Uji Eksperimental Optimasi Laju Perpindahan Kalor Dan Penurunan Tekanan Pengaruh Jarak Baffle Pada Alat Penukar Kalor Tabung Cangkang Dengan Susunan Tabung Segiempat

UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI LAJU PERPINDAHAN KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH JARAK BAFFLE PADA ALAT

PENUKAR KALOR TABUNG CANGKANG DENGAN SUSUNAN TABUNG SEGIEMPAT

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

]

DONNY M. SIMANUNGKALIT NIM. 060401071

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena

berkat rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas

Sarjana yang berjudul “UJI EKSPERIMENTAL OPTIMASI PERPINDAHAN

KALOR DAN PENURUNAN TEKANAN PENGARUH JARAK BAFFLE PADA ALAT PENUKAR KALOR TABUNG CANGKANG DENGAN SUSUNAN TABUNG SEGIEMPAT”.

Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat untuk mencapai derajat

Sarjana S-1 pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas

Sumatera Utara.

Untuk penulisan laporan ini, penulis dan tim telah merancang dan

membangun konstruksi alat penukar kalor tabung cangkang dan melakukan

pengujian alat penukar kalor dengan memanfaatkan air laut sebagai fluida

pendingin.

Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis mengucapkan terima

kasih kepada :

1. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel Hasiholan Napitupulu, DEA, selaku Dosen

pembimbing, yang selalu memberikan bimbingan dan motivasi sehingga

penelitian ini dapat selesai.

2. Bapak Dr-Ing. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Jurusan sekaligus Dosen

Pembanding I dan Bapak Ir. M.Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris

Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak Dr-Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku Dosen Pembanding II yang

telah banyak memberikan bimbingan untuk perbaikan skripsi ini

4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang

telah membantu segala keperluan yang diperlukan selama penulis kuliah.

5. Staf Laboratorium Prestasi Mesin, Departemen Teknik Mesin Universitas

Sumatera Utara, yang telah membantu pelaksanaan pengujian alat.

6. Kedua orang tua saya Drs. R. Simanungkalit dan Dra. R. Sitompul, yang

selalu memberikan dukungan moril dan materiil serta kasih sayangnya yang

7. Adik saya Fredrick Dynata Simanungkalit dan Harry Simon Simanungkalit

yang memberikan dukungan moral dan doa dalam penyelesaian penelitian ini.

8. Tulang saya Ir. Rizal Sitompul, Lambas Sitompul, SE, Jimmy Sitompul, ST

dan Edison Sitompul, Amd, yang memberi dukungan dalam penyelesaian

penelitian ini.

9. Rekan satu tim, Esron Sihite, Piko Nadeak, dan Juanda Ambarita atas kerja

sama yang baik untuk menyelesaikan tugas ini.

10. Bapak Positron Bangun, ST.MT dan Bang Sihar Siahaan, ST yang begitu

banyak mengambil andil dalam penyelesaian penelitian ini.

11. Hanna J. Simanjuntak, Amd., yang senantiasa mendoakan dan memberikan

semangat dalam penyelesaian penelitian ini.

12. Seluruh rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberikan bantuannya

sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dan seluruh pihak

yang telah membantu selama penulis kuliah dan menyelesaikan Tugas Sarjana

ini.

Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, maka dari

itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat membangun untuk

perbaikan Tugas Sarjana ini. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

Tuhan memberkati.

Medan, April 2011

Penulis,

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... ...i

DAFTAR ISI ... .iii

DAFTAR SIMBOL...v

DAFTAR GAMBAR...vii

DAFTAR TABEL...x

ABSTRAK ...xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ………... ... 1

1.2. Perumusan dan Batasan Masalah ... 4

1.3. Tujuan Penelitian ... 5

1.4. Manfaat Penelitian ... 6

1.5. Metode Pengumpulan Data ... 6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Perpindahan Panas ... 7

2.2 Alat Penukar Kalor ... 10

2.2.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 10

2.2.2 Standar Alat Penukar Kalor ... 13

2.2.3 Alat Penukar Kalor Tipe Cangkang dan Tabung ... 14

2.2.4 Fluida di dalam Cangkang dan di dalam Tabung... 16

2.2.5 Jumlah Pass atau Lintasan pada Alat Penukar Kalor... 19

2.2.6 Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur pada Alat Penukar Kalor ... 20

2.2.7 Konstruksi Alat Penukar Kalor ... 21

2.2.8 Selongsong (Shell) ... 23

2.2.9 Tabung ... 24

2.2.10 Baffle atau Sekat ... 26

2.3 Landasan Teori ... 31

2.4 Efektivitas Alat Penukar Kalor ... 41

2.5 Penurunan Tekanan ... 42

BAB III PERANCANGAN ALAT PENELITIAN ... 44

3.1. Perancangan alat penukar kalor ... 44

3.2. Mencari temperatur air keluar alat penukar kalor ... 46

3.3. Mencari panjang alat penukar kalor ... 48

BAB IV METODE PENELITIAN ... 58

4.1. Tempat Penelitian ... 58

4.2. Bahan dan Alat ... 58

4.3. Dimensi Utama Penelitian………...62

4.4. Pelaksanaan Penelitian………….………...63

4.4.1.Persiapan Pandahuluan... 63

4.4.2.Pengambilan data ... 63

4.5. Analisa Data ... 64

BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 65

5.1. Data Hasil Pengujian ... 65

5.2. Pengolahan Data ... 65

5.3. Pembahasan ... 72

5.4. Validasi data ... 75

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN... 85

6.1.Kesimpulan ... 85

6.2.Saran ... 86

DAFTAR PUSTAKA ... 88

DAFTAR SIMBOL

Q = laju perpindahan panas (W)

h

m = laju aliran massa fluida panas (kg/s) c

m = laju aliran massa fluida dingin (kg/s)

ph

c = panas jenis fluida panas (J/kgoC)

pc

c = panas jenis fluida dingin (J/kgoC)

co

T = temperatur fluida dingin keluar (oC)

ci

T = temperatur fluida dingin masuk (oC)

ho

T = temperatur fluida panas keluar (oC)

hi

T = temperatur fluida panas masuk (oC)

A = luas permukaan yang mengalami perpindahan panas (m2) o

d = diameter luar tabung (m)

i

d = diameter dalam tabung (m)

s

D = diameter dalam cangkang (m)

c

T = temperatur rata-rata fluida dalam tabung (oC)

rt

Ρ = bilangan Prandtl fluida dalam tabung

t

μ = viskositas dinamik dalam tabung (kg/m.s)

et

R = bilangan Reynold fluida dalam tabung

ut

Ν = bilangan Nusselt fluida dalam tabung

c

h = koefisien pindahan panas pada sisi tabung (W/m2.K)

h

T = temperatur fluida rata-rata sisi cangkang (oC)

es

R = bilangan Reynold pada sisi cangkang

s

μ = viskositas dinamik pada sisi cangkang (kg/ms)

s

G = kecepatan massa (kg/m2s)

m

S = luas aliran menyilang (m2)

bc

bb

L = jarak celah diameter dalam cangkang dengan diameter luar bundle (m)

sb

L = ruang bebas dari cangkang dengan diameter sekat (m)

eff tp,

L = pitch tabung efektif (m)

ctl

D = diameter limit tengah tabung (m)

a = koefisien empiris

ctl

θ = sudut relatif antara baffle cut terhadap sumbu APK

ds

θ = sudut baffle cut

w

F = fraksi dari luar area yang dibentuk oleh jendela sekat

c

F = fraksi aliran melintang diantara baffle

sbp

F = perbandingan luas by-pass dan luas aliran silang

sb

S = luas kebocoran cangkang dengan baffle (m2)

m

S = luas aliran menyilang pada sumbu bundle (m2)

sb

S = luas kebocoran antara cangkang dengan baffle (m2)

tb

S = luas kebocoran antara tabung dengan baffle (m2)

m

S = luas aliran melintang tabung (m2)

b

S = luas by-pass (m2)

s

r = perbandingan luas by-pass cangkang dengan luas aliran melintang

tabung

i

J = faktor perpindahan panas

c

J = faktor koreksi potongan baffle

L

J = faktor koreksi berdasarkan kebocoran baffle

B

J = faktor koreksi by-pass bundle

s

J = faktor koreksi berdasarkan ketidaksamaan jarak baffle

μ

J = faktor koreksi berdasarkan viskositas fluida pada temperatur dinding

h

h = koefisien pindahan panas pada sisi cangkang (W/m2,K)

w

k = konduktivitas termal dinding (W/m.K)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduksi dari udara hangat ke kaleng

minuman dingin melalui dinding aluminum kaleng ... 8

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari permukaan panas ke udara dengan Konveksi………...9

Gambar 2.3. Perpindahan panas dengan radiasi ... 9

Gambar 2.4. APK jenis Shell and Tube tipe BEM ... 16

Gambar 2.5. Distribusi temperatur – panjang (luas) tube alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida parallel ... 20

Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang (luas) tube alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida berlawanan ... 21

Gambar 2.7. Bagian-bagian dari alat penukar kalor (berdasarkan standar TEMA) ... 22

Gambar 2.8. Aliran dalam sisi shell dengan baffle segmen ... 23

Gambar 2.9. Selongsong APK ... 23

Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor... 25

Gambar 2.11. Baffle ... 27

Gambar 2.12. Jarak antara Baffle ... 30

Gambar 2.13. Distribusi suhu APK aliran menyilang ... 31

Gambar 2.14. Sekat segmen ... 34

Gambar 3.1. Distribusi temperatur alat penukar kalor ... 44

Gambar 3.2. Baffle alat penukar kalor untuk susunan tabung segiempat ... 45

Gambar 3.4. Tabung alat penukar kalor dengan susunan tabung segiempat ... 55

Gambar 3.5. Header alat penukar kalor ... 55

Gambar 3.6. Baffle alat penukar kalor dengan baffle cut 30,37% ... 56

Gambar 3.7. Tubesheet alat penukar kalor untuk susunan segiempat... 56

Gambar 3.8. Baut dan mur ... 57

Gambar 3.9. Alat penukar kalor yang dirakit... 57

Gambar 3.10. Pola aliran fluida dalam alat penukar kalor... 57

Gambar 4.1. Pompa Sirkulasi……….59

Gambar 4.2. Termo resistance ... 59

Gambar 4.3. Panel Indikasi ... 59

Gambar 4.4. Jarum Termokopel ... 59

Gambar 4.5. Tangki pemanas ... 60

Gambar 4.6. Pemanas air 5000w ... 60

Gambar 4.7. Katup kontrol ... 60

Gambar 4.8. Manometer air ... 61

Gambar 4.9. Skema alat uji penelitian ... 62

Gambar 5.1. Hubungan antara bilangan Reynold, Reh, dengan perpindahan panas menyeluruh, U ... 73

Gambar 5.2. Hubungan antara jarak baffle dengan temperatur panas keluar,Tho ... 74

Gambar 5.3. Hubungan antara jarak baffle dengan perpindahan panas menyeluruh, U ... 74

Gambar 5.5. Hubungan antara perubahan tekanan,∆P dengan perpindahan

panas menyeluruh , U ... 75

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tube pada alat penukar kalor ... 26

Tabel 2.2. Koefisien Empiris... 35

Tabel 3.1. Perhitungan iterasi temperatur air laut keluar ... 47

Tabel 3.2. Hasil perhitungan panjang alat penukar kalor ... 53

Tabel 4.1. Dimensi utama penelitian ... 62

Tabel 4.2. Analisa data ... 64

Tabel 5.1. Data pengujian ... 65

Tabel 5.2. Sifat-sifat air laut ... 65

Tabel 5.3. Sifat-sifat air ... 66

Tabel 5.4. Hasil perhitungan koefisiensi perpindahan panas pada sisi tabung .. 71

Tabel 5.5. Hasil perhitungan koefisiensi perpindahan panas pada sisi selongsong. ... 72

Tabel 5.6. Hasil perhitungan Koefisiensi perpindahan panas menyeluruh dan efektifitas ... 72

ABSTRAK

Sekat (baffle) mempengaruhi pola aliran fluida yang mengalir pada sisi cangkang yang memberikan efek turbulensi, yang kemudian mempengaruhi unjuk kerja termal dan penurunan tekanan alat penukar kalor jenis tabung cangkang. Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan, secara eksperimen, untuk mengetahui pengaruh jarak sekat terhadap koefisien pindahan panas konveksi dan penurunan tekanan alat penukar kalor jenis tabung cangkang susunan segiempat. Pengujian ini dilakukan dengan mengalirkan air demin sebagai fluida panas melalui cangkang dengan temperatur masuk 42,8oC dan air laut sebagai fluida dingin dialirkan melalui tabung dengan temperatur masuk 29oC. Sekat yang digunakan adalah jenis segmen tunggal dengan pemotongan sekat (baffle cut) 30,37%, jarak sekat ditetapkan dengan 6 variasi yaitu 40 mm, 44 mm, 49 mm, 55 mm, 63 mm, dan 73 mm. Laju aliran massa kedua fluida adalah 0,2 kg/s. Sedangkan parameter yang diukur adalah suhu keluar air demin yaitu 38,4oC s/d 41,4oC, suhu keluar air laut yaitu 31,9oC s/d 33,9oC, dan penurunan tekanan yaitu 97 mmH2O s/d 175

mmH2O. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jarak sekat mempengaruhi

koefisien pindahan panas konveksi dan penurunan tekanan, dengan nilai yang optimum diperoleh adalah pada jarak sekat 40 mm dengan koefisien pindahan panas menyeluruh 282,1884 W/m2.K, penurunan tekanan 175 mmH2O, dan

efektivitas 35,5072%.

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar belakang

Salah satu proses dalam sistem pembangkit tenaga adalah proses

pendinginan untuk mendinginkan mesin-mesin pada sistem. Proses pendinginan

ini memerlukan beberapa kebutuhan atau syarat temperatur tertentu dalam

prosesnya, sehingga sistem dapat berjalan dengan baik. Sementara, di sisi lain,

mungkin, terdapat medium yang berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai media

pendingin. Jika kasusnya seperti ini, akan diperlukan suatu alat yang dapat

memanfaatkan media pendingin yang berpotensi itu untuk kebutuhan proses

pendinginan tersebut, yaitu Alat Penukar Kalor (APK).

Ada banyak jenis-jenis Alat Penukar Kalor, namun APK jenis cangkang

dan tabung (Shell and Tube Heat Exchanger) masih yang terbanyak digunakan di

dunia industri dibandingkan dengan jenis lainnya. Salah satu keuntungan APK ini

adalah konstruksinya dapat dipisah-pisah, tidak merupakan satu kesatuan. Oleh

karena itu APK jenis ini dapat untuk dikembangkan lagi. Salah satu

penggunaannya terdapat pada proses pendinginan pada sistem pembangkit tenaga

PLTGU unit I dan II PT. PLN (Persero) KITSU sektor Belawan,

Sicanang-Medan. Alat yang digunakan dinamakan Close Cooling Water Heat Exchanger

(CCWHE), berupa APK jenis cangkang dan tabung. APK ini digunakan untuk

memanfaatkan air laut sebagai pendingin air demineralisasi, air demineralisasi ini

kemudian dimanfaatkan untuk mendinginkan oli mesin, dengan APK yang

berbeda yang dinamakan Oil Cooler, sehingga sifat-sifat oli tetap terjaga.

diharapkan adalah 38oC. Oleh karena itu untuk memenuhi kebutuhan temperatur pada proses pendinginan ini, diperlukan suatu APK yang efektif yang dapat

diperoleh melalui perancangan yang dilanjutkan dengan pengujian secara

eksperimental pada tingkat kemampuannya.

Dalam pemakaian APK ini, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan

untuk memperoleh perpindahan panas yang optimum untuk mendapatkan hasil

yang diinginkan, yaitu jenis fluida, laju aliran, suhu, penurunan tekanan, laju

perpindahan kalor, dimensi tabung dan cangkang, jarak baffle, baffle cut, susunan

tabung, jarak pitch, dan jenis material.

Baffle pada APK cangkang tabung adalah sangat penting untuk dibahas

dalam memperbaiki atau meningkatkan unjuk kerja termal. Baffle juga diperlukan

untuk mendukung keberadaan tabung dan membentuk pola aliran silang

disepanjang tabung tersebut. Tunggul [1] mengemukakan bahwa jarak maksimum

antara sekat (maximum spacing) adalah diameter dalam cangkang dan minimum

1/5 dari diameter dalam cangkang. Apabila jarak antara sekat itu dibuat terlalu

jarang, maka aliran fluida akan aksial sehingga tidak terdapat aliran yang

melintang sebaliknya kalau jarak antara sekat dibuat terlalu sempit menimbulkan

bocoran yang berlebihan antara sekat dan cangkang.

Perubahan pemasangan baffle dengan posisi tegak lurus dari beberapa

variasi jarak dengan sendirinya memberi implikasi terhadap bentuk zona aliran

maupun pola alirannya yang pada gilirannya akan dapat mempengaruhi unjuk

kerja termal dan penurunan tekanan. Dalam penggunaannya pada APK, baffle

dengan type segmental yang dipasang tegak lurus terhadap tabung atau arah axial

aliran sebagian fluida dalam cangkang melintas tegak lurus (transversal) terhadap

bundle tabung dan kondisi demikian akan meningkatkan efek turbulensi. Aliran

tersebut sangatlah komplek, namun demikian dapat memberi dampak perpindahan

kalor konveksi yang lebih baik disatu sisi, tetapi kurang baik terhadap penurunan

tekanan di sisi lain.

Dengan kata lain proses aliran dan perpindahan kalor di sisi tabung sangat

bergantung kepada ukuran tabung itu sendiri, jarak pitch, susunan tabung, tipe

baffle, jarak baffle, baffle cut, dan celah antara baffle dan shell. Tunggul [2]

mengemukakan bahwa besarnya pemotongan sekat berrkisar antara 15-45%

diameter sekatnya, sebab pada kondisi ini akan terjadi perpindahan panas yang

baik serta penurunan tekanan (pressure drop) tidak terlalu besar.

Pertimbangan-pertimbangan operasi menjadi hal yang sangat penting di dalam memilih baffle

cut mana yang akan digunakan.

Dari segi operasi dan pemeliharaan suatu APK cangkang tabung, susunan

tabung adalah hal yang sangat prinsip karena dapat mempengaruhi besar

penurunan tekanan pada aliran fluida. Penurunan tekanan dalam sisi cangkang

sangat dipengaruhioleh faktor gesekan dan laju aliran masa fluida. Besarnya

faktor gesekan dalam sisi cangkang yang berkorelasi langsung dengan bilangan

Reynold.

Oleh karena itu dalam sebuah tahap memperkirakan kinerja atau APK,

bahwa begitu diketahui konfigurasinya maka akan tampaklah perbedaannya,

namun sayangnya tidak selalu mengetahui banyak hal dari sistim tersebut sebelum

perencanaannya lengkap. Setiap APK didesain sedemikian rupa agar dapat

perpindahan kalor antara dua atau lebih fluida yang berbeda suhunya, dengan luas

permukaan yang minimum dan kondisi operasi yang efektip serta konstruksi yang

kokoh, maka pada penelitian ini jenis APK yang direncanakan adalah jenis

cangkang tabung yang terdiri satu cangkang atau dengan satu tabung serta

dilengkapi dengan beberapa baffle.

Pada penelitian ini yang akan diamati dan dianalisa unjuk kerja termal dan

penurunan tekanan suatu APK jenis cangkang tabung susunan segiempat yang

dipengaruhi oleh pemasangan baffle dalam berbagai variasi posisi jarak, dimana

pada sisi tabung dialiri fluida dingin yaitu air laut dan pada sisi cangkang dialiri

fluida panas yaitu air demineralisasi. Dalam hal ini unjuk kerja termal dinyatakan

dalam angka koefisien perpindahan kalor menyeluruh dan penurunan tekanan.

1.2. Perumusan dan Batasan Masalah 1.2.1. Perumusan masalah

Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah pada analisa koefisien

perpindahan kalor menyeluruh dan penurunan tekanan pada APK jenis cangkang

dan tabung dengan susunan tabung segiempat dengan variasi nilai jarak baffle,

dimana pada tabung dialiri fluida dingin berupa air laut dan pada cangkang dialiri

fluida panas berupa air demineralisasi. Dalam penelitian ini dirumuskan masalah

yang ditinjau yaitu berapa jarak baffle optimal dan angka koefisien perpindahan

1.2.2. Batasan masalah

Batasan masalah dalam penelitian ini yaitu pengujian dilakukan dengan

rencana awal data yang ditetapkan sebagai berikut :

1. Dengan 6 (enam) variasi jarak baffle yaitu pada 40 mm, 44 mm,49 mm, 55

mm, 63 mm dan 73 mm. Laju aliran massa air demineralisasi (fluida panas)

adalah 0,2 kg/det dengan rencana suhu masuk 42,80C dan fluida dingin adalah air laut dengan laju aliran massa 0,2kg/det.

2. APK ini merupakan hasil rancang bangun yang didasarkan atas perhitungan

teoritis dengan metode trial and error dan sebagai data hasil pengujian yang

diamati dan diperoleh berupa suhu air keluar yang diukur dengan

menggunakan alat ukur Termo Resistance PT-100 ohm dan perbedaan tekanan

pada sisi cangkang diukur menggunakan manometer air pipa U serta variabel

lain yang dibutuhkan juga diukur dengan alat-alat ukur standar lainnya.

1.3. Tujuan penelitian

Adapun tujuan penelitian pada tugas akhir ini, adalah:

a. Menganalisa APK cangkang dan tabung secara eksperimental dengan

variasi jarak baffle untuk mendapatkan data laju perpindahan kalor dan

penurunan tekanan.

b. Untuk mendapatkan nilai jarak baffle yang optimal pada APK

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitian pada tugas akhir ini, adalah:

a. Menghasilkan informasi nilai jarak baffle yang optimal untuk APK

cangkang dan tabung susunan tabung segiempat yang dapat digunakan

untuk perancangan APK.

b. Sebagai pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi bidang APK

cangkang dan tabung susunan tabung segiempat.

c. Sebagai pengembangan wawasan penelitian secara eksperimental pada

laboratorium Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

1.5. Metode Pengumpulan Data

Adapun metode pengumpulan data dalam tugas akhir ini, dilakukan

dengan cara:

a. Study Lapangan, dimana penulis melakukan pengamatan langsung dari

APK pada Laboratorium Perpindahan Panas Departemen Teknik

Mesin USU.

b. Study Literatur, dimana penulis melakukan penelaahan dari buku-buku

yang berhubungan dengan permasalahan yang dibahas dalam tugas

akhir ini.

c. Survey Study , dimana penulis melakukan pengamatan langsung di

PLN Sicanang Belawan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan panas

Perpindahan panas merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi

dalam bentuk panas yang terjadi karena adanya perbedaan suhu di antara benda

atau material. Dalam proses perpindahan energi tersebut tentu ada kecepatan

perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan

panas. Maka ilmu perpindahan panas juga merupakan ilmu untuk meramalkan laju

perpindahan panas yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Ada tiga bentuk

mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi, konveksi, dan

radiasi.

Konduksi, merupakan perpindahan panas dari partikel yang lebih berenergi

ke partikel yang kurang berenergi yang saling berdekatan dari sebuah bahan

karena interaksi antara partikel tersebut. Contoh: semakin panasnya (hangat)

sendok yang tercelup dalam secangkir kopi panas. Holman [3] merumuskan

persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas secara konduksi adalah:

x

T kA q

∂ ∂ −

= (W) (2.1)

, dimana q sebagai laju perpindahan panas konduksi, ∂T/∂x sebagai gradient suhu

ke arah perpindahan panas, k sebagai konduktivitas atau kehantaran termal benda

dengan tanda minus menunjukkan aliran kalor ke tempat yang bertemperatur lebih

rendah, dan A sebagai luas permukaan yang mengalami perpindahan panas

Gambar 2.1. Perpindahan panas konduski dari udara hangat ke kaleng minuman

dingin melalui dinding aluminum kaleng[4].

Konveksi, merupakan perpindahan panas antara permukaan solid dan

berdekatan dengan fluida yang bergerak atau mengalir, dan itu melibatkan

pengaruh konduksi dan aliran fluida. Contoh: sebuah plat besi panas akan lebih

cepat dingin jika diletakkan di depan kipas angin dibandingkan dengan jika

diletakkan begitu saja di udara terbuka. Holman [5] merumuskan persamaan untuk

meramalkan laju perpindahan panas secara konveksi adalah:

q=hA

(

Ts −T∞

)

(W) (2.2)

, dimana q sebagai laju perpindahan panas konveksi, h sebagai koefisien

perpindahan-kalor konveksi, A sebagai luas permukaan yang mengalami

perpindahan panas, Ts sebagai temperatur permukaan benda solid yang dilalui

fluida yang mengalir, T_∞ sebagai temperatur fluida yang mengalir berdekatan

Gambar 2.2. Perpindahan panas dari permukaan panas

ke udara dengan konveksi[6]

Radiasi, merupakan perpindahan energi karena emisi gelombang

elektromagnet (atau photons). Contoh: kehangatan sewaktu kita berada di dekat

api unggun. Holman [7] persamaan untuk meramalkan laju perpindahan panas

secara radiasi adalah:

(

)

4 4

sur

s T

T A

q=ε σ − (W) (2.3)

, dimana q sebagai laju perpindahan panas radiasi, ε sebagai sifat radiasi pada

permukaan (emisivitas), A sebagai luas permukaan, σ sebagai konstanta

Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W/m2K4), Ts sebagai temperatur absolute permukaan, Tsur

sebagai temperatur sekitar.

2.2 Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan dimana terjadi perpindahan

panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang

temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat terjadi

secara langsung maupun tidak langsung. Maksudnya adalah :

1. Pada alat penukar kalor yang langsung, fluida yang panas akan bercampur

secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu

bejana atau ruangan tertentu

2. Pada alat penukar kalor yang tidak langsung, fluida panas tidak berhubungan

langsung dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panas itu mempunyai

media perantara, seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnnya

2.2.1. Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Menurut Tunggul [9] alat penukar kalor dapat diklasifikasikan berdasarkan

bermacam-macam pertimbangan, yaitu:

1. Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas

- Tipe kontak tidak langsung

• Tipe yang langsung dipindahkan

 Tipe satu fase

 Tipe banyak fase

 Tipe yang ditimbun (storage type)

 Tipe fluidized bed

- Tipe yang kontak langsung

• Gas liquid

• Liquid vapor

2. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida yang Mengalir

- Dua jenis fluida

- Tiga jenis fluida

- N-jenis fluida

3. Klasifikasi Berdasarkan Kompaknya Permukaan

- Tipe penukar kalor yang kompak, density luas permukaannya > 700 m2/m3

- Tipe penukar kalor yang tidak kompak, density luas permukaannya < 700 m2/m3

4. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas

- Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

- Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi dua aliran

- Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta masing-masing terdapat dua pass aliran

- Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi

- Konstruksi tubular (shell and tube)

• Pipa ganda (Double tube)

• Konstruksi shell and tube

 Sekat plat (plate baffle)

 Sekat batang (rod baffle)

- Konstruksi tipe pelat

• Tipe pelat

• Tipe lamella

• Tipe spiral

• Tipe pelat koil

- Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

• Sirip pelat (pelat fin)

• Sirip tabung (tube fin)

 Heat pipe wall

 Ordinary separating wall

- Regenerative • Tipe rotari

• Tipe disk (piringan)

• Tipe drum

• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran

- Aliran dengan satu pass

• Aliran berlawanan arah

• Aliran paralel

• Aliran melintang

• Aliran split

• Aliran yang dibagi (divided)

- Aliran multi pass

 Aliran counter menyilang

 Aliran paralel menyilang

 Aliran compound

• Shell and tube

 Aliran paralel yang berlawanan (M laluan pada cangkang dan N

laluan pada tabung)

 Aliran split

 Aliran dibagi (divided)

• Multipass pelat

 N-paralel pelat multipass

2.2.2. Standar Alat Penukar Kalor.

Menurut Tunggul [10] standar yang umum digunakan menjadi acuan

dalam merencanakan, fabrikasi serta memelihara alat penukar kalor adalah:

1. Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA

Standards), merupakan standar Amerika Serikat

2. American Society of Mechanical Engineers (ASME) Code, Section VIII,

Pressure Vessel-Division I

Alternative rules for pressure Vessels-Division II

3. American Petroleum Institute (API Standards)

Chapter VI – Pressure Vessels (Tower, Drums, and Reactors)

Chapter VII – Heat Exchangers, Condensors, and Cooler Boxes

4. American Society of Mechanical Engineers (ASME) Code, Section II –

Material Spesification

Part B – Non-ferrous metal

Part C – Welding Rod, Electrods, and Filler metals

5. Standards British, seperti British Standard B S 3274, B S 5500, dan standar

negara-negara lain seperti Belgia, Jerman, Belanda, Perancis, Norwegia,

Australia, Japan, dan lain-lain

Adapun standar tersebut mencakup masalah perencanaan (design), pembuatan

(fabrikasi), pemilihan material konstruksi, pengujian (testing) cangkang tabung,

sekat dan support, ujung yang bebas (floating head), saluran nosel, pelat tabung

(tube sheet), dan lain-lain.

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

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 cangkangnya

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

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

diperhatikan untuk menentukan jenis fluida dalam tabung (tube side) atau diluar

tabung (shell side) adalah:

1. Kemampuan untuk dibersihkan (cleanability)

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 pangaruh yang

sama seperti fluida bertekanan tinggi yang memerlukan dinding cangkang

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

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 dilakukan 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.

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

[image:32.595.244.420.558.679.2]

(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

[image:33.595.224.401.81.228.2]

Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang (luas) tabung, alat penukar kalor

langsung, dengan aliran fluida berlawanan arah.

2. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Tidak Langsung

Pada jenis alat penukar kalor ini, tabung berfungsi sebagai pemisah

antara fluida panas dengan fluida dingin. Untuk itu perlu pertimbangan yang

matang, untuk menentukan fluida mana yang mengalir melalui tabung, apakah

fluida panas atau fluida dingin.

2.2.7. Konstruksi Alat Penukar Kalor

Ditinjau dari segi konstruksi alat penukar kalor jenis cangkang dan tabung,

Tunggul [14] membagi konstruksinya dalam 4 bagian, yaitu:

1. Bagian depan yang tetap atau Front End Stationary Head

2. Shell atau badan alat penukar kalor

3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head

4. Berkas tabung atau tube bundle, kumpulan tabung yang dimasukkan ke dalam

tabung alat penukar kalor

Didalam TEMA Standar, masing-masing bagian tersebut (kecuali nomor

2.2.8. Cangkang (Shell)

Secara umum lintasan fluida dalam APK dapat terjadi pada dua area

lintasan yang terpisah yakni dalam shell side (sisi cangkang) dan tube side (sisi

tabung). Dalam menganalisa aliran fluida dalam sisi cangkang bahwa, dalam sisi

cangkang selain terdapat aliran utama B yakni aliran yang melintas tegak (main

cross flow) terhadap bundel tube, juga terdapat kebocoran (leakage) aliran seperti

kebocoran A antara baffle dengan tabung, dan kebocoran E antara baffle dengan

cangkang, serta aliran by pass C antara bundel tube dengan cangkang, seperti

gambar 2.8. [16].

Gambar 2.8. Aliran dalam sisi cangkang dengan baffle segmen.

2.2.9. Tabung.

Susunan tabung itu mempengaruhi besarnya penurunan tekanan aliran

fluida dalam cangkang. Penentuan susunan tabung pada alat penukar kalor sangat

prinsip sekali, ditinjau dari segi operasi dan pemeliharaan. Adapun beberapa

susunan tabung alat penukar kalor menurut Tunggul [17] meliputi:

1. Tabung (tube) dengan susunan segitiga (triangular pitch).

2. Tabung (tube) dengan susunan segitiga diputar 30o (rotated triangular atau in-line triangular pitch).

3. Tabung (tube) dengan susunan bujur sangkar (in-line square pitch).

4. Tabung (tube) dengan susunan berbentuk belah ketupat, atau bentuk

bujur sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch).

Susunan tabung yang segitiga merupakan susunan yang sangat popular

dan baik dipakai melayani fluida kotor/berlumpur atau yang bersih (non-fouling

or fouling). Koefisien perpindahan panasnya lebih baik dibanding dengan susunan

tabung bujur sangkar (in-line square pitch). Susunan tabung segitiga banyak

dipergunakan dan menghasilkan perpindahan panas yang baik per satu satuan

penurunan tekanan (per unit pressure drop), di samping itu letaknya lebih

kompak.

Susunan bujur sangkar membentuk sudut 90o (in-line square pitch) banyak dipergunakan, dengan pertimbangan seperti berikut:

1. Apabila penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi pada alat

penukar kalor itu sangat kecil.

2. Apabila pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tabung adalah

susunan seperti ini, terdapat celah anatara tabung yang dipergunakan

untuk pembersihannya.

3. Susunan ini memberikan perilaku yang baik, bila terjadi aliran turbulen,

tetapi untuk laminar akan memberikan hasil yang kurang baik.

[image:37.595.180.446.194.661.2]

Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor.

(a) susunan tabung segitiga (triangular); (b) susunan tabung bujur sangkar

(c) susunan tabung bujursangkar diputar 45o(diamond) [18]. (a)

(b)

[image:38.595.113.504.90.452.2]

Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tabung pada alat penukar kalor [19]. Susunan

tabung

Kelebihan Kekurangan

Segitiga - Film koefisiennya lebih tinggi daripada bujur sangkar

- Dapat dibuat jumlah tabung yang lebih banyak sebab susunannya kompak

- Jatuh tekanan yang terjadi antara menengah keatas

- Tidak baik untuk fluida yang kotor

- Pembersihannya dengan cara kimia

Bujur sangkar

- Bagus untuk kondisi yang memerlukan jatuh tekanan rendah

- Baik untuk pembersihan luar tabung secara mekanik

- Baik untuk melayani fluida kotor

- Film koefisiennya rendah

Belah ketupat

- Film koefisiennya lebih baik dari susunan bujur sangkar, tetapi tidak sebaik susunan segitiga

- Mudah untuk pembersihan dengan mekanis

- Baik untuk fluida yang kotor

- Film koefisiennya relatif rendah

- Jatuh tekanannya tidak serendah jenis susunan bujur sangkar

2.2.10. Baffle atau Sekat

Umumnya, aliran fluida dalam alat penukar kalor adalah paralel atau

berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam alat penukar kalor menjadi cross

flow biasanya ditambahkan penyekat atau baffle. Aliran cross flow yang didapat

dengan menambahkan baffle akan membuat luas kontak fluida dalam shell dengan

dinding tube makin besar, sehingga perpindahan panas di antara kedua fluida

meningkat. Selain untuk mengarahkan aliran agar menjadi cross flow, baffle juga

berguna untuk menjaga supaya tube tidak melengkung. Secara teoritis, baffle yang

dipasang terlalu berdekatan akan meningkatkan perpindahan panas yang terjadi di

antar baffle menjadi besar sehingga penurunan tekanan menjadi besar. Sedangkan

jika baffle dipasang terlalu berjauhan penurunan tekanan yang terjadi akan kecil,

namun perpindahan panas yang terjadi kurang baik dan timbul bahaya kerusakan

pipa-pipa karena melengkung atau vibrasi. Hal ini menunjukkan bahwa jarak antar

baffle tidak boleh terlalu dekat ataupun terlalu jauh, ada jarak tertentu yang

optimal untuk alat penukar kalor tertentu. Untuk itu akan dilakukan suatu

penelitian untuk mempelajari pengaruh penggunaan baffle pada suatu alat penukar

kalor.

Pada alat penukar kalor, aliran fluida dalam selongsong adalah aksial

terhadap tabung atau menyilang. Untuk membuat aliran fluida dalam selongsong

menjadi aliran menyilang biasanya ditambah dengan sekat. Sekat ini juga

berfungsi untuk mendukung tabung dan menahan vibrasi. Bentuk sekat yang

lazim adalah segmental baffle, disc and doughnut baffle, dan orifice baffle. Tipe

yang paling banyak dipergunakan adalah segmental baffle dengan pemotongan

sekat (baffle cut). Baffles atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor

mempunyai beberapa fungsi, yaitu:

1. Struktur untuk menahan berkas tabung

2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran (vibration) pada

tabung

3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang mengalir

Gambar 2.11. Baffle

Menurut Tunggul [20], ditinjau dari segi konstruksi, sekat dapat

diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu:

1. Sekat pelat berbentuk segment (segmental baffles plate).

2. Sekat batang (rod baffles).

3. Sekat mendatar (longitudinal baffles).

4. Sekat impingment (impingiment baffles).

2.2.11 Jarak antar Baffle

Menentukan jarak antara baffle dengan sekat sangat penting,sebab hal

ini akan langsung mempengaruhi banyaknya lintasan fluida yang melintang di

luar tabung. Pada konstruksinya diusahakan agar jarak baffle satu sama lain nya

sama. Dalam hal yang tidak memungkinkan , maka pada bagian –bagian ujungnya

dibuat jrak kebih kecil, tetapi harus selalu memperhatikan letak dari nozzle pada

cangkang. Maksudnya nozzle disini adalah saluran fluida masuk tabung dan

keluar dari tabung.

Jarak maksimum antara sekat (maximum spacing) adalah diameter dalam

cangkang dan minimum 1/5 dari diameter dalam cangkang. Apabila jarak antara

terdapat aliran yang melintang sebaliknya kalau jarak antara sekat dibuat terlalu

sempit menimbulkan bocoran yang berlebihan antara sekat dan cangkang.

Perubahan pemasangan baffle dengan posisi tegak lurus dari beberapa

variasi jarak dengan sendirinya memberi implikasi terhadap bentuk zona aliran

maupun pola alirannya yang pada gilirannya akan dapat mempengaruhi unjuk

kerja termal dan penurunan tekanan. Dalam penggunaannya pada APK, baffle

dengan type segmental yang dipasang tegak lurus terhadap tabung atau arah axial

APK. Sekat (baffle) yang terpasang tegak lurus tabung akan mengakibatkan arah

aliran sebagian fluida dalam cangkang melintas tegak lurus (transversal) terhadap

bundle tabung dan kondisi demikian akan meningkatkan efek turbulensi. Aliran

tersebut sangatlah komplek, namun demikian dapat memberi dampak perpindahan

kalor konveksi yang lebih baik disatu sisi, tetapi kurang baik terhadap penurunan

tekanan di sisi lain.

Dengan kata lain proses aliran dan perpindahan kalor di sisi tabung

sangat bergantung kepada ukuran tabung itu sendiri, jarak pitch, susunan tabung,

tipe baffle, jarak baffle, baffle cut, dan celah antara baffle dan shell. Jarak antara

tube (tube pitch) ini erat hubungan nya dengan ukuran tube, susunan tube, dan

system pembersihan yang dilakukan pada luar tube. Biasanya jarak tube (tube

[image:42.595.150.480.85.349.2]

Gambar 2. 12. Jarak antara sekat

Jarak antara baffle (baffle spacing atau baffle pitch) ini dikenal dua

macam yaitu:

1. Jarak antara baffle maksimum yaitu:

B = Diameter sebelah dalam cangkang

2. Jarak baffle minimum yaitu:

B = 1/5 diameter sebelah dalam cangkang.

Apabila jarak antara baffle dibuat terlalu jarang , maka aliran fluida

akan aksial sehingga tidak terdapat aliran melintang, sebaliknya kalau jarak antara

baffle dibuat terlalu sempit, maka akan menimbulkan kebocoran yang berlebihan

antara baffle dan cangkang.

2.3 Landasan Teori

Perpindahan kalor dan penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi

serta sifat-sifat fisis fluida dalam cangkang dilakukan dengan memperhitungkan

besar kalor yang diserap oleh fluida dalam hal ini air laut dalam tabung. Jumlah

kalor yang diserap diasumsikan sama besar dengan dengan kalor yang

dipindahkan secara konveksi melalui dinding tabung. Analisis ini juga

mengasumsikan bahwa tidak terdapat kalor melalui dinding selonsong ke udara

sekitarnya. Holman [21] mengemukakan jumlah kalor atau laju perpindahan kalor

yang diserap oleh fluida dalam tabung dihitung dengan rumus:

Keseimbangan energi APK adiabatis pada kondisi steady state:

(

hi ho

)

c pc

(

co ci

)

ph

h c T T m c T T

m

Q=  ⋅ − =  ⋅ − (2.4)

Th_i Tc_o Th_o Tci m h m c L

Gambar 2.13. Distribusi suhu APK aliran melintang.

Jumlah kalor yang diserap oleh fluida dapat dihitung dengan rumus:

Q = U.A.∆Tm (2.5)

∆Tm =

(

(

) (

)

)

(

ho ci

)

o c i h i c o h o c i h T T T T Ln T T T T , , , , , , , , − − − − − (2.6)

Incropera [22] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam

alat penukar kalor pada tabung adalah:

Temperatur rata-rata fluida dingin APK ditunjukkan dengan:

2 T T

T ti to

t

+

Dimana :

Tc = Temperatur fluida rata-rata pada sisi tabung (oC)

Tci = Temperatur fluida masuk tabung (oC)

Tco = Temperatur fluida keluar tabung (oC)

Laju aliran massa fluida di setiap tabung, adalah :

N m

m i

t



 = (2.8)

Dimana :

t

m = Laju aliran massa fluida tiap tabung (kg/s)

i

m = Laju aliran massa fluida masuk APK (kg/s)

N = Jumlah tabung

Sularso [23] mengemukakan pembagian jenis aliran berdasarkan parameter

Bilangan Reynold (Re), apakah laminar, transisi, atau turbulen. Untuk laminar

jika Re<2300, transisi jika 2300<Re<4000, dan turbulen jika Re>4000. Bilangan

Reynold pada tabung, adalah:

t i

t

t _πdμ

m 4

Re =  (2.9)

Dimana :

Ret = Bilangan Reynold tiap tabung

di = Diameter dalam tabung (m)

t

μ = viskositas dinamik dalam tabung (m2/s)

1/3 t 4/5 t

t 0,023Re Pr

Nu = (2.10)

Dimana :

Nut = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung

Pr = Bilangan Prandtl fluida dalam tabung

Koefisien perpindahan panas pada sisi tabung adalah:

i t t t

d Nu k

h = × (2.11)

Dimana :

Nut = Bilangan Nusselt fluida dalam tabung

di = Diameter dalam tabung (m)

kt = Konduktivitas termal fluida dalam tabung (W/mK)

Wolverine [24] menyatakan persamaan-persamaan yang digunakan dalam

alat penukar kalor pada cangkang adalah:

2 T T

T_h = hi + ho (2.12)

Dimana :

h

T = Temperatur fluida rata-rata sisi cangkang (oC).

hi

T = Temperatur fluida panas masuk cangkang (oC).

Tho = Temperatur fluida panas keluar cangkang (oC).

Luas aliran menyilang pada sumbu bundle

( )(

)

_  

  

− +

= tp t

eff tp,

ctl bb

bc

m L D

L D L

L

Dimana :

Lbc = Jarak sekat (baffle) (m)

Lbb = Jarak celah diameter dalam cangkang dengan diameter luar

bundle (Gambar 2.13). (m)

(Ltp)eff = pitch tabung efektif (dapat dilihat dari gambar) (m)

Dctl = Diameter limit tengah tabung (Gambar 2.13) (m)

[image:46.595.125.499.114.589.2]

Dt = Diameter luar tabung (m)

Gambar 2.14. Sekat Segmen [25].

Kecepatan massa didapat :

m s s

S m

Dimana :

s

m = Laju aliran massa fluida masuk cangkang APK (kg/s)

m

S = Luas aliran menyilang pada sumbu bundle (m2)

Bilangan Reynold didapat:

s s o s

μ

G d

Re = (2.15)

Dimana :

Res = Bilangan Reynold pada sisi cangkang

do = Diameter luar tabung (m)

Gs = Kecepatan massa (kg/m2s)

s

μ = Viskositas dinamik pada sisi cangkang (kg/ms)

Koefien empiris diperoleh dari table berikut:

4

a s 3 0,14Re 1

a a

+

= (2.16)

[image:47.595.123.486.429.694.2]

2 a s a t tp 1 I Re D L 1,33 a j    

= (2.17)

Koefisien perpindahan kalor konveksi pada sisi cangkang

3 2 s s ph I ideal

s, jc G Pr

h = − (2.18)

Kemudian ditentukan faktor-faktor koreksi berdasarkan potongan baffle (JC),

kebocoran baffle (JL), by pass bundle (JB), ketidaksamaan jarak baffle (JS), aliran

laminar (JR), dan viskositas dinding (Jμ), sebagai berikut:

Faktor koreksi berdasarkan potongan baffle (JC):

Sudut relatif antara baffle cut terhadap sumbu alat penukar kalor,

        _      − = − 100 B 2 1 D D 2cos θ c ctl s 1

ctl (2.19)

Dimana :

Dctl = Diameter limit tengah tabung (Gambar 2.13) (m)

θctl = Dapat dilihat pada Gambar 2.13.

θds = Dapat dilihat pada Gambar 2.13.

θotl = Dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Bc = Baffle cut (%)

Fraksi dari luas area yang dibentuk oleh jendela sekat:

2π sinθ 360 θ F ctl o ctl

w = − (2.20)

Fraksi aliran melintang di antara baffle tips :

w

c 1 2F

Faktor koreksi potongan baffle :

c C 0,55 0,72F

J = + (2.22)

Menurut Tunggul [27], faktor koreksi berdasarkan potongan baffle adalah 1

apabila tidak ada tube pada jendela baffle; 1,5 apabila baffle yang dipotong

sedikit; dan 0,65 bila jendela baffle lebar.

Faktor koreksi berdasarkan kebocoran baffle (JL):

Sudut baffle cut,

    _      − = − 100 B 2 1 2cos

θ 1 c

ds (2.23)

Luas kebocoran cangkang dengan baffle,

(

ds

)

o sb

s

sb 0,00436 D L 360 θ

S = × × × − (2.24)

Dimana :

Ds = Diameter dalam cangkang (m2)

Lsb = Ruang bebas secara diametri dari cangkang dengan diameter

sekat (m)

Luas kebocoran tabung ke lubang baffle,

(

)

[

]

tt

(

w

)

2 t 2 tb t

tb D L D N 1 F

4

π

S × × −

      _{+ −}

= (2.25)

Maka rasio perbandingan :

tb sb sb s S S S r +

= (2.26)

m tb sb lm S S S

Dimana :

rs = Perbandingan antara luas by-pass shell dengan luas aliran melintang

tabung

Ssb = Luas bocoran antara cangkang dan baffle (m2)

Stb = Luas bocoran tabung dengan baffle (m2)

Sm = Luas aliran melintang tabung (m2)

Diperoleh faktor koreksi kebocoran baffle:

( )

s

[

( )

s

]

(

lm

)

L 0,441 r 1 0,441 r exp 2,2r

J = − + − − − (2.28)

Faktor koreksi berdasarkan by pass bundle (JB):

Luas by pass,

(

)

[

s otl pl

]

bc

b L D D L

S = − + Lpl = 0, karena tidak ada by pass lane (2.29)

Dimana :

bc

L = Jarak sekat (baffle)

Perbandingan luas by pass dan luas aliran-silang :

m b sbp

S S

F = (2.30)

Jika Reo laminar maka Cbh = 1,35. dengan Bilangan Reynold ≤ 100

Jika Reo turbulen maka Cbh = 1,25. dengan Bilangan Reynold >100

Diperoleh faktor koreksi by pass bundle,

(

)

[

3

]

ss sbp

bh

B exp C F 1 2r

Faktor koreksi berdasarkan ketidaksamaan jarak baffle (JS) : ) / ( ) /L (L 1) -(N ) / ( ) /L (L 1) -(N J bc bi b n -l bc bi b S bc bo n l bc bo L L L L + + + +

= − (2.32)

, dimana:

Nb = jumlah baffle.

Lbi = panjang tubesheet ke baffle pada sisi inlet. (m)

Lbo = panjang tubesheet ke baffle pada sisi outlet. (m)

n = 0,6 untuk aliran turbulen dan 1/3 untuk aliran laminar.

JS<1,0 untuk jarak baffle yang lebih besar di sisi masuk dan keluar apk daripada

jarak antar baffle yang berada di tengah.

Js = 1 untuk jarak baffle yang sama pada sisi masuk dan keluar apk dengan jarak

antar baffle yang berada di tengah.

Faktor koreksi berdasarkan viskositas dinding (J_μ):

Temperatur dinding tabung ditunjukkan dengan,

i t o ideal s, t i t s o ideal s, w d h d h T d h T d h T + +

= (2.33)

Sehingga diperoleh faktor koreksi berdasarkan viskositas dinding,

0,14 w h μ _μμ J    

= (2.34)

Koefisien perpindahan panas sebenarnya pada sisi cangkang dapat ditentukan

dengan:

(

C L B S μ

)

h,ideal

h J J J J J h

Dengan demikian, koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan

dengan [28]:

Gambar2.15. Jaringan tahanan termal untuk perpindahan panas kalor menyeluruh.

th 1 0 th R T T ermal) (tahanan t R ruh) ΔT(menyelu Q ∑− = ∑ =

, dimana, Rth, tahanan termal (thermal resistances) adalah:

Ro = tahanan termal konveksi bagian luar =

o

2 L h

r π 2 1 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Rw = tahanan termal konduksi material =

( )

L k π 2 r r ln 2 1

⋅ ⋅ ⋅

Ri = tahanan termal konveksi bagian dalam =

hi L r π 2 1

2⋅ ⋅ ⋅ ⋅ , maka:

( )

hi L r π 2 1 L k π 2 r r ln h L r π 2 1 R 2 1 2 o 2 th ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ∑ th R A 1 ∑ ⋅ = U

( )

    ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = hi L r π 2 1 L k π 2 r r ln h L r π 2 1 2 1 2 1 2 o 2 2 L r U π Sehingga, h i o o c i o o o i o o i i o o h 1 d d ln 2k d h 1 d d 1 U h 1 r r ln k r h 1 r r 1 U +     + = +     + = (2.36)

2.4. Efektivitas Alat Penukar Kalor

Efektivitas alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat

penting dalam mendesain penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter

efektivas tersebut merupakan suatu gambaran unjuk kerja sebuah penukar kalor .

Panas yang dipindahkan ke fluida dingin harus sama dengan panas yang

diserahkan dari fluida panas.

Q = m• c . Cpc (Tco – Tci) =

•

mh . Cph (Thi – Tho) (2.37)

Holman [29] dalam bukunya mengemukakan bahwa efektivitas alat

penukar perpindahan kalor maksimum

ε maks nyata Q Q = = ) T -(T C ) T -(T C ci hi min ho hi h = ) T -(T C ) T -(T Cc ci hi min ci co (2.38 )

Dari persamaan ( 2.4 ),jika :

1. m• h . Cph = Ch = Cmin maka ε =

2. m• c . Cpc = Cc = Cmin, maka ε =

) T -(T

) T (T

co hi

co ci

(2.40)

Secara umum efektivitas dapat dinyatakan dengan :

ε =

kalor penukar dalam

di maksimum suhu

Beda

minimum) (fluida

T

Λ _(2.41)

2.5. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)

Penurunan tekanan merupakan selisih tekanan fluida masuk dan keluar

APK. Satu hal yang harus dipertimbangkan dalam perancangan APK adalah

penurunan tekanan ini. Pada saat fluida mengalir dalam cangkang mulai dari sisi

masuk sampai sisi keluar, maka molekul-molekul fluida akan bergesekan dengan

dinding cangkang dan sekat (baffle) APK. Akibatnya, aliran fluida akan tertahan

atau melambat. Dan untuk mempertahankan laju fluida, maka diperlukan tekanan

dorong dari sisi masuk APK.

Adapun hal yang dipertimbangkan dalam penurunan tekanan APK adalah:

1. Daya alat yang digunakan untuk mempertahankan laju aliran fluida

dalam APK.

2. Pengaruh penurunan tekanan terhadap proses perpindahan panas yang

2.6. Kerangka Penelitian

Adapun kerangka penelitian yang dilakukan dalam penelitian ini adalah

sebagai berikut:

Start

Identifikasi Masalah :

Dipilih Type APK cangkang dan tabung Susunan Segiempat dengan memanfaatkan air laut didalam tabung

untuk mendinginkan air demineralisasi disisi cangkang

Pemilihan Parameter Input perhitungan awal :

 Variasi Jarak Baffle = 40, 44, 49,55,63,dan73 mm

 Baffle Cut = 30,37%

 Type Baffle = Single Segment

 Suhu air panasmasuk = 42,80C

 Suhu air dingin masuk= 280C

- Jenis fluida - Suhu

- Data perencanaan & konstruksi Parameter Output :

 Suhu air laut masuk

 Suhu air laut keluar

 Suhu air demin masuk

 Suhu air demin keluar

 Penurunan Tekanan

Selesai Hasil Pembahasan:

Mendapatkan jarak Baffle optimal,Koefisien perpindahan panas menyeluruh,penurunan tekanan dan Efektivitas

Analisis dan pengolahan data: Menentukan:

 Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U)

 Penurunan Tekanan (∆P)

 Efektivitas

BAB III

PERANCANGAN ALAT PENELITIAN 3.1. Perancangan Alat Penukar Kalor

Untuk merancang alat penukar kalor yang diperlukan untuk pengujian,

data-data yang diketahui, dipilih, dan diharapkan adalah :

1. Data-data yang diketahui

• Temperatur fluida panas masuk alat penukar kalor (Thi) = 42,8 oC

• Temperatur fluida dingin masuk alat penukar kalor (Tci) = 28 oC

• Massa aliran fluida panas masuk alat penukar kalor (mh) = 0,2 kg/s

• Massa aliran fluida dingin masuk alat penukar kalor (mc) = 0,2 kg/s

2. Data-data yang diharapkan

• Temperatur air panas keluar alat penukar kalor (Tco) = 38 oC

3. Data-data yang dipilih

• Diameter shell (Ds) = 131,7 mm = 0,1317 m

• Jarak antar pusat tabung (p) = 17 mm = 0,017 m

• Jumlah sekat = 22

• Jarak sekat (l) = 40 mm

• Diameter luar tabung (do) = 12,7 mm = 0,0127 m

• Tebal pipa (t) = 0,5 mm = 0,0005 m

• Susunan pipa = segiempat

• Baffle cut = 30,37%

• Laluan = 1-laluan cangkang, 1-laluan tabung.

• Jumlah tabung (N)

28 2744 , 28 17

1 102 0,7854 L

C D 0,7854

N ₂

2

2 tp 1

2

ctl = ≈

⋅ ⋅ =

⋅ ⋅ =

[image:57.595.205.421.477.706.2]

Jumlah tabung yang diambil adalah 37.

3.2. Mencari Temperatur Air Laut Keluar Alat Penukar Kalor Perpindahan panas secara termodinamika untuk fluida panas

(

hi ho

)

h h h h h h h T T cp m Q ΔT cp m Q − × × = × × = C 40,4 2 38 42,8 2 T T T : temperatur

Pada hi ho o

h =

+ = +

= =313,4 K

Dari tabel sifat-sifat air, diperoleh:

T (K) cp (J/kg.K) λ (W/m.K) µ

(N.s/m2) Pr 310 4178 0,628 0,000695 4,62 313,4 cpc λc µc Prc

315 4179 0,634 0,000631 4,16 kg.K

J 4178,68 cp

: Diperoleh _h =

Sehingga,

(

)

W 4011,5328 Q C 38 42,8 kJ/kg.K 4178,68 kg/s 0,2 Q h o h = − ⋅ ⋅ =

Perpindahan panas secara termodinamika untuk fluida dingin

(

co ci

)

c c c c c c c T T cp m Q ΔT cp m Q − × × = × × =

Kalor yang diserap fluida dingin sama dengan kalor yang dilepas fluida panas

misal : T = 30_c oC, sifat fluida air laut dievaluasi pada temperatur T = 30_c oC,

diperoleh : cpc = 4031,856 J/kg⋅K

maka:

C 2 32,9747967 T

28 4031,856 20057,664 T

o co

co

=

+ =

Maka:

C 30,4873984 2

28 2 32,9747967 2

T T

T co ci o

c =

+ =

+ =

Karena nilai T yang baru belum sama dengan nilai _c T yang dimisalkan, maka _c

perhitungan dilanjutkan ke iterasi berikutnya hingga nilainya sama. Dan hasilnya

ditunjukkan pada tabel berikut:

Tabel 3.1. Perhitungan iterasi temperatur air laut keluar.

Iterasi T (misal) c cpc Tco T (hasil) c 1 30 4031.856 32.97479672 30.48739836 2 30.48739836 4031.990327 32.97463098 30.48731549 3 30.48731549 4031.990304 32.97463101 30.48731551 4 30.48731551 4031.990304 32.97463101 30.48731551

Berdasarkan tabel diatas, maka diperoleh : Tco = 32,97463101oC;

cpc = 4031.990304 J kg.K; T = 30.48731551c

o

3.3. Mencari Panjang Alat Penukar Kalor Perpindahan kalor secara perpindahan panas

LMTD F

A U

Q= _i× _i× ×

Log Mean Temperature Difference

(

) (

)

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

C 8 9,91242811 LMTD 28 38 1 32,9746310 42,8 Ln 28 38 1 32,9746310 42,8 T T T T Ln T T T T LMTD o ci ho co hi ci ho co hi = − − − − − = − − − − − =

Untuk mencari F diperlukan parameter

karena R ≠ 1, maka diperoleh

( )

{ }

( )

(

(

( )

( )

)

)

(

)

{

}

{

}

(

)

{

(

)

}

(

)

{

}

980246825 , 0 1 2 1 2 1 2 1 2 Ln 1 1 1 Ln 1 2 1 2 R 1 R P 2 1 2 R 1 R P 2 Ln 1 R R P 1 P 1 Ln 1 2 R F 964895686 , 0 964895686 , 0 7 0,33612371 964895686 , 0 964895686 , 0 7 0,33612371 964895686 , 0 964895686 , 0 7 0,33612371 964895686 , 0 7 0,33612371 = + + + − + − + − × − × − − × + = + + + − + − + − × − × − − × + =                                   F

Koefisien pindahan panas menyeluruh, Ui.

h o i i o i c i h 1 r r r r ln k r h 1 1 U + + =

a. Tabung

Dari tabel sifat-sifat air laut dengan salinitas 29,2 g/kg, diperoleh:

T (oC)

cp

(J/kg.K)

k (W/m.K)

µ

(N.s/m2) Pr 30 4031,856 0,616 0,00084948 5,5652 30,4873155 cpc kc µc Prc

40 4034,612 0,62808 0,00069772 4,4852

5 5,51256992 Pr N.s/m 0,0008421 μ W/m.K 0,616589 k J/kg.K 4 4031,99030 c c 2 c c pc = = = = Bilangan Reynolds 5489674 , 98 6 0,0008421 0,0117 π 37 kg/s 0,2 4 μ d π N m 4 Re c i c c = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅

=  = LAMINAR

Bilangan Nusselt dalam tabung: 607464957 , 7 Nu 6585 , 0 0117 , 0 512569925 , 5 5489674 , 98 6 1,86 Pr Re 1,86 Nu c 3 1 3 1 c c c =   �