Gambar 2. 12. Jarak antara sekat Jarak antara baffle baffle spacing atau baffle pitch ini dikenal dua
macam yaitu: 1.
Jarak antara baffle maksimum yaitu: B = Diameter sebelah dalam cangkang
2. Jarak baffle minimum yaitu:
B = 15 diameter sebelah dalam cangkang. Apabila jarak antara baffle dibuat terlalu jarang , maka aliran fluida
akan aksial sehingga tidak terdapat aliran melintang, sebaliknya kalau jarak antara baffle dibuat terlalu sempit, maka akan menimbulkan kebocoran yang berlebihan
antara baffle dan cangkang.
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:
ci co
pc c
ho hi
ph h
T T
c m
T T
c m
Q −
⋅ =
− ⋅
=
2.4
Th
i
Tc
o
Th
o
Tc
i
m
h
m
c
L
Gambar 2.13. Distribusi suhu APK aliran melintang. Jumlah kalor yang diserap oleh fluida dapat dihitung dengan rumus:
Q = U.A. ∆T
m
2.5 ∆T
m =
i c
o h
o c
i h
i c
o h
o c
i h
T T
T T
Ln T
T T
T
, ,
, ,
, ,
, ,
− −
− −
−
2.6
Incropera [22] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam alat penukar kalor pada tabung adalah:
Temperatur rata-rata fluida dingin APK ditunjukkan dengan:
2 T
T T
to ti
t
+ =
2.7
Dimana : T
c
= Temperatur fluida rata-rata pada sisi tabung
o
C T
ci
= Temperatur fluida masuk tabung
o
C T
co
= Temperatur fluida keluar tabung
o
C Laju aliran massa fluida di setiap tabung, adalah :
N m
m
i t
= 2.8
Dimana :
t
m = Laju aliran massa fluida tiap tabung kgs
i
m = Laju aliran massa fluida masuk APK kgs
N = Jumlah tabung
Sularso [23] mengemukakan pembagian jenis aliran berdasarkan parameter Bilangan Reynold Re, apakah laminar, transisi, atau turbulen. Untuk laminar
jika Re2300, transisi jika 2300Re4000, dan turbulen jika Re4000. Bilangan Reynold pada tabung, adalah:
t i
t t
μ πd
m 4
Re
= 2.9
Dimana : Re
t
= Bilangan Reynold tiap tabung d
i
= Diameter dalam tabung m
t
μ = viskositas dinamik dalam tabung m
2
s Bilangan Nusselt pada tabung dapat diperoleh dengan persamaan Colburn:
13 t
45 t
t
Pr 0,023Re
Nu =
2.10 Dimana :
Nu
t
= Bilangan Nusselt fluida dalam tabung Pr = Bilangan Prandtl fluida dalam tabung
Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung adalah:
i t
t t
d Nu
k h
× =
2.11 Dimana :
Nu
t
= Bilangan Nusselt fluida dalam tabung d
i
= Diameter dalam tabung m k
t
= Konduktivitas termal fluida dalam tabung WmK Wolverine [24] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam
alat penukar kalor pada cangkang adalah:
2 T
T T
ho hi
h
+ =
2.12 Dimana :
h
T = Temperatur fluida rata-rata sisi cangkang
o
C.
hi
T = Temperatur fluida panas masuk cangkang
o
C. T
ho
= Temperatur fluida panas keluar cangkang
o
C.
Luas aliran menyilang pada sumbu bundle
− +
=
t tp
eff tp,
ctl bb
bc m
D L
L D
L L
S
2.13
Dimana : L
bc
= Jarak sekat baffle m
L
bb
= Jarak celah diameter dalam cangkang dengan diameter luar bundle Gambar 2.13.
m L
tp eff
= pitch tabung efektif dapat dilihat dari gambar m D
ctl
= Diameter limit tengah tabung Gambar 2.13 m D
t
= Diameter luar tabung m
Gambar 2.14. Sekat Segmen [25]. Kecepatan massa didapat :
m s
s
S m
G
= 2.14
Dimana :
s
m = Laju aliran massa fluida masuk cangkang APK kgs
m
S = Luas aliran menyilang pada sumbu bundle m
2
Bilangan Reynold didapat:
s s
o s
μ G
d Re
= 2.15
Dimana : Re
s
= Bilangan Reynold pada sisi cangkang d
o
= Diameter luar tabung m
G
s
= Kecepatan massa kgm
2
s
s
μ = Viskositas dinamik pada sisi cangkang kgms
Koefien empiris diperoleh dari table berikut:
4
a s
3
0,14Re 1
a a
+ =
2.16 Ji adalah faktor perpindahan panas yang besarnya adalah :
Tabel 2.2. Koefisien empiris [26].
2
a s
a t
tp 1
I
Re D
L 1,33
a j
=
2.17
Koefisien perpindahan kalor konveksi pada sisi cangkang
3 2
s s
ph I
ideal s,
Pr G
c j
h
−
= 2.18
Kemudian ditentukan faktor-faktor koreksi berdasarkan potongan baffle J
C
, kebocoran baffle J
L
, by pass bundle J
B
, ketidaksamaan jarak baffle J
S
, aliran laminar J
R
, dan viskositas dinding J
μ
, sebagai berikut:
Faktor koreksi berdasarkan potongan baffle J
C
: Sudut relatif antara baffle cut terhadap sumbu alat penukar kalor,
− =
−
100 B
2 1
D D
2cos θ
c ctl
s 1
ctl
2.19
Dimana : Dctl
= Diameter limit tengah tabung Gambar 2.13 m θ
ctl
= Dapat dilihat pada Gambar 2.13. θ
ds
= Dapat dilihat pada Gambar 2.13. θ
otl
= Dapat dilihat pada Gambar 2.13. B
c
= Baffle cut Fraksi dari luas area yang dibentuk oleh jendela sekat:
2 π
sin θ
360 θ
F
ctl o
ctl w
− =
2.20 Fraksi aliran melintang di antara baffle tips :
w c
2F 1
F −
= 2.21
Faktor koreksi potongan baffle :
c C
0,72F 0,55
J +
= 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 J
L
: Sudut baffle cut,
− =
−
100 B
2 1
2cos θ
c 1
ds
2.23 Luas kebocoran cangkang dengan baffle,
ds o
sb s
sb
θ 360
L D
0,00436 S
− ×
× ×
=
2.24 Dimana :
D
s
= Diameter dalam cangkang m
2
Lsb = Ruang bebas secara diametri dari cangkang dengan diameter
sekat m
Luas kebocoran tabung ke lubang baffle,
[ ]
w tt
2 t
2 tb
t tb
F 1
N D
L D
4 π
S −
× ×
− +
=
2.25 Maka rasio perbandingan :
tb sb
sb s
S S
S r
+ =
2.26
m tb
sb lm
S S
S r
+ =
2.27
Dimana : r
s
= Perbandingan antara luas by-pass shell dengan luas aliran melintang tabung
S
sb
= Luas bocoran antara cangkang dan baffle m
2
S
tb
= Luas bocoran tabung dengan baffle m
2
S
m
= Luas aliran melintang tabung m
2
Diperoleh faktor koreksi kebocoran baffle:
[ ]
lm s
s L
2,2r exp
r 1
0,44 1
r 1
0,44 J
− −
− +
− =
2.28
Faktor koreksi berdasarkan by pass bundle J
B
: Luas by pass,
[ ]
pl otl
s bc
b
L D
D L
S +
− =
L
pl
= 0, karena tidak ada by pass lane 2.29 Dimana :
bc
L = Jarak sekat baffle
Perbandingan luas by pass dan luas aliran-silang :
m b
sbp
S S
F =
2.30 Jika Re
o
laminar maka C
bh
= 1,35. dengan Bilangan Reynold ≤ 100
Jika Re
o
turbulen maka C
bh
= 1,25. dengan Bilangan Reynold 100 Diperoleh faktor koreksi by pass bundle,
[ ]
3 ss
sbp bh
B
2r 1
F C
exp J
− −
= , r
ss
= 0, karena tidak ada sealing strips 2.31
Faktor koreksi berdasarkan ketidaksamaan jarak baffle J
S
:
L L
1 -
N L
L 1
- N
J
bc bi
b n
- l
bc bi
b S
bc bo
n l
bc bo
L L
L L
+ +
+ +
=
−
2.32 , dimana:
N
b
= jumlah baffle. L
bi
= panjang tubesheet ke baffle pada sisi inlet. m L
bo
= panjang tubesheet ke baffle pada sisi outlet. m n = 0,6 untuk aliran turbulen dan 13 untuk aliran laminar.
J
S
1,0 untuk jarak baffle yang lebih besar di sisi masuk dan keluar apk daripada jarak antar baffle yang berada di tengah.
J
s
= 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 J
μ
: Temperatur dinding tabung ditunjukkan dengan,
i t
o ideal
s, t
i t
s o
ideal s,
w
d h
d h
T d
h T
d h
T +
+ =
2.33 Sehingga diperoleh faktor koreksi berdasarkan viskositas dinding,
0,14 w
h μ
μ μ
J
=
2.34
Koefisien perpindahan panas sebenarnya pada sisi cangkang dapat ditentukan dengan:
ideal h,
μ S
B L
C h
h J
J J
J J
h =
2.35
Dengan demikian, koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan dengan [28]:
Gambar2.15. Jaringan tahanan termal untuk perpindahan panas kalor menyeluruh.
th 1
th
R T
T ermal
tahanan t R
ruh ΔTmenyelu
Q ∑
− =
∑ =
, dimana, R
th
, tahanan termal thermal resistances adalah: R
o
= tahanan termal konveksi bagian luar =
o 2
h L
r π
2 1
⋅ ⋅
⋅ ⋅
R
w
= tahanan termal konduksi material =
L k
π 2
r r
ln
1 2
⋅ ⋅
⋅
R
i
= tahanan termal konveksi bagian dalam =
hi L
r π
2 1
2
⋅ ⋅
⋅ ⋅
, maka:
hi L
r π
2 1
L k
π 2
r r
ln h
L r
π 2
1 R
2 1
2 o
2 th
⋅ ⋅
⋅ ⋅
+ ⋅
⋅ ⋅
+ ⋅
⋅ ⋅
⋅ =
∑
th
R A
1 ∑
⋅ =
U
, dimana L
r A
o
⋅ ⋅
⋅ =
2
2 π
⋅ ⋅
⋅ ⋅
+ ⋅
⋅ ⋅
+ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ =
hi L
r π
2 1
L k
π 2
r r
ln h
L r
π 2
1 2
1
2 1
2 o
2 2
L r
U π
Sehingga,
h i
o o
c i
o o
o i
o o
i i
o o
h 1
d d
ln 2k
d h
1 d
d 1
U h
1 r
r ln
k r
h 1
r r
1 U
+
+
= +
+ =
2.36
2.4. Efektivitas Alat Penukar Kalor
