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