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
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 B
L C
h
h Js
J J
J J
h =
2.35
Dengan demikian, koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan dengan [28]:
Gambar 2.14. 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
1
⋅ ⋅
⋅ ⋅
, maka: hi
L r
π 2
1 L
k π
2 r
r ln
h L
r π
2 1
R
1 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
1 1
2 o
2 2
L r
U π
Sehingga,
h 1
2 2
c 1
2 o
h 1
2 2
c 1
2 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
Efektivitas alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat penting dalam mendesain penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter
efektivas tersebut merupakan suatu gambaran unjuk kerja sebuah penukar kalor . Panas yang dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang
diserahkan dari fluida panas. Q =
•
m
c
. Cp
c
Tc
o
– Tc
i
=
•
m
h
. Cp
h
Th
i
– Th
o
2.3
Holman [29] dalam bukunya mengemukakan bahwa efektivitas alat penukar perpindahan kalor maksimum
ε
maks nyata
Q Q
= =
T -
T C
T -
T C
ci hi
min ho
hi h
= T
- T
C T
- T
Cc
ci hi
min ci
co
2.38 Dari persamaan 2.4 ,jika :
1.
•
m
h
. Cp
h
= C
h
= C
min
maka ε =
T -
T T
- T
ci hi
ho hi
2.39
2.
•
m
c
. Cp
c
= C
c
= C
min
, maka ε =
T -
T T
- T
co hi
co ci
2.40 Secara umum efektivitas dapat dinyatakan dengan :
ε = kalor
penukar dalam
di maksimum
suhu Beda
minimum fluida
T ∆
2.41
2.5. Penurunan Tekanan Pressure Drop
Penurunan tekanan merupakan selisih tekanan fluida masuk dan keluar APK. Satu hal yang harus dipertimbangkan dalam perancangan APK adalah
penurunan tekanan ini. Pada saat fluida mengalir dalam cangkang mulai dari sisi masuk sampai sisi keluar, maka molekul-molekul fluida akan bergesekan dengan
dinding cangkang dan sekat baffle APK. Akibatnya, aliran fluida akan tertahan atau melambat. Dan untuk mempertahankan laju fluida, maka diperlukan tekanan
dorong dari sisi masuk APK. Adapun hal yang dipertimbangkan dalam penurunan tekanan APK adalah:
1. Daya alat yang digunakan untuk mempertahankan laju aliran fluida
dalam APK. 2.
Pengaruh penurunan tekanan terhadap proses perpindahan panas yang terjadi dalam APK.
2.6. Faktor Pengotoran
Setelah dipakai beberapa lama permukaan perpindahan kalor penukar kalor mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem
dalam sistem aliran; atau permukaan itu mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam konstruksi alat
penukar kalor. Dalam kedua hal diatas, lapisan ini memberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dan hal ini menyebabkan menurunnya kemampuan kerja
alat tersebut. Pengaruh menyeluruh dari hal tersebut di atas biasa dinyatakan dengan faktor pengotor fouling factor, atau tahanan pengotoran, R
f
, yang harus diperhitungkan bersama tahanan termal lainnya, dalam menghitung koefisien
perpindahan panas menyeluruh.Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U untuk kondisi bersih dan kondisi kotor
pada penukar kalor itu. Faktor pengotoran dapat didefinisikan sebagai [29]:
bersih kotor
f
U 1
U 1
R −
=
2.7. Kerangka Penelitian
Adapun kerangka penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
Start Identifikasi Masalah :
Dipilih Type APK cangkang and tabung Susunan Segiempat dengan memanfaatkan air laut di dalam tabung
untuk mendinginkan air demin di sisi cangkang
Pemilihan Parameter Input perhitungan awal :
Jarak Baffle = 40mm
Baffle Cut = 5,31;18,22;30,37;43,28
Type Baffle
= Single Segment
Suhu air panas masuk = 42,8 C
Suhu air dingin keluar = 28
C
Laju aliran air = 0,2 kgs
- Jenis fluida
- Suhu
- Data perencanaan
konstruksi Parameter Output :
Suhu air laut masuk
Suhu air laut keluar
Suhu air demin masuk
Suhu air demin keluar
Penurunan Tekanan
Hasil Pembahasan: Mendapatkan Baffle cut optimal,Koefisien perpindahan
panas menyeluruh,penurunan tekanan dan Efektivitas
Selesai Analisis dan pengolahan data:
Menentukan:
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U
Penurunan Tekanan
∆P
Efektivitas
Kesimpulan
BAB III PERANCANGAN ALAT PENELITIAN
3.1. Perancangan Alat Penukar Kalor
Untuk merancang alat penukar kalor yang diperlukan untuk pengujian, data-data yang diketahui, dipilih, dan diharapkan adalah :
1. Data-data yang diketahui
• Temperatur fluida panas masuk alat penukar kalor T
hi
= 42,8
o
C •
Temperatur fluida dingin masuk alat penukar kalor T
ci
= 28
o
C •
Massa aliran fluida panas masuk alat penukar kalor m
h
= 0,2 kgs •
Massa aliran fluida dingin masuk alat penukar kalor m
c
= 0,2 kgs 2.
Data-data yang diharapkan •
Temperatur air panas keluar alat penukar kalor T
co
= 38
o
C
Gambar 3.1. Distribusi temperatur alat penukar kalor.
3. Data-data yang dipilih
• Diameter shell D
s
= 131,7 mm = 0,1317 m •
Jarak antar pusat tabung p = 17 mm = 0,017 m
• Jumlah sekat
= 22 •
Jarak sekat l = 40 mm
• Diameter luar tabung d
o
= 12,7 mm = 0,0127 m •
Tebal pipa t = 0,5 mm = 0,0005 m
• Susunan pipa
= segiempat •
Baffle cut = 5,31;18,22;30,37;43,28 •
Laluan = 1-laluan cangkang, 1-laluan tabung.
• Jumlah tabung N
28 2744
, 28
17 1
102 0,7854
L C
D 0,7854
N
2 2
2 tp
1 2
ctl
≈ =
⋅ ⋅
= ⋅
⋅ =
Jumlah tabung yang diambil adalah 37.
Gambar 3.2. Baffle alat penukar kalor untuk susunan tabung segiempat.
3.2. Mencari Temperatur Air Laut Keluar Alat Penukar Kalor
Perpindahan panas secara termodinamika untuk fluida panas
ho hi
h h
h h
h h
h
T T
cp m
Q ΔT
cp m
Q −
× ×
= ×
× =
C 40,4
2 38
42,8 2
T T
T :
temperatur Pada
o ho
hi h
= +
= +
=
=313,4 K Dari tabel sifat-sifat air, diperoleh:
T K
c
p
Jkg.K λ
Wm.K µ
N.sm
2
Pr 310
4178 0,628
0,000695 4,62 313,4
c
pc
λ
c
µ
c
Pr
c
315 4179
0,634 0,000631 4,16
kg.K J
4178,68 cp
: Diperoleh
h
= Sehingga,
W 4011,5328
Q C
38 42,8
kJkg.K 4178,68
kgs 0,2
Q
h o
h
= −
⋅ ⋅
=
Perpindahan panas secara termodinamika untuk fluida dingin
ci co
c c
c c
c c
c
T T
cp m
Q ΔT
cp m
Q −
× ×
= ×
× =
Kalor yang diserap fluida dingin sama dengan kalor yang dilepas fluida panas
28 cp
20057,664 T
cp 20057,664
28 T
28 T
cp 0,2
W 4011,5328
28 T
cp 0,2
W 4011,5328
T T
cp m
W 4011,5328
Q Q
c co
c co
co c
co c
ci co
c c
c h
+ =
= −
− ×
= −
× ×
= −
× ×
= =
misal :
c
T = 30
o
C, sifat fluida air laut dievaluasi pada temperatur
c
T = 30
o
C, diperoleh : cp
c
= 4031,856 Jkg ⋅K
maka:
C 2
32,9747967 T
28 4031,856
20057,664 T
o co
co
= +
=
Maka:
C 30,4873984
2 28
2 32,9747967
2 T
T T
o ci
co c
= +
= +
=
Karena nilai
c
T yang baru belum sama dengan nilai
c
T yang dimisalkan, maka perhitungan dilanjutkan ke iterasi berikutnya hingga nilainya sama. Dan hasilnya
ditunjukkan pada tabel berikut: Tabel 3.1. Perhitungan iterasi temperatur air laut keluar.
Iterasi
c
T misal cp
c
T
co
c
T hasil 1
30 4031.856
32.97479672 30.48739836 2
30.48739836 4031.990327 32.97463098 30.48731549 3
30.48731549 4031.990304 32.97463101 30.48731551 4
30.48731551 4031.990304 32.97463101 30.48731551
Berdasarkan tabel diatas, maka diperoleh : T
co
= 32,97463101
o
C; cp
c
= 4031.990304 kg.K
J ;
c
T = 30.48731551
o
C.
