PERANCANGAN HEAT EXCHANGER

Transkripsi

1 One Shell Pass and One Tube Pass PERANCANGAN HEAT EXCHANGER Abdul Wahid Surhim

2 Pengertian HE adalah alat yang berfungsi sebagai alat penukar panas (kalor) Dilihat dari fungsinya dapat dinamakan : Pemanas (heater) Pendingin (cooler) Vapourizer/Reboiler (Penguapan) Condenser (Pengembunan)

3 Klasifikasi HE HE Proses Perpindahan Konstruksi Pengaturan Aliran Jumlah Fluida Mekanisme Perpindahan Panas Kuppan, T., 2000, Heat Exchanger Design Handbook, Marcel Dekker, Inc.

4 Klasifikasi HE Proses Perpindahan Kontak Langsung Kontak Tak Langsung

5 Klasifikasi HE Kekompakan Permukaan Kompak (Densitas luas permukaan 700 m 2 /m 3 ) Tak Kompak (Densitas luas permukaan < 700 m 2 /m 3 )

6 Compact Heat Exchangers Digunakan secara luas untuk menerima laju panas yang besar per satuan volume, khususnya saat satu atau kedua fluidanya gas. Dikarakterisasi oleh luas permukaan perpindahan panas yang besar, lintasan aliran yang kecil dan aliran laminar (a) Fin-tube (flat tubes, continuous plate fins) (b) Fin-tube (circular tubes, continuous plate fins) (c) Fin-tube (circular tubes, circular fins) (d) Plate-fin (single pass) (e) Plate-fin (multipass)

7 Klasifikasi HE Konstruksi TABUNG (Tubular) TALAM (Plate) EXTENDED SURFACE REGENERATIF Doublepipe Shell- and- Tube Spiral Tube Gasketed Spiral Lamella Plate- Fin Tube-Fin Rotory Fixed- Matrix Plate Baffle ROD Baffle Disk- Type Drum- Type

8 Double-pipe HE

9 Spiral HE

10 Shell-and-Tube Heat Exchangers One Shell Pass and One Tube Pass Baffles are used to establish a cross-flow and to induce turbulent mixing of the shell-side fluid, both of which enhance convection. The number of tube and shell passes may be varied, e.g.: One Shell Pass, Two Tube Passes Two Shell Passes, Four Tube Passes

11 Plate HE

12 Extended Surface HE Digunakan jika koefisien perpindahan panasnya sangat kecil, sehingga memerlukan luas perpindahan panas yang besar untuk menaikkan laju perpindahan panasnya

13 Klasifikasi HE PENGATURAN ALIRAN Single Pass Multi Pass Parallel Flow Counter Flow Cross Flow Extended Surface Extended Surface Multi Pass Cross counter flow Cross parallel flow Parallel counter flow Shell & Fluid Mixed N Shell Passes N Tube Passes Split Flow Devided Flow N-Parallel Plate Multiipass

14 Type HE Concentric-Tube Heat Exchangers Parallel Flow Counterflow

15 Distribusi Aliran

16 Tipe HE Cross-flow Heat Exchangers Finned-Both Fluids Unmixed Unfinned-One Fluid Mixed the Other Unmixed

17 Klasifikasi HE JUMLAH FLUIDA Dua Fluida Tiga Fluida N-Fluida (N>3)

18 Klasifikasi HE MEKANISME PERPINDAHAN PANAS Konveksi Fasa Tunggal (Forced or Free) Konveksi Dua Fasa(Kondensasi atau Evaporasi), Forced or Free Kombinasi Konveksi dan Radiasi

19 Kriteria Pemilihan HE. Bahan konstruksi 2. Tekanan dan suhu operasi, program suhu dan driving force suhu 3. Laju alir 4. Susunan aliran 5. Parameter kinerja -- efektivitas panas dan jatuh tekanan 6. Kecenderungan pengotoran 7. Jenis dan fasa fluida 8. Pemeliharaan, inspeksi, pembersihan, ekstensi, dan kemungkinan perbaikan 9. Keekonomian menyeluruh 0. Teknik fabrikasi. Tujuan aplikasi

20

21 Kebutuhan HE. Efektivitas panas tinggi 2. Jatuh tekanan serendah mungkin 3. Kehandalan dan harapan hidup 4. Produk berkualitas tinggi dan operasinya aman

22

23 PROSEDUR DISAIN HE 8 April 204

24 Kerangka Pembelajaran Dua Kriteria Utama Disain HE Persamaan Neraca Energi Perpindahan Kalor Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas Panas

25 Dua Kriteria Utama Disain HE Fouling (dirty) factor >0.003 Pressure drop 2 or 0 psia

26 Persamaan Neraca Energi m h c t t m c t t h, i h, o c p, c c, i c, o p, h m h = laju alir massa aliran panas m c = laju alir massa aliran dingin c p,h = panas jenis aliran panas c p,c = panas jenis aliran dingin t h,i = suhu aliran panas masuk t h,o = suhu aliran panas keluar t c,i = suhu aliran dingin masuk t c,o = suhu aliran dingin keluar

27 Perpindahan Kalor q C h t t C t t h, i h, o c c, i c, o q C t t max min h, i c, i

28 Persamaan Umum Perpindahan Panas melalui Permukaan Q UA T m Q = heat transferred per unit time, W; U = the overall heat transfer coefficient, W/m 2. o C; A = heat transfer area, m 2 ; T m = the mean temperature difference, the temperature driving force, o C

29 Overall Heat Transfer Coefficient (U) U o h o h od d o ln 2k d d w o i d d o i. h id d d o i. h i U o = the overall coefficient based on the outside area of the tube, W/m 2. o C; h o = outside fluid film coefficient, W/m 2. o C; h i = inside fluid film coefficient, W/m 2. o C; h od = outside dirt coefficient (fouling factor), W/m 2. o C; h id = inside dirt coefficient, W/m 2. o C; k w = thermal conductivity of the tube wall material, W/m. o C; d i = tube inside diameter, m; d o = tube outside diameter, m.

30 Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas Panas. Metode -NTU 2. Metode P-NTU 3. Metode LMTD 4. Metode -P NTU: Number of Transfer Units : Heat exchanger effectiveness P: Thermal effectiveness R: Heat capacity ratio

31

32 Hubungan antar Variabel Tanpa Dimensi

33 Contoh : Perhitungan LMTD Fluida panas masuk peralatan pipa-konsentrik pada suhu 300 o F dan didinginkan ke 200 o F dengan fluida dingin yang masuk pada 00 o F dan dipanaskan hingga 50 o F. Apakah seharusnya disusun secara paralel atau kontra?

34 Dua Macam Aliran Fluida Panas COUNTERFLOW Fluida Dingin Fluida Panas PARALEL FLOW Fluida Dingin (T) 300 (t2) (t2) (T) 300 (t) (t2) (T2) 200 (t) (t) (T2) 200 (t2) (t) t2 t t2 2.3 log t t t t2 2.3 log 2 50 (t2-t) 50 (t2-t) LMTD 23.3 LMTD 08 t

35 Contoh 2: Perhitungan LMTD dengan Suhu Keluar Sama Fluida panas masuk peralatan pipakonsentrik pada suhu 300 o F dan didinginkan ke 200 o F dengan fluida dingin yang masuk pada 50 o F dan dipanaskan hingga 200 o F.

36 Dua Macam Aliran COUNTERFLOW PARALEL FLOW Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin (T) 300 (t2) (t2) (T) 300 (t) (t2) (T2) 200 (t) (t) (T2) 200 (t2) (t) 50 (t2-t) 50 (t2-t) LMTD t2 t t2 t t2 2.3 log 72 LMTD t2 2.3 log 0 t t

37 Contoh 3: Perhitungan LMTD Saat t c > t h Fluida panas masuk peralatan pipakonsentrik pada suhu 300 o F dan didinginkan ke 200 o F secara aliran kontra, dengan fluida dingin yang masuk pada 00 o F dan dipanaskan hingga 275 o F.

38 Dua Macam Aliran COUNTERFLOW Fluida Panas Fluida Dingin (T) 300 (t2) (t h ) (T2) 200 (t) (t c ) t2 t t2 2.3 log 75 (t c -t h ) LMTD 54.3 t PARALEL FLOW

39 Contoh 4: Perhitungan LMTD dengan Satu Fluida Isotermal Fluida dingin dipanaskan dari suhu 00 o F hingga 275 o F dengan uap panas (steam) pada 300 o F.

40 Dua Macam Aliran COUNTERFLOW PARALEL FLOW Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin (T) 300 (t2) (t2) (T) 300 (t) (t2) (T2) 300 (t) (t) (T2) 300 (t2) (t) t t 2.3 log 2 2 LMTD t2 SAMA LMTD t2 SAMA t t t 2.3 log t

41 Suhu Kalorik atau Suhu Rata-rata Suhu Kalorik untuk FLUIDA PANAS Suhu Kalorik untuk FLUIDA DINGIN F c adalah faktor suhu kalorik pada (Fig. 7 Kern) 2 2 T T F T T c c 2 t t F t t c c c c h c U U U K

42 Fig. 7 Kern

43 Contoh 5 Minyak mentah dengan 20 o API didinginkan dari 300 o F ke 200 o F dengan memanaskan gasolin dingin 60 o API dari 80 ke 20 o F dalam peralatan beralirankontra. Berapa suhu untuk mengevaluasi U?

44 Jawaban SHELL Minyak Mentah 20 o API TUBE Gasolin 60 o API 300 Suhu Tinggi (t 2 ) 200 Suhu Rendah (t ) 250 Mean Selisih 40 Minyak mentah : pada selisih suhu 00 o F maka Kc=0.68 (Fig. 7 Insert) Gasolin : pada selisih suhu 40 o F maka Kc0.

45 Jawaban Dipakai Kc yang terbesar: 0.68 t t 2 = = Fc = Tc = (0.425)(00) = o F tc = 80 + (0.425)(40) = 97.0 o F

46 DOUBLE-PIPE HEAT EXCANGER HE PIPA GANDA Tahapan Perhitungan Disain HE DP

47 INPUT. Ukuran pipa (panjang, IPS dan Schedule untuk annulus dan inner pipe) 2. Suhu masuk dan keluar (fluida panas dan dingin) 3. Laju massa fluida dingin 4. Fouling factor disain (Table 2)

48 PIPA

49 Prosedur Disain Hitung T av, t av, c, Q, W LMTD Perhitungan h o dan h io Pressure Drop Perhitungan U, A dan Rd

50 . Hitung T av, t av, c, Q, W HOT FLUID COLD FLUID T av T T 2 2 t av t 2 t 2 Hitung c dari Fig. 2 Hitung c dari Fig. 2 W c. T Q 2 T Q w. c. t 2 t

51 2. LMTD T T 2 t t 2 t t log ln t t t t t t t t LMTD

52 3. Perhitungan h o dan h io ANNULUS, HOT FLUID D 2 (ID Annulus, Table ) D (OD Inner-pipe, Table ) 2 2 D Flow Area: 2 D a a 4 Diameter Ekuivalen (D e ): D e Mass velocity: D Viskositas: (Fig. 4 pada T av ) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr)) 2 2 D D G a 2 W a a INNER PIPE, COLD FLUID D (ID Inner-pipe, Table ) Flow Area: Mass velocity: D a p 4 G Viskositas: (Fig. 4 pada T av ) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr)) p 2 w a p

53 Diameter Annulus

54 3. Perhitungan h o dan h io ANNULUS, HOT FLUID INNER PIPE, COLD FLUID Re: Re Heat transfer factor j H diperoleh dari Fig. 24 k a (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) h o (koefisien film): h o j H k D a e a DeG c k a / 3 a w 0.4 w Re: j H diperoleh dari Fig. 24 Re k (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) h i (koefisien film): h i j H p k c D k h io h i DG p / 3 ID OD p w 0.4

55 jh

56 Konduktivitas panas: LIQUID

57 Konduktivitas panas: GAS

58 4. Perhitungan U, A dan Rd D C D C CALC d AKTUAL D AKTUAL D d C C D o io o io C U U U U R LMTD A Q U L A A L LMTD U Q A R U U U h h h h U (AKTUAL)* External Surface per foot length External Surface per foot length (Table)

59 5. Pressure Drop (< 0 psi) ' Hitung De : D e D' ' Hitung Re : Rea a Hitung f (Eq. 3.47b) Specific gravity, s (Table 6) = s x fg L a Hitung F a : Fa 2 ' 2g De Hitung velocity (V): V Entrance and exit losses: f ANNULUS, HOT FLUID F 2 V 2g' l n dphe Pressure Drop: ' 0.42 R e P 2 D e G a a D G a 3600 F af 44 l INNER PIPE, COLD FLUID Hitung f (Eq. 3.47b) Specific gravity, s (Table 6) = s x 62.5 Hitung F p : f Pressure Drop: P p F R e F p fg L p 2g D p 2

60 Contoh 6. Diinginkan untuk memanaskan 9820 lb/hr Benzena dingin dari 80 ke 20 o F menggunakan Toluena panas yang menjadi dingin dari 60 ke 00 o F Specific gravity pada 80 o F masing-masing 0.88 dan 0.87 Fouling factornya 0.002, sedangkan pressure drop yang diperkenankan adalah 0.0 psi Sejumlah pipa hairpin: 20-ft, IPS 2 x ¼ in tersedia Berapa diperlukan pipa hairpin?

61

62

63

64

65

66

67 LATIHAN Diinginkan untuk memanaskan 9820 lb/hr Benzena dingin dari 85 ke 30 o F menggunakan Toluena panas yang menjadi dingin dari 60 ke 95 o F Fouling factornya 0.002, sedangkan pressure drop yang diperkenankan adalah 0.0 psi Sejumlah pipa hairpin: 20-ft, IPS 2½ x ¼ in tersedia Berapa diperlukan pipa hairpin?

68 Rangkaian Susunan Paralel Hasil perancangan DPHE dalam contoh sebelumnya memiliki P di bawah yang diperkenankan (0.0 psi) Bagaimana kalau ternyata melebihinya (5 atau 20 psi)? Alternatifnya adalah mem-by-pass sebagian alirannya

69 Dua Susunan Aliran Rangkaian DPHE (counterflow) Rangkaian DPHE (susunan paralel)

70 Konsekuensi Perubahan Aliran Ada dua konsekuensi perubahan aliran ini. Penurunan kecepatan massa G a dan koefisien film h i, sehingga akan menurunkan U C 2. Rentang suhu fluida panas akan lebih besar tergantung dari berapa porsi aliran yang diby-pass, sehingga akan menurunkan LMTD

71 Beda Suhu Sebenarnya ( t) T t t ' ' ' ' log ' ' 2.3 ' / R P R R R nr P n ' ' t T t T P t t n T T R dan

72 Satu Rangkaian Aliran Dingin dan n Paralel Aliran Panas " " " log " 2.3 " / R P R R n P n " " t T t T P t t T n T R dan

73 Contoh 6.2 DPHE beroperasi dengan fluida panas dalam rangkaian dari 300 sampai 200 o F dan fluida dingin dalam 6 aliran paralel dari 90 sampai 220 o F Berapa t?

74 Jawaban FLUIDA PANAS FLUIDA DINGIN R' P' t 300 T 90 t 200 T t 2 T T T2 t dan P' n T t t t nr' log R' R' R' P' / n R' T t o F 0.09

75 HE dengan KOREKSI VISKOSITAS () Fig. 24 asumsinya (/ w ) 0.4 =.0 Mengabaikan deviasi sifat-sifat fluida dari aliran isotermal Untuk fluida nonviskos pada proses pemanasan atau pendinginan tidak membuat kesalahan pada koefisien perpindahan panas Namun ketika suhu dinding-pipa berbeda dengan suhu kaloriknya maka nilai harus dihitung

76 Koreksi Viskositas p p io io a a o o e a H a o w a a a e a H o h h h h k c D k j h k c D k j h a viskositas : Koreksi dengan 3 / / o io o io C h h h h U

77 Suhu Dinding (t w ) t w t c h o a h o a h io p T c t c

78 Penentuan Sifat Fluida Untuk fluida non-oil menggunakan SUHU RATA-RATA Untuk fluida oil menggunakan SUHU KALORIK Untuk fluida oil yang VISKOS, menggunakan SUHU DINDING (tw) untuk menentukan viskositas di dinding pipa

79 Contoh lb/hr dari 26 o API lube oil harus didinginkan dari 450 ke 350 o F dengan lb/hr 34 o API mid-continent crude oil. Crude oil dipanaskan dari 300 ke 30 o F. Fouling factornya harus disediakan tiap aliran dan jatuh tekanan yang diperkenankan 0.0 psi. Sejumlah 20-ft hairpins ukuran 3x2 in. IPS tersedia. Berapa banyak harus digunakan dan bagaimana susunannya? Viskositas crude oil dari Fig.4. Untuk lube oil viskositasnya.4 cp pada 500 o F, 3.0 pada 400 o F, dan 7.7 pada 300 o F