BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Panas
2.2.3 Alat Penukar Kalor Tipe Cangkang dan Tabung
Cangkang tabung adalah salah satu jenis APK yang menurut konstruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan tabung (tube bundles) yang dipasangkan di dalam cangkang berbentuk silinder dimana dua jenis fluida yang saling bertukar kalor mengalir secara terpisah, masing-masing melalui sisi tabung dan sisi cangkang.
Begitu banyaknya jenis dari alat penukar kalor cangkang tabung yang dipergunakan pada dunia industri. Untuk membuat pembagiannya secara pasti adalah sangat sulit. Menurut Tunggul [11] berdasarkan pemakaian, heat exchanger diklasifikasikan dalam 3 class, yaitu : class R, class C, dan class B. Class R adalah alat penukar kalor yang tidak mengalami pembakaran, dan secara umum dipergunakan untuk mengolah minyak (petroleum) atau setidak-tidaknya berhubungan dengan aplikasi dalam proses pengolahan minyak. Class C sama dengan class R, dimana dalam penggunaannya tidak mengalami pembakaran.
Jenis ini umumnya dipergunakan pada tujuan-tujuan komersial dan dalam proses yang umum. Class B juga sama, hanya saja dipergunakan untuk proses-proses kimia (chemical process service).
Disamping pengelompokan diatas, dari TEMA dikenal juga tipe lain, seperti:
1. Penukar kalor dengan fixed tube sheet 2. Penukar kalor dengan floating tube sheet 3. Penukar kalor dengan pipa U (hairpin tube)
4. Penukar kalor dengan fixed tube sheet dan mempunyai sambungan ekspansi (expantion joint) pada cangkang nya
Keuntungan alat penukar kalor tipe cangkang tabung adalah :
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 established)
4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang dipergunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasinya 5. Mudah membersihkannya
6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well established) 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil 8. Prosedur mengoperasikannya tidak berbelit-belit
9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif mudah
Gambar 2.4. APK jenis cangkang dan Tabung tipe BEM.
Konstruksi tipe BEM mempunyai front end Stationary B yang berbentuk Bunnet, cangkang tipe E yaitu one pass shell dan rear end head, tipe M yaitu fixed tube shell.
Umumnya, aliran fluida dalam cangkang dan tabung dari suatu APK adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam cangkang dan tabung menjadi aliran menyilang (cross flow) biasanya ditambah baffle (sekat).
2.2.4. Fluida di Dalam Cangkang dan di Dalam Tabung.
Menentukan fluida di dalam tabung serta fluida diluar tabung (sisi cangkang) memerlukan pertimbangan-pertimbangan yang khusus. Untuk menentukan hal itu dilakukan evaluasi berbagai faktor disamping memperhatikan tipe alat penukar kalor. Tunggul [12] mengemukakan faktor-faktor yang harus diperhatikan untuk menentukan jenis fluida dalam tabung (tube side) atau diluar tabung (shell side) adalah:
Jika dibandingkan cara membersihkan tabung dan cangkang, maka pembersihan sisi cangkang (luar tabung) jauh lebih sulit. Untuk itu maka fluida yang bersih biasanya dialirkan sebelah cangkang (diluar tabung) dan fluida yang kotor melalui tabung.
2. Korosi
Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari paduan logam. Paduan logam itu mahal, karena itu fluida dialirkan melalui tabung untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan cangkang. 3. Tekanan kerja
Cangkang yang bertekanan tinggi, diameter besar, akan memerlukan dinding yang tebal, ini akan mahal. Untuk mengatasi hal ini, apabila fluida bertekanan tinggi, lebih baik dialirkan melalui tabung.
4. Temperatur
Fluida bertemperatur tinggi lebih baik dialirkan melalui tabung. Fluida bertemperatur tinggi juga akan menurunkan tegangan yang dibolehkan (allowable stress) pada material peralatan, hal ini mempunyai pengaruh yang sama seperti fluida bertekanan tinggi yang memerlukan dinding cangkang yang tebal.
5. Fluida berbahaya atau fluida mahal
Untuk fluida mahal dan atau fluida yang berbahaya harus dialirkan melalui bagian-bagian yang terikat kuat pada alat penukar kalor itu. Beberapa tipe penukar kalor mengalirkannya pada sisi sebelah tabung.
6. Jumlah aliran fluida
Suatu perencanaan yang baik akan diperoleh aliran fluida yang kecil jumlahnya dilakukan pada sisi sebelah cangkang. Ini mempengaruhi jumlah pass aliran, tetapi konsekuensinya ialah kerugian dan penurunan tekanan. 7. Viskositas
Batas angka kritis bilangan Reynolds untuk aliran turbulen pada sisi cangkang adalah 200. Karena itu aliran laminer dalam tabung dapat menjadi turbulen apabila aliran melalui cangkang. Aliran tetap laminar dialirkan melalui cangkang, maka lebih baik aliran itu dialirkan melalui tabung.
8. Penurunan tekanan
Apabila masalah penurunan tekanan (pressure drop) merupakan hal yang kritis dan harus ditinjau secara teliti, maka sebaiknya fluida tersebut dialirkan melalui sisi tabung. Penurunan tekanan didalam tabung dapat dihitung dengan teliti, sedangkan pressure drop sisi cangkang dapat menyimpang sangat besar dari nilai teoritis, tergantung dari kelonggaran (clearance) alat penukar kalor itu.
Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan (heating surface). Besarnya luas permukaan itu tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tabung yang dipergunakan pada alat penukar kalor itu.
2.2.5. Jumlah Pass Atau Lintasan Pada Alat Penukar Kalor.
Yang dimaksud dengan pass dalam alat penukar kalor adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida di dalam cangkang atau dalam bundle tabung. Dikenal 2 jenis lintasan alat penukar kalor, yaitu :
1. Shell pass atau lintasan cangkang. 2. Tube pass atau lintasan tabung.
Yang dimaksud dengan pass shell adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk mulai saluran masuk (inlet nozzle), melewati bagian dalam cangkang dan mengelilingi tabung, keluar dari saluran buang (outlet nozzle). Apabila lintasan itu dilalui 1 kali maka disebut 1 laluan cangkang, kalau terjadi 2 kali atau n kali melintasi bagian dalam serta melewati tabung, disebut 2 atau n laluan cangkang.
Untuk fluida di dalam tabung, jika fluida masuk kedalam penukar kalor melalui salah satu ujung (front head) lalu mengalir ke dalam tabung dan langsung keluar dari ujung tabung yang lain melalui rear head, maka disebut dengan 1 laluan tabung. Apabila fluida itu membelok lagi masuk kedalam tabung, sehingga terjadi dua kali lintasan fluida dalam tabung maka disebut 2 laluan tabung. Biasanya laluan cangkang itu lebih sedikit daripada laluan tabung.
2.2.6. Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur Pada Alat Penukar Kalor Apabila ditinjau aliran fluida alat penukar kalor, maka dapat dibagi dalam 3 macam aliran, yaitu :
1. Aliran sejajar atau paralel flow. 2. Aliran berlawanan atau counter flow.
3. Aliran kombinasi, gabungan aliran sejajar dan berlawanan.
Aliran fluida dan distribusi temperatur pada penukar kalor dapat dibagi atas :
1. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Langsung
Pada alat penukar kalor jenis ini, temperatur akhir fluida panas dan fluida dingin menjadi sama karena kedua jenis fluida tersebut akan membentuk campuran (teraduk) keluar dari alat penukar kalor itu. Hal ini berarti, panas yang diberikan oleh fluida panas diterima secara utuh atau 100% oleh fluida dingin, tanpa ada kerugian panas.
Hubungan antara jenis aliran, distribusi temperatur dan panjang tabung (luas tabung) pada alat penukar kalor yang kontak langsung dapat dilihat pada gambar 2.5. dan 2.6 [13].
Gambar 2.5. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida parallel.
Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung, alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida berlawanan arah.
Pada jenis alat penukar kalor ini, tabung berfungsi sebagai pemisah antara fluida panas dengan fluida dingin. Untuk itu perlu pertimbangan yang matang, untuk menentukan fluida mana yang mengalir melalui tabung, apakah fluida panas atau fluida dingin.
2.2.7. Konstruksi Alat Penukar Kalor
Ditinjau dari segi konstruksi alat penukar kalor jenis cangkang dan tabung, Tunggul [14] membagi konstruksinya dalam 4 bagian, yaitu:
1. Bagian depan yang tetap atau Front End Stationary Head 2. Shell atau badan alat penukar kalor
3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head
4. Berkas tabung atau tube bundle, kumpulan tabung yang dimasukkan ke dalam tabung alat penukar kalor
Didalam TEMA Standar, masing-masing bagian tersebut (kecuali nomor 4) telah diberi kode masing-masing dengan mempergunakan huruf.
Gambar 2.7. Bagian-bagian dari alat penukar kalor (berdasarkan standar TEMA) [15].