3rd dist. Condensor-1

Transkripsi

1 TUGAS DESAIN PERPIPAAN THERMAL 3rd dist. Condensor-1 Type shell and tube Penyusun : Yayan Lutfi Syarafi NRP PROGRAM STUDI D4 TEKNIK PERPIPAAN JURUSAN TEKNIK PERMESINAN KAPAL POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA SURABAYA 2016

2

3 Kata Pengantar Desain perpipaan thermal meliputi desain heat exchanger yang harus dimengerti mahasiswa D4 teknik perpipaan sebagai modal dalam dunia kerja. Pada desain ini menerapkan ilmu yang telah dipelajari dalam mata kuliah thermodinamika dan desain perpipaan thermal. Dalam tugas terstruktur desain heat exchanger mengambil data kasus actual di industri sehingga mahasiswa dilatih untuk menghasilkan desain dengan data data yang ada dengan hitungan manual disertai dengan bantuan software Engineering Equation Solver (EES) dan Heat Transfer ResearchInc (HTRI). Setiap mahasiswa diberikan data yang berbeda untuk melatih kemandirian mahasiswa dalam mengerjakan tugas desain heat exchanger. Dalam tugas desain heat exchanger yang akan didesain adalah heat exchanger jenis condenser dengan hot fluid (steam) dan cold fluid (water). Hot fluid berada pada shell dan cold fluid berada pada tube. Yayan Lutfi Syarafi i

4 Lembar Persembahan Alhamdulillahirrabilalaamiin Persembahanku untuk Ayah dan Ibuku Moch. Sugiyanto dan Yayuk Danawati yang selalu memperjuangkan dan memotivasi diriku untuk tetap bisa menyelesaikan kuliah dan menjadi orang yang mendapat gelar Sarjana pertama di keluarga besarku. ii

5 Daftar Isi Kata Pengantar... i Lembar Persembahan... ii Daftar Isi... iii BAB I... 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Luaran yang diharapkan Manfaat Batasan Masalah... 2 BAB II... 3 TINJAUAN PUSTAKA Properti Fluida Steam Water Shell & Tube Heat Exchanger Macam-macam Heat exchanger Berdasarkan Desain Konstruksi... 7 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Jadwal dan Tempat Penelitian Waktu Tempat Peralatan Diagram Alur Pengerjaan BAB IV ANALISA DAN DATA Data Desain Kalkulasi Manual Kalkulasi Software Analisa iii

6 4.4.1 Pengaruh heat transfer coef pada perubahan fase pada steam terhadap jarak masukan pada shell side Hubungan jumlah tube, Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, pressure drop BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran Daftar Pustaka Lampiran DATA DESAIN Kalkulasi Manual Heat Ballance LMTD Menghitung Nt dan OD tube Menghitung Dirt factor Menghitung Pressure Drop Kalkulasi Software Desain Heat Exchanger iv

7 v

8 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Condensor merupakan salah satu jenis heat exchanger yang terdiri dari jaringan pipa yang digunakan untuk mengubah uap menjadi zat cair atau air. Sebagian besar industri menggunakan heat exchanger jenis ini untuk mendukung kegiatan dalam proses industrinya. Oleh karena itu diperlukan pemahaman dalam mendesain condesor yang baik untuk mendukung kemampuan mahasiswa dalam menghadapi dunia kerja. Mendesain condesor yang memiliki efisiensi tinggi juga merupakan syarat kelulusan dalam mata kulia desain perpipaan termal. Sehingga diperlukan perhitungan dan analisa mengenai desain kondensor yang paling tepat digunakan sesuai kebutuhan industri. Berikut ini merupakan laporan mengenai desain 3rd dist condenser Rumusan Masalah Permasalahan yang dapat dirumuskan dan dibahas dari tugas ini adalah : 1. Bagaimana mendapatkan desain shell and tube heat exchanger sesuai dengan standart Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA)? 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan yang akan dicapai dari tugas ini adalah : 1. Mendapatkan desain shell and tube heat exchanger yang sesuai dengan standart Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). 1.4 Luaran yang diharapkan Luaran yang diharapakan dari tugas ini adalah : 1. Mahasiswa mampu mendapatkan design shell and tube heat exchanger yang sesuai dengan specification. 2. Mahasiswa mampu mendapatkan kalkulasi manual dan kalkulasi software yang mendekati disertai dengan analisa. 1

9 1.5 Manfaat Manfaat dari tugas ini adalah : 1. Mahasiswa mampu menyelesaikan pekerjaan dilingkup yang lebih luas dengan dilengkapi dengan kemampuan menganalisa data 2. Mahasiswa mampu mendesain heat exchanger sesuai dengan data di Industri 3. Mahasiswa mampu mengoperasikan software Engineering Equation Solver (EES) dan Heat Transfer Research Inc (HTRI) 4. Mahasiswa mampu menulis laporan tugas dengan format Tugas Akhir. 1.6 Batasan Masalah Batasan masalah dari tugas ini adalah : 1. Mahasiswa mampu mendesain heat exchanger dengan biaya seminimum mungkin dengan kualitas/ spesifikasi desain sesuai data Industri. 2

10 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Properti Fluida Steam Steam adalah bahasa teknis dari uap air, yaitu fase gas dari air yang terbentuk ketika air mendidih. Untuk mengubah air dari fase liquid (cair) menjadi fase gas (steam) diperlukan energi panas untuk menaikan temperature air yang biasa disebut sebagai Sensible Heat. Pada tekanan atmosphere titik didih air adalah C (212 0 F) sedangkan apabila tekanan pada sistem dinaikan maka energi panas yang diperlukan juga ikut naik. Steam yang dipanaskan sampai pada temperature jenuhnya disebut Dry Saturated Steam. Sedangkan steam yang belum dipanaskan sampai temperature jenuhnya disebut wet steam. Presentase air dalam wet steam disebut sebagai %moisture. Sehingga untuk mendapatkan kualitas steam dari wet steam adalah: Campuran bahan bakar (fuel) dan udara terjadi pembakaran pada ruang Furnace Boiler, sehingga terjadi perpindahan panas menuju air. Untuk melihat besaran-besaran seperti tekanan, suhu, enthalpy digunakan diagram P-h. Siklus dapat dapat digambarkan dalam diagram P-h seperti pada gambar. 3

11 Gambar 1. P-h Diagram 1 ke 2, Proses kompresi menyebabkan kenaikan tekanan dari tekanan rendah (LP) ke tekanan tinggi. Proses ini berlangsung secara isentropik. Garis 1 ke 2 mengikuti garis isentropik pada diagram P-h. Karena berlangsung secara isentropik maka entropi pada titik 1 dan titik 2 adalah sama. Kondisi pada titik 1 berupa saturasi gas dan dan titik 2 dalam keadaan superheated. Enthalpynya naik dari h1 ke h2. Refrigeran pun mengalami kenaikan suhu. 2 ke 3, Proses kondensasi ini terjadi pada tekanan yang sama (Isobarik). Dalam proses ini terjadi pelepasan kalor sehingga terjadi penurunan suhu dan enthalpy refrigeran sampai dengan saturasi gas (2a). Kemudian refrigeran terus melepaskan kalor dan mulai berubah menjadi cair. Dari titk 2a ke titik 3 tidak terjadi penurunan suhu tetapi terjadi perubahan fasa. Karena terjadi pelepasan kalor 3 ke 4, Proses ekspansi ini terjadi secara isoenthalpy sehingga enthalpy di titik 3 dan titik 4 adalah sama. Tekanan pada titik 3 masih tekanan tinggi (LP) kemudian turun hingga titik 4 di tekanan rendah (LP). Penurunan tekanan ini disertai dengan penurunan suhu. Kondisi refrigeran yang tadinya saturasi cair (titik 3) menjadi campuran gas dan cair. 4

12 4 ke 1, Proses evaporasi ini terjadi pada tekanan yang sama (isobarik). Dalam proses ini terjadi penarikan kalor sehingga terjadi kenaikan enthalpy. Suhu tidak mengalami kenaikan karena kalor yang diambil digunakan untuk mengubah fasa dari yang tadinya campuran (titik4) menjadi gas jenuh (titik 1). Dalam proses inilah terjadi pendinginan terhadap objek karena kalor pada objek ditarik oleh refrigeran dalam evaporator. Kapasitas pendinginan ditentukan pada proses ini yaitu besarnya penarikan kalor Water Pengertian air adalah senyawa kimia yang merupakan hasil ikatan dari unsur hidrogen (H2) yang bersenyawa dengan unsur oksigen (O) dalam hal ini membentuk senyawa H2O. Air merupakan senyawa kimia yang sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan tidak dapat digantikan oleh senyawa lain. Penggunaan air yang utama dan sangat vital bagi kehidupan adalah sebagai air minum. Hal ini terutama untuk mencukupi kebutuhan air di dalam tubuh manusia itu sendiri. 2.2 Shell & Tube Heat Exchanger Shell and Tube Heat Exchanger merupakan salah satu jenis heat exchanger. Jika aliran yang terjadi sangat besar, maka digunakan shell and tube heat exchanger, dimana exchanger ini adalah yang biasa digunakan dalam proses industri. Exchanger ini memiliki aliran yang kontinyu. Banyak tube yang dipasang secara paralel dan di dalam tube-tube ini fluida mengalir. Tube-tube ini disusun secara paralel berdekatan satu sama lain di dalam sebuah shell dan fluida yang lain mengalir di luar tube-tube, tetapi masih dalam shell. Bagian bagian Shell and Tube Heat Exchanger. Cara kerja Shell and Tube Heat Exchanger Untuk 1-1 counterflow exchanger (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube pass, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di bagian luar tube tetapi masih di dalam shell. Baffle-baffle digunakan agar fluida dapat mengalir secara bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube. 5

13 T2 t1 t2 T1 Gambar 2. Shell & tube heat exchanger 1 shell pass and 1 tube pass (1-1 exchanger) Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube. Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. Untuk aliran parallel, ΔT2 = T1 t1 dan ΔT1 = T2 t2. Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger, yaitu: a. Konduksi Mekanisme perpindahan panas ini adalah mekanisme yang berhubungan dengan interakasi molekuler. Transfer energi konduksi ini terjadi melalui 2 cara, yaitu mekanisme interaksi molekuler dimana dalam mekanisme ini gerakan lebih besar yng dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat yang lebih rendah. Serta mekanisme melalui elektronelektron bebas. Karena konduksi panas pada initnya merupakan fenomena molekuler, dapat diperkirakan bahwa persamaan dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses ini akan serupa dengan persamaan yang digunakan dalam transfer momentum molekuler. Persamaan Fourier : q x /A = -k dt/dt b. Konveksi molekuler Tranfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi antara suatu permukaan dengan fluida di dekatnya. Persamaan laju 6

14 untuk transfer panas ini pertama kali dinyatakan oleh newton pada tahun 1701 q /A = h ΔT Macam-macam Heat exchanger Berdasarkan Desain Konstruksi Pengklasifikasian heat exchanger berdasarkan desain konstruksinya, menjadi pengklasifikasian yang paling utama dan banyak jenisnya. Secara umum heat exchangerdapat dikelompokkan menjadi beberapa kelompok yakni tipe tubular, tipe plat, tipe extended-surface, dan tipe regeneratif.. 1 Heat exchanger Tipe Tubular Heat exchanger tipe ini melibatkan penggunaan tube pada desainnya. Bentuk penampang tube yang digunakan bisa bundar, elips, kotak, twisted, dan lain sebagainya. Heat exchanger tipe tubular didesain untuk dapat bekerja pada tekanan tinggi, baik tekanan yang berasal dari lingkungan kerjanya maupun perbedaan tekanan tinggi antar fluida kerjanya. Tipe tubular sangat umum digunakan untuk fluida kerja cair-cair, cair-uap, cair-gas, ataupun juga gas-gas. Namun untuk penggunaan pada fluida kerja gas-cair atau juga gas-gas, khusus untuk digunakan pada kondisi fluida kerja bertekanan dan bertemperatur tinggi sehingga tidak ada jenis heat exchanger lain yang mampu untuk bekerja pada kondisi tersebut. Berikut adalah beberapa jenis heat exchangertipe tubular: 1. Shell & Tube Heat exchanger tipe shell & tube menjadi satu tipe yang paling mudah dikenal. Tipe ini melibatkan tube sebagai komponen utamanya. Salah satu fluida mengalir di dalam tube, sedangkan fluida lainnya mengalir di luar tube. Pipa-pipa tube didesain berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut dengan shell, sedemikian rupa sehingga pipa-pipa tubetersebut berada sejajar dengan sumbu shell. 7

15 Gambar 1. Heat exchanger Tipe Shell & Tube (a) satu jalur shell, satu jalur tube(b) satu jalur shell, dua jalur tube Komponen-komponen utama dari heat exchanger tipe shell & tube adalah sebagai berikut: Tube. Pipa tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling banyak digunakan padaheat exchanger tipe ini. Desain rangkaian pipa tube dapat bermacam-macam sesuai dengan fluida kerja yang dihadapi. Gambar 2. Macam-macam Rangkaian Pipa Tube Pada Heat exchanger Shell & Tube Shell. Bagian ini menjadi tempat mengalirnya fluida kerja yang lain selain yang mengalir di dalam tube. 8

16 Umumnya shell didesain berbentuk silinder dengan penampang melingkar. Material untuk membuat shell ini adalah pipa silindris jika diameter desain dari shell tersebut kurang dari 0,6 meter. Sedangkan jika lebih dari 0,6 meter, maka digunakan bahan plat metal yang dibentuk silindris dan disambung dengan proses pengelasan. Gambar 3 Tipe-Tipe Desain Front-End Head, Shell, dan Rear-End Head Tipe-tipe desain dari shell ditunjukkan pada gambar di atas. Tipe E adalah yang paling banyak digunakan karena desainnya yang sederhana serta harga yang relatif murah. Shell tipe F memiliki nilai efisiensi perpindahan panas yang lbih tinggi dari 9

17 tipe E, karena shell tipe didesain untuk memiliki dua aliran (aliran U). Aliran sisi shell yang dipecah seperti pada tipe G, H, dan J, digunakan pada kondisi-kondisi khusus seperti pada kondenser dan boiler thermosiphon. Shelltipe K digunakan pada pemanas kolam air. Sedangkan shell tipe X biasa digunakan untuk proses penurunan tekanan uap. Nozzle. Titik masuk fluida ke dalam heat exchanger, entah itu sisi shell ataupun sisi tube, dibutuhkan sebuah komponen agar fluida kerja dapat didistribusikan merata di semua titik. Komponen tersebut adalah nozzle. Nozzle ini berbeda dengan nozzle-nozzle pada umumnya yang digunakan pada mesin turbin gas atau pada berbagai alat ukur. Nozzle pada inlet heat exchanger akan membuat aliran fluida yang masuk menjadi lebih merata, sehingga didapatkan efisiensi perpindahan panas yang tinggi. Front-End dan Rear-End Head. Bagian ini berfungsi sebagai tempat masuk dan keluar dari fluida sisi pipa tubing. Selain itu bagian ini juga berfungsi untuk menghadapi adanya efek pemuaian. Berbagai tipe front-end dan rear-end head ditunjukkan pada gambar di atas. Gambar 4. Jenis Jenis Buffle Buffle. Ada dua jenis buffle yang ada pada heat exchanger tipeshell & tube, yakni tipe longitudinal dan 10

18 transversal. Keduanya berfungsi sebagai pengatur arah aliran fluida sisi shell. Beberapa contoh desain buffle ditunjukkan pada gambar di samping. Tubesheet. Pipa-pipa tubing yang melintang longitudinal membutuhkan penyangga agar posisinya bisa stabil. Jika sebuah heat exchanger menggunakan buffle transversal, maka ia juga berfungsi ganda sebagai penyangga pipa tubing. Namun jika tidak menggunakan buffle, maka diperlukan penyangga khusus. 2. Double-Pipe Heat exchanger ini menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda. Pipa dengan diameter lebih kecil dipasang paralel di dalam pipa berdiameter lebih besar. Perpindahan panas terjadi pada saat fluida kerja yang satu mengalir di dalam pipa diameter kecil, dan fluida kerja lainnya mengalir di luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah. Gambar 5. Heat exchanger Tipe Double-Pipe 3. Spiral Tube Heat exchanger tipe ini menggunakan pipa tube yang didesain membentuk spiral di dalam sisi shell. Perpindahan panas pada tipe ini sangat efisien, namun di sisi hampir tidak mungkin untuk melakukan pembersihan sisi dalam tube apabila kotor. 11

19 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Jadwal dan Tempat Penelitian Waktu No Hari / Tanggal Kegiatan 1. Selasa / 22 Desember 2015 Kalkulasi manual Tubecount dan Ud (EES), menentukan over design (HTRI), penyusanan laporan (Bab I) dan Menentukan Spec Data Heat Exchanger 2. Rabu / 23 Desember 2015 Penyusunan laporan ( Bab II dan Bab IV), kalkulasi manual Uc dan Rd (EES) 3. Selasa / 29 Desember 2015 Penyusunan laporan (Bab IV), kalkulasi manual pressure drop 4. Rabu / 30 Desember 2015 Penyusunan laporan (Bab IV), analisa (HTRI dan Microsoft Excel) 5. Senin/ 5 Januari 2015 Penyusunan laporan (Bab V) Tempat Pembuatan design Heat Exchanger dan penyusunan laporan dilakukan di Politeknik Pekapalan Negeri Surabaya Peralatan Peralatan yang digunakan pembuatan design Heat Exchanger dan penyusunan laporan : 1. Laptop ( dilengkapi dengan software HTRI dan EES ) 2. Peralatan tulis serta kalkulator 3. Modul Design Perpipaan Thermal 12

20 3.2 Diagram Alur Pengerjaan Mulai Properties input data Kalkulasi secara Manual Kalkulasi software EES Menghitung LMTD Menghitung LMTD Menentukan UD (steam-water) Menentukan UD (steam-water) Menentukan N tube Menentukan Overdesign HE dengan HTRI Menentukan N tube Output data Summary, Overdesign and Design Belum diterima Menentukan Uc, Rd, dan Pressure Drop ( EES dan Manual) Overdesign 3% -5% Analisa Data Diterima Kesimpulan dan Saran Selesai 13

21 BAB IV ANALISA DAN DATA 4.1 Data Desain Heat exchanger yang didesain adalah 3rd dist. Condenser-1 dengan type BEM Horz. Connected in. Hot fluid berada pada shell (steam) dan cold fluid berada pada tube (water). Metode yang digunakan untuk mendapatkan desain shell and tube heat exchanger adalah menggunakan metode LMTD dan menggunakan standart Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). Selain itu, software yang digunakan untuk menunjang perhitungan yang lebih teliti dan akurat adalah Software Engineering Equation Solver ( EES ) dan untuk memperoleh data dan desain shell and tube menggunakan software Heat Transfer Research Inc ( HTRI ). Data yang diketahui pada shell side inlet steam adalah Fluid quantity sebesar 6100 kg/hr, temperature steam masuk sebesar 140 derajat celcius dan temperature steam keluar sebesar 60 derajat celcius. Untuk tekanan masuk dan keluar sebesar 36,13 kgf/cm2a. Tube memiliki panjang 3400 mm, type plain, dan memiliki material SS-304. Shell memiliki material SS-304 dan full vacuum. Pada Tube side (water) memiliki karakteristik diantaranya adalah fluid quantity sebesar kg/hr, Temperature masuk sebesar 30 derajat celcius dan temperature keluar sebesar 36 derajat celcius. Selain itu, pada tube side (water) diketahui juga untuk tekanan masuk dan keluar sebesar1,5 kgf/cm2a. Untuk data yang lebih lengkap dapat dilihat pada lampiran I. 4.2 Kalkulasi Manual lbm Dari kalkulasi manual didapatkan Q steam = Btu, ṁ water = , LMTD = 44.1 F, N tube = 38, Rd = hr ft2 F hr Btu hr, life time = 265,6 bulan, ΔP tube = Psi, dan ΔP shell = Psi. Untuk kalkulasi secara lengkap dapat dilihat pada lampiran I. 14

22 4.3 Kalkulasi Software Pada kalkulasi software HTRI dilakukan percobaan dengan empat variasi tubecount yakni 90, 95, 100, dan 112 untuk mendapatkan overdesign yang paling baik. Kemudian didapatkan tubecount 42 dengan overdesign sebesar 3.57 %. h shell = Btu ft 2 hr Btu ft 2 hr, required U = 150,03, h tube = Btu ft 2 hr Btu ft 2 hr, actual U = 155,39, OD tube = 1 inch, Baffle cut = 25 %, dan central spacing = 3.85 inch. Untuk data yang lebih lengkap dapat dilihat pada lampiran I. 4.4 Analisa Pengaruh heat transfer coef pada perubahan fase pada steam terhadap jarak masukan pada shell side Grafik 4.1 Grafik Perubahan fase pada steam terhadap koef heat transfer pada jarak masukan shell side Pada grafik 1 dapat diketahui bahwa steam (shell side) mengalami perubahan fase dari inletnya yang dalam kondisi 100% Vapor menjadi 100% liquid. Pada jarak 0 sampai 78 inch steam masih dalam fase 100% vapor, namun pada jarak 84 inch sudah terbentuk fraksi sebesar 0.78 % liquid. Sehingga pada titik yang berjarak 84 inch steam tersebut tersebut sudah berubah fase menjadi 100% liquid 15

23 Dalam hal ini dipengaruhi juga adanya peningkatan besarnya panas yang diterima. Pada grafik di atas perubahan fase steam dari vapor menjadi liquid dipengaruhi semakin naiknya heat transfer coef. Pada jarak 78 sampai 84 inch heat transfer coef konstan kemudian cenderung naik kembali. Panjang heat exchanger berpengaruh terhadap besarnya koefisien perpindahan panas terhadap pada shell heat exchanger karena ketika fluida mengalir shell dengan penggunaan L yang panjang maka waktu tinggal fluida pada HE semakin lama sehingga meningkat Hubungan jumlah tube, Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, pressure drop Grafik 1. Grafik Hubungan jumlah tube, Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, pressure drop, dan velocity tube Data diatas merupakan hasil kalkulasi dari HTRI untuk 3rd dist. Condensor-1 untuk Steam - Watter. Grafik diatas menunjukkan pengaruh variasi jumlah Tube (Tube Count) terhadap beberapa parameter yaitu Overdesign, Ud, Uc, Enthalpy,Presssuredrop. Dalam data diatas dapat 16

24 dilihat bahwa saat N bernilai 90, Overdesign mempunyai nilai -1.23, dan saat nilai N dinaikkan menjadi 95, 100 dan 112, Overdesign akan mengalami kenaikkan nilai sebesar 3,57, 8,38 dan Semakin besar nilai dari N (tube count) maka overdesignnya akan semakin besar. Hal ini dapat terjadi karena jika N (tube count) divariasikan maka akan mempengaruhi terhadap luasan tube (A). N berbanding lurus dengan luasan tube (A) sehingga nilai luasan akan semakin besar pula. Hal itu akan berpengaruh terhadap angka Renold (Re). Jadi jika N (tube count) divariasikan akan berpengaruh terhadap nilai Re sehingga semakin besar nilai Re maka nilai pressure drop di tube akan semakin besar pula. Karena Re digunakan untuk menentukan nilai f tube. Dari Grafik diatas dapat diketahui bahwa semakin kecil nilai velocity pada tube maka akan semakin kecil pula perpindahan panas pada tube. Karena velocity digunakan untuk menentukan nilai hi yang berpengaruh pada perpindahan panas dalam tube. Berubahnya nilai h juga akan berpengaruh terhadap nilai Uc. Pada saat nilai h tube , Uc mempunyai nilai sebesar Saat h tube mempunyai nilai Uc bernilai Nilai tersebut akan terus berjalan berbanding lurus. Meskipun penurunan nilai h tidak begitu besar tetapi akan tetap berpengaruh terhadap nilai Uc. Semakin besar nilai h akan semakin besar pula nilai dari Uc. 17

25 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Desain shell and tube heat exchanger yang bisa dibuat dan sesuai dengan specification sheet yang ada adalah sebagai berikut : ṁ water Q steam Tubecount = 95 OD tube ID shell = lbm hr = Btu hr = 1 inch = 17,25 inch U actual = U required = EMTD = F Btu ft 2 hr Btu ft 2 hr Rd = hr ft2 F Btu Baffle cut = 25 % central spacing Life time = 3.45 inch = 31 bulan Over design = 3.57 % 2. Perubahan fase steam dari vapor menjadi liquid terjadi karena semakin besar nilai coef heat transfernya. Variasi tube count akan mempengaruhi nilai Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, dan pressure drop. 18

26 5.2 Saran Untuk pengembangan lebih lanjut maka penulis memberikan saran yang sangat bermafaat dan dapat membantu penulisan untuk masa yang akan datang, yaitu:. a. Untuk menggunakan metode lain seperti metode NTU karena metode NTU dapat mendapatkan data dan desain yang lebih detail dan lebih akurat dari pada metode LMTD. b. Untuk mengoptimalkan designnya gunakan tubecount yang sesuai dan gunakan satuan yang sama agar menghindari eror berkelanjutan. Nilai pressure drop yang terlalu tinggi akan menyebabkan aliran fluida akan melambat yang akan berakibat fouling factor atau faktor pengotoran menjadi cepat rusak, dengan menjaga memvariasikan diameter pipa tube maupun jara baffle diharapkan mampu mengurangi nilai pressure drop sehingga aliran tetap pada kecepatan yang standar. c. Perlunya penambahan peningkatan computer seperti RAM dan processor agar meminimalisir terjadinya not responding dalam aplikasi. d. Perlunya memahami buku perpipaan thermal yang teliti untuk menentukan data. e. Pada kalkulasi sebaiknya menggunakan satuan british. Karena tabel maupun grafik kebanyakan menggunakan satuan british. 19

27 Daftar Pustaka Kern, Donald Q Process Heat Transfer. New York Rajawali, Putra. Makalah Heat Exchanger. 10 Agustus Paduana, Bima. Tugas Perpindahan Panas Makalah Heat Exchanger Alat Penukar Panas. 20 Januari Yusuf Firdaus, Muhammad. Steam. 22 Januari Santoso, Digdiyo. Pressure Drop. 5 maret

28 Lampiran 1 Properties Data Desain, Kalkulasi Manual, Kalkulasi Software dan Desain Heat Exchanger. DATA DESAIN Service of Unit : 3rd dist. Condensor -1 Type : BEM Horz connected in Shell side PERFORMANCE OF ONE UNIT Steam Fluid Quantity = 6100 kg/hr x in = 1 x out = 0 T in = 140 C T out = 60 C P in = 36,13 kgf/cm2a P out = 36,13 kgf/cm2a Tube side Water Fluid Quantity = kg/hr x in = 0 x out = 0 T in = 30 C T out = 36 C P in = 1.5 kgf/cm2a P out = 1.5 kgf/cm2a 21

29 CONSTRUCTION OF ONE SHELL Shell side Design / Test Pressure = full vacuum Design Temperature = 170 C No Passes per Shell = 1 Corrosion Allowance = 0 mm Connections Nominal Size dan Rating In = 100(150#) Out = 80(150#) Tube side Design / Test Pressure = 2 kgf / cm2g Design Temperature = 110 C No Passes per Shell = 2 Corrosion Allowance = 0 mm Connections Nominal Size dan Rating In = 80(150#) Out = 80(150#) Length Tube type Material Shell Cover Baffles cross type = 3400 mm = Plain = SS-304 = SS-304 = Single Seg Kalkulasi Manual Heat Ballance Shell Side ṁ steam cp steam = 6100 kg/hr = lbm/hr = 1,088 Btu/lbm-F 22

30 T in steam T out steam ΔT steam =140 C = 284 F = 60 C = 140 F = ( ) F = 144 F hg steam hf steam Δh steam = 1193 Btu/lbm = 540,5 Btu/lbm = ( ,5 ) Btu/lbm = 652,5 Btu/lbm Q1 = ṁ steam x (Δh steam) = lbm/hr x (625,5 Btu/lbm) = Btu/hr Q2 = ṁ steam x (cp steam)x (ΔT steam) = lbm/hr x 1,088 Btu/lbm-F x (144 F) = ,056 Btu/hr Q steam = Q1 + Q2 = ,06 Btu/hr b. Tube Side (water) cp water T in water T out water ΔT water = Btu/lbm-F =30 C = 86 F =36 C = 96,8 F = (96,8-86) F = 10,8 F Q steam = Q water ṁ water = Q steam cp water x ΔT water = ,06 / ( 0,9991 Btu/lbm-F x 10,8 F ) = ,33 lbm/hr 23

31 4.2.2 LMTD STEAM WATER 284 Higher 96,8 187,2 140 Lower Different 10,8 133,2 LMTD R = ΔT1 ΔT2 Ln ( ΔT1 ΔT2 ) = 133,2 / Ln ( 187,2 / 54 ) = 169,6 F = T1 T2 t1 t2 = 144 / 10,8 = 13,33 S = t1 t2 T1 T2 = 10,8 / 144 = 0,75 [Fig.22 D.Q KERN] Ft = ΔT = FT x LMTD = 0.75 x 169,6 F = 127,2 F Menghitung Nt dan OD tube Ud = 210 A A = = Qsteam total LMTD baru 1.088x107 Btu/hr F 24

32 A = ft 2 Mencari nilai N dan ID shell Phi = 22/7 L tube = 3400 mm = ft ID pitch = 1.25 inch = ft N = A (phi x ID pitch x L tube) = ft2 ( 22 x ft x ft) 7 = Dari table 9 2-phase untuk N = 94,88 dan OD tube 1 inch, maka besar ID Shell adalah 17,25 inch dan pada table 9 untuk diameter shell 17,25 inch 2 phases, nilai maksimal N adalah 112, untuk perhitungan menggunakan N = 95 Menghitung Dirt factor Shell side Tube side ID = 17,25 inch number = 95 Baffle Space = 3,45 inch Length = 11,15 ft Phases = 1 Phases = 2 OD = 1 inch BWG = 8 Pitch =1.25 inch square Hot Fluid : Shell side, Steam [Eq. 7.1 D.Q KERN] C = PT - OD = = B = 1 ID = =

33 a s = ID x C B 144 P T GS = = = ft " x 2.65" 144 x " [Eq. 7.D.Q KERN] m steam A s = lb/hr ft2 = ,23 lb/hr-ft 2 [Fig.15 D.Q KERN] µ (155,3 F) µ = 2.42 x = [Fig. 28 D.Q KERN] lb ft hr lb ft hr Ds = Pitch2 (π x = OD tube2 ) 4 π x OD tube 1.25 in 2 (π x 1 in2 4 ) π x 1in 12 = ft [Eq.7.3 D.Q KERN] Res = Ds x Gs Res = 0,08239 ft x ,23 lb Res = ,6912 µ hr ft 2 lb ft hr H0 steam = 1500 Btu hr.ft 2. Cold Fluid : Tube side, Water [Eq.7.48 D.Q KERN] A tube = [in 2 ] 26

34 Atube = N x a t 144 x n = 95x x 2 = ft 2 Gtube = ṁ water A tube = ,33 lb hr ft 2 [Fig.14 D.Q KERN] µ(89.6 F) µtube = ,39 lb hr ft2 = 2.42 x 0.75 lb ft hr = [Table 10 D.Q.KERN] Dtube = in 12 lb ft hr = ft [Eq. 3.6 D.Q KERN] Re tube = Dtube x Gt µ tube Re tube = x ,39 lb Re tube = ,2844 hr ft2 lb 1,815 ft hr V water = Gt 3600 x ρ water = , x 1000 = 37 ft s [Fig.25 D.Q KERN] hi water =

35 [Eq. 6.5 D.Q KERN] hio water = hi water x = 2100 x = 1407 ID tube OD tube inch 1 inch Btu hr.ft 2. hio water x ho steam Uc = hio water+ho steam = 1407 x = 726 [Table 10 D.Q.KERN] Btu hr.ft 2. External surface = ft A tube = Nt x L x external_surface Ud = = 95 x 11,15 ft x ft = 277,312 ft 2 Q steam A tube x ΔT = ,06 277,312 x 127,2 = 298,198 Btu hr.ft 2. Dirt factor Rd = Uc Ud Uc x Ud = , x 298,198 = 0, hr.ft2. Btu Life time Life time = Uc Ud Rd = , = 21649,89879 jam = 30,6 bulan = 31 bulan 28

36 Menghitung Pressure Drop Shell Side (steam) For Re = [Fig. 29 D.Q.KERN] f = 0,001 Ft2 Inch2 [Tabel 6 D.Q.KERN] s = 1 ID shell = No. Of crosses 17,25 in 12 [Eq D.Q.KERN] = 1,43 ft B L =2,65 inch = 11,15 inch N+1 = 12 x L B = 50.4 = 51 [Eq D.Q.KERN] G s = Ds = ft ΔPShell = f x Gs2 x IDshell x (N+1) 5,22 x x Ds x S Ft2 0,001 Inch2 ΔPShell = x ( lb hr ft 2)2 x 1,43 ft x (51+1) 5,22 x x ft x 1 ΔPShell = psi 29

37 Tube Side (Water) Re water = [Fig. 26 D.Q.KERN] f tube = 0,00013 Ft2 Inch2 Gt = 8,325 x 10 6 Passes = 2 D tube = [Tabel 6 D.Q.KERN] s = 1 [Eq D.Q.KERN] ΔPt = f tube x Gt 2 L x Passes 5,22 x x D tube x S = x (8,325 x 10^6 )2 x 11,15 2 5,22 x x x 1 = 11,679 psi V water = 37 ft s G = 10 ΔP r = 4 x passes s tube = 4 x 2 1 x 37^2 2 x 10 = 574,6 psi x V water2 2 x g ΔPtube = ΔPt + ΔPr = 11,679 psi + 574,6 psi = 559,

38 Kalkulasi Software Output Summary Page 1 Released to the following HTRI Member Company: Microsoft Microsoft Xist E Ver /12/2015 8:31 SN: Friendsl US Units Simulation - Horizontal Multipass Flow TEMA BEM Shell With Single-Segmental Baffles No Data Check Messages. See Runtime Message Report for Warning Messages. Process Conditions Hot Shellside Cold Tubeside Fluid name steam water Flow rate (1000-lb/hr) 13, ,716 Inlet/Outlet Y (Wt. frac vap.) 1,000 0,000 0,000 0,000 Inlet/Outlet T (Deg F) 469,31 * 140,00 86,00 96,80 Inlet P/Avg (psia) 513, ,372 21,335 19,343 dp/allow. (psi) 1,036 0,000 3,983 0,000 Fouling (ft2-hr-f/btu) 0, ,00200 Shell h (Btu/ft2-hr-F) 703,48 Actual U (Btu/ft2-hr-F) 155,39 Tube h (Btu/ft2-hr-F) 1535,91 Required U (Btu/ft2-hr-F) 150,03 Hot regime (--) Sens Liq Duty (MM Btu/hr) 8,2350 Cold regime (--) Sens. Liquid Area (ft2) 270,282 EMTD (Deg F) 203,1 Overdesign (%) 3,57 Shell Geometry TEMA type (--) BEM Baffle type (--) Single-Seg. Shell ID (inch) 17,2500 Baffle cut (Pct Dia.) 25,00 Series (--) 1 Baffle orientation (--) Parallel Parallel (--) 1 Central spacing (inch) 3,4500 Orientation (deg) 0,00 Crosspasses (--) 31 Tube Geometry Exchanger Performance Baffle Geometry Nozzles Tube type (--) Plain Shell inlet (inch) 3,0680 Tube OD (inch) 1,0000 Shell outlet (inch) 3,0680 Length (ft) 11,155 Inlet height (inch) 1,3750 Pitch ratio (--) 1,2500 Outlet height (inch) 0,2500 Layout (deg) 90 Tube inlet (inch) 5,0470 Tubecount (--) 95 Tube outlet (inch) 5,0470 Tube Pass (--) 2 Thermal Resistance; % Velocities; ft/sec Flow Fractions Shell 44,14 Shellside 0,44 A Tube 30,21 Tubeside 6,31 B Fouling 108,33 Crossflow 0,82 C Metal 17,320 Window 0,30 E F

39 Final Results Page 4 Released to the following HTRI Member Company: Microsoft Microsoft Xist E Ver /12/2015 8:31 SN: Friendsl US Units Simulation - Horizontal Multipass Flow TEMA BEM Shell With Single-Segmental Baffles Process Data Hot Shellside Cold Tubeside Fluid name steam water Fluid condition Cond. Vapor Sens. Liquid Total flow rate (1000-lb/hr) 13, ,716 Weight fraction vapor, In/Out (--) 1,000 0,000 0,000 0,000 Temperature, In/Out (Deg F) 469,31 * 140,00 86,00 96,80 Temperature, Average/Skin (Deg F) 304,7 295,87 91,4 130,63 Wall temperature, Min/Max (Deg F) 118,13 412,75 114,23 372,90 Pressure, In/Average (psia) 513, ,372 21,335 19,343 Pressure drop, Total/Allowed (psi) 1,036 3,983 Velocity, Mid/Max allow (ft/sec) 0,44 6,31 Mole fraction inert (--) 0,000 Average film coef. (Btu/ft2-hr-F) 703, ,91 Heat transfer safety factor (--) 1,000 1,000 Fouling resistance (ft2-hr-f/btu) 0, ,00200 Overall Performance Data Overall coef., Reqd/Clean/Actual (Btu/ft2-hr-F) 150,03 / 338,93 / 155,39 Heat duty, Calculated/Specified (MM Btu/hr) 8,2350 / Effective overall temperature difference (Deg F) 203,1 EMTD = (MTD) * (DELTA) * (F/G/H) (Deg F) 262,64 * 0,7732 * 1,0000 See Runtime Messages Report for warnings. 17,2500 inch Exchanger Fluid Volumes Approximate shellside (ft3) 11,597 Approximate tubeside (ft3) 8,208 Shell Construction Information 11,155 ft TEMA shell type BEM Shell ID (inch) 17,2500 Shells Series 1 Parallel 1 Total area (ft2) 277,433 Passes Shell 1 Tube 2 Eff. area (ft2/shell) 270,282 Shell orientation angle (deg) 0,00 Impingement present Circular plate Impingement diameter/nozzle 1,1 Pairs seal strips 0 Passlane seal rods (inch) 1,0000 No. 4 Shell expansion joint No Rear head support plate No Weight estimation Wet/Dry/Bundle 5035,9 / 3800,3 / 1951,7 (lb/shell) Baffle Information Type Parallel Single-Seg. Baffle cut (% dia) 25,00 Crosspasses/shellpass 31 No. (Pct Area) (inch) to C.L Central spacing (inch) 3, ,65 4,3125 Inlet spacing (inch) 15, ,00 0,0000 Outlet spacing (inch) 15,1794 Baffle thickness (inch) 0,1875 Tube Information Tube type Plain Tubecount per shell 95 Overall length (ft) 11,155 Pct tubes removed (both) 4,21 Effective length (ft) 10,867 Outside diameter (inch) 1,0000 Total tubesheet (inch) 3,4500 Wall thickness (inch) 0,1650 Area ratio (out/in) 1,4925 Pitch (inch) 1,2500 Ratio 1,2500 Tube metal Carbon steel Tube pattern (deg) 90 32

40 Desain Heat Exchanger Gambar Exchanger Drawing Gambar Setting Plan 33

41 Gambar Tube Layout Gambar 3D Exchanger 34

42 35