BAB lll METODE PENELITIAN
3.1 Tujuan Proses ini bertujuan untuk menentukan hasil design oil cooler pada mesin diesel penggerak kapal laut untuk jenis Heat Exchager Sheel and Tube. Design ini bertujuan untuk mendapatkan hasil panjang dan jumlah tube yang paling optimal, tapi sebelum mendapatkan jumlah dan panjang tube yang paling ekonomis ada beberapa langkahlangkah yang harus dilakukan antara lain : 1. Mengetahui spesifikasi design : a) Kondisi thermal fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell b) Sifat-sifat fisik dari fluida kerja
22
23
2. Memberi batasan design : 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 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
24
3.2 Mengetahui spesifikasi design dan batasan design Sebelum mendapatkan jumlah dan panjang tube maka hal yang perlu dilakukan adalah mengetahui spesifikasi design oil cooler untuk mesin diesel penggerak kapal laut untuk jenis Heat Exchanger Sheel and Tube.
Hot Enggine oil 65 oC, mh=20 kg/s
Water 32 oC
Water 20 oC
Oil 56 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) Massa Jenis, ρ Viskositas Dinamik, μ
Fluida Oli (Oil Cooler)
993 kg/s 725 10 -6 Ns/m2
Massa Jenis, ρ
853 kg/s
Viskositas Dinamik, μ
3,25 10 -2 Ns/m2
Konduktifitas Thermal, k
0,625 W/mK
Konduktifitas Thermal, k
0,138 W/mK
Panas jenis, Cp
4178 J/kg-K
Panas jenis, Cp
2131 J/kg-K
Bilangan Prant, Pr
4,85
Bilangan Prant, Pr
546
25
Tabel 3.2 Batasan Design Oil Cooler pada Mesin Diesel penggerak Kapal Laut Batasan Design Kecepatan aliran di dalam tube
0,8 - 1,2 m/s (¾” do : 0,0254 m – di : 0,0229m)
Ukuran Tube
(1” do : 0,019 m – di : 0,016 m)
Tube Lay-out
300 dan 45 0
Jarak antar Tube
1,25 - 1,4
Jarak antar Baffles
0,4 – 0,5 dari diameter shell
Susunan tube,
300 CL = 0,87 dan 45 0 CL = 1
Tube membentuk 1 lintasan
CTP = 0,93
3.3 Menghitung balance energi Dalam memperkirakan jumlah tube, yang pertama dilakukan adalah mencari Qh yaitu energi panas yang dilepas oleh oli, dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 45) ℎ=
(
−
)…………………………………………………………………3.1
Dimana : Qh = Energy panas yang dilepas oleh oli (j/s) mh = Laju aliran oli (kg/s) C ph = Panas jenis pada oli (j/kg-k)
26
T hi = Temperature masuk pada oli (oC) T ho = Temperatur keluar pada oli (oC) Keterangan : Energy panas yang dilepas oleh oli sama dengan energy panas yang diterima oleh air Qh=Qc Setelah nilai Qh dapat diketahui yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung laju aliran air (mc). 3.4 Menghitung laju aliran air di dalam tube Berikutnya adalah menghitung laju aliran air didalam tube dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 50) =
(
…………………………………………………………………………3.2
)
Dimana : mc = laju aliran air (kg/s) Qc = energy panas yang diterima oleh air (j/s) C pc = panas jenis air (j/kg-k) T co = temperature keluar air (oC) T ci = temperature masuk air (oC)
27
Setelah laju aliran massa di dalam tube diketahui, maka yang selanjutnya dilakukan adalah mengetahui luas penampang tube. 3.5 Menghitung luas penampang satu tube dengan persamaan sebagai berikut: Langkah yang selanjutnya dilakukan setelah menghitung Qh dan mc adalah menghitung luas penampang satu tube dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 55)
=
( ) ……………………………….………………………………………….3.3
Setelah A1t, mc, dan Qh diketahui maka yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung junlah tube (Nt) 3.6 Menghitung jumlah tube (Nt) Dengan didapatnya nilai dari energi yang dilepas oleh oli (Qh), laju aliran air (mc), luas penampang satu tube (A1t) serta massa jenis air ( ) sudah diketahui dari sifat-sifat fisik fluida kerja, maka jumlah tube bisa dihitung dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 49)
=
Dimana :
…………………………………………………………………………..3.4
28
Nt = jumlah tube mc = laju aliran air (kg/s) = massa jenis (kg/s) Um = kecepatan aliran (m/s)
3.7 Menghitung bilangan Reynolds didalam tube Untuk mencari koefisien konveksi didalam tube (hi) maka yang pertama kali dihitung adalah menghitung bilangan Reynolds didalam tube (Re) dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 324)
=
………………………………………………………………………………..3.5
Dimana : Re = bilangan Reynolds di dalam tube = massa jenis air (kg/s) Um = kecepatan aliran air di dalam tube (m/s) di = diameter dalam tube (m)
29
Setelah bilangan Renolds didalam tube dihitung maka yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung koefisien gesekan didalam tube. 3.8 Menghitung koefisien gesekan Dalam langkah menghitung koefisien gesekan di dalam tube digunakan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 107) f=[1,58 ln Re-3,28]-2………………………………………………………………………3.6 Dimana Re adalah bilangan Reynolds di dalam tube Setelah menghitung koefisien gesekan dan bilangan Renolds di dalam tube maka yang salanjutnya dilakukan adalah menghitung bilangan Nusselt didalam tube. 3.9 Menghitung bilangan Nusselt didalam tube Untuk menetukan nilai dari bilangan nusselt, dapat dicari dengan menggunakan persamaan seperti dibawah ini : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 85) =
( / )( , ( / ) , (
) /
…………………………………………………………..3.7
)
Dimana : = koevisien gesekan di dalam tube Re = bilangan Reynolds didalam tube Pr = bilangan prandt
30
Setelah bilangan Nusselt diketahui maka koefisien konveksi di dalam tube pun bisa dihitung. 3.10 Menghitung koefisien konveksi di dalam tube Setelah mendapatkan nilai dari bilangan Reynolds, koefisien gesekan didalam tube (f) dan menghitung bilangan nusselt (Nui). Kemudian kita bisa mengetahui nilai dari koefisien konveksi di dalam tube (hi) dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 248) ℎ =
…………………………………………………………………………………3.8
Dimana : h i : koefisien konveksi didalam tube (W/m2K) Nui = bilangan Nusselt didalam tube di = diameter dalam tube (m) kc = konduktivitas thermal air (W/mK)
31
3.11 Menghitung Diameter shell di sisi shell Tahap pertama yang dilakukan sebelum menghitung koefisien konveksi di sisi shell adalah menghitung diameter shell dengan persamaan sebagai berikut: (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 322)
=
,
…………………………………………………………………............3.9
Dimana : D2s = diameter shell (m) Nt = jumlah tube CL = susunan tube CTP = bentuk lintasan tube PR = pitch ratio d o = diameter luar tube (m) setelah diameter shell (D2S) dapat diketahui maka yang selanjutnya dilakukan adalah menentukan jarak antara Baffel (B) dengan cara sebagai berikut : (jarak Baffle yang dipilih x diameter shell (Ds))
32
3.12 Menghitung luas penampang aliran di sisi shell Langkah berikutnya adalah menghitung luas penampang aliran disisi shell, namun sebelumnya perlu dicari terlebih dahulu NTC dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 109) =
………………………………………………………………………………3.10
Mencari nilai PT dengan cara PT = PR x d o Dimana : Ds : Diameter Shell (m) PT : Pitch Tube
=(
−
) …………………………………………………………………...3.11
Dimana : As = luas penampang sisi shell (m2) Ds = diameter shell (m) NTC = jumlah tube coreksi d o = diameter luar tube (m) B = baffle (m)
33
3.13 Menghitung bilangan Reynolds di sisi shell Tahap berikutnya adalah menghitung bilangan Reynolds di sisi shell dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 323) =
………………………………………………………………………………3.12
R e = bilangan Reynolds di sisi shel 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 yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung koefisien konveksi di sisi shell.
3.14 Menghitung bilangan Nusselt di sisi shell (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 88) = 0,20
,
,
………………………………………………………………….3.13
Dimana : Nuo = Bilangan nusselt di sisi shell
34
Re = Bilangan Reynolds di sisi shell Pr = Bilangan Prandt 3.15 Menghitung koefisien konveksi di sisi shell, ho Selanjutnya adalah menghitung koefisien konveksi disisi shell dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 230) ℎ =
.
……………………………………………………………………………..3.14
Diketahui : h o = koefisien konveksi di sisi shell (W/m2K) do = diameter luar tube (m) k = konduktifitas thermal (W/m-k) Nuo = bilangan Nusselt shell 3.16 Menghitung koefisien Uc (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 201) =
+
+
(
/ )
……………………………………………………………3.15
dimana : hi = koefisien konveksi di dalam tube (W/m2K) ho = koefisien konveksi di dalam shell (W/m2K)
35
do = diameter luar tube (m) di = diameter dalam tube (m) k = konduktivitas thermal (W/m2K)
3.17 Menghitung over design : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 178) =
…………………………………………………………………………………3.16
Dimana : OS = over design Uc = koefisien perpindahan panas yang bersih Uf = koefisien perpindahan panas yang kotor Setelah menghitung over design hal yang selanjutnya dilakukan adalah menghitung koefisien perpindahan panas. 3.18 Menghitung koefisien perpindahan panas, U=Uf (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 184) =
…………………………………………………………………………………3.17
36
Dimana : Uc = koefesien bersih Uf = koefisien kotor OS = over design 3.19 Menghitung beda temperature Sebelum mencari panjang tube maka yang perlu dilakukan adalah menghitung beda temperatur rata-rata shell and tube. Dalam menghitung beda temperatur rata-rata shell and tube perlu diketahui terlebih dahulu temperatur rata-rata counter flow dengan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 45) ∆
=
,
∆
∆
………………………………………………………………………3.18
∆ ∆
Dimana : ∆
,
= beda temperature rata-rata counter flow
∆ 1 = temperatur oli keluar – temperatur air masuk ∆ 2 = temperatur oli masuk – temperatur air keluar Setelah beda temperature rata-rata counter flow diketahui maka temperature rata-rata shell and tube pun bisa dicari dengan persamaan sebagai berikut : ∆
,
=
∆
,
…………………………………………………………………….3.19
37
Dimana : ∆
,
= temperature rata-rata shell and tube
∆
,
= beda temperature rata-rata counter flow
Fc = Factor coreksi
3.20 Menghitung luas penampang total Setelah beda temperature rata-rata shell and tube diketahui maka tahap selanjutnya yang dilakukan adalah mencari luas penampang total degan persamaan sebagai berikut : (sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 49) =
∆
,
…………………………………………………………………………3.20
Dimana : Atot = luas penampang total (m2) Q = energy panas (j/s) U = koefisien perpindahan panas ∆
,
= temperature rata-rata shell and tube
3.21 Menghitung panjang tube Tahap terakhir adalah menghitung panjang tube dengan persamaan sebagai berikut :
38
(sumber : kakac sadik, Liu Hongtan, Hal 57) =
……………………………………………………………………………….3.21
Dimana : L = panjang tube (m) Atot = luas penampang total (m2) = pi do = diameter luar tube (m) Nt = jumlah tube
