BAB IV ANALISA DATA dan PEMBAHASAN
4.2 Perhitungan Data Aktual
Perhitungan data adalah perhitungan dengan data – data kondisi operasi alat penukar kalor yang sebenarnya terjadi dilapangan. Adapun data yang dimaksud adalah sebagai berikut :
∼ Tekanan kerja steam masuk alat penukar kalor 7 bar
∼ Flow rate residua l oil yang akan dipanaskan 15420 l/hr
∼ Temperatur inlet residual oil 32 oC
∼ Temperatur outlet residual oil 120 oC
4.2.1 Neraca Panas
a. Fluida Dingin Residual Oil
Sebelum menghitung nilai kalor residual oil, terlebih dahulu harus mengetahui sifat fisik fluida tersebut. Untuk mengetahui sifat fisik fluida
residual oil, maka harus mengetahui temperatur fluida rata – rata Tr . Untuk mencari nilai Tr dapat dinyatakan dengan rumus berikut, yaitu :
Dari nilai temperatur diatas diperoleh sifat fisik fluida cp 1,984 ,
(lihat lampiran I)
Maka :
b. Fluida Panas Steam
Pada kondisi ini dianggap pada temperatur ideal, dimana tidak terjadi penurunan temperatur atau dengan kata lain temperatur masuk dan temperatur keluar sama, tetapi terjadi perubahan fasa uap menjadi cair / kondensasi. Sebelum menghitung nilai kalor steam terlebih dahulu harus mengetahui sifat fisik fluida. Dari lembar lampiran pada pressure kerja steam 7 Bar diperoleh Tsaturated 165 oC. Selanjutnya dihitung temperatur rata – rata Tr. Temperatur rata – rata fluida dapat dinyatakan dengan rumus berikut:
Pada nilai temperatur 165 0C, maka dari lampiran D diperoleh sifat fisik fluida sebagai berikut:
hfg = 2066 kJ / kg
ρ = 3,666 kg / m3
Selanjutnya dihitung harga laju aliran massa uap yang mengalir di dalam
tube alat penukar kalor. Dimana untuk menghitung laju aliran massa uap dapat dihitung sebagai berikut :
4.2.2 Log Mean Temperature difference
Tabel 4.3 Beda Temperatur Fluida Kondisi Data Aktual
Keterangan Fluida panas o Fluida dingin Beda temperatur C ( oF ) oC ( oF ) oC ( oF ) Temperatur tinggi 165 ( 329 ) 120 ( 248 ) 45 ( 81 ) Temperatur rendah 165 ( 329 ) 32 ( 89,6 ) 133 ( 239,4 ) Beda temperature 0 88 ( 158,4 ) -88 ( -158,4 )
Untuk menentukan beda temperatur yang sebenarnya, dicari besarnya P dan R, sehingga faktor koreksi temperatur Fc diketahui.
Pada kondisi ini terjadi perubahan fasa seperti kondensasi. Untuk kondisi ini R menjadi nol, sehingga Fc = 1,0
4.2.3 Temperatur Kalorik
Untuk menghitung temperatur kalorik fluida panas (tube) dan fluida dingin (shell) maka harus mengetahui harga fc masing – masing fluida. Harga fc dapat diketahui pada grafik faktor temperatur kalori dengan mengetahui nilai ∆tc / ∆th.
API gravity residual oil pada 60 0F = 17,18 dan selisih temperatur fluida residual 158,4 0F, maka kc = 1 dan dari lampiran N faktor fc temperatur kalori dengan data diatas diperoleh fc = 0.53
Maka :
Karena pada fluida steam (tube) temperatur fluida masuk dan keluar sama, maka harga tc = 165
4.2.4 Bilangan Reynold
Untuk menentukan besarnya bilangan Reynold pada shell, maka harus mengetahui luas laluan aliran shell, kecepatan aliran massa pada
shell, dan diameter ekuivalen. Adapun untuk mengetahui luas laluan aliran
shell dapat dinyatakan dengan rumus :
Untuk menghitung kecepatan aliran massa pada shell dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
Dan untuk menentukan diameter ekuivalen shell dengan susunan tube
Maka dari data diatas, dapat kita peroleh bilangan Reynold pada shell
dengan rumus berikut :
Dimana :
µ = viskositas fluida dalam shell (residual oil) pada
temperatur kalorik 73,36 oC, diperoleh dari lampiran K 101,1 mPa.s
Sehingga :
b. Bilangan Reynold Pada Tube
Untuk menentukan bilangan Reynold pada tube, maka terlebih dahulu harus mengetahui luas laluan aliran pada tube, kecepatan aliran
massa, dan viskositas fluida yang mengalir dalam tube. Adapun untuk mengetahui luas laluan aliran tube dapat dinyatakan dengan rumus :
Dimana nilai diperoleh dari lampiran “O”, untuk tube diameter 12,1 mm dan 14 BWG, maka = 0,0876 in2 = 56,516 x 10-6 m2
maka :
Untuk menghitung kecepatan aliran massa pada tube dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
Maka dari data diatas, dapat diperoleh bilangan Reynold pada tube dengan rumus berikut :
Dimana :
temperatur kalorik 165 oC, diperoleh dari daftar lampiran D 0,01447 mPa.s
sehingga :
4.2.5 Koefisien Perpindahan Panas
a. Koefisien Perpindahan Panas Pada Shell
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada shell dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
Dimana :
JH = faktor perpindahan panas pada shell
=
= 1,57
k = konduktivitas residual oil pada temperatur kalorik 73,36 oC
= (lihat lampiran K)
Pr = Prandtl number residual oil pada temperatur kalorik 73,36 oC = 1701 (lihat lampiran K)
Sehingga :
b. Koefisien Perpindahan Panas Pada Tube
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas pada tube dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
Dimana :
JH = faktor perpindahan panas pada tube, dimana dapat diperoleh pada lampiran kurva perpindahan panas pada tube didapat hubungan L/D = 2560,2 / 8,5 = 301,2 dengan bilangan Reynold 20037 maka diperoleh JH = 70 (lihat lampiran P)
k = konduktivitas steam pada temperatur kalorik 165 oC
= (lihat lampiran D)
Pr = Prandtlnumber steam pada temperatur kalorik 165 oC = 1,116 (lihat lampiran D)
Sehingga :
4.2.6 Temperatur Dinding Tube dan Koefisien Perpindahan Panas yang Dikoreksi
Untuk menentukan temperatur dinding tube, maka sebelumnya perlu ditentukan dahulu harga hio/ φt , dimana hio/ φt dapat diperoleh sebagai berikut :
Maka :
Pada temperatur dinding tube 116 oC, maka dari lampiran M dan F diperoleh sifat fisik masing – masing fluida sebagai berikut :
Tabel 4.4 Sifat Fisik Fluida Kondisi Data Aktual
Keterangan Residual oil Steam
Konduktivitas thermal ( W/m.K ) 0,1144 0,02651
Viskositas ( mPa.s ) 20,08 0,01297
Prandtl number ( Pr ) 371,7 1,038
Dari table diatas dapat ditentukan rasio viskositas masing – masing fluida, dimana viskositas residual oil ( shell ) dapat dinyatakan sebagai berikut :
Dan rasio viskositas steam ( tube ) dapat dinyatakan sebagai berikut :
Setelah diperoleh rasio viskositas masing – masing fluida, dapat ditentukan juga koefisien perpindahan panas yang dikoreksi. Adapun untuk mengetahui
masing – masing komponen perpindahan panas yang dikoreksi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Koefisien perpindahan panas yang dikoreksi pada shell
Koefisien perpindahan panas yang dikoreksi pada tube
4.2.7 Faktor Pengotoran
Untuk menentukan harga dari faktor pengotoran, maka terlebih dahulu menentukan harga koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk permukaan yang bersih Uc dan koefisien perpindahan panas keseluruhan Ud. Adapun untuk menentukan harga dari Uc dan Ud diperoleh sebagai berikut :
Dimana :
Qres = panas yang diserap oleh residual oil
A = Luas permukaan pada bagian luar tube
=
=
Maka :
Sehingga dari data diatas dapat ditentukan faktor pengotoran Rd sebagai berikut :
4.2.8 Pressure Drop
a. Pressure Drop Shell Side
untuk menghitung pressure drop shell side dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Dimana :
f = friction factor =
=
NB = 18 (jumlah baflle)
ρ = massa jenis residual oil pada temperatur kalorik 73,36 oC
Sehingga :
b. Pressure Drop Tube Side
Untuk menghitung pressure drop tube side dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Dimana :
f = friction factor =
=
NP = 2 ( jumlah pass / laluan )
ρ = massa steam pada temperatur kalorik 165 oC
= (lihat lampiran D)
v = kecepatan alir fluida =
Maka persamaan menjadi :
Karena pada saat fluida berubah arah ketika melakukan pass / laluan, dimana pass tube NP > 1 , maka akan terjadi pressure drop tambahan yang disebabkan oleh konstraksi dan ekspansi pipa. Pressure drop tambahan ini dapat dihitung dengan persamaan berikut :
4.2.9 Efektivitas
Untuk menentukan nilai efektivitas alat penukar kalor dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
Oleh karena yang mempunyai nilai C minimum mungkin fluida yang panas atau yang dingin, maka ada dua nilai efektivitas yang mungkin.
Dimana :
Ch = kapasitas minimum fluida panas =
Cc = kapasitas minimum fluida dingin =
Thi = temperatur masuk fluida panas Tho = temperatur keluar fluida dingin Tci = temperatur masuk fluida dingin
Tco = temperatur keluar fluida dingin
Kapasitas panas aliran fluida selama proses perubahan fasa mendekati tak terhingga karena perubahan temperatur pada kenyataannya sama dengan nol.
Maka , seperti gambar dibawah ini.
Karena , maka efektivitas pada kondisi