Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung

Alat penukar kalor selongsong dan tabung umumnya banyak digunakan dalam industri proses, sekurang-kurangnya 60 dari semua APK yang digunakan, karena dapat di-disain untuk menjalankan lebih banyak tekanan dan temperatur seperti yang dijumpai dalam industri proses. APK ini dapat juga dikonstruksi dari bermacam- macam material. Tunggul [10] menjelaskan beberapa keuntungan APK selongsong dan tabung bahwa konstruksinya sederhana, dapat dipisah satu sama lain tidak merupakan satu kesatuan yang utuh sehingga pengangkutannya relatif mudah, pemakaian ruang relatif kecil, dan mudah membersihkannya. Farel H Napitupulu [6] melakukan kajian eksperimental efektifitas alat penukar kalor selongsong dan tabung shell and tube sebagai pemanas air dengan memanfaatkan energi thermal gas buang motor diesel bahwa dapat mencapai efektifitas tertinggi 82,496 untuk debit air masuk konstan 5 Litermenit. Gambar 2.1 : APK Selongsong dan Tabung Universitas Sumatera Utara Tipe APK selongsong dan tabung susunan yang lazim diklasifikasikan menurut nomenklatur Tubular Exchanger Manufacturer’s Association TEMA of the Unated States. Salah satu tipe APK selongsong dan tabung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Alat Penukar Kalor ini mempunyai selongsong tipe E yaitu satu laluan selongsong single-pass shell dan satu laluan tabung single-pass tube serta dilengkapi dengan sekat buffle. Yang dimaksud dengan laluan selongsong adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk kedalam selongsong melalui saluran masuk inlet nozzle, dan melewati bagian dalam selongsong melintasi bundel tabung, kemudian keluar dari saluran buang outlet nozzle. Apabila lintasan itu dilakukan satu kali maka disebut satu laluan selongsong single-pass shell, kalau terjadi dua kali disebut dengan dua laluan selongsong two-pass shell. Untuk fluida di dalam tabung, jika fluida masuk ke dalam penukar kalor melalui bagian depan front head lalu mengalir ke dalam tabung dan langsung keluar dari bagian belakang rear head, maka disebut dengan satu laluan tabung single- pass tube. Apabila fluida itu membelok lagi masuk ke dalam tabung, sehingga terjadi dua kali lintasan fluida dalam tabung maka disebut dua laluan tabung two-pass tube. Biasanya jumlah laluan selongsong pass shell lebih sedikit atau sama dengan jumlah laluan tabung pass tube. Susunan tabung yang biasa digunakan adalah susunan tabung bujur sangkar In-line square pitch, susunan tabung belah ketupat rotated square pitch, susunan tabung segitiga triangular pitch, dan susunan tabung layang-layang rotated triangular pitch seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.2 : Bentuk Susunan Tabung Umumnya aliran fluida dalam selongsong adalah aksial terhadap tabung atau menyilang. Untuk membuat aliran fluida dalam selongsong menjadi aliran menyilang biasanya ditambah dengan sekat. Sekat ini juga berfungsi untuk mendukung tabung dan menahan vibrasi. Bentuk sekat yang lazim adalah segmental baffle, disc and doughnut baffle, dan orifice baffle. Tipe yang paling banyak dipergunakan adalah segmental baffle dengan pemotongan sekat baffle cut seperti pada Gambar 2.3. Gambar 2.3 : Sekat segmental segmental baffle Secara umum aliran dalam sisi selongsong yang menggunakan sekat sangat kompleks. E.S Gaddis [7] menganalisa bahwa aliran dalam sisi selongsong sebagian tegak lurus dan sebagian sejajar terhadap bundel tabung seperti yang ditunjukkan Universitas Sumatera Utara pada Gambar 2.4. S H merupakan aliran utama. Selain itu celah antara tabung dengan sekat dan celah antara sekat dengan selongsong terdapat kebocoran aliran S L . Demikian juga tabung tidak dapat ditempatkan sangat dekat dengan selongsong sehingga menyebabkan terbentuknya aliran bypass S B . Gambar 2.4 : Bentuk aliran dalam sisi selongsong Macbeth Taborek et al [13] juga mengamati pengaruh kebocoran aliran pada celah antara sekat dengan selongsong dan antara sekat dengan tabung terhadap koefisien perpindahan kalor konveksi dengan menggunakan pemotongan sekat baffle cut yang bervariasi antara 18,4 sampai 37,5 dari diameter selongsong, maka diperoleh hasil bahwa semakin besar celahnya semakin kecil koefisien perpindahan kalor konveksi. Yilmaz M [14] meneliti pengaruh perubahan ketinggian sekat pada setiap bilangan Reynold yang berbeda. Pengamatannya dilakukan dalam saluran berpenam- pang persegi yang menggunakan sekat. Parameter ketinggian sekat merupakan variasi perbandingan antara tinggi sekat dengan tinggi saluran CH dengan variasi Universitas Sumatera Utara perbandingan 0,6 dan 1 serta sudut kemiringan sekat 30 o , 45 o , 60 o , dan 90 o . Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa perpindahan panas dan faktor gesekan secara signifikan tergantung pada sudut kemiringan sekat, perbandingan tinggi sekat dengan tinggi saluran dan bilangan Reynold. Hasil penelitiannya juga menunjukkan bahwa bilangan Nusselt dan faktor gesekan meningkat dengan berkurangnya rasio CH dan kenaikan sudut sekat. Aliran fluida yang melintas bundel tabung dalam posisi miring diamati oleh Zukauskas Taborek et al [15]. Variasi sudut kemiringan sekat diamati dari posisi arus datang yang tegak lurus 90 o sampai kemiringan 30 o . Hasil pengamatan menunjukkan bahwa semakin besar sudut arus fluida yang menuju bundel tabung semakin besar pula faktor koreksi terhadap sudut lintasnya. Hasil ini menunjukkan bahwa proses perpindahan kalor paling efektif terjadi jika menggunakan arus aliran yang datang tegak lurus terhadap bundel tabung. Pemasangan sekat pada alat penukar kalor akan mempengaruhi kecepatan fluida yang melintasi luas frontalnya dan akan berakibat langsung pada koefisien perpindahan kalor. Kern [3] mengatakan adanya pemasangan sekat adalah untuk mengarahkan aliran fluida dalam selongsong menjadi melintang cross flow terhadap berkas tabung, dan juga menjadikan aliran tersebut lebih turbulen. Aliran turbulen dapat meningkatkan perpindahan kalor. Dalam pengkajian eksperimental yang dilakukan oleh Li dan Kottke [1] pada penukar kalor selongsong dan tabung dengan susunan tabung berselang-seling menyimpulkan pertambahan jarak sekat dapat meningkatkan koefisien perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan lebih tinggi, dari pada jarak sekat yang Universitas Sumatera Utara pendek. Kern [3] juga menambahkan bahwa semakin banyak jumlah sekat yang digunakan atau jarak antar sekat semakin pendek maka akan menambah derajat turbulensi aliran dan juga penurunan tekanan pressure drop. Dilain pihak Tunggul [10] mengemukakan apabila jarak antar sekat dibuat terlalu jarang atau panjang, maka aliran fluida akan menjadi aksial sehingga tidak terdapat aliran yang melintang, sebaliknya jika jarak antar sekat dibuat terlalu sempit atau kecil, maka akan menimbulkan bocoran yang berlebihan antara sekat dengan selongsong. Kemudian Taborek [8] dan Kern [3] menyarankan bahwa jarak antar sekat dapat bervariasi antara minimum 20 dari diameter selongsong sampai dengan maksimum sama dengan diameter selongsong. Soltan et al [16] menetapkan persa- maan korelasi untuk perhitungan jarak sekat optimum pada APK kondenser tipe E dan J sebagai berikut : Lbc = Sm[L bb + D ctl 1-D t L tp ] Mukherjee [9] mengemukakan bahwa pemotongan sekat baffle cut yang ideal antara 20 sampai dengan 35 dari diameter selongsong. Jika pemotongan sekat diambil kurang dari 20 dengan maksud agar koefisien perpindahan kalor konveksi pada sisi selongsong bertambah atau pemotongan diambil lebih dari 35 dengan maksud agar kerugian tekanan berkurang, maka hasil yang diperoleh umumnya akan merugikan. Zukauskas Yunus A. Cengel [17] mengusulkan rumus korelasi untuk perhitungan koefisien perpindahan kalor konveksi aliran menyilang melintas bundel tabung selang-seling staggered seperti berikut ini : Universitas Sumatera Utara 25 , Pr Pr Pr Re Nu ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = = s n m D D C k D h dimana nilai konstanta C, m, dan n tergantung pada bilangan Reynolds. Persamaan ini berlaku untuk jumlah baris tabung N 16 dan 0,7 Pr 500 serta 0 Re D 2 x 10 6 . Bila jumlah baris tabung N 16 maka persamaan diatas dimodifikasi dengan menga- likan faktor koreksi F. Selain itu persamaan empiris untuk koefisien perpindahan kalor konveksi yang banyak diterapkan pada alat penukar kalor komersil, Janna [4] merumuskan sebagai berikut : 33 , 55 , Pr Re 36 , Nu = Kemudian Sparrow [18] dalam penelitiannya mengemukakan bahwa persa- maan korelasi untuk menentukan koefisien perpindahan kalor konveksi adalah : 36 , 63 , Pr Re ] K 29 , 1 [exp 453 , Nu − = dimana faktor K menyatakan pemotongan sekat baffle cut. Penurunan tekanan dalam sisi selongsong shell sangat dipengaruhi oleh faktor gesek dan laju aliran fluida. Besar faktor gesek f dalam sisi selongsong berkorelasi langsung dengan bilangan Reynolds, seperti yang dikemukakan oleh Pekdemir, at al [19] bahwa penurunan tekanan adalah fungsi dari bilangan Reynolds. Gaddis E. S dan Gnielinski V [7] merumuskan perhitungan kerugian tekanan pada sisi selongsong shell adalah sebagai berikut : ∆p = n u – 1 ∆p q + ∆p QE + n u ∆p F + ∆p s Universitas Sumatera Utara Demikian juga Kakac dan Liu [4] merumuskan persamaan korelasi untuk faktor gesek sebagai berikut : f = exp 0,576 – 0,19 ln Re Selain itu Jegede [20] mengemukakan bentuk hubungan fungsional faktor gesek dengan bilangan Reynolds sebagai berikut : f = 1,79 Re -0,19 Demikian juga menurut Jakob Holman [21], persamaan empiris untuk faktor gesek pada bundel tabung selang-seling sebagai berikut : 16 , 08 , 1 Re 118 , 25 , f − ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − + = d d S n Menurut Sappu [11] dari hasil penelitiannya menunjukkan bahwa koefisien perpindahan kalor dan faktor gesek terjadi pada posisi sekat baffle tegak lurus terhadap tabung. Korelasi empiris koefisien perpindahan kalor dan kerugian tekanan masing-masing dinyatakan dalam hubungan fungsional yaitu : Nu = 0,26 Re 0,58 sin θ 0,91 dan f = 4,2 Re -0,17 sin θ 0,52 dimana, 18680 Re 53120 dan 45 o ≤ θ ≤ 90 o

2.2 Landasan Teori