17/12/2014

1

HEAT EXCHANGER (HEXS) Alat penukar kalor

alat penukar kalor antara dua fluida yang mempunyai perbedaan temperatur dan fluidanya tidak bercampur. Berbeda dengan mixing chamber yang memungkinkan kedua fluida untuk bercampur.

FUNGSI/Aplikasi : sistem pemanasan dan pengkondisian udara proses kimia sistem pembangkit daya

17/12/2014

2

Mixing Chamber

Heat Exhanger

17/12/2014

3

17/12/2014

4

The simplest double pipe

- counter flow

- parallel flow

TYPE HEXS :

Compact HEXS

shell and tube

- paling banyak digunakan pada

proses industri kimia &

biotechnology

cross flow

- one fluid mixed

- one fluid unmixed

cross flow

-both fluid unmixed

(keduanya tdk bercampur)

17/12/2014

5

1 shell pass & 2 tubes passes

2 shell pass & 4 tubes passes

Schema HEXS jenis shell & tube

17/12/2014

6

OVERALL HEAT TRANSFER

COEFFICIENT

Total thermal resistance

R = Rtotal = Ri + Rwall + Ro =

dimana : Ai = DiL

Ao= DoL

dimana : U = overall coefficient heat transfer,

o o wall

i i o o i i A h R

A h R

A U A U UA

1 1 1 1 1 + + = = = =

( )

o o

i o

i i A h kL

D D

A h

1

2

1 + +

ln

kL

Di D R o

wall 2

) ln( =

17/12/2014

7

FOULING FACTOR (Rf) sebuah ukuran dari thermal resistance yang diakibatkan oleh deposit/ kotoran pd permukaan HEXS (soot, calcium, magnesium sulfat & rust ).

Fouling factor akan berharga nol untuk HEXS yang baru dan akan meningkat ketika mulai terjadi pembentukan deposit. Rf akan meningkat dgn meningkatnya temperatur dan menurunnya kecepatan.

Jika fouling factor diikutkan dalam perhitungan,

( )

o o o

o f i o

i

i f

i i o o i i A h A

R

kL

D D

A

R

A h R

A U A U UA

1

2

1 1 1 1 + + + + = = = = , , ln

17/12/2014

8

ANALYSIS of HEAT EXCHANGER

Hukum termodinamika I :

dimana : subskrip c dan h menunjukkan fluida pda kondisi dingin dan panas.

= laju aliran massa = panas jenis

= temperatur outlet = temperatur inlet

h c m , m & &

ph pc C C ,

out , h out , c T , T

in , h in , c T , T

pada analisa HEXS lebih disukai menggunakan gabungan antara laju aliran massa dengan kapasitas panas, C = Cp, sehingga :

( ) in h out h ph h T T C m Q , ,

- = & &

( ) in c out c pc c T T C m Q , ,

- = & &

m &

( ) in c out c c T T C Q , ,

- = & ( ) in h out h h T T C Q , ,

- = & dan

dan

Kesetimbangan energi dalam HEXS dalam bentuk differential

h ph h d

T C m Q & & - = d

c pc c dT C m Q & & - = d

ph h

h C m

Q dT

&

& d - =

pc c

c C m

Q dT

&

& d - =

( )

+ - = - = -

pc c ph h

c h c h C m C m

Q T T d dT dT & &

& 1 1

( ) dA T T U Q c h - = & d

17/12/2014

9

Logarithmic mean temperature difference (LMTD)

D

D

D - D = D

2

1

2 1

T

T

T T T lm

ln

( )

+ - =

-

-

pc c ph h C h

C h

C m C m dA U

T T

T T d

& &

1 1

( )

+ - =

-

-

pc c ph h in c in h

out c out h

C m C m UA

T T

T T d

& &

1 1

, ,

, , ln

lm T UA Q D = &

average temperature difference arithmetic mean temperature difference

17/12/2014

10

Perumusan LMTD sebenarnya dibangun dengan dasar HEXS aliran paralel. Tetapi hal tersebut dengan metode yang sama, dapat diterapkan untuk counter flow dengan DT1 dan DT2 seperti gambar dibawah ini :

Untuk temperatur inlet dan outlet tertentu, LMTD dari counter flow HEXS selalu lebih besar dari pada paralel flow.

DTlm, CF > D Tlm, PF ACF < A PF Uk. HEXS CF < uk. HEXS PF

Oleh karena itu pada umumnya HEXS menerapkan COUNTER FLOW. Perbedaan temperatur pada counter flow HEXS biasanya konstan sepanjang HEXS, ketika laju kapasitas panas dari kedua aliran sama.

17/12/2014

11

LMTD pada bahasan sebelumnya adalah diperuntukkan untuk paralel dan counter flow. Hubungan yang sama sebenarnya dapat diterapkan untuk cross flow & multipass shell and tube HEXS, tetapi perumusan akan menjadi lebih komplek karena kondisi aliran yang komplek. Untuk kasus tersebut, akan lebih mudah menggunakan perumusan LMTD counter flow tetapi dengan menggunakan faktor koreksi.

Dimana F adalah faktor koreksi yang tergantung pada bentuk geometri dan temperatur inlet dan oulet fluida dingin dan panas

Faktor koreksi bernilai kurang dari/sama dengan satu untuk aliran cross flow & multipass shell and tube HEXS. F 1 , sehingga F digunakan sebagai sebuah ukuran deviasi terhadap LMTD Counter flow. F ditabelkan dan dikonfigurasikan dalam hubungan temperatur ratio P dan R sebagai berikut :

Nilai P antara 0 dan 1, sedangkan nilai R berkisar antara 0 dan . R = 0 terjadi pada kasus perubahan fasa di shell, dan R = terjadi pada kasus perubahan fasa di bagian tube. Sehingga pada kasus boiler dan kondenser, F akan sama dengan 1, apapun bentuk geometrinya.

t kecil = ditube T besar = dishell

17/12/2014

12

17/12/2014

13

17/12/2014

14

Methode LMTD pada bahasan sebelumnya akan dengan mudah digunakan jika temperatur inlet dan outlet dari fluida panas dan dingin diketahui. Dengan diketahuinya Tlm, laju aliran massa, koefisien perpindahan panas menyeluruh dan luas permukaan heat transfer, maka laju perpindahan panas dapat ditentukan dengan :

Dengan metode LMTD, prosedur penentuan pemilihan ukuran HEXs dapat dilakukan sebagai berikut :

• pilih jenis HEXs yang sesuai u/ aplikasi • tentukan temp. inlet & outlet yg tdk diketahui dgn menggunakan

ketimbangan energi • Hitung LMTD & faktor koreksi bila diperlukan • Pilih atau hitung nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh U • Hitung luas permukaan heat transfer As

Heat transfer effectiveness , didefinisikan :

transfer heat possible Maximum

rate transfer heat Actual = =

max Q

Q

&

&

Aktual perpindahan panas,

( ) ( ) in h out h h in c out c c T T C T T C Q , , , ,

- = - = &

dimana : Cc = dan Ch = pc c C m & ph h C m &

Maksimum perbedaan temperatur,

in , c in , h max T T T - = D

Jika luas permukaan As diketahui, tetapi temp. out let tidak, maka akan lebih efektif menggunakan metode selain LMTD, karena dengan metode LMTD akan menggunakan prosedur iterasi yang tidak praktis. Metode yang efektif adalah metode EFECTIVENESS - NTU:

17/12/2014

15

( ) in c in h T T C Q , , min max

- = &

( ) in c in h T T C Q Q , , min max

- = = & &

( )

+ - =

-

-

h

c

c in c in h

out c out h

C

C

C

UA

T T

T T 1

, ,

, , ln

( ) in c out c

h

c in h out h T T

C

C T T , , , ,

- - =

( )

+ - =

-

- - - - -

h

c

c in c in h

in c out c

h

c out c in c in c in h

C

C

C

UA

T T

T T C

C T T T T

1 , ,

, , , , , ,

ln

+ - =

-

-

+ -

h

c

c in , c in , h

in , c out , h

h

c

C

C

C

UA

T T

T T

C

C ln 1 1 1

( ) ( )

c in c in h

in c out c

in c in h

in c out c c

C

C

T T

T T

T T C

T T C

Q

Q min

, ,

, ,

, , min

, ,

max

= -

-

-

- = =

&

&

= function ( NTU, C)

c

min

h

c

h

c

c

C

C

C

C

C

C

C

UA

+

+ - -

=

1

1 exp 1

flow parallel

max

min

max

min

min

C

C

C

C

C

UA

+

+ - -

=

1

1 exp 1

flow parallel

( ) min min p C m

UA

C

UA

& = = NTU

max

min

C

C C =

( ) max min min C / C , UA/C function =

17/12/2014

16

17/12/2014

17

17/12/2014

18

Pemilihan HEXS didasarkan pada beberapa faktor dibawah ini :

• Heat Transfer Rate • Cost • Power Pumping • Size & Weight • Type • Material • Other consideration ( toxic, expenses fluid )

17/12/2014

19

17/12/2014

20

17/12/2014

21

17/12/2014

22

17/12/2014

23

17/12/2014

24

17/12/2014

25

17/12/2014

26

17/12/2014

27

17/12/2014

28

17/12/2014

29

17/12/2014

30

17/12/2014

31