Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi November 2015
Evaluasi  Pengaruh  Kecepatan  Rotasi  Rotor  terhadap  Efektifitas Rotary Air Preheater Menggunakan Metode ε -NTU

## Dewo Sakarum, Teguh Hady Ariwibowo
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111 deo.sacharum@yahoo.com
Abstrak – Air Preheater (APH) merupakan komponen pendukung dalam PLTU yang berfungsi sebagai pemanasan awal ( preheater ) pada saat pembakaran di dalam ruang bakar. Salah satu parameter yang mempengaruhi besarnya efektivitas pada rotary  air  preheater adalah  kecepatan  rotasi  rotor.  Untuk  mengetahui  pengaruh  besarnya  kecepatan  rotasi  rotor terhadap performansi rotary  air preheater digunakan metode ε -NTU. Variasi dilakukan pada kecepatan rotasi 6 RPM, 9 RPM, 12 RPM, 15 RPM, 18 RPM dan pada C* 0,64 ; 0,78 ; 0,84. Dari lima variasi yang dilakukan menunjukkan bahwa kecepatan  rotasi  rotor  mempengaruhi  besarnya  efektifitas.  Kecepatan  tersebut  juga  mempengaruhi  besarnya  NTU sehingga  efektifitasnya  ikut  berubah.  Efektifitas  tertinggi  yaitu  pada  kecepatan  18  RPM    dan  C*  0,64  sebesar  0,8750. Pada kecepatan rotasi yang sama efektifitas pada C* 0,64 mempunyai nilai yang lebih besar dari pada C* 0,78 dan 0,84.
Kata kunci: Rotary air preheater , RPM, ε -NTU
Abstract – Air preheater (APH) is a supporting component in the plant that use as preheating (pre-heater) at the time of combustion in the combustion chamber. One of the parameters that influence the level of effectiveness of the rotary air preheater is the rotational speed of the rotor. To determine the influence of the magnitude of the rotational speed in the performance of rotary air preheater used ε -NTU method. Variations performed  at 6 RPM rotational speed, 9 RPM, 12 RPM,  15  RPM,  18  RPM  and  the  C  *  0.64; 0.78;  0.84.  Those  variations  showed  that the  rotational  speed  of the  rotor affects  the  amount  of  effectiveness.  The  speed  also  affects  the  amount  of  NTU  so  that  its  effectiveness  also  change. Highest effectiveness at a speed of 18 RPM and C * 0.64 at 0.8750. At the same rotational speed of the effectiveness of the C * 0.64 has a value greater than the C * 0.74 and 0.84.
Key words: Rotary air preheater , RPM, ε -NTU

## I. PENDAHULUAN
Air Preheater (APH) merupakan komponen pendukung  dalam  PLTU  yang  berfungsi  sebagai pemanasan  awal  ( preheater )  pada  saat  pembakaran  di dalam  ruang  bakar.  Pemanasan  ini  dilakukan  sampai  ke tingkat  temperatur  tertentu  sehingga  dapat  menghasilkan pembakaran  yang  maksimal  dalam  boiler  [1].  Dalam prosesnya, air  preheater ini  menggunakan  gas  buang (flue  gas) hasil  pembakaran  di  boiler  sebagai  sumber panasnya,  menurut  Ahmed  S.D  dan  Ir  Kadarisman pemanfaatan  gas  buang  ini  memiliki  keuntungan memperkecil biaya pada proses pemanasan yang dipakai, juga  dapat  menurunkan  temperatur  gas  buang  sehingga memperkecil  pencemaran  thermal  udara  lingkungan  [2]. Rotary  air  preheater merupakan  tipe regenerative  air heater yang digunakan sebagai objek penelitian ini. Menurut Ramesh  K. Shah and Dusan P. Sekutic salah satu  parameter  yang  mempengaruhi  besarnya  efektivitas pada rotary  air  preheater adalah  kecepatan  rotasi  rotor [3].  Sementara  itu  Sanaye,  S.  dkk  dalam  penelitiannya yang  berjudul Optimum  operational  conditions  of  rotary rotary air preheater using genetic algorithm membuktikan  bahwa  dengan  meningkatkan  besarnya kecepatan  rotasi  rotor,  maka  efektivitas  pada rotary  air preheater akan  meningkat  pula  [4].  Oleh  karena  itu, peneliti melakukan evvaluasi untuk mengetahui pengaruh kecepatan rotasi rotor pada rotary air preheater terhadap terhadap nilai efektivitasnya.

## II. LANDASAN TEORI
A. Rotary Air Preheater Rotary Air Preheater merupakan sebuah disk berongga yang  berukuran  cukup  besar,  dibuat  dari  material  yang mempunyai  kapasitas  panas  tinggi  dan  berputar  antara sisi  panas  dan  dingin  secara  bergantian  (satu  sisi  fluida panas  dan  sisi  lainnya  fluida  dingin).  Alat  ini  dapat digunakan  untuk  batas  temperatur  yang  tinggi  pada temperatur gas buang. digunakan pada perpindahan panas antara fluida gas dengan gas dan utamanya pada aplikasi sistem heat recovery . B. Kecepatan Rotasi Rotor Rotary  air  preheater pada  pembangkit  listrik mempunyai  sebuah  rotor  berdiameter  10  meter  dan kecepatan  rotasi  rotor  berkisar  pada  range  0,5  sampai  3 rpm.  Sementara  untuk rotary  air  preheater dengan diameter  0,25  sampai  3  meter  kecepatan  rotasi  rotornya dapat  mencapai  hingga  10  rpm.  Sedangkan rotary  air preheater dengan  diameter    0,6  meter,  kecepatan  rotasi rotor maksimal dapat mencapai 18 rpm [3].
C.   -NTU untuk counterflow rotary air preheater Penelitian  yang  dilakukan  menggunakan  metode  - NTU.  Dan  aliran  yang  diamati  yaitu  pada counterflow rotary  air  preheater . Rotary  air  preheater aliran berlawanan  memiliki  persamaan  efektivitas  (  )  sebagai berikut  :
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi November 2015
) ( min ) ( ) ( min ) ( max ci T hi T C ho T hi T h C ci T hi T C ci T co T c C q q         (2.1)
(2.2) (2.3) Keterangan :  = efektifitas termal pada rotary air preheater Ɛ cf =  efektifitas  pada  penukar  kalor  udara  dengan aliran fluida berlawanan q = laju perpindahan panas actual (KW)
qmax   = perpindahan panas maksimal (KW)
Tco = Temperatur cold out ( 0 C)
Tci = Temperatur cold in ( 0 C) Thi = Temperatur hot in ( 0 C) Tho = Temperatur hot out ( 0 C)
C*
=  Perbandingan  nilai  kapasitas  perpindahan panas terkecil terhadap nilai kapasitas perpindahan panas terbesar pada fluida dingin atau panas Cr* =  Perbandingan  nilai  kapasitas  perpindahan panas matriks terhadap nilai kapasitas perpindahan panas fluida terkecil pada udara panas atau dingin.
NTU = Number of Transfer Unit
Untuk nilai kapasitas perpidahan panas minimal ( ) dan  kapasitas  perpindahan  panas  maksimal  ( ), nilainya  didapatkan  dari  nilai  kapasitas  perpindahan panas pada fluida panas ( )  dan fluida dingin ( ) yang persamaan yaitu :
dan (2.4) Keterangan : h = Laju massa fluida hot (kg/s)
c = Laju massa fluida cold (kg/s)
, h = Kalor spesifik fluida sisi hot (J/kg K) , c = Kalor spesifik fluida sisi cold (J/kg K)
Sementara  untuk  nilai  C*  dan  Cr*  didapat  dari persamaan :
(2.5)
(2.6)
Nilai kapasitas kalor pada dinding  matriks (Cr) sendiri didapatkan dari  persamaan berikut  :
(2.7) (2.8) (2.9) (2.10) Keterangan = Mw =  massa  keseluruhan  matriks rotary air preheater (m) = porosity β = kerapatan matriks (m 2 /m 3 ) N = Kecepatan putar rotor (RPM) = Luas area aliran (m 2 ) = Luas area permukaan inti matriks (m 2 ) = Massa jenis matriks (Kg/m 3 ) L = Kedalaman matriks (m) A r = Luas permukaan penukar kalor (m 2 ) Untuk  nilai
didapatkan  dari  modifikasi
persamaan,  dimana  nilai
merupakan  koefisien perpindahan panas keseluruhan.:
(2.11)
(2.12)
Untuk  nilai  koefisien  perpindahan  panas  konveksi  ( h ) dapat dicari menggunakan persamaan:
hydraulic d k Nu h .  (2.13)
Nilai  nusselt  bisa  didapatkan  dari  grafik  hasil penelitian F.W.Schmidt dan  M.E.Newell  pada  gambar 1. Sementara  itu  untuk  nilai  diameter  hidrolik,  karena matriks berbentuk segitiga (gambar 2), maka dapat dicari menggunakan persamaan:
2 2 4 . 4 b a a ab d hydraulic    (2.14) Keterangan : Nu = bilangan nusselt K = Koefisien konduktifitas (W/m.K) d hydraulic = diameter hidrolik pada aliran (m) a = alas (cm ) b = tinggi (cm)
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi November 2015

## Gambar 2 . Geometri matriks

## III. METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN

## A. Sistem Rotary Air Preheater
Penelitian ini menggunakan alat uji rotary air preheater dengan  skala  laboratorium.  Sistem  dari  alat  ini  dapat dilihat pada gambar 2. Pada gambar tersebut udara panas masuk merupakan hasil dari pemanasan udara lingkungan menggunakan heater dengan  jenis turbular  fin dan dikontrol menggunakan thermocontrol . Range temperature udara panas yang diamati yaitu sebesar 30 0 C sampai 50 0 C.
1. Matriks 5. Heater 2. Motor 6. Anemometer 3. Fan 7. PWM dan Encoder 4. Thermocople tipe K 8. Sealing Gambar 2. Skema alat uji
Udara panas tersebut akan memindahkan panas menuju udara  dingin  melalui air  preheater yang  diputar  dengan kecepatan rotasi tertentu, yaitu dalam  penelitian ini akan divariasikan sebesar 6, 9,12, 15 dan 18 rpm. Fluida udara ini  dialirkan  menggunakan exhaust  fan yang  diatur menggunakan  dimmer.  Sudut seal yang  digunakan sebesar  0 0 .  Matriks  pada air  preheater menggunakan bentuk  segitiga.  Dimensi  matriks  tersebut  dapat  dilihat pada  gambar 3. Alat  yang digunakan untuk  memutar air preheater menggunakan  motor  DC  24  V  dan  untuk mengatur  kecepatannya  menggunakan pulse  width modulation (PWM)  dengan rotary  encoder .  Masing- masing  temperatur  pada  bagian  udara  panas  dan  dingin diukur  menggunakan thermocouple tipe  K.  Sedangkan untuk  mengukur  kecepatan  masuk  udara  dingin  maupun panas digunakan anemometer.
Berikut ini  adalah spesifikasi alat  yang digunakan  dan batas kerja sistem yang diamati :
Tabel 1. spesifikasi alat yang digunakan dan batas kerja
sistem Spesifikasi alat Fan Exshaust  fan Motor DC dengan gearbox Heater Turbular fin 950W Material matriks Alumunium Diameter matriks 550 mm Kedalaman matriks 200 mm Termometer Thermocouple tipe K Batas kerja sistem Kecepatan putar matriks 6 – 18 rpm Laju massa udara dingin atau panas 0,1 – 0,3 kg/s Temperatur udara panas masuk (Thi) 30 – 50°C Temperatur udara dingin masuk (Tci) 27 – 33°C Sudut seal 0 0

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Data Hasil Penelitian
Setelah  dilakukan  penelitian,  didapatkan  data  yang menunjukkan  adanya  pengaruh  kecepatan  rotasi  rotor terhadap  nilai  efektivitas rotary  air  preheater .  Hal tersebut dapat dilihat pada tabel 2 berikut.
Tabel 2 . Nilai efektifitas
Dari  data  di  atas  didapatakan  grafik  antara  hubungan besarnya  kecepatan  rotasi  rotor  terhadap  besarnya efektivitas.
Gambar 4. Grafik pengaruh kecepatan rotasi terhadap efektifitas RPM Efektifitas C*=0,64 C*=0,78 C*=0,84 6 0,875 0,75 0,6667 9 0,875 0,6875 0,6667 12 0,8 0,6875 0,6429 15 0,8889 0,75 0,7143 18 0,8889 0,8 0,7143
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY, Solo, 23 Maret 2013
Dari  gambar  4  didapat  hubungan  pengaruh  kecepatan rotasi  terhadap  besarnya  efektifitas.  Pada  lima  variasi RPM  yang dilakukan dengan C*  konstan, terlihat bahwa tren  grafik  cenderung  naik  seiring  dengan  naiknya kecepatan rotasi. Kecepatan rotasi sendiri  mempengaruhi besarnya  efektifitas  dikarenakan  setiap  kenaikan  dari kecepatan  rotasi  hal  itu  membuat  nilai  kapasitas  kalor pada  dinding  matriks  (Cr)  akan  semakin  meningkat. Sehingga  besarnya  panas  yang  mampu  ditransferkan menuju sisi yang lain menjadi semakin besar. Dari grafik diatas  seiring  perubahan  C*,  terlihat  dari  masing-masing variasi  kecepatan  rotasi  menunjukkan  adanya  nilai efektifitas  yang  fluktuatif.  Pada  RPM  12  nilai  efektifitas cenderung  turun  dan  kemudian  naik  lagi  hingga efektifitas  terbesar  yaitu  pada  RPM  18  dan  C*  0,64 sebesar  0,875.  Nilai  yang  fluktuatif  tersebut  diakibatkan dari  persamaan  (2.1)  yaitu  selisih  temperatur  Thi dikurangi  temperatur  Tho  lebih  besar  dibandingkan dengan  selisih  temperatur  Thi  dikurangi  temperatur  Tci. Sehingga  saat  pada  penelitian  nilai  temperatur  tersebut berubah-ubah  seiring  dengan  perubahan  kecepatan  rotasi maka nilai efektifitasnya juga akan fluktuatif.
Nilai  C*  merupakan  besarnya  perbandingan  nilai kapasitas  perpindahan  panas  terkecil    (Cmin)  terhadap nilai kapasitas  perpindahan  panas  fluida terbesar (Cmax) pada udara, semakin  kecil nilai C* maka nilai  efektifitas akan semakin besar. Hal itu dapat dilihat pada persamaan (2.3).  Pada  persamaan  tersebut  jelas  terlihat  bahwa  nilai efektifitas  akan  semakin  naik  apabila  nilai  C*  semakin kecil,  karena  efektifitas  merupakan  hasil  perbandingan dari nilai C*.
Selain  mempengaruhi  efektifitas,  besarnya  kecepatan rotasi  rotor  juga  mempengaruhi  nilai  NTU.  Dari  nilai NTU  tersebut,  akan  mempengaruhi  besarnya  efektifitas pula.  Hal  tersebut  dapat  dilihat  berdasarkan  pada persamaan  (2.2)  dan  (2.3).    Sementara  itu  untuk mengetahui  hubungan  antara  besarnya  NTU  dan efektifitas dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 5. Grafik NTU terhadap efektifitas Pada gambar 5 dapat dilihat bahwa semakin besar nilai NTU  maka  nilai  efektifitas  juga  semakin  besar  pada  C* yang  konstan.  Tren  grafik  efektivitas  terhadap  NTU  ini sesuai  dengan  teori  bahwa  pada  C*  yang  semakin  kecil, maka  nilai  efektifitasnya  akan  semakin  besar  dan nilainya mendekati tak hingga.

## IV. KESIMPULAN
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan,  didapat kesimpulan sebagai berikut :
1. Semakin besar nilai kecepatan rotasi rotor, maka efektifitas cenderung mengalami kenaikan.
2. Efektifitas  tertinggi  yaitu  pada  C*  0,64  dengan kecepatan rotasi rotor 18 RPM sebesar 0,8889.
3. Nilai  efektifitas  pada  C*  0,64  lebih  besar daripada C* 0,78 dan C* 0,84
4. Besarnya  nilai  NTU  mempengaruhi  besarnya efektifitas

## PUSTAKA
[1] Anonim, Pedoman  Efisiensi  Energi  untuk Industri Asia , 2006. Website:
www.energyefficiencyasia.org,  diakses  tanggal 11 Juli 2014.
[2] Ahmed  S.D  dan  Ir  Kadarisman., Pengaruh Penambahan  Regenerator  Pada  Sistem  Turbin Gas  Siklus  Terbuka  Sederhana  (Studi  Kasus PT. Indonesia Power UBP Pemaron Singaraja Bali) ,  Skripsi,  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember, Surabaya, 2012.
[3] Shah,  Ramesh  K.,  and  Sekulic,  Dusan  P., Fundamentals of Heat Exchanger Design , John Wiley & Sons, Inc. 2003.
[4] S.  Sanaye,  S.  Jafari,  and  H.  Ghaebi,  Optimum Operational Conditions of a Rotary Regenerator  Using  Genetic  Algorithm, Energy and Buildings , vol. 40, 2008, pp. 1637-1642.
[5] Schmidt,  F.W.,  and  Newell,  M.E.,  Heat Transfer  In  Fully  Developed  Laminar  Flow Through  Rectangular  and  Isosceles  Triangular Ducts, int.  J.  Heat  Mass  Transfer. Vol.  10, 1967, pp. 1121-1123.