PERANCANGAN HEAT EXCHANGER

One Shell Pass and One Tube Pass

PERANCANGAN HEAT EXCHANGER Abdul Wahid Surhim

Pengertian 



HE adalah alat yang berfungsi sebagai alat penukar panas (kalor) Dilihat dari fungsinya dapat dinamakan :  Pemanas

(heater)  Pendingin (cooler)  Vapourizer/Reboiler (Penguapan)  Condenser (Pengembunan)

Klasifikasi HE

HE Proses Perpindahan

Konstruksi

Pengaturan Aliran

Jumlah Fluida

Mekanisme Perpindahan Panas

Kuppan, T., 2000, Heat Exchanger Design Handbook, Marcel Dekker, Inc.

Klasifikasi HE

Proses Perpindahan

Kontak Langsung

Kontak Tak Langsung

Klasifikasi HE

Kekompakan Permukaan

Kompak (Densitas luas permukaan  700 m2/m3)

Tak Kompak (Densitas luas permukaan < 700 m2/m3)

Compact Heat Exchangers 



Digunakan secara luas untuk menerima laju panas yang besar per satuan volume, khususnya saat satu atau kedua fluidanya gas. Dikarakterisasi oleh luas permukaan perpindahan panas yang besar, lintasan aliran yang kecil dan aliran laminar (a) (b) (c) (d) (e)

Fin-tube (flat tubes, continuous plate fins) Fin-tube (circular tubes, continuous plate fins) Fin-tube (circular tubes, circular fins) Plate-fin (single pass) Plate-fin (multipass)

Klasifikasi HE Konstruksi

TABUNG (Tubular) Doublepipe Plate Baffle

TALAM (Plate)

ShellandTube

Spiral Tube ROD Baffle

Gasketed

Spiral

EXTENDED SURFACE Lamella

PlateFin

REGENERATIF

Tube-Fin DiskType

Rotory

FixedMatrix DrumType

Double-pipe HE

Spiral HE

Shell-and-Tube Heat Exchangers

One Shell Pass and One Tube Pass





Baffles are used to establish a cross-flow and to induce turbulent mixing of the shell-side fluid, both of which enhance convection. The number of tube and shell passes may be varied, e.g.:

One Shell Pass, Two Tube Passes

Two Shell Passes, Four Tube Passes

Plate HE

Extended Surface HE 

Digunakan jika koefisien perpindahan panasnya sangat kecil, sehingga memerlukan luas perpindahan panas yang besar untuk menaikkan laju perpindahan panasnya

Klasifikasi HE PENGATURAN ALIRAN

Single Pass

Parallel Flow

Counter Flow

Multi Pass

Cross Flow

Extended Surface

Cross counter flow

Extended Surface

Cross parallel flow

Parallel counter flow – Shell & Fluid Mixed – N Shell Passes – N Tube Passes

Split Flow

Multi Pass

Devided Flow

N-Parallel Plate Multiipass

Type HE 

Concentric-Tube Heat Exchangers

Parallel Flow

Counterflow

Distribusi Aliran

Tipe HE 

Cross-flow Heat Exchangers

Finned-Both Fluids Unmixed

Unfinned-One Fluid Mixed the Other Unmixed

Klasifikasi HE

JUMLAH FLUIDA Dua Fluida

Tiga Fluida

N-Fluida (N>3)

Klasifikasi HE

MEKANISME PERPINDAHAN PANAS

Konveksi Fasa Tunggal (Forced or Free)

Konveksi Dua Fasa(Kondensasi atau Evaporasi), Forced or Free

Kombinasi Konveksi dan Radiasi

Kriteria Pemilihan HE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Bahan konstruksi Tekanan dan suhu operasi, program suhu dan driving force suhu Laju alir Susunan aliran Parameter kinerja -- efektivitas panas dan jatuh tekanan Kecenderungan pengotoran Jenis dan fasa fluida Pemeliharaan, inspeksi, pembersihan, ekstensi, dan kemungkinan perbaikan Keekonomian menyeluruh Teknik fabrikasi Tujuan aplikasi

Kebutuhan HE 1. 2. 3.

4.

Efektivitas panas tinggi Jatuh tekanan serendah mungkin Kehandalan dan harapan hidup Produk berkualitas tinggi dan operasinya aman

PROSEDUR DISAIN HE 8 April 2014

Kerangka Pembelajaran Dua Kriteria Utama Disain HE  Persamaan Neraca Energi  Perpindahan Kalor  Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas Panas 

Dua Kriteria Utama Disain HE 

Fouling (dirty) factor

>0.003 

Pressure drop

2

or 10 psia

Persamaan Neraca Energi

m hc p ,h t h,i  t h,o   mc c p ,c t c ,i  t c ,o  mh = laju alir massa aliran panas mc = laju alir massa aliran dingin cp,h = panas jenis aliran panas cp,c = panas jenis aliran dingin

th,i = suhu aliran panas masuk th,o = suhu aliran panas keluar tc,i = suhu aliran dingin masuk tc,o = suhu aliran dingin keluar

Perpindahan Kalor

q  C h t h,i  t h,o   C c t c ,i  t c ,o  qmax  C min t h,i  t c ,i 

Persamaan Umum Perpindahan Panas melalui Permukaan

Q  UATm Q = heat transferred per unit time, W; U = the overall heat transfer coefficient, W/m2.oC; A = heat transfer area, m2; Tm = the mean temperature difference, the temperature driving force, oC

Overall Heat Transfer Coefficient (U)  do d o ln di 1 1 1     Uo ho hod 2k w

    do . 1  do . 1 d i hid d i hi

Uo = the overall coefficient based on the outside area of the tube, W/m2.oC; ho = outside fluid film coefficient, W/m2.oC; hi = inside fluid film coefficient, W/m2.oC; hod = outside dirt coefficient (fouling factor), W/m2.oC; hid = inside dirt coefficient, W/m2.oC; kw = thermal conductivity of the tube wall material, W/m.oC; di = tube inside diameter, m; do = tube outside diameter, m.

Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas Panas 1. 2. 3. 4.

  



Metode -NTU Metode P-NTU Metode LMTD Metode -P NTU: Number of Transfer Units  : Heat exchanger effectiveness P: Thermal effectiveness R: Heat capacity ratio

Hubungan antar Variabel Tanpa Dimensi

Contoh 1: Perhitungan LMTD Fluida panas masuk peralatan pipa-konsentrik pada suhu 300oF dan didinginkan ke 200oF o dengan fluida dingin yang masuk pada 100 F dan dipanaskan hingga 150oF.  Apakah seharusnya disusun secara paralel atau kontra? 

Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW

Fluida Panas

Fluida Dingin

(T1) 300

(t2) 150

(T2) 200

(t1) 100 

LMTD

t 2  t1 2.3 log t 2 t1 

PARALEL FLOW

Fluida Panas

Fluida Dingin

150 (t2)

(T1) 300

(t1) 100

200 (t2)

100 (t1)

(T2) 200

(t2) 150

50 (t1)

50 (t2-t1)

123.3 LMTD



t 2  t1 2.3 logt 2 t1 

150 (t2-t1)

108

Contoh 2: Perhitungan LMTD dengan Suhu Keluar Sama

Fluida panas masuk peralatan pipao konsentrik pada suhu 300 F dan o didinginkan ke 200 F dengan fluida dingin yang masuk pada 150oF dan o dipanaskan hingga 200 F.



Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW Fluida Panas

Fluida Dingin

(T1) 300

(t2) 200

(T2) 200

(t1) 150

PARALEL FLOW Fluida Panas

Fluida Dingin

100 (t2)

(T1) 300

(t1) 150

150 (t2)

50 (t1)

(T2) 200

(t2) 200

0 (t1)

50 (t2-t1)

LMTD



t 2  t1 2.3 log t 2 t1 

72

150 (t2-t1)

LMTD



t 2  t1 2.3 logt 2 t1 

0

Contoh 3: Perhitungan LMTD Saat tc > th

Fluida panas masuk peralatan pipao konsentrik pada suhu 300 F dan o didinginkan ke 200 F secara aliran kontra, dengan fluida dingin yang masuk o pada 100 F dan dipanaskan hingga 275oF.



Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW Fluida Panas Fluida Dingin (T1) 300 (T2) 200

(t2) 275 (t1) 100 

LMTD

t 2  t1 2.3 log t 2 t1 

PARALEL FLOW 25 (th) 100 (tc) 75 (tc-th)

54.3

Contoh 4: Perhitungan LMTD dengan Satu Fluida Isotermal

Fluida dingin dipanaskan dari suhu o o 100 F hingga 275 F dengan uap o panas (steam) pada 300 F.



Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW Fluida Panas

Fluida Dingin

(T1) 300

(t2) 275

(T2) 300

(t1) 100

LMTD



t 2  t1 2.3 log t 2 t1 

PARALEL FLOW Fluida Panas

Fluida Dingin

25 (t2)

(T1) 300

(t1) 100

200 (t2)

200 (t1)

(T2) 300

(t2) 275

25 (t1)

LMTD



SAMA

t 2  t1 2.3 logt 2 t1 

SAMA

Suhu Kalorik atau Suhu Rata-rata 

Suhu Kalorik untuk FLUIDA PANAS

Tc  T2  Fc T1  T2  

Suhu Kalorik untuk FLUIDA DINGIN

t c  t1  Fc t 2  t1 

Uh  Uc  Fc adalah faktor suhu kalorik pada K c  U c (Fig. 17 Kern)

Fig. 17 Kern

Contoh 5

Minyak mentah dengan 20oAPI o o didinginkan dari 300 F ke 200 F dengan o memanaskan gasolin dingin 60 API dari 80 ke 120oF dalam peralatan beralirankontra. Berapa suhu untuk mengevaluasi U?



Jawaban SHELL Minyak Mentah 20oAPI 300 200 250 100 



TUBE Gasolin 60oAPI Suhu Tinggi Suhu Rendah Mean Selisih

120 80 100 40

180 (t2) 120 (t1)

Minyak mentah : pada selisih suhu 100oF maka Kc=0.68 (Fig. 17 Insert) Gasolin : pada selisih suhu 40oF maka Kc0.1

Jawaban 

Dipakai Kc yang terbesar: 0.68

∆𝑡1 120  = ∆𝑡2 180

= 0.667  Fc = 0.425

Tc = 200 + (0.425)(100) = 242.5oF  tc = 80 + (0.425)(40) = 97.0oF 

DOUBLE-PIPE HEAT EXCANGER HE PIPA GANDA Tahapan Perhitungan Disain HE DP

INPUT 1.

2.

3.

4.

Ukuran pipa (panjang, IPS dan Schedule untuk annulus dan inner pipe) Suhu masuk dan keluar (fluida panas dan dingin) Laju massa fluida dingin Fouling factor disain (Table 12)

PIPA

Prosedur Disain Hitung Tav, tav, c, Q, W

LMTD

Perhitungan ho dan hio

Pressure Drop

Perhitungan U, A dan Rd

1. Hitung Tav, tav, c, Q, W HOT FLUID

T1  T2 Tav  2 Hitung c dari Fig. 2 Q W c .T2  T1 

COLD FLUID

t1  t 2 t av  2 Hitung c dari Fig. 2

Q  w .c .t 2  t1 

2. LMTD T1

t2

∆t1 ∆t2

T2 t1

t 2  t1 t 2  t1 LMTD    t 2   t 2   2.3 log  ln  t1   t1 

3. Perhitungan ho dan hio ANNULUS, HOT FLUID 

  



D2 (ID Annulus, Table 11) D1 (OD Inner-pipe, Table 11) 2 2  D2  D1  a  Flow Area: a 4 Diameter Ekuivalen (De): D22  D12 De  D1

Mass velocity:

Ga  

INNER PIPE, COLD FLUID

W aa

Viskositas:  (Fig. 14 pada Tav) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr))



D (ID Inner-pipe, Table 11)



Flow Area:



Mass velocity:



ap 

D 2 4

Gp 

w ap

Viskositas:  (Fig. 14 pada Tav) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr))

Diameter Annulus

3. Perhitungan ho dan hio ANNULUS, HOT FLUID 







Re:

Re a 

INNER PIPE, COLD FLUID 

DeGa

a

Heat transfer factor jH diperoleh dari Fig. 24 ka (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) ho (koefisien film):  k  c  ho  j H  a    De  k 

1/ 3

    w

 



  

Re p 

DG p

p

jH diperoleh dari Fig. 24 k (konduktivitas) diperoleh dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS) hi (koefisien film): 0.14  k  c  hi  j H     D  k 

0.14

       w

Re:

0.14

 1.0

1/ 3

    w

 ID  hio  hi    OD 

  

jH

Konduktivitas panas: LIQUID

Konduktivitas panas: GAS

4. Perhitungan U, A dan Rd UC 

hio ho hio  ho

U D

UC 1  U C Rd

Q A U D LMTD A External Surface per foot length (Table 11) AAKTUAL  L (AKTUAL) * External Surface per foot length

L

UD 

Q AAKTUAL LMTD

Rd CALC 

UC  U D U CU D

5. Pressure Drop (< 10 psi) ANNULUS, HOT FLUID   

Hitung De’: De'  D  D1 ' 2 D Ga ' Hitung Re’: Rea  a Hitung f (Eq. 3.47b)

INNER PIPE, COLD FLUID

e

f  0.0035 

0.264



f  0.0035 

' 0.42 e

R

    

Specific gravity, s (Table 6)  = s x 62.5 4 fG 2 L Hitung Fa: Fa  2 g 2 D' e Ga V  Hitung velocity (V): 3600  Entrance and exit losses: 2 a

Fl 



V ndphe 2 g'

Pressure Drop:

Pa 

Hitung f (Eq. 3.47b)

F a F l  144

0.264 Re



  

0.42

Specific gravity, s (Table 6)  = s x 62.5 4 fG 2 L Hitung Fp: F p  2 g 2 D Pressure Drop: p

Pp 

F p 144

Contoh 6.1 Diinginkan untuk memanaskan 9820 lb/hr Benzena dingin dari 80 ke 120oF menggunakan Toluena panas yang menjadi dingin dari 160 ke 100oF  Specific gravity pada 80oF masing-masing 0.88 dan 0.87  Fouling factornya 0.002, sedangkan pressure drop yang diperkenankan adalah 10.0 psi  Sejumlah pipa hairpin: 20-ft, IPS 2 x 1¼ in tersedia  Berapa diperlukan pipa hairpin? 

LATIHAN Diinginkan untuk memanaskan 9820 lb/hr Benzena dingin dari 85 ke 130oF menggunakan Toluena panas yang menjadi dingin dari 160 ke 95oF  Fouling factornya 0.002, sedangkan pressure drop yang diperkenankan adalah 10.0 psi  Sejumlah pipa hairpin: 20-ft, IPS 2½ x 1¼ in tersedia  Berapa diperlukan pipa hairpin? 

Rangkaian Susunan Paralel Hasil perancangan DPHE dalam contoh sebelumnya memiliki P di bawah yang diperkenankan (10.0 psi)  Bagaimana kalau ternyata melebihinya (15 atau 20 psi)?  Alternatifnya adalah mem-by-pass sebagian alirannya 

Dua Susunan Aliran

Rangkaian DPHE (counterflow)

Rangkaian DPHE (susunan paralel)

Konsekuensi Perubahan Aliran Ada dua konsekuensi perubahan aliran ini 1. Penurunan kecepatan massa Ga dan koefisien film hi, sehingga akan menurunkan UC 2. Rentang suhu fluida panas akan lebih besar tergantung dari berapa porsi aliran yang diby-pass, sehingga akan menurunkan LMTD 

Beda Suhu Sebenarnya (∆t)

t   T1  t1  1/ n  1  P' nR' 1  R'1  1   2.3 log       R'1 R'   R'  P ' 

T1  T2 R'  dan nt 2  t1 

T2  t1 P'  T1  t1

Satu Rangkaian Aliran Dingin dan n Paralel Aliran Panas 1/ n   1  P" n  1   2.3 log 1  R"   R"  1  R"   P"  

nT1  T2  R"  dan t 2  t1

T1  t 2 P"  T1  t1

Contoh 6.2

DPHE beroperasi dengan fluida panas o dalam rangkaian dari 300 sampai 200 F dan fluida dingin dalam 6 aliran paralel dari 190 sampai 220oF Berapa ∆t? 

Jawaban FLUIDA PANAS 300 200 R' 

T1 T2

FLUIDA DINGIN 190 220

t1 t2

T1  T2 300  200 T t 200  190   0.558 dan P '  2 1   0.091 nt 2  t1  6220  190  T1  t1 300  190

1/ n  1  P' nR' 1  R'1  1   2.3 log       3.727  R'1 R'   R'  P '    0.244

t   T1  t1   0.244300  190  26.8 F o

HE dengan KOREKSI VISKOSITAS () 

Fig. 24 asumsinya  (/w)0.14 =

1.0  Mengabaikan deviasi sifat-sifat fluida dari aliran isotermal

Untuk fluida nonviskos pada proses pemanasan atau pendinginan tidak membuat kesalahan pada koefisien perpindahan panas  Namun ketika suhu dinding-pipa berbeda dengan suhu kaloriknya maka nilai  harus dihitung 

Koreksi Viskositas  a  ka  c    a dengan a   ho  j H   w  De  k   a 1/ 3

 ho   k  c     j H  a    a   De  k  Koreksi viskositas :  ho  ho   a  a   hio  hio    p    p

1/ 3

hio ho UC  hio  ho

   

0.14

1

Suhu Dinding (tw)

t w  tc  h

o

ho

a

a



hio

p

Tc  t c 

Penentuan Sifat Fluida Untuk fluida non-oil menggunakan SUHU RATA-RATA  Untuk fluida oil menggunakan SUHU KALORIK 

Untuk

fluida oil yang VISKOS, menggunakan SUHU DINDING (tw) untuk menentukan viskositas di dinding pipa

Contoh 6.3 







6900 lb/hr dari 26oAPI lube oil harus didinginkan dari 450 ke 350oF dengan 72500 lb/hr 34oAPI mid-continent crude oil. Crude oil dipanaskan dari 300 ke 310oF. Fouling factornya 0.003 harus disediakan tiap aliran dan jatuh tekanan yang diperkenankan 10.0 psi. Sejumlah 20-ft hairpins ukuran 3x2 in. IPS tersedia. Berapa banyak harus digunakan dan bagaimana susunannya? Viskositas crude oil dari Fig.14. Untuk lube oil viskositasnya 1.4 cP pada 500oF, 3.0 pada 400oF, dan 7.7 pada 300oF