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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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 :
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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 )$,++1 >m.K
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
5/26
L$)*$+ 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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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:
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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 :
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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:
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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 $1+ in 8 %, mm As7
A tb=Ct x ! x o d
2 x ( %t − %+)
A tb=0,8 x ! x 20
2 (119−14,28 )
A tb=2630,56m m2=0,0026m2
/idapat radian b 8 1,2
Asb=Csx Ds
2 x (2! −3b)
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
19/26
Asb=4,8 x381,38
2 x (2 x3,14−1,89 )=4018,219 mm2=0,00402 m2
?L 8 ?tb C ?sb
?L 8 4,44!+ C 4,44%4! 8 4,44++! mm!
A L
As=0,00662
0,062 =0,1068
&ada grafik di gambar 1!.$), 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
$s=808,935 W
mK x 0,98 x1,11 x0,744 x 0,74=484,47W /m2 K
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
20/26
L$)*$+ 10 Koefisien perpindahan panas bagian tube
"inyak pelumas masuk tube pada temperatur 144o dan keluar tube pada temperatur +4o
mea' +ate) temp, tc=100+60
2=80℃
Tube 'ross*se'tional area, ?t:
A 5 t =1
4!( d
2
A 5 t =1
4
x ! x (16 x 10−3)2=0,0002096 m2
At = %t x A
5 t
'
At =119 x0,0002096
2 =0,01247m2
3umlah tube per pass 8119
2 =59,5&60tubes
"ass florate #elo'ity, Dt:
¿=*#o+)ate
At
¿= 1kg/ s
0,01247m2=80,192 kg/m2 s
Heat transfer fa'tor, 3h:
* -eynold Fumbers, -e
ℜ=¿ x (d
.
ℜ=(80,192 kg/m2 s x16 x 10−3 m)
1 x10−5
m2/s
=128307,2&1,3 x105
* &randtl Fumbers, &r
)=Cp x .
K
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
21/26
)=1900 kJ /kgK x1 x10−5m2/s
0,134W /mK =0,142
L
(d=
4,83m
16 x10
−3
m
=301,875 &302
3ika nilai -e 8 1,$ = 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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
22/26
U o= 1
0,013555=73,8W / M 2℃
U o<U o ca#−U o ass
U o ass
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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 ]
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
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!
8/18/2019 penyelesaian desain manual heat exchanger
26/26
3adi, pada ran'angan shell and tube heat e='hanger ini digunakan heat e='hanger jenis
#/"%9%) ,"5$9%) +e$ e;