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