23
2.4 Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube
Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah jenis alat penukar panas yang paling serbaguna dari alat penukar panas lainnya. Alat ini digunakan dalam proses
industri, pembangkit listrik konvensional dan pembangkit tenaga nuklir sebagai kondensor, generator uap di reaktor air bertekanan pembangkit tenaga listrik, dan
sebagai pemanas air. Alat penukar kalor shell and tube juga dipakai untuk banyak aplikasi energi alternatif, juga digunakan di beberapa ac dan sistem pendingin
lainnya. Alat penukar kalor shell and tube memberikan rasio area perpindahan panas
yang relatif besar dan juga mudah untuk dibersihkan. Dua cairan, temperatur awal yang berbeda, mengalir melalui penukar panas shell and tube. Satu mengalir
melalui tabung sisi tabung dan aliran lain di luar tabung tapi di dalam shell sisi shell. Panas dipindahkan dari satu fluida ke yang lain melalui dinding tabung,
baik dari tabung sisi ke sisi shell atau sebaliknya. Cairan dapat berupa cairan atau gas baik pada shell atau sisi tabung. Untuk perpindahan panas secara efisien, besar
perpindahan panas daerah harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan tabung banyak. Dengan cara ini, panas limbah dapat digunakan.
2.5Konstruksi Alat Penukar Kalor
Ditinjau dari segi kosntruksi dari alat penukar kalor jenisshell and tube, maka secara umum dapat dikatakan konstruksinya terdiri dari 4 bagian utama
yaitu: 1.
Bagian depan yang tetap atau Front Head Stationary Head dalam praktek hanya disingkat stationary head.
2. Shell cangkang yaitu badan alat penukar kalor itu.
3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head dalam praktek lebih
sering disebut Rear Head. 4.
Berkas tube atau tube-bundle, yaitu kumpulan tube yang dimasukkan ke dalam tube apk.
Di dalam standart TEMA, masing-masing bagian tersebut kecuali nomor 3 telah diberikan kode masing-masing dengan mempergunakan huruf.
Universitas Sumatera Utara
24
Bagian depan yang tetap front head stationary terdiri dari 4 tipe yaitu: tipe A, B, C dan D. Shell alat penukar kalor terdiri dari 6 tipe, yaitu E, F, G, H, J,
dan K. Bagian ujung belakang rear end head APK dibuat 8 tipe yaitu tipe L, M, N, P, S, T, U dan W. Ketiga gambar itu dapat dilihat pada gambar 2.18 berikut ini.
Gambar 2.18 Standar tipe shell cangkang, kepala depan dan kepala belakang shell kakac, 284
Bagian-bagian alat penukar kalor shell and tube dapat kita lihat pada gambar 2.19 dibawah ini.
Universitas Sumatera Utara
25
Gambar 2.19 Bagian-Bagian Alat penukar Kalor shell and tube Frank Kreith, 308
Bagian-bagian shell and tube exchanger : 1.
Channel fixed tip 18. Head Floating Backing Device
2. Hat fixed tip
19. Split Ring Shear 3.
Channel fixed tip 20. Slip - on backing flange
4. Channel cover
21. Floating Head Cover 5.
Stationary head nozzles 22. Floating Tube Sheet Skirt
6. Stationary tubes sheet
23. Packing box flange 7.
Tubes 24. Packing
8. Shell
25. Packing follower ring 9.
Shell Cover 26. Lantern Ring
10. Stationary shell flange head end
27. Tie Rod and Spacer 11. Shell flange - Rear Head End
28. Transverse baffles or Support Plate
12. Shell Nozzle 29. Impingement baffles
13. Shell cover flange 30. Longitudinal baffles
14. Expansion Joint 31. Pass partition
15. Floating Head Cover 32. Vent Connection
16. Floating Head Cover 33. Connection
17. Floating Head Flange a.
Jenis-Jenis Shell cangkang Seperti diketahui bahwa bentuk konstruksi shell alat penukar kalor
terdiri dari 7 jenis, yaitu E, F, G, H, J, K dan X. masing-masing jenis kontruksi mempunyai karakteristik sendiri, untuk itu diperlukan pertimbangan dalam
menentukan pemilihan penggunaannya.
Universitas Sumatera Utara
26
Shell tipe E merupakan salah satu jenis shell yang paling ekonom is, efisiensi termalnya baik, terdiri dari satu pass. Factor koreksi selisih temperatur
rata-rata Log mean temperature difference- F factor tinggi. Sesuai kebutuhan operasi, apabila terdapat aliran multi pass dalam shell, perlu dipertimbangkan
apakah menggunakan 1 shell tipe E F. Dalam hal ini pilihan mungkin akan lebih ekonomis. Tetapi sebaliknya
supaya dipikirkan apakah tidak terjadi kesulitan lain dengan pilihan itu, seperti masalah perbaikan memasukkan dan mengeluarkan tube bundle, dan kerugian
panas. Segi lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan shell adalah penurunan tekanan atau pressure drop. Jika pressure drop pada sisi shell
dibatasi , apakah tidak lebih baik menggunakan shell dengan tipe J, walaupun pada tipe ini terjadi kerugian panas faktor koreksi F rendah. Masalah pressure
drop juga dapat diatasi oleh shell tipe G dan H, dimana terjadi pemisahan aliran dan sedikit mengorbankan faktor koreksi F.
Alat penukar kalor dengan satu laluan cangkangadalah tipe yang paling banyak digunakan karena konstruksinya sederhana dan harganya pun murah.
Dalam tipe ini, cairan masuk disalah satu ujung shell, dan keluar pada ujung yang lain. Tabung mungkin mempunya satu laluan atau dua laluan dan dapat
didukung oleh baffle melintang. Jenis cangkang ini adalah yang paling banyak digunakan untuk aplikasi fluida satu fasa. Pada gambar 2.20 dibawah ini dapat
dilihat aliran tiap-tiap shell.
Gambar 2.20 Sket skematik dari beberapa tipe cangkang yang sering digunakan kakac, 286
Universitas Sumatera Utara
27
b. Tube dan Jumlah Aliran Tube
Pemilihan yang menyangkut tube antara lain adalah jenis bahan tube sesuai dengan suhu, tekanan dan sifat korosi fluida yang mengalir, dan ukuran
tube diameter dan panjangnya. Ukuran tuba biasa nya 38 sampai 2 inci O.D. apabila dipergunakan tube dengan fin sirip, maka harus dipilih apakah tube
dengan sirip kecil 0,05 inci = 1,27 mm atau sirip tinggi high fin biasanya 0,63 sampai 0,75 inci atau 1,6 mm sampai 19,05 mm dan jumlah sirip berkisar
antara 16 sampai 19 sirip per inci. Jumlah lintasan aliran pada tube berkisar antara 1-16 pass. Semakin
banyak pass aliran akan menimbulkan penurunan efisiensi pada alat penukar kalor sebagai akibat dari pola alirannya.
c. Susunan dan Jumlah Tube
Kemampuan melepas dan menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan heating surface. Besarnya luas
permukaan itu tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tubes yang dipergunakan pada alat penukar kalor.
Dibawah ini terdapat beberapa susunan tubes alat penukar kalor, yaitu tube dengan susunan segitiga triangular pitch, tube dengan susunan segitiga
diputar 30
o
rotated triangular pitch, tube dengan susunan bujur sangkar in- line square pitch dan tube dengan susunan belah ketupat atau bentuk bujur
sangkar yang diputar 45
o
diamond square pitch. Susunan tabung dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 berikut ini.
Gambar 2.21 Sudut susunan tabung kakac, 292
Universitas Sumatera Utara
28
Susunan tube yang membentuk 45
o
atau susunan tube diamond seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas merupakan jenis kondisi menengah. Dan
susunan tube ini lebih mudah dirancang daripada susunan tube yang membentuk sudut 30
o
. pembersihan bagian luar tube dilakukan dengan pembersihan mekanik seperti pada bujur sangkar.
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis-Jenis Susunan Tabung
NO Susunan Tube
Kelebihan Kekurangan
1 Bujur Sangkar
Mudah dibuat dan bagus untuk kondisi yang
memerlukan jatuh tekanan rendah. Baik untuk
pembersihan luar tube secara mekanik serta baik untuk
fluida yang kotor. Koefisien
perpindahan panas rata-
ratanya rendah
2 Susunan Diamond
Bujur sangkar diputar 45
o
Mudah dibuat dan jumlah tube yang lebih banyak
daripada susunan bujur sangkar serta koefisien
perpindahan panas rata- ratanya lebih baik dari bujur
sangkar, tetapi tidak sebaik susunan segitiga dan segitiga
yang diputar. Mudah untuk pembersihan secara mekanis
dan baik untuk fluida yang kotor.
Koefisien perpindahan
panas rata- ratanya relative
rendah
Universitas Sumatera Utara
29
3 Susunan Segitiga
Koefisen perpindahan panas rata-ratannya paling tinggi
diantara semua susunan tube. Dapat dibuat jumlah tube
yang lebih banyak sebab susunannya lebih kompak.
Tidak baik untuk fluida yang kotor,
dan pembersihan yang dilakukan
secara kimia chemical
cleaning. Cukup rumit
untuk dibuat. 4
Susunan Segitiga Yang diputar
Koefisien perpindahan panas rata-ratanya yang tinggi tapi
tidak sebesar susunan segitiga. Dapat digunakan
untuk fluida kotor Pembersihan
yang dilakukan secara kimia
chemical cleaning
Secara teoritis dapat dihitung berapa jumlah tube yang diperlukan suatu alat penukar kalor pada beban tertentu. Hasil perhitungan itu tidak selalu cocok
apabila di konstruksikan. Hal ini lebih nyata pada alat penukar kalor yang multi pass. Jumlah tube secara teoritis dapat dihitung dengan rumus:
�� = 0,785�
��� ��
��
2
��
2
��
2
.......................................... 2.14 Dimana CTP adalah jumlah perhitungan tabung konstan yang mewakili
diameter dalam cangkang terhadap tabung. Satu laluan tabung, CTP = 0,93
Dua laluan tabung, CTP = 0,90 Tiga laluan tabung, CTP = 0,85
CL adalah layout tabung yang konstan: CL = 1 untuk susunan bujur sangkat dan susunan diamond
CL = 0,87 untuk susunan segitiga dan segitiga yang diputar Dan PR adalah pitch ratio.
Universitas Sumatera Utara
30
d. Jarak Tube Tube Pitch
Jarak tube pitch ini erat hubungannya dengan ukuran tube, susunan tube layouts dan sistem pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tube.
Biasanya jarak antar tube tube pitch ini adalah berkisar 1,25 untuk fluida bersih sampai 1,5 untuk fluida kotor dikali diameter luar tube.
e. Baffel
Baffel atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor mempunyai beberapa fungsi, yaitu:
1. Struktur untuk menahan tube-bundel.
2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran pada tabung.
3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang
mengalir diluar tubes shell side. Fungsi tersebut selalu menyatu pada setiap pemasangan baffle, namun
adakalanya satu sama lainnya harus diperketat persyaratannya untuk tujuan- tujuan yang khusus. Kadang-kadang para perencana sering melupakan adanya
getaran pada tubes bundel, karena dalam prakteknya kerusakan karena akibat getaran itu sangat sedikit sekali. Pada gambar 2.17 nomor 31 terdapat pass-
partitionyang dipasang pada front-end alat penukar kalor. Bagian ini juga berfungsi sebagai baffel atau sekat aliran fluida yang masuk kedalam front end
itu, yang selanjutnya membelok masuk kedalam tube penukar kalor. Dengan memasang plat-partition pada penukar kalor dapat menambah
jumlah pass aliran fluida di dalam tube. Sedangkan pemasangan baffel pada sisi shell tidak menambah jumlah aliran di shell tersebut.
Ditinjau dari segi konstruksi, baffel dapat diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu:
1. Sekat pelat berbentuk segmen segmental baffles plate.
2. Sekat batang rod baffles.
3. Sekat mendatar longitudinal baffles.
4. Impingement baffles.
Universitas Sumatera Utara
31
Biasanya jenis sekat ini dipergunakan secara sendiri-sendiri, namun dalam hal eperluan khusus, dapat dikombinasikan jenis yang satu dengan yang
lainnya. Hal ini jarang sekali dilakukan. Plat baffel berbentuk segmen yang sering digunakan ditunjukkan pada
gambar 2.22 dibawah ini.
Gambar 2.22 Jenis Plat Baffel kakac, 297 Sekat plat berbentuk segmen dipasang dengan posisi tegak lurus
terhadap tubes. Disamping membelokkan aliran, sekat ini juga berfungsi untuk menyangga tubes agar tidak terjadi getaran tubes akibat aliran di luar dan di
dalam tubes. Konstruksi sekat ini terdiri dari bahan plat yang dilubangi untuk
memasukkan tube kedalamnya. Pada setiap alat penukar kalor dipergunakan lebih dari satu baffel.
Universitas Sumatera Utara
32
2.6 Aliran di Dalam Alat Penukar Kalor
Kategori