BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Perpindahan Kalor
Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat yang lain seringkali terjadi dalam kehidupan sehari-hari, baik penyerapan atau pelepasan kalor untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kalor sendiri adalah bentuk energi yang dapat berpindah atau mengalir dari benda yang memiliki kelebihan kalor menuju benda yang kekurangan kalor.
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat musnah, contohnya hukum kekekalan massa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama kebentuk yang ke dua. Kalor dapat berpindah dengan tiga macam, yaitu:
1. Pancaran, atau sering disebut dengan radiasi. 2. Hantaran, atau sering disebut konduksi. 3. Aliran, atau sering disebut dengan konveksi.
2.1.1 Perpindahan Panas Radiasi atau Pancaran
Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor, keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya, proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Apabila sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan , sebagian akan diserap kedalam bahan, dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor secara radiasi, maka akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Ciri-ciri radiasi yaitu:
1. Kalor radiasi merambat lurus.
2. Untuk perambatan kalor tidak membutuhkan medium (misalnya zat cait atau gas).
satuan luas disebut emissive power (E). Rumus dari Stefan-Boltzmann law untuk menghitung emissive power adalah:
� =���4 ... (2.1) Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal, dan:
� =����4 ... (2.2) Rumus ini berlaku pada benda real.
Dimana : E = Daya radiasi
� = Emisivitas
� = Konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4 Ts = Temperatur (K)
Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal. Pada gambar 2.1 dibawah ini dapat dilihat perpindahan panas secara radiasi.
Gambar 2.1 Perpindahan panas secara radiasi (a) pada permukaan, (b) diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling (Incropera,1996)
Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisivitas �, dan
2.1.2 Perpindahan Panas Konduksi (hantaran)
Yang dimaksud dengan konduksi adalah perpindahan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara konduksi merupakan suatu proses dalam, karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi panas adalah titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah.
Bahan yang dapat menghantarkan kalor yang baik disebut konduktor, dan penghantar panas yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor adalah koefisien konduksi termal (k). Apabila nilai koefisien tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil. Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik, juga untuk kalor dan sebaliknya. Pada gambar 2.2 dibawah ini dapat diketahui sifat-sifat suatu material.
Gambar 2.2 Gambar tabel konduktivitas termal beberapa bahan logam (Incropera, 197)
sehingga kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1>T2Seperti yang terlihat pada gambar 2.3 dibawah ini :
Gambar 2.3 Skematik perpindahan panas pada batang (Cengel, 96)
Kita dapat mengukur laju perpindahan panas qx, dan kita dapat menentukan qx bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT, yakni perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang tegak lurus bidang. Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika
ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan
Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus
dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa
qx = A Δ�
Δx
...
(2.3) Gambar 2.4 berikut ini adalah perpindahan panas secara konduksi melalui dinding dengan ketebalan ∆x.Gambar 2.4 Perpindahan Panas secara Konduksi (Cengel, 18)
Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga
T1
menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk material plastik dibandingkan bermaterial logam. Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,
qx = kA Δ�
Δx
...
(2.4) k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 kita mendapatkan persamaan untuk laju perpindahan panas,qx = -kA
��
dx
...
(2.5) atau persamaan flux panas menjadi:q”x = qx A = -k
��
dx
...
(2.6) 2.1.3 Perpindahan Panas KonveksiGambar 2.5 Perpindahan panas secara konveksi (incropera, 6)
qkonveksi = h As (Ts - T∞) ... (2.7) h merupakan koefisien perpindahan panas konveksi, As merupakan luas permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.
2.2 Perpindahan Panas Menyeluruh
Gambar 2.6 Perpindahan panas menyeluruh melalui bidang datar (Holman, 522) Dalam penghitungan koefisien pindahan panas menyeluruh efek radiasi apapun biasanya termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi. Dimana koefisien pindahan panas melalui bidang datar seperti gambar 2.20 dinyatakan sebagai berikut :
�=1 ��−��
ℎ1�
� + ∆����+1ℎ
2�
� ... (2.8)
Dimana TA dan TB masing-masing adalah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu.
Koefisien pindahan panas menyeluruh U didefenisikan oleh hubungan
q = U A∆Tmenyeluruh ... (2.9)
Gambar 2.7 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor (cengel, 671) Dimana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung yang berada didalam dan permukaan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung sepusat, Ai = DiL dan Ao = DoL, sehingga tahanan termal dinding tabung adalah
Rdinding = ln(Do/Di)
2kL
...
(2.10)
Gambar 2.8 Dua luasan area alat penukar kalor (cengel, 671)
k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga tahanan termal total menjadi
R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro =
1
hi Ai
+ ln(Do/Di)
2kL +
1
ho Ao
Q = ΔT
R= UA ΔT = UiAiΔT = UoAo ΔT ... (2.12) U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C).
Rumus diatas menjadi :
1
2.3 Alat Penukar Kalor
Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti harfiah alat penukar panas. Pengertian ilmiah dari heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol sebuah proses fluida.
Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah permukaan kontak panas. Pada permukaan inilah terjadi perpindahan panas dari satu zat ke zat yang lain. Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Pada kondisi tertentu, ada satu komponen tambahan yang dapat digunakan untuk meningkatkan luas total bidang kontak perpindahan panas ini. Komponen tersebut adalah sirip.
Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada saat menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk menghitung seluruh efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan logarithmic mean temperature difference LMTD, yang sebanding dengan perbedaan temperatur
rata-rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur tidak diketahui kita dapat menganalisisnya dengan metode keefektifan-NTU.
2.3.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor
Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya yakni :
a. Chiller
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. Contoh gambar chiller dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini
b. Kondensor
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat. Pada gambar 2.10 berikut dapat dilihat contoh gambar kondensor
Gambar 2.10 Kondensor (Holman, 673) c. Cooler
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas). Pada gambar 2.11 berikut adalah gambar dari coller.
d. Evaporator
Alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair. Berikut pada gambar 2.12 adalah gambar dari evaporator.
Gambar 2.12 Evaporator AC (https://www.google.com/search?q=evaporator&tbm)
e. Reboiler
Alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 °F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube. Pada gambar 2.13 dibawah ini adalah gambar dairi reboiler.
Gambar 2.13 Reboiler
f. Heat Exchanger
Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:
• Memanaskan fluida
• Mendinginkan fluida yang panas
Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell. Pada gambar 2.14 berikut adalah gambar dari heat exchanger.
Gambar 2.14 Salah satu Konstruksi Heat Exchanger tipe shell and tube (cengel, 670)
Dari beberapa jenis alat penukar kalor tersebut dapat diklasifikasikan dalam berbagai tipe, diantaranya :
1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung
• Tipe dari satu fase
• Tipe dari banyak fase
• Tipe yang ditimbun (storage type)
• Tipe fluidized bed b. Tipe kontak langsung
• Immiscible fluids
• Liquid vapor
2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida
b. Tiga jenis fluida
c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)
3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan
a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m
4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya
b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran
c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 passaliran masingmasing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi
5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi a. Konstruksi tubular (shell and tube)
• Tube ganda (double tube)
• Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod baffle)
• Konstruksi tube spiral b. Konstruksi tipe pelat
• Tipe pelat
• Tipe lamella
• Tipe spiral
• Tipe pelat koil
c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)
• Sirip pelat (plate fin)
• Heat pipe wall
• Ordinary separating wall
d. Regenerative
• Tipe rotary
• Tipe disk (piringan)
• Tipe drum
• Tipe matrik tetap
6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass
• Aliran Berlawanan
• Aliran Paralel
• Aliran Melintang
• Aliran Split
• Aliran yang dibagi (divided) b. Aliran multipass
1. Permukaan yang diperbesar (extended surface)
• Aliran counter menyilang
• Aliran paralel menyilang
• Aliran compound
2. Shell and tube
• Aliran pararel yang berlawanan
• Aliran split
• Aliran dibagi (divided)
3. Multipass plat
• N-pararel plat multipass
untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :
1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum indu stri.
Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan dalam dunia industri :
1. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)
Heat exchanger ini menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda. Pipa dengan diameter lebih kecil dipasang paralel di dalam pipa berdiameter lebih besar. Perpindahan panas terjadi pada saat fluida kerja yang satu mengalir di dalam pipa diameter kecil, dan fluida kerja lainnya mengalir di luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah.
Gambar 2.15 Heat Exchanger Tipe Double-Pipe (kakac, 194)
Fluida panas masuk
Fluida dingin masuk
Fluida dingin keluar
Fluida panas keluar
Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger: a) Keuntungan
1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat
transfer coefficient.
2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature
cross.
3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.
4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan. b) Kerugian
1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.
2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.
3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.
2. Shell And Tube Heat Exchanger
Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan
relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang
optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch (Pola segitiga) dan square pitch (Pola segiempat). Pada gambar 2.16 dibawah ini adalah gambar shell and tube heat exchanger.
Keuntungan dari shell and tube:
1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.
3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished). 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis
material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi. 5. Mudah membersihkannya.
6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished). 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang
3. Plate Type Heat Exchanger
Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless
steel atau tembaga. Plate dibuat dengandesign khusus dimana tekstur permukaan
plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua
plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti
berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar 2.17 dibawah ini.
2.4 Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube
Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah jenis alat penukar panas yang paling serbaguna dari alat penukar panas lainnya. Alat ini digunakan dalam proses industri, pembangkit listrik konvensional dan pembangkit tenaga nuklir sebagai kondensor, generator uap di reaktor air bertekanan pembangkit tenaga listrik, dan sebagai pemanas air. Alat penukar kalor shell and tube juga dipakai untuk banyak aplikasi energi alternatif, juga digunakan di beberapa ac dan sistem pendingin lainnya.
Alat penukar kalor shell and tube memberikan rasio area perpindahan panas yang relatif besar dan juga mudah untuk dibersihkan. Dua cairan, temperatur awal yang berbeda, mengalir melalui penukar panas shell and tube. Satu mengalir melalui tabung (sisi tabung) dan aliran lain di luar tabung tapi di dalam shell (sisi shell). Panas dipindahkan dari satu fluida ke yang lain melalui dinding tabung, baik dari tabung sisi ke sisi shell atau sebaliknya. Cairan dapat berupa cairan atau gas baik pada shell atau sisi tabung. Untuk perpindahan panas secara efisien, besar perpindahan panas daerah harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan tabung banyak. Dengan cara ini, panas limbah dapat digunakan.
2.5Konstruksi Alat Penukar Kalor
Ditinjau dari segi kosntruksi dari alat penukar kalor jenisshell and tube, maka secara umum dapat dikatakan konstruksinya terdiri dari 4 bagian utama yaitu:
1. Bagian depan yang tetap atau Front Head Stationary Head (dalam praktek hanya disingkat stationary head).
2. Shell (cangkang) yaitu badan alat penukar kalor itu.
3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head (dalam praktek lebih sering disebut Rear Head).
4. Berkas tube atau tube-bundle, yaitu kumpulan tube yang dimasukkan ke dalam tube apk.
Bagian depan yang tetap (front head stationary) terdiri dari 4 tipe yaitu: tipe A, B, C dan D. Shell alat penukar kalor terdiri dari 6 tipe, yaitu E, F, G, H, J, dan K. Bagian ujung belakang (rear end head) APK dibuat 8 tipe yaitu tipe L, M, N, P, S, T, U dan W. Ketiga gambar itu dapat dilihat pada gambar 2.18 berikut ini.
Gambar 2.18 Standar tipe shell (cangkang), kepala depan dan kepala belakang shell (kakac, 284)
Gambar 2.19 Bagian-Bagian Alat penukar Kalor shell and tube (Frank Kreith, 308)
Bagian-bagian shell and tube exchanger :
1. Channel fixed tip 18. Head Floating Backing Device 2. Hat fixed tip 19. Split Ring Shear
3. Channel fixed tip 20. Slip - on backing flange 4. Channel cover 21. Floating Head Cover 5. Stationary head nozzles 22. Floating Tube Sheet Skirt 6. Stationary tubes sheet 23. Packing box flange
7. Tubes 24. Packing
8. Shell 25. Packing follower ring
9. Shell Cover 26. Lantern Ring
10. Stationary shell flange head end
27. Tie Rod and Spacer
11. Shell flange - Rear Head End 28. Transverse baffles or Support Plate
12. Shell Nozzle 29. Impingement baffles 13. Shell cover flange 30. Longitudinal baffles 14. Expansion Joint 31. Pass partition 15. Floating Head Cover 32. Vent Connection 16. Floating Head Cover 33. Connection 17. Floating Head Flange
a. Jenis-Jenis Shell (cangkang)
Shell tipe E merupakan salah satu jenis shell yang paling ekonom is,
efisiensi termalnya baik, terdiri dari satu pass. Factor koreksi selisih temperatur rata-rata (Log mean temperature difference- F factor) tinggi. Sesuai kebutuhan operasi, apabila terdapat aliran multi pass dalam shell, perlu dipertimbangkan apakah menggunakan 1 shell tipe E F.
Dalam hal ini pilihan mungkin akan lebih ekonomis. Tetapi sebaliknya supaya dipikirkan apakah tidak terjadi kesulitan lain dengan pilihan itu, seperti masalah perbaikan memasukkan dan mengeluarkan tube bundle, dan kerugian panas. Segi lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan shell adalah penurunan tekanan atau pressure drop. Jika pressure drop pada sisi shell dibatasi , apakah tidak lebih baik menggunakan shell dengan tipe J, walaupun pada tipe ini terjadi kerugian panas (faktor koreksi F rendah). Masalah pressure drop juga dapat diatasi oleh shell tipe G dan H, dimana terjadi pemisahan aliran dan sedikit mengorbankan faktor koreksi F.
Alat penukar kalor dengan satu laluan cangkangadalah tipe yang paling banyak digunakan karena konstruksinya sederhana dan harganya pun murah. Dalam tipe ini, cairan masuk disalah satu ujung shell, dan keluar pada ujung yang lain. Tabung mungkin mempunya satu laluan atau dua laluan dan dapat didukung oleh baffle melintang. Jenis cangkang ini adalah yang paling banyak digunakan untuk aplikasi fluida satu fasa. Pada gambar 2.20 dibawah ini dapat dilihat aliran tiap-tiap shell.
b. Tube dan Jumlah Aliran Tube
Pemilihan yang menyangkut tube antara lain adalah jenis bahan tube sesuai dengan suhu, tekanan dan sifat korosi fluida yang mengalir, dan ukuran tube (diameter dan panjangnya). Ukuran tuba biasa nya 3/8 sampai 2 inci O.D. apabila dipergunakan tube dengan fin (sirip), maka harus dipilih apakah tube dengan sirip kecil (0,05 inci = 1,27 mm) atau sirip tinggi (high fin) biasanya 0,63 sampai 0,75 inci atau 1,6 mm sampai 19,05 mm dan jumlah sirip berkisar antara 16 sampai 19 sirip per inci.
Jumlah lintasan aliran pada tube berkisar antara 1-16 pass. Semakin banyak pass aliran akan menimbulkan penurunan efisiensi pada alat penukar kalor sebagai akibat dari pola alirannya.
c. Susunan dan Jumlah Tube
Kemampuan melepas dan menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan (heating surface). Besarnya luas permukaan itu tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tubes yang dipergunakan pada alat penukar kalor.
Dibawah ini terdapat beberapa susunan tubes alat penukar kalor, yaitu tube dengan susunan segitiga (triangular pitch), tube dengan susunan segitiga diputar 30o (rotated triangular pitch), tube dengan susunan bujur sangkar (in-line square pitch) dan tube dengan susunan belah ketupat atau bentuk bujur
sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch). Susunan tabung dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 berikut ini.
Susunan tube yang membentuk 45o atau susunan tube diamond seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas merupakan jenis kondisi menengah. Dan susunan tube ini lebih mudah dirancang daripada susunan tube yang membentuk sudut 30o. pembersihan bagian luar tube dilakukan dengan pembersihan mekanik seperti pada bujur sangkar.
Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis-Jenis Susunan Tabung
NO Susunan Tube Kelebihan Kekurangan
1 Bujur Sangkar Mudah dibuat dan bagus untuk kondisi yang memerlukan jatuh tekanan rendah. Baik untuk pembersihan luar tube secara mekanik serta baik untuk fluida yang kotor.
Koefisien perpindahan panas rata-ratanya rendah
2 Susunan Diamond (Bujur sangkar diputar 45o)
3 Susunan Segitiga Koefisen perpindahan panas rata-ratannya paling tinggi diantara semua susunan tube. Dapat dibuat jumlah tube yang lebih banyak sebab susunannya lebih kompak.
4 Susunan Segitiga Yang diputar
Koefisien perpindahan panas rata-ratanya yang tinggi tapi tidak sebesar susunan
Secara teoritis dapat dihitung berapa jumlah tube yang diperlukan suatu alat penukar kalor pada beban tertentu. Hasil perhitungan itu tidak selalu cocok apabila di konstruksikan. Hal ini lebih nyata pada alat penukar kalor yang multi pass. Jumlah tube secara teoritis dapat dihitung dengan rumus:
��= 0,785�(����� ) ��
2
(��)2(��)2 ... (2.14)
Dimana CTP adalah jumlah perhitungan tabung konstan yang mewakili diameter dalam cangkang terhadap tabung.
Satu laluan tabung, CTP = 0,93 Dua laluan tabung, CTP = 0,90 Tiga laluan tabung, CTP = 0,85 CL adalah layout tabung yang konstan:
d. Jarak Tube (Tube Pitch)
Jarak tube pitch ini erat hubungannya dengan ukuran tube, susunan tube (layouts) dan sistem pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tube. Biasanya jarak antar tube (tube pitch) ini adalah berkisar 1,25 (untuk fluida bersih) sampai 1,5 (untuk fluida kotor) dikali diameter luar tube.
e. Baffel
Baffel atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor mempunyai beberapa fungsi, yaitu:
1. Struktur untuk menahan tube-bundel.
2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran pada tabung. 3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang
mengalir diluar tubes (shell side).
Fungsi tersebut selalu menyatu pada setiap pemasangan baffle, namun adakalanya satu sama lainnya harus diperketat persyaratannya untuk tujuan-tujuan yang khusus. Kadang-kadang para perencana sering melupakan adanya getaran pada tubes bundel, karena dalam prakteknya kerusakan karena akibat getaran itu sangat sedikit sekali. Pada gambar 2.17 nomor 31 terdapat pass-partitionyang dipasang pada front-end alat penukar kalor. Bagian ini juga
berfungsi sebagai baffel atau sekat aliran fluida yang masuk kedalam front end itu, yang selanjutnya membelok masuk kedalam tube penukar kalor.
Dengan memasang plat-partition pada penukar kalor dapat menambah jumlah pass aliran fluida di dalam tube. Sedangkan pemasangan baffel pada sisi shell tidak menambah jumlah aliran di shell tersebut.
Ditinjau dari segi konstruksi, baffel dapat diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu:
1. Sekat pelat berbentuk segmen (segmental baffles plate). 2. Sekat batang (rod baffles).
Biasanya jenis sekat ini dipergunakan secara sendiri-sendiri, namun dalam hal eperluan khusus, dapat dikombinasikan jenis yang satu dengan yang lainnya. Hal ini jarang sekali dilakukan.
Plat baffel berbentuk segmen yang sering digunakan ditunjukkan pada gambar 2.22 dibawah ini.
Gambar 2.22 Jenis Plat Baffel (kakac, 297)
Sekat plat berbentuk segmen dipasang dengan posisi tegak lurus terhadap tubes. Disamping membelokkan aliran, sekat ini juga berfungsi untuk menyangga tubes agar tidak terjadi getaran tubes akibat aliran di luar dan di dalam tubes.
2.6 Aliran di Dalam Alat Penukar Kalor
Cairan atau gas yang melewati tabung atau tube biasanya digunakan dalam proses pemanasan ataupun pendinginan. Fluida yang digunakan dalam banyak aplikasi tersebut dipaksa untuk mengalir dengan menggunakan kipas ataupun pompa melalui sebuah pipa yang panjang yang diharapkan terjadi perpindahan panas. Pada aliran dalam dibatasi oleh luas permukaan bagian dalam pipa, dan terdapat batasan seberapa besar lapisan batas dapat berkembang. Aliran dalam adalah bukan aliran yang bebas sehingga kita membutuhkan suatu alternatif. Kecepatan fluida didalam pipa berubah dari nol pada permukaan karena tidak ada slip yang terjadi, sampai kecepatan maksimum pada pusat pipa. Disisi lain, sangat nyaman untuk menghitung dengan menggunakan kecepatan rata-rata u dengan asumsi bahwa aliran adalah inkompresibel pada saat luas permukaan pipa konstan. Kecepatan rata-rata aktual pada saat kondisi pemanasan dan pendinginan dapat berubah karena perubahan massa jenis dengan temperatur. Secara praktis, kita menghitung sifat-sifat fluida pada temperatur rata-rata dan menganggapnya konstan. Persamaan untuk menghitung kecepatan rata-rata berasal dari hukum kekekalan massa, yakni
ṁ= ρuAc = ∫ ρu(r,x)dAc .
Ac ... (2.15) ṁ adalah laju aliran massa, ρadalah rapat massa, Ac adalah luas permukaan, dan u(r,x) adal ah profil kecepatan. Sehingga kecepatan rata-rata untuk aliran inkompresibel pada sebuah pipa dengan radius R adalah
pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada jarak yang dekat. Osborne Reynolds (1841-1912), ilmuwan dan ahli matematika inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua kasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.23 dibawah ini
Gambar 2.23 Eksperimen untuk menentukan jenis aliran (Bruce R Munson)
Gmabar 2.23 menunjukkan jenis aliran tersebut tergantung pada kecepatan fluida yang melalui pipa dan dapat ditentukan dengan bilangan Reynolds (Re), yaitu perbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Dari percobaan tersebut Osborne Reynoldsmenentukan rumus empiris untuk menenukan besarnya nilai bilangan Reynold dalam sebuah pipa .
Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran, bilangan Reynold didefenisikan sebagai
Re = ���
μ =
��
v
...
(2.17)u adalah kecepatan rata-rata fluida, D adalah diameter pipa, dan v adalah
viskositas kinematik fluida.
Re < 2300 aliran laminar 2300 ≤ Re ≤ 10000 aliran transisi Re > 10000 aliran turbulen
Nu = 1,86
�
Re Pr D Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali μsdihitung pada temperatur permukaan pipa.Untuk aliran turbulen berkembang penuh didalam pipa yang halus, sebuah persamaan sederhana untuk menghitung bilangan Nusselt dapat diperoleh yakni
Nu = 0,023 Re0,8 Pr1/3 ... (2.19)
dengan syarat bahwa : 0,7 ≤ Pr ≤ 160 Re > 10000
Persamaan diatas disebut Persamaan Colburn. Keakurasian persamaan diatas dapat ditingkatkan dengan memodifikasinya menjadi
Nu = 0,023 Re0,8 Pr n ... (2.20) Untuk proses pemanasan digunakan n = 0,4 dan untuk proses pendinginan digunakan n = 0,3. Persamaan ini disebut Persamaan Dittus-Boelter (1930) dan persamaan ini lebih baik daripada persamaan Colburn.
Diantara sejumlah rumus yang ada, rumus yang sering digunakan untuk aliran turbulent adalah rumus yang dianjurkan Donohue dan Kern. Donohue menghitung 2 kecepatan massa, yaitu kecepatan massa longitudinal (Gl) dan kecepatan massa transversal (Gt) didalam cangkang. Selanjutnya digabungkan satu kecepatan massa ekivalen (Ge) yaitu:
�� =√����� ...(2.21) Pada gambar 2.24 dibawah ini dapat dilihat aliran di dalam cangkang.
Panjang karakteristikdari bilangan nusselt dan reynold, diameter luar (de) dari satu tabung. Bilangan prandl, viskositas, dan konduktivitas termal dievaluasi pada suhu dinding tabung.
Kern mengamati bahwa dalam cangkang yang dinormalisasi yaitu ruang bebas (diujung sekat) adalah 25% dari diameter dalam cangkang dimana dalam hal ini Gl = Gt. Dengan demikian perhitungan bilangan reynold terbatas oleh satu kecepatan massa transversal Gt. Dimana Gt adalah:
�� = �̇ ������������� (�−��)
�
...(2.22)
Dimana: Di = diameter dalam cangkang de = diameter luar tabung
P = jarak antar dua sumbu tabung l = jarak antar sekat
Gambar 2.25 Sket susunan tabung pada plat tabung Dan menghitung diameter hidrolik:
�ℎ= 4�
2
����− �� ...(2.23)
2.6.1 Metode Log Mean Temperature Difference ( LMTD )
Dalam merancang ataupun memprediksi performansi alat penukar kalor, sangatlah perlu untuk menghubungkan antara laju perpindahan panas total terhadap temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas menyeluruh, dan luas permukaan total untuk laju perpindahan panas. Persamaan perpindahan panas antara fluida panas dan fluida dingin adalah setimbang. Jika q adalah laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin dan
p
dengan mengabaikan perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor dengan lingkungan, mengabaikan perubahan energi potensial dan energi kinetik, dan dengan mengaplikasikan persamaan energi steady, diperoleh persamaan:
q = ṁc(ic,o – ic,i) = ṁh(ih,i – ih,o) ... (2.24)
i adalah entalpi fluida. Subscript h dan c adalah menandakan fluida hot
(panas) dan fluida cold (dingin), sedangkan subscript i dan o adalah kondisi inlet (masuk) dan outlet (keluar) fluida. Jika fluida tidak mengalami perubahan fasa dan diasumsikan pada kondisi panas jenis yang konstan, maka persamaan menjadi
Q = ṁhcp,h(Th,i – Th,o) = ṁccp,c(Tc,o – Tc,i) ... (2.25) Jika Thdan Tcadalah suhu kedua fluida yang berada di elemen dA dari permukaan alat penukar kalor. Maka laju perpindahan panas yang terjadi diantara kedua fluida melaui elemen dA dapat dituliskan sebagai berikut
dQ = U dA (Th – Tc) ... (2.26)
2.7 Dimensi Alat Penukar Kalor
Dalam mendesain alat penukar kalor untuk menghitung luas dari alat tersebut (A) dapat dihitung dengan rumus:
�= �
������ ...(2.27)
Dimana: Q = laju perpindahan panas (W) CMTD = gradien temperatur
U = koefisien perpindahan panas total (W/m2·K) Koefisien Perpindahan panas menyeluruh (U), dihitung dari:
1
Dimana: hc = koefisien pindahan panas didalam tabung (W/m2·K) hf = koefisien pindahan panas didalam cangkang (W/m2·K) T = tebal tabung (m)
� = konduktfitas termal bahan (W/m·K)
Rfi = faktor pengotoran fluida didalam cangkang (m2 oC/W) Rfc = faktor pengotoran fluida didalam tabung (m2 oC/W)
Tabel 2.2 Referensi nilai koefisien pindahan panas (Manfred, 3)
Dari tabel diatas dapat dilihat koefisien pindahan panas untuk air yaitu 250-500 (W/m2·K).
Gradien temperatur (CMTD) untuk alat penukar kalor multipass, dapat dihitung dengan rumus:
���� = ������ ... (2.29) Dimana: F = faktor koreksi
���� = perbedaan temperatur rata-rata
Faktor koreksi (F) dapat dicari melalui grafik correction factor yang sudah ditentukan untuk alat penukar kalor satu laluan cangkang, dan dua laluan
cangkang. Grafik untuk menentukan faktor koreksi alat penukar kalor tipe shell and tube dapat kita lihat pada gambar 2.27 dan 2.28 berikut ini.
Gambar 2.27 Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk dua laluan cangkang dengan empat, dan delapan laluan tabung (Holman, 534)
Dalam mencari faktor koreksi pada tabel diatas, terlebih dahulu menghitung R dan P dengan rumus:
� =�1−�2
�2−�1 ...(2.30)
� =�2−�1
�1−�1 ...(2.31)
2.8 Isolasi Panas
Isolasi berfungsi untuk mencegah kehilangan panas alat penukar kalor, pipa-pipa steam/gas yang bersuhu tinggi ke sekeliling yang suhunya lebih rendah atau sebaliknya.
Untuk alat penukar kalor dengan suhu rendah, isolasi berfungsi untuk mencegah masuknya panas karena suhu sekitarnya yang lebih tinggi. Isolasi juga berfungsi mencegah bahaya yang dapat timbul bila orang menyentuh permukaan benda yang sangat panas. Makin tebal isolasi, maka makin sedikit panas yang hilang. Bahan isolasi yang baik memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
1. Daya hantar panas rendah 2. Dapat menahan arus konveksi 3. Disesuaikan dengan suhu
Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi Bahan Konduktivitas Termal (W/m˙K)
Magnesit 4.15
Dari tabel diatas dapat dilihat konduktivitas termal material yang digunakan sebagai bahan isolasi adalah material yang memiliki konduktivitas termal yang rendah. Ini dilakukan untuk meminimalisir kalor yang keluar ataupun masuk ke dalam alat penukar kalor.
2.9 Faktor Pengotoran dalam Alat Penukar Kalor
Performansi alat penukar kalor biasanya semakin menurun dengan bertambahnya waktu pemakaian sebagai akibat terjadinya penumpukan kotoran pada permukaan alat penukar kalor. Lapisan kotoran tersebut menimbulkan hambatan tambahan pada proses perpindahan panas dan mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor. Penumpukan kotoran pada alat penukar kalor disebut faktor kotoran Rfyang menjadi ukuran dalam tahanan termal.
Faktor kotoran adalah nol untuk alat penukar kalor yang baru dan meningkat dengan meningkatnya lama pemakaian sehingga kotoran menempel pada permukaan alat penukar kalor. Faktor kotoran bergantung pada temperatur operasi dan kecepatan fluida, dan sebanding dengan panjang alat penukar kalor. Kotoran akan meningkat dengan meningkatnya temperatur dan menurunnya kecepatan.
Ai = DiL dan Ao= DoL adalah luas area permukaan dalam dan luar alat
Tabel 2.4 Faktor Pengotoran untuk berbagai fluida (incropera, 709)
Fluid Rf, m2. °C/W
Distiled water, sea water, river water, boiled
feedwater :
Below 50 °C 0.0001
Above 50 °C 0.0002
Fuel oil 0.0009
Steam (oil-free) 0.0001
Refrigerants (liquid) 0.0002
Refrigerants (vapor) 0.0004
Alcohol vapors 0.0001
Air 0.0004
2.10 Manfaat Mandi Air Panas Belerang
Belerang atau sulfur adalah unsur kimia yang memiliki lambing S pada table periodik dan memiliki nomor atom 16. Bentuknya adalah non-metal yang tak berasa. Dalam bentuk aslinya berupa zat padat kristalin kuning. Penggunaan komersilnya terutama dalam fertilizer, bubuk mesiu, korek api, insektisida, dan fungisida. Belerang juga dapat membunuh kuman atau bakteri tertentu yang menyerang kulit. Oleh karena itu banyak kita jumpai pemandian air panas belerang di berbagai tempat wisata. Mandi air panas belerang juga dipergunakan sebagai terapi kesehatan karena terbukti menyembuhkan berbagai penyakit kulit. Dengan berendam di pemandian air panas, penyakit seperti rematik, gatal-gatal bisa sembuh.
Akan tetapi pada saat selesai mandi air panas, pengunjung akan membasuh membersihkan diri dengan air dingin dengan suhu sekitar 25o C oleh karena tidak tersedianya air hangat untuk membasuh tubuh pengunjung. Hal ini tidak baik pada kesehatan, pada saat mandi air belerang yang bersuhu konstan sekitar 45o C menyebabkan pori-pori kulit lebih terbuka, sehingga apabila dengan tiba-tiba membasuh tubuh dengan air dingin akan dapat menyebabkan masuk angin dan bahkan tubuh akan meriang dan demam.
