31 4. Menghitung perkiraan perpindahan panas, U f : a) Koefisien konveksi di dalam tube, hi b) Koefisien konveksi di sisi shell, ho c) Koefisien perpi

(1)

3.1 Tujuan

Dalam proses ini untuk menetukan hasil design oil cooler minyak mentah (Crude

Oil) untuk jenis shell and tube. Untuk mendapatkan hasil design yang paling optimal

untuk jumlah tube dan panjang tube. Sebelum mendapatkan hasil jumlah tube dan panjang tube yang optimal ada beberapa langkah-langkah yang harus dilakukan antara lain, sebagai berikut :

1. Mengetahui Spesifikasi Design, antara lain :

a) Kondisi termal fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell b) Sifat-sifat fisik dari fluida kerja

2. Memberi Batasan Design, antara lain : a) Kecepatan aliran di dalam tube b) Ukuran tube yang digunakan c) Tube lay-out

d) Jarak antar tube e) Jarak antar baffles

3. Menghitung Perkiraan jumlah tube, Nt :

a) Identifikasi laju aliran massa aliran di tube, m (kg/s) b) Pilih ukuran tube

c) Pilih kecepatan aliran ditube, v (m/s)

) untuk jenis shell and tube. Untuk mendapatkan hasil design yang paling optimal untuk jumlah tube dan panjang tube. Sebelum mendapatkan hasil jumlah tube dan panjang tube yang optimal ada beberapa langkah-langkah yang harus dilakukan antara lain, sebagai berikut :

Mengetahui Spesifikasi Design, antara lain :

a) Kondisi termal fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell b) Sifat-sifat fisik dari fluida kerja

Memberi Batasan Design, antara lain : a) Kecepatan aliran di dalam tube b) Ukuran tube yang digunakan c) Tube lay-out

(2)

4. Menghitung perkiraan perpindahan panas, Uf

:

a) Koefisien konveksi di dalam tube, hi b) Koefisien konveksi di sisi shell, ho c) Koefisien perpindahan panas, u = Uf

5. Menghitung panjang tube, L

a) Hitung keseimbangan energi sisi tube dan sisi shell b) Hitung beda temperatur logaritmik

c) Hitung luas total perpindahan panas, Atot d) Hitung panjang tube

Menghitung panjang tube, L

a) Hitung keseimbangan energi sisi tube dan sisi shell b) Hitung beda temperatur logaritmik

c) Hitung luas total perpindahan panas, Atot d) Hitung panjang tube

(3)

3.2 Spesifikasi design dan Batasan design

Gambar 3.1 Kondisi temperatur fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell

(Sumber : http://s1218.photobucket.com/albums/dd408/budisusanto1/ ) Tabel 3.1 Sifat-sifat Fisik Fluida Kerja

Fluida Air (Water) Fluida Minyak Mentah (Crude oil)

Massa Jenis,ρ 995 kg/m3 Massa Jenis, ρ 786,4 kg/m3

Viskositas Dinamik, μ 0,00072 Ns/m2 Viskositas Dinamik, μ 0,00189

Ns/m2

Konduktifitas Thermal, k 0,605 W/mK Konduktifitas Thermal,

k

0,122 W/mK

Panas jenis, Cp 4186,8 J/kg-K Panas jenis, Cp 2177 J/kg-K

Bilangan Prant, Pr 6,29 Bilangan Prant, Pr 33,73

Hot Enggine oil 120 oC, mh=63 kg/s Water 71oC mc=45 kg/s Oil 60oC Water 28oC

Gambar 3.1 Kondisi temperatur fluida kerja pada sisi tube dan sisi shell

(Sumber : http://s1218.photobucket.com/albums/dd408/budisusanto1/ Tabel 3.1 Sifat-sifat Fisik Fluida Kerja

Fluida Air (Water) Fluida Minyak Mentah (Crude oil)

sa Jenis,ρ 995 kg/mmm Massa Jenis,33 ρ

skositas Dinamik, μ μ μ 0,00072 0,00072 Ns/mNs/mNs/m Viskositas Dinamik,22 μ μ μ 0,00189 0,00189

nduktifitas Thermal, k 0,605 W/mK Konduktifitas Thermal,

(4)

Tabel 3.2 Batasan Design Crude oil

Batasan Design Kecepatan aliran di dalam tube (0,7 – 1,3 m/s)

Ukuran Tube (1” do : 0,019 m – di : 0,016 m)

(¾” do : 0,0254 m – di : 0,0229m)

Tube Lay-out (600dan 900)

Jarak antar Tube (1,25 – 1,5)

Jarak antar Baffles (0,3 – 0,5 diameter shell)

Susunan tube, (600 CL = 0,87 dan 900 CL = 1 )

Tube membentuk 1 lintasan CTP = 0,93

3.3 Menghitung balance energi sisi shell, dengan persamaan dibawah ini :

Sebelum menghitung jumlah tube,kita harus mencari terlebih dahulu nilai dari Qh yaitu energi panas yang dilepaskan oleh oli, dengan persamaan rumus seperti dibawah ini :

= ( −

)……….……(3.1)

Sumber : (Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat

Exchanger))

y-out (60 dan 90 )

antar Tube (1,25 – 1,5)

antar Baffles (0,3 – 0,5 diameter shell)

n tube, (600 CL = 0,87 dan 900 CL = 1 )

membentuk 1 lintasan CTP = 0,93

3.3 Menghitung balance energi sisi shell, dengan persamaan dibawah ini :

Sebelum menghitung jumlah tube,kita harus mencari terlebih dahulu nilai dari Qh yaitu energi panas yang dilepaskan oleh oli, dengan persamaan rumus seperti dibawah ini :

(5)

Keterangan :

Qh : Energi panas yang dilepaskan oleh oli (j/s)

mh= Laju aliran pada oli (kg/s)

Cph = Panas jenis pada oli (j/kg-K)

Thi = Temperatur masuk pada oli (oC)

Tho = Temperatur keluar pada oli (oC)

Sehingga energi panas yang dilepaskan oleh oli, sama dengan energi yang diterima oleh air

Qh = Qc

Setelah nilai Qh diperoleh kemudian kita menghitung mc yaitu laju aliran pada air

3.4 Menghitung laju aliran air, dengan persamaan rumus dibawah ini :

Kemudian setelah nilai Qh diperoleh kemudian kita menghitung mc yaitu laju aliran

pada air, dengan persamaan rumus seperti di bawah ini : =

( )……….…..(3.2)

Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger) = Temperatur masuk pada oli ( C)

= Temperatur keluar pada oli (oC)

Sehingga energi panas yang dilepaskan oleh oli, sama dengan energi yang diterima oleh air

Qh = Qc

Setelah nilai Qh diperoleh kemudian kita menghitung mc yaitu laju aliran pada air

3.4 Menghitung laju aliran air, dengan persamaan rumus dibawah ini :

Kemudian setelah nilai Qh diperoleh kemudian kita menghitung m pada air, dengan persamaan rumus seperti di bawah ini :

(6)

Keterangan :

mc = Laju aliran pada air (kg/s)

Qc = Energi panas yang diterima oleh air (j/s)

Cpc = Panas jenis pada air (j/kg-K)

Tco = Temperatur keluar air (oC)

Tci = Temperatur masuk air (oC)

3.5 Menghitung luas penampang satu tube dengan persamaan rumus dibawah ini :

Setelah kita mendapatkan hasil dari Qh yaitu energi panas yang dilepaskan oleh oli dan mendapatkan hasil mc yaitu laju aliran pada air, kemudian kita menghitung A1t

yaitu luas penampang pada satu tube, dengan persamaan sebagai berikut :

=

( ) ………..……….(3.3) Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)

co = Temperatur keluar air ( C)

ci = Temperatur masuk air (oC)

enghitung luas penampang satu tube dengan persamaan rumus dibawah ini :

Setelah kita mendapatkan hasil dari Qh yaitu energi panas yang dilepaskan oleh oli dan mendapatkan hasil mc yaitu laju aliran pada air, kemudian kita menghitung A

itu luas penampang pada satu tube, dengan persamaan sebagai berikut :

(7)

Keterangan :

A1t : Luas penampang pada satu tube (m2)

di: Diameter dalam tube (m)

Kemudian setelah Qh = energi panas yang dilepaskan oleh oli telah dihitung, mc =

laju aliran pada air didapat juga dan A1t = luas penampang pada satu tube juga

telah diketahui. Maka sehingga kita dapat menghitung jumlah tube yang akan di dapatkan.

3.6 Menghitung perkiraan jumlah tube, Nt

Menghitung jumlah tube dengan rumus sebagai berikut :

=

………..……….………(3.4)

Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger)

Keterangan :

Nt : Jumlah Tube

mc: Laju aliran air (kg/s)

: Massa jenis air (kg/m3)

Um: kecepatan aliran dalam tube (m/s)

telah diketahui. Maka sehingga kita dapat menghitung jumlah tube yang akan di dapatkan.

3.6 Menghitung perkiraan jumlah tube, Nt

Menghitung jumlah tube dengan rumus sebagai berikut :

=

………..………

Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger

(8)

A1t: Luas penampang pada satu tube (m2)

Untuk mendapatkan hasil jumlah tube perlu kita hitung terlebih dahulu yaitu • Qh :energi panas yang dilepas oleh oli

• mc: Laju aliran air

• A1t

:

Luas penampang pada satu tube

3.7 Menghitung bilangan Reynolds sisi tube

Untuk mendapatkan nilai bilangan Reynolds,memakai rumus seperti dibawah ini :

=

………..(3.5)

Keterangan :

Re : Bilangan Reynolds ∶ Massa jenis air (kg/m3)

Um : kecepatan aliran dalam tube (m/s)

di : diameter dalam tube (m)

Kemudian setelah menghitung bilangan Reynolds, langkah selanjutnya menghitung koefisien gesekan di dalam tube

3.7 Menghitung bilangan Reynolds sisi tube

Untuk mendapatkan nilai bilangan Reynolds,memakai rumus seperti dibawah ini :

=

………..(3

Keterangan :

Re : Bilangan Reynolds

Massa jenis air (kg/m3) Massa jenis air (kg/m3) Massa jenis air (kg/m

(9)

3.8 Menghitung koefisien gesekan di dalam tube

Sedangkan untuk mendapatkan nilai koefisien gesekan di dalam tube,dapat menggunkan persamaan rumus sebagai berikut :

f = [1,58 ln Re-3,28]-2

………..……….(3.6)

Keterangan :

Re = Bilangan reynolds

Setelah mendapatkan nilai koefisien gesekan di dalam tube,kemudian kita mencari nilai bilangan nusselt

3.9 Menghitung bilangan Nusselt

Untuk menetukan nilai dari bilangan nusselt, dapat dicari dengan menggunakan persamaan rumus seperti dibawah ini :

=

( / )( )

, ( / ) , ₍ / ₎……….………..(3.7)

Keterangan :

f = Koefisien gesekan didalam tube

Keterangan :

Re = Bilangan reynolds

Setelah mendapatkan nilai koefisien gesekan di dalam tube,kemudian kita mencari nilai bilangan nusselt

3.9 Menghitung bilangan Nusselt

Untuk menetukan nilai dari bilangan nusselt, dapat dicari dengan menggunakan persamaan rumus seperti dibawah ini :

(10)

Pr = Bilangan Prandt

Setelah menghitung dari bilangan Reynolds, koefisien gesekan didalam tube dan menghitung bilangan nusselt dan mendapatkan semua nilai itu, sehingga kita bisa menggetahui nilai dari koefisen konveksi di dalam tube (hi).

3.10 Menghitung koefisien konveksi di dalam tube, hi

Setelah mendapatkan nilai dari bilangan Reynolds, koefisien gesekan didalam tube dan menghitung bilangan nusselt. Kemudian kita bisa mengetahui nilai dari koefisien konveksi di dalam tube (hi) dengan rumus seperti dibawah ini :

= .

………..………(3.8)

Keterangan :

Nui : bilangan Nusselt tube

hi : koefisien konveksi didalam tube (W/m2K)

Kc : Konduktifitas thermal air (W/mK)

Setelah mendapatkan nilai dari bilangan Reynolds, koefisien gesekan didalam tube dan menghitung bilangan nusselt. Kemudian kita bisa mengetahui nilai dari koefisien konveksi di dalam tube (hi) dengan rumus seperti dibawah ini :

= .

………..………(3.8)

Keterangan :

ui : bilangan Nusselt tube

(11)

3.11 Menghitung diameter shell

Langkah awal sebelum menghitung koefisien konveksi di sisi shell, terlebih dahulu mencari nilai dari diameter shell dengan rumus sebagai berikut :

= _,

……….…(3.9)

Keterangan :

D2s : Diameter shell (m)

Nt : Jumlah tube

CL : Susunan tube

CTP : Bentuk lintasan tube

PR = Pitch ratio

do = diameter luar tube (m)

Setelah nilai dari diameter shell diketahui, langkah kedua selanjutnya adalah menentukan jarak antar baffles dengan cara (pilih jarak baffles x Ds)

Keterangan :

s : Diameter shell (m)

: Jumlah tube

CL : Susunan tube

CTP : Bentuk lintasan tube

= Pitch ratio

(12)

3.12 Menghitung luas penampang aliran di sisi shell

Langkah ketiga sebelum luas penampang aliran di sisi shell di hitung, terlebih dahulu mencari nilai dari NTC dengan persamaan rumus sebagai berikut :

= Mencari nilai PT dengan cara PT = PR x do

Keterangan :

Ds : Diameter Shell (m)

PT : Pitch Tube

= ( − ) ………..(3.10)

Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger) Keterangan :

As = luas penampang sisi shell (m2)

Ds = diameter shell (m)

B = baffles erangan : Ds : Diameter Shell (m) : Pitch Tube = ( − ) ………..(3

Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger Keterangan :

= luas penampang sisi shell (m2)

(13)

3.13 Menghitung bilangan Reynolds sisi shell

Langkah ke empat yaitu menghitung bilangan Reynolds disisi shell dengan rumus seperti dibawah ini :

=

………...………(3.11)

Keterangan :

Re = bilangan Reynolds

ms = laju aliran oli (kg/s)

As = luas penampang aliran sisi shell (m2)

µ = viskositas dinamik (Ns/m2)

Setelah bilangan Reynolds dapat diketahui maka koefisien konveksi di sisi shell pun dapat di hitung.

3.14 Menghitung bilangan nusselt di sisi shell

_{= =}

0,20 , , _{……….(3.12)}

Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger) Sumber : (Practical Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchanger

Keterangan :

= bilangan Reynolds

= laju aliran oli (kg/s)

= luas penampang aliran sisi shell (mluas penampang aliran sisi shell (mluas penampang aliran sisi shell (m )22

µ = viskositas dinamik (Ns/mskositas dinamik (Ns/mskositas dinamik (Ns/m )22

(14)

Keterangan :

ho : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m2K)

do : Diameter luar tube (m)

k : Konduktifitas termal oli (W/mK)

Re : Bilangan Reynolds di sisi shell

3.15 Koefisien konveksi di sisi shell, ho

Langkah ke lima yaitu mencari nilai dari koefisien konveksi di sisi shell, ho dengan rumus dibawah ini :

= .

……….(3.13)

Sumber : (Mc.Graw-Hill, New York, 1985, Chapter 11, 12, 15) Keterangan :

Nuo: Bilangan nusselt di sisi shell

k : Konduktifitas thermal oli (W/mK)

Setelah nilai ho = koefisien konveksi di sisi shell di ketahui, maka bilangan nusselt bisa Re : Bilangan Reynolds di sisi shell

3.15 Koefisien konveksi di sisi shell, ho

Langkah ke lima yaitu mencari nilai dari koefisien konveksi di sisi shell, ho dengan rumus dibawah ini :

.

……….(3.

Sumber : (Mc.Graw-Hill, New York, 1985, Chapter 11, 12, 15) Keterangan :

(15)

3.16 Menghitung beda temperatur rata-rata logaritmik ∆T = T − T ………..………(3.14) ∆T = T − T ………..…………(3.15) ∆T , = ∆ ∆ (∆_∆ )………..…...(3.16) ∆T , = F . ∆T , ……….……..(3.17) Keterangan :

Tco = Temperatur keluar air (oC)

Tci = Temperatur masuk air (oC

Tho = Temperatur keluar oli (oC)

Thi = Temperatur masuk oli (oC)

Fc = Faktor coreksi

∆T , =Temperatur rata-rata shell dan tube ∆T = Temperatur rata-rata counter flow

∆T , = ∆ ∆ (∆ (∆ (_∆ (_∆ ( )………..… ∆T , = F . ∆T , ……….……. Keterangan :

co = Temperatur keluar air (oC)

(16)

3.17 Menghitung koefisien perpindahan panas, Uc

Menghitung koefisien Uc dengan rumus dibawah ini :

= + +

( / )

……….(3.18)

Keterangan :

do : Diameter luar tube (m)

hi : koefisien konveksi didalam tube (W/m2K)

Uc = Koefisien perpindahan panas yang bersih

3.18 Menghitung koefisien U= Uf dengan rumus dibawah ini :

=

………..(3.19)

Keterangan :

Uf = Koefisien perpindahan panas yang kotor

OS = Over design Keterangan :

Diameter luar tube (m)

koefisien konveksi didalam tube (W/m2K)

diameter dalam tube (m)

3.18 Menghitung koefisien U= Uf dengan rumus dibawah ini :

(17)

3.19 Menghitung harga over design

Menghitung harga over design, misal OS = 30%

=

………..………(3.20)

Keterangan :

OS = Over Design

3.20 Menghitung luas total perpindahan panas, Atot : A =

∆ , ……….……….(3.21)

Keterangan :

Atot = Luas total perpindahan panas

Q = Laju perpindahan panas (J/s)

∆T , =Temperatur rata-rata shell dan tube Keterangan :

OS = Over Design

3.20 Menghitung luas total perpindahan panas, Atot :

=

, ……….……….

(18)

3.21 Menghitung panjang tube, L : L = π ………..………(3.22) Keterangan : L = Panjang tube (m)

do = Diameter luar tube (m)

Nt = Jumlah tube L = Panjang tube (m)

do = Diameter luar tube (m)