Analisis Efektivitas Alat Penukar Kalor Shell & Tube Dengan Medium Air Sebagai Fluida Panas dan Methanol Sebagai Fluida Dingin

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Defenisi Kalor

Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu

tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali.

Dalam suatu proses, kalor dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu

zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.

Proses terjadinya perpindahan kalor dapat dilakukan secara langsung, yaitu

fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa

adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan

fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat

pemisah.

2.2 Teori Dasar Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan

untuk memindahkan kalor dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan

dapat berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium

pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa

sebagai air pendingin (cooling water).

Penukar kalor dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar

fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran kalor terjadi karena adanya

kontak, baik antara fluida yang terdapat dinding pemisahnya, maupun keduanya

bercampur langsung (direct contact). Penukar panas sangat luas dipakai dalam

industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas

alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat

penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan

panas mesin ke udara sekitar.

Alat penukar kalor adalah alat yang memungkinkan terjadinya

perpindahan panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda

tanpa mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya

pemanasan dan sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses

pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran

yakni alat penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai

contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir

melalui pipa yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang

kecil dengan melewatkan udara diantaranya.

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

keefektifitasan-NTU.

2.3 Jenis 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 temperatur yang rendah. Temperatur fluida hasil pendinginan

didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida

pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media

Gambar 2.1 Chiller [14]

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.

Gambar 2.2 Kondensor [3]

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

Gambar 2.3 Cooler [9]

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.

Gambar 2.4 Evaporator [2]

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

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler [7]

f. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas

suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:

1. Memanaskan fluida

2. 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 gas buangan yang semuanya berada didalam shell.

g. Vaporizer, secara umum vaporizer digunakan untuk menguapkan cairan. Uap

yang dihasilkan digunakan untuk proses kimia, bukan sebagai sumber panas

seperti halnya steam dan menggunakan elemen pemanas listrik.

Jenis-Jenis Vaporizer :

1. Vaporizer dengan sirkulasi paksa Cairan diumpankan ke dalam vaporizer dengan menggunakan pompa.

2.

Vaporizer dengan sirkulasi alamiah Cairan umpan dapat mengalir

sendiri dalam vaporizer dengan bantuan gaya gravitasi.

h. Heater, merupakan salah satu alat penukar kalor yang berfungsi memanaskan

fluida proses, dan sebagai bahan pemanas a1at ini menggunakan steam.

Gambar 2.7 Heater [13]

2.4 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas

a. Tipe kontak tidak langsung

1. Tipe dari satu fase

2. Tipe dari banyak fase

3. Tipe yang ditimbun (storage type)

4. Tipe fluidized bed

b. Tipe kontak langsung

1. Immiscible fluids

2. Gas liquid

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 pass

aliran masingmasing

d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi

5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a. Konstruksi tubular (shell and tube)

1. Tube ganda (double tube)

2. Konstruksi shell and tube, Sekat plat (plate baffle), Sekat batang (rod

baffle)

3. Konstruksi tube spiral

b. Konstruksi tipe pelat

1. Tipe pelat

2. Tipe lamella

3. Tipe spiral

4. Tipe pelat koil

c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

1.Sirip pelat (plate fin)

2. Sirip tube (tube fin)

3.Heat pipe wall

4.Ordinary separating wall

d. Regenerative

2. Tipe disk (piringan)

3 Tipe drum

4. Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran

a. Aliran dengan satu pass

1. Aliran Berlawanan

2.Aliran Paralel

3.Aliran Melintang

4.Aliran Split

5.Aliran yang dibagi (divided)

b. Aliran multipass

a. Permukaan yang diperbesar (extended surface)

1.Aliran counter menyilang

2.Aliran paralel menyilang

3.Aliran compound

b. Multipass plat

Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang

telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang

dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular

Exchanger Manufacture’s Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat,

karena alat ini beroperasi pada temperatur dan tekanan yang tinggi.

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas Heat Exchanger,

yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peralatan 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 industri.

Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum

digunakan dalam dunia industri :

Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang

adalah alat penukar panas dimana fluida panas dan dingin dipisahkan oleh

susunan tabung concentric (double pipe), fluida panas dan dingin tersebut

mengalir dalam arah yang sama maupun berlawanan. Pada saat dimana fluida

panas dan dingin mengalir dalam arah yang sama, maka alat penukar kalor

tersebut disebut parallel flow heat exchanger, sedangkan jika fluida panas dan

dingin mengalir dalam arah yang berlawanan alat penukar kalor tersebut disebut

dengan counter flow heat exchanger. Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang

panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe heat

exchanger merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang kecil.

Gambar 2.8 Aliran double pipe heat exchanger [6]

Gambar 2.9 Hair pin heat exchanger [12]

Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme temperature crossing, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan surface area yang moderat (range surface area: 1 – 6000 ft2). Hairpin heat exchanger tersedia

- Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell

(multitube),

- Bare tubes, finned tube, U-Tubes, - Straight tubes,

- Fixed tube sheets

Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan dan dipasang pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas

permukaan panas yang besar. Ukuran standar dari tees dan return head diberikan

pada tabel berikut :

Tabel 2.1 : Double Pipe Exchanger fittings [4]

Outer Pipe, IPS Inner Pipe, IPS 3

Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft Panjang efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana

terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati

the exchanger section.

Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran

dalam type heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana

Gambar 2.10 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current

[15]

Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner

tubes) maupun yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang. Sedangkan pada aliran counter current, di dalam tube sebelah dalam dan

fluida di dalam annulus masing-masing mempunyai cabang seperti terlihat pada

gambar 2.11 dan gambar 2.12.

Gambar 2.12 Double-pipe heat exchangers in series–parallel [6]

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 16ndustry standar dimanapun selain ASME code.

2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing

dengan single shell dan tube heat exchanger.

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).

Gambar 2.13 Bentuk susunan tabung [5]

Keuntungan square pitch adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan

pressure drop-nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida)

Gambar 2.14 shell and tube heat exchanger [8]

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.

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

Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah

lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit

perawatannya.

3. Plate Type Heat Exchanger

Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengan design 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 dibawah

4. Jacketed Vessel With Coil and Stirrer

Unit ini terdiri dari bejana berselubung dengan coil dan pengaduk, tangki air

panas, instrumen untuk pengukuran flowrate dan temperatur. Fluida dingin dalam

vessel dipanaskan dengan mengaliri selubung atau koil dengan fluida panas. Pengaduk dan baffle disediakan untuk proses pencampuran isi vessel. Volume isi

tangki dapat divariasikan dengan pengaturan tinggi pipa overflow. Temperatur

diukur pada inlet dan outlet fluida panas, vessel inlet dan isi vessel

Gambar 2.16 Jacketed Vessel With Coil And Stirrer [3]

2.4.1 Konduksi

Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi

terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda

yakni T1 > T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan panas secara konduksi pada arah x positif. Dapat diukur laju perpindahan

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 (2.1)

Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi melalui sebuah

percobaan.

Gambar 2.17 Perpindahan Panas secara Konduksi [15]

Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan

menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga

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

koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh,

qx = kA (2.2)

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,

atau persamaan flux panas menjadi,

= = - k

(2.4)

2.4.2 Konveksi

Mekanisme perpindahan panas dapat berupa konduksi, konveksi, dan

radiasi. Konduksi dan konveksi adalah membutuhkan media perantara dalam

proses perpindahan panasnya. Berbeda dengan konduksi, pada konveksi

membutuhkan gerakan fluida untuk dapat memindahkan panas.

Penelitian menunjukkan bahwa perpindahan panas konveksi sangat

bergantung pada sifat-sifat fluida seperti viskositas dinamis μ, konduktivitas

termal k, massa jenis ρ, dan spesifik panas Cp, dan dipengaruhi oleh

kecepatan fluida Ѵ. Konveksi juga bergantung pada bentuk dan kekasaran

permukaan, dan bahkan juga dipengaruhi oleh tipe aliran seperti laminar atau

turbulen. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas

secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel.

Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling

kompleks.

Gambar 2.18 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa [15]

Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju

perpindahan panas secara konveksi berbanding lururs dengan perbedaan

temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan.

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area

permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞

merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

2.4.3 Radiasi

Radiasi berbeda dengan mekanisme perpindahan panas secara

konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara radiasi tidak

membutuhkan kehadiran suatu material sebagai media perpindahan panas.

Faktanya, energi yang ditransfer dengan radiasi adalah yang tercepat (secepat

kecepatan cahaya) dan dapat terjadi pada ruangan vakum. Perpindahan panas

secara konduksi dan konveksi terjadi dari temperatur yang tinggi ke

temperatur yang lebih rendah. Pada radiasi, perpindahan panas dapat terjadi

pada 2 benda yang memiliki temperatur yang tinggi dan dipisahkan oleh

benda yang memiliki temperatur yang lebih rendah.

Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisifitas ε, dan

kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari

keisotermalan yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody.

Blackbody dapat didefenisikan sebagai pemancar dan penyerap radiasi yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang tertentu, tidak ada

permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada

blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya. Blackbody juga memancarkan energi radiasi yang

merata dalam segala arah dalam setiap unit area searah dengan arah

emisi,yang disebut sebagai pemancar diffuse. Diffuse dapat diartikan sebagai

arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat kita lihat pada gambar

Gambar 2.19 Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas [15]

Energi radisi yang dipancarkan oleh sebuah blackbody tiap satuan waktu

dan tiap satuan luasan area ditetapkan secara eksperimental oleh Joseph Stefan

pada tahun 1879 dan dapat dituliskan

Eb (T) = σT 4 (w/m2) (2.6)

σ = 5,67 x 10-8 W/m2.K4 adalah konstanta Stefan-Boltzmann dan T adalah temperatur absolut dari suatu permukaan (K). Persamaan ini diverifikasi secara

teori pada tahun 1884 oleh Ludwig Boltzman. Eb merupakan kekuatan emisifitas

blackbody.

2.5 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Sebuah alat penukar kalor terdiri dari 2 fluida yang mengalir yang

dipisahkan oleh sebuah dinding yang solid. Pertama sekali panas dipindahkan dari

fluida panas ke dinding melalui konveksi, kemudian melewati dinding melalui

konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagi melalui konveksi. Efek radiasi

apapun biasanya termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi.

Jaringan tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang

terdiri dari dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi seperti

yang ditunjukkan oleh gambar berikut

Gambar 2.20 Jaringan tahanan panas yang dihungkan dengan alat penukar kalor

Huruf kecil i dan o adalah permukaan dalam dan permukaan luar tabung. Untuk

alat penukar kalor tabung sepusat, Ai = DiL dan Ao = DoL, sehingga tahanan

termal dinding tabung adalah

Rdinding =

(2.7)

Gambar 2.21 Dua luasan area alat penukar kalor untuk dinding tabung yang tipis

[15]

Di ≈Do dan Ai ≈Ao (2.8)

k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga tahanan termal total menjadi

R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro = + + (2.9)

Dalam menganalisis alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggabungkan

semua tahanan panas yang terjadi pada fluida panas sampai fluida dingin menjadi

sebuah tahanan panas R, dan laju perpindahan panas diantara kedua fluida adalah

Q = = UA ΔT = UiAi ΔT = UoAo ΔT (2.10)

U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C). Rumus diatas menjadi :

= = = R = + Rdinding + (2.11)

2.6 Faktor Kotoran (Fouling Factor)

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 Rf yang 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.

Persamaan koefisien perpindahan menyeluruh telah diberikan sebelumnya

yang berlaku untuk permukaan alat penukar kalor yang bersih. Persamaan

sebelumnya perlu dimodifikasi sebagai efek dari kotoran pada permukaan dalam

dan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung cangkang yang tidak memiliki

sirip, persamaan sebelumnya menjadi :

=

=

=

R = +

+ + + (2.12)

Ai = DiL dan Ao = DoL adalah luas area permukaan dalam dan luar alat

penukar kalor.

Rf,i dan Rf,o adalah faktor kotoran permukaan dalam dan luar alat penukar kalor.

Tabel 2.2 : Faktor kotoran untuk berbagai fluida [15]

Above 50oC

Evaluasi performansi thermal sebuah alat penukar kalor pada keadaan tunak (steady)

Persamaan perpindahan panas lokal melalui elemen ds dari sebuah apk.

Jika Th dan Tc adalah suhu kedua fluida yang berada di elemen da dari

permukaan APK maka laju perpindahan panas diantara kedua fluida melalui

elemen ds dituliskan dengan rumus

dq = U dA ( Th - Tc) (2.13)

Dimana :

dq = Laju perpindahan panas kedua fluida (W)

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2°C)

dA = luas penampang tabung (m2)

Th = Suhu fluida panas (°C)

Tc = Suhu fluida dingin (°C)

2.7.1 Metode LMTD Aliran pararel (sejajar)

Laju perpindahan panas pada fluida panas sama dengan laju

perpindahan panas pada fluida dingin. Artinya perpindahan panas antara

ataupun dari fluida dingin. Pernyataan tersebut secara matematis dapat

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa dTh < 0 dan dTc> 0

dan secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

dTh = - ; dTc = (2.15)

persamaan diatas diturunkan sebagai berikut :

dTh – dTc = d (Th – Tc) = - - (2.16)

dimana :

= dan = (2.17)

Maka setelah disubstitusikan persamaan 2.17 ke 2.16, maka akan

didapatkan:

d (Th – Tc) = -dq (2.18)

dan dengan mensubstitusikan persamaan 2.13 ke 2.18, maka didapat:

d (Th – Tc) = -U dA ( Th - Tc) (2.19)

selanjutnya persamaan 2.19 disederhanakan menjadi berikut:

= - U dA (2.20)

Dengan mengintegralkan persamaan 2.20 dan menganggap bahwa U

dan adalah konstan dan batas integral ditunjukan pada

gambar distribusi suhu maka didapatkan:

(2.21)

Maka hasil dari integral persamaan 2.21 didapat:

ln = - U A (2.23)

Berdasarkan neraca entalpi bahwa laju pindahan panas q :

Q = ṁh Cph (Thi – Tho) = ṁc Cpc (Tco – Tci) (2.24) ṁhCph = ; ṁcCpc = (2.25)

dengan mensubstitusikan persamaan 2.25 ke 2.23 maka didapatkan

ln = - U A (2.26)

q = U A (2.27)

Dimana berdasarkan gambar dari distribusi suhu :

∆Ta = (2.28)

∆Tb= (2.29)

Jadi : q = U A atau q = U A (2.30)

2.7.2 Metode LMTD untuk aliran berlawanan

Variasi dari temperatur fluida dingin dan fluida panas pada APK

dengan arah aliran berlawanan ditunjukan pada gambar dibawah ini. Pada

kasus ini fluida dingin dan panas mengalir pada arah yang berlawanan.

Temperatur keluaran fluida dingin dapat melebihi temperatur keluaran fluida

panas, namun hal seperti ini jarang dijumpai. Normalnya temperatur keluaran

fluida dingin tidak melebihi temperatur keluaran fluida panas karena hal ini

Gambar 2.22 Distribusi suhu APK aliran berlawanan [Autocad]

Untuk temperatur masuk dan keluar fluida yang telah ditetapkan, harga dari

LMTD untuk APK aliran berlawanan lebih besar dibandingkan dengan APK

aliran sejajar dan untuk luasan pun APK aliran berlawanan lebih kecil

dibandingkan dengan APK aliran sejajar. Hal tersebut dapat dibuktikan

dengan terlebih dahulu kita menentukan persamaan LMTD untuk aliran

berlawanan berikut.

dq = ṁh Cph (-dTh) = ṁc Cpc (-dtc) (2.31) pada persamaan 2.31 dapat dilihat bahwa nilai dari dTh dan dtc adalah

negatif hal ini berbeda dengan APK aliran sejajar maka dengan perbedaan

tersebut dapat kita lihat bahwa:

dTh = - ; dTc =- (2.32)

persamaan 2.32 kemudian diturunkan menjadi:

dTh – dTc = d (Th – Tc) = - - (2.33)

dimana berdasarkan persamaan 2.17 yang kemudian disubstitusikan ke

persamaan 2.33, maka didapat:

d (Th – Tc) = -d q (2.34)

dan dengan mensubstitusikan persamaan 2.13 ke 2.34, didapat:

= - U dA (2.36)

Menurut neraca entalpi pada persamaan 2.23 dan 2.24 kemudian

mengintegralkan persamaan 2.34 dengan menganggap U dan

adalah konstan serta batas atas dan bawah yang ditunjukan

pada gambar distribusi suhu APK aliran berlawanan maka didapat:

= (2.37)

Maka hasil integral dari persamaan 2.37 didapat:

ln (Tho – Tci) – ln (Thi – Tco) = - U A (2.38)

ln = - U A (2.39)

kemudian persamaan 2.39 diturunkan sehingga didapat:

ln = -U A (2.40)

dengan mensubstitusikan persamaan 13 ke 28 maka didapat:

Q = U A (2.41)

Berdasarkan gambar distribusi suhu:

∆Ta = (2.42)

∆Tb = (2.43)

Jadi : q = U A atau q =U A (2.44)

Berdasarkan penurunan rumus yang telah dibahas sebelumnya maka

didapat:

LMTD = = = (2.45)

Untuk aliran sejajar : ∆Ta = ; ∆Tb = (2.46) Untuk aliran berlawanan : ∆Ta = ; ∆Tb = (2.47)

Catatan:

1. Panas jenis fluida dianggap konstan saat melewati APK. Dalam

perhitungan praktis dicari panas jenis fluida pada suhu rata-rata

didalam APK. Hal ini tidak jauh beda dengan kondisi sebenarnya.

2. Koefisien perpindahan panas menyeluruh U dianggap konstan

untuk sepanjang permukaan APK.

3. Jika ∆Ta tidak berbeda lebih dari 50% dari ∆Tb, maka LMTD dapat ∆TRL dapat diganti dengan ∆Tr aritmetik. Kesalahannya hanya dibawah 1%.

4. ∆TRL atau LMTD dapat juga dihitung dengan menggunakan grafik sebgai fungsi ∆Ta dan ∆Tb

5. APK aliran berlawanan lebih efektif dibandingkan APK aliran

sejajar.

Pada pembahasan sebelumnya telah disinggung mengenai luas APK aliran

sejajar yang lebih kecil dibandingkan dengan APK aliran sejajar. Hal ini

dapat dibuktikan dengan menganggap bahwa koefisien pindahan panas

menyeluruh konstan nilai dari panas jenis fluida yang digunakan dan suhu

masukkan dan keluaran kedua fluida baik fluida dingin maupun panas

dianggap sama. Sebagai contoh temperatur fluida panas masuk dan keluaran

berturut-turut adalah 180oC dan 100oC sedangkan temperatur fluida dingin

masuk dan keluar berturut-turut adalah 40oC dan 80oC, maka dapat dilihat

bahwa:

= =

Dengan menghitung dari nilai dari masing-masing pada setiap

Dari perbandingan diatas dapat disimpulkan bahwa luas apk yang

dibutuhkan untuk kondisi yang sama namun konfigurasi yang berbeda maka

harga luas yang didapat pun berbeda. Dari perhitungan diatas didapat harga

luas APK aliran berlawan jauh lebih kecil dibandingkan dengan APK aliran

sejajar.

Untuk beberapa aliran, LMTD atau perlu dikoreksi dengan

mengalikannya dengan faktor koreksi F. aliran menyilang dalam hal ini yang

perlu dikalikan dengan factor koreksi f. sehingga untuk rumus perpindahan

panas yang terjadi di dalam APK menjadi:

Q = U A F (2.48)

Dimana harga F didapat melalui grafik fungsi P dan R:

P = ; R = (2.49)

Dimana:

Ti = suhu fluida masuk cangkang

To= suhu fluida keluar cangkang

ti = suhu fluida masuk tabung

to= suhu fluida keluar tabung

2.8 Metode NTU

Metode perhitungan dengan LMTD dapat digunakan bila keempat suhu dari 2

fluida diketahui, yaitu fluida masuk (fluida panas dan dingin), suhu fluida keluar

(fluida panas dan dingin). Tetapi sering dalam persoalan APK yang diketahui

suhu fluida panas dan dingin yang masuk. Maka dari itu digunakan metode NTU

yang diperkenalkan oleh Nusselt.

Dalam hal ini diperkenalkan notasi dari keefektifan APK yang didefinisikan

sebagai berikut:

Perpindahan laju pindahan panas real dengan perpindahan panas maksimum

secara teori dapat terjadi dengan kondisi fluida masuk sama ke dalam APL (fluida,

kapasitas, suhu sama)

Atau secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

Dalam APK aliran sejajar, ∆Tmax tidak pernah tercapai. ∆Tmax tercapai untuk aliran berlawanan, dimana pada gambar B Tco mendekati Thi dan untuk gambar

C Tho mendekati Tci. Kemudian perkalian antara laju aliran massa dengan panas

jenis disebut kapasitas panas yang dinotasikan dengan C.

C = ṁ.Cp (2.51)

Untuk kapasitas fluida panas dituliskan:

ṁh . Cph = Ch (2.52) dan untuk kapasitas fluida dingin dituliskan:

ṁc . Cpc = Cc (2.53) perpindahan panas maksimum yang terjadi berdasarkan teori dihitung dengan

menggunakan rumus

qmax = (ṁ.Cp) min (Thi-Tci) (2.54) Maka berdasarkan persamaan yang telah kita tuliskan keefektifan APK

menjadi:

Sehingga dengan mengetahui keefektifan E dari APK, maka kita dapatkan laju

pindahan panas Q,

q = E Cmin (Thi-Tci) dimana Cmin = (ṁ Cp)min (2.58)

Pada saat kita membahas metode perhitungan APK dengan metode

LMTD, kita mendapatkan persamaan yaitu:

ln = - U a (2.59)

ln = - U a (2.60)

= (2.61)

Sebelumnya telah diketahui bahwa,

dq = U dA ( Th - Tc) (2.62)

berdasarkan neraca entalpi bahwa dq adalah:

dTh = - ; dTc = (2.63)

q = ṁh Cph (Thi – Tho) = ṁc Cpc (Tco – Tci) (2.64) Dengan mensubstitusikan Ch dan Cc maka didapatkan,

Ch(Thi – Tho) = Cc (Tco – Tci) (2.65)

Tco = Tci + (Thi – Tho) (2.66)

Persamaan diatas diselesaikan dengan manipulasi matematika, dimana

pada ruas kiri dan kanan masing-masing ditambahkan Tho-Tho dan Thi-Thi.

maka didapatkan,

Tco + Tho - Tho = Tci + Thi –Thi + (Thi – Tho) (2.67)

Dengan menyusun kembali persamaan diatas maka didapatkan,

-(Tho – Tco) + Tho = -( Thi – Tci)+ Thi + (Thi – Tho) (2.68)

-(Tho – Tco) = -( Thi – Tci) + Thi –Tho + (Thi – Tho) (2.69)

Dengan membagi persamaan diatas dengan -(Thi – Tci) maka

didapatkan,

= 1 – (2.70)

Dimana E bila Ch = Cmin =

Exp = 1 – E - (E) (2.71)

Exp = 1 – E (1 + (2.72)

Maka nilai E didapatkan,

Sedangkan untuk Cc = Cmin, nilai dari E dengan cara yang sama

seperti penurunan sebelumnya maka didapatkan,

E = (2.74)

Maka dapat disimpulkan untuk nilai E dari aliran sejajar yaitu :

E = (2.75)

Keefektifan dari sebuah alat penukar kalor memiliki hubungan

dengan bilangan tanpa dimensi yaitu Ua/Cmin dimana bilangan tanpa dimensi

itu disebut dengan NTU atau Number of Tranfer Unit, bilangan ini dituliskan

sebagai berikut,

NTU = = (2.76)

Perbandingan dari kapasitas panas atau Cmin/Cmax juga memiliki

hubungan dalam penentuan nilai efektifitas dari ebuah alat penukar kalor.

Perbandingan kapasitas panas dapat dituliskan sebagai berikut,

c = (2.77)

Dapat dituliskan juga bahwa efetifitas dari sebuah alat penukar kalor

merupakan fungsi dari NTU dan c dari sebuah alat penukar kalor atau dapat

juga dituliskan sebagai berikut,

E = fungsi = fungsi (NTU,c) (2.78)

Adapun hubungan antara alat efektifitas alat penukar kalor dengan

Tabel 2.3 hubungan efektifitas dengan NTU dan c [15]

Dengan melihat hubungan antara efektifitas sebagai fungsi dari NTU dan

c, nilai dari efektifitas dapat ditentukan melalui grafik yang menunjukan

hubungan tersebut. Adapun beberapa grafik efektifitas dari beberapa alat

penukar kalor dpat dilihat dibawah ini.

Gambar 2.24 grafik efektifitas untuk aliran berlawanan [15]

2.9Metanol

Metanol, juga dikenal sebagai metil alkohol, wood alcohol atau spiritus,

adalah senyawa kimia dengan rumus kimia CH3OH. Metanol merupakan

bentuk alkohol paling sederhana. Pada "keadaan atmosfer" metanol berbentuk

cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan

beracun dengan bau yang khas (berbau lebih ringan daripada etanol). metanol

digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar dan sebagai

bahan additif bagi etanol industri.

Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri.

Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah

beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan

bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

Reaksi kimia metanol yang terbakar di udara dan membentuk karbon

dioksida dan air adalah sebagai berikut:

2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 4 H2O

Titik didih dari metanol adalah 64.7 oC . Api dari metanol biasanya tidak

berwarna. Oleh karena itu, kita harus berhati-hati bila berada dekat metanol

sifatnya yang beracun, metanol sering digunakan sebagai bahan additif bagi

pembuatan alkohol untuk penggunaan industri; Penambahan "racun" ini akan

menghindarkan industri dari pajak yang dapat dikenakan karena etanol

merupakan bahan utama untuk minuman keras (minuman beralkohol). Metanol

kadang juga disebut sebagai wood alcohol karena ia dahulu merupakan produk

samping dari distilasi kayu. Saat ini metanol dihasilkan melului proses multi

tahap. Secara singkat, gas alam dan uap air dibakar dalam tungku untuk

membentuk gas hidrogen dan karbon monoksida; kemudian, gas hidrogen dan

karbon monoksida ini bereaksi dalam tekanan tinggi dengan bantuan katalis

untuk menghasilkan metanol. Tahap pembentukannya adalah endotermik dan

tahap sintesisnya adalah eksotermik.

2.10 Persamaan Yang Digunakan Dalam Perhitungan

Sebelum menggunakan persamaan – persamaan di bawah, dimisalkan

terlebih dahulu Tho dan Tco . Setelah itu, sifat – sifat termofisik kedua fluida pada

suhu – suhu tersebut dicari untuk dapat melengkapi penggunaan persamaan –

persamaan di bawah.

Aliran pada laluan pipa dalam

Q = A.V

Aliran pada pipa cangkang (luar)

Rec=

ṁc = ρ Q

Nu =

ho =

Rf,i= 0,0002 m2°C/W Rf,o= 0,0001 m2°C/W Ai =  Di L

Ao =  Do L

kpipa = 410 W/m.K (Pipa Tembaga)

= + +

Ch= ṁh cp,h Cc= ṁc cp,c

- Jika Ch < Cc maka Ch menjadi Cmin dan jika

- Jika Cc < Ch maka Cc menjadi Cmin

= = C

NTU =

NTU1 =

ε= 2 x

ε =

Ch(Th,i – Th,o)= Cc (Tc,o – Tc,i)

Setelah diperoleh Th,o dan Tc,o dilanjutkan kembali ke iterasi berikutnya

hingga Th,o dan Tc,o yang diandaikan mendekati atau sama dengan inputTh,o dan