BAB III METODE PENELITIAN

BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tujuan
Dalam proses ini untuk menetukan hasil design oil cooler minyak mentah (Crude
Oil) untuk jenis shell and tube. Untuk mendapatkan hasil design yang paling optimal
untuk jumlah tube dan panjang tube. Sebelum mendapatkan hasil jumlah tube dan
panjang tube yang optimal ada beberapa langkah-langkah yang harus dilakukan antara
lain, sebagai berikut :
1. Mengetahui Spesifikasi Design, antara lain :
a) Kondisi termal fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell
b) Sifat-sifat fisik dari fluida kerja
2. Memberi Batasan Design, antara lain :
a) Kecepatan aliran di dalam tube
b) Ukuran tube yang digunakan
c) Tube lay-out
d) Jarak antar tube
e) Jarak antar baffles
3. Menghitung Perkiraan jumlah tube, Nt :
a) Identifikasi laju aliran massa aliran di tube, m (kg/s)
b) Pilih ukuran tube
c) Pilih kecepatan aliran ditube, v (m/s)
d) Hitung jumlah tube
30
31
4. Menghitung perkiraan perpindahan panas, Uf :
a) Koefisien konveksi di dalam tube, hi
b) Koefisien konveksi di sisi shell, ho
c) Koefisien perpindahan panas, u = Uf
5. Menghitung panjang tube, L
a) Hitung keseimbangan energi sisi tube dan sisi shell
b) Hitung beda temperatur logaritmik
c) Hitung luas total perpindahan panas, Atot
d) Hitung panjang tube
32
3.2 Spesifikasi design dan Batasan design
Hot Enggine
oil 120 oC,
mh=63 kg/s
Water 71oC
mc=45 kg/s
Water
28oC
Oil 60 oC
Gambar 3.1 Kondisi temperatur fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell
(Sumber : http://s1218.photobucket.com/albums/dd408/budisusanto1/ )
Tabel 3.1 Sifat-sifat Fisik Fluida Kerja
Fluida Air (Water)
Fluida Minyak Mentah (Crude oil)
Massa Jenis, ρ
995 kg/m3
Massa Jenis, ρ
786,4 kg/m3
Viskositas Dinamik, μ
0,00072 Ns/m2
Viskositas Dinamik, μ
0,00189
Ns/m2
Konduktifitas Thermal, k
0,605 W/mK
Konduktifitas Thermal, 0,122 W/mK
k
Panas jenis, Cp
4186,8 J/kg-K
Panas jenis, Cp
2177 J/kg-K
Bilangan Prant, Pr
6,29
Bilangan Prant, Pr
33,73
33
Tabel 3.2 Batasan Design Crude oil
Batasan Design
Kecepatan aliran di dalam tube
(0,7 – 1,3 m/s)
Ukuran Tube
(1” do : 0,019 m – di : 0,016 m)
(¾” do : 0,0254 m – di : 0,0229m)
Tube Lay-out
(600 dan 900)
Jarak antar Tube
(1,25 – 1,5)
Jarak antar Baffles
(0,3 – 0,5 diameter shell)
Susunan tube,
(600 CL = 0,87 dan 900 CL = 1 )
Tube membentuk 1 lintasan
CTP = 0,93
3.3 Menghitung balance energi sisi shell, dengan persamaan dibawah ini :
Sebelum menghitung jumlah tube,kita harus mencari terlebih dahulu nilai dari Qh
yaitu energi panas yang dilepaskan oleh oli, dengan persamaan rumus seperti
dibawah ini :
=
(
−
)……………………………………………….……(3.1)
Sumber : (Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat
Exchanger))
34
Keterangan :
Qh : Energi panas yang dilepaskan oleh oli (j/s)
mh = Laju aliran pada oli (kg/s)
Cph = Panas jenis pada oli (j/kg-K)
Thi = Temperatur masuk pada oli (oC)
Tho = Temperatur keluar pada oli (oC)
Sehingga energi panas yang dilepaskan oleh oli, sama dengan energi yang diterima
oleh air
Qh = Qc
Setelah nilai Qh diperoleh kemudian kita menghitung mc yaitu laju aliran pada air
3.4 Menghitung laju aliran air, dengan persamaan rumus dibawah ini :
Kemudian setelah nilai Qh diperoleh kemudian kita menghitung mc yaitu laju aliran
pada air, dengan persamaan rumus seperti di bawah ini :
=
(
)
………………………………………………………….…..(3.2)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
35
Keterangan :
mc = Laju aliran pada air (kg/s)
Qc = Energi panas yang diterima oleh air (j/s)
Cpc = Panas jenis pada air (j/kg-K)
Tco = Temperatur keluar air (oC)
Tci = Temperatur masuk air (oC)
3.5 Menghitung luas penampang satu tube dengan persamaan rumus dibawah ini :
Setelah kita mendapatkan hasil dari Qh yaitu energi panas yang dilepaskan oleh oli
dan mendapatkan hasil mc yaitu laju aliran pada air, kemudian kita menghitung A1t
yaitu luas penampang pada satu tube, dengan persamaan sebagai berikut :
=
( ) ………………………………………………………..……….(3.3)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
36
Keterangan :
A1t : Luas penampang pada satu tube (m2)
di : Diameter dalam tube (m)
Kemudian setelah Qh = energi panas yang dilepaskan oleh oli telah dihitung, mc =
laju aliran pada air didapat juga dan A1t = luas penampang pada satu tube juga
telah diketahui. Maka sehingga kita dapat menghitung jumlah tube yang akan di
dapatkan.
3.6 Menghitung perkiraan jumlah tube, Nt
Menghitung jumlah tube dengan rumus sebagai berikut :
=
………………………………………………………..……….………(3.4)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
Nt : Jumlah Tube
mc : Laju aliran air (kg/s)
: Massa jenis air (kg/m3)
Um: kecepatan aliran dalam tube (m/s)
37
A1t : Luas penampang pada satu tube (m2)
Untuk mendapatkan hasil jumlah tube perlu kita hitung terlebih dahulu yaitu
•
Qh :energi panas yang dilepas oleh oli
•
mc : Laju aliran air
•
A1t : Luas penampang pada satu tube
3.7 Menghitung bilangan Reynolds sisi tube
Untuk mendapatkan nilai bilangan Reynolds,memakai rumus seperti dibawah ini :
=
………………………………………………………………………..(3.5)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
Re : Bilangan Reynolds
∶ Massa jenis air (kg/m3)
Um : kecepatan aliran dalam tube (m/s)
di : diameter dalam tube (m)
Kemudian setelah menghitung bilangan Reynolds, langkah selanjutnya menghitung
koefisien gesekan di dalam tube
38
3.8 Menghitung koefisien gesekan di dalam tube
Sedangkan untuk mendapatkan nilai koefisien gesekan di dalam tube,dapat
menggunkan persamaan rumus sebagai berikut :
f
=
[1,58
ln
Re-3,28]-2
…………………………………………………..……….(3.6)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
Re = Bilangan reynolds
Setelah mendapatkan nilai koefisien gesekan di dalam tube,kemudian kita mencari
nilai bilangan nusselt
3.9 Menghitung bilangan Nusselt
Untuk menetukan nilai dari bilangan nusselt, dapat dicari dengan menggunakan
persamaan rumus seperti dibawah ini :
=
( / )(
, ( / ) , (
)
/
……………………………………………….………..(3.7)
)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
f = Koefisien gesekan didalam tube
39
Pr = Bilangan Prandt
Setelah menghitung dari bilangan Reynolds, koefisien gesekan didalam tube dan
menghitung bilangan nusselt dan mendapatkan semua nilai itu, sehingga kita bisa
menggetahui nilai dari koefisen konveksi di dalam tube (hi).
3.10 Menghitung koefisien konveksi di dalam tube, hi
Setelah mendapatkan nilai dari bilangan Reynolds, koefisien gesekan didalam tube
dan menghitung bilangan nusselt. Kemudian kita bisa mengetahui nilai dari
koefisien konveksi di dalam tube (hi) dengan rumus seperti dibawah ini :
=
.
………………………………………………………………..………(3.8)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
Nui : bilangan Nusselt tube
hi : koefisien konveksi didalam tube (W/m2K)
di : diameter dalam tube (m)
Kc : Konduktifitas thermal air (W/mK)
40
3.11 Menghitung diameter shell
Langkah awal sebelum menghitung koefisien konveksi di sisi shell, terlebih dahulu
mencari nilai dari diameter shell dengan rumus sebagai berikut :
=
,
…………………………………………………………….…(3.9)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
D2s : Diameter shell (m)
Nt : Jumlah tube
CL : Susunan tube
CTP : Bentuk lintasan tube
PR = Pitch ratio
do = diameter luar tube (m)
Setelah nilai dari diameter shell diketahui, langkah kedua selanjutnya adalah
menentukan jarak antar baffles dengan cara (pilih jarak baffles x Ds)
41
3.12 Menghitung luas penampang aliran di sisi shell
Langkah ketiga sebelum luas penampang aliran di sisi shell di hitung, terlebih
dahulu mencari nilai dari NTC dengan persamaan rumus sebagai berikut :
=
Mencari nilai PT dengan cara PT = PR x do
Keterangan :
Ds : Diameter Shell (m)
PT : Pitch Tube
=(
−
) …………………………………………………………..(3.10)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
As = luas penampang sisi shell (m2)
Ds = diameter shell (m)
do = diameter luar tube (m)
B = baffles
42
3.13 Menghitung bilangan Reynolds sisi shell
Langkah ke empat yaitu menghitung bilangan Reynolds disisi shell dengan
rumus seperti dibawah ini :
=
………………………………………………………………...………(3.11)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
Keterangan :
Re = bilangan Reynolds
ms = laju aliran oli (kg/s)
As = luas penampang aliran sisi shell (m2)
µ = viskositas dinamik (Ns/m2)
do = diameter luar tube (m)
Setelah bilangan Reynolds dapat diketahui maka koefisien konveksi di sisi shell pun
dapat di hitung.
3.14 Menghitung bilangan nusselt di sisi shell
=
0,20
=
,
,
…………………………………………………….(3.12)
Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)
43
Keterangan :
ho : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m2 K)
do : Diameter luar tube (m)
k : Konduktifitas termal oli (W/mK)
Re : Bilangan Reynolds di sisi shell
3.15 Koefisien konveksi di sisi shell, ho
Langkah ke lima yaitu mencari nilai dari koefisien konveksi di sisi shell, ho dengan
rumus dibawah ini :
=
.
…………………………………………………………………….(3.13)
Sumber : (Mc.Graw-Hill, New York, 1985, Chapter 11, 12, 15)
Keterangan :
ho : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m2K)
Nuo: Bilangan nusselt di sisi shell
k : Konduktifitas thermal oli (W/mK)
Setelah nilai ho = koefisien konveksi di sisi shell di ketahui, maka bilangan nusselt bisa
dicari nilainya
44
3.16 Menghitung beda temperatur rata-rata logaritmik
∆T = T
−
T …………………………………………………..……………(3.14)
∆T = T −
T ……………………………………………………..…………(3.15)
∆T
∆
=
,
∆
(
∆
∆
∆T
,
…………………………………………………………..…...(3.16)
)
=
F . ∆T
,
…………………………………………………….……..(3.17)
Keterangan :
Tco = Temperatur keluar air (oC)
Tci = Temperatur masuk air (oC
Tho = Temperatur keluar oli (oC)
Thi = Temperatur masuk oli (oC)
Fc = Faktor coreksi
∆T
,
=Temperatur rata-rata shell dan tube
∆T
,
= Temperatur rata-rata counter flow
45
3.17 Menghitung koefisien perpindahan panas, Uc
Menghitung koefisien Uc dengan rumus dibawah ini :
=
+
+
(
/ )
………………………………………………………….(3.18)
Keterangan :
ho : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m2 K)
do : Diameter luar tube (m)
hi : koefisien konveksi didalam tube (W/m2 K)
di : diameter dalam tube (m)
Uc = Koefisien perpindahan panas yang bersih
3.18 Menghitung koefisien U= Uf dengan rumus dibawah ini :
=
……………………………………………………………………………..(3.19)
Keterangan :
Uf = Koefisien perpindahan panas yang kotor
Uc = Koefisien perpindahan panas yang bersih
OS = Over design
46
3.19 Menghitung harga over design
Menghitung harga over design, misal OS = 30%
=
……………………………………………………………..………………(3.20)
Keterangan :
OS = Over Design
Uc = Koefisien perpindahan panas yang bersih
Uf = Koefisien perpindahan panas yang kotor
3.20 Menghitung luas total perpindahan panas, Atot :
A
∆
=
………………………………………………….……………….(3.21)
,
Keterangan :
Atot = Luas total perpindahan panas
Q = Laju perpindahan panas (J/s)
∆T
,
=Temperatur rata-rata shell dan tube
47
3.21 Menghitung panjang tube, L :
L=
π
………………………………………………………..……………………(3.22)
Keterangan :
L = Panjang tube (m)
do = Diameter luar tube (m)
Nt = Jumlah tube