PERANCANGAN HEAT EXCHANGER

PERANCANGAN HEAT EXCHANGER

One Shell Pass and One Tube Pass

Pengertian



HE adalah alat yang berfungsi sebagai alat

penukar panas (kalor)



Dilihat dari fungsinya dapat dinamakan :



Pemanas (heater)



Pendingin (cooler)



Vapourizer/Reboiler (Penguapan)

Klasifikasi HE

HE

Proses

Perpindahan Konstruksi Pengaturan_Aliran Jumlah_Fluida

Mekanisme Perpindahan

Panas

Klasifikasi HE

Proses

Perpindahan

Kontak

Klasifikasi HE

Kekompakan

Permukaan

Kompak

(Densitas luas

permukaan



700 m

2

_/m

3

₎

Tak Kompak

(Densitas luas

permukaan <

700 m

2

_/m

3

₎

(a) Fin-tube (flat tubes, continuous plate fins)

(b) Fin-tube (circular tubes, continuous plate fins) (c) Fin-tube (circular tubes, circular fins)

(d) Plate-fin (single pass) (e) Plate-fin (multipass)

Compact Heat Exchangers



Digunakan secara luas untuk menerima

laju panas yang besar per satuan

volume

, khususnya saat satu atau kedua fluidanya gas.



Dikarakterisasi oleh

luas permukaan perpindahan panas yang besar,

Klasifikasi HE

Konstruksi

TABUNG (Tubular) Double-pipe Shell- and-Tube Plate

Baffle BaffleROD

Spiral Tube

TALAM (Plate)

Gasketed Spiral Lamella

EXTENDED SURFACE Plate-Fin Tube-Fin REGENERATIF Rotory

Disk-Type Drum-Type

Fixed-Matrix

One Shell Pass and One Tube Pass

One Shell Pass, Two Tube Passes Two Shell Passes, Four Tube Passes

Shell-and-Tube Heat Exchangers



Baffles

are used to establish a cross-flow and to induce turbulent

mixing of the

shell-side fluid

, both of which enhance convection.

Extended Surface HE



Digunakan jika koefisien perpindahan panasnya sangat kecil,

sehingga memerlukan luas perpindahan panas yang besar untuk

menaikkan laju perpindahan panasnya

Klasifikasi HE

PENGATURAN ALIRAN

Single Pass

Parallel

Flow Counter Flow Cross Flow

Multi Pass Extended Surface Cross counter flow Cross parallel flow Extended Surface Parallel counter flow –

Shell & Fluid Mixed – N Shell Passes – N Tube Passes

Split Flow Devided_Flow

Multi Pass

N-Parallel Plate

Type HE



Concentric-Tube Heat Exchangers

Tipe HE



Cross-flow Heat Exchangers

Finned-Both Fluids Unmixed

Unfinned-One Fluid Mixed the Other Unmixed

Klasifikasi HE

JUMLAH

FLUIDA

Dua

Klasifikasi HE

MEKANISME PERPINDAHAN PANAS Konveksi Fasa Tunggal (Forced or Free) Konveksi Dua Fasa(Kondensasi atau Evaporasi), Forced or Free Kombinasi Konveksi dan Radiasi

Kriteria Pemilihan HE

1. Bahan konstruksi

2. Tekanan dan suhu operasi, program suhu dan driving force suhu 3. Laju alir

4. Susunan aliran

5. Parameter kinerja -- efektivitas panas dan jatuh tekanan 6. Kecenderungan pengotoran

7. Jenis dan fasa fluida

8. Pemeliharaan, inspeksi, pembersihan, ekstensi, dan kemungkinan perbaikan 9. Keekonomian menyeluruh

10. Teknik fabrikasi 11. Tujuan aplikasi

Kebutuhan HE

1.

Efektivitas panas tinggi

2.

Jatuh tekanan serendah mungkin

3.

Kehandalan dan harapan hidup

4.

Produk berkualitas tinggi dan operasinya

PROSEDUR DISAIN HE

8 April 2014

Kerangka Pembelajaran



Dua Kriteria Utama Disain HE



Persamaan Neraca Energi



Perpindahan Kalor



Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas

Dua Kriteria Utama Disain HE



Fouling (dirty) factor



>0.003



Pressure drop

Persamaan Neraca Energi



_h

_i

_h

_o



_c

_p

_c



_c

_i

_c

_o



h

p

h

c

t

t

m

c

t

t

m

_,

_,



_,



_,

_,



_,

m

_h

= laju alir massa aliran panas

m

_c

= laju alir massa aliran dingin

c

_p,h

= panas jenis aliran panas

c

_p,c

= panas jenis aliran dingin

t

_h,i

= suhu aliran panas masuk

t

_h,o

= suhu aliran panas keluar

t

_c,i

= suhu aliran dingin masuk

t

_c,o

= suhu aliran dingin keluar

Perpindahan Kalor



_h

_i

_h

_o



_c



_c

_i

_c

_o



h

t

t

C

t

t

C

q



_,



_,



_,



_,



t

_h

_i

t

_c

_i



C

q

_max



_min

_,



_,

Persamaan Umum Perpindahan Panas melalui

Permukaan

m

T

UA

Q





Q = heat transferred per unit time, W;

U = the overall heat transfer coefficient, W/m

2

_.

o

_C;

A = heat transfer area, m

2

_;



T

_m

= the mean temperature difference, the temperature driving

Overall Heat Transfer Coefficient (U)

i i o id i o w i o o od o o

d

h

d

h

d

d

k

d

d

d

h

h

U

1

.

1

.

2

ln

1

1

1























U_o = the overall coefficient based on the outside area of the tube, W/m2_.o_C; h_o = outside fluid film coefficient, W/m2_.o_C;

h_i = inside fluid film coefficient, W/m2_.o_C;

h_od = outside dirt coefficient (fouling factor), W/m2_.o_C; h_id = inside dirt coefficient, W/m2_.o_C;

k_w = thermal conductivity of the tube wall material, W/m.o_C; d_i = tube inside diameter, m;

Metode Dasar untuk Kalkulasi Efektivitas Panas

1.

Metode



-NTU

2.

Metode P-NTU

3.

Metode LMTD

4.

Metode



-P



NTU: Number of Transfer Units





: Heat exchanger effectiveness



P: Thermal effectiveness

Contoh 1: Perhitungan LMTD



Fluida panas masuk peralatan pipa-konsentrik

pada suhu 300

o

_{F dan didinginkan ke 200}

o

_F

dengan fluida dingin yang masuk pada 100

o

_F

dan dipanaskan hingga 150

o

_F.



Apakah seharusnya disusun secara paralel

Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW PARALEL FLOW

Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin (T1) 300 (t2) 150 150 (t2) (T1) 300 (t1) 100 200 (t2) (T2) 200 (t1) 100 100 (t1) (T2) 200 (t2) 150 50 (t1) 50 (t2-t1) 150 (t2-t1)

LMTD

 1

123.3 LMTD

108

2 log 3 . 2 1 2 t t t t       _{ } 1 2 log 3 . 2 1 2 t t t t      

Contoh 2: Perhitungan LMTD dengan Suhu Keluar

Sama



Fluida panas masuk peralatan

pipa-konsentrik pada suhu 300

o

_{F dan}

didinginkan ke 200

o

_{F dengan fluida}

dingin yang masuk pada 150

o

_{F dan}

Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW PARALEL FLOW

Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin

(T1) 300 (t2) 200 100 (t2) (T1) 300 (t1) 150 150 (t2) (T2) 200 (t1) 150 50 (t1) (T2) 200 (t2) 200 0 (t1) 50 (t2-t1) 150 (t2-t1)

LMTD

_{ }

72

LMTD

0

1 2 log 3 . 2 1 2 t t t t       _{ } 1 2 log 3 . 2 1 2 t t t t      

Contoh 3: Perhitungan LMTD Saat



t

_c

>



t

_h



Fluida panas masuk peralatan

pipa-konsentrik pada suhu 300

o

_{F dan}

didinginkan ke 200

o

_{F secara aliran}

kontra, dengan fluida dingin yang masuk

pada 100

o

_{F dan dipanaskan hingga}

Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW PARALEL FLOW

Fluida Panas Fluida Dingin

(T1) 300 (t2) 275 25 (t_h) (T2) 200 (t1) 100 100 (t_c) 75 (t_c-t_h)

LMTD

 1

54.3

2 log 3 . 2 1 2 t t t t      

Contoh 4: Perhitungan LMTD dengan Satu Fluida

Isotermal



Fluida dingin dipanaskan dari suhu

100

o

_{F hingga 275}

o

_{F dengan uap}

Dua Macam Aliran

COUNTERFLOW PARALEL FLOW

Fluida Panas Fluida Dingin Fluida Panas Fluida Dingin

(T1) 300 (t2) 275 25 (t2) (T1) 300 (t1) 100 200 (t2) (T2) 300 (t1) 100 200 (t1) (T2) 300 (t2) 275 25 (t1)

LMTD

_{ }

SAMA LMTD

SAMA

1 2 log 3 . 2 1 2 t t t t       _{ } 1 2 log 3 . 2 1 2 t t t t      

Suhu Kalorik atau Suhu Rata-rata



Suhu Kalorik untuk FLUIDA PANAS



Suhu Kalorik untuk FLUIDA DINGIN



F

_c

adalah faktor suhu kalorik pada

(Fig. 17 Kern)



₁

₂



2

F

T

T

T

T

_c





_c





₂

₁



1

F

t

t

t

t

_c





_c



c c h c

U

U

U

K





Contoh 5



Minyak mentah dengan 20

o

API

didinginkan dari 300

o

_{F ke 200}

o

_{F dengan}

memanaskan gasolin dingin 60

o

_{API dari}

80 ke 120

o

_{F dalam peralatan}

beraliran-kontra. Berapa suhu untuk mengevaluasi

U?

Jawaban



Minyak mentah

: pada selisih suhu 100

o

F maka

Kc=0.68 (Fig. 17 Insert)



Gasolin

: pada selisih suhu 40

o

F maka Kc



0.1

SHELL TUBE Minyak Mentah 20o_API Gasolin 60o_API 300 Suhu Tinggi 120 180 (t₂) 200 Suhu Rendah 80 120 (t₁) 250 Mean 100 100 Selisih 40

Jawaban



Dipakai Kc yang terbesar: 0.68



∆𝑡

1

∆𝑡

₂

=

120

180

= 0.667  Fc = 0.425



Tc = 200 + (0.425)(100) = 242.5

o

F



tc = 80 + (0.425)(40) = 97.0

o

F

DOUBLE-PIPE HEAT EXCANGER

HE PIPA GANDA

INPUT

1.

Ukuran pipa (panjang, IPS dan Schedule

untuk annulus dan inner pipe)

2.

Suhu masuk dan keluar (fluida panas dan

dingin)

3.

Laju massa fluida dingin

Prosedur Disain

Hitung T

_av

,

t

_av

, c, Q, W

LMTD

Perhitungan

h

_o

dan h

_io

Perhitungan

U, A dan Rd

Pressure

Drop

1. Hitung T

_av

, t

_av

, c, Q, W



_{2 1}



2 1

.

.

2

t

t

c

w

c

t

t

t

_av









Q

2

Fig.

dari

Hitung



_{2 1}



2 1

.

2

T

T

c

Q

c

T

T

T

_av









W

2

Fig.

dari

Hitung

2. LMTD

T

₁

T

₂

t

₁

t

₂

∆t

1

∆t

₂

















































1 2 1 2 1 2 1 2

log

3

.

2

ln

t

t

t

t

t

t

t

t

LMTD

3. Perhitungan h

_o

dan h

_io

 D₂ (ID Annulus, Table 11)

 D₁ (OD Inner-pipe, Table 11)  Flow Area:

 Diameter Ekuivalen (D_e):

 Mass velocity:

 Viskositas:  (Fig. 14 pada

T_av) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr))

ANNULUS, HOT FLUID INNER PIPE, COLD FLUID





4 2 1 2 2 D D a_a    1 2 1 2 2 D D D D_e   a a a W G 

 D (ID Inner-pipe, Table 11)

 Flow Area:

 Mass velocity:

 Viskositas:  (Fig. 14 pada

T_av) x 2.42 (konversi ke lb/(ft)(hr)) 4 2 D a_p   p p a w G 

3. Perhitungan h

_o

dan h

_io

 Re:

 Heat transfer factor j_H

diperoleh dari Fig. 24

 k_a (konduktivitas) diperoleh

dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS)

 h_o (koefisien film):

ANNULUS, HOT FLUID INNER PIPE, COLD FLUID

a a e a G D   Re 14 . 0 3 / 1                    w e a H o k c D k j h     Re:

 j_H diperoleh dari Fig. 24  k (konduktivitas) diperoleh

dari Table 4 (LIQUID) atau Table 5 (GAS)  h_i (koefisien film): p p p DG   Re 14 . 0 3 / 1                    w H i k c D k j h           OD ID h h_{io i} 0 . 1 14 . 0        w  

Konduktivitas

panas: LIQUID

Konduktivitas

panas: GAS

4. Perhitungan U, A dan Rd

D C D C CALC d AKTUAL D AKTUAL D d C C D o io o io C U U U U R LMTD A Q U L A A L LMTD U Q A R U U U h h h h U            length foot per Surface External * (AKTUAL) 11) (Table length foot per Surface External 1

5. Pressure Drop (< 10 psi)

 Hitung De’:  Hitung Re’:

 Hitung f (Eq. 3.47b)

 Specific gravity, s (Table 6)   = s x 62.5

 Hitung F_a:

 Hitung velocity (V):

 Entrance and exit losses:

 Pressure Drop:

ANNULUS, HOT FLUID INNER PIPE, COLD FLUID

1 2 ' D D D_e   a a a G D e  ' ' Re  42 . 0 ' 264 . 0 0035 . 0 e R f   ' 2 2 2 4 e a D g L fG F a    dphe l n g V F ' 2 2    3600 a G V    144  l a a F F P      Hitung f (Eq. 3.47b)

 Specific gravity, s (Table 6)   = s x 62.5  Hitung F_p:  Pressure Drop: 42 . 0 264 . 0 0035 . 0 e R f   D g L fG F p p 2 2 2 4    144  p p F P   

Contoh 6.1



Diinginkan untuk memanaskan 9820 lb/hr Benzena dingin dari

80 ke 120

o

_{F menggunakan Toluena panas yang menjadi dingin}

dari 160 ke 100

o

_F



Specific gravity pada 80

o

F masing-masing 0.88 dan 0.87



Fouling factornya 0.002, sedangkan pressure drop yang

diperkenankan adalah 10.0 psi



Sejumlah pipa hairpin: 20-ft, IPS 2 x 1¼ in tersedia

LATIHAN



Diinginkan untuk memanaskan 9820 lb/hr Benzena

dingin dari 85 ke 130

o

_{F menggunakan Toluena panas}

yang menjadi dingin dari 160 ke 95

o

_F



Fouling factornya 0.002, sedangkan pressure drop yang

diperkenankan adalah 10.0 psi



Sejumlah pipa hairpin: 20-ft, IPS 2½ x 1¼ in tersedia



Berapa diperlukan pipa hairpin?

Rangkaian Susunan Paralel



Hasil perancangan DPHE dalam contoh sebelumnya

memiliki



P di bawah yang diperkenankan (10.0

psi)



Bagaimana kalau ternyata melebihinya (15 atau

20 psi)?



Alternatifnya adalah mem-by-pass sebagian

Dua Susunan Aliran

Rangkaian DPHE (counterflow)

Konsekuensi Perubahan Aliran



Ada dua konsekuensi perubahan aliran ini

1.

Penurunan kecepatan massa G

_a

dan koefisien

film h

_i

, sehingga akan

menurunkan U

_C

2.

Rentang suhu fluida panas akan lebih besar

tergantung dari berapa porsi aliran yang

Beda Suhu Sebenarnya (∆t)



T

₁

t

₁



t

















































 







'

1

'

1

'

1

'

log

1

'

'

3

.

2

'

1

1/

R

P

R

R

R

nR

P

n





1₂ 2₁



'

₁2 ₁1

'

t

T

t

T

P

t

t

n

T

T

R













dan

Satu Rangkaian Aliran Dingin dan n Paralel

Aliran Panas











































"

"

1

"

1

log

"

1

3

.

2

"

1

1/

R

P

R

R

n

P

n







1 1 2 1 1 2 2 1

"

"

t

T

t

T

P

t

t

T

T

n

R













dan

Contoh 6.2



DPHE beroperasi dengan fluida panas

dalam rangkaian dari 300 sampai 200

o

_F

dan fluida dingin dalam 6 aliran paralel

dari 190 sampai 220

o

_F

Jawaban

FLUIDA PANAS FLUIDA DINGIN 300 T₁ 190 t₁ 200 T₂ 220 t₂



 



300 190 0.091 190 200 ' 190 220 6 200 300 ' 1 1 1 2 1 2 2 1               t T t T P t t n T T R 0.558 dan

244

.

0

727

.

3

'

1

'

1

'

1

'

log

1

'

'

3

.

2

'

1

1/













































 











R

P

R

R

R

nR

P

n



T

t







F

t



₁



₁



0

.

244

300



190



26

.

8

o





HE dengan KOREKSI VISKOSITAS (



)



Fig. 24 asumsinya



(



/



_w

)

0.14

= 1.0



Mengabaikan deviasi sifat-sifat fluida dari aliran isotermal



Untuk fluida nonviskos pada proses pemanasan atau

pendinginan tidak membuat kesalahan pada koefisien

perpindahan panas



Namun ketika suhu dinding-pipa berbeda dengan suhu

Koreksi Viskositas

p p io io a a o o e a H a o w a a a e a H o h h h h k c D k j h k c D k j h a























                                                          : s viskosita Koreksi dengan 3 / 1 14 . 0 3 / 1 1 o io o io C

h

h

h

h

U





Suhu Dinding (t

_w

)



_c

_c



h

h

h

c

w

t

T

t

t

p io a o a o















Penentuan Sifat Fluida



Untuk fluida non-oil menggunakan SUHU

RATA-RATA



Untuk fluida oil menggunakan SUHU KALORIK



Untuk fluida oil yang VISKOS, menggunakan

SUHU DINDING (tw) untuk menentukan viskositas

di dinding pipa

Contoh 6.3



6900 lb/hr dari 26

o

API lube oil harus didinginkan dari 450 ke 350

o

F

dengan 72500 lb/hr 34

o

_{API mid-continent crude oil. Crude oil}

dipanaskan dari 300 ke 310

o

_F.



Fouling factornya 0.003 harus disediakan tiap aliran dan jatuh

tekanan yang diperkenankan 10.0 psi.



Sejumlah 20-ft hairpins ukuran 3x2 in. IPS tersedia. Berapa banyak

harus digunakan dan bagaimana susunannya?



Viskositas crude oil dari Fig.14. Untuk lube oil viskositasnya 1.4 cP