Download - Tugas Besar Perpan
PERPINDAHAN PANAS ALAT PENUKAR KALOR PADA SISTEM PENDINGIN GENEATOR PLTA SULEWANA
Diajukan Untuk Memenuhi Tugas Besar Perpindahan Panas
Disusun Oleh:
Dede WahyudinNIM: 2112132004
Dosen Pembina Mata Kuliah:
Damawidjaya Biksono, MT.
JURUSAN TEKNIK MESIN – FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI
BANDUNG – CIMAHINOPEMBER 2013
1. TEMA
Perpindahan panas alat penukar kalor pada sistem pendingin generator PLTA SULEWANA
2. LATAR BELAKANG
Penukar kalor merupakan sebuah alat yang berfungsi untuk menurunkan dan atau
meningkatkan temperatur sebuah sistem dengan memanfaatkan suatu media pendingin
atau pemanas, sehingga kalor dapat berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur
yang lebih rendah.
Jenis cooler yang digunakan untuk menjaga temperatur udara pada generator yakni
radiator plat (dengan tipe core staggered). Pada sistem pendinginan ini, air sebagai media
pendingin mengalir dalam pipa-pipa sedangkan udara panas yang di dinginkan bergerak
melewati pipa-pipa pendingin yang dipasangkan sirip-sirip untuk mempercepat proses
perpindahan kalor.
3. RUMUSAN MASALAH
Efektivitas penukar kalor berfungsi sebagai indikator, apakah suatu penukar kalor masih
layak digunakan untuk melakukan proses perpindahan panas atau tidak.
4. BATASAN MASALAH
Batasan masalah tugas ini adalah menghitung proses perpindahan panas serta efektivitas
pendingin generator dengan arah aliran searah dengan cara konduksi dan konveksi.
5. TUJUAN
Untuk mengetahui kinerja penukar kalor berdasarkan desain dan pengamatan.
6. DASAR TEORI
6.1. Sistem Pendingin Generator
Generator merupakan perangkat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik. Tenaga listrik yang dihasilkan generator dapat berupa arus searah
(DC) maupun arus bolak balik (AC). Hal ini tergantung dengan konstruksi dari generator
dan sistem pengambilan arusnya. Generator terdiri atas bagian yang berputar yang
disebut rotor dan bagian yang diam yang disebut stator, dan celah udara yang
memisahkan antara stator dan rotor. Putaran rotor yang terus menerus terhadap stator
menyebabkan meningkatnya temperatur udara dalam generator.
Sistem Sirkulasi Udara
Sebuah sistem sirkulasi udara tertutup digunakan untuk mendinginkan generator.
Fan dipasang pada kedua sisi dari bagian tengah rotor untuk menghasilkan tekanan
udara yang dibutuhkan. Udara pendingin masuk dari kedua ujung rotor ke dalam ruang
di antara kutub dan celah udara. Efek sentrifugal dari kutub yang berputar mengalihkan
udara dalam arah radial ke dalam saluran pendingin inti stator dan melewati stator frame
ke penukar kalor air-udara, di mana udara hangat didinginkan. Penukar kalor dipasang
ke stator frame.
Sistem Pendinginan Udara
Sistem pendinginan generator adalah dengan sirkulasi udara sirkuit tertutup. Udara
hangat didinginkan oleh sebuah alat penukar kalor air-udara. Ada delapan pendingin
udara permukaan dipasang dalam silinder mesin untuk mendinginkan udara yang
digunakan untuk pendinginan bagian rotor dan stator. Pendingin udara yang digunakan
adalah jenis penukar kalor udara ke air yang bersirip, di mana udara sekitar dari mesin
lewat dan kemudian disirkulasikan kembali oleh aksi sentrifugal dari rotor. Laluan udara
disediakan di kedua sisi stator untuk mencapai sirkulasi pendingin udara yang terkontrol.
Aliran air pendingin dikontrol baik dari katup inlet maupun outlet. Pemantauan
temperatur pendingin udara permukaan berasal dari unit kontroller dan komputer.
Kadang - kadang terdapat pengotoran berupa kerak yang menempel pada pipa pendingin
yang kemungkinan dapat mengurangi efektivitas pendinginan, sehingga pembersihan
berkala mutlak dilakukan atau mengambil sumber air pendingin yang lebih baik sebagai
tindakan preventif untuk mencegah pengotoran pada alat penukar kalor.
Gambar 1. Generator assembly
Gambar 2. Alat penukar kalor untuk pendingin generator
Gambar 3. Shell and tube heat exchanger
Gambar 4. Double pipe heat exchanger
6.2. Alat Penukar Kalor
Penukar kalor merupakan sebuah alat yang berfungsi untuk menurunkan dan atau
meningkatkan temperatur sebuah sistem dengan memanfaatkan suatu media pendingin
atau pemanas sehingga kalor dapat berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur
yang lebih rendah. Ada beberapa jenis penukar kalor, seperti shell and tube, double pipe
dan compact heat exchanger.
Shell and tube merupakan jenis penukar kalor yang terdiri dari sebuah tabung
(shell) yang di dalamnya tersusun berkas pipa (tube). Pada jenis alat penukar kalor ini,
fluida panas mengalir di dalam tube sedangkan fluida dingin mengalir di luar tube atau
di dalam shell atau sebaliknya. Karena kedua aliran fluida melintasi penukar kalor hanya
sekali, maka susunan ini disebut penukar kalor satu lintas (single pass). Jika kedua fluida
itu mengalir dalam arah yang sama, maka penukar kalor ini bertipe aliran searah
(parallel flow). Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang berlawanan, maka
penukar kalor ini bertipe aliran berlawanan. Penukar kalor shell and tube memiliki
beberapa variasi dan diberi nama sesuai dengan konfigurasi pipa dan tabungnya seperti
berikut:
Gambar 5. Shell and tube heat exchanger (one shell pas and two tube pass)
Gambar 6. Shell and tube heat exchanger (two shell passes and four tube passes)
6.3. Konsep perpindahan panas
Proses perpindahan panas mengalir dari tempat yang bertemperatur tinggi ke
tempat yang mempunyai temperatur lebih rendah. Dalam perpindahan panas, terdapat
tiga jenis mekanisme atau metode perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain,
antara lain :
1. Konduksi / Hantaran
2. Konveksi
3. Radiasi / Pancaran
Perpindahan energi panas dari benda bertemperatur tinggi menuju benda dengan
temperatur rendah akan berlangsung terus hingga energi panas yang dikandung kedua
benda tersebut sama kualitas atau jumlahnya. Oleh karena itu dalam proses perpindahan
panas pada awal berlangsung secara berangsur dengan besar perpindahan energi yang
masih terus berubah bisa membesar dan bisa juga mengecil.
Dalam desain radiator dapat kita ketahui jenis perpindahan panas yang terjadi
yakni perpindahan panas secara konveksi dimana energi yang bertemperatur tinggi
bergerak dengan melepaskan energi panasnya ke molekul yang bertemperatur lebih
rendah. Dengan mempertimbangkan mekanisme proses perpindahan panas dapat
disimpulkan bahwa perpindahan panas konveksi tidak akan terjadi dalam medium padat
seperti logam, dan sering dijumpai dalam medium fluida ( seperti zat cair dan gas ).
Dalam perpindahan panas dengan modus konveksi terdapat tiga macam
perpindahan panas pokok, yaitu :
1. Konveksi paksa, fluida dipaksa bergerak ( biasanya dengan bantuan pompa )
2. Konveksi bebas, fluida bergerak disekitar permukaan panas karena adanya gaya
angkat akibat perbedaan densitas / kerapatan fluida.
3. Konveksi perubahan fasa, terjadi jika fluida disekitar permukaan panas mengalami
perubahan fasa.
Sistem pendinginan pada rotor dan stator didesain dalam lingkup konveksi paksa,
dengan menggunakan pompa untuk mengalirkan fluida (air). maka kita harus memahami
bagaimana konsep perhitungan perpindahan panas yang terjadi karena sifat
ketergantungan terhadap temperatur fluida dapat diatasi dengan perhitungan temperatur
film (Tf) yang ada disekitar permukaan panas. Tf dapat dihitung dengan persamaan :
Tf =Ts+Tx2
Dengan: Ts = Temperatur permukaan panas (℃ )
Tx = Temperatur arus bebas (℃ )
Bilangan Nusselt pada sistem aliran fluida dalam tabung / pipa untuk aliran laminer dan
turbulen sangat dipengaruhi oleh bentuk dari core radiator yang ada. Bentuk core
radiator ada 2 bentuk yakni:
1. Staggered ( ziz – zaz )
2. In-line
Gambar 7. Tube bank staggered Gambar 8. Tube bank In-line
Dengan: SD = Jarak antar tube pada radiator tube bank staggered dg posisi serong (m)
ST = SL = Jarak antar tube (m)
A = Luas penampang (m)
D = Diameter tube (m)
Vapp = Kecepatan aliran masuk (m /s)
Vmax = Kecepatan aliran maksimum (m /s)
Untuk Staggered: Vmax= ST2 (SD−D )
. V
Untuk In-Line: Vmax= ST( ST−D )
. V
Ta = Temperatur masuk (℃)
SD=√SL2+( ST /2 )2
Mengacu pada bentuk tube bank yang ada maka untuk mencari nilai Reynolds
bedasarkan kecepatan aliran dapat menggunakan persamaan:
ℜ= ρ. Vmax .Dμ
Dengan: ρ = Berat jenis / Kerapatan / Densitas (kg /m3)
Vmax = Kecepatan aliran (m /s)
D = Diameter pipa / silinder (m)
μ = Konstanta kecepatan aliran dalam sistem (kg /m. s)
Dengan korelasi Reynolds yang telah diketahui maka nilai Nusselt aliran yang melalui
tube bank dapat menggunakan persamaan:
Nu=h .Dk
=C . Redm Prm¿¿
Dengan Nusselt Number yang telah diketahui berdasarkan nilai Re yang ada maka
perbedaan temperatur untuk internal flow merupakan perbedaan utama temperatur
logaritma yang didefinisikan dari persamaan:
∆ Tin=(Ts−Te )−(Ts−Ti )
ln [ (Ts−Te ) /(Ts−Ti ) ]
Te=Ts−(Ts−Ti ) exp [−( As . h ) /(ṁ .Cp ) ]
Maka besar heat tranfer dapat dihitung dengan persamaan:
Q=h . As . ∆ Tin=ṁ. Cp . (Te−Ti )
Dengan: Te = Temperatur diferensial (℃)
Ti = Temperatur awal (℃)
Ts = Temperatur tertinggi (℃¿
H = Koefisien perpindahan panas (W /m2 .℃)
As = Luas penampang (m2)
ΔTin = Temperatur in – Temperatur out (℃)
ṁ = laju aliran massa (kg/s)
Cp = Panas spesifik dari fluida (J / Kg .℃)
Q = Laju aliran panas (W)
h = Koefisien perpindahan panas (W /m2℃ )
7. DATA DAN PERHITUNGAN
Data temperatur dan dimensi penukar kalor:
Tudara in (°C) = 75
Tudara out (°C) = 40
Tair in (°C) = 28
Tair out (°C) = 34
SL (m) = 0.021
SD (m) = 0.029347
ST (m) = 0.04 Qair (m3/h) = 65.12
L (m) = 1.5 N = 114
D tubing (m) = 0.019 Vudara (m/s) = 21
7.1. Koefisien perpindahan panas pada sisi pipa (untuk udara) (W /m2℃ )
Temperatur rata-rata:
Thin = 750C
Thout = 40 0C
Th=75+402
=57,5℃
Sifat-sifat termodinamika udara pada suhu 57.5 0C:
Cp = 1.0085 kJ /kg .℃ Pr = 0.70925
ρ = 1.745 kg /m3 μ = 0.1992 x 10-4 kg /m. s
k = 0.028325 W /m.℃
Vmax= ST2 (SD−D )
. V= 0 .042 (0 . 023947−0 . 019 )
x 21=84 . 9 m /s
ℜ= ρ. Umax . Dμ
=1 .745 x 84 .9 x0 . 019
0 .1992 x10−4=141308
Re>4000, maka alirannya adalah turbulen
Berdasarkan aturan Gnielinski, maka:
0.5 ≤ Pr ≤ 2000
3000 ≤ℜ≤5 x106
f =(0 . 79 ln (ℜ )−1 .64 )−2= (0 .79 xln (141308 )−1 .64 )−2=0 . 01674
Nu=( f /8 ) ( ℜ−1000 ) Pr
1+12.7 ( f /8 )1 /2 ( Pr2 /3−1 )=
(0. 01674 /8 ) x (141308−1000 ) x0 .70925
1+12 .7 (0 .01674 /8 )1 /2x (0 . 016742/3−1 )
= 456
Koefisien panas pada sisi pipa:
hi= Nu .kD
=456 x0 . 0283250 . 019
=679 W /m2℃
7.2. Koefisien perpindahan panas pada selongsong pipa (untuk air)(W /m2℃ )
Temperatur rata-rata:
Tcin = 280C
Tcout = 34 0C
Tc=28+342
=37℃
Sifat-sifat termodinamika air pada suhu 37 0C:
Cp = 4.179 kJ /kg .℃ Pr = 4.994
ρ = 993.36 kg /m3 μ = 6.926 x 10-4 kg /m. s
k = 0.775 W /m.℃
Qair = 65.12 m3/h = 0.018 m3/s
v=QA
= Qπ4
D2= 0.018
3.144
x0.0192=63 m / s
ℜ= ρ. v . Dμ
=993 .36 x 63 x0 .019
6 . 926 x 10−4=1716794
Re>4000, maka alirannaya adalah turbulen, n = 0.3 (untuk pendinginan)
Nu=0 .023 ℜ0. 8 Prn=0 .023 x 17167940 . 8 x 4 . 9940 .3=3623
Koefisien panas pada sisi selongsong:
ho=Nu . kD
=3623 x0 . 7750 . 019
=147769 W /m2℃
7.3. Koefisien panas menyeluruh
U = hi . hohi+ho
=679 x 147769679+147769
=675.894 W /m2℃
7.4. Beda suhu rata-rata logaritmik
∆ LMTD=(Thi−Tci )−(Tho−Tco)
ln [ (Thi−Tci )/ (Tho−Tco ) ]=
(75−28 )−( 40−34 )ln [ (75−28 )/ (40−34 ) ]
=19℃
7.5. Faktor Koreksi
P=Tco−TciThi−Tci
=34−2875−28
=0.128
R=Thi−ThoTco−Tci
=75−4034−28
=5.833
FT= √ R2+1 ln (1−P ) /(1−PR)
( R−1 ) ln [2−P (R+1−(√R2+1 )) /2−P (R+1+√R2+1 ) ]¿ √5.8332+1 ln (1−0.128 )/(1−0.128 x 5.833)
(5.833−1 ) ln [2−0.128 (5.833+1−(√5.8332+1 )) /2−0.128 (5.833+1+√5.8332+1 ) ] = 1.66
7.6. Laju perpindahan panas (W)
A=π . D .L . N=3.14 x 0.019 x1.5 x114=10.202m2
Q=U . A . FT . ∆ LMTD=675.894 x 10.202 x 1.66 x19=217480 Watt
7.7. Efektivitas
ε=1−exp [−NTU (1+C ) ]
1+C
ṁc=Qair . ρair=0.018 x 993.36=17.88 kg/ s
ṁh=ρudara . vudara. A=ρudara . vmax .π4
D2 . N=1.745 x 84.9 x3.14
4x 0.0192 x114
ṁ h=4.786 kg /s
Cc=ṁc . Cp=17.88 x 4.179=74.72 kW
Ch=ṁh .Cp=4.786 x 1.0085=4.83 kW
C= CminCmax
= 4.8374.72
=0.065
NTU= U . ACmin
=675.894 x 10.202
4.83 x103=1.4
ε=1−exp [−NTU (1+C ) ]
1+C=
1−exp [−1.4 (1+0.065 ) ]1+0.065
=0.73
8. ANALISA HASIL
9. KESIMPULAN
10. DAFTAR PUSTAKA