Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman Tugas Akhir ini Disusun Guna Memperoleh Gelar Sarjana Strata Satu Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun : JOKO PRATOMO YUNANTO NIM : D JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2011 i

2 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul : Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dari skripsi yang sudah dipublikasikan dan/atau pernah dipakai untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di lingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya cantumkan sebagaimana mestinya. Surakarta, 7 Januari 2011 Yang menyatakan Joko Pratomo Yunanto ii

3 HALAMAN PERSETUJUAN Tugas Akhir berjudul Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman, telah disetujui oleh Pembimbing dan diterima untuk memenuhi sebagian Persyaratan memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Dipersiapkan oleh : Nama : JOKO PRATOMO YUNANTO NIM : D Disetujui pada Hari : Tanggal : Pembimbing Utama Pembimbing Pendamping Sunardi Wiyono, Ir, MT. Sartono Putro, Ir, MT. iii

4 HALAMAN PENGESAHAN Tugas Akhir berjudul Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman, telah dipertahankan di hadapan Tim Penguji dan telah dinyatakan sah untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Dipersiapkan oleh : Nama : JOKO PRATOMO YUNANTO NIM : D Disahkan pada Hari : Tanggal : Tim Penguji : Ketua : Sunardi Wiyono, Ir, MT. Anggota 1 : Sartono Putro, Ir, MT. Anggota 2 : Nur Aklis, ST. Dekan, Ketua Jurusan, Agus Riyanto, Ir, MT. Sartono Putro, Ir, MT. iv

5 LEMBAR SOAL TA v

6 MOTTO karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, maka apabila kamu telah selesai dari sesuatu urusan, kerjakanlah dengan sungguh-sungguh urusan yang lain. Dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap (Q.S Alam Nasyarah : 6-8) Ketundukkan atau Penyerahan diri pada Allah adalah wujud ikhtiar tertinggi dari seorang hamba, niscaya dunia dalam genggamannya (Penulis) Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang tidak menyadari betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah (Thomas Alva Edison) Jadilah kamu manusia yang pada kelahiranmu semua orang bahagia, hanya kamu sendiri yang menangis, dan saat kematianmu, semua orang menangis tetapi hanya kamu yang tersenyum (Mahatma Gandhi) vi

7 PERSEMBAHAN Sujud syukur dalam ketundukanku pada-mu ALLAH yang senantiasa memberikan kemudahan bagi hamba-nya yang mau berusaha. Dalam cinta dan bimbingan-mu selama hamba menuntut ilmu berbuah karya sederhana ini yang kupersembahkan kepada : Rosul-Mmenunjukkan jalan dari gelap-gulitaa menuju jalan yang terang, MUHAMMAD sang pembawa risalah kebenaran, yang terimakasih ALLAH atas ridho-mu hingga hamba dapat melangkahi satu garis hidup yang telah Kau tetapkan atas hamba. ( Dengan kepasrahanku Kau beri aku kekuatan dan kesabaran ). Ayah dan Ibu tercinta, dengan do a dan kasih sayang tulusmu selalu senantiasa memberikan kekuatan dalam setiap langkahku, kesabaranmu tak berbatas, terima kasih atas semua pengorbanan yang tidak ternilai harganya. Kedua adikku yang selalu memberiku cinta. Maafkan aku, kebahagiaanmu terbagi untukku. Almamater Teknik Mesin UMS. vii

8 PERENCANAAN HEAT EXCHANGERS PADA SISTEM PENDINGINAN MINYAK BANTALAN POROS TURBIN GENERATOR PLTA PB. SOEDIRMAN Joko Pratomo Yunanto, Sunardi Wiyono, Sartono Putro Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1 Pabelan Surakarta cyclonesia@yahoo.com ABSTRAKSI Tujuan dari perencanaan heat exchangers pada sistem pendinginan minyak bantalan poros turbin generator PLTA PB. Soedirman adalah: untuk mengetahui nilai neraca panas yang dihasilkan, menghitung koefisien perpindahan panas, luas perpindahan panas, jumlah tube yang dibutuhkan dan penurunan tekanan yang terjadi serta mengetahui besarnya pengaruh fouling terhadap penurunan koefisien perpindahan panas secara keseluruhan. Dalam perencanaan dibahas heat exchanger jenis Shell and Tube tipe AES untuk mendinginkan minyak pelumas bantalan turbin-generator dari temperatur 60 0 C menjadi 42 0 C, dengan media pendingin air sungai bertemperatur masuk 25 0 C dan temperatur keluar 35 0 C. Cara penyelesaian dalam perencanaan berupa analisis thermal yang menggunakan prinsip-prinsip perpindahan panas dan pendekatan LMTD (Logaritmic Mean Temperature difference) serta metode Kern Kesimpulan dari analisis perhitungan sebuah heat exchanger jenis shell and tube tipe AES dengan konstruksi 1-2 pass aliran adalah: Besarnya neraca panas (Q h =Q c ) sebesar 16,002 kw, koefisien perpindahan panas pada tube (h i ) sebesar 6933,45 W/m 2 K, luas perpindahan panas sisi tube (A) sebesar 5,55 m 2 dengan tube berjumlah 78 buah, penurunan tekanan sisi tube ( P t ) sebesar 0,040 N/m 2, koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) sebesar 147,06 W/m 2 K dan pengaruh fouling menyebabkan penurunan nilai U sebesar 12,71%. Kata kunci : minyak pelumas, heat exchangers, shell and tube, analisis thermal viii

9 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Syukur Alhamdulillah, penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan rahmat-nya sehingga penyusun laporan penelitian ini dapat terselesaikan. Tugas Akhir berjudul Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB. Soedirman dapat terselesaikan atas dukungan dari pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis dengan segala ketulusan dan keikhlasan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Agus Riyanto,SR, MT, selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. 2. Bapak Ir. Sartono Putro, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta dan selaku selaku Dosen Pembimbing II yang telah membimbing, mengarahkan, memberikan petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini. 3. Bapak Ir. Sunadi Wiyono, MT selaku Dosen Pembimbing I yang telah membimbing, mengarahkan, memberikan petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Dengan segala kesabaran dan nasehat bijaknya. 4. Bapak M. Al Fatih hendrawan, ST, MT. Selaku Pembimbing Akademik yang telah mendampingi dari awal hingga akhir perjuangan. 5. Dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta yang telah memberikan ilmu pengetahuan kepada penulis selama mengikuti kegiatan kuliah. ix

10 6. Bapak dan Ibu terkasih yang senantiasa mendoakan, memberikan semangat dan cinta.terima kasih atas semua nasehat, bimbingan, dan pengorbananmu selama ini. Kesabaranmu adalah do a yang terkabulkan. 7. Kedua adikku yang selalu memberiku cinta, kau rela bagikan kebahagiaanmu untukku. 8. Catur 01dan Iwan 05, kalian laskar yang Allah hadirkan untuk membangkitkan semangatku. 9. Sahabat-sahabat angkatan 2000, berkat doa-doamu akhirnya penantian panjang itu telah tertunaikan. 10. Alam semesta yang telah memberiku inspirasi, kau tunjukkan arti ketundukan dan ketakwaan pada sang Maha Rahmat, Allah SWT. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca akan penulis terima dengan senang hati. Wassalamu alaikum Wr. Wb Surakarta, 17 Agustus 2011 Penulis x

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL...i PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI... ii HALAMAN PERSETUJUAN... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv LEMBAR SOAL TUGAS AKHIR... v MOTTO vi PERSEMBAHAN... vii ABSTRAKSI... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR SIMBOL... xx DAFTAR LAMPIRAN... xxii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Perumusan Masalah Pembatasan Masalah Maksud dan Tujuan Metode Pengumpulan Data Sistematika Penyusunan Laporan...5 BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Prinsip-Prinsip Perpindahan Panas Bentuk Aliran Dalam Pipa Rumus-Rumus Empiris Konveksi Paksa Alat penukar Kalor Pandangan Umum Alat Penukar Kalor Klasifikasi Alat Penukar Kalor Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube xi

12 Konstruksi Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Prosedur Analisis Perhitungan...24 BAB III PENDEKATAN STRUKTURAL DAN FUNGSIONAL 3.1. Konstruksi Alat Penukar Kalor Bagian-Bagian Alat Penukar Kalor Shell (Cangkang) Ruang Bebas pada Shell Aliran Fluida dalam Shell Penurunan Tekanan Sisi Shell Tube (Pipa) Diameter Tube Tipe Susunan Tube Panjang Tube Kekuatan Tube Penurunan Tekanan Sisi Tube Tube Sheet Kekuatan Tube Sheet Baffles Jenis-Jenis Baffles Pemilihan Jenis Baffles Jarak Antar Baffles Front and Stationary Heat Rear and Head Nozzle Fouling BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Data Perhitungan Penukar Kalor AES Data pada Sisi Tube Data pada Sisi Shell Analisis Perhitungan xii

13 Selisih Temperatur dan menghitung LMTD Perhitungan pada Sisi Tube Pembahasan...64 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Saran-saran...68 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Profil kecepatan aliran laminer Gambar 2.2 Profil Kecepatan turbulen Gambar 2.3 Perpindahan panas Menyeluruh Gambar 2.4. Alat penukar Kalor 1-1 pass aliran Gambar 2.5 Alat penukar Kalor 1-2 pass aliran Gambar 2.6 Alat penukar Kalor 2-4 pass Gambar 2.7 Konstruksi Alat Penukar Kalor dan Bagiannya Gambar 3.1 Alat Penukar Kalor (APK) Tipe AES Gambar 3.2 Jenis dan Tipe dari Shell Gambar 3.3 susunan Tube Alat Penukar Kalor Gambar 3.4. Pola Aliran Fluida akibat baffles cut...30 Gambar 4.1. Sketsa dan pola aliran fluida pada APK... xiv

15 DAFTAR SIMBOL q = Laju perpindahan panas (W) K = Konduktivitas thermal (W/m. o C) dt dx σ T = Gradien suhu = Konstanta proposionalitas (Konstanta Stefans Boltzman) = Suhu (K) h = Koefesien perpindahan panas konveksi (W/m 2. o C). m = Laju aliran massa (kg/s) Cp = Spesifik kalor (kj/ K) Tb 1 Tb 2 Tw Tb Q = Temperatur rata-rata pada ujung 1 (K) = temperatur rata-rata pada ujung 2 (K) = Temperatur dinding (K) = Temperatur rata-rata energi (suhu limbak) (K) = Neraca panas (W) U = Koefisien perpindahan panas keseluruhan (W/m 2 K) A = Luas penampang perpindahan panas (m 2 ) T lm = Beda suhu rata-rata ( 0 C) T ci T co T hi T ho = Temperatur masuk air (K) = Temperatur keluar air (K) = Temperatur masuk pelumas (K) = Temperatur keluar pelumas (K) xv

16 F T Q c M c = faktor koreksi temperature = Neraca panas sisi tube (W) = Laju aliran massa air (kg/s) µ = Viskositas (Ns/m 2 ) Di D o L N t = Diameter dalam tube (m) = Diameter luar tube (m) = Panjang tube (m) = Jumlah tube U f = Koefisien perpindahan panas fouling (W/m 2 K) R f = Tahanan thermal akibat fouling (m 2 K/W) P t = Pressure drop pada tube (N/m 2 ) f 0 = Faktor pressure drop = Massa jenis fluida pada tube (kg/m 3 ) xvi

17 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Tabel A.6, Thermophysical Properties of Saturated Water Lampiran 2. Tabel A.5, Thermophysical Properties of Saturated Fluids Lampiran 3. Gambar Grafik Faktor Koreksi Temperatur Lampiran 4. Daftar Faktor Pengotoran Lampiran 5. Laporan Harian Kontrol Lantai Turbin PLTA PB. Soedirman Lampiran 6. Data Konstruksi Alat Penukar Kalor xvii