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

5

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat yang lain seringkali terjadi dalam
kehidupan sehari-hari, baik penyerapan atau pelepasan kalor untuk mencapai dan
mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kalor
sendiri adalah bentuk energi yang dapat berpindah atau mengalir dari benda yang
memiliki kelebihan kalor menuju benda yang kekurangan kalor.
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat musnah,
contohnya hukum kekekalan massa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang.
Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama kebentuk yang ke dua.
Kalor dapat berpindah dengan tiga macam, yaitu:
1. Pancaran, atau sering disebut dengan radiasi.
2. Hantaran, atau sering disebut konduksi.
3. Aliran, atau sering disebut dengan konveksi.

2.1.1 Perpindahan Panas Radiasi atau Pancaran
Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui
gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor,

keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya, proses
perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang
elektromagnet. Apabila sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan,
sebagian akan dipantulkan , sebagian akan diserap kedalam bahan, dan sebagian
akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan
kalor secara radiasi, maka akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Ciri-ciri radiasi
yaitu:
1. Kalor radiasi merambat lurus.
2. Untuk perambatan kalor tidak membutuhkan medium (misalnya zat cait
atau gas).
Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan berasal energi panas materi
yang dibatasi oleh permukaan, dan tingkat dimana energi yang dilepaskan per
5

Universitas Sumatera Utara

6

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

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

� = ����4 .............................................................................................. (2.2)

Rumus ini berlaku pada benda real.
Dimana :

E = Daya radiasi
� = Emisivitas

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

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

Gambar 2.1 Perpindahan panas secara radiasi (a) pada permukaan, (b)
diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling (Incropera,1996)
Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisivitas �, dan

kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan

yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat
didefinisikan sebagai pemancar dan penyerap yang sempurna. Pada temperatur
dan panjang gelombang yang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat
memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap
semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya.

6

Universitas Sumatera Utara

7

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

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

Gambar 2.2 Gambar tabel konduktivitas termal beberapa bahan logam
(Incropera, 197)
Contohnya sebuah batang silinder dengan material tertentu dimana tidak
ada isolasi pada sisi terluarnya dan salah satu ujungnya dipanaskan dengan api

7

Universitas Sumatera Utara

8

sehingga kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni
T1>T2Seperti yang terlihat pada gambar 2.3 dibawah ini :
T2
qx
T1

Gambar 2.3 Skematik perpindahan panas pada batang (Cengel, 96)
Kita dapat mengukur laju perpindahan panas qx, dan kita dapat
menentukan qx bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT, yakni perbedaan
temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang tegak lurus
bidang. Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita
dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika
ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan
Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus
dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa
qx = A

Δ�
Δx

.................................................................................. (2.3)

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

Gambar 2.4 Perpindahan Panas secara Konduksi (Cengel, 18)
Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan
menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga

8

Universitas Sumatera Utara

9

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

qx = kA

Δ�
Δx

................................................................. (2.4)

k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material
yang penting. Dengan menggunakan limit Δx

0 kita mendapatkan persamaan

untuk laju perpindahan panas,
qx = -kA

��
dx

................................................................... (2.5)

atau persamaan flux panas menjadi:
q”x =

qx
A

= -k

��
dx

............................................................. (2.6)

2.1.3 Perpindahan Panas Konveksi
Yang dimaksud dengan konveksi adalah perpindahan kalor oleh gerak dari
zat yang dipanaskan. Konduksi dan konveksi membutuhkan media perantara
dalam proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi
membutuhkan gerakan fluida untuk

dapat

memindahkan

panas.

Penelitian

menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat bergantung pada sifatsifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas termal k, massa jenis ρ, dan
spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga
bergantung pada bentuk dan kekasaran permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi
oleh tipe aliran seperti laminar atau turbulen. Sehingga kita dapat menyimpulkan
bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung
pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan
panas yang paling kompleks. Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah
diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan
perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang
pendinginan. Berikut pada gambar 2.5 dapat kita lihat gambaran perpindahan
panas secara konveksi.

9

Universitas Sumatera Utara

10

Gambar 2.5 Perpindahan panas secara konveksi (incropera, 6)
qkonveksi = h As (Ts - T∞) .............................................................................. (2.7)
h merupakan koefisien perpindahan panas konveksi, As merupakan luas
permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞
merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

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

perpindahan panas menyeluruh pada bidang datar.

10

Universitas Sumatera Utara

11

Gambar 2.6 Perpindahan panas menyeluruh melalui bidang datar (Holman, 522)
Dalam penghitungan koefisien pindahan panas menyeluruh efek radiasi
apapun biasanya

termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi.

Dimana koefisien pindahan panas melalui bidang datar seperti gambar 2.20
dinyatakan sebagai berikut :
�=1

�� − ��

�ℎ � + ∆���� +1�ℎ �
1
2

........................................................................... (2.8)

Dimana TA dan TB masing-masing adalah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu.
Koefisien pindahan panas menyeluruh U didefenisikan oleh hubungan
q = U A∆Tmenyeluruh ................................................................................ (2.9)
Dimana A merupakan luas bidang aliran kalor. Jaringan tahanan panas
dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari dua tahanan
panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi seperti yang ditunjukkan oleh
gambar berikut. Pada gambar 2.7 dibawah ini dapat dilihat jaringan tahanan
panas.

11

Universitas Sumatera Utara

12

Gambar 2.7 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor (cengel, 671)
Dimana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar
tabung yang berada didalam dan permukaan luar tabung. Untuk alat penukar
kalor tabung sepusat, Ai = DiL dan Ao = DoL, sehingga tahanan termal dinding
tabung adalah
Rdinding =

ln(Do/Di)
2kL

.......................................................... (2.10)

Gambar 2.8 Dua luasan area alat penukar kalor (cengel, 671)
k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga
tahanan termal total menjadi
R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro =

1
ln(Do/Di)
1
+
+
h i Ai
2kL
h o Ao

................ (2.11)

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

12

Universitas Sumatera Utara

13

Q=

ΔT
R

= UA ΔT = UiAi ΔT = UoAo ΔT .............................................. (2.12)

U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2 °C).
Rumus diatas menjadi :
1
1
1
1
1
=
=
=R=
+Rdinding +
UAs Ui Ai Uo Ao
h i Ai
h o Ao

........................... (2.13)

Sebagai catatan bahwa UiAi = UoAo tetapi Ui ≠ Uo kecuali Ai = Ao
2.3 Alat Penukar Kalor
Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti harfiah alat penukar
panas. Pengertian ilmiah dari heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi
untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara
permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada
temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger
dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi,
pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat,
kristalisasi, atau juga untuk mengontrol sebuah proses fluida.
Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah permukaan kontak panas.
Pada permukaan inilah terjadi perpindahan panas dari satu zat ke zat yang lain.
Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat exchanger tersebut,
maka akan semakin tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Pada kondisi
tertentu, ada satu komponen tambahan yang dapat digunakan untuk meningkatkan
luas total bidang kontak perpindahan panas ini. Komponen tersebut adalah sirip.
Alat penukar kalor adalah alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan
panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda tanpa
mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya digunakan
secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus pemanasan dan
sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses pembangkitan
tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran yakni alat
penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai contoh,
pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui pipa
yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang kecil dengan
melewatkan udara diantaranya.

13

Universitas Sumatera Utara

14

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

2.3.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor
Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya
yakni :
a. Chiller
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai
pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan
didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan

dengan fluida

pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media
pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. Contoh gambar chiller
dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini

Gambar 2.9 Chiller sentrifugal (Carl Branan, 437)

14

Universitas Sumatera Utara

15

b. Kondensor
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran
uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai
biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas
atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap
yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin
akan dimasukkan

kedalam

kondensor,

lalu diembunkan

menjadi

kondensat. Pada gambar 2.10 berikut dapat dilihat contoh gambar
kondensor

Gambar 2.10 Kondensor (Holman, 673)
c. Cooler
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas
dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi
perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka
pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan
bantuan fan (kipas). Pada gambar 2.11 berikut adalah gambar dari coller.

Gambar 2.11 Coller (https://en.wikipedia.org/wiki/Chiller)

15

Universitas Sumatera Utara

16

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

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

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

Gambar 2.13 Reboiler
(Sumber: http://megproduction.blogspot.co.id/2011/04/reboiler-design.html)

16

Universitas Sumatera Utara

17

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

Memanaskan fluida

•

Mendinginkan fluida yang panas

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

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

Dari beberapa jenis alat penukar kalor tersebut dapat diklasifikasikan dalam
berbagai tipe, diantaranya :
1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas
a. Tipe kontak tidak langsung
•

Tipe dari satu fase

•

Tipe dari banyak fase

•

Tipe yang ditimbun (storage type)

•

Tipe fluidized bed

b. Tipe kontak langsung
•

Immiscible fluids

•

Gas liquid

17

Universitas Sumatera Utara

18

•

Liquid vapor

2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir
a. Dua jenis fluida
b. Tiga jenis fluida
c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)

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

4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas
a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya
b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya
terdapat cara konveksi 2 aliran
c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2
passaliran masingmasing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi

5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi
a. Konstruksi tubular (shell and tube)
• Tube ganda (double tube)
• Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang
(rod baffle)
• Konstruksi tube spiral
b. Konstruksi tipe pelat
• Tipe pelat
• Tipe lamella
• Tipe spiral
• Tipe pelat koil
c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)
• Sirip pelat (plate fin)
• Sirip tube (tube fin)

18

Universitas Sumatera Utara

19

• Heat pipe wall
• Ordinary separating wall
d. Regenerative
• Tipe rotary
• Tipe disk (piringan)
• Tipe drum
• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran
a. Aliran dengan satu pass
• Aliran Berlawanan
• Aliran Paralel
• Aliran Melintang
• Aliran Split
• Aliran yang dibagi (divided)
b. Aliran multipass
1. Permukaan yang diperbesar (extended surface)
•

Aliran counter menyilang

•

Aliran paralel menyilang

•

Aliran compound

2. Shell and tube
• Aliran pararel yang berlawanan
• Aliran split
• Aliran dibagi (divided)
3. Multipass plat
• N-pararel plat multipass

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

19

Universitas Sumatera Utara

20

untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat,
karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger,
yaitu :
1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat,
misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada
segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk

proses-proses umum

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

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

Fluida
panas
keluar

Pipa annulus

Fluida panas masuk

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

20

Universitas Sumatera Utara

21

Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger:
a) Keuntungan
1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat
exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat
transfer coefficient.
2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface
area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature
cross.
3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan
dengan konstruksi pipa-U.
4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan.
b) Kerugian
1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak
dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.
2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing
dengan single shell dan tube heat exchanger.
3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.

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

Gambar 2.16 Shell and tube heat exchanger (incropera, 707)

21

Universitas Sumatera Utara

22

Keuntungan dari shell and tube:
1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar
dengan bentuk atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk
operasi bertekanan.
3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished).
4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis
material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5. Mudah membersihkannya.
6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished).
7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui
oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu
kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang

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

Gambar 2.17 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent
(Sumber: http://pixhder.com/plate+and+frame+heat+exchanger+design)
22

Universitas Sumatera Utara

23

2.4 Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube
Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah jenis alat penukar panas yang
paling serbaguna dari alat penukar panas lainnya. Alat ini digunakan dalam proses
industri, pembangkit listrik konvensional dan pembangkit tenaga nuklir sebagai
kondensor, generator uap di reaktor air bertekanan pembangkit tenaga listrik, dan
sebagai pemanas air. Alat penukar kalor shell and tube juga dipakai untuk banyak
aplikasi energi alternatif, juga digunakan di beberapa ac dan sistem pendingin
lainnya.
Alat penukar kalor shell and tube memberikan rasio area perpindahan panas
yang relatif besar dan juga mudah untuk dibersihkan. Dua cairan, temperatur awal
yang berbeda, mengalir melalui penukar panas shell and tube. Satu mengalir
melalui tabung (sisi tabung) dan aliran lain di luar tabung tapi di dalam shell (sisi
shell). Panas dipindahkan dari satu fluida ke yang lain melalui dinding tabung,
baik dari tabung sisi ke sisi shell atau sebaliknya. Cairan dapat berupa cairan atau
gas baik pada shell atau sisi tabung. Untuk perpindahan panas secara efisien, besar
perpindahan panas daerah harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan
tabung banyak. Dengan cara ini, panas limbah dapat digunakan.

2.5Konstruksi Alat Penukar Kalor
Ditinjau dari segi kosntruksi dari alat penukar kalor jenisshell and tube,
maka secara umum dapat dikatakan konstruksinya terdiri dari 4 bagian utama
yaitu:
1. Bagian depan yang tetap atau Front Head Stationary Head (dalam
praktek hanya disingkat stationary head).
2. Shell (cangkang) yaitu badan alat penukar kalor itu.
3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head (dalam praktek lebih
sering disebut Rear Head).
4. Berkas tube atau tube-bundle, yaitu kumpulan tube yang dimasukkan
ke dalam tube apk.
Di dalam standart TEMA, masing-masing bagian tersebut (kecuali nomor
3) telah diberikan kode masing-masing dengan mempergunakan huruf.

23

Universitas Sumatera Utara

24

Bagian depan yang tetap (front head stationary) terdiri dari 4 tipe yaitu:
tipe A, B, C dan D. Shell alat penukar kalor terdiri dari 6 tipe, yaitu E, F, G, H, J,
dan K. Bagian ujung belakang (rear end head) APK dibuat 8 tipe yaitu tipe L, M,
N, P, S, T, U dan W. Ketiga gambar itu dapat dilihat pada gambar 2.18 berikut ini.

Gambar 2.18 Standar tipe shell (cangkang), kepala depan dan kepala
belakang shell (kakac, 284)
Bagian-bagian alat penukar kalor shell and tube dapat kita lihat pada
gambar 2.19 dibawah ini.

24

Universitas Sumatera Utara

25

Gambar 2.19 Bagian-Bagian Alat penukar Kalor shell and tube (Frank
Kreith, 308)
Bagian-bagian shell and tube exchanger :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

Channel fixed tip
Hat fixed tip
Channel fixed tip
Channel cover
Stationary head nozzles
Stationary tubes sheet
Tubes
Shell
Shell Cover
Stationary shell flange head
end
11. Shell flange - Rear Head End
12.
13.
14.
15.
16.
17.

Shell Nozzle
Shell cover flange
Expansion Joint
Floating Head Cover
Floating Head Cover
Floating Head Flange

18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.

Head Floating Backing Device
Split Ring Shear
Slip - on backing flange
Floating Head Cover
Floating Tube Sheet Skirt
Packing box flange
Packing
Packing follower ring
Lantern Ring
Tie Rod and Spacer

28. Transverse baffles or Support
Plate
29. Impingement baffles
30. Longitudinal baffles
31. Pass partition
32. Vent Connection
33. Connection

a. Jenis-Jenis Shell (cangkang)
Seperti diketahui bahwa bentuk konstruksi shell alat penukar kalor
terdiri dari 7 jenis, yaitu E, F, G, H, J, K dan X. masing-masing jenis kontruksi
mempunyai karakteristik sendiri, untuk itu diperlukan pertimbangan dalam
menentukan pemilihan penggunaannya.

25

Universitas Sumatera Utara

26

Shell tipe E merupakan salah satu jenis shell yang paling ekonom is,
efisiensi termalnya baik, terdiri dari satu pass. Factor koreksi selisih temperatur
rata-rata (Log mean temperature difference- F factor) tinggi. Sesuai kebutuhan
operasi, apabila terdapat aliran multi pass dalam shell, perlu dipertimbangkan
apakah menggunakan 1 shell tipe E F.
Dalam hal ini pilihan mungkin akan lebih ekonomis. Tetapi sebaliknya
supaya dipikirkan apakah tidak terjadi kesulitan lain dengan pilihan itu, seperti
masalah perbaikan memasukkan dan mengeluarkan tube bundle, dan kerugian
panas. Segi lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan shell adalah
penurunan tekanan atau pressure drop. Jika pressure drop pada sisi shell
dibatasi , apakah tidak lebih baik menggunakan shell dengan tipe J, walaupun
pada tipe ini terjadi kerugian panas (faktor koreksi F rendah). Masalah pressure
drop juga dapat diatasi oleh shell tipe G dan H, dimana terjadi pemisahan
aliran dan sedikit mengorbankan faktor koreksi F.
Alat penukar kalor dengan satu laluan cangkangadalah tipe yang paling
banyak digunakan karena konstruksinya sederhana dan harganya pun murah.
Dalam tipe ini, cairan masuk disalah satu ujung shell, dan keluar pada ujung
yang lain. Tabung mungkin mempunya satu laluan atau dua laluan dan dapat
didukung oleh baffle melintang. Jenis cangkang ini adalah yang paling banyak
digunakan untuk aplikasi fluida satu fasa. Pada gambar 2.20 dibawah ini dapat
dilihat aliran tiap-tiap shell.

Gambar 2.20 Sket skematik dari beberapa tipe cangkang yang sering
digunakan (kakac, 286)
26

Universitas Sumatera Utara

27

b. Tube dan Jumlah Aliran Tube
Pemilihan yang menyangkut tube antara lain adalah jenis bahan tube
sesuai dengan suhu, tekanan dan sifat korosi fluida yang mengalir, dan ukuran
tube (diameter dan panjangnya). Ukuran tuba biasa nya 3/8 sampai 2 inci O.D.
apabila dipergunakan tube dengan fin (sirip), maka harus dipilih apakah tube
dengan sirip kecil (0,05 inci = 1,27 mm) atau sirip tinggi (high fin) biasanya
0,63 sampai 0,75 inci atau 1,6 mm sampai 19,05 mm dan jumlah sirip berkisar
antara 16 sampai 19 sirip per inci.
Jumlah lintasan aliran pada tube berkisar antara 1-16 pass. Semakin
banyak pass aliran akan menimbulkan penurunan efisiensi pada alat penukar
kalor sebagai akibat dari pola alirannya.

c. Susunan dan Jumlah Tube
Kemampuan melepas dan menerima panas suatu alat penukar kalor
dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan (heating surface). Besarnya luas
permukaan itu tergantung dari

panjang, ukuran dan jumlah tubes yang

dipergunakan pada alat penukar kalor.
Dibawah ini terdapat beberapa susunan tubes alat penukar kalor, yaitu
tube dengan susunan segitiga (triangular pitch), tube dengan susunan segitiga
diputar 30o (rotated triangular pitch), tube dengan susunan bujur sangkar (inline square pitch) dan tube dengan susunan belah ketupat atau bentuk bujur
sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch). Susunan tabung dapat dilihat
seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 berikut ini.

Gambar 2.21 Sudut susunan tabung (kakac, 292)

27

Universitas Sumatera Utara

28

Susunan tube yang membentuk 45o atau susunan tube diamond seperti
yang ditunjukkan pada gambar diatas merupakan jenis kondisi menengah. Dan
susunan tube ini lebih mudah dirancang daripada susunan tube yang
membentuk sudut 30o. pembersihan bagian luar tube dilakukan dengan
pembersihan mekanik seperti pada bujur sangkar.
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis-Jenis Susunan Tabung
NO
1

Susunan Tube
Bujur Sangkar

Kelebihan

Kekurangan

Mudah dibuat dan bagus Koefisien
untuk

kondisi

yang perpindahan

memerlukan jatuh tekanan panas
rendah.

rata-

untuk ratanya rendah

Baik

pembersihan luar tube secara
mekanik serta baik untuk
fluida yang kotor.
2

Susunan Diamond Mudah dibuat dan jumlah Koefisien
(Bujur
diputar 45o)

sangkar tube

yang

lebih

daripada

susunan

sangkar

serta

perpindahan

banyak perpindahan
bujur panas
koefisien ratanya

panas

ratarelative

rata- rendah

ratanya lebih baik dari bujur
sangkar, tetapi tidak sebaik
susunan segitiga dan segitiga
yang diputar. Mudah untuk
pembersihan secara mekanis
dan baik untuk fluida yang
kotor.

28

Universitas Sumatera Utara

29

3

Susunan Segitiga

Koefisen perpindahan panas Tidak baik untuk
rata-ratannya paling tinggi fluida yang kotor,
diantara semua susunan tube. dan pembersihan
Dapat dibuat jumlah tube yang

dilakukan

yang lebih banyak sebab secara
susunannya lebih kompak.

kimia

(chemical
cleaning).
Cukup

rumit

untuk dibuat.
4

Susunan

Segitiga Koefisien perpindahan panas Pembersihan

Yang diputar

rata-ratanya yang tinggi tapi yang
tidak

sebesar

dilakukan

susunan secara

kimia

segitiga. Dapat digunakan (chemical
untuk fluida kotor

cleaning)

Secara teoritis dapat dihitung berapa jumlah tube yang diperlukan suatu
alat penukar kalor pada beban tertentu. Hasil perhitungan itu tidak selalu cocok
apabila di konstruksikan. Hal ini lebih nyata pada alat penukar kalor yang multi
pass. Jumlah tube secara teoritis dapat dihitung dengan rumus:
�� 2

���

�� = 0,785�( �� ) (�� )2 (�� )2 .......................................... (2.14)

Dimana CTP adalah jumlah perhitungan tabung konstan yang mewakili
diameter dalam cangkang terhadap tabung.
Satu laluan tabung, CTP = 0,93
Dua laluan tabung, CTP = 0,90
Tiga laluan tabung, CTP = 0,85
CL adalah layout tabung yang konstan:
CL = 1 untuk susunan bujur sangkat dan susunan diamond
CL = 0,87 untuk susunan segitiga dan segitiga yang diputar
Dan PR adalah pitch ratio.

29

Universitas Sumatera Utara

30

d. Jarak Tube (Tube Pitch)
Jarak tube pitch ini erat hubungannya dengan ukuran tube, susunan
tube (layouts) dan sistem pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tube.
Biasanya jarak antar tube (tube pitch) ini adalah berkisar 1,25 (untuk fluida
bersih) sampai 1,5 (untuk fluida kotor) dikali diameter luar tube.

e. Baffel
Baffel atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor
mempunyai beberapa fungsi, yaitu:
1. Struktur untuk menahan tube-bundel.
2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran pada tabung.
3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang
mengalir diluar tubes (shell side).
Fungsi tersebut selalu menyatu pada setiap pemasangan baffle, namun
adakalanya satu sama lainnya harus diperketat persyaratannya untuk tujuantujuan yang khusus. Kadang-kadang para perencana sering melupakan adanya
getaran pada tubes bundel, karena dalam prakteknya kerusakan karena akibat
getaran itu sangat sedikit sekali. Pada gambar 2.17 nomor 31 terdapat passpartitionyang dipasang pada front-end alat penukar kalor. Bagian ini juga
berfungsi sebagai baffel atau sekat aliran fluida yang masuk kedalam front end
itu, yang selanjutnya membelok masuk kedalam tube penukar kalor.
Dengan memasang plat-partition pada penukar kalor dapat menambah
jumlah pass aliran fluida di dalam tube. Sedangkan pemasangan baffel pada
sisi shell tidak menambah jumlah aliran di shell tersebut.
Ditinjau dari segi konstruksi, baffel dapat diklasifikasikan dalam 4
kelompok, yaitu:
1. Sekat pelat berbentuk segmen (segmental baffles plate).
2. Sekat batang (rod baffles).
3. Sekat mendatar (longitudinal baffles).
4. Impingement baffles.

30

Universitas Sumatera Utara

31

Biasanya jenis sekat ini dipergunakan secara sendiri-sendiri, namun
dalam hal eperluan khusus, dapat dikombinasikan jenis yang satu dengan yang
lainnya. Hal ini jarang sekali dilakukan.
Plat baffel berbentuk segmen yang sering digunakan ditunjukkan pada
gambar 2.22 dibawah ini.

Gambar 2.22 Jenis Plat Baffel (kakac, 297)
Sekat plat berbentuk segmen dipasang dengan posisi tegak lurus
terhadap tubes. Disamping membelokkan aliran, sekat ini juga berfungsi untuk
menyangga tubes agar tidak terjadi getaran tubes akibat aliran di luar dan di
dalam tubes.
Konstruksi sekat ini terdiri dari bahan plat yang dilubangi untuk
memasukkan tube kedalamnya. Pada setiap alat penukar kalor dipergunakan
lebih dari satu baffel.

31

Universitas Sumatera Utara

32

2.6 Aliran di Dalam Alat Penukar Kalor
Cairan atau gas yang melewati tabung atau tube biasanya digunakan dalam
proses pemanasan ataupun pendinginan. Fluida yang digunakan dalam banyak
aplikasi tersebut dipaksa untuk mengalir dengan menggunakan kipas ataupun
pompa melalui sebuah pipa yang panjang yang diharapkan terjadi perpindahan
panas. Pada aliran dalam dibatasi oleh luas permukaan bagian dalam pipa, dan
terdapat batasan seberapa besar lapisan batas dapat berkembang. Aliran dalam
adalah bukan aliran yang bebas sehingga kita membutuhkan suatu alternatif.
Kecepatan fluida didalam pipa berubah dari nol pada permukaan karena tidak ada
slip yang terjadi, sampai kecepatan maksimum pada pusat pipa. Disisi lain, sangat
nyaman untuk menghitung dengan menggunakan kecepatan rata-rata u dengan
asumsi bahwa aliran adalah inkompresibel pada saat luas permukaan pipa konstan.
Kecepatan rata-rata aktual pada saat kondisi pemanasan dan pendinginan
dapat berubah karena perubahan massa jenis dengan temperatur. Secara praktis,
kita menghitung sifat-sifat fluida pada temperatur rata-rata dan menganggapnya
konstan. Persamaan untuk menghitung kecepatan rata-rata berasal dari hukum
kekekalan massa, yakni
.

ṁ = ρuAc = ∫Ac ρu(r,x)dAc .......................................... (2.15)

ṁ adalah laju aliran massa, ρadalah rapat massa, Ac adalah luas permukaan,
dan u(r,x) adal ah profil kecepatan. Sehingga kecepatan rata-rata untuk aliran
inkompresibel pada sebuah pipa dengan radius R adalah
.

�

∫ ρu(r,x)dAc ∫0 ρu(r,x)2rdr 2 �
u = Ac
=
= 2 ∫ u(r,x)rdr .......... (2.16)
ρAc
ρR2
R 0

Aliran didalam pipa dapat berupa aliran laminar ataupun turbulen, bergantung
pada kondisi aliran. Aliran fluida digambarkan dengan menggunakan garis arus

dan pada kecepatan yang rendah terjadi aliran laminar, tetapi berubah menjadi
aliran turbulen ketika kecepatannya meningkat melalui nilai kritis. Transisi dari
aliran laminar ke aliran turbulen tidak terjadi dalam waktu yang singkat, namun
itu terjadi melalui rentang kecepatan yang fluktuatif diantara laminar dan turbulen
sebelum aliran tersebut menjadi aliran yang turbulen. Kebanyakan aliran yang
masuk kedalam pipa adalah turbulen. Aliran laminar terjadi ketika fluida yang
mengalir memiliki viskositas yang tinggi seperti minyak yang mengalir didalam

32

Universitas Sumatera Utara

33

pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada jarak yang dekat. Osborne
Reynolds (1841-1912), ilmuwan dan ahli matematika inggris, adalah orang yang
pertama kali membedakan dua kasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah
peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.23 dibawah ini

Gambar 2.23 Eksperimen untuk menentukan jenis aliran
(Bruce R Munson)
Gmabar 2.23 menunjukkan jenis aliran tersebut tergantung pada kecepatan fluida
yang melalui pipa dan dapat ditentukan dengan bilangan Reynolds (Re), yaitu
perbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Dari percobaan tersebut
Osborne Reynoldsmenentukan rumus empiris untuk menenukan besarnya nilai
bilangan Reynold dalam sebuah pipa .
Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran, bilangan
Reynold didefenisikan sebagai
Re =

��� ��
=

μ

v

............................................ (2.17)

u adalah kecepatan rata-rata fluida, D adalah diameter pipa, dan v adalah
viskositas kinematik fluida.
Re < 2300
2300 ≤ Re ≤ 10000
Re > 10000

aliran laminar
aliran transisi
aliran turbulen

Ketika perbedaan temperatur antara permukaan pipa dengan fluida kerja
besar, sangat penting untuk menghitung variasi kekentalan dengan temperatur.
Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran laminar yang berkembang pada sebuah
pipa berpenampang lingkaran dapat ditentukan dengan persamaan Sieder dan Tate
(1936) yakni
33

Universitas Sumatera Utara

34

Nu = 1,86 �

Re Pr D 1/3 μb 0,14

�

L

�μ �

.......................... (2.18)

s

Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali
μsdihitung pada temperatur permukaan pipa.

Untuk aliran turbulen berkembang penuh didalam pipa yang halus, sebuah
persamaan sederhana untuk menghitung bilangan Nusselt dapat diperoleh yakni
Nu = 0,023 Re0,8 Pr1/3 ................................................. (2.19)
0,7 ≤ Pr ≤ 160

dengan syarat bahwa :

Re > 10000
Persamaan diatas disebut Persamaan Colburn. Keakurasian persamaan diatas
dapat ditingkatkan dengan memodifikasinya menjadi
Nu = 0,023 Re0,8 Pr n ................................................. (2.20)
Untuk proses pemanasan digunakan n = 0,4 dan untuk proses pendinginan
digunakan n = 0,3. Persamaan ini disebut Persamaan Dittus-Boelter (1930) dan
persamaan ini lebih baik daripada persamaan Colburn.
Diantara sejumlah rumus yang ada, rumus yang sering digunakan untuk
aliran turbulent adalah rumus yang dianjurkan Donohue dan Kern. Donohue
menghitung 2 kecepatan massa, yaitu kecepatan massa longitudinal (Gl) dan
kecepatan massa transversal (Gt) didalam cangkang. Selanjutnya digabungkan
satu kecepatan massa ekivalen (Ge) yaitu:
�� = √�� � �� .............................................................(2.21)

Pada gambar 2.24 dibawah ini dapat dilihat aliran di dalam cangkang.

Gl

Gt
Gl

Gt
Gl

Gt

l
Gambar 2.24 Aliran didalam cangkang alat penukar kalor shell and tube

34

Universitas Sumatera Utara

35

Panjang karakteristikdari bilangan nusselt dan reynold, diameter luar (de)
dari satu tabung. Bilangan prandl, viskositas, dan konduktivitas termal dievaluasi
pada suhu dinding tabung.
Kern mengamati bahwa dalam cangkang yang dinormalisasi yaitu ruang
bebas (diujung sekat) adalah 25% dari diameter dalam cangkang dimana dalam
hal ini Gl = Gt. Dengan demikian perhitungan bilangan reynold terbatas oleh satu
kecepatan massa transversal Gt. Dimana Gt adalah:
�� =
Dimana:

�̇ ��������

�� � � � (� −�� )
�

...........................................................(2.22)

Di

= diameter dalam cangkang

de

= diameter luar tabung

P

= jarak antar dua sumbu tabung

l

= jarak antar sekat

de
p

Gambar 2.25 Sket susunan tabung pada plat tabung
Dan menghitung diameter hidrolik:
4� 2

�ℎ = � � �� − �� ..........................................................(2.23)
2.6.1 Metode Log Mean Temperature Difference ( LMTD )
Dalam merancang ataupun memprediksi performansi alat penukar kalor,
sangatlah perlu untuk menghubungkan antara laju perpindahan panas total
terhadap temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas
menyeluruh, dan luas permukaan total untuk laju perpindahan panas. Persamaan
perpindahan panas antara fluida panas dan fluida dingin adalah setimbang. Jika
q adalah laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin dan

35

Universitas Sumatera Utara

36

dengan mengabaikan perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor
dengan lingkungan, mengabaikan perubahan energi potensial dan energi kinetik,
dan dengan mengaplikasikan persamaan energi steady, diperoleh persamaan:
q = ṁc(ic,o – ic,i) = ṁh(ih,i – ih,o) .................................... (2.24)
i adalah entalpi fluida. Subscript h dan c adalah menandakan fluida hot
(panas) dan fluida cold (dingin), sedangkan subscript i dan o adalah kondisi inlet
(masuk) dan outlet (keluar) fluida. Jika fluida tidak mengalami perubahan fasa
dan diasumsikan pada kondisi panas jenis yang konstan, maka persamaan menjadi
Q = ṁhcp,h(Th,i – Th,o) = ṁccp,c(Tc,o – Tc,i) ................... (2.25)
Jika Thdan Tcadalah suhu kedua fluida yang berada di elemen dA dari
permukaan alat penukar kalor. Maka laju perpindahan panas yang terjadi diantara
kedua fluida melaui elemen dA dapat dituliskan sebagai berikut
dQ = U dA (Th – Tc) .................................................... (2.26)
2.7 Dimensi Alat Penukar Kalor
Dalam mendesain alat penukar kalor untuk menghitung luas dari alat
tersebut (A) dapat dihitung dengan rumus:
�

� = � � ���� ........................................................................................(2.27)

Dimana:

Q

= laju perpindahan panas (W)

CMTD = gradien temperatur
= koefisien perpindahan panas total (W/m2·K)

U

Koefisien Perpindahan panas menyeluruh (U), dihitung dari:
1
�

Dimana:

1

1

�

= ℎ� + ℎ� + � + ��� + ��� ..............................................................(2.28)
hc = koefisien pindahan panas didalam tabung (W/m2·K)

hf = koefisien pindahan panas didalam cangkang (W/m2·K)
T = tebal tabung (m)
� = konduktfitas termal bahan (W/m·K)

Rfi = faktor pengotoran fluida didalam cangkang (m2 oC/W)
Rfc = faktor pengotoran fluida didalam tabung (m2 oC/W)
Untuk asumsi koefisien pindahan panas fluida sebagai awal perhitungan
dapat dilihat pada tabel:

36

Universitas Sumatera Utara

37

Tabel 2.2 Referensi nilai koefisien pindahan panas (Manfred, 3)

Dari tabel diatas dapat dilihat koefisien pindahan panas untuk air yaitu
250-500 (W/m2·K).
Gradien temperatur (CMTD) untuk alat penukar kalor multipass, dapat
dihitung dengan rumus:
���� = � � ���� ............................................................................ (2.29)

Dimana:

F

= faktor koreksi

���� = perbedaan temperatur rata-rata

Faktor koreksi (F) dapat dicari melalui grafik correction factor yang sudah
ditentukan untuk alat penukar kalor satu laluan cangkang, dan dua laluan
cangkang. Grafik untuk menentukan faktor koreksi alat penukar kalor tipe shell
and tube dapat kita lihat pada gambar 2.27 dan 2.28 berikut ini.

Gambar 2.26 Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk satu laluan cangkang
dengan dua laluan tabung, dan empat laluan tabung (Holman, 534)

37

Universitas Sumatera Utara

38

Gambar 2.27 Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk dua laluan cangkang
dengan empat, dan delapan laluan tabung (Holman, 534)
Dalam mencari faktor koreksi pada tabel diatas, terlebih dahulu
menghitung R dan P dengan rumus:
�=

�1−�2
�2−�1

............................................................................................(2.30)

�2−�1

� = �1−�1 .............................................................................................(2.31)
2.8 Isolasi Panas
Isolasi berfungsi untuk mencegah kehilangan panas alat penukar kalor,
pipa-pipa steam/gas yang bersuhu tinggi ke sekeliling yang suhunya lebih rendah
atau sebaliknya.
Untuk alat penukar kalor dengan suhu rendah, isolasi berfungsi untuk
mencegah masuknya panas karena suhu sekitarnya yang lebih tinggi. Isolasi juga
berfungsi mencegah bahaya yang dapat timbul bila orang menyentuh permukaan
benda yang sangat panas. Makin tebal isolasi, maka makin sedikit panas yang
hilang. Bahan isolasi yang baik memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
1. Daya hantar panas rendah
2. Dapat menahan arus konveksi
3. Disesuaikan dengan suhu
Material dibawah ini adalah beberapa jenis material non logam yang biasa
digunakan sebagai bahan isolasi beserta konduktivitas termalnya:
38

Universitas Sumatera Utara

39

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi
Bahan
Magnesit
Marmar
Batu pasir
Kaca, jendela
Kayu, maple atau
ek
Serbuk gergaji
Wol kaca
Aluminium foil
kraft paper

Konduktivitas Termal (W/m˙K)
4.15
2.08-2.94
1.83
0.78
0.17
0.059
0.038
0,037

Dari tabel diatas dapat dilihat konduktivitas termal material yang
digunakan sebagai bahan isolasi adalah material yang memiliki konduktivitas
termal yang rendah. Ini dilakukan untuk meminimalisir kalor yang keluar ataupun
masuk ke dalam alat penukar kalor.

2.9 Faktor Pengotoran dalam Alat Penukar Kalor
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 Rfyang 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.
Ai = DiL dan Ao= DoL adalah luas area permukaan dalam dan luar alat
penukar kalor. Rf,i dan Rf,o adalah faktor kotoran permukaan dalam dan luar alat
penukar kalor.

39

Universitas Sumatera Utara

40

Tabel 2.4 Faktor Pengotoran untuk berbagai fluida (incropera, 709)
Fluid
Distiled water, sea water, river water, boiled
feedwater :
Below 50 °C
Above 50 °C
Fuel oil
Steam (oil-free)
Refrigerants (liquid)
Refrigerants (vapor)
Alcohol vapors
Air

Rf, m2. °C/W

0.0001
0.0002
0.0009
0.0001
0.0002
0.0004
0.0001
0.0004

2.10 Manfaat Mandi Air Panas Belerang
Belerang atau sulfur adalah unsur kimia yang memiliki lambing S pada
table periodik dan memiliki nomor atom 16. Bentuknya adalah non-metal yang
tak berasa. Dalam bentuk aslinya berupa zat padat kristalin kuning. Penggunaan
komersilnya terutama dalam fertilizer, bubuk mesiu, korek api, insektisida, dan
fungisida. Belerang juga dapat membunuh kuman atau bakteri tertentu yang
menyerang kulit. Oleh karena itu banyak kita jumpai pemandian air panas
belerang di berbagai tempat wisata. Mandi air panas belerang juga dipergunakan
sebagai terapi kesehatan karena terbukti menyembuhkan berbagai penyakit kulit.
Dengan berendam di pemandian air panas, penyakit seperti rematik, gatal-gatal
bisa sembuh.
Air belerang juga bermanfaat membantu mengatasi timbulnya jerawat
pada kulit tubuh, terutama pada kulit wajah. Perlu diketahui belerang
mmempunyai kandungan anti bakteri yang dapat menghindarkan bakteri pada
kulit wajah. Oleh karena banyak manfaat dari mandi air belerang, pemandian air
belerang banyak dijadikan sebagai tempat wisata. Contohnya saja di daerah
Sumatera Utara,terdapat pemandian air belerang di desa Semangat Gunung, Tanah
Karo. Banyak pengunjung lokal maupun wisatawan asing berkunjung ke tempat
ini untuk relaksasi menikm