PROPOSAL PROYEK AKHIR

STUDI EKSPERIMENTAL KARAKTERISTIK SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER DENGAN VARIASI REZIM ALIRAN SISI SHELL

Novan ArdhiyanggaNRP. 3210121030Dosen Pembimbing :Teguh Hady A. ST., MT.Prima Dewi P. S.ST., MT.

PRODI TEKNOLOGI PEMBANGKIT ENERGIDEPARTEMEN MEKANIKA DAN ENERGIPOLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA2015

PROPOSAL TUGAS AKHIR

STUDI EKSPERIMENTAL KARAKTERISTIK SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER DENGAN VARIASI REZIM ALIRAN SISI SHELL

Oleh :Novan ArdhiyanggaNRP. 3210121030

Mengetahui/menyetujui: Dosen Penguji

1. ...... ...............................................Dosen Pembimbing

1. Teguh Hady Ariwibowo ST., MT. NIP. 198703172014041001

2. ..............................................

2. Prima Dewi Permatasari S.ST., MT. NIP. 2000000045

3. ..............................................

Kepala Program Studi Teknologi Pembangkit Energi

Ir. Joke Pratilastiarso MT.NIP. 196209201988031002

ABSTRAK

Heat exchanger adalah sebuah alat yang digunakan untuk mentransfer energi panas antara dua fluida atau lebih pada temperatur yang berbeda. Aplikasi dari heat exchanger pada dunia industri cukup luas, terutama pada industri kimia, pengolahan migas, dan juga industri pembangkit listrik. Heat exchanger yang paling sering digunakan adalah tipe konstruksi shell and tube heat exchanger. Shell and tube heat exchanger memiliki karakteristik konstruksi yang kuat, fleksibel, dan pemeliharaan dan perawatan yang mudah. Performa dari unit heat exchanger sangat berpengaruh pada produktivitas sebuah perusahaan. Perusahaan tentu menginginkan performa dari heat exchanger yang maksimal dalam rangka memenuhi target-target finansial yang direncanakan. Oleh karena itu, diperlukan suatu usaha untuk meningkatkan performa shell and tube heat exchanger agar dapat bekerja secara maksimal. Performa shell and tube heat exchanger dipengaruhi oleh banyak faktor, salah satunya adalah rezim aliran, baik di sisi shell maupun di sisi tube. Rezim aliran fluida ditentukan oleh nilai Reynolds Number yang dipengaruhi oleh kecepatan alir fluida. Pada proyek akhir ini, akan menganalisis pengaruh dari variasi kecepatan fluida di sisi shell agar diperoleh performa shell and tube heat exchanger yang maksimal. Metode yang digunakan untuk menentukan performa shell and tube heat exchanger adalah metode -NTU dimana tolok ukur performa direpresentasikan oleh nilai efektivitas (). Diharapkan dengan adanya proyek akhir ini akan diperoleh rezim aliran yang sesuai untuk unit shell and tube heat exchanger dan dapat dijadikan referensi dalam perancangan shell and tube heat ecxhanger yang baik.Kata kunci: Heat Exchanger, Shell and Tube Heat Exchanger, Rezim Aliran, Metode -NTU

19

DAFTAR ISI

HALAMAN DEPANiLEMBAR PENGESAHANiiABSTRAKiiiDAFTAR ISIivDAFTAR GAMBARvDAFTAR TABELviBAB I PENDAHULUAN11.1LATAR BELAKANG11.2TUJUAN21.3PERUMUSAN MASALAH21.4BATASAN MASALAH3BAB II TINJAUAN PUSTAKA42.1DASAR TEORI52.1.1Tube52.1.2Tube Arrangement62.1.3Baffle62.1.4Tubesheet92.1.5Tube Bundle92.1.6Shell102.1.7Pass Arrangement102.1.8Metode -NTU112.1.9Kodifikasi Shell and Tube Heat Exchanger132.1.10Koefisien Perpindahan Panas15BAB III METODOLOGI173.1ALUR PENGERJAAN173.2DESAIN SISTEM193.3HASIL YANG DIHARAPKAN203.4JADWAL KEGIATAN203.5PERKIRAAN BIAYA21DAFTAR PUSTAKA23

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Tube layout yang umum digunakan6Gambar 2.2 Segmental Baffle7Gambar 2.3 Double Segmental Baffle7Gambar 2.4 Disc and Doughnut Baffle8Gambar 2.5 Orifice Baffle8Gambar 2.6 Rod Baffle8Gambar 2.7 Tubesheet9Gambar 2.8 Tube Bundle10Gambar 2.9 Outer Tube Limit (OTL)10Gambar 2.10 Tipe shell and tube heat exchanger14Gambar 2.11 Korelasi koefisien perpindahan panas shell and tube heat exchanger dengan tipe tube layout16Gambar 3.1 Alur Pengerjaan Proyek Akhir17Gambar 3.2 Desain Sistem19

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Jadwal Kegiatan21Tabel 3.2 Perkiraan Biaya22

BAB I PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANGHeat exchanger adalah sebuah alat yang digunakan untuk mentransfer energi panas antara dua fluida atau lebih pada temperatur yang berbeda. Proses transfer energi terjadi dengan memanfaatkan perpindahan kalor dari fluida bertemperatur tinggi menuju fluida bertemperatur lebih rendah. Proses pertukaran kalor biasanya tidak melibatkan pemanasan atau kerja dari komponen eksternal. Pada kebanyakan heat exchanger, pertukaran kalor antarfluida terjadi diantara dua dinding yang terpisah yang mana fluida tidak akan bercampur [1]. Aplikasi heat exchanger pada dunia industri cukup luas, terutama pada industri kimia, industri pengolahan migas, dan juga industri pembangit listrik. Aplikasi heat exchanger yang sering kita jumpai antara lain pada proses pemanasan atau pendinginan sebuah aliran fluida menyangkut proses evaporasi atau kondensasi aliran fluida tunggal maupun multikomponen. Tujuan lain dari aplikasi heat exchanger antara lain, untuk sterilisasi, pasteurilisasi, fraksinasi, destilasi, konsentrasi, kristalisasi, atau mengontrol sebuah proses fluida [1]. Oleh karena itu, tidak heran jika perangkat heat exchanger juga digunakan pada industri pengolahan makanan maupun minuman. Sebuah heat exchanger diklasifikasikan berdasarkan konstruksi, proses transfer kalor, derajat kepadatan permukaan, pengaturan aliran, pengaturan laluan, fasa dari fluida, dan mekanisme pertukaran kalor. Heat exchanger yang paling umum digunakan adalah tipe konstruksi shell and tube heat exchanger. Shell and tube heat exchanger memiliki karakteristik yaitu, konstruksi yang kuat, fleksibel, dan pemeliharaan dan perawatan yang mudah. Komponen utama dari shell and tube heat exchanger adalah tube, baffle, shell, front head, rear head, dan nozzle. Diameter bagian shell berkisar antara 60 2000mm dengan temperatur operasi dari -20oC 500oC. Tekanan maksimal operasi adalah 600 bar [2].Usaha untuk meningkatkan performa shell and tube heat exchanger sangat dibutuhkan di dunia industri, karena dengan performa yang baik tentu akan meningkatkan produktivitas sebuah perusahaan. Performa ini dapat ditingkatkan melalui beberapa cara, salah satunya adalah dengan mengatur kecepatan fluida sedemikian rupa sehingga diperoleh efektivitas yang baik. Kecepatan fluida tersebut dapat diatur dengan memvariasikan laju massa fluida sehingga diperoleh rezim aliran tertentu (laminar, transisi, atau turbulen). Setiap unit shell and tube heat exchanger dengan rancangan tertentu akan memiliki karakteristik yang berbeda. Satu heat exchanger mungkin akan lebih efektif jika rezim aliran yang terbentuk adalah turbulen, heat exchanger yang lain mungkin akan lebih efektif jika rezim aliran yang terbentuk adalah laminer. Oleh karena itu, diperlukan suatu analisis dan penelitian untuk menentukan rezim aliran yang sesuai dengan karakteristik sebuah heat exchanger.Pada proyek akhir ini akan menganalisa pengaruh dari rezim aliran di sisi shell dan sisi tube pada efektivitas shell and tube heat exchanger. Dari penelitian ini, diharapkan dapat memberikan referensi mengenai rezim aliran yang sesuai untuk memperoleh efektivitas shell and tube heat exchanger yang maksimal. Dengan efektivitas yang baik, maka perpindahan panas yang terjadi pada shell and tube heat exchanger dapat terjadi secara cepat. Dengan efektivitas shell and tube heat exchanger yang baik pula maka akan dapat meningkatkan produktivitas perusahaan terkait.

1.2 TUJUANPada proyek akhir ini akan menganalisis fenomena aliran fluida dari shell and tube heat exchanger dengan variasi rezim aliran di sisi shell. Shell and tube heat exchanger yang dianalisis adalah shell and tube heat exchanger skala laboratorium dengan spesifikasi yang telah ditentukan. Diharapkan dari penelitian ini dapat diketahui rezim aliran yang paling baik untuk meningkatkan efektivitas dari shell and tube heat exchanger. Pengujian performa dilakukan dengan menggunakan metode -NTU dimana hasil pengujian akan dibandingkan dengan hasil running software HTRI.

1.3 PERUMUSAN MASALAHAdapun perumusan masalah pada proyek akhir ini adalah sebagai berikut ;1. Menentukan nilai Reynolds Number aliran fluida sisi shell dan sisi tube pada unit shell and tube heat exchanger.2. Melakukan pengujian variasi kecepatan fluida sisi shell pada unit shell and tube heat exchanger.3. Menentukan efektivitas shell and tube heat exchanger menggunakan metode -NTU.4. Menganalisis pengaruh dari variasi rezim aliran sisi shell terhadap performa shell and tube heat exchanger.

1.4 BATASAN MASALAHBatasan masalah pada proyek akhir ini adalah ;1. Fluida kerja adalah air dengan fasa liquid.2. Aliran diasumsikan steady.3. Fouling diabaikan.4. Aliran diasumsikan fully developed.5. Sistem adibatik.6. Rezim aliran sisi tube adalah turbulen dengan nilai Re=10000.7. Rezim aliran sisi shell adalah laminar (dengan Re=1000), transisi (dengan Re=5000), dan turbulen (dengan Re=10000).

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk menukarkan kalor antara dua jenis fluida beda temperatur. Tujuan dari pertukaran kalor ini adalah untuk mengubah temperatur dan fasa fluida sesuai kebutuhan. Heat exchanger mempunyai fungsi yang sangat luas dalam dunia industri, salah satunya adalah pada industri kimia yang berfungsi untuk memanaskan atau mendinginkan air, minyak, oli, ataupun suatu gas. Pada sebuah sistem pembangkit listrik, heat exchanger juga memegang peranan penting dalam peningkatan efisiensi sistem. Sebagai contoh adalah economizer, sebuah unit heat exchanger yang berfungsi untuk memanaskan feed water sebelum masuk ke boiler menggunakan panas dari gas buang sistem. Sebuah heat exchanger dapat diklasifikasikan menurut beberapa klasifikasi, salah satunya adalah klasifikasi berdasarkan tipe konstruksi. Tipe konstruksi yang paling sering digunakan pada sebuah industri adalah tipe konstruksi shell and tube heat exchanger. Shell and tube heat exchanger memiliki karakteristik yaitu, konstruksi yang kuat, fleksibel, dan pemeliharaan dan perawatan yang mudah. Sebuah unit shell and tube heat exchanger dirancang berdasarkan standar tertentu yang akan menentukan geometri, ukuran, proses, dan sistem secara menyeluruh. Salah satu standar perancangan yang paling sering digunakan di berbagai negara adalah standar TEMA (The Tubular Exchanger Manufacturers Association, Inc.). TEMA adalah sebuah asosiasi yang bekerja untuk melakukan analisis dan manufaktur unit shell and tube heat exchanger. Dalam standar TEMA, komponen utama shell and tube heat exchanger yaitu front head, shell section, dan rear type masing-masing dinyatakan dalam bentuk abjad [2].Seringkali, aplikasi pada dunia industri membutuhkan unit heat exchanger yang sangat kompleks dengan ukuran yang besar pula. Akan tetapi, karakteristik aliran fluida pada unit shell and tube heat exchanger baik berukuran besar maupun ukuran kecil secara konsep adalah sama. Banyak metode yang digunakan untuk menentukan variabel-variabel yang berkerja pada sebuah shell and tube heat exchanger. Sebagai contoh adalah metode LMTD (Log Mean Temperature Difference) yang digunakan untuk menentukan ukuran dari heat exchanger dan metode Delaware yang digunakan untuk menentukan nilai koefisien perpindahan panas sisi shell. Sedangkan nilai efektivitas shell and tube heat exchanger dapat diperoleh dengan metode -NTU (effectiveness-Number of Transfer Unit).

2.1 DASAR TEORI2.1.1 TubeTube adalah sebuah silinder berongga dari logam sebagai tempat mengalir fluida. Variabel geometri dari tube antara lain tube outside diameter, tube wall thickness, tube pitch, dan tube layout pattern. Pemilihan material sebuah tube juga harus diperhatikan, sebuah tube diharapkan dapat menahan temperatur, thermal stress, dan sifat korosif fluida dari shell maupun dari tube sendiri. Ada dua macam tipe tube yaitu, U-tube dan straight tube. Tipe U-tube memungkinkan aliran fluida dalam tube membentuk pola U dimana inlet dan outlet berada pada sisi yang sama. Sedangkan tipe straight tube berbentuk lurus, dimana sisi inlet dan outlet terhubung pada tubesheet. Ukuran sebuah tube ditentukan oleh outside diameter (OD) dan wall thickness. Ditinjau dari segi perpindahan panas, diameter tube yang kecil akan menghasilkan nilai koefisien perpindahan panas yang besar. Sementara diameter tube yang lebih besar akan lebih mudah dibersihkan dan memungkinkan nilai drop tekanan yang kecil. Kebanyakan heat exchanger saat ini menggunakan rentang outside diameter antara 1/4 in. (6.35 mm) hingga 20 in. (50.80 mm). Sedangkan standar dari TEMA adalah 1/4, 3/8 ,1/2 , 5/8, 3/4, 7/9, 1.25, 1.5 dan 2 in. (6.35, 9.53, 12.70, 15.88, 19.05, 22.23, 25.40, 31.75, 38.10, dan 50.80 mm). Penggunaan dari ukuran tersebut bermacam-macam sesuai dengan aplikasi dan kebutuhan. Ukuran yang paling populer adalah 3/8 in. dan in. yang digunakan pada banyak heat exchanger karena ekonomis dan dapat memberikan performa yang baik. Ukuran 1/4 in. (6.35 mm ) digunakan untuk fluida yang bersih (memiliki fouling yang kecil). Untuk heat exchanger dengan kemampuan dilakukan pembersihan mekanik, maka ukuran tube outside diameter yang terkecil adalah 3/4 in. (19.05 mm). Umumnya, ukuran tube outside diameter 1 in. digunakan ketika kemungkinan fouling terjadi. Ukuran 1.5, dan 2 in. biasanya digunakan untuk falling film exchanger dan vaporizer [6].

2.1.2 Tube ArrangementTube arrangement adalah sebuah metode dalam menyusun beberapa tube agar diperoleh performa yang baik. Ada dua hal yang menjadi pertimbangan dalam menyusun tube, yaitu, tube pitch dan tube layout. Tube pitch adalah jarak antartube, sedangkan tube layout adalah susunan kumpulan tube yang membentuk pola tertentu.

(b)

(c)(a)

Gambar 1 Gambar 2.1 Tube layout yang umum digunakanGambar 2.1 Tube layout yang umum digunakan. (a) Square pitch (90o); (b) rotated square pitch (45o); (c) triangular pitch (30o) (Sumber: Referensi [8]).

2.1.3 BaffleBaffle adalah sebuah lempeng sirkular yang dipotong sebagian (tergantung nilai baffle cut) yang terpasang pada sepanjang aliran dalam shell berfungsi untuk memaksimalkan perpindahan panas yang terjadi antarfluida, menahan tube-bundle dan untuk mencegah atau menahan getaran pada pipapipa. Pada proyek akhir ini, digunakan baffle berjenis segmental baffle dengan nilau cutting sebesar 25%. Berikut ini adalah jenis-jenis baffle yang sering digunakan pada shell and tube heat exchanger.a. Segmental BaffleSegmental baffle dibentuk dengan cara memotong baffle dari bentuk lingkaran, potongan baffle mempunyai ukuran antara 15% s/d 40% (biasanya 25%) dari ukuran lingkaran penuh. Baffle ini banyak digunakan dan dianggap sebagai baffle standar karena mempunyai efisiensi perpindahan panas yang tinggi.

Gambar 2 Gambar 2.2 Segmental BaffleGambar 2.2 Segmental Baffle (Sumber: Referensi [8])

b. Double SegmentalBentuk ini juga dapat disebut double segmental, karena terdapat dua potongan pada lingkaran penuh baffle besar potongan antara 20%-30% untuk satu sisi lingkaran.

Gambar 3 Gambar 2.3 Double Segmental BaffleGambar 2.3 Double Segmental Baffle (Sumber: Referensi [9])

c. Disc and Doughnut BaffleDesain dari bentuk ini terdiri dari baffle berbentuk disc dan doughnut. Diameter bentuk disc lebih besar dari diameter lubang doughnut, pada baffle jenis ini dipakai tie rod untuk menyangga baffle. Tie rod ini sebagian terletak pada susunan tabung sehingga mempengaruhi jumlah efektif tabung dalam berkas / susunan tabung.

Gambar 4 Gambar 2.4 Disc and Doughnut BaffleGambar 2.4 Disc and Doughnut Baffle (Sumber: Referensi [2])

d. Orifice BaffleBaffle jenis ini terdiri dari disc dengan lubang lubang yang mempunyai ukuran lebih besar dari diameter tabung. Aliran fluida mengalir melalui annular orifice dan menimbulkan pengaruh olakan pada fluida. Desain dari baffle ini jarang dipakai karena efisiensi yang rendah.

Gambar 5 Gambar 2.5 Orifice BaffleGambar 2.5 Orifice Baffle (Sumber: Referensi [2])

e. Rod BaffleBaffle jenis ini lebih berfungsi sebagai sirip daripada pengarah aliran. Rod baffle Heat Exchanger dikembangkan oleh Phillip. Heat Exchanger ini getarannya lebih kecil.

Gambar 6 Gambar 2.6 Rod BaffleGambar 2.6 Rod Baffle (Sumber: Referensi [10])

2.1.4 Tubesheet Tubesheet adalah sebuah penghalang yang membatasi fluida shell dan fluida tube. Tubesheet terkoneksi ke sisi shell dan sisi channel dengan pengelasan (integral) atau dengan bolt (sambungan gasket). Material tubesheet memiliki pelindung berupa clad, yaitu suatu lapisan tahan korosi/erosi yang memiliki ketebaan tertentu. Lapisan clad ini melekat diluar bagian outside diameter tube. Mengacu pada standar TEMA, ketebalan clad (clad thickness) bernilai 5/16 in. (7.8 mm) ketika tube dihubungkan ke tubesheet dengan metode ekspansi dan bernilai 1/8 in. (3.2 mm) ketika tube dihubungkan ke tubesheet dengan dilas [7]. Tipe tubesheet yang sering digunakan adalah tipe double tubesheet dengan kelebihan mampu mengatasi mengatasi bercampurnya fluida shell dengan tube karena faktor leakage (kebocoran). Tipe double tubesheet sendiri dibagi menjadi dua yaitu tipe konvensional dan tipe integral.

Gambar 7 Gambar 2.7 TubesheetGambar 2.7 Tubesheet (Sumber: Referensi [2])

2.1.5 Tube BundleTube bundle adalah gabungan dari tube, baffle, tubesheet, spacer dan tie-rod yang telah di-assembly. Tie rod dan spacer adalah sebuah batang yang digunakan untuk menyatukan komponen tubesheet dan baffle dan berfungsi sebagai sealing device (komponen pengunci).

Gambar 8 Gambar 2.8 Tube BundleGambar 2.8 Tube Bundle (Sumber: Referensi [2])

Dalam merancang tube bundle, satu hal yang menjadi perhatian adalah nilai outer tube limit (OTL) yaitu diameter lingkaran maksimal untuk membatasi jarak antara tube outside diameter dengan shell inside diameter sehingga terbentuk clearance.

Gambar 9 Gambar 2.9 Outer Tube Limit (OTL)Gambar 2.9 Outer Tube Limit (OTL) (Sumber: Referensi [2])

2.1.6 ShellShell adalah sebuah silinder berongga dari logam sebagai tempat mengalir fluida. Ukuran shell lebih besar dari ukuran sebuah tube. Analisa perpindahan panas sisi shell merupakan analisa yang cukup rumit karena menyangkut masalah yang kompleks dari suatu aliran fluida. Beberapa metode dapat digunakan untuk menghitung nilai koefisien perpindahan panas sisi shell (ho), dan metode yang paling akurat adalah metode Delaware [5].

2.1.7 Pass ArrangementPass arrangement adalah metode untuk menyusun jumlah laluan dari sisi shell dan sisi tube. Heat exchanger disebut dengan laluan tunggal jika fluida masuk dan keluar pada sisi yang berbeda. Dalam aplikasi industri, jumlah laluan maksimal adalah 16. Jumlah laluan sendiri juga dipengaruhi oleh kemampuan dari pekerja untuk menyesuaikan pembagi laluan (pass partition) dengan ruang yang tersedia dan sambungan yang dipakai. Dalam penentuan jumlah laluan juga diperlukan ketelitian rancangan agar tidak terjadi kebocoran pada sisi tube. Untuk meningkatkan perpindahan panas yang terjadi, maka kecepatan aliran fluida yang tinggi diperlukan. Perpindahan panas akan lebih efektif jika kondisi rezim aliran adalah turbulen dengan nilai Reynolds Number diatas 10000.

(2.1)

Selain itu, kecepatan fluida juga dapat dijadikan pertimbangan untuk menentukan jumlah laluan yang akan digunakan. Berdasarkan aplikasi praktis yang ada saat ini, kecepatan fluida direkomendasikan antara 3-8 ft/s. Kecepatan fluida yang rendah dapat menyebabkan fouling yang signifikan, dimana kecepatan fluida yang tinggi dapat menyebabkan erosi pada dinding tube. Material tube yang baik harus bisa menahan erosi yang ditimbulkan oleh aliran fluida yang mengalir [5]. Kecepatan fluida ini dapat diatur dengan alat ukur flowmeter yang terintegrasi dengan pompa sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan.

2.1.8 Metode -NTUMetode -NTU digunakan untuk menentukan performa dari sebuah shell and tube heat exchanger. Varibel yang menjadi ukuran performa adalah nilai efektivitas (). Metode ini dikembangkan oleh Coppage dan London (1953) pada sebuah buku berjudul Compact Heat Exchangers. Metode ini hanya bisa digunakan untuk compact heat exchanger selama overall heat transfer coefficient masih seragam [4]. Total heat transfer dari fluida panas ke fluida dingin pada heat exchanger dinyatakan,

(2.2)

dimana adalah nilai efektivitas heat exchanger yang bersifat non-dimensional. Nilai efektivitas ini bergantung pada nilai NTU, C*, dan pengaturan aliran. Rasio kapasitas kalor, C*, adalah perbandingan antara kapasitas kalor dengan nilai lebih kecil dibandingkan dengan nilai yang lebih besar pada dua aliran fluida. Nilai C* 1.

(2.3)

dimana C mengacu pada produk massa dan kapasitas kalor fluida, terbagi menjadi dua macam dengan nilai minimum (Cmin) and maksimum (Cmax). Pembagian ini didasarkan pada sifat dua fluida pada heat exchanger dimana salah satu fluida akan lebih dominan dibandingkan fluida lainnya dengan memiliki temperatur lebih besar. Perbedaan temperatur inilah yang membedakan nilai kapasitas kalor antara dua fluida.Number of transfer units, NTU, adalah sebuah bilangan non-dimensional merepresentasikan besar perpindahan panas atau thermal size sebuah heat exchanger. NTU didefinisikan sebagai rasio konduktansi total dengan kapasitas kalor minimum (Cmin).

(2.4)

Efektivitas heat exchanger, , didefinisikan sebagai rasio antara laju perpindahan panas aktual, , dengan laju perpindahan panas maksimal ().

(2.5)

Nilai efektivitas heat exchanger berkisar antara 0 dan 1. Dengan mensubstitusikan persamaan di bawah ini:

(2.6)

maka didapatkan,

(2.7)

2.1.9 Kodifikasi Shell and Tube Heat ExchangerShell and tube heat exchanger terdiri dari bundel tube yang terletak di selubung shell. Tube ada yang berposisi di dalam shell secara permanen disebut fixed tube-sheet exchanger dan tube yang dapat dilepas dari shell (bersifat removable) untuk dilakukan pembersihan dan perawatan dinamakan floating head atau U-tube heat exchanger. Desain head dan shell secara lengkap ditunjukkan di bawah ini.The Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) menerbitkan standar mengenai kodifikasi rancangan shell and tube heat exchanger dengan kode berupa huruf abjad yang terdiri dari tiga huruf. Tiga huruf inilah yang menentukan spesifikasi dari tipe front end, shell, dan rear-end sebuah shell and tube heat exchanger. Sebagai contoh, tipe fixed tube-sheet, BEM exchanger ditunjukkan oleh Gambar 10(b) sedangkan tipe internal-floating-head tipe AES exchanger ditunjukkan pada gambar 10(a).

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 10 Gambar 2.10 Tipe shell and tube heat exchangerGambar 2.10 Tipe shell and tube heat exchanger (a) AES floating-head exchanger (b) BEM fixed-tubesheet exchanger (c) AEP floating-head exchanger (d) CFU U-tube exchanger dengan 2 laluan shell (Sumber:Referensi:[7])

2.1.10 Koefisien Perpindahan PanasKoefisien perpindahan panas sisi tube (hi), persamaan yang digunakan sebagai berikut.untuk ,

(2.8)

untuk,

(2.9)

untuk ,

(2.10)

Reynolds Number pada kasus ini dapat dihitung dengan membagi laju massa dengan jumlah tube,

(2.11)

dimana: = laju massa sisi tube= jumlah laluan= jumlah tube

Koefisien perpindahan panas sisi shell, , dihitung mengacu pada kurva pada gambar di bawah ini:

Gambar 11 Gambar 2.11 Korelasi koefisien perpindahan panas shell and tube heat exchanger dengan tipe tube layoutGambar 2.11 Korelasi koefisien perpindahan panas shell and tube heat exchanger dengan tipe tube layout (Sumber: Referensi [8])

(2.12)

dimana:=

=baffle spacing

=shell ID

=diameter ekuivalen

Reynolds number pada persamaan dihitung menggunakan diameter ekuivalen dan flow area seperti pada gambar. Korelasi ini valid untuk tube bundle tipe plain atau finned tube heat exchanger, 20% segmental baffle cut, dan sepasang sealing strip per 10 baris tube. Korelasi yang terbentuk adalah hasil dari penelitian Delaware dengan memasukkan safety factor sebesar 25% [8].

BAB III METODOLOGI

3.1 ALUR PENGERJAANMetodologi penelitian pada proyek akhir ini mengikuti diagram yang digambarkan sebagai berikut:

Gambar 12 Gambar 3.1 Alur Pengerjaan Proyek AkhirGambar 3.1 Alur Pengerjaan Proyek Akhir

Perumusan masalah digunakan sebagai langkah awal sebelum melakukan penelitian terhadap performa shell and tube heat exchanger. Rumusan masalah memuat langkah pengerjaan dan hal-hal yang akan diteliti pada proyek akhir yang akan dikerjakan. Perumusan masalah akan memfokuskan pada pembahasan mengenai pengaruh dari variasi rezim aliran sisi shell terhadap performa shell and tube heat exchanger.Pada tahap studi literatur, hal yang dilakukan adalah mencari dan mempelajari literatur mengenai karakteristik aliran sisi shell dan pengujian performa dari shell and tube heat exchanger dari sumber yang relevan. Literatur dapat diperoleh melalui buku, jurnal penelitian, atau artikel-artikel yang ada di dalam internet. Metode yang akan digunakan untuk menentukan performa shell and tube heat exchanger adalah metode -NTU. Parameter performa shell and tube heat exchanger ini adalah nilai efektivtas () yang berkisar dari 0 hingga 1. Efektivitas shell and tube heat exchanger akan dihitung terhadap setiap variasi kecepatan fluida di sisi shell. Penelitian akan membandingkan data dari pengujian dan hasil dari running software. Pengujian dilakukan dengan mengukur temperatur outlet dari shell and tube heat exchanger. Data yang diperoleh merupakan data aktual dari modul. Pengambilan data dilakukan hingga data yang diperoleh sesuai dengan teori yang ada dengan memperhatikan toleransi kepresisian alat ukur dan kondisi modul yang ada. Variabel yang akan divariasikan adalah laju massa pada sisi shell agar diperoleh rezim aliran laminer, transisi, dan turbulen, sementara rezim aliran pada sisi tube dikontrol agar turbulen. Setelah dilakukan pengambilan data, tahap selanjutnya adalah perhitungan data, yaitu menghitung nilai efektivitas shell and tube heat exchanger dengan menggunakan metode -NTU. Data teori modul dapat diperoleh melalui running software dengan variabel input yang telah ditentukan sesuai diagram di atas.Apabila hasil perhitungan manual dan running software telah sesuai dengan konsep, kemudian dilanjutkan dengan melakukan analisis data. Analisis yang dilakukan fokus pada karakteristik aliran fluida sisi shell dan pengaruhnya terhadap performa shell and tube heat exchanger. Dari serangkaian tahap yang dilakukan, maka dapat diperoleh kesimpulan mengenai rezim aliran sisi shell yang baik untuk meningkatkan nilai perpindahan panas dan efektivitas shell and tube heat exchanger.

3.2 DESAIN SISTEMDesain sistem shell and tube heat exchanger yang akan dievaluasi seperti pada gambar di bawah. Fluida yang digunakan adalah air dengan kondisi satu fasa (liquid).

Gambar 13 Gambar 3.2 Desain SistemGambar 3.2 Desain Sistem

Proses dimulai dari masing-masing tangki penyimpanan fluida panas dan fluida dingin yang terpisah. Pada tangki penyimpanan fluida panas terdapat heater yang berfungsi untuk menjaga temperatur fluida panas konstan. Heater beroperasi secara otomatis dengan mekanisme pengaturan arus listrik yang terhubung pada sebuah thermostat. Fluida panas dan dingin kemudian dipompa menuju unit shell and tube heat exchanger dengan fluida panas akan dipompa menuju sisi tube dan fluida dingin akan dipompa menuju sisi shell. Rotameter pada sistem ini berfungsi untuk mengatur debit dan kecepatan fluida yang masuk ke exchanger. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan kecepatan fluida agar didapatkan rezim aliran tertentu (laminer/transisi/turbulen). Di dalam heat exchanger terjadi pertukaran panas antara fluida panas dengan fluida dingin. Setelah itu, masing-masing fluida akan keluar heat exchanger dengan temperatur outlet yang berbeda. Fluida panas dari tube akan dikembalikan lagi ke reservoir panas, sementara fluida dingin dari shell akan langsung dibuang ke lingkungan.

3.3 HASIL YANG DIHARAPKANHasil yang diharapkan pada proyek akhir ini yaitu terbentuknya grafik hubungan antara Reynolds Number dengan kecepatan fluida. Dari grafik tersebut, maka dapat diketahui titik dimana variasi kecepatan fluida menghasilkan efektivitas shell and tube heat exchanger paling baik sehingga bisa dijadikan referensi untuk merancang sebuah shell and tube heat exchanger.

3.4 JADWAL KEGIATANJadwal kegiatan pengerjaan proyek akhir ditunjukkan oleh tabel di bawah ini:Tabel 3.1 Jadwal KegiatanMinggu ke-Jadwal Kegiatan

Semester 7

1Studi literatur tentang material yang digunakan dalam pembuatan modul

2Fiksasi desain dan konstruksi modul

3Perancangan perpipaan

4Perancangan meja dan susunan heat exchanger

5Perancangan sistem kelistrikan

6Proses pembuatan shell and tube heat exchanger

7Proses pembuatan shell and tube heat exchanger

8Proses pembuatan shell and tube heat exchanger

9Proses pembuatan shell and tube heat exchanger

10Pembuatan meja dan penyusunan sistem perpipaan

11Pembuatan meja dan penyusunan sistem perpipaan

12Pembuatan meja dan penyusunan sistem perpipaan

13Penggabungan seluruh komponen heat exchanger menjadi satu modul

14Penyusunan sistem kelistrikan

15Penyusunan sistem kelistrikan

16Finishing

Semester 8

1Pengecekan kelayakan alat ukur pada modul heat exchanger

2Pengujian modul

3Evaluasi alat dan perbaikan

4Evaluasi alat dan perbaikan

5Pengambilan data

6Pengambilan data

7Analisis data

8Analisis data

9Membuat kesimpulan penelitian

10Menyusun buku proyek akhir

11

12

13

14

15

16

Tabel 1 Tabel 3.1 Jadwal Kegiatan

3.5 PERKIRAAN BIAYAAdapun perkiraan biaya yang akan digunakan dalam proyek akhir ini ditunjukkan oleh tabel di bawah ini:Tabel 3.2 Perkiraan BiayaNoNamaJumlahHarga SatuanHarga

1.Thermocontrol 0 120 derajat celcius1Rp 200.000Rp 200.000

2. WIKA 611.10 Low Pressure Process Gauge4Rp 560.000Rp 2.240.000

3.Camco 02102/02103 1000W 120V Screw-In Water Heater Element - High Watt Density2Rp 150.000Rp 300.000

4.J/K/T/E TYPE Mineral Insulated Thermocouple with Process Head4Rp 15.000 / bijiRp 60.000

5.Flow Meter2Rp 225.000,00Rp 450.000

6.Shimizu Pompa Booster ZPS 15-9-1402Rp 700.000Rp 1.400.000

7.Penguin TB25 / 225 Liter2Rp 450.000,-Rp 900.000

8.Lain-Lain (pipa + kerangka tempat Modul)1 setRp 1.500.000

9.Pipa Stainless Steel inner Uk. x 5,8 meter1Rp 175.000Rp 175.000

10.Pipa PPMA (Acrylic) outer4Rp 300.000Rp 300.000

11.Flare Nut Uk 4Rp 30.000Rp 120.000

12.Flare Elbow Uk. 2Rp 35.000Rp 70.000

13.Display digital Termocouple2Rp 110.000Rp 220.000

TOTALRp7.935.000

Tabel 2 Tabel 3.2 Perkiraan Biaya

DAFTAR PUSTAKA

[1] Shah, K. J. and D. P. Sekulic, Fundamentals of Heat Exchanger Design, Wiley, Hoboken, NJ, 2003.[2] Thulukkanam, K. , Heat Exchanger Design Handbook, 2nd edn, CRC Press, Boca Raton, 2013.[3] R. H. Perry dan D. W. Green, eds, Perrys Chemical Engineers Handbook, 7th edn, McGraw-Hill, New York, 1997.[4] J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook, 3rd edn, Philogiston Press, Massachusetts, 2008.[5] Serth, R. W. , Process Heat Transfer Principles and Applications, Academic Press, 1st edn, Texas, 2007.[6] Lord, R. C., Minton, P. E., and Sulusser, R. P., Design of Exchangers, Chem. Eng., January, 96118 (1970).[7] Standards of the Tubular Exchanger Manufacturers Association, 8th ed., Tubular Exchanger Manufacturers Association, Inc., Tarrytown, NY, 1999.[8] Kern, D. Q. and A. D. Kraus, Extended Surface Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1972.[9] Jongseok, Lee. Shell and Tube Heat Exchanger. http://chemtech.com.ne.kr/exchanger2.htm. 5 Juli 2015[10] Gentry, Cecil C, Rod Baffle Heat Exchangers Utilizing Dual Support Strip, USPTO, Oklahoma, 1995.