Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi Mei 2015
Evaluasi  Kinerja  Rotary  Air  Preheater dengan  Metode  ε -NTU  pada
Pengaruh Sudut Seal

## Wildan Tajudin Alhijri, Teguh Hady Ariwibowo
Teknologi Pembangkit Energi, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111 wildanta@pg.student.pens.ac.id
Abstrak – Rotary air preheater memanfaatkan gas buang sisa pembakaran pada boiler. Kalor  gas buang dipindahkan ke matriks kemudian dipindahkan  udara pembakaran. Efektifitas rotary air preheater dipengaruhi oleh sudut  seal. Seal berfungsi  sebagai  pembatas  antara  aliran  panas  dan  dingin.  Efektifitas  rotary  air  preheater  dihitung  menggunakan metode  persamaan ε -NTU.  Penggunaan  metode ε -NTU  memerlukan  nilai  koefisien  perpindahan  panas  konveksi  yang terdapat  pada  aliran  panas  maupun  dingin.  Untuk  mendapatkan  nilai  koefisen  perpindahan  panas,  analisa  matriks tunggal  dilakukan  pada  kondisi  heat  flux  konstan.  Sudut  seal    aliran  panas  diatur  tetap  30°,  sedangkan  pada  aliran dingin  diubah mulai dari 0° sampai 120°. Pengaturan  sudut seal  mempengaruhi luasan permukaan perpindahan panas pada  matriks.  Kecepatan  aliran  yang  rendah  memiliki  waktu  bersinggungan  dengan  matriks  lebih  lama  sehingga  laju perpindahan  kalor  meningkat.  Pengaturan  sudut  seal  aliran  dingin  0°  menghasilkan  nilai  efektifitas  tertinggi  yaitu 43,7% pada C r * 24. Nilai efektifitas berbanding lurus dengan nilai NTU.
Kata kunci: rotary air preheater , seal, ε -NTU
Abstract  – Rotary air preheater utilizes exhaust  gas residual combustion in boilers. Heat of  exhaust gas transferred to the matrix then moved by combustion air. The effectiveness of rotary air preheater is affected  by the  angle of the seal. Seal  as  a  dividing  line  between  the  hot  and  cold  streams.  The  effectiveness  of  rotary  air  preheater  is  calculated using equation method of ε - NTU. The use of methods of ε -NTU need the values for the coefficient of heat transfer by convection on the  flow of heat and cold. To get the value of koefisen heat transfer, matrix analysis  done with a single condition of constant heat flux. The angle of heat seal set remains 30 °, whereas in a cold stream of personalised way starting from 0 ° to 120 °. Setting the seal angle affect surface area of heat transfer on the matrix. Low speed of flow have more time to contact with matriks, so can increase heat transfer. Cold flow seal angle setting 0 ° produce the highest effectiveness is 43,7% on Cr * 24. The value of effectiveness is directly proportional to the value of NTU.
Key words: rotary air preheater , seal, ε -NTU

## I. PENDAHULUAN
Pada  pusat  listrik tenaga  uap,  proses  pemanasan  udara terjadi  di rotary  air  preheater yang  berjenis  Ljungstrom [1]. Ljungstrom air preheater berkontribusi sebesar 20% terhadap efektifitas boiler dan mengurangi 25% konsumsi bahan  bakar  [2]. Rotary  air  preheater menukarkan  kalor menggunakan  matriks  sebagai  elemen  penyimpan  panas berputar.  Matriks  dialiri  oleh  gas  buang  dan  udara lingkungan  pada  saluran  berbeda  yang  dibatasi  oleh seal dan mengalir secara berlawanan [3]. Seal secara langsung membatasi  permukaan  matriks  dengan  aliran  udara. Perubahan  sudut seal berdampak  pada  efektifitas  rotary air  preheater.  Jenis Seal yang  memiliki  nilai  efektifitas tinggi  pada rotary  air  preheater adalah annular  sector– shaped [3].

## II. LANDASAN TEORI
A. Regenerator
Regenerator  memiliki  beberapa  paremeter,  antara  lain massa matriks, kapasitas kalor matriks, kerapatan matriks dan kerapatan luas permukaan matriks .
60 N c M C w w r 
(1)
r r w L A M   (2)
m r V A   (3) 4 .   h d  (4)
Keterangan : A r : luas area rotor, m 2
C r : kapasitas kalor matriks, W/K c w : kalor spesifik matriks, J/kg.K d h : diameter hidrolik, m L : kedalaman matriks, m M w : massa matriks, kg N : kecepatan putar rotor, m/s V m : volume matriks, m 3 β        : kerapatan matriks, m 2 / m 3 σ    : rasio free  frontal  area terhadap frontal area
B. Persamaan ε -NTU Evaluasi rotary air preheater menggunakan persamaan ε -NTU  untuk counterflow  regenerators .  Gambar  1 merupakan  grafik  pengaruh  NTU  terhadap  nilai efektifitas pada counterflow regenerator .
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi Mei 2015
Gambar 1. Grafik efektifitas terhadap NTU [3]
        93 , 1 * ) ( 9 1 1 Cr cf   (5) )] 1 ( exp[ 1 )] 1 ( exp[ 1 * * * C NTU C C NTU
cf         (6)
Keterangan : ε : efektifitas rotary air preheater ε cf : efektifitas counterflow
Pada  Persamaan  (6),  Cr*  merupakan  perbandingan nilai  kapasitas  perpindahan  panas  pada  dinding  matriks terhadapa  kapasitas  perpindahan  panas  minimal  yang terjadi.  Pada  Persamaan  (7),  C*  merupakan  rasio kapasitas  perpindahan  panas  minimal  terhadap  kapasitas perpindahan  panas  maksimal  pada  aliran  udara  panas maupun  udara  dingin. NTU merupakan Number Transfer of Unit yang dapat didefinisikan sebagai berikut:
p c m C .   (7) min * C C Cr r  (8)    
          c h hA hA C NTU ) ( 1 ) ( 1 1 1 min (9)
Keterangan : C : kapasitas perpindahan panas, W/K
C min : kapasitas perpindahan panas minimal, W/K
c p : kalor spesifik, W/K h : koefisien perpindahan panas konveksi, W/m 2 .K
C. Seal
Seal berfungsi  sebagai  pembatas  aliran  panas  dan aliran dingin seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. (a) seal dan (b) geometri matriks
Pengaturan  sudut seal mempengaruhi  luasan  area  yang dialiri oleh udara panas maupun udara dingin.
     2     r h c t (10) A A t h c h c   / /  (11) ) ( ) ( )* ( max min sisiC hA sisiC hA hA  (12)
Keterangan  : A :  luas  permukaan  penukar  kalor, m 2
θ c : area sudut pada aliran dingin
θ h : area sudut pada aliran panas θ r : area sudut seal θ t : sudut total π : konstanta, 3,14

## D.Koefisien perpindahan panas konveksi
Analisa matriks didekati dengan persamaan aliran pada saluran.
h d k Nu h . 
(13)
2 2 4 . 4 b a a ab d h    (14)
Keterangan : k : konduktifitas termal, W/m.K Nu : bilangan Nusselt
Pada  pembahasan  ini,  nilai  koefisien  perpindahan panas konveksi yaitu pada sisi aliran udara panas dan sisi aliran  udara  dingin.  Nilai  koefisien  konduksi  didapat berdasarkan temperatur udara ambient yang mengalir.

## E. Segitiga kecepatan
Keceparan  udara  yang  memasuki  matriks  dapat diperoleh  dengan melakukan  pendekatan segitiga kecepatan.  Hal  itu  dikarenakan  matriks  yang  terus berputar  pada  porosnya.  Kecepatan  abolut  adalah kecepatan  udara  yang  tegak  lurus  yang  memasuki matriks.  Sedangkan  kecepatan  relatif  adalah  resultan antara kecepatan absolut dan kecepatan putar matriks.
2 2 u y x   (15)
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi Mei 2015
Keterangan :      x : kecepatan relatif, m/s y : kecepatan absolut, m/s u : kecepatan putar diameter, m/s III. METODE PENELITIAN Perhitungan  dilakukan  dengan  asumsi steady  state dengan  mengabaikan  fenomena  konduksi,  radiasi  dan pressure  drop .  Pada  sistem  dan  lingkungan  tidak  terjadi proses  perpindahan  panas.  Dimensi rotary  air  preheater yang  dievaluasi  memiliki  diameter  505  mm  dengan kedalaman matriks 200 mm. Analisa untuk mendapatkan nilai  koefisien  perpindahan  panas  konveksi  dilakukan pada  satu  penampang  matriks  dengan  jarak  277,5  mm dari poros rotor.
Sudut seal pada  aliran  panas  ditetapkan  sebesar  30°, sedangkan pada  aliran dingin diubah-ubah  mulai dari  0°, 30°, 60°, 90°, dan 120°. Variabel  yang ditentukan dalam evaluasi rotary  air preheater dapat  dilihat  pada  Tabel  1. Variabel  tersebut  diatur  guna  mendapatkan  nilai Cr* yang tetap pada tiap pengaturan sudut seal .

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam  evaluasi rotary  air  preheater nilai  kecepatan realtif sama dengan nilai  kecepatan absolut. Berdasarkan Persamaan  (16),  kecepatan  relatif  memiliki  nilai  sama dengan  kecepatan  absolut  yaitu  1,2  m/s.  Pustaka  [4] menyatakan bahwa bilangan Nusselt    pada matriks sama dengan  bilangan  Nusselt  yang  terdapat  pada  aliran ducting satu  penampang.  Gambar  4  merupakan  grafik bilangan  Nusselt  terhadap  setengah  nilai  sudut  pada segitiga.  Matriks  yang  digunakan  memiliki  sudut  90° pada  kondisi case 1,  yaitu  adiabatik  dan heat  fluks konstan  dengan  nilai  bilangan  Nusselt 2,47.  Berdasarkan persamaan (11), nilai h yang didapatkan dengan bilangan nusselt 2,47 adalah 11,713 W/m 2 K pada sisi  aliran udara panas dan 11,245 W/m 2 K pada sisi aliran udara dingin. Rotary  air  preheater dalam  penelitian  ini  memiliki karakteristik  yang terdapat pada  Tabel 2. Nilai kerapatan luas  permukaan  matriks  674,94  m 2 /m 3 ,  kapasitas  kalor matriks 2,183 W/K,  kalor spesifik  matriks 1,017 J/Kg.K, dan massa matriks 10,738 kg.
Berdasarkan Persamaan (11) dan (12), sudut seal yang dirubah  akan  mempengaruhi  luasan  perpindahan  panas pada  matriks.  Berdasarkan  Persamaan  (10),  nilai  luasan juga  mempengaruhi  nilai  NTU.  Hal  tersebut  disajikan pada Tabel 3, dapat diketahui bahwa nilai efektifitas akan menurun  seiring  dengan  bertambah  besarnya  nilai  sudut seal pada semua nilai C r * .

## Tabel 1. Variabel pengaturan

## Rotary air preheater
Material matriks Alumunium Diameter matriks 505 mm Kedalaman matriks 200 mm Sudut seal aliran panas 30° Sudut seal aliran dingin 0 – 120° Batas kerja Kecepatan putar matriks 12 rpm Laju massa 0,09 – 0,36 kg/s Temperatur masuk aliran panas 47°C Temperatur masuk aliran dingin 32°C
Gambar 4. Bilangan Nusselt pada penampang segitiga[5]
Gambar  7  merupakan  grafik  efektifitas  terhadap perubahan nilai NTU pada Cr* 6, 12, dan 24. Pada grafik tersebut,  nilai  efektifitas  pada  Cr*  6,  12,  dan  24 berhimpitan. Fenomena tersebut sesuai dengan teori pada Gambar 1. Nilai efektifitas yang berhimpitan terjadi pada nilai Cr* lebih dari 5.
Pada  Gambar  8,  nilai  efektifitas  berbanding  terbalik dengan nilai  besar  sudut seal . Sudut seal dengan nilai 0° memiliki  nilai  efektifitas  lebih  besar  dibandingkan dengan sudut seal 120°. Hal tersebut dikarenakan dengan sudut  seal  0°  luas  permukaan  perpindahan  kalor  yang bersentuhan  langsung  dengan  aliran  udara  lebih  besar, sehingga  semakin  besar  kalor  yang  dapat  dipindahkan dari  udara  panas  ke  matriks  maupun  dari  mariks  menuju udara dingin.
Efektifitas rotary air preheater pada nilai Cr* 24 lebih besar dibandingkan pada nilai C r * 6 dan 12 dengan besar sudut seal yang sama. Pada Cr* 24, kecepatan udara yang melewati rotary air preheater adalah 0,5 m/s pada  aliran dingin  dan  1  m/s  pada  aliran  panas.  Fluida  dingin  yang memiliki kecepatan rendah memiliki waktu bersinggungan  dengan  permukaan  matriks  lebih  lama dibandingkan  dengan  fluida  yang  memiliki  kecepatan aliran  lebih  besar,  sehingga  memiliki  laju  perpindahan kalor  yang  besar.  Hal  tersebut  mengakibatkan  kapasitas perpindahan kalor dari matriks menuju udara dingin lebih besar  dibandingkan  dengan  kapasitas  perpindahan  kalor dari udara panas ke matriks,
Tabel 2. Karkteristik rotary air preheater Rotary air preheater Nu 2,47 d hydraulic 5,858 mm h aliran panas 11,713 W/m 2 K h aliran dingin 11,245 W/m 2 K A 21,948 m 2 β 674,94 m 2 /m 3 σ 0,9412 C r 0,806 W/K c w 1,017 J/kgK
Jurnal Fisika Indonesia No: 55, Vol XIX, Edisi Mei 2015
M w
3,964 kg
sehingga  proses  perpindahan  kalor  dapat  terjadi  terus menerus.

## Tabel 3. Nilai Efektifitas
Sudut seal aliran dingin Efektifitas pada C r * 6 12 24 0 0,145 0,273 0,437 30 0,134 0,254 0,411 60 0,121 0,230 0,379 90 0,103 0,199 0,334 120 0,081 0,157 0,271 Pada C r * 12, kecepatan udara yang melewati rotary air preheater adalah 2 m/s pada aliran dingin dan 1 m/s pada aliran  panas.    Pada  kondisi  tersebut  kalor  yang dipindahkan dari udara panas menuju matriks lebih besar dibandingkan  dengan  kalor  yang  dipindahkan  dari matriks menuju udara dingin. Hal tersebut mengakibatkan  matriks  menerima  kalor  sampai  batas kapasitas  perpindahan  kalor  sehingga  tidak  dapat menyerap kalor dari udara panas secara baik.
Pada  Cr* 6, kecepatan  udara  yang  melewati rotary  air preheater pada  aliran  dingin  dan  panas  adalah  2  m/s. Pada  kecepatan  aliran  udara  yang  lebih  tinggi  maka proses  perpindahan  kalor  pada  udara  panas  menuju matriks  maupun  matriks  menuju  udara  dingin  akan menurun.  Menurunnya  laju  perpindahan  panas  tersebut dikarenakan  waktu  bersinggungan  antara  matriks  dan udara terjadi lebih cepat.
Gambar 7. Grafik efektifitas terhadap NTU
Gambar 8. Grafik efektifitas terhadap sudut seal

## V. KESIMPULAN
Kesimpulan  yang didapatkan berdasarkan analisa yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Pada nilai Cr* 6, 12, dan 24 grafik efektifitas terhadap perubahan NTU berhimpitan dan memiliki kecenderungan  meningkat  seiring  semakin  besarnya nilai NTU.
2. Efektifitas rotary  air  preheater dengan  sudut seal 0° pada aliran dingin memiliki nilai tertinggi yaitu 43,7%.
3. Efektifitas rotary air preheater pada nilai Cr* 24 lebih besar dibandingkan dengan Cr* 12 dan 6.
4. Efektifitas rotary  air  preheater dapat  ditingkatkan dengan  cara  menurunkan  kecepatan  aliran  udara  yang melewati matriks.

## PUSTAKA
[1] Heselton  and  E.  Kenneth, Boiler Operation’s Handbook , The Fairmont press inc., 2005.
[2] S.  Eljšan,  N.  Stošić,  A.  Kovačević,  and  I.  Buljubašić, Improvement  of  Energy  Efficiency  of  Coal-fired  Steam
Boilers by Optimizing Working Parameters of Regenerative  Air Preheaters, RAME ,  vol.  2,  2013,  pp.30- 32.
[3] R.K.  Shah  and  D.P.  Sekulic, Fundamentals  of  Heat Exchanfer Design , John Wiley & Sons Inc., 2003.
[4] P.C. Mioralli and M.M. Ganzarolli,    Thermal analysis of a  rotary  regenerator  with  fixed  pressure  drop  or  fixed pumping  power,  Applied  Thermal  Engineering  52,  2013, pp. 187-197.
[5] F.W.  Schimt  and  M.E.  Newell,  Heat  Transfer  in  Fully Developed  Laminar  Flow  through  Rectangular  and Isosceles  Triangular  Ducts, Int.  J.  Heat  Mass  Transfer , vol. 10, 1967, pp. 1121-1123.