ANALISA DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA PIPA UAP TEMPERATUR PERMUKAAN KONSTAN Rahmad Hidayat*,Ir. Edi Septe S, MT.1), Ir. Burmawi, M.Si.2) Program Studi Teknik Mesin-Fakultas Teknologi Industri-Universitas Bung Hatta Jl. Gajah Mada No.19 Olo Nanggalo Padang 25143 Telp. 0751-7054257 Fax. 0751-7051341 Email :
[email protected] [email protected] [email protected] ABSTRAK Pipa uap temperatur merupakan pipa yang digunakan dalam sebuah ruangan ketel uap,. Tujuan dari penelitian ini untuk menganalisa distribusi temperatur pada pipa uap. Hasil analisa yang dilakukan diperoleh Pada tahap A perpindahan panas terjadi secara konveksi dengan temperatur alirnya sebesar 494,01 0C. Pada tahap B perpindahan panas terjadi secara konduksi dengan temperatur alirnya sebesar 485,720C. Pada tahap C perpindahan panas terjadi secara konveksi dengan temperatur alirnya sebesar 485,71 0C. Setelah didapat hasi perhitungan pada air yang mengalir atau tahap c sebesar 485,71 0C. Hasil pada tahap ini lebih besar dibandingkan Temperatur uap yang keluar dari pipa dengan Temperatur uap sebesar 400 0C. Maka pada kasus seperti ini terjadi kerugian panas pada pipa sebesar 18,5850C. Jadi panas yang diberikan pada permukaan pipa bagian luar tidak sama temperaturnya dengan temperatur pada pipa bagian dalam. Ini dibuktikan dengan semakin menurun nya temperatur yang dialirkan akibat terhambat penampang atau ketebalan pipa sehingga temperatur panas yang mengalir menuju air yang berada di dalam pipa lebih rendah dibandingkan dengan temperatur yang diberikan pada permukaan pipa bagian luar. Kata Kunci : Pipa Uap. Distribusi Temperatur, Temperatur Permukaan Konstan.
I.
yang dipasang pada poros sehingga
PENDAHULUAN Kemajuan
teknologi
pada
turbin berputar..
zaman sekarang semakin maju dari
Dari data pengamatan PLTU
tahun-tahun sebelumnya. Kemajuan
Sawah Lunto Sijunjung, kegagalan
tersebut diiringi dengan semakin
ketel uap yang paling sering terjadi
tingginya
manusia
adalah akibat kebocoran pada pipa
Untuk
air di dalam ruang ketel . Hal ini
memenuhi kebutuhan energi listrik
dikarenakan penipisan pada pipa
semua orang berpikir menciptakan
yang terjadi karena pipa tersebut
dan
mengalami korosi yang menyerang
kebutuhan
terhadap
energi
listrik.
menyempurnakan
teknologi
yang dapat menghasilkan energi
permukaan pipa, sehingga
listrik. Untuk memenuhi kebutuhan
mengakibatkan terjadinya kebocoran
masyarakat terhadap energi listrik,
pada pipa tersebut. Apabila pipa
maka diciptakanlah alat pembangkit
tersebut
listrik tenaga uap (PLTU). Setiap
otomatis uap yang ada pada pipa
pembangkit
akan berkurang dan temperatur uap
memiliki
kapasitas
mengalami
kebocoran,
listrik 100 MW. Adakalanya PLTU
untuk
menggunakan kombinasi beberapa macam
mengalami
bahan bakar. Konversi energi tingkat
dapat menimbulkan penurunan daya
pertama
pada
yang
berlansung
dalam
memutar
dapat
turbin
penurunan.
sistem
PLTU.
pun
Sehingga
Untuk
PLTU adalah konversi energi primer
menganalisa kegagalan pipa secara
menjadi energi panas (kalor). Hal ini
akurat ,diperlukan hasil temperatur
dilakukan dalam ruang bakar dari
dengan
ketel uap PLTU.
teoritis perpindahan panas pada pipa
Turbin memutar
digunakan
generator
cara
melakukan
analisa
untuk
air tersebut, dengan tujuan untuk
dengan
cara
mendapatkan hasil temperatur yang
yang
lebih baik, sekaligus untuk menjaga
menjadi
temperatur dan efisiensi uap pada
mengubah
energi
panas
terkandung
dalam
uap
energi mekanik. Uap dengan tekanan dan temperatur tinggi
diarahkan
untuk mendorong sudu-sudu turbin
pipa air tersebut.
II.
TINJAUN PUSTAKA
Konduksi Kalor dinyatakan dengan :
Pipa adalah istilah untuk benda
Hukum Fourrier.
slinder
yang
berlubang
dan
digunakan untuk memindahkan zat hasil pemprosesan seperti cairan, gas, uap,
zat
padat
yang
dicairkan
maupun serbuk halus. Material yang digunakan
sebagai
pipa
sangat
Dimana :
T1 > T2
banyak diantaranya adalah: beton cor, gelas, timbal, kuningan (brass), tembaga, plastik, alumanium, besi
= Laju perpindahan panas konduksi, (W).(J)
tuang, baja karbon, dan baja paduan. = Konduktifitas termal bahan,
Perpindahan panas (head transfer) didefinisikan sebagai perpindahan panas dari suatu medium ke medium lainya
sebagai
temperatur
(
akibat adanya
beda gradien
temperatur) antara medium-medium tersebut.
Perpindahan
panas
berlansung dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah dalam suatu medium atau melalui media.
Mekanisme
Panas.
Pertama,
Perpindahan Konduksi
Perpindahan panas konduksi adalah suatu proses dimana panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah didalam suatu medium (padat) atau antara medium bersinggungan secara lansung.
A
= Luas penampang dimana
panas mengalir, (m2) L
= Panjang benda,m.
T1
= Temperatur
T2
= Temperatur pada titik 2, 0C
dt/dx
pada titik 1, 0C
= Perbedaan temperatur t
terhadap jarak dalam arah aliran panas x. Kedua, Konveksi adalah perpindahan kalor dari suatu bagian fluida kebagian lain fluida oleh pergerakan
fluida
itu
sendiri.
Konveksi terjadi diakibatkan adanya ekspansi
termal
dan
konduksi.
Konveksi
sendiri
artinya
adalah
fluida yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. sedangkan ekspansi
termal adalah sifat dari suatu fluida
hukum
yang bertemperatur tinggi, dimana
permukaan hitam (black surfaces):
partikel-partikel
fluida
Stefan
Bolzman,
pada
tersebut
volumenya meluas/membesar akibat panas. Fluks panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan =
fluida sekitarnya yang diusulkan oleh Ilmuwan Inggris Isaac Newton 1701,
Dimana:
yang terjadi, Watt.
dapat dihitung dengan hubungan:
bolzman, Dimana : panas
= Besar perpindahan
konveksi,
Watt.
=
Temperatur permukaan, 0C = Temperatur fluida.0 C Koefisien
perpindahan
koefisien,
A=
= Besar radiasi
5,67
x
= Konstanta 10-8
W/m2K4
A = Luas permukaan yang terkena radiasi , m2. T2 = Temperatur mutlak pada permukaan ,0K.
= panas Luas
penampang permukaan benda,m2
III.
TERMINOLOGI
DAN
PROSES KERJA KETEL UAP 3.1 Terminologi
Ketiga, Radiasi merupakan Berlainan konduksi
dengan dan
mekanisme
konveksi
dimana
perpindahan energi terjadi melalui bahan
antar,
berpindah
kalor
melalui
juga
dapat
daerah-daerah
hampa. Mekanismenya adalah radiasi elektromaknetik. Jumlah energi yang meninggalkan
suatu
permukaan
3.2 Proses Kerja Ketel Uap Air masuk ketel melewati
sebagai panas radiasi tergantung pada temperatur mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiasi yang dipancarkan ke permukaan menurut
pipa pengatur turun (down corner) setelah mengalami pemanasan awal tekanan rendah sehingga suhu awal air
berubah
menjadi
250
0
C
kemudian
kembali
mengalami
stroke
yang
diakibatkan
pemanasan tekan tinggi sehingga
mengembunnya uap sebelum pada
terjadi peningkatan suhu menjadi
waktunya
3500C. kemudian air tersebut masuk
vakum
melalui boiler drum , barulah air
semestinya pada daerah ekspansi.
tersebut mengisi pipa evapurator.
Superheater terdiri atas 3 tingkat
Pipa
ini
mengalami
pemanasan diruang bakar dengan suhu
ruangan
5000C
dengan
sehingga di
menimbulkan
tempat
yang
tidak
yaitu Superheater I, Superheater IB dan
Superheater
II,
kontrol
temperatur menggunakan feed water
kapasitas air nya sebesar 9,34 kubik
spraying(Attamperator).
dan air akan mendidih lalu menuju
Attemperator I diletakkan diantara
drum ketel dengan suhu 400
0
C
Superheater I dan Superheater IB,
berupa uap jenuh. Uap jenuh yang
Attemperator II diletakkan diantara
dihasilkan disini adalah uap basah
Superheater IB dan Superheater II.
dimana uap tersebut masih terdapat
setelah mengalami pemanasan lanjut,
air. oleh separator dilakukan proses
maka
pemisahan antara uap dan air. Air
temperaturnya naik menjadi 515 0C
yang
uap
tersisa
akan
disirkulasikan
uap
kering.
basah
Uap
kering
yang
sebesar
400
kembali ke pipa evapurator untuk
dihasilkan
dipanaskan kembali dimana suhu air
ton/jam. Kemudian uap tersebutlah
tersebut sebesar 3500C. Selanjutnya
yang
uap jenuh tersebut akan dialirkan ke
turbin yang memiliki kapasitas daya
superheater
sebesar 100 Mega Watt.
untuk
dipanaskan
kembali. Uap yang dipanaskan lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan ekspansi di dalam turbin tidak akan segera mengembun, sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan terjadinya pukulan balik atau back
tersebut
tersebut
digunakan
untuk
memutar
IV.
ANALISA
DATA
DAN
PEMBAHASAN 4.1 Titik Lokasi
Tahap 2 : Perpindahan panas dari dinding pipa luar ke dinding pipa bagian
dalam
berlasung
secara
konduksi. Tahap 3 : Perpindahan panas dari dinding pipa bagian dalam ke air yang mengalir berlansung secara konveksi.
4.2 Analisa Perpindahan Panas Pada Pipa Air Pada
pipa
evaporator
ini
analisa perpindahan panas terjadi pada beberapa titik. 4.1.1 Data Dari data yang diperoleh berdasarkan survei yang di dilakukan pada PLTU Sawah Lunto Sijunjung, maka diperoleh data sebagai berikut.
Tabel 3.4 Data Hasil Peneitian
Jadi proses perpindahan panas pada pipa air berlansung tiga tahap yaitu: Tahap 1 : Perpindahan panas dari lingkungan ke dinding pipa bagian luar berlansung secara konveksi.
A. Perpindahan panas
terjadi dari
lingkungan ke dinding pipa bagian luar
.
Perpindahan
panas
ini
berlansung secara konveksi. q = h . A (T1 . T 2) h = Koefisien perpindahan panas cairan = 10 Watt / m2 0C A = Luas permukaan perpindahan panas = 1.629.658,116 m2 A=2πrL r = Jari-jari luar pipa =48,47 mm L = Panjang pipa = 5.310 m A = 2 x 3.14 x 48,87 x 5.310 = 1.629.658,116 m2 T1 = Temperatur lingkungan = 5000C
q = Energi panas yang diberikan
qr = - K . Ar .
6
= 97,58 x 10 W
dimana :
q = m x nk
Ar = Luas bidang aliran kalor,
m = Massa batu bara, kg/jam
m2
nk = Nilai kalor batu bara
Ar = 2.π.r.l
q=14.000 kg/jam x 6.000
qr = - 2.π .K.r.L.
kkal/jam
dimana :
=84,10 x106 kkal/jam
T = T2 pada r = r2
q=
T = T3 pada r = r3 q = 97,58x106 joule/detik
jadi
:
6
q = 97,58x10 w T 2 = Temperatur permukaan pipa bagian luar ??
Dimana :
q = h . A (T1 - T 2) 6
97,58x10
q
W = 10 W/m
2
o
C x
1629658,116 x (5000C - T2 )
= Energi panas yang diberikan = 97,58x106 W
K = Konduktifitas thermal bahan pipa,
baja
karbon
=
60
W/m0C L = Panjang pipa = 5.310 m2 T2 = Temperatur permukaan luar 0
5,99 C =
pipa = 494,01 0C 0
0
T2 = 500 C - 5,99 C
T3 = Temperatur permukaan dalam
0
T2 = 494,01 C
pipa ???
B. Perpindahan panas terjadi dari dinding pipa bagian luar ke dinding
r3 = Jari jari luar pipa = 48,87 mm r2 = Jari jari dalam pipa = 41,25 mm
pipa bagian dalam. Perpindahan panas ini berlasung secara konduksi. Perpindahan panas konduksi pada
sistem
slinder
ditentukan
berdasarkan hukum Fourier, dengan persamaan:
q [ln.( r3/ r2)] = 2π.K.L.(T2- T3)
0,01 0C = 485,72 oC - T4 T4 = 485,72 0C - 0,01 0C T4 = 485,71 0C Jadi temperatur uap pada tahap 1 ini adalah T4 = 485,71 0C Setelah =
o
C - 8,29 oC
T3 = 485,72 oC
kita
menemukan
temperatur pada air yang mengair sebesar 485,71 0C, padahal uap yang keluar dari pipa pemanasan ini
C. : Perpindahan panas dari dinding pipa bagian dalam ke air yang mengalir. Perpindahan panas ini berlansung secara konveksi
sebesar 400 0C. Maka harus dicari kelebihan temperatur ny. T uap air = T4 - T uap air = 485,710C - 400 0C
q = h . A (T3 . T 4) h
= 85.71 0C
= Koefisien perpindahan panas
Maka kelebihan temperatur
cairan = 5.000Watt / m2 0C A = Luas permukaan perpindahan panas = 1.629.658,116 m2 T3 = Temperatur permukaan pipa dalam = 485,72 oC T4 = Temperatur uap pada tahap 1 = o
???? C q = Energi panas yang diberikan
nya sebesar 85.710C Tabel 3.5 Suhu vs Titik pengujian
1
Titik pengujian 1
Temperatur 0 C 494,010C
2
2
485,72 0C
3
3
485,71 0C
N0
= 97,58 x 106 W q = h . A (TL - T 1) 97,58x106 W =
5.000 W/m2 oC x
1.629.658,116 x (485,72 oC - T4 ) Gravik Temperatur 0 C VS Tahap Pengujian
500,00
450,00
494,01
485,72485,71
3. Pada tahap C perpindahan panas konveksi
dengan
temperatur
alirnya sebesar : 485,71 0C Maka disini teradi kerugian temperatur
pada
pipa
sebesar
85.710C. Jadi pada grafik ini terjadi
Jadi
dapat
disimpulkan
tiga tahap pengujian. Hasil analisa
bahwa panas yang diberikan pada
yang dilakukan diperoleh Pada tahap
permukaan pipa bagian luar tidak
A perpindahan panas terjadi secara
sama
konveksi dengan temperatur alirnya
temperatur pada pipa bagian dalam.
sebesar 494,01
0
temperaturnya
dengan
C. Pada tahap B
perpindahan panas terjadi secara
5.2 Saran
konduksi dengan temperatur alirnya
Setelah melakukan penelitian
sebesar 485,720C. Pada tahap C
dan
perpindahan panas terjadi secara
terhadap
konveksi dengan temperatur alirnya
yang dilakukan di PLTU Sawah
sebesar 485,71 0C.
Lunto
analisa
perpindahan
pipa air pada
Sijunjung
menyarankan
,
kepada
panas
ketel uap
penulis pimpinan
V. KESIMPULAN DAN SARAN
PLTU Sawah Lunto Sijunjung agar
5.1 Kesimpulan
melakukan analisa teoritis secara
Berdasarkan hasil penelitian diatas
maka
penulis
dapat
menyimpulkan:
berkala
supaya
tidak
penurunan daya pada sistem PTU Sawah Lunto Sijunjung.
1. Pada tahap A perpindahan panas konveksi
dengan
temperatur
alirnya sebesar : 494,01 0C 2. Pada tahap B perpindahan panas konduksi
dengan
temperatur 0
alirnya sebesar : 485,72 C
terjadi
DAFTAR PUSTAKA
Alstom. 1998. Boiler Design
T. John Finnemore, Joseph B.
Manual. Ombilin: Ombilin
Franzini. 2002. Fuid
Press.
Meechanics With
J.P.Holman.1991. Perpindahan Kalor. Jakarta 10430: Erlangga Press. Raswari. 1987. Perencanaan dan Pengambaran Sistem Perpipaan. Jakarta: Universita Indonesia. (UIPress). Suryadimal. 2009. Perpindahan Panas 1. Padang: Bung Hatta University Press. Zemansky Mark dan W. Richerd H. Dittman. 1986. Kalor dan Termodinamika Terbitan Keenam. Bandung: ITB.Press. Jansen Michael K. dan Debor A. Kaminskin. 2005. Introduction to Thermal and Fluid Enginering.New York : John Wiley & Sons, Inc. Bruce R. Munson dan Donald I. 2001. Mekanika Fluida. Jakarta. Erangga. Tutuka Ariadji. 2000. Fuida Reserfoir + Praktikum. Bandung. ITB.
