Dengan menganggap diameter dalam D
i
dan diameter luar D
o
, diameter hidraulik annulus adalah
D
h
= =
= D
o
- D
i
2.17 Pada alat penukar kalor tabung sepusat ini terdapat dua bilangan Nusselt,
yakni pada permukaan dalam pipa Nu
i
dan pada permukaan dalam pipa Nu
o
. Bilangan Nusselt untuk aliran laminar yang berkembang penuh dengan
permukaan yang temperaturnya konstan dan permukaan luarnya diisolasi, dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 2.1 : Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan
lainnya adiabatik D
i
D
o
Nu
i
Nu
o
- 3,66
0,05 17,46
4,06 0,10
11,56 4,11
0,25 7,37
4,23 0,50
5,74 4,43
1,00 4,86
4,86
Sumber : Heat and Mass Transfer, Cengel
Jika bilangan Nusselt diketahui, koefisien perpindahan panas untuk permukaan pipa bagian dalam dan bagian luar dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan Nu
i
= 2.18
Nu
o
= 2.19
2.6 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh
Sebuah alat penukar kalor terdiri dari 2 fluida yang mengalir yang dipisahkan oleh sebuah dinding yang solid. Pertama sekali panas dipindahkan dari
fluida panas ke dinding melalui konveksi, kemudian melewati dinding melalui konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi melalui konveksi. Efek radiasi
apapun biasanya termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi. 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
Gambar 2.15 : Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor tabung sepusat
Sumber : Heat and Mass Transfer, Cengel
Huruf kecil i dan o adalah permukaan dalam dan permukaan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung sepusat, A
i
= D
i
L dan A
o
= D
o
L, sehingga tahanan termal dinding tabung adalah
R
dinding
= 2.20
Gambar 2.16 : Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis D
i
≈D
o
dan A
i
≈A
o
Sumber : Heat and Mass Transfer, Cengel
k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga tahanan termal total menjadi
R = R
total
= R
i
+ R
dinding
+ R
o
= +
+ 2.21
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 =
= UA ΔT = U
i
A
i
ΔT = U
o
A
o
ΔT 2.22
U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh Wm
2
°C. Rumus diatas menjadi :
= =
= R = + R
dinding
+ 2.23
Sebagai catatan bahwa U
i
A
i
= U
o
A
o
tetapi U
i
≠ U
o
kecuali A
i
= A
o
2.7 Faktor Kotoran
Performansi alat penukar kalor biasanya semakin menurun dengan bertambahnya waktu pemakaian sebagai akibat terjadinya penumpukan kotoran
pada permukaan alat penukar kalor. Lapisan kotoran tersebut menimbulkan hambatan tambahan pada proses perpindahan panas dan mengakibatkan
penurunan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor. Penumpukan kotoran
pada alat penukar kalor disebut faktor kotoran R
f
yang menjadi ukuran dalam tahanan termal.
Faktor kotoran adalah nol untuk alat penukar kalor yang baru dan meningkat dengan meningkatnya lama pemakaian sehingga kotoran menempel
pada permukaan alat penukar kalor. Faktor kotoran bergantung pada temperatur operasi dan kecepatan fluida, dan sebanding dengan panjang alat penukar kalor.
Kotoran akan meningkat dengan meningkatnya temperatur dan menurunnya kecepatan.
Mekanisme dimana permukaan menjadi berkerak dapat dipisahkan dan diklasifikasikan berdasarkan proses yakni :
1. Crystallization fouling ; Pengendapan danatau kristal pada permukaan. 2. Particulate fouling ; Akumulasi partikel dari aliran fluida pada permukaan.
3. Biological fouling ; Pengendapan dan pertumbuhan mikroorganisme yang terdapat pada permukaan yang secara alami akibat dari proses yang terjadi
pada aliran. 4. Chemical reaction fouling ; Pengendapan terbentuk akibat dari satu atau lebih
reaksi kimia terhadap pereaksi yang terkandung dalam fluida yang mengalir. 5. Corrossion fouling : Efek dari korosi pada permukaan alat penukar kalor itu
sendiri ataupun bagian lain yang terdapat pada bagian proses. 6. Freezing fouling : Pengendapan terdiri dari lapisan yang membeku akibat dari
partikel fluida pada proses. Tahanan yang diakibatkan oleh kerak dapat dituliskan dalam persamaan
berikut : R
f
= 2.24
x adalah tebal lapisan kerak dan k adalah konduktifitas termal kerak. Persamaan koefisien perpindahan menyeluruh telah diberikan sebelumnya
yang berlaku untuk permukaan alat penukar kalor yang bersih. Persamaan sebelumnya perlu dimodifikasi sebagai efek dari kotoran pada permukaan dalam
dan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung cangkang yang tidak memiliki sirip, persamaan sebelumnya menjadi :
= =
=
R = +
+ +
+ 2.25
A
i
= D
i
L dan A
o
= D
o
L adalah luas area permukaan dalam dan luar alat penukar kalor.
R
f,i
dan R
f,o
adalah faktor kotoran permukaan dalam dan luar alat penukar kalor. Tabel 2.2 : Faktor kotoran untuk berbagai fluida
Fluid R
f,
m
2
. °CW Distiled water, sea water, river water, boiled feedwater :
Below 50 °C Above 50 °C
0.0001 0.0002
Fuel oil 0.0009
Steam oil-free 0.0001
Refrigerants liquid 0.0002
Refrigerants vapor 0.0004
Alcohol vapors 0.0001
Air 0.0004
Sumber : Heat and Mass Transfer, Cengel
2.8 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan Log Mean
