ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SEBAGAI PEMANAS MARINE FUEL OIL ( MFO ) UNTUK BAHAN BAKAR BOILER PLTU UNIT 4 DI PT. PLN (PERSERO) SEKTOR PEMBANGKITAN BELAWAN SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik SUHERI SUSANTO NIM. 100421036 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas segala karunia dan rahmatnya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Skripsi ini. Skripsi ini berjudul " ANALISIS ALAT PENUKAR KALOR SHELL AND TUBE SEBAGAI PEMANAS MARINE FUEL OIL (MFO) UNTUK BAHAN BAKAR BOILER PLTU UNIT 4 " dimaksudkan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik,. Sesuai dengan judulnya, dalam laporan ini akan dibahas mengenai analisa kesetimbangan energi dan LMTD, analisa koefisien perpindahan panas, pressure drop shell and tube, faktor pengotoran, dan efektivitas alat penukar kalor. Dalam penyusunan laporan skripsi, penulis telah banyak mendapat dukungan dari berbagai pihak, baik materil, spiritual, informasi dan administrasi, maka pada kesempatan ini penulis menyampaikan penghargaan dan ucapan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku dosen penguji dan Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA., selaku dosen pembimbing yang telah banyak membantu dengan memberikan bimbingan, pengarahan dalam penyusunan laporan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc., selaku dosen penguji yang telah banyak memberikan saran dan kritik yang membangun bagi penulis. 4. Bapak dan Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
5. Teristimewa kepada Ayahanda tercinta Alm. P. Nainggolan dan Ibunda tercinta Siti Akes Simamora yang telah memberikan doa, motivasi, dukungan moril maupun materil kepada penulis. 6. Kakak dan Abang tercinta Jurida Nainggolan, Mariana Nainggolan, Minar Nainggolan, dan Charles Nainggolan yang memberi motivasi, dan semangat. 7. Kekasih tercinta Elly Oktaviani Sembiring dan keluarga yang telah memberi semangat. 8. Bapak Katrisnan, Bapak Suhartono, Bapak Antonius Indra, Bapak Juni perangin angin, Bapak Simbolon dan seluruh rekan kerja di Pemeliharaan Boiler dan Alat Bantu di PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan. 9. Bapak Sumihar Manik Staff Labor PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan. 10. Rekan Rekan Kerja Operator Regu C PLTU Unit 1.2 dan Unit 3.4 11. Seluruh Teman teman teknik mesin angkatan 2010 terkhusus buat Tyson Manurung, Zakaria Bernando, Ricardo Nainggolan, Cakra Messa Abadi, Alexander Sebayang angkatan 2011. Dalam penyusunan laporan skripsi ini penulis menyadari adanya kekurangan kekurangan dan kesilapan yang mungkin terjadi pada laporan skripsi ini. Untuk itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari berbagai pihak untuk menyempurnakan laporan skripsi ini. Semoga laporan skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak yang membaca. Medan, Oktober 2013 Hormat saya, Suheri Susanto
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... vi DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR NOTASI... viii ABSTRAK... xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Batasan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penulisan... 3 1.4 Sistematika Pembahasan... 3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Prinsip Dan Teori Dasar Perpindahan Panas... 4 2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor... 4 2.3 Pembagian Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Berdasarkan TEMA... 7 2.4 Komponen Komponen Alat Penukar Kalor... 9 2.5 Log Mean Temperature Difference... 15 2.6 Faktor Pengotoran... 19
2.7 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan pada Shell... 20 2.8 Koefisien Perpindahan Panas dan Penurunan Tekanan Pada Tube... 23 2.9 Metode NTU Efektifitas... 26 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tinjauan Plant... 28 3.2 Metode Pengumpulan Data... 30 3.3 Flow Chart... 31 3.4 Data Peralatan Dan Dimensi Alat Penukar Kalor... 32 BAB IV ANALISA DATA dan PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan Data Design... 33 4.2 Perhitungan Data Aktual... 52 4.3 Pemeliharaan Alat Penukar Kalor... 70 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 76 5.2 Saran... 77 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN - LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Data Spesifikasi Dimensi Steam Heated Oil Heater... 32 Tabel 3.2 Data Spesifikasi Steam Heated Oil Heater PLTU unit 4 32 Tabel 3.3 Data Aktual Steam Heated Oil Heater Saat Operasi... 32 Tabel 4.1 Beda Temperature Fluida... 36 Tabel 4.2 Sifat Fisik Fluida... 44 Tabel 4.3 Beda Temperature Fluida Kondisi Aktual... 55 Tabel 4.4 Sifat Fisik Fluida Kondisi Data Aktual... 62
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Alat Penukar kalor Tipe AES... 8 Gambar 2.2 Alat Penukar Kalor Tipe BEM... 8 Gambar 2.3 Alat Penukar Kalor Tipe AKT... 8 Gambar 2.4 Alat Penukar Kalor Tipe CEU... 9 Gambar 2.5 Rancangan Alat Penukar Kalor Shell and Tube... 10 Gambar 2.6 Tipe Susunan Tube Alat Penukar Kalor... 11 Gambar 2.7 Sekat Pelat Bentuk Segmen... 13 Gambar 2.8 Sekat Batang (Rod Baffle)... 13 Gambar 2.9 Sekat Longitudinal (Longitudinal Baffle)... 14 Gambar 2.10 Sekat Impingement... 14 Gambar 2.11 APK Aliran Sejajar... 16 Gambar 2.12 APK Aliran Berlawanan Arah... 16 Gambar 2.13 Faktor Koreksi Aliran Silang, Kedua Fluida tak Campur... 18 Gambar 2.14 Faktor Koreksi Aliran Silang, Salah Satu Fluida Bercampur 18 Gambar 3.1 Tipe Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4 Sektor Belawan... 29 Gambar 3.2 Skema Instalasi Alat Penukar Kalor PLTU Unit 4... 29 Gambar 3.3 Tube Bundle Alat Penukar Kalor... 30 Gambar 3.4 Diagram alir proses penelitian alat penukar kalor... 31 Gambar 4.1 Profil Temperature Pada Alat Penukar Kalor... 36 Gambar 4.2 Pelepasan Panas Selama Proses Perubahan Fasa... 51 Gambar 4.3 Profil Temperature Alat Penukar Kalor Kondisi Actual... 54 Gambar 4.4 Pelepasan Panas Selama Proses Perubahan Fasa... 69
DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan APK ASH Alat Penukar Kalor Auxilarry Steam Header A Luas Penampang m 2 a s Luas laluan aliran shell m 2 a t Luas laluan aliran tube m 2 a t Luas Laluan aliran tube m 2 B Jarak antar baffle m BWG Birmingham Wire gage C Clearance m C h Kapasitas minimum fluida panas kw/ C C c Kapasitas minimum fluida panas kw/ C d o Diameter outlet tube m d in Diameter inlet tube m D s Diameter shell m D e Diameter ekuivalen shell m F c FOH G s Faktor koreksi Fuel Oil Heater kecepatan aliran massa pada shell G t kecepatan aliran massa pada tube h fg Entalpi Steam kj/kg Koefisien perpindahan panas konveksi shell Koefisien perpindahan panas konveksi dinding tube
Koefisien perpindahan panas konveksi koreksi shell Koefisien perpindahan panas konveksi koreksi tube ID Diameter inlet shell m JH k LMTD MFO Faktor perpindahan Panas Konduktivitas thermal Log Mean Temperature Difference Marine Fuel Oil Laju aliran massa residu Laju aliran massa uap N B N p N t P P r Jumlah baffle Jumlah pass/laluan Jumlah tube Efektivitas temperatur Prandtl number P t Pitch m Q s Kalor steam kw Q res Kalor residu kw R R es R et R d Rasio kapasitas panas Reynold number pada shell Reynold number pada tube Faktor pengotoran TEMA Turbular Exchanger Manufactures Association t c Temperatur koreksi Steam C t in Temperatur inlet C t out Temperatur outlet C
t w Temperatur dinding C T c Temperatur koreksi residu C T ci Temperatur masuk fluida dingin C T co Temperatur keluar fluida dingin C T hi Temperatur masuk fluida panas C T ho Temperatur keluar fluida panas C T r Temperatur rata rata C U c koefisien perpindahan panas permukaan yang bersih U d koefisien perpindahan panas menyeluruh P s Pressure drop Shell Bar P t Pressure drop tube Bar P r Pressure drop tube tambahan / ekspansi Bar PT Pressure drop tube total Bar t c selisih temperatur rendah C t h selisih temperatur tinggi C T m Beda temperatur rata rata C φ s φ t rasio viskositas residual oil (fluida dalam shell) rasio viskositas steam (fluida dalam tube) µ Viskositas fluida mpa.s ε Efektivitas APK %
ABSTRAK Alat penukar kalor merupakan alat yang memindahkan energi panas dari suatu fluida ke fluida lain yang memiliki beda temperature. PLTU unit 4 Belawan memiliki 2 unit alat penukar kalor pemanas Marine Fuel Oil untuk bahan bakar boiler. Alat penukar kalor sudah beroperasi sejak 1988 sampai sekarang. Oleh karena itu perlu diketahui bagaimana performansi alat penukar kalor tersebut. Metode yang digunakan dalam penelitian performansi alat penukar kalor ini adalah analisa perhitungan nilai efektivitas, pressure drop, dan besarnya faktor pengotoran alat penukar kalor, dengan membandingkan kondisi desain dan kondisi aktual. Dari hasil perhitungan yang dilakukan pada kondisi aktual dengan kondisi desain diperoleh efektivitas lebih kecil, dimana efektivitas kondisi aktual 66% dan efektivitas kondisi desain 67%. Dan penurunan tekanan (pressure drop) pada sisi shell, berdasarkan hasil perhitungan dengan kondisi desain diperoleh bahwa P s lebih kecil dari batas yang diijinkan dimana P s hasil perhitungan 1,177 Bar dan P s pabrikan / yang diijinkan 1,7 Bar, dan untuk faktor pengotoran bahwa kondisi aktual dibandingkan dengan kondisi desain diperoleh lebih besar, dimana faktor pengotoran kondisi aktual dan faktor pengotoran kondisi desain. Maka dapat disimpulkan APK ini masih layak untuk digunakan dan salah satu penyebab turunnya efektifitas APK adalah faktor pengotoran. Kata Kunci : Efektivitas, Pressure Drop, Performansi, APK
ABSTRACT Heat exchanger is a device that transfers thermal energy from one fluid to another fluid that has a different temperature. Belawan power plant unit 4 has 2 heat exchanger unit heaters Marine Fuel Oil for boiler fuel. Heat exchanger has been in operation since 1988 until now. Therefore it is necessary to know how the performance of the heat exchanger. The method used in the research of heat exchanger performance analysis of this is the calculation of effectiveness, pressure drop, and the amount of heat exchanger fouling factor, by comparing the condition of the design and actual conditions. From the results of calculations performed on the actual condition of the effectiveness of the design conditions obtained are smaller, where the effectiveness of the actual condition of 66 % and 67 % effectiveness of the design conditions. And a decrease in pressure (pressure drop) on the shell side, based on calculations derived design conditions that ΔPs smaller than the allowable limit in which the calculation of 1.177 ΔPs Bar and ΔPs manufacturer / allowable 1.7 Bar and for fouling factor that the actual conditions than the design conditions is greater, where the actual condition fouling factor fouling factor design conditions and. It can be concluded APK is still feasible to use and one of the causes of decline in the effectiveness of APK is fouling factor. Keywords : Effectiveness, Pressure Drop, Performance, APK