PENERAPAN PERANGKAT LUNAK KOMPUTER UNTUK PENENTUAN KINERJA PENUKAR KALOR Sugiyanto 1, Cokorda Prapti Mahandari 2, Dita Satyadarma 3. Jurusan Teknik Mesin Universitas Gunadarma Jln Margonda Raya 100 Depok. 2 coki@staff.gunadarma.ac.id. ABSTRAK Penukar kalor adalah alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida yang lain. Salah satu jenis penukar kalor yang banyak dipergunakan di industri adalah jenis tabung dan buluh (Shell and Tube). Penentuan kinerja alat penukar kalor yang melibatkan banyak perhitungan matematika telah disederhanakan dalam bentuk diagram alir oleh organisasi pembuat penukar kalor yakni Turbular Exchanger Manufactures Association (TEMA). Dengan berpedoman pada diagram alir dari TEMA telah dibuat program penentuan kinerja penukar kalor dengan perangkat lunak Visual Basic dengan tampilan paramater yang terpadu pada satu layar. Program diuji dengan memberikan data masukan sesuai kondisi di industri. Data masukan yang dipergunakan adalah data fluida dan data spesifikasi penukar kalor yang diperoleh dari PT Migas Cepu. Fluida di dalam tabung adalah solar dan fluida didalam buluh adalah minyak mentah (crude oil). Parameter kinerja penukar kalor tabung dan buluh yang ditentukan antara lain neraca panas, rasio viskositas dan dinding buluh, Log Mean Temperature Difference (LMTD) dan temperatur kalorik, heat transfer dan faktor pengotor, Bilangan Reynold, penurunan tekanan, Bilangan Prandtl dan koefesien perpindahan panas, dan unjuk kerja alat penukar kalor. Analisis kinerja penukar kalor milik PT Migas Cepu menghasilkan penurunan tekanan pada sisi tabung 16,26 psi dan pada sisi buluh 7,66 psi. Faktor pengotor penukar kalor diperoleh 0,101 dan unjuk kerja penukar kalor adalah 63,48 %.. Kata Kunci: penukar kalor, Visual Basic, perangkat lunak. 1. PENDAHULUAN Perkembangan perangkat lunak komputer mengalami kemajuan yang jauh lebih cepat jika dibandingkan dengan penerapannya dibidang rekayasa teknik. Demikian pula penguasaan penerapan perangkat lunak di bidang akademis sangat jauh tertinggal dibandingkan penerapan perangkat lunak di industri. Untuk meningkatkan penguasaan dibidang ini maka dilakukan penerapan perangkat lunak terhadap analisis kinerja penukar kalor dengan perangkat lunak yang tersedia. Penukar kalor yang dianalisis kinerjanya adalah penukar kalor jenis tabung dan buluh yang telah banyak dipergunakan di industri agar diperoleh parameter kerja dan spesifikasi teknis yang sesuai dengan kondisi nyata. Untuk menyesuaikan dengan data yang diperoleh dari spesifikasi penukar kalornya maka satuan yang dipergunakan adalah satuan British. 2. LANDASAN TEORI 2.1.Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Penukar Kalor Penelitian tentang alat penukar kalor telah banyak dilakukan. Salah satunya adalah pengaruh kecepatan aliran terhadap efektivitas penukar kalor seperti ditampilkan pada gambar 1. Efektivitas alat penukar kalor tipe tabung dan buluh lebih tinggi saat udara panas mengalir di sisi buluh (kecepatan aliran tinggi) dan udara dingin mengalir di sisi tabung (kecepatan aliran Penerapan Perangkat Lunak Komputer 1
rendah).efektivitas alat penukar kalor tipe tabung dan buluh meningkat jika fluida, baik di sisi tabung maupun di sisi buluh, mengalir dengan kecepatan lebih tinggi hingga suatu harga maksimum dan kemudian akan menurun meskipun kecepatan fluida meningkat terus.efektivitas alat penukar kalor tipe tabung dan buluh lebih tinggi jika udara panas mengalir di buluh dan udara dingin mengalir di tabung.[3]. Efektivitas 0,8 0,6 0,4 0,2 0 5 8 10 13 15 Kecepatan Udara di Tube (m/s) Gambar 1. Grafik Efektivitas Fungsi Kecepatan Udara Di Buluh [3] 2. 2. Pengaruh Penggunaan Baffle Udara Panas di Shell Udara Panas di Tube Baffle dipasang untuk meningkatkan laju kalor perpindahan panas dan untuk menyangga buluh yang ada di dalam tabung. Perpindahan panas yang lebih baik sangat diharapkan dalam suatu alat penukar kalor. Efektivitas meningkat seiring dengan mengecilnya jarak antar baffle hingga suatu jarak tertentu, kemudian menurun. Alat penukar kalor yang dioperasikan tanpa baffle ternyata memiliki efektivitas terendah. Semakin kecil jarak antar baffle yang dipasang membuat efektivitas meningkat namun kemudian menurun. Hal ini menunjukkan adanya nilai optimum pula untuk jarak baffle yang dipasang dalam suatu alat penukar kalor. Penggunaan atau penambahan baffle membuat kecepatan udara dingin dalam tabung meningkat karena luas penampang yang tegak lurus dengan aliran udara semakin kecil. Dengan bertambahnya kecepatan aliran, koefisien panas akan meningkat. Oleh karena itu dengan bertambahnya jumlah baffle yang dipasang, atau semakin kecil jarak antar baffle, efektivitas meningkat. Namun, dengan bertambahnya jumlah baffle membuat fraksi aliran melintang (cross flow) menurun. Perpindahan panas yang paling efektif dalam alat penukar kalor adalah pada aliran jenis melintang (cross flow). Dengan berkurangnya fraksi aliran melintang berarti perpindahan panas dari udara panas ke udara dingin menjadi berkurang. Jadi, jarak antar baffle yang lebih kecil menaikkan koefisien perpindahan panas namun mengurangi fraksi aliran melintang. Fenomena ini membuat adanya harga optimum dari efektivitas pada jarak antar baffle tertentu. Parameter lain yang penting yang terpengaruh dengan dipasangnya baffle adalah penurunan tekanan aliran di sisi tabung[4]. Penelitian tentang alat penukar kalor pernah dilakukan oleh Wahyu Setio Nugroho yaitu analisis fouling factor pada alat penukar kalor jenis tabung dan buluh di Pembangkit Listrik Tenaga Uap Sektor Muara Karang dengan menggunakan program Visual Basic 5.0. [12] Parameter yang dihitung adalah neraca energi, selisih temperatur sebenarnya, temperatur kalori, luas aliran, kecepatan aliran, bilangan Reynold, faktor JH, panas spesifik, koefisien perpindahan panas, koefisien perpindahan panas bersih keseluruhan, koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk permukaan desain, faktor pengotoran dan penurunan tekanan. 3. METODE PENELITIAN Kajian pustaka tentang berbagai penelitian alat penukar kalor dilakukan sebelum pengambilan data spesifikasi dan data parameter kerja alat penukar kalor yang diperoleh dari PT MIGAS Cepu Jawa Tengah. Diagram alir perancangan alat penukar kalor dari TEMA dijadikan bahan acuan untuk membuat diagram alir analisa kinerja penukar kalor. Dari diagram alir tersebut dibuatlah program Visual Basic dengan rancangan tampilan parameter-parameter kinerja penukar 2 Penerapan Perangkat Lunak Komputer
kalor yang terpadu pada satu layar. Untuk menyesuaikan dengan data yang diperoleh dari spesifikasi penukar kalornya maka satuan yang dipergunakan adalah satuan British. 4. PEMBAHASAN 4.1.Diagram Alir Perhitungan Mulai A Perhitungan LMTD dan Temperatur Kalorik Log Mean Effective Temperature (LMTD) Temperatur Kalorik untuk solar (T c ) Temperatur Kalorik untuk crude oil (t c ) Data masukan parameter kerja dan spesifikasi teknis, T 1, T 2, t 1, t 2, SG, V, t, ID s, Pt-OD s, B, P t, De, μ s, cp s, k s, N t, a t, n, ID t, μ t, cp t, k t, JH s, JH t, Tw, μws, μwt, q t, L, a, ΔT LMTD, f, G s, N, ø s, G t, ø t Log Mean Effective Temperatur, Temperatur Kalorik solar, Temperatur Kalorik crude oil Perhitungan Bilangan Reynold pd Tabung Perhitungan Bilangan Reynold pd Buluh Perhitungan Neraca Panas Tabung Temperatur rata-rata (Tr), Derajat API ( o API), Kapasitas solar per hari (Q solar ) Massa jenis solar (ρ solar ), Laju aliran (W s ) Panas yang dilepaskan (q s ) Perhitungan Neraca Panas Buluh Temperatur rata-rata (Tr) Derajat API ( o API) Kapasitas crude oil per hari (Q crude oil) Massa jenis crude oil (ρ crude oil) Laju aliran (W s ) Panas yang dilepaskan (q s ) Hasil Perhitungan Neraca Panas pada Tabung Hasil Perhitungan Neraca Panas pada Buluh Bilangan Reynold pada Tabung Bilangan Reynold pada Buluh Perhitungan Bilangan Prandtl pd Tabung Perhitungan Bilangan Prandtl pd Buluh Perhitungan Keofisien Perpindahan Panas Bilangan Prandtl pada Tabung Bilangan Prandtl pada Buluh Koefisien Perpindahan Panas Perhitungan Rasio Viskositas dan Koefisien Dinding Buluh A B Penerapan Perangkat Lunak Komputer 3
B Perhitungan Laju Kalor dan Faktor pengotor Laju Kalor dan Faktor pengotor Perhitungan Pressure Drop Perhitungan Effisiensi Efektif dari penukar kalor Pressure Drop dan Effisiensi Effektif Selesai Gambar 2. Diagram Alir perhitungan 4.2. Tampilan Keluaran Program Gambar 4. Hasil Perhitungan Neraca Panas Berikut ini berturut-turut akan ditampilkan layar keluaran masing-masing parameter yang dihitung diawali dengan layar pemasukan data awal pada gambar 3. Gambar 3. Tampilan Masukan Data Gambar 5. Hasil Perhitungan LMTD Dan Temperatur Kalorik 4 Penerapan Perangkat Lunak Komputer
Gambar 6. Hasil Perhitungan Bilangan Reynold. Gambar 9. Hasil Perhitungan Overall Heat Tranfer Coefficient Dan Faktor Pengotor Gambar 7. Hasil Perhitungan Bilangan Prandtl Dan Koefisien Perpindahan Panas Gambar 10. Hasil Perhitungan Pressure Drop Gambar 8. Hasil Perhitungan Rasio Viskositas Dan Koefisien Dinding Tube Gambar 11. Hasil Perhitungan Efisiensi Efektif Penukar Kalor Penerapan Perangkat Lunak Komputer 5
Tampilan hasil eksekusi tiap parameter yang langsung berhubungan dengan tampilan masukan data memungkinkan hasil perubahan nilai langsung terlihat. Jika dibandingkan dengan penelitian serupa yang dilakukan dari data penukar kalor jenis tabung dan buluh di PLTU Muara Karang maka terlihat tampilan parameter yang dihitung terpisah-pisah. Disamping itu penelitian tersebut tidak untuk menentukan besarnya efisiensi penukar kalor namun lebih dipusatkan pada penentuan faktor pengotor. 5. PENUTUP Dari hasil perhitungan dengan program ini efisiensi penukar kalor jenis tabung dan buluh yang ada di PT MIGAS Cepu adalah 63,48 % dengan pressure drop pada tabung 16,26 psi dan pada sisi buluh 7,66 psi. Sedangkan pressure drop total yang diijinkan adalah 10 psi. Hal ini berarti penukar kalor perlu dibersihkan untuk menghilangkan faktor penghambat aliran yang menyebabkan pressure drop agak tinggi. Penerapan perangkat lunak komputer terlihat sangat mempercepat perhitungan dan hasilnya dapat dijadikan bahan pertimbangan untuk langkah pemakaian dan pemeliharaan penukar kalor. Penelitian dapat dilanjutkan dengan menambahkan pilihan berbagai jenis parameter kerja maupun parameter teknis lainnya. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] Cokorda Prapti Mahandari, Simulasi Perancangan Thermohidrolik Pada Alat Penukar Panas Jenis Recuperator Extended Surface, Proceeding Seminar Ilmiah Nasional Komputer Dan Sistem Intelijen (KOMMIT), Jakarta, 2002 [2] Ekadewi A., Handoyo, Pengaruh Tebal Isolasi Termal Terhadap Efektivitas Plate Heat Exchanger, Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra, Surabaya, 2000. [3] Ekadewi A. Handoyo, Pengaruh Kecepatan Aliran Terhadap Efektivitas Shell and Tube Heat Exchanger Jurnal Teknik Mesin UniversitasKristen Petra Surabaya, Jakarta, 2000 [4] Ekadewi A., Handoyo Pengaruh Penggunaan Baffle pada Shell and Tube Heat Exchanger, Jurnal Teknik Mesin Universitas Kristen Petra Surabaya, Jakarta, 2001 [5] Frank P. Incropera, P. De Witt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley and Sons: New York, 1981 [6] Heru Prayitno, Perawatan Sistem Penukar Panas Tipe Plat EC-4 di Reaktor Kartini, Jurnal Ilmiah Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju, Yogyakarta, 2002 [7] J.P Holman, E Jasjfi, Perpindahan Kalor, Erlangga: Jakarta 1995 [8] Joko P. Witoko, Pembuatan Penukar Kalor Panas Tipe Cangkang dan Tabung SEPHIA-K, Jurnal P2TKN-BATAN, Jakarta 2002 [9] Richard C. Byrne, Standards of The Tubular Exchanger Manufactures Association, Standars of The Turbular Exchanger Manufactures Association, Inc: New York, 2000 [10] Syaiful Anam, Heat Exchanger, Condenser & Cooler, Pusdiklat Migas Cepu, 2000 [11]VincentCavaseno, Process Heat Exchange, McGraw-Hill:New York, 1979 [12]Wahyu S. Nugroho, Analisa Fouling Factor pada Heat Exchanger di Pembangkit Listrik Tenaga Uap Sektor Muara Karang dengan Menggunakan Program Visual Basic 5.0, Universitas Trisakti:Jakarta, 2001 [13]Warren M Rohsenow, Handbook Heat Transfer, McGraw-Hill:New York, 1998 6 Penerapan Perangkat Lunak Komputer