Uji Eksperimental Optimasi Laju Perpindahan Kalor Dan Penurunan Tekanan Pengaruh Baffle Cut Pada Alat Penukar Kalor Tabung Cangkang Dengan Susunan Tabung Segiempat

UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH BAFFLE CUT PADA ALAT

PENUKAR KALOR TABUNG CANGKANG DENGAN SUSUNAN TABUNG SEGIEMPAT

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

]

JUANDA AMBARITA NIM. 060401075

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH BAFFLE CUT PADA ALAT PENUKAR KALOR TABUNG CANGKANG DENGAN SUSUNAN TABUNG SEGIEMPAT”.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat Sarjana S-1 pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Untuk penulisan skripsi ini, penulis dan tim telah merancang dan membangun konstruksi alat penukar kalor tabung cangkang dan melakukan pengujian alat penukar kalor dengan memanfaatkan air laut sebagai fluida pendingin.

Dalam menyelesaikan skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel Hasiholan Napitupulu, DEA, selaku Dosen pembimbing, yang selalu memberikan bimbingan dan motivasi sehingga penelitian ini dapat selesai.

2. Bapak Dr-Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku Dosen Penguji I yang telah banyak memberikan bimbingan untuk perbaikan skripsi ini.

3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara sekaligus Dosen Penguji II yang memberikan bimbingan dalam perbaikan skripsi ini.

4. Bapak Dr-Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah. 6. Staf Laboratorium Prestasi Mesin, Departemen Teknik Mesin Universitas

7. Kedua orang tua saya M. Ambarita, S.Pd dan H. Hutagaol, BA, yang selalu memberikan dukungan moril dan materiil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada saya.

8. Abang saya Hendra Ambarita, SH; Kak Rostalenta Nainggolan, Amd; Kak Nelly Siregar, Amd;Kak Lestari Siahaan,Amd;abang Bangun Sibarani.ST adik saya Verawati Ambarita; Parlindungan Ambarita: Desna Ambarita yang memberikan dukungan moral dan doa dalam penyelesaian penelitian ini. 9. Rekan satu tim, Esron Sihite, Piko Nadeak, dan Donny Simanungkalit atas

kerja sama yang baik untuk menyelesaikan skripsi ini.

10.Bapak Positron Bangun, ST.MT dan Bang Sihar Siahaan, ST yang begitu banyak mengambil andil dalam penyelesaian penelitian ini.

11.Ervina Nurlina Pangaribuan, Amd., yang senantiasa mendoakan dan memberikan semangat dalam penyelesaian penelitian ini.

12.Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuannya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dan seluruh pihak yang telah membantu selama penulis kuliah dan menyelesaikan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka dari itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat membangun untuk perbaikan Skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Tuhan memberkati.

Medan, April 2011 Penulis,

Juanda Ambarita NIM 060401075

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

DAFTAR ISI ... iii

DAFTAR SIMBOL...v

DAFTAR GAMBAR...vii

DAFTAR TABEL...x

ABSTRAK ...xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1.Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan dan Batasan Masalah ... 4

1.3.Tujuan Penelitian ... 5

1.4.Manfaat Penelitian ... 6

1.5.Metode Pengumpulan Data ... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1Perpindahan Panas ... 7

2.2 Alat Penukar Kalor ... 10

2.2.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 10

2.2.2 Standar Alat Penukar Kalor ... 13

2.2.3 Alat Penukar Kalor Tipe Cangkang dan Tabung ... 14

2.2.4 Fluida di dalam Cangkang dan di dalam Tabung... 16

2.2.5 Jumlah Pass atau Lintasan pada Alat Penukar Kalor... 19

2.2.6 Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur pada Alat Penukar Kalor ... 20

2.2.7 Konstruksi Alat Penukar Kalor ... 21

2.2.8 Cangkang (Shell) ... 23

2.2.9 Tabung ... 24

2.2.10 Baffle atau Sekat ... 26

2.3 Landasan Teori ... 29

2.4 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 39

2.5 Penurunan Tekanan ... 40

2.7 Kerangka Penelitian ... 42

BAB III PERANCANGAN ALAT PENELITIAN ... 43

3.1. Perancangan alat penukar kalor ... 43

3.2. Mencari temperatur air keluar alat penukar kalor ... 45

3.3. Mencari panjang alat penukar kalor ... 47

BAB IV METODE PENELITIAN ... 57

4.1. Tempat Penelitian ... 57

4.2. Bahan dan Alat ... 57

4.3. Dimensi Utama Penelitian………...61

4.4. Pelaksanaan Penelitian………….………....62

4.4.1.Persiapan Pendahuluan... 62

4.4.2.Pengambilan data ... 62

4.5. Analisa Data ... 63

BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 64

5.1.Data Hasil Pengujian ... 64

5.2.Pengolahan Data ... 64

5.3.Pembahasan ... 71

5.4.Validasi ... 75

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 85

6.1. Kesimpulan ... 85

6.2. Saran ... 86

DAFTAR PUSTAKA ... 87

DAFTAR SIMBOL

Q = laju perpindahan panas (W) h

m = laju aliran massa fluida panas (kg/s) c

m = laju aliran massa fluida dingin (kg/s) ph

c = panas jenis fluida panas (J/kgoC) pc

c = panas jenis fluida dingin (J/kgoC) co

T = temperatur fluida dingin keluar (oC) ci

T = temperatur fluida dingin masuk (oC) ho

T = temperatur fluida panas keluar (oC) hi

T = temperatur fluida panas masuk (oC)

A = luas permukaan yang mengalami perpindahan panas (m2) o

d = diameter luar tabung (m) i

d = diameter dalam tabung (m) s

D = diameter dalam cangkang (m) c

T = temperatur rata-rata fluida dalam tabung (oC) rt

Ρ = bilangan Prandtl fluida dalam tabung t

μ = viskositas dinamik dalam tabung (kg/m.s) et

R = bilangan Reynold fluida dalam tabung ut

Ν = bilangan Nusselt fluida dalam tabung c

h = koefisien pindahan panas pada sisi tabung (W/m2.K) h

T = temperatur fluida rata-rata sisi cangkang (oC) es

R = bilangan Reynold pada sisi cangkang s

μ = viskositas dinamik pada sisi cangkang (kg/ms) s

G = kecepatan massa (kg/m2s) m

S = luas aliran menyilang (m2) bc

bb

L = jarak celah diameter dalam cangkang dengan diameter luar bundle (m) sb

L = ruang bebas dari cangkang dengan diameter sekat (m) eff

tp,

L = pitch tabung efektif (m) ctl

D = diameter limit tengah tabung (m) a = koefisien empiris

ctl

θ = sudut relatif antara baffle cut terhadap sumbu APK ds

θ = sudut baffle cut w

F = fraksi dari luar area yang dibentuk oleh jendela sekat c

F = fraksi aliran melintang diantara baffle sbp

F = perbandingan luas by-pass dan luas aliran silang sb

S = luas kebocoran cangkang dengan baffle (m2) m

S = luas aliran menyilang pada sumbu bundle (m2) sb

S = luas kebocoran antara cangkang dengan baffle (m2) tb

S = luas kebocoran antara tabung dengan baffle (m2) m

S = luas aliran melintang tabung (m2) b

S = luas by-pass (m2) s

r = perbandingan luas by-pass cangkang dengan luas aliran melintang tabung

i

J = faktor perpindahan panas c

J = faktor koreksi potongan baffle L

J = faktor koreksi berdasarkan kebocoran baffle B

J = faktor koreksi by-pass bundle s

J = faktor koreksi berdasarkan ketidaksamaan jarak baffle

μ

J = faktor koreksi berdasarkan viskositas fluida pada temperatur dinding h

h = koefisien pindahan panas pada sisi cangkang (W/m2,K) w

k = konduktivitas termal dinding (W/m.K)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi dari udara hangat ke kaleng

minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng. ... 8

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari permukaan panas ke udara dengan Konveksi……….9

Gambar 2.3. Perpindahan panas dengan radiasi ... 9

Gambar 2.4. APK jenis Shell and Tube tipe BEM ... 16

Gambar 2.5. Distribusi temperatur – panjang (luas) tube alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida parallel ... 20

Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang (luas) tube alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida berlawanan ... 21

Gambar 2.7. Bagian-bagian dari alat penukar kalor (berdasarkan standar TEMA) ... 22

Gambar 2.8. Aliran dalam sisi shell dengan baffle segmen ... 23

Gambar 2.9. Cangkang APK ... 23

Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor... 25

Gambar 2.11. Baffle ... 27

Gambar 2.12. Distribusi suhu APK aliran menyilang ... 30

Gambar 2.13. Sekat segmen ... 33

Gambar 2.14. Jaringan tahanan termal perpindahan panas kalor menyeluruh……38

Gambar 3.1. Distribusi temperatur alat penukar kalor ... 43

Gambar 3.3. Cangkang alat penukar kalor ... 53

Gambar 3.4. Tabung alat penukar kalor dengan susunan tabung segiempat ... 54

Gambar 3.5. Header alat penukar kalor ... 54

Gambar 3.6. Baffle alat penukar kalor dengan baffle cut ... 55

Gambar 3.7. Tubesheet alat penukar kalor untuk susunan segiempat... 55

Gambar 3.8. Baut dan mur ... 56

Gambar 3.9. Alat penukar kalor yang dirakit... 56

Gambar 3.10. Pola aliran fluida dalam alat penukar kalor... 56

Gambar 4.1. Pompa Sirkulasi………..58

Gambar 4.2. Termo resistance ... 58

Gambar 4.3. Panel Indikator temperatur ... 58

Gambar 4.4. Jarum Termokopel ... 59

Gambar 4.5. Tangki pemanas ... 59

Gambar 4.6. Pemanas air 5000w ... 59

Gambar 4.7. Katup kontrol ... 59

Gambar 4.8. Manometer air ... 60

Gambar 4.9. Skema alat uji penelitian ... 61

Gambar 5.1. Hubungan antara bilangan Reynold, Reh, dengan perpindahan panas menyeluruh, U ... 72

Gambar 5.2. Hubungan antara baffle cut dengan temperatur panas keluar Tho ... 73

Gambar 5.3. Hubungan antara baffle cut dengan perpindahan panas

menyeluruh, U ... 73

Gambar 5.4. Hubungan antara baffle cut dengan perubahan tekanan,∆P ... 74

Gambar 5.5. Hubungan antara perubahan tekanan,∆P dengan perpindahan panas menyeluruh , U ... 74

Gambar 5.6. Hubungan antara baffle cut dengan efektivitas,ε ... 75

Gambar 5.7. Grafik baffle cut vs Temperatur keluar air, Tho ... 83

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tube pada alat penukar kalor ... 26

Tabel 2.2. Koefisien Empiris... 33

Tabel 3.1. Perhitungan iterasi temperatur air laut keluar ... 46

Tabel 3.2. Hasil perhitungan panjang alat penukar kalor ... 52

Tabel 4.1. Dimensi utama penelitian ... 61

Tabel 4.2. Analisa data ... 63

Tabel 5.1. Data pengujian ... 64

Tabel 5.2. Sifat-sifat air laut ... 64

Tabel 5.3. Sifat-sifat air ... 65

Tabel 5.4. Hasil perhitungan koefisiensi perpindahan panas pada sisi tabung ... 71

Tabel 5.5. Hasil perhitungan koefisiensi perpindahan panas pada sisi cangkang. ... 71

Tabel 5.6. Hasil perhitungan Koefisiensi perpindahan panas menyeluruh dan efektifitas ... 71

Tabel 5.7. Sifat-sifat air laut ... 76

Tabel 5.8. Sifat-sifat air ... 76

Tabel 5.9. Hasil perhitungan teoritis ... 83

Tabel 6.1. Koefisiensi perpindahan panas menyeluruh, efektifitas, dan perubahan tekanan APK ... 85

ABSTRAK

Sekat (baffle) mempengaruhi pola aliran fluida yang mengalir pada sisi cangkang yang memberikan efek turbulensi, yang kemudian mempengaruhi unjuk kerja termal dan penurunan tekanan alat penukar kalor jenis tabung cangkang. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan, secara eksperimen, untuk mengetahui pengaruh pemotongan sekat (baffle cut) terhadap koefisien pindahan panas konveksi dan penurunan tekanan alat penukar kalor jenis tabung cangkang susunan segiempat. Pengujian ini dilakukan dengan mengalirkan air demineralisasi sebagai fluida panas melalui cangkang dengan temperatur masuk 42,8oC dan air laut sebagai fluida dingin dialirkan melalui tabung dengan temperatur masuk 29oC. Sekat yang digunakan adalah jenis segmen tunggal dengan jarak sekat 40 mm, baffle cut ditetapkan 4 variasi yaitu 5,31%, 18,22%, 30,37%, dan 43,28%. Laju aliran massa kedua fluida adalah 0,2 kg/s. Sedangkan parameter yang diukur adalah suhu keluar air demineralisasi yaitu 37,2oC s/d 38,9oC, suhu keluar air laut yaitu 33,6oC s/d 34,9oC, dan penurunan tekanan yaitu 15,494-20,495 kPa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa baffle cut mempengaruhi koefisien pindahan panas konveksi dan penurunan tekanan, dengan nilai yang optimum diperoleh adalah pada baffle cut 18,22% dengan koefisien pindahan panas menyeluruh 264,8295 W/m2.K, penurunan tekanan 19,318 kPa, dan efektivitas 39,8551%.

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang

Salah satu proses dalam sistem pembangkit tenaga adalah proses pendinginan untuk mendinginkan mesin-mesin pada sistem. Proses pendinginan ini memerlukan beberapa kebutuhan atau syarat temperatur tertentu dalam prosesnya, sehingga sistem dapat berjalan dengan baik. Sementara, di sisi lain, mungkin, terdapat medium yang berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai media pendingin. Jika kasusnya seperti ini, akan diperlukan suatu alat yang dapat memanfaatkan media pendingin yang berpotensi itu untuk kebutuhan proses pendinginan tersebut, yaitu Alat Penukar Kalor (APK).

Ada banyak jenis-jenis Alat Penukar Kalor, namun APK jenis cangkang dan tabung (Shell and Tube Heat Exchanger) masih yang terbanyak digunakan di dunia industri dibandingkan dengan jenis lainnya. Salah satu keuntungan APK ini adalah konstruksinya dapat dipisah-pisah, tidak merupakan satu kesatuan. Oleh karena itu APK jenis ini dapat untuk dikembangkan lagi. Salah satu penggunaannya terdapat pada proses pendinginan pada sistem pembangkit tenaga PLTGU unit I dan II PT. PLN (Persero) KITSU sektor Belawan, Sicanang-Medan. Alat yang digunakan dinamakan Close Cooling Water Heat Exchanger (CCWHE), berupa APK jenis cangkang dan tabung. APK ini digunakan untuk memanfaatkan air laut sebagai pendingin air demin, air demin ini kemudian dimanfaatkan untuk mendinginkan oli mesin, dengan APK yang berbeda yang dinamakan Oil Cooler, sehingga sifat-sifat oli tetap terjaga. Temperatur air demin masuk CCWHE 42,8oC dan temperatur keluar yang diharapkan adalah 38oC.

Oleh karena itu untuk memenuhi kebutuhan temperatur pada proses pendinginan ini, diperlukan suatu APK yang efektif yang dapat diperoleh melalui perancangan yang dilanjutkan dengan pengujian secara eksperimental pada tingkat kemampuannya.

Dalam pemakaian APK ini, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan untuk memperoleh perpindahan panas yang optimum untuk mendapatkan hasil yang diinginkan, yaitu jenis fluida, laju aliran, suhu, penurunan tekanan, laju perpindahan kalor, dimensi tabung dan cangkang, jarak baffle, baffle cut, susunan tabung, jarak pitch, dan jenis material.

Baffle pada APK cangkang tabung adalah sangat penting untuk dibahas

dalam memperbaiki atau meningkatkan unjuk kerja termal. Baffle juga diperlukan untuk mendukung keberadaan tabung dan membentuk pola aliran silang disepanjang tabung tersebut. Tunggul [1] mengemukakan bahwa jarak maksimum antara sekat (maximum spacing) adalah diameter dalam cangkang dan minimum 1/5 dari diameter dalam cangkang. Apabila jarak antara sekat itu dibuat terlalu jarang, maka aliran fluida akan aksial sehingga tidak terdapat aliran yang melintang sebaliknya kalau jarak antara sekat dibuat terlalu sempit menimbulkan bocoran yang berlebihan antara sekat dan cangkang.

Perubahan pemasangan baffle dengan posisi tegak lurus dari beberapa variasi jarak dengan sendirinya memberi implikasi terhadap bentuk zona aliran maupun pola alirannya yang pada gilirannya akan dapat mempengaruhi unjuk kerja termal dan penurunan tekanan. Dalam penggunaannya pada APK, baffle dengan type segmental yang dipasang tegak lurus terhadap tabung atau arah aksial APK. Sekat (baffle) yang terpasang tegak lurus tabung akan mengakibatkan arah

aliran sebagian fluida dalam cangkang melintas tegak lurus (transversal) terhadap bundle tabung dan kondisi demikian akan meningkatkan efek turbulensi. Aliran

tersebut sangatlah komplek, namun demikian dapat memberi dampak perpindahan kalor konveksi yang lebih baik disatu sisi, tetapi kurang baik terhadap penurunan tekanan di sisi lain.

Dengan kata lain proses aliran dan perpindahan kalor di sisi tabung sangat bergantung kepada ukuran tabung itu sendiri, jarak pitch, susunan tabung, tipe baffle, jarak baffle, baffle cut, dan celah antara baffle dan shell. Tunggul [2]

mengemukakan bahwa besarnya pemotongan sekat berkisar antara 15-45% diameter sekatnya, sebab pada kondisi ini akan terjadi perpindahan panas yang baik serta penurunan tekanan (pressure drop) tidak terlalu besar. Pertimbangan-pertimbangan operasi menjadi hal yang sangat penting di dalam memilih baffle cut mana yang akan digunakan.

Dari segi operasi dan pemeliharaan suatu APK cangkang tabung, susunan tabung adalah hal yang sangat prinsip karena dapat mempengaruhi besar penurunan tekanan pada aliran fluida. Penurunan tekanan dalam sisi cangkang sangat dipengaruhioleh faktor gesekan dan laju aliran masa fluida. Besarnya faktor gesekan dalam sisi cangkang yang berkorelasi langsung dengan bilangan Reynold.

Oleh karena itu dalam sebuah tahap memperkirakan kinerja atau APK, bahwa begitu diketahui konfigurasinya maka akan tampaklah perbedaannya, namun sayangnya tidak selalu mengetahui banyak hal dari sistim tersebut sebelum perencanaannya lengkap. Setiap APK didesain sedemikian rupa agar dapat melakukan pertukaran energi kalor dari suatu media ke media lain atau

perpindahan kalor antara dua atau lebih fluida yang berbeda suhunya, dengan luas permukaan yang minimum dan kondisi operasi yang efektip serta konstruksi yang kokoh, maka pada penelitian ini jenis APK yang direncanakan adalah jenis cangkang tabung yang terdiri satu cangkang atau dengan satu tabung serta dilengkapi dengan beberapa baffle.

Pada penelitian ini yang akan diamati dan dianalisa unjuk kerja termal dan penurunan tekanan suatu APK jenis cangkang tabung susunan segiempat yang dipengaruhi oleh pemasangan baffle dalam berbagai variasi baffle cut, dimana pada sisi tabung dialiri fluida dingin yaitu air laut dan pada sisi cangkang dialiri fluida panas yaitu air demin. Dalam hal ini unjuk kerja termal dinyatakan dalam angka koefisien perpindahan kalor menyeluruh dan penurunan tekanan.

1.2. Perumusan dan Batasan Masalah 1.2.1. Perumusan masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada analisa koefisien perpindahan kalor menyeluruh dan penurunan tekanan pada APK jenis cangkang dan tabung dengan susunan tabung segiempat dengan variasi nilai baffle cut, Dalam penelitian ini dirumuskan masalah yang ditinjau yaitu berapa baffle cut optimal dan angka koefisien perpindahan panas menyeluruh (overall heat transfer coefficient) dan penurunan tekanan.

1.2.2. Batasan masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini yaitu pengujian dilakukan dengan rencana awal data yang ditetapkan sebagai berikut :

1. Dengan 4 (empat) variasi baffle cut yaitu pada 5,31%, 18,22%, 30,37%, 43,28%. Laju aliran massa air demin(fluida panas) adalah 0,2 kg/det dengan rencana suhu masuk 42,80C dan fluida dingin adalah air laut dengan laju aliran massa 0,2kg/det.

2. APK ini merupakan hasil rancang bangun yang didasarkan atas perhitungan teoritis dengan metode trial and error dan sebagai data hasil pengujian yang diamati dan diperoleh berupa suhu air keluar yang diukur dengan menggunakan alat ukur Termo Resistance PT-100 ohm dan perbedaan tekanan pada sisi cangkang diukur menggunakan manometer air pipa U serta variabel lain yang dibutuhkan juga diukur dengan alat-alat ukur standar lainnya.

1.3. Tujuan penelitian

Adapun tujuan penelitian pada tugas akhir ini, adalah:

a. Menganalisa APK cangkang dan tabung secara eksperimental dengan variasi baffle cut untuk mendapatkan data laju perpindahan kalor dan penurunan tekanan.

b. Untuk mendapatkan nilai baffle cut yang optimal pada APK cangkang dan tabung susunan segiempat.

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitian pada tugas akhir ini, adalah:

a. Menghasilkan informasi nilai baffle cut yang optimal untuk APK cangkang dan tabung susunan tabung segiempat yang dapat digunakan untuk perancangan APK.

b. Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bidang APK cangkang dan tabung susunan tabung segiempat.

c. Sebagai pengembangan wawasan penelitian secara eksperimental pada laboratorium Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.5. Metode Pengumpulan Data

Adapun metode pengumpulan data dalam tugas akhir ini, dilakukan dengan cara:

a. Study Lapangan, dimana penulis melakukan eksperimen dari APK yang dirancang bangun pada Laboratorium Alat Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin USU.

b. Study Literatur, dimana penulis melakukan penelaahan dari buku-buku yang berhubungan dengan permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini.

c. Survey Study, dimana penulis melakukan pengamatan langsung di PLN Sicanang Belawan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan panas

Perpindahan panas merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konduksi, merupakan perpindahan panas dari partikel yang lebih berenergi ke partikel yang kurang berenergi yang saling berdekatan dari sebuah bahan karena interaksi antara partikel tersebut. Contoh: semakin panasnya (hangat) sendok yang tercelup dalam secangkir kopi panas. Holman [3] merumuskan persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara konduksi adalah:

x

T kA q

∂ ∂ −

= (W) (2.1) , dimana q sebagai laju perpindahan panas konduksi, ∂T/∂x sebagai gradient suhu ke arah perpindahan panas, k sebagai konduktivitas atau kehantaran termal benda dengan tanda minus menunjukkan aliran kalor ke tempat yang bertemperatur lebih rendah, dan A sebagai luas permukaan yang mengalami perpindahan panas tersebut.

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng[4].

Konveksi, merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir, dan itu melibatkan pengaruh konduksi dan aliran fluida. Contoh: sebuah plat besi panas akan lebih cepat dingin jika diletakkan di depan kipas angin dibandingkan dengan jika diletakkan begitu saja di udara terbuka. Holman [5] merumuskan persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara konveksi adalah:

q=hA

(

Ts −T∞

)

(W) (2.2)

, dimana q sebagai laju perpindahan panas konveksi, h sebagai koefisien perpindahan-kalor konveksi, A sebagai luas permukaan yang mengalami perpindahan panas, Ts sebagai temperatur permukaan benda solid yang dilalui fluida yang mengalir, T_∞ sebagai temperatur fluida yang mengalir berdekatan dengan permukaan benda solid.

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari permukaan panas ke udara dengan konveksi[6]

Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang elektromagnet (atau photons). Contoh: kehangatan sewaktu kita berada di dekat api unggun. Holman [7] persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara radiasi adalah:

(

)

4 4

sur

s T

T A

q=ε σ − (W) (2.3) , dimana q sebagai laju perpindahan panas radiasi, ε sebagai sifat radiasi pada permukaan (emisivitas), A sebagai luas permukaan, σ sebagai konstanta Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W/m2K4), Ts sebagai temperatur absolute permukaan, Tsur sebagai temperatur sekitar.

2.2 Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan dimana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat terjadi secara langsung maupun tidak langsung. Maksudnya adalah :

1. Pada alat penukar kalor yang langsung, fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu

2. Pada alat penukar kalor yang tidak langsung, fluida panas tidak berhubungan langsung dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panas itu mempunyai media perantara, seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnnya

2.2.1. Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Menurut Tunggul [9] alat penukar kalor dapat diklasifikasikan berdasarkan bermacam-macam pertimbangan, yaitu:

1. Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas

- Tipe kontak tidak langsung

• Tipe yang langsung dipindahkan  Tipe satu fase

 Tipe banyak fase

 Tipe yang ditimbun (storage type)  Tipe fluidized bed

- Tipe yang kontak langsung

• Gas liquid

• Liquid vapor

2. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida yang Mengalir

- Dua jenis fluida

- Tiga jenis fluida

- N-jenis fluida

3. Klasifikasi Berdasarkan Kompaknya Permukaan

- Tipe penukar kalor yang kompak, density luas permukaannya > 700 m2/m3

- Tipe penukar kalor yang tidak kompak, density luas permukaannya < 700 m2/m3

4. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas

- Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

- Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi dua aliran

- Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta masing-masing terdapat dua pass aliran

- Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi

- Konstruksi tubular (shell and tube)

• Pipa ganda (Double tube)

• Konstruksi shell and tube  Sekat plat (plate baffle)  Sekat batang (rod baffle)  Konstruksi tabung spiral

- Konstruksi tipe pelat

• Tipe pelat

• Tipe lamella

• Tipe spiral

• Tipe pelat koil

- Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

• Sirip pelat (pelat fin)

• Sirip tabung (tube fin)  Heat pipe wall

 Ordinary separating wall

- Regenerative

• Tipe rotari

• Tipe disk (piringan)

• Tipe drum

• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran

- Aliran dengan satu pass

• Aliran berlawanan arah

• Aliran paralel

• Aliran melintang

• Aliran split

• Aliran yang dibagi (divided)

- Aliran multi pass

 Aliran counter menyilang  Aliran paralel menyilang  Aliran compound

• Shell and tube

 Aliran paralel yang berlawanan (M laluan pada cangkang dan N laluan pada tabung)

 Aliran split

 Aliran dibagi (divided)

• Multipass pelat

 N-paralel pelat multipass 2.2.2. Standar Alat Penukar Kalor.

Menurut Tunggul [10] standar yang umum digunakan menjadi acuan dalam merencanakan, fabrikasi serta memelihara alat penukar kalor adalah:

1. Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA Standards), merupakan standar Amerika Serikat

2. American Society of Mechanical Engineers (ASME) Code, Section VIII, Pressure Vessel-Division I

Alternative rules for pressure Vessels-Division II

3. American Petroleum Institute (API Standards)

Chapter VI – Pressure Vessels (Tower, Drums, and Reactors)

Chapter VII – Heat Exchangers, Condensors, and Cooler Boxes

4. American Society of Mechanical Engineers (ASME) Code, Section II – Material Spesification

Part B – Non-ferrous metal

Part C – Welding Rod, Electrods, and Filler metals

5. Standards British, seperti British Standard B S 3274, B S 5500, dan standar negara-negara lain seperti Belgia, Jerman, Belanda, Perancis, Norwegia, Australia, Japan, dan lain-lain

Adapun standar tersebut mencakup masalah perencanaan (design), pembuatan (fabrikasi), pemilihan material konstruksi, pengujian (testing) cangkang tabung, sekat dan support, ujung yang bebas (floating head), saluran nosel, pelat tabung (tube sheet), dan lain-lain.

2.2.3. Alat Penukar Kalor Tipe Cangkang dan Tabung.

Cangkang tabung adalah salah satu jenis APK yang menurut konstruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan tabung (tube bundles) yang dipasangkan di dalam cangkang berbentuk silinder dimana dua jenis fluida yang saling bertukar kalor mengalir secara terpisah, masing-masing melalui sisi tabung dan sisi cangkang.

Begitu banyaknya jenis dari alat penukar kalor cangkang tabung yang dipergunakan pada dunia industri. Untuk membuat pembagiannya secara pasti adalah sangat sulit. Menurut Tunggul [11] berdasarkan pemakaian, heat exchanger diklasifikasikan dalam 3 class, yaitu : class R, class C, dan class B.

Class R adalah alat penukar kalor yang tidak mengalami pembakaran, dan secara

umum dipergunakan untuk mengolah minyak (petroleum) atau setidak-tidaknya berhubungan dengan aplikasi dalam proses pengolahan minyak. Class C sama dengan class R, dimana dalam penggunaannya tidak mengalami pembakaran.

Jenis ini umumnya dipergunakan pada tujuan-tujuan komersial dan dalam proses yang umum. Class B juga sama, hanya saja dipergunakan untuk proses-proses kimia (chemical process service).

Disamping pengelompokan diatas, dari TEMA dikenal juga tipe lain, seperti:

1. Penukar kalor dengan fixed tube sheet 2. Penukar kalor dengan floating tube sheet 3. Penukar kalor dengan pipa U (hairpin tube)

4. Penukar kalor dengan fixed tube sheet dan mempunyai sambungan ekspansi (expantion joint) pada cangkang nya

Keuntungan alat penukar kalor tipe cangkang tabung adalah :

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 established)

4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang dipergunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasinya 5. Mudah membersihkannya

6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well established) 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil 8. Prosedur mengoperasikannya tidak berbelit-belit

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

Gambar 2.4. APK jenis Cangkang dan Tabung tipe BEM.

Konstruksi tipe BEM mempunyai front end Stationary B yang berbentuk Bunnet, cangkang tipe E yaitu one pass shell dan rear end head, tipe M yaitu fixed tube shell.

Umumnya, aliran fluida dalam cangkang dan tabung dari suatu APK adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam cangkang dan tabung menjadi aliran menyilang (cross flow) biasanya ditambah baffle (sekat).

2.2.4. Fluida di Dalam Cangkang dan di Dalam Tabung.

Menentukan fluida di dalam tabung serta fluida diluar tabung (sisi cangkang) memerlukan pertimbangan-pertimbangan yang khusus. Untuk menentukan hal itu dilakukan evaluasi berbagai faktor disamping memperhatikan tipe alat penukar kalor. Tunggul [12] mengemukakan faktor-faktor yang harus

diperhatikan untuk menentukan jenis fluida dalam tabung (tube side) atau diluar tabung (shell side) adalah:

1. Kemampuan untuk dibersihkan (cleanability)

Jika dibandingkan cara membersihkan tabung dan cangkang, maka pembersihan sisi cangkang (luar tabung) jauh lebih sulit. Untuk itu maka fluida yang bersih biasanya dialirkan sebelah cangkang (diluar tabung) dan fluida yang kotor melalui tabung.

2. Korosi

Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari paduan logam. Paduan logam itu mahal, karena itu fluida dialirkan melalui tabung untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan cangkang. 3. Tekanan kerja

Cangkang yang bertekanan tinggi, diameter besar, akan memerlukan dinding yang tebal, ini akan mahal. Untuk mengatasi hal ini, apabila fluida bertekanan tinggi, lebih baik dialirkan melalui tabung.

4. Temperatur

Fluida bertemperatur tinggi lebih baik dialirkan melalui tabung. Fluida bertemperatur tinggi juga akan menurunkan tegangan yang dibolehkan (allowable stress) pada material peralatan, hal ini mempunyai pangaruh yang sama seperti fluida bertekanan tinggi yang memerlukan dinding cangkang yang tebal.

5. Fluida berbahaya atau fluida mahal

Untuk fluida mahal dan atau fluida yang berbahaya harus dialirkan melalui bagian-bagian yang terikat kuat pada alat penukar kalor itu. Beberapa tipe penukar kalor mengalirkannya pada sisi sebelah tabung.

6. Jumlah aliran fluida

Suatu perencanaan yang baik akan diperoleh aliran fluida yang kecil jumlahnya dilakukan pada sisi sebelah cangkang. Ini mempengaruhi jumlah pass aliran, tetapi konsekuensinya ialah kerugian dan penurunan tekanan.

7. Viskositas

Batas angka kritis bilangan Reynolds untuk aliran turbulen pada sisi cangkang adalah 200. Karena itu aliran laminer dalam tabung dapat menjadi turbulen apabila aliran melalui cangkang. Aliran tetap laminar dialirkan melalui cangkang, maka lebih baik aliran itu dialirkan melalui tabung.

8. Penurunan tekanan

Apabila masalah penurunan tekanan (pressure drop) merupakan hal yang kritis dan harus ditinjau secara teliti, maka sebaiknya fluida tersebut dialirkan melalui sisi tabung. Penurunan tekanan didalam tabung dapat dihitung dengan teliti, sedangkan pressure drop sisi cangkang dapat menyimpang sangat besar dari nilai teoritis, tergantung dari kelonggaran (clearance) alat penukar kalor itu.

Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan (heating surface). Besarnya luas permukaan itu tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tabung yang dipergunakan pada alat penukar kalor itu.

2.2.5. Jumlah Pass Atau Lintasan Pada Alat Penukar Kalor.

Yang dimaksud dengan pass dalam alat penukar kalor adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida di dalam cangkang atau dalam bundle tabung. Dikenal 2 jenis lintasan alat penukar kalor, yaitu :

1. Shell pass atau lintasan cangkang. 2. Tube pass atau lintasan tabung.

Yang dimaksud dengan pass shell adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk mulai saluran masuk (inlet nozzle), melewati bagian dalam cangkang dan mengelilingi tabung, keluar dari saluran buang (outlet nozzle). Apabila lintasan itu dilakukan 1 kali maka disebut 1 laluan cangkang, kalau terjadi 2 kali atau n kali melintasi bagian dalam serta melewati tabung, disebut 2 atau n laluan cangkang.

Untuk fluida di dalam tabung, jika fluida masuk kedalam penukar kalor melalui salah satu ujung (front head) lalu mengalir ke dalam tabung dan langsung keluar dari ujung tabung yang lain melalui rear head, maka disebut dengan 1 laluan tabung. Apabila fluida itu membelok lagi masuk kedalam tabung, sehingga terjadi dua kali lintasan fluida dalam tabung maka disebut 2 laluan tabung. Biasanya laluan cangkang itu lebih sedikit daripada laluan tabung.

2.2.6. Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur Pada Alat Penukar Kalor Apabila ditinjau aliran fluida alat penukar kalor, maka dapat dibagi dalam 3 macam aliran, yaitu :

1. Aliran sejajar atau paralel flow. 2. Aliran berlawanan atau counter flow.

3. Aliran kombinasi, gabungan aliran sejajar dan berlawanan.

Aliran fluida dan distribusi temperatur pada penukar kalor dapat dibagi atas :

1. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Langsung

Pada alat penukar kalor jenis ini, temperatur akhir fluida panas dan fluida dingin menjadi sama karena kedua jenis fluida tersebut akan membentuk campuran (teraduk) keluar dari alat penukar kalor itu. Hal ini berarti, panas yang diberikan oleh fluida panas diterima secara utuh atau 100% oleh fluida dingin, tanpa ada kerugian panas.

Hubungan antara jenis aliran, distribusi temperatur dan panjang tabung (luas tabung) pada alat penukar kalor yang kontak langsung dapat dilihat pada gambar 2.5. dan 2.6 [13].

Gambar 2.5. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida parallel.

Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung, alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida berlawanan arah.

2. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Tidak Langsung Pada jenis alat penukar kalor ini, tabung berfungsi sebagai pemisah antara fluida panas dengan fluida dingin. Untuk itu perlu pertimbangan yang matang, untuk menentukan fluida mana yang mengalir melalui tabung, apakah fluida panas atau fluida dingin.

2.2.7. Konstruksi Alat Penukar Kalor

Ditinjau dari segi konstruksi alat penukar kalor jenis cangkang dan tabung, Tunggul [14] membagi konstruksinya dalam 4 bagian, yaitu:

1. Bagian depan yang tetap atau Front End Stationary Head 2. Shell atau badan alat penukar kalor

3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head

4. Berkas tabung atau tube bundle, kumpulan tabung yang dimasukkan ke dalam tabung alat penukar kalor

Didalam TEMA Standar, masing-masing bagian tersebut (kecuali nomor 4) telah diberi kode masing-masing dengan mempergunakan huruf.

Gambar 2.7. Bagian-bagian dari alat penukar kalor (berdasarkan standar TEMA) [15].

2.2.8. Cangkang (Shell)

Secara umum lintasan fluida dalam APK dapat terjadi pada dua area lintasan yang terpisah yakni dalam shell side (sisi cangkang) dan tube side (sisi tabung). Dalam menganalisa aliran fluida dalam sisi cangkang bahwa, dalam sisi cangkang selain terdapat aliran utama B yakni aliran yang melintas tegak (main cross flow) terhadap bundel tube, juga terdapat kebocoran (leakage) aliran seperti kebocoran A antara baffle dengan tabung, dan kebocoran E antara baffle dengan cangkang, serta aliran by pass C antara bundel tube dengan cangkang, seperti gambar 2.8. [16].

Gambar 2.8. Aliran dalam sisi cangkang dengan baffle segmen.

2.2.9. Tabung.

Susunan tabung itu mempengaruhi besarnya penurunan tekanan aliran fluida dalam cangkang. Penentuan susunan tabung pada alat penukar kalor sangat prinsip sekali, ditinjau dari segi operasi dan pemeliharaan. Adapun beberapa susunan tabung alat penukar kalor menurut Tunggul [17] meliputi:

1. Tabung (tube) dengan susunan segitiga (triangular pitch).

2. Tabung (tube) dengan susunan segitiga diputar 30o (rotated triangular atau in-line triangular pitch).

3. Tabung (tube) dengan susunan bujur sangkar (in-line square pitch). 4. Tabung (tube) dengan susunan berbentuk belah ketupat, atau bentuk

bujur sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch).

Susunan tabung yang segitiga merupakan susunan yang sangat popular dan baik dipakai melayani fluida kotor/berlumpur atau yang bersih (non-fouling or fouling). Koefisien perpindahan panasnya lebih baik dibanding dengan susunan

tabung bujur sangkar (in-line square pitch). Susunan tabung segitiga banyak dipergunakan dan menghasilkan perpindahan panas yang baik per satu satuan penurunan tekanan (per unit pressure drop), di samping itu letaknya lebih kompak.

Susunan bujur sangkar membentuk sudut 90o (in-line square pitch) banyak dipergunakan, dengan pertimbangan seperti berikut:

1. Apabila penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi pada alat penukar kalor itu sangat kecil.

2. Apabila pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tabung adalah dengan cara pembersihan mekanik (mechanical cleaning). Sebab pada

susunan seperti ini, terdapat celah anatara tabung yang dipergunakan untuk pembersihannya.

3. Susunan ini memberikan perilaku yang baik, bila terjadi aliran turbulen, tetapi untuk laminar akan memberikan hasil yang kurang baik.

Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor.

(a) susunan tabung segitiga (triangular); (b) susunan tabung bujur sangkar (c) susunan tabung bujursangkar diputar 45o(diamond) [18].

(a)

(b)

Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tabung pada alat penukar kalor [19]. Susunan

tabung

Kelebihan Kekurangan

Segitiga - Film koefisiennya lebih tinggi daripada bujur sangkar

- Dapat dibuat jumlah tabung yang lebih banyak sebab susunannya kompak

- Jatuh tekanan yang terjadi antara menengah keatas

- Tidak baik untuk fluida yang kotor

- Pembersihannya dengan cara kimia

Bujur sangkar

- Bagus untuk kondisi yang memerlukan jatuh tekanan rendah

- Baik untuk pembersihan luar tabung secara mekanik

- Baik untuk melayani fluida kotor

- Film koefisiennya

rendah

Belah ketupat

- Film koefisiennya lebih baik dari susunan bujur sangkar, tetapi tidak sebaik susunan segitiga

- Mudah untuk pembersihan dengan mekanis

- Baik untuk fluida yang kotor

- Film koefisiennya relatif rendah

- Jatuh tekanannya tidak serendah jenis susunan bujur sangkar

2.2.10. Baffle atau Sekat.

Umumnya, aliran fluida dalam alat penukar kalor tabung cangkang adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam alat penukar kalor tabung cangkang menjadi cross flow biasanya ditambahkan penyekat atau baffle. Aliran cross flow yang didapat dengan menambahkan baffle akan membuat luas kontak fluida dalam cangkang dengan dinding tabung makin besar, sehingga perpindahan panas di antara kedua fluida meningkat. Selain untuk mengarahkan aliran agar menjadi cross flow, bafflecut juga berguna untuk menjaga supaya tube tidak melengkung(berfungsi sebagai penyangga)

Secara teoritis, baffle yang dipasang terlalu berdekatan akan meningkatkan perpindahan panas yang terjadi di antara kedua fluida, namun hambatan yang terjadi pada aliran yang melalui celah antar baffle menjadi besar sehingga penurunan tekanan menjadi besar. Sedang jika baffle dipasang terlalu berjauhan penurunan tekanan yang terjadi akan kecil, namun perpindahan panas yang terjadi kurang baik. Untuk itu akan dilakukan suatu penelitian untuk mempelajari pengaruh penggunaan baffle cut pada suatu alat penukar kalor tabung cangkang.

Baffles atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor

mempunyai beberapa fungsi, yaitu: 1. Struktur untuk menahan berkas tabung

2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran (vibration) pada tabung

3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang mengalir diluar tabung (sisi cangkang).

Potongan baffle cut 5,31% Potongan baffle cut 18,22%

Potongan baffle cut 30,37% Potongan baffle cut 43,28% Gambar 2.11. Baffle.

Ditinjau dari segi konstruksi, sekat dapat diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu:

1. Sekat pelat berbentuk segment (segmental baffles plate).

Sekat pelat berbentuk segmen ini adalah jenis umum yang umum dipergunakan. Dipasang dengan posisi tegak lurus terhadap tabung.Konstruksi sekat ini terdiri dari bahan pelat yang dilubangi untuk memasukkan tabung kedalamnya. Pada setiap alat penukar kalor dipergunakan lebih dari satu sekat

2. Sekat batang (rod baffles).

Sekat batang merupakan kombinasi sekat pelat dan rod. Konstruksinya terbuat dari rod dan pelat yang merupakan cincin sekat dimana satu dengan yang lain dipadukan dengan skid bar.

3. Sekat mendatar (longitudinal baffles).

Sekat mendatar atau longitudinal dipasang pararel dengan susunan tabung. Sekat ini mempengaruhi aliran pada sisi aliran pada sisi sebelah luar tabung atau laluan tabung.

4. Sekat impingment (impingiment baffles).

Sekat ini secara langsung akan mengena kepada aliran fluida yang masuk ke dalam cangkang alat penukar kalor. Sekat dipasang pada saluran masuk fluida ke dalam cangkang dengan tujuan untuk mencegah partikel-partikel padat ikut melayang atau keluar,serta untuk mencegah kecepatan yang tinggi dari aliran cairan masuk cangkang.

Besarnya pemotongan sekat [20], berkisar antara 15-45% diameter sekat-nya,sebab pada kondisi ini akan terjadi perpindahan panas yang baik serta penurunan tekanan tidak terlalu besar . Besarnya bagian sekat yang dipotong

adalah tergantung konstruksi sekat yang diinginkan,biasanya hal ini dinyatakan dalam % baffle cut.

Baffle cut yang dipotong tegak biasanya dipergunakan untuk kondensor horizontal,reboiler,alat penguap(vaporizers) dan penukar kalor yang membawa bahan-bahan suspended atau cairan berlumpur atau kotor(fouling).Maksudnya adalah,bahwa dengan sekat yang dipotong tegak akan membuat bagian uap yang belum terkondensasi mengalir pada bagian atas jendela sekat.

Ada 3 jenis potongan sekat yang umum dibuat yaitu: 1. Baffle cut mendatar.

2. Baffle cut vertical atau tegak. 3. Baffle cut miring (rotated).

2.3 Landasan Teori

Perpindahan kalor dan penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi sangat bergantung pada bentuk geometri dan dimensi tabung dan sekat (baffle), serta sifat-sifat fisis fluida dalam cangkang dilakukan dengan memperhitungkan besar kalor yang diserap oleh fluida dalam hal ini air laut dalam tabung. Jumlah kalor yang diserap diasumsikan sama besar dengan dengan kalor yang dipindahkan secara konveksi melalui dinding tabung. Analisis ini juga mengasumsikan bahwa tidak terdapat kalor melalui dinding selonsong ke udara sekitarnya. Holman [21] mengemukakan jumlah kalor atau laju perpindahan kalor yang diserap oleh fluida dalam tabung dihitung dengan rumus:

Keseimbangan energi APK adiabatis pada kondisi steady state:

(

hi ho

)

c pc

(

co ci

)

ph

h c T T m c T T

m

Thi

Tc_o

Tho

Tci

m

h

m

c

L

Gambar 2.12. Distribusi suhu APK aliran melintang. Jumlah kalor yang diserap oleh fluida dapat dihitung dengan rumus:

Q = U.A.∆Tm (2.5)

∆Tm =

(

(

) (

)

)

(

ho ci

)

o c i h

i c o h o c i h

T T

T T Ln

T T T T

, ,

, ,

, , , ,

−

− −

− −

(2.6)

Incropera [22] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam alat penukar kalor pada tabung adalah:

Temperatur rata-rata fluida dingin APK ditunjukkan dengan:

2 T T

T ti to

t

+

= (2.7) Dimana :

Tc = Temperatur fluida rata-rata pada sisi tabung (oC) Tci = Temperatur fluida masuk tabung (oC)

Tco = Temperatur fluida keluar tabung (oC) Laju aliran massa fluida di setiap tabung, adalah :

N m

m i

t



 = (2.8)

Dimana : t

i

m = Laju aliran massa fluida masuk APK (kg/s) N = Jumlah tabung

Sularso [23] mengemukakan pembagian jenis aliran berdasarkan parameter Bilangan Reynold (Re), apakah laminar, transisi, atau turbulen. Untuk laminar jika Re<2300, transisi jika 2300<Re<4000, dan turbulen jika Re>4000. Bilangan Reynold pada tabung, adalah:

t i

t t

μ πd

m 4

Re =  (2.9)

Dimana :

Ret = Bilangan Reynold tiap tabung di = Diameter dalam tabung (m)

t

μ = viskositas dinamik fluida dalam tabung (kg/m.s)

Bilangan Nusselt pada tabung dapat diperoleh dengan korelasi Sieder and Tate: 14

, 0 c 3 / 1 o t

c 1,86(Re .Pr.d /L) (μ μ )

Nu = (2.10)

Dimana :

Nuc = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung Pr = Bilangan Prandtl fluida dalam tabung

c

μ = viskositas dinamik air laut pada temperatur dinding tabung (kg/m.s)

Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung adalah:

i c t t

d Nu k

h = × (2.11) Dimana :

Nuc = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung di = Diameter dalam tabung (m)

kt = Konduktivitas termal fluida dalam tabung (W/mK)

Wolverine [24] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam alat penukar kalor pada cangkang adalah:

2 T T

T hi ho

h

+

= (2.12) Dimana :

h

T = Temperatur fluida rata-rata sisi cangkang (oC). hi

T = Temperatur fluida panas masuk cangkang (oC). Tho = Temperatur fluida panas keluar cangkang (oC). Luas aliran menyilang pada sumbu bundle

( )(

)

_  

  

− +

= tp t

eff tp,

ctl bb

bc

m L D

L D L

L

S (2.13)

Dimana :

Lbc = Jarak sekat (baffle) (m)

Lbb = Jarak celah diameter dalam cangkang dengan diameter luar bundle (Gambar 2.13). (m)

(Ltp)eff = pitch tabung efektif (dapat dilihat dari gambar) (m) Dctl = Diameter limit tengah tabung (Gambar 2.13) (m) Dt = Diameter luar tabung (m)

Gambar 2.13. Sekat Segmen [25]. Kecepatan massa didapat :

m s s

S m

G =  (2.14)

Dimana : s

m = Laju aliran massa fluida masuk cangkang APK (kg/s) m

S = Luas aliran menyilang pada sumbu bundle (m2) Bilangan Reynold didapat:

s s o s

μ

G d

Re = (2.15)

Dimana :

Res = Bilangan Reynold pada sisi cangkang

Gs = Kecepatan massa (kg/m2s) s

μ = Viskositas dinamik pada sisi cangkang (kg/ms) Koefien empiris diperoleh dari table berikut:

4

a s 3 0,14Re 1

a a

+

= (2.16)

Ji adalah faktor perpindahan panas yang besarnya adalah :

2

a s a

t tp 1

I Re

D L

1,33 a

j

  



= (2.17)

Koefisien perpindahan kalor konveksi pada sisi cangkang 3

2 s s ph I ideal

s, jc G Pr

h = − (2.18)

Kemudian ditentukan faktor-faktor koreksi berdasarkan potongan baffle (JC), kebocoran baffle (JL), by pass bundle (JB), ketidaksamaan jarak baffle (JS), aliran laminar (JR), dan viskositas dinding (Jμ), sebagai berikut:

Faktor koreksi berdasarkan potongan baffle (JC): Tabel 2.2. Koefisien empiris [26].

Sudut relatif antara baffle cut terhadap sumbu alat penukar kalor,               − = − 100 B 2 1 D D 2cos θ c ctl s 1

ctl (2.19)

Dimana :

Dctl = Diameter limit tengah tabung (Gambar 2.13) (m)

θctl = Dapat dilihat pada Gambar 2.13.

θds = Dapat dilihat pada Gambar 2.13.

θotl = Dapat dilihat pada Gambar 2.13. Bc = Baffle cut (%)

Fraksi dari luas area yang dibentuk oleh jendela sekat:

2π sinθ 360 θ F ctl o ctl

w = − (2.20)

Fraksi aliran melintang di antara baffle tips : w

c 1 2F

F = − (2.21)

Faktor koreksi potongan baffle : c

C 0,55 0,72F

J = + (2.22)

Menurut Tunggul [27], faktor koreksi berdasarkan potongan baffle adalah 1 apabila tidak ada tube pada jendela baffle; 1,5 apabila baffle yang dipotong sedikit; dan 0,65 bila jendela baffle lebar.

Faktor koreksi berdasarkan kebocoran baffle (JL): Sudut baffle cut,

    _      − = − 100 B 2 1 2cos

θ 1 c

ds (2.23)

Luas kebocoran cangkang dengan baffle,

(

ds

)

o sb

s

sb 0,00436 D L 360 θ

Dimana :

Ds = Diameter dalam cangkang (m2)

Lsb = Ruang bebas secara diametri dari cangkang dengan diameter cangkang

Luas kebocoran tabung ke lubang baffle,

(

)

[

]

tt

(

w

)

2 t 2 tb t

tb D L D N 1 F

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 :

rs = Perbandingan antara luas by-pass shell dengan luas aliran melintang tabung

Ssb = Luas bocoran antara cangkang dan baffle (m2) Stb = Luas bocoran tabung dengan baffle (m2) Sm = Luas aliran melintang tabung (m2) Diperoleh faktor koreksi kebocoran baffle:

( )

s

[

( )

s

]

(

lm

)

L 0,441 r 1 0,441 r exp 2,2r

J = − + − − − (2.28)

Faktor koreksi berdasarkan by pass bundle (JB): Luas by pass,

(

)

[

s otl pl

]

bc

b L D D L

S = − + Lpl = 0, karena tidak ada by pass lane (2.29) Dimana :

bc

Perbandingan luas by pass dan luas aliran-silang :

m b sbp

S S

F = (2.30)

Jika Reo laminar maka Cbh = 1,35. dengan Bilangan Reynold ≤ 100 Jika Reo turbulen maka Cbh = 1,25. dengan Bilangan Reynold >100 Diperoleh faktor koreksi by pass bundle,

(

)

[

3

]

ss sbp

bh

B exp C F 1 2r

J = − − , rss = 0, karena tidak ada sealing strips (2.31)

Faktor koreksi berdasarkan ketidaksamaan jarak baffle (JS) :

) / ( ) /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:

Nb = jumlah baffle.

Lbi = panjang tubesheet ke baffle pada sisi inlet. (m) Lbo = panjang tubesheet ke baffle pada sisi outlet. (m) n = 0,6 untuk aliran turbulen dan 1/3 untuk aliran laminar.

JS<1,0 untuk jarak baffle yang lebih besar di sisi masuk dan keluar apk daripada jarak antar baffle yang berada di tengah.

Js = 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 (Jμ): 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:

(

C L B μ

)

h,ideal

h J J J J Js h

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 0

th R

T T ermal) (tahanan t R

ruh)

ΔT(menyelu

Q

∑− = ∑

=

, dimana, Rth, tahanan termal (thermal resistances) adalah: Ro = tahanan termal konveksi bagian luar =

o

2 L h

r

π

2 1

⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Rw = tahanan termal konduksi material =

( )

L k π 2 r r ln _{2 1}

⋅ ⋅ ⋅

Ri = 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 A_o =2⋅π⋅r₂⋅L

( )

    ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 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 . Cpc (Tco – Tci) =

•

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 . Cph = Ch = Cmin maka ε =

) T -(T ) T (T ci hi ho hi (2.39)

2. m• c . Cpc = Cc = Cmin, 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, Rf, 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

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 = 42,80C  Suhu air dingin keluar = 280C  Laju aliran air = 0,2 kg/s

- 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

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 (Thi) = 42,8 oC

• Temperatur fluida dingin masuk alat penukar kalor (Tci) = 28 oC

• Massa aliran fluida panas masuk alat penukar kalor (mh) = 0,2 kg/s

• Massa aliran fluida dingin masuk alat penukar kalor (mc) = 0,2 kg/s 2. Data-data yang diharapkan

• Temperatur air panas keluar alat penukar kalor (Tco) = 38 oC

3. Data-data yang dipilih

• Diameter shell (Ds) = 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 (do) = 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.

3.2. Mencari Temperatur Air Laut Keluar Alat Penukar Kalor Perpindahan panas secara termodinamika untuk fluida panas

(

hi ho

)

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 hi ho o

h =

+ = +

= =313,4 K

Dari tabel sifat-sifat air, diperoleh: T (K) cp (J/kg.K) λ (W/m.K) µ

(N.s/m2) Pr 310 4178 0,628 0,000695 4,62 313,4 cpc λc µc Prc

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 kJ/kg.K 4178,68 kg/s 0,2 Q h o h = − ⋅ ⋅ =

Perpindahan panas secara termodinamika untuk fluida dingin

(

co ci

)

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 : T = 30_c oC, sifat fluida air laut dievaluasi pada temperatur T = 30_c oC, diperoleh : cpc = 4031,856 J/kg⋅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 co ci o

c =

+ =

+ =

Karena nilai T yang baru belum sama dengan nilai _c T yang dimisalkan, maka _c perhitungan dilanjutkan ke iterasi berikutnya hingga nilainya sama. Dan hasilnya ditunjukkan pada tabel berikut:

Tabel 3.1. Perhitungan iterasi temperatur air laut keluar.

Iterasi T (misal) c cpc Tco T (hasil) c

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 : Tco = 32,97463101oC; cpc = 4031.990304 J kg.K; T = 30.48731551c

o C.

3.3. Mencari Panjang Alat Penukar Kalor Perpindahan kalor secara perpindahan panas

LMTD F

A U

Q= _i× _i× ×

Log Mean Temperature Difference

(

) (

)

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

C 8 9,91242811 LMTD 28 38 1 32,9746310 42,8 Ln 28 38 1 32,9746310 42,8 T T T T Ln T T T T LMTD o ci ho co hi ci ho co hi = − − − − − = − − − − − =

Untuk mencari F diperlukan parameter

0,336 P 28 42,8 28 1 32,9746310 T T T T P hi ci hi ho = − − = −− = dan 0,965 R 28 1 32,9746310 38 42,8 T T T T R hi ho co ci = − − = − − =

karena R ≠ 1, maka diperoleh

( )

_{{ }}

( )

(

₍

( )

_{( )}

)

₎

(

)

{

}

_{

_}

(

)

{

(

)

}

(

)

{

}

980246825 , 0 1 2 1 2 1 2 1 2 Ln 1 1 1 Ln 1 2 1 2 R 1 R P 2 1 2 R 1 R P 2 Ln 1 R R P 1 P 1 Ln 1 2 R F 964895686 , 0 964895686 , 0 7 0,33612371 964895686 , 0 964895686 , 0 7 0,33612371 964895686 , 0 964895686 , 0 7 0,33612371 964895686 , 0 7 0,33612371 = + + + − + − + − × − × − − × + = + + + − + − + − × − × − − × + =                                   F

Koefisien pindahan panas menyeluruh, Ui.

h o i i o i c i h 1 r r r r ln k r h 1 1 U + + = a. Tabung

Dari tabel sifat-sifat air laut dengan salinitas 29,2 g/kg, diperoleh: T

(oC)

cp (J/kg.K)

k (W/m.K)

µ

(N.s/m2) Pr 30 4031,856 0,616 0,00084948 5,5652 30,4873155 cpc kc µc Prc

40 4034,612 0,62808 0,00069772 4,4852

5 5,51256992 Pr N.s/m 0,0008421 μ W/m.K 0,616589 k J/kg.K 4 4031,99030 c c 2 c c pc = = = = Bilangan Reynolds 5489674 , 98 6 0,0008421 0,0117 π 37 kg/s 0,2 4 μ d π N m 4 Re c i c c = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

=  = LAMINAR

Bilangan Nusselt dalam tabung: 607464957 , 7 Nu 6585 , 0 0117 , 0 512569925 , 5 5489674 , 98 6 1,86 Pr Re 1,86 Nu c 3 1 3 1 c c c =       _{⋅ ⋅} ⋅ =     _{⋅ ⋅} ⋅ = a i L d

Sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi tabung: .K W/m 9125431 , 00 4 m 0,0117 W/m.K 0,616589 607464957 , 7 d k Nu h 2 i c c c = ⋅ = ⋅ = b. Cangkang Diameter ekivalen: m 9 0,01627371 m 0,0127 m 0,0127 ) m (0,017 π 4 d d p π 4 D 2 o o 2

h = ⋅ − = ⋅ − =

Kecepatan massa transversal:

(

)

(

)

.s kg/m 0944712 , 50 1 G m /0,017 m 0,0127 m 0,017 m 04 , 0 m 1317 , 0 kg/s 0,2 /p d p l D m G 2 T o s h T = − ⋅ ⋅ = − ⋅ ⋅ =  Bilangan Reynolds: 301919 , 749 3 N.s/m 0,0006515 m 9 0,01627371 .s kg/m 2 150,094471 μ D G Re ₂ 2 h h T h = ⋅ = ⋅ = Bilangan Nusselt: 12196731 , 4 5 3072 , 4 301919 , 749 3 0,36 Pr Re 0,36

Nu = ⋅ 0,55_h ⋅ _h1/3 = ⋅ 0,55⋅ 1/3 = Sehingga diperoleh koefisien konveksi pada sisi cangkang:

.K W/m 126353 , 102 2 9 0,01627371 W/m.K 616589 , 0 12196731 , 4 5 D k Nu h 2 h

h = ⋅ =

⋅ =

Temperatur dinding tabung dapat dihitung dengan:

(

)

(

)

(

)

(

)

K 9186163 , 11 3 T 126353 , 102 2 0,0117 0,0127 9125431 , 00 4 48731551 , 303 9125431 , 00 4 313,4 126353 , 102 2 0,0117 0,0127 T h d d h T h T h d d T w w i o c c c h i o w = ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ = ⋅ +⋅ ⋅ + ⋅ =

Dari tabel sifat-sifat air laut dengan T_w =311,9186163-273=38,91861633°C, diperoleh:

T (C)

µ (N.s/m2) 30 0,00084948 38,91861633 µwc

40 0,00069772 µwc = 0,000714131 N.s/m2.

Dari tabel sifat-sifat air dengan Tw =311,9186163K, diperoleh: T

(K)

µ (N.s/m2) 310 0,000695 311,9186163 µwh

315 0,000631 2

wh 0,000666604N.s/m

μ ₌

Nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi tabung sebenarnya adalah:

.K W/m 2707238 , 410 h .K W/m 9125431 , 400 1 0,00071413 0008421 , 0 h μ μ h 2 c 2 0,14 c 0,14 wc c c = ×       = ×     =

Nilai koefisien perpindahan panas konveksi pada sisi cangkang sebenarnya adalah: .K W/m 383005 , 095 2 h .K W/m 126353 , 2102 4 0,00066660 00065148 , 0 h μ μ h 2 h 2 0,14 0,14 wh h h = ×       = ×     =

c. Dinding tabung

Dari tabel sifat-sifat tembaga dengan T_w =311,9186163K , diperoleh: T

(K)

ktembaga (W/m.K)

300 401

311,9186163 k w

400 393

W/m.K 7

400,046510 k_w =

Sehingga, .K 4W/m 347,430191 U 383005 , 095 2 1 0,00635 0,00585 0,00585 0,00635 ln 7 400,046510 0,00585 8 410,270723 1 1 U 2 i i = + + =

Maka panjang tabung:

m 3 32,3289472 L K 8 9,91242811 W/m.K 4 347,430191 5 0,98024682 m 0,0117 π W 4011,5328 L LMTD U F d π Q L LMTD U F Q L d π LMTD U F Q A LMTD A U F Q i i i i i i i i = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ =

Untuk jumlah tabung 37, maka: L = 32,32894723/37 = 0,873755331 m.

Hasil L yang baru berbeda dengan L yang dimisalkan, maka perhitungan berlanjut dengan metode iterasi yang ditunjukkan pada tabel berikut: (diperoleh L = 0,977400102 m dan yang diambil adalah L = 0,977 m).

Tabel 3.2. Hasil perhitungan panjang alat penukar kalor.

Lsem Nufsem hfsem Dh Gt Rec Nucsem

0.6585 7.607464957 400.9125431 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.873755331 6.923015025 364.8421091 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.94658255 6.740711226 355.2347195 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.96847435 6.6895337 352.5376696 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.974834456 6.674953786 351.7693098 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.97666423 6.670782686 351.5494933 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977189173 6.669587964 351.4865316 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977339653 6.669245644 351.4684914 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977382779 6.669147551 351.4633219 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977395138 6.669119441 351.4618405 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.97739868 6.669111386 351.461416 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977399695 6.669109077 351.4612943 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977399985 6.669108416 351.4612595 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977400069 6.669108226 351.4612495 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977400093 6.669108172 351.4612466 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977400099 6.669108156 351.4612458 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977400101 6.669108152 351.4612456 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731 0.977400102 6.669108151 351.4612455 0.016273719 150.0944712 3749.301919 54.12196731

(lanjutan Tabel 3.2.)

Hcsem Tt µtf µtc hf hc λtembaga

2102.126353 311.9186163 0.000714131 0.000666604 410.2707238 2095.383005 400.0465107 2102.126353 312.0335247 0.000712387 0.000664904 373.4861438 2096.1325 400.037318 2102.126353 312.0646607 0.000711915 0.000664443 363.6849126 2096.335963 400.0348271 2102.126353 312.0734423 0.000711781 0.000664313 360.9331662 2096.393376 400.0341246 2102.126353 312.0759473 0.000711743 0.000664276 360.1492014 2096.409757 400.0339242 2102.126353 312.0766643 0.000711733 0.000664265 359.9249187 2096.414445 400.0338669 2102.126353 312.0768696 0.000711729 0.000664262 359.8606776 2096.415788 400.0338504 2102.126353 312.0769285 0.000711729 0.000664261 359.8422708 2096.416173 400.0338457 2102.126353 312.0769454 0.000711728 0.000664261 359.8369963 2096.416283 400.0338444 2102.126353 312.0769502 0.000711728 0.000664261 359.8354848 2096.416314 400.033844 2102.126353 312.0769516 0.000711728 0.000664261 359.8350516 2096.416323 400.0338439 2102.126353 312.076952 0.000711728 0.000664261 359.8349275 2096.416326 400.0338438 2102.126353 312.0769521 0.000711728 0.000664261 359.8348919 2096.416327 400.0338438 2102.126353 312.0769521 0.000711728 0.000664261 359.8348817 2096.416327 400.0338438 2102.126353 312.0769521 0.000711728 0.000664261 359.8348788 2096.416327 400.0338438 2102.126353 312.0769521 0.000711728 0.000664261 359.834878 2096.416327 400.0338438 2102.126353 312.0769521 0.000711728 0.000664261 359.8348777 2096.416327 400.0338438 2102.126353 312.0769521 0.000711728 0.000664261 359.8348777 2096.416327 400.0338438

(lanjutan Tabel 3.2.)

K L

347.4301914 0.873755331 320.6999556 0.94658255 313.4507193 0.96847435 311.4056748 0.974834456 310.8222584 0.97666423 310.6552857 0.977189173 310.6074545 0.977339653 310.5937492 0.977382779 310.5898218 0.977395138 310.5886963 0.97739868 310.5883738 0.977399695 310.5882814 0.977399985 310.5882549 0.977400069 310.5882473 0.977400093 310.5882452 0.977400099 310.5882445 0.977400101 310.5882444 0.977400102 310.5882443 0.977400102

Cangkang pada bagian ini digunakan sebagai saluran air. Bahan yang digunakan untuk cangkang pada bagian ini adalah stainless steels. Dimensi cangkang pada bagian ini adalah diameter cangkang 0,1317 m tebal 4 mm, dan panjang 0,977 m.

Pipa (tube) digunakan sebagai saluran air laut. Bahan yang digunakan untuk pipa (tube) adalah tembaga. Dimensi pipa sesuai dengan hasil perhitungan pada bab 3 yaitu diameter luar pipa 0,0127 m, tebal pipa 0,5 mm, dan panjang pipa 1 m. Serta jumlah pipa adalah 37 buah.

Gambar 3.4. Tabung alat penukar kalor dengan susunan tabung segiempat.

Bagian depan yang tetap (front end stationary head) cangkang pada bagian ini digunakan sebagai saluran masuk air laut. Bahan yang digunakan untuk pada bagian ini adalah stainless steels. Dimensi pada bagian ini adalah diameter 0,1317 m, tebal 4 mm, dan panjang 120 mm.

Sekat (baffle) digunakan untuk membuat aliran air didalam shell menjadi aliran menyilang (cross flow). Bahan yang digunakan untuk sekat (baffle) adalah aluminium. Dimensi sekat (baffle) adalah diameter sekat 0,1307 m dan tebal sekat adalah 2 mm. Serta jumlah sekat adalah 37 buah.

Gambar 3.6. Baffle alat penukar kalor dengan baffle cut 30,37%.

Tubesheet digunakan sebagai dudukan tabung pada kedua ujung cangkang,

yang dipasang diantara cangkang dan header. Bahan yang digunakan untuk Tubesheet adalah aluminium dengan tebal 2 mm dan diameter luar 170 mm.

Baut dan mur digunakan untuk mengikat bagian depan (front endhead)dengan cangkang serta mengikat bagian ujung belakang (rear end head)

dengan cangkang. Baut dan mur yang digunakan adalah baut dan mur 10 mm. Jumlah baut dan mur yang digunakan adalah 16 buah

Gambar 3.8. Baut dan mur.

(a.)

(b.)

Gambar 3.9. Alat penukar kalor yang telah dirakit. (a.) bagian dalam; (b.) bagian luar.

BAB IV

METODE PENELITIAN

4.1. Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4.2. Bahan dan Alat

Bahan-bahan penelitian yang akan dirakit terdiri atas: 1. Tabung tembaga dengan diameter luar 12,7 mm.

2. Bahan cangkang terbuat dari stainless steel dengan diameter dalam 131,7 mm.

3. Bahan pelat aluminium sebagai baffle dengan tebal 2 mm. 4. Lem silicon sebagai bahan perekat.

5. Selang plastik yang tahan panas untuk alat ukur tekanan. 6. Pipa cast iron ¾ in.

7. Header dengan terbuat dari stainless steel. 8. Triplek sebagai isolator tanki air.

9. Paking tahan panas dengan tebal 2 mm

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah:

1. Pompa Sirkulasi, untuk mensirkulasikan air, dengan data-data teknis sebagai berikut:

Head : H = 35m

Kapasitas : Q = 42 liter /menit Daya : P = 125 watt Putaran : 2850 rpm

Gambar 4.1 Pompa Sirkulasi

2. Termo resistance PT 100 ohm, untuk mengukur suhu.

Gambar 4.2 Termo resistance 3. Termokopel.

4. Tanki pemanas, tempat untuk memanaskan air.

Gambar 4.5 Tangki Pemanas.

5. Pemanas air 5000 W, alat pemanas yang dicelupkan kedalam air pada tanki pemanas.

Gambar 4.6 Pemanas air 5000 W.

6. Katup kontrol, untuk mengatur laju aliran air yang mengalir.

7. Manometer air pipa U untuk mengukur perbedaan tekanan dalam cangkang.

Gambar 4.8 Manometer Air. 8. Katup, elbow, water mur, dan sambungan pipa.

4.3 Dimensi Utama Penelitian

Maka dimensi utama APK cangkang dan tabung yang akan digunakan adalah sebagai berikut:

Tabel 4.1. Dimensi Perancangan Alat.

Parameter Dimensi

Panjang cangkang 977 mm

Diameter dalam cangkang 131,7 mm

Diameter luar tabung 12,7 mm

Pitch ratio 17 mm

Jumlah tabung 37

Baffle cut 5,31%; 18,22%; 30,37%; 43,28%

Tebal baffle 2 mm

Jarak baffle 40 mm

Susunan tabung Segiempat

Susunan beberapa komponen peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 4.9.

Keterangan gambar: 1. Katup bola. 2. Manometer U. 3. Tangki air. 4. Pemanas. 5. Termokopel.

6. Alat penukar kalor cangkang tabung. 7. Pompa sirkulasi.

4.4. Pelaksanaan Penelitian 4.4.1. Persiapan Pendahuluan

1. Jarak baffle diatur sesuai yang diinginkan.

2. Alat dan bahan penelitian dirangkai menjadi peralatan yang siap. dipergunakan. Termokopel dipasang pada titik yang telah direncanakan dan dihubungkan dengan alat penunjuk suhu, demikian juga pemasangan alat ukur tekanan, flowmeter dan katup sebagai pengatur aliran.

4.4.2. Tahap pengambilan data

Dapat dilaksanakan setelah seluruh tahap persiapan rampung. Pengambilan data diawali dengan:

1. Memanaskan lebih dahulu air di dalam tangki pemanas dengan menghidupkan heater, sementara katup tetap ditutup agar proses pemanasan air berlangsung cepat. Setelah beberapa lama maka pompa air demin dijalankan beberapa kali untuk mensirkulasikan air panas agar suhu air pada sistem menjadi seragam.

2. Setelah suhu air dalam tangki penampung mencapai suhu pengujian 42,8oC kemudian pompa air demin dijalankan secara kontinu selama pengujian, demikian juga laju aliran diatur pada katup sebesar 0,2 kg/s.

3. Kemudian pompa air laut dijalankan dengan kapasitas 0,2 kg/s. 4. Setelah besaran-besaran dari penunjukan alat ukur menjadi stabil,

maka pencatatan besaran-besaran tersebut dapat dilakukan dan hasilnya diambil sebagai data pengamatan penelitian.

5. Setiap kali pengamatan, dilakuan dengan cara yang sama pada baffle cut 5,31%; 18,22%; 30,37%; 43,28% dengan jarak baffle 40

mm.

4.5. Analisa Data

Dengan menggunakan persamaan-persamaan yang diberikan dalam tinjauan pustaka, data hasil pengukuran digunakan untuk menghitung bilangan Reynold, bilangan Nusselt, koefisen perpindahan kalor menyeluruh. Data eksperimental APK cangkang dan tabung ditabulasi seperti berikut:

Tabel 4.2. Analisa Data. Baffle

Cut (%)

Jarak baffle (mm)

T1m (0C)

T1k (0C)

T2m (0C)

T2k (0C)

m1 (kg/s)

m2 (kg/s)

∆P

(kPa) 5,31

40

42,8 0,2 0,2

18,22 42,8 0,2 0,2

30,37 42,8 0,2 0,2

BAB V

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

5.1 Data Hasil Pengujian

Adapun data yang diperoleh dari hasil penelitian yang dilakukan di Laboratorium, adalah sebagai berikut:

Tabel 5.1. Data Pengujian Baffle

Cut (%)

Jarak Baffle (mm)

Thi (°C)

Tho (°C)

Tci (°C)

Tco (°C)

∆P

(kPa) 43.28 40 42.8 38.9 29 33.6 15.494 30.37 40 42.8 38.4 29 33.9 17.161 18.22 40 42.8 37.9 29 34.5 19.220 5.31 40 42.8 37.2 29 34.9 20.495 5.2 Pengolahan Data

Untuk data pengujian pada baffle cut 43,28%, dilakukan pengolahan data sebagai berikut:

Fluida dalam tabung (tube) adalah air dingin, maka diperoleh: C 3 , 31 2

6 , 33 29 2

T T

T_c = ci + co = + = °

Sifat-sifat air laut pada temperature Tc = 31,3°C, dapat diperoleh dari tabel sifat-sifat air laut Mostafa H. Sharqawy [30]( tabel lampiran 3), dengan interpolasi, maka:

Tabel 5.2. Sifat-sifat air laut (pada salinitas 29,2 g/kg)

T (°C) μ (kg/m.s) cp (J/kg.K) k (W/m.K) Pr

30 0,000849 4031,856 0,616 5,5652

31,55 μc = 0,00083 cpc = 4032,214 kc = 0,61757 Prc = 5,4248

BMiu = Daf(2, i) Bk = Daf(3, i) BPr = Daf(4, i) Exit For End If Next i

If ATem = BTem Then ketCp = ACp

ketMiu = AMiu ketk = Ak ketPr = APr Else

Perb = (BTem - Temp) / (BTem - ATem) ketCp = BCp - Perb * (BCp - ACp) ketMiu = BMiu - Perb * (BMiu - AMiu) ketk = Bk - Perb * (Bk - Ak)

ketPr = BPr - Perb * (BPr - APr) End If

End Sub

Sub TabelTembaga(Tem, ketkond)

'Tabel Tembaga berdasarkan Incropera sebagai berikut 'Urutannya adalah Temperatur, kond

Dim Daf(1, 5), Tes Dim i As Integer

Temp = Val(Tem + 273.15)

Daf(0, 0) = 100: Daf(1, 0) = 482: Daf(0, 1) = 200: Daf(1, 1) = 413: Daf(0, 2) = 300: Daf(1, 2) = 401: Daf(0, 3) = 400: Daf(1, 3) = 393:

Daf(0, 4) = 600: Daf(1, 4) = 379: Daf(0, 5) = 800: Daf(1, 5) = 366: For i = 0 To 5 Step 1

Tes = Daf(0, i) - Temp If Tes >= 0 Then ATem = Daf(0, i) Akond = Daf(1, i) Exit For

End If Next i

For i = 5 To 0 Step -1 Tes = Temp - Daf(0, i) If Tes > 0 Then

BTem = Daf(0, i) Bkond = Daf(1, i) Exit For

End If Next i

If ATem = BTem Then ketkond = Akond Else

Perb = (BTem - Temp) / (BTem - ATem) ketkond = Bkond - Perb * (Bkond - Akond) End If

End Sub

Function ln(numX)

ln = (Log(numX) / Log(Exp(1))) End Function

Gambar L.6. Pemasangan sekat pada bundle tabung.

Gambar L.8. APK yang siap diuji.

Gambar L.10. Pengambilan data.