Contoh Soal 3 [PDF]

Citation preview

Contoh soal 3.1 1.000 lb/jam udara lewat pada bagian dalam dari double pipe H.E, masuk pada temperatur 60 ℉ dan keluar pada temperatur 100℉. Dipanasi oleh steam jenuh bertekanan 50 atm yang lewat di bagian annulus secara berlawanan arah . Pipa dalam dibuat dari 1,5ʺ sch 80 standar steel. Thermal konduktivitasnya 150 btu/ft.j.℉, sedangkan pipa luar terbuat dari 3ʺ sch 40 pipa standar. Bila harga h udara 15 dan harga h steam 600 btu/j.℉.ft2. a. Hitung Overall koefisien didasarkan pada bagian luar pipa dalam b. Hitung panjang H.E tersebut c. Berapa jumlah steam yang di butuhkan



Jawab: Skema sistem Double Pipe Heat Exchanger Steam P = 50 atm; T = 508,542oF DT2 = 408,542oF



Udara 1000 lb/hr T = 60oF



o T = 100 o C



100 F



DT1 = 448,542oF T = 508,542 oC



Detail ukuran pipa Dari Lampiran 2



Udara Inner pipe Pipa dalam 1,5" sch 80 OD = 1,9 in = 0,158 ft ID = 1,5 in = 0,125 ft Steam ho hi



Counter Current m = 1.000 lb/jam



TC1 = 60oF TC2 = 100oF 14,696 psia = 734,8 psia 1 atm a. Overall coeficient didasarkan pada bagian luar pipa dalam Diasumsi perpindahan panas terjadi pada pipa dengan panjang, L =1 ft Ao = π Do L = 3,14 x 0,158 x 1 = 0,496 ft2 A1 = π D1L = 3,14 x 0,125 x1 = 0,392 ft2 (0496 − 0,392) 0,104 𝐴𝑜 − 𝐴𝑖 Am = = = = 0,442 𝐴 ln ( 𝑜⁄𝐴 ) ln(0,496⁄0,392) 0,235 𝑖 0,158 − 0,125 ∆X = = 0,0165 ft 2 1 1 ∆𝑋 𝐴𝑜 𝐴𝑜 = + + 𝑈𝑜 ℎ𝑜 𝑘 𝐴𝑚 ℎ1 𝐴1 P = 50 atm x



1 1 0,496 0,496 𝑓𝑡 = + + 𝑏𝑡𝑢 𝑏𝑡𝑢 𝑈𝑜 (15 𝑏𝑡𝑢 ) (150 2 𝑜 ) 0,442 (600 2 𝑜 ) 0,392 𝑓𝑡 2 𝑓𝑡 2 𝑗 𝑜 𝐹 𝑓𝑡 𝑗 𝐹 𝑓𝑡 𝑗 𝐹



𝑏𝑡𝑢 𝑓𝑡 𝑗 𝑜 𝐹 b. Dari interpolasi Lampiran 4 didapat temperatur steam pada P = 50 atm (735 psia) sebesar 508,542oF. Karena hanya ada perubahan fase dari liquid ke uap maka Tin steam = Tout steam. ∆𝑇1 − ∆𝑇2 ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 = ∆𝑇 ln ∆𝑇1 2 408,542 − 448,542 ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 = 408,542 ln 448,542 ∆𝑇𝐿𝑀𝑇𝐷 = 438,936𝑜 𝐹 𝑈𝑜 = 14,65



Dari Lampiran 8 𝑏𝑡𝑢 𝑙𝑏𝑚𝑜 𝐹 𝑏𝑡𝑢 𝐶𝑝𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 (𝑇=60𝑜 𝐹) = 0,240 𝑙𝑏𝑚𝑜 𝐹 0,240 + 0,240 𝑏𝑡𝑢 𝐶𝑝(𝑎𝑣) = = 0,240 2 𝑙𝑏𝑚𝑜 𝐹 𝐶𝑝𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 (𝑇=100𝑜 𝐹) = 0,240



q udara 𝑞 = 𝑚 𝐶𝑝 ∆𝑇 𝑞 = 1.000 × 0,240 × (100 − 60) 𝑞 = 9.600 𝑏𝑡𝑢/𝑗 q yang mengalir/ft 𝑞 = 𝑈𝑜 𝐴𝑜 (∆𝑇)𝑚 𝑞 𝐴𝑜 = 𝑈𝑜 (∆𝑇)𝑚 9.600 𝐴𝑜 = 14,65 𝑥 438,93 𝐴𝑜 = 𝜋𝐷𝑜 𝐿 = 1,493



𝐴𝑜 𝜋 𝐷𝑜 1,493 𝐿= 3,14 𝑥 0,158 𝐿 = 3 𝑓𝑡 𝐿=



c. Steam yang dibutuhkan Menurut Azas Black :q yang diserap = q yang dilepas qsteam = msteam x λsteam qudara = qsteam = 9.600 btu λsteam pada T = 508,542oF = Hv - HL Dari Lampiran 4 𝑏𝑡𝑢 𝜆𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 = 704,8894 𝑙𝑏𝑚 𝑞𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 9600 𝑏𝑡𝑢 𝑚𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 = = = 13,619 𝑙𝑏𝑚 𝑏𝑡𝑢 𝜆𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 704,8894 𝑙𝑏𝑚 Contoh Soal 3.2 Sebuah heat exchanger tipe 1-1 yang terdiri dari satu shell pass dan dua tube passes memanaskan 2,52 kg/s air dari 21,2 menjadi 54,4oC dengan menggunakan air panas dengan temperatur 115,6oC dan keluar pada temperatur 48,9oC. Luas permukaan bagian luar tube Ao = 9,30 m2. a. Hitung perbedaan temperatur rata - rata ΔTm di alat penukar panas dan koefisien transfer panas overall Uo. b. Dengan temperatur yang sama tetapi menggunakan HE tipe 1-2, berapakah ΔTm . Penyelesaian : Temperatur adalah sebagai berikut : Tha = 115,6oC ,Thb = 48,9oC, Tca = 21,1oCdan Tcb = 54,4oC Pertama membuat neraca panas untuk air dingin, dengan asumsi Cpm = 4,187 J/kg.K and Tcb - Tca = (54,4 – 21,1) oC = 33,3 oC = 33,3 K, dan q = m cpm (Tcb- Tca) = (2,52)(4,187)(54,4-21,1) = 348.200 W Beda temperatur rata - rata logaritmik dihitung dari Persamaan (3-3): (∆𝑇)𝑚 =



(115,6 − 54,4) − (48,9 − 21,1) = 42,3℃ = 42,3K ln[(115,6 − 54,4)⁄(48,9 − 21,1)]



Kemudian hitung parameter untuk menentukan faktor koreksi Fg dengan menggunakan Persamaan (3-4) dan (3-5), yaitu , 𝑍= ๆ=



𝑇ℎ𝑎 − 𝑇ℎ𝑏 115.6 − 48.9 = = 2,00 𝑇𝑐𝑏 − 𝑇𝑐𝑎 54.4 − 21.1



𝑇𝑐𝑏 − 𝑇𝑐𝑎 54.4 − 21.1 = = 0,352 𝑇ℎ𝑏 − 𝑇𝑐𝑎 115.6 − 21.1



Dan dari Gambar 3.11 a , Fg = 0,74 sehingga harga ini menjadi faktor koreksi dari ΔTm, dan ΔTm = Fg ΔTm = 0,74(42,3) = 31,3 oC = 31,3 K



Harga Uo dihitung berdasarkan Persamaan (3-2) : 𝑞 ∆𝑇 𝑜 𝑚



𝑈𝑂 = 𝐴



348200



𝑊



= (9.30)(31.3) = 1196 𝑚2 . 𝐾 (211𝑏𝑡𝑢 /J.ft2.oF)



Penyelesaian soal b sama saja dengan penyelesaian diatas hanya gambar yang dipakai adalah Gambar 3.11.b untuk H E tipe 1-2 , dan didapat Fg = 0,94. ΔTm = Fg ΔTm = 0.94(42.3) = 39.8 oC = 39.8 K Kelihatan disini bahwa Faktor koreksi HE 1-2 lebih besar dari faktor koreksi HE 1-1 sehingga harga ΔTm juga menjadi lebih besar. Sumber : Geankoplis, C.J., 1993



3.1 Suatu double pipe H.E akan dipakai untuk memanasi 5.000 L/Jam etanol dari 30 oF sampai 60 oF. Diameter pipa luar dipilih 3” Sch.40 pipa baja standart, sedang pipa terdiri dari 1 1/2”OD, BWG 16, juga pipa baja. Sebagai pemanas digunakan steam jenuh bertekanan 20 psig lewat dibagian annulus .Bila harga h rata rata etanol dan steam 250 dan 500 btu/j oF ft2 dan harga k baja 26 Btu/j oF ft a. Hitung panjang HE tersebut b. Hitung jumlah steam yang dibutuhkan. 3.2 Suatu double pipe H.E akan dipakai untuk memanasi 25.000 cuft/jam udara dari 60oF sampai 180 oF. Diameter shell dipilih 3″ Sch.80 pipa baja standart, yang dibalut dengan isolasi asbes, sedangkan tube terdiri dari 1″ OD, BWG 12, juga pipa baja. Sebagai pemanas digunakan steam jenuh bertekanan 20 psig lewat dibagian shell. Koefisien perpindahan panas steam ini dapat dianggap 2.000 btu/J.ft2.oF. Hanya 90% panas yang ditransfer ke udara, selebihnya dibuang ke sekitar melalui konduksi. a. Hitung panjang HE tersebut b. Jumlah steam yang dibutuhkan. c. Temperatur terluar dari asbes 3.3 Sebuah 1-2 HE dipakai untuk memanasi 1,5 lb/detik air dari 100oF menjadi 215oF (h = 400 Btu/j. ft2 o F). Ao diketahui 100 ft2. Tentukan : a. LMTD terkoreksi dan Uo b. Apa pengaruhnya terhadap Uo bila dipakai tipe 2-4 HE ? 3.4 Suatu 2-4 Shell & Tube akan dipakai memanasi 5.000 L/jam etanol dari 30oC ke 50oC yang lewat dibagian tube – nya, terdiri dari 1ʺ OD BWG 12, pipa baja standart. Sebagai pemanas dipakai udara panas yang masuk pada temperatur 200oC dan keluar 80oC. Bila harga Uo dianggap 500 Watt/m2 K. Berapa panjang total pipa yang dibutuhkan?