MAKALAH TUGAS BESAR MATA KULIAH: ALAT PENUKAR KALOR:
DOUBLE PIPE
KELOMPOK 1: Abdul Jabbar (0706266) Alwin Nurman (0706266840) (07062668 40) Andre Grivanzi (0706266853) Ardhana Putranto (0706266891)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang banyak digunakan dalam industri, khususnya industri proses, manufaktur, dan industri kimia. Alat penukar kalor adalah suatu alat yang dapat menghasilkan perpindahan kalor dari suatu fluida ke fluida lain. Proses perpindahan kalor itu terjadi antara dua fluida yang dipisahkan oleh suatu batas dan mempunyai temperatur yang berbeda. Demikian besarnya peranan dan penggunaan alat penukar kalor dalam dunia industri,
sehingga
penelitian-penelitian
yang
diarahkan
dengan
maksud
untuk
mengoptimalkan fungsi dan unjuk kerja termal alat penukar kalor hingga kini tetap dikembangkan. Sebagai mahasiswa yang dipersiapkan untuk menghadapi tantangan aplikasi sistem dalam industri (alat penukar kalor), perlu adanya pelatihan mengenai basic kalkulasi atau analisa dari sistem alat penukar kalor secara aktual. Oleh karena itu, dilakukan-lah perancangan model beberapa jenis alat penukar kalor. Perancangan model alat penukar kalor mengharuskan mahasiswa menganalisa property dari alat penukar kalor yang telah tersedia seperti konstruksi, dimensi, sistematika dan kalkulasi perpindahan kalor untuk selanjutnya dapat merancang desain model yang memenuhi sebagian property tersebut atau keseluruhan property untuk model yang lebih baik. Perancangan alat penukar kalor dimulai dari model dapat memicu mahasiswa untuk lebih siap melakukan peningkatanpeningkatan performa alat penukar kalor. Peningkatan performa alat penukar kalor dapat membantu industri menjadi lebih baik. Pada laporan ini, alat penukar kalor yang akan dibahas adalah alat penukar kalor yang paling sederhana dan paling kompak yakni double pipe heat exchanger.
1.2 Tujuan Maksud dan tujuan yang ingin dicapai penulis dalam makalah ini adalah:
1. mempelajari rumus dasar dari sebuah alat penukar kalor yang paling sederhana. 2. menghitung heat balance dari alat penukar kalor. 3. menghitung over-all heat transfer coefficient 4. menghitung dan merancang sebuah alat penukar kalor (double pipe)
1.3 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan akan memberikan gambaran secara garis besar tentang apa yang akan dikemukakan dalam pokok bahasan. Adapun susunan sistematika penulisan makalah ini adalah sebagai berikut : 1.
Bab I. Pendahuluan
Pada bab ini diuraikan tentang alat penukar secara umum. Pada bab ini diuraikan mengenai latar belakang masalah, tujuan dan sistematika penulisan. 2.
Bab II. Dasar Teori
Pada bab ini diuraikan mengenai prinsip-prinsip dasar dan prinsip perhitungan pada double pipe. 3.
Bab III. Perhitungan
Pada bab ini diuraikan mengenai perhitungan rancangan sebuah alat penukar kalor (double pipe) 4.
Bab IV Penutup
Pada bab ini diuraikan mengenai kesimpulan dan saran dari perhitungan alat penukar kalor.
BAB 2 Dasar Teori
2.1
Double Pipe Heat Exchanger
Double pipe heat exchanger terdiri atas single tube dan jacket (Fig.1). Ketika fluida panas mengalir pada single tube dan fluida dingin mengalir pada jacket dan kalor (Q w) akan ditransfer melalui dinding dari tube dalam keadaan steady state. Kalor yang hilang pada fluida panas akan sama dengan kalor yang diterima dengan fluida dingin. Heat balance
Qw = W Cp (T1-T2)..... (i) qw = w cp (t2-t1)....... (ii) Qw=qw=q................. (iii)
Qw = panas yang diberikan oleh fluida panas (kcal/h) T = temperature fluida panas ( C ) W = aliran udara panas (kg/h) Cp = spesifik heat fluida panas (kcal/kg C) qw = fluida yang diterima oleh fluida dingin (kcal/h) t = temperature fluida dingin ( C ) w = aliran udara dingin (kg/h) cp = spesifik heat fluida dingin (kcal/kg C)
Ketika fluida berubah fase seperti berubah menjadi uap pada temperature tinggi maka fluid heat balance menjadi.
M + m Cp (T0 T0) = w cp ( t2 - t1 ) = q........(iv)
Q = jumlah heat yang ditransfer (dipindahkan) (kcal/h) m = jumlah fluida yang dikondensasikan (kg/h) = spesifik heat dari uap (kcal/kg C) T0 = temperature saturasi untuk uap (C) T0 = temperature fluida kondensasi pada outlet of heat exchanger (C)
Perbedaan temperature rata-rata antara kedua fluida, direpresentasikan dengan tm, sehingga didapat rumus kalor yang dapat dipindahkan (q) q = A U tm....... (v) dimana q = (Qw + qw)/2........ (vi)
q = kalor yang ditransfer (kcal/h) 2
A = seluruh area permukaan perpindahan kalor (m ) jika tube maka A = dL 2
U = over-all heat transfer coefficient (kcal/m h C) tm = logarithmic mean temperature difference (C)
Dimana tm(untuk counter flow) =
Perhitungan untuk efisiensi dari sebuah alat penukar kalor
h =
=
=
BAB 3 PERHITUNGAN
Dua fluida yang diasumsikan pada perhitungan ini adalah benzena sebagai fluida panas dan air sebagai fluida dingin. Berikut adalah parameter-parameter yang akan digunakan untuk melakukan perhitungan (beberapa parameter adalah asumsi penulis): a.
Benzene (hot stream)
T in
= 75C
T out
= 50C
T average
= 62.5C
Sp. Heat
= 1.88 kJ/kgC
Viscocity
= 0.36 cP = 860 kg/m3
Density
Thermal conductivity
= 0.154 W/mK
Flow rate
= 1000 kg/hr
b.
Water
(cold stream)
T in
= 30C
T out
= 40C
T average
= 35C
Sp. Heat
= 4.187 kJ/kgC
Viscocity
= 0.8 cP 3
Density
= 1000 kg/m
Thermal conductivity
= 0.623 W/mK
Flow rate
= 1000 kg/hr
c.
Outer
Pipe Spec
Inner diameter (i.d)
= 41 mm
Outer diameter (o.d)
= 48 mm
d.
Inner Tube spec
Inner diameter (i.d)
= 21 mm
Outer diameter (o.d)
= 25.4 mm
Wall thickness
=2.2 mm
Thermal conductivity
= 74.5 W/mK
Seperti yang telah diketahui, air dapat dengan mudah mengalami fouling dan korosi sehingga air akan dialiri pada sisi tube untuk mengurangi kerusakan pada double
pipe tersebut. Oleh sebab itu, benzene akan dialiri sepanjang sisi pipa. Arah aliran yang dipilih adalah counter flow karena membutuhkan luas area yang lebih kecil dibandingkan dengan co-current flow. Langkah-langkah perhitungan : 1.
Menghitung LMTD
2.
Menghitung kalor (Q)
1000 kg benzene didinginkan dari temperature 75 C menjadi 50 c per jam. Sehingga : Heat duty (Q) = m Cp (T 2-T1) = (1000 kg,/h)(1.88 kJ/kg °C)(75 50)°C = 47,000 kJ/h Panas yang dilepas fluida panas = panas yang diterima oleh fluida dingin Air dipanaskan dari temperature 30 C menjadi 40 C. Sehingga : Water flow rate = Q / Cp x (t2-t1) = 47000/(4187)(10) =1122 kg/h
3.
Menghitung heat transfer co-efficient (U)
a.
Menghitung convective heat transfer coefficient for tube side (h i)
Velocity = volumetric flow rate / flow area =0.9 m/sec Reynolds number, Re = dvp/u
= (21 x 10 -3)(0.9)(1000)/8 x 10 -4 =23,625 Prandtl number, Pr = Cpu/k -4
=(4.187)(1000)(8 x 10 )/0.623 = 5.37 Use of Dittus-Boelter equation to calculate hi, 0.8
Nu = hidi/k = 0.023(Re) (Pr)
0.3
= (0.023)(23,625)0.8 (5.37)0.3 =120 hi=120x(k/di)=35660W/m2°C b.
Menghitung convective heat transfer coefficient for annulus side (h 0)
Flow area annulus = inner cross-section of the pipe - outer cross-section of the tube = Pi/4(iD2) - Pi/4(OD1)=8.13x10 -4 m2
wetted perimeter= Pi(iD2+OD1)=0.2086m hydraulic diameter of annulus dh=4 x ( flow area/wetted perimeter) =0.0156m Benzene mass flow rate = 1000 kg/h 3
Benzene volumetric flow rate = (1000)/(860) = 1.163 m /hr Velocity = volumetric flow rate / flow area
= 0.397 m/s
Reynolds number, Re = dvp/u = 14395 Prandtl number,Pr = Cpu/k = 4.51 Calculation of ho from the Dittus-Boelter equation Nu = hodi/k = 0.023(Re)0.8 (Pr)0.3 0.8
=(0.023)(14395) (4.51)
0.4
= 89.12
ho = (89.12
x k/dh) = 879.8W/m2C
outside area of tube = A0 = OD L = (0.0254)(L) inside area of tube = Ai = ID L = (0.021)(L) Am = (OD-ID) / Ln (OD/ID) = (0.0254 - 0.021)(L)/ Ln (0.0254/0.021) = 0.023 (L) A0/Am = 1.098 A0/Ai = 1.21 1/Uo=1/ho +(Ao/Am)x(ro-ri/kw)+Ao/Ai(1/hi) Uo = 662.3W/m2K
4.
Menghitung panjang double pipe Q = Uo Ao Tm
Dimana
Q = 1122 kg/h Uo = 662.3W/m2K Tm= 26.8 C 2
Ao = Q / Uo Tm= 0.74m
Tube length necessary, L = Ao / OD1 L = 0.74 / (0.0254) = 9.3 m
BAB4 PENUTUP
4.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan untuk merancang sebuah Heat Exchanger jenis double pipe didapatkan hasil sebagai berikut : Fluida panas menggunakan Benzene dan fluida dingin menggunakan air. Diameter tube luar 41mm(inner) dan 48 mm (outer) serta diameter tube dalam 21 mm(inner) dan 25,4 mm (outer) dengan arah aliran counter flow. 1.
LMTD
= 26,80C
2.
Kalor (Q)
= 47000 kj/h
3.
over-all heat transfer coefficient
4.
panjang double pipe = 9.3 m
= 662.3W/m2 K
4.2 Perancangan model Model heat exchanger jenis double pipe ini dibuat dengan bahan pipa pvc diameter 20 mm, sebuah tabung akrilik diameter 40 mm, pipa tembaga ¼ inch, dua buah gasket dan lem. 1. Potong pipa pvc sepanjang 40 cm dan tabung akrilik sepanjang 20 cm. 2. Potong karet sesuai diameter dalam tabung akrilik, kemudian lubangi bagian tengahnya sesuai diameter luar tabung pvc. 3. Masukkan pipa pvc ke dalam tabung akrilik dan tutup dengan gasket pada tiap ujungnya lalu direkatkan dengan lem. 4. Lubangi tabung akrilik dengan bor pada tiap ujung tabung namun pada sisi yang berbeda (lihat gambar). 5. Potong pipa tembaga sepanjang kurang lebih 5 cm sebanyak dua buah, lalu letakkan pada ke dua buah lubang yang terdapat pada sisi tabung akrilik kemudian rekatkan dengan lem.
