Desain dan perancangan Shell and tube heat exchanger
Model alat penukar kalor (heat exchanger) yang paling sering digunakan adalah model shell and tube. Shell and tube memiliki banyak aplikasi di pembangkit listrik, migas, industri kimia, dan sistem pendingin.
Komponen utama heat exchanger shell and tube adalah tube, baffle, shell, front head, rear head, dan nozzles. Semua komponen memiliki peran penting masing-masing. Perancangan dan pemilihan material shell and tube diatur oleh code dan standar tertentu seperti TEMA, ANSI, dan API.
Prinsip dasar kerja shell and tube adalah fluida kerja akan masuk menuju tube dan fluida lain yang digunakan untuk mentransfer kalor ke fluida kerja akan masuk melalui shell sehingga tube akan berubah temperatur karena pengaruh aliran fluida dari shell. Arah aliran fluida pada shell dirancang berkelok dengan bantuan pembatas baffle dan membentuk alur seperti ular. Alur berkelok ini bertujuan untuk meratakan dan memperlama transfer kalor pada permukaan pipa tube.
Heat exchanger shell and tube dikategorikan berdasarkan konfigurasi perancangan:
Klasifikasi tersebut dikelompokan berdasarkan jenis front head, konfigurasi shell, dan konfigurasi rear head. Setiap jenis shell and tube memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing tergantung dari penggunaan oleh industri.
Pada heat exchanger shell and tube terdapat rumus dasar yaitu kesetimbangan energi kalor dari input menuju output yang dapat dirumuskan menjadi:
Q = m(h).Cp(h).[T(h input) – T(h output)] = m(c).Cp(c).[T(c output) – T(c input)]
- Q = Laju perpindahan kalor (kW)
- m(h), m(c) = Laju aliran massa dari fluida panas dan fluida dingin (kg/s)
- Cp(h), Cp(c) = Kalor spesifik dari fluida panas dan fluida dingin (kj/kg . C)
- T (h input), T (c input) = Temperatur input dari fluida panas dan fluida dingin (C)
- T (h output), T (c output) = Temperatur output dari fluida panas dan fluida dingin (C)
Inti dari kesetimbangan ini adalah jumlah energi kalor dari input sama dengan jumlah energi kalor dari output.
Kompleksitas aliran yang terjadi dalam heat exchanger, perhitungan secara analitis (matematika murni) menjadi terlalu kompleks bahkan tidak mungkin untuk dilakukan. Sehingga alternatif yang umum digunakan lainya adalah menggunakan metode-metode semi-empiris seperti e-NTU, P-NTU, LMTD, psi-P, dan lain sebagainya.
Meskipun demikian, penggunaan metode-metode di atas sangat dibatasi oleh data-data yang diketahui, atau urutan prosedur yang dilakukan, yang pada akhirnya juga merupakan proses yang iteratif.
Selain itu, metode-metode di atas juga memiliki limitasi jika model yang digunakan memiliki bentuk-bentuk yang unik seperti ukuran baffle yang tidak lazim, atau modifikasi fitur-fitur pada pipa, sehingga perhitungan di atas akan menjadi over-simplified.
Metode yang biasa digunakan untuk menganalisis kompleksitas aliran energi kalor pada heat exchanger adalah metode simulasi CFD. CFD adalah permodelan menggunakan komputer dengan model yang kita desain secara utuh sesuai dengan kondisi real nya; sehingga kita dapat memperoleh hasil perhitungan yang lebih komprehensif meskipun memiliki konfigurasi-konfigurasi yang unik.
>>KLIK DI SINI UNTUK SIMULASI HEAT EXCHANGER DENGAN CFD!
Bagi anda mechanical engineer yang ini meningkatkan skill di bidang heat exchanger, Kami juga menyediakan solusi yaitu training dengan topik-topik seputar heat exchanger dengan trainer yang sudah sangat berpengalaman di bidangnya untuk meningkatkan skill dan kompetensi anda sebagai seorang engineer profesional. Untuk training heat exchanger >>klik di sini!
KONTRIBUTOR : Daris Arsyada
aeroengineering services merupakan layanan dibawah CV. Markom dengan solusi terutama CFD/FEA.
Sumber:
Thulukkanam, Kuppan. 2013. Heat Exchanger Design Handbook. New York: CRC Press.
https://link.springer.com/article/10.1007/s40095-019-0297-9 (diakses pada tanggal 31 Maret 2021).
Cengel, Yunus. A. 1998. Heat Transfer: A Practical Approach. Nevada: USA. The McGraw-Hill Companies.
https://media.neliti.com/media/publications/313719-studi-perhitungan-heat-exchanger-type-sh-ca6005d3.pdf (diakses pada tanggal 31 Maret 2021).
Simulasi Heat exchanger dengan software CFD
Penggunaan penukar kalor atau heat exchanger merupakan hal yang sangat umum digunakan pada industri proses maupun energi, sehingga desain dan optimasi dari konfigurasi maupun operasional dari heat exchanger terus berkembang dari masa ke masa.
Heat exchanger atau alat penukar kalor adalah alat yang dirancang untuk mentransfer kalor antara dua fluida atau lebih, misalnya cairan, uap atau gas dengan temperatur yang berbeda. Proses perpindahan kalor pada heat exchangerdapat berupa gas ke gas, cair ke cair atau cair ke gas yang terjadi melalui dinding pemisah. Dinding pemisah berguna untuk mencegah terjadinya campuran dan mencegah kontak langsung antara fluida satu dengan lainnya. Aplikasi heat exchanger biasanya ditemukan pada industri kimia, data center, pengkondisian udara, dan lain-lain.
Karena kompleksitas aliran yang terjadi dalam heat exchanger, perhitungan secara analitis (matematika murni) menjadi terlalu kompleks bahkan tidak mungkin untuk dilakukan. Sehingga alternatif yang umum digunakan lainya adalah menggunakan metode-metode semi-empiris seperti e-NTU, P-NTU, LMTD, psi-P, dan lain sebagainya.
Meskipun demikian, penggunaan metode-metode di atas sangat dibatasi oleh data-data yang diketahui, atau urutan prosedur yang dilakukan, yang pada akhirnya juga merupakan proses yang iteratif.
Selain itu, metode-metode di atas juga memiliki limitasi jika model yang digunakan memiliki bentuk-bentuk yang unik seperti ukuran baffle yang tidak lazim, atau modifikasi fitur-fitur pada pipa, sehingga perhitungan di atas akan menjadi over-simplified.
Metode yang cukup komprehensif sekaligus memiliki prosedur yang lebih strightforward adalah menggunakan computational fluid dynamics (CFD), yaitu permodelan menggunakan komputer dengan model yang kita desain secara utuh sesuai dengan kondisi real nya; sehingga kita dapat memperoleh hasil perhitungan yang lebih komprehensif meskipun memiliki konfigurasi-konfigurasi yang unik.
Selain perhitungan performa-performa dasar seperti temperature inlet dan outlet serta pressure drop. Penggunaan CFD memungkinkan kita melihat distribusi temperature, kecepatan, tekanan dan lain-lain secara lebih detail dan komprehensif, sehingga kita dapat mengetahui tindakan apa yang kita perlukan untuk mengoptimasi desain lebih lanjut.
Meskipun memiliki kapabilitas dan hasil yang cukup detail dan komprehensif, namun bagi operator yang belum terbiasa menggunakan CFD dapat menjadi kesulitan tersendiri dalam mempelajari nya. Kami memberikan solusi berupa project support serta konsultasi simulasi pada heat exchanger.
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA SIMULASI CFD PADA HEAT EXHANGER!
aeroengineering services merupakan layanan dibawah CV. Markom dengan solusi terutama CFD/FEA.
Kesetimbangan massa dan energi (mass and energy balances)
Kesetimbangan massa dan energi diatur oleh hukum konservasi energi yang dirumuskan secara umum sebagai:
Perubahan total energi pada sistem = Total energi masuk sistem (Input) – Total energi keluar sistem (Output)
Energi disini ialah total energi dari suatu sistem. Total energi dari suatu sistem dapat berupa energi kinetik, energi potensial, energi kalor, dan lain sebagainya. Bentuk-bentuk energi tersebut dapat berupa menjadi bentuk energi lainnya sehingga total energi pada suatu sistem akan selalu sama.
Contoh Kesetimbangan Massa dan Energi pada Proses Kimia
1. Kendaraan bermotor
Energi kimia pada bahan bakar diubah menjadi energi kinetik pada engine. Besarnya energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar tidak bisa semuanya berubah menjadi energi kinetik. Sebagian besar energi yang tidak berubah menjadi energi kinetik akan berubah menjadi energi lain seperti panas, gesekan, getaran dan lain-lain.
Energi selain kinetik yang muncul dari proses pembakaran pada engine disebabkan oleh gesekan piston, gesekan pada roda gigi pada gearbox, gas buang, panas radiator, gesekan roda, dan lain-lain. Jenis energi yang tidak dibutuhkan yang muncul pada proses disebut kerugian (losses).
Secara rumus dapat ditulis menjadi:
Perubahan Energi Total = [Energi Kimia dari bahan bakar (Total Input)] – [Energi Kinetik laju kendaraan (Total Output) – Losses ( gesekan, gas buang, panas, dan lain-lain)]
2. Boiler
Prinsip sederhana boiler adalah memanaskan fluida cair yang melalui boiler menggunakan energi kalor hingga menjadi fluida gas panas (uap). Namun, energi kalor tidak bisa mengubah semua fluida cair menjadi uap seutuhnya yang disebabkan oleh kerugian (losses). Sebagian energi kalor akan terbuang karena pengaruh radiasi dari luar boiler, pembakaran tidak sempurna dari bahan bakar sebagian volume, kehilangan kalor karena embun udara dan bahan bakar, dan lain-lain
Secara rumus dapat ditulis menjadi:
Perubahan Energi Total = [Energi kalor pada bahan bakar (Total Input)] – [Energi kalor pada uap (Output) – Losses (radiasi dari luar boiler, pembakaran tidak sempurna, embun pada udara dan bahan bakar, residu bahan bakar, dan lain-lain)]
3. Pengoperasian Handphone
Daya pada handphone berasal dari baterai lithium yang mengandung energi kimia. Saat HP di-charge, energi listrik dari stop kontak mengalir menuju baterai dan tersimpan di baterai menjadi energi kimia. Ketika HP digunakan, energi kimia dari baterai diubah lagi menjadi listrik untuk menghidupkan layar (energi cahaya) dan speaker (energi suara). Namun tidak semua energi listrik dimanfaatkan seutuhnya oleh HP. Ada sebagian kalor keluar dari HP atau dari kabel HP yang menyebabkan HP kita panas saat beroperasi. Inilah yang disebut kerugian (losses).
Secara rumus dapat ditulis menjadi:
Perubahan Energi Total: [Energi listrik pada stop kontak (input) + Energi kimia pada baterai (input)] – [Energi cahaya pada layar (output) + Energi suara pada speaker (output)] – [Losses (panas yang muncul dari HP dan kabel)]
Jadi, setiap kegiatan terutama proses kimia bisa kita rumuskan secara sederhana dengan rumus hukum konservasi energi. Rumus ini memudahkan kita untuk menganalisis energi-energi apa saja yang terjadi pada suatu proses.
Pelajari selengkapnya tentang peralatan proses kimia dengan klik disini
KONTRIBUTOR: Daris Arsyada
aeroengineering_services merupakan jasa layanan dibawah CV MARKOM dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.
Sumber:
https://beeindia.gov.in/sites/default/files/1Ch4.pdf (diakses pada tanggal 31 Maret 2021)
Cengel, Yunus. A. 1998. Heat Transfer: A Practical Approach. Nevada: USA. The McGraw-Hill Companies.
https://www.studiobelajar.com/hukum-kekekalan-energi/ (diakses pada tanggal 31 Maret 2021)
https://pages.mtu.edu/~reh/courses/ce251/251_notes_dir/node3.html (diakses pada tanggal 31 Maret 2021)
Standard, kode, dan recommended practices
Peraturan standard dan kode pada bidang perteknikan sudah dibentuk sejak bertahun-tahun yang lalu. Standar dan kode tersebut dirancang oleh organisasi profesional, para insinyur, grup perdagangan, agensi pemerintahan, dan lain-lain.
Standar dapat didefinisikan sebagai seperangkat pedoman teknis atau instruksi untuk perancang dan produsen. Standard memberikan semua persyaratan yang diperlukan untuk produk, layanan, dan operasi. Seorang desainer akan menggunakan standar tersebut untuk mendesain produk, dan produsen akan menggunakan standar tersebut untuk pembuatan produk. Standar berfungsi sebagai bahasa umum untuk menentukan kualitas dan menetapkan kriteria keamanan produk.
Ketika badan pemerintah mengadopsi standar dan menjadi legal, atau ketika telah dimasukkan ke dalam kontrak bisnis, standar tersebut akan menjadi sebuah code. Code adalah standard yang telah disahkan menjadi undang-undang oleh otoritas lokal, regional, atau nasional yang memiliki yurisdiksi sehingga insinyur atau kontraktor diwajibkan secara hukum untuk mematuhi code tersebut. Ketidakpatuhan dapat mengakibatkan penuntutan. Code tersebut dapat berupa standar industri, pemerintah, atau berbasis konsensus sukarela. Code dapat mencakup referensi ke standar, yang berarti standar digabungkan dengan referensi dan oleh karena itu merupakan bagian dari kode dan dapat ditegakkan secara hukum.
Tiga tujuan dari code dan standard adalah:
- Design Guide. Berguna sebagai peraturan baku perancangan produk dari setiap negara atau lembaga
- Uniform Design. Biasanya digunakan sebagai pedoman ukuran suatu produk
- Safety Reason. Berguna sebagai menjamin keamanan dan keselamatan dari produk.
Berikut adalah contoh code dan standar yang biasa dipakai oleh industri khususnya industri teknik kimia:
- ASME Boiler & Pressure Vessel Code (BPVC): Berisi tentang perancangan dan konstruksi boiler dan bejana tekan.
- AISI Standard Steel Compositions: Berisi tentang komposisi campuran baja.
- Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA) Standards: Berisi tentang standard tentang heat exchanger
- American Petroleum Institute (API): Membahas perancangan industri petroleum seperti perancangan kilang minyak.
- American Society for Testing Materials (ASTM): Membahas tentang material produk mengenai sifat kimia dan mekanik produk dan panduan produksi.
- International Organization of Standardization (ISO): Badan non-pemerintah yang terdiri dari lebih dari 160 negara. Mereka bertanggung jawab untuk mengembangkan standar untuk berbagai industri yang mempromosikan kualitas, keamanan, dan efisiensi. Perusahaan yang telah terverifikasi oleh ISO akan berpeluang dalam memenangkan persaingan pasar global tersebut karena memberikan jaminan kualitas produk agar konsumen lebih percaya terhadap produk tersebut.
>>KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL MENGENAI PERALATAN PROSES KIMIA LAINNYA!
KONTRIBUTOR: Daris Arsyada
aeroengineering_services merupakan jasa layanan dibawah CV MARKOM dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.
Sumber:
Walas, M. Stanley. 1990. Chemical Process Equipment Selection and Design. Washington: USA Butterworth-Heinemann.
https://www.meadmetals.com/blog/what-are-astm-standards (diakses pada tanggal 30 Maret 2021)
https://www.aiche.org/academy/courses/ela155/importance-codes-and-standards-process-safety (diakses pada tanggal 30 Maret 2021)
http://www.idpipe.com/2017/04/perbedaan-code-and-standard-dalam-oil-and-gas.html. (diakses pada tanggal 30 Maret 2021)
https://accurate.id/marketing-manajemen/pengertian-iso/ (diakses pada tanggal 30 Maret 2021)
https://www.csemag.com/articles/code-or-standard/#:~:text=A%20code%20can%20include%20references,the%20code%20and%20legally%20enforceable.&text=Codes%20are%20standards%20that%20are,codes%20are%20not%20legally%20enforceable. (diakses pada tanggal 30 Maret 2021)
https://hardhatengineer.com/what-is-the-difference-between-code-standard-and-specification/ (diakses pada tanggal 30 Maret 2021)
Sistem penggerak proses
Sistem penggerak berfungsi sebagai sistem dasar suatu industri untuk menghasilkan produk sehingga proses produksi berjalan lebih cepat dan masif. Setiap sistem penggerak memiliki komponen dasar untuk menjalankannya yaitu:
1. Motor
Motor adalah penggerak yang beroperasi dengan memanfaatkan gaya magnet dan listrik menjadi gerakan memutar. Bagian utama dari motor adalah rotor dan stator. Rotor adalah komponen berputar yang digunakan sebagai poros putaran pada motor dan terlilit oleh kawat tembaga yang menghasilkan medan magnet. Stator adalah komponen diam (statis) yang berfungsi sebagai pengatur perputaran rotor. Stator dililit oleh kawat tembaga yang menghasilkan medan magnet.
Prinsip kerja dari motor adalah pemanfaatan gaya lorentz. Gaya lorentz adalah gaya yang timbul akibat arus listrik yang berada di medan magnet. Listrik yang masuk dari power supply mengalir menuju kumparan stator dan rotor dihasilkan gaya Lorentz berupa rotasi pada motor listrik untuk menggerakkan batang shaft yang kemudian dapat dipakai untuk segala kebutuhan. Contoh pengaplikasian penggunaan motor adalah pompa, compressor, conveyor, blower, dan lain-lain.
2. Turbin Uap
Turbin uap adalah penggerak yang beroperasi dengan memanfaatkan uap panas bertekanan tinggi sehingga mampu memutar rotor dan blade turbin. Perputaran rotor dan blade disambungkan ke generator yang berfungsi sebagai konversi energi gerak (putaran) menjadi listrik. Pengaplikasian turbin biasanya digunakan pada industri pembangkit listrik.
3. Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine)
Internal combustion engine adalah penggerak yang beroperasi dengan memanfaatkan hasil pembakaran dari campuran udara dan bahan bakar sehingga menghasilkan tekanan gas tinggi di dalam silinder engine yang mampu menghasilkan energi mekanik (putaran) dan memutar poros engine. Poros pada engine akan dihubungkan ke komponen lain untuk memutar komponen tersebut. Pengaplikasian internal combustion engine biasanya digunakan pada genset listrik dan otomotif.
Ketiga macam komponen utama sistem penggerak proses ini memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing berdasarkan efisiensi, daya, biaya, dan energi yang dihasilkan. Jadi pemilihan komponen akan disesuaikan sesuai kebutuhan industri.
Pelajari selengkapnya tentang peralatan proses kimia dengan klik disini
KONTRIBUTOR: Daris Arsyada
aeroengineering_services merupakan jasa layanan dibawah CV MARKOM dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.
Sumber:
Walas, M. Stanley. 1990. Chemical Process Equipment Selection and Design. Washington: USA Butterworth-Heinemann.
https://www.indotara.co.id/electric-motor-distributor-alat-berat-indonesia&id=602.html (diakses pada tanggal 29 Maret 2021)
https://www.wartsila.com/energy/learn-more/technical-comparisons/gas-turbine-for-power-generation-introduction (diakses pada tanggal 29 Maret 2021)
https://medium.com/swlh/internal-combustion-engine-and-the-four-stroke-engine-12381fc54a98 (diakses pada tanggal 29 Maret 2021)
Simulasi cyclone separator dengan CFD
Cyclone separator merupakan alat untuk memisahkan partikel padat dari aliran gas yang terkontaminasi dan telah lama digunakan dalam aplikasi industri seperti pembangkit listrik, turbin gas, proses kimia, penyedot debu, dan lain sebagainya. Alat ini dikenal sebagai pre-cleaners atau pembersih awal, karena alat ini sangat penting dalam memisahkan partikel besar dan abrasif dari gas buang yang kemudian melalui proses filtrasi tambahan untuk menghilangkan partikel halus. Tujuan dari alat ini adalah langkah pertama dari penyaringan gas buang untuk meminimalkan polusi udara dan bahaya lingkungan yang disebabkan oleh gas buang dari suatu industri.
Desain dari cyclone separator memiliki pola aliran 3D yang cukuk kompleks, sehingga hampir tidak mungkin dimodelkan dengan murni analitis. Salah satu metode yang cukup sering digunakan adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), yaitu permodelan menggunakan komputer dengan memasukkan parameter-parameter seperti detail geometri, ukuran partikel, maupun kondisi operasionalnya misalkan mass flow rate atau tekanan, sehinga dapat dimodelkan secara komprehensif aliran dan performa dari separator tersebut.
Permodelan CFD yang umum digunakan untuk menghitung efisiensi separator (jumlah partikel yang berhasil dipisahkan dibanding partikel yang masuk) adalah menggunakan Discrete Phase Modeling (DPM), yaitu salah satu metode pada CFD yang memodelkan trayektori masing-masing partikel secara individu, sehingga dengan mudah kita dapat memperhitungkan karakteristik partikel secara detail, misalkan diameter partikel, massa jenis, bahkan permodelan gaya hambatnya.
Atau permodelan menggunakan multiphase eulerian, yaitu permodelan partikel namun dengan volume yang lebih dominan, sehingga terlihat aliran dari partikel-parikel itu sendiri secara masif. Permodelan ini juga sering kali digunakan dalam permodelan fluidized bed.
>> KLIK DI SINI UNTUK JASA SIMULASI CFD SEPARATOR!
aeroengineering services merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.
