Penuruan Tekanan Sisi Selongsong

Jarak sekat di sisi masuk selongsong, L i = L b ,i L b Lit. 16 hal. 648 2.49 Jarak sekat di sisi keluar selongsong, L o = L b ,o L b Lit. 16 hal. 648 2.50

2.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong

Seperti halnya pada perhitungan koefisien perpindahan panas, perhitungan penurunan tekanan pada metode Bell – Delaware juga memperhitungkan beberapa faktor koreksi. 1. Besarnya penurunan tekanan aliran melintang pada bagian tengah antara ujung- ujung sekat, lihat gambar 2.22. ∆p c = [N b − 1∆p c × R b ]R l Lit. 8 hal. 328 2.51 Sumber: Lit. 16 hal. 590 Gambar 2.22: Aliran melintang bagian tengah 2. Besarnya penurunan tekanan total pada bagian sekat yang dipotong sebelah jendela, lihat gambar 2.23. ∆p w = N b × ∆p wi × R l Lit. 8 hal. 328 2.52 Sumber: Lit. 16 hal. 590 Gambar 2.23: Aliran daerah jendela Universitas Sumatera Utara 3. Besarnya penurunan tekanan pada bagian sisi masuk dan keluar selongsong, lihat gambar 2.24. ∆p e = 2 × ∆p c × R b × R s �1 + N r ,cw N r ,cc � Lit.8 hal. 328 2.53 Sumber: Lit. 16 hal. 590 Gambar 2.24: Aliran daerah sisi masuk dan keluar selongsong Penurunan tekanan total yang melintasi selongsong Δp s yang dinyatakan sebagai: ∆p s = ∆p c + ∆p w + ∆p e Lit. 8 hal. 329 ∆p s = [N b − 1∆p c × R b + N b × ∆p wi ]R l + 2 ∆p c × R b × R s �1 + N r ,cw N r ,cc � 2.54 dimana: N r,cc = jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang R l = faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat R b = faktor koreksi untuk aliran bypass R s = faktor koreksi untuk jarak sekat Δ p,c = penurunan tekanan aliran menyilang ideal Pa Δ p,w = penurunan tekanan untuk ideal daerah jendela Pa - Jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang N r,cc yang diperoleh dari persamaan, N r,cc = D s −2L c X l Lit. 16 hal. 648 2.55 Universitas Sumatera Utara - Faktor koreksi pada aliran efek bypass a. Untuk r ss ½ R b = exp �−D × r b �1 − 2r ss 1 3 �� Lit. 16 hal. 650 2.56 dimana: D = 4,5 untuk R e,s ≤ 100, laminar D = 3,7 untuk R e,s 100, turbulen b. Untuk r ss ≥ ½ R b = 1 Lit. 16 hal. 650 2.57 - Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat, R l = exp �−1,331 + r s r lm [ −0,151+r s +0,8] � Lit. 16 hal. 650 2.58 - Penurunan tekanan aliran menyilang ideal Δp id yang dinyatakan sebagai, ∆p id = 4×f id ×G c 2 ×N r ,cc 2×g c × ρ Lit. 16 hal. 393 2.59 f id = 3,5 �1,33 d o P t � b R e,s −0,476 Lit. 16 hal. 656 2.60 b = 6,59 1+0,14R e ,s 0,52 Lit. 16 hal. 656 2.61 G c = m ̇ s A s Lit. 16 hal. 396 2.62 - Penurunan tekanan daerah jendela Δp w ∆p w = �2+0,6N r ,cw �ṁ s 2 2×A m ×A w × ρ Lit. 8 hal. 330 2.63 dimana: A w = luas aliran jendela sekat bersih m 2 Luas aliran jendela sekat bersih A w yang dinyatakan sebagai A w = A w,g − A w,t Lit. 2 hal. 828 2.64 Luas aliran jendela sekat kotor, A w,g = D s 2 4 � θ b 2 − �1 − 2L c D s � sin θ b 2 � Lit. 2 hal. 828 2.65 Luas aliran jendela sekat yang ditempati oleh tabung, A w,t = π 4 d 2 × F w × N t Lit. 2 hal. 828 2.66 Universitas Sumatera Utara - Faktor koreksi terhadap jarak sekat pada sisi masuk dan sisi keluar alat penukar kalor R s = � L b L b ,i � 2 −n ′ + � L b L b ,o � 2 −n ′ Lit. 16 hal. 650 2.67 dimana: n ′ = 1 untuk aliran laminar n ′ = 0,2 untuk aliran turbulen

2.2.5 Koefisien perpindahan kalor menyeluruh

Persamaan dibawah berlaku untuk alat penukar kalor dalam kondisi baru atau tidak terjadi faktor pengotoran pada pipa. U o = 1 d o d i × 1 h i + d o 2k ×ln d o d i + 1 h o Lit.8 hal. 38 2.68 Jika terjadi faktor pengotoran maka koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan: 1 U = 1 h o + f o + d o ×ln � d o d i � 2k w + f i ×d o d i + d o h i ×d i Lit.8 hal. 41 2.69

2.2.6 Efektivitas alat penukar kalor

Efektivitas digunakan untuk membandingkan satu alat penukar kalor dengan alat penukar kalor lainnya untuk memudahkan memilih yang sesuai dengan kebutuhan. Efektivitas dipengaruhi oleh beberapa macam faktor. Salah satunya adalah kecepatan aliran. Penukar kalor selongsong dan tabung menggunakan dua fluida. Bila perbandingan kecepatan aliran antara kedua fluida ini bertambah, maka efektivitas juga bertambah. Efektivitas alat penukar kalor untuk tipe selongsong dan tabung yakni: ϵ = 2 �1 + c + √1 + c 2 1+exp �−NTU √1+c 2 � 1 −exp �−NTU √1+c 2 � � −1 Lit. 4 hal.694 2.70 c = C min C max = �ṁ.c p � min �ṁ.c p � max Lit. 4 hal.694 2.71 NTU = UA C min Lit. 4 hal.694 2.72 Universitas Sumatera Utara

2.3 Analisis CFD Menggunakan Flow Simulation Solidwork

Computational Fluid Dynamics CFD adalah metode perhitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memenfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida. Mulai dari aliran fluida, perpindahan panas dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat. Persaman- persamaan ini adalah persamaan yang membangkitkan dengan memasukan parameter apa saja yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persaman adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persaman-persamaan yang terlibat. Adapun beberapa keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan CFD antara lain: - Meminimumkan waktu dan biaya dalam mendesain suatu produk, bila proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi. - Memiliki kemampuan sistem studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen. - Memiliki kemampuan untuk studi dibawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis termasuk studi keselamatan dan scenario kecelakaan. - Keakuratannya akan selalu dikontrol dalam proses desain. Universitas Sumatera Utara Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas tiga bagian utama: 1. Prepocessor Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Ditahap ini juga sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing. 2. Processor Pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit. 3. Post processor Tahap akhir merupakan tahap post processor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu. SolidWorks adalah sebuah program computer-aided design CAD 3D yang menggunakan platform Microsoft Windows. Dikembangkan oleh SolidWorks Corporation, yang merupakan anak perusahaan dari Dassault Systèmes, S. A. SolidWorks Flow Simulation merupakan salah satu feature yang ditawarkan SolidWorks untuk aplikasi Computational Fluid Dynamic CFD. SolidWorks FlowSimulation melakukan perhitungan dan pertimbangan dari semua faktor karena perangkat lunak ini memahami bahwa geometri dan persamaan aliran berlaku pada 3 metode konservasi: massa, momentum, dan energi konservasi energi menjadi bagian dari perhitungan termal. Dibutuhkan waktu lebih lama untuk menghitung koefisien perpindahan panas secara manual pada setiap permukaan kontak dengan fluida disekitarnya. Universitas Sumatera Utara

BAB III PERANCANGAN ALAT PENUKAR KALOR

4.1 Detail Komponen-komponen Alat Penukar Kalor

Penentuan detail geometri, tipe, dan dimensi dari komponen-komponen yang terdapat pada alat penukar kalor dilakukan berdasarkan standar TEMA. Jenis material yang digunakan ditentukan berdasarkan jenis-jenis material yang sering dan umum yang digunakan dalam dunia industri. Gambar 3.1 menunjukan gambar susunan alat penukar kalor dari komponen-komponen alat penukar kalor. Gambar 3.1 Asemmbly alat penukar kalor 1. Selongsong Selongsong Selongsong yang digunakan berdiameter 503 mm. yang ukurannya dapat dilihat dari lampiran B dan dipilih berdasarkan standar TEMA dimana untuk pipa yang berdiameter 503 mm digunakan ketebalan minimum sebesar 9.5 mm. Diameter selongsong Diameter luar D o = 0,503 m Tebal = 0,1 m Diameter dalam D s = 0,483 m Material = Carbon steel Gambar 3.2 Desain selongsong Bundel tabung Nossel selongsong Nossel tabung sekat selongsong Universitas Sumatera Utara 2. Tabung Tabung yang digunakan berdiameter 1 in yang dapat dilihat dari lampiran E-1 dan dipilih berdasarkan standar TEMA. Panjang tabungL t = 6,096m Diameter tabung BWG = 14 Diameter luar d o = 0,0254m Diameter dalam d i = 0,02118 m Tebal t = 0,00211m Pola tabung = segitiga Tubepitch P t = 1,25 × d o = 0,03175 m Jumlah tabung N t = 125 Material = tembaga paduan Gambar 3.3 Susunan tabung 3. Sekat Tipe = segmental horizontal cut Jarak pemotongan sekat L c = 19.93 D s = 0,0955m Material = stainless steel Diameter celah antara selongsong dan sekat = 0,002m Diameter celah antara tabung dan sekat = 0,0008m Diameter lubang tabung = d o + δ tb = 0,0262 m Universitas Sumatera Utara Jarak antar sekat L b = 0,44 x D s = 115 mm Tebal sekat = 5 mm 4. Penutup a. Penutup stasioner Tipe = A Diameter luar = 0.483 m Tebal minimum selongsong = 0,0095 m standar TEMA Tebal = 0,010 m Diameter dalam = 0,473 m Material = SB-169 C641400 b. Penutup bagian belakang Tipe = S Diameter luar = 0,582 m Tebal minimum selongsong = 0,0095 m standar TEMA Tebal = 0,011 m Diameter dalam = 0,571 mm Material = SA-285 C 5. Pelat tabung Pelat tabung dengan jumlah aliran lintasan pada tabung sebanyak empat maka pada gambar 2.13 yang dipilih tipe 1. Material = Stainless steel Tebal aktual = 0,045 m Diameter luar pelat tabung = 0,550 m Diameter dalam pelat tabung = 0,477 m Diameter lubang tabung = 0,0257 m 6. Nossel Radial nozzle dipilih sebagai bentuk nossel yang akan digunakan dalam desain. Universitas Sumatera Utara Tabel 3.1 Nossel pada sisi masuk dan keluar pada tabung dan selongsong Nossel inout pada tabung Nossel inout pada selongsong Material Stainless steel Stainless steel Diameter Diameter luar tebal Diameter dalam 4 in 0,1016 m 0,00602 m 0,09558 m 4 in 0,1016 m 0,01112 m 0,09048 m Sumber Lit. 8 7. Flens Flens dipilih dengan tipe 150 lb dengan ketebalan 42 mm. Tipe = flens dilas bagian leher welding neck flenge Material = Stainless steel Diameter luar flens = 0,728 mm Diameter dalam flens = 0,607 mm Diameter lubang baut = 41,15 mm Minimum bolt size = ¾ in M36 Tipe baut = baut tap diulir sepanjang tinggi baut stud bolt threaded full length 8. Batang pengikat Jumlah batang pengikat dipilih dan disesuaikan berdasarkan standar TEMA. Jumlah batang pengikat = 6 Diameter = 38 in 9. Gasket Dalam desain ini dipilih gasket dengan tipe peripheral dengan tebal minimum 6 mm dan dipilih confined gasket sabagai sambungan gasket. Tipe = peripheral Tebal = 6 mm Material = asbestos Tipe gasket = confined Universitas Sumatera Utara

3.2. Analisis Perpindahan Panas

Gambar 3.4 Menunjukan diagram alir proses perancangan alat penukar kalor tipe selongsong dan tabung. Sebagai tahap awal perancangan,data-data kondisi operasi penukar panas harus ditentukan terlebih dahulu Kecepatan fluida dalam tabung = kecepatan yang diperbolehkan Geometri tabung, sifat fluida dalam tabung LMTD Temperatur air laut = asumsitemperatur air laut keluar Cari cp pada temperatur rata-rata air laut Asumsi temperatur air laut keluar Laju perpindahan panas air laut Temperatur gas hidrokarbon masuk dan keluar, laju aliran massa gas hidrokarbon, tekanan gas hidrokarbon, temperatur air laut masuk, laju aliran massa air laut tidak ya tidak ya mulai Universitas Sumatera Utara Hitung koefisien perpindahan panas Jarak antar sekat dengan standar TEMA kecepatan fluida dalam selongsong sesuai dengan batasan kecepatan yang diijinkan Aliran eksternal metode Kern dan metode Delaware Koefisien perpindahan panas internal, penurunan tekanan Hitung luas perpindahan panas Koefisien perpindahan panas total sesuai dengan koefisien perpindahan panas yang dibutuhkan selesai Gambar 3.4: Diagram alir analisa perhitungan perpindahan panas tidak ya Geometri tabung, sifat fluida dalam selongsong Faktor pengotoran Universitas Sumatera Utara 3.2.1. Proses perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor 3.2.2. Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD Kondisi operasi alat penukar kalor seperti terlihat pada tabel 3.2 dimana gas hidrokarbon mengandung minimum 95 propana C 3 H 8 dan maksimum 2,5 butana C 4 H 10 . Gas hidrokarbon pada alat penukar ini berupa cairan. Sedangkan air laut di daerah Dumai mempunyai salintas air laut sekitar 28-32 gkg, dimana fungsi air laut pada alat penukar kalor ini adalah sebagai media pendingin. Air laut tersebut nantinya dibuang kembali ke air laut dengan didahului proses penyaringan limbah. Tabel 3.2 Data operasi alat penukar kalor 300-E-9 Uraian Selongsong Tabung Fluida Gas hidrokarbon Air laut Laju aliran massa kgs m ̇ s 9,42 m ̇ t 10,21 Suhu masuk o C T hi 55 T ci 30 Suhu keluar o C T ho 38 T co 38 Tekanan operasi kPa p t 1641,63 p s 313,81 Sumber: Lit. 8 Sifat gas hidrokarbon dievualusi pada temperatur gas hidrokarbon rata- rata, yaitu: T h = T hi + T ho 2 = 328 K + 311 K 2 = 319,5 K = 46,5 ℃ Pada tabel 3.3 sifat fluida propana dengan temperatur rata-rata 46,5 o C dicari dengan menggunakan website http:webbook.nist.govchemistryfluid. Perhitungan keseimbangan energi Tabel 3.3 Sifat air laut pada suhu 46, o C Temperatue C Density kgm3 Cp JgK Viscosity Pas Therm. Cond. WmK 46,5 455,64 3,0274 7,7104 × 10 -5 0,084101 Q h = m ̇ s × c p,h × T hi - T ho = 9,4 kgs x 3027,4 Jkg.K 328 K – 311 K = 484793,54 W Universitas Sumatera Utara Sifat fluida air laut dicari dengan menggunakan perangkat lunak Lauterbach Verfahrenstechnik versi demo. Gambar 3.5 merupakan sifat fluida air laut pada temperatur udara rata-rata 36,25 o C, dimana salinitas air laut di daerah Dumai sekitar 28 sampai 32 gkg maka diambil nilai 30,4 gkg. T c = T co +T ci 2 = 311 + 303 2 = 307 K = 34 ℃ Gambar 3.5 Sifat air laut pada suhu 34 o C Berdasarkan persamaan keseimbangan energi, laju perpindahan panas pada sisi tabung sama dengan laju perpindahan panas pada sisi selongsong. Oleh karena itu, temperatur air laut keluar dapat dihitung dengan persamaan: T c,o = T c,i + Q h m ̇ t . c p,t = 303 K + 484793,54 J s 10,21 kg s × 4020 J kg .K = 314,8 K Universitas Sumatera Utara Nilai temperatur air laut keluar yang diperoleh tidak sama dengan permisalan sehingga harus melakukan iterasi terhadap temperatur air laut keluar yang diperoleh sebelumnya sehingga nilai yang diperoleh mendekati harga yang sebenarnya, lihat tabel 3.3. Tabel 3.3 Hasil iterasi pada air laut Iterasi T c,i C T c,o C T c C c p,t Jkg.C 1 30 38 34 4020 2 30 41,80 35,90 4020 3 30 41.80 35,90 4020 Nilai temperatur air laut keluar sebenarnya diperoleh dari tabel 3.3 sebesar 35,90 o C dimana didapat nilai-nilai sifat fluida seperti pada gambar 3.6. Gambar 3.6 Sifat fluida air laut pada 35,90 o C - Beda suhu rata-rata logaritma K Gambar 3.7 menunjukan distribusi temperatur yang terjadi pada alat penukar kalor yang menunjukan besarnya temperatur masuk selongsong dan tabung dan temperatur sisi keluar selongsong dan tabung. Universitas Sumatera Utara Gambar 3.7: Distribusi temperatur ���� = � ℎ� − � �� − � ℎ� − � �� �� � ℎ� −� �� � ℎ� −� �� = 55 − 41,80 − 38 − 30 �� 55 −41,80 38 −30 = 10,38 o C - Untuk mencari F diperlukan parameter � = � �� − � �� � ℎ� − � �� = 43 − 29,5 81,3 − 29,5 = 0,47204 � = � ℎ� − � ℎ� � �� − � �� = 81,3 − 43 41,80 − 29,5 = 1,4405 Sehingga, F = �R 2 + 1 × ln � 1 −P 1 −P×R � R − 1 × ln � 2 −P�R+1−�R 2 +1 � 2 −P�R+1+�R 2 +1 � � = �1,44052 2 + 1 × ln � 1 −0,47204 1 −0,47204×1,44052 � 1,44052 − 1 × ln � 2 −0,47204�1,44052+1−�1,44052 2 +1 � 2 −0,47204�1,44052+1+�1,44052 2 +1 � � 10 20 30 40 50 60 T hi T ho T co T ci Universitas Sumatera Utara = 0,4509 - Luas perpindahan kalor A o = π × d o × L t × N t = π × 0,0254m × 6,096 m× 125 = 60,804 m 2 3.2.3 Aliran Internal Aliran Fluida dalam tabung 3.2.3.1 Mencari koefisien perpindahan kalor di dalam tabung Luas aliran sisi tabung A t = N t × π × d i 2 4 × N p = 125 × π × 0,02118 m 2 4 × 6 = 0,00734 m 2 Bilangan Reynold pada sisi tabung, R e,t = m ̇ t × d i ρ × A t × υ = 10,21 kg s × 0,02118 m 1016 kg m 3 × 0,00734 m 2 × 0,000744 m 2 s = 38974,85 Untuk aliran turbulen R e,t 10000 maka bilangan Nusselt di dalam tabung diperoleh, N u,t = 0,023 × R e,t 0,8 × P r n = 0,023 × 38974,85 0,8 × 4,877 0.3 = 174,1 Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung, h i = N u,t × k d i Universitas Sumatera Utara = 174,1 × 0,6228 W m .K 0,02118 m = 5119,45 W m 2 . K

3.2.3.2 Penurunan tekanan di dalam tabung