OPTIMIZATION-HE B&W.ppt

31
Prof. Dr. Ir. Bambang Teguh P., Prof. Dr. Ir. Bambang Teguh P., DEA DEA MODUL 4 DESIGN OF HEAT EXCHANGERS DESIGN OF HEAT EXCHANGERS HEAT EXCHANGER AND OPTIMIZATION HEAT EXCHANGER AND OPTIMIZATION 1. 1. LMTD Method LMTD Method 2. 2. NTU Method NTU Method 3. 3. T – H diagram Method T – H diagram Method

Transcript of OPTIMIZATION-HE B&W.ppt

  • Prof. Dr. Ir. Bambang Teguh P., DEAMODUL 4DESIGN OF HEAT EXCHANGERSHEAT EXCHANGER AND OPTIMIZATIONLMTD Method NTU MethodT H diagram Method

  • 1. HIPOTESAHipotesa-hipotesa utama : fluida kerja dipisahkan oleh sebuah dinding tetap keadaan stedi,tidak ada kehilangan panas ke sekeliling, dan hanya kuantitas inlet / outlet yang diketahui atau dicari

    1.bin

  • 2. NOTASISkema pertukaran panas dan notasi yg biasa digunakan:

    Catatan :

    mj ( j=1,2 ) : laju aliran massa fluida ( kg / s ) Hj ( j=1,2 ) : entalpi spesifik ( J/ kg )Tji : temperatur inlet, Tjo : temperatur outlet Q : laju aliran panas ( W )

    indek : j = 1 untuk fluida panas, j = 2 untuk fluida dingini = inlet, o = outlet

  • 3. PERSAMAAN DASARKesetimbangan Energi :

    m1 , T1o , H1o m2 , T2i , H2i m1 , T1i , H1i m2 , T2o , H2o Q = m1 ( H1i - H1o ) = m2 ( H2o - H2i ) Q = m1 cpm1 ( T1i - T1o ) = m2 cpm2 ( T2o - T2i ) cpmj (j=1,2 ) : kapasitas panas spesifik rata-rata pada tekanan konstan Umum :

    Aliran satu fasa:

    Q

  • 3. PERSAMAAN DASARKoefisien perpindahan panas total, U :

    m1 , T1o , H1o m2 , T2i , H2i m1 , T1i , H1i m2 , T2o , H2o

    QQ = U A Tm A: luas permukaan perpindahan panasTm: perbedan temperatur rata-rata A

  • 4. BESARAN KARAKTERISTIKHeat Capacity Rate ; C

    j = 1,2 Heat Capacity Rate Ratio ; R

    R = min (R1 , R2)Number of Transfer Units; ( NTU )

  • 5. BASIC RELATIONTemperature Effectiveness ;

    Sisi panas,

    Sisi dingin,

  • BASIC RELATIONLaju perpindahan panas maksimum yg mungkin terjadi:

    Qmax = C1 (T1,i - T2,i ), jikaC1 < C2 Qmax = C2 (T1,i - T2,i ), jikaC2 < C1 atauQmax = Cmin TmaxCmin = min (C1 , C2 ) HE Effectiveness ;

    Atau,

    Laju perpindahan panas sebenarnya:

    e = f (NTU, R, susunan aliran)

  • 6. VARIABEL PERPINDAHAN PANAS

    Koefisien Perpindahan Panas Total, U

    U sangat bergantung pada aliran fluida, dinding pemisah (material) dan faktor fouling pada kedua permukaan dinding.U merupakan kebalikan dari tahanan termal total Rt.

    R1 : tahanan termal konveksi pada sisi panas

    Rf1 : tahanan fouling sisi panas

  • Koef. Perpindahan Panas Global, U

    Rw : tahanan termal konduksi dindingRf2 : tahanan fouling sisi dingindinding datar tube silinder

    R2 : tahanan termal konveksi pada sisi dingin t= tebal dinding,do= diameter luar tube,di=diameter daslam tubekw=konduktivitas dinding,L= panjang tube,A=luas per-pan,h= koef. Konveksi,hf= koef. fouling

    ; efektivitas permukaan total

    : efisiensi sirip

  • ; sehingga : maka koefisien perpindahan panas total: Untuk dinding Pelat, A=A1=A2, shg:

    A1: luas per-pan sisi panas,A2: luas per-pan sisi dingin,A: luas referensi Koef. Perpindahan Panas Global, U

  • Untuk dinding Silinder dgn referensi Ao, A=Ao, shg,

    Koef. Perpindahan Panas Global, U

    Bila fluida 1 berada di luar tube, 1 = o dan 2 = i

    Untuk dinding Silinder dgn referensi Ai; A=Ai, shg,

    dan dan

  • Beda temperatur rata-rata, Tm, aliran paralel

    6. VARIABEL PERPINDAHAN PANASKesetimbangan energi pada elemen tersebut adalah:

    Bila,

    dan

    Maka,

    , sehingga,Jika harga Ulokal, C1 dan C2 adalah konstan, maka:

  • Beda temperatur rata-rata, Tm, aliran paralel

    dengan memasukkan harga-harga :

    dan Maka,Sehingga didapat, Dalam kasus aliran paralel,

  • Beda temperatur rata-rata, Tm, aliran berlawanan

    6. VARIABEL PERPINDAHAN PANAS

    dQ

    m1m2dADengan cara yg similar, diperoleh :

    Dalam kasus aliran berlawanan,

    Untuk kedua jenis aliran tsb, berlaku:

  • 7. METODA LMTDUntuk aliran Paralel, LMTD = LMTDP ; dan F = 1Untuk aliran Berlawanan, LMTD = LMTDc ; dan F = 1Untuk aliran yang lain, LMTD = LMTDc ; dan F 1

    Secara umum ditulis ,F = f ( P, R, bentuk aliran )dan dibaca dari grafik

  • BEBRBAGAI HARGA F UNTUK SHELL AND TUBE

  • BEBRBAGAI HARGA F UNTUK CROSS FLOW

  • 7. METODA LMTD

    Prosedur perhitungan,

    Tentukan terlebih dahulu : laju perpindahan panas (Q) laju aliran fluida Temp. masuk/keluar fluida

    Kumpulkan data sifat fisik fluida seperti, massa, jenis, viskositas, konduktivitas, panas jenis dll,Tentukan tipe APKPilih harga mula-mula U (dari literatur), nilai ini akan diperiksa lagiHitung beda temp. rata-rata (Tm)Hitung luas perpindahan panas (A).

    7.Tentukan layout dan dimensi dari bagian utama, 8.Hitung koef. per-pan individu, sisi panas maupun sisi dingin,9.Hitung U dan bandingkan dengan U yg dipilih mula2 pada butir 4. Bila beda besar, prosedur diulang dari butir 6. Bila OK, perhitungan dilanjutkan ke butir berikut,10.Hitung P. Bila > dari yg diijinkan, perhitungan bisa dimulai lagi dari butir 7 atau butir 4 atau bahkan butir 3,11.Optimalkan dgn mengulangi dari butir 4 s/d butir 10 hingga diperoleh APK yang murahBisa juga dgn prosedur :

    Dimulai butir 1, 2, 3, 5; 7, 8 dan 9, menghitung A , kemudian lanjutkan ke butir 10 dan butir 11

  • 8. METODA -NTUDalam APK laju perpindahan panas sebenarnya :

    Q = Cmin ( T1i - T2i ) = Cmin Tmax

    = f ( NTU, R, bentuk aliran ) R = min ( R1, R2 ) =

    Efektivitas HE,

  • BEBRBAGAI HARGA - NTU

  • BEBRBAGAI HARGA - NTU

  • BEBRBAGAI HARGA - NTU

  • Prosedur perhitungan,Kondisi yg diketahui : beban termal (Q), laju aliran massa serta temp. inlet dan outlet masing2 fluida kerja

    Urutan langkah perancangan :

    Pilih tipe atau konfigurasi HETentukan dimensi serta geometri pipa dan hitung koefisien per-pan berdasarkan bentuk aliran dan kondisi termal-hidraulik dari fluida,Hitung koef. Per-pan total, U Hitung C1 dan C2, tentukan Cmin dan Cmax , kemudian hitung R = Cmin/ Cmax

    Hitung efektivitas HE, Tentukan NTU berdasarkan harga Cmin/Cmax dan di atas, dgn. menggunakan grafik yg sesuai dgn konfigurasi HE yg dipilihHitung luas per-pan yg diperlukan

    8. Konversikan, A ke-dlm dimensi tube (d, jumlah dan L) untuk mendapatkan dimensi HE yg diinginkan. Jika yg didapat berbeda dgn asumsi langkah (2), maka ulangi langkah (2) s/d (8) sampai dicapai kesesuaian antara pemisalan dan perhitungan.

    8. METODA -NTU

  • Sifat-sifat fisika fluida yg diperlukan pada perancanag HE adalah ; massa jenis, viskositas, konduktivitas panas dan korelasi temperatur-entalpi. Pada korelasi yg digunakan untuk memprediksi koefisien per-pan, biasanya sifat-sifat fisik tersebut ditentukan pada temperatur rata-rata masing-masing aliran. Hal ini dianggap cukup teliti bila perubahan temperaturnya cukup kecil.Bila perubahan temperaturnya besar, maka dapat memberikan kesalahan yg signifikatif. Dalam dilema seperti ini, prosedur yg sederhana dan cukup aman adalah:Metoda LMTD UminMetoda FrankBila perubahan sifat fisik tidak memungkinkan diatasi dengan kedua metoda tsb, perlu digunakan metoda diagram T H

    9. KELEMAHAN METODA LMTD & METODA -NTU

  • 10. METODA Frank

    Dimana

    Ua adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh yang dievaluasi berdasarkan sifat-sifat fisik pada terminal panas (T1,i dan T2,o)

    Ub adalah sebaliknya yaitu pada terminal dingin (T1,o dan T2,i)

  • 11. METODA LMTD - UminDari evaluasi Ua dan terminal dingin Ub , dapat ditentukan koefisien perpindahan panas terendah Umin;

    Umin = min (Ua , Ub) Untuk selanjutnya metoda LMTD klasik ditulis kembali dalam bentuk sbb:

    Q = Umin . A . LMTD

  • 12. METODA DIAGRAM T - H

    Prinsip dari metoda ini adalah sbb: Mengkonstruksi Diagram TH

    Bila diasumsikan laju aliran massa fluida panas dan dingin masing2 adalah m1 dan m2, keempat entalpi jenis H1,i ; H1,o ; H2,i dan H2,o (atau T1,i ; T1,o ; T2,i dan T2,o) telah diketahui seperti pada gambar, kurva temperatur fluida panas dan fluida dingin sebagai fungsi entalpi jenis dari salah satu fluida, misal fluida dingin, dapat diogambar sbb: dari data2 sifat fisik fluida dingin, dapat digambarkan kurva T2 = f(H2) sepanjang HE. Jika sebuah HE dengan aliran berlawanan spt. gambar, dari kesetimbangan energi termal sepanjang Ax diperoleh hubungan:

  • Mengkonstruksi Diagram TH

    dengan diketahui sifat fisik fluida panas dan hubungan T1 = f(H1), maka dapat digambarkan kurva T1 = f(H2) seperti dicontohkan dalam gambar,

    Berangkat dari diagram T H seperti gambar, dimungkinkan untuk membagi APK dalam sejumlah tertentu zona (n) dalam mana temperatur kedua fluida berubah mendekati linier.

  • LMTD setiap zona,

    Untuk setiap zona, beda temperatur rata-rata logaritmik kedua fluida dinyatakan dalam

    Pada setiap zona, kesetimbangan panas dapat ditulis:

    Dgn m2 debit massa fluida dingin, H2 perubahan entalpi fluida dingin, A luas per-pan, U koef. Per-pan menyeluruh, LMTD beda temp. rata-rata logaritmik, dan subskrip j menunjukkan setiap zona yg ditinjau,Dgn demikian kebutuhan luas perpindahan panas setiap zona dapat ditentukan sbb;

  • Luas perpindahan panas yang dibutuhkan ,

    Dengan diperolehnya Aj, maka luas permukaan perpindahan panas total yg diperlukan Areq merupakan jumlah dari luas setiap zona;

    U dan LMTD rata-rata seluruh zona:

    Harga koef. perp-pan global rata-rata untuk seluruh zona Um, sbb:

    LMTD rata-rata seluruh zona, LMTDm :