dennis adriansyah r-skripsi-fakultas teknik-naskah ringkas ...

Universitas Indonesia 1

STUDI PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR DENGAN PEMANFAATAN GAS

PANAS HASIL PEMBAKARAN DI FLUIDIZED BED COMBUSTOR (FBC)

Dr. Ir. Adi Surjosatyo, M. Eng.; Dennis Adriansyah Ramadhan

Departemen Teknik Mesin,

Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

A r t i k e l

I n f o

A B S T R A K

Januari 2013 Fluidized Bed Combustor merupakan teknologi

pembakaran untuk mengkonversi sampah biomassa, salah satunya terdapat di Universitas Indonesia. Fluidized Bed Combustor Universitas Indonesia yang dikembangkan masih memiliki permasalahan pada temperature gas buang yang masih sangat tinggi yaitu 4000C -‐ 5000C, sehingga dibutuhkan alat penukar kalor agar panas yang dihasilkan bisa dipergunakan dan hasil gas buang dari fluidized bed combustor bisa dikatakan ramah lingkungan. Langkah-‐langkah yang dilakukan terdiri dari , menentukan jenis alat penukar kalor yang akan digunakan, kalkulasi temperature yang ingin didapatkan dari alat penukar kalor, dan kalkulasi dimensi dari alat penukar kalor. Dari hasil kalkulasi yang telah dilakukan alat penukar kalor ini bisa menurunkan temperature yang semula 4750C menjadi 1000C pada cerobong asap dengan menggunakan alat penukar kalor jenis Shell and Tube. Dan merubah temperature udara sekitar 270C menjadi 1200C yang dimana 1200C ini akan digunakan untuk sistem pengeringan. Dengan desain alat penukar kalor tersebut diharapkan terjadinya system yang kontinyu pada FBC UI dan system tersebut lebih ramah lingkungan dan efisien

Kata Kunci:

Fluidized Bed

Combustor, gas buang,

desain alat penukar

kalor,

Temperature tinggi,

ramah lingkungan

1 . Pendahuluan

Sekarang ini dunia selalu

menjunjung tinggi tagline ‘go green’ yang

dimana semuanya memiliki fungsi utama

untuk menjaga bumi ini. Kita semua tahu

bahwa penghasil polusi terbesar dibumi ini

adalah gas buang dari kendaraan bermotor

maupun industri-‐industri yang menggunakan

bahan bakar jenis bahan bakar fosil.

Penggunaan energi fosil yang terus tumbuh ini

tidak diimbangi dengan pertumbuhan

produksinya. Kondisi ini akan menyebabkan

krisis energi dan perlu dicari solusi untuk

mengatasinya. Cara yang paling efektif adalah

mencari energi alternatif yang bisa

menggantikan energi fosil. Banyak sekali

energi terbarukan yang sudah ditemukan dan

mulai dikembangkan oleh negara-‐negara

diseluruh dunia. Salah satunya menambah

pembangkit listrik. Pembangkit listrik perlu

diperbanyak karena di Indonesia diprediksi

Studi Perancangan..., Dennis Adriansyah R, FT UI, 2013


akan semakin banyak kebutuhan listrik tiap

tahunnya terutama di pulau Jawa. Diharapkan

pembangkit listrik yang akan dibuat nanti bisa

berbahan bakar yang sesuai dengan potensi

yang dimiliki Indonesia. Berikut adalah

gambar proyeksi permintaan energi listrik di

Indonesia.

Gambar 1.1 Proyeksi Pemintaan Energi Listrik

di Indonesia tiap 2 Tahun (Sumber :Kompas

Edisi Cetak, 20 Desember 2012 : Litbang

“Kompas”/Bim, Diolah dari Kementerian

ESDM dan PLN)

Keterangan : TWh = Terrawatt hours

Dari data yang ada kebanyakan

pembangkit listrik di Indonesia kebanyakan

menggunakan bahan bakar fosil sebagai bahan

bakar untuk menghasilkan listrik.Padahal

masih banyak potensi sumber energi lain yaitu

potensi energi non fosil di Indonesia. Energi

biomassa contohnya.Energi ini memiliki

cadangan sekitar 49810 MWe tetapi baru

dimanfaatkan sekitar 445 MWe. Nilai itu baru

sekitar 0.89 % dari total energy yang tersedia.

Untuk lebih lengkapnya tertulis pada tabel

pemanfaatan sejumlah potensi energi di

Indonesia di bawah ini yang dimuat di harian

kompas yang bersumber dari kementerian

Energi dan Sumber Daya Manusia (ESDM) dan

PT. Perusahaan Listrik Negara (PLN).

Indonesia yang juga dikategorikan

sebagai negara yang memiliki iklim tropis

yang dimana banyak memiliki hutan pasti

memiliki potensi yang sangat besar. Data yang

dikeluarkan oleh ESDM menunjukkan

Indonesia memiliki potensi energi terbarukan

yang cukup besar dan dapat diandalkan untuk

menggantikan energi fosil secara bertahap

Tabel 1.1 Potensi Energi Terbarukan

Indonesia

Energi Non

Fosil

Sumber

Daya Setara

Kapasitas

Terpasang

Tenaga Air

845

Juta

BOE

75,67 GW 4,2 GW

Panas

Bumi

219

Juta

BOE

27,00 GW 0,8 GW

Mini/Mikro

Hidro

0,45

GW 0,45 GW

0,206

GW

Biomassa 49,81

GW 49,81 GW 0,3 GW

Tenaga

Surya -‐

4,80

kWh/m2/day

0,01

GW

Tenaga

Angin

9,29

GW 9,290 GW

0,0006

GW

(Sumber: Blueprint Pengelolaan Energi

Nasional 2006-‐2025 Tanggal 10 November

2007 )

Dari data diatas terlihat jelas bahwa

indonesia sangat potensial dalam masalah hal

energi terbarukan. Dari data energi biomassa

bisa didapatkan 49,81 GW namun baru bisa

terpasang 0,3 GW. Oleh karena itu, kita harus



memnfaatkan sebaik-‐baiknya biomassa.

Energi biomassa menjadi penting bila

dibandingkan dengan energi terbarukan

karena proses konversi menjadi energi listrik

memiliki investasi yang lebih murah bila di

bandingkan dengan jenis sumber energi

terbarukan lainnya. Hal inilah yang menjadi

kelebihan biomassa dibandingkan dengan

energi lainnya. Seperti halnya dilingkungan

kampus Universitas Indonesia ini yang

wilayahnya masih banyak pepohonan rindang

yang daun-‐daunnya berguguran setiap hari.

Daun-‐daun ini bisa kita manfaatkan menjadi

energi biomassa. Departemen Teknik Mesin

Universitas Indonesia memiliki laboratorium

fluidized bed combustor.

Fluidized bed combustor (FBC)

merupakan salah satu teknologi pembakaran

yang memiliki fungsi mengkonversi berbagai

jenis bahan bakar baik sampah maupun

biomassa yang sulit untuk diproses dengan

metode lain. Teknologi ini menggunakan

konsep turbulensi pada benda padat yang

terjadi pada proses pembakaran yang

memiliki perpindahan panas dan massa yang

tinggi. Teknologi ini telah diperkenalkan sejak

abad ke-‐20, dan saat ini telah diaplikasikan

untuk mengubah biomassa menjadi energi

yang efisien. Keunggulan teknologi ini adalah

laju pembakaran yang cukup tinggi dan dapat

memproses bahan bakar yang memiliki kadar

air tinggi. Potensi FBC Universitas Indonesia

yang belum termanfaatkan membuat

penelitian mengenai teknologi FBC menjadi

menarik. Pengembangan dan penyempurnaan

alat merupakan hal yang penting dilakukan

agar potensinya bisa dimanfaatkan dengan

sebaik-‐baiknya. Fluidized Bed Combustor

(FBC) di Universitas Indonesia merupakan

unit teknologi pemanfaatan limbah yang masih

dalam pengembangan. Teknologi Fluidized

Bed Combustor (FBC) ini masih dapat

dikembangkan secara maksimal dalam

berbagai aspek. Dalam pengembangannya

terdapat masalah-‐masalah yang

membutuhkan penyelesaian demi menunjang

kinerja Fluidized Bed Combustor (FBC)

menjadi lebih baik. Salah satu masalah yang

terjadi pada periode sebelumnya (Desember

2011) adalah pressure drop yang terjadi di

furnace akibat gas sisa hasil pembakaran tidak

seluruhnya keluar melalui cerobong. Gas sisa

hasil pembakaran tersebut lebih banyak

keluar melalui feeder maupun cyclone. Hal

inilah salah satu penyebab dari kurang

optimalnya kinerja Fluidized Bed Combustor

(FBC) Universitas Indonesia ini.

Selanjutnya(Juli 2012), dibutuhkan sebuah

blower hisap (induced draft fan) sebagai

solusi dari permasalahan tersebut. Fungsi dari

blower hisap (induced draft fan) adalah

membentuk aliran udara kontinu yang

diperlukan dalam jumlah sesuai bagi

pembakaran sehingga tekanan di furnace tetap

terjaga serta menghisap dan membuang gas

sisa hasil produk pembakaran. Sekarang

(Januari 2013) dilakukan pengembangan

sistem pengeringan menggunakan panas dari

gas buang yang dihasilkan di proses

pembakaran yang dimana difungsikan agar gas

buang yang keluar ke udara sekitar tidak

terlalu tinggi temperature nya.

2 . Eksperimen

2.1 Bahan Bakar Biomassa

Ada 2 bahan bakar biomassa yang

digunakan sebagai bahan bakar pada

penelitian ini, yaitu: cangkang kelapa dan daun

kering.

Cangkang kelapa digunakan saat

proses pemanasan awal sampai terjadinya

kondisi self sustained combustion. Cangkang

kelapa yang digunakan pada Fluidized Bed



Combustor (FBC) Universitas Indonesia perlu

dihancurkan agar menjadi ukuran kecil

menggunakan mesin pencacah. Menurut

penelitian (Nanda Prima, 2011) penggunaan

tempurung kelapa ukuran 1 x 1 cm sebagai

pemanasan awal lebih baik dalam hal tingkat

kestabilan temperatur

Gambar 1 Cangkang Kelapa

Sedangkan daun kering digunakan

sebagai bahan bakar pada saat self sustained

combustion. Daun yang didapatkan dari

sekitar hutan kota kampus UI Depok

dihancurkan terlebih dahulu supaya lebih

cepat proses pengeringannya karena daun

tidak semuanya kering sehingga sebelum

digunakan perlu dikeringkan dengan cara

dijemur di panas matahari lebih dahulu. Atau

sun drying.

Gambar 2 Daun Kering

2.2 Pasir

Pasir yang digunakan sebagai

hamparan (bed) pada Fluidized Bed

Combustor (FBC) Universitas Indonesia

adalah jenis pasir silika.Pemilihan pasir sangat

penting karena sangat berpengaruh terhadap

hasil dari penelitian ini. Proses fluidisasi akan

berhasil jika pemilihan pasir ini sudah tepat.

Menurut penelitian (Azmi Muntaqo, 2011)

pasir silika dengan ukuran mesh 20-‐40

memiliki temperatur lebih tinggi pada kondisi

kerja

Tabel 1 Sifat Fisik, Termal, dan

Mekanik Pasir Sil ika

Properties Sil ica

Sand

Particle density ( kg/m3 ) 2600

Bulk density ( kg/m3 ) 1300

Thermal conductivity ( Wm-‐1K

) 1.3

Tensile strength ( MPa ) 55

Compressive strength ( MPa ) 2070

Melting point ( oC ) 1830

Modulus of elasticity ( GPa ) 70

Thermal shock resistance Excellent

Gambar 3 Pasir Silika yang Digunakan pada

FBC UI

2.3 Termokopel

Terdapat 6 buah termokopel yang

dipasang pada furnace.Dengan mengacu pada

distributor, termokopel ditempatkan dengan

konfigurasi sebagai berikut:

T1 = 31,5 cm dibawah distributor



T2 = 3,5 cm diatas distributor





Gambar.4 Skematik Fluidized Bed

Combustor

2.4 Prosedur Pengujian

Setelah semua bahan bakar siap dan

seluruh peralatan telah terhubung, Blower

tiup (Forced Draft Fan) dan blower hisap

(induced draft fan) dihidupkan.Setelah itu

burner juga dihidupkan.7-‐10 menit setelah

burner dihidupkan dan ketika temperaturnya

telah stagnan, dimulai pemasukan bahan

bakar menggunakan tempurung kelapa

sebagai pemanasan awal.

Pemasukan bahan bakar meningkat

secara perlahan dari 0,25 – 1 kg. Setelah

mencapai kondisi dimana hamparan pasir

(bed) yang telah berubah warna menjadi

merah menyala seperti lava bergolak

membara yang disebut dengan self sustained

combustion maka burner dimatikan. Setelah

itu dimulai pemasukan bahan bakar

menggunakan daun kering dengan laju

pemasukan bahan bakar tetap sebesar 0,25

kg/1/2 menit. Mulai dari burner dihidupkan

sampai dengan selesai percobaan, semua data

disimpan dengan menggunakan data

acquisition (DAQ).

3. Hasil Desain

1.1 Perhitungan Alat Penukar

Kalor

Data yang didapatkan untuk perhitungan

Fluid CO2

Ambient

Air

To,(0C) 4750 300

Ti,(0C)

1000

1200

Pressure Drop

Limit,(kPa) 12 20

Total Mass Flow,(kg/s) 0,37 dicari

SpecificHeat,

Cp(J/kg.K) 1150 1007

Thermal

Conductivity,k(W/m.K)

45,3 x

10-‐3

26,4 x

10-‐3

Dynamic

viscosity,µμ(N.s/m2)

296,5 x

10-‐7

184,6 x

10-‐7

Specific Gravity 7,8 x

10-‐4

1,2 x 10-‐

3

Prandle Number 0,7145 0,707

Density 0,78535 1,1614

Keterangan :

• Initial temperature dari

karbondioksida didapatkan dari

jurnal : Arya “Studi Kinerja Fluidized

Bed Combustor Dengan Diversifikasi

T1

T2

T3

T4

T5

T6



Bahan Bakar Cangkang Kelapa ke

Pemanfaatan Limbah Biomassa Daun

Kering di Lingkungan Kampus UI

Depok.” Skripsi, Program Sarjana

Fakultas Teknik UI, Depok, 2012.

• Initial temperature dari udara

sekitaran depok didapatkan dari data

BMKG indonesia tentang cuaca kota

depok desember 2012.

• Outlet temperature dari kedua fluida

tersebut adalah temperature yang

kita ingin dapatkan

• Total Mass Flow didapatkan dari

spesifikasi alat

• Semua konstanta yang ada didapat

dari : Incropera, F.P., Dewitt, D.P.,

Bergman, T.L., & Lavine, A.S. (2007).

Fundamentals of Heat and Mass

Transfer. Sixth Edition. John Wiley &

Sons

1. Penempatan Fluida

Kriteria untuk menempatkan fluida

Tube Side Fluid Shell

Side Fluid

Corrosive fluid fluid with

Cooling water large ΔT

Fouling factor

High pressure steam

Hotter fluid

sumber : process heat transfer

principles and application ebook

karena karbondioksida

memiliki temperature yang lebih

tinggi dibandingkan dengan udara

lingkungan, dan nilai fouling factor

sebesar 0,002 dibandingkan dengan

ambient air (0-‐0,0005) . untuk itu

saya mengasumsikan untuk

menempatkan fluida karbondioksida

dan udara pada :

fluida

penempatan

karbondioksida(CO2)

Tube Side

Ambient Air

Shell Side

2. shell and head type

Dari kedua fluida yang

berkerja di shell maupun di tube

merupakan fluida kerja yang

memiliki range fouling factor yang

cukup besar dan berpotensial untuk

terjadinya fouling. Jadi dibutuhkan

perawatan kebersihan pada kepala

dan bagian dari belakang heat

exchanger tersebut. Lalu udara

sekitar yang masuk ke shell tetap

dalam satu fasa maka design kepala

dan bagian belakang yang saya pilih

adalah

Gambar 4.1 (jenis-‐jenis heat

exchanger shell and tube)



Head stationer Tipe A : Removeable

Channel and cover

Shell type Tipe E : one phase shell

Rear head Tipe L

3. Tubing

Tube OD : 3 4 inch

Length of tube : 25 Ft

BWG : 15

Pitch of Tube : 1 inch

Tube ID : 0,606 inch

4. Tube Layout

1 inch pitch, square pitch

Gambar 4.2 (tube layout yang biasa digunakan

a.square pitch, b.rotated square pitch,

c.tringular pitch)

5. Baffles spacing

Baffles spacing ! !" = 0,3

6. Construction material

Parts Material ρ(kg/m3)

C(J/kg.K)

k(W/m.K)

Shell Carbon stell

7753 486 36

Shell Carbon stell

7753 486 36

-‐ Sizing

-‐ Energy Balance

o Q = (ṁ. Cp. ΔT)

= (0,37 kg/s . 1150 J/kg.K

. 375K)

= 159562,5 W

o ṁair = !!" .!" !"#

= !"#"$%,! !""# .!" !"#

= 1,760

kg/s

-‐ LMTD (Log Mean Difference

Temperature)

ΔTlmtd = !!"!!!" ! (!!"!!!")!" (!!"!!!"!!"!!!"

)

= !"#!!"# ! (!""!!")

!" (!"#!!"#!""!!" ) = 50,42

K

-‐ UD estimation

Dari tabel, overall heat

transfer coefficient for

turbular heat exchangers

adalah 10-‐50 BTU/h. Ft2. F.

Saya mengasumsikan 25

BTU/h. Ft2. F = 141,95

W/m2 K

-‐ Heat transfer area

A = !!".!.!!"#$

= !"#"$%,! !"!,!" . ! .(!",!" )

=

22,30 m2

-‐ Number of tube

Nt = !! .!" .!

= !!,!"!,!" . !,!"#!$ .(!,!")

= 48,92 ~ 49 tube

-‐ Number of tube pass

Re = !ṁ( !"!")

! .!" .!

= !(!,!")( !"!")

!,!" . !,!"#$ .(!"#,!!!"!!)

= 161068,92 np

Nilai Re yang kita inginkan

adalah Re > 104 , maka besar np

yang dibutuhkan = 1, Re =

161068,92. Karena nilai Re yang



kita dapatkan sudah lebih besar

dari 104 . Checking the fluid

velocity

V = ṁ( !"!")

!.! .!"!/! =

!,!"( !!")

!"#$,!" . !,!" .(!,!"#$)!/!

= 0,879 m/s

-‐ Shell size and actual tube count

Dari tabel, untuk shell and

tube heat exchangers

dengan ¾ inch tube 1 inch

pitch, with 2 passes, the

closest tube count from 93

is 90. The diameter of shell

corresponds with the tube

count is 13,25 inch

(0,33655 m)

- Required overall heat transfer

coefficient

Ureq = !!".!.!".!.!.!"!"#$

= !"!#$$

!" . !,!" . !,!"#" . !,!" . ! .(!",!")

= 264,198 W/m2.K

- Hi

Re = !ṁ !"!"!.!".!

=

!(!,!") !!"!,!" . !,!"#$ .(!,!!"!##)

= 13310,69

Hi = !!" (0,023 Re0,8 Pr1/3

( !!!)0,14

= !,!"#!,!"#$

(0,023

(13310,69)0,8 (7,1)1/3 1

= 3386,33 W/m2K

- Ho

B = 0,3 ds = 0,3

(0,33566)

= 0,1009 m

C’ = Pr – Do = 0,0254 –

0,0191

= 0,00635 m

As = !".!!.!!"

=

!,!!"# . !,!!"#$ .(!,!)!,!"#$

=

0,008495 m2

G = ṁ !" = !"

!,!!"#$%

= 2354,342

kg/m2s

De = 0,95 x 0,0254 0,02413

*from table

Re = 284,0514

Colburn factor

Jh = 0,5

(1+! !")(0,08Re0,681 + 0,7

Re0,1772)

= 0,5 (1 +

0,3)[0,08(284,0514)0,681 +

0,7 (284,0514)0,1772)

= 3,69

Ho = Jh (! !") Pr1/3

(µμ µμ!)0,14

= 3,69 (0,139 0,02413)

(793)1/3 (1)0,14

= 192,4

- Clean overall coefficient

Uc = [ !"!!.!"

+ !".!" (!" !")

!!!"#$ +

!!! ]-‐1

= [ !,!"#"!!"#,!! (!,!"#$)

+

!,!"#".!" (!,!"#" !,!"#$)

!(!",!)

+ !!"#,!

]-‐1 = 187,3317

karena Uc < Ureq, kita perlu

meninjau kembali data-‐data

yang kita peroleh dan

asumsi-‐asumsi yang kita

lakukan. Asumsi yang harus

kita rubah adalah asumsi

dari nilai UD.



# second trial

Tube size (3/4 inch, 10 DWG)

Do = 0,01905 Pt =

0,0254

Di = 0,01224 K = 14,4

L = 9,144 UD

assumption : 30 BTU/h.ft2.F = 170,34 W/m2K

- Heat transfer area & number of tube

A = !!".!.!!"#$

= !"!#$%!"#,!" . ! .(!",!")

= 63,63

m2

- Number of tube

Nt = !! .!" .!

= !",!"!,!" . !,!"#!$ .(!,!"")

= 116,32 117 tube

- Number of tube pass

Re = !ṁ( !"!")

! .!" .!

= !(!,!")( !"

!!")

!,!" . !,!"##$ .(!,!""!!"!!)

= 6439,72 np

Agar nilai Re bernilai > 10-‐

4, karena itu kita gunakan np =

2, Re = 12879,45. Checking the

fluid velocity

V = ṁ( !"!")

!.! .!"!/! =

!,!"( !!!"

)

!"#$,!" . !,!" .(!,!"#$)!/!

= 1,105 m/s

kecepatan fluida required

Fluid velocity range

0,9144 – 2,4384 (m/s)

- Shell size and actual tube count

For 3 4 inch tube square 1

inch pitch , closest count to

117 is 128 with shell

diameter of 15,25 inch

(0,38375 m).


coefficient

Ureq = !!".!.!".!.!.!"!"#$

= !"!#$$

!"# . !,!" . !,!"#!$ . !,!"" . ! .(!",!")

= 154,805 W/m2.K

- Hi

Re = !ṁ !"!"!.!".!

=

!(!,!") !!"#!,!" . !,!"##$ .(!,!!"!##)

= 11772,62

Hi = !!" (0,023 Re0,8 Pr1/3

( !!!)0,14

= !,!"#!,!"##$

(0,023

(11772,62)0,8 (7,1)1/3 1

= 3861,065 W/m2K

- Ho

B = 0,116205 m

C’ = 0,00635 m

As = !".!!.!!"

=

!,!"#!$ . !,!!"#$ .(!,!!"#$%)!,!"#$

=

0,011253 m2

G = ṁ !" = !"

!,!""#$%

= 1777,3

kg/m2s

De = 0,95 x 0,0254 =

0,02413 *from table

Re = !".!!

= !,!"#$% .(!""",!)!,!

= 214,43

- Colburn factor

Jh = 0,5

(1+! !")(0,08Re0,681 + 0,7

Re0,1772)

= 0,5 (1 +

0,3)[0,08(214,43)0,681 + 0,7

(214,43)0,1772)



= 3,202

Ho = Jh (! !") Pr1/3

(µμ µμ!)0,14

= 3,202

(0,139 0,02413) (793)1/3

(1)0,14

= 166,96 W/m2K


Uc = [ !"!!.!"

+ !".!" (!" !")

!!!"#$ +

!!! ]-‐1

= [ !,!"#!$!"#$,!"# (!,!"##$)

+

!,!"#".!" (!,!"#!$ !,!"##$)

!(!",!)

+ !!"",!"

]-‐1 = 159,2

W/m2K

Karena Uc > Ureq, perhitungan

selanjutnya bisa dilakukan

- Fouling factor

Karbondioksida, Rdi =

0,0001761 m2K/W

Udara , Rdo = 0,0007044

m2k/W

Rd = !"#.!"!" + Rdo

= !,!!!"#$" .(!,!"#!$)!,!"##$

+

0,0007044

= 0,000978415

- Design overall coefficient

UD = ( !!" + RD)-‐1 = ( !

!"#,! +

0,000978415)-‐1

= 137,73

W/mK

- Over-‐surface and over design

Over surface : ( !"!"#$

-‐ 1) x

100% = 2,8 %

Over design : ( !"!"#$

-‐ 1) x

100% = -‐11,03 %

- Tube – side pressure drop

F = 0,4137 (Re-‐0,2585)

= 0,4137 (11772,62 -‐

0,2585)

= 0,0367

G = ṁ!"!"

!.!"!/! =

!,!"( !!"#)

!,!" .(!,!"##$)!/!

= 1035,64 kg/m2s

Friction loss

ΔPf = ! !" !.!!!""".!".!.!

=

!,!"#$ ! !,!"" .(!"#$,!"#)!""". !,!"##$ .(!,!"#).!

= 28690,4

Pa

Minor losses (entrance, exit, return)

Αr = (2no – 1,5)

= (2(2) – 1,5 ) = 2,5

ΔPr = 5 x 10-‐4 .αr.G2/s

= (5 x 10-‐

4)(2,5)(1035,642)/1,034

= 1309,26 Pa

Nozzle selection

For 15,25 inch shell

diameter, nozzle used is 3 inch nozzle

(0,0762m)

Ren = !.ṁ !.!".!

=

!.(!,!") !,!" . !,!"#$ .(!,!""!!"!!)

= 121054

Gn = ṁ !.!"!/!

=

!,!" !,!" .(!,!"#$)!/!

= 1710,96 kg/m2s

Nozzle losses

ΔPn = (7,5x10-‐4)Ns.Gn2/s

= (7,5x10-‐

4)(1)(1710,96)2/1,024

= 2144,08 Pa

- Shell pressure

Since Re in shell side is

smaller tahn 1000, then



f1 = exp[0,092(ln Re)2 – 1,48 ln Re –

0,00526 ds2 + 0,0478 ds – 0,338]

= exp[0,092(ln (214))2 – 1,48 ln

(2,14) – 0,00526 (15,25)2 + 0,0478

(15,25) – 0,338]

= 0,00657

f2 = exp[0,123(ln Re)2 – 1,78 ln Re –

0,00132 ds2 + 0,0678 ds – 1,34]

= exp[0,123(ln 214)2 – 1,78 ln

(214) – 0,00132 (15,25)2 + 0,0678

(15,25) – 1,34]

= 5,94 x 10-‐5

f = 144 [ f1 – 1,25(1-‐ !!")(f1 -‐ f2)

= 144[0,00657 – 1,25(1-‐0,3)–

(0,00657-‐ 5,94 x 10-‐5)

= 0,1256

Nb + 1 = !! = !,!""

!,!!" = 78,69

De = 0,95 x 0,0254 =

0,02413

- Shell pressure drop

Δ Pf = !.!!.!"(!"!!)

!""".!".!.!

= !,!"#$ . !""",! !.(!,!!"##)(!",!")

!""". !,!"#$% .(!,!"#)

= 291755,36 Pa

- DESIGN EVALUATION

Design Parameters

Calculated

Desired

Over surface 2,8%

20% -‐ 40%

Over Design -‐11,03%

below 10%

Tube Pressure drop 32,14

kPa below 40 kPa

Shell Pressure drop 291,75

kPa below 140 kPa

Dari evaluasi diatas, dapat dilihat

bahwa Over Surface terlalu kecil dan

Over design tidak mencukupi syarat

yang ada sehingga tidak dapat

mengkompensasi fouling yang tidak

diinginkan. Sementara penurunan

tekanan pada tube diterima,

penurunan tekanan pada shell terlalu

besar. Re-‐desain harus dilakukan

dengan mengubah jumlah tabung dan

jumlah lintasan.

# third trial : final design

Pertama, required heat transfer area

sudah dihitung menggunakan the heat transfer

coefficient (UD) dari perhitungan yang

sebelumnya

Areq = !!".!.!"!"#$

= !"!#$%!"#,!" . ! .(!",!")

= 78,69 m2

Nt required = !"#$!.!".!

= !",!"!,!" . !,!"#!$ .(!,!"")

= 143,87 ~ 144 tubes

Dari perhitungan di atas, maka dapat dianalisis

bahwa dengan ukuran tabung yang sama dan

panjang, jumlah minimum 144 tabung akan

cukup untuk memberikan luas perpindahan

panas untuk aplikasi. Menggunakan Ms.excel

untuk membantu perhitungan, beberapa

pertimbangan perubahan parameter jelaskan

di bawah.

- Tube pass (np). Peningkatan

number of tube pass

mengakibatkan penurunan

tekanan di atas jumlah yang



diinginkan. Jadi number of tube

pass tetap menggunakan

number of tube pass 2.

- Baffle spacing (B). sebagai salah

satu parameter utama dalam

shell and tube heat exchanger

yang memegang peranan

penting dalam menentukan

penurunan tekanan didalam

shell.. ini terlihat pada

perhitungan yang telah

dilakukan, dengan rasio ! !"

from 0,3 to 0,2 secara signifikan

mengurangi penurunan tekanan

didalam shell, dengan

kompensasi kenaikan pada

Oversurface dan Overdesign.

- Number of tube. Biasanya

dengan menggunakan tube

count table, jumlah terdekat

dari number of tube 144 adalah

174. Tapi, menggunakan nilai

ini akan mengakibatkan seluruh

permukaan dan a desain

dengan jumlah jauh lebih besar

dari yang diizinkan.

Dari analisis diatas, paramater yang

digunakan untuk perhitungan

terakhir adalah :

Nt = 148 ds = 17,25 inch

!!" = 0,2

- Tube count = 148 . Fluid

velocity assesment

V = ṁ( !"!")

!.! .!"!/! =

!,!"( !!"#)

!"#$,!" . !,!" .(!,!"##$)!/!

= 0,898 m/s


coefficient

Ureq = !!".!.!".!.!.!"!"#!

= !"!#$$

!"# . !,!" . !,!"#!$ . !,!"" . ! .(!",!")

= 133,89 W/m2.K

- Hi

Re = !ṁ !"!"!.!".!

=

!(!,!") !!"#!,!" . !,!"##$ .(!,!!"!##)

= 10181,727

Hi = !!" (0,023 Re0,8 Pr1/3

( !!!)0,14

= !,!"#!,!"##$

(0,023

(10181,727)0,8 (7,1)1/3 1

= 3437,68 W/m2K

- Ho

B = 0,2 ds = 0,2

(0,33566)

= 0,08763 m

C’ = Pr – Do = 0,0254 –

0,0191

= 0,00635 m

As = !".!!.!!"

=

!,!!"# . !,!!"#$ .(!,!"#$% )!,!"#$

=

0,009598 m2

G = ṁ !" = !"

!,!!"#"$

= 2086,6

kg/m2s

De = 0,95 x 0,0254 =

0,02413 *from table

Re = !".! ! = !,!"#$% .(!"#$,!)

!,!

= 251,39

Colburn factor

Jh = 0,5

(1+! !")(0,08Re0,681 + 0,7

Re0,1772)



= 0,5 (1 +

0,2)[0,08(251,39)0,681 + 0,7

(251,39)0,1772)

= 3,467

Ho = Jh (! !") Pr1/3

(µμ µμ!)0,14

= 3,467

(0,139 0,02413) (793)1/3

(1)0,14

= 180,8 W/m2K


Uc = [ !"!!.!"

+ !".!" (!" !")

!!!"#$ +

!!! ]-‐1

= [ !,!"#!$!"!#,!" (!,!"##$)

+

!,!"#!$ .!" (!,!"#!$ !,!"##$)

!(!",!)

+ !!"#,!

]-‐1 = 171,72

W/m2K

karena Uc > Ureq, perhitungan bisa

dilanjutkan

- Fouling factor

Karbondioksida, Rdi =

0,0001761 m2K/W

Udara , Rdo =

0,0007044 m2k/W

Rd = !"#.!"!" + Rdo

= !,!!!"#$" .(!,!"#!$)!,!"##$

+

0,0007044

= 0,000978415

- Design overall coefficient

UD = ( !!" + RD)-‐1 = ( !

!"!,!" +

0,000978415)-‐1

= 147,02

W/m2K

- Over-‐surface and over design

Over surface : ( !"!"#$

-‐ 1) x

100%

: ( !"!,!"!"",!!"

-‐ 1)

x 100% = 28,33 %

Over design : ( !"!"#$

-‐ 1) x

100%

: ( !"#,!"!"",!!"

-‐ 1) x

100% = 9,8 %

- Tube – side pressure drop

F = 0,4137 (Re-‐0,2585)

= 0,4137 (10181,72 -‐

0,2585)

= 0,038

G = ṁ!"!"

!.!"!/! =

!,!"( !!"#)

!,!" .(!,!"##$)!/!

= 895,69 kg/m2s

Friction loss

ΔPf = ! !" !.!!!""".!".!.!

=

!,!"# ! !,!"" .(!"#,!")!""". !,!"##$ .(!,!"#).!

= 22280,86

Pa

Minor losses (entrance, exit, return)

Αr = (2no – 1,5)

= (2(2) – 1,5 ) = 2,5

ΔPr = 5 x 10-‐4 .αr.G2/s

= (5 x 10-‐

4)(2,5)(895,692)/1,024

= 979,32 Pa

Nozzle selection

Untuk diameter Shell 15,25

inch, nozzle used is 3 inch nozzle

(0,0762m)

Ren = !.ṁ !.!".!

=

!.(!,!") !,!" . !,!"#$ .(!,!""!!"!!)

= 121054

Gn = ṁ !.!"!/!

=

!,!" !,!" .(!,!"#$)!/!



= 1710,96 kg/m2s

Nozzle losses

ΔPn = (7,5x10-‐4)Ns.Gn2/s

= (7,5x10-‐

4)(1)(1710,96)2/1,024

= 2144,08 Pa

Total pressure drop = friction loss +

minor losses + nozzle loss

= 22280,86 +

979,32 + 2144,08

= 25220,39

Pa


f1 = exp[0,092(ln Re)2 – 1,48 ln Re –

0,00526 ds2 + 0,0478 ds – 0,338]

= exp[0,092(ln (251))2 – 1,48 ln

(251) – 0,00526 (17,25)2 + 0,0478

(17,25) – 0,338]

= 0,00647

f2 = exp[0,123(ln Re)2 – 1,78 ln Re –

0,00132 ds2 + 0,0678 ds – 1,34]

= exp[0,123(ln 251)2 – 1,78 ln

(251) – 0,00132 (17,25)2 + 0,0678

(17,25) – 1,34]

= 4,825 x 10-‐5

f = 144 [ f1 – 1,25(1-‐ !!")(f1 -‐ f2)

= 144[0,00647 – 1,25(1-‐0,2)–

(0,00647-‐ 4,825 x 10-‐5)

= 0,00695

Nb + 1 = !! = !,!""

!,!"#$% =

104,35

De = 0,95 x 0,0254 =

0,02413


Δ Pf = !.!!.!"(!"!!)

!""".!".!.!

= !,!!"#$ . !"#,!" !.(!,!"##$)(!"#,!")

!""". !,!"#$% .(!,!"#)

= 33228,15 Pa

- Nozzle pressure drop

ΔPr = 5 x 10-‐4 .αr.G2/s

= (5 x 10-‐

4)(2,5)(1035,642)/1,034

= 1309,26 Pa

Nozzle selection

For 15,25 inch shell

diameter, nozzle used is 3 inch nozzle

(0,0762m)

Ren = !.ṁ !.!".!

=

!.(!,!") !,!" . !,!"#$ .(!,!""!!"!!)

= 121054

Gn = ṁ !.!"!/!

=

!,!" !,!" .(!,!"#$)!/!

= 1710,96 kg/m2s

- DESIGN EVALUATION

Design

Parameters

Desired Calculated

Over surface 28,33 % 20% -‐ 40%

Over Design 9,8 % below

10%

Tube

Pressure

drop

25,22 kPa below 40

kPa

Shell

Pressure

drop

48,47 kPa below 140

kPa

All design criteria are satisfied

Final Design Summary

Tube side fluid : Carbon dioxide

from the furnace

Shell side fluid : Air

Shell : type AEL, 17,25

inch

Tube bundle : 49 tubes, ¾ inch

OD, 10 BWG,

25 feet long, on 1

inch square pitch,



arranged for two passes

Heat Transfer Area : 50,42 m2

Baffles : spacing of 3,505

inch, baffle

cutting 20%

Nozzle : 3 inch schedule

40 on tube side

3 inch schedule 40 on shell side

Material : shell – Carbon

Steel

Tube -‐ Carbon steel

3.1 Gambar Desain

Gambar 10 Shell and Tube Heat Exchangers

Dengan kapasitas 145 kg daun per

jam dan massa jenis daun sebesar 150 kg / m3,

maka ditetapkan tray sebanyak 10 tray dengan

jarak tiap tray sebesar 150 mm. Batas

maksimum daun kering tiap tray adalah

sebesar 14.5 kg atau dengan tinggi maksimum

daun tiap tray 100 mm.

4. Kesimpulan

a. Temperature yang keluar dari boiler atau

T6 setelah 3 jam pembakaran daun pada

kondisi self sustained combustion dengan

penggunaan induced draft fan adalah

sekitar 475 oC. Dengan temperature yang

masih tinggi tersebut dihasilkan energy

panas sebesar sekitar 60 kW.

b. Untuk memanfaatkan gas panas hasil

pembakaran selama 3 jam pada kondisi

self sustained combustion diperlukan alat

penukar kalor untuk memindahkan kalor

yang dihasilkan dari furnace yang dimana

kalor tersebut akan diserap oleh udara

bersih yang akan dialirkan menuju alat

pengeringan. Karena jika gas buang

langsung dialirkan menuju alat

pengeringan, dikhawatirkan biomassa

akan rusak.

c . Dari beberapa jenis alat penukar kalor

yang ada, akhirnya digunakan alat penukar

kalor jenis Shell and Tube. Pemilihan ini

berdasarkan aspek-‐aspek yang ada pada

pemilihan alat penukar kalor yaitu alat

penukar kalor jenis Shell and Tube ini

menggunakan 2 fluida yang ingin

diturunkan temperaturenya dan dinaikan

temperaturenya, kemudian alat penukar

kalor ini memiliki ΔT yang besar.

d. Alat penukar kalor jenis Shell and Tube ini

dapat menurunkan temperature dari

furnace yang awalnya 4750C menjadi

1000C pada stake akhir. Dan menaikan

udara sekitar yang temperature awal 300C

menjadi 1200C, dimana 1200C ini akan

dialirkan menuju alat pengering biomass.

e . Setelah dilakukan perhitungan manual dan

divalidkan dengan melakukan perhitungan

melalui software HTFS (Heat Transfer and

Fluid Flow Service) didapatkan Shell and

Tube tipe AEL dengan dimensi panjang



1,7m dan tinggi 40 cm, berikut spesifikasi

alat penukar kalor yang didapat :

Tube Side Fluid Carbon dioxide from

the furnace

Shell Side Fluid Air Shell type AEL, 17,25 inch Tube Bundle

49 tubes, ¾ inch OD,

10 BWG, 25 feet long,

on 1 inch square pitch,

arranged for two

passes

Heat Transfer Area

50,42 m2

Baffles spacing of 3,505 inch, baffle cutting 20%

Nozzle 3 inch schedule 40 on

tube side

3 inch schedule 40 on

shell side

Material Shell – Carbon steel

Tube – Carbon steel

f . Temperature yang keluar melalui induced

draft fan setelah melewati alat penukar

kalor yang kemudian dibuang ke udara

bebas adalah sekitar 100 oC. Sebelumnya

temperature yang keluar melalui induced

draft fan sebelum adanya alat penukar

kalor dan alat pengering adalah sekitar

475 oC. Hal ini menunjukkan peningkatan

efisiensi secara keseluruhan dari sistem

fluidized bed combustor di Universitas

Indonesia dan juga menunjukkan sistem

ini ramah lingkungan.

g . Dengan peningkatan efisiensi dari sistem

fluidized bed combustor tersebut bisa

dibilang fluidized bed combustor dapat

dijadikan solusi energi yang terbarukan di

Universitas Indonesia dengan bahan bakar

limbah biomassa. Dan dengan adanya alat

penukar kalor menunjukkan sistem ini bias

berkelanjutan dalam proses pengeringan,

pembakaran, dan penghematan energi.

5 . Referensi

[1] Howard, J. R., Fluidized Beds – Combustion

and Applications. London: Applied Science

Publishers,1983.

[2] Oka, Simeon N. “Fluidized Bed

Combustion” (Marcel Dekker, Inc. 2004)

[3] Bruce R. Munson, Donald F. Young,

Mekanika Fluida, terj. Harinaldi, Budiarso

(Jakarta: Erlangga, 2003).

[4] Surjosatyo, Adi. “Fluidized Bed

Incineration of Palm Shell & Oil Sludge

Waste.” Tesis, Program Magister

Engineering Universiti Teknologi Malaysia,

1998.

[5] Basu, Prabir. “Combustion and Gasification

in Fluidized Beds” (Taylor & Francis Group

2006).

[6] Muntaqo, Azmi. “Studi Karakteristik

Pembakaran Biomassa Tempurung Kelapa

pada Fluidized Bed Combustor UI dengan

Partikel Hamparan Pasir Berukuran Mesh

20-‐40.” Skripsi, Program Sarjana Fakultas

Teknik UI, Depok, 2011.

[7] Prima, Nanda. “Studi Karakteristik

Pengujian Pembakaran Biomassa

Tempurung Kelapa Ukuran 1x1 cm dan

1,5x1,5 cm pada Fluidized Bed Combustor

UI.” Skripsi, Program Sarjana Fakultas

Teknik UI, Depok, 2011.

[8] Rahmat, Riza. “Studi Variasi Supply Udara

Blower untuk Pencapaian Self Sustained

Combustion pada Eksperimen Uji Bahan

Bakar Fluidized Bed Combustor UI.”

Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik

UI, Depok, 2011.

[9] Arya “Studi Kinerja Fluidized Bed

Combustor Dengan Diversifikasi Bahan

Bakar Cangkang Kelapa ke Pemanfaatan

Limbah Biomassa Daun Kering di

Lingkungan Kampus UI Depok.” Skripsi,



Program Sarjana Fakultas Teknik UI,

Depok, 2012.

[10] Permata, Eggi Ikhsan “Fluidized Bed

Combustion Performance Studies With

Biomass Fuel Diversification From Coconut

Shell to Utilization Leaf Dry Around

University of Indonesia And Compared

Both Fuel After Self Sustain Take Place.”

Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik

UI, Depok, 2012.

[11] Basu, Prabir. Combustion and

Gasification in Fluidized Beds.Taylor &

Francis Group, 2006.

[12] Borman, G.L., dan Ragland, K.W..

Combustion Engineering. McGraw-‐Hill

Book Co., Singapore,1998

[13] Bruce R. Munson, Donald F. Young,

Mekanika Fluida, terj. Harinaldi, Budiarso.

Jakarta: Erlangga,2003.

[14] Oka ,N Simeon : Fluidized Bed

Combustion, Marcel Deker New York,2004

[15] Energy Information Administration

(EIA) -‐ US, International Energi Annual

2006

[16] Howard, J. R., Fluidized Beds –

Combustion and Applications. London:

Applied Science Publishers,1983.

[17] A .A. Khana , W. de Jonga, P.J.

Jansensb, H. Spliethoff ,Biomass

combustion in fludized bed combustin

Potential problems and remedies.

[18] Incropera, F.P., Dewitt, D.P., Bergman,

T.L., & Lavine, A.S. (2007). Fundamentals

of Heat and Mass Transfer. Sixth Edition.

John Wiley & Sons.

[19] Serth, Robert W – Process Heat

Transfer Principles and Applications,

publisher : Elsevier Science & Technology

Books, April 2007

[20] Putra, Nandy – Alat Penukar Kalor,

Departemen Teknik Mesin Universitas

Indonesia, 2011


dennis adriansyah r-skripsi-fakultas teknik-naskah ringkas ...

Documents

Transcript of dennis adriansyah r-skripsi-fakultas teknik-naskah ringkas ...