bab ii landasan teori - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 HE Shell and tube
Penukar panas atau dalam industri populer dengan istilah bahasa inggrisnya, heat
exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan dan bisa
berfungsi sebagai pemanasan maupun sebagai pendinginan. Heat exchanger
dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung
secara efisien.
Pada prakteknya heat exchanger yang dipergunakan di industri lebih diutamakan
untuk menukarkan dua fluida(boleh sama zatnya) yang berbeda temperaturnya.
Pertukaran energy dapat berlangsung melalui bidang atau permukaan perpindahan
kalor yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak langsung(fluida bercampur).
Energy diputarakan akan menyebabkan perubahan tempratur fluida(kalor sensible)
atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa(kalor laten).
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 8
Laju perpindahan energi dalam heat exchanger dipengaruhi oleh banyak faktor
seperti kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik (viskositas, konduktivitas thermal,
kapasitas kalor spesifik, dan lain-lain). Beda temperature antar kedua fluida. Dan sifat
permukaan bidang perpindahan kalor yang memisahkan kedua fluida. Walaupun
fungsi penukar kalor adalah untuk menukarkan energy dua fluida dan dua zat.
Namun, jenisnya banyak sekali.
2.2 Kontruksi Shell and tube
Tipe tabung dan pipa merupakan jenis penukar kalor yang paling banyak
digunakan industri khususnya di industri perminyakan dan perkapalan. Jenis ini
terdiri dari suatu tabung dengan diameter bervariasi yang didalamnya berisi seberkas
pipa dengan diameter realatif kecil. Seperti gambar 2.1, salah satu fluida yang
dipertukarkan energinya dilewatkan didalam pipa atau berkas pipa sedang fluida yang
lainnya dilewatkan diluar pipa atau dalam tabung.
Gambar 2. 3 Kontruksi Oil Cooler
(Sumber : www.learneasy.info.com)
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 9
a. Tipe shell
Shell-and-tube penukar panas yang dibangun dari tabung bulat dipasang di shell
dengan tabung sejajar dengan shell. Salah satu cairan mengalir dalam tabung,
sementara aliran fluida lainnya menemukan dan sepanjang sumbu exchanger.
Komponen utama dari penukar ini adalah tabung (tube bundel), shell, kepala frontend, kepala belakang, baffle, dan lembar tabung.
Berbagai jenis kepala depan dan belakang dan jenis shell telah distandarkan oleh
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Assosiation). Berikut Gambar 2.2
beberapa jenis shell and tube.
Gambar 2.2 Jenis shell and tube
(Sumber : TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Assosiation))
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 10
b. Tube
Untuk alasan kontruksi, cairan tabung-sisi harus masuk dan keluar pada sisi yang
sama, Logam tabung biasanya baja karbon rendah, baja paduan rendah, stainless
steel, tembaga, kelautan, cupronickel, Inconel, aluminium (dalam bentuk paduan),
atau titanium. Bahan lain juga dapat dipilih untuk aplikasi tertentu. Dinding thickness tabung penukar panas adalah standar dalam hal Birmingham Kawat Gage
(BWG) tabung. Tabel. Tabel 2.1 memberikan data pada tabung penukar panas.
Diameter tabung kecil (8-15 mm) lebih disukai untuk daerah / kepadatan volume
yang lebih besar tetapi terbatas, untuk tujuan pembersihan di-tabung, sampai 20 mm
(3/4in.).
Tabel 2. 1 Dimentional Tube
(Sumber : TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Assosiation))
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 11
c. Susunan tube
Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida yang
mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan panas. Ketebalan dan
bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi kerja fluidanya. Selain itu bahan pipa
tidak mudah terkorosi oleh fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube dapat
dilihat pada gambar 2.2 dan gambar 2.3 :
Gambar 2. 4 Susunan Tube
(Sumber : Heat Exchanger selection, rating, and thermal design. Sadik Kakac and
Hongtan Liu)
d. Sekat (Baffles)
Baffle melayani dua fungsi: hal yang paling penting untuk mendukung tabung
untuk kekuatan strukturalnya, mencegah tabung getaran dan kendur, dan kedua, untuk
mengalihkan aliran di bundel untuk mendapatkan lebih tinggi koefisien perpindahan
panas. Baffle dapat diklasifikasikan sebagai melintang dan membujur. Ada beberapa
jenis ataupun bentuk kontruksi baffles. Seperti terlihat pada gambar 2.4
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 12
Gambar 2. 5 Bentuk Kontruksi baffle
(Sumber : Heat Exchanger selection, rating, and thermal design. Sadik Kakac and
Hongtan Liu)
2.3 Analisa Perhitungan Heat exchanger shell & tube
Jenis shell and tube pada untuk alat penukar panas merupakan jenis yang paling
banyak digunakan dalam dunia industri. Alat ini terdiri shell (tabung/silinder yang
besar) tube pipa-pipa kecil yang berada didalam shell tersebut.
Untuk menganalisa design pada shell and tube dan mendapatkan hasil
perhitungannya. Berikut proses perhitungannya. Seperti yang dibawah ini :
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 13
1. Menghitung energy yang dilepaskan oleh oli
Qh =
(
.............................................(2.1)
-
Keterangan :
Qh
: energy panas yang dilepaskan oleh oli (j/s)
: laju aliran pada oli (kg/s)
: panas jenis pada oli (j/kg-K)
: Tempratur masuk pada oli (°C)
: Tempratur keluar pada oli (°C)
Sehingga energy panas yang dilepaskan oleh oli, sama dengan energy yang diterima
oleh air.
Qh = Qc
2. Besarnya temperature water/air keluar
=
TUGAS AKHIR
+
……………………………..…..(2.2)
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 14
Keterangan :
: Temperatur keluar air (°C)
: Energi panas yang diterima oleh air (°C)
: Temperatur masuk air (°C)
: Laju aliran air (m/c)
: Panas jenis pada air (J/kg-K)
3. Menghitung beda temperature rata-rata logaritmik (LMDT).
menghitung beda temperature rata-rata. Seperti persamaan rumus dibawah ini :
=
-
…………………………..………...(2.3)
=
-
.........................................................(2.4)
=
=
….................................................(2.5)
.
.................................................(2.6)
Keterangan :
: Temperatur keluar air (°C)
: Temperatur masuk air (°C)
: Temperatur keluar oli (°C)
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 15
: Temperature masuk oli (°C)
Fc
: Faktor coreksi
: Temperature rata-rata shell
: Temperatur rata-rata counter flow
4. Menghitung luas area perpindahan panas satu tube
…………………….……………...(2.7)
Keterangan :
: Besaran perpindahan panas pada luas luar permukaan tube (m²)
Q
: Energi panas yang dikeluarkan (W)
: Koefisien perpindahan panas bersih diluar permukaan tube (W/m².K)
: Temperatur rata-rata
5. Besarnya luas penampang satu tube
= ( )² ……………………………………(2.8)
Keterangan :
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 16
: Luas penampang pada satu tube (m²)
: Diameter dalam tube (m)
6. Menghitung bilangan Reynolds sisi tube
Cara mendapatkan bilangan Reynolds dengan mengunakan rumus seperti dibawah
ini :
Re =
…………………………………….(2.9)
Keterangan :
Re
: Bilangan Reynolds
: Massa jenis air (kg/m³)
: Kecepatan aliran dalam tube (m/s)
: Diameter dala tube (m)
7. Menghitung koefisien gesekan didalam tube
F = [1,58 In Re-3,28
……………..………….(2.10)
Keterangan :
Re
: Bilangan Reynolds
8. Menghitung bilangan Nusselt di sisi tube
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 17
=
f
…………………….…..(2.11)
: Koefisien gesekan di dalam tube
: Bilangan Prant
9. Menghitung koefisien konveksi didalam tube.
=
………………………………………(2.12)
Keterangan :
: Bilangan Nusselt tube
: Koefisien konveksi di dalam tube (W/m²K)
: Diameter dalam tube (m)
: Konduktifitas thermal air (W/mK)
10. Menghitung besarnya diameter shell
………………….(2.13)
Keterangan :
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 18
: Diameter shell
: Jumlah tube
CL
: Susunan tube
CTP
: Bentuk 1 lintasan tube
: Pitch ratio
: Diameter luas tube (m)
L
: Panjang tube (m)
11. Menghitung jumlah tube
= 0,637
………….……(2.14)
Keterangan :
: Pitch ratio
CTP
: Bentuk lintasan satu tube
: Susunan tube
: Diameter luar tube (m)
: Diameter tube (m)
12. Menghitung luas penampang sisi shell
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 19
Menghitung luas penampang aliran di sisi shell. Namun, terlebih dahulu mencari
nilai dari
. dengan persamaan rumus di bawah ini :
Langkah pertamanya ialah :
=
, Mencari nilai
dengan cara :
=
x
Keterangan :
: Diameter shell (m)
: Pitch tube
Kemudiang menghitung besarnya luas penampang disisi shell. Berikut persamaan
rumusnya :
=(
-
)B ………………………..(2.15)
Keterangan :
: Luas penampang sisi shell (m²)
: Diameter shell (m)
: Diameter luar tube (m)
B
: Baffles
13. Menghitung bilang Reynolds sisi shell
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 20
=
…………………………………..(2.16)
Keterangan :
: Bilangan Reynold
: Laju aliran oli (kg/s)
: Luas penampang aliran sisi shell (m²)
: Viskositas (Ns/m²)
: Diameter luar tube (m)
14. Menghitung bilangan Nusselt sisi shell
Nuo = 0,20
…….…….…………...(2.17)
Keterangan :
: Koefisien konveksi di sisi shell (W/m²K)
: Diameter luar tube (m)
K
: Konduktifitas thermak oli (W/mK)
: Bilangan Reynolds di sisi shell
15. Menghitung koefisien konveksi sisi shell
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 21
=
....................................................(2.18)
Keterangan :
: Koefisien konveksi di sisi shell (W/m²K)
Nuo
: Bilangan Nusselt di sisi shell
k
: Konduktifitas thermal oli (W/mK)
16. Menghitung koefisien perpindahan panas bersih,
=
……..……………(2.19)
Keterangan :
: Koefisien konveksi di sisi shell (W/m²K)
: Diameter Luar tube (m)
: Koefisien konveksi di dalam tube (W/m²K)
: Diameter dalam tube (m)
: Koefisien perpindahan panas yang bersih
17. Menghitung koefisien perpindahan panas kotor
=
TUGAS AKHIR
…………………………………(2.20)
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 22
Keterangan :
: Koefisien perpindahan panas yang kotor
: Koefisien Perpindahn panas yang bersih
os
: Over design
TUGAS AKHIR
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
hal. 23