BAB II LANDASAN TEORI
advertisement
BAB II LANDASAN TEORI Perhitungan-perhitungan dalam perancangan penukar kalor dilakukan dengan mengunakan persamaan keseimbangan energi dan persamaan-persamaan perpindahan panas baik yang bersifat umum maupun yang berlaku hanya pada perancangan penukar kalor. Sebelum melakukan perhitungan, diambil suatu penyerderhanaan dengan menerapkan asumsi-asumsi sebagai berikut: a. Perpindahan panas terjadi pada keadaan stasioner b. Kerugiaan panas terhadap lingkungan diabaikan c. Sifat-sifat fluida dianggap tetap d. Konduktifitas termal tube dianggap tetap e. Distribusi aliran massa dianggap merata f. Laju aliran massa dalam tiap-tiap tube dianggap seragam. 2.1 Sifat-sifat fluida kerja Dalam melakukan analisis diperlukan sifat fluida kerja yaitu : massa jenis ,panas jenis, konduktivitas termal,viskositas, dinamik dan bilangan prandtl. Untuk memudahkan proses prhitungan, sifat-sifat fluida kerja (dalam hal ini udara dan air) yang diambil dari table sifat-sifat fluida untuk rentang temperature tertentu, sedangkan untuk harga temperature yang tidak terdapat dalam table maka dilakukan interpolasi, rentang temperature untuk udara adalah This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 5 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com 0-1250c dan untuk air berlaku untuk rentang temperature 0-1000c pada tekanan atmosferik. 2.2 Keseimbangan energi. Hukum Termodinamika Pertama tentang kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnakan.energi hanya diubah bentuknya atau dipindahkan. Berdasarkan pernyataan tersebut, bila suatu system memberikan energi kepada system yang lain maka besarnya energi yang diberikan system itu akan sama dengan energi yang diterima oleh system yang lain tersebut Bila hukum termodinamika diterapkan pada analisis penukar kalor maka besarnya panas yang dipindahkan dari fluida panas sama besarnya dengan panas diterima oleh fluida dingin.gambaran peristiwa ini dapat dilihat pada gambar 2.1 Gambar 2.1 keseimbangan energi pada penukar kalor Berdasarkan gambar 2.1 besarnya kalor yang diberikan oleh fluida panas : Qh mh xc ph x[Thi Tho ] Dengan : Qh = kalor yang diberikan fluida panas [kW] mh = laju massa fluida panas [kgs] This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 6 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com c ph = panas jenis fluida panas [kJ/kg.0C] Thi = temperature masuk fluida panas [ 0C] Tho = temperature keluar fluida panas [ 0C] Untuk fluida dingin besarnya kalor yang diterima : Qc mc xc pc x[Tco Tci ] Dengan : Qc = kalor yang diterima fluida dingin [kW] mc = laju massa fluida dingin [kg/s] c pc = panas jenis fluida dingin[kJ/kg.0C] Tco = temperature masuk fluida dingin[.0C] Tci = temperature keluar fluida dingin [.0C] 2.3 Beda Temperature Rata-rata Logaritmik Selisih suhu rata-rata atau Logaritmik Mean Temperature Difference (LMTD) dipengaruhi dari sifat aliran dan sifat medium. Pada alat penukar kalor shell and tube dikenal dua jenis aliran yaitu system aliran sejajar (paralel flow) dan system aliran berlawanan (counter flow). 2.3.1 LMTD aliran sejajar (parallel flow) Untuk aliran sejajar aliran fluida panas dan aliran dingin memasuki shell and tube pada arah yang sama.selisih temperature rata-rata logaritmik pada alat penukar kalor aliran fluida sejajar dapat dilihat sebagai berikut : This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 7 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Gambar 2.2 LMTD untuk aliran sejajar Berdasarkan gambar diatas dapat rumuskan sebagai berikut, maka beda temperature rata-rata untuk susunan aliran sejajar adalah Thi Tci Tho Tco T Tci ln hi Tho Tco LMTD Tm 2.3.2 Aliran berlawanan Pada penukar kalor aliran berlawanan (counter flow) fluida panas dan fluida dingin memasuki shell and tube masing-masing pada arah berlawanan. Gambaran peristiwa ini digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.3 LMTD untuk aliran berlawanan This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 8 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Berdasarkan gambar diatas, maka beda temperature rata-rata untuk susunan aliran berlawanan dapat dirumuskan sebagai berikut : T T2 LMTD Tm 1 T ln 1 T2 Thi Tco Tho Tci T Tco ln hi Tho Tci 2.4 Jenis-jenis alat penukar kalor Tipe yang paling sederhana dari alat penukar kalor adalah sebuah pipa yang terletak konsentrik (satu sumbu) didalam pipa lain yang merupakan cangkang yang berbeda diameternya dan biasanya disebut dengan alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe heat exchanger). Pada alat penukar kalor jenis pipa ganda ini salah satu fluidanya mengalir melalui pipa bagian dalam, sedangkan fluida yang lain melalui cincin( annulus )yang terbentuk diantara pipa bagian luar dan bagian dalam. Karena kedua aliran fluida mengalir pada penukar kalor hanya sekali, maka susunan ini disebut dengan alat penukar kalor satu lintas (single pass). Alat penukar kalor yang banyak digunakan dalam dunia industri adalah jenis alat penukar kalor cangkang dan pipa (shell and tube heat exchanger). Alat penukar jenis ini terdiri dari beberapa susunan pipa (tube) bahkan hingga ratusan yang dibunkus oleh cangkang (shell) dan disusun secara parallel. Proses perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir didalam pipa (tube) dengan fluida yang berada diluar tube didalam shell (cangkang).Baffles This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 9 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com biasanya berada pada cangkang, yang berfungsi untuk memaksa fluida pada sisi cangkang agar mengalir secara silang terhadap tabung untuk meningkatkan perpindahan panas dan menjaga keteraturan jarak diantara pipa-pipa. Meskipun mempunyai fungsi yang sangat luas, jenis penukar kalor shell and tube ini tidak cocok untuk digunakan pada kendaraan, pesawat terbang dan kapal laut, karena ukuran dan beratnya relatife besar sebagai catatan, pipa (tube) pada alat penukar kalor shell and tube dapat dibuka (dipisahkan) dengan daerah alirannya yang disebut header (kepala) yang berada diujung cangkang (shell) dimana tempat berkumpulnya fliuda masuk kedalam pipa dan setelah fluida keluar dari pipa (pipa). Alat penukar kalor jenis shell and tube jenis ini lebih lanjut menurut jumlah dari shell dan tube dapat disebut dengan alat penukar kalor tipe satu lintas shell, dua lintas tube (one shell and two tube). 2.5 Luas Permukaan Perpindahan Panas Luas perpindahan panas yang dibutuhkan agar terjadi perpindahan kalor sesuai dengan yang diharapkan untuk sebuah penukar kalor shell and tube adalah : A N t Do L Juga dihitung luas permukaan perpindahan panas yang dibutuhkan : Q Ab UdxFxTm Dengan : A = luas total permukaan perpindahan panas (m2) Ab= luas yang dibutuhkan (m2) Nt= jumlah tube This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 10 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Do= dimeter luar tube(m) L= panjang tube(m) Ud = koefisien perpindahan panas keseluruhan desain(w/m2.k) F = factor koreksi untuk ΔTm ΔTm = beda temperature rata-rata logaritmik 2.5.1 Aliran Dalam Tube Bila sebuah tube dari penukar kalor dibelah maka penampang akan terlihat seperti gambar berikut : Gambar 2.4 Penampang Tube penukar kalor 2.5.2 Laju Massa tiap tube Dengan anggapan bahwa massa total fluida bagian sisi tube terbagi merata dalam tiap-tiap tube, maka laju masa per luas daerah aliran didalam hal ini luas penampang tube yang mengalir dalam tiap tube adalah: M M satu tube c N tube Dengan : Msatu tube= laju masa per luas daerah aliran tiap tube(kg/s.m2) Mc = laju massa total(kg/s) Ntube = jumlah tube This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 11 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com 2.5.3 Kecepatan aliran fluida Dengan asumsi bahwa aliran fluida yang berada di dalam shell terdistribusi merata dan laju massa total tube juga terbagi merata didalam tiap-tiap tube maka dengan sifat fisik fluida yang tetap besarnya kecepatan aliran fluida didalam shell maupun didalam tube dapat dihitung dengan mengunakan persamaan : M v Dengan V = kecepatan aliran fluida (m/s) M = laju massa fluida persatuan luas(kg/s. m2) ρ = massa jenis fluida (kg/m3) 2.6 Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds, Re adalah parameter tak berdimensi yang merupakan perbandingan gaya-gaya inersia dengan gaya viskositas yang bekerja pada fluida .nilai bilangan Reynolds yang menunjukan sifat aliran fluida yaitu apakah fluida tersebut laminar atau turbulen.pada aliran laminar, gaya viskos lebih besar daripada gaya inersia sehingga fluida bergerak melalui garis-garis arus yang teratur dan halus serta kecepatan fluida pada saluran tetap untuk waktu tertentu.sedangkan untuk aliran turbulen, gaya inersia lebih besar daripada gaya viskos sehingga fluida bergerak secara acak dan kecepatan fluida pada suatu titik dan waktu berubah-ubah diantara aliran laminar dan turbulen terdapat daerah transisi dimana suatu aliran tidak dapat diperkirakan pola alirannya dan merupakan transisi dari aliran laminar ke aliran turbulen. This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 12 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Persamaan yang digunakan untuk menghitung bilangan Reynolds adalah vDi Re Dengan : Re = bilangan Reynelds ρ =massa jenis fluida (kg/m3) v =kecepatan rata-rata fluida (m/s) Di= diameter dalam pipa (m) μ =viskositas dinamik fluida(Ns/m2). Pembagian sifat aliran berdasarkan bilangan reynolds adalah sebagai berikut ; Re < 2100 : aliran laminar Re =2100-4000 : aliran tidak dapat diduga, daerah transisi Re>4000 : aliran turbulen Untuk keperluan perhitungan dan agar dapat digunakan dalam persamaanpersamaan lainya maka diambil batasan untuk Re< 2100 aliran laminar, sedangkan diatas 4000 maka aliran dianggap turbulen. 2.7 Koefisien perpindahan panas keseluruhan Untuk menghitung luas permukaan panas maka harus terlebih dahulu dihitung koefisien perpindahan panas keseluruhan.terdapat dua harga koefisien perpindahan panas keseluruhan yaitu koefisien perpindahan panas keseluruhan bersih dan koefisien perpindahan panas kotor (fouling). Perpindahan panas (heat transfer) adalah suatu perhitungan untuk meramalkan perpindahan energi karena perbedaan suhu diantara benda atau material. Proses perpindahan panas dapat terjadi dengan 3 cara,yaitu: This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 13 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com a. Konduksi b. Konveksi c. Radiasi a. Perpindahan panas secara konduksi Perpindahan secara konduksi umumnya terjadi pada benda padat dengan getaran atom dalam kristal dan gerakan electron bebas pada bahan. Besarnya laju perpindahan panas yang terjadi dapat dihitung dengan rumus T Qk ln( Do / Di 2kL Qk : laju perpindahan panas konduksi(W) k : koefisien konduktifitas termal dari benda yang memindahkan panas luas permukaan (W/m2 0C) L : lebar/tebal benda yang memindahkan panas(m) ∆T : selisih temperature antara dinding bahan penghantar panas (0C) b. Perpindahan panas secara konveksi Perpindahan panas secara konveksi terjadi antara permukaan benda padat dengan fluida atau sebaliknya dengan besar laju perpindahan panasnya dapat dirumuskan sebagai berikut : Qc h A T Qc: laju perpindahan panas konveksi(W) h :koefisien rata-rata perpindahan panas konveksi untuk suatu luasan (W/m2 0C) This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 14 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com A : luas permukaan penghantar (m2) ∆T : selisih temperature antara dinding bahan penghantar panas dengan fluida atau sebaliknya(0C) c. Perpindahan panas secara radiasi Perpindahan panas secara radiasi terjadi akibat pancaran gelombang elektromagnetik dalam bentuk cahaya energi termal atau panas pada suatu benda dan gelombang ini dapat melalui ruang hampa. Untuk menentukan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor dapat dirumuskan sebagai berikut : Gambar 2.5 Penampang Tube penukar kalor Qh h0 A0 Th Two T Twi Qk wo ln( Do / Di 2kL Qc h Ai Twi Tc This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 15 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com T T Qh c R dengan 1 1 ln( Do / Di ) 1 R UA ho Ao 2kL hi Ai Q UA(Th Tc ) 2.7.1 Koefisien perpindahan panas keseluruhan permukaan clean Peristiwa perpindahan kalor pada alat penukar kalor merupakan pengabungan antara perpindahan kalor secara konveksi dan konduksi.perpindahan kalor secara terjadi pada fluida yang mengalir pada pipa, sedangkan konduksi terjadi pada dinding pipa yang membatasi pada antara fluida yang didinginkan dengan fluida pendingin. Pada penerapan alat penukar kalor,salah satu fluida mengalir didalam shell dan fluida yang satunya mengalir pada tube. ln( Do / Di ) 1 1 1 2kL UA ho Ao hi Ai A=based on Ao, sehingga A diganti dengan Ao, maka didapat : ln( Do / Di ) 1 1 1 2kL UAo ho Ao hi Ai Untuk mendapatkan nilai U maka dikalikan dengan Ao 1 ln( Do / Di ) 1 1 Ao UAo ho Ao hi Ai 2kL 1 1 A 1 A x ln( Do / Di ) o x o U c ho Ai hi 2kl This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 16 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Dengan Uc =koefisien perpindahan panas keseluruhan permukaan bersih (W/m2.C). untuk menyesuaikan perhitungan, koefisien perpindahan kalor (U) dapat kita lihat pada table 2.1 , mengenai nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor menyeluruh seperti dibawah ini. U,W/m2 0C Type of heat exchanger Water-to-water 850-1700 Water-to-oil 100-350 Water-to-gasoline or kerosene 300-1000 Feed water heaters 1000-8500 Steam-to-light-fuel oil 200-400 Steam-to-heavy fuel oil 50-200 Steam condenser 1000-6000 Freon condensers (water cooled) 300-1000 Ammonia condensers (water cooled) 800-1400 Alcohol condensers (water cooled) 250-700 Gas-to-gas 10-40 Water-to-air in finned tube(water in 30-60 tubes) 400-850 Steam-to-air in finned tubes (steam in 30-300 400-4000 tubes) Daftar table 2.1 Nilai kira-kira koefisien perpindahan kalor menyeluruh “U” This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 17 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com 2.7.2 Koefisien perpindahan panas keseluruhan permukaan fouling Fouling dapat didefinisikan sebagai pembentukan kerak pada penukar kalor yang menghambat perpindahan dan memberikan tahanan tambahan terhadap aliran panas sehingga menyebabkan menurunnya kemampuan kinerja penukar kalor.suatu penukar kalor setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan panasnya akan dilapisi berbagai endapan yang biasa terdapat dalam system aliran .pengaruh endapan tersebut menyebabkan menurunya kinerja penukar kalor biasanya dinyatakan dengan factor pengotoran.faktor pengotoran diperoleh dari hasil percobaan setelah penukar kalor beroperasi beberapa lama, yaitu dengan menentukan koefisien perpindahan panas (U) pada kondisi bersih dengan harga koefisien perpindahan panas untuk kondisi kotor. jika pengotoran diikutkan dalam perhitungan perumusannya menjadi : A 1 1 A 1 A x ln( Do / Di ) o x o Rf o i xRf i U ho Ai hi A 2kl Dengan : Rfi = tahanan termal fouling didalam pipa (m2 C/W) Rfo = tahanan termal fouling diluar pipa (m2 C/W) Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, factor pengotoran dibagi lima jenis, yaitu ; 1. Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation fouling). Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung garamgaram yang diendapkan pada suhu tinggi, seperti garam kalsium dll 2. Pengotoran akibat pengendapan partikel pada dalam fluida (particule fouling) This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 18 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Pengotoran ini akibat pengumpulan partikel-partikel padat yang terbawa oleh fluida di atas permukaan perpindahan panas seperti debu ,pasir ,dll. 3. Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling) Pengotoran ini terjadi akibat reaksi kimia di dalam fluida ,diatas permukaan perpindahan panas, dimana material bahan permukaan perpindahan tidak berekreasi,seperti adanya reaksi poli merisasi ,dll . 4. Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling) Pengotoran ini terjadi akibat reaksi kimia antara fluida kerja dengan material bahan permukaan perpindahan panas. 5. Pengotoran akibat aktifitas biologi (biological fouling) Pencotoran ini berhubungan dengan aktifitas organisme biologi yang terdapat atau terbawa dalam aliran fluida seperti lumut,jamur,dll. Akibat-akibat yang dapat ditimbulkan aleh fouling : Efek yang merugikan yang ditimbulkan akibt terjadinya fouling dapat digolongkan dalam beberapa kategori : a. Meningkatkan capital cost Penambahan capital cost ini dapat terjadi akibat penambahan perpindahan panas (penambahan heat exchanger) disebabkan dari berkurangnya perpindahan panas akibat fouling, dengan pertambahan drop tekanan sehingga perlu penambahan kapasitas pompa dan fan untuk menaikkan tekanan sebagai kompensasi dari drop tekanan akibat dari pengurangan permukaan aliran. b. Meningkatkan biaya perawatan This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 19 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com Dengan terjadinya fouling maka diperlukan biaya lebih untuk pengadaan additive untuk pencegahan dan mengurangi terbentuknya fouling pada permukaan perpindahan panas. c. Kerugian produksi Karena adanya proses perawatan (cleaning) heat exchanger akibat fouling pada permukaan panas maka heat exchanger tidak dapat berfungsi waktu produksi berkurang. Hal ini akan menyebabkan kerugian produksi, selain juga heat exchanger bermasalah pada saat beroperasi karena fouling sudah tebal sehingga perlu dibersihkan dan stop produksi, stop produksi berarti kehilangan waktu untuk berproduksi dan merupakan kerugian d. Kerugian energi Dengan timbulnya fouling pada permukaan perpindahan panas pada heat exchanger maka banyak energi yang hilang dan tidak dipindahkan sepenuhnya dari fluida panas ke fluida dingin (karena terhambat oleh fouling) sehingga energi yang dipindahkan tidak maksimal dan ini merupakan kerugian. 2.8 Penurunan Tekanan Besarnya penurunan tekanan fluida dapat dihitung dengan persamaan : L m2 Pt f ( Nbaf 1) IDt 2 Dengan Pt =Penurunan tekanan didalam tube(Pa) f =Factor gesek dalam tube L =Panjang tube (m) This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 20 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com =Massa jenis fluida dalam tube (kg/m3) Untuk aliran laminer factor geseknya adalah : 64 f Re Dan untuk aliran turbulen factor geseknya adalah f 0,316 Re 1 / 4 , untuk Re 2 10 4 f 0,184 Re 1 / 5 , untuk Re 2 10 4 Sedangkan untuk penukar kalor dengan dua laluan tube maka penurunan tekanannya selain karena gesekan juga akibat adanya tekanan balik atau perubahan arah aliran fluida. Besarnya penurunan tekanan ini berbanding lurus dengan empat kali kerugian energi kinetic yang didefinisikan sebagai berikut : Pt 4n(v 2 / 2) Pt =penurunan tekanan akibat tekanan balik(Pa) n = jumlah laluan tube v= kecepatan fluida dalam tube(m/s) =densitas fluida kg/m3 2.9 Metode NTU-Efektifitas Efektifitas merupakan metode yang digunakan untuk menentukan koefisien perpindahan panas dari alat penukar kalor, bila dengan LMTD tidak This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 21 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com didapatkan hasil yang sesuai. Efektifitas alat penukar kalor didefinisikan sebagai efektifitas perpindahan kalor nyata perpindahan kalor maksimum yang mungkin q q max berikut: Efektifitas untuk tipe shell and tube one-shell pass 2,4,6…tube pass dapat dinyatakan sebagai : 1 C 1 C 2 2 1/ 2 1 ex N 1 C 2 1 ex N 1 C 2 1/ 2 1/ 2 1 Dengan : UA NTU C min C (mCp) min Dan C min C max (mCp ) max . This document was created by the trial version of Print2PDF. Once Print2PDF is registered, this message will disappear. 22 Purchase Print2PDF at http://www.software602.com