materi alat penukar kalor_teknik mesin ujb

Upload: elfinsteamline

Post on 05-Jul-2018

246 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    1/68

     Alat Penukar Kalor

    (Heat Exchanger)

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    2/68

    Tujuan Pembelajaran

    • Mengenal jenis-jenis alat penukar kalor

    • Mengetahui jenis APK yang paling baik untuk

    aplikasi industri yang ada • Mengerti parameter kunci dalam desain APK

    • Mampu mengestimasi ukuran dan harga APK

    • Memiliki latarbelakang untuk menggunakansoftware komersial untuk mendesain APK

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    3/68

    Pendahuluan Heat Exchangers

    Untuk apakah Alat Penukar Kalor?

    Jenis-Jenis Alat Penukar Kalor

    Bagaimana Alat penukar kalor

    diklasifikasikan?

    Dasar-dasar perencanaan Alat Penukar

    Kalor?

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    4/68

    Contents

    • Mengapa kita membutuhkan APK

    • Konstruksi APK

    • Macam-macam APK

    • Proses Desain APK

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    5/68

     Apakah fungsi APK itu ?

    • Untuk memperoleh aliran fluida padatemperatur yang tepat untuk proses berikutnya

    •Untuk mengkondensasikan uap

    • Untuk menguapkan fluida

    • Untuk memanfaatkan panas buang

    •Untuk pembangkitan daya

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    6/68

    Typical crude oil distillation

     E2

     E1

     E3

     E4

     E5  E6

     E2

     E5

    Storage

    Kerosene

     Desalter

    Top pump

    around

    Top pump

    around

     Naphtha

    and gases

    Kerosene

     Furnace

    Reduced crude

    Light

    gas oil

    Heavy

    gas oil

    Reduced

    crude

    Heavy gas oil

    Light gas oil

    Bottom pumparound

       D   i  s   t   i   l   l  a   t   i  o  n   t  o  w  e  r

    Bottom

     pump

    around

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    7/68

    Geothermal Power cycle

    Feedwater

    heater

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    8/68

    Nuclear Power Plant

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    9/68

    Ocean Thermal Energy Conversion

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    10/68

    Heat utilities

    • Hot utilities –  Boiler generating service steam (maybe a combined

    heat and power plant)

     –  Direct fired heaters (furnace)

     –  Electric heaters

    • Cold utilities

     –  Cooling tower (wet or dry) providing service cooling

    water

     –  Direct air-cooled heat exchanger

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    11/68

    Contoh sebuah APK

    Bundle for shell-and-tube exchanger

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    12/68

    KATEGORI UTAMA ALAT PENUKAR KALOR

    Heat exchangers

    Recuperators Regenerators

    Wall separating streams Direct contact

    Kebanyakan Alat Penukar Kalor memiliki 2 aliranfluida, hot dan cold , tetapi beberapa memilikilebih dari dua aliran fluida

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    13/68

    Recuperators dan regenerators

    Recuperative 

    Has separate flow paths for eachfluid which flow simultaneouslythrough the exchangertransferring heat between thestreams

    Regenerative 

    Has a single flow path which the hotand cold fluids alternately passthrough.

    Rotating wheel

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    14/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    15/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    16/68

    Compactness

    • Can be measured by the heat-transfer area per unit volume or by channel size

    • Conventional exchangers (shell and tube)have channel size of 10 to 30 mm givingabout 100m2/m3 

    Plate-type exchangers have typically 5mmchannel size with more than 200m2/m3 

    • More compact types available 

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    17/68

    Compactness

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    18/68

    Double Pipe

    Simplest type has one tube inside another - inner

    tube may have longitudinal fins on the outside

    However, most have a

    number of tubes in the outertube - can have very many tubes

    thus becoming a shell-and-tube

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    19/68

    Shell and Tube

    Alat Penukar Kalor tipe shell and tube yang biasadigunakan pada industri proses

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    20/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    21/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    22/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    23/68

    Shell-side flow

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    24/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    25/68

    Baffle

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    26/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    27/68

    Complete shell-and-tube

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    28/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    29/68

    Plate-fin exchanger

    • Made up of flat plates (parting sheets) andcorrugated sheets which form fins

    • Brazed by heating in vacuum furnace

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    30/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    31/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    32/68

    Cooling Towers

    •Large shell with packing at the bottom over whichwater is sprayed

    • Cooling by air flow and evaporation

    • Air flow driven by forced or natural convection

    •  Need to continuously make up the cooling water lost by evaporation

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    33/68

    Exchanger specification

    • Heat load (duty) along with the terminal

    temperatures of the streams

    • Maximum pressure drop each streams –  liquids - 0.5 bar

     –  gases/vapours below 2bar - 10% of inlet pressure

    • Design pressures and temperatures

    • Size/weight constraints

    • Standards to apply

     –  General standards like ISO, TEMA, ASME, API etc –  Companies own standards

    • Other requirements

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    34/68

    The designer must supply an exchanger which

    • Meets the stated specification

    • Has reasonable initial costs and operating

    costs (most exchangers are bought on the basis of the cheapest tender)

    • Has a reasonable lifetime

     – no damaging vibration – no thermal fatigue

     – no unexpected fouling or corrosion

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    35/68

    Pemilihan Heat Exchanger

    Choosing the best exchanger for a

     given process application 

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    36/68

    Langkah-langkah

    • “Coarse filter”  – Buang Jenis Alat Penukar Kalor yang

    tidak memenuhi ketentuan tekanan dan

    temperatur operasi, fluid-materialcompatibilitas, kondisi termal yang

    extrem

    • “Fine filter”  – Estimasi Harga

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    37/68

    “Coarse filter”  

    • Use information on next few slides to reject

    those exchangers which are clearly out of

    range or are otherwise unsuitable• The information is summarised in the table

    • At this stage, if in doubt, include the

    exchanger (poor choices are likely to turnout expensive at the “fine filter” stage)

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    38/68

    Point-point utama

    Tube /pipa dan cylinders dapat menahan tekananyang lebih besar dibanding dengan plates

    • Jika APK dapat dibangun dengan material yang

     bervariasi, berarti anda dapat menentukan metal

    yang dapat tahan terhadap temperatur yang extremdan fluida-fluida yang korosif

    • APK yang khusus hanya memiliki supplier yang

    sangat sedikit, waktu pengiriman barang yang

    lebih lama dan harus diperbaiki oleh orang yang

    sangat ahli.

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    39/68

    Thermal effectiveness

     

    T T T T 

    in out  

    in in

    1 1

    1 2

    , ,

    , ,

    Stream temperature rise divided by the

    theoretically maximum possible

    temperature rise

    T 1 ,in T 1 ,out

    T 2 ,out T 2,in

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    40/68

    Double PipeTipe APK ini adalah yang paling simpel, memiliki satu tube di

    dalam dan satu tube pada bagian luar, Tube paling dalam bisa

    memiliki sirip secara longitudinal pada bagian luarnya

    Walaupun demikian terdapat

     pula jenis APK ini yangmemiliki beberpa tube didalam

    tube luarnya.

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    41/68

    Double pipe

    • Ukuran Normal

     – 0.25 to 200m2

     (2.5 to 2000 ft2

    ) per unit –  Note multiple units are often used

    • Built of carbon steel where possible

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    42/68

     Advantages/disadvantages of double-pipe

    • Advantages

     – Easy to obtain counter-current flow

     – Can handle high pressure

     – Modular construction

     – Easy to maintain and repair

     – Many suppliers

    • Disadvantage

     – Become expensive for large duties (above

    1MW)

    S f d bl i

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    43/68

    Scope of double pipe• Maximum pressure

     – 300 bar(abs) (4500 psia) on shell side – 1400 bar(abs) (21000 psia) on tubeside

    • Temperature range

     – -100 to 600oC (-150 to 1100oF) –  possibly wider with special materials

    • Fluid limitations

     – Few since can be built of many metals

    • Maximum  = 0.9

    • Minimum DT  = 5 K

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    44/68

    Shell and tube

    • Size per unit 100 - 10000 ft2 (10 - 1000 m2)• Easy to build multiple units

    • Made of carbon steel where possible

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    45/68

     Advantages/disadvantages of S&T

    • Advantages

     – Extremely flexible and robust design

     – Easy to maintain and repair

     – Can be designed to be dismantled for cleaning

     – Very many suppliers world-wide

    • Disadvantages

     – Require large plot (footprint) area - often need

    extra space to remove the bundle

     – Plate may be cheaper for pressure below 16 bar

    (240 psia) and temps. below 200oC (400oF)

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    46/68

    Scope of shell and tubeEssentially the same as a double pipe

    • Maximum pressure  – 300 bar(abs) (4500 psia) on shell side

     – 1400 bar(abs) (21000 psia) on tubeside

    •Temperature range  – -100 to 600oC (-150 to 1100oF)

     –  possibly wider with special materials

    • Fluid limitations 

     – Few since can be built of many metals

    • Maximum  = 0.9 (less with multipass)

    • Minimum DT  = 5 K

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    47/68

    Heat exchanger costing - “fine filter”  

    • Full cost made up of

     – Capital cost

     –  Installation cost

     – Operating cost

    • The cost estimation method given here is basedonly on capital cost - which is the way it is often

    done

    •  Note: installation costs can be as high as capital

    cost except for compact exchangers

    • Installation cost considerations can predominate

    on offshore plant

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    48/68

    Quick sizing of heat exchangers

    We estimate the area from

    DT aDT b

     A  Q

    U T 

    DWhere 

    D D

    D  D D

    D D

    T F T 

    T   T T 

    T T 

    T m

    m

    a b

    a b

     

    ln( / )

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    49/68

    FT correction factor

    • This correction accounts for the two streams not 

    following pure counter-current flow• At the estimation stage, we do not know the detailed

    flow/pass arrangement so we use

     –  F T  = 1.0 for counter flow which includes most compact and

    double-pipe

     –  F T  = 0.7 for pure cross flow which includes air-cooled and

    other types when operated in pure cross flow (e.g. shell-and-

    tube)

     –  F T  = 0.9 for multi-pass

     –  F T  = 1.0 if one stream is isothermal (typically boiling and

    condensation)

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    50/68

    Estimating U

    • This may be estimated for a given exchanger typeusing the tables

    • These tables give U  values as a function of Q/DT  (the significance of this group will become clear

    later)

    • Example: high pressure gas cooled by treated

    cooling water in a shell-and-tube, where

    Q/DT  = 30 000 W/Kgives U  = 600 W/m2K

    • This includes typical fouling resistances

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    51/68

    Estimating cost

    • This has often been done by multiplying the

    calculated area, A, by a “cost per unit area” • But, when comparing exchangers, U  and A 

    vary widely from type to type. It is also

    difficult to define A if there is a complicatedextended surface.

    •  Note, from our basic heat transfer equation

    UA = Q / DT  

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    52/68

    Steps in calculation

    •Calculate

    DT ln and hence estimate

    DT  

    • Determine Q/DT  

    • Look up C  value from table

     –  To determine C  at intermediate Q/DT , use logarithmic

    interpolation - see next slide

    • Calculate exchanger cost from - Cost = C (Q/DT )

    • Taking the last shell-and-tube example, C  = 0.4.

    Hence, Cost = £ 0.4 X 30 000 = £12 000• Make sure that you take account of footnotes in

    tables

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    53/68

    Logarithmic interpolation

    C ln C    C C V V  

    V V   

    exp ( )  ln( / ) ln( / )

    ln( / )1

    1 2 1

    1 2

    ln(C 1)

    ln(C 2)

    ln(C )

    ln(V1) ln(V) ln(V2)

    Where the V s are the values of Q/ T. V 1 and V 2 

    are the values either side of the required value V

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    54/68

    Desain Termal

     Alat Penukar Kalor

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    55/68

    Harga Lokal dan harga rata-rata

    • “Overall” artinya dari “the hot side” ke “ the

    cold side” termasuk semua termal resistan 

    • Titik khusus pada alat penukar kalor adalah local 

    • Jadi kita memiliki lokal, overall coefficient

    LOKAL

    KESELURUHAN ALAT PENUKA KALOR

    mT mT   T  AU Q

    T U q

    D

    D

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    56/68

    Q = U A DTk

    Thot

    Tcold

    1 1 1

    U r 

      yr 

    cold 

    cold w

    w

    hot 

    hot 

     yw 

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    57/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    58/68

    Definisi dari harga rata-rata (mean values )

    Dari slide sebelumnya

    Bandingkan dua sides

    Q

    T  U A

    dQT 

    UdA

    m

    m T 

    Q AT T 

    D

    D

    1 1

    D DT Q

    dQ

    T m T    Q

    U  A

    UdAmT    AT 

    1

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    59/68

    Kasus Khusus dimana Ts linear terhadap Q

    • Eqn. integrates to

    give log. mean

    temperaturedifference - LMTD

    DT a

    D D  D D

    D DT T 

      T T 

    T T m LM 

    a b

    a b

     

    ln( / )   DT b

    Q

       T  e  m  p  e  r  a

       t  u  r  e

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    60/68

    Pararel Flow

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    61/68

    Counter Flow

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    62/68

    Cross Flow

    M lti h

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    63/68

    Multipass exchangers

    • Untuk single-phase duties,Faktor correction teoritis,

     F T , sudah diturunkan (lihar

    referensi)

    •  Harga F T Kurang dari 1

    • Jangan Merancang untuk F T  

    kurang dari 0.8

    Q

       T  e  m  p .

    T 1

    T 2

    t 1

    t 2

    D DT F T m T LM  

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    64/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    65/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    66/68

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    67/68

    Thermal effectiveness

     

    T T T T 

    in out  

    in in

    1 1

    1 2

    , ,

    , ,

    Stream temperature rise divided by the theoretically

    maximum possible temperature rise

    T 1 ,in T 1 ,out

    T 2 ,out T 2,in

  • 8/16/2019 Materi Alat Penukar Kalor_Teknik Mesin UJB

    68/68

    Tube layouts

    • Typically, 1 in tubes on a 1.25 in pitch or 0.75 in

    tubes on a 1 in pitch• Triangular layouts give more tubes in a given shell

    • Square layouts give cleaning lanes with close pitch

    pitchTriangul

    ar

    30o

    Rotated

    triangul

    ar

    60o

    Squar e

    90o

    Rotate

    dsquare 

    45o