BAB IV HASIL PENGAMATAN & ANALISA

Transkripsi

1 BAB IV HASIL PENGAMATAN & ANALISA 4.1. Spesifikasi Main Engine KRI Rencong memiliki dua buah main engine merk Caterpillar di bagian port dan starboard, masing-masing memiliki daya sebesar 1450 HP. Main engine merupakan penggerak utama untuk menghasilkan daya yang ditransmisikan pada penggerak (propeller). Tabel 4.1. Spesifikasi main engine FB Wisnu I No. Spesifikasi Port Main Engine Starboard 1. Merk Caterpillar 2. Type CAT 32 ACERT 3. Daya 1450 BHP 4. Putaran 2300 RPM 5. Safety Factor 0,85 6. Daya Output 408 HP 7. Pompa air tawar Pompa Sentrifugal 8. Pompa air laut Pompa Sentrifugal Sumber: Manual Book Caterpillar 43

2 Gambar 4.1 Main Engine Caterpillar CAT 32 Gambar 4.2 Spesifikasi Main Engine Caterpillar CAT 32 44

3 4.2. Sistem Pendingin main engine Caterpillar CAT BHP a. Komponen Sistem Pendingin Gambar 4.3 Gambar Komponen Sistem Pendingin Caterpillar Ket. : 1. Inlet Sea Water 2. Sea Water Pump 3. Sea Water Inlet Aftercooler 4. Aftercooler 5. Sea Water Outlet from Aftercooler to Exchanger 6. Exchanger b. Scematik Sistem Pendingin sebelum Modifikasi Gambar 4.4 Scematik Sistem Pendingin Air Laut Main Engine 45

4 c. Scematik Sistem Pendingin setelah Modifikasi Gambar 4.5 Scematik Sistem Pendingin Main Engine setelah Modifikasi Gambar 4.6 Komponen Sistem Pendingin Main Engine 1 46

5 Gambar 4.7 Komponen Sistem Pendingin Main Engine 2 Gambar 4.8 Komponen Sistem Pendingin Main Engine 3 47

6 Gambar 4.9 Spesifikasi Heat Exchanger Baru 1 Gambar 4.10 Spesifikasi Heat Exchanger Baru 2 48

7 Gambar 4.11 Spesifikasi Heat Exchanger Baru 3 Gambar 4.12 Spesifikasi Heat Exchanger Baru 4 49

8 4.3 Langkah - langkah Menganalisa Heat Exchanger Tambahan Adapun langkah langkah dalam melakukan analisa system pendingin pada heat exchanger terhadap putara mesin induk adalah sebagai berikut : Adapun langkah langkah untuk menganalisa performance heat exchanger adalah sebagai berikut : 1. Melakukan pengamatan langsung terhadap mesin induk beserta system pendingin. Kemudian dilakukan pengambilan data sesuai dengan beberapa parameter, yaitu : Putaran Mesin Induk Puratan mesin induk merupakan putaran mesin mulai dari putaran rendah sampai putaran tinggi. Temperatur ruangan Temperatur ruangan merupakan temperature disekiling ruangan mesin. Temperatur Surface Temperatur fluida masuk HE Temperatur fluida keluar HE Temperatur air laut masuk HE Temperatur air laut keluar HE 2. Menghitung kalor yang dilepas oleh air tawar Adapun cara menghitung kalor yang dilepas air tawar yaitu sebagai berikut : v = π r 2.n 50

9 Dimana : V = Volume ṁ = v.ρ Dimana : ṁ = Laju massa v = volume spesifik ρ = massa jenis air tawar Adapun untuk menghitung kalor adalah menggunakan persamaan berikut: Q = ṁ.cp. T Q = Kalor yang dilepas ṁ = Laju massa T = Perubahan suhu 3. Menghitung kalor yang diserah oleh air laut Adapun cara menghitung kalor yang diserap oleh air laut yaitu sebagai berikut : v = π r 2.n Dimana : V = Volume ṁ = v.ρ Dimana : ṁ = Laju massa v = volume spesifik ρ = massa jenis air tawar 51

10 Adapun untuk menghitung kalor adalah menggunakan persamaan berikut: Q = ṁ.cp. T Q = Kalor yang dilepas ṁ = Laju massa T = Perubahan suhu T = ( T₁- T₂) / ln ( T₁/ T₂) ε = Q actual / Q max ηth =(T airtawar in - T airtawar out)/((t airtlaut in - T airlaut out) + Ts-T) 4. Menganalisa performansi heat exchanger berdasarkan variasi putaran mesin induk. Adapun cara menghitung efektifitas dan efisiensi yaitu sebagai berikut: ε = Q actual / Q max ηth =(T airtawar in - T airtawar out)/((t airtlaut in - T airlaut out) + Ts-T) 4.4 Sirkulasi Air Laut Kapal KRI Rencong Sistem pendingin main engine merupakan closed system yang dilengkapi sebuah HE untuk mengkondisikan air tawar sesuai dengan kebutuhan (ideal 32 o C). Pada sistem HE, air laut dipergunakan sebagai fluida kerjanya; saat ini rata-rata temperatur air tawar yang dapat dikondisikan hanya mencapai 39 o C pada putaran mesin 1900rpm. Gambar 4.2 memperlihatkan diagram sistem pendingin kedua main engine pada FB Wisnu I; lengkap dengan sirkulasi fluida. Aliran sistem pendingin mesin induk terdiri dari dua macam, yaitu aliran pendingin air laut dan air tawar. 52

11 Gambar 4.13 Diagram Sistem Pendingin Main Engine Caterpillar Modifikasi Sistem HE yang dipakai untuk mendinginkan air tawar dilengkapi dengan pompa yang memanfaatkan daya dari main engine (prime mover) melalui sistem transmisi pulley belt V. Sehingga, pompa bekerja bersesuaian dengan putaran mesin; untuk memindahkan air laut menuju HE pendingin air tawar maupun kebutuhan lainnya (pendingin oli, inter cooler, dan poros). Secara sistimatis, mekanisme kerja sistem pendingin dapat diuraikan sebagai berikut: a) Membuka katup sea chest sehingga air laut mengalir menuju pipa utama (header pipe). 53

12 b) Membuka katup sea water pump sisi in kedua mesin atau salah satu sesuai dengan kebutuhan operasional; agar air laut mengalir menuju rumah pompa sebgai akibat dari tekanan hidrostais yang terjadi akibat dari masa kapal. c) Mengecek tangki air tawar sesuai dengan level kebutuhan untuk mengetahui jumlah air tawar yang terdapat di dalam water jacket. Bila air tawar didalam tangki berada dibawah level kebutuhan water jacket maka harus ditambah. d) Ketika mesin dioperasikan maka rotor pompa bekerja dan menggerakkan air laut dari sisi suction menuju ke sisi discharge dalam rumah pompa; selanjutnya daya pompa dimanfaatkan untuk mensirkulasikan air laut menuju HE pendingin air tawar serta pendingin lainnya. e) Pada siklus air tawar, jaringan dilengkapi dengan thermostat yang bekerja membuka ketika temperatur air mencapai 50 o C sehingga air ini mengalir melalui HE. Penelitian dalam Tugas Akhir ini mengamati sistem pendingin dengan kondisi katup selalu terbuka; karena thermostat sedang rusak. Sehingga, pengamatan mencatat kondisi temperatur air tawar masuk HE lebih rendah dari 50 o C. Tabel 4.1 dan gambar 4.2 memuat spesifikasi teknis main engine lengkap dengan HE untuk air tawar water jacket. Sirkulasi air tawar untuk pendingin main engine dapat dimulai dari tanki air tawar. Air mengalir karena grafitasi dapat memenuhi saluran water jacket meskipun mesin mati. Ketika mesin beroperasi pompa bekerja 54

13 sehingga terjadi sirkulasi air tawar dari water jacket (cylinder liner dan silinder head) menuju tangki kemudian kembali mengalir ke water jacket. Saat temperatur air belum mencapai 50 0 C, katup termostart dalam keadaan tertutup sehingga air bersirkulasi sesuai dengan kondisi normal (tidak melalui HE). Tetapi ketika temperatur air tawar keluar water jacket mencapai 50 0 C atau lebih, katup thermostart akan terbuka sehingga air tawar mengalir melalui HE dan menuju ke tanki. Di dalam HE, air tawar mengalami pendinginan oleh air laut yang dipompakan berlawanan arah. Sistem Pendingin Air Tawar Salah satu sistem pendingin main engine Caterpillar adalah teknologi water jacket yang digunakan untuk menjaga temperatur cylinder liner dan head. Air tawar keluar dari sistem pendingin ini bisa mencapai temperatur 80 o C; oleh karena itu sistem pendingin ini dilengkapi dengan sensor thermostat yang di set-up untuk menjaga temperature maksimum air tawar pada water jacket 50 o C. Untuk menjaga air tawar pada tangki penampung <40 o C digunakan HE dengan fluida kerja air laut. Komponen sistem pendingin air tawar ini sebagai berikut: A. Heat exchanger (HE) Sistem pendingin pada main engine Caterpillar dilengkapi dengan sebuah HE yang difungsikan untuk menurunkan temperatur air tawar setelah keluar water jacket. Jenis HE yang digunakan pada FB Wisnu I adalah shell and tube, yaitu pipa aliran air laut terdapat di 55

14 dalam tabung aliran air tawar. Pada pelaksanaan FP ini, dimensi HE diukur berdasarkan fisik yang terlihat; sehingga parameter yang memungkinkan diukur adalah diameter luar dan panjang shell serta tube. B. Sea Water Pump Di Kapal KRI Rencong, sea water pump digunakan untuk memompa air laut dari sea chest dan didistribusikan ke HE untuk mengambil kalor air tawar hasil pendinginan mesin diesel. Keluar dari HE, air laut ini dialirkan ke oil cooler kemudian diteruskan ke manifold gas buang dan shell pendingin poros penggerak kapal. Pompa yang digunakan adalah jenis pompa sentrifugal yang memanfaatkan main engine sebai penggerak mula dengan sistim transmisi menggunakan teknologi pulley and belt. Gambar 4.4 menunjukkan kedudukan pompa air laut pada main engine. C. Fresh Water Pump Fresh water pump yang digunakan pada KRI Rencong adalah jenis sentrifugal. Pompa ini juga memanfaatkan main engine sebagai penggerak dengan sistem transmisi menggunakan teknologi pulley and belt. Fresh water pump digunakan untuk mesirkulasikan air tawar dari water tank ke sistem water jacket (cylinder liner dan head) kembali ke water tank. Fresh water pump 56

15 D. Thermostat Thermostat merupakan sebuah sensor temperatur yang dipasang untuk mendeteksi suhu air tawar dalam water jacket. Sensor ini berhubungan dengan katup pada saluran keluar air tawar dari water jacket menuju HE; sehingga katup ini disebut katup thermostat. Katup ini akan terbuka ketika thermostat mendeteksi suhu air tawar dalam water jacket mencapai 50 o C. Sehingga, sistem pendingina mesin utma dapat terjaga (input air tawar ke water jacket <40 o ). Gambar 4.6 memperlihatkan alat penunjuk suhu ( o C) yang terhubung dengan thermostat pada penutup silinder head. 4.5 Hasil Pengamatan dan Pengukuran Data hasil pengamatan dan pengukuran ditunjukkan pada Tabel 4.2 sampai dengan Tabel 4.6. Analisa data pada sub-bagian 5.2 dilakukan pengelompokkan berdasarkan putaran, yaitu: putaran rendah berkisar antara rpm, sedang rpm, dan tinggi rpm. Pada Tabel 4.2, perubahan temperatur air laut pada berbagai putaran terdata meningkat dari 6 o C (32-26) o C samapai 38 o C (64-26) o C; dengan rata-rata perubahan 22 o C. 57

16 Tabel 4.2. Data operasi HE No n T Ts Air Laut Air Tawar T in T out T in (rpm) ( C) ( C) ( C) ( C) ( C) Sumber: Pengamatan & pengukuran pada tgl 10 Maret Temperatur air tawar keluar HE (T at.out ) dihitung menggunakan persamaan (2.9) dengan mengetahui parameter kalor yang dilepas air tawar (q at ) dan kalor yang diserap air laut (q al ); hasil perhitungan diperlihatkan pada Tabel 4.3. Perubahan temperatur air tawar pada berbagai putaran terdata meningkat dari 5,72 o C (40-34,28) o C sampai 36,25 o C (80-43,75) o C; dengan rata-rata perubahan 21 o C. Kalor yang dilepas air tawar (q at ) dihitung menggunakan persamaan (2.6); sedangkan laju massa air tawar (ṁ at ) dihitung menggunakan persamaan (2.7) dengan mengetahui parameter massa jenis air tawar (ρ at ) dan laju aliran volume air tawar (V at ). Hasil perhitungan diperlihatkan pada Tabel 4.3 dengan rata-rata perubahan 4511,35 kj. 58

17 Kenaikan kalor yang dilepas air tawar pada putaran rendah ( rpm) menunjukkan persentase samapai 114,21%. Sedangkan pada putaran menengah, persentase kenaikan rata-rata mencapai 62,79%. Pada putran tinggi, persentase kenaikan mencapai 25,61%. Tabel 4.3. Kalor yang dilepas air tawar No. n (rpm) Air Tawar Tin Tout V ṁ q ( C) ( C) (l/det) (kg/det) (Kj) ,28 30,85 30,85 739, ,51 36,00 36, , ,78 41,15 41, , ,01 46,29 46, , ,24 51,43 51, , ,52 56,58 56, , ,75 61,72 61, ,50 Kalor yang diserap air laut (q al ) dihitung menggunakan persamaan (2.6) dengan mengetahui parameter ṁ al, Cp al, dan T al ; hasil perhitungan diperlihatkan pada Tabel 4.4 dengan rata-rata perubahan 4511,61 kj. T LMTD dihitung menggunakan persamaan (2.10) dengan mengetahui parameter temperatur fluida air laut masuk HE (T al.in ), temperatur fluida air laut out (T al.out ), temperatur fluida air tawar in HE (T at.in ), dan temperatur fluida air tawar out HE (T at.out ). Hasil perhitungan diperlihatkan pada Tabel 4.4 dengan perubahan rata-rata 12,12 0 C. Tabel ini juga memperlihatkan hasil perhitungan effektifitas dan efisiensi heat transfer yang dihitung menggunakan persamaan (2.13) dan (2.17). Efektifitifitas rata-rata mencapai 61,33%; sedangkan effisiensi thermal rata-rata sampai 42,46%. 59

18 Tabel 4.4. Performansi air laut No. n (rpm) Air Laut Performansi Tin Tout V ṁ q TLMTD ε ηth ( C) ( C) (l/det) (kg/det) (kj) ( C) (%) (%) ,85 31,62 739,91 7,25 42,86 18, ,00 36, ,19 9,37 52,38 38, ,15 42, ,28 9,13 62,96 44, ,29 47, ,06 12,62 64,71 47, ,43 52, ,44 14,39 65,85 49, ,58 57, ,60 14,70 70,21 49, ,72 63, ,77 17,40 70,37 50,34 Kalor yang di lepas ke lingkungan dihitung menggunakan persamaan (2.3) dengan mengetahui parameter koefisien perpindahan kalor konveksi (h), luas selimut shell HE (A), dan perbedaan temperatur permukaan dengan udara ruangan (Ts-T ). Tabel 4.5 memperlihatkan bahwa kalor yang dilepas ke lingkungan pada putaran rendah, sedang, dan tinggi memiliki kenaikan rata-rata sebesar 0,0262 kj. Tabel 4.5. Kalor yang dilepas ke lingkungan n (rpm) Ts ( C) Udara Ruangan No. T Tf v k β h q pr Gr konveksi ( C) ( C) (m²/det) (kj/m C) (K-1) (kj/m C) (Kj) ,5 1, , ,725 3, , , , ,0 1, , ,726 3, , , , ,0 1, , ,722 3, , , , ,0 1, , ,724 3, , , , ,0 1, , ,723 3, , , , ,5 1, , ,723 3, , , , ,5 1, , ,727 3, , , , Perhitungan dengan menggunakan program HTRI digunakan untuk mendapatkan rancangan yang efektif untuk mendapatkan laju perpindahan 60

19 kalor yang maksimal. Penggunaan program ini dilakukan dengan 2 metode yaitu; manual dan simulasi. Metode manual menggunakan parameter Øinside shell, ṁ al, ṁ at, T al.in, T al.out, T at.in, dan T at.out sedangkan metode simulasi menggunakan parameter input Øinside shell, ṁ al, ṁ at, T al.in dan T at.in. Asumsi yang digunakan untuk kedua metode tersebut adalah; panjang tube = 580 mm, Øoutside tube = 9,525 mm, layout angle = 45 0, pitch 13 mm, dan jarak antar baffle = 116 mm. Tabel 4.6 menunjukkan perbedaan antara metode manual terhadap simulasi dengan perubahan temperatur out fluida air tawar keluar dari HE pada putaran rendah, sedang, dan tinggi masing-masing memiliki kenaikan rata-rata sebesar 15, 32, dan 41%; sedangkan fluida air laut memiliki penurunan rata-rata sebesar 20, 40, dan 52%. Kenaikan kalor yang dilepas air tawar dengan metode simulasi pada putaran rendah menunjukkan persentase kenaikan mencapai 67,35%. Sedangkan pada putaran menengah, persentase kenaikan mencapai 33,34%. Pada putran tinggi, persentase kenaikan mencapai 22,06%. Tabel 4.6. Perhitungan Laju Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Software HTRI n No (rpm) Manual Simulation Air Tawar Air Laut Air tawar Air laut q Overdesign q Overdesign Tin Tout Tin Tout Tin Tout Tin Tout ( C) ( C) ( C) ( C) (kj) (%) ( C) ( C) ( C) ( C) (kj) (%) , ,6-88, , ,20 159,3 0, , ,4-91, , ,73 266,6 0, , ,3-94, , ,14 377,9 0, , ,3-94, , ,61 517,2 0, , ,4-95, , ,04 671,5 0, , ,8-96, , ,39 821,7 0, , ,3-96, , , ,0 0,64 61

20 Daya output spec main engine (P out-spec ) pada manual book menunjukkan bahwa putaran maksimal (1600rpm) menghasilkan daya 300,29 kw dengan safety factor sebesar 0,85%; hasil perhitungan diperlihatkan pada Tabel 4.6 dengan perubahan rata-rata tiap putaran 206,45 kw. Daya output makanik (P out-m ) main engine dihitung menggunakan persamaan (2.1) dengan mengetahui parameter diameter silinder (D), panjang langkah (S), tekanan kompresi (Pe), putaran (n), dan jumlah silinder (Z); hasil perhitungan diperlihatkan pada Tabel 4.6 dengan perubahan rata-rata tiap putaran 161,15 kw. SFOC dihitung menggunakan persamaan (2.2) dengan mengetahui parameter laju massa bahan bakar (ṁ) dan daya output makanik (P out-spec ). Tabel 4.7 memperlihatkan penurunan SFOC pada putaran rendah menuju ke putaran tinggi dengan perubahan slope/gradien sebesar 0,0069%. 4.6 Laju Perpindahan Kalor Maksimum yang terjadi di Heat Exchanger Gambar 4.14 Performansi heat exchanger dengan parameter T dan q berdasarkan variasi putaran main engine. 62

21 Gambar 4.14 memperlihatkan hubungan antara laju perpindahan kalor menggunakan metode manual dan simulasi yang terjadi pada HE dengan menggunakan putaran main engine rendah, sedang, dan tinggi. Data FP ini memperlihatkan bahwa besarnya nilai laju perpindahan kalor memberikan hasil yang berbeda. Selain itu, grafik tersebut juga memperlihatkan bahwa laju perpindahan kalor dengan menggunakan kedua metode memiliki slope/gradien yang sama. Berdasarkan data pengamatan pada Tabel 4.6, perancangan desain HE dengan menggunakan program HTRI yang maksimal terjadi pada saat menggunakan metode simulasi. Hal ini disebabkan karena pada penggunaan program HTRI tidak mengabaikan karakteristik konstruksi susunan HE jenis shell and tube. Sedangkan pada metode manual tidak menggunakan karakteristik konstruksi HE jenis shell and tube karena tidak terdapat manual book dan name plate yang jelas. 4.7 Efektifitas HE (ε) dan Effisiensi Thermal (η th ) Gambar 4.15 Performansi HE dengan parameter η th dan q berdasarkan variasi putaran main engine. 63

22 Gambar 4.15 memperlihatkan hubungan antara perpindahan kalor aktual dan teoritis yang terjadi pada shell and tube HE dengan putaran main engine pada putaran rendah, sedang, dan tinggi. Data FP memperlihatkan bahwa besarnya nilai perpindahan kalor pada HE jenis shell and tube secata teoritis dan aktual memberikan hasil yang berbeda. Harga koefisien perpindahan kalor secara teoritis lebih besar dibandingkan secara aktual. Efektifitas dapat dianalisa dengan persamaan (2.13), hal ini ditunjukkan dengan adanya perbandingan antara data operasi HE dan perhitungan perpindahan kalor secara teoritis. Kompilasi data menunjukkan bahwa semakin tinggi putaran main engine, semakin besar pula keefektifan HE untuk menyerap kalor yang dihasilkan oleh mesin. Hal ini disebabkan karena adanya korelasi antara putaran main engine dengan putaran pompa air laut dan pompa air tawar. Jika putaran main engine tinggi maka temperaturnya akan semakin tinggi, sehingga laju aliran massa air laut dan air tawar sebanding lurus terhadap putaran main engine untuk menyerap kalor pada main engine di HE. Gambar 5.2 juga memperlihatkan hubungan antara effisiensi thermal pada shell and tube HE dengan putaran main engine pada putaran rendah, sedang, dan tinggi. Data FP ini memperlihatkan bahwa semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar effisiensi thermal yang terjadi pada shell and tube HE. Effisiensi thermal dapat dianalisa dengan menggunakan persamaan (2.17), hal ini dapat ditunjukkan dengan adanya perbandingan antara temperatur yang dibawa oleh fluida panas (air tawar) dengan fluida pendingin (air laut dan udara bebas). Berdasarkan data FP 64

23 dapat dilihat bahwa semakin tinggi putaran main engine maka semakin besar pula effisiensi thermal yang terjadi di HE. Hal ini disebabkan karena adanya korelasi antara putaran main engine dengan putaran pompa air laut dan pompa air tawar. Jika putaran main engine tinggi maka temperaturnya akan semakin tinggi, sehingga kerja pompa air laut dan air tawar akan sebanding lurus terhadap putaran main engine untuk menyerap panas pada main engine di HE. 65