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
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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,
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
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,
k : konduktifitas termal bahan pipa (W/mK)
L : panjang pipa (m)
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,
hi : koefisien perpindahan panas konveksi aliran di dalam pipa (W/m2K)
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