penyelesaian desain manual heat exchanger

8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger

1/26

UJIAN AKHIR SEMESTER MATA KULIAH

PERPINDAHAN PANAS 1

DISUSUN OLEH:

WAHYUDI SAPUTRA GULTOM

03031181320023

DOSEN PENGUJI: PROF. DR. IR. H. M. DJONI BUSTAN M.ENG

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SRIWIJAYA


2/26

KEMENTRIAN RISET TEKNOLOGI PENDIDIKAN TINGGIUNIVERSITAS SRIWIJAYA

FAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK KIMIA

Jln. Raya Prabumuli Km.!" In#$ralaya

Mata Pelajaran : Perpindahan Panas I Tanggal : 3 Desember 2015 Jam : 13.00 – 14.30!ang :D"sen Peng!ji : Pr"#. Dr.Ir.M.Dj"ni $!stan M.%ng

Min&a' pel!mas a'an didingin'an dari tempert!r 100 0( 'e )00( dengan

mengg!na'an air sebagai media pendingin. *aj! masa alir min&a'

pel!mas dan air masing –masing 1 'g+det. dan 2 'g+det. Temperat!rmas!' air pendingin diat!r tetap pada temperat!r 300(.

Data si#at,si#at -si'a Min&a' Pel!mas adalah sebagai beri'!t

ρ 00 'g+m3

(p 1/00 J+'g.

µ 1 10,5 m2+det.

0134 +m.

Pr 140

anang Perenanaan Panas Thermal Design6 7hell and T!be &ang

m!ng'in dengan standar T%M8.

(atatan :

1. $!atlah as!msi,as!msi &ang pr"p"rsi"nal dengan 'einginan

pr"ses diatas.

2. $!atlah senari" perenanaan panas Thermal Design 7enari"6&ang benar3. (ant!m'an re#erensi r!m!s,r!m!s dan gra-' serta si#at,si#at

-si'a &ang dig!na'an4. erja'an ses!ai dengan l"gi'a asa!dara sendiri tanpa har!s

mema'ai l"gi'a "rang lain

Pe!e"e#$%$

Langkah – langkah yang harus dilakukan dalam mendesai HE sebagai berikut :


3/26

1. Tentukan Kerja dari HE: tingkat perpindahan panas, fluid flo–rates, temperatures,

suhu.

!. "engumpulkan sifat fisik fluida yang diperlukan: kerapatan, #iskositas, kondukti#itas

termal.

$. Tentukan jenis penukar yang akan digunakan.

%. &ilih nilai per'obaan untuk koefisien keseluruhan, (.

). "enghitung perbedaan suhu rata*rata, ∆ Tm.

+. "enghitung luas diperlukan dari persamaan 1!.1 oulson -i'hardson s hemi'al

Engineering. ol. + hemi'al Engineering /esign %th Ed

& ' U A T(

0. "emutuskan tata letak penukar.

. "enghitung koefisien indi#idu.

2. Hitung koefisien keseluruhan dan bandingkan dengan nilai per'obaan. 3ika nilai yang

dihitung berbeda se'ara signifikan dari nilai estimasi, menggantikan dihitung untuk

nilai estimasi dan kembali ke langkah +.

14. Hitung penurunan tekanan penukar5 jika tidak memuaskan kembali ke langkah 0 atau

% atau $, dalam urutan preferensi.

11. "engoptimalkan desain: ulangi langkah % sampai 14, yang diperlukan, untuk

menentukan penukar termurah yang akan memuaskan tugas. 6iasanya ini akan

menjadi satu dengan ilayah terke'il.

L$)*$+ 1: menggumpulkan physi'al properties

dan /utya7 "inyak pelumas

• Temperatur masuk pelumas 8 144o

• Temperatur keluar pelumas 8 +4o

• 9lorate pelumas 8 1 kgs

• /ensitas,

p 8 44 kgm$

• ;pe'ifi' heat,

p 8 1244 3kg.K

8 1,2 k3kg.K

• iskositas,

< 8 1=14*) m!det

• K 8 4,1$% >m.K

• &r 8 1%4


4/26

b7 ?ir

• Temperatur masuk air 8 $4o

100−Tout =2 x 800 x(60−30)1 x 1000 x ¿

Tout =100−48

• Temperatur keluar air 8 )!o

• 9lorate air 8 ! kgs

• &ada $4o:

;pe'ifi' heat 8 %,10 k3kg.K

/ensity 8 22),01 kgm$

• Kondukti#itas termal 8 4,+1)% >m.K

'7 "embuat asumsi proses pendinginan pada HE

?sumsi: * minyak pelumas dalam tube

* air dalam shell

/uty pada minyak pelumas:

Duty=m x C p x(T 2 – T 2)

Duty=1kg

s x1,9

kJ

kgK x (373,15 K −333,15 K )

¿76 kJ

s

¿76kW

L$)*$+ 2 : &hysi'al &roperties

Kondukti#itas termal 'arbon steel, ma= 4,)@ 8 )$,++1 >m.K


5/26

L$)*$+ 3 : &erkiraan nilai Overall Coefficient

"inyak pelumas memiliki kadar !4*)4 yang termasuk ke dalam tipe heavy oil .

/engan fluida panas minyak pelumas, dan fluida dingin air, maka initial #alue ini didapat

dari ,%)-e 12.1 /$$ +$"$($ 3 $% -*- 45-"#5.

Kondukti#itas termal pelumas Ahea#y oil7 8 4,1$% >m.K 8 1$,% >m!o

Kondukti#itas termal air Alingkungan7 8 +,1)% >m.K 8 +1),% >m!o

/ari garis, didapatlah ( 8 +4 >m!o


6/26

"$)*$+ 6 : 3umlah lintasan di shell and tube dan mean

temperatur AL"T/7

Ke'epatan fluida tube maksimum untuk menghambat terjadi fouling adalah

14 – 1) fts.

;edangkan ke'epatan fluida shell adalah

1 – $ fts.

LMTD=∆ T A−∆ T B

ln( ∆ T A∆ T B )

3ika aliran minyak pelumas dan air masuk dari sisi yang sama, nilai L"T/ akan menjadi:

LMTD=(100−30 )−(60−52)

ln(100−3060−52 ) LMTD=28,584℃

Tetapi, jika aliran minyak pelumas dan air masuk dari sisi yang berbeda, nilai L"T/ akan

berbeda lagi, menjadi:

LMTD=(100−52)−(60−30)

ln( 100−5260−30 ) LMTD=38,298℃

/isini kita 'oba asumsikan baha aliran fluida panas dan dingin yang masuk dari sisi yang

berbeda, sehingga L"T/ yang diambil adalah L"T/ atau BTL" 8 $,!2o.

R=100−5260−30

=1,6


7/26

S= 52−30100−30

=0,314

3ika diasumsikan lintasan shell satu dan dua atau lebih lintasan tube, maka 'orre'tion fa'tor

di'ari dengan fig 1!.12

/engan - 8 1,+ dan ; 8 4,$1% didapat 9t 8 4,2!

3ika menggunakan dua lintasan shell, dan lebih dari % lintasan tube, maka 9t di'ari dari fig

1!.!4


8/26

/idapat 9t 8 4,2

3ika diasumsikan baha digunakan satu lintasan shell, maka 9t 8 4,2!. ;ehingga:

∆ Tm=0,92 x38,298℃=35,142℃

T' pada tube:

Tc=100+60

2 =80℃

L$)*$+ 7: Luas transfer panas heat e='hanger

A= duty

UxLMTD

/ari perhitungan sebelumnya, didapat data:


9/26

duty 8 0+ k>

8 0+444 >

( 8 +4 >m!o

L"T/ 8 $),1%! o

sehingga trial area:

A= 76000W

60W /m2℃ x 35,142℃=36,044 m2

"$)*$+ : Tipe heat e='hanger


10/26

&elumas memiliki rantai karbon !4*)4, sehingga tergolong hea#y hydro'arbons. ?ir yang

diasumsi disini adalah 'ooling ater.

/idapatlah fouling fa'tor pada pelumas 8 4,444)

9ouling fa'tor pada air 8 4,44410

Karena fouling fa'tor pada pelumas lebih besar, maka aliran yang masuk ke dalam tube

adalah minyak pelumas, dan aliran yang masuk ke dalam shell adalah air pendingin. (ntuk

bahan konstruksi shell and tube, digunakan 'arbon steel. (ntuk meningkatkan efisiensi dan

kemudahan dalam membersihkan, digunakan split*ring floating head e='hanger.

L$)*$+ : 3umlah tube

;pesifikasi tube :


11/26

1+ mm !4 mm

%, m

Triangular pit'h

;pesifikasi tube:

• /iameter luar Ao.d7 8 !4 mm

• /iameter dalam Ai.d7 8 1+ mm

• &anjang tube AL7 8 %, m

• &anjang tube jika dihitung dengan tubesheet 8 %,$ m

• Triangular pit'h 1,!)4 o.d

• 3umlah pass 8 !

• learan'e A7 8 &t – o.d

Luas satu tube , A o= L x o d x !

Ao=4,83 x20 x10−3

x ! =0,303m2


12/26

"um#a$tube , %t = A

Ao

"um#a$tube=36,044

0,303 =118,957&119

?sumsi jumlah tube adalah 112.

L$)*$+ 8: /iameter shell dan bundle

/engan menggunakan triangular pit'h 1,!) karena air yang digunakan diasumsikan 'lean,

dua lintasan shell. /idapatlah nilai K 1 dan n1 pada tabel 1!.%:

K 1 8 4,!%2

n1 8 !,!40

&t 8 1,!) = o.d 8 1,!) = !4 mm 8 !) mm

bu'd#e d(amete) , Db=o d ( %t K 1 )1 /'

Db=20 x ( 1190,249 )1/2,207

=327,380mm=0,33m


13/26

/engan asumsi split*ring floating head, didapat angka )%. ;ehingga shell inside diameter

A/s7 adalah sebagai berikut:

/iameter shell inside 8 bundle diameter A/b7 C bundle diameter 'learan'e

/s 8 $!0,$4 C )% 8 $1,$ mm

"$)*$+ : Koefisien perpindahan panas bagian shell

Koefisien heat transfer:

Tube pit'h, &t 8 1,!) o.d 8 1,!) = !4 8 !) mm

bu**#e spac('g= Ds

5=

381,38

5=76,276mm


14/26

c)oss *#o+ a)ea=( t −od ) x Ds x Lb

t

(25−20 ) x381,38 x 356 x 10−6

c)oss *#o+ a)ea=¿ ¿25=0,0272

"ass #elo'ity, Ds:

-s=Ws

As =

1kg /s0,062

=16,13kg/m2 s

Eui#alent diameter, de:

de=1,10

o d x ( t 2− %t 10−3 x 202)

de=1,10

20(252−0,119 x202 )=31,757mm=0,032m

"ean shell temperatur:

mea' s$e## tempe)atu)e=30+52

2 =41℃

< pada %1o 8 4,444+%1 kgm.s

Filai -eynold number, -e:

ℜ=-s xo d

.

ℜ=16,13 x20 x10

−3

0,000641 =503,276&5,03 x102

&randtl number, &r:

)=Cp x .

K

)=4,178 x0,000641 x1000

0,6154=4,35

∅ s= .

.W =1


15/26

/engan -e 8 ),4$ = 14! didapat 3h 8 $,! = 14*!

Gdeal bank 'oeffi'ient:

$oc=J$ x K

D xℜ x )1 /3 x∅ s

$oc=3,2 x10−2

x 0,6154

20 x 10−3

x 503,276 x 4,351 /3

x 1

$oc=808,935W /m2 K

Tube ro 'orre'tion fa'tor A9n7:

* Tube #erti'al pit'h

&t 8 4,0 = &t 8 4,0 = !) 8 !1,0) mm

* 6affle 'ut heightH' 8 6' = /s 8 4,!) = $1,$ 8 2),$%) mm

* Height beteen baffle tips 8 $1,$ – A! = 1447 8 11,$

%c/=181,38

21,75 =8,34


16/26

/engan F'# 8 ,$% didapatlah 9n 8 4,2

>indo 'orre'tion fa'tor, 9:

* 6affle 'ut 8 4,!)

* 0b=

Db

2 − Ds(0,5−Bc)

0b= 327,3802

−(381,38 (0,5−0,25 ) )=68,345 &70

* 6undle 'ut 870

381,38 x100=18,35

/ari gambar 1!.%1, dengan bundle 'ut 4,1 didapat -a 8 4,1!

* Tube in one indo area

F 8 Ft = -a

F 8 112 = 4,1!

F 8 1%,!* Tube in 'ross flo area


17/26

F' 8 Ft – ! = F

F' 8 112 – A! = 1%,!7

F' 8 24,%%

R+=2 %+

%t =2 x 14,28

119 =0,24

Filai 9 dapat di'ari dengan memasukkan - 8 4,!% ke grafik gambar 1!.$$ dibaah ini:

/idapatlah 9 8 1,11

6ypass 'orre'tion, 9b:

* ?b 8 6 = A/s – /b7?b 8 $)+ = A$1,$ – $!0,$47 8 4,12

Ab

As=

0,19

0,062=3,06

6ilangan reynolds, -e I 144, 9 8 1,$) karena aliran turbulen.

1b=exp (−2 x Ab As (1−( 2 %s %c/ )1

3))

1b=exp (−1,35 x 3,06 x (1−( 2 %s %c/ )1

3))=0,016Karena nilainya sangat rendah, dibutuhkan sealing strips sebanyak ! pada tiap ) ro.

%s

%c/=

2

5

"aka:


18/26

1b=exp (−2 x Ab As (1−( 2 %s %c/ )1

3))

1b=exp

(−1,35 x 3,06 x (

1−(2 x2

5

)1

3

))=0,744

Leakage 'orre'tion, 9L:

/isini digunakan 'learan'e sebagai standar spesifikasi menurut buku TE"?.

* Tube to baffle 1$! in 8 4, mm At7

* 6affle to tube $1+ in 8 %, mm As7

A tb=Ct x ! x o d

2 x ( %t − %+)

A tb=0,8 x ! x 20

2 (119−14,28 )

A tb=2630,56m m2=0,0026m2

/idapat radian b 8 1,2

Asb=Csx Ds

2 x (2! −3b)


19/26

Asb=4,8 x381,38

2 x (2 x3,14−1,89 )=4018,219 mm2=0,00402 m2

?L 8 ?tb C ?sb

?L 8 4,44!+ C 4,44%4! 8 4,44++! mm!

A L

As=0,00662

0,062 =0,1068

&ada grafik di gambar 1!.$), dengan ?l?s 8 4,14+, didapat 4 L 8 4,1+. ;ehingga 9L

dapat di'ari:

1 L=1− 4 L [ Atb+2 Asb A L ] 1 L=1−0,16 [ 0,0026+2 x0,004020,00662 ]=0,74

;hell side 'oeffi'ient:

$s=$oc x * ' x * + x * b x * L

$s=808,935 W

mK x 0,98 x1,11 x0,744 x 0,74=484,47W /m2 K


20/26

L$)*$+ 10 Koefisien perpindahan panas bagian tube

"inyak pelumas masuk tube pada temperatur 144o dan keluar tube pada temperatur +4o

mea' +ate) temp, tc=100+60

2=80℃

Tube 'ross*se'tional area, ?t:

A 5 t =1

4!( d

2

A 5 t =1

4

x ! x (16 x 10−3)2=0,0002096 m2

At = %t x A

5 t

'

At =119 x0,0002096

2 =0,01247m2

3umlah tube per pass 8119

2 =59,5&60tubes

"ass florate #elo'ity, Dt:

¿=*#o+)ate

At

¿= 1kg/ s

0,01247m2=80,192 kg/m2 s

Heat transfer fa'tor, 3h:

* -eynold Fumbers, -e

ℜ=¿ x (d

.

ℜ=(80,192 kg/m2 s x16 x 10−3 m)

1 x10−5

m2/s

=128307,2&1,3 x105

* &randtl Fumbers, &r

)=Cp x .

K


21/26

)=1900 kJ /kgK x1 x10−5m2/s

0,134W /mK =0,142

L

(d=

4,83m

16 x10

−3

m

=301,875 &302

3ika nilai -e 8 1,$ = 14), nilai 3h pada tube side dengan aliran minyak pelumas dapat di'ari

sebagai berikut:

/idapatlah nilai 3h 8 %,! = 14*$

3t =( . .W )0.14

=1

Koefisien heat transfer, ht:

$t =J$ x K xℜ x )1 /3 x 3t

( d

$t =4,2 x10−3

x0,134 x 128307,2 x0,1421 /3

x116 x10

−3 =2354,6W /m2 K

o#erall 'oeffi'ient:

1

U =( 1$o + 1$od+o d ln

od

(d

2kW )+ od(d ( 1$d + od(d ) x 1$(( 8 4,41$))) >m!o


22/26

U o= 1

0,013555=73,8W / M 2℃

U o<U o ca#−U o ass

U o ass


23/26

&ersamaan #iskositas diabaikain, sehingga:

∆ (=8 x J * x %c/ x 6 U s2( . .W )

0.14

∆ (=8 x1,6 x 8,34 x 800 x0,022

2=17,08 % /m2

/engan 2 =4

1 5 b=exp(−2x Ab As (1−( 2 %s %c/ )

1

3 ))

1 5 b=exp

(−4 x 3,06

(1−(

2 x2

5

)

1

3

))9b 8 4,%1+

/engan ?L?; 8 4,14+ yang didapat dari perhitungan sebelumnya, didapat 45 L=0,29

1 5 L=1− 4 5 L [ Atb+2 Asb AL ]


24/26

1 5 #=1−0,29 ( 0,0026+(2 x0,00402)0,0062 )=0,534

∆ c=∆ ( x 1 5 bx 15 #

∆ c=17,08 x0,416 x0,534

∆ c=3,794 %

m2

>indos one:

/engan baffle 'ut !)@ A4,!)7 diperoleh -a 8 4,12

∆ W =

(

!xD s2

4

xRa

)−

(

%+ ( !xod2 )

4

)∆ W =( !x381,38

2

4 x 0,19)−( 14,28 ( !x20

2 )4 )=17210,053

∆ W =17,210 x 10−3 mm2=0,01721 m2

∆ U+= W

∆ W6


25/26

∆ U+= 1kg /s

0,01721m2 x800kg /m3

=0,073m /s

U7=√ U+ xUs

U7=√ 0,073 x 0,02

U7=√ 0,00146=0,038m /s

%+/= 0b

5 t

%+/= 70

0,87 x25=3,22

∆ += 1 5 L (2+0,6 %+/ ) 6U 72

2

∆ +=0,534(2+(0,6 x 3,22 )) 800 x 0,0382

2

∆ +=1,213 % /m2

End one:

∆ e=∆ ([ %+/+ %c/ %c/ ] 1 5 b

∆ e=17,08[ 3,22+8,348,34 ] x 0,416∆ e=9,849 % /m2

Total pressure drop, B&s :

3umlah baffle, Fb 84830

356 −1=12

∆ ,s=2∆ ,e+∆ ,c ( %b−1 )+ %bx ∆ ,+

∆ s=2 x 9,849+3,794 (12−1)+12(1,213)

∆ s=75,944 % /m2&76 % /m2

/idapatlah pressure drop sebesar 0+ Fm!


26/26

3adi, pada ran'angan shell and tube heat e='hanger ini digunakan heat e='hanger jenis

#/"%9%) ,"5$9%) +e$ e;

penyelesaian desain manual heat exchanger

Documents