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
