TUGAS BESAR HEAT EXCHANGERHEAT EXCHANGER TIPE SHELL & TUBEOleh Dwi Novriadi 1015021028

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknik

Universitas Lampung

soalA shell-and-tube heat excharger is to heat 10.000 kg/h of water from 16 to 84oC by hot engine oil following through the shell. The oil makes a single shell pass, entering at 160oC and leaving at 94oC with an average flows through coefficient of 400W/m2.K. the water flows througt 11 brass tubes of 22.9 mm inside diameter and 25.4 mm outside diameter, with each tube making four passes through the shell.a. Assuming fully developed flow for the water, determine the required tube length per

pass.b. For the tube length found in part (a), plot the effectiveness, fluid outlet temperatures,

and water-side convection coefficient as a function of water flow rate for kg/h, with all other conditions remaining the same.

DiketahuiSebuah Heat Exchanger Tipe Shell and Tube dengan oli berada didalam shell dan air yang akan dipanaskan berada didalam pipa.

Skema

Asumsi

Properties

1. Panas yang hilang diabaikan2. Perubahan energi potensial dan

kinetik diabaikan3. Constant properties

A1

A5

Material Kuningan (Brass)(400 K): k = 137 W/m.K

Air (323 K)ρ = 998.1 kg/m3

µ = 548 x 10-6 N.s/m2 Pr = 3.56k = 0.643 W/m.KCp = 4182 J/Kg.K

Analisis

PropertiesA1

A5

Material Kuningan (Brass)(400 K): k = 137 W/m.K

Air (323 K)ρ = 998.1 kg/m3

µ = 548 x 10-6 N.s/m2 Pr = 3.56k = 0.643 W/m.KCp = 4182 J/Kg.K

𝑞=�̇�𝑐𝐶𝑐 (𝑇 𝑐, 𝑖−𝑇 𝑐 ,𝑜 )

¿ 100003600 (𝑘𝑔𝑠 )×4182( 𝐽

𝐾𝑔 .𝐾 ) (84−16 )𝑜𝐶

¿789933.3𝑤𝑎𝑡𝑡

𝑞=𝑈 0 𝐴0𝐹 ∆𝑇 𝑙𝑚 ,𝐶𝐹

∆ 𝑇 𝑙𝑚 ,𝐶𝐹=[ (160−84 )𝑜𝐶− (94−16 )𝑜𝐶 ]

𝑙𝑛(160− 8494−16)

¿−2

𝑙𝑛( 7678 )

¿76.99𝑜𝐶 ≈77𝑜𝐶

Analisis

PropertiesA1

A5

Material Kuningan (Brass)(400 K): k = 137 W/m.K

Air (323 K)ρ = 998.1 kg/m3

µ = 548 x 10-6 N.s/m2 Pr = 3.56k = 0.643 W/m.KCp = 4182 J/Kg.K

𝑈=[ 1h0

+𝑟 0

𝑘 𝑙𝑛𝑟0

𝑟 𝑖+𝑟 0

𝑟 𝑖

1h𝑖 ]

− 1Persamaan 11.5FUNDAMENTAL OF HEAT AND MASS

TRANSFER

Skemaho = 400 W/m2.K ro = 25.4x10-3mri = 22.9x10-3m

𝑅𝑒𝐷=˙4𝑚 /𝑁

𝜋𝐷𝜇 & 𝑁𝑢𝐷=0.023𝑅𝑒𝐷0.8 𝑃𝑟 0.4

𝑅𝑒𝐷=˙4𝑚 /𝑁

𝜋𝐷𝜇

¿¿¿¿25621.1661

128,584

Analisis

PropertiesA1

A5

Material Kuningan (Brass)(400 K): k = 137 W/m.K

Air (323 K)ρ = 998.1 kg/m3

µ = 548 x 10-6 N.s/m2 Pr = 3.56k = 0.643 W/m.KCp = 4182 J/Kg.K

𝑈=[ 1h0

+𝑟 0

𝑘 𝑙𝑛𝑟0

𝑟 𝑖+𝑟 0

𝑟 𝑖

1h𝑖 ]

− 1Persamaan 11.5FUNDAMENTAL OF HEAT AND MASS

TRANSFER

Skemaho = 400 W/m2.K ro = 25.4x10-3mri = 22.9x10-3m

h 𝑖=𝑁𝑢𝐷×𝐾

𝐷 =128.584×0.643𝑊 /𝑚.𝐾22.9×10−3𝑚

=3610.459𝑊 /𝑚2𝐾

𝑈=[ 1400𝑊 /𝑚2𝐾

+25.4×10−3𝑚

2×137𝑊 /𝑚 .𝐾 𝑙𝑛 25.422.9

+25.4×10− 3𝑚22.9×10−3𝑚

× 13610.459𝑊 /𝑚2 𝐾 ]

− 1

¿355.01𝑊 /𝑚2𝐾

Analisis

PropertiesA1

A5

Material Kuningan (Brass)(400 K): k = 137 W/m.K

Air (323 K)ρ = 998.1 kg/m3

µ = 548 x 10-6 N.s/m2 Pr = 3.56k = 0.643 W/m.KCp = 4182 J/Kg.K

𝑈=[ 1h0

+𝑟 0

𝑘 𝑙𝑛𝑟0

𝑟 𝑖+𝑟 0

𝑟 𝑖

1h𝑖 ]

− 1Persamaan 11.5FUNDAMENTAL OF HEAT AND MASS

TRANSFER

Skemaho = 400 W/m2.K ro = 25.4x10-3mri = 22.9x10-3m

 

 

 

Model 3DDAN SIMULASI

PipaMaterial Kuningan (Brass)Fluida didalam pipa yaitu Air

11 Pipa dengan masing-masing 4 laluan

SHELLMaterial ditentukan kemudianFluida didalam shell yaitu Oli

1 laluan

 

 

 

TURBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION (TEMA)STANDARDS 9TH EDITION2007

Model 3DDAN SIMULASI

PipaMaterial Kuningan (Brass)Fluida didalam pipa yaitu Air

Panjang pipa 9,6 m11 Pipa dengan masing-masing 4 laluan

SHELLMaterial ditentukan kemudianFluida didalam shell yaitu Oli

1 laluan

TURBULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION (TEMA)STANDARDS 9TH EDITION2007

HASIL SIMULASISUMMARY

Goal Name Unit Value Averaged Value Min Value Max Value

Kecepatan Aliran Fluida [m/s] 0,039028519 0,038573945 0,0382743

27 0,040449277Temperatur Maks Oli [°C] 90,89470682 91,02141147 90,578659

5 91,64408374Temperatur Maks Air [°C] 85,23406369 83,97075056 82,718119

23 85,23406369

Temperatur Maks shell [°C] 156,9488608 156,7708332 156,53931

6 156,9488608

Temperatur Maks Pipa [°C] 147,936386 147,8871072 147,51169

61 148,1141652

HASIL SIMULASIKECEPATAN ALIRAN FLUIDA

0 100 200 300 400 500 600-0.00999999999999999

1.21430643318377E-17

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

GG Av Velocity 1

Iterations

Velo

city

[m

/s]

HASIL SIMULASITEMPERATUR ALIRAN FLUIDA

0 100 200 300 400 500 600-20

3.5527136788005E-15

20

40

60

80

100

120

OliAir

Iterations

Tem

pera

ture

(Fl

uid)

[°C

]

HASIL SIMULASITEMPERATUR ALIRAN FLUIDA

0 100 200 300 400 500 600-20

30

80

130

180

ShellPipa

Iterations

Tem

pera

ture

(So

lid)

[°C

]

KESIMPULAN1. Dapat dilihat pada gambar hasil simulasi kecepatan aliran

bahwa kecepatan yang masuk kedalam pipa mengalami peningkatan berbeda dengan fluida didalam shell yang mengalami penurunan saat memasuki shell. Kecepatan fluida didalam shell tergolong turbulen sehingga panas yang dihasilkan juga merata.

2. Terjadinya peningkatan temperatur air yang berada dalam pipa dari 16oC menjadi 85,23oC, sedangkan temperatur oli turun dari 160oC menjadi 91,64oC. Hal ini berbeda dengan hasil output yang terdapat pada soal. Perbedaan temperatur ini disebabkan karena pada soal jenis material shell, baffle, dan komponen yang berkontak langsung dengan fluida diabaikan sehingga panas yang hilang pada komponen-komponen tersebut juga diabaikan, berbeda dengan simulasi yang dalam pengerjaannya harus mendetail, termasuk material komponen.

TERIMA KASIH