© 2003  Kudrat Sunandar                                                                 Posted:  4 November 2003

Pengantar Falsafah Sains (PPS702)

Program Pascasarjana/S3

Institut Pertanian Bogor

November  2003

 

Dosen :

Prof. Dr. Ir. Rudy C. Tarumingkeng (Penanggung Jawab)

Prof. Dr. Ir. Zahrial Coto

 

 

 

ANALISIS BILANGAN TAK BERDIMENSI PADA PROSES FOULING DI KONDENSER

 

 

Oleh:

 

 

Kudrat Sunandar

 

E-mail: k_sunandar@yahoo.com

 

A B S T R A C T

 

The paper confines fouling as a particulate fouling on tube in a shell and tube heat exchanger: condenser. Fouling can be defined as the formation of deposits on heat transfer surfaces and  it increased the pressure drop of fluids over the surface. Then, particulate fouling in this case is CaSO4 scaling is the accumulation of solid particles suspended in a fluid onto a heat transfer surface. Suspended particles can be ambient pollutants (sand, silt, clay), upstream corrosions products or products of chemical reactions occurring within the fluid. This phenomenon exists since heat exchanger was found.

 

Heat exchanger performance depends on heat transfer between two working fluids, and the existence of fouling will decreased its performance. Up to now, fouling is a difficult phenomenon to understand its characteristics, engineers concerned with heat transfer in a particular interest in conserving energy.

 Determination of fouling factor with ordinary equations needs time. Non-dimensional number analysis with Buckingham P-theorem is one of some effective methods to make a faster and right decision of cleaning schedule’s prediction.  The number named by Ks. According with input and output data during the process for 26 hours,  it showed  that there is a linear correlation between fouling factor Rf   and Ks  number, Ks = -0.0121 Ks*  + 0.0172

 

 

 

PENDAHULUAN

Fouling  sudah menjadi masalah sejak alat penukar kalor ditemukan. Fouling dapat didefinisikan sebagai pembentukan lapisan deposit pada permukaan perpindahan  panas dari suatu bahan  atau senyawa yang  tidak diinginkan.  Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan. Akumulasi  deposit pada permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop   dan menurunkan efisiensi perpindahan  panas.  Untuk  menghindari penurunan performance alat penukar kalor yang terus berlanjut dan terjadinya unpredictable cleaning, maka diperlukan suatu informasi yang jelas  tentang tingkat pengotoran  untuk menentukan jadwal pembersihan (cleaning  schedule).

 

Keterlibatan beberapa faktor diantaranya  jenis alat penukar kalor, jenis material yang dipergunakan dan fluida kerja : jenis fluida, temperatur fluida, laju alir masa, jenis dan konsentrasi kotoran yang ada dalam fluida, dll., menjadikan fouling suatu masalah  yang  sangat kompleks, sehingga dalam melakukan  pengukuran tingkat pengotoran ini menjadi sulit, oleh karena itu diperlukan  suatu teknik analisa yang dapat mempermudah dan mempercepat  pengukuran  tersebut, diharapkan dengan bantuan teori bilangan  tak berdimensi kesukaran  pengukuran ini dapat dikurangi.

 

Alat penukar kalor yang ditinjau adalah jenis shell and tube heat exchanger : condenser dengan jumlah pass satu, yang ada pada unit pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) Tanjung Priuk  Jakarta. Karena kompleksitas besarnya pengotoran sangat tinggi maka permasalahan ini didekati hanya dengan menganggap bahwa pengotoran terjadi pada bagian tube sebagai particulate fouling dengan fluida kerja air laut sebagai  fluida pendingin.

 

 

LATAR BELAKANG TEORI

FOULING

Fouling dapat didefinisikan sebagai pembentukan deposit pada permukaan alat penukar kalor yang menghambat perpindahan panas dan meningkatkan hambatan aliran fluida pada alat penukar kalor tersebut [3]. Gejala ini sudah ada sejak ditemukannya api. Tidaklah sulit untuk membayangkan betapa terganggunya nenek moyang kita karena semakin lamanya waktu yang dibutuhkan untuk merebus air sebagai akibat dari furring  atau penutupan bagian dalam ketel. Jelaslah bahwa fouling sudah mengalami sejarah yang panjang [1] dan fouling masih tetap mempunyai pengaruh yang penting pada efisiensi perubahan energi, pada pemilihan material yang digunakan dalam konstruksi alat-alat penukar kalor dan pada operasi proses-proses industri [2].

 

Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang terangkut oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat apabila permukaan deposit yang terbentuk mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. 

 


Gradien temperatur yang cukup besar antara aliran  dengan permukaan dapat juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan deposit [3]. Pada umumnya proses pembentukan lapisan fouling merupakan phenomena yang sangat kompleks sehingga sukar sekali dianalisa secara analitik. Mekanisme pembentukannya sangat beragam, dan metode-metode pendekatannya juga berbeda-beda.

 


Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, faktor pengotoran dibagi 5 jenis [2], yaitu :

1.      Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation fouling).

Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung garam-garam yang terendapkan pada suhu tinggi, seperti garam kalsium sulfat, dll.

2.      Penegotoran akibat pengendapan partikel padat dalam fluida (particulate fouling).

Pengotoran ini terjadi akibat pengumpulan partikel-partikel padat yang terbawa oleh  fluida di atas permukaan perpindahan panas, seperti debu, pasir, dll.

3.      Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling).

Pengotoran  terjadi akibat reaksi kimia didalam fluida, diatas permukaan perpindahan panas, dimana material bahan permukaan perpindahan panas tidak ikut bereaksi, seperti adanya reaksi polimerisasi, dll.

4.      Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling).

Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia antara fluida kerja dengan material bahan permukaan perpindahan panas.

5.      Pengotoran akibat aktifitas biologi (biological fouling).

Pengotoran ini berhubungan dengan akitifitas organisme biologi yang terdapat atau terbawa dalam aliran fluida seperti lumut, jamur, dll.

 

Akibat pembentukan fouling tersebut, maka kemampuan alat penukar kalor akan mengalami penurunan. Dalam beberapa kasus, pembersihan lapisan fouling dilakukan secara kimia dan mekanis. Salah satu cara mekanis yang umum dilakukan adalah dengan metode on-line cleaning dengan menggunakan bola taprogge.

 


 


Gambar 2. Proses Pembersihan Fouling Pada suatu Kondonser

 

(a)                                         (b)

Gambar 3.  Bola Taparogge (a) baru,  (b) setelah pemakaian

 

Kualitas air laut sebagai fluida pendingin  memegang peranan yang sangat penting  dalam permasalahan pengotoran tersebut.   Jumlah kandungan garam dari air laut  sering dinyatakan sebagai salinitas, secara umum besarnya salinitas air laut yang ada di indonesia khususnya di daerah Jakarta berkisar antara 32 sampai 36 % [5]. Selain  diakibatkan garam-garam terlarut dalam air laut diantaranya garam magnesium, kalsium dan natrium, pengotoran  ini juga ditimbulkan oleh tumbuhan  dan binatang laut yang banyak tumbuh di terumbu karang sekitar pantai jakarta.  Sehingga penentuan lokasi intake dan pre-treatment  air laut sebelum masuk kondenser menjadi sangat penting.

 

ANALISA BILANGAN TAK BERDIMENSI

Dalil P Buckingham  membuktikan bahwa, dalam suatu soal fisik yang menyangkut n besaran dimana terdapat k dimensi, besaran-besaran tersebut dapat diatur dalam n - k parameter  tanpa dimensi yang bebas [4]. Dalam suatu sistim yang melibatkan beberapa parameter dapat dinyatakan dalam n  parameter, q1, q2, …….qn, sehingga sifat sistim tersebut dapat dinyatakan sebagai suatu hubungan  fungsional  beberapa parameter :

F1 (q1,q2,q3,….qn) = 0                                                  (1)

Jika P1, P2, P3, …, menunjukkan kelompok-kelompok tanpa dimensi dari besaran-besaran q1,q2,q3,…., maka dengan tersangkutnya  m  dimensi, terdapat persamaan yang berbentuk :

G1(P1, P2, P3, ……..Pn-k) = 0                                  (2)

Beberapa parameter yang terlibat dalam proses perpindahan  panas yang dijadikan  sebagai parameter yang berhubungan dengan pembentukan pengotoran diantaranya : temperatur fluida, laju alir massa fluida, kapasitas panas fluida, dimensi alat penukar kalor, koefisien perpindahan panas , konsentrasi pengotor dalam fluida dan lain-lain. Bilangan yang dihasilkan selanjutnya akan diberi simbol dengan nama  Ks.

 

METODOLOGI

Untuk mendapatkan suatu bilangan tak berdimensi Ks. yang cukup representatif dengan data yang bisa dibaca baik langsung maupun tidak langsung dari sebuah keluaran suatu proses kondensasi dalam sebuah kondenser, diperlukan suatu informasi yang saling berhubungan. Data yang diperlukan  adalah data fisik kondenser serta  data input dan output  selama  proses berlangsung.

 

Sehubungan dengan hal tersebut, dilakukan  dengan  cara membentuk bilangan tak berdimensi  Ks, yaitu : Metode  Buckingham P- theorm dan menggunakan data operasinal sebuah kondenser di sebuah pembangkit listrik tenaga uap selama  26 jam operasi.

 

DATA  DAN  ANALISA DATA

Untuk mempermudah dalam melakukan analisa, data keluaran proses dikelompokan dalam suatu tabel dan disusun menjadi persamaan-persamaan empiris bilangan tak berdimensi.

 

Besaran

Satuan

Lambang

Dimensi

Kecepatan aliran  air laut

m/detik

Vcf

LT-1

Temperatur air laut masuk

oC

Tin

q

Temperatur  kondensasi

OC

Tcond

q

Jumlah air laut masuk

kg/h

Mcf

MT-1

Jumlah  steam masuk

kg/h

Ms

MT-1

Panas spesifik  air laut

J/mol.K

Cp

L2T-2q-1

Viskositas  air laut

Kg/m.det

m

ML-1T-1

Densitas air laut

Gram/liter

r

ML-3

Temperatur dinding tube

oC

Tw

q

Waktu

Jam

t

T

Kelarutan key component dalam air laut

Gram/liter

S

ML-3

 

Terdapat   11 kuantitas fisika dengan 4 dimensi fundamental, sehingga menurut teori Buckingham, masalah ini dapat dikendalikan oleh 11 - 4 = 7 faktor-faktor non dimensional dimana diketahui dalam bentuk  suatu  hubungan fungsional yang sama dengan persamaan (2) :

P7= F ( P1, P2, P3, P4, P5, P6,) = 0                                      (3)

 

Dengan mengambil empat faktor-faktor seperti grup pada persamaan (3) sehingga grup mengandung semua dimensi-dimensi fundamental yang mengendalikan fenomena fisik dan mensubstitusikan formula dimensional.

 

Misalnya untuk menentukan nilai  P1 :

P1 : mcfa, Sb, Twc, td, ms = (MT-1)a (ML-3)b (q)c (T)a MT-1= 0

Untuk menjadikan P tak berdimensi, pangkat dari setiap dimensi primer jumlahnya secara terpisah adalah 0. Kemudian sebuah persamaan dapat kita susun menjadi :

SM : 0 =  a + b + 1

SL : 0 = a + -3b

ST : 0 = -a  +  d -  1 

Sq : 0 = c

Pemecahan persamaan diatas memberikan nilai :

a =  -1,                        b = 0,              c = 0,              d = 0

Sehingga P1 dapat dituliskan sebagai :

P1 =                                                        (4)

Dengan cara yang sama, ms diganti dengan Vcf, Cp, m, r, Tin, dan Tcond untuk berturut-turut  P2, P3, P4, P5, P6, dan  P7  formula fungsinya menjadi :

F()

 

            Atau dapat dinyatakan sebagai :

 

                 

 

Dengan data-data yang diprolehs eperti tampak pada apebdiks 1, maka konstanta z dan koefisien a,b,c,d,e dan f dapat diselesaikan, sehingga persamaannya menjadi :

 

 

Dari hasil pengolahan data dan pembentukan bilangan tak berdimensi Ks, maka dapat dilhat bahwa ada suatu korelasi sederhana yang menghubungankan antara  bilangan Ks terhadap bilangan Rf. Karena besarnya nilai faktor pengotoran Rf berkisar diantara nol dan satu, maka dilakukan koreksi nilai terhadap Rf. Hubungan Ks terkoreksi tampak  dibawah ini.

 

 

 

 

KESIMPULAN

Dari analisa data pengamatan selama 26 jam operasi, pengolahan dan perhitungan data dapat disimpulkan bahwa ada suatu korelasi linear antara besarnya faktor pengotoran Rf dengan bilangan Ks, sehingga bilangan Ks dapat dipakai sebagai salah satu cara menentukan besarnya faktor pengotoran  pada   shell and tube heat exchanger. Persamaan yang memenuhi korelasi tersebut adalah :

 

Ks = -0.0121 Ks* + 0.0172

 

Dengan   Ks*  =

Ks* = 0 menunjukkan faktor pengotoran maksimum

Ks* = 1 menunjukkan faktor pengotoran minimum

 

 

DAFTAR PUSTAKA

1.      Somerscales, E.F.C., "Fouling of Heat Transfer Surfaces:An Historical Rview", Heat Transfer Engineering, vol.:11, no.:1, 19-36, New York, (1990).

2.      Hans Műller-Steinhagen.,"Fouling of Heat  Exchanger Surfaces",Chemistry and Industry,(1995).

3.      Chandrasa,S dan Antonius Anton.,"Pengaruh Karakteristik Dinamik Tahanan Termal Deposit Terhadap Kinerja Sebuah Condenser", Proceedings The 2000 FTUI Seminar-Quality in Research,vol.:III, III-1-4-1 s.d III-1-4-9, Jakarta, (2000).

4.      Boris, O.K., "Kajian Kalor Yang Hilang Pada Aliran Paralel Alat Penukar Kalor Pipa Ganda",Tugas Akhir, Jurusan Mesin FT-UI,Jakarta, (2000).

5.    Sulaiman, A. "Air Laut.", Lembaga Metallurgi Nasional, LIPI, Jakarta,(1977