TUGAS DESAIN PERPIPAAN THERMAL
3rd dist. Condensor-1 Type shell and tube
Penyusun : Yayan Lutfi Syarafi NRP 6813040012
PROGRAM STUDI D4 TEKNIK PERPIPAAN JURUSAN TEKNIK PERMESINAN KAPAL POLITEKNIK PERKAPALAN NEGERI SURABAYA SURABAYA 2016
Kata Pengantar Desain perpipaan thermal meliputi desain heat exchanger
yang harus
dimengerti mahasiswa D4 teknik perpipaan sebagai modal dalam dunia kerja. Pada desain ini menerapkan ilmu yang telah dipelajari dalam mata kuliah thermodinamika dan desain perpipaan thermal. Dalam tugas terstruktur desain heat exchanger mengambil data kasus actual di industri sehingga mahasiswa dilatih untuk menghasilkan desain dengan data – data yang ada dengan hitungan manual disertai dengan bantuan software Engineering Equation Solver (EES) dan Heat Transfer ResearchInc (HTRI). Setiap mahasiswa diberikan data yang berbeda untuk melatih kemandirian mahasiswa dalam mengerjakan tugas desain heat exchanger. Dalam tugas desain heat exchanger yang akan didesain adalah heat exchanger jenis condenser dengan hot fluid (steam) dan cold fluid (water). Hot fluid berada pada shell dan cold fluid berada pada tube.
Yayan Lutfi Syarafi
i
Lembar Persembahan Alhamdulillahirrabilalaamiin Persembahanku untuk Ayah dan Ibuku Moch. Sugiyanto dan Yayuk Danawati yang selalu memperjuangkan dan memotivasi diriku untuk tetap bisa menyelesaikan kuliah dan menjadi orang yang mendapat gelar Sarjana pertama di keluarga besarku.
ii
Daftar Isi
Kata Pengantar ......................................................................................................... i Lembar Persembahan .............................................................................................. ii Daftar Isi................................................................................................................. iii BAB I ...................................................................................................................... 1 PENDAHULUAN .................................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang ......................................................................................... 1
1.2
Rumusan Masalah .................................................................................... 1
1.3
Tujuan Penelitian ...................................................................................... 1
1.4
Luaran yang diharapkan ........................................................................... 1
1.5
Manfaat ..................................................................................................... 2
1.6
Batasan Masalah ....................................................................................... 2
BAB II ..................................................................................................................... 3 TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... 3 2.1 Properti Fluida ............................................................................................... 3 2.1.1 Steam ...................................................................................................... 3 2.1.2 Water....................................................................................................... 5 2.2 Shell & Tube Heat Exchanger ....................................................................... 5 2.2.1
Macam-macam Heat exchanger Berdasarkan Desain Konstruksi .... 7
BAB III ................................................................................................................. 12 METODOLOGI PENELITIAN ............................................................................ 12 3.1 Jadwal dan Tempat Penelitian ..................................................................... 12 3.1.1 Waktu .................................................................................................... 12 3.1.2 Tempat .................................................................................................. 12 3.1.3 Peralatan................................................................................................ 12 3.2 Diagram Alur Pengerjaan ............................................................................ 13 BAB IV ................................................................................................................. 14 ANALISA DAN DATA ....................................................................................... 14 4.1
Data Desain ............................................................................................ 14
4.2 Kalkulasi Manual ........................................................................................ 14 4.3 Kalkulasi Software ...................................................................................... 15 4.4 Analisa ......................................................................................................... 15
iii
4.4.1 Pengaruh heat transfer coef pada perubahan fase pada steam terhadap jarak masukan pada shell side ........................................................................ 15 4.4.2 Hubungan jumlah tube, Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, pressure drop .................................................................................................. 16 BAB V................................................................................................................... 18 KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................. 18 5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 18 5.2 Saran ............................................................................................................ 19 Daftar Pustaka ....................................................................................................... 20 Lampiran 1 ............................................................................................................ 21 DATA DESAIN ................................................................................................ 21 Kalkulasi Manual .............................................................................................. 22 Heat Ballance ................................................................................................. 22 4.2.2 LMTD ................................................................................................... 24 Menghitung Nt dan OD tube ......................................................................... 24 Menghitung Dirt factor .................................................................................. 25 Menghitung Pressure Drop ............................................................................ 29 Kalkulasi Software ............................................................................................ 31 Desain Heat Exchanger ..................................................................................... 33
iv
v
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Condensor merupakan salah satu jenis heat exchanger yang terdiri dari jaringan pipa yang digunakan untuk mengubah uap menjadi zat cair atau air. Sebagian besar industri menggunakan heat exchanger jenis ini untuk mendukung kegiatan dalam proses industrinya. Oleh karena itu diperlukan pemahaman dalam mendesain condesor yang baik untuk mendukung kemampuan mahasiswa dalam menghadapi dunia kerja. Mendesain condesor yang memiliki efisiensi tinggi juga merupakan syarat kelulusan dalam mata kulia desain perpipaan termal. Sehingga diperlukan perhitungan dan analisa mengenai desain kondensor yang paling tepat digunakan sesuai kebutuhan industri. Berikut ini merupakan laporan mengenai desain 3rd dist condenser-1.
1.2 Rumusan Masalah Permasalahan yang dapat dirumuskan dan dibahas dari tugas ini adalah : 1. Bagaimana mendapatkan desain shell and tube heat exchanger sesuai dengan standart Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA) ?
1.3 Tujuan Penelitian Tujuan yang akan dicapai dari tugas ini adalah : 1. Mendapatkan desain shell and tube heat exchanger yang sesuai dengan standart Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA).
1.4 Luaran yang diharapkan Luaran yang diharapakan dari tugas ini adalah : 1. Mahasiswa mampu mendapatkan design shell and tube heat exchanger yang sesuai dengan specification. 2. Mahasiswa mampu mendapatkan kalkulasi manual dan kalkulasi software yang mendekati disertai dengan analisa.
1
1.5 Manfaat Manfaat dari tugas ini adalah : 1. Mahasiswa mampu menyelesaikan pekerjaan dilingkup yang lebih luas dengan dilengkapi dengan kemampuan menganalisa data 2. Mahasiswa mampu mendesain heat exchanger sesuai dengan data di Industri 3. Mahasiswa mampu mengoperasikan software Engineering Equation Solver (EES) dan Heat Transfer Research Inc (HTRI) 4. Mahasiswa mampu menulis laporan tugas dengan format Tugas Akhir.
1.6 Batasan Masalah Batasan masalah dari tugas ini adalah : 1. Mahasiswa mampu mendesain heat exchanger dengan biaya seminimum mungkin dengan kualitas/ spesifikasi desain sesuai data Industri.
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Properti Fluida 2.1.1 Steam Steam adalah bahasa teknis dari uap air, yaitu fase gas dari air yang terbentuk ketika air mendidih. Untuk mengubah air dari fase liquid (cair) menjadi fase gas (steam) diperlukan energi panas untuk menaikan temperature air yang biasa disebut sebagai “Sensible Heat”. Pada tekanan atmosphere titik didih air adalah 1000C (2120F) sedangkan apabila tekanan pada sistem dinaikan maka energi panas yang diperlukan juga ikut naik. Steam yang dipanaskan sampai pada temperature jenuhnya disebut Dry Saturated Steam. Sedangkan steam yang belum dipanaskan sampai temperature jenuhnya disebut wet steam. Presentase air dalam wet steam disebut sebagai %moisture. Sehingga untuk mendapatkan kualitas steam dari wet steam adalah:
Campuran bahan bakar (fuel) dan udara terjadi pembakaran pada ruang Furnace Boiler, sehingga terjadi perpindahan panas menuju air. Untuk melihat besaran-besaran seperti tekanan, suhu, enthalpy digunakan diagram P-h. Siklus dapat dapat digambarkan dalam diagram P-h seperti pada gambar.
3
Gambar 1. P-h Diagram 1 ke 2, Proses kompresi menyebabkan kenaikan tekanan dari tekanan rendah (LP) ke tekanan tinggi. Proses ini berlangsung secara isentropik. Garis 1 ke 2 mengikuti garis isentropik pada diagram P-h. Karena berlangsung secara isentropik maka entropi pada titik 1 dan titik 2 adalah sama. Kondisi pada titik 1 berupa saturasi gas dan dan titik 2 dalam keadaan superheated. Enthalpynya naik dari h1 ke h2. Refrigeran pun mengalami kenaikan suhu. 2 ke 3, Proses kondensasi ini terjadi pada tekanan yang sama (Isobarik). Dalam proses ini terjadi pelepasan kalor sehingga terjadi penurunan suhu dan enthalpy refrigeran sampai dengan saturasi gas (2a). Kemudian refrigeran terus melepaskan kalor dan mulai berubah menjadi cair. Dari titk 2a ke titik 3 tidak terjadi penurunan suhu tetapi terjadi perubahan fasa. Karena terjadi pelepasan kalor 3 ke 4, Proses ekspansi ini terjadi secara isoenthalpy sehingga enthalpy di titik 3 dan titik 4 adalah sama. Tekanan pada titik 3 masih tekanan tinggi (LP) kemudian turun hingga titik 4 di tekanan rendah (LP). Penurunan tekanan ini disertai dengan penurunan suhu. Kondisi refrigeran yang tadinya saturasi cair (titik 3) menjadi campuran gas dan cair. 4
4 ke 1, Proses evaporasi ini terjadi pada tekanan yang sama (isobarik). Dalam proses ini terjadi penarikan kalor sehingga terjadi kenaikan enthalpy. Suhu tidak mengalami kenaikan karena kalor yang diambil digunakan untuk mengubah fasa dari yang tadinya campuran (titik4) menjadi gas jenuh (titik 1). Dalam proses inilah terjadi pendinginan terhadap objek karena kalor pada objek ditarik oleh refrigeran dalam evaporator. Kapasitas pendinginan ditentukan pada proses ini yaitu besarnya penarikan kalor. 2.1.2 Water Pengertian air adalah senyawa kimia yang merupakan hasil ikatan dari unsur hidrogen (H2) yang bersenyawa dengan unsur oksigen (O) dalam hal ini membentuk senyawa H2O. Air merupakan senyawa kimia yang sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup di bumi ini. Fungsi air bagi kehidupan tidak dapat digantikan oleh senyawa lain. Penggunaan air yang utama dan sangat vital bagi kehidupan adalah sebagai air minum. Hal ini terutama untuk mencukupi kebutuhan air di dalam tubuh manusia itu sendiri.
2.2 Shell & Tube Heat Exchanger Shell and Tube Heat Exchanger merupakan salah satu jenis heat exchanger. Jika aliran yang terjadi sangat besar, maka digunakan shell and tube heat exchanger, dimana
exchanger ini adalah yang biasa digunakan dalam proses industri.
Exchanger ini memiliki aliran yang kontinyu. Banyak tube yang dipasang secara paralel dan di dalam tube-tube ini fluida mengalir. Tube-tube ini disusun secara paralel berdekatan satu sama lain di dalam sebuah shell dan fluida yang lain mengalir di luar tube-tube, tetapi masih dalam shell. Bagian – bagian Shell and Tube Heat Exchanger. Cara kerja Shell and Tube Heat Exchanger Untuk 1-1 counterflow exchanger (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube pass, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di bagian luar tube tetapi masih di dalam shell. Baffle-baffle digunakan agar fluida dapat mengalir secara bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube.
5
T2 t1
T1
t2
Gambar 2. Shell & tube heat exchanger 1 shell pass and 1 tube pass (1-1 exchanger)
Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube. Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. Untuk aliran parallel, ΔT2 = T1 – t1 dan ΔT1 = T2 – t2. Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger, yaitu: a. Konduksi Mekanisme perpindahan panas ini adalah mekanisme yang berhubungan dengan interakasi molekuler. Transfer energi konduksi ini terjadi melalui 2 cara, yaitu mekanisme interaksi molekuler dimana dalam mekanisme ini gerakan lebih besar yng dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat yang lebih rendah. Serta mekanisme melalui elektronelektron “bebas”. Karena konduksi panas pada initnya merupakan fenomena molekuler, dapat diperkirakan bahwa persamaan dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses ini akan serupa dengan persamaan yang digunakan dalam transfer momentum molekuler. Persamaan Fourier : qx /A = -k dT/dt
b. Konveksi molekuler Tranfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi antara suatu permukaan dengan fluida di dekatnya. Persamaan laju
6
untuk transfer panas ini pertama kali dinyatakan oleh newton pada tahun 1701 q /A = h ΔT
2.2.1
Macam-macam Heat exchanger Berdasarkan Desain Konstruksi Pengklasifikasian heat exchanger berdasarkan desain konstruksinya,
menjadi pengklasifikasian yang paling utama dan banyak jenisnya. Secara umum heat exchangerdapat dikelompokkan menjadi beberapa kelompok yakni tipe tubular, tipe plat, tipe extended-surface, dan tipe regeneratif.. 1
Heat exchanger Tipe Tubular Heat exchanger tipe ini melibatkan penggunaan tube pada desainnya. Bentuk penampang tube yang digunakan bisa bundar, elips, kotak, twisted, dan lain sebagainya. Heat exchanger tipe tubular didesain untuk dapat bekerja pada tekanan tinggi, baik tekanan yang berasal dari lingkungan kerjanya maupun perbedaan tekanan tinggi antar fluida kerjanya. Tipe tubular sangat umum digunakan untuk fluida kerja cair-cair, cair-uap, cair-gas, ataupun juga gas-gas. Namun untuk penggunaan pada fluida kerja gas-cair atau juga gas-gas, khusus untuk digunakan pada kondisi fluida kerja bertekanan dan bertemperatur tinggi sehingga tidak ada jenis heat exchanger lain yang mampu untuk bekerja pada kondisi tersebut. Berikut adalah beberapa jenis heat exchangertipe tubular: 1. Shell & Tube Heat exchanger tipe shell & tube menjadi satu tipe yang paling mudah dikenal. Tipe ini melibatkan tube sebagai komponen utamanya. Salah satu fluida mengalir di dalam tube, sedangkan fluida lainnya mengalir di luar tube. Pipa-pipa tube didesain berada di dalam sebuah ruang berbentuk silinder yang disebut dengan shell, sedemikian rupa sehingga pipa-pipa tubetersebut berada sejajar dengan sumbu shell.
7
Gambar 1. Heat exchanger Tipe Shell & Tube (a) satu jalur shell, satu jalur tube(b) satu jalur shell, dua jalur tube Komponen-komponen utama dari heat exchanger tipe shell & tube adalah sebagai berikut: Tube. Pipa tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling banyak digunakan padaheat exchanger tipe ini. Desain rangkaian pipa tube dapat bermacam-macam sesuai dengan fluida kerja yang dihadapi.
Gambar 2. Macam-macam Rangkaian Pipa Tube Pada Heat exchanger Shell & Tube Shell. Bagian ini menjadi tempat mengalirnya fluida kerja yang lain
selain
yang
mengalir
di
dalam
tube. 8
Umumnya shell didesain berbentuk silinder dengan penampang melingkar. Material untuk membuat shell ini adalah pipa silindris jika diameter desain dari shell tersebut kurang dari 0,6 meter. Sedangkan jika lebih dari 0,6 meter, maka digunakan bahan plat metal yang dibentuk silindris dan disambung dengan proses pengelasan.
Gambar 3 Tipe-Tipe Desain Front-End Head, Shell, dan Rear-End Head Tipe-tipe desain dari shell ditunjukkan pada gambar di atas. Tipe E adalah yang paling banyak digunakan karena desainnya yang sederhana serta harga yang relatif murah. Shell tipe F memiliki nilai efisiensi perpindahan panas yang lbih tinggi dari
9
tipe E, karena shell tipe didesain untuk memiliki dua aliran (aliran U). Aliran sisi shell yang dipecah seperti pada tipe G, H, dan J, digunakan pada kondisi-kondisi khusus seperti pada kondenser dan boiler thermosiphon. Shelltipe K digunakan pada pemanas kolam air. Sedangkan shell tipe X biasa digunakan untuk proses penurunan tekanan uap. Nozzle. Titik masuk fluida ke dalam heat exchanger, entah itu sisi shell ataupun sisi tube, dibutuhkan sebuah komponen agar fluida kerja dapat didistribusikan merata di semua titik. Komponen tersebut adalah nozzle. Nozzle ini berbeda dengan nozzle-nozzle pada umumnya yang digunakan pada mesin turbin gas atau pada berbagai alat ukur. Nozzle pada inlet heat exchanger akan membuat aliran fluida yang masuk menjadi lebih merata, sehingga didapatkan efisiensi perpindahan panas yang tinggi. Front-End dan Rear-End Head. Bagian ini berfungsi sebagai tempat masuk dan keluar dari fluida sisi pipa tubing. Selain itu bagian ini juga berfungsi untuk menghadapi adanya efek pemuaian.
Berbagai
tipe
front-end
dan
rear-end
head ditunjukkan pada gambar di atas.
Gambar 4. Jenis – Jenis Buffle Buffle.
Ada
dua
jenis
buffle
yang
ada
pada
heat
exchanger tipeshell & tube, yakni tipe longitudinal dan
10
transversal. Keduanya berfungsi sebagai pengatur arah aliran fluida sisi shell. Beberapa contoh desain buffle ditunjukkan pada gambar di samping. Tubesheet. Pipa-pipa tubing yang melintang longitudinal membutuhkan penyangga agar posisinya bisa stabil. Jika sebuah heat exchanger menggunakan buffle transversal, maka ia juga berfungsi ganda sebagai penyangga pipa tubing. Namun jika tidak menggunakan buffle, maka diperlukan penyangga khusus. 2. Double-Pipe Heat exchanger ini menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda. Pipa dengan diameter lebih kecil dipasang paralel di dalam pipa berdiameter lebih besar. Perpindahan panas terjadi pada saat fluida kerja yang satu mengalir di dalam pipa diameter kecil, dan fluida kerja lainnya mengalir di luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah.
Gambar 5. Heat exchanger Tipe Double-Pipe 3. Spiral Tube Heat exchanger tipe ini menggunakan pipa tube yang didesain membentuk spiral di dalam sisi shell. Perpindahan panas pada tipe ini sangat efisien, namun di sisi hampir tidak mungkin untuk melakukan pembersihan sisi dalam tube apabila kotor.
11
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Jadwal dan Tempat Penelitian 3.1.1 Waktu No Hari / Tanggal
Kegiatan
1.
Selasa / 22 Desember Kalkulasi manual Tubecount dan Ud (EES), 2015 menentukan over design (HTRI), penyusanan laporan (Bab I) dan Menentukan Spec Data Heat Exchanger
2.
Rabu / 23 Desember 2015
3.
Selasa / 29 Desember Penyusunan laporan (Bab IV), kalkulasi 2015 manual pressure drop
4.
Rabu / 30 Desember 2015
Penyusunan laporan (Bab IV), analisa (HTRI dan Microsoft Excel)
5.
Senin/ 5 Januari 2015
Penyusunan laporan (Bab V)
Penyusunan laporan ( Bab II dan Bab IV), kalkulasi manual Uc dan Rd (EES)
3.1.2 Tempat Pembuatan design Heat Exchanger dan penyusunan laporan dilakukan di Politeknik Pekapalan Negeri Surabaya. 3.1.3 Peralatan Peralatan yang digunakan pembuatan design Heat Exchanger dan penyusunan laporan : 1. Laptop ( dilengkapi dengan software HTRI dan EES ) 2. Peralatan tulis serta kalkulator 3. Modul Design Perpipaan Thermal
12
3.2 Diagram Alur Pengerjaan Mulai
Properties input data
Kalkulasi secara Manual
Kalkulasi software EES
Menghitung LMTD
Menghitung LMTD
Menentukan UD (steam-water)
Menentukan UD (steam-water)
Menentukan N tube
Menentukan N tube
Output data Summary , Overdesign and Design
Belum diterima
Menentukan Overdesign HE dengan HTRI
Menentukan Uc, Rd, dan Pressure Drop ( EES dan Manual) Overdesign 3% -5%
Analisa Data
Diterima
Kesimpulan dan Saran
Selesai
13
BAB IV ANALISA DAN DATA 4.1 Data Desain Heat exchanger yang didesain adalah 3rd dist. Condenser-1 dengan type BEM Horz. Connected in. Hot fluid berada pada shell (steam) dan cold fluid berada pada tube (water). Metode yang digunakan untuk mendapatkan desain shell and tube heat exchanger adalah menggunakan metode LMTD dan menggunakan standart Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). Selain itu, software yang digunakan untuk menunjang perhitungan yang lebih teliti dan akurat adalah Software Engineering Equation Solver ( EES ) dan untuk memperoleh data dan desain shell and tube menggunakan software Heat Transfer Research Inc ( HTRI ). Data yang diketahui pada shell side inlet steam adalah Fluid quantity sebesar 6100 kg/hr, temperature steam masuk sebesar 140 derajat celcius dan temperature steam keluar sebesar 60 derajat celcius. Untuk tekanan masuk dan keluar sebesar 36,13 kgf/cm2A. Tube memiliki panjang 3400 mm, type plain, dan memiliki material SS-304. Shell memiliki material SS-304 dan full vacuum. Pada Tube side (water) memiliki karakteristik diantaranya adalah fluid quantity sebesar 74261 kg/hr, Temperature masuk sebesar 30 derajat celcius dan temperature keluar sebesar 36 derajat celcius. Selain itu, pada tube side (water) diketahui juga untuk tekanan masuk dan keluar sebesar1,5 kgf/cm2A. Untuk data yang lebih lengkap dapat dilihat pada lampiran I.
4.2 Kalkulasi Manual Dari kalkulasi manual didapatkan Q steam = 713102 lbm hr
, LMTD = 44.1 °F , N tube = 38, Rd = 0.00005997
Btu hr
, ṁ water = 198264
hr ft2 °F Btu
, life time = 265,6
bulan, ΔP tube = 46.39 Psi, dan ΔP shell =0.01952 Psi. Untuk kalkulasi secara lengkap dapat dilihat pada lampiran I.
14
4.3 Kalkulasi Software Pada kalkulasi software HTRI dilakukan percobaan dengan empat variasi tubecount yakni 90, 95, 100, dan 112 untuk mendapatkan overdesign yang paling baik. Kemudian didapatkan tubecount 42 dengan overdesign sebesar 3.57 %. h shell = 703.48 Btu ft2 hr ℉
Btu ft2 hr ℉
, h tube = 1535.91
, required U = 150,03
Btu ft2 hr ℉
Btu ft2 hr ℉
, actual U = 155,39
, OD tube = 1 inch, Baffle cut = 25 %, dan
central spacing = 3.85 inch. Untuk data yang lebih lengkap dapat dilihat pada lampiran I.
4.4 Analisa 4.4.1
Pengaruh heat transfer coef pada perubahan fase pada steam terhadap
jarak masukan pada shell side
Grafik 4.1 Grafik Perubahan fase pada steam terhadap koef heat transfer pada jarak masukan shell side
Pada grafik 1 dapat diketahui bahwa steam (shell side) mengalami perubahan fase dari inletnya yang dalam kondisi 100% Vapor menjadi 100% liquid. Pada jarak 0 sampai 78 inch steam masih dalam fase 100% vapor, namun pada jarak 84 inch sudah terbentuk fraksi sebesar 0.78 % liquid. Sehingga pada titik yang berjarak 84 inch steam tersebut tersebut sudah berubah fase menjadi 100% liquid
15
Dalam hal ini dipengaruhi juga adanya peningkatan besarnya panas yang diterima. Pada grafik di atas perubahan fase steam dari vapor menjadi liquid dipengaruhi semakin naiknya heat transfer coef. Pada jarak 78 sampai 84 inch heat transfer coef konstan kemudian cenderung naik kembali. Panjang heat exchanger berpengaruh terhadap besarnya koefisien perpindahan panas terhadap pada shell heat exchanger karena ketika fluida mengalir shell dengan penggunaan L yang panjang maka waktu tinggal fluida pada HE semakin lama sehingga meningkat. 4.4.2
Hubungan jumlah tube, Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, pressure
drop
Grafik 1. Grafik Hubungan jumlah tube, Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, pressure drop, dan velocity tube
Data diatas merupakan hasil kalkulasi dari HTRI untuk 3rd dist. Condensor-1 untuk Steam - Watter. Grafik diatas menunjukkan pengaruh variasi jumlah Tube (Tube Count) terhadap beberapa parameter yaitu Overdesign, Ud, Uc, Enthalpy,Presssuredrop. Dalam data diatas dapat 16
dilihat bahwa saat N bernilai 90, Overdesign mempunyai nilai -1.23, dan saat nilai N dinaikkan menjadi 95, 100 dan 112, Overdesign akan mengalami kenaikkan nilai sebesar 3,57, 8,38 dan 19.76. Semakin besar nilai dari N (tube count) maka overdesignnya akan semakin besar. Hal ini dapat terjadi karena jika N (tube count) divariasikan maka akan mempengaruhi terhadap luasan tube (A). N berbanding lurus dengan luasan tube (A) sehingga nilai luasan akan semakin besar pula. Hal itu akan berpengaruh terhadap angka Renold (Re). Jadi jika N (tube count) divariasikan akan berpengaruh terhadap nilai Re sehingga semakin besar nilai Re maka nilai pressure drop di tube akan semakin besar pula. Karena Re digunakan untuk menentukan nilai f tube. Dari Grafik diatas dapat diketahui bahwa semakin kecil
nilai
velocity pada tube maka akan semakin kecil pula perpindahan panas pada tube. Karena velocity digunakan untuk menentukan nilai hi yang berpengaruh pada perpindahan panas dalam tube. Berubahnya nilai h juga akan berpengaruh terhadap nilai Uc. Pada saat nilai h tube 1535.91, Uc mempunyai nilai sebesar 155.39. Saat h tube mempunyai nilai 1476.75 Uc bernilai 154.13. Nilai tersebut akan terus berjalan berbanding lurus. Meskipun penurunan nilai h tidak begitu besar tetapi akan tetap berpengaruh terhadap nilai Uc. Semakin besar nilai h akan semakin besar pula nilai dari Uc.
17
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Desain shell and tube heat exchanger yang bisa dibuat dan sesuai dengan specification sheet yang ada adalah sebagai berikut : lbm
ṁ water
= 13448
Q steam
= 10518649.06
Tubecount
= 95
OD tube
= 1 inch
ID shell
= 17,25 inch
U actual
= 155.39 ft2 hr ℉
U required
= 150.03
EMTD
= 127.2 °F
Rd
= 0.001976
Baffle cut
= 25 %
central spacing
= 3.45 inch
Life time
= 31 bulan
Over design
= 3.57 %
hr Btu hr
Btu
Btu ft2 hr ℉
hr ft2 °F Btu
2. Perubahan fase steam dari vapor menjadi liquid terjadi karena semakin besar nilai coef heat transfernya. Variasi tube count akan mempengaruhi nilai Overdesign, UD, UC, h Shell, h Tube, dan pressure drop.
18
5.2 Saran Untuk pengembangan lebih lanjut maka penulis memberikan saran yang sangat bermafaat dan dapat membantu penulisan untuk masa yang akan datang, yaitu:. a. Untuk menggunakan metode lain seperti metode NTU karena metode NTU dapat mendapatkan data dan desain yang lebih detail dan lebih akurat dari pada metode LMTD. b. Untuk mengoptimalkan designnya gunakan tubecount yang sesuai dan gunakan satuan yang sama agar menghindari eror berkelanjutan. Nilai pressure drop yang terlalu tinggi akan menyebabkan aliran fluida akan melambat yang akan berakibat fouling factor atau faktor pengotoran menjadi cepat rusak, dengan menjaga memvariasikan diameter pipa tube maupun jara baffle diharapkan mampu mengurangi nilai pressure drop sehingga aliran tetap pada kecepatan yang standar. c. Perlunya penambahan peningkatan computer seperti RAM dan processor agar meminimalisir terjadinya not responding dalam aplikasi. d. Perlunya memahami buku perpipaan thermal yang teliti untuk menentukan data. e. Pada kalkulasi sebaiknya menggunakan satuan british. Karena tabel maupun grafik kebanyakan menggunakan satuan british.
19
Daftar Pustaka Kern, Donald Q. 1983. Process Heat Transfer. New York Rajawali,
Putra.
“Makalah
Heat
Exchanger.
10
Agustus
2015.
http://dokumen.tips/documents/makalah-heat-exchangerdocx.html Paduana, Bima. “Tugas Perpindahan Panas Makalah Heat Exchanger Alat Penukar Panas’’. 20 Januari 2015. https://www.academia.edu/ Yusuf
Firdaus,
Muhammad.
“Steam”.
22
Januari
2012.
https://muhammadyusuffirdaus.wordpress.com Santoso, Digdiyo. “Pressure Drop”. 5 maret 2014. https://www.academia.edu
20
Lampiran 1 Properties Data Desain, Kalkulasi Manual, Kalkulasi Software dan Desain Heat Exchanger. DATA DESAIN Service of Unit Type
: 3rd dist. Condensor -1 : BEM Horz connected in
PERFORMANCE OF ONE UNIT Shell side
Steam Fluid Quantity
= 6100 kg/hr
x in
=1
x out
=0
T in
= 140 C
T out
= 60 C
P in
= 36,13 kgf/cm2A
P out
= 36,13 kgf/cm2A
Tube side
Water Fluid Quantity
= 74261 kg/hr
x in
=0
x out
=0
T in
= 30 C
T out
= 36 C
P in
= 1.5 kgf/cm2A
P out
= 1.5 kgf/cm2A
21
CONSTRUCTION OF ONE SHELL Shell side
Design / Test Pressure
= full vacuum
Design Temperature
= 170 C
No Passes per Shell
=1
Corrosion Allowance
= 0 mm
Connections Nominal Size dan Rating In
= 100(150#)
Out
= 80(150#)
Tube side
Design / Test Pressure
= 2 kgf / cm2G
Design Temperature
= 110 C
No Passes per Shell
=2
Corrosion Allowance
= 0 mm
Connections Nominal Size dan Rating In
= 80(150#)
Out
= 80(150#)
Length
= 3400 mm
Tube type
= Plain
Material
= SS-304
Shell Cover
= SS-304
Baffles cross type
= Single Seg
Kalkulasi Manual Heat Ballance
Shell Side ṁ steam
= 6100 kg/hr = 13448 lbm/hr
cp steam
= 1,088 Btu/lbm-F
22
T in steam
=140 C = 284 F
T out steam
= 60 C = 140 F
ΔT steam
= (284 – 140 ) F = 144 F
hg steam
= 1193 Btu/lbm
hf steam
= 540,5 Btu/lbm
Δh steam
= (1193 – 540,5 ) Btu/lbm = 652,5 Btu/lbm
Q1
= ṁ steam x (Δh steam) = 13448 lbm/hr x (625,5 Btu/lbm) = 8411724 Btu/hr
Q2
= ṁ steam x (cp steam)x (ΔT steam) = 13448 lbm/hr x 1,088 Btu/lbm-F x (144 F) = 2106925,056 Btu/hr
Q steam
= Q1 + Q2 = 10518649,06 Btu/hr
b. Tube Side (water) cp water
= 0.9991 Btu/lbm-F
T in water
=30 C = 86 F
T out water
=36 C = 96,8 F
ΔT water
= (96,8 - 86) F = 10,8 F
Q steam
= Q water
ṁ water
=
Q steam cp water x ΔT water
= 10518649,06 / ( 0,9991 Btu/lbm-F x 10,8 F ) = 974826,33 lbm/hr
23
4.2.2 LMTD
STEAM
WATER
284
Higher
96,8
187,2
140
Lower
86
54
144
Different
10,8
133,2
LMTD
=
ΔT1–ΔT2 Ln (
ΔT1 ) ΔT2
= 133,2 / Ln ( 187,2 / 54 ) = 169,6 F R
=
T1– T2 t1−t2
= 144 / 10,8 = 13,33 t1– t2
S
= T1−T2 = 10,8 / 144 = 0,75 [Fig.22 D.Q KERN] Ft
= 0. 75 ΔT
= FT x LMTD = 0.75 x 169,6 F = 127,2 F
Menghitung Nt dan OD tube Ud
= 210
A
=
A
=
Qsteam total 𝐿𝑀𝑇𝐷 𝑏𝑎𝑟𝑢 1.088x107 Btu/hr 127.2 F
24
= 346.2 ft2
A
Mencari nilai N dan ID shell Phi
= 22/7
L tube
= 3400 mm = 11.15 ft
ID pitch = 1.25 inch = 0.1042 ft A
N
= (𝑝ℎ𝑖 𝑥 𝐼𝐷 𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ 𝑥 𝐿 𝑡𝑢𝑏𝑒)
=
346.2 ft2 22 7
( 𝑥 0.142 𝑓𝑡 𝑥 11.15 𝑓𝑡)
= 94.88 Dari table 9 2-phase untuk N = 94,88 dan OD tube 1 inch , maka besar ID Shell adalah 17,25 inch dan pada table 9 untuk diameter shell 17,25 inch 2 phases, nilai maksimal N adalah 112, untuk perhitungan menggunakan N = 95 Menghitung Dirt factor Shell side
Tube side
ID
= 17,25 inch
number
= 95
Baffle Space
= 3,45 inch
Length
= 11,15 ft
Phases
=1
Phases
=2
OD
= 1 inch
BWG
=8
Pitch
=1.25 inch square
Hot Fluid : Shell side, Steam [Eq. 7.1 D.Q KERN] C’= PT - OD = 0.9375” – 0.75” = 0.1875” 1
1
B = 5 ID = 5 13.25” = 2.65”
25
C’ B
𝑎𝑠 = ID x 144 𝑃
𝑇
= 13.25”
0.1875" 𝑥 2.65" 144 𝑥 0.9375"
= 0.04877 ft2 [Eq. 7.D.Q KERN] GS = =
𝑚 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 𝐴𝑠
13448 𝑙𝑏/ℎ𝑟 0.04877 ft2
= 275743,23 lb/hr-ft2 [Fig.15 D.Q KERN]
µ (155,3 ˚F) µ
lb
= 2.42 x 0.011 ft−hr lb
= 0.02662 ft−hr [Fig. 28 D.Q KERN]
Ds
=
𝑃𝑖𝑡𝑐ℎ2 –(𝜋 𝑥
𝑂𝐷 𝑡𝑢𝑏𝑒2 ) 4
𝜋 𝑥 𝑂𝐷 𝑡𝑢𝑏𝑒 1.25 in2 –(π x
=
π x 1in
1 in2 ) 4
12
= 0.08239 ft [Eq.7.3 D.Q KERN]
Res
= Ds x
Gs µ
Res
= 0,08239 ft x
Res
= 853436,6912
H0 steam
= 1500 ℎ𝑟.𝑓𝑡 2 .℉
lb hr ft2 lb 0.02662 ft−hr
275743,23
𝐵𝑡𝑢
Cold Fluid : Tube side, Water [Eq.7.48 D.Q KERN] A tube
= 0.355 [in2] 26
Atube
N x a′t
=144 x n 95x 0.355
=
144 x 2
= 0.117 ft2
Gtube
ṁ water
=
A tube
=
974826,33 0.177 ft2
lb hr
= 5507493,39
lb hr ft2
[Fig.14 D.Q KERN]
µ(89.6˚F) µtube
lb
= 2.42 x 0.75ft−hr lb
= 1.815 ft−hr [Table 10 D.Q.KERN]
Dtube
=
0.670 in 12
= 0.0558 ft [Eq. 3.6 D.Q KERN]
Re tube
= Dtube x
Gt µ tube lb hr ft2 lb ft−hr
5507493,39
Re tube
= 0.0558 x
Re tube
= 169321,2844
V water
= 3600 𝑥 𝜌 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟
1,815
𝐺𝑡
=
5507493,39 3600 𝑥 1000
= 37
ft s
[Fig.25 D.Q KERN]
hi water
= 2100
27
[Eq. 6.5 D.Q KERN]
hio water
ID tube
= hi water x OD tube = 2100 x
0.670 inch 1 inch 𝐵𝑡𝑢
= 1407 ℎ𝑟.𝑓𝑡 2 .℉
hio water x ho steam
Uc
= hio water+ho steam =
1407 x 1500 1407 +1500
= 726
𝐵𝑡𝑢 ℎ𝑟.𝑓𝑡 2 .℉
[Table 10 D.Q.KERN]
External surface
= 0.2618 ft
A tube
= Nt x L x external_surface = 95 x 11,15 ft x 0.2618 ft = 277,312 ft 2 Q steam
Ud
= A tube x ΔT 10518649,06
= 277,312 x 127,2 = 298,198
𝐵𝑡𝑢 ℎ𝑟.𝑓𝑡 2 .℉
Dirt factor Uc−Ud
Rd
= Uc x Ud =
726 − 298,198 726 x 298,198 ℎ𝑟.𝑓𝑡 2 .℉
= 0,001976
Btu
Life time
Life time
= =
Uc−Ud Rd
726−298,198 0.001976
= 21649,89879 jam = 30,6 bulan = 31 bulan
28
Menghitung Pressure Drop Shell Side (steam) For Re = 503541 [Fig. 29 D.Q.KERN] f
Ft2
= 0,001Inch2
[Tabel 6 D.Q.KERN] s
=1
ID shell =
17,25 in 12
= 1,43 ft
No. Of crosses [Eq. 7.43 D.Q.KERN] B
=2,65 inch
L
= 11,15 inch
N+1
L
= 12 xB = 50.4 = 51
[Eq. 7.44 D.Q.KERN] Gs
= 162700
Ds
= 0.05583 ft
ΔPShell =
ΔPShell =
f x Gs2 x IDshell x (N+1) 5,22 x 1010 x Ds x S
0,001
2 Ft2 lb x (162700 ) x 1,43 ft x (51+1) Inch2 hr ft2 5,22 x 1010 x 0.05583 ft x 1
ΔPShell = 0.6754 psi
29
Tube Side (Water) Re water
= 274377
[Fig. 26 D.Q.KERN] Ft2
f tube
= 0,00013Inch2
Gt
= 8,325 x 106
Passes
=2
D tube
= 0.08239
[Tabel 6 D.Q.KERN]
s
=1
[Eq. 7.45 D.Q.KERN] ΔPt
f tube x Gt2 x
L Passes
= 5,22 x 1010x D tube x S =
0.00013 x (8,325 x 10^6 )2 x 5,22 x 1010 x 0.08239 x 1
11,15 2
= 11,679 psi
V water
= 37
G
= 10
ΔP r
= =
ft s
4 x passes s tube 4x 2 1
x
x
V water2 2xg
37^2 2 x 10
= 574,6 psi
ΔPtube
= ΔPt + ΔPr = 11,679
psi + 574,6 psi
= 559,2799
30
Kalkulasi Software Output Summary
Xist E Ver. 5.00
Page 1
Released to the following HTRI Member Company: Microsoft Microsoft 30/12/2015 8:31 SN: Friendsl
US Units
Simulation - Horizontal Multipass Flow TEMA BEM Shell With Single-Segmental Baffles No Data Check Messages. See Runtime Message Report for Warning Messages. Process Conditions Fluid name Flow rate Inlet/Outlet Y Inlet/Outlet T Inlet P/Avg dP/Allow. Fouling
Hot Shellside
Cold Tubeside
steam (1000-lb/hr) (Wt. frac vap.) (Deg F) (psia) (psi) (ft2-hr-F/Btu)
water 1,000 469,31 * 513,890 1,036
13,4481 0,000 140,00 513,372 0,000 0,00050
0,000 86,00 21,335 3,983
163,716 0,000 96,80 19,343 0,000 0,00200
(Btu/ft2-hr-F) (Btu/ft2-hr-F) (MM Btu/hr) (ft2) (%)
155,39 150,03 8,2350 270,282 3,57
Exchanger Performance Shell h Tube h Hot regime Cold regime EMTD
(Btu/ft2-hr-F) (Btu/ft2-hr-F) (--) (--) (Deg F)
703,48 1535,91 Sens Liq Sens. Liquid 203,1
Actual U Required U Duty Area Overdesign
Shell Geometry TEMA type Shell ID Series Parallel Orientation
(--) (inch) (--) (--) (deg)
Baffle Geometry BEM 17,2500 1 1 0,00
Baffle type Baffle cut Baffle orientation Central spacing Crosspasses
Tube Geometry Tube type Tube OD Length Pitch ratio Layout Tubecount Tube Pass
(--) (inch) (ft) (--) (deg) (--) (--)
Thermal Resistance; % Shell Tube Fouling Metal
44,14 30,21 108,33 17,320
(--) (Pct Dia.) (--) (inch) (--)
Single-Seg. 25,00 Parallel 3,4500 31
Nozzles Plain 1,0000 11,155 1,2500 90 95
Shell inlet Shell outlet Inlet height Outlet height Tube inlet Tube outlet
(inch) (inch) (inch) (inch) (inch) (inch)
3,0680 3,0680 1,3750 0,2500 5,0470 5,0470
2 Velocities; ft/sec Shellside Tubeside Crossflow Window
Flow Fractions 0,44 6,31 0,82 0,30
A B C E F
0.187 0.412 0.079 0.269 0.052
31
Final Results
Page 4
Released to the following HTRI Member Company: Microsoft Microsoft Xist E Ver. 5.00 30/12/2015 8:31 SN: Friendsl
US Units
Simulation - Horizontal Multipass Flow TEMA BEM Shell With Single-Segmental Baffles Process Data Fluid name Fluid condition Total flow rate Weight fraction vapor, In/Out Temperature, In/Out Temperature, Average/Skin Wall temperature, Min/Max Pressure, In/Average Pressure drop, Total/Allowed Velocity, Mid/Max allow Mole fraction inert Average film coef. Heat transfer safety factor Fouling resistance
Hot Shellside steam (1000-lb/hr) (--) (Deg F) (Deg F) (Deg F) (psia) (psi) (ft/sec) (--) (Btu/ft2-hr-F) (--) (ft2-hr-F/Btu)
1,000 469,31 304,7 118,13 513,890 1,036 0,44
Cold Tubeside water
Cond. Vapor 13,4481 0,000 * 140,00 295,87 412,75 513,372
0,000 86,00 91,4 114,23 21,335 3,983 6,31
Sens. Liquid 163,716 0,000 96,80 130,63 372,90 19,343
0,000 703,48 1,000 0,00050
1535,91 1,000 0,00200
Overall Performance Data Overall coef., Reqd/Clean/Actual Heat duty, Calculated/Specified Effective overall temperature difference EMTD = (MTD) * (DELTA) * (F/G/H)
(Btu/ft2-hr-F) (MM Btu/hr) (Deg F) (Deg F)
150,03 / 8,2350 / 203,1 262,64 *
338,93
0,7732
/
155,39
* 1,0000
See Runtime Messages Report for warnings.
17,2500 inch 11,155 ft
Exchanger Fluid Volumes Approximate shellside (ft3) 11,597 Approximate tubeside (ft3) 8,208 Shell Construction Information TEMA shell type BEM Shells Series 1 Parallel 1 Passes Shell 1 Tube 2 Shell orientation angle (deg) 0,00 Impingement present Circular plate Pairs seal strips 0 Shell expansion joint No Weight estimation Wet/Dry/Bundle 5035,9
Shell ID Total area Eff. area
(inch) (ft2) (ft2/shell)
17,2500 277,433 270,282
Impingement diameter/nozzle 1,1 Passlane seal rods (inch) 1,0000 No. 4 Rear head support plate No / 3800,3 / 1951,7 (lb/shell)
Baffle Information Type Parallel Single-Seg. Crosspasses/shellpass 31 Central spacing (inch) 3,4500 Inlet spacing (inch) 15,1794 Outlet spacing (inch) 15,1794 Baffle thickness (inch) 0,1875
Baffle cut (% dia) 25,00 No. (Pct Area) (inch) to C.L 1 20,65 4,3125 2 0,00 0,0000
Tube Information Tube type Overall length Effective length Total tubesheet Area ratio Tube metal
Plain (ft) 11,155 (ft) 10,867 (inch) 3,4500 (out/in) 1,4925 Carbon steel
Tubecount per shell Pct tubes removed (both) Outside diameter (inch) Wall thickness (inch) Pitch (inch) 1,2500 Ratio Tube pattern (deg)
95 4,21 1,0000 0,1650 1,2500 90
32
Desain Heat Exchanger
Gambar Exchanger Drawing
Gambar Setting Plan
33
Gambar Tube Layout
Gambar 3D Exchanger
34
35
