BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan panas Perpindahan
advertisement
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan panas Perpindahan panas merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi, merupakan perpindahan panas dari partikel yang lebih berenergi ke partikel yang kurang berenergi yang saling berdekatan dari sebuah bahan karena interaksi antara partikel tersebut. Contoh: semakin panasnya (hangat) sendok yang tercelup dalam secangkir kopi panas. Holman [3] merumuskan persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara konduksi adalah: q = −kA ∂T (W) ∂x (2.1) , dimana q sebagai laju perpindahan panas konduksi, ∂T/∂x sebagai gradient suhu ke arah perpindahan panas, k sebagai konduktivitas atau kehantaran termal benda dengan tanda minus menunjukkan aliran kalor ke tempat yang bertemperatur lebih rendah, dan A sebagai luas permukaan yang mengalami perpindahan panas tersebut. Gambar 2.1. Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng[4]. Konveksi, merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir, dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida. Contoh: sebuah plat besi panas akan lebih cepat dingin jika diletakkan di depan kipas angin dibandingkan dengan jika diletakkan begitu saja di udara terbuka. Holman [5] merumuskan persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara konveksi adalah: q = hA(Ts − T∞ ) (W) (2.2) , dimana q sebagai laju perpindahan panas konveksi, h sebagai koefisien perpindahan-kalor konveksi, A sebagai luas permukaan yang mengalami perpindahan panas, Ts sebagai temperatur permukaan benda solid yang dilalui fluida yang mengalir, T∞ sebagai temperatur fluida yang mengalir berdekatan dengan permukaan benda solid. Gambar 2.2. Perpindahan panas dari permukaan panas ke udara dengan konveksi[6] Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnet (atau photons). Contoh: kehangatan sewaktu kita berada di dekat api unggun. Holman [7] persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara radiasi adalah: ( 4 q = εAσ Ts4 − Tsur ) (W) (2.3) , dimana q sebagai laju perpindahan panas radiasi, ε sebagai sifat radiasi pada permukaan (emisivitas), A sebagai luas permukaan, σ sebagai konstanta StefanBoltzmann (5.67 x 10-8 W/m2K4), Ts sebagai temperatur absolute permukaan, Tsur sebagai temperatur sekitar. Gambar 2.3 Perpindahan panas dengan radiasi[8]. 2.2 Alat Penukar Kalor Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan dimana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat terjadi secara langsung maupun tidak langsung. Maksudnya adalah : 1. Pada alat penukar kalor yang langsung, fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu 2. Pada alat penukar kalor yang tidak langsung, fluida panas tidak berhubungan langsung dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panas itu mempunyai media perantara, seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnnya 2.2.1. Klasifikasi Alat Penukar Kalor Menurut Tunggul [9] alat penukar kalor dapat diklasifikasikan berdasarkan bermacam-macam pertimbangan, yaitu: 1. Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas - Tipe kontak tidak langsung • Tipe yang langsung dipindahkan Tipe satu fase Tipe banyak fase Tipe yang ditimbun (storage type) Tipe fluidized bed - Tipe yang kontak langsung • Immiscible fluids • Gas liquid • Liquid vapor 2. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida yang Mengalir - Dua jenis fluida - Tiga jenis fluida - N-jenis fluida 3. Klasifikasi Berdasarkan Kompaknya Permukaan - Tipe penukar kalor yang kompak, density luas permukaannya > 700 m2/m3 - Tipe penukar kalor yang tidak kompak, density luas permukaannya < 700 m2/m3 4. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas - Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya - Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi dua aliran - Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta masing-masing terdapat dua pass aliran - Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi - Konstruksi tubular (shell and tube) • Pipa ganda (Double tube) • Konstruksi shell and tube Sekat plat (plate baffle) Sekat batang (rod baffle) Konstruksi tabung spiral - Konstruksi tipe pelat • Tipe pelat • Tipe lamella • Tipe spiral • Tipe pelat koil - Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface) • Sirip pelat (pelat fin) • Sirip tabung (tube fin) Heat pipe wall Ordinary separating wall - Regenerative • Tipe rotari • Tipe disk (piringan) • Tipe drum • Tipe matrik tetap 6. Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran - Aliran dengan satu pass • Aliran berlawanan arah • Aliran paralel • Aliran melintang • Aliran split • Aliran yang dibagi (divided) - Aliran multi pass • Permukaan yang diperbesar (extended surface) • Aliran counter menyilang Aliran paralel menyilang Aliran compound Shell and tube Aliran paralel yang berlawanan (M laluan pada cangkang dan N laluan pada tabung) • Aliran split Aliran dibagi (divided) Multipass pelat N-paralel pelat multipass 2.2.2. Standar Alat Penukar Kalor. Menurut Tunggul [10] standar yang umum digunakan menjadi acuan dalam merencanakan, fabrikasi serta memelihara alat penukar kalor adalah: 1. Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA Standards), merupakan standar Amerika Serikat 2. American Society of Mechanical Engineers (ASME) Code, Section VIII, Pressure Vessel-Division I Alternative rules for pressure Vessels-Division II 3. American Petroleum Institute (API Standards) Chapter VI – Pressure Vessels (Tower, Drums, and Reactors) Chapter VII – Heat Exchangers, Condensors, and Cooler Boxes 4. American Society of Mechanical Engineers (ASME) Code, Section II – Material Spesification Part A – Ferrous metal Part B – Non-ferrous metal Part C – Welding Rod, Electrods, and Filler metals 5. Standards British, seperti British Standard B S 3274, B S 5500, dan standar negara-negara lain seperti Belgia, Jerman, Belanda, Perancis, Norwegia, Australia, Japan, dan lain-lain Adapun standar tersebut mencakup masalah perencanaan (design), pembuatan (fabrikasi), pemilihan material konstruksi, pengujian (testing) cangkang tabung, sekat dan support, ujung yang bebas (floating head), saluran nosel, pelat tabung (tube sheet), dan lain-lain. 2.2.3. Alat Penukar Kalor Tipe Cangkang dan Tabung. Cangkang tabung adalah salah satu jenis APK yang menurut konstruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan tabung (tube bundles) yang dipasangkan di dalam cangkang berbentuk silinder dimana dua jenis fluida yang saling bertukar kalor mengalir secara terpisah, masing-masing melalui sisi tabung dan sisi cangkang. Begitu banyaknya jenis dari alat penukar kalor cangkang tabung yang dipergunakan pada dunia industri. Untuk membuat pembagiannya secara pasti adalah sangat sulit. Menurut Tunggul [11] berdasarkan pemakaian, heat exchanger diklasifikasikan dalam 3 class, yaitu : class R, class C, dan class B. Class R adalah alat penukar kalor yang tidak mengalami pembakaran, dan secara umum dipergunakan untuk mengolah minyak (petroleum) atau setidak-tidaknya berhubungan dengan aplikasi dalam proses pengolahan minyak. Class C sama dengan class R, dimana dalam penggunaannya tidak mengalami pembakaran. Jenis ini umumnya dipergunakan pada tujuan-tujuan komersial dan dalam proses yang umum. Class B juga sama, hanya saja dipergunakan untuk proses-proses kimia (chemical process service). Disamping pengelompokan diatas, dari TEMA dikenal juga tipe lain, seperti: 1. Penukar kalor dengan fixed tube sheet 2. Penukar kalor dengan floating tube sheet 3. Penukar kalor dengan pipa U (hairpin tube) 4. Penukar kalor dengan fixed tube sheet dan mempunyai sambungan ekspansi (expantion joint) pada cangkang nya Keuntungan alat penukar kalor tipe cangkang tabung adalah : 1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil 2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan 3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well established) 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang dipergunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasinya 5. Mudah membersihkannya 6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well established) 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil 8. Prosedur mengoperasikannya tidak berbelit-belit 9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif mudah Gambar 2.4. APK jenis Cangkang dan Tabung tipe BEM. Konstruksi tipe BEM mempunyai front end Stationary B yang berbentuk Bunnet, cangkang tipe E yaitu one pass shell dan rear end head, tipe M yaitu fixed tube shell. Umumnya, aliran fluida dalam cangkang dan tabung dari suatu APK adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam cangkang dan tabung menjadi aliran menyilang (cross flow) biasanya ditambah baffle (sekat). 2.2.4. Fluida di Dalam Cangkang dan di Dalam Tabung. Menentukan fluida di dalam tabung serta fluida diluar tabung (sisi cangkang) memerlukan pertimbangan-pertimbangan yang khusus. Untuk menentukan hal itu dilakukan evaluasi berbagai faktor disamping memperhatikan tipe alat penukar kalor. Tunggul [12] mengemukakan faktor-faktor yang harus diperhatikan untuk menentukan jenis fluida dalam tabung (tube side) atau diluar tabung (shell side) adalah: 1. Kemampuan untuk dibersihkan (cleanability) Jika dibandingkan cara membersihkan tabung dan cangkang, maka pembersihan sisi cangkang (luar tabung) jauh lebih sulit. Untuk itu maka fluida yang bersih biasanya dialirkan sebelah cangkang (diluar tabung) dan fluida yang kotor melalui tabung. 2. Korosi Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari paduan logam. Paduan logam itu mahal, karena itu fluida dialirkan melalui tabung untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan cangkang. 3. Tekanan kerja Cangkang yang bertekanan tinggi, diameter besar, akan memerlukan dinding yang tebal, ini akan mahal. Untuk mengatasi hal ini, apabila fluida bertekanan tinggi, lebih baik dialirkan melalui tabung. 4. Temperatur Fluida bertemperatur tinggi lebih baik dialirkan melalui tabung. Fluida bertemperatur tinggi juga akan menurunkan tegangan yang dibolehkan (allowable stress) pada material peralatan, hal ini mempunyai pangaruh yang sama seperti fluida bertekanan tinggi yang memerlukan dinding cangkang yang tebal. 5. Fluida berbahaya atau fluida mahal Untuk fluida mahal dan atau fluida yang berbahaya harus dialirkan melalui bagian-bagian yang terikat kuat pada alat penukar kalor itu. Beberapa tipe penukar kalor mengalirkannya pada sisi sebelah tabung. 6. Jumlah aliran fluida Suatu perencanaan yang baik akan diperoleh aliran fluida yang kecil jumlahnya dilakukan pada sisi sebelah cangkang. Ini mempengaruhi jumlah pass aliran, tetapi konsekuensinya ialah kerugian dan penurunan tekanan. 7. Viskositas Batas angka kritis bilangan Reynolds untuk aliran turbulen pada sisi cangkang adalah 200. Karena itu aliran laminer dalam tabung dapat menjadi turbulen apabila aliran melalui cangkang. Aliran tetap laminar dialirkan melalui cangkang, maka lebih baik aliran itu dialirkan melalui tabung. 8. Penurunan tekanan Apabila masalah penurunan tekanan (pressure drop) merupakan hal yang kritis dan harus ditinjau secara teliti, maka sebaiknya fluida tersebut dialirkan melalui sisi tabung. Penurunan tekanan didalam tabung dapat dihitung dengan teliti, sedangkan pressure drop sisi cangkang dapat menyimpang sangat besar dari nilai teoritis, tergantung dari kelonggaran (clearance) alat penukar kalor itu. Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan (heating surface). Besarnya luas permukaan itu tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tabung yang dipergunakan pada alat penukar kalor itu. 2.2.5. Jumlah Pass Atau Lintasan Pada Alat Penukar Kalor. Yang dimaksud dengan pass dalam alat penukar kalor adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida di dalam cangkang atau dalam bundle tabung. Dikenal 2 jenis lintasan alat penukar kalor, yaitu : 1. Shell pass atau lintasan cangkang. 2. Tube pass atau lintasan tabung. Yang dimaksud dengan pass shell adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk mulai saluran masuk (inlet nozzle), melewati bagian dalam cangkang dan mengelilingi tabung, keluar dari saluran buang (outlet nozzle). Apabila lintasan itu dilakukan 1 kali maka disebut 1 laluan cangkang, kalau terjadi 2 kali atau n kali melintasi bagian dalam serta melewati tabung, disebut 2 atau n laluan cangkang. Untuk fluida di dalam tabung, jika fluida masuk kedalam penukar kalor melalui salah satu ujung (front head) lalu mengalir ke dalam tabung dan langsung keluar dari ujung tabung yang lain melalui rear head, maka disebut dengan 1 laluan tabung. Apabila fluida itu membelok lagi masuk kedalam tabung, sehingga terjadi dua kali lintasan fluida dalam tabung maka disebut 2 laluan tabung. Biasanya laluan cangkang itu lebih sedikit daripada laluan tabung. 2.2.6. Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur Pada Alat Penukar Kalor Apabila ditinjau aliran fluida alat penukar kalor, maka dapat dibagi dalam 3 macam aliran, yaitu : 1. Aliran sejajar atau paralel flow. 2. Aliran berlawanan atau counter flow. 3. Aliran kombinasi, gabungan aliran sejajar dan berlawanan. Aliran fluida dan distribusi temperatur pada penukar kalor dapat dibagi atas : 1. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Langsung Pada alat penukar kalor jenis ini, temperatur akhir fluida panas dan fluida dingin menjadi sama karena kedua jenis fluida tersebut akan membentuk campuran (teraduk) keluar dari alat penukar kalor itu. Hal ini berarti, panas yang diberikan oleh fluida panas diterima secara utuh atau 100% oleh fluida dingin, tanpa ada kerugian panas. Hubungan antara jenis aliran, distribusi temperatur dan panjang tabung (luas tabung) pada alat penukar kalor yang kontak langsung dapat dilihat pada gambar 2.5. dan 2.6 [13]. Gambar 2.5. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida parallel. Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung, alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida berlawanan arah. 2. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Tidak Langsung Pada jenis alat penukar kalor ini, tabung berfungsi sebagai pemisah antara fluida panas dengan fluida dingin. Untuk itu perlu pertimbangan yang matang, untuk menentukan fluida mana yang mengalir melalui tabung, apakah fluida panas atau fluida dingin. 2.2.7. Konstruksi Alat Penukar Kalor Ditinjau dari segi konstruksi alat penukar kalor jenis cangkang dan tabung, Tunggul [14] membagi konstruksinya dalam 4 bagian, yaitu: 1. Bagian depan yang tetap atau Front End Stationary Head 2. Shell atau badan alat penukar kalor 3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head 4. Berkas tabung atau tube bundle, kumpulan tabung yang dimasukkan ke dalam tabung alat penukar kalor Didalam TEMA Standar, masing-masing bagian tersebut (kecuali nomor 4) telah diberi kode masing-masing dengan mempergunakan huruf. Gambar 2.7. Bagian-bagian dari alat penukar kalor (berdasarkan standar TEMA) [15]. 2.2.8. Cangkang (Shell) Secara umum lintasan fluida dalam APK dapat terjadi pada dua area lintasan yang terpisah yakni dalam shell side (sisi cangkang) dan tube side (sisi tabung). Dalam menganalisa aliran fluida dalam sisi cangkang bahwa, dalam sisi cangkang selain terdapat aliran utama B yakni aliran yang melintas tegak (main cross flow) terhadap bundel tube, juga terdapat kebocoran (leakage) aliran seperti kebocoran A antara baffle dengan tabung, dan kebocoran E antara baffle dengan cangkang, serta aliran by pass C antara bundel tube dengan cangkang, seperti gambar 2.8. [16]. Gambar 2.8. Aliran dalam sisi cangkang dengan baffle segmen. Gambar 2.9. Cangkang APK. 2.2.9. Tabung. Susunan tabung itu mempengaruhi besarnya penurunan tekanan aliran fluida dalam cangkang. Penentuan susunan tabung pada alat penukar kalor sangat prinsip sekali, ditinjau dari segi operasi dan pemeliharaan. Adapun beberapa susunan tabung alat penukar kalor menurut Tunggul [17] meliputi: 1. Tabung (tube) dengan susunan segitiga (triangular pitch). 2. Tabung (tube) dengan susunan segitiga diputar 30o (rotated triangular atau in-line triangular pitch). 3. Tabung (tube) dengan susunan bujur sangkar (in-line square pitch). 4. Tabung (tube) dengan susunan berbentuk belah ketupat, atau bentuk bujur sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch). Susunan tabung yang segitiga merupakan susunan yang sangat popular dan baik dipakai melayani fluida kotor/berlumpur atau yang bersih (non-fouling or fouling). Koefisien perpindahan panasnya lebih baik dibanding dengan susunan tabung bujur sangkar (in-line square pitch). Susunan tabung segitiga banyak dipergunakan dan menghasilkan perpindahan panas yang baik per satu satuan penurunan tekanan (per unit pressure drop), di samping itu letaknya lebih kompak. Susunan bujur sangkar membentuk sudut 90o (in-line square pitch) banyak dipergunakan, dengan pertimbangan seperti berikut: 1. Apabila penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi pada alat penukar kalor itu sangat kecil. 2. Apabila pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tabung adalah dengan cara pembersihan mekanik (mechanical cleaning). Sebab pada susunan seperti ini, terdapat celah anatara tabung yang dipergunakan untuk pembersihannya. 3. Susunan ini memberikan perilaku yang baik, bila terjadi aliran turbulen, tetapi untuk laminar akan memberikan hasil yang kurang baik. (a) (b) (c) Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor. (a) susunan tabung segitiga (triangular); (b) susunan tabung bujur sangkar (c) susunan tabung bujursangkar diputar 45o(diamond) [18]. Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tabung pada alat penukar kalor [19]. Susunan Kelebihan Kekurangan tabung Segitiga - Film koefisiennya lebih tinggi - Jatuh tekanan yang daripada bujur sangkar terjadi antara menengah - Dapat dibuat jumlah tabung keatas yang lebih banyak sebab - Tidak baik untuk fluida susunannya kompak yang kotor - Pembersihannya dengan cara kimia Bujur sangkar Belah ketupat - Bagus untuk kondisi yang - Film koefisiennya memerlukan jatuh tekanan rendah rendah - Baik untuk pembersihan luar tabung secara mekanik - Baik untuk melayani fluida kotor - Film koefisiennya lebih baik - Film koefisiennya relatif dari susunan bujur sangkar, rendah tetapi tidak sebaik susunan - Jatuh tekanannya tidak segitiga serendah jenis susunan - Mudah untuk pembersihan bujur sangkar dengan mekanis - Baik untuk fluida yang kotor 2.2.10. Baffle atau Sekat. Umumnya, aliran fluida dalam alat penukar kalor tabung cangkang adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam alat penukar kalor tabung cangkang menjadi cross flow biasanya ditambahkan penyekat atau baffle. Aliran cross flow yang didapat dengan menambahkan baffle akan membuat luas kontak fluida dalam cangkang dengan dinding tabung makin besar, sehingga perpindahan panas di antara kedua fluida meningkat. Selain untuk mengarahkan aliran agar menjadi cross flow, bafflecut juga berguna untuk menjaga supaya tube tidak melengkung(berfungsi sebagai penyangga) Secara teoritis, baffle yang dipasang terlalu berdekatan akan meningkatkan perpindahan panas yang terjadi di antara kedua fluida, namun hambatan yang terjadi pada aliran yang melalui celah antar baffle menjadi besar sehingga penurunan tekanan menjadi besar. Sedang jika baffle dipasang terlalu berjauhan penurunan tekanan yang terjadi akan kecil, namun perpindahan panas yang terjadi kurang baik. Untuk itu akan dilakukan suatu penelitian untuk mempelajari pengaruh penggunaan baffle cut pada suatu alat penukar kalor tabung cangkang. Baffles atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor mempunyai beberapa fungsi, yaitu: 1. Struktur untuk menahan berkas tabung 2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran (vibration) pada tabung 3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang mengalir diluar tabung (sisi cangkang). Potongan baffle cut 5,31% Potongan baffle cut 18,22% Potongan baffle cut 30,37% Potongan baffle cut 43,28% Gambar 2.11. Baffle. Ditinjau dari segi konstruksi, sekat dapat diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu: 1. Sekat pelat berbentuk segment (segmental baffles plate). Sekat pelat berbentuk segmen ini adalah jenis umum yang umum dipergunakan. Dipasang dengan posisi tegak lurus terhadap tabung.Konstruksi sekat ini terdiri dari bahan pelat yang dilubangi untuk memasukkan tabung kedalamnya. Pada setiap alat penukar kalor dipergunakan lebih dari satu sekat 2. Sekat batang (rod baffles). Sekat batang merupakan kombinasi sekat pelat dan rod. Konstruksinya terbuat dari rod dan pelat yang merupakan cincin sekat dimana satu dengan yang lain dipadukan dengan skid bar. 3. Sekat mendatar (longitudinal baffles). Sekat mendatar atau longitudinal dipasang pararel dengan susunan tabung. Sekat ini mempengaruhi aliran pada sisi aliran pada sisi sebelah luar tabung atau laluan tabung. 4. Sekat impingment (impingiment baffles). Sekat ini secara langsung akan mengena kepada aliran fluida yang masuk ke dalam cangkang alat penukar kalor. Sekat dipasang pada saluran masuk fluida ke dalam cangkang dengan tujuan untuk mencegah partikel-partikel padat ikut melayang atau keluar,serta untuk mencegah kecepatan yang tinggi dari aliran cairan masuk cangkang. Besarnya pemotongan sekat [20], berkisar antara 15-45% diameter sekatnya,sebab pada kondisi ini akan terjadi perpindahan panas yang baik serta penurunan tekanan tidak terlalu besar . Besarnya bagian sekat yang dipotong adalah tergantung konstruksi sekat yang diinginkan,biasanya hal ini dinyatakan dalam % baffle cut. Baffle cut yang dipotong tegak biasanya dipergunakan untuk kondensor horizontal,reboiler,alat penguap(vaporizers) dan penukar kalor yang membawa bahan-bahan suspended atau cairan berlumpur atau kotor(fouling).Maksudnya adalah,bahwa dengan sekat yang dipotong tegak akan membuat bagian uap yang belum terkondensasi mengalir pada bagian atas jendela sekat. Ada 3 jenis potongan sekat yang umum dibuat yaitu: 1. Baffle cut mendatar. 2. Baffle cut vertical atau tegak. 3. Baffle cut miring (rotated). 2.3 Landasan Teori Perpindahan kalor dan penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada bentuk geometri dan dimensi tabung dan sekat (baffle), serta sifat-sifat fisis fluida dalam cangkang dilakukan dengan memperhitungkan besar kalor yang diserap oleh fluida dalam hal ini air laut dalam tabung. Jumlah kalor yang diserap diasumsikan sama besar dengan dengan kalor yang dipindahkan secara konveksi melalui dinding tabung. Analisis ini juga mengasumsikan bahwa tidak terdapat kalor melalui dinding selonsong ke udara sekitarnya. Holman [21] mengemukakan jumlah kalor atau laju perpindahan kalor yang diserap oleh fluida dalam tabung dihitung dengan rumus: Keseimbangan energi APK adiabatis pada kondisi steady state: h ⋅ c ph (Thi − Tho ) = m c ⋅ c pc (Tco − Tci ) Q=m (2.4) Thi Tco m h Tho m c Tci L Gambar 2.12. Distribusi suhu APK aliran melintang. Jumlah kalor yang diserap oleh fluida dapat dihitung dengan rumus: Q = U.A.∆Tm ∆Tm = (T h ,i (2.5) − Tc ,o ) − (Th ,o − Tc ,i ) (T − T ) Ln h ,i c ,o (Th,o − Tc,i ) (2.6) Incropera [22] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam alat penukar kalor pada tabung adalah: Temperatur rata-rata fluida dingin APK ditunjukkan dengan: Tt = Tti + Tto 2 (2.7) Dimana : Tc = Temperatur fluida rata-rata pada sisi tabung (oC) Tci = Temperatur fluida masuk tabung (oC) Tco = Temperatur fluida keluar tabung (oC) Laju aliran massa fluida di setiap tabung, adalah : t = m i m N (2.8) Dimana : t = Laju aliran massa fluida tiap tabung m (kg/s) i = Laju aliran massa fluida masuk APK m (kg/s) N = Jumlah tabung Sularso [23] mengemukakan pembagian jenis aliran berdasarkan parameter Bilangan Reynold (Re), apakah laminar, transisi, atau turbulen. Untuk laminar jika Re<2300, transisi jika 2300<Re<4000, dan turbulen jika Re>4000. Bilangan Reynold pada tabung, adalah: Re t = t 4m πd i μ t (2.9) Dimana : Ret = Bilangan Reynold tiap tabung di = Diameter dalam tabung (m) μ t = viskositas dinamik fluida dalam tabung (kg/m.s) Bilangan Nusselt pada tabung dapat diperoleh dengan korelasi Sieder and Tate: Nu c = 1,86(Re t .Pr.d o /L)1 / 3 (μ μ c ) 0,14 (2.10) Dimana : Nuc = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung Pr = Bilangan Prandtl fluida dalam tabung μ c = viskositas dinamik air laut pada temperatur dinding tabung (kg/m.s) Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung adalah: ht = k t × Nu c di Dimana : (2.11) Nuc = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung di = Diameter dalam tabung (m) kt = Konduktivitas termal fluida dalam tabung (W/mK) Wolverine [24] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam alat penukar kalor pada cangkang adalah: Th = Thi + Tho 2 (2.12) Dimana : T h = Temperatur fluida rata-rata sisi cangkang (oC). Thi = Temperatur fluida panas masuk cangkang (oC). Tho = Temperatur fluida panas keluar cangkang (oC). Luas aliran menyilang pada sumbu bundle D ctl ( S m = L bc L bb + L tp − D t ) (L tp,eff ) (2.13) Dimana : Lbc = Jarak sekat (baffle) Lbb = Jarak celah diameter dalam cangkang dengan diameter luar bundle (Gambar 2.13). (m) (m) (Ltp)eff = pitch tabung efektif (dapat dilihat dari gambar) (m) Dctl = Diameter limit tengah tabung (Gambar 2.13) Dt = Diameter luar tabung (m) (m) Gambar 2.13. Sekat Segmen [25]. Kecepatan massa didapat : Gs = s m Sm (2.14) Dimana : s = Laju aliran massa fluida masuk cangkang APK (kg/s) m S m = Luas aliran menyilang pada sumbu bundle (m2) Bilangan Reynold didapat: Re s = doGs μs (2.15) Dimana : Res = Bilangan Reynold pada sisi cangkang do = Diameter luar tabung (m) Gs = Kecepatan massa (kg/m2s) μ s = Viskositas dinamik pada sisi cangkang (kg/ms) Koefien empiris diperoleh dari table berikut: Tabel 2.2. Koefisien empiris [26]. a= a3 1 + 0,14Re sa 4 (2.16) Ji adalah faktor perpindahan panas yang besarnya adalah : 1,33 jI = a 1 L D tp t a Re sa 2 (2.17) Koefisien perpindahan kalor konveksi pada sisi cangkang h s,ideal = jI c ph G s Prs −2 3 (2.18) Kemudian ditentukan faktor-faktor koreksi berdasarkan potongan baffle (JC), kebocoran baffle (JL), by pass bundle (JB), ketidaksamaan jarak baffle (JS), aliran laminar (JR), dan viskositas dinding (Jμ), sebagai berikut: Faktor koreksi berdasarkan potongan baffle (JC): Sudut relatif antara baffle cut terhadap sumbu alat penukar kalor, D θ ctl = 2cos −1 s D ctl Bc 1 − 2 100 (2.19) Dimana : Dctl = Diameter limit tengah tabung (Gambar 2.13) θctl = Dapat dilihat pada Gambar 2.13. θds = Dapat dilihat pada Gambar 2.13. θotl = Dapat dilihat pada Gambar 2.13. Bc = Baffle cut (%) (m) Fraksi dari luas area yang dibentuk oleh jendela sekat: Fw = θ ctl sinθ ctl − 360o 2π (2.20) Fraksi aliran melintang di antara baffle tips : Fc = 1 − 2Fw (2.21) Faktor koreksi potongan baffle : J C = 0,55 + 0,72Fc (2.22) Menurut Tunggul [27], faktor koreksi berdasarkan potongan baffle adalah 1 apabila tidak ada tube pada jendela baffle; 1,5 apabila baffle yang dipotong sedikit; dan 0,65 bila jendela baffle lebar. Faktor koreksi berdasarkan kebocoran baffle (JL): Sudut baffle cut, B θ ds = 2cos −1 1 − 2 c 100 (2.23) Luas kebocoran cangkang dengan baffle, ( Ssb = 0,00436 × D s × L sb × 360o − θ ds ) (2.24) Dimana : (m2) Ds = Diameter dalam cangkang Lsb = Ruang bebas secara diametri dari cangkang dengan diameter cangkang Luas kebocoran tabung ke lubang baffle, [ π 2 Stb = (D t + L tb ) − D 2t 4 ] × N tt × (1 − Fw ) (2.25) Maka rasio perbandingan : rs = Ssb Ssb + Stb rlm = (2.26) Ssb + Stb Sm (2.27) Dimana : rs = Perbandingan antara luas by-pass shell dengan luas aliran melintang tabung Ssb = Luas bocoran antara cangkang dan baffle (m2) Stb = Luas bocoran tabung dengan baffle (m2) Sm = Luas aliran melintang tabung (m2) Diperoleh faktor koreksi kebocoran baffle: J L = 0,44(1 − rs ) + [1 − 0,44(1 − rs )]exp(− 2,2rlm ) (2.28) Faktor koreksi berdasarkan by pass bundle (JB): Luas by pass, [ Sb = L bc (D s − D otl ) + L pl ] Lpl = 0, karena tidak ada by pass lane Dimana : L bc = Jarak sekat (baffle) (2.29) Perbandingan luas by pass dan luas aliran-silang : Fsbp = Sb Sm (2.30) Jika Reo laminar maka Cbh = 1,35. dengan Bilangan Reynold ≤ 100 Jika Reo turbulen maka Cbh = 1,25. dengan Bilangan Reynold >100 Diperoleh faktor koreksi by pass bundle, [ ( J B = exp − C bh Fsbp 1 − 3 2rss )] , rss = 0, karena tidak ada sealing strips (2.31) Faktor koreksi berdasarkan ketidaksamaan jarak baffle (JS) : JS = (N b - 1) + (L bi /L bc ) l-n + ( Lbo / Lbc ) l − n (N b - 1) + (L bi /L bc ) + ( Lbo / Lbc ) (2.32) , dimana: Nb = jumlah baffle. Lbi = panjang tubesheet ke baffle pada sisi inlet. (m) Lbo = panjang tubesheet ke baffle pada sisi outlet. (m) n = 0,6 untuk aliran turbulen dan 1/3 untuk aliran laminar. JS<1,0 untuk jarak baffle yang lebih besar di sisi masuk dan keluar apk daripada jarak antar baffle yang berada di tengah. Js = 1 untuk jarak baffle yang sama pada sisi masuk dan keluar apk dengan jarak antar baffle yang berada di tengah. Faktor koreksi berdasarkan viskositas dinding (Jμ): Temperatur dinding tabung ditunjukkan dengan, Tw = h s,ideal d o Ts + h t d i Tt (2.33) h s,ideal d o + h t d i Sehingga diperoleh faktor koreksi berdasarkan viskositas dinding, μ J μ = h μw 0,14 (2.34) Koefisien perpindahan panas sebenarnya pada sisi cangkang dapat ditentukan dengan: h h = (J C J L J B J μ Js )h h,ideal (2.35) Dengan demikian, koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan dengan [28]: Gambar 2.14. Jaringan tahanan termal untuk perpindahan panas kalor menyeluruh. Q= T − T1 ΔT(menyeluruh) = 0 ∑ R th (tahanan termal) ∑ R th , dimana, Rth, tahanan termal (thermal resistances) adalah: Ro = tahanan termal konveksi bagian luar = 1 2 ⋅ π ⋅ r2 ⋅ L ⋅ h o Rw = tahanan termal konduksi material = ln(r2 r1 ) 2⋅π⋅k ⋅L Ri = tahanan termal konveksi bagian dalam = 1 2 ⋅ π ⋅ r1 ⋅ L ⋅ hi , maka: ∑ R th = ln (r2 r1 ) 1 1 + + 2 ⋅ π ⋅ r2 ⋅ L ⋅ h o 2 ⋅ π ⋅ k ⋅ L 2 ⋅ π ⋅ r1 ⋅ L ⋅ hi U= 1 A ⋅ ∑ R th , dimana Ao = 2 ⋅ π ⋅ r2 ⋅ L U= 1 ln(r2 r1 ) 1 1 + + 2 ⋅ π ⋅ r2 ⋅ L ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ π ⋅ k ⋅ L 2 π r L hi 2 π r L h 2 2 o 1 Sehingga, 1 Uo = r2 1 r2 r2 1 + ln + r1 h c k r1 h h 1 Uo = d2 1 d2 d2 1 ln + + d 1 h c 2k d 1 h h (2.36) 2.4. Efektivitas Alat Penukar Kalor Efektivitas alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat penting dalam mendesain penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter efektivas tersebut merupakan suatu gambaran unjuk kerja sebuah penukar kalor . Panas yang dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang diserahkan dari fluida panas. • • Q = m c . Cpc (Tco – Tci) = m h . Cph (Thi – Tho) (2.3 Holman [29] dalam bukunya mengemukakan bahwa efektivitas alat penukar perpindahan kalor maksimum ε = Qnyata Qmaks = C h (Thi - Tho ) Cc (Tco - Tci ) = C min (Thi - Tci ) C min (Thi - Tci ) (2.38 ) Dari persamaan ( 2.4 ),jika : • 1. m h . Cph = Ch = Cmin maka ε = • 2. m c . Cpc = Cc = Cmin, maka ε = (Thi - Tho ) (Thi - Tci ) (2.39) (Tci - Tco ) (Thi - Tco ) (2.40) Secara umum efektivitas dapat dinyatakan dengan : ε= ∆T (fluida minimum) Beda suhu maksimum di dalam penukar kalor (2.41) 2.5. Penurunan Tekanan (Pressure Drop) Penurunan tekanan merupakan selisih tekanan fluida masuk dan keluar APK. Satu hal yang harus dipertimbangkan dalam perancangan APK adalah penurunan tekanan ini. Pada saat fluida mengalir dalam cangkang mulai dari sisi masuk sampai sisi keluar, maka molekul-molekul fluida akan bergesekan dengan dinding cangkang dan sekat (baffle) APK. Akibatnya, aliran fluida akan tertahan atau melambat. Dan untuk mempertahankan laju fluida, maka diperlukan tekanan dorong dari sisi masuk APK. Adapun hal yang dipertimbangkan dalam penurunan tekanan APK adalah: 1. Daya alat yang digunakan untuk mempertahankan laju aliran fluida dalam APK. 2. Pengaruh penurunan tekanan terhadap proses perpindahan panas yang terjadi dalam APK. 2.6. Faktor Pengotoran Setelah dipakai beberapa lama permukaan perpindahan kalor penukar kalor mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem dalam sistem aliran; atau permukaan itu mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam konstruksi alat penukar kalor. Dalam kedua hal diatas, lapisan ini memberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dan hal ini menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat tersebut. Pengaruh menyeluruh dari hal tersebut di atas biasa dinyatakan dengan faktor pengotor (fouling factor), atau tahanan pengotoran, Rf, yang harus diperhitungkan bersama tahanan termal lainnya, dalam menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh.Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U untuk kondisi bersih dan kondisi kotor pada penukar kalor itu. Faktor pengotoran dapat didefinisikan sebagai [29]: Rf = 1 U kotor − 1 U bersih 2.7. Kerangka Penelitian Adapun kerangka penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Start Identifikasi Masalah : Dipilih Type APK cangkang and tabung Susunan Segiempat dengan memanfaatkan air laut di dalam tabung untuk mendinginkan air demin di sisi cangkang Pemilihan Parameter Input perhitungan awal : Jarak Baffle = 40mm Baffle Cut = 5,31%;18,22%;30,37%;43,28% Type Baffle = Single Segment Suhu air panas masuk = 42,80C Suhu air dingin keluar = 280C Laju aliran air = 0,2 kg/s - Jenis fluida - Suhu - Data perencanaan & konstruksi Parameter Output : Suhu air laut masuk Suhu air laut keluar Suhu air demin masuk Suhu air demin keluar Penurunan Tekanan Analisis dan pengolahan data: Menentukan: Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) Penurunan Tekanan (∆P) Efektivitas Hasil Pembahasan: Mendapatkan Baffle cut optimal,Koefisien perpindahan panas menyeluruh,penurunan tekanan dan Efektivitas Kesimpulan Selesai
