Desain Rancang Heat Exchanger Stage III pada Pressure Reduction System pada Daughter Station CNG Granary Global Energy dengan Tekanan Kerja 20 ke 5 Bar Taufik Ramuli (1106139866) Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16425 Indonesia E-mail :
[email protected]
Abstrak Heat exchanger merupakan alat yang berfungsi memindahkan kalor antara dua fluida yang mempunyai perbedaan temperatur dan menjaga agar kedua fluida tersebut tidak bercampur (Cengel, 2003:569). Pada perkembangan saat ini telah dikembangkan berbagai jenis heat exchanger. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl. Pengaruh debit dan temperatur pada CNG dan air sangat berpengaruh kepada jumlah pipa yang digunakan karena hal itu secara langsung mengubah laju perpindahan kalor. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh debit dan temperatur CNG dan air terhadap jumlah pipa dan vibrasi yang terjadi pada alat penukar kalor. Dalam penelitian ini digunakan 4 (empat) macam variasi debit CNG, yaitu 500m3/hr, 630 m3/hr, 1000 m3/hr, dan 1200 m3/hr. dan laju aliran air panas di bagian pipa luar konstan 18 m3/hr. Data hasil pengujian dari masing-masing variasi dibandingkan data tanpa turbulator, secara keseluruhan mengalami peningkatan jumlah pipa yang digunakan. Dengan peningkatan debit yang maksimum 1200m/hr didapat jumlah pipa maksimum yaitu 4 pipa menggunakan 9 pass.
Desain of Heat Exchager for Pressure Reduction System Stage III on CNG Daughter Station GRANARY GLOBAL ENERGY From 20 to 5 Bar Work Pressure
1 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Abstract Heat exchanger is a tool that serves to transfer heat between two fluids have different temperatures and keep the two fluids do not mix ( Cengel , 2003:569 ) . At the current developments have developed various types of heat exchangers . Heat transfer by convection is strongly influenced by the geometry of the heat exchanger and three dimensionless number , the Reynolds number , Nusselt number and Prandtl numbers . Effect of discharge and water temperature on CNG and are very influential to the number of pipes used because it directly alters the rate of heat transfer . the purpose of the to be achieved in this study was to determine the effect of discharge and water temperature and the amount of CNG pipe and vibration that occurs in a heat exchanger . This study used four (4 ) discharge variations CNG , which is 500m3/hr , 630 m3/hr , 1000 m3/hr , and 1200 m3/hr . and the hot water flow rate constant at the outer pipe 22 m3/hr . Data the test results of each variation compared to the data without turbulator , overall has increased the amount of pipe used . With the increase in discharge 1200m3/hr maximum obtained the maximum number of pipe that is 4 pipes using 9 pass. Key words: CNG, Heat Exchanger, Design PRS,Mother Station, Methane
Pendahuluan Energi merupakan hal yang sangat penting untuk pengembangan industri dan itu merupakan isu yang penting akhir-akhir ini yaitu mengenai penghematan energi, tidak hanya di Indonesia, tetapi juga di seluruh dunia. Pemanfaatan energi secara ekonomis adalah cara yang efektif untuk mengurangi permasalahan energi. Salah satunya adalah alat heat exchanger yang sering digunakan di dalam dunia industri perlu inovasi untuk meningkatkan efisiensinya. Heat exchanger adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan energi kalor. Proses perpindahan panas yang terjadi adalah pada dua atau lebih jenis fluida dengan temperatur yang berbeda. Pada perkembangan yang ada dibutuhkan perpindahan panas secara tepat dan efisien dengan pengaturan temperatur (T) dan debit (Q) yang diinginkan. Salah satu cara yang ditempuh untuk meningkatkan laju aliran perpindahan kalor adalah dengan mengunakan turbulator. Dalam aplikasi heat exchanger di lapangan banyak permasalahan yang masih ditimbulkan, misalnya laju
2 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
perpindahan kalor yang ditransfer oleh heat exchanger kurang baik. Untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan membuat aliran turbulen dalam pipa sehingga pada heat exchanger mampu mentransfer kalor dengan baik. Efek dari adanya turbulator pada heat exchanger itu sendiri adalah mempengaruhi perbedaan kecepatan antar lapisan fluida sehingga menimbulkan vortex dalam aliran, dengan timbulnya vortex yang ada akan mempengaruhi nilai dari bilangan Reynold (Re) dan diikuti dengan peningkatan angka Nusselt (Nu) sehingga akan meningkatkan koefisien perpindahan panas konveksi pada aliran fluida.
Tinjauan Pustaka Energi kalor Energi kalor merupakan energi yang menunjukkan tingkatan kecepatan gerak acak dari suatu molekul atau suatu atom. Dalam hal ini, kalor berpindah dari permukaan suatu sistem yang bersuhu tinggi ke sistem yang temperaturnya lebih rendah sehingga tingkat energi kalor suatu benda diindikasikan dengan temperatur benda tersebut. Untuk laju dari energi kalor sendiri dapat dinyatakan sebagai berikut: Dimana :
Q
=
Laju energi kalor (W)
m
=
Laju aliran massa fluida (kg/s) ·
CP
=
Kalor spesifik pada tekanan konstan (J/kg.K)
ΔT
=
Beda temperatur saluran masuk dan keluar (K)
Aliran Laminer dan Turbulen Aliran laminar adalah aliran yang bergerak dalam lapisan-lapisan dengan gerakan yang teratur. Aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-lapisan membentuk garis-garis alir yang tidak berpotongan satu sama lain. Hal tersebut ditunjukkan oleh percobaan Osborne Reynold. Pada laju aliran rendah, aliran laminer tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran.
3 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Aliran ini mempunyai bilangan Reynold lebih kecil dari 2300 (Cengel, 2002 :422). Aliran turbulen adalah aliran dimana partikel-partikel fluida bergerak secara acak dengan kecepatan yang berubah-ubah. Pada aliran ini lapisan-lapisan fluida tidak terlihat lagi sehingga aliran
fluida
dibayangkan
sebagai
bongkahan-bongkahan
fluida.
Pergerakan
dari
bongkahan-bongkahan fluida tersebut terjadi secara acak, sehingga proses perpindahan momentum dan massa terjadi secara makroskopis. Untuk aliran turbulen, nilai bilangan Reynold adalah : Re > 4000 (Cengel, 2002: 422). Sebelum terjadi aliran turbulen, aliran akan mengalami proses transisi dari aliran laminer ke aliran turbulen. Angka Reynold Bilangan Reynold merupakan bilangan tak berdimensi yang
bertujuan untuk menunjukkan
perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viskos dari suatu fluida. Secara matematis besarnya angka Reynold dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dimana : Re
=
Reynold Number
V
=
Kecepatan aliran ( m/s )
L
=
υ
=
Karakteristik panjang atau geometri (m) Kinematic Viscosity ( m²/s )
Angka Prandlt (Pr) Angka prandtl merupakan parameter yang menghubungkan ketebalan relatif antara lapisan batas hidrodinamika dengan lapisan batas thermal.
Dimana :
4 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Pr
=
Prandtl Number
α
=
Difusivitas thermal ( m/s² )
Cp
=
Panas jenis pada tekanan konstan ( J/kg .K )
v
=
Kinematic Viscosity ( m²/s )
µ
=
Absolute Viscosity ( Kg/m.s )
k
=
Thermal Conductivity (W/m. K)
Angka Nusselt (Nu) Angka Nusselt merupakan angka yang didapat dari pengukuran eksperimental, yang terdiri dari angka Reynold, Prandtl dan konstanta yang harganya tergantung pada geometri saluran dan sifat aliran. Dimana :
Nu
=
Nusselt Number
k
=
Thermal Conductivity (W/m. K )
h
=
Koefisien perpindahan kalor konveksi ( W/m² ºC )
δ
=
Geometri profil penampang fluida ( m )
Dimana Untuk aliran dalam pipa adalah sebagai berikut : Nu
=
Nusselt Number
L
=
Panjang pipa ( m)
υb
=
Viskositas dinamik temperatur bulk ( Kg.m/s )
υs
=
Viskositas dinamik temperatur permukaan( Kg.m/s )
5 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
n = 0,4 untuk pemanasan dan n = 0,3 untuk pendinginan. Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger) Alat penukar kalor adalah yang digunakan untuk memindahkan kalor dari satu fluida ke fluida yang lain. Aplikasi dari Heat Exchanger ini sangat luas antara lain untuk sistem pendinginan di industri, pembangkit tenaga listrik. Dalam penukar kalor yang paling sederhana, fluida panas dan fluida dingin bercampur langsung. Dalam kebanyakan penukar kalor yang kedua, fluida itu terpisah oleh suatu dinding.
Gambar 1: Jenis aliran pada heat exchanger (a) parallel flow dan (b) counter flow Sumber : Cengel, 2003: 668 Analisa Perpindahan Kalor Suhu fluida-fluida di dalam penukar kalor pada umumnya tidak konstan, tetapi berbeda dari satu titik ke titik lainnya pada waktu kalor berpindah dari fluida yang panas ke fluida yang lebih dingin. Maka dari itu untuk tahanan termal yang konstan, laju aliran kalor akan berbeda-beda sepanjang lintasan penukar kalor karena bergantung pada beda suhu antara fluida panas dan dingin pada penampang tertentu. Perbedaan temperatur pada alat penukar kalor tidak dapat ditentukan dengan mudah sehingga ada beberapa analisa yang dapat digunakan untuk mempermudah menentukan laju perpindahan kalor pada alat penukar kalor. Secara umum perpindahan kalor pada tipe double tube heat exchanger terdiri dari perpindahan kalor secara konduksi (menitik beratkan pada pipa) dan perpindahan kalor secara konveksi (antar fluida dengan pipa). Koeffisien Perpindahan Kalor Menyeluruh
6 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Suatu alat penukar kalor pada umumnya terdapat dua fluida yang memiliki beda temperatur yang dipindahkan oleh dinding sehingga akan terjadi tiga proses perpindahan kalor yaitu proses perpindahan kalor konveksi yang terjadi antara fluida dengan permukaan bagian dalam pipa dari pipa dalam (inner tube), perpindahan kalor konduksi yang terjadi dari permukaan dalam hingga permukaan luar dari pipa dalam (inner tube), serta proses perpindahan kalor konveksi antara fluida yang terdapat pada pipa luar (outer tube) dengan permukaan luar dari pipa dalam (inner tube). Dijelaskan lebih detail pada gambar 1.
Gambar 2 : Hambatan thermal pada concentric double tube heat exchanger Sumber : Çengel Heat Transfer A Practical Approach (2003:671)
Sehingga:
7 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Dimana : Q
=
Laju perpindahan kalor (W)
U
=
Koeffisien perpindahan kalor
h
=
Koeffisien perpindahan kalor konveksi ( W/m².ºC)
A
=
Luas permukaan panas pipa (m2)
k
=
Konduktivitas thermal bahan (W/m.ºC )
D
=
Diameter pipa( m )
L
=
Panjang pipa( m )
i/o
=
i (bagian pipa dalam), o (bagian pipa luar)
menyeluruh ( W/m².ºC)
LMTD (Log Mean Temperature Different) LMTD adalah beda temperatur rata-rata di sepanjang pipa. Pada kasus heat exchanger dengan arah aliran counter flow kita bayangkan bahwa perbedaan suhu antar fluida panas dan fluida dingin sangat besar pada sisi masuk dan berkurang suhunya pada sisi keluar. Suhu pada fluida panas akan berkurang dan suhu pada fluida dingin akan naik. Namun sepanjang apapun heat exchanger, suhu pada fluida dingin tidak akan pernah melebihi suhu fluida panas.
8 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Gambar 3: Persamaan ΔT1 dan ΔT2 pada counterflow heat exchanger Sumber : Cengel, Heat Transfer A Practical Approach, 2003: 682 Sehingga didapat dari penurunan dan integrasi rumus untuk analisa LMTD (Log Mean Temperature Difference) adalah:
Dimana : LMTD
=
Rata-rata temperatur logaritma
Th1-Th2
=
Temperatur fluida panas masuk dan keluar(ºC)
Tc1-Tc2
=
Temperatur fluida dingin dan keluar(ºC)
9 Desain Rancang..., Taufik Ramuli, FT UI, 2014
Metodologi Penelitian Skema Alat
Gambar 4Heat exchanger tipe shell and tube debit 1000m3/hr di daughter station Kondisi Pengujian Data pengujian yang dibutuhkan dalam analisa pembakaran yaitu: 1. Temperatur inlet Air 2. Temperatur outlet Air 3. Temperatur inlet CNG 4. Temperatur CNG 5. Debit aliran air 6. Debit aliran CNG Proses Pengujian 1. Aliran Air Panas: buka penuh semua aliran air panas sebesar debit pompa maksimal, amati kecepatan alir air pada flow meter. 2. Aliran CNG: buka penuh semua aliran sebanyak debit yang ditentukan. 3. Amati dan catat temperatur air keluar T1, T2, T3, T4, sesuai kontrol debit masukan air setelah suhu tersebut konstan.
1 0 Ramuli, FT UI, 2014 Desain Rancang..., Taufik
Amati dan catat temperatur gas keluar T1, T2, T3, T4, sesuai kontrol debit masukan CNG setelah suhu tersebut konstan. Hasil dan Pembahasan Perhitungan A. Aliran Air Dalam Shell Qair = 22 m3/hr Tavg = 40 °C Cp (kJ/kg.0C)
ρ (kg/m3)
4,181
988
Laju Massa Air (kg/s) = m =
µ
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
0,6192
3,69
0,0005467
( 22 × 988) (Q × ρ ) = = 6,03 kg/s 3600 3600
6,03 ) = 0,2457 m/s Kecepatan Alir (m/s) = ν = ( m ) = ( 988 × 0,0248 ρ × Ae Bilangan Prandtl = Pr =
Bilangan Reynold = Re =
(0.0005467 × 4181) ( µ × Cp) = =3,69 0.6192 k ( ρ ×ν × De)
µ
Karena Reynold number > 10000
=
(988 × 0,2457 × 0,146) = 64964,95 0,0005467
, maka alirannya ialah aliran TURBULEN.
Bilangan Nusselt = Nu = 0,027 × Re0,805 × Pr 0,33 = 0,027 × 64964,950,805 × 3,690,33 = 310,989 Entalphy (W/m2°C) = h0 =
( Nu × k ) De
=
(310,989 × 0,6192) = 1316,19 W/m2°C 0.146
Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Pada Shell (U)
1 1 Ramuli, FT UI, 2014 Desain Rancang..., Taufik
Koefisien Perpindahan Kalor = U =
1 h0
=
1 = 0,0007597 W/m2.0C 1316,19
B. Aliran Perpindahan Panas Pada Dinding Pipe r0(m)
A0(m2)
rI(m)
AI(m2)
k
L(m)
0,020066
0,000316
0,01224
0,0001176
54
13,5
Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Pada Dinding Pipe (U)
U =
U =
1 A0 ln (ro / r i ) 2π K L 1 = 3,009 × 10−8 0,000316 ln (0,020066 / 0,01224 ) 2 × π × 54 × 15,3 3,009 x 10-8
Koefisien Perpindahan Kalor = C. QCNG =
1200 m3/hr Tavg = -30 °C ΔT= 80°C
Cp (kJ/kg.0C)
ρ (kg/m3)
2,181
4,09
Laju Massa Air (kg/s) = m =
µ
(kg/m.s)
94x10-6
k (W/m.0C)
Pr
0,0271
0,075
(Q × ρ ) (1200 × 4,09) = = 1,36 kg/s 3600 3600
Kalor yang dilepas (W) = q = m xCpxΔT = 1,36 x 2181x80 = 237874,4 W
1,36 m ) = 708,25 m/s )= ( Kecepatan Alir (m/s) = ν = ( 4,09 × 0,0001176 ρ × Ai Bilangan Prandtl = Pr
(0,94 ×10 − 6 × 2181) ( µ × Cp) = = 0,075 0.0271 k
1 2 Ramuli, FT UI, 2014 Desain Rancang..., Taufik
Bilangan Reynold = Re =
( ρ ×ν × Di )
µ
Karena Reynold number > 10000
(4,09 × 708,25 × 0,01224) = 37728001,16 0,94 ×10−6
, maka alirannya ialah aliran TURBULEN.
BilanganNusselt=Nu= 0,023 × Re Entalphy (W/m2°C) = hi =
=
0 ,8
x Pr 0, 4 = 0,023 × 37728001,160,8 x0,0750, 4 =9431,58
( Nu × k ) Di
=
(9431,58 × 0,0271) = 20877,24 W/m2°C 0.01224
Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Dalam Pipe (U) Koefisien Perpindahan Kalor=U=
0,000316 1 A0 1 x = = x 0,0001176 20877,24 Ai hi
W/m2.0C Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U) Fouling Threated Boiled Water 0.0001 W/m2.0C Fouling Natural Gas 0.0001 W/m2.0C Utotal =
1 U shell + U wall + U inside + Rf
1 0,0007597 + 3,009 x 10-8 + 0,0001286 + 0,0002
=
=
Utotal = 918,72 W/m2.0C
LMTD =
LMTD =
(T1 − t1 ) − (T2 − t2 ) ⎛ (T1 − t1 ) ⎞ ⎟ ln⎜⎜ ⎟ ⎝ (T2 − t2 ) ⎠
(41,81 − 10) − (50 − −70) = 69,9 ⎛ (41,81 − 10) ⎞ ⎟⎟ ln⎜⎜ ( 50 70 ) − − ⎠ ⎝ 1 3 Ramuli, FT UI, 2014 Desain Rancang..., Taufik
0,0001286
Correction Factor
P=
T − T2 50 − 40 t 2 − t1 10 − −70 = = 0,125 = = 0,66 R = 1 t 2 − t1 10 − −70 T1 − t1 501 − −70
Ditarik Garis F dari grafik didapat F = 0,97
Luas Perpindahan Kalor (m2) =
A=
q 237874,4 = = 3,84 m2 U total xLMTDxF 918,72 x69,9 x0,97
Panjang Pipa yang dibutuhkan (m) = ℓ =
Tube yang dibutuhkan = n =
L L pipe
=
A 3,84 = = 60,9 m π ×D π × 0,02006
60,9 = 4,0 tube 15,3
Kesimpulan 1. Faktor-faktor yang merupakan parameter unjuk kerja dari alat Shell and U-Tube Heat Exchanger adalah faktor kekotoran (dirt factor), luas permukaan perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor, beda temperatur rata-rata, dan jenis aliran (bilangan reynold) . Untuk parameter faktor kekotoran (dirt factor) sangat mempengaruhi kerja dari Heat Exchanger ini. Hal ini terbukti pada koefisien perpindahan panas menyeluruhnya koefisien tersebut akan mempengaruhi hasil temperatur akhirnya dan luas perpindahan panasnya.
1 4 Ramuli, FT UI, 2014 Desain Rancang..., Taufik
2. Pada percobaan ini debit fluida pendinginnya sangat berpengaruh, makin tinggi debit fluida dinginnya maka semakin besar kalor yang perlu diserap/Qin sehingga dibutuhkan pipa yang lebih banyak atau panjang. 3. Dari hasil running program HTRI juga didapat bahwa desain memiliki over desain sebesar 2.11 %. Hal ini sudah terbilang baik karena kurang dari 10%. 4. Pemilihan ukuran baffle juga memberikan dampak pada proses perpindahan kalor. Hal ini dikarenakan baffle dapat menyebabkan aliran turbulensi sehingga meningkatkan heat transfer. 5. Pemilihan aliran flow direction dengan countercurrent memiliki nilai efisiensi yang lebih besar dari hasil beberapa kali perhitungan. Hal ini dikarenakan aliran yang berlawan memiliki heat transfer yang lebih besar dibandingkan dengan arah sejajar
Daftar Pustaka [1] Holman, JP. 1995. Perpindahan Kalor Edisi ke enam. Jakarta : Erlangga [2] Kern,D.Q. 1952.Process Heat Transfer. [3] Koestoer, Raldi A., “Perpindahan Kalor Untuk Mahasiswa Teknik”, Salemba Teknika, 2002 [4] Çengel, Yunus A. 2002. Heat Transfer A Practical Approach, 2nd edition. New York: Mc Graw Hill Companies Inc [5] Lunsford, kevin M. 1998. Increasing Heat Exchanger Performance. Bryan: Texas US. Bryan Research & Engineering, Inc [6] http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/64548.aspx [7] http://vedcadiklatki.blogspot.com/2010/08/penukar-panas-heat-exchanger.html [8] http://tutorialkuliah.blogspot.com/2009/10/aliran-fluida-pada-heat-exchanger.html
1 5 Ramuli, FT UI, 2014 Desain Rancang..., Taufik
