Alat Penukar Kalor TINJAUAN PUSTAKA

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 30 o 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 45 o diamond square pitch. Susunan tabung yang segitiga merupakan susunan yang sangat popular dan baik dipakai melayani fluida kotorberlumpur 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 90 o 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. Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor. a susunan tabung segitiga triangular; b susunan tabung bujur sangkar c susunan tabung bujursangkar diputar 45 o diamond [18]. a b c Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tabung pada alat penukar kalor [19]. Susunan tabung Kelebihan Kekurangan Segitiga - Film koefisiennya lebih tinggi daripada bujur sangkar - Dapat dibuat jumlah tabung yang lebih banyak sebab susunannya kompak - Jatuh tekanan yang terjadi antara menengah keatas - Tidak baik untuk fluida yang kotor - Pembersihannya dengan cara kimia Bujur sangkar - Bagus untuk kondisi yang memerlukan jatuh tekanan rendah - Baik untuk pembersihan luar tabung secara mekanik - Baik untuk melayani fluida kotor - Film koefisiennya rendah Belah ketupat - Film koefisiennya lebih baik dari susunan bujur sangkar, tetapi tidak sebaik susunan segitiga - Mudah untuk pembersihan dengan mekanis - Baik untuk fluida yang kotor - Film koefisiennya relatif rendah - Jatuh tekanannya tidak serendah jenis susunan bujur sangkar 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 melengkungberfungsi 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 sekat- nya,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 penguapvaporizers dan penukar kalor yang membawa bahan-bahan suspended atau cairan berlumpur atau kotorfouling.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: 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 2.12. 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 fluida dalam tabung kgm.s Bilangan Nusselt pada tabung dapat diperoleh dengan korelasi Sieder and Tate: 14 , c 3 1 o t c μ μ L Pr.d . Re 86 , 1 Nu = 2.10 Dimana : Nu c = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung Pr = Bilangan Prandtl fluida dalam tabung c μ = viskositas dinamik air laut pada temperatur dinding tabung kgm.s Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung adalah: i c t t d Nu k h × = 2.11 Dimana : Nu c = 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 Dctl = Diameter limit tengah tabung Gambar 2.13 m D t = Diameter luar tabung m Gambar 2.13. 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 : 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 : Tabel 2.2. Koefisien empiris [26]. 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 cangkang 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