pengaruh pemilihan jenis material terhadap nilai koefisien ...eprints.ulm.ac.id/647/1/ke-73.pdf ·...
TRANSCRIPT
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pengaruh Pemilihan Jenis Material Terhadap Nilai Koefisien Perpindahan Panas
pada Perancangan Heat Exchanger Shell-Tube dengan Solidworks
Arif Budiman1,a*, Sri Poernomo Sari2,b*.
1,2) Jurusan Teknik Mesin, Universitas Gunadarma
Jl. Margonda Raya 100, Pondokcina, Depok 16424, Indonesia.
[email protected], [email protected]
Abstrak
Heat exchanger jenis shell-tube banyak digunakan di industri yaitu sebagai penukar panas
antara dua fluida yang saling berbeda temperatur. Pemilihan jenis material mempengaruhi kinerja
dari heat exchanger tersebut. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis pengaruh pemilihan jenis
material terhadap nilai koefisien perpindahan panas pada perancangan heat exchanger shell-tube
dengan solidworks. Bagian shell yaitu stasionary head dan rear head digunakan carbon steel
sedangkan untuk tube digunakan copper, brass dan alluminium bronze. Dimensi yang digunakan
berdasarkan perhitungan thermal dengan panjang 2.15 m untuk bagian shell dan tube, diameter
dalam shell 30.48 cm, diameter dalam tube 1.656 cm, diameter luar tube 1.905 cm, jumlah tube 98
pitch, layout triangular pitch, jumlah baffle 14 buah dengan jarak 13.7 cm. Nilai koefisien
perpindahan panas keseluruhan pada perhitugan thermal untuk material copper pada tube 864.15
W/m2K, brass 856.89 W/m
2K dan alluminium bronze 852.66 W/m
2K. Distribusi kecepatan aliran
dihasilkan dari simulasi dengan kecepatan inlet fluida air panas rata – rata dari semua material
adalah 0.789 m/s dan kecepatan outlet 0.769 m/s. Distribusi kecepatan inlet rata – rata fluida air
dingin 3.026 m/s dan kecepatan outlet 2.965 m/s. Distribusi temperatur yang dihasilkan pada fluida
air panas dengan inlet 90ºC dan temperatur outlet berkisar antara 40ºC–43ºC. Distribusi temperatur
fluida air dingin dengan inlet 21ºC dan temperatur outlet berkisar antara 33ºC–34ºC. Penurunan
tekanan rata – rata yang dihasilkan fuida air panas 1061.36 Pa dan penurunan tekanan yang
dihasilkan fluida air dingin 14300.1 Pa.
Kata kunci : Heat Exchanger, Shell and Tube, Koefisien Perpindahan Panas, Kecepatan Fluida,
Temperature Fluida, Tekanan fluida.
Pendahuluan
Heat exchanger merupakan sebuah
komponen yang sulit dipisahkan dalam sistem
konversi energi. Heat exchanger merupakan
sebuah sistem yang dapat mengubah
temperatur dan fasa suatu jenis fluida dalam
bentuk gas maupun cairan.
Dalam perkembangannya heat exchanger
memiliki jenis yang berbeda – beda yang
semuanya itu akan disesuaikan dengan
kebutuhan. Saat ini jenis heat exchanger yang
banyak digunakan adalah jenis Shell and Tube
karena memiliki keutungan baik itu dari segi
biaya, proses pembuatannya maupun kerja
dari jenis heat exchanger tersebut.
Mengingat penting serta banyak
penggunaan heat exchanger dalam dunia
industri dan perusahaan – perusahaan energi,
maka perlu dilakukan analisa beberapa
parameter dalam melakukan perancangan
yang akan mempengaruhi kinerjanya, seperti
penggunaan jenis material yang berbeda pada
bagian tube. Tujuan penelitian ini adalah
menganalisis perhitungan termal
perancangan, pengaruh dari jenis material
tube terhadap koefisien perpindahan panas
pada perhitungan termal serta menganalisa
fenomena kecepatan aliran fluida, distribusi
temperatur dan penurunan tekanan yang
dihasilkan pada simulasi software
SolidWorks.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Teori
Alat penukar kalor (heat exchanger)
merupakan sebuah alat yang digunakan untuk
dapat melakukan perpindahan kalor dari
temperature yang lebih tinggi menuju
temperature yang lebih rendah, selain
berfungsi sebagai pendinginan alat penukar
kalor (heat exchanger) juga berfungsi sebagai
pemanas dari suatu system heat exchanger.
Gambar 1, Heat Exchanger Shell and Tube
[www.souheat.com].
Dalam konstruksi sebuah alat penukar
kalor terdiri dari empat bagian yang akan
saling mendukung untuk membuat konstruksi
alat penukar kalor (heat exchanger), bagian-
bagian tersebut seperti bagian depan (front
head stationary head), bagian shell, bagian
belakang (rear end head) dan bagian tube
atau tube – bundle.
Gambar 2, Alat Penukar Kalor Heat
Exchanger Berdasarkan TEMA[5]
.
Shell merupakan bagian tengah dari heat
exchanger Shell and Tube dan juga
merupakan rumah atau tempat dari bundle
(gabungan dari tube dan baffle), bagian shell
juga merupakan tempat terjadinya pertukaran
kalor atau heat transfer pada proses heat
exchanger, karena di dalam shell tersebut
terdapat aliran fluida dan juga aliran fluida
didalam tube.
Gambar 3, Shell Pelat Tube Tetap[5]
.
Tube merupakan urat nadinya, hal ini
disebabkan oleh aliran fluida yang terjadi
didalam tube dan diluar tube dan kedua fluida
tersebut memiliki kapasitas temperatur,
density, viscositas, beda tekan serta jenis yang
berbeda yang nantinya akan mempengaruhi
perpindahan panas yang terjadi.
Kemampuan untuk dapat melepas maupun
menerima kalor dari sebuah komponen heat
exchanger akan dipengaruhi oleh luas
permukaan (heating surface), sedangkan luas
permukaan tersebut bergantung pada susuna
dari tube, panjang tube, ukuran tube, jumlah
tube yang digunakan pada jenis heat
exchanger tersebut.
Layout tube yang banyak digunakan
adalah layout tube segitiga (triangular pitch)
baik itu dipakai pada fluida yang kotor/
berlumpur atau fluida yang bersih (non-
fouling or fouling), karena menghasilkan
koefisien perpindahan kalor yang baik
dibandingkan dengan jenis layout tube
lainnya.
Gambar 4, Layout Tube[5]
.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Ada banyak pertimbangan yang digunakan
untuk dapat menentukan layout tube yang
akan digunakan, selain nilai perpindahan
kalor yang dihasilkan, kemampuan untuk
dapat memudahkan dalam membersihkan
juga merupakan alasan dalam penentuan
layout dari tube, serta yang harus diperhatikan
juga adalah pressure drop yang akan
dihasilkan dari masing – masing layout
tersebut.
Baffle merupakan sebuah komponen yang
tidak dapat dipisahkan dalam sebuah
kostruksi heat exchanger, baffle merupakan
sebuah sekat – sekat yang dipasang dengan
tujuan untuk dapat menahan konstruksi dari
tube – bundle jika terjadinya sebuah getaran
yang tidak diinginkan yang dapat merusak
tube, serta baffle juga berfungsi sebagai
pengontrol aliran fluida yang mengalir diluar
tube atau didalam shell (shell side).
Gambar 4. Bentuk Baffle[5]
Metode Perancangan
Perancangan ini yang dilaksanakan dengan
tahapan-tahapan perhitungan untuk dapat
menghasilkan nilai koefisien perpindahan
panas dari jenis material yang digunakan pada
tube dan shell.
Kapasitas panas yang bekerja merupakan
nilai dari energi yang dibutuhkan untuk
menaikan dan melepas panas dari sistem heat
exchanger seperti pada persamaan 1.
Q = ṁ �� ∆� (1)
LMTD (Logarithmic Mean Overall
Temperature Difference) merupakan selisih
temperature rata – rata dari fluida yang
mengalir pada heat exchanger ditunjukkan di
persamaan 2.
�� = � ������ � �����
����������������
(2)
Selisih temperatur rata – rata koreksi pada
persamaan 3.
∆�� = ��. �� ……………… (3)
Luas Perpindahan Panas adalah seperti
pada persamaan 4 berikut ini
∆�� =�
�� !"#$%$"� &"'&$�()*)� &)�)%�+, .. (4)
Kecepatan massa aliran masing – masing
fluida pada tube dijelaskan pada persamaan 5
dan shell di persamaan 6.
-. =/
)� …………..….. (5)
-. =/
)% ………….….. (6)
Bilangan Reynold untuk tube pada
persamaan 7 dan shell di persamaan 8.
01 =2$.3%
4=
5 / ��6�7 �
8.2$ 4 …………. (7)
01 =2".3%
4 ……….………. (8
Koefisien perpindahan panas masing –
masing fluida mengalir pada tube dijelaskan
pada persamaan 9 dan shell pada persamaan
10.
ℎ: =;*. .�&'�
�<
($ . ∅� ………….. (9)
ℎ> =;*. .�&'�
�<
2" . ∅� ……………….. (10)
Koefisien perpindahan panas keseluruhan
(Overal Heat Transfer Coefficient) dijelaskan
pada persamaan 11.
?> =�
*!+ 0A> +
,!
,$B
�(!�($�
� +
,!
,$B
�
*$+
,!
,$B 0A: (11)
Perhitungan overdesain dijelaskan pada
persamaan 12.
>C1DA1.E:F = ,�,'"G
,'"G B100%.. (12)
Penurunan tekanan (Pressure Drop) untuk
tube ditunjukkan pada persamaan 13 dan 14
sedangkan untuk shell pada persamaan 15
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
∆K =# 3�L �
� .3.M.2.∅� =
# 3�L �
N.�� + �O�P2 % ∅� �K.:� (13)
∆��Q1RSET:� = 5.�
% B
U�
�V �K.:� …. (14)
∆K. =# + �3%��+ W2% + �6X��
� +V + M +2% + ∅%
=# + �3%��+ W2% + �6X��
N.�� .�O�P + 2" + % + ∅% �K.:� ……......….. (15)
Perhitungan Perancangan dan Analisa
dengan Solidworks.
Pada dasarnya penentuan dimensi yang
digunakan pada perancangan heat exchanger
dihasilkan dengan menggunakan nilai U
(koefisien perpindahan panas keseluruhan)
assumsi hingga diperoleh Uperhitungan. Pada
penelitian ini telah dilakukan perhitungan
berkali – kali dengan menggunakan dimensi
yang berbeda – beda hingga menghasilkan
dimensi yang sesuai, berikut merupakan
dimensi yang dihasilkan dari proses
perhitungan perancangan.
Tabel 1, Dimensi tube
Dimensi Satuan
(British)
Satuan (SI)
Diameter
Luar (OD)
¾ inchi 0.01905 m
Diameter
dalam (ID)
0.652 inchi 0.01656 m
BWG 18 -
Panjang
tube
2.15 m
Layout
tube
Triangular
pitch
Triangular
pitch
Jumlah
pass aliran
2 2
Tabel 2, Dimensi Shell
Dimensi Satuan
(British)
Satuan (SI)
Diameter
dalam shell
(Ds)
12 inchi 0.03048 m
Diameter luar
shell
12.787
inchi
0.03248 m
Tebal baffle 0.315 inchi 0.008 m
Jarak antar
baffle (0.45
IDshell) (B)
5.4 inchi 0.01370 m
Jarak antar
tube (Pt)
15/16 inchi 0.0238 m
Clearen (Pt –
do tube) (C)
0.187 inchi 0.00475 m
Tabel 3, Data Hasil Perhitungan Perancangan
Tabel 4. Hasil Pemilihan Jenis Material
terhadap U (koefisien perpindahan
Parameter Copper Brass
Konduktivitas
Termal
386
W/m. K
111 W/m. K
U Assumsi 800 W/m2.K 800
W/m
Uo
Perhitungan
864.15
W/m2. K
856.89
W/m
Parameter Tube
(Fluida
Dingin) Fluida Air Mass Flow 5.8 kg/s Temperatur
Input 21
0C = 294
K Temperatur
output 34
0C ,307 K
Lmtd 32 K
Keseimbangan
energi 314025 J/s
Uassumsi 800 W/m
Luas
Perpindahan
Panas
12.27 m2
Jumlah tube 98 Reynold
number 10782
Koefisien
perpindahan
panas
2250.01
W/m2
K
Koefisie
perpindahan
panas
perhitungan
Uo (material
copper pada
Tube)
864.15 W/m
Koreksi
koefisien
perpindahan
Panas
8 % < 30 % (assumsi desain
dapat digunakan)
Overdisain 2.1 % < 10 % (dapat di
terima)
Penurunan
Tekanan 0.4 Psi =
2757.92 Pa
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin
Banjarmasin,
Tabel 3, Data Hasil Perhitungan Perancangan
Jenis Material Tube
terhadap U (koefisien perpindahan panas)
Brass Aluminium
Bronze
W/m. K
83
W/m . K
W/m2. K
800
W/m2. K
856.89
W/m2. K
852.66
W/m2. K
Gambar 5. Koefisien Perpindahan
terhadap Jenis Material
Grafik nilai koefisien perpindahan kalor
sangat dipengaruhi oleh pemilihan dari
material yang digunakan
perpindahan kalor dari masing
material dipengaruhi oleh nilai dari
konduktivitas termal masing
material.
Koefisien perpindahan kalor tertinggi
dihasilkan oleh material
864.15 W/m2.K hal ini dikarenakan
memiliki konduktivitas termal yang tinggi
dibandingkan material
Bronze.
Hasil Simulasi dengan
Dimensi Perhitungan.
Gambar 6. Distribusi
dengan Material Copper
Gambar 7. Distribusi Kecepatan Aliran
dengan Material Brass
760
780
800
820
840
860
880
900
U (koefisien perpindahan panas) Shell
(Fluida
Panas) Air 1.5 kg/s 90
0C ,363 K
40 0C ,313 K
32 K 314025 J/s
800 W/m2
K
5611
2735.62
W/m2
K
864.15 W/m2
K
8 % < 30 % (assumsi desain
dapat digunakan)
2.1 % < 10 % (dapat di
terima) 0.26 Psi =
1792.64 Pa
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Koefisien Perpindahan Panas
terhadap Jenis Material
koefisien perpindahan kalor
sangat dipengaruhi oleh pemilihan dari jenis
material yang digunakan. Perbedaan koefisien
perpindahan kalor dari masing – masing
material dipengaruhi oleh nilai dari
konduktivitas termal masing – masing
ndahan kalor tertinggi
dihasilkan oleh material copper sebesar
K hal ini dikarenakan Copper
memiliki konduktivitas termal yang tinggi
dibandingkan material Brass dan Aluminium
Hasil Simulasi dengan Mengunakan
Distribusi Kecepatan Aliran
Copper pada Tube
Distribusi Kecepatan Aliran
Brass pada Tube
U Assumsi
(W/m2K)
Uo
perhitungan
(W/m2K)
perpindahan panas)
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Gambar 8. Distribusi Kecepatan Aliran
dengan Material Alluminum Bronze pada
Tube
Gambar 6, percobaan dengan
menggunakan material copper pada tube,
kecepatan inlet dari fluida air panas yang
mengalir melewati shell sebesar 0.789 m/s
dan kecepatan tersebut mengalami kenaikan
dan penurunan ketika mengalir melewati
baffle yang ada pada shell dengan kecepatan
0.1 m/s hingga 0.4 m/s dan kecepatan outlet
yang dihasilkan sebesar 0.769 m/s.
Kecepatan inlet dari fluida air dingin yang
melewati stationary head, tube dan rear head
sebesar 3.026 m/s kemudian kecepatan
tersebut mengalami penurunan sekitar 0.4 m/s
– 1 m/s ketika aliran mengalir di sepanjang
tube berdasarkan gradasi warna yang
dihasilkan dan kecepatan outlet sebesar 2.965
m/s.
Tabel 5. Perbandingan Distribusi
Kecepatan dengan Menggunakan Material
yang Berbeda pada Tube
Material Kecepatan
Aliran Fluida
Panas
Kecapatan
Aliran fluida
Dingin
Inlet Outlet Inlet outlet
Copper 0.789
m/s
0.769
m/s
3.026
m/s
2.965
m/s
Brass 0.789
m/s
0.77
m/s
3.026
m/s
2.966
m/s
Aluminiu
m Bronze
0.789
m/s
0.769
m/s
3.026
m/s
2.966
m/s
Penggunaan jenis material tube yang
berbeda pada setiap percobaan tidak terlalu
mempengaruhi distribusi kecepatan aliran
fluida, hal ini di karenakan ukuran dimensi
heat exchanger dan nilai input yang
digunakan adalah sama di setiap
percobaannya.
Gambar 9, Distribusi Temperature
Material copper dibagian Tube
Gambar 10, Distribusi Temperatur
dengan Material Brass pada Tube
Gambar 11, Penurunan Temperatur Material
dengan Aluminium Bronze pada Tube
Pada Gambar 9, percobaan pertama dengan
menggunakan material Copper pada bagian
tube, temperatur inlet dari fluida air panas
yang mengalir dibagian shell sebesar 90 0C
(363 K) kemudian mengalami penurunan
temperatur mulai dari inlet menuju outlet
dengan temperatur outlet sebesar 41 0C (314
K), penurunan temperatur fluida air panas
terjadi disetiap belokan ketika melewati
baffle.
Fluida air dingin yang mengalir melewati
stationary head, shell dan rear head,
mengalami kenaikan temperatur fluida
dengan temperatur inlet sebesar 21 0C (294 K)
dan temperatur outlet sebesar 33 0C (306 K),
kenaikan temperatur tersebut disebabkan oleh
perpindahan panas yang dihasilkan dari fluida
air panas ke fluida air dingin.
Berikut merupakan hasil input dan
output yang dihasilkan masing – masing
percobaan dengan menggunakan jenis
material yang berbeda pada bagian tube.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Tabel 6, Perbandingan Distribusi
Temperature dengan Menggunakan Material
yang Berbeda pada Tube
Material Air Panas Air Dingin
Inlet Outlet Inlet outlet
Copper 90 oC 41
oC 21
oC 33
oC
Brass 90 oC 42
oC 21
oC 33
oC
Aluminiu
m Bronze
90 oC 43
oC 21
oC 33
oC
Dari data hasil simulasi penggunaan jenis
material tube yang berbeda mempengaruhi
penurunan dan kenaikan temperatur yang
dihasilkan, perpindahan panas yang
dihasilkan material copper lebih mendekati
nilai dari perhitungan termal perancangan,
penurunan temperatur pada simulasi ketika
menggunakan material copper pada tube
sebesar 410C dan perhitungan termal sebesar
400C sedangkan kenaikan temperatur 33
0C
dan perhitungan termal 340C.
Gambar 12, Penurunan Tekanan dengan
Material Copper pada Tube
Gambar 13, Penurunan Tekanan dengan
Material Brass pada Tube
Gambar 14. Penurunan Tekanan dengan
Material Aluminium Bronze Pada Tube
Pada Gambar 11, penurunan tekanan yang
dihasilkan pada saat percobaan dengan
menggunakan material copper dibagian tube,
untuk fluida air panas yang mengalir
melewati bagian shell penurunan tekanan
yang terjadi sebesar 1061.88 Pa atau 0.15 psi
dengan tekanan inlet sebesar 102689.20 Pa
dan tekanan outlet sebesar 101627.32 Pa.
Penurunan tekanan yang terjadi pada fluida
air dingin merupakan total dari penurunan
tekanan secara keseluruhan, dari hasil
simulasi Gambar 4.19 penurunan tekanan
sebesar 14275.13 Pa atau 2.06 psi, dengan
pressure inlet sebesar 120158.79 Pa dan oulet
sebesar 105883.66 Pa.
Berikut merupakan hasil penurunan
tekanan dari masing – masing percoba dengan
menggunakan material yang berbeda dibagian
tube.
Tabel 7, Penurunan Tekanan pada Fluida
Panas dan Dingin Material Penurunan
Tekanan pada
Air Panas
Penurunan
Tekanan pada Air
Dingin
Copper 1061.88 Pa 14275.13 Pa
Brass 1061.01 Pa 14310.96 Pa
Aluminium
Bronze
1061.20 Pa 14314.21 Pa
Dari hasil data simulasi, dapat dilihat
bahwa penggunaan jenis material tube yang
berbeda menghasilkan penurunan tekanan
yang tidak jauh berbeda dari setiap material,
nilai penurunan tekanan fluida panas untuk
material Copper pada tube sebesar (1061.88
Pa = 0.15 psi), Brass (1061.01 Pa = 0.15 psi)
dan Aluminium Bronze (1061.2 Pa = 0.15 psi),
sedangkan penurunan tekanan pada fluida
dingin untuk penggunaan material Copper
pada tube sebesar (14275.13 Pa = 0.2 psi),
Brass (14310.96 Pa = 0.2 psi) dan Aluminium
Bronze (14314.21 Pa = 1.61 psi).
Berdasarkan ketentuan perancangan, nilai
penurunan tekanan dari ketiga percobaan
yang dilakukan telah memenuhi syarat
ketentuan, dimana penurunan tekanan yang
ada pada heat exchanger yang menggunakan
fluida tidak boleh melebihi dari 10 psi [3]
.
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Kesimpulan
Berdasarkan koefisien perpindahan panas
keseluruhan perhitungan yang dihasilkan
dengan material tube yang berbeda, nilai
kofisien perpindahan panas yang dihasilkan
tidak jauh berbeda dengan koefisien
perpindahan panas assumsi 800 W/m2K
dimana nilai tersebut 1% < 30%[5]
, sehingga
nilai dimensi yang ada pada perhitungan
dapat digunakan untuk permodelan heat
exchanger dengan menggunakan Software
Solidwork.
Berdasarkan perhitungan termal nilai
koefisien perpindahan panas keseluruhan
dengan menggunakan material Copper pada
Tube sebesar 864.15 W/m2k, Brass 856.89
W/m2K dan Alluminium Bronze 852.66
W/m2K.
Berdasarkan hasil simulasi distribusi
temperature dari ketiga percobaan
menghasilkan perbedaan output dibagian air
panas sebesar 10C – 3
0C dan pada air dingin
kenaikan temperatur relatif sama.
Hasil penurunan tekanan yang dihasilkan
dari setiap percobaan tidak terlalu jauh
berbeda, hasil dari ketiga percobaan tersebut
telah memenuhi syarat dalam perancangan
heat exchanger.
Referensi
[1] Holman, J.P. Alih bahasa E.Jasifi,
1995, Perpindahan Kalor, Erlangga,
Jakarta.
[2] Sitompul, M. Tunggul, 1991, Alat
Penukar Kalor (Heat Exchanger),
Citra Niaga Rajawali Pers, Jakarta.
[3] Kern, Donal. Q, 1965, Process Heat
Transfer, International Student Edition
Mc.Graw Hill Book Compony,
Tokyo.
[4] Bhatt, Durgesh, Priyanka, M.J, 2012,
Shell and Tube Exchanger
Performance Analysis, International
Journal of Science and Research
(IJSR), Sehore.
[5] Mukherjee, Rajiv, 1998, Effectively
Design Shell-and-Tube Heat
Exchangers, Copyright 1997
American Institute Of Chemical
Engineers, New Delhi, India.
[6] Shah K, Ramesh, 2003, Fundamentals
of Heat Exhanger Design, JOHN
WILEY & SONS, INC. New York.
[7] http://nptel.ac.in/courses/103103027/3 [Diunduh tanggal 05/01/2015]
.