Gambar 2.15 Faktor Koreksi karena Aliran Bypass untuk Perhitungan Penurunan Tekanan R
B
2.2 Metode Delaware dan Wills and Johnstone
Metode ini merupakan basis kode-kode komputer modern untuk prediksi serta perhitungan aliran dan perpindahan panas pada sisi shell walaupun belum
dikembangkan untuk perhitungan manual. Meskipun demikian, Wills and Johnston 1984 telah mengembangkan sebuah versi sederhana metode tersebut
yang dapat digunakan untuk perhitungan manual. Metode tersebut telah diadopsi oleh Engineering Sciences Data Unit ESDU, 1983 dan mampu menghasilkan
solusi terpercaya dalam prediksi komputer.
Universitas Sumatera Utara
Basis metode ini diperlihatkan dalam Gambar 2.16. Fluida mengalir dari A ke B dengan berbagai rute yang masing-masing ditandai dengan subscript.
Kebocoran-kebocoran terjadi antara tube dan baffle t, antara baffle dan shell s, bagian aliran menyilang yang melewati tube c, serta bagian aliran bypass di luar
bundle b. Aliran menyilang dan bypass bersatu membentuk aliran yang melalui celah di luar baffle-cut w.
Gambar 2.16 Aliran-aliran Berdasarkan Metode Wills and Johstone
Prosedur perhitungan dengan menggunakan metode Wills and Johstone : 1.
Perhitungan koefisien-koefisien tahanan i.
Koefisien tahanan kebocoran antara shell dan baffle n
s
yang diperoleh dari
2 177
,
2 3
, 2
036 ,
s sb
b sb
b s
S t
t n
ρ δ
δ
−
+ =
2.44
Universitas Sumatera Utara
Dimana S
s
adalah luas penampang aliran pada celah antara shell dan baffle yang dihitung dari
sb sb
s s
D S
δ δ
π −
=
2.45
sb
δ adalah jarak radial antara baffle dan shell serta t
b
adalah ketebalan baffle.
ii. Koefisien tahanan kebocoran antara tube dan baffle n
t
yang didefenisikan sebagai
2 177
,
2 3
, 2
036 ,
t tb
b tb
b t
S t
t n
ρ δ
δ
−
+ =
2.46
Dimana
tb
δ adalah jarak radial antara tube dan baffle sera S
t
adalah luas penampang aliran pada celah antara tube dan baffle yang dihitung
dari
tb tb
T t
D N
S δ
δ π
− =
2.47
iii. Koefisien tahanan aliran pada window n
w
yang dinyatakan sebagai
2
2 6856
, exp
9 ,
1
w m
w w
S S
S n
ρ =
2.48
Dimana S
m
adalah luas aliran menyilang dan S
w
adalah luas aliran pada window yang keduanya telah didefenisikan dalam metode Delaware.
iv. Koefisien tahanan aliran bypass n
b
yang diperoleh dari
2
2 2
b ss
TP c
s b
S N
P L
D a
n ρ
+ −
=
2.49
Dimana D
s
adalah diameter dalam shell, L
c
adalah jarak baffle cut, P
TP
adalah selang antar baris tube searah dengan aliran, N
ss
adalah jumlah
Universitas Sumatera Utara
strip penutup, dan S
b
adalah luas penampang aliran bypass yang dihitung dari
B pp
by b
L S
δ δ
+ = 2
2.50
by
δ adalah jarak radial antara bundle dan shell serta
pp
δ adalah jarak yang berhubungan dengan pass partition. Keberadaan pass partition di
dalam shell akan menaikkan luas bypass jika berada searah dengan aliran. Konstanta a pada persamaan 6.53 bernilai 0,266 untuk susunan
tube square dan bernilai 0,133 untuk susunan triangular, rotated triangular, dan rotated square.
2. Perhitungan koefisien tahanan aliran menyilang n
c
yang dinyatakan sebagai
2
2
m f
c c
S K
N n
ρ
=
2.51
K
f
telah didefenisikan pada metode Delaware yang merupakan fungsi dari bilangan Reynolds, dimana
m c
S M
D V
D η
η ρ
max
Re =
=
2.52
Mc merupakan laju aliran massa menyilang yagn melewati tube yang besarnya adalah
M
c
= F
cr
M
T
2.53
Nilai F
cr
diperkirakan terlebih dahulu sebagai harga tebakan awal. 3.
Memperkirakan harga fraksi aliran menyilang F
cr
yang baru dengan mencari nilai koefisien-koefisien berikut
Universitas Sumatera Utara
2 2
1 2
1 −
− −
+ =
b c
cb
n n
n 2.54a
cb w
a
n n
n +
=
2.54b
2 2
1 2
1 2
1 −
− −
−
+ +
=
t s
a p
n n
n n
2.54c
Nilai F
cr
baru diperoleh dari persamaan
1 2
1 2
1
1
−
+
=
b c
a p
cr
n n
n n
F 2.55
4. Iterasi untuk memperoleh nilai F
cr
5. Perhitungan fraksi-fraksi aliran diberikan oleh persamaan-persamaan
berikut : i.
Aliran bypass
1 2
1 2
1
1
−
+
=
c b
a p
b
n n
n n
F 2.56
ii. Aliran pada celah antara shell dan baffle
2 1
=
s p
s
n n
F 2.57
iii. Aliran pada celah antara tub dan baffle
2 1
=
t p
t
n n
F 2.58
Sebagai perhatian, bahwa F
b
+ F
s
+ F
t
+ F
cr
= 1 6.
Perhitungan penurunan tekanan pada sisi shell Penurunan tekanan di setiap selang antar baffle
Δp dinyatakan sebagai
Universitas Sumatera Utara
2 T
p
M n
p =
∆
2.59
Penurunan tekanan sisi shell total adalah p
N p
s
∆ +
= ∆
1 2.60
7. Perhitungan koefisien perpindahan panas
Koefisien perpindahan panas dihitung seperti pada metode Delaware namun harga Re diambil dari persamaan 6.57 sehingga
34 ,
Pr Re
m u
a D
D N
λ λ
α =
=
2.61
dimana a = 0,273 dan m = 0,635 untuk susunan staggered tube banks dan bilangan Reynolds 3 x 10
2
Re ≤ 2 x 10
5
2.3.3.3. Kondensasi pada Bagian Luar Sistem Tube Horisontal
Tube horisontal sering digunakan sebagai permukaan perpindahan panas untuk kondensasi. Kondensasi dapat terjadi pada bagian luar maupun bagian
dalam tube. Koefisien perpindahan panas kondensasi yang terjadi pada bagian luar tube dan tube bank diperoleh dari bilangan Nusselt. Adapun langkah-langkah
dalam perhitungan koefisien perpindahan tersebut adalah sebagai berikut : 1.
Koefisien perpindahan panas rata-rata untuk kasus tube horisontal yang dihitung dengan persamaan
4 1
2
. .
. .
275 ,
− −
=
− W
sat L
LG G
L L
L f
T T
D h
g η
ρ ρ
ρ λ
α
2.62
2. Koefisien perpindahan panas air
W
α yang dinyatakan sebagai
3 1
8 ,
Pr .
Re .
023 ,
W W
W
=
α
2.63
Universitas Sumatera Utara
3. Bilangan Prandtl air Pr
W
yang diperoleh dari persamaan
W W
W W
Cp λ
η .
Pr =
2.64
4. Bilangan Reynolds air Re
W
yang diperoleh dari persamaan
W W
W W
D U
η ρ
2
. .
Re =
2.65
5. Laju kondensasi persatuan panjang tube m
c
yang dihitung dari persamaan
LG
h q
D m
. .
1 .
π −
=
2.66
Keterangan dari simbol-simbol yang digunakan dalam perhitungan koefisien perpindahan panas kondensasi di atas adalah sebagai berikut :
D
1
= diameter tube bagian dalam η
= viskositas D
2
= diameter tube bagian luar C
p
= koefisien kapasitas panas Ρ
= kerapatan fluida T
= temperatur λ
= konduktivitas termal U
= kecepatan g
= percepatan grafitasi q
= fluks panas h
= entalpi Pada susunan tube vertikal, lapisan film kondensasi pada baris tube teratas akan
turun pada tube di bawahnya, sehingga koefisien perpidahan panas pada tube yang berada di bawahnya lebih kecil. Koefisien perpindahan panas rata-rata dapat
dihitung dengan persamaan
4 1
1
.
− −
= N
N
α α
2.55
Universitas Sumatera Utara
dimana N adalah jumlah baris pada susunan tube vertikal, dan
1 −
α adalah koefisien perpidahan panas pada baris pertama. Pada kenyataannya, kondisi ideal tidak
dapat tercapai. Oleh karena itu, Kern menyarankan bahwa nilai koefisien perpindahan panas berkurang dengan cepat seiring bertambahnya jumlah baris
sehingga persamaan di atas dimodifikasi menjadi
6 1
1
.
− −
= N
N
α α
2.56
Universitas Sumatera Utara
BAB III ANALISIS KESETIMBANGAN ENERGI
3.1. Data-data Kondisi Operasi
Gambar 3.1 memperlihatkan diagram proses pada aftercooler kompresor. Sebagai input data dalam perancangan heat exchanger, data-data yang diketahui
adalah :
Gambar 3.1 Ilustrasi sederhana Proses pada Heat Exchanger
1. Fluida pada sisi tube : Udara bertekanan
i. Komposisi udara masuk
Laju aliran massa udara kering, m
u
= 8000 m
3
h = 58,13 kgs ii.
Temperatur udara masuk, Tu
,i
= 80 C
iii. Temperatur udara keluar, Tu
,o
= 37 C
iv. Tekanan udara masuk, p
1
= 2,65 MPa = 26,5 bar 2.
Fluida pada sisi shell : Air i.
Laju aliran massa air, m
a
= 50,2 kgs ii.
Temperatur air masuk, T
a,i
= 28 C
iii. Laju aliran massa uap air, m
a,i
= 1,04 kgs
Universitas Sumatera Utara
Kategori