BAB IV ANALISA PERPINDAHAN PANAS KONDENSOR
4.1 Perencanaan Kondensor
Dalam perencanaan ini kondensor yang akan direncanakan adalah jenis shell and tube condensor. Refrigerant mengalir dalam tube kondensor sedangkan air akan
dialirkan melewati gugusan tube kondensor. air yang melewati tube kondensor akan menyerap kalor refrigerant sementara refrigerant yang bertukar panas dengan air akan
mengalami kondensasi.
Sumber : Shell and tube exchangers design
Gambar 4.1 U-tube kondensor Dalam perencanaan ini, tube kondensor direncanakan dari bahan tembaga
copper, sedangkan shell direncanakan dari bahan baja stell. Berdasarkan data dari tabel 3.1 hal.19 untuk refrigerant yang dipilih yaitu R-123 dengan laju aliran massa
sebesar 46,189 kgs, Q
out
= 147,79 KJkg dan tekanan pada kondensor sebesar 0,15448 Mpa dan suhu masuk kondensor T,
ri
= 50 C dan suhu keluar kondensor
T,
ro
direncanakan sebesar 40 C.
Selanjutnya akan dilakukan perhitungan dimensi kondensor berdasarkan analisa perpindahan panas yang terjadi.
4.2 Perpindahan Panas Konveksi Eksternal
Perpindahan panas aliran eksternal terjadi disebelah luar tube karena air yang mengalir menyilang melewati tube. Temperatur tube pada kondensor, berkisar
3
o
C sampai 4 C lebih rendah dari temperatur refrigeran sumber : hasil pengujian di
laboratorium pendingin Seltech .
Universitas Sumatera Utara
Temperatur refrigeran rata-rata T,
r
= C
T T
o ri
ro
45 2
40 50
2
, ,
= +
= +
Sehingga diperoleh suhu tube T
coil
= 45 – 3 = 42 C
Untuk menentukan susunan tube yang sesuai, akan dilakukan beberapa perhitungan untuk mengetahui susunan tube yang bagaimanakah yang dapat
menghasilkan koefisien perpindahan panas konveksi eksternal terbesar. Untuk menghitung koefisien konveksi aliran eksternal terlebih dahulu dihitung bilangan
Nusselt berdasarkan korelasi empiris yang dirumuskan oleh Zhukauskas.
4 1
36 ,
max
Pr Pr
Pr Re,
,
=
w n
D D
x x
C Nu
Literatur : Incropera, Frank P. And David P. Dewitt, “fundamental of Heat and Mass Transfer” hal.380 Nilai C dan n didapat dari tabel pada [ Lampiran 9 ].
Koefisien pindahan panas konveksi dapat dicari dengan rumus :
D xk
Nu h
D o
, =
Literatur : Incropera, Frank P. And David P. Dewitt, “fundamental of Heat and Mass Transfer” hal.369 .
Berikut akan dilakukan perhitungan koefisien pindahan panas konveksi aliran eksternal terhadap susunan tube yang ada pada tabel 4.1 dengan kecepatan air
pada sisi masuk shell direncanakan 1 ms. Sebagai contoh akan diambil data dari tabel 4.1 yaitu : Diameter luar tabung OD = 0.75 in 19,05 mm
S
p
= P
P
= 0,814 in 20,6756 mm S
n
= P
’
= 0,938 in 23,8252 mm Bentuk susunan tube adalah segitiga.
gambar 4.2 susunan tube segitiga
Universitas Sumatera Utara
4.2.1 Perpindahan Panas Konveksi Aliran Eksternal Ketika Refrigeran Mengalami Proses Desuperheating
Berdasarkan hasil penelitian laboratorium pendingin seltech bahwa
temperature tube pada kondensor berkisar 3 – 4
o
C lebih rendah dari temperatur refrigeran. Pada saat proses Desuperheating temperatur masuk refrigeran T,
ri
= 50
C dan temperatur refrigeran keluar proses Desuperheating T,
ro
= 40 C. Maka
temperatur refrigeran rata-rata :
C T
T r
T
ro ri
45 2
40 50
2 ,
, ,
= +
= +
=
Sehingga diperoleh temperatur coil T
coil
= 45-3= 42 C.
Temperatur air masuk T
,air in
= 30 C
Temperatur air keluar T,
air out
= 37,01 C
Sifat –sifat fluida air dievaluasi pada tekanan atmosfer dan suhu film maka :
C T
T T
coil airin
f
36 2
42 30
2 ,
, ,
= +
= +
=
Dari lampiran [ L.10 ] diperoleh :
3
9 ,
993 m
kg =
ρ
C
p
= 4176,301 Jkg.K s
m kg
. 10
. 086
, 7
4 −
= µ
k = 0,0023 Wm.K P
r
= 4,75 Pr
w
dievaluasi pada T,
coil
= 42 C 315 K : Pr
w
= 3,48 Kecepatan maksimum air, V
max
: s
m x
xV D
S S
V
air n
n
989 ,
4 1
19,05 -
23,8252 23,8252
max
= =
− =
1011 ,
133306 0007086
, 01905
, 989
, 4
9 ,
993 Re
max max
,
= =
= µ
ρ D
V nilai
D
Dimana nilai dari S
n
S
p
= 1,1523 maka nilai C = 0,35 S
n
S
p 15
= 0,36 dan n = 0,6.
Universitas Sumatera Utara
Sehingga
4 1
36 ,
max
Pr Pr
Pr Re,
,
=
w n
D D
x x
C Nu
Nu,
D
= 0,36133306,1011
0,6
4,75
0,36
4,753,48
14
= 810,2159
Dan K
m W
D k
Nu h
D o
. 703
, 96
01905 ,
0022 ,
2159 ,
810 .
2 ,
= =
=
Dengan cara yang sama dapat dihitung nilai koefisien perpindahan panas untuk berbagai jenis susunan tube berdasarkan tabel 4.1 dan hasil nya dapat dilihat
padatabel 4.2
Universitas Sumatera Utara
Dari hasil perhitungan nilai koefisien konveksi aliran eksternal untuk masing- masing susunan tube maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu :
1. Diameter Tube dari tipe susunan tube yang triangular dengan diameter tube
0,750 in memiliki nilai koefisien perpindahan panas eksternal yang besar.
2. Susunan Tube, Untuk susunan tube dengan selang-seling atau susunan tube
berbentuk triangular memiliki koefisien perpidahan panas yang lebih besar dibanding dengan susunan tube yang segaris inline.
Dari kesimpulan diatas maka dalam perencanaan ini akan dipilih tube dengan susunan triangular dengan diameter nominal 58 in tipe L dan dari lampiran
[ L.11] maka diperoleh ukuran tube dengan : Outer diameter OD : 0,75 in 19,05 mm
Inside diameter ID : 0,67 in 16,92 mm Tebal dinding tube
: 1,07 mm Susunan tube
: S
n
= 0,938 in 23,8252 mm dan S
P
= 0,814 in 20,6756 mm Kecepatan air pada sisi shell adalah 1 ms besar nya nilai koefisien konveksi aliran
eksternal adalah h
o
= 96,703 Wm
2
.K
4.2.2 Perpindahan Panas Konveksi Eksternal Ketika Refrigeran Mengalami Proses Kodensasi
Berdasarkan hasil penelitian laboratorium pendingin seltech bahwa temperature tube pada kondensor berkisar 3 – 4
o
C lebih rendah dari temperatur refrigeran. Pada saat proses kondensasi temperatur masuk refrigeran T,
ri
= 40 C
Universitas Sumatera Utara
dan temperatur refrigeran keluar proses kondensasi T,
ro
= 40 c dalam bentuk
fasa cair. Sehingga diperoleh temperatur rata-rata yaitu
C T
T T
ri ro
r
40 2
40 40
2 ,
, ,
= +
= +
=
Sehingga diperoleh temperatur tube T
coil
= 40 – 4 = 36 C. Temperatur air masuk
30 C sifat fluida air dievaluasi pada tekanan atmosfer dan temperatur film,
306 33
2 36
30 2
, ,
, K
C T
T T
coil airin
f
= +
= +
=
Dari tabel R-123 diperoleh :
3
65 ,
994 m
kg =
ρ
C
p
= 4178,979 Jkg.K s
m kg
. 10
. 533
, 7
4 −
= µ
k = 0,0022 Wm.K P
r
= 5,037 Pr
w
dievaluasi pada T,
coil
= 36 C 309 K : Pr
w
= 4,612 Kecepatan maksimum air, V
max
: s
m s
m x
xV D
S S
V
air n
n
989 ,
4 1
19,05 -
23,8252 23,8252
max
= =
− =
4866 ,
125490 0007533
, 01905
, 989
, 4
65 ,
994 Re
max max
,
= =
=
µ ρ
D V
nilai
D
Universitas Sumatera Utara
Dimana nilai dari S
n
S
p
= 1,1523 maka nilai C = 0,35 S
n
S
p 15
= 0,36 dan dari literatur [ L.11 ] diperoleh n = 0,6.
Sehingga :
4 1
36 ,
max
Pr Pr
Pr Re,
,
=
w n
D D
x x
C Nu
7824 ,
754 612
, 4
037 ,
5 037
, 5
4866 ,
125490 36
, ,
4 1
36 ,
6 ,
=
=
x Nu
D
Dan K
m W
D k
Nu h
D o
. 1664
, 87
01905 ,
0022 ,
7824 ,
754 .
2 ,
= =
=
Besarnya nilai koefisien konveksi aliran eksternal ketika refrigeran mengalami proses kondensasi adalah h
o
= 87,1664 Wm
2.
K.
4.3 Laju Perpindahan Panas Konveksi Aliran Internal
Laju perpindahan panas konveksi aliran internal ini terdiri dari dua jenis yaitu :
4.3.1 Laju Perpindahan panas Konveksi Aliran Internal ketika refrigeran Mengalami proses Desuperheating
Pada proses ini refrigeran R-123 keluar dari pipa buang pada fasa uap 50
C, suhu kondensasi untuk kondensor pendingin air direncanakan 40 C,
tekanan saturasi yang bersesuaian dengan suhu kondensasi tersebuat adalah 154,48 kPa. Besar nya koefisien perpindahan panas konveksi internal dapat
dihitung dengan korelasi empiris dari Dittus-Boelter : Nu,
D
= 0,023.Re
D 45
.Pr
0,3
Literatur : Incropera, Frank P. And David P. Dewitt, “fundamental of Heat and Mass Transfer” hal.369 .
Universitas Sumatera Utara
Korelasi empiris diatas berlaku untuk aliran turbulen, yaitu dengan bilangan reynold diatas 10.000.
Sifat-sifat fisik R-123 dievaluasi pada tekanan P = 154,48 kPa dan 318
45 2
40 50
, K
C T
f
= +
=
C
p
= 0,751 kJkg.K s
m kg
. 10
. 340
5 −
= µ
k = 0,01152 Wm.K P
r
= 221,64 Laju aliran refrigeran total kondensor adalah 46,189 kgs. maka bilangan Reynold
adalah :
4281 ,
1022797 01692
, 10
. 340
189 ,
46 4
. .
. 4
Re
5 .
= =
=
−
π µ
π d m
r D
Dengan Re,
D
10.000 berarti aliran yang terjadi adalah aliran turbulen.
Bilangan Nusselt : Nu,
D
= 0,023.Re
D 45
.Pr
0,3
= 0,023 1022797,4281
45
221,64
0,3
= 7468,854
Universitas Sumatera Utara
Koefisien konveksi : K
m W
d k
Nu h
D i
2 ,
. 177
, 5085
01692 ,
01152 ,
854 ,
7468 .
= =
=
4.3.2 Laju Perpindahan panas Konveksi Aliran Internal ketika refrigeran Mengalami proses Kondensasi
Untuk menghitung besarnya laju perpindahan panas konveksi di dalam tube ketika refrigeran mengalami proses kondensasi dapat dihitung dengan
menggunakan korelasi empiris yang diajukan oleh Chato :
4 1
3
. .
. .
55 ,
,
−
− =
s sat
l l
fg v
l l
i
T T
D k
h g
h µ
ρ ρ
ρ
Dengan h’
fg
= h
fg
+ 38 Cp
,l
T
sat
– T
s
Besarnya T
sat
= T,
r
= 40 C 313 K dan T
s
= T
coil
= 36 C 309 K
Sifat-sifat fisik R-123 saturasi liquid dievaluasi pada saat T
sat
= 40 C.
3
6 ,
1424 m
kg
l
=
ρ
C
p,l
= 1,041 kJkg.K
s m
kg
l
. 10
. 81
, 35
5 −
=
µ
k
l
= 0,0723 Wm.K h
g,T,ri = 40 C
– h
f,T,ro = 40 C
= 404,10 kJkg – 238,67 kJkg = 165,43 kJkg sifat fisik saturasi R-123 vapor dievaluasi pada suhu film,
C T
T T
s sat
f
38 2
36 40
2 ,
= +
= +
=
Universitas Sumatera Utara
3
033 ,
9 m
kg
v
=
ρ
Maka nilai dari h
’ fg
dapat dicari seperti dibawah ini : h’
fg
= h
fg
+ 38 Cp
,l
T
sat
– T
s
= 165,43 + 38 1,04140 – 36 = 166,9915 kJkg dengan demikian nilai koefisien konveksi karena proses kondensasi adalah :
4 1
3
. .
. .
55 ,
,
−
− =
s sat
l l
fg v
l l
i
T T
D k
h g
h
µ ρ
ρ ρ
4.4 Faktor Pengotoran Fouling Factor
Kategori