Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Satu Laluan Cangkang Dua Laluan Tabung Sebagai Pemanas Air Untuk Air Mandian Dengan Fluida Panas Air Belerang

DAFTAR PUSTAKA

[1]Anwar, Khairil. “Efektifitas Alat Penukar Kalor Pada Sistem Pendingin Generator PLTA”, majalah ilmiah mektek. Universitas Tadulako, Palu. [2]Cengel, Yunus.A. 2003. Heat Transfer: A Practical Approach, 2nded. New

York : McGraw-Hill

[3]Gabriella, Modissya. 2014. “Analisa Performansi Alat Penukar Kalor ( Heat Exchanger ) Type Shell and Tube di PLTA Renun”, tugas akhir. Politeknik Negeri Medan.

[4]Holman, J. P. 1997. PerpindahanKalor, edisi ke-2. Jakarta :Erlangga

[5]http://www.evalube.com/id/product/otomotif/mesin-diesel/evalube-deo-sae-40- api-cdsf01

[6]https://nurulnuha1.wordpress.com/2009/06/09/pltu-suralaya/

[7]Incropera F.P. Fundamentas Of Heat and Mass Transfer, 6th ed. New York :

John Wiley & Sons

[8]Kakac, Sadik. 2002. Heat Exchanger:Selection, Rating, and Thermal Design,

Second Edition. CRC Press.

[9]Kuppan,T. 2000. Heat Exchanger Design Handbook. New York : Marcel

Dekker.Inc

[10]Kreith, Frank. 1877. Principles Of Heat Transfer, 4th ed. New york : Harper and Row

[11]Manik, Terang. 2003. Verifikasi Secara Eksperimental Penukar Panas Tiga

Saluran dengan Aliran yang Terbagi, tesis . Institut Teknologi Bandung [12]Munson, Bruce R. 1997. Mekanika Fluida, edisi ke-2. Jakarta :Erlangga

[11]Nitsche, Manfred. 2016. Heat Exchanger Design Guide, Book Aid

International.

[13]Pitts, Donald. 2008. PerpindahanKalor, edisi ke-2. Erlangga : 2108

[14]Sitompul, Tunggul. 1993. Alat Penukar Kalor. Jakarta :Erlangga

[15]Triadmodjo, Bambang. 1995. Hidraulika II, edisi ke-2. Beta Offset :

Yogyakarta

[16]Yuliansyah, Bagus. 2011.” Modifikasi dan Perhitungan Perpindahan Kalor Pada Alat Penukar Kalor Radiator”, tugas akhir. Universitas Diponegoro. Semarang.

[17]Yulianto, Sulis. Perencanaan Pembuatan Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Skala Laboratorium, skripsi. Universitas Muhammadiyah Jakarta [18]Yunanto, Joko P. Perencanaan Heat Exchangers pada Sistem Pendinginan

Minyak Bantalan Poros Turbin Generator PLTA PB Soedirman, skripsi. Universitas Muhammadiyah Surakarta

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Pembuatan

3.1.1 Tempat Pembuatan

Tempat pembuatan merupakan lokasi pengerjaan alat dibuat. Pembuatan alat dibua t di Marindal, Medan, Sumatera Utara.

3.1.2 Waktu Pembuatan

Waktu pembuatan yang dibutuhkan adalah 30 hari, yaitu pada 23Mei 2016 – 25 Juni 2016

3.2 Menghitung Dimensi Alat Penukar Kalor Shell and Tube

Sebelum membuat desain alat penukar kalor, terlebih dahulu dihitung dimensinya dengan data-data yang telah ada sesuai dengan fungsi dari alat penukar kalor itu tersebut sebagai pemanas air. Penghitungan dimensi alat dapat dilakukan melalui perumusan-perumusan dan konsep desain yang sesuai dengan literature.

3.3Membuat Desain Alat Penukar Kalor Shell and Tube

Dalam mengkonstruksi alat penukar kalor shell and tube satu laluan cangkang dan dua laluan tabung, terlebih dahulu membuat desain dan dimensi dari rangka alat penukar kalor shell and tube yang akan dibuat.

3.4 Menggambar Desain Dengan Autocad

Autocad adalah salah satu software yang digunakan untuk menggambar teknik, misalnya untuk perancangan suatu bangunan atau konstruksi (denah, tampak, potongan, dsb). Software ini memiliki kemampuan dalam pengolahan gambar berbentuk dua atau tiga dimensi.

Pada perancangan alat penukar kalor ini, penulis menggunakan software autocad. Hasil gambar dan desain alat penukar kalor ini dapat dilihat pada lampiran.

3.5 Penyiapan Alat dan Bahan

Pada tahap ini dilakukan pencarian dan pengumpulan bahan-bahan yang diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor ini. Berikut adalah alat dan bahan–bahan yang diperlukan dalam pengkonstruksian alat penukar kalor

3.5.1 Alat

Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Gunting

Alat ini digunakan untuk menggunting alluminium foil dan glasswool. Gambar 3.1 berikut ini adalah gambar gunting yang digunakan.

Gambar 3.1 Gunting

2. Termometer Digital

Untuk mengetahui besar temperatur masuk dan keluar pada fluida panas dan fluida dingin yang terjadi dalam alat penukar kalor digunakan alat pengukur temperatur yaitu termometer digital. Dimana temperatur yang terukur akan tertampil pada layar temometer tersebut. Berikut pada gambar 3.2 adalah gambar dari termometer digital tersebut.

Gambar 3.2 Termometer digital

3. Water Heater

Heater digunakan untuk memanaskan fluida yang akan digunakan sebagai fluida panas. Gambar 3.3 berikut ini adalah gambar heater yang digunakan untuk memanaskan fluida panas.

Gambar 3.3 Water Heater

4. Alluminium Foil Kraft Paper

Alluminium foil Kraft Paper digunakan untuk membungkus alat penukar kalor shell and tube setelah glass wool, agar panas tidak keluar pada saat percobaan. Gambar 3.4 dibawah ini adalah gambar aluminium foil kraft paper yang digunakan.

Gambar 3.4 Alluminium Foil Kraft Paper

5. Flowmeter

Alat ukur ini fungsi untuk mengukur besar kapasitas aliran yang terjadi pada tabung sebagai fluida panas dan cangkang sebagai fluida dingin. Berikut adalah gambar dari flowmeter. Gambar 3.5 berikut adalah gambar flowmeter yang digunakan pada rangkaian alat penukar kalor sebagai pengukur debit aliran fluida

Gambar 3.5 Flowmeter 6. Pompa

Dalam penelitian ini terdapat dua pompa yang digunakan yaitu pompa untuk fluida dingin dan pompa untuk fluida panas. Pompa ini berfungsi untuk mengalirkan kedua fulida baik melalui tabung maupun cangkang dengan kapasitas aliran yang diatur melalui pompa sesuai dengan yang diinginkan. Gambar 3.6 berikut adalah gambar pompa fluida yang digunakan:

Gambar 3.6 Pompa

7. Laptop

Alat ini digunakan untuk melakukan perhitungan secara simulasi dengan menggunakan software yaitu microsoft excel. Gambar 3.7 berikut adalah gambar laptop yang digunakan:

3.5.2 Bahan

Berikut ini adalah bahan-bahan yang diperlukan dalam pengerjaan alat penukar kalor.

1. Plat Besi

Plat besi nantinya digunakan untuk membuat tangki sebagai tempat penampungan fluida. Berikut plat besi ditunjukkan pada gambar 3.8 berikut ini:

Gambar 3.8 Plat Besi

2. Glasswool

Glasswool digunakan untuk melapisi shell and tube untuk meminimalisir panas yang keluar atau sebagai isolator. Gambar glass wool yang digunakan dapat dilihat pada gambar 3.9 berikut ini:

Gambar 3.9 Glasswool

3. Besi Segi Empat

Besi segi empat digunakan untuk membuat rangka dari alat penukar kalor. Gambar 3.10 dapat kita lihat besi segi empat yang digunakan untuk membuat rangka dari alat penukar kalor:

Gambar 3.10 Besi Segi Empat

4. Pipa Tembaga

Pipa tembaga digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida dingin. Gambar 3.11 berikut adalah pipa tembaga yang digunakan sebagai tabung dari alat penukar kalor:

Gambar 3.11 Pipa Tembaga

5. Stop Keran (Ball Valve)

Digunakan untuk membuka dan menutup aliran fluida. Ball valve yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.12 berikut ini

6. Pipa Stainless steel

Pipa stainless steel diguakan untuk membuat cangkang alat penukar kalor. Pipa stainless steel yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.13 berikut ini:

Gambar 3.13 Pipa Stainless steel

7. Fitting pipa

Pipa fitting digunakan untuk menyambung pipa pada bagian ujung belokan dua arah. Pipa fitting yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.14 berikut ini:

Gambar 3.14 Fitting Pipa

8. Packing TBA

Packing TBA digunakan sebagai seal rear head, front head dan flens dari alat penukar kalor agar tidak terjadi kebocoran. Packing TBA yang digunakan dapat dilihat pada gambar 3.15 dibawah ini:

Gambar 3.15 Packing TBA

9. Lem Packing

Lem packing berupa silikon yang berfungsi sebagai perekat juga untuk mengisi ruang-ruang kosong pada packing TBA agar tidak terjadi kebocoran. Lem packing ditunjukkan pafa gambar 3.16 berikut ini:

Gambar 3.16 Lem Packing TBA

10.Lem Dextone

Lem dextone digunakan untuk merekatkan tabung dengan pelat tabung. Lem dextone tahan panas ditunjukkan pafa gambar 3.17 berikut ini:

11.Air Belerang

Air belerang digunakan sebagai fluida panas yang mengalir melalui cangkang. Dalam perancangan yang dilakukan, air belerang diambil langsung dari salah satu pemandian air panas yang terdapat di daerah desa Semangat Gunung, Tanah Karo, yaitu pemandian air panas Alam Sibayak. Air belerang kemudian diuji di laboratorium Kimia-Fisika Universitas Sumatera Utara untuk mendapatkan nilai viskositas dan densitas dari air belerang. Peralatan yang digunakan untuk mengukur viskositas dari air belerang adalah Viskometer Ostwald. Berikut pada gambar 3.18 adalah gambar dari viskometer Ostwald.

Gambar 3.18 Viskometer Ostwald

Sedangkan untuk menghitung densitas air belerang menggunakan Piknometer. Berikut pada gambar 3.19 gambar dari Piknometer yang digunakan.

Data viskositas dan densitas air belerang yang diperoleh adalah sebagai berikut:

Tabel 3.1 Nilai Viskositas Air Belerang

No Sampel Pada Suhu Viskositas (cP)

1 30oC 0,928

2 40oC 0,847

3 50oC 0,768

4 60oC 0,683

5 70oC 0,602

Tabel 3.2 Nilai Densitas Air Belerang

No Sampel Pada Suhu Densitas (gr/ml)

1 30oC 1,01

2 40oC 1,005

3 50oC 1,004

4 60oC 1,001

5 70oC 1,00099

Dari tabel diatas dapat dilihat nilai viskositas dan densitas dari air belerang yang akan digunakan sebagai acuan perancangan alat penukar kalor. Karena melihat viskositas dan densitas dari air belerang yang mendekati air, maka untuk sifat-sifat fisik air belerang yang lain dianggap sama dengan sifat fisik air kecuali nilai viskositas dan densitasnya.

12.Air

Air digunakan sebagai fluida dingin yang dialirkan melalui tabung. Air tersebut yang akan dipanaskan dan digunakan sebagai air basuhan mandi pada pemandian air panas daerah desa Semangat Gunung, Tanah Karo. Data yang diperlukan dari air adalah temperatur dan sifat-sifat fisik air yang akan digunakan sebagai acuan awal perancangan. Untuk temperatur air, diukur menggunakan termometer digital dan didapatkan

suhu 25oC. Sedangkan untuk sifat-sifat fisik air didapatkan dari tabel properties air dan dapat dilihat pada lampiran B.

3.6Skema Alat Penukar Kalor

Berikut adalah skema dari alat penukar kalor yang dibuat:

Gambar 3.20 Skema Alat Penukar Kalor

3.7 Diagram Alir Pembuatan Alat

Dalam rancang bangun sebuah alat penukar kalor, diperlukan tahapan-tahapan dalam proses pembuatannya sehingga mengh

asilkan sebuah model jadi yang sesuai dengan yang diinginkan.

Tangki Fluida Dingin Tangki

Fluida Panas

Tangki Penampungan

fluida panas

Fluida Panas

Pompa Pompa

Stop Keran Stop Keran

Flowmeter Flowmeter

Fluida Dingin Tangki

Penampungan Fluida Dingin

Gambar 3.21 Diagram alir pengolahan data Penelitian Mulai

Studi Literatur

Apakah alat berfungi dengan baik?

Perhitungan Dimensi alat penukar kalor

Selesai Ya

Tidak Pengukuran Suhu Fluida

Menggambar desain dengan Autocad

Perakitan Alat Penukar Kalor Identifikasi masalah

BAB IV

PERANCANGAN DIMENSI ALAT PENUKAR KALOR

4.1 Identifikasi Pengaplikasian Alat Penukar Kalor

Fungsi dari alat penukar kalor yang dirancang adalah untuk memanaskan air dengan fluida panas air belerang. Sebelum itu terlebih dahulu mengumpulkan data-data fluida panas dan juga fluida dingin. Untuk data temperatur fluida panas, yaitu air belerang, terlebih dahulu dilakukan pengukuran pada salah satu tempat pemandian air panas di desa Semangat Gunung, Tanah Karo, yaitu kolam pemandian air panas Sibayak seperti pada gambar 4.1 berikut ini.

Gambar 4.1 Pemandian Air Belerang Alam Sibayak

Dari peninjauan yang dilakukan terdapat banyak sumber mata air yang mengeluarkan air belerang pada tempat tersebut, dan hasil pengukuran temperatur pada masing-masing sumber mata air berbeda. Ada yang 57o C, 58o C, dan yang tertinggi yaitu 62o C pada saat cuaca terik. Temperatur air belerang yang akan diambil adalah temperatur rata-rata (temperatur pada sore/malam hari) pada suatu sumber mata air belerang yang paling besar yaitu 60o C. Setelah itu dilakukan pengukuran temperatur air keran pada tempat tersebut dan didapat suhu fluida 25o C, dan suhu air yang dipanaskan yang ingin dicapai adalah 38 o C.

Gambar 4.2 Identifikasi suhu dan laju aliran fluida Thi = 60o C

ṁ = 360 L/Jam

Tho = ?? o C

Tc,i = 25o C

ṁ = 360 L/Jam Tc,o= 38

o C

Laju aliran yang dibutuhkan untuk air panas didapat berdasarkan asumsi jumlah air yang digunakan satu orang untuk air mandi menggunakan shower adalah 22,5 Liter, dan terdapat 4 kamar mandi (2 untuk laki-laki dan 2 untuk perempuan) serta perhitungan pemakain kamar mandi adalah 4 orang setiap satu jam (15 menit untuk tiap orang). Maka laju aliran massa yang dibutuhkan adalah:

�̇= 22,5 ������ 4 � 4 = 360 �/���

Untuk menghitung temperatur air belerang sebagai fluida panas (Tho) yang keluar dapat digunakan dengan rumus kesetimbangan energi:

∅ℎ= ∅�

�ℎ���ℎ�∆�ℎ =�������∆��

(�_ℎ��_ℎ) ���_ℎ� (�_ℎ�− ∆�_ℎ�) = (�_���_�) ���_�� (�_��− ∆�_��)

Parameter tersebut dihitung pada suhu rata-rata (Tf) pada tiap-tiap fluida. Untuk suhu rata-rata fluida dingin dapat dihitung, yaitu:

�� =��� +�_��

2 =

25��+ 38��

2 = 31,5

�_{�= 304,5 �}

Didapat suhu rata-rata fluida dingin adalah 31,5oC. Setelah itu dihitung panas jenis fluida (Cpc) untuk fluida dingin dengan menggunakan interpolasi dari sifat-sifat fisik air pada tabel perpindahan panas.

Tabel 4.1 Panas jenis dan densitas fluida dingin (air)

Temperatur (K) Panas Jenis (kJ/kg.K) Densitas (Kg/m3)

300 4,179 0,99701

304,5 Cpc ρc

305 4,178 0,99502

a. 304,5−300

305−300 =

��� −4,179

4,178−4,179= 4,1781

��

��∙ � = 4178,1 �/�� ∙ � b. 304,5−300

305−300 =

�� −997,01

995,02−997,01 = 0,995219

�� �3

�

Maka didapatkan panas spesifik untuk air dingin adalah 4178,1 J/kg∙K dan densitasnya sebesar 995,219 Kg/m3. Untuk menghitung suhu rata-rata fluida panas digunakan dengan cara iterasi, dan diperlukan asumsi. Diasumsikan suhu fluida panas yang keluar (Tho) adalah 45oC, maka:

�� =�ℎ� +�_ℎ�

2 =

60��+ 45��

2 = 52,5

Didapat suhu rata-rata untuk fluida panas adalah 52,5oC. Setelah itu dihitung panas jenis fluida panas (Cph) dengan cara interpolasi dengan menggunakan sifat-sifat fisik air belerang dari tabel perpindahan panas (disamakan dengan air).

Tabel 4.2 Interpolasi panas jenis dan densitas fluida panas (@325,5 K)

Temperatur (K) Panas Jenis (kJ/kg.K) Densitas (Kg/m3)

325 4,182 1,0034

325,5 Cph ρh

330 4,184 1,0019

a. 325,5−325

330−325 =

��ℎ−4,182

4,184−4,182= 4,1822

��

�� ∙ �= 4182,2 �/�� ∙ � b. 325,5−325

330−325 =

�ℎ−1003,4

1001,9−1003,4 = 1,00325

�� �3

�

Didapatkan panas jenis fluida panas (Cph) 4182,2 J/kg∙K dan densitasnya 1,00325 kg/m3, maka setelah itu dilakukan iterasi I:

0,1�

��1,00325 � 4182.2 � (60°� − �ℎ�)

= 0,1�

�� 0,99523 � 4178,1 � ( 38℃ − 25℃) �ℎ�= 47,1��

Iterasi selanjutnya dengan nillai Tho = 47oC, maka dihitung kembali suhu rata-rata fluida:

�� =�ℎ� +�_ℎ�

2 =

60��+ 47��

2 = 53,5

�_{� = 326,5 �}

Didapat suhu rata-rata untuk fluida panas adalah 53,5oC. Setelah itu dihitung panas jenis fluida panas (Cph) dengan cara interpolasi dengan menggunakan sifat-sifat fisik air belerang dari tabel perpindahan panas (disamakan dengan air).

Tabel 4.3 Interpolasi panas jenis dan densitas fluida panas (@326,5 K)

Temperatur (K) Panas Jenis (kJ/kg.K) Densitas (Kg/m3)

325 4,182 1,0034

326,5 Cph ρh

a. 326,5−325

330−325 =

��� −4,182

4,184−4,182= 4,1826

��

�� ∙ �= 4182,6 �/�� ∙ � b. 326,5−325

330−325 =

�ℎ−1003,4

1001,9−1003,4 = 1,00295

�� �3

�

Didapat kembali panas jenis fluida panas yaitu 4182,6 J/kg·K dan densitas sebesar 1,00295 kg/m3. Selanjutnya dicari kembali nilai Tho dengan rumus kesetimbangan energi:

0,1�

�� 1,00295 � 4182.2 � (60°� − �ℎ�) = 0,1 �

�� 0,99523 � 4178,1 � ( 38℃ − 25℃)

�ℎ� = 47.1℃

Didapat temperatur air panas keluar (Tho) sebesar 47oC. Dan berikut pada tabel 4.1 parameter fluida:

Tabel 4.4 Parameter Fluida

NO Parameter Simbol Nilai Satuan

1 Temperatur air belerang yang masuk

Thi 60 oC

2 Temperatur air belerang yang keluar

Tho 47,1 oC

3 Temperatur air dingin yang masuk

Tci 25 oC

4 Temperatur air dingin yang keluar

Tco 38 oC

5 Laju aliran air belerang �ℎ̇ 360 Liter/jam 6 Laju aliran air dingin �̇� 360 Liter/jam

Setelah mendapatkan temperature masuk dan keluar kedua fluida melalui rumus kesetimbangan energi, kemudian dicari sifat-sifat fisik kedua fluida dari tabel sifat fisik air. Fluida dingin (air) dicari dengan temperatur rata-rata yaitu 303,5 K dan dapat dihitung dengan cara interpolasi. Karena densitas dan panas jenis sudah didapat pada perhitungan sebelumnya, maka hanya perlu mencari sifat konduktivitas panas, bilangan prandl, viskositas, dan volume spesifik air.

Tabel 4.5 Sifat Fluida Dingin (air)

Temperatur (K)

Viskositas (N·s/m2)

Spesifik Volume (m3/Kg)

Konduktivitas Panas (W/m·K)

Bilangan Prandl

300 855x10-6 1,003x10-3 613x10-3 5,83

304,5 μc Vc λc Prc

305 769x10-6 1,005x10-3 620x10-3 5,2

Interpolasikan semua sifat fisik fluida dingin, maka didapat:

a. 304,5−300 305−300 =

�� −(855�10−6)

(769�10−6_{)−(855�10}−6₎= 777,6�10−

6_{� ∙} �

�2 =

0,0007776 � ∙ �/�2

b. 304,5−300 305−300 =

��−(1,003�10−3)

(1,005�10−3)−(1,003�10−3)= 1,004�10

−3�3

�� =

0,001004 �3/��

c. 304,5−300 305−300 =

�� −(613�10−3)

(620�10−3_{)−(613�10}−3₎= 619,3�10−

3�

�∙ � =

0,6193 �/� ∙ �

d. 304,5−300 305−300 =

��� −(5,83)

(5,2)−(5,83)= 5,26

Selanjutnya dicari sifat fisik fluida panas (air belerang) dari tabel pada temperatur rata-rata yaitu 326,5 K, kecuali viskositas dan volume spesifik air belerang diambil dari data pengujian yang dilakukan (lampiran ).

Tabel 4.6 Interpolasi sifat fisik fluida panas (air belerang)

Temperatur (K)

Viskositas (N·s/m2)

Spesifik Volume (m3/Kg)

Konduktivitas Panas (W/m·K)

Bilangan Prandl

325 751x10-6 0.9966x10-3 645x10-3 3,42

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.

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

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 45o (diamond) dengan jarak antar tube (pitch tube) sebesar 1,5 kali diameter luar tube. Alasan dipilihnya susunan tube bujur sangkar diputar 45o 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

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 (W/m·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

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

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 _Liter/s

2 Konduktivitas

panas λc 0.6193 W/m·K

3 viskositas μc 0.0007776 _N·s/m2

4 Panas Jenis Cpc 4178.1 _J/Kg·K

5 Bilangan Prandl prc 5.26

-

6 densitas ρ 996.0159363 _Kg/m3

7 Volume Spesific Vc 0.001004 m3/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 _Liter/s

2 Konduktivitas Panas Λh 0.6465 _W/m·K 3 Viskositas Μh 0.00073825 _N·s/m2 4 panas Jenis Cph 4182.6 _J/Kg·K 5 Bilangan Prandl Prh 3.339 _-

6 densitas Ρ 1002.95 _Kg/m3

7 Volume spesific Vh 0.00099706 _m3 /Kg

Analisis Fluida di dalam tabung:

Kapasitas aliran = 0,1 l/s = 1 x 10-4 m3/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:

Gambar 4.5 Grafik faktor koreksi

Didapat faktor koreksi (F) sebesar 0,942

Menghitung perbedaan temperatur rata-rata (ΔTlm)

ΔTlm = ΔT1 = ΔT2 = 22oC

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 (Rf,i) = 0.0002 m2 oC/W

Air (Rf,o) = 0.0001 m2 oC/W

Dari tabel 2.2 dapat diasumsikan koefisien pindahan panas pada sisi tabung dan cangkang.

Asumsi: hc = 350 W/m2 K hf = 350 W/m2 K

� = 1

�₃₅₀1 + 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 �

��= 1,86 �886,79 � 5,26 � 0,0115 1,378� � (

� �� ℎ)0,14

Catatan: untuk nilai µ dievaluasi pada suhu rata-rata, sedangkan µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth 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: �� = _{0,1464 � 0,0762} 0,1003_{� (0,01905−0,0127)}

0,01905

= 26,9714 ��/�2� Menghitung diameter hidrolik:

�ℎ =

4 � (0,019052)

3,14 � 0,0127 −0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold:

�� =26,9714 � 0,0237

0,00073825 = 865,91(Re < 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 µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara

Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ� =12,45 � 0,6465

0,0237 = 342,3236 �/� 2_�

�� = (333,667 _{333,667+342,3236}� 31,5)+(342,3236 � 53,55)= 42,67�� Menghitung parameter dinding tabung tembaga

Dilihat pada tabel dengan Tt = 42,67oC = 315,67 K a. Untuk air belerang

T (K) µ.10-6 (N s/m2)

313 847

315,67 µtf

323 768

313−315,67 313−323 =

847− μ_�� 847−768 µtf = 825,9 x 10-6 N s/m2

b. Untuk air

T (K) µ.10-6 (N s/m2)

315 631

315,67 µtf

320 577

315−315,67 315−320 =

631−μ_�� 631−577

µtf = 623,7764 x 10-6 N s/m2

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)

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 W/m2 K hf = 336,99 W/m2 K

� = 1

�_344,1241 + 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 µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara , sehingga:

��� = 1,86 �886,79 � 5,26 �

0,0115

1,395�= 6,278 Maka koefisien pindahan panasnya:

ℎ� = 0,6193 � �6,278

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 � (0,019052)

3,14 � 0,0127 −0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold:

�� =26,9714 � 0,0237

0,00073825 = 865,91(Re < 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 µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara

Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ� =

12,5 � 0,6465

0,0237 = 340,927 �/� 2_�

Menghitung suhu pada dinding tabung (Tt)

�� = (332,3065 _{332,3065+340,927}� 31,5)+(340,927 � 53,55)= 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

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 W/m2 K hf = 335,614 W/m2 K

� = 1

�_342,721 + 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 µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara , sehingga:

��� = 1,86 �886,79 � 5,26 �

0,0115

1,4 �= 6,27 Maka koefisien pindahan panasnya:

ℎ� = 0,6193 � � 6,27

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 � (0,019052)

3,14 � 0,0127 −0,0127 = 0,0237 � Menghitung bilangan Reynold:

�� =26,9714 � 0,0237

0,00073825 = 865,91(Re < 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 µth pada suhu dinding. Namun karena variabelnya belum lengkap, maka faktor µ/µth diabaikan sementara

Menghitung koefisien pindahan panasnya: ℎ� =

12,484 � 0,6465

0,0237 = 340,521 �/� 2_�

Menghitung suhu pada dinding tabung (Tt)

�� = (331,91 �_{331,91+340,521} 31,5)+(340,521 � 53,55)= 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)

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

Pembuatan alat penukar kalor berlokasi di Marindal, Medan. Waktu pengerjaan alat yang dibutuhkan yaitu selama 30 hari. Alat yang dirancang disesuaikan dengan standart alat penukar kalor yang berlaku. Berikut adalah bagian-bagian alat penukar kalor yang sudah selesai dikerjakan.

a. Shell (Cangkang)

3 2

1

Gambar 4.6 Cangkang (Shell) Bagian-bagian cangkang (shell):

1. Shell flange stationary head end (flens cangkang pada ujung depan) 2. Nossel cangkang

3. Pipa cangkang

4. Shell flange-Rear head end (flens cangkang pada ujung belakang) Dimensi dari cangkang:

Diameter luar cangkang : 0,1524 m Diameter dalam cangkang : 0,1464 m Panjang cangkang : 1,4 m Diameter luar flens : 0,22 m Diameter dalam flens : 0,1524 m Tebal flens : 12 mm

Diameter lubang baut flens : 13 mm x (8 lubang mur) Bahan : Stainless steel 304

b. Tabung (Tube)

Gambar 4.7 Tabung alat penukar kalor 1. Tabung(Tube)

2. Baffel

Dimensi tabung:

Diameter luar tabung : 12,7 mm Diameter dalam tabung : 11,5 mm Panjang tabung : 1,4 m

Bahan : Tembaga

c. Front End Stationary Head (Kepala Bagian Depan/Penutup)

Gambar 4.8 Front End Stationary Head

1. Flens kepala bagian depan (Flange front end stationary head) 2. Pemisah aliran (Pass Partition)

3. Nossel

1 2

1

2

3 4

4. Saluran depan (Stationary front head) Dimensi front end stationary head:

Diameter dalam front end head : 0,1524 m Diameter luar front end head : 0,1464 m Panjang Front end head : 0,2 m Tebal pass partition : 3 mm Diameter luar flens : 0,22 m Diameter dalam flens : 0,1524 m

Tebal flens : 12 mm

Diameter lubang baut flens : 13 mm Diameter luar nossel : 25,4 mm Diameter dalam nossel : 24,2 mm Panjang nossel : 0,1 m

Bahan : Stainless steel 304

d. Rear End Stationary Head (Kepala Bagian Belakang)

Gambar 4.9 Rear End Stationary Head 1. Saluran belakang (Stationary rear head)

2. Flens penutup bagian belakang (Flange rear end stationary head) Dimensi rear end stationary head:

Diameter luar rear end head : 0,1524 m Diameter dalam rear end head : 0,1464 m Panjang rear end head : 0,1 m Diameter luar flens : 0,22 m Diameter dalam flens : 0,1524 m

Tebal flens : 12 mm Diameter lubang baut flens : 13 mm

Bahan : Stainless steel 304

e. Pelat Tabung (Tube Sheet)

Gambar 4.10 Pelat tabung (a) Pelat tabung depan, (b) pelat tabung belakang

Dimensi pelat tabung:

Diameter pelat tabung depan : 0,1524 m Panjang pelat tabung depan : 15 mm Tebal pola masukan pass partition : 3 mm Panjang pola masukan pass partition : 3 mm Diameter pelat tabung belakang : 0,1464 m Panjang pelat tabung belakang : 15 mm

f. Baffel

Gambar 4.11 Baffel Dimensi baffel:

Tinggi baffel : 0,1098 m Lebar baffel :0,1464 m

Tebal baffel : 2 mm

Jarak antar kedua sumbu tabung : 19,05 mm

Bahan : Stainless steel 304

4.6 Isolasi dan Heat Loss Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor diisolasi dengan menggunakan glasswool dan aluminium foil kraft paper. Untuk isolasi pertama, alat penukar kalor dibalut menggunakan glasswool dengan ketebalan 3,5 cm, dan setelah itu glasswool dilapisi kembali menggunakan aluminium foil kraft paper dengan ketebalan 0,5 cm. Berikut pada gambar 4.12 adalah alat penukar kalor yang sudah diisolasi:

Gambar 4.12 Rangkaian Alat Penukar Kalor Dengan Isolasi

Setelah dilakukan isolasi pada alat penukar kalor, dihitung kehilangan panas yang terjadi pada alat penukar kalor yang telah diisolasi dengan glasswool dan aluminium foil kraft paper. Adapun tujuan dari perhitungan kehilangan panas tersebut adalah untuk mendapatkan berapa kehilangan panas yang terjadi pada alat penukar kalor. Apabila kehilangan panas yang terjadi besar, maka perlu dipertebal kembali isolasi pada alat penukar kalor, akan tetapi apabila kehilangan panas yang terjadi kecil, maka kehilangan panas yang terjadi dapat diabaikan. Hal ini juga berlaku untuk analisa ekperimental yang dilakukan selanjutnya.

Suhu rata-rata dalam alat penukar kalor : �ℎ�−�ℎ�

2 =

60−47,1

2 = 53,55

o C

Suhu lingkungan : 34oC

R1 : 0,1464 m R3 : 0,1874 R2 : 0,1524 m R4 : 0,1924 K1 : 14,9 K3 : 0,037 K2 :0,038

�= 53,55−34

ln⁡(0,1524�_0,1464) 2 � 3,14 � 14,9 � 1,4+

ln⁡(0,1874�_0,1524) 2 � 3,14 � 0,038 � 1,4+

ln⁡(0,1924�_0,1874) 2 � 3,14 � 0,037 � 1,4

= 27,92 ����

Didapat kehilangan panas yang terjadi pada alat penukar kalor adalah sebesar 27,92 watt. Melihat kecilnya kehilangan panas yang terjadi pada alat penukar kalor, sehingga pada analisa dapat diabaikan.

4.7 Dimensi Tangki Fluida

Tangki Fluida panas didesain berdasarkan kapasitas aliran yang akan digunakan pada tangki fluida adalah 360 L / jam , dimana dalam satuan L / menit maka kapasitas menjadi 6 L/menit. Oleh karena itu didesain tangki dengan ukuran 4 x 6 liter yaitu 24 Liter, agar air dapat disuplai kedalam alat penukar kalor.

Dari penjelasan di atas dapat dilihat dari kebutuhan fluida di ambil volume tangki 24 liter, namun untuk perancangan diambil tangki dengan ukuran 27 liter Sehingga plat besi di buat menggunakan plat besi yang berukuran 300mm x 300mm x 2 mm. Gambar tangki fluida dapat dilihat pada gambar 4.12 berikut ini.

Gambar 4.13 Tangki fluida

�=�3

Dimana r = 300 mm, maka :

�= 3003

�= 27 � 106��3

�= 27 �����

4.8 Rangka Alat Penukar Kalor

Rangka alat penukar kalor dibuat menggunakan besi hollow segi empat dengan tebal 2 mm. Rangka yang dibuat menggunakan besi hollow dengan dimensi yang berbeda-beda.

Tabel 4. Dimensi Besi Hollow Segi Empat

No Dimensi Satuan Jumlah

1 500 x 40 x 40 mm 2

2 1500 x 40 x 40 mm 1

3 1600 x 40 x 40 mm 4

4 170 x 40 x 40 mm 2

Besi-besi hollow ini kemudian dibuat rangka dan disambungkan dengan menggunakan las. Rangka alat penukar kalor dapat dilihat pada gambar 4.13 berikut ini.

Setelah pembuatan rangka selesai, alat penukar kalor, pompa flowmeter dan pipa-pipa dipasang pada rangka yang sudah dibuat. Alat penukar kalor diisolasi dengan glass wool dan aluminium foil agar meminimalisir panas keluar ke lingkungan yang dapat mengurangi efektifitas kerja alat penukar kalor. Berikut pada gambar 4.14 alat penukar kalor beserta rangka dan alat lainnya yang sudah jadi.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1Kesimpulan

1. Alat penukar kalor yang digunakan sebagai pemanas air untuk air mandian dengan fluida panas air belerang adalah alat penukar kalor tipe shell and tube dengan satu laluan cangkang dan dua laluan tabung. 2. Material yang digunakan untuk pembuatan alat penukar kalor adalah

stainless steel 304 untuk cangkang (shell) dan material tembaga untuk tabung dikarenakan sifat air belerang dan air yang korosif dan kedua material tersebut tahan terhadap korosi serta material tembaga yang mempunyai konduktivitas yang tinggi.

3. Bagian bagian alat penukar kalor terdiri dari cangkang (shell), tabung (tube) dengan panjang tabung dan cangkang alat penukar kalor adalah 1,4 meter, diameter luar tabung 12,7 mm dengan ketebalan 0,6 mm, diameter dalam cangkang 0,1464 meter, front end stationary head dengan panjang 200 mm, rear end stationaryhead dengan panjang 100 mm, total panjang alat penukar kalor sebesar 1,7 meter serta besar baffle cut adalah 25% dari diameter dalam tabung.

4. Panjang rangka alat penukar kalor adalah 1,58 meter, lebar 30 cm dan ketinggian 1,6 meter. Sedangkan untuk tangki fluida memiliki dimensi lebar 30 cm, tinggi 30 cm dan panjang 30 cm.

5.2Saran

1. Alat penukar kalor yang sudah dibuat baik untuk dapat diterapkan pada pemandian air panas pada pemandian air panas di daerah desa Semangat Gunung, Tanah Karo.

2. Dalam perancangan alat penukar kalor sebaiknya diperhatikan kondisi-kondisi dilapangan yang menjadi acuan pada perancangan alat penukar kalor.

3. Peneliti selanjutnya mencoba merancang alat penukar kalor tipe annulus sebagai pemanas air untuk air mandian dengan fluida panas air belerang.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat yang lain seringkali terjadi dalam kehidupan sehari-hari, baik penyerapan atau pelepasan kalor untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kalor sendiri adalah bentuk energi yang dapat berpindah atau mengalir dari benda yang memiliki kelebihan kalor menuju benda yang kekurangan kalor.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat musnah, contohnya hukum kekekalan massa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama kebentuk yang ke dua. Kalor dapat berpindah dengan tiga macam, yaitu:

1. Pancaran, atau sering disebut dengan radiasi. 2. Hantaran, atau sering disebut konduksi. 3. Aliran, atau sering disebut dengan konveksi.

2.1.1 Perpindahan Panas Radiasi atau Pancaran

Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor, keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya, proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Apabila sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan , sebagian akan diserap kedalam bahan, dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor secara radiasi, maka akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Ciri-ciri radiasi yaitu:

1. Kalor radiasi merambat lurus.

2. Untuk perambatan kalor tidak membutuhkan medium (misalnya zat cait atau gas).

Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan berasal energi panas materi yang dibatasi oleh permukaan, dan tingkat dimana energi yang dilepaskan per

satuan luas disebut emissive power (E). Rumus dari Stefan-Boltzmann law untuk menghitung emissive power adalah:

� =��_�4 ... (2.1) Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal, dan:

� =���_�4 ... (2.2) Rumus ini berlaku pada benda real.

Dimana : E = Daya radiasi � = Emisivitas

� = Konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4 Ts = Temperatur (K)

Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal. Pada gambar 2.1 dibawah ini dapat dilihat perpindahan panas secara radiasi.

Gambar 2.1 Perpindahan panas secara radiasi (a) pada permukaan, (b) diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling (Incropera,1996)

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisivitas �, dan kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat didefinisikan sebagai pemancar dan penyerap yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang yang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya.

2.1.2 Perpindahan Panas Konduksi (hantaran)

Yang dimaksud dengan konduksi adalah perpindahan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara konduksi merupakan suatu proses dalam, karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi panas adalah titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.

Bahan yang dapat menghantarkan kalor yang baik disebut konduktor, dan penghantar panas yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor adalah koefisien konduksi termal (k). Apabila nilai koefisien tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil. Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik, juga untuk kalor dan sebaliknya. Pada gambar 2.2 dibawah ini dapat diketahui sifat-sifat suatu material.

Gambar 2.2 Gambar tabel konduktivitas termal beberapa bahan logam (Incropera, 197)

Contohnya sebuah batang silinder dengan material tertentu dimana tidak ada isolasi pada sisi terluarnya dan salah satu ujungnya dipanaskan dengan api

sehingga kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1>T2Seperti yang terlihat pada gambar 2.3 dibawah ini :

Gambar 2.3 Skematik perpindahan panas pada batang (Cengel, 96)

Kita dapat mengukur laju perpindahan panas qx, dan kita dapat menentukan qx bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT, yakni perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang tegak lurus bidang. Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa

qx = A Δ�

Δx

...

(2.3) Gambar 2.4 berikut ini adalah perpindahan panas secara konduksi melalui dinding dengan ketebalan ∆x.

Gambar 2.4 Perpindahan Panas secara Konduksi (Cengel, 18)

Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga

T1

T2

q

x

menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk material plastik dibandingkan bermaterial logam. Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,

qx = kA

Δ�

Δx

...

(2.4) k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 kita mendapatkan persamaan untuk laju perpindahan panas,

qx = -kA

��

dx

...

(2.5) atau persamaan flux panas menjadi:

q”x = qx

A = -k

��

dx

...

(2.6) 2.1.3 Perpindahan Panas Konveksi

Yang dimaksud dengan konveksi adalah perpindahan kalor oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Konduksi dan konveksi membutuhkan media perantara dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas. Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks. Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan. Berikut pada gambar 2.5 dapat kita lihat gambaran perpindahan panas secara konveksi.

Gambar 2.5 Perpindahan panas secara konveksi (incropera, 6)

qkonveksi = h As (Ts - T∞) ... (2.7)

h merupakan koefisien perpindahan panas konveksi, As merupakan luas permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

2.2 Perpindahan Panas Menyeluruh

Dalam alat penukar kalor terdapat dua jenis fluida yang mengalir dan dipisahkan oleh dinding material berupa pipa. Dimana perpindahan panas terjadi terhadap kedua fluida dengan perantaraan dinding solid tersebut, yaitu pertama dari fluida panas akan berpindah panasnya menuju permukaan dinding yang terjadi secara konveksi, selanjutnya panas akan berpindah melewati dingding solid menuju permukaan dinding fluida dingin yang terjadi secara konduksi, kemudian panas dari akan berpindah ke fluida dingin yang terjadi secara konveksi sehingga temperatur fluida dingin menjadi naik. Berikut pada gambar 2.6 ini adalah perpindahan panas menyeluruh pada bidang datar.

Gambar 2.6 Perpindahan panas menyeluruh melalui bidang datar (Holman, 522)

Dalam penghitungan koefisien pindahan panas menyeluruh efek radiasi apapun biasanya termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi. Dimana koefisien pindahan panas melalui bidang datar seperti gambar 2.20 dinyatakan sebagai berikut :

�=₁ ��−�� ℎ1�

� + ∆��_��+1_ℎ

2�

� ... (2.8) Dimana TA dan TB masing-masing adalah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu. Koefisien pindahan panas menyeluruh U didefenisikan oleh hubungan

q = U A∆Tmenyeluruh ... (2.9) Dimana A merupakan luas bidang aliran kalor. Jaringan tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut. Pada gambar 2.7 dibawah ini dapat dilihat jaringan tahanan panas.

Gambar 2.7 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor (cengel, 671)

Dimana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung yang berada didalam dan permukaan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung sepusat, Ai = DiL dan Ao = DoL, sehingga tahanan termal dinding tabung adalah

Rdinding =

ln(Do/Di)

2kL

...

(

2.10)

Gambar 2.8 Dua luasan area alat penukar kalor (cengel, 671)

k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga tahanan termal total menjadi

R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro = 1 hi Ai

+ ln(Do/Di) 2kL +

1 ho Ao

...

(2.11) Dalam menganalisis alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggabungkan semua tahanan panas yang terjadi pada fluida panas sampai fluida dingin menjadi sebuah tahanan panas R, dan laju perpindahan panas diantara kedua fluida adalah

Q = ΔT

R= UA ΔT = UiAiΔT = UoAo ΔT ... (2.12) U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C).

Rumus diatas menjadi : 1

UAs = 1

Ui Ai = 1

Uo Ao

= R = 1 hi Ai

+Rdinding + 1 ho Ao

...

(2.13) Sebagai catatan bahwa UiAi = UoAo tetapi Ui ≠ Uo kecuali Ai = Ao

2.3 Alat Penukar Kalor

Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti harfiah alat penukar panas. Pengertian ilmiah dari heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol sebuah proses fluida.

Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah permukaan kontak panas. Pada permukaan inilah terjadi perpindahan panas dari satu zat ke zat yang lain. Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Pada kondisi tertentu, ada satu komponen tambahan yang dapat digunakan untuk meningkatkan luas total bidang kontak perpindahan panas ini. Komponen tersebut adalah sirip.

Alat penukar kalor adalah alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya digunakan secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus pemanasan dan sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran yakni alat penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui pipa yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang kecil dengan melewatkan udara diantaranya.

Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada saat menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk menghitung seluruh efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan logarithmic mean temperature difference LMTD, yang sebanding dengan perbedaan temperatur rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur tidak diketahui kita dapat menganalisisnya dengan metode keefektifan-NTU.

2.3.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya yakni :

a. Chiller

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. Contoh gambar chiller dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini

b. Kondensor

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat. Pada gambar 2.10 berikut dapat dilihat contoh gambar kondensor

Gambar 2.10 Kondensor (Holman, 673)

c. Cooler

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas). Pada gambar 2.11 berikut adalah gambar dari coller.

d. Evaporator

Alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair. Berikut pada gambar 2.12 adalah gambar dari evaporator.

Gambar 2.12 Evaporator AC (https://www.google.com/search?q=evaporator&tbm)

e. Reboiler

Alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 °F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube. Pada gambar 2.13 dibawah ini adalah gambar dairi reboiler.

Gambar 2.13 Reboiler

f. Heat Exchanger

Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:

• Memanaskan fluida

• Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell. Pada gambar 2.14 berikut adalah gambar dari heat exchanger.

Gambar 2.14 Salah satu Konstruksi Heat Exchanger tipe shell and tube (cengel, 670)

Dari beberapa jenis alat penukar kalor tersebut dapat diklasifikasikan dalam berbagai tipe, diantaranya :

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung

• Tipe dari satu fase

• Tipe dari banyak fase

• Tipe yang ditimbun (storage type)

• Tipe fluidized bed b. Tipe kontak langsung

• Immiscible fluids

• Liquid vapor

2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida

b. Tiga jenis fluida

c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)

3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan

a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m

4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran

c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 passaliran masingmasing

d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi

5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi a. Konstruksi tubular (shell and tube)

• Tube ganda (double tube)

• Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod baffle)

• Konstruksi tube spiral b. Konstruksi tipe pelat

• Tipe pelat

• Tipe lamella

• Tipe spiral

• Tipe pelat koil

c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

• Sirip pelat (plate fin)

• Heat pipe wall

• Ordinary separating wall d. Regenerative

• Tipe rotary

• Tipe disk (piringan)

• Tipe drum

• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass

• Aliran Berlawanan

• Aliran Paralel

• Aliran Melintang

• Aliran Split

• Aliran yang dibagi (divided) b. Aliran multipass

1. Permukaan yang diperbesar (extended surface)

• Aliran counter menyilang

• Aliran paralel menyilang

• Aliran compound 2. Shell and tube

• Aliran pararel yang berlawanan

• Aliran split

• Aliran dibagi (divided) 3. Multipass plat

• N-pararel plat multipass

Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular Exchanger Manufacture’s Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan

untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.

2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum indu stri.

Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan dalam dunia industri :

1. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)

Heat exchanger ini menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda. Pipa dengan diameter lebih kecil dipasang paralel di dalam pipa berdiameter lebih besar. Perpindahan panas terjadi pada saat fluida kerja yang satu mengalir di dalam pipa diameter kecil, dan fluida kerja lainnya mengalir di luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah.

Gambar 2.15 Heat Exchanger Tipe Double-Pipe (kakac, 194)

Fluida panas masuk

Fluida dingin masuk Fluida dingin keluar

Fluida panas keluar

Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger: a) Keuntungan

1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat transfer coefficient.

2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature cross.

3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.

4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan. b) Kerugian

1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.

2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.

3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.

2. Shell And Tube Heat Exchanger

Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch (Pola segitiga) dan square pitch (Pola segiempat). Pada gambar 2.16 dibawah ini adalah gambar shell and tube heat exchanger.

Keuntungan dari shell and tube:

1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.

2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.

3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished). 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis

material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi. 5. Mudah membersihkannya.

6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished). 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.

8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).

9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang

3. Plate Type Heat Exchanger

Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengandesign khusus dimana tekstur permukaan plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar 2.17 dibawah ini.

Gambar 2.17 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent (Sumber

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.

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.

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.

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)

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 3/8 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 30o (rotated triangular pitch), tube dengan susunan bujur sangkar (in-line square pitch) dan tube dengan susunan belah ketupat atau bentuk bujur sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch). Susunan tabung dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 berikut ini.

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis-Jenis Susunan Tabung ... 28

Tabel 2.2 Referensi Nilai Koefisien Pindahan Panas ... 37

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi ... 39

Tabel 2.4 Faktor Pengotoran Untuk Berbagai Fluida ... 40

Tabel 3.1 Nilai Viskositas Air Belerang ... 52

Tabel 3.2 Nilai Densitas Air Belerang ... 52

Tabel 4.1 Interpolasi Panas Jenis dan Densitas Fluida Dingin (Air) ... 56

Tabel 4.2 Interpolasi Panas Jenis dan Densitas Fluida Panas (Air Belerang) @325,5 K ... 57

Tabel 4.3 Interpolasi Panas Jenis dan Densitas Fluida Panas (Air Belerang) @326,5 K ... 57

Tabel 4.4Parameter Fluida ... 58

Tabel 4.5Sifat Fluida Dingin (Air) ... 59

Tabel 4.6Interpolasi Sifat Fisik Fluida Panas (Air Belerang) ... 59

Tabel 4.7Konduktifitas Material ... 63

Tabel 4.8Dimensi Cangkang dan Tabung ... 64

Tabel 4.9Sifat Fisik Fluida Dingin (Air) ... 65

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Perpindahan Panas Secara Radiasi ... 6

Gambar 2.2 Konduktivitas Termal Beberapa Material ... 7

Gambar 2.3 Skematik Perpindahan Panas Pada Batang ... 8

Gambar 2.4 Perpindahan Panas Secara Konduksi ... 8

Gambar 2.5 Perpindahan Panas Secara Konveksi ... 10

Gambar 2.6 Perpindahan Panas Menyeluruh Melalui Bidang Datar ... 11

Gambar 2.7 Jaringan Tahanan Panas Pada Alat Penukar Kalor ... 12

Gambar 2.8 Luasan Alat Penukar Kalor... 12

Gambar 2.9 Chiller Sentrifugal ... 14

Gambar 2.10 Kondensor ... 15

Gambar 2.11 Coller ... 15

Gambar 2.12 Evaporator AC ... 16

Gambar 2.13 Reboiler ... 16

Gambar 2.14Salah Satu Konstruksi Heat Exchanger Tipe Shell and Tube... 17

Gambar 2.15 Heat Exchanger Double Pipe ... 20

Gambar 2.16Shell and Tube Heat Exchanger ... 21

Gambar 2.17Plate Type Heat Exchanger Dengan Aliran Countercurrent ... 22

Gambar 2.18 Standar Tipe Shell (Cangkang) ... 24

Gambar 2.19Bagian-Bagian Alat Penukar Kalor Shell and Tube... 25

Gambar 2.20Sket Skematik Beberapa Tipe Cangkang Yang Sering Digunakan... 26

Gambar 2.21Sudut Susunan Tabung ... 27

Gambar 2.22Jenis Plat Baffel ... 31

Gambar 2.23Eksperimen Untuk Menentukan Jenis Aliran ... 33

Gambar 2.24 Aliran didalam Cangkang Alat Penukar Kalor Shell and Tube ... 34

Gambar 2.25Sket susunan tabung pada plat tabung ... 35

Gambar 2.26Grafik Faktor Koreksi Alat Penukar Kalor Untuk Satu Laluan Cangkang ... 37

ix

Gambar 3.1 Gunting ... 43

Gambar 3.2 Termometer Digital ... 44

Gambar 3.3 Water Heater ... 44

Gambar 3.4 Alluminium Foil Kraft Paper ... 45

Gambar 3.5 Flowmeter ... 45

Gambar 3.6 Pompa ... 46

Gambar 3.7 Laptop ... 46

Gambar 3.8 Plat Besi ... 47

Gambar 3.9 Glasswool ... 47

Gambar 3.10 Besi segi empat ... 48

Gambar 3.11 Pipa Tembaga ... 48

Gambar 3.12 Stop KeranBall Valve ... 48

Gambar 3.13Pipa Stainless Steel ... 49

Gambar 3.14Fitting Pipa ... 49

Gambar 3.15Packing TBA ... 50

Gambar 3.16Lem Packing TBA ... 50

Gambar 3.17 Lem Dextone ... 50

Gambar 3.18 Viskometer Ostwald ... 51

Gambar 3.19 Piknometer ... 51

Gambar 3.20 Skema Alat Penukar Kalor ... 53

Gambar 3.21 Diagram Alir Pengolahan Data Penelitian ... 54

Gambar 4.1 Pemandian Air Belerang Alam Sibayak ... 55

Gambar 4.2 Identifikasi Suhu dan Laju Aliran Fluida ... 55

Gambar 4. 3 Heat Exchanger Shell and Tube 1 pass Shell dan 2 Pass Tube ... 60

Gambar 4.4 Susuan Tube Diamond dan Bujur Sangkar ... 62

Gambar 4.5 Grafik Faktor Koreksi ... 66

Gambar 4.6 Cangkang (Shell) ... 74

Gambar 4.7 Tabung (Tube) Alat Penukar Kalor ... 75

Gambar 4.8 Front End Stationary Head ... 75

Gambar 4.10 Plat Tabung (Tube Sheet) ... 77

Gambar 4.11 Baffel ... 77

Gambar 4.12 Rangkaian Alat Penukar Kalor Dengan Isolasi ... 78

Gambar 4.13 Tangki Fluida... 79

xi

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN

� Konduktifitas thermal W/m.K

SATUAN

A luas penampang tegak lurus bidang m2

ΔT Perbedaan Temperatur oC

q”x Fluks Panas W/m2

μ Viskositas Dinamis N.s/m2

ρ Massa Jenis kg/m3

cp Panas Jenis Fluida J/kg.K

V Kecepatan Fluida m/s

h Koefisien Perpindahan Panas Konveksi W/m2K

As Area permukaan perpindahan panas m2

Ts Temperatur Permukaan Benda oC

T∞ Temperatur lingkungan sekitar benda oC

σ konstanta Stefan-Boltzmann W/m2.K4

�̇ Laju aliran massa fluida kg/s

Re Bilangan Reynold

�i Diameter Pipa m

Dh Diameter hidrolik m

p Keliling penempang pipa m

Nu Bilangan Nusselt

Pr Bilangan Prandtl

Do Diameter Luar Tabung m

De Diameter Dalam Tabung m

Nui Bilangan Nusselt tabung Bagian Dalam Nuo Bilangan Nusselt tabung Bagian Luar

L Panjang tabung m

� Tahanan Termal m2. °C/W

Ai Luas area permukaan dalam APK m2

U Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh W/m2°C

Q Laju Perpindahan Panas W

�̇c Laju aliran massa fluida dingin kg/s

�̇h Laju aliran massa fluida panas kg/s

cp,c Panas Jenis fluida dingin J/kg.K

cp,h Panas Jenis fluida panas J/kg.K

Th Suhu fluida panas °C

Tc Suhu fluida dingin °C

Th,i Temperatur fluida panas masuk °C

Th,o Temperatur fluida panas keluar °C

Tc,i Temperatur fluida dingin masuk °C

Tc,o Temperatur fluida dingin keluar °C

ΔTLM Beda Suhu rata-rata logaritma °C

Cc Kapasitas Fluida Dingin W/K

Ch Kapasitas Fluida Panas W/K