakan dalam pembuatan penukar panas pelat. Tabel II-1 menunjukkan betapa mudahnya
lempeng bisa dingin terbentuk dengan menggunakan bahan yang berbeda.
Tabel I-1 Karakteristik “cold forming” beberapa material
1.5.1.2 Gasket
Untuk plate bergasket, bahan elastomer digunakan, seperti karet alam, karet stirena
butadiena (SBR), karet nitril (akrilonitril butadiena), karet butil (satu kopolimer isobutilena dan
sejumlah kecil isoprena), silikon, atau elastomer lainnya seperti Neoprene, hypalon, atau viton.7
Terkadang, serat yang dikompres digunakan untuk aplikasi suhu tinggi. Bahan plastik dari jenis
polytetrafluoroethylene (PTFE) (misalnya, Teflon atau Fluon) tidak sesuai untuk pembuatan
gasket karena memiliki perilaku pemulihan elastis yang buruk. Pemilihan material gasket yang
sesuai sangat penting dalam desain penukar panas pelat karena gasket adalah faktor pembatas
untuk suhu operasi maksimum penukar. Tabel I-1 adalah panduan yang menunjukkan suhu
maksimum di mana bahan yang berbeda dapat digunakan.
Tabel I-2 Temperatur maksimal operasi gasket
Mengenai ketahanan kimia, SBR cocok untuk aplikasi umum pada sistem berair pada suhu
rendah. Karet nitril menggabungkan karakteristik tujuan umum SBR dengan ketahanan yang baik
terhadap lemak dan hidrokarbon alifatik. Karet butil menawarkan ketahanan kimia yang sangat
baik terhadap banyak zat kimia, seperti asam, alkali, dan beberapa keton dan amina, namun tidak
tahan terhadap lemak. Silicone digunakan dalam sejumlah aplikasi namun merupakan bahan yang
paling sesuai untuk sodium hipoklorit dan beberapa diantaranya aplikasi suhu rendah
Fluoroelastomer seperti viton lebih mahal namun paling sesuai untuk minyak suhu tinggi (140
°C). Dengan formulasi yang tepat, mereka dapat digunakan untuk asam sulfat 98% pada suhu
sampai 100 °C. (Cao, 2010)
Penampang gasket bergantung pada desain pelat. Mereka bisa berbentuk segi empat,
trapesium, atau oval. Lebar biasanya berkisar antara 5-15 mm. Tinggi paking sebelum kompresi
15-50 persen lebih tinggi dari tinggi yang dikompres.
Gasket dipasang ke alur yang terbentuk di setiap plate dan dilem dengan semen khusus.
Semen yang digunakan harus dapat menyatukan setiap plate dengan baik selama operasi dan
pembukaan alat penukar panas tersebut. Semen harus segera dilepas bila paking harus diganti.
1.5.1.3 Frame
Gambar I-8 Dua fluida saat single pass, semua nozzle inlet dan nozzle outlet berada pada fixed
frame plate
(Cao, 2010)
Frame ini dibentuk oleh dua pelat kuat (pelat frame) pada kedua ujung unit. Pelat ini harus
menyerap tenaga akibat tekanan fluida. Misalnya, tekanan 5 bar yang bekerja pada permukaan
1𝑚2 menghasilkan kekuatan 500.000 N (~ 50 ton). Kekuatan yang harus diaplikasikan pada pelat
rangka agar rapat juga penting. Gaya ini diserap oleh baut pengencang. Biasanya, salah satu plate
frame berisi nozzle inlet dan nozzle outlet serta dipasang pada sistem pemipaan. plate frame
lainnya, yang juga disebut pelat tekanan bergerak, dapat dibongkar kembali untuk diperiksa dan
dibersihkan saat unit tidak dilepas dengan konfigurasi ini, tidak perlu melepas komponen
pemipaan untuk perawatan.
Gambar I-9 Beberapa jenis frame PHE
(Cao, 2010)
Konstruksi ini hanya mungkin bila kedua cairan melakukan pelepasan tunggal melalui alat
penukar, seperti pada Gambar I-9 Dalam penukar multipass, tidak dapat dihindari untuk memiliki
koneksi perpipaan di kedua pelat frame. Frame biasanya berdiri bebas atau, untuk unit yang lebih
kecil, menempel pada baja struktural. Gambar I-9 menunjukkan beberapa contoh model bingkai.
1.5.2 Prinsip Aliran pada Plate Heat Exchangers
Plate Heat Exchanger terdiri dari banyak plat metal yang tipis dengan pembukaan untuk
jalan yang dilewati oleh fluida. Plat yang bengkok yang mana maksudnya bahwa tiap-tiap bagian
plat bersebelahan di dalam heat exchanger membentuk suatu saluran. Tiap detik saluran terbuka
bagi fluida yang sama . Antara masing-masing pelat ada suatu gasket karet, yang mana mencegah
cairan dari pencampuran dan dari kebocoran ke lingkungan sekitarnya.
Gambar I-10 Aliran Fluida Melalui Plate Heat Exchanger
(Cao, 2010)
Ketika media masuk plate and frame heat exchanger melalui koneksi dalam frame,
diarahkan melalui saluran pengubah oleh pengaturan gasket. aliran fluida yang panas melalui
setiap saluran yang lain dan cairan yang dingin melalui saluran yang berada diantaranya. Panas
ditransfer dari cairan yang hangat kepada cairan yang lebih dingin melalui pembagian dinding,
yaitu material plat. Bentuk bengkok mendukung plat dari tekanan diferensial dan menciptakan
suatu aliran turbulen di saluran . Pada gilirannya, aliran turbulen menyediakan pemindahan kalor
efisiensi tinggi, membuat plate and frame heat exchanger sangat efisien dibandingkan dengan heat
exchanger tipe shell and tube tradisional.
1.5.3 Jenis-jenis Plate Heat Exchanger
Berdasarkan konstruksi pada plate heat exchanger, penukar panas pelat dapat dibagi
menjadi 2 macam, yaitu:
1. Gasketted Plate Heat Exchanger
Gasketted plate heat exchanger mudah dimodifikasi karena desainnya fleksibel. Fungsi utama
gasket adalah menjaga tekanan fluida, menjaga laju alir fluida dan mencegah pencampuran
fluida. Selain iu, gasket juga mudah dibuka untuk kontrol dan pembersihan.
Gambar I-11 Gasket
(Cao, 2010)
2. Brazed Plate Heat Exchanger
Brazed plate heat exchanger adalah pengembangan jenis gasket. Kelebihannya adalah lebih
kompak, dan dapat digunakan pada tekanan dan temperatur tinggi.
1.5.4 Jenis Aliran Pada Plate Heat Exchanger
Pada plate heat exchanger terdapat beberapa jenis pengaturan aliran yang dapat digunakan.
Jenis alirannya yaitu sebagai berikut:
1. Plate Heat Exchanger beraliran jamak (Multipass Plate Heat Exchanger)
Proses pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara sederhana mirip
dengan proses pertukaran panas pada penukar panas pipa ganda (double pipe heat
exchanger). Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa ganda alur
laluan fluida pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya. Baik fluida dingin
maupun panas memiliki alur aliran yang lurus (smooth). Sedangkan pada penukar panas
pelat beraliran jamak alur laluan fluida dingin membentuk huruf U dan sejajar dengan alur
laluan fluida panas.
Alat penukar panas saluran jamak memiliki spesifikasi aliran berupa saluran jamak
banyak laluan (multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk aliran
flue gas. Dengan adanya saluran jamak ini, perpindahan panas berlangsung secara bertahap
sehingga laju penurunan temperatur flue gas lebih teratur. Fluida panas (flue gas) yang
digunakan dalam penelitian ini adalah udara yang berasal dari kerangan (valve) yang
dipanaskan oleh alat pemanas udara (heater) dan udara ambient sebagai fluida dingin.
2. Plate heat exchange berlawanan arah (Countercurrent Plate Heat Exchanger)
Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas, dan udara
pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan keluar
sistem dalam arah yang berlawanan juga Gambar I-12Gambar I-12 menunjukkan skema
arah aliran pada penukar pelat berlawanan arah.
Gambar I-12 PHE Pengaturan Aliran dengan Counter current seri 1:1
(Cao, 2010)
Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas dan udara
pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah berlawanan dan keluar system
dalam arah yang berlawanan juga. Hal ini dapat dilihat pada GambarGambar I-12. Dengan
skema peralatan tersebut diharapkan hasil yang diperoleh dapat memenuhi rentang
bilangan Reynolds antara 10-400 seperti yang ditekankan (Marriot, 1971).
3. Plate Heat Exchanger bersilangan arah (Crosscurrent Plate Heat Exchanger)
Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang melalui
matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas.
Bila kedua fluida mengalir sepanjang permukaan perpindahan panas dalam gerakan
yang tegak lurus satu dengan lainnya, maka penukar panasnya dikatakan berjenis aliran
silang (cross flow). Pada sistem ini, udara bergerak menyilang melalui matriks perpindahan
panas yang dilalui flue gas. Aliran fluida panas dan dingin pada penukar panas pelat
beraliran silang yang akan digunakan pada percobaan ini tidak saling bercampur
(unmixed). Hal ini disebabkan oleh adanya sekat yang memisahkan aliran kedua fluida
tersebut.
1.5.5 Keuntungan Plate Heat Exchanger
Keuntungan dari Heat Exchanger jenis pelat dimulai dari desainnya. heat exchanger jenis
pelat, mengirim, efisiensi lebih besar, biaya yang lebih rendah, pemeliharaan dan pembersihan
lebih mudah, dan semakin dekat pendekatan temperatur dibanding penukar panas teknologi lain.
Yang dibandingkan heat exchanger jenis spiral dan shell and tube, plate heat exchanger
mempunyai kapasitas serupa juga memuat luas, lebar lantai sedikit dan mudah untuk diperluas.
swing-out plate vertikal dapat digunakan untuk melakukan packing beribu-ribu ft2 area
pemindahan kalor ke dalam suatu ruang kecil, selagi masih membiarkan ruang untuk pertumbuhan
masa depan. (Chapter 12 Heat Transfer Equipment)
Berikut ini keuntungan dari plate heat exchangers, antara lain :
1. Dalam kaitan dengan turbulensi yang tinggi di pola alir dari fluida melalui channel alternatif
yang dapat memperoleh transfer panas dengan sangat tinggi. Lebih mempertimbangkan
desain yang lebih ringkas dengan modal yang lebih rendah, sebagai contoh peralatan penukar
panas permukaan yang mana lebih rendah dari suatu penukar panas konvensional.
2. Disain modular mengijinkan pemakai untuk menambahkan kapasitas yang mana
mengubahnya dengan hanya menambahkan plat kepada heat exchanger.
3. Lebih sedikit pemasangan pipa pada plate and frame heat exchanger menjadi terbuka tanpa
mengganggu pemasangan pipa. Semakin dekat pendekatan temperatur sampai kepada 2°F
menyediakan recovery panas maksimum dan lebih ekonomis.
4. Alat penukar panas jenis pelat aliran berlawanan arah memiliki efisiensi yang terbaik
dibanding alat penukar panas jenis pelat aliran menyilang banyak laluan dan alat penukar
panas jenis pelat aliran menyilang tanpa sekat-sekat.
5. Menggunakan material tipis untuk permukaan penukar panas sehingga menurunkan tahanan
panas selama konduksi.
6. Memberikan derajat turbulensi yang tinggi yang memberikan nilai konveksi yang besar
sehingga meningkatkan nilai U dan juga menimbulkan self cleaning effect
7. Faktor-faktor fouling kecil karena:
a. Aliran turbulen yang tinggi menyebabkan padatan tersuspensi
b. Profil kecepatan pada pelat menjadi seragam
c. Permukaan pelat secara umum smooth
d. Laju korosi rendah
e. Mempunyai nilai ekonomis dalam instalasi karena hanya membutuhkan tempat 1/4
sampai 1/10 tempat yang dibutuhkan tube dan spiral
f. Mudah dalam modifikasi dan pemeliharaan
g. Mudah dalam pemeliharaan dengan ruang minimal yang diperlukan untuk
membuka / menutup heat exchanger dan adalah harga yang stabil serta ekonomis.
h. Penukar panas jenis pelat dapat memindahkan panas secara efisien bahkan pada
beda temperatur sebesar 10C sekalipun
i. Penukar panas jenis pelat juga fleksibel dalam pemeliharaan aliran.
1.6 Perhitugan Heat Transfer Coefficient
Perhitungan heat transfer coefficient berisi beberapa persamaan untuk perpindahan panas
konvesi paksa dalam saluran dan persamaan ini dapat digunakan untuk mencari parameter awal
perancangan Plate Heat Exchanger. Dengan temperatur dalam keadaan steady state maka besaran
dimensi dari Plate Heat Exchanger pun akan diketahui. Persamaan ini memerlukan beberapa data
untuk bisa dijadikan pegangan. Dengan beberapa parameter awal yang telah di sebutkan pada
Tabel I-3
Tabel I-3 parameter awal perancangan
Parameter Fluida Panas Fluida Dingin
Jenis Fluida Oli Pelumas Cooling Water
Laju Massa 51924,75 kg/h -
Temperatur, in (Tin) 70 35
Temperatur, out (Tout) 45 40
Tekanan (P) 8 4,4
Tabel I-3, dan estimasi overall heat transfer coefficient (diambil range U estimasi sekitar
250 s/d 300 𝑊/𝑚2. ℃) yang nantinya akan di bandingkan dengan overall heat transfer coefficient
hasil perhitungan (Rohmah, Pikra, Purwanto, & Pramana, 2015) (Chapter 12 Heat Transfer
Equipment). Untuk parameter seperti nilai konduktivitas termal fluida, viskositas, Specific Heat
(Cp), dan Densitas didapatkan dari appendix yang disertakan pada lampiran.
Perhitungan Kesetimbangan Energi
Perhitungan kesetimbangan energi diperlukan untuk mengetahui nilai mass flow pada sisi
fluida pendingin yaitu air.
Qlepas = Qserap
Qlepas = 𝑄ℎ = ṁℎ x Cpℎ x (Th𝑖-Th𝑜)
Qserap = 𝑄𝑐 = ṁ𝑐 x Cp𝑐 x (Tc𝑖-Tc𝑜)
Dari dua persamaan Qlepas dan Qserap maka untuk mengetahui mass flow pada sisi
pendingin dapat dicari dengan cara,
ṁc = 𝑄𝑐/Cp𝑐 x (Tc𝑖-Tc𝑜) (2.1)
Perhitungan luas perpindahan panas
Tabel I-4 Koefisien perpindahan panas 2 fluida pada Plate Heat Exchanger
(Cao, 2010)
Gunakan persamaan dibawah ini untuk menghitung luas perpindahan panas:
𝐴 = 𝑄
𝑈 ∆𝑇𝑚 (2.5)
Dimana,
Q : Laju perpindahan panas (kW)
U : Koefisien overall heat transfer (estimasi dari tabel) (W/m2oC)
∆Tm : perhitungan true temperature difference (oC)
Dengan menggunakan Tabel II-6, koefisien perpindahan panas keseluruhan air pendingin
– organik kental adalah 300 W / m2 oC.
Perhitungan Log Mean Temperature Difference (LMTD)
Gunakan persamaan di bawah ini untuk menghitung log mean temperature difference.
Plate Heat Exchanger ini dirancang pada kondisi counter current dengan nilai LMTD:
∆T𝐿𝑀 =(𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑜)−(𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑖)
ln(𝑇ℎ𝑖−𝑇𝑐𝑜)
(𝑇ℎ𝑜−𝑇𝑐𝑖)
(2.2)
Dari persamaan diatas didapatkan nilai LMTD dalam derajat Celcius.
Perhitungan Number Thermal Unit (NTU)
Gunakan persamaan dibawah ini untuk menghitung Number of Thermal Unit :
NTU = (Th𝑖-Th𝑜)/ ∆T𝑙𝑚 (2.3)
Dimana,
∆T𝑙𝑚 : Log Mean Temperature Difference (oC)
Dari persamaan diatas didapatkan nilai NTU.
Perhitungan True Temperature Difference (∆Tm)
Gunakan persamaan dibawah ini untuk menghitung true temperature difference:
∆𝑇𝑚 = 𝐹𝑡 ∆T𝑙𝑚 (2.4)
Dimana,
Ft : faktor koreksi temperatur diasumsikan sebesar 0,95 berdasarkan
(Chapter 12 Heat Transfer Equipment) atau dapat dari grafik Log Mean
Temperature Correction Factor untuk Heat Exchanger (Raju & Jagdish,
1983)
∆Tlm : perhitungan LMTD (K)
Gambar I-13 Grafik Log Mean Temperature Correction Factor
(Raju & Jagdish, 1983)
Perhitungan Area of One Plate (A1p)
Gunakan panjang efektif dan lebar efektif berdasarkan estimasi dimensi pelat untuk
menghitung besar area dari satu pelat.
𝐴1𝑝 = 𝐿𝑊 (2.6)
Dimana,
L : effective length (m)
W : effective width (m)
Perhitungan Jumlah Pelat
𝑁𝑝 = 𝐴
𝐴1𝑝 (2.7)
Dimana,
A : Luas Perpindahan Panas (m2)
A1p : Luas Perpindahan tiap pelat (m2)
Perhitungan Jumlah Channel tiap pass (Nc)
𝑁𝑐 = (𝑁𝑝−1)
2 (2.8)
Dimana,
Np : Jumlah pelat
Perhitungan Channel-Cross Sectional Area (Af)
𝐴𝑓 = 𝑊𝑑 (2.9)
Dimana,
W : lebar efektif pelat (m)
D : jarak antar pelat (m)
Perhitungan Channel Velocity (up)
𝑢𝑝 = ṁ
𝜌𝐴𝑓𝑁𝑐 (2.10)
Dimana,
ṁ : Mass flow rate fluida (kg/s)
𝜌 : Densitas fuida (kg/m3)
𝐴𝑓 : channel-cross sectional area (m2)
Nc : number of channel per pass
Perhitungan Diameter (hidrolik) Ekuivalen (de)
𝑑𝑒 = 2𝑑 (2.11)
Dimana,
D : jarak antar pelat (m)
1.7 Overall Heat Transfer Coefficient (Uo)
Perhitungan Overall Heat Transfer Coefficient dapat dilakukan dengan menggunnakan
persamaan
1
𝑈𝑜=
1
ℎ𝑝ℎ+
1
ℎ𝑓ℎ+
𝑠
𝑘𝑝+
1
ℎ𝑝𝑐+
1
ℎ𝑓𝑐 (2.17)
Dimana satu banding Overall Heat Transfer Coefficient adalah penjumlahan satu
banding heat transfer coefficient sisi oli pelumas (ℎ𝑝ℎ), fouling factor coefficient sisi oli
pelumas (ℎ𝑓ℎ), heat transfer coefficient sisi air pendingin (ℎ𝑝𝑐), fouling factor coefficient sisi
air pendingin (ℎ𝑓𝑐) dengan ketebalan pelat (s) banding konduktivitas termal pelat (kp). dengan
(ℎ𝑓ℎ), (ℎ𝑓𝑐), diambil dari
Tabel I-6 sehingga didapatkan koefisiean fouling factor cooling water (treated) 8000
(𝑊/𝑚2℃) dan Lubricant oil 6000 (𝑊/𝑚2℃) Dan untuk plat stainless steel yang memiliki
ketebalan 0,75 mm diasumsikan memiliki konduktifitas termal sebesar 16 (W/moC).
Lalu nilai heat transfer coefficient (hp) dapat di cari dengan menggunakan persamaan
berikut
ℎ𝑝 = 𝑁𝑢 (𝑘𝑓
𝑑𝑒) (2.16)
(ℎ𝑝ℎ) didapat dari perkalian konduktifitas Thermal Fluida (𝑘𝑓) yang diambil dari tabel
properties untuk masing-masing fluida dibagi diameter hidrolik equivalen (𝑑𝑒) dan dikalikan
Nusselt (𝑁𝑢) number, dan untuk mencarinya digunakan persamaan berikut (Rohmah, Pikra,
Purwanto, & Pramana, 2015)
𝑁𝑢 =ℎ𝑝𝑑𝑒
𝑘𝑓= 0,26𝑅𝑒0,65𝑃𝑟0,4(
𝜇
𝜇𝑤)0,14 (2.14)
Dimana viskositas fluida pada temperatur dinding (𝜇𝑤), diasumsikan sebagai (𝑇𝑤)
𝑇𝑤 = (𝑇𝑓ℎ − 𝑇𝑓𝑐)/2 (2.15)
Dimana,
𝑇𝑓ℎ : Temperatur rata-rata sisi fluida panas/oli
𝑇𝑓𝑐 : Temperatur rata-rata sisi fluida dingin/air
Dan dengan Rumus Reynold dan Prandtl sebagai berikut
𝑅𝑒 = 𝜌𝑢𝑝𝑑𝑒
𝜇 (2.12)
𝑃𝑟 = 𝐶𝑝𝜇
𝑘𝑓 (2.13)
Dimana, perkalian (ρ) Densitas fuida, dengan (up) Channel Velocity, dan (de) Diameter
hidrolik/ Ekuivalen, dibagi (μ) adalah Viskositas Fluida, menghasilkan nilai Reynold (Re).
Kemudian perkalian (Cp) Spesific heat fluida dikalikan (μ) Viskositas Fluida kemudian dibagi
oleh (kf) konduktifitas Thermal Fluida akan menghasilkan nilai prandtl (Pr).
Dari nilai Uo yang didapatkan, nantinya akan dibandingkan dengan nilai heat transfer
coefficient asumsi jika nilainya memuaskan (perbedaan sekitar -0% sampai +8%) maka
perhitungan akan dilanjutkan pada penentuan besar pressure drop.
Tabel I-5 Konduktifitas Metal
(Cao, 2010)
Tabel I-6 Fouling Factor
(Cao, 2010)
1.8 Total Pressure Drop ∆𝐏𝐭
Perhitungan pressure drop dapat diketahui dengan menggunakan persamaan
∆Pt = ∆Pp + ∆Ppt (2.18)
Dimana penurunan tekanan total merupakan akumulasi penurunan tekanan pada pelat ∆Pp dan port ∆Ppt. Penurunan tekanan yang terjadi pada pelat akibat loss pada saluran di pengaruhi oleh faktor gesekan yang didapat dengan persamaan merujuk pada jurnnal (Rohmah, Pikra, Purwanto, & Pramana, 2015)
𝐽𝑓 = 0,60(𝑅𝑒)−0.3 (2.19)
Kemudian faktor gesekan dikali panjang efektif lintasan fluida dan kecepatan aliran dalam pelat lalu dibagi dua kali diameter ekivalen.
∆Pp = 8 Jf (Lp
de)
𝜌 𝑢𝑝2
2 (2.20)
Penurunan tekanan pada port didapatkan dengan penurunan rumus yang didapat dari (Rohmah, Pikra, Purwanto, & Pramana, 2015)
∆Ppt = 1,3(𝜌𝑢𝑝𝑡2)
2𝑁𝑝𝑠 (2.21)
Nilai massa jenis didapatkan dari tabel appendix, kemudian kecepatan port berasal dari perhitungan laju alir massa fluida dibagi densitas dan luasan permukaan fluida yang dapat dihitung dengan data nilai diameter ports. Dengan nilai 𝑁𝑝𝑠 sebagai jumlah pass di tentukan di awal asumsi yaitu 1 kali pass.