rancangan Alat Penukar Kalor Sheel and Tube

Sebuah APK shell & tube, yg berfungsi sebagai water heater, memanaskan aliran air dengan laju aliran massa tertentu dari 20 ^oC menjadi 40^oC. Bagi keperluan tersebut tersedia 4,5 kg/s aliran oli panas pada temperatur 150^oC, 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 45^o.

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 = ( T_hi - T_co )  = 150 ^oC – 40 ^oC = 110 ^oC

ΔT₂ : beda antara temperatur fluida panas keluar APK dengan temperatur fluida pendingin masuk APK

ΔT₂ = ( T_ho - T_ci )  =  100 ^oC – 20 ^oC = 80 ^oC

Sehingga, besarnya beda temperatur rata-rata logarithmiknya menjadi :

           

T_m = 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 :

T_m,ST     = F_c. T_m.CF

T_m,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 :

Q_h        = m_hc_ph ( T_hi – T_ho )
            = 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 :

Q_h = Q_c = m_cc_pc ( T_co – T_ci )

Dari persamaaan tersebut kita dapat menghitung besarnya laju aliran massa air pendingin yang diperlukan bagi APK menggunakan persamaan berikut :

m_c = Q_c / c_pc ( T_co – T_ci )

= 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.A_1t.u_m.N_t

Di sini : m_c  laju aliran massa air sebesar 5,74 kg/s

N_t jumlah tube

u_m kecepatan rata2 aliran 0,7 m/s

A_1t luas penampang aliran pada satu tube, dihitung berdasarkan d_i = 16 mm

ρ massa jenis fluida 993 kg/m³

A_1t         = 3,14 0,016²/4

            = 0,0002 m²

mc       = p.A_1t.u_m.N_t

5,74 kg/s = 993 kg/m³ . 0,0002 m² . 0,7 m/s . N_t

5,74 kg/s = 0,13902 kg/s N_t

N_t           = 5,74 kg/s  /  0.13902 kg/s

N_t           = 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 = A_total / A_total,L=4,8

Sementara itu luas permukaan perpindahan panas total yang diperlukan di dalam APK, A_tot dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Atotal = Q / U_fT_m,ST

Untuk menghitung besaran tersebut kita gunakan data-data sebagai berikut :

-       Koefisien perpindahan panas global dalam kondisi “fouled”, U_f = 192,3 W/m²K yaitu diperoleh dari data OS = 1,3 dan Koefisien perpindahan panas global dalam kondisi “clean”, U_c = 320 W/m²K

-       Q = Q_h = Q_c = 479475 J/s

-       beda temperatur rata-rata di dalam APK sebesar 84,9 ^oC

A_tot      =  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, A_tot  =  29,37 m²

Kemudian, Luas permukaan satu buah tube, dengan panjang 4,8 m dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

A_total,L=4,8m = 3,14 . d_o LN_t

            = 3,14 . 0,019 m² . 4,8 m . 41

            = 11,74 m²

selanjutnya dengan menggunkan data d_o = 19 mm maka kita peroleh luas permukaan satu buah tube = 11,74 m²

tube-pass = A_total / A_total,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 D_s yang diperlukan dapat dihitung menggunakana persamaan :

    

D_s = 0,637 ( CL/CTP ) ^0,5 ( A_oPR²d_o/L)^0,5     

Selanjutnya,

Dengan menggunakan adata-data :

PR jarak antar tube per diameter luar tube = 1,25  A_o luar permukaan perpindahan panas total = 29,37 m², d_o = 19 mm dan L = 4,8  CL = 1  CTP = 0,93

D_s           = 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 D_s = 0,25 m = 25cm.