desain rancang heat exchanger pada pressure reduction

Desain Rancang Heat Exchanger Stage III pada Pressure Reduction System
pada Daughter Station CNG Granary Global Energy dengan Tekanan Kerja
20 ke 5 Bar
Taufik Ramuli (1106139866)
Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16425 Indonesia
E-mail : [email protected]
Abstrak
Heat exchanger merupakan alat yang berfungsi memindahkan kalor antara dua fluida yang
mempunyai perbedaan temperatur dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur
(Cengel, 2003:569). Pada perkembangan saat ini telah dikembangkan berbagai jenis heat
exchanger. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat
exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan
bilangan Prandtl. Pengaruh debit dan temperatur pada CNG dan air sangat berpengaruh kepada
jumlah pipa yang digunakan karena hal itu secara langsung mengubah laju perpindahan kalor.
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh debit
dan temperatur CNG dan air terhadap jumlah pipa dan vibrasi yang terjadi pada alat penukar
kalor. Dalam penelitian ini digunakan 4 (empat) macam variasi debit CNG, yaitu 500m3/hr, 630
m3/hr, 1000 m3/hr, dan 1200 m3/hr. dan laju aliran air panas di bagian pipa luar konstan 18
m3/hr. Data hasil pengujian dari masing-masing variasi dibandingkan data tanpa turbulator,
secara keseluruhan mengalami peningkatan jumlah pipa yang digunakan. Dengan peningkatan
debit yang maksimum 1200m/hr didapat jumlah pipa maksimum yaitu 4 pipa menggunakan 9
pass.
Desain of Heat Exchager for Pressure Reduction System Stage III
on CNG Daughter Station GRANARY GLOBAL ENERGY
From 20 to 5 Bar Work Pressure
1
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Abstract
Heat exchanger is a tool that serves to transfer heat between two fluids have different
temperatures and keep the two fluids do not mix ( Cengel , 2003:569 ) . At the current
developments have developed various types of heat exchangers . Heat transfer by convection is
strongly influenced by the geometry of the heat exchanger and three dimensionless number , the
Reynolds number , Nusselt number and Prandtl numbers . Effect of discharge and water
temperature on CNG and are very influential to the number of pipes used because it directly alters
the rate of heat transfer . the purpose of the to be achieved in this study was to determine the
effect of discharge and water temperature and the amount of CNG pipe and vibration that occurs
in a heat exchanger .
This study used four (4 ) discharge variations CNG , which is 500m3/hr , 630 m3/hr , 1000
m3/hr , and 1200 m3/hr . and the hot water flow rate constant at the outer pipe 22 m3/hr . Data the
test results of each variation compared to the data without turbulator , overall has increased the
amount of pipe used . With the increase in discharge 1200m3/hr maximum obtained the
maximum number of pipe that is 4 pipes using 9 pass.
Key words: CNG, Heat Exchanger, Design PRS,Mother Station, Methane
Pendahuluan
Energi merupakan hal yang sangat penting untuk pengembangan industri dan itu merupakan isu
yang penting akhir-akhir ini yaitu mengenai penghematan energi, tidak hanya di Indonesia, tetapi
juga di seluruh dunia. Pemanfaatan energi secara ekonomis adalah cara yang efektif untuk
mengurangi permasalahan energi. Salah satunya adalah alat heat exchanger yang sering digunakan
di dalam dunia industri perlu inovasi untuk meningkatkan efisiensinya. Heat exchanger adalah
suatu alat yang digunakan untuk memindahkan energi kalor. Proses perpindahan panas yang terjadi
adalah pada dua atau lebih jenis fluida dengan temperatur yang berbeda. Pada perkembangan yang
ada dibutuhkan perpindahan panas secara tepat dan efisien dengan pengaturan temperatur (T) dan
debit (Q) yang diinginkan. Salah satu cara yang ditempuh untuk meningkatkan laju aliran
perpindahan kalor adalah dengan mengunakan turbulator. Dalam aplikasi heat exchanger di
lapangan banyak permasalahan yang masih ditimbulkan, misalnya laju perpindahan kalor yang
2
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
ditransfer oleh heat exchanger kurang baik. Untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan
membuat aliran turbulen dalam pipa sehingga pada heat exchanger mampu mentransfer kalor
dengan baik. Efek dari adanya turbulator pada heat exchanger itu sendiri adalah mempengaruhi
perbedaan kecepatan antar lapisan fluida sehingga menimbulkan vortex dalam aliran, dengan
timbulnya vortex yang ada akan mempengaruhi nilai dari bilangan Reynold (Re) dan diikuti dengan
peningkatan angka Nusselt (Nu) sehingga akan meningkatkan koefisien perpindahan panas
konveksi pada aliran fluida.
Tinjauan Pustaka
Energi kalor
Energi kalor merupakan energi yang menunjukkan tingkatan kecepatan gerak acak dari suatu
molekul atau suatu atom. Dalam hal ini, kalor berpindah dari permukaan suatu sistem yang bersuhu
tinggi ke sistem yang temperaturnya lebih rendah sehingga tingkat energi kalor suatu benda
diindikasikan dengan temperatur benda tersebut. Untuk laju dari energi kalor sendiri dapat
dinyatakan sebagai berikut:
Dimana :
Q
=
Laju energi kalor (W)

m
=
L
CP
=
Kalor spesifik pada tekanan konstan (J/kg.K)
ΔT
=
Beda temperatur saluran masuk dan keluar (K)
Aliran Laminer dan Turbulen
Aliran laminar adalah aliran yang bergerak dalam lapisan-lapisan dengan gerakan yang teratur.
Aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-lapisan membentuk garis-garis alir yang tidak
berpotongan satu sama lain. Hal tersebut ditunjukkan oleh percobaan Osborne Reynold. Pada laju
aliran rendah, aliran laminer tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran.
3
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Aliran ini mempunyai bilangan Reynold lebih kecil dari 2300 (Cengel, 2002 :422).
Aliran turbulen adalah aliran dimana partikel-partikel fluida bergerak secara acak dengan
kecepatan yang berubah-ubah. Pada aliran ini lapisan-lapisan fluida tidak terlihat lagi sehingga
aliran
fluida
dibayangkan
sebagai
bongkahan-bongkahan
fluida.
Pergerakan
dari
bongkahan-bongkahan fluida tersebut terjadi secara acak, sehingga proses perpindahan momentum
dan massa terjadi secara makroskopis. Untuk aliran turbulen, nilai bilangan Reynold adalah : Re >
4000 (Cengel, 2002: 422). Sebelum terjadi aliran turbulen, aliran akan mengalami proses transisi
dari aliran laminer ke aliran turbulen.
Angka Reynold
Bilangan Reynold merupakan bilangan tak berdimensi yang
bertujuan untuk menunjukkan
perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viskos dari suatu
fluida. Secara matematis besarnya angka Reynold dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dimana :
Re
=
Reynold Number
V
=
Kecepatan aliran ( m/s )
L
=
υ
=
Karakteristik panjang atau geometri (m)
Kinematic Viscosity ( m²/s )
Angka Prandlt (Pr)
Angka prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas
hidrodinamika dengan lapisan batas thermal.
Dimana :
4
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Pr
=
Prandtl Number
α
=
Difusivitas thermal ( m/s² )
Cp
=
Panas jenis pada tekanan konstan ( J/kg .K )
v
=
Kinematic Viscosity ( m²/s )
μ
=
Absolute Viscosity ( Kg/m.s )
k
=
Thermal Conductivity (W/m. K)
Angka Nusselt (Nu)
Angka Nusselt merupakan angka yang didapat dari pengukuran eksperimental, yang terdiri dari
angka Reynold, Prandtl dan konstanta yang harganya tergantung pada geometri saluran dan sifat
aliran.
Dimana :
Nu
=
Nusselt Number
k
=
Thermal Conductivity (W/m. K )
h
=
Koefisien perpindahan kalor konveksi ( W/m² ºC )
δ
=
Geometri profil penampang fluida ( m )
Dimana Untuk aliran dalam pipa adalah sebagai berikut :
Nu
=
Nusselt Number
L
=
Panjang pipa ( m)
υb
=
Viskositas dinamik temperatur bulk ( Kg.m/s )
υs
=
Viskositas dinamik temperatur permukaan( Kg.m/s )
5
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
n = 0,4 untuk pemanasan dan n = 0,3 untuk pendinginan.
Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)
Alat penukar kalor adalah yang digunakan untuk memindahkan kalor dari satu fluida ke fluida
yang lain. Aplikasi dari Heat Exchanger ini sangat luas antara lain untuk sistem pendinginan di
industri, pembangkit tenaga listrik. Dalam penukar kalor yang paling sederhana, fluida panas dan
fluida dingin bercampur langsung. Dalam kebanyakan penukar kalor yang kedua, fluida itu
terpisah oleh suatu dinding.
Gambar 1: Jenis aliran pada heat exchanger (a) parallel flow dan (b) counter flow Sumber :
Cengel, 2003: 668
Analisa Perpindahan Kalor
Suhu fluida-fluida di dalam penukar kalor pada umumnya tidak konstan, tetapi berbeda dari satu
titik ke titik lainnya pada waktu kalor berpindah dari fluida yang panas ke fluida yang lebih dingin.
Maka dari itu untuk tahanan termal yang konstan, laju aliran kalor akan berbeda-beda sepanjang
lintasan penukar kalor karena bergantung pada beda suhu antara fluida panas dan dingin pada
penampang tertentu. Perbedaan temperatur pada alat penukar kalor tidak dapat ditentukan dengan
mudah sehingga ada beberapa analisa yang dapat digunakan untuk mempermudah menentukan laju
perpindahan kalor pada alat penukar kalor. Secara umum perpindahan kalor pada tipe double tube
heat exchanger terdiri dari perpindahan kalor secara konduksi (menitik beratkan pada pipa) dan
perpindahan kalor secara konveksi (antar fluida dengan pipa).
Koeffisien Perpindahan Kalor Menyeluruh
6
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Suatu alat penukar kalor pada umumnya terdapat dua fluida yang memiliki beda temperatur yang
dipindahkan oleh dinding sehingga akan terjadi tiga proses perpindahan kalor yaitu proses
perpindahan kalor konveksi yang terjadi antara fluida dengan permukaan bagian dalam pipa dari
pipa dalam (inner tube), perpindahan kalor konduksi yang terjadi dari permukaan dalam hingga
permukaan luar dari pipa dalam (inner tube), serta proses perpindahan kalor konveksi antara fluida
yang terdapat pada pipa luar (outer tube) dengan permukaan luar dari pipa dalam (inner tube).
Dijelaskan lebih detail pada gambar 1.
Gambar 2 : Hambatan thermal pada concentric double tube heat exchanger
Sumber : Çengel Heat Transfer A Practical Approach (2003:671)
Sehingga:
7
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Dimana :
Q
=
Laju perpindahan kalor (W)
U
=
Koeffisien perpindahan kalor menyeluruh ( W/m².ºC)
h
=
Koeffisien perpindahan kalor konveksi ( W/m².ºC)
A
=
Luas permukaan panas pipa (m2)
k
=
Konduktivitas thermal bahan (W/m.ºC )
D
=
Diameter pipa( m )
L
=
Panjang pipa( m )
i/o
=
i (bagian pipa dalam), o (bagian pipa luar)
LMTD (Log Mean Temperature Different)
LMTD adalah beda temperatur rata-rata di sepanjang pipa. Pada kasus heat exchanger dengan arah
aliran counter flow kita bayangkan bahwa perbedaan suhu antar fluida panas dan fluida dingin
sangat besar pada sisi masuk dan berkurang suhunya pada sisi keluar. Suhu pada fluida panas akan
berkurang dan suhu pada fluida dingin akan naik. Namun sepanjang apapun heat exchanger, suhu
pada fluida dingin tidak akan pernah melebihi suhu fluida panas.
8
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Gambar 3: Persamaan ΔT1 dan ΔT2 pada counterflow heat exchanger
Sumber : Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, 2003: 682
Sehingga didapat dari penurunan dan integrasi rumus untuk analisa LMTD (Log Mean
Temperature Difference) adalah:
Dimana :
LMTD
=
Rata-rata temperatur logaritma
Th1-Th2
=
Temperatur fluida panas masuk dan keluar(ºC)
Tc1-Tc2
=
Temperatur fluida dingin dan keluar(ºC)
9
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Metodologi Penelitian
Skema Alat
Gambar 4Heat exchanger tipe shell and tube debit 1000m3/hr di daughter station
Kondisi Pengujian
Data pengujian yang dibutuhkan dalam analisa pembakaran yaitu:
1. Temperatur inlet Air
2. Temperatur outlet Air
3. Temperatur inlet CNG
4. Temperatur CNG
5. Debit aliran air
6. Debit aliran CNG
Proses Pengujian
1. Aliran Air Panas: buka penuh semua aliran air panas sebesar debit pompa maksimal, amati
kecepatan alir air pada flow meter.
2. Aliran CNG: buka penuh semua aliran sebanyak debit yang ditentukan.
3. Amati dan catat temperatur air keluar T1, T2, T3, T4, sesuai kontrol debit masukan air setelah
suhu tersebut konstan.
10
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Amati dan catat temperatur gas keluar T1, T2, T3, T4, sesuai kontrol debit masukan CNG setelah
suhu tersebut konstan.
Hasil dan Pembahasan
Perhitungan
A. Aliran Air Dalam Shell
Qair = 22 m3/hr Tavg = 40 °C
Cp (kJ/kg.0C)
ρ (kg/m3)
 (kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,181
988
0,0005467
0,6192
3,69

Laju Massa Air (kg/s) = m =
( 22  988)
(Q   )
=
= 6,03 kg/s
3600
3600

6,03
) = 0,2457 m/s
Kecepatan Alir (m/s) =  = ( m ) = (
988  0,0248
  Ae
Bilangan Prandtl = Pr =
Bilangan Reynold = Re =
(0.0005467  4181)
(   Cp)
=
=3,69
0.6192
k
(    De)

=
(988  0,2457  0,146)
= 64964,95
0,0005467
Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN.
Bilangan Nusselt = Nu = 0,027  Re0,805  Pr 0,33 = 0,027  64964,950,805  3,690,33 = 310,989
Entalphy (W/m2°C) = h0 =
( Nu  k )
De
=
(310,989  0,6192)
= 1316,19 W/m2°C
0.146
Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Pada Shell (U)
11
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
1
Koefisien Perpindahan Kalor = U =
h0
=
1
= 0,0007597 W/m2.0C
1316,19
B. Aliran Perpindahan Panas Pada Dinding Pipe
r0(m)
A0(m2)
rI(m)
AI(m2)
k
L(m)
0,020066
0,000316
0,01224
0,0001176
54
13,5
Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Pada Dinding Pipe (U)
U 
1
A0 ln ro / r i 
2 K L
U 
1
 3,009  108
0,000316 ln 0,020066 / 0,01224 
2    54  15,3
3,009 x 10-8
Koefisien Perpindahan Kalor =
C. QCNG = 1200 m3/hr Tavg = -30 °C ΔT= 80°C
Cp (kJ/kg.0C)
ρ (kg/m3)
2,181
4,09

Laju Massa Air (kg/s) = m =
 (kg/m.s)
94x10-6
k (W/m.0C)
Pr
0,0271
0,075
(Q   )
(1200  4,09)
=
= 1,36 kg/s
3600
3600

Kalor yang dilepas (W) = q = m xCpxT = 1,36 x 2181x80 = 237874,4 W

1,36
m
) = 708,25 m/s
)= (
Kecepatan Alir (m/s) =  = (
4,09  0,0001176
  Ai
Bilangan Prandtl = Pr
(0,94  10  6  2181)
(   Cp)
=
= 0,075
0.0271
k
12
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Bilangan Reynold = Re =
(    Di )

=
(4,09  708,25  0,01224)
= 37728001,16
0,94 106
Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN.
BilanganNusselt=Nu= 0,023  Re
0 ,8
x Pr 0, 4 = 0,023  37728001,160,8 x0,0750, 4 =9431,58
( Nu  k )
Entalphy (W/m2°C) = hi =
Di
=
(9431,58  0,0271)
= 20877,24 W/m2°C
0.01224
Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Dalam Pipe (U)
Koefisien Perpindahan Kalor=U=
0,000316
1
A0 1
x
=
= 0,0001286 W/m2.0C
x
Ai hi 0,0001176 20877,24
Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Fouling Threated Boiled Water 0.0001 W/m2.0C
Fouling Natural Gas 0.0001 W/m2.0C
Utotal =
1
U shell  U wall  U inside  Rf
=
1
0,0007597  3,009 x 10  0,0001286  0,0002
-8
=
Utotal = 918,72 W/m2.0C
LMTD 
LMTD 
(T1  t1 )  (T2  t2 )
 (T1  t1 ) 

ln 

(
T

t
)
 2 2 
(41,81  10)  (50  70)
 69,9
 (41,81  10) 

ln
(
50


70
)


13
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
Correction Factor
P
T  T2
50  40
t 2  t1
10  70

 0,125

 0,66 R  1
t 2  t1 10  70
T1  t1 501  70
Ditarik Garis F dari grafik didapat F = 0,97
Luas Perpindahan Kalor (m2) =
A
q
237874,4

 3,84 m2
U total xLMTDxF 918,72 x69,9 x0,97
Panjang Pipa yang dibutuhkan (m) = ℓ =
Tube yang dibutuhkan = n =
L
L pipe
=
A
3,84
=
= 60,9 m
  0,02006
 D
60,9
= 4,0 tube
15,3
Kesimpulan
1. Faktor-faktor yang merupakan parameter unjuk kerja dari alat Shell and U-Tube Heat
Exchanger adalah faktor kekotoran (dirt factor), luas permukaan perpindahan kalor, koefisien
perpindahan kalor, beda temperatur rata-rata, dan jenis aliran (bilangan reynold) . Untuk
parameter faktor kekotoran (dirt factor) sangat mempengaruhi kerja dari Heat Exchanger ini.
Hal ini terbukti pada koefisien perpindahan panas menyeluruhnya koefisien tersebut akan
mempengaruhi hasil temperatur akhirnya dan luas perpindahan panasnya.
14
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014
2. Pada percobaan ini debit fluida pendinginnya sangat berpengaruh, makin tinggi debit fluida
dinginnya maka semakin besar kalor yang perlu diserap/Qin sehingga dibutuhkan pipa yang
lebih banyak atau panjang.
3. Dari hasil running program HTRI juga didapat bahwa desain memiliki over desain sebesar
2.11 %. Hal ini sudah terbilang baik karena kurang dari 10%.
4. Pemilihan ukuran baffle juga memberikan dampak pada proses perpindahan kalor. Hal ini
dikarenakan baffle dapat menyebabkan aliran turbulensi sehingga meningkatkan heat transfer.
5. Pemilihan aliran flow direction dengan countercurrent memiliki nilai efisiensi yang lebih besar
dari hasil beberapa kali perhitungan. Hal ini dikarenakan aliran yang berlawan memiliki heat
transfer yang lebih besar dibandingkan dengan arah sejajar
Daftar Pustaka
[1] Holman, JP. 1995. Perpindahan Kalor Edisi ke enam. Jakarta : Erlangga
[2] Kern,D.Q. 1952.Process Heat Transfer.
[3] Koestoer, Raldi A., “Perpindahan Kalor Untuk Mahasiswa Teknik”, Salemba
Teknika, 2002
[4] Çengel, Yunus A. 2002. Heat Transfer A Practical Approach, 2nd edition. New York: Mc
Graw Hill Companies Inc
[5] Lunsford, kevin M. 1998. Increasing Heat Exchanger Performance. Bryan: Texas US. Bryan
Research & Engineering, Inc
[6] http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/64548.aspx
[7] http://vedcadiklatki.blogspot.com/2010/08/penukar-panas-heat-exchanger.html
[8] http://tutorialkuliah.blogspot.com/2009/10/aliran-fluida-pada-heat-exchanger.html
15
Desain rancang..., Taufik Ramuli, FT, 2014