ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER...

27
TUGAS AKHIR (Konversi Energi ) – RM1542 ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER PROPANE DESUPERHEATER 4E-1 A/B (STUDI KASUS DI PT BADAK NGL BONTANG) WIDITAMA PRABANU NRP 2104 100 022 Dosen Pembimbing DR.Eng Prabowo, M.Eng JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009

Transcript of ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER...

Page 1: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

TUGAS AKHIR (Konversi Energi ) – RM1542 ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER PROPANE DESUPERHEATER 4E-1 A/B (STUDI KASUS DI PT BADAK NGL BONTANG) WIDITAMA PRABANU NRP 2104 100 022 Dosen Pembimbing DR.Eng Prabowo, M.Eng JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009

Page 2: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

FINAL PROJECT (Energy Conversion) – RM1542 HEAT TRANSFER ANALYIS ABOUT TUBES PLUGGING EFFECT FOR PERFORMANCES OF HEAT EXCHANGER PROPANE DESUPERHEATER 4E-1 A/B (CASE STUDY AT PT BADAK NGL BONTANG) WIDITAMA PRABANU NRP 2104 100 022 Supervisor DR.Eng Prabowo, M.Eng MECHANICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2009

Page 3: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP

PERFORMANSI HEAT EXCHANGER PROPANE DESUPERHEATER 4E-1 A/B

(STUDI KASUS DI PT BADAK NGL BONTANG)

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuji Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada

Bidang Studi Konversi Energi Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

WIDITAMA PRABANU NRP. 2104.100.022

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. DR.Eng.Prabowo, M.Eng ……. (Pembimbing)

NIP. 131 902 444 2. Ir.Budi Utomo KW, ME. ...………. (Penguji)

NIP. 130 936 833 3. Wawan Aries Widodo, ST, MT ………… (Penguji)

NIP. 132 169 251 4. Ary Bachtiar KP, ST, MT, Ph.D ………… (Penguji)

NIP. 132 169 250

SURABAYA AGUSTUS, 2009

Page 4: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

i

ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH

TUBES PLUGGING TERHADAP PERFOMANSI

HEAT EXCHANGER PROPANE DESUPERHEATER

4E-1 A/B

(STUDI KASUS DI PT BADAK NGL BONTANG)

Oleh : Widitama Prabanu NRP : 2104.100.022 Bidang Studi : Konversi Energi Pembimbing : Dr.Eng Prabowo, M.Eng

ABSTRAK

Heat exchanger (HE) merupakan peralatan yang menerapkan hukum-hukum termodinamika dan perpindahan panas dalam aplikasi di dunia industri. Di PT Badak NGL Bontang, salah satu aplikasinya adalah sebagai Propane Desuperheater, dengan menggunakan fluida pendingin air laut. Kelemahan air laut adalah sifat korosif yang dapat menyebabkan kebocoran tube. Untuk mengatasi dampak akibat kebocoran tube, solusi yang langsung diterapkan adalah dengan membuntu (plugging) tube yang bocor. Tujuan penelitian ini adalah untuk melakukan re-desain peralatan heat exchanger propane desuperheater 4E-1 dengan menggganti jenis baffle yang digunakan yaitu dengan menggunakan baffle tipe single segmental, serta untuk analisa pengaruh pemasangan plug pada tube terhadap performansi heat exchanger.

Page 5: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

ii

Proses re-desain akan dilakukan dengan pembuatan perangkat lunak dengan bahasa pemrogaman Borland Deplhi 6, dimana input dari perangkat lunak tersebut adalah temperatur inlet dan outlet masing-masing fluida dingin dan panas, laju alir massa masing-masing fluida dingin dan panas, serta persentase jumlah tube yang di-plug. Formulasi dalam perangkat lunak tersebut terdiri dari formulasi secara termodinamik untuk menghitung energi panas yang dilepas/diterima masing-masing fluida, menghitung beda temperatur logaritmik, kemudian formulasi dengan metode Delaware untuk menghitung koefisien perpindahan panas dan pressure drop pada sisi shell dan formulasi perpindahan panas pada aliran internal di dalam silinder untuk perhitungan koefisien perpindahan panas dan pressure drop pada sisi tube.

Output dari perangkat lunak tersebut antara lain, dimensi tube, dimensi shell, serta performansi HE. Setelah re-desain dilakukan, kemudian dilakukan perhitungan performansi HE yang diwakili di antaranya oleh effectiveness HE, koefisien perpindahan panas, dan pressure drop untuk setiap penambahan persentase pemasangan plug. Dari re-desain HE Propane Desuperheater, didapatkan bahwa baffle spacing optimum adalah sebesar 45% dari diameter shell dan baffle cut optimum adalah sebesar 25% dari diameter shell. Dari perhitungan performansi didapatkan pada kondisi desain, nilai NTU = 0.781 dan ε =0.51. Perhitungan pada kondisi plugging menunjukkan bahwa pada jumlah tube yang di-plug sebesar 20% dari jumlah tube total, pressure drop bertambah 50% lebih besar dari pressure drop pada kondisi tanpa plug. Kemudian, nilai Qact berkurang sebesar 10 % lebih kecil dari Qact

Page 6: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

iii

pada kondisi tanpa plug, dan temperatur outlet fluida panas (Tho)bertambah 3% dan temperatur outlet fluida dingin (Tco) berkurang 1%, dibandingkan dengan kondisi tanpa plug. Kata Kunci : re-desain, single segmental baffle, Delaware Method, performasi alat penukar panas, persentase plugging.

Page 7: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

iv

HEAT TRANSFER ANALYSIS ABOUT EFFECT OF TUBES PLUGGING TO PERFORMANCES OF

HEAT EXCHANGER PROPANE DESUPERHEATER 4E-1 A/B

(CASE STUDY AT PT BADAK NGL BONTANG)

By : Widitama Prabanu Student Reg.No :2104.100.022 Majoring :Energy Conversion Supervisor :Dr.Eng Prabowo, M.Eng

ABSTRACT Heat exchanger is an equipment which implements laws of thermodynamics and heat transfer in its applications in any industrial fields. One of the HE’s application at PT Badak NGL Bontang is as a propane desuperheater, which use seawater as coolant water. Seawater has a harm effect for a heat exchanger due to its corrosive behaviour which may cause leakage on tube’s surface. To overcome the impact , tube plugging may applied to the leak tubes. Objectives of this research are redesigning the heat exchanger by changing baffle type and analyzing effects of tubes plugging to the performances of the heat exchanger. Redesign of the heat exchanger is done by building a software with Borland Delphi 6 Programming Language. Where inputs are inlet and outlet temperature for each hot and cold fluid, mass flow rate for each hot and cold fluid, and percentage of tubes being plugged.

Page 8: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

v

There are several formulations which used at the software, such as thermodynamic formulation to calculate heat balance between hot and cold fluid ; Delaware method to calculate heat transfer coefficient and pressure drop at shell side ; and then internal flow heat transfer formulation to calculate heat transfer coefficient and pressure drop at tube side. Tube dimensions, shell dimensions, and heat exchanger’s performance are the output of redesigning HE After redesigning the heat exchanger, then the performance of heat exchanger such as effectiveness, heat transfer coefficient, and pressure drop, will be calculated for each increment of plug percentage. Optimum design of baffle spacing is 45% of shell diameter and optimum design of baffle cut is 25% of shell diameter. From performances calculation, design condition has NTU = 0.781 and ε = 0.51. From tubes plugging calculation, it is obvious that for 20% of tubes plugging, pressure drop increases about 50% from no-plug-condition. Qact decreases 10%, hot fluid outlet temperature (Tho) increase 3% and cold fluid outlet temperature (Tco) decrease 1%, refer to no-plug-condition. Keywords : redesign, single segmental baffle, Delaware Method, heat exchanger performance, percentage of plugging.

Page 9: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

vii

KATA PENGANTAR

Pujian dan syukur penulis naikkan di hadapan Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala kemurahan dan penyertaan-NYA selama proses berlangsung sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dan penulis memperoleh banyak manfaat dari proses yang telah dijalani. Kiranya segala sesuatu yang penulis lakukan dan kerjakan adalah bagi kemuliaan Tuhan dan seturut rancangan-NYA yang terbaik.

Dalam proses pengerjaan Tugas Akhir ini, perkenankan penulis menyampaikan apresiasi setinggi-tingginya bagi semua pihak yang telah mendukung dan memberikan semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini : 1. Bapak DR.Eng.Prabowo, M.Eng, sebagai dosen

pembimbing, yang telah memberikan banyak nasehat, arahan ,kritikan, dan masukan bagi penulis.

2. Kedua orangtuaku, Bapak/Ibu Bambang Nugroho, atas segala dukungan dalam segala hal, atas segala doa dan “cambukan” agar Tugas Akhir ini dapat segera diselesaikan untuk memasuki tahap kehidupan yang selanjutnya. Serta adik-adikku, Webi dan Trini ,dan keluarga besar atas segala doa dan dukungan kalian.

3. Yang terkasih, Sdri. Made Ayu Isabelle Sardjana, atas kesabaran dan dukungan dalam banyak hal. Terima kasih atas kepercayaan, kasih, dan ketulusan yang telah diberikan, serta keluarga Bapak Dr.drh I Komang Wiarsa Sardjana, DEA atas dukungannya.

4. Rekan-rekan Lab.Perpan, atas kebersamaan dan keceriaan yang kita jalani walaupun sedang suntuk : Ucup Kohar, Agus PamPam, Faree, Niko, Retno’, Arin, Billy, Rai, Fahmi, Validita, Mas Imron, Mas Giri, Mas Maman, Mas

Page 10: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

viii

Kontab, Torar, Huda, Durajad, dan lainnya. Tetaplah setia “memancal becak”.

5. Rekan seperjuanganku : Satria, Rusli, Zhie, dan Dian. Sukses buat kalian semua.

6. Bapak-bapak penguji sidang : Bpk. Ir Budi Utomo KW, ME ; Bpk. Ary Bachtiar KP, ST, MT, Ph.D ; Bpk Wawan Aries Widodo, ST, MT, atas segala masukan untuk penyempurnaan Tugas Akhir ini.

7. Para Engineer di PT Badak NGL Bontang : Bpk. Ahmad Farouk Riza, Bpk Ranto Manullang, Bpk Ronggo AW, Bpk Parmudji, Kak Grace Intan, atas bantuan dan informasi yang telah diberikan sejak Kerja Praktek pada tahun 2007 hingga pengambilan data pada tahun 2008. Serta Bu Yanti dan Bpk Finny Langitan di Training Section HRD yang telah memfasilitasi penulis.

8. Sehabatku : Niluh Gede Sri, dan rekan-rekan angkatan M-47, baik yang telah lulus maupun yang belum lulus. Terima kasih atas kebersamaan dengan kalian sejak Poros Mesin 2004 hingga detik ini.

9. Bpk. Pdt. Wahyu Pramudya atas segala nasihat bagi penulis, sehingga dalam proses Tugas Akhir ini penulis dapat melihat karya Allah yang luar biasa dalam pembentukan karakter, serta rekan-rekan di GKI Ngagel dan GKI Jemursari atas dukungan dan doanya.

Atas segala kekurangan penulis mengucapkan permohonan

maaf yang diiringi oleh komitmen untuk senantiasa belajar dari kesalahan serta mengembangkan diri di masa mendatang. Tuhan memberkati kita semua.

Surabaya, Agustus 2009

Penulis

Page 11: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

ix

DAFTAR ISI

Hal

ABSTRAK ………………………………………………... i

KATA PENGANTAR ……………………………………. vii

DAFTAR ISI …………………………………………...... ix

DAFTAR GAMBAR ……………………………………. xiii

DAFTAR TABEL ………………………………………. xix

DAFTAR SIMBOL ……………………………………… xxi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Proses Pengolahan Gas Alam Cair ……………... 1

1.2 Latar Belakang …………………………………. 5

1.3 Perumusan Masalah …………………………….. 10

1.4 Batasan Masalah ………………………………... 11

1.5 Tujuan Penelitian ……………………………….. 12

1.6 Manfaat Penelitian ……………………………… 13

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Penelitian Terdahulu ……………………………. 15

2.1.1 Pemrogaman Terdahulu …………………... 15

2.1.2 Analisa Tube Plugging …………………. 18

2.2 Dasar Teori Perpindahan Panas ………………… 20

2.2.1 Overall Heat Transfer Coefficient ………… 20

Page 12: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

x

2.2.2 Metode Log Mean Temperature Difference 23

2.2.3 Metode Number of Tranfer Unit ………… 25

2.3 Re-Desain Shell and Tube Heat Exchanger …… 27

2.3.1 Parameter Geometri Shell and Tube Heat

Exchanger ……………………………….

27

2.3.2 Koefisien Perpindahan Panas dan Pressure

Drop pada Sisi Shell ………………………

34

2.3.2.1 Tipe Aliran di Sisi Shell …………. 34

2.3.2.2 Koefisien Perpindahan Panas pada

Sisi Shell …………………………............

38

2.3.2.3 Penurunan Tekanan pada Sisi Shell 47

2.3.3 Koefisien Perpindahan Panas dan Pressure

Drop pada Sisi Tube ……………………..

49

2.3.3.1 Koefisien Perpindahan Panas pada

Sisi Tube …………………………

49

2.3.3.2 Penurunan Tekanan pada Sisi Tube 51

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Struktur Pengerjaan Tugas Akhir ………………. 55

3.2 Diagram Alir Penelitian ………………………… 56

3.3 Diagram Alir Pemrogaman ……………………... 57

3.4 Diagram Alir Perhitungan Performansi Untuk

Kondisi Tersumbat ……………………………

59

3.5 Contoh Front Page Program …………………… 62

Page 13: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xi

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Re-Desain Heat Exchanger Propane

Desuperheater ………………………………

63

4.1.1 Asumsi-Asumsi …………………………… 63

4.1.2 Pemrogaman Heat Exchanger Design ……. 63

4.1.3 Perhitungan ∆T LMTD dan Balans Energi 68

4.1.4 Menentukan Dimensi Tube dan Material

Tube …………………………..………….

71

4.1.5 Perhitungan Koefisien Konveksi dan

Pressure Drop ……………………………

95

4.1.6 Iterasi Overall Heat Transfer Coefficient … 107

4.1.7 Hasil Iterasi Re-Desain …………………… 108

4.2 Analisa Performansi …………………………… 116

4.2.1 Analisa Performansi Untuk Setiap

Perubahan Laju Alir Massa ……………..

116

4.2.2 Analisa Performansi pada Kondisi Sumbat

Terpasang …………………………………

124

a. Pengaruh Terhadap Pressure Drop ……. 125

b. Pengaruh Terhadap Heat Transfer ……. 127

c. Pengaruh Terhadap Temperatur Outlet ... 131

Page 14: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xii

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ……………………………..………. 139

5.2 Saran-Saran …………………………….……….. 142

DAFTAR PUSTAKA …………………………………….. 143

LAMPIRAN

Lampiran 1 TEMA Sheet Propane Desuperheater

4E-1 Train G …………………………

145

Lampiran 2 Gambar Konstruksi existing

Propane Desuperheater 4E-1 ……

146

Lampiran 3 LMTD Correction Factor untuk 1 Shell

Pass and Even Number of Tube Passes

148

Hasil Perhitungan NTU-ε untuk Cr = 0.233 ……..

Hasil Perhitungan NTU-ε untuk Cr = 0.50 ………

Hasil Perhitungan NTU-ε untuk Cr = 0.75 ………

Hasil Perhitungan NTU-ε untuk Cr = 1.0 ………

149

151

153

155

Page 15: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xiii

DAFTAR GAMBAR

Hal

Gambar 1.1 Proses Pengolahan Gas Alam Cair …………... 2

Gambar 1.2 Proses Refrigerasi Propane pada Plant 4 ……. 4

Gambar 1.3 Aliran di Dalam Propane Desuperheater 4E-1 6

Gambar 1.4 Sumbat yang Digunakan Untuk Menyumbat

Tube yang Bocor …………………………… 9

Gambar 2.1Halaman Awal Perangkat Lunak yang

Dikembangkan oleh K.C Leong dan K.C Toh 16

Gambar 2.2 Perangkat Lunak yang Dikembangkan Oleh

Dimas Edward Abraham (2004) ……………. 17

Gambar 2.3 Grafik Hasil Penelitian Irfan Saif Hussaini ….. 19

Gambar 2.4 Rangkaian Tahanan Termal pada Tube untuk

Persamaan 2.1 ……………………………….. 22

Gambar 2.5 Tube Pitch untuk Masing-Masing Susunan

Tube …………………………………………. 28

Gambar 2.6 Dimensi Shell dan Tube Bundle ……………... 29

Gambar 2.7 Ilustrasi Efek Baffle Cut Terhadap Aliran di

Sisi Shell ……………………………………. 31

Gambar 2.8 Baffle Spacing dan Baffle Cut ……………….. 33

Gambar 2.9 Tipe-Tipe Aliran di Sisi Shell ……………….. 34

Gambar 2.10 Aliran yang Melalui Celah di Antara Baffle

Hole dan Tube …………………………..….. 35

Gambar 2.11 Aliran Bypass di Area di Antara Tube Bundle

Page 16: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xiv

dan Dinding Dalam Shell (Aliran C) …….….. 36

Gambar 2.12 Ilustrasi Aliran Tipe E………………………. 37

Gambar 2.13 Jenis-Jenis Konfigurasi Tube ………………. 39

Gambar 2.14 Celah Antara Dinding Dalam Shell dan Baffle 42

Gambar 2.15 Celah Antara Dinding Luar Tube dan Lubang

Baffle ………………………………………… 43

Gambar 2.16 Pembagian Daerah pada Sisi Shell ………… 48

Gambar 2.17 Penurunan Tekanan yang Terjadi di Sisi Tube 52

Gambar 3.1 Diagram Alir Garis Besar Penelitian ………… 56

Gambar 3.2 Diagram Alir Pemrogaman untuk Re-Desain .. 59

Gambar 3.3 Diagram Alir Perhitungan Performansi Untuk

Kondisi Tersumbat ………………………… 61

Gambar 3.4 Front Page dari Program yang Akan

Digunakan untuk Re-Desain ………………… 62

Gambar 4.1 Diagram Alir Input Data dan Perhitungan

LMTD ……………………………..………… 65

Gambar 4.2 Input Data Proses Pada Program HED ………. 66

Gambar 4.3 Data Properti Fluida pada Program HED ……. 66

Gambar 4.4 Pilihan Posisi Nozzle pada Program HED …… 67

Gambar 4.5 Pilihan Jumlah Laluan dan Jumlah Shell/Unit 68

Gambar 4.6 Hubungan T= f (% Length of HE) pada

Program HED ………………………………. 69

Gambar 4.7 Diagram Alir Perhitungan Heat Capacity,

Heat Transfer Area, dan Jumlah Tube………. 70

Page 17: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xv

Gambar 4.8 Hasil Perhitungan ∆T LMTD dan Energi

Balans pada Program HED ………………….. 71

Gambar 4.9 Input Data Tube pada Program HED ………... 72

Gambar 4.10 Diagram Alir Perhitungan Diameter Shell …. 73

Gambar 4.11 Diagram Alir Perhitungan Panjang Shell dan

Diameter Nozzle …………………………… 75

Gambar 4.12 Aliran Melalui Nozzle ……………………… 76

Gambar 4.13 Diagram Alir Perhitungan Panjang Tube

Efektif dan Jumlah Baffle……………….…… 78

Gambar 4.14 Perhitungan Fraksi Aliran di Sisi Shell pada

Program HED …………………..………….. 80

Gambar 4.15 Besarnya Pressure Drop Untuk Setiap

Penambahan Baffle Cut …………….….……. 85

Gambar 4.16 Besarnya Overall Heat Transfer Coefficient

untuk Setiap Penambahan Baffle Cut ……… 85

Gambar 4.17 Besarnya Pressure Drop untuk Setiap

Penambahan Baffle Spacing ………………… 86

Gambar 4.18 Besarnya Overall Heat Transfer Coefficient

untuk Setiap Penambahan Baffle Spacing …. 87

Gambar 4.19 Menu Input Nilai Baffle Spacing dan Baffle

Cut pada Program HED …………………….. 87

Gambar 4.20 Diagram Alir Perhitungan Sudut Baffle Cut 88

Gambar 4.21 Diagram Alir Perhitungan Luas Aliran dan

Luas Area Window ………………………… 89

Page 18: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xvi

Gambar 4.22 Luasan Aliran Melintang di Sisi Shell ……… 90

Gambar 4.23 Diagram Alir Perhitungan Luasan Clearance

Bundle-to-Shell Area …………………..….. 92

Gambar 4.24 Diagram Alir Perhitungan Clearance Area,

Kecepatan di Sisi Shell, dan Reynolds

Number di Sisi Shell ………………………… 94

Gambar 4.25 Diagram Alir Perhitungan Faktor Koreksi …. 96

Gambar 4.26 Diagram Alir Perhitungan Koefisien

Konveksi dan Pressure Drop di Sisi Shell ….. 102

Gambar 4.27 Resistansi Termal pada Aliran di Sisi Tube 104

Gambar 4.28 Diagram Alir Perhitungan Koefisien

Konveksi dan Pressure Drop di Sisi

Tube……………………………………..…… 105

Gambar 4.29 Diagram Alir Perhitungan U ……………….. 109

Gambar 4.30 Hasil Iterasi Re-Desain Heat Exchanger pada

Program HED ……………….……………… 110

Gambar 4.31 Hasil Perhitungan Dimensi Heat Exchanger

pada Program HED …………………..…….. 112

Gambar 4.32 TEMA Sheet Hasil Re-Desain pada Program

HED ………………………………..………. 114

Gambar 4.33 Luasan Aliran pada Celah di Antara Tube dan

Baffle Hole …………………….……………. 115

Gambar 4.34 Luasan Baffle-to-Shell Area ………………... 115

Gambar 4.35 Hubungan NTU-ε Untuk Heat Exchanger

Page 19: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xvii

Hasil Re-Desain ………………………..…… 117

Gambar 4.36 Rasio Perubahan Chot, U, dan ∆TH untuk Cr

= 0.233 ……………………………….…….. 118

Gambar 4.37 Hubungan Qactual dan Perubahan Laju Alir

Massa ……………………….…….………… 120

Gambar 4.38 Pengaruh Laju Alir Massa Temperatur Outlet

Fluida Panas ………………………….……… 121

Gambar 4.39 Pengaruh Laju Alir Massa Terhadap ∆T

Fluida Panas …………………….…………… 122

Gambar 4.40 Pengaruh Perubahan Laju Alir Massa Fluida

Panas Terhadap Temperatur Outlet Fluida

Dingin ………………………………………. 123

Gambar 4.41 Pengaruh Laju Alir Massa Terhadap ∆T

Fluida Dingin ……………………………….. 123

Gambar 4.42 Fasilitas Perhitungan Pengaruh

Penyumbatan Pada Program HED …………. 125

Gambar 4.43 Pengaruh Penyumbatan Terhadap Pressure

Drop ……………………………………………… 126

Gambar 4.44 Pengaruh Penyumbatan Terhadap

Performansi HE ………………….………… 128

Gambar 4.45 Pengaruh Penyumbatan Terhadap Qactual … 129

Gambar 4.46 Pengaruh Penyumbatan Terhadap Heat

Transfer Ratio ……………………………… 130

Gambar 4.47 Rasio (Q/∆P) Sebagai Fungsi Persentase

Page 20: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xviii

Penyumbatan ………………………………. 131

Gambar 4.48 Pengaruh Tube Penyumbatan Terhadap

Temperatur Outlet Fluida Panas …………….. 133

Gambar 4.49 Pengaruh Penyumbatan Terhadap Rasio

Temperatur Outlet Fluida Panas …………….. 134

Gambar 4.50 Pengaruh Penyumbatan Terhadap

Temperatur Outlet Fluida Dingin ………… 135

Gambar 4.51 Pengaruh Penyumbatan Terhadap Rasio

Temperatur Outlet Fluida Dingin …………… 136

Gambar 4.52 Pemetaan Tube Bundle dan Lokasi

Pemasangan Sumbat (hasil inspeksi tanggal

17 April 2000) ……………………………… 137

Gambar 4.53 Pemetaan Tube Bundle dan Lokasi

Pemasangan Sumbat (hasil inspeksi April

2006) ……………………………………….. 138

Page 21: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xix

DAFTAR TABEL

Hal

Tabel 1.1 Hasil Inspection Report pada Propane

Desuperheater 4E-1 Train G ............................ 7

Tabel 2.1 Perbandingan Pemrogaman Sebelumnya dengan

Pemrogaman yang akan dikembangkan ………... 18

Tabel 2.2 Nilai U pada Beberapa Aplikasi Alat Penukar

Panas …………………………………………… 21

Tabel 2.3 Nilai Fouling Factor pada Beberapa Aplikasi

Alat Penukar Panas …………………………..... 23

Tabel 2.4 Ukuran Maksimum Tube yang Tidak Disangga

Oleh Baffle Berdasarkan standar TEMA ………. 32

Tabel 2.5 Kecepatan Maksimum Yang Direkomendasikan

Untuk Desain Aliran di Dalam Tube …………… 50

Tabel 3.1 Struktur Pengerjaan Penelitian Tugas Akhir …… 55

Tabel 4.1 Efek Variasi Baffle Cut pada Baffle Spacing

Konstan 45% ……………………….……… 80

Tabel 4.2 Efek Variasi Baffle Cut pada Baffle Spacing

Konstan 50% ……………………...….……… 81

Tabel 4.3 Efek Variasi Baffle Cut pada Baffle Spacing

Konstan 55% ………………………..……….. 81

Tabel 4.4 Efek Variasi Baffle Spacing pada Baffle Cut

Konstan 20% ………………….…………… 82

Tabel 4.5 Efek Variasi Baffle Spacing pada Baffle Cut

Page 22: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xx

Konstan 25% ……………………….……… 83

Tabel 4.6 Efek Variasi Baffle Spacing pada Baffle Cut

Konstan 30% ……………………………….. 84

Tabel 4.7 Perhitungan Luasan Area Window ………………. 91

Tabel 4.8 Faktor Koreksi Terhadap Koefisien Perpindahan

Panas di Sisi Shell ………………………….. 97

Tabel 4.9 Faktor Koreksi Terhadap Pressure Drop di Sisi

Shell ……………………………………….… 98

Tabel 4.10 Pressure Drop di Sisi Shell …………………… 103

Tabel 4.11 Hasil Perhitungan Koefisien Konveksi di Sisi

Tube ………………………………………… 106

Tabel 4.12 Hasil Perhitungan Pressure Drop di Sisi Tube .. 107

Tabel 4.13 Hasil Iterasi Program …………………………. 111

Page 23: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xxi

DAFTAR SIMBOL

A : luasan perpindahan panas, m²

Ab : luasan bypass di antara shell dan tube bundle, m²

Anozzle : luas penampang nozzle, m²

As : luasan melintang aliran sisi shell di antara 2

baffle, m²

Asb : luasan celah di antara shell dan baffle, m²

At : luas penampang total tube, m²

Atb : luasan celah di antara dinding luar tube dan

lubang baffle, m²

Aw : luas netto area window, m²

Awg : luas total area window, m²

Awt : luas tube di area window, m²

B : baffle spacing, % of Ds

Bc : baffle cut, % of Ds

C1 : tube layout constant

Cc : kapasitas panas fluida dingin, kJ/kg.hr

Ch : kapasitas panas fluida panas, kJ/kg.hr

Cmin : kapasitas panas minimal, kJ/kg.hr

Cp,s : spesific heat fluida di sisi shell, kJ/kg.K

cp,h : spesific heat fluida panas, kJ/kg.K

Dctl : centerline tube limit diameter, m

Dnoz : diameter nozzle, m²

Dotl : outer tube limit diameter, m

Page 24: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xxii

Ds : Diameter shell, m

Dti : diameter dalam tube, mm

Dto : Diameter luar tube, mm

F : LMTD correction factor, nondimensional

f : friction factor di sisi tube

Fc : fraksi jumlah tube yang berada di area interior

fs : faktor gesekan aliran di sisi shell

Fsbp : Rasio bypass area terhadap luasan crossflow

Fw : fraksi jumlah tube yang berada di area window

g : percepatan gravitasi, 9.8 m/s²

hl,v : head kecepatan, kg/cm²

hshell : koefisien perpindahan panas di sisi shell, W/m²K

hshell,i : koefisien perpindahan panas ideal di sisi shell,

W/m²K

htube : koefisien konveksi di sisi tube, W/m²K

Jb : faktor koreksi akibat adanya aliran bypass pada

tube bundle

Jc : faktor koreksi yang besarnya bergantung pada

besarnya diameter shell, baffle cut dan baffle

spacing

Jr : faktor koreksi akibat adanya peningkatan

temperatur yang terjadi pada Bilangan Reynold

(Re) yang rendah (<100)

j i : Colburn j-factor

Page 25: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xxiii

Jl : koreksi akibat adanya efek dari kebocoran pada

baffle

Js : faktor koreksi akibat adanya nosel pada bagian

inlet dan outlet

ktubewall : konduktivitas thermal dinding tube, W/m.K

kc : konduktivitas thermal fluida dingin, W/m.K

kh : konduktivitas thermal fluida panas, W/m.K

Lbb : celah antara tube bundle dan dinding shell, mm

Lbc : central baffle spacing, m

Lbi : inlet baffle spacing, m

Lbo : outlet baffle spacing, m

Leff,b : panjang baffle efektif, m

Lp : Lebar tube partition pass, mm

Lsb : clearance antara dinding shell dan baffle

Ltb : celah antara dinding luar tube dan lubang baffle,

mm

Ltube : panjang tube, m

Mc : laju alir massa fluida dingin, kg/hr

Mh : laju alir massa fluida panas, kg/hr

Nb : jumlah baffle

Np : jumlah laluan tube

NT : jumlah tube

Ntcc : Jumlah lajur tube efektif di area window

Ntcw : Jumlah lajur tube efektif di area interior

Page 26: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xxiv

NTU : number of transfer unit, nondimensional

Ntw : jumlah tube di area window

NuDtube : Nusselt number aliran di sisi tube

PP : tube pitch longitudinal terhadap aliran, mm

Prc : Prandtl number di sisi tube

Prh : Prandtl number di sisi shell.

PT : tube pitch, mm

Qc : perpindahan panas menuju fluida dingin, kW

Qh : perpindahan panas dari fluida panas, kW

Qmax : perpindahan panas maksimum heat exchanger,

kW

Rb : faktor koreksi terhadap besarnya pressure drop

akibat adanya aliran bypass pada tube bundle

Res : Reynolds number di sisi shell

Ret : Reynolds number di sisi tube

Rftube : fouling factor di sisi tube, W/m²K

Rl : faktor koreksi terhadap besarnya pressure drop

akibat efek kebocoran pada baffle

Rs : faktor koreksi terhadap pressure drop akibat

perbedaan baffle spacing di area inlet dan outlet

sisi shell

U : overall heat transfer coefficient, W/m²K

vh : kecepatan aliran fluida panas. m/s

vs : kecepatan aliran melintang di sisi shell, m/s

Page 27: ANALISA PERPINDAHAN PANAS PENGARUH TUBES PLUGGING TERHADAP PERFORMANSI HEAT EXCHANGER ...digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-6870... ·  · 2010-01-042.3.1 Parameter Geometri

xxv

vtube : kecepatan aliran di sisi tube, untuk 1 tube, m/s

∆P bi : Penurunan tekanan pada tube bank ideal pada

bagian interior di antara dua baffle

∆P c : Penurunan tekanan di bagian interior , kg/cm²

∆P e : Penurunan tekanan pada area shell entrance dan

exit , kg/cm²

∆P f : major losses di sisi tube, kg/m²

∆P m : minor losses di sisi tube, kg/m²

∆P shell : Penurunan tekanan total di sisi shell , kg/cm²

∆P tube : pressure drop total di sisi tube, kg/m²

∆P w : Penurunan tekanan pada bagian window, kg/cm²

∆P wi : Penurunan tekanan tube bank ideal pada bagian

window, kg/cm²

∆Th : perbedaan temperatur fluida panas, ºC

∆Tlm : beda temperatur logaritmik, ºC

ε : efektivitas heat exchanger, %

θctl : upper centriangle of bafflecut, rad

θds : centriangle of bafflecut, rad

µc : viskositas fluida dingin, kg/m.s

µh : viskositas fluida panas, kg/m.s

ρc : massa jenis fluida dingin, kg/m³

ρh : massa jenis fluida panas, kg/m³