BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jenis-jenis Alat Penukar Kalor - Simulasi Pengaruh Jumlah Sekat Pada Alat Penukar Kalor Tipe Selonsong dan Tabung

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Jenis-jenis Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk melaksanakan proses pepindahan panas antara dua fluida yang memiliki beda temperatur, antara permukaan benda padat dengan fluida, antar partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda dengan dalam kontak termal. Dalam alat penukar kalor, pada umumnya tidak terdapat panas eksternal dan interaksi kerja.

Begitu luas peralatan-peralatan yang mempergunakan tabung (tubularequipment) dalam alat penukar kalor, maka diperlukan pengelompokan peralatan berdasarkan fungsinya. Adapun pengelompokan itu adalah sebagai berikut:

2.1.1 Mesin refrigrasi (chiller)

Alat penukar kalor ini dipergunakan untuk pendinginan fluida sampai pada temperatur sangat rendah. Temperatur pendingin di dalam mesin refrigrasi jauh lebih rendah bila dibandingkan dengan pendingin yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk mesin refrigrasi ini media pendingin yang dipergunakan adalah amoniak atau freon, lihat gambar 2.1.

(Sumber: lit. 22) Gambar 2.1: Mesin refrigrasi pendingin air (water cooled chiller)

2.1.2 Kondensor

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan atau mengembunkan uap atau campuran uap sehingga berubah fase menjadi cairan. Media pendingin biasanya dipakai air atau uap, lihat gambar 2.2.

(Sumber: lit. 23) Gambar 2.2: Kondensor

2.1.3 Mesin Pendingin

Mesin pendingin (cooler) digunakan untuk mendinginkan (menurunkan suhu) cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin, lihat

gambar 2.3. Disini tidak dipermasalahkan perubahan fase seperti pada kondensor.

Dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka mesin pendingin dipergunakan udara, dengan bantuan fan (kipas).

(Sumber: lit. 24) Gambar 2.3: Mesin pendingin

2.14 Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida untuk pemanasan fluida yang lain maka terjadi dua fungsi sekaligus yaitu memanaskan fluida yang dingin dan mendinginkan fluida yang panas, lihat gambar 2.4.

(Sumber: lit. 27) Gambar 2.4: Alat penukar kalor dengan tabung tipe U

2.1.5 Alat Pemanasan Ulang

Alat penukar kalor ini bertujuan untuk mendidihkan fluida kembali serta mempergunakan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering dipergunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri, lihat gambar 2.5.

(Sumber: lit. 27) Gambar 2.5: Alat pemanasan ulang

2.1.6 Alat Pemanas (heater)

Alat pemanas ini bertujuan memanaskan (menaikan suhu) suatu proses fluida. Umumnya zat pemanas yang dipergunakan adalah uap atau fluida pemanas lain, lihat gambar 2.6.

(Sumber: lit. 28) Gambar 2.6: Alat pemanas

2.1.7 Alat Pemanas Uap Lanjut

Alat pemanas uap lanjut ini dipergunakan untuk mengubah uap basah menjadi uap kering, lihat gambar 2.7. Proses ini terjadi pada ketel itu sendiri, sebab alat pemanas uap lanjut ini terjadi dalam ketelnya. Proses perpindahan panas yang terjadi bisa secara konveksi dan radiasi. Uap basah berada di dalam pipa. Kedua jenis alat pemanas uap lanjut ini mempunyai karakteristik yang berbeda. Sumber panas yang dipergunakan adalah panas yang diperoleh dari pembakaran bahan bakar dari dapur ketel atau gas panas dari asap pembakaran.

(Sumber: lit. 30) Gambar 2.7: Alat pemanas uap lanjut

2.1.8 Evaporator

Evaporator dipergunakan untuk menguapkan cairan yang ada pada larutan, sehingga dari suatu larutan diperoleh yang lebih pekat, lihat gambar 2.8. Media pemanas yang dipergunakan adalah uap dengan tekanan rendah, sebab yang dimanfaatkan adalah panas latent, yaitu mengubah fase uap menjadi fase air.

(Sumber: lit.22) Gambar 2.8: Evaporator

2.1.9 Alat Pemanas Air Pengisi Ketel

Alat pemanas air pengisi ketel bertujuan untuk menaikkan suhu air pengisi ketel sebelum air masuk ka dalam drum uap. Maksud pemanas itu adalah untuk meringankan beban ketel. Konstruksinya terdiri dari pipa-pipa yang disusun sedemikian rupa, airnya berada di dalam pipa dan pemanasnya di luar pipa, lihat

gambar 2.9. Perpindahan panas terjadi secara konveksi dan konduksi media pemanas adalah pembakaran gas asap hasil pembakaran bahan bakar dalam dapur

ketel.

(Sumber: lit.25) Gambar 2.9: Alat pemanas air pengisi ketel

2.1.2 Konstruksi Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor tipe selongsongdan tabung merupakan tipe alat penukar kalor yang paling banyak digunakan dalam industri. Hal ini dikarenakan tipe selongsongdan tabungdapat digunakan untuk proses-proses dengan cakupan variasi tekanan, temperatur dan material yang luas. Terdapat beberapa jenis tipe alat penukar kalor yang dikeluarkan oleh asosiasi pemanufaktur jenis perlatan ini yang bernama TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association), lihat lampiran A.

2.1.2.1 Selongsong (Shell)

Selongsong adalah bagian tengah alat penukar kalor dan merupakan rumah untuk bundel tabung, lihat gambar 2.10. Antara selongsong dan bundel tabung terdapat fluida yang menerima dan melepaskan panas, sesuai dengan proses yang terjadi. Secara umum selongsong yang banyak digunakan adalah jenis satu lintasan. Selongsong dua lintasan dipergunakan apabila perbedaan temperatur pada selongsong dan tabung tidak dapat diatasi pada jenis satu lintasan.

Gambar 2.10: Selongsong Selongsong biasanya terbuat dari baja maupun paduannya. Mengenai dimensi dan tebal dinding selongsong, standar TEMA mengatur dalam satuan inch mulai dari 6 inch hingga 100 inch untuk diameter dalam selongsong dan 1/8 inch sampai dengan ½ inch untuk ketebalannya. Sedangkan material yang digunakan untuk spesifikasi selongsong disarankan mengacu kepada ASTM. Untuk penutup selongsong, ketebalan yang dipakai minimal sama dengan ketebalan dari selongsong.

2.1.2.2 Tabung (Tube)

Karakteristik tabung di dalam alat penukar kalor berpengaruh besar terhadap perpindahan panas diantara fluida kerja. Karakteristik ini meliputi dimensi, material, maupun susunannya. Dimensi dari pipa tersedia dalam satuan inch. Dalam standar TEMA, diameter luar pipa dibatasi mulai dari ¼ inch sampai dengan 2 inch. Tebal tipisnya dinding tabung ini berkaitan dengan tahanan termal pada sisi dinding tabung, semakin tebal berarti tahanan termal semakin besar dan semakin buruk dalam menghantarkan panas. Material tabung yang tersedia untuk pembuatan tabung ini biasanya berupa baja karbon dan paduannya, nikel dan paduannya, maupun aluminium dan paduannya.

Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan. Besarnya luas permukaan ini tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tabung yang dipergunakan pada alat penukar kalor itu. Susunan tabung itu mempengaruhi besarnya penurunan tekanan aliran fluida dalam selongsong. Susunan tabung alat penukar kalor yakni: a. tabung dengan susunan segitiga b. tabung dengan susunan layang-layang c. tabung dengan susunan bujur sangkar d. tabung dengan susunan berbentuk belah ketupat

Pada tabel 2.1 dapat dilihat cara menentukan pitch (jarak antara sumbu tabung), serta menentukan besar ligament X, jarak atau ruang lalauan aliran fluida antara dua tabung yang berdekatan.

Tabel 2.1 Parameter dasar tata letak tabung

Segitiga Layang- Bujur sangkar Belah ketupat Susunan

o o o o

(30 ) layang (60 ) (90 ) (45 ) Tube pitch

P P

t t

√3P t √2P t transversal, X t Tube pitch

P P t

√3 t P

� � P t

2 longitudinal, X

√2 (Sumber: Lit. 16 hal. 568)

Dalam standar TEMA, diatur bahwa jarak antar tabung adalah 1,25 kali dari titik pusat tabung. Keuntungan dari bentuk susunan bujur sangkar adalah kemudahan dalam perawatan secara mekanik karena terdapat suatu ruang bebas yang teratur posisinya membentuk garis horisontal dan vertikal, juga penurunan tekanan yang dimiliki tipe ini kecil karena aliran fluida tidak ada yang menghalangi.

Apabila diinginkan laju perpindahan panas yang lebih besar, dapat dipilih tipe susunan segitiga. Pada tipe ini aliran fluida tidak dapat mengalir lancar karena terhalang oleh pipa yang berada di depannya sehingga terjadi turbulensi dan penurunan tekanan menjadi besar. Dari sisi perawatan secara mekanik tipe ini lebih sulit dalam pembersihan kerak yang berada di luar pipa karena sikat penggosok tidak dapat melewati ruang bebas dengan mudah karena susunan pipa yang berbentuk segitiga menghalangi sikat penggosok.

2.1.3.3 Sekat (Baffle)

Sekat berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida di dalam selongsong dan menaikkan kecepatan aliran atau membuat aliran menjadi turbulen, lihat gambar

2.11. Adanya turbulensi akan meningkatkan koefisien perpindahan panas sehingga akan meningkatkan laju perpindahaan panas. Meskipun demikian, pemasangan sekat juga menaikkan penurunan tekanan aliran fluida.

Gambar 2.11: Sekat bentuk segmen Ditinjau dari segi konstuksinya, sekat ini dapat diklasifikasikan dalam empat kelompok yaitu:

1. sekat pelat berbentuk segmen (segmentalbafflesplate) 2. sekat batang (rodbaffles) 3. sekat mendatar (longitudinalbaffles) 4. sekat impingment (impingementbaffles)

Kern (1993) mengemukakan bahwa adanya pemasangan sekat yang berfungsi untuk mengarahkan fluida dalam selongsong sehingga aliran tersebut melintang (cross flow) terhadap bundel tabung, juga akan menjadikan aliran tersebut lebih turbulen. Dengan demikian koefisien perpindahaan panas kalor konveksi akan bertambah besar dibandingkan aliran tersebut mangalir axial sepanjang tabung tanpa sekat. Kern menambahkan bahwa semakin banyak jumlah sekat yang digunakan atau dengan kata lain jarak antar sekat semakin kecil, maka aliran akan bertambah derajat turbulensi aliran dan kerugian tekanan. Kern menyarankan jarak antar sekat minimum 0,2 kali diameter selongsong sampai dengan maksimum sama dengan diameter selongsong.

Mukherjee (1988) mengemukakan pemotongan ideal untuk sekat diambil antara 20% - 35% diameter selongsong, lihat gambar 2.12.c. Apabila pemotongan sekat diambil kurang dari 20% dengan maksud agar koefisien perpindahan kalor konveksi dalam sisi selongsong jadi bertambah (lihat gambar 2.12.b) atau pemotogan diambil lebih dari 35% dengan maksud agar kerugian tekanan jadi berkurang maka hasil yang diperoleh umumnya akan merugikan (lihat gambar 2.12.a).

(a) (b) (c) (Sumber: lit. 13)

Gambar 2.12: Efek dari sekat (a) pemotongan sekat kecil, (b) pemotongan sekat besar, (c) pemotongan sekat dan jarak sekat ideal

2.1.3.4 Penutup (Cover) Selongsong

Penutup selongsong terdiri dari penutup stasioner (front end stationer) dan penutup bagian belakang (rear end head).

Penutup stationer Merupakan salah satu bagian ujung alat penukar kalor, lihat lampiran A. Pada

bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang akan mengalir dalam tabung. Ada dua jenis penutup stasioner yaitu saluran (channel) dan topi (bonnet). Apabila fluida dalam tabung bersih, maka biasanya dipergunakan penutup stasioner jenis topi (tipe B), hal ini disebabkan karena pembersihan bagian dalam tabung, penutup jenis topi harus dilepas seluruhnya. Ini berbeda dengan penutup stationer jenis saluran (tipe A dan tipe C yang menyatu dengan pelat tabung dimana untuk pembersihan bagian dalam dari tabung, dapat dilakukan dengan melepas penutupnya.

Penutup bagian belakang Penutup bagian belakang ini terletak pada ujung lain dari alat penukar kalor, lihat lampiran A. Pada alat penukar kalor dengan pelat tabung seperti tipe L, M, dan N perlu diperhatikan perbedaan koefisien pemuaian bahan selongsong dan bahan tabung. Untuk mengatasi perbedaan yang terjadi, maka dipasang

expantionjoint pada selongsong. Untuk tipe S merupakan alat penukar kalor

dengan pelat tabung yang digabung antara penahan dan penutupnya.

2.1.3.5 Pelat Tabung (Tubesheet)

Fungsi pelat tabung ini adalah sebagai tempat terpasangnya pipa. Pelat tabung ini dibuat tebal dan pipa harus terpasang rapat tanpa bocor pada pelat tabung. Dengan konstruksi fluida yang mengalir pada selongsong tidak akan tercampur dengan fluida yang mengalir di dalam tabung. Penyambungan antara pelat tabung dengan tabung merupakan hal yang paling penting untuk diperhatikan, karena segala kegagalan penyambungan ini akan menyebabkan kebocoran dan pencampuran kedua fluida di dalam penukar kalor. Terdapat dua jenis pelat tabung, yaitu: a.

Pelat tabung stasioner (stationarytubesheet), dimana pelat tabung dipasang kokoh pada selongsong. Biasanya pelat tabung ini dipasang dengan cara

compressionfitting (dengan baut-mur). Untuk keperluan khusus dapat dilakukan sambungan las.

Pelat tabung mengambang (floatingtubesheet); pelat tabung ini tidak diikatkan pada selongsong, tetapi terpasang dengan baik pada bundel tabung (tube

bundle ). Pemakaian pelat tabung mengambang biasanya dimaksudkan untuk

mengatasi ekspansi termal pada operasi temperatur tinggi. Untuk mencegah tercampurnya fluida di dalam alat penukar kalor, pada bagian saluran tabung dipasang tutup (pelat tabung).

Dari bentuk dan susunan lubang pada tube sheet dapat diketahui berapa lintasan aliran yang terjadi pada sisi tabung alat penukar kalor, lihat gambar 2.13.

(Sumber: lit. 16 hal. 69) Gambar 2.13: Susunan pelat tabung multi aliran dalam alat penukar kalor (untuk memudahkan sketsa maka tabung tidak ditunjukan)

2.1.3.6 Nossel

Sebagai saluran aliran masuk fluida ke dalam alat penukar kalor dipasang nossel. Minimal diperlukan empat buah nossel, yaitu dua untuk fluida dalam tabung dan dua untuk fluida luar tabung. Penempatan nossel ini dipengaruhi oleh jumlah lintasan aliran. Nossel dilengkapi dengan flens untuk menyambungkan pipa-pipa penukar kalor. Dipilih flens yang sudah distandarisasi ASA, sehingga akan lebih memudahkan dalam pengadaan dam pemiliharaan.

2.1.3.7 Flens

Flens adalah istilah untuk salah satu jenis sambungan yang digunakan saat menyambung antara pipa dan elemennya dengan katup, bejana, kolom reaksi, pompa dan lainnya, lihat gambar 2.14. Beberapa teknik sambungan selain flens adalah menyambung langsung dengan las (welding joint) atau menyambung dengan uliran (threaded joint) seperti menyambung baut dengan mur.

(Sumber: Lit. 29) Gambar 2.14: jenis-jenis flens

Sambungan yang paling sempurna jika dilihat dari sisi pencegahan bocor dan ketahanan akan tekanan fluida yang mengalir adalah menyambung langsung dengan las. Tetapi dengan las membuat sambungan itu bersifat permanen, yang bukan merupakan hal baik jika sambungan itu butuh dilepas untuk perawatan atau perbaikan. Las juga tidak bisa diaplikasikan jika ada bagian dalam yang tidak tahan akan suhu tinggi yang dihasilkan proses las. Sambungan ulir (threaded

joint) dapat dibongkar pasang, tetapi tidak bisa diaplikasikan untuk sambungan

dengan ukuran besar dan bertekanan tinggi. Karena itu, walaupun dengan flens akan menambah berat material dan membutuhkan baut, mur dan gasket, flens tetap banyak digunakan.

Tidak seperti pipa yang ketebalannya dapat disesuaikan dengan tekanan fluida yang mengalir, flens mempunyai keterbatasan dari sisi pembuatannya. Karena itu, flens tidak desain satu per satu menurut tekanan fluida, tetapi dikelompokkan menjadi beberapa kelas dan itu sudah distandarisasikan sejak lama. Flens dapat dibagi menjadi kelas 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. Ini adalah sebutan kelas yang menunjukkan setinggi apa tekanan yang dapat diaplikasikan. Misalnya untuk suhu kamar dengan tekanan fluida sampai 20 bar dapat menggunakan kelas 150, tekanan sampai 50 bar menggunakan kelas 300, tekanan sampai 100 bar menggunakan kelas 600 dan seterusnya.

2.1.3.8 Batang Pengikat (Tie Rod)

Batang pengikat dengan diameter tertentu yang berfungsi sebagai tempat bertumpunya sekat, lihat gambar 2.15. Batang pengikat terpasang pada pelat tabung dengan mekanisme ulir, sedangkan pada ujung lainnya dilengkapi dengan pasangan baut dan ulir untuk menahan sekat tetap berada pada posisinya.Dalam standar TEMA, diatur tentang ukuran besar diameter batang pengikat sebagai fungsi dari diameter dalam selongsong, semakin besar diameter dalam selongsong, maka semakin besar pula diameter batang pengikat dan jumlahnya semakin banyak karena ukuran sekat semakin besar dan berat.

(Sumber: Lit 16) Gambar 2.15: Bafflespacer danbatang pengikat

2.3.1.9 Gasket

Gasket merupakan bahan atau material yang dipasang diantara dua permukaan benda, dimana didalamnya terdapat fluida bertekanan, untuk mencegah terjadinya kebocoran. Gambar 2.16 memperlihatkan dua jenis sambungan gasket yang umum digunakan konstruksi alat penukar kalor.

(Sumber: lit. 1 hal. 44) Gambar 2.16: Tipe gasket

2.2 Analisis Perpindahan Panas

2.2.1 Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor

Perpindahan panas secara thermodinamika: Besarnya panas yang diserap fluida dingin

Q c = m × c p,c × (T co -T ci ) (Lit. 11 hal. 488) (2.1) ̇ c

Dimana : Q c = kalornya yang diseap fluida dingin (kW) m = laju aliran massa fluida dingin (kg/s)

o c = kalor jenis fluida dingin (J/kg.

p,c o

T co = temperatur fluida dingin keluar (

T ci = temperatur fluida dingin masuk (

C) Sifat fluida dingin dievualusi pada temperatur dingin rata-rata, yaitu:

T − T _{co ci} T = (Lit. 6 hal. 302) 2.2) _c

2 Besarnya panas yang diserap fluida panas Q c = m × c p,h × (T ho -T hi ) (Lit. 11 hal. 488) (2.3)

̇ h Dimana : Q h = kalornya yang diseap fluida panas (W) m = laju aliran massa fluida panas (kg/s)

o c p,h = kalor jenis fluida panas (J/kg.

T = temperatur fluida panas keluar (

ho o

T hi = temperatur fluida panas masuk (

C) Sifat fluida dingin dievualusi pada temperatur dingin rata-rata, yaitu: T − T _{hi ho}

T = (Lit. 6 hal. 302) (2.4) _h

2.2.2 Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD

Besarnya laju perpindahan panas kalor dengan metode LMTD dapat dihitung, yaitu: Q = U o × A o × F × LMTD (Lit. 21 hal. 458) (2.5)

Dimana: Q = parpindahan kalor (W)

2 U o = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m .K)

F = faktor koreksi LMTD = beda suhu rata-rata logaritma (K)

Beda suhu rata-rata logaritma (

LMTD), (T ) ) co hi −T −(T ho −T ci

LMTD = (Lit. 8 hal. 48) (2.6)

�Thi −Tco � ln

�Tho −Tci �

Untuk mencari F diperlukan parameter ,

(T ) hi −T ci

P = (Lit. 8 hal. 48) (2.7)

(T ) hi −T ci

(T ) hi −T ho

R = (2.8)

(Lit. 8 hal. 48)

(T ) co −T ci

Jika R = 1, maka diperoleh,

1 −P

F = (2.9)

2 −P�2−√2� ln � �

2 −P�2+√2�

Jika R ≠ 1, maka diperoleh,

1)×ln �(R � �

1 −(P−R)

F = (Lit. 21 hal. 483) (2.10)

2 −P�R+1−��R2+1�� (R −1)×ln� �

2 −P�R+1−��R2−1�� Dimana: P = perbandingan efektivitas termal R = perbandingan kapasitas kalor

Luas perpindahan kalor adalah: A o o × L × N t (Lit. 8 hal. 302) (2.11)

= π × d

Dimana : A = luas perpindahan kalor (m ) o

d o = diameter luar tabung (m) L = panjang tabung (m) N = jumlah tabung

2.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam Tabung)

Aliran internal adalah aliran yang mana fluida dibatasi oleh permukaan, lihat gambar 2.17. Oleh karena itu lapisan batas tak dapat berkembang tanpa akhirnya dipaksa. Konfigurasi aliran internal menunjukan geometri mudah untuk memanaskan dan mendinginkan fluida yang dipakai di pengolahan kimia, kontrol lingkungan, dan teknologi konversi energi.

(Sumber: lit. 4 hal. 337) Gambar 2.17: Aliran internal dari air dalam sebuah pipa dan aliran eksternal dari udara di luar pipa (pipa yang sama)

Penggambaran aliran fluida dalam pipa dapat dilihat kembali dari penemuan bilangan Reynolds dimana pada kecepatan rendah aliran yang terjadi adalah laminar, yaitu fluida mengalir dalam aliran-aliran yang halus disertai perpindahan momentum dan panas diantara aliran-aliran yang diatur oleh pergerakan molekul, serta penurunan tekanan dalam pipa berhubungan langsung dengan konduktivitas termal yang dipengaruhi oleh viskositas dan perpindahan panas. Pada kecepatan yang lebih tinggi, aliran yang terjadi adalah turbulen dimana proses transport dipercepat oleh komponen-komponen lateral kecepatan fluida sehubungan dengan adanya pusaran-pusaran yang terjadi.

Bilangan Reynolds pada sisi tabung dapat dihitung dengan persamaan:

m ×d ̇ t i

R = (lit . 8 hal 325) (2.12)

e,t × ρ×A t υ

Dimana: N t = jumlah tabung m = laju aliran massa sisi tabung (kg/s) ̇ t

μ = viskositas dinamik (kg//m.s) Sedangkan bilangan Nusselt di dalam tabung dapat dihitung dengan persamaan:

1. e,t < 2300, bilangan Nusselt di dalam tabung diperoleh Jika aliran laminar R persamaan

0,33 R ×P ×d e ,t r i

N = 1,86 (Lit. 2 hal. 830) (2.13)

u,t

� �

2. e,t > 10.000, bilangan Nusselt di dalam tabung diperoleh Jika aliran turbulen R persamaan

0,8 n

N = 0,023 × R × P (Lit. 2 hal. 830) (2.14)

u,t e,t r

Dimana: n = 0,4 jika fluida sebagai pemanas n = 0,3 jika fluida sebagai pendigin

Penurunan tekanan di dalam tabung dapat dihitung yaitu:

2 4 ×f ×L×N t t p

ρ×V

= + 4 × N (Lit. 8 hal. 311) (2.15) Δp t � p �

2 d i

Dimana: t = penurunan tekanan di dalam tabung (Pa) ∆p

V t = kecepata fluida di dalam tabung (m/s) f t = faktor gesekan di dalam tabung L = panjang tabung (m) Kecepatan fluida di dalam tabung,

m ̇ t

V = (Lit. 8 hal. 313) (2.16)

t ρ×A t

2 Dimana : A = luas aliran tabung (m )

Luas aliran tabung,

2 N ×

t i

π×d

A = (2.17)

Dimana: N p = jumlah lintasantabung Faktor gesekan di dalam tabung untuk aliran laminar

f = (Lit. 8 hal. 313) (2.18)

t R e

Untuk aliran turbulen

−0,2

f = 0,046 × (R ) (Lit. 16 hal. 482) (2.19)

t e

2.2.4 Aliran Eksternal (Aliran Fluida Dalam Selongsong)

Aliran fluida yang berada dalam selongsong, seperti pada gambar 2.17, mengalami perubahan yaitu aliran aksial, aliran yang sejajar denganbundel tabung, aliran melintang yang menyeberangi bundel tabung diantara sekat yang dipasang.

Distribusi total aliran sisi selongsong ke dalam jumlah aliran parsial yang berbeda yang disebabkan oleh tahanan aliran yang ditunjukan seperti pada gambar

2.18. Model aliran yang dikemukan oleh Tinker (1951) dan kemudian dimodifikasi oleh Palen dan Toborek (1969) untuk sekat segmen tunggal.

(Sumber: lit. 16 hal. 293) Gambar 2.18: Distribusi aliran sisi selongsong dan identifikasi dari macam- macam aliran

Aliran A, adalah aliran yang bocor akibat terdapatnya celah antara lubang sekat dengan tabung. Aliran B, merupakan aliran melintang yang sebenarnya. Aliran C, aliran bypass yang terjadi antara selongsong dengan bundel tabung. Aliran E, aliran yang terjadi karena adanya ruang bebas antara selongsong dan sekat. Aliran F, aliran yang terjadi karena adanya celah pada pelat pemisah antar lintasan aliran. Bocoran aliran terjadi apabila alat penukar kalor itu mempunyai aliran yang banyak (multipass).

2.2.4.1 Metode Kern

Metode Kern adalah metode yang paling sederhana yang digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan panas pada aliran eksternal.

2.2.4.1.1 Koefisien Perpindahan Panas Eksternal

Besarnya koefisien perpindahan panas eksternal adalah:

0,36 k 0,55 0,5

h = × R × P (lit. 8 hal 308) (2.20)

s e,s r D e

dimana: h s = koefisien perpindahan panas eksternal (W/m .K) k = konduktivitas termal (W/m.K) D e = diameter ekuivalen (m)

Diameter ekuivalen untuk susunan segiempat,

2 2 π×do 4 �P t − �

4 D = (Lit. 8 hal 308) (2.21)

e π×d o untuk susunan segitiga,

2 P t 2√3 π×do

4 � − �

8 D = (lit . 8 hal 309) (2.22) e

π×do

), Bilangan Reynolds di sisi selongsong (R

Ġ ×D s e

R = (Lit. 8 hal 312) (2.23)

e,s μ

), Laju aliran massa per satuan luas di sisi selongsong (Ġ

s m ̇ s

Ġ = (lit . 8 hal 309) (2.24)

s A s

dimana: m = laju aliran massa di sisi selongsong (kg/m .s)

2 Ġ = laju aliran massa total di sisi selongsong (kg/m .s) s

2 A s = luas aliran sisi selongsong (m ) s )

D × C ×L

Luas aliran sisi selongsong (A

s b

A = (Lit. 8 hal. 110) (2.25)

X t

dimana: C = celah antar tabung tabung (m) L b = jarak antar sekat (m) X = jarak pitch transversal (m)

t )

2.2.4.1.2 Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δp s

s ) yang dinyatakan

Penurunan tekanan yang melintasi selongsong (Δp sebagai:

2 Ġ ×f ×D (N +1) s s s b

= (Lit. 8 hal. 310) (2.26) Δp s

2× ρ×D e

Dimana: s = penurunan tekanan di dalam selongsong (P a ) ∆p f = faktor gesekan di dalam selongsong

N b = banyaknya jumlah sekat Faktor gesekan di dalam selongsong, f = exp

s �0,576 − 0,19 × ln�R e,s �� (Lit. 8 hal. 310) (2.27)

2.2.4.2 Metode Bell –Delaware

Delaware menemukan metode perhitungan perpindahan panas dan penurunan tekanan untuk aliran fluida di dalam selongsong dengan menggunakan beberapa faktor koreksi. Faktor-faktor tersebut meliputi: a.

Kebocoran yang melalui celah antar tabung dan sekat serta celah antara sekat dan selongsong b.

Aliran yang melalui celah antar bundel tabung dan selongsong c. Efek dari konfigurasi sekat

2.2.4.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong

Koefisien perpindahan panas di sisi selongsong (h o ) dapat dihitung yaitu: h o = h id × J c × J l × J b × J s (Lit. 8 hal. 317) (2.28) dimana: h o = koefisien perpindahan panas di sisi selongsong (W/m

2 K)

h i = koefisien perpindahan panas ideal (W/m

2 K)

J c = faktor koreksi sekat yang dipotong J

= faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat J b = faktor koreksi akibat aliran bypass J s = faktor koreksi pada jarak sekat

Koefisien perpindahan panas ideal yang diperoleh dari persamaan h

N u ,s

× P

r 0,25

, untuk 1000 ≤ R e,s

< 2.10

5 N u,s

= 0,033 × R

e,s 0,8

r 0,25

= 0,27 × R

, untuk

2.10

≤ R e,s < 2.10

(Lit. 2 hal. 833) (2.30)

e,s 0,63

u,s

×k s d o

1 ≤ R e,s

(Lit. 8 hal. 231) (2.29) Zukauskas membuat rumus korelasi untuk perpindahan kalor konveksi aliran menyilang melintasi bendel tabung susuanan selang seling dan susunan segitiga untuk jumlah baris tabung (N r,cc ) lebih besar dari 16. Untuk susunan bundel tabung segaris (in-line): N

u,s

= 0,90 × R

e,s 0,4

× P

r 0,25

, untuk

< 100 N

< 1000 N

u,s

= 0,52 × R

× P

r 0,25

, untuk 100 ≤ R

e,s

e,s 0,5 Untuk susunan bundel tabung selang-seling (staggered):

0,4 0,36

N = 1,04 × R × P , untuk 1 < 500

u,s e,s r ≤ R e,s 0,5 0,36

N = 0,71 × R × P , untuk 500 < 1000

u,s e,s r ≤ R e,s (Lit. 2

hal. 833)

0,63 0,2

X t 0,36

5 N = 0,35 × × R × P , untuk 1000 < 2.10 u,s � � e,s r ≤ R e,s

X l

(2.31)

0,2

X t 0,8 0,36

6 N = 0,031 × × R × P , untuk

2.10 < 2.10

u,s � � e,s r ≤ R e,s

X l

e,s ) yang dinyatakan sebagai

Bilangan Reynolds pada sisi selongsong (R

×d ρ×V max o

R = (Lit. 16 hal. 443) (2.32)

e,s μ

dimana: V max = kecepatan maksimum antar tabung di sekitar garis tengah Kecepatan maksimum antar tabung di sekitar garis tengah aliran yang dihitung dari persamaan:

m ̇ s

V = (Lit. 3 hal. 71) (2.33)

max m

ρ×A

dimana: A = luas aliran melintang tabung (m )

Luas aliran melintang tabung Untuk susunan tabung selang-seling,

(D )(X ) otl −d o t −d o

A = L (Lit. 16 hal. 592) (2.34) +

m �D − D b s otl �

X t

dimana: D otl = diameter bundel tabung (m) Untuk susunan tabung segaris,

)(X ) 2(D otl −d o t −d o

A = L + (Lit. 16 hal. 592) (2.35)

m b �D s − D otl �

X t

(Sumber: lit. 16 hal. 588) Gambar 2.19: Hubungan geometri sekat terhadap alat penukar kalor segmen tunggal

Faktor koreksi sekat yang dipotong
Faktor koreksi pada kebocoran aliran melalui tabung-sekat dan sekat- selongsong (menyangkut aliran A dan E), lihat gambar 2.19.

= luas aliran pada celah antara selongsong dan sekat (m

= rasio luasan kebocroan terhadap selongsong dengan sekat terhadap luasan aliran melintang Rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang r

A sb

tb A m

(Lit. 16 hal. 648) (2.39) dimana: A

−2,2r lm

) A tb = luas aliran pada celah antara tabung dan sekat (m

) Rasio luasan kebocroan terhadap selongsong dengan sekat terhadap luasan aliran melintang, r

A sb

(Lit. 16 hal. 648) (2.38) dimana: r lm = rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang r

)]e

(Lit. 16 hal. 648) (2.40)

) + [1 − 0,44(1 − r s

Faktor koreksi ini termasuk pengaruh perpindahan panas pada jendela sekat dan bundel tabung J c = 0,55 + 0,72 × F c

= 0,55 + 0,72 × (

1 − 2F w

) (Lit. 16 hal. 648) (2.36) dimana: F c = fraksi tabung pada aliran menyilang F

= fraksi jumlah tabung dalam ruang bebas fraksi jumlah tabung dalam ruang bebas (F w ) yang besarnya dapat dihitung dengan persamaan,

θ ctl

2 π

−

sin θ ctl 2 π

(Lit. 8 hal. 590) (2.37) dimana: θ ctl

= sudut lingkaran terluar tabung (rad)

= 0,44(1 − r s

Lihat gambar 2.20 daerah yang tebal adalah luas kebocoran antara selongsong dan sekat (A sb ) adalah

δ sb θ b

A = (Lit. 16 hal. 593) (2.41)

sb π × D s � � �1 − �

dimana: b = sudut pusat bundel tabung (rad) θ

sb = jarak ruang bebas diametral dari sekat dengan selongsong (m)

sb δ

2 Gambar 2.20: Luas kebocoran antara selongsong dengan sekat

(daerah lingkaran yang tebal) Sudut pusat bundel tabung, dapat dilihat pada gambar 2.19.

2L c

−1

= 2cos (Lit. 16 hal. 590) (2.42)

θ b �1 − �

D s

Luas kebocoran antara tabung dengan sekat (A tb ), lihat gambar 2.21, adalah:

×N × (1 ) π×d o t δt b −F w

A = (Lit. 16 hal. 593) (2.43)

tb = jarak ruang bebas diametral dari sekat dengan tabung (m)

dimana: δ

sb sb δ δ

2 Gambar 2.21: Luas kebocoran antara tabung dengan sekat

(daerah lingkaran yang tebal)

Faktor koreksi efek bypass, menyangkut aliran C dan F, lihat gambar 2.15.

3 J = exp (Lit. 16 hal. 648) (2.44) b �−C × r b �1 − �2r ss ��

dimana: C = 1,35 untuk R e,s ≤ 100

= 1,25 untuk R e,s > 100 r = faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat

r ss = faktor koreksi untuk sealing strip Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat:

A bp

r = (Lit. 16 hal. 648) (2.45)

b A m

2 Dimana: A = luas kebocoran melintang untuk by-pass (m ) bp

luas kebocoran melintang untuk by-pass, A = L + 0,5 × N × w

(Lit. 2 hal. 835) (2.46)

bp b s otl P p

�D − D � Faktor koreksi untuk sealing strip,

N N ss ss

r = = (Lit. 16 hal. 648) (2.47)

0,8

1 ss N

(D ) r ,cw

�L c − s −D ctl �

2 X l

dimana: N r,cw = jumlah baris tabung yang dilintasi aliran melintang N = banyaknya jumlah sealing strips yang dipasang untuk

menahan aliran bypass pada aliran melintang Faktor koreksi terhadap jarak sekat pada sisi masuk dan sisi keluar alat

penukar kalor,

1 −n 1 −n N +L o b −1+L i

J = (Lit. 16 hal. 648) (2.48)

s N +L b −1+L i o

dimana: L b,i = jarak sekat di sisi masuk selongsong (m) L b,o = jarak sekat di sisi keluar selongsong (m) n = 0,6 untuk aliran turbulen n = 0,33 untuk aliran laminar

Jarak sekat di sisi masuk selongsong,

L b ,i

L = (Lit. 16 hal. 648) (2.49)

i L b

Jarak sekat di sisi keluar selongsong,

L b ,o

L = (Lit. 16 hal. 648) (2.50)

o L b

2.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong

Seperti halnya pada perhitungan koefisien perpindahan panas, perhitungan penurunan tekanan pada metode Bell – Delaware juga memperhitungkan beberapa faktor koreksi.

1. Besarnya penurunan tekanan aliran melintang pada bagian tengah antara ujung- ujung sekat, lihat gambar 2.22.

= [(N × R ]R (Lit. 8 hal. 328) (2.51)

c b c b l

∆p − 1)∆p (Sumber: Lit. 16 hal. 590)

Gambar 2.22: Aliran melintang bagian tengah 2. Besarnya penurunan tekanan total pada bagian sekat yang dipotong (sebelah jendela), lihat gambar 2.23.

= N × × R (Lit. 8 hal. 328) (2.52)

∆p w b ∆p wi l (Sumber: Lit. 16 hal. 590)

Gambar 2.23: Aliran daerah jendela

3. Besarnya penurunan tekanan pada bagian sisi masuk dan keluar selongsong, lihat gambar 2.24.

= ∆p c

(Lit. 8 hal. 329)

∆p e = 2 ×

∆p c × R

× R

s �1 +

N r ,cw

N r ,cc

� (Lit.8 hal. 328) (2.53)

(Sumber: Lit. 16 hal. 590) Gambar 2.24: Aliran daerah sisi masuk dan keluar selongsong

Penurunan tekanan total yang melintasi selongsong (Δp

) yang dinyatakan sebagai: ∆p s

∆p w
∆p e

N
2 ∆p

b × ∆p wi

p,c = penurunan tekanan aliran menyilang ideal (Pa)

(Lit. 16 hal. 648) (2.55)

X l

D s −2L c

r,cc

dari persamaan, N

r,cc ) yang diperoleh

= penurunan tekanan untuk ideal daerah jendela (Pa)

p,w

= faktor koreksi untuk aliran bypass R s = faktor koreksi untuk jarak sekat Δ

∆p s

(2.54) dimana: N r,cc = jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang R l = faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat R

�

�1 + N _{r ,cw} N _{r ,cc}

× R s

× R b

]R l

× R b

− 1)∆p c

= [(N b

Jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang (N
Faktor koreksi pada aliran efek bypass a.

Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat,
Penurunan tekanan aliran menyilang ideal (Δp

D s

w,g

(Lit. 2 hal. 828) (2.64) Luas aliran jendela sekat kotor,

w,g − A w,t

= A

) Luas aliran jendela sekat bersih (A w ) yang dinyatakan sebagai

(Lit. 8 hal. 330) (2.63) dimana: A w = luas aliran jendela sekat bersih (m

× ρ

×A w

2 2×A m

�ṁ s

�2+0,6N r ,cw

∆p w =

�

(Lit. 16 hal. 396) (2.62)

× N

× F

w,t

θ b

Luas aliran jendela sekat yang ditempati oleh tabung, A

� (Lit. 2 hal. 828) (2.65)

θ b

� sin

D s

2L c

− �1 −

w )

m ̇ s A s

(Lit. 2 hal. 828) (2.66)

e,s

= exp �−1,33(1 + r s

= 1 (Lit. 16 hal. 650) (2.57)

≥ ½ R

≤ 100, (laminar) D = 3,7 untuk R e,s > 100, (turbulen) b. Untuk r

�� (Lit. 16 hal. 650) (2.56) dimana: D = 4,5 untuk R

lm [ −0,15(1+r s )+0,8]

)

= exp �−D × r b �1 − (2r ss

ss < ½

Untuk r

� (Lit. 16 hal. 650) (2.58)

P t

(Lit. 16 hal. 656) (2.61) G

6,59 1+0,14R e ,s 0,52

(Lit. 16 hal. 656) (2.60) b =

e,s −0,476

�

d o

id ) yang dinyatakan sebagai,

= 3,5 �1,33

(Lit. 16 hal. 393) (2.59) f

× ρ

2×g c

2 ×N r ,cc

×G c

4×f id

∆p id =

Penurunan tekanan daerah jendela (Δp

penukar kalor

Faktor koreksi terhadap jarak sekat pada sisi masuk dan sisi keluar alat

′ ′

2 −n −n L L b b

R = (Lit. 16 hal. 650) (2.67)

� � � �

b ,i b ,o ′

dimana: n = 1 untuk aliran laminar

′

n = 0,2 untuk aliran turbulen

2.2.5 Koefisien perpindahan kalor menyeluruh

Persamaan dibawah berlaku untuk alat penukar kalor dalam kondisi baru atau tidak terjadi faktor pengotoran pada pipa.

1 U = (Lit.8 hal. 38) (2.68) o

1 d o d o d o

× ×ln

2k h o d i h i d i

Jika terjadi faktor pengotoran maka koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan:

d o d ×ln o � �

1 1 f ×d d i o o d i

= + f + + (Lit.8 hal. 41) (2.69) +

o U h 2k d h ×d o w i i i

2.2.6 Efektivitas alat penukar kalor

Efektivitas digunakan untuk membandingkan satu alat penukar kalor dengan alat penukar kalor lainnya untuk memudahkan memilih yang sesuai dengan kebutuhan. Efektivitas dipengaruhi oleh beberapa macam faktor. Salah satunya adalah kecepatan aliran. Penukar kalor selongsong dan tabung menggunakan dua fluida. Bila perbandingan kecepatan aliran antara kedua fluida ini bertambah, maka efektivitas juga bertambah.

Efektivitas alat penukar kalor untuk tipe selongsong dan tabung yakni:

−1

�

2 1+exp �−NTU √1+c

(Lit. 4 hal.694) (2.70) ϵ = 2 �1 + c + √1 + c �

1 −exp �−NTU √1+c � C �ṁ.c p � min min

c = = (Lit. 4 hal.694) (2.71)

C max �ṁ.c p � max

NTU = (Lit. 4 hal.694) (2.72)

C min

2.3 Analisis CFD Menggunakan Flow Simulation Solidwork

Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode perhitungan dengan

sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memenfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida. Mulai dari aliran fluida, perpindahan panas dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida.

Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat. Persaman- persamaan ini adalah persamaan yang membangkitkan dengan memasukan parameter apa saja yang terlibat dalam domain.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Jenis-jenis Alat Penukar Kalor - Simulasi Pengaruh Jumlah Sekat Pada Alat Penukar Kalor Tipe Selonsong dan Tabung