design apk shell & tube

Perancangan sebuah alat penukar kalor jenis shell & tube

Deskripsi singkat alat penukar kalor

Alat penukar kalor merupakan salah satu komponen peralatan yang ada di hampir semua jenis instalasi industri.

Alat ini memiliki peran yang sangat vital, karena berbagai sumber energi yang dikonsumsi instalasi industri

kemudian akan diproses menjadi energi panas atau kalor, yang kemudian dipertukarkan dari sebuah sumber atau

fluida ke sumber yang lain. Alat ini merupakan peralatan yang vital karena tanpa menggunakan komponen ini

kebanyakan proses di instalasi industri tidak dapat berlangsung.

Jenis penukar kalor sangatlah beragam dan masing masing dirancang untuk memenuhi kebutuhan yang spesifik.

Namun demikian jenis shell & tube sejauh ini merupakan jenis yang paling banyak dipergunakan berkat

konstruksinya relatif sederhana dan memiliki keandalan karena dapat dioperasikan dengan beberapa jenis fluida

kerja.

Alat tersebut pada pokoknya terdiri dari sebuah vessel silindrik (lihat gambar di bagian bawah) yang merumahi

seberkas pipa penukar kalor di mana di dalamnya mengalir fluida kerja pada temperatur tertentu. Berkas pipa

tersebut terendam di dalam aliran fluida lain yang mempunyai temperatur berbeda. Proses perpindahan panas

yang berlangsung antara fluida yang mengalir di dalam pipa dengan fluida yang mengalir di permukaan luar

berkas pipa berlangsung melalui perantaraan dinding dinding pipa.

1

Oil flow in

Oil flow out

Peran penting perancangan alat penukar kalor:

Konsumsi energi di berbagai instalasi industri di banyak negara termasuk di Indonesia sudah demikian tinggi, dan

dari tahun ke tahun terus meningkat. Sumber energi bahan bakar yang biasa dipergunakan di industri adalah

bahan bakar minyak, gas alam, batubara, dan energi listrik. Bagian terbesar dari energi bahan bakar yang

dipergunakan di berbagai instalasi industri, seperti di industri penyulingan minyak dan gas bumi, pabrik kertas

dan pulp, industri kimia dasar, industri energi, dan lain lain, kemudian diproses dan ditransfer di dalam berbagai

peralatan penukar kalor sebelum akhirnya dibuang ke lingkungan.

Agar penggunaan energi tersebut di atas seefisien mungkin, dan agar kuantitas energi yang dibuang ke

lingkungan seminimal mungkin, maka peralatan penukar kalor yang dipergunkan harus memiliki kemampuan

mentransfer energi panas yang setinggi-tingginya, atau memiliki efektifitas perpindahan panasnya yang tinggi.

Oleh karena itu beragam upaya peningkatan efektifitas proses perpindahan energi panas di dalam peralatan

penukar kalor perlu mendapat perhatian yang serius apabila penghematan energi menjadi suatu prioritas.

Efektifitas perpindahan energi panas pada saat sebuah alat penukar kalor dipergunakan pada suatu instalasi

industri tidak saja bergantung kepada metoda pengoperasiannya tetapi sangat berkaitan erat dengan aspek

perancangannya.

Untuk memperoleh performance yang sebaik-baiknya maka alat penukar kalor harus dirancang dengan cara

yang seksama dan seoptimal mungkin. Oleh karena itu penguasaan metode perancangan sebuah alat penukar

kalor menjadi sangat penting karena akan memberikan kontribusi yang sangat besar kepada upaya peningkatan

performance instalasi industri, yang berarti juga kepada upaya penghematan energi terutama di sektor industri.

Pada bagian di bawah ini dibahas konsep dasar perancangan alat penukar kalor shell & tube, di mana tujuan

utamanya adalah menentukan dimensi utama alat penukar kalor; yaitu luas permukaan perpindahan panas yang

diperlukan untuk melakukan fungsi alat penukar kalor.

2

Konsep dasar perancangan APK

1. Dimensi utama alat penukar kalor

Dimensi utama alat penukar kalor atau jumlah tubes yang diperlukan dapat diestimasikan melalui besarnya luas

permukaan perpindahan panas yang harus tersedia di dalam APK. Besarnya parameter tersebut bergantung

kepada:

a. Beban termal atau laju pertukaran energi panas di dalam APK

b. Beda temperatur rata-rata di antara kedua fluida yang mengalir di dalam APK

c. Koefisien perpindahan panas global atau menyeluruh di dalam APK

Hubungan fungsional di antara ketiga parameter tersebut di atas dapat dinyatakan dengan persamaan:

Q = U . Atotal. LMTD ………………………………………………………………………….. ……(1)

Di mana:

Q : Beban termal atau laju pertukaran energi panas di dalam alat penukar kalor, ( W )

U : koefisien global perpindahan panas di dalam alat penukar kalor, ( W/m2K )

LMTD : beda temperatur rata-rata logaritmik, ( K )

Atotal : luas permukaan perpindahan panas total, ( m2 )

Kemudian, jumlah tubes di dalam APK dapat ditentukan melalui persamaan:

Atotal = π do L N ………………………………………………………………………….. ……(2)

Di mana

do : diameter permukaan luar tube, ( m )

L : panjang tube, ( m )

N : jumlah tubes

2. Beban termal atau laju pertukaran energi panas di dalam alat penukar kalor

Beban termal atau laju perpindahan energi panas di dalam alat penukar kalor, apabila APK dianggap

adiabatik, besarnya sama dengan laju energi panas yang dilepaskan oleh aliran fluida panas, Qh atau sama

dengan laju energi panas yang diterima oleh aliran fluida pendingin,Qc yang mana :

………………………………………………………………………………...

(3)

3

dengan

mh : laju aliran massa fluida panas (kg/s)

cp,h : konstanta panas fluida panas pada tekanan konstan (J/kg.K)

Th,i : temperatur aliran fluida panas masuk APK (K)

Th,o : temperatur aliran fluida panas keluar APK (K)

Dan

………………………………………………………………………………...

(4)

dimana,

mc : laju aliran massa fluida dingin (kg/s)

cp,c : konstanta panas fluida dingin pada tekanan konstan (J/kg.K)

Tc,i : temperatur aliran fluida dingin masuk APK (K)

Tc,o : temperatur aliran fluida dingin keluar APK (K)

3. Beda temperatur rata-rata di antara kedua fluida yang mengalir di dalam APK

Beda temperatur rata-rata di antara kedua fluida yang mengalir di dalam APK atau beda temperatur rata-

rata logaritmik dapat dievaluasi menggunakan persamaan:

……………………………………………………………...

(5)

Di mana

Bagi konfigurasi aliran parallel,

ΔT1 : beda temperatur fluida panas masuk APK dengan temperatur fluida dingin masuk APK

ΔT2: beda temperatur fluida panas keluar APK dengan temperatur fluida dingin keluar APK

Sedangkan bila konfigurasi alirannya berlawanan,

ΔT1 : beda temperatur fluida panas masuk APK dengan temperatur fluida dingin keluar APK

ΔT2: beda temperatur fluida panas keluar APK dengan temperatur fluida dingin masuk APK

Untuk APK dengan konfigurasi aliran yang lainnya, cross flow dan multi pass flow, persamaan tersebut di atas

dapat dipergunakan namun dengan menerapkan factor koreksi.

4

4. Koefisien perpindahan panas global atau menyeluruh di dalam APK

Koefisien global perpindahan panas bagi kedua aliran fluida di dalam alat penukar kalor, U dapat diestimasi

menggunakan persamaan:

…………………………………(6)

Di sini A adalah luas permukaan reference, harganya dapat dipilih sama dengan A i atau Ao. Pada umumnya A

didasarkan pada luas permukaan luar pipa, Ao sehingga:

……………………………………………………(7)

Atau

……………………………………………………(8)

dimana,

hi : koefisien perpindahan panas konveksi aliran di dalam pipa (W/m2K)

ho : koefisien perpindahan panas konveksi aliran fluida di luar pipa (W/m2K)

Ao : luas total permukaan perpindahan panas di luar pipa (m2), dengan Ao = π do L N

Ai : luas total permukaan perpindahan panas di dalam pipa (m2) dengan Ai = π di L N

k : konduktifitas termal bahan pipa (W/mK)

L : panjang pipa (m)

N : jumlah tube

5. Koefisien pe r pindahan panas konveksi aliran fluida di dalam dan di luar pipa

Besarnya koefisien perpindahan panas konveksi aliran fluida di dalam pipa, hi dapat diperoleh melalui

persamaan empirik yang berbentuk bilangan Nusselt, Nu seperti:

5

……………………………………………………………………….(9)

Persamaan di atas berlaku untuk kondisi di mana terdapat perbedaan antara temperatur aliran utama dengan

temperatur permukaan yang cukup besar.

Pada persamaan tersebut harga konstanta n = 0,4 untuk keadaan di mana terjadi pemanasan ke dalam aliran

fluida di dalam pipa. Sedangkan apabila terjadi sebaliknya harga n = 0,3

Kemudian, di adalah panjang karakteristik aliran fluida di dalam pipa, dalam hal ini sama dengan diameter dalam

pipa, Re bilangan Reynolds, dan Pr bilangan Prandlt.

Bilangan Reynolds Re diberikan oleh persamaan :

………………………………………………………………………………………………(10)

dimana :

v : kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)

ρ : massa jenis fluida (kg/m3)

μ : viskositas dinamik fluida (Ns/m2)

Sedangkan bilangan Prandtl, Pr diberikan oleh persamaan :

……………………………………………………………………………………………….(11)

di sini cp adalah konstanta panas fluida pada tekanan konstan.

Kecepatan rata-rata aliran fluida di dalam pipa, dapat ditentukan dari persamaan laju aliran massanya:

…………………………………………………………………………………………(12)

Di mana:

ρ: massa jenis fluida, kg/m3

A: luas penampang aliran fluida di dalam pipa, m2

6. Koefisien pe rp indahan panas konveksi aliran fluida di luar pipa

6

Koefisien perpindahan panas fluida yang mengalir di permukaan luar pipa, ho dapat diestimasi besarnya melalui

persamaan laju perpindahan panas konveksi antara aliran fluida dengan permukaan luar pipa:

………………………………………………………………………………..(13)

dimana,


Ao : luas total permukaan perpindahan panas di luar pipa (m2), dengan Ao = π do L N

Th : temperatur rata-rata aliran fluida di luar pipa (K)

Two : temperatur rata-rata permukaan luar pipa (K)

Pada persamaan di atas, Two dapat dievaluasi dengan menggunakan persamaan laju perpindahan panas

konduksi secara radial dari permukaan luar pipa ke permukaan dalam pipa:

…………………………………………………………………………(14)

dimana,



N : jumlah tube

do : diameter permukaan luar pipa (m)

di : diameter permukaan dalam pipa (m)

Twi : temperature permukaan dalam pipa (K)

Sementara itu, Twi dapat diperoleh dari persamaan laju perpindahan panas konveksi antara permukaan dalam

pipa dengan aliran fluida di dalam pipa:

……………………………………………………………………………………(15)

dimana,


Ai : luas total permukaan perpindahan panas di dalam pipa (m2) dengan Ai = π di L N

Tc : temperature rata-rata aliran fluida di dalam pipa (K)

7. Tahanan termal pengotoran permukaan perpindahan panas di dalam APK

7

Setelah beberapa lama APK dioperasikan maka akan terbentuk lapisan pengotoran atau fouling pada permukaan

perpindahan panasnya. Deposit yang terbentuk umumnya mempunyai konduktivitas termal yang cukup rendah

sehingga akan menyebabkan turunnya laju pertukaran energi panas di dalam APK.

Rf,i : tahanan termal fouling bagi aliran di dalam pipa, m2K/W

Rf,o : tahanan termal fouling bagi aliran di permukaan luar pipa, m2K/W

Pada umumnya fouling dapat diklasifikasikan menurut jenis proses pembentukannya yang dominan :

a. Fouling partikel atau sedimentasi adalah lapisan deposit yang berasal dari partikel partikel yang terangkut di

dalam fluida. Jenis fouling ini dapat juga berkombinasi dengan fouling yang berasal dari senyawa senyawa kimia.

b. Fouling biologi adalah lapisan deposit yang berasal dari senyawa bakteri dan/atau mikroorganisme lainnya.

c. Scaling adalah lapisan crystalline padat yang terbentuk pada permukaan yang berada pada daerah

bertemperatur cukup tinggi. Apabila temperatur permukaan melebihi batas pelarutan dari sebuah larutan yang

mengandung garam (misalnya calsium sulfate, gypsum) maka lapisan kristal padat akan terbentuk.

d. Fouling oleh reaksi kimia, dalam hal ini lapisan deposit yang terbentuk berasal dari hasil reaksi kimia antara

senyawa senyawa yang berada di sekitar permukaan.

e. Korosi, yang merupakan hasil dari reaksi kimia antara senyawa senyawa yang terdapat di fluida kerja dengan

permukaan.

Di dalam praktek, umumnya lapisan fouling yang terbentuk merupakan hasil kombinasi dari beberapa jenis

fouling.

Di dalam proses perancangan harga tahanan termal fouling yang tepat harus dipilih. Harga harga tersebut

umumnya dapat diperoleh dari standar TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) atau dari data data

experimental lainnya. Pemilihan harga faktor fouling tentu saja akan berdampak pada penambahan luas

permukaan yang harus dirancang.

Oleh karena itu untuk memperoleh performance yang optimal harus dipilih harga faktor fouling yang sebaik-

baiknya. Pemilihan harga yang terlalu rendah akan menyebabkan laju pertukaran energi panas menjadi lebih

rendah pada saat deposit terbentuk di permukaan. Sedangkan pemilihan harga yang terlalu tinggi akan

mengakibatkan biaya pembuatan alat menjadi terlalu besar. Harga harga faktor fouling yang khas bagi beberapa

fluida kerja diberikan di dalam sebuah tabel.

8. Pemeriksaan harga Koefisien global perpindahan panas

Pada awal perhitungan, sewaktu akan menentukan dimensi utama APK yaitu luas permukaan perpindahan

panas, harga koefisien global perpindahan panas dipilih berdasarkan saran yang biasa diberikan oleh para

perancang APK.

8

Kemudian, setelah dimensi utama APK diperoleh, koefisien global perpindahan panasnya dievaluasi kembali

menggunakan persamaan empirik yang tersedia (persamaan 8).

Hasilnya kemudian diperbandingkan sampai diperoleh perbedaan yang relatif kecil. Apabila perbedaannya belum

cukup kecil (masih di atas harga tertentu yang kita pilih, misalnya 6%) maka perhitungan perancangan diulang

seperti awal perhitungan, dengan memilih harga koefisien global perpindahan panas yang diperoleh dari

perhitungan dengan menggunakan persamaan empirik.

9

Studi kasus

Untuk membahas secara garis besar langkah-langkah penting yang diperlukan untuk melakukan perhitungan

perancangan termal sebuah alat penukar kalor, APK sebuah studi kasus di bawah ini dipilih.

Sebuah alat penukar kalor Shell & tube, 1 shell pass 2 tube passes dirancang menggunakan tube cupro-nickle

(konduktifitas termal = 19 W/mK).

Diameter dalam tube 16 mm, diameter luarnya 20 mm, panjang pipa/tube 4 m.

Untuk NIM GENAP:

Alat ini direncanakan untuk beroperasi sebagai alat pemanas aliran air 4 kg/s, dari 20 oC menjadi 60 oC.

Sebagai media pemanas, dipergunakan aliran oil 10 kg/s, tersedia pada 160 oC

Untuk NIM GANJIL:

Alat ini direncanakan untuk beroperasi sebagai alat pemanas aliran air 3 kg/s, dari 20 oC menjadi 50 oC.

Sebagai media pemanas, dipergunakan aliran oil 9 kg/s, tersedia pada 150 oC

Tujuan perhitungan perancangan adalah untuk:

1. menentukan dimensi utama alat penukar kalor, yaitu luas permukaan perpindahan panasnya yang

kemudian dapat dikonversikan menjadi jumlah tubes yang diperlukan untuk memenuhi spesifikasi design

yang ditentukan

2. memprediksi besarnya koefisien perpindahan panas konveksi aliran air di dalam tubes

3. memprediksi besarnya koefisien perpindahan panas konveksi aliran di bagian shell

4. memprediksi besarnya koefisien global perpindahan panas di dalam alat penukar kalor secara analitik

5. membandingkan harga koefisien global perpindahan panas yang diperoleh dari hasil perhitungan dengan

yang dipilih di saat awal perhitungan perancangan

10

Perincian perhitungan perancangan

1. Perhitungan l aju perpindahan panas yang diterima oleh aliran fluida air

Laju perpindahan energi panas yang diterima oleh aliran fluida dingin dapat ditentukan melalui persamaan 4:

dengan:

Laju aliran massa air, mc = 4 kg/s

Temperatur aliran air masuk, Tci = 20 oC + 273 = 293 K

Temperatur aliran air keluar, Tco = 60 oC + 273 = 333 K

Data sifat-sifat air yang dievaluasi pada temperatur rata-rata air oC atau 313 K, adalah:

Volume spesifik air = 1,0082 x103 m3/kg

Konstanta panas air pada tekanan konstan, cp = 4,1786 J/kgK

Viskositas dinamik air = 656,6 x 106Ns/m2

Konduktivitas termal air = 631,6 W/mK

Bilangan Prandtl, Pr = 4,344

Maka:

Besarnya laju perpindahan energi panas yang diterima oleh aliran fluida air adalah:

Qc = Qh = 668,6 kJ/s = kW

2. Perhitungan Temperatur aliran oli keluar, T ho

Temperatur aliran oli keluar alat dapat dihitung melalui persamaan 3:

Data aliran fluida oli, memberikan:

Laju aliran massa oli, mh = 10 kg/s

11

Temperatur aliran air masuk, Thi = 20 oC = 293 K

Dengan menganggap alat tersebut di atas adalah adiabatik maka besarnya:

Qh = Qc = 668,6 kJ/s = kW

Sementara itu, sifat-sifat oli yang dievaluasi pada temperatur kira-kira …400 K = 127 oC memberikan

harga cph = 2,337 J/kgK

Maka, melalui persamaan di atas dapat diperoleh:

Besarnya temperatur aliran oli keluar alat tersebut di atas, Tho

Tho = Thi – Qc / mh cph = 405 K = 132 oC

3. Perhitungan Beda temperatur rata-rata logaritmik bagi konfigurasi aliran counter flow

Bagi konfigurasi aliran berlawanan (counter flow), beda temperature rata-rata logaritmik, ΔTm diberikan oleh

persamaan 5:

Bagi persoalan di atas,

ΔT1 = Thi - Tco = 100 oC = 373 K

ΔT2 = Tho - Tci = 112 oC = 385 K

Maka diperoleh:

ΔTm = 105,078 K

4. Faktor koreksi untuk konfigurasi shell & tube: 1 shell pass, 2 tube passes

Faktor koreksinya dapat ditentukan dengan menggunakan data yang sesuai dengan harga-harga parameter P

dan R sebagai berikut:

P = 0,285

R = 0,7

Dari data grafik faktor koreksi untuk shell & tube, diperoleh:

12

Fc = 1

Sehingga, beda temperatur rata-rata logaritmik sebenarnya pada alat tersebut di atas adalah:

LMTD = Fc . ΔTm = 0,9 (105,078 oC) = 94,5 oC = 367 K

5. Pemilihan harga Koefisien global perpindahan panas U (untuk awal perhitungan)

Bagi keperluan perhitungan perancangan, harga koefisien global perpindahan panas,U mula-mula dipilih sesuai

dengan yang disarankan (lihat tabel koefisien perpindahan panas U untuk beragam konfigurasi aliran fluida).

Bagi konfigurasi aliran air pendingin dengan aliran fluida panas oil di dalam sebuah alat penukar kalor shell &

tube harga koefisien U dapat dipilih di antara harga : 60 - 300 W/m2K

Sebagai awal, untuk perhitungan ini dipilih harga U = 150. W/m2K

6. Jumlah tubes yang diperlukan

Jumlah tubes (N) yang diperlukan bagi spesifikasi design tersebut di atas dapat diperoleh dari persamaan 2

tentang luas permukaan perpindahan panas total, Atotal

Atotal = π do L N

Sementara itu, luas permukaan perpindahan panas dapat diperoleh dari persamaan 1 tentang laju pertukaran

energi panas di dalam alat penukar kalor

Q = U . Atotal. LMTD

Maka, dengan menggunakan:

Q = Qh = Qc = 668,6 kJ/s = 668600 W

U = 150 W/m2K

LMTD = 367 K

Diperoleh:

13

Atotal = Q / U.LMTD = 12 m2

Kemudian,

dengan do = 20 mm = 0,02 m, dan L = 222 m maka diperoleh:

Jumlah tubes yang diperlukan, N = Atotal / π do L = 56 tubes

Evaluasi harga koefisien global perpindahan panas, U

7. Perhitungan Koefisien peprindahan panas konveksi aliran air di dalam pipa, h i

Dalam perhitungan perancangan besarnya koefisien tersebut biasanya diperoleh melalui persamaan persamaan

empirik yang berbentuk bilangan Nusselt, Nu.

Karena di dalam aliran fluida terdapat kondisi di mana perbedaan antara temperatur aliran utama dengan

temperatur permukaan cukup besar maka dipilih persamaan 9 :

dimana n = 0.4 untuk keadaan di mana terjadi pemanasan ke dalam aliran fluida di dalam pipa, di adalah panjang

karakteristik aliran fluida di dalam pipa, dalam hal ini sama dengan diameter dalam pipa, Re bilangan Reynolds,

dan Pr bilangan Prandlt.

Bilangan Reynolds Re diberikan oleh persamaan 10:

dimana :

v : kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)

ρ : massa jenis fluida (kg/m3)

μ : viskositas dinamik fluida (Ns/m2)

Sedangkan bilangan Prandtl, Pr diberikan oleh persamaan 11:

14

di sini cp adalah konstanta panas fluida pada tekanan konstan.

Kecepatan rata-rata aliran fluida di dalam pipa dapat ditentukan dari laju aliran massa fluida di dalam sebuah

pipa, mc massa jenis fluida, ρ dan luas penampang aliran fluida di dalam pipa, A

Dari tabel sifat-sifat air fungsi temperatur memberikan data:

(sifat-sifat air yang dievaluasi pada temperatur rata-rata air C atau 313 K):

Volume spesifik air = 1,009 x 10-3 ( m3/kg )

Konstanta panas air pada tekanan konstan, cp = 4,179 ( J/kgK)

Viskositas dinamik air = 631 x 10-6 ( Ns/m2 )

Konduktivitas termal air = 634 x 103 ( W/mK)

Bilangan Prandtl, Pr = 4,16

Kemudian,

dengan di = 16 mm = 0,016 m, diperoleh Ai = 2 x 10-4 (m2)

dan dengan mair = 4 kg/s, serta ρ = 1 / 1,009 x 10-3 ( m3/kg )

maka dapat diperoleh:

kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa, v = 0.360357 m/s.

Selanjutnya, bilangan Reynolds dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 10:

Dengan menggunakan data-data:

ρ = 1 / vol.spesifik air

V rata-rata aliran di dalam pipa = 0.360357 (m/s).

di = 16 mm = 0,016 ( m )

Viskositas dinamik air = 631 x 106 (Ns/m2)

Maka dapat diperoleh besarnya bilangan Reynolds, Re = 9055,9

Bilangan Nusselt dapat dihitung menggunakan persamaan 9:

15

Dengan Re = 9055,915 dan Pr = 1,768631 maka diperoleh Nu = 59

Akhirnya, koeffisien perpindahan panas konveksi aliran di dalam pipa, hi dapat dihitung melalui persamaan :

Atau

Dengan:

Konduktivitas termal air, kf = ......................... W/mK

di = ……………. mm = ……………………m

Nu = …………………..

Maka diperoleh harga koefisien, hi = ……………………… W/m2K

8. Perhitungan Koefisien peprindahan panas konveksi aliran oli di luar pipa, h o

Koefisien perpindahan panas fluida yang mengalir di bagian shell atau di permukaan luar pipa, ho dapat

diestimasi besarnya melalui persamaan laju perpindahan panas konveksi antara aliran fluida panas oli dengan

permukaan luar pipa:

dimana,


Ao : luas total permukaan perpindahan panas di luar pipa (m2)

Th : temperature rata-rata aliran fluida di luar pipa (K)

Two : temperatur rata-rata permukaan luar pipa (K)

Dalam hal ini,

besarnya Qo dapat dianggap sama dengan Q = Qh = Qc = …………………….. J/s = W

Ao = luas total permukaan luar seluruh pipa, Ao = π do L N

16

Th = ( Thi + Tho ) / 2 = ……………………..K

Sedangkan, Two diperoleh dari persamaan laju perpindahan panas konduksi secara radial dari permukaan luar

pipa ke permukaan dalam pipa:

dimana,



N : jumlah tube

do : diameter permukaan luar pipa (m)

di : diameter permukaan dalam pipa (m)

Twi : temperature permukaan dalam pipa (K)

Sementara itu, Twi diperoleh dari persamaan laju perpindahan panas konveksi antara permukaan dalam pipa

dengan aliran fluida di dalam pipa:

dimana,


Ai : luas total permukaan perpindahan panas di dalam pipa (m2)

Tc : temperature rata-rata aliran fluida di dalam pipa (K)

Langkah perhitungannya adalah sebagai berikut:

Dengan menggunakan

Qi = Qh = Qc = …………………….. J/s = W

Ai = π di L N = …………………….. m2

Tc = ( Tci + Tco ) / 2 = ……………… K

hi = …………………………………. W/m2K

dan dengan menggunakan persamaan:

maka diperoleh Twi = ………………...K

Kemudian,

17

dengan menggunakan

k : konduktifitas termal bahan pipa = ………………….. W/mK

L : panjang pipa = 4 m

N : jumlah tube = …………………… tubes

do : diameter permukaan luar pipa = 0,020 m

di : diameter permukaan dalam pipa = 0,016 m

Twi : temperature permukaan dalam pipa = ………………………… K

Dan dengan menggunakan persamaan :

Maka diperoleh: Two = ……………………. K

Selanjutnya,

Dengan menggunakan

Qo = Qh = Qc = ……………………………. J/s = W

Ao = π do L N = …………………………… m2

Th = ( Thi + Tho ) / 2 = ……………………… K

Two = …………………. K

Dan dengan menggunakan persamaan :

Maka diperoleh: ho = ……………………………………… W/m2K

9. Perhitungan Koefisien global perpindahan panas di dalam alat penukar kalor, U

Koefisien global perpindahan panas bagi kedua aliran fluida di dalam alat penukar kalor, U dapat diestimasi


Selanjutnya, dengan menggunakan harga-harga berbagai parameter yang telah dihitung sebelum ini

hi = …………………….. W/m2K

18

ho = …………………….. W/m2K

k = 19 W/mK

L = 4 m

N = ……………………… tubes

do = 0,020 m

di = 0,016 m

Ao = …………………….. m2

Ai = ……………………… m2

Dan

Sesuai dengan saran tabel TEMA:

Rfi untuk aliran air di dalam pipa, dipilih = 0,000220 m2K/W

Rfo untuk aliran oli di bagian shell, dipilih = 0,000176 m2K/W

Kemudian, dengan menggunakan persamaan:

diperoleh harga koefisien global, U = ……………………….. W/m2K

Koefisien global perpindahan panas hasil perhitungan menggunakan berbagai persamaan di atas yang sifatnya

pendekatan memberikan harga sebesar U = …………………… W/m2K.

Sedangkan di awal perhitungan, sewaktu akan menghitung luas permukaan perpindahan panas (dimensi alat),

telah dipilih harga awal koefisien global perpindahan panas sebesar U = …………… W/m2K.

Perbedaan di antara kedua harga tersebut adalah:

= …………………………%

Jadi pemilihan harga U = ……………. W/m2K pada awal perhitungan dapat dikatakan masih dalam batas-batas

yang wajar, yaitu memberikan harga perbedaan di bawah …………%.

Artinya dimensi alat hasil perhitungan design tersebut di atas yaitu N = ……… tubes sudah cukup baik.

Metode Efektifitas perpindahan panas, ε dan NTU (Number of transfer Unit)

19

Efektifitas perpindahan energi panas, ε di dalam sebuah APK adalah perbandingan antara laju pertukaran energi

panas yang sebenarnya terjadi, Qactual terhadap laju pertukaran energi panas maximum, Qmax yang dapat terjadi

pada alat tersebut :

Laju pertukaran energi panas maksimal yang mungkin terjadi, secara prinsip dapat dicapai pada sebuah APK

jenis aliran berlawanan (counter flow) dan besarnya dapat diestimasi dengan menggunakan persamaan berikut :

Dalam persamaan tersebut Cmin adalah laju kapasitas panas yang minimum di antara Cc dan Ch di mana:

Laju kapasitas panas aliran fluida pendingin, Cc

sedangkan laju kapasitas panas aliran fluida panas, Ch

Kemudian, Harga efektifitas ε bagi berbagai APK merupakan fungsi dari bilangan NTU, Cmax dan Cmin.

NTU adalah sebuah parameter yang diberikan oleh persamaan :

Hubungan antara efektifitas ε dan NTU untuk berbagai jenis APK telah tersedia di dalam literatur tentang APK,

biasanya berupa grafik atau tabel persamaan empirik.

Untuk APK shell & tube, dengan one shell pass, 2,4,6 tube passes, persamaannya adalah:

Prediksi performance APK saat mulai dioperasikan menggunakan

Metode Efektifitas perpindahan panas, ε dan NTU

20

Apabila sebuah APK yang telah selesai dirancang, kemudian dipasang pada suatu instalasi proses industri dan

dioperasikan pada kondisi di mana temperatur dan laju aliran fluida panasnya ditetapkan sama dengan harga

temperatur dan laju aliran fluida panas yang ada pada perancangannya; juga temperatur dan laju aliran fluida

pendinginnya ditetapkan sama dengan harga temperatur dan laju aliran fluida pendingin yang ada pada

perancangannya, maka fokus perhatian prediksi performance APK adalah pada harga temperatur aliran fluida

panas dan temperatur aliran fluida pendingin saat keluar APK fungsi dari waktu pengoperasiannya.

Kedua harga parameter tersebut dapat dievaluasi dari harga laju pertukaran energi panas yang sebenarnya

terjadi, Qactual pada kondisi awal pengoperasian:

Dengan:

Kemudian, apabila harga efektifitas perpindahan panas,ε pada awal pengoperasiannya sudah diketahui maka

harga Qact dapat ditentukan.

Setelah itu, harga temperatur aliran fluida panas keluar, Tho dan temperatur aliran fluida pendingin keluar, Tco

saat awal pengoperasiannya dapat ditentukan melalui persamaan berikut:

Dan

Harga efektifitas perpindahan panas,ε dapat dievaluasi dengan menggunakan persamaan:

Dengan:

21

Dan

Harga NTU di atas dievaluasi berdasarkan harga koefisien U yang berubah dengan waktu pengoperasian.

Selama pengoperasian sebuah APK, harga koefisien global perpindahan panasnya dapat dievaluasi dengan


Dengan:

Pada awal pengoperasian, kondisi permukaan perpindahan panas di dalam APK masih dalam keadaan bersih

sehingga:

Kemudian, dengan berjalannya waktu pengoperasian pengotoran permukaan akan terjadi dan tebal lapisan

fouling akan bertumbuh secara bertahap.

Perhitungan Prediksi performance APK saat mulai dioperasikan

APK yang menjadi objek studi prediksi performancenya akan dioperasikan pada kondisi di mana temperatur dan

laju aliran fluida panasnya ditetapkan sama dengan harga temperatur dan laju aliran fluida panas yang ada pada

perancangannya, yaitu:

Thi = ……………….oC = ………………………..K

mh = …………………..kg/s

22

Temperatur dan laju aliran fluida pendinginnya juga akan dioperasikan sebesar harga temperatur dan laju aliran

fluida pendingin yang ada pada perancangannya, yaitu:

Tci = ……………….oC = ………………………..K

mc = …………………..kg/s

Fokus perhitungan prediksi performance APK adalah pada harga temperatur aliran fluida panas dan temperatur

aliran fluida pendingin saat keluar APK fungsi dari waktu pengoperasiannya, yang berarti fungsi dari kenaikan

harga tahanan termal fouling.

Harga tahanan termal fouling total bagi kedua fluida kerja yang telah dipilih saat perhitungan perancangan adalah

sebesar 0,000396 m2K/W

(Rfi untuk aliran air di dalam pipa, dipilih = 0,000220 m2K/W dan Rfo untuk aliran oli di bagian shell, dipilih =

0,000176 m2K/W).

Pada saat mulai dioperasikan:

a. Dimensi utama APK adalah equivalen dengan luas permukaan, A = …………………..m2

b. Kondisi permukaan perpindahan panasnya dalam keadaan bersih, sehingga U = Uclean =

……………….W/m2K

I. Pada saat start: t = 0

1. Perhitungan koefisien perpindahan panas global

Pada saat start: t = 0 , sehingga:

Atau

U = ……………………….W/m2 K

2. Perhitungan kapasitas panas kedua aliran fluida

Ch = mh cph =…………………………………….

23

Cc = mc cpc =…………………………………….

Maka,

Cmin =…………………………..

=………………………….

3. Perhitungan laju perpindahan panas maksimum

=…………………………………………..

4. Perhitungan NTU

=…………………………………………………

5. Perhitungan efektifitas perpindahan panas

=…………………………………….

6. Perhitungan laju perpindahan panas aktual

=…………………………………………….

7. Perhitungan temperatur keluar APK kedua aliran fluida

24

=……………………………………………………….

Dan

=…………………………………………………………..

Selanjutnya,

Karena harga tahanan termal fouling total bagi kedua fluida kerja yang telah dipilih saat perhitungan perancangan

adalah sebesar 0,000396 m2K/W, maka

II. Pada saat start: t = t1 dipilih =…………………………..


sehingga:

Atau

U = ……………………….W/m2 K


Ch = mh cph =…………………………………….

Cc = mc cpc =…………………………………….

Maka,

Cmin =…………………………..

=………………………….

25


=…………………………………………..

4. Perhitungan NTU

=…………………………………………………


=…………………………………….


=…………………………………………….


=……………………………………………………….

Dan

=…………………………………………………………..

III. Pada saat start: t = t2 dipilih =…………………………..


26

sehingga:

Atau

U = ……………………….W/m2 K


Ch = mh cph =…………………………………….

Cc = mc cpc =…………………………………….

Maka,

Cmin =…………………………..

=………………………….


=…………………………………………..

4. Perhitungan NTU

=…………………………………………………


27

=…………………………………….


=…………………………………………….


=……………………………………………………….

Dan

=…………………………………………………………..

28

design apk shell & tube

Documents