BAB IV ANALISA DATA
4.4 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor Shell and Tube
Perancangan dimensi pada alat penukar kalor akan dilakukan pada dua bagian, pertama pada bagian tabung (tube) dan kedua pada bagian cangkang (shell)
4.4.1 Pemilihan Material dan Dimensi Cangkang (Shell)
Material yang digunakan pada cangkang adalah pipa stainless steel dengan diameter 6 inci dan ketebalan 3 mm yang nantinya pipa ini akan dialiri fluida panas yaitu air belerang. Adapun alasan pemilihan material ini adalah karena bahan stainless steel tahan terhadap korosi dan konduktivitas bahannya yang rendah berdampak pada penyerapan panas oleh material dan dikeluarkan ke
lingkungan. Pipa stainless steel sebagai cangkang dapat kita lihat pada gambar 4.4 berikut ini.
Dengan dimensi cangkang berdiameter (O.D) 6 inci dan ketebalan 3 mm, dirancang susunan dari tube pada cangkang. Susunan tube yang dipilih adalah susunan bujur sangkar diputar 45o (diamond) dengan jarak antar tube (pitch tube) sebesar 1,5 kali diameter luar tube. Alasan dipilihnya susunan tube bujur sangkar diputar 45o adalah karena konstruksinya yang mudah untuk dibuat serta untuk memaksimalkan jumlah tabung didalam cangkang. Jarak antar tube dibuat 1,5 kali diameter tube untuk memudahkan pembersihan luar tube secara mekanik (mechanical cleaning). Untuk mencari jumlah tube yang tersusun dalam cangkang maka dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
��= 0,785�(��� �� ) ��2 (��)2(��)2 �� = 0,785� �0,9 1 � (0.1464 �) 2 (1,5)2(0,0127)2 = 41,725≈42 ����
Dengan menggunakan rumus, didapat banyaknya susunan tube maksimal yaitu sebanyak 42 buah, tetapi pada saat digunakan trial penggambaran dengan autocad 2007, jumlah tube maksimal yang dapat disusun adalah sebanyak 32 tube. Gambar 4.4 berikut menunjukkan trial susunan tube menggunakan autocad 2007.
Gambar 4.4 Susunan Tube diamond dan Bujur Sangkar
Dengan menggunakan trial penggambaran susunan tube, didapatkan perbandingan antara banyaknya jumlah tube susunan diamond dengan susunan bujur sangkar. Tipe diamond dapat disusun tabung sebanyak 32 buah, sedangkan susunan bujur sangkar dapat disusun tabung sebanyak 30 buah. Dipilih susunan
tabung diamond dan didapat jumlah susunan tabung yang dapat dibuat sebanyak 32 buah.
Jarak antar sekat (baffle spacing) dibuat sebesar 3 inci, sehingga besar baffle spacing adalah:
0,0762
146,4 �100% = 52,05% �������������������������
Sedangkan baffle cut (potongan sekat) dipotong ¼ kali diameter cangkang, potongan baffle cut akan menjadi ruang bebas mengalirnya fluida di dalam cangkang. Sehingga besar baffle cut (potongan sekat) sebesar:
������ ���=1
4�0,1464 = 0,0366 �
4.4.2 Pemilihan Material dan Perancangan Dimensi Tabung dan Cangkang
Dimensi pipa tabung yang akan dibuat dipilih dengan ukuran 0.5 inch dan material yang digunakan adalah tembaga. Adapun alasan pemilihan material tersebut adalah karena tembaga tahan terhadap korosi dan tembaga memiliki konduktivitas termal yang tertinggi kedua setelah perak.
Tabel 4.7 Konduktivitas Material
No Nama Material Konduktivitas Pada Suhu 300 K (W/m·K) 1 Aluminium 237 2 Berrylium 200 3 Boron 27 4 Cadmium 96.8 5 Kromium 93.7 6 Kobalt 99.2 7 Tembaga 401 8 Germanium 59.9 9 Emas 317 10 Iridium 147 11 Besi 80.2 12 Magnesium 156
13 Molybdenum 138 14 Nikel 90.7 15 Platinum 71.6 16 Perak 429 17 Silicon 148 18 Stainless Steel AISI 302 AISI 304 AISI 316 AISI 347 15.1 14.9 13.4 14.2 19 Titanium 21.9 20 Tungsten 174 21 Vanadium 30.7
Untuk dimensi pipa cangkang dipilih pipa berdiameter 6 inci dengan ketebalan 3 mm berbahan stainless steel. Adapun alasan pemilihan dimensi pipa cangkang tersebut adalah karena dimensi pipa yang optimum untuk digunakan, sedangkan bahan stainless steel dipilih agar pipa tahan terhadap korosi.
Untuk menghitung panjang tube keseluruhan yang dibutuhkan sesuai dengan fungsinya yaitu sebagai pemanas air dengan fluida panas air belerang, maka dapat dihitung menggunakan parameter-parameter fluida dan dimensi-dimensi yang sudah dintentukan sebagai berikut ini:
Tabel 4.8 Dimensi Cangkang dan Tabung
No Parameter Simbol Nilai Satuan
1 Diameter cangkang Di 0,1464 m
2 Diameter tabung De 0,0115 m
3 Jarak antar sekat L 0,0762 m
4 Baffle cut 0,0366 m
5 Jarak 2 sumbu tabung Pt 0,01905 m
6 Tebal tabung T 0,0006 m
Dari tabel 4.2 diatas, dapat diketahui dimensi cangkang, tabung, serta banyaknya susunan tube yang sudah ditentukan. Selanjutnya diperlukan data sifat-sifat fisik fluida air dan air belerang. Sifat fisik fluida dingin dihitung pada temperatur rata-rata yaitu pada suhu 303,5 K dan didapat data dari tabel sebagai berikut ini:
Tabel 4.9 Sifat Fisik Fluida Dingin (Air)
No Parameter Simbol Nilai Satuan
1 Kapasitas aliran 0,1 Liter/s
2 Konduktivitas panas λc 0.6193 W/m·K 3 viskositas μc 0.0007776 N·s/m2 4 Panas Jenis Cpc 4178.1 J/Kg·K 5 Bilangan Prandl prc 5.26 - 6 densitas ρ 996.0159363 Kg/m3 7 Volume Spesific Vc 0.001004 m3 /Kg
Sifat fisik fluida panas, yaitu air belerang dihitung pada temperature rata-rata yaitu pada suhu 326,5 K dan didapat data dari tabel kecuali densitas dan viskositas air belerang didapat dari hasil pengujian di Laboratorium Kimia-Fisika. Berikut sifat fisik air belerang:
Tabel 4.10 Sifat Fisik Fluida Panas (Air Belerang)
No Parameter Simbol Nilai Satuan
1 Kapasitas aliran 0,1 Liter/s
2 Konduktivitas Panas Λh 0.6465 W/m·K 3 Viskositas Μh 0.00073825 N·s/m2 4 panas Jenis Cph 4182.6 J/Kg·K 5 Bilangan Prandl Prh 3.339 - 6 densitas Ρ 1002.95 Kg/m3 7 Volume spesific Vh 0.00099706 m3 /Kg
Analisis Fluida di dalam tabung:
Kapasitas aliran = 0,1 l/s = 1 x 10-4 m3/s Menghitung laju aliran:
�̇�= 996,01�(0,1�10−4) = 0.099601 ��/� Menghitung bilangan Reynold
�� = 4�(0,09960132 ) 3,14�0.0115�(0,0007776
2 )= 886,79 ( Re <2300, Aliran Laminar)
Aliran merupakan aliran laminar dimana Re <2300, maka dapat dihitung dari persamaan 2. ��= 1,86(��.��.� �) 1 3 � ( � ��)0,14
Karena untuk mencari bilangan Nusselt membutuhkan variabel L yaitu panjang tabung, sedangkan panjang tabung belum diketahui, maka panjang tabung dapat dicari dengan try and eror dengan persamaan:
�= ������� ��� 3,14 � 32 Iterasi I:
Menghitung laju perpindahan panas (Q):
��= �ℎ = (0,0001�996,01)�4178,1 �
�� �(38−25) = 5409,85 ���� Menghitung luas area tabung:
� =� � � � ∆�5409,85
��
Dimana F (faktor koreksi) dapat dicari dengan terlebih dahulu menghitung P dan R
� =38−25
60−25= 0,37143 dan, � =6038−25−47,1 = 0,9923
Selanjutnya F dicari melalui grafik untuk satu laluan cangkang dan 2,4,6 laluan tabung:
Gambar 4.5 Grafik faktor koreksi
Didapat faktor koreksi (F) sebesar 0,942
Menghitung perbedaan temperatur rata-rata (ΔTlm)
ΔTlm = ΔT1 = ΔT2 = 22o
C
Menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) 1 �= 1 ℎ�+ 1 ℎ�+ � �+���+���
Dari tabel 2.3 Diperoleh nilai faktor pengotoran untuk kedua fluida, yaitu: Air belerang (Rf,i) = 0.0002 m2 oC/W
Air (Rf,o) = 0.0001 m2 oC/W
Dari tabel 2.2 dapat diasumsikan koefisien pindahan panas pada sisi tabung dan cangkang. Asumsi: hc = 350 W/m2 K hf = 350 W/m2 K � = 1 �3501 + 1 350+0,0006 401 + 0,0002 + 0,0001�= 163,9394 � �2�
Jadi luas area tabung adalah: � = 5409,85
163,9394 � 0,942 � 22 = 1,5923 �2 Panjang tabung:
�= 1,5923
0,0115 � 3,14 � 32= 1,378 � Mencari bilangan Nusselt
��= 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115
1,378� � (�� ℎ� )0,14
Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara , sehingga:
��� = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,01151,378�= 6,304 Maka koefisien pindahan panasnya:
ℎ� = 0,6193 � �6,24540,0117�= 333,667 �
�2
� �
Analisis Fluida di dalam cangkang:
Menghitung kecepatan massa aliran didalam cangkang:
�� =
0,1003
0,1464 � 0,0762 � (0,01905−0,0127) 0,01905
= 26,9714 ��/�2�
Menghitung diameter hidrolik:
�ℎ =4 � (0,019052)
3,14 � 0,0127 −0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold:
�� =26,9714 � 0,0237
0,00073825 = 865,91(Re < 2300, Aliran laminar) Menghitung bilangan Nusselt:
��� = 1,86 �865,91 � 3,339 � 0,14641,378�= 12,55
Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara
Menghitung koefisien pindahan panasnya:
ℎ� =
12,45 � 0,6465
0,0237 = 342,3236 �/�2� Menghitung suhu pada dinding tabung (Tt)
�� = (333,667 � 31,5)+(342,3236 � 53,55)
333,667+342,3236 = 42,67�� Menghitung parameter dinding tabung tembaga
Dilihat pada tabel dengan Tt = 42,67oC = 315,67 K a. Untuk air belerang
T (K) µ.10-6 (N s/m2) 313 847 315,67 µtf 323 768 313−315,67 313−323 = 847− μ�� 847−768 µtf = 825,9 x 10-6 N s/m2 b. Untuk air T (K) µ.10-6 (N s/m2) 315 631 315,67 µtf 320 577 315−315,67 315−320 = 631−μ�� 631−577 µtf = 623,7764 x 10-6 N s/m2
Menghitung koefisien konveksi fluida dingin sebenarnya (hc) Mencari Bilangan Nusselt
���′ = 6,304 � � 0,0007776 0,0006237764�
0,14
= 6,5013
Setelah mendapatkan bilangan Nusselt sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida dingin sebenarnya (hi)
ℎ� = 0,6193 � �6,50130,0117�= 344,124 �
�2
� � Menghitung koefisien konveksi fluida panas sebenarnya (hf)
Mencari Bilangan Nusselt
���′ = 12,55 � �0,00073825 0,000826 �
0,14
= 12,3543
Setelah mendapatkan bilangan Nusselt yang sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida panas sebenarnya (hf)
ℎ�= 0,6465 � �12,25430,0237�= 336,99 �
�2
� �
Setelah didapatkan nilai hc dan hf, ternyata belum sama dengan nilai hc dan hf asumsi sebelumnya, maka dilakukan iterasi ke 2.
Iterasi 2: hc = 344,124 W/m2 K hf = 336,99 W/m2 K � = 1 �344,1241 + 1 336,99+0,0006 401 + 0,0002 + 0,0001� = 161,95 �/�2�
Jadi luas area tabung adalah: � = 5409,85
161,95 � 0,942 � 22= 1,612 �2 Panjang tabung:
�=0,0115 � 3,14 � 321,612 = 1,395 � Mencari bilangan Nusselt
��= 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,01151,395� � ( � �� ℎ)
0,14
Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara , sehingga:
��� = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,01151,395�= 6,278 Maka koefisien pindahan panasnya:
ℎ� = 0,6193 � �6,278
0,0117�= 332,3065 �
�2
Analisi Fluida di dalam cangkang:
Menghitung kecepatan massa aliran didalam cangkang: �� = 0,1464 � 0,0762 0,1003� (0,01905−0,0127)
0,01905
= 26,9714 ��/�2� Menghitung diameter hidrolik:
�ℎ =4 � (0,019052)
3,14 � 0,0127 −0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold:
�� =26,9714 � 0,0237
0,00073825 = 865,91(Re < 2300, Aliran laminar) Menghitung bilangan Nusselt:
��� = 1,86 �865,91 � 3,339 � 0,14641,395 �= 12,5
Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara
Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ� =12,5 � 0,6465
0,0237 = 340,927 �/�2� Menghitung suhu pada dinding tabung (Tt)
�� = (332,3065 332,3065+340,927� 31,5)+(340,927 � 53,55)= 42,666�� Menghitung koefisien konveksi fluida dingin sebenarnya (hc) Mencari Bilangan Nusselt
���′ = 6,278 � �0,00062377640,0007776 � 0,14
= 6,475
Setelah mendapatkan bilangan Nusselt sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida dingin sebenarnya (hi)
ℎ� = 0,6193 � �0,01176,475�= 342,72 �
�2
Menghitung koefisien konveksi fluida panas sebenarnya (hf) Mencari Bilangan Nusselt
���′ = 12,5 � �0,000738250,000826 � 0,14
= 12,304
Setelah mendapatkan bilangan Nusselt yang sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida panas sebenarnya (hf)
ℎ�= 0,6465 � �12,3040,0237�= 335,614 � �2 � � Iterasi 3: hc = 342,72 W/m2 K hf = 335,614 W/m2 K � = 1 �342,721 + 1 335,614+0,0006 401 + 0,0002 + 0,0001� = 161,3178 �/�2�
Jadi luas area tabung adalah: � = 5409 ,85
161,3178 � 0,942 � 22 = 1,6182 �2 Panjang tabung:
�= 1,6182
0,0115 � 3,14 � 32= 1,4 �
Mencari bilangan Nusselt
��= 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115
1,4 � � (�� ℎ� )0,14
Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara , sehingga:
��� = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115
1,4 �= 6,27 Maka koefisien pindahan panasnya:
ℎ� = 0,6193 � �0,01176,27 �= 331,91 � �2 � �
Analisi Fluida di dalam cangkang:
Menghitung kecepatan massa aliran didalam cangkang: �� = 0,1464 � 0,0762 0,1003� (0,01905−0,0127)
0,01905
= 26,9714 ��/�2� Menghitung diameter hidrolik:
�ℎ =4 � (0,019052)
3,14 � 0,0127 −0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold:
�� =26,9714 � 0,0237
0,00073825 = 865,91(Re < 2300, Aliran laminar) Menghitung bilangan Nusselt:
��� = 1,86 �865,91 � 3,339 � 0,1464
1,4 �= 12,484 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara
Menghitung koefisien pindahan panasnya:
ℎ� =12,484 � 0,6465
0,0237 = 340,521 �/�2� Menghitung suhu pada dinding tabung (Tt)
�� = (331,91 � 31,5)+(340,521 � 53,55)
331,91+340,521 = 42,666��
Menghitung koefisien konveksi fluida dingin sebenarnya (hc) Mencari Bilangan Nusselt
���′ = 6,27 � �0,00062377640,0007776 � 0,14
= 6,467
Setelah mendapatkan bilangan Nusselt sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida dingin sebenarnya (hi)
ℎ� = 0,6193 � �6,467
0,0117�= 342,3124 � �2
� �
Mencari Bilangan Nusselt
���′ = 12,484 � �0,00073825 0,000826 �
0,14
= 12,3
Setelah mendapatkan bilangan Nusselt yang sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida panas sebenarnya (hf)
ℎ�= 0,6465 � �0,023712,3 �= 335,214 �
�2
� �
Setelah dilakukan Iterasi ke 2, mendapatkan hc dan hf yang sangat mendekati nilai asumsi yang dipakai, sehingga didapatkan panjang tabung alat penukar kalor yang akan dirancang adalah sebesar 1,4 meter.