Sebuah APK shell & tube, yg berfungsi sebagai water heater, memanaskan aliran air dengan laju aliran massa tertentu dari 20 oC menjadi 40oC. Bagi keperluan tersebut tersedia 4,5 kg/s aliran oli panas pada temperatur 150oC, dan diharapkan temperaturnya 100 oC saat meninggalkan APK. Koefisien perpindahan panas global dalam keadaan “clean” diasumsikan sebesar 320 W/m2K, dan APK memiliki over design, OS = 30%. Tube berukuran 3/4” standar, dengan panjang 4,8 m akan dipergunakan. Jumlah lintasan aliran air pendingin di dalam tube adalah 1 pass. Bentuk susunan tube yang akan dibuat adalah bentuk 45o.
Beda temperatur rata-rata di dalam APK
Pada kasus ini :
ΔT1 : beda antara temperatur fluida panas masuk APK dengan
temperatur fluida pendingin keluar APK
ΔT1 = ( Thi - Tco ) = 150 oC – 40 oC = 110
oC
ΔT2 : beda antara temperatur fluida panas keluar APK dengan
temperatur fluida pendingin masuk APK
ΔT2 = ( Tho - Tci ) = 100 oC – 20 oC = 80 oC
Sehingga, besarnya beda temperatur rata-rata logarithmiknya
menjadi :
Tm = T1-T2/ln(T1/T2) = 110 oC – 80 oC / ln(110
oC/80 oC)
=30 / ln 1.375
=30 / 0,318 = 94,34 oC
Beda temperatur rata-rata logaritmik shell & tube dapat
dihitung menggunakan persamaan :
Tm,ST = Fc.
Tm.CF
Tm,ST =
0,9 . 94,34 oC
=84,9 oC
Harga beda temperatur rata-rata di dalam APK kita hitung
dengan menggunakan data di mana temperatur aliran air masuk APK 20 oC
dan temperatur aliran air keluar APK 40 oC. Sementara itu temperatur aliran oli panas masuk
APK 150 oC, dan temperatur aliran oli panas keluar APK 100 oC.
Selanjutnya, dengan menganggap Faktor koreksi bagi beda temperatur rata-rata di
dalam APK shell & tube adalah sebesar 0,9 maka kita memperoleh harga beda
temperatur rata-rata di dalam APK sebesar 84,9 oC.
Analisis Balans energi pada aliran fluida oli panas di sisi shell
Pada persoalan
kita di sini, Diketahui :
Aliran oli panas
dengan laju aliran 4.5 kg/s (10 kg/s) mengalir masuk ke dalam APK dari
temperatur 150 oC menjadi 100 oC.
Dengan menganggap fluida oli panas tidak mengalami perubahan
fasa selama mengalami proses pendinginan di dalam APK, maka besarnya laju
pelepasan energi panas dari aliran oli ke permukaan susunan tube dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan :
Qh = mhcph
( Thi – Tho )= 4,5 kg/s . 2131 J/kgK ( 423 K – 373 K )
= 9589,5 J/sK ( 50 K )
= 479475 J/s
Dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa besarnya laju
pelepasan energi panas dari aliran oli ke permukaan susunan tube adalah 479475 J/s atau 479475
W.
Analisis Balans energi pada aliran fluida air
pendingin di dalam tube
Pada sisi aliran fluida air dingin akan dipanaskan dari temperatur rata-rata 20 oC dan
temperatur keluar APK diinginkan tidak melebihi dari 40 oC .
Dengan menganggap bahwa semua energi panas yang dilepaskan
oleh aliran oli panas diterima oleh aliran air, serta dengan menganggap fluida
aliran air yang dialirkan di bagian dalam tube tidak mengalami perubahan fasa
di dalam APK, maka balans energi pada aliran di sisi tube adalah sebagai
berikut :
Qh = Qc
= mccpc ( Tco – Tci )
Dari persamaaan tersebut kita dapat menghitung besarnya laju
aliran massa air pendingin yang diperlukan bagi APK menggunakan persamaan
berikut :
mc = Qc
/ cpc ( Tco – Tci )
=
479475 J/s / 4178 J/kgK ( 313 K – 293 K)
= 479475 J/s / 83560
J/kg
= 5,74 kg/s
Dan hasil perhitungan menunjukkan bahwa besarnya laju aliran
massa aliran air pendingin bagi kondisi di atas adalah 5,74 kg/s.
Jumlah tube yang diperlukan oleh APK
Jumlah tube yang diperlukan oleh APK dapat diperkirakan
besarnya melalui persamaan laju aliran massa air pendingin yang harus
dilewatkan ke dalam tube. Dalam hal ini semua aliran air dianggap masuk sama
rata ke semua penampang aliran di masing-masing tube. Oleh karena itu kita
memiliki persamaan berikut :
mc = p.A1t.um.Nt
Di sini : mc laju aliran massa air sebesar 5,74 kg/s
Nt jumlah tube
um kecepatan rata2 aliran 0,7 m/s
A1t luas penampang aliran pada satu tube, dihitung
berdasarkan di = 16 mm
ρ massa jenis fluida 993 kg/m3
A1t =
3,14 0,0162/4
= 0,0002 m2
mc = p.A1t.um.Nt
5,74 kg/s = 993 kg/m3 . 0,0002 m2 . 0,7
m/s . Nt
5,74 kg/s = 0,13902 kg/s Nt
Nt =
5,74 kg/s / 0.13902 kg/s
Nt =
41 tube
maka jumlah tube yang diperlukan oleh APK dapat dihitung dan
memberikan hasil 41 tubes.
Jumlah lintasan tube (tube pass)
Jumlah
lintasan aliran fluida di dalam tube dapat diperkirakan besarnya dengan
menggunakan persamaan berikut :
E tube
– pass = Atotal / Atotal,L=4,8
Sementara
itu luas permukaan perpindahan panas total yang diperlukan di dalam APK, Atot
dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Atotal = Q / UfTm,ST
Untuk menghitung besaran tersebut kita gunakan data-data
sebagai berikut :
- Koefisien perpindahan panas global dalam kondisi “fouled”, Uf
= 192,3 W/m2K yaitu diperoleh dari data OS = 1,3 dan Koefisien
perpindahan panas global dalam kondisi “clean”, Uc = 320 W/m2K
- Q = Qh = Qc = 479475
J/s
- beda temperatur rata-rata di dalam APK sebesar 84,9 oC
Atot = 479475 J/s / 192,3 W/m2K
. 84,9 oC
= 479475
J/s /
16326,27
= 29,37 m2
sehingga kita peroleh luas total perpindahan panas, Atot = 29,37
m2
Kemudian,
Luas permukaan satu buah tube, dengan panjang 4,8 m dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Atotal,L=4,8m
= 3,14 . do LNt
= 3,14 .
0,019 m2 . 4,8 m . 41
= 11,74 m2
selanjutnya dengan menggunkan data do = 19 mm maka
kita peroleh luas permukaan satu buah tube = 11,74 m2
tube-pass = Atotal / Atotal,L=4,8
= 29,37 m2 / 11,74 m2
= 2
lintasan atau 2 pass
Sekarang
kita dapat menghitung Jumlah lintasan aliran fluida di dalam tube dan kita
peroleh harga yang dibulatkan yaitu sebesar 2 lintasan atau 2 pass.
Diameter shell
Besarnya Diameter shell Ds yang diperlukan dapat dihitung menggunakana persamaan :
Ds
= 0,637 ( CL/CTP ) 0,5 ( AoPR2do/L)0,5
Selanjutnya,
Dengan menggunakan adata-data :
PR jarak antar tube per diameter luar
tube = 1,25 Ao luar
permukaan perpindahan panas total = 29,37
m2, do = 19 mm dan L = 4,8 CL = 1
CTP = 0,93
Ds =
0,637 ( 1 / 0,93 ) 0,5 ( 29,37 . 1,25 . 0,019 / 4,8 ) 0,5
= 0,637 (1,037 ) (0,697 / 4,8 ) 0,5
= 0,637
(1,037 ) (0,38)
= 0,25 m= 25
cm
Maka kita peroleh Ds = 0,25 m = 25cm.
