Penentuan Tipe Alat Penukar Kalor Pemilihan Material Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor Shell and Tube

60 330 708,5x10 -6 0,9981x10 -3 650x10 -3 3,15 Interpolasikan semua sifat fisik fluida panas, maka didapat: a. 326,5 −325 330 −325 = �� −751�10 −6 708,5 �10 −6 −751�10 −6 = 738,25 �10 −6 = 0,00073825 � ∙ �� 2 b. 326,5 −325 330 −325 = ��−0,9966�10 −3 0,9981 �10 −3 −0,9966�10 −3 = 0,99706 �10 −3 = 0,99706 � 3 �� c. 326,5 −325 330 −325 = �� −645�10 −3 650 �10 −3 −645�10 −3 = 646,5 �10 −3 � � ∙ � = 0,6465 �� ∙ � d. 326,5 −325 330 −325 = ��� −3,42 3,15 −3,42 = 3,339

4.2 Penentuan Tipe Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor yang dirancang adalah jenis shell and tube dengan satu laluan cangkang shell dan dua laluan tabung tube. Hal ini dikarenakan alat penukar kalor tipe shell and tube memiliki beberapa keuntungan, yaitu: 1. Konstruksinya sederhana. 2. Mudah membersihkannya. 3. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang dipergunakan sesuai dengan temperature dan tekanan operasinya. 4. Prosedur pengoperasiannya sangat mudah dimengerti. Dipilih alat penukar kalor shell and tube dengan 1-2 pass, artinya 1 laluan cangkang shell dan 2 laluan tabung tube. Untuk memperoleh aliran 2 pass pada sisi tube, dipergunakan floating head. Universitas Sumatera Utara 61 Gambar 4.3 Heat ExchangerShell and tube 1 pass shell dan 2 pass tube

4.3 Pemilihan Material

Sebelum melakukan perancangan alat penukar kalor, terlebih dahulu haruslah menetapkan material apa saja yang akan dipakai untuk membuat rancangan alat penukar kalor ini. Material yang akan dipergunakan nantinya tentunya dilandasi dengan tujuan atau fungsi dari alat penukar kalor, kondisi pemakaian alat penukar kalor, serta kalkulasi biaya-biaya yang diperlukan untuk pembuatannya. Pemilihan material yang tepat, akan meningkatkan efisiensi dari alat yang dirancang, baik dari segi run life alat tersebut, serta efisiensi biaya yang diperlukan. Sebaliknya, apabila pemilihan material yang dipergunakan tidak tepat, maka alat yang dibuat tidak akan bekerja dengan optimum dan adanya pemborosan dalam biaya yang diperlukan. Karena alat penukar kalor yang akan dirancang menggunakan fluida panas air belerang, maka material yang dipergunakan haruslah tahan terhadap korosi. Oleh sebab itu, material yang dipergunakan untuk pembuatan cangkang shell adalah stainless steel dan untuk pembuatan tabung yaitu pipa tembaga.

4.4 Perancangan Dimensi Alat Penukar Kalor Shell and Tube

Perancangan dimensi pada alat penukar kalor akan dilakukan pada dua bagian, pertama pada bagian tabung tube dan kedua pada bagian cangkang shell 4.4.1 Pemilihan Material dan Dimensi Cangkang Shell Material yang digunakan pada cangkang adalah pipa stainless steel dengan diameter 6 inci dan ketebalan 3 mm yang nantinya pipa ini akan dialiri fluida panas yaitu air belerang. Adapun alasan pemilihan material ini adalah karena bahan stainless steel tahan terhadap korosi dan konduktivitas bahannya yang rendah berdampak pada penyerapan panas oleh material dan dikeluarkan ke Universitas Sumatera Utara 62 lingkungan. Pipa stainless steel sebagai cangkang dapat kita lihat pada gambar 4.4 berikut ini. Dengan dimensi cangkang berdiameter O.D 6 inci dan ketebalan 3 mm, dirancang susunan dari tube pada cangkang. Susunan tube yang dipilih adalah susunan bujur sangkar diputar 45 o diamond dengan jarak antar tube pitch tube sebesar 1,5 kali diameter luar tube. Alasan dipilihnya susunan tube bujur sangkar diputar 45 o adalah karena konstruksinya yang mudah untuk dibuat serta untuk memaksimalkan jumlah tabung didalam cangkang. Jarak antar tube dibuat 1,5 kali diameter tube untuk memudahkan pembersihan luar tube secara mekanik mechanical cleaning. Untuk mencari jumlah tube yang tersusun dalam cangkang maka dapat dihitung dengan menggunakan rumus: �� = 0,785� ��� �� �� 2 �� 2 �� 2 �� = 0,785� � 0,9 1 � 0.1464 � 2 1,5 2 0,0127 2 = 41,725 ≈ 42 ���� Dengan menggunakan rumus, didapat banyaknya susunan tube maksimal yaitu sebanyak 42 buah, tetapi pada saat digunakan trial penggambaran dengan autocad 2007, jumlah tube maksimal yang dapat disusun adalah sebanyak 32 tube. Gambar 4.4 berikut menunjukkan trial susunan tube menggunakan autocad 2007. Gambar 4.4 Susunan Tube diamond dan Bujur Sangkar Dengan menggunakan trial penggambaran susunan tube, didapatkan perbandingan antara banyaknya jumlah tube susunan diamond dengan susunan bujur sangkar. Tipe diamond dapat disusun tabung sebanyak 32 buah, sedangkan susunan bujur sangkar dapat disusun tabung sebanyak 30 buah. Dipilih susunan Universitas Sumatera Utara 63 tabung diamond dan didapat jumlah susunan tabung yang dapat dibuat sebanyak 32 buah. Jarak antar sekat baffle spacing dibuat sebesar 3 inci, sehingga besar baffle spacing adalah: 0,0762 146,4 �100 = 52,05 ���� �������� ����� �������� Sedangkan baffle cut potongan sekat dipotong ¼ kali diameter cangkang, potongan baffle cut akan menjadi ruang bebas mengalirnya fluida di dalam cangkang. Sehingga besar baffle cut potongan sekat sebesar: ������ ��� = 1 4 �0,1464 = 0,0366 � 4.4.2 Pemilihan Material dan Perancangan Dimensi Tabung dan Cangkang Dimensi pipa tabung yang akan dibuat dipilih dengan ukuran 0.5 inch dan material yang digunakan adalah tembaga. Adapun alasan pemilihan material tersebut adalah karena tembaga tahan terhadap korosi dan tembaga memiliki konduktivitas termal yang tertinggi kedua setelah perak. Tabel 4.7 Konduktivitas Material No Nama Material Konduktivitas Pada Suhu 300 K Wm ·K 1 Aluminium 237 2 Berrylium 200 3 Boron 27 4 Cadmium 96.8 5 Kromium 93.7 6 Kobalt 99.2 7 Tembaga 401 8 Germanium 59.9 9 Emas 317 10 Iridium 147 11 Besi 80.2 12 Magnesium 156 Universitas Sumatera Utara 64 13 Molybdenum 138 14 Nikel 90.7 15 Platinum 71.6 16 Perak 429 17 Silicon 148 18 Stainless Steel AISI 302 AISI 304 AISI 316 AISI 347 15.1 14.9 13.4 14.2 19 Titanium 21.9 20 Tungsten 174 21 Vanadium 30.7 Untuk dimensi pipa cangkang dipilih pipa berdiameter 6 inci dengan ketebalan 3 mm berbahan stainless steel. Adapun alasan pemilihan dimensi pipa cangkang tersebut adalah karena dimensi pipa yang optimum untuk digunakan, sedangkan bahan stainless steel dipilih agar pipa tahan terhadap korosi. Untuk menghitung panjang tube keseluruhan yang dibutuhkan sesuai dengan fungsinya yaitu sebagai pemanas air dengan fluida panas air belerang, maka dapat dihitung menggunakan parameter-parameter fluida dan dimensi- dimensi yang sudah dintentukan sebagai berikut ini: Tabel 4.8 Dimensi Cangkang dan Tabung No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Diameter cangkang Di 0,1464 m 2 Diameter tabung De 0,0115 m 3 Jarak antar sekat L 0,0762 m 4 Baffle cut 0,0366 m 5 Jarak 2 sumbu tabung Pt 0,01905 m 6 Tebal tabung T 0,0006 m 7 Banyaknya Tube N 32 Universitas Sumatera Utara 65 Dari tabel 4.2 diatas, dapat diketahui dimensi cangkang, tabung, serta banyaknya susunan tube yang sudah ditentukan. Selanjutnya diperlukan data sifat- sifat fisik fluida air dan air belerang. Sifat fisik fluida dingin dihitung pada temperatur rata-rata yaitu pada suhu 303,5 K dan didapat data dari tabel sebagai berikut ini: Tabel 4.9 Sifat Fisik Fluida Dingin Air No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Kapasitas aliran 0,1 Liters 2 Konduktivitas panas λc 0.6193 Wm ·K 3 viskositas μc 0.0007776 N ·sm 2 4 Panas Jenis Cpc 4178.1 JKg ·K 5 Bilangan Prandl prc 5.26 - 6 densitas ρ 996.0159363 Kgm 3 7 Volume Spesific Vc 0.001004 m 3 Kg Sifat fisik fluida panas, yaitu air belerang dihitung pada temperature rata- rata yaitu pada suhu 326,5 K dan didapat data dari tabel kecuali densitas dan viskositas air belerang didapat dari hasil pengujian di Laboratorium Kimia-Fisika. Berikut sifat fisik air belerang: Tabel 4.10 Sifat Fisik Fluida Panas Air Belerang No Parameter Simbol Nilai Satuan 1 Kapasitas aliran 0,1 Liters 2 Konduktivitas Panas Λh 0.6465 Wm ·K 3 Viskositas Μh 0.00073825 N ·sm 2 4 panas Jenis Cph 4182.6 JKg ·K 5 Bilangan Prandl Prh 3.339 - 6 densitas Ρ 1002.95 Kgm 3 7 Volume spesific Vh 0.00099706 m 3 Kg Universitas Sumatera Utara 66 Analisis Fluida di dalam tabung: Kapasitas aliran = 0,1 ls = 1 x 10 -4 m 3 s Menghitung laju aliran: �̇� = 996,01�0,1�10 −4 = 0.099601 ��� Menghitung bilangan Reynold �� = 4 � 0,099601 32 3,14 �0.0115� 0,0007776 2 = 886,79 Re 2300, Aliran Laminar Aliran merupakan aliran laminar dimana Re 2300, maka dapat dihitung dari persamaan 2. �� = 1,86��. ��. � � 1 3 � � �� 0,14 Karena untuk mencari bilangan Nusselt membutuhkan variabel L yaitu panjang tabung, sedangkan panjang tabung belum diketahui, maka panjang tabung dapat dicari dengan try and eror dengan persamaan: � = � ������ � � � 3,14 � 32 Iterasi I: Menghitung laju perpindahan panas Q: �� = �ℎ = 0,0001�996,01�4178,1 � �� � 38 − 25 = 5409,85 ���� Menghitung luas area tabung: � = 5409,85 � � � � ∆� �� Dimana F faktor koreksi dapat dicari dengan terlebih dahulu menghitung P dan R � = 38 −25 60 −25 = 0,37143 dan, � = 60 −47,1 38 −25 = 0,9923 Selanjutnya F dicari melalui grafik untuk satu laluan cangkang dan 2,4,6 laluan tabung: Universitas Sumatera Utara 67 Gambar 4.5 Grafik faktor koreksi Didapat faktor koreksi F sebesar 0,942 Menghitung perbedaan temperatur rata- rata ΔT lm ΔT lm = ΔT1 = ΔT2 = 22 o C Menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh U 1 � = 1 ℎ� + 1 ℎ� + � � + ��� + ��� Dari tabel 2.3 Diperoleh nilai faktor pengotoran untuk kedua fluida, yaitu: Air belerang R f,i = 0.0002 m 2 o CW Air R f,o = 0.0001 m 2 o CW Dari tabel 2.2 dapat diasumsikan koefisien pindahan panas pada sisi tabung dan cangkang. Asumsi: hc = 350 Wm 2 K hf = 350 Wm 2 K � = 1 � 1 350 + 1 350 + 0,0006 401 + 0,0002 + 0,0001 � = 163,9394 � � 2 � Jadi luas area tabung adalah: � = 5409,85 163,9394 � 0,942 � 22 = 1,5923 � 2 Panjang tabung: � = 1,5923 0,0115 � 3,14 � 32 = 1,378 � Mencari bilangan Nusselt Universitas Sumatera Utara 68 �� = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,378 � � � �� ℎ 0,14 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µ th pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µµ th diabaikan sementara , sehingga: �� � = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,378 � = 6,304 Maka koefisien pindahan panasnya: ℎ� = 0,6193 � � 6,2454 0,0117 � = 333,667 � � 2 � � Analisis Fluida di dalam cangkang: Menghitung kecepatan massa aliran didalam cangkang: � � = 0,1003 0,1464 � 0,0762 � 0,01905−0,0127 0,01905 = 26,9714 ��� 2 � Menghitung diameter hidrolik: � ℎ = 4 � 0,01905 2 3,14 � 0,0127 − 0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold: �� = 26,9714 � 0,0237 0,00073825 = 865,91Re 2300, Aliran laminar Menghitung bilangan Nusselt: �� � = 1,86 �865,91 � 3,339 � 0,1464 1,378 � = 12,55 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µ th pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µµ th diabaikan sementara Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ � = 12,45 � 0,6465 0,0237 = 342,3236 �� 2 � Menghitung suhu pada dinding tabung Tt Universitas Sumatera Utara 69 � � = 333,667 � 31,5+342,3236 � 53,55 333,667+342,3236 = 42,67 � � Menghitung parameter dinding tabung tembaga Dilihat pada tabel dengan Tt = 42,67 o C = 315,67 K a. Untuk air belerang T K µ.10 -6 N sm 2 313 847 315,67 µ tf 323 768 313 − 315,67 313 − 323 = 847 − μ �� 847 − 768 µ tf = 825,9 x 10 -6 N sm 2 b. Untuk air T K µ.10 -6 N sm 2 315 631 315,67 µ tf 320 577 315 −315,67 315 −320 = 631 −μ �� 631 −577 µ tf = 623,7764 x 10 -6 N sm 2 Menghitung koefisien konveksi fluida dingin sebenarnya hc Mencari Bilangan Nusselt �� �′ = 6,304 � � 0,0007776 0,0006237764 � 0,14 = 6,5013 Setelah mendapatkan bilangan Nusselt sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida dingin sebenarnya hi ℎ� = 0,6193 � � 6,5013 0,0117 � = 344,124 � � 2 � � Menghitung koefisien konveksi fluida panas sebenarnya hf Universitas Sumatera Utara 70 Mencari Bilangan Nusselt �� �′ = 12,55 � � 0,00073825 0,000826 � 0,14 = 12,3543 Setelah mendapatkan bilangan Nusselt yang sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida panas sebenarnya hf ℎ� = 0,6465 � � 12,2543 0,0237 � = 336,99 � � 2 � � Setelah didapatkan nilai hc dan hf, ternyata belum sama dengan nilai hc dan hf asumsi sebelumnya, maka dilakukan iterasi ke 2. Iterasi 2: hc = 344,124 Wm 2 K hf = 336,99 Wm 2 K � = 1 � 1 344,124 + 1 336,99 + 0,0006 401 + 0,0002 + 0,0001 � = 161,95 �� 2 � Jadi luas area tabung adalah: � = 5409,85 161,95 � 0,942 � 22 = 1,612 � 2 Panjang tabung: � = 1,612 0,0115 � 3,14 � 32 = 1,395 � Mencari bilangan Nusselt �� = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,395 � � � �� ℎ 0,14 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µ th pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µµ th diabaikan sementara , sehingga: �� � = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,395 � = 6,278 Maka koefisien pindahan panasnya: ℎ� = 0,6193 � � 6,278 0,0117 � = 332,3065 � � 2 � � Universitas Sumatera Utara 71 Analisi Fluida di dalam cangkang: Menghitung kecepatan massa aliran didalam cangkang: � � = 0,1003 0,1464 � 0,0762 � 0,01905−0,0127 0,01905 = 26,9714 ��� 2 � Menghitung diameter hidrolik: � ℎ = 4 � 0,01905 2 3,14 � 0,0127 − 0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold: �� = 26,9714 � 0,0237 0,00073825 = 865,91Re 2300, Aliran laminar Menghitung bilangan Nusselt: �� � = 1,86 �865,91 � 3,339 � 0,1464 1,395 � = 12,5 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µ th pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µµ th diabaikan sementara Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ � = 12,5 � 0,6465 0,0237 = 340,927 �� 2 � Menghitung suhu pada dinding tabung Tt � � = 332,3065 � 31,5+340,927 � 53,55 332,3065+340,927 = 42,666 � � Menghitung koefisien konveksi fluida dingin sebenarnya hc Mencari Bilangan Nusselt �� �′ = 6,278 � � 0,0007776 0,0006237764 � 0,14 = 6,475 Setelah mendapatkan bilangan Nusselt sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida dingin sebenarnya hi ℎ� = 0,6193 � � 6,475 0,0117 � = 342,72 � � 2 � � Universitas Sumatera Utara 72 Menghitung koefisien konveksi fluida panas sebenarnya hf Mencari Bilangan Nusselt �� �′ = 12,5 � � 0,00073825 0,000826 � 0,14 = 12,304 Setelah mendapatkan bilangan Nusselt yang sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida panas sebenarnya hf ℎ� = 0,6465 � � 12,304 0,0237 � = 335,614 � � 2 � � Iterasi 3: hc = 342,72 Wm 2 K hf = 335,614 Wm 2 K � = 1 � 1 342,72 + 1 335,614 + 0,0006 401 + 0,0002 + 0,0001 � = 161,3178 �� 2 � Jadi luas area tabung adalah: � = 5409 ,85 161,3178 � 0,942 � 22 = 1,6182 � 2 Panjang tabung: � = 1,6182 0,0115 � 3,14 � 32 = 1,4 � Mencari bilangan Nusselt �� = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,4 � � � �� ℎ 0,14 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µ th pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µµ th diabaikan sementara , sehingga: �� � = 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,4 � = 6,27 Maka koefisien pindahan panasnya: ℎ� = 0,6193 � � 6,27 0,0117 � = 331,91 � � 2 � � Universitas Sumatera Utara 73 Analisi Fluida di dalam cangkang: Menghitung kecepatan massa aliran didalam cangkang: � � = 0,1003 0,1464 � 0,0762 � 0,01905−0,0127 0,01905 = 26,9714 ��� 2 � Menghitung diameter hidrolik: � ℎ = 4 � 0,01905 2 3,14 � 0,0127 − 0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold: �� = 26,9714 � 0,0237 0,00073825 = 865,91Re 2300, Aliran laminar Menghitung bilangan Nusselt: �� � = 1,86 �865,91 � 3,339 � 0,1464 1,4 � = 12,484 Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µ th pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µµ th diabaikan sementara Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ � = 12,484 � 0,6465 0,0237 = 340,521 �� 2 � Menghitung suhu pada dinding tabung Tt � � = 331,91 � 31,5+340,521 � 53,55 331,91+340,521 = 42,666 � � Menghitung koefisien konveksi fluida dingin sebenarnya hc Mencari Bilangan Nusselt �� �′ = 6,27 � � 0,0007776 0,0006237764 � 0,14 = 6,467 Setelah mendapatkan bilangan Nusselt sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida dingin sebenarnya hi ℎ� = 0,6193 � � 6,467 0,0117 � = 342,3124 � � 2 � � Menghitung koefisien konveksi fluida panas sebenarnya hf Universitas Sumatera Utara 74 Mencari Bilangan Nusselt �� �′ = 12,484 � � 0,00073825 0,000826 � 0,14 = 12,3 Setelah mendapatkan bilangan Nusselt yang sebenarnya, maka dicari koefisien konveksi pada fluida panas sebenarnya hf ℎ� = 0,6465 � � 12,3 0,0237 � = 335,214 � � 2 � � Setelah dilakukan Iterasi ke 2, mendapatkan hc dan hf yang sangat mendekati nilai asumsi yang dipakai, sehingga didapatkan panjang tabung alat penukar kalor yang akan dirancang adalah sebesar 1,4 meter.

4.5 Komponen-Komponen Alat Penukar Kalor Shell and Tube