One Shell Pass and One Tube Pass PERANCANGAN HEAT EXCHANGER Abdul Wahid Surhim
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)
Klasifikasi HE HE Proses Perpindahan Konstruksi Pengaturan Aliran Jumlah Fluida Mekanisme Perpindahan Panas Kuppan, T., 2000, Heat Exchanger Design Handbook, Marcel Dekker, Inc.
Klasifikasi HE Proses Perpindahan Kontak Langsung Kontak Tak Langsung
Klasifikasi HE Kekompakan Permukaan Kompak (Densitas luas permukaan 700 m 2 /m 3 ) Tak Kompak (Densitas luas permukaan < 700 m 2 /m 3 )
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)
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
Double-pipe HE
Spiral HE
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
Plate HE
Extended Surface HE Digunakan jika koefisien perpindahan panasnya sangat kecil, sehingga memerlukan luas perpindahan panas yang besar untuk menaikkan laju perpindahan panasnya
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
Type HE Concentric-Tube Heat Exchangers Parallel Flow Counterflow
Distribusi Aliran
Tipe HE Cross-flow Heat Exchangers Finned-Both Fluids Unmixed Unfinned-One Fluid Mixed the Other Unmixed
Klasifikasi HE JUMLAH FLUIDA Dua Fluida Tiga Fluida N-Fluida (N>3)
Klasifikasi HE MEKANISME PERPINDAHAN PANAS Konveksi Fasa Tunggal (Forced or Free) Konveksi Dua Fasa(Kondensasi atau Evaporasi), Forced or Free Kombinasi Konveksi dan Radiasi
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
Kebutuhan HE. Efektivitas panas tinggi 2. Jatuh tekanan serendah mungkin 3. Kehandalan dan harapan hidup 4. Produk berkualitas tinggi dan operasinya aman
PROSEDUR DISAIN HE 8 April 204
Kerangka Pembelajaran Dua Kriteria Utama Disain HE Persamaan Neraca Energi Perpindahan Kalor Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas Panas
Dua Kriteria Utama Disain HE Fouling (dirty) factor >0.003 Pressure drop 2 or 0 psia
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
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
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
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.
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
Hubungan antar Variabel Tanpa Dimensi
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?
Dua Macam Aliran Fluida Panas COUNTERFLOW Fluida Dingin Fluida Panas PARALEL FLOW Fluida Dingin (T) 300 (t2) 50 50 (t2) (T) 300 (t) 00 200 (t2) (T2) 200 (t) 00 00 (t) (T2) 200 (t2) 50 50 (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
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.
Dua Macam Aliran COUNTERFLOW PARALEL FLOW Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin (T) 300 (t2) 200 00 (t2) (T) 300 (t) 50 50 (t2) (T2) 200 (t) 50 50 (t) (T2) 200 (t2) 200 0 (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
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.
Dua Macam Aliran COUNTERFLOW Fluida Panas Fluida Dingin (T) 300 (t2) 275 25 (t h ) (T2) 200 (t) 00 00 (t c ) t2 t t2 2.3 log 75 (t c -t h ) LMTD 54.3 t PARALEL FLOW
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.
Dua Macam Aliran COUNTERFLOW PARALEL FLOW Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin (T) 300 (t2) 275 25 (t2) (T) 300 (t) 00 200 (t2) (T2) 300 (t) 00 200 (t) (T2) 300 (t2) 275 25 (t) t t 2.3 log 2 2 LMTD t2 SAMA LMTD t2 SAMA t t t 2.3 log t
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
Fig. 7 Kern
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?
Jawaban SHELL Minyak Mentah 20 o API TUBE Gasolin 60 o API 300 Suhu Tinggi 20 80 (t 2 ) 200 Suhu Rendah 80 20 (t ) 250 Mean 00 00 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.
Jawaban Dipakai Kc yang terbesar: 0.68 t t 2 = 20 80 = 0.667 Fc = 0.425 Tc = 200 + (0.425)(00) = 242.5 o F tc = 80 + (0.425)(40) = 97.0 o F
DOUBLE-PIPE HEAT EXCANGER HE PIPA GANDA Tahapan Perhitungan Disain HE DP
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)
PIPA
Prosedur Disain Hitung T av, t av, c, Q, W LMTD Perhitungan h o dan h io Pressure Drop Perhitungan U, A dan Rd
. 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
2. LMTD T T 2 t t 2 t t 2 2 2 2 2 2.3 log ln t t t t t t t t LMTD
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
Diameter Annulus
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 0.4.0 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
jh
Konduktivitas panas: LIQUID
Konduktivitas panas: GAS
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)
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 62.5 2 4 fg L a Hitung F a : Fa 2 ' 2g De Hitung velocity (V): V Entrance and exit losses: f ANNULUS, HOT FLUID 0.264 0.0035 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 0.264 0.0035 Pressure Drop: P p F R e F p 44 0.42 2 4 fg L p 2g D p 2
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?
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?
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
Dua Susunan Aliran Rangkaian DPHE (counterflow) Rangkaian DPHE (susunan paralel)
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
Beda Suhu Sebenarnya ( t) T t t ' ' ' ' log ' ' 2.3 ' / R P R R R nr P n 2 2 2 ' ' t T t T P t t n T T R dan
Satu Rangkaian Aliran Dingin dan n Paralel Aliran Panas " " " log " 2.3 " / R P R R n P n 2 2 2 " " t T t T P t t T n T R dan
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?
Jawaban FLUIDA PANAS FLUIDA DINGIN R' P' t 300 T 90 t 200 T 2 220 t 2 T T2 300 200 T2 t 200 90 0.558 dan P' n T t 300 90 t t 6220 90 2 0.244 2.3 nr' log R' R' R' P' / n R' 3.727 T t 0.244300 90 26.8 o F 0.09
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
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 / 0.4 3 / o io o io C h h h h U
Suhu Dinding (t w ) t w t c h o a h o a h io p T c t c
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
Contoh 6.3 6900 lb/hr dari 26 o API lube oil harus didinginkan dari 450 ke 350 o F dengan 72500 lb/hr 34 o API mid-continent crude oil. Crude oil dipanaskan dari 300 ke 30 o F. Fouling factornya 0.003 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