Alat Penukar Kalor TINJAUAN PUSTAKA
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 pengaruh 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 dilalui 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.
Gambar 2.8. Aliran dalam sisi cangkang dengan baffle segmen [16].
Gambar 2.9. Cangkang APK.
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 30
o
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 45
o
diamond square pitch. Susunan tabung yang segitiga merupakan susunan yang sangat popular
dan baik dipakai melayani fluida kotorberlumpur 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 90
o
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 45
o
diamond [18]. a
b
c
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 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
Gambar 2.11. Baffle dengan pemotongan baffle 32,65. Menurut Tunggul [20], ditinjau dari segi konstruksi, sekat dapat
diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu: 1.
Sekat pelat berbentuk segment segmental baffles plate. 2.
Sekat batang rod baffles. 3.
Sekat mendatar longitudinal baffles. 4.
Sekat impingment impingiment baffles. Menentukan jarak antara baffle dengan sekat sangat penting,sebab hal ini
akan langsung mempengaruhi banyaknya lintasan fluida yang melintang di luar tabung. Pada konstruksinya diusahakan agar jarak baffle satu sama lain nya sama.
Dalam hal yang tidak memungkinkan , maka pada bagian –bagian ujungnya dibuat jarak kebih kecil, tetapi harus selalu memperhatikan letak dari nozzle pada
cangkang. Maksudnya nozzle disini adalah saluran fluida masuk tabung dan keluar dari tabung.
Jarak antara baffle baffle spacing atau baffle pitch ini dikenal dua macam yaitu:
1. Jarak antara baffle maksimum yaitu:
B = Diameter sebelah dalam cangkang 2.
Jarak baffle minimum yaitu: B = 15 diameter sebelah dalam cangkang.
Apabila jarak antara baffle dibuat terlalu jarang , maka aliran fluida akan aksial sehingga tidak terdapat aliran melintang, sebaliknya kalau jarak antara
baffle dibuat terlalu sempit, maka akan menimbulkan kebocoran yang berlebihan antara baffle dan cangkang.Sehingga penurunan tekanan makin besar.