Analisis Thermal Design Shell & Tube Heat Exchanger

Dimas Satria21050111083008

PSD 3 Teknik Mesin UNDIP2013

Langkah 1Diawali dengan perhitungan neraca massa dan

panas, antara dua stream, yaitu panas ( hot ) dan dingin ( cold ).

Tentukan jumlah media pemanas atau pendingin yang dibutuhkan untuk suatu proses

Q = mH.CpH.( T2-T1 )H……….(1)

Q = mC.CpC.( T2-T1 )C………...(2)

Subscibe H dan C masing – masing menunjukkan Hot ( fluida panas ) dan Cold ( fluida dingin ). Q dapat disebut juga  dengan duty atau Heat Load. Untuk proses pendinginan ( pelepasan panas ), Q bertanda negatif.

Ket:

Langkah 2mengumpulkan physical properties untuk fluida

panas dan dingin. Physical Properties yang digunakan antara lain, densitas ( ρ ), viskositas ( μ ), konduktifitas termal ( kf )  , kapasitas panas ( Cp ). (urusan orang tekkim)

pada STHE terdapat 4 buah nilai temperature yang mungkin berbeda, yaitu temperature inlet dan outlet pada shell dan temperature inlet dan outlet pada tube

umumnya nilai physical properties tersebut di evaluasi pada nilai temperature rata – rata dari kedua stream.

Langkah 3Asumsikan nilai koefisien perpindahan panas

keselurahan ( overall heat transfer coefficient )

Nilai U dapat diperoleh dari data sheet STHE tsb.

Karena umumnya nilai U yang diberikan adalah berupa range, maka sebaiknya nilai U yang diasumsikan tidak menggunakan batas minumum, sebaiknya diambil U dari nilai rata – rata dari range tersebut atau bahkan nilai maksimum

Langkah 3contoh jika nilai U memiliki range 100-300

W/m2 oC, sebaiknya dipilih nilai U > 150 W/m2

oC.hal ini dimaksudkan agar mendapatkan nilai

A yang minimum, dengan nilai A yang minimum maka cost  STHE akan lebih kecil( U berbanding terbalik dengan A )

Langkah 4menentukan jumlah pass tube dan pass shell,

menghitung nilai ΔTm, dan ΔTlmtd serta menghitung faktor koreksi, Ft. Sebagai tahap awal kita dapat memilih konfigurasi jumlah pass shell 1 dan jumlah pass tube 2 atau umumnya diistilahkan dengan 1-2 STHE.

Pemilihan jumlah pass shell dan tube akan mempengaruhi ( salah satunya ) terhadap faktor, koreksi ( Ft  ). Nilai Ft = 1 menandakan bahwa aliran HE tersebut adalah murni counter-current ( pure counter-current flow ) seperti pada Double Pipe HE

Langkah 4Sedang untuk STHE dengan multipass, aliran

pada STHE tidak lagi murni counter-current, melainkan mixed flow.

adanya mixed flow mengakibatkan nilai Ft menjadi kurang dan efektivitas STHE menjadi berkurang , dari segi sisi praktis, nilai batas bawah ( lower limit ) Ft  yang disarankan adalah 0.75- 0.8.

Nilai ΔTm dihitung dari :

ΔTm  = Ft x ΔTlmtd……….(3)Ket:ΔTm = beda temperature rata-rata , 0CFt = Faktor KoreksiΔTlmtd = LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference)

Langkah 4Dengan:

ΔT LMTD = ……….(4)

Dimana: = temperature inlet fluida panas.

= temperature outlet fluida panas. = temperature inlet fluida dingin. = temperature outlet fluida dingin.

Cat: Perhitugan nilai ΔTlmtd di atas tersebut valid untuk aplikasi STHE dimana tidak terjadi perubahan fase ( single phase )

Langkah 5menentukan luas perpindahan panas, A

dengan persamaan :

A = q / ( U . ΔTlmtd  )…….(5)

Dengan:q = laju perpindahan panas aktual U = koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall heat transfer coefficient)A = luas permukaan perpindahan panas ΔTlmtd = nilai LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference)

Nilai efektivitas (ε)didefinisikan sebagai perbandingan

laju perpindahan panas aktual dengan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi pada penukar panas.

Langkah 1Menentukan nilai dari q actual dan sebelum

menghitung nilai efektivitasnya (ε).

ε = ……..(6)

Dimana:q = laju perpindahan panas aktual

= laju perpindahan panas maksimum yang mungkin

Langkah 2Nilai dipengaruhi oleh nilai laju alir massa

pendingin dikalikan dengan panas spesifik yang minimum

Nilai perkalian laju alir massa pendingin dengan panas spesifikasi sering disebut sebagai laju kapasitansi panas (Ch dan Cc).

Ch = (m h Cp ) h Cc = (m h Cp ) c ……..(7)dan

Jika, Ch < Cc maka disebut sebagai laju kapasitansi panas minimum (Cmin)

Langkah 3Dengan demikian nilai laju perpindahan

panas maksimum () dapat dihitung dengan persamaan

= Cmin ( - )…….(8)

Sementara itu nilai laju perpindahan panas aktual pada penukar panas dapat dihitung dengan persamaan

q = Ch )

= Cc in)…………(9)

Langkah 4Dengan memsubtitusi persamaan (9) dan (10)

kedalam persamaan (6), maka dapat diperoleh persamaan untuk menghitung nilai efektivitasnya

ε = = ……..(10)

Langkah 5Menetukan parameter Cr dan NTU.

Cr = < 1 ……(11)

Ket:Cr = Capacity RatioU = koefisien perpindahan panas keseluruhanA = luas perpindahan panas.h = koefisien perpindahan panas konveksi masing-masing fluida pendingin pada sisi panas dan sisi dingin.

= ketebalan dinding pipaK = konduktivitas termal pada material

Dan

NTU = = + + ………(13)

Langkah 6Kombinasikan Persamaan (7) (10) (11), maka

dapat diperoleh persamaan untuk nilai efektivitas penukar panas yang sering disebut sebagai metode ε-NTU. Untuk penukar panas dengan aliran berlawanan (counter flow), maka efektivitas penukar panas sbb:

ε =

Thank you Guys…