m
h
T
h , i
m
c
T
c , i
T
h , o
T c , o
Gambar 2.7 : Alat Penukar Kalor Jenis satu Shell dan satu Tube Pada type E dalam hal ini media pemanas diambil dari gas buang pabrik
kelapa sawit yang mengalir di dalam tube dan fluida air mengalir di sisi shell.
2.3 Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor
Besarnya panas yang diserap fluida dingin
2.1
i c,
o c,
air s
o c
c air
s o
c
T T
cp m
Q T
cp m
Q −
× ×
= ×
× =
dimana : Q
c
= kalor yang diserap fluida dingin kW
s
= laju aliran massa air kgs
o
m
cp
air
= kalor jenis air kJkg.K T
c,o
= temperatur air keluar K T
c,i
= temperatur air masuk K Sifat fluida dingin dievaluasi pada temperatur dingin rata-rata, yaitu
2 T
T T
o c,
i c,
c
+ =
Besarnya kalor yang dilepaskan fluida panas
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
2.2
o h,
i h,
gas t
h h
gas t
o h
T T
Cp m
Q T
Cp m
Q −
× ×
= ×
× =
dimana : Q
h
= kalor yang dilepaskan fluida panas kW = laju aliran massa gas buang kgs
o t
m
cp
g
= kalor jenis gas buang kJkg.K T
h,o
= temperatur gas buang keluar K T
h,i
= temperatur gas buang masuk K Sifat fluida gas buang dievaluasi pada temperatur gas buang rata-rata, yaitu
2 T
T T
o h,
i h,
h
+ =
Perhitungan laju aliran massa gas buang dapat dihitung : Q
h
= Q
c
o t
m
.cp
gas
.T
h
,i
i–
T
h,o
=
s
.cp
air
.T
c
,o
–
T
c,i
o
m
o h,
h,i p
c,i o
c, air
p s
o o
t
T T
. c
T T
. .c
m m
gas
− −
=
2.3
2.3.1 Efektivitas alat penukar kalor Untuk menentukan efektivitas alat penukar kalor harus ditentukan fluida
minimum, dimana kapasitas kalor yang minimum dipilih dari : • Untuk fluida dingin :
air
cp ×
s c
C =
o
m
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
• Untuk fluida panas :
gas t
o h
cp m
C ×
= dimana : C
c
= kapasitas kalor air kWK C
h
= kapasitas kalor gas buang kWK Jika fluida dingin sebagai fluida minimum, maka efektivitas alat penukar
kalor dapat diperoleh dari persamaan
i c,
i h,
i c,
o c,
max
T T
T T
Q Q
− −
= =
2.4
Jika fluida panas sebagai fluida minimum, maka efektivitas alat penukar kalor dapat diperoleh dari persamaan
i c,
i h,
o h,
i h,
max
T T
T T
Q Q
− −
= =
2.5
dimana : =
efektivitas alat penukar kalor Q
= perpindahan kalor nyata kW
Q
max
= perpindahan kalor maksimum yang mungkin kW
2.3.2. Perpindahan kalor dengan menggunakan metode LMTD Besarnya laju perpindahan kalor dengan metode LMTD dapat dihitung,yaitu:
LMTD F
A U
Q
o o
× ×
× =
2.6 dimana : Q
= perpindahan kalor secara pindahan kalor kW U
o
= koefisien perpindahan kalor menyeluruh kWm
2
.K
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
F = faktor
koreksi LMTD = Log Mean Temperature Difference K
Log Mean Temperature Difference K
i c,
o h,
o c,
i h,
i c,
o h,
o c,
i h,
T T
T T
ln T
T T
T LMTD
− −
− −
− =
2.7
Untuk mencari F diperlukan parameter
i h,
i c,
i h,
o h,
T T
T T
P −
− =
dan
i ,
h o
, h
o ,
c i
, c
T T
T T
R −
− =
jika R = 1, maka diperoleh
⎥ ⎦
⎤ ⎢
⎣ ⎡
+ −
− −
− =
2 2
P 2
2 2
P 2
Ln 1
P F
P 2.8
jika R ≠1, maka diperoleh
{ }
⎥ ⎥
⎥ ⎥
⎦ ⎤
⎢ ⎢
⎢ ⎢
⎣ ⎡
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎝ ⎛
+ +
+ −
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎝ ⎛
+ −
+ −
× −
⎟⎟ ⎠
⎞ ⎜⎜
⎝ ⎛
× −
− ×
+ =
1 2
R 1
R P
2 1
2 R
1 R
P 2
Ln 1
R R
P 1
P 1
Ln 1
2 R
F 2.9
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
dimana : P = efektivitas thermal R = perbandingan
kapasitas kalor
Luas perpindahan kalor adalah :
t o
p, o
N L
A ×
× ×
= d
2.10 dimana : A
o
= luas perpindahan kalor m
2
d
p,o
= diameter luar
tube m
L =
panjang tube
m N
t
= jumlah tube Koefisien perpindahan kalor menyeluruh :
o i
p, o
p, o
p, i
i p,
o p,
o
h 1
d d
Ln k
2 d
h 1
d d
1 U
+ ×
× +
× =
2.11
dimana : h
i
= koefisien perpindahan kalor di dalam tube kWm
2
.K h
o
= koefisien perpindahan kalor di luar tube kWm
2
.K k
= konduktivitas termal kWm.K d
p,i
= diameter dalam
tube m
Tahanan pada tube diabaikan untuk konduktivitas tinggi dan tebal tube yang tipis, sehingga koefisien perpindahan kalor menyeluruh menjadi
o i
i p,
o p,
o
h 1
h 1
d d
1 U
+ ×
= 2.12
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
• Mencari koefisien perpindahan kalor di dalam tube Bilangan Reynolds
gas t
gas i
p, t
t
A m
Re ×
× ×
= d
2.13
dimana : Re
t
= bilangan Reynolds di dalam tube
gas
= densitas gas
kgm
3 gas
= viskositas kinematik gas m
2
s A
t
= luas aliran sisi tube m
2
diameter dalam tube d
p,i
= d
p,o
– 2 × t 2.14 dimana : t
= tebal tube m luas aliran sisi tube menurut :
p 2
i p,
t t
N 4
d N
A ×
× ×
= 2.15
dimana : N
t
= jumlah tube N
p
= jumlah pass
tube Jika alirannya merupakan aliran laminar
2100 , bilangan Nusselt di dalam tube
diperoleh dari persamaan
t
Re
3 1
i p,
gas t
gas i
p, i
t
L Pr
Re 1,86
k h
Nu ⎟⎟
⎠ ⎞
⎜⎜ ⎝
⎛ ×
× ×
= ×
= d
d 2.16
Jika alirannya diantara 2100 Re
t
10.000 ., bilangan Nusselt didalam tube diperoleh dari persamaan
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
3 1
3 2
3 2
gas i
p, i
t
Pr ,
1 125
Re 116
, k
h Nu
gas t
x L
i dp
x x
d ⎥
⎥ ⎦
⎤ ⎢
⎢ ⎣
⎡ ⎟
⎠ ⎞
⎜ ⎝
⎛ +
− =
× =
2.17
Jika alirannya merupakan aliran turbulen 10000, bilangan Nusselt di dalam
tube diperoleh dari persamaan
t
Re
0,4 gas
5 4
t gas
i p,
i t
Pr Re
0,023 k
h Nu
× ×
= ×
= d
2.18
Jika alirannya merupakan aliran transisi atau bukan aliran laminar maupun aliran turbulen 2100
≤ ≤ 10000, bilangan Nusselt didalam tube diperoleh dari
persamaan
t
Re
3 1
gas 3
2 i
p, 3
2 t
gas i
p, i
t
Pr L
d 1
125 Re
0,116 k
h Nu
× ⎥
⎥ ⎦
⎤ ⎢
⎢ ⎣
⎡ ⎟⎟
⎠ ⎞
⎜⎜ ⎝
⎛ +
× −
× =
× =
d 2.19
dimana : Nu
t
= bilangan Nusselt di dalam tube k
gas
= konduktivitas panas gas kWm.K Pr
gas
= bilangan Prandtl gas Sifat fluida di evaluasi pada temperatur gas rata-rata, yaitu
2 T
T T
o h,
i h,
h
+ =
• Mencari koefisien perpindahan kalor di dalam shell Bilangan Reynolds
air s
air e
s s
A D
m Re
× ×
× =
2.20 dimana : Re
s
= bilangan Reynolds di dalam shell
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
air
= densitas air kgm
3 air
= viskositas kinematik air m
2
s A
s
= luas aliran sisi shell m
2
D
e
= diameter ekuivalen
m diameter ekivalen
p,0 2
p,0 2
t e
d P
4 D
d ×
× −
× =
2.21
dimana : P
t
= jarak antara dua pusat tube pitch m luas aliran sisi shell :
t s
s
P B
C D
A ×
× =
2.22 dimana : D
s
= diameter shell m C = jarak antara dua permukaan tube clearance m
B =
jarak antara
baffle jarak antara dua permukaan tube
o p
t
d P
C
,
− =
2.23 jarak antara baffle
1 N
L B
b
+ =
2.24
Jika bilangan Reynold berada pada interval 0,1 100000, bilangan
Nusselt didalam shell diperoleh dari persamaan
s
Re
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
{ }
3 ,
air 55
, s
air e
o s
Pr Re
56 ,
35 ,
k D
h Nu
× ×
+ =
× =
2.25
Jika bilangan Reynold berada pada interval 100000 1000000,
bilangan Nusselt didalam shell diperoleh dari persamaan
s
Re
3 1
air 55
, s
air e
o s
Pr Re
36 ,
k D
h Nu
× ×
= ×
= 2.26
dimana : Nu
s
= bilangan Nusselt di dalam shell k
air
= konduktivitas kalor air kWm.K Pr
air
= bilangan Prandtl air Sifat fluida dievaluasi pada temperatur air rata-rata, yaitu
2 T
T T
o c,
i c,
c
+ =
2.3.3 Penurunan tekanan di dalam tube dan di dalam shell Penurunan tekanan di dalamtube
dapat dihitung
yaitu :
⎥ ⎥
⎦ ⎤
⎢ ⎢
⎣ ⎡
× +
× ×
× ×
=
p i
p, p
t c
2 t
gas t
N 4
D N
L f
g 2
V P
2.27
dimana : P
t
= penurunan tekanan di dalam tube Pa V
t
= kecepatan gas buang di dalam tube ms g
c
= 1 kg.mN.s
2
f
t
= friction factor
di dalam pipa friction factor
di dalam tube
2 t
t
1,64 Re
Ln 0,79
f
−
− ×
= 2.28
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
kecepatan gas buang di dalam tube
t gas
t t
A m
V ×
= 2.29
Penurunan tekanan di dalam shell 1
N f
D D
g 2
V P
b s
e s
c 2
s air
s
+ ×
× ×
× ×
= 2.30
dimana : P
s
= penurunan tekanan di dalam shell Pa V
s
= kecepatan air di dalam tube ms g
c
= 1 kg.mN.s
2
f
t
= friction factor
di dalam shell friction factor
di dalam shell
[ ]
s s
Re ln
0.19 -
0.576 exp
f ×
= 2.31
kecepatan air di dalam shell
s air
s s
A m
V ×
=
2.32
Hady Situmorang : Pemanfaatan Gas Buang Pabrik Kelapa Sawit Sebagai Pemanas Air Umpan Ketel Uap..., 2007 USU e-Repository © 2008
2.4. Kerangka konsep
