BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Jenis-jenis Alat Penukar Kalor
Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan yang digunakan untuk melaksanakan proses pepindahan panas antara dua fluida yang memiliki beda temperatur, antara permukaan benda padat dengan fluida, antar partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda dengan dalam kontak termal. Dalam alat penukar kalor, pada umumnya tidak terdapat panas eksternal dan interaksi kerja.
Begitu luas peralatan-peralatan yang mempergunakan tabung (tubularequipment) dalam alat penukar kalor, maka diperlukan pengelompokan peralatan berdasarkan fungsinya. Adapun pengelompokan itu adalah sebagai berikut:
2.1.1 Mesin refrigrasi (chiller)
Alat penukar kalor ini dipergunakan untuk pendinginan fluida sampai pada temperatur sangat rendah. Temperatur pendingin di dalam mesin refrigrasi jauh lebih rendah bila dibandingkan dengan pendingin yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk mesin refrigrasi ini media pendingin yang dipergunakan adalah amoniak atau freon, lihat gambar 2.1.
(Sumber: lit. 22)
2.1.2 Kondensor
Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan atau mengembunkan uap atau campuran uap sehingga berubah fase menjadi cairan. Media pendingin biasanya dipakai air atau uap, lihat gambar 2.2.
(Sumber: lit. 23) Gambar 2.2: Kondensor 2.1.3 Mesin Pendingin
Mesin pendingin (cooler) digunakan untuk mendinginkan (menurunkan suhu) cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin, lihat gambar 2.3. Disini tidak dipermasalahkan perubahan fase seperti pada kondensor. Dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka mesin pendingin dipergunakan udara, dengan bantuan fan (kipas).
(Sumber: lit. 24) Gambar 2.3: Mesin pendingin
2.14 Alat Penukar Kalor
memanaskan fluida yang dingin dan mendinginkan fluida yang panas, lihat gambar 2.4.
(Sumber: lit. 27)
Gambar 2.4: Alat penukar kalor dengan tabung tipe U
2.1.5 Alat Pemanasan Ulang
Alat penukar kalor ini bertujuan untuk mendidihkan fluida kembali serta mempergunakan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering dipergunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri, lihat gambar 2.5.
(Sumber: lit. 27)
Gambar 2.5: Alat pemanasan ulang
2.1.6 Alat Pemanas (heater)
(Sumber: lit. 28) Gambar 2.6: Alat pemanas 2.1.7 Alat Pemanas Uap Lanjut
Alat pemanas uap lanjut ini dipergunakan untuk mengubah uap basah menjadi uap kering, lihat gambar 2.7. Proses ini terjadi pada ketel itu sendiri, sebab alat pemanas uap lanjut ini terjadi dalam ketelnya. Proses perpindahan panas yang terjadi bisa secara konveksi dan radiasi. Uap basah berada di dalam pipa. Kedua jenis alat pemanas uap lanjut ini mempunyai karakteristik yang berbeda. Sumber panas yang dipergunakan adalah panas yang diperoleh dari pembakaran bahan bakar dari dapur ketel atau gas panas dari asap pembakaran.
(Sumber: lit. 30)
Gambar 2.7: Alat pemanas uap lanjut
2.1.8 Evaporator
Evaporator dipergunakan untuk menguapkan cairan yang ada pada larutan, sehingga dari suatu larutan diperoleh yang lebih pekat, lihat gambar 2.8. Media pemanas yang dipergunakan adalah uap dengan tekanan rendah, sebab yang dimanfaatkan adalah panas latent, yaitu mengubah fase uap menjadi fase air.
Gambar 2.8: Evaporator
2.1.9 Alat Pemanas Air Pengisi Ketel
Alat pemanas air pengisi ketel bertujuan untuk menaikkan suhu air pengisi ketel sebelum air masuk ka dalam drum uap. Maksud pemanas itu adalah untuk meringankan beban ketel. Konstruksinya terdiri dari pipa-pipa yang disusun sedemikian rupa, airnya berada di dalam pipa dan pemanasnya di luar pipa, lihat gambar 2.9. Perpindahan panas terjadi secara konveksi dan konduksi media pemanas adalah pembakaran gas asap hasil pembakaran bahan bakar dalam dapur ketel.
(Sumber: lit.25)
Gambar 2.9: Alat pemanas air pengisi ketel
2.1.2 Konstruksi Alat Penukar Kalor
Alat penukar kalor tipe selongsongdan tabung merupakan tipe alat penukar kalor yang paling banyak digunakan dalam industri. Hal ini dikarenakan tipe selongsongdan tabungdapat digunakan untuk proses-proses dengan cakupan variasi tekanan, temperatur dan material yang luas. Terdapat beberapa jenis tipe alat penukar kalor yang dikeluarkan oleh asosiasi pemanufaktur jenis perlatan ini yang bernama TEMA (Tubular Exchanger Manufacturer Association), lihat lampiran A.
2.1.2.1 Selongsong (Shell)
terdapat fluida yang menerima dan melepaskan panas, sesuai dengan proses yang terjadi. Secara umum selongsong yang banyak digunakan adalah jenis satu lintasan. Selongsong dua lintasan dipergunakan apabila perbedaan temperatur pada selongsong dan tabung tidak dapat diatasi pada jenis satu lintasan.
Gambar 2.10: Selongsong
Selongsong biasanya terbuat dari baja maupun paduannya. Mengenai dimensi dan tebal dinding selongsong, standar TEMA mengatur dalam satuan inch mulai dari 6 inch hingga 100 inch untuk diameter dalam selongsong dan 1/8 inch sampai dengan ½ inch untuk ketebalannya. Sedangkan material yang digunakan untuk spesifikasi selongsong disarankan mengacu kepada ASTM. Untuk penutup selongsong, ketebalan yang dipakai minimal sama dengan ketebalan dari selongsong.
2.1.2.2 Tabung (Tube)
Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan. Besarnya luas permukaan ini tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tabung yang dipergunakan pada alat penukar kalor itu. Susunan tabung itu mempengaruhi besarnya penurunan tekanan aliran fluida dalam selongsong. Susunan tabung alat penukar kalor yakni:
a. tabung dengan susunan segitiga b. tabung dengan susunan layang-layang c. tabung dengan susunan bujur sangkar
d. tabung dengan susunan berbentuk belah ketupat
Pada tabel 2.1 dapat dilihat cara menentukan pitch (jarak antara sumbu tabung), serta menentukan besar ligament X, jarak atau ruang lalauan aliran fluida antara dua tabung yang berdekatan.
Tabel 2.1 Parameter dasar tata letak tabung
Susunan Segitiga
tekanan yang dimiliki tipe ini kecil karena aliran fluida tidak ada yang menghalangi.
Apabila diinginkan laju perpindahan panas yang lebih besar, dapat dipilih tipe susunan segitiga. Pada tipe ini aliran fluida tidak dapat mengalir lancar karena terhalang oleh pipa yang berada di depannya sehingga terjadi turbulensi dan penurunan tekanan menjadi besar. Dari sisi perawatan secara mekanik tipe ini lebih sulit dalam pembersihan kerak yang berada di luar pipa karena sikat penggosok tidak dapat melewati ruang bebas dengan mudah karena susunan pipa yang berbentuk segitiga menghalangi sikat penggosok.
2.1.3.3 Sekat (Baffle)
Sekat berfungsi untuk mengarahkan aliran fluida di dalam selongsong dan menaikkan kecepatan aliran atau membuat aliran menjadi turbulen, lihat gambar 2.11. Adanya turbulensi akan meningkatkan koefisien perpindahan panas sehingga akan meningkatkan laju perpindahaan panas. Meskipun demikian, pemasangan sekat juga menaikkan penurunan tekanan aliran fluida.
Gambar 2.11: Sekat bentuk segmen
Ditinjau dari segi konstuksinya, sekat ini dapat diklasifikasikan dalam empat kelompok yaitu:
1. sekat pelat berbentuk segmen (segmentalbafflesplate) 2. sekat batang (rodbaffles)
3. sekat mendatar (longitudinalbaffles) 4. sekat impingment (impingementbaffles)
melintang (cross flow) terhadap bundel tabung, juga akan menjadikan aliran tersebut lebih turbulen. Dengan demikian koefisien perpindahaan panas kalor konveksi akan bertambah besar dibandingkan aliran tersebut mangalir axial sepanjang tabung tanpa sekat. Kern menambahkan bahwa semakin banyak jumlah sekat yang digunakan atau dengan kata lain jarak antar sekat semakin kecil, maka aliran akan bertambah derajat turbulensi aliran dan kerugian tekanan. Kern menyarankan jarak antar sekat minimum 0,2 kali diameter selongsong sampai dengan maksimum sama dengan diameter selongsong.
Mukherjee (1988) mengemukakan pemotongan ideal untuk sekat diambil antara 20% - 35% diameter selongsong, lihat gambar 2.12.c. Apabila pemotongan sekat diambil kurang dari 20% dengan maksud agar koefisien perpindahan kalor konveksi dalam sisi selongsong jadi bertambah (lihat gambar 2.12.b) atau pemotogan diambil lebih dari 35% dengan maksud agar kerugian tekanan jadi berkurang maka hasil yang diperoleh umumnya akan merugikan (lihat gambar 2.12.a).
(a) (b) (c)
(Sumber: lit. 13)
Gambar 2.12: Efek dari sekat (a) pemotongan sekat kecil, (b) pemotongan sekat besar, (c) pemotongan sekat dan jarak sekat ideal
2.1.3.4 Penutup (Cover) Selongsong
Penutup selongsong terdiri dari penutup stasioner (front end stationer)
dan penutup bagian belakang (rear end head).
a. Penutup stationer
dua jenis penutup stasioner yaitu saluran (channel) dan topi (bonnet). Apabila fluida dalam tabung bersih, maka biasanya dipergunakan penutup stasioner jenis topi (tipe B), hal ini disebabkan karena pembersihan bagian dalam tabung, penutup jenis topi harus dilepas seluruhnya. Ini berbeda dengan penutup stationer jenis saluran (tipe A dan tipe C yang menyatu dengan pelat tabung dimana untuk pembersihan bagian dalam dari tabung, dapat dilakukan dengan melepas penutupnya.
b. Penutup bagian belakang
Penutup bagian belakang ini terletak pada ujung lain dari alat penukar kalor, lihat lampiran A. Pada alat penukar kalor dengan pelat tabung seperti tipe L, M, dan N perlu diperhatikan perbedaan koefisien pemuaian bahan selongsong dan bahan tabung. Untuk mengatasi perbedaan yang terjadi, maka dipasang
expantionjoint pada selongsong. Untuk tipe S merupakan alat penukar kalor dengan pelat tabung yang digabung antara penahan dan penutupnya.
2.1.3.5 Pelat Tabung (Tubesheet)
Fungsi pelat tabung ini adalah sebagai tempat terpasangnya pipa. Pelat tabung ini dibuat tebal dan pipa harus terpasang rapat tanpa bocor pada pelat tabung. Dengan konstruksi fluida yang mengalir pada selongsong tidak akan tercampur dengan fluida yang mengalir di dalam tabung. Penyambungan antara pelat tabung dengan tabung merupakan hal yang paling penting untuk diperhatikan, karena segala kegagalan penyambungan ini akan menyebabkan kebocoran dan pencampuran kedua fluida di dalam penukar kalor.
Terdapat dua jenis pelat tabung, yaitu:
a. Pelat tabung stasioner (stationarytubesheet), dimana pelat tabung dipasang kokoh pada selongsong. Biasanya pelat tabung ini dipasang dengan cara
compressionfitting (dengan baut-mur). Untuk keperluan khusus dapat dilakukan sambungan las.
bundle). Pemakaian pelat tabung mengambang biasanya dimaksudkan untuk mengatasi ekspansi termal pada operasi temperatur tinggi. Untuk mencegah tercampurnya fluida di dalam alat penukar kalor, pada bagian saluran tabung dipasang tutup (pelat tabung).
Dari bentuk dan susunan lubang pada tube sheet dapat diketahui berapa lintasan aliran yang terjadi pada sisi tabung alat penukar kalor, lihat gambar 2.13.
(Sumber: lit. 16 hal. 69)
Gambar 2.13: Susunan pelat tabung multi aliran dalam alat penukar kalor (untuk memudahkan sketsa maka tabung tidak ditunjukan)
2.1.3.6 Nossel
pipa-pipa penukar kalor. Dipilih flens yang sudah distandarisasi ASA, sehingga akan lebih memudahkan dalam pengadaan dam pemiliharaan.
2.1.3.7 Flens
Flens adalah istilah untuk salah satu jenis sambungan yang digunakan saat menyambung antara pipa dan elemennya dengan katup, bejana, kolom reaksi, pompa dan lainnya, lihat gambar 2.14. Beberapa teknik sambungan selain flens adalah menyambung langsung dengan las (welding joint) atau menyambung dengan uliran (threaded joint) seperti menyambung baut dengan mur.
(Sumber: Lit. 29) Gambar 2.14: jenis-jenis flens
Sambungan yang paling sempurna jika dilihat dari sisi pencegahan bocor dan ketahanan akan tekanan fluida yang mengalir adalah menyambung langsung dengan las. Tetapi dengan las membuat sambungan itu bersifat permanen, yang bukan merupakan hal baik jika sambungan itu butuh dilepas untuk perawatan atau perbaikan. Las juga tidak bisa diaplikasikan jika ada bagian dalam yang tidak tahan akan suhu tinggi yang dihasilkan proses las. Sambungan ulir (threaded joint) dapat dibongkar pasang, tetapi tidak bisa diaplikasikan untuk sambungan dengan ukuran besar dan bertekanan tinggi. Karena itu, walaupun dengan flens akan menambah berat material dan membutuhkan baut, mur dan gasket, flens tetap banyak digunakan.
Karena itu, flens tidak desain satu per satu menurut tekanan fluida, tetapi dikelompokkan menjadi beberapa kelas dan itu sudah distandarisasikan sejak lama. Flens dapat dibagi menjadi kelas 150, 300, 600, 900, 1500, 2500. Ini adalah sebutan kelas yang menunjukkan setinggi apa tekanan yang dapat diaplikasikan. Misalnya untuk suhu kamar dengan tekanan fluida sampai 20 bar dapat menggunakan kelas 150, tekanan sampai 50 bar menggunakan kelas 300, tekanan sampai 100 bar menggunakan kelas 600 dan seterusnya.
2.1.3.8 Batang Pengikat (Tie Rod)
Batang pengikat dengan diameter tertentu yang berfungsi sebagai tempat bertumpunya sekat, lihat gambar 2.15. Batang pengikat terpasang pada pelat tabung dengan mekanisme ulir, sedangkan pada ujung lainnya dilengkapi dengan pasangan baut dan ulir untuk menahan sekat tetap berada pada posisinya.Dalam standar TEMA, diatur tentang ukuran besar diameter batang pengikat sebagai fungsi dari diameter dalam selongsong, semakin besar diameter dalam selongsong, maka semakin besar pula diameter batang pengikat dan jumlahnya semakin banyak karena ukuran sekat semakin besar dan berat.
(Sumber: Lit 16)
Gambar 2.15: Bafflespacer danbatang pengikat
2.3.1.9 Gasket
(Sumber: lit. 1 hal. 44) Gambar 2.16: Tipe gasket
2.2 Analisis Perpindahan Panas
2.2.1 Proses Perpindahan Panas pada Alat Penukar Kalor Perpindahan panas secara thermodinamika:
Besarnya panas yang diserap fluida dingin
Qc = ṁc× cp,c × (Tco-Tci) (Lit. 11 hal. 488) (2.1)
Dimana : Qc = kalornya yang diseap fluida dingin (kW) ṁc = laju aliran massa fluida dingin (kg/s) cp,c = kalor jenis fluida dingin (J/kg.oC)
Tco = temperatur fluida dingin keluar (oC)
Tci = temperatur fluida dingin masuk (oC)
Sifat fluida dingin dievualusi pada temperatur dingin rata-rata, yaitu:
2 T T
Tc = co − ci (Lit. 6 hal. 302) 2.2) Besarnya panas yang diserap fluida panas
Qc = ṁh × cp,h × (Tho-Thi) (Lit. 11 hal. 488) (2.3)
Dimana : Qh = kalornya yang diseap fluida panas (W) ṁh = laju aliran massa fluida panas (kg/s) cp,h = kalor jenis fluida panas (J/kg.oC)
Tho = temperatur fluida panas keluar (oC)
Sifat fluida dingin dievualusi pada temperatur dingin rata-rata, yaitu:
2.2.2 Perpindahan Kalor dengan Menggunakan Metode LMTD
Besarnya laju perpindahan panas kalor dengan metode LMTD dapat dihitung, yaitu:
Q = Uo × Ao × F × LMTD (Lit. 21 hal. 458) (2.5)
Dimana: Q = parpindahan kalor (W)
Uo = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.K)
F = faktor koreksi
LMTD = beda suhu rata-rata logaritma (K)
Beda suhu rata-rata logaritma (
LMTD),
LMTD =(Thi−Tco)−(Tho−Tci)
ln�T hi−T co�
�T ho−Tci�
(Lit. 8 hal. 48) (2.6)
Untuk mencari F diperlukan parameter ,
P =(Thi−Tci)
(Thi−Tci) (Lit. 8 hal. 48) (2.7)
R =(Thi−Tho)
(Tco−Tci) (Lit. 8 hal. 48) (2.8)
Jika R = 1, maka diperoleh,
Dimana: P = perbandingan efektivitas termal R = perbandingan kapasitas kalor
Luas perpindahan kalor adalah:
Ao= π × do × L × Nt (Lit. 8 hal. 302) (2.11)
Dimana : Ao = luas perpindahan kalor (m2)
do = diameter luar tabung (m)
L = panjang tabung (m) Nt = jumlah tabung
2.2.3 Aliran Internal (Aliran Fluida dalam Tabung)
Aliran internal adalah aliran yang mana fluida dibatasi oleh permukaan, lihat gambar 2.17. Oleh karena itu lapisan batas tak dapat berkembang tanpa akhirnya dipaksa. Konfigurasi aliran internal menunjukan geometri mudah untuk memanaskan dan mendinginkan fluida yang dipakai di pengolahan kimia, kontrol lingkungan, dan teknologi konversi energi.
(Sumber: lit. 4 hal. 337)
Gambar 2.17: Aliran internal dari air dalam sebuah pipa dan aliran eksternal dari udara di luar pipa (pipa yang sama)
panas. Pada kecepatan yang lebih tinggi, aliran yang terjadi adalah turbulen dimana proses transport dipercepat oleh komponen-komponen lateral kecepatan fluida sehubungan dengan adanya pusaran-pusaran yang terjadi.
Bilangan Reynolds pada sisi tabung dapat dihitung dengan persamaan:
Re,t = ṁt×di
ρ×At×υ (lit . 8 hal 325) (2.12)
Dimana: Nt = jumlah tabung
ṁt = laju aliran massa sisi tabung (kg/s)
μ = viskositas dinamik (kg//m.s)
Sedangkan bilangan Nusselt di dalam tabung dapat dihitung dengan persamaan:
1. Jika aliran laminar Re,t< 2300, bilangan Nusselt di dalam tabung diperoleh
persamaan
Nu,t = 1,86�Re ,t×Pr×di
L �
0,33
(Lit. 2 hal. 830) (2.13)
2. Jika aliran turbulen Re,t> 10.000, bilangan Nusselt di dalam tabung diperoleh
persamaan
Nu,t = 0,023 × Re,t0,8× Prn (Lit. 2 hal. 830) (2.14)
Dimana:
n = 0,4 jika fluida sebagai pemanas n = 0,3 jika fluida sebagai pendigin
Penurunan tekanan di dalam tabung dapat dihitung yaitu: Δpt = ρ×Vt2
2 �
4 ×ft×L×Np
di + 4 × Np� (Lit. 8 hal. 311) (2.15)
Dimana: ∆pt = penurunan tekanan di dalam tabung (Pa)
Vt = kecepata fluida di dalam tabung (m/s)
ft = faktor gesekan di dalam tabung
Kecepatan fluida di dalam tabung,
Vt = ṁt
ρ×At
(Lit. 8 hal. 313) (2.16) Dimana : At = luas aliran tabung (m2)
Luas aliran tabung,
At =
Nt×π×di2
4Np
(2.17)
Dimana: Np = jumlah lintasantabung
Faktor gesekan di dalam tabung untuk aliran laminar
ft = 64
Re (Lit. 8 hal. 313) (2.18)
Untuk aliran turbulen
ft = 0,046 × (Re)−0,2 (Lit. 16 hal. 482) (2.19)
2.2.4 Aliran Eksternal (Aliran Fluida Dalam Selongsong)
Aliran fluida yang berada dalam selongsong, seperti pada gambar 2.17, mengalami perubahan yaitu aliran aksial, aliran yang sejajar denganbundel tabung, aliran melintang yang menyeberangi bundel tabung diantara sekat yang dipasang.
(Sumber: lit. 16 hal. 293)
Gambar 2.18: Distribusi aliran sisi selongsong dan identifikasi dari macam-macam aliran
Aliran A, adalah aliran yang bocor akibat terdapatnya celah antara lubang sekat dengan tabung. Aliran B, merupakan aliran melintang yang sebenarnya. Aliran C, aliran bypass yang terjadi antara selongsong dengan bundel tabung. Aliran E, aliran yang terjadi karena adanya ruang bebas antara selongsong dan sekat. Aliran F, aliran yang terjadi karena adanya celah pada pelat pemisah antar lintasan aliran. Bocoran aliran terjadi apabila alat penukar kalor itu mempunyai aliran yang banyak (multipass).
2.2.4.1 Metode Kern
Metode Kern adalah metode yang paling sederhana yang digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan panas pada aliran eksternal.
2.2.4.1.1 Koefisien Perpindahan Panas Eksternal Besarnya koefisien perpindahan panas eksternal adalah:
hs =0,36 k
De × Re,s
0,55× P
r0,5 (lit. 8 hal 308) (2.20) dimana: hs = koefisien perpindahan panas eksternal (W/m2.K)
k = konduktivitas termal (W/m.K) De = diameter ekuivalen (m)
Diameter ekuivalen
untuk susunan segiempat,
De =
4�Pt2−π×d o 2
4 �
π×do
untuk susunan segitiga,
- Bilangan Reynolds di sisi selongsong (Re), Re,s =
2.2.4.1.2 Penurunan Tekanan pada Bagian Selongsong (Δps)
Penurunan tekanan yang melintasi selongsong (Δps) yang dinyatakan
sebagai:
fs = faktor gesekan di dalam selongsong
Nb = banyaknya jumlah sekat
Faktor gesekan di dalam selongsong,
2.2.4.2 Metode Bell –Delaware
Delaware menemukan metode perhitungan perpindahan panas dan penurunan tekanan untuk aliran fluida di dalam selongsong dengan menggunakan beberapa faktor koreksi. Faktor-faktor tersebut meliputi:
a. Kebocoran yang melalui celah antar tabung dan sekat serta celah antara sekat dan selongsong
b. Aliran yang melalui celah antar bundel tabung dan selongsong c. Efek dari konfigurasi sekat
2.2.4.2.1 Koefisien Perpindahan Panas Sisi Selongsong
Koefisien perpindahan panas di sisi selongsong (ho) dapat dihitung yaitu:
ho = hid × Jc × Jl × Jb × Js (Lit. 8 hal. 317) (2.28)
dimana: ho = koefisien perpindahan panas di sisi selongsong (W/m2K)
hi = koefisien perpindahan panas ideal (W/m2K)
Jc = faktor koreksi sekat yang dipotong
Jl = faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat
Jb = faktor koreksi akibat aliran bypass
Js = faktor koreksi pada jarak sekat
- Koefisien perpindahan panas ideal yang diperoleh dari persamaan
hid =Nu ,s×ks
do (Lit. 8 hal. 231) (2.29)
Zukauskas membuat rumus korelasi untuk perpindahan kalor konveksi aliran menyilang melintasi bendel tabung susuanan selang seling dan susunan segitiga untuk jumlah baris tabung (Nr,cc) lebih besar dari 16.
Untuk susunan bundel tabung segaris (in-line):
Nu,s = 0,90 × Re,s0,4× Pr0,25, untuk 1≤Re,s < 100
Nu,s = 0,52 × Re,s0,5× Pr0,25, untuk 100≤Re,s < 1000
Nu,s = 0,27 × Re,s0,63 × Pr0,25, untuk 1000≤ Re,s < 2.105
Nu,s = 0,033 × Re,s0,8× Pr0,25, untuk 2.105 ≤ Re,s < 2.106
Untuk susunan bundel tabung selang-seling (staggered):
- Bilangan Reynolds pada sisi selongsong (Re,s) yang dinyatakan sebagai Re,s = ρ
×Vmax×do
μ (Lit. 16 hal. 443) (2.32)
dimana: Vmax = kecepatan maksimum antar tabung di sekitar garis tengah
Kecepatan maksimum antar tabung di sekitar garis tengah aliran yang dihitung dari persamaan:
Untuk susunan tabung selang-seling,
Am = Lb�Ds −Dotl +(Dotl−do)(Xt−do)
Xt � (Lit. 16 hal. 592) (2.34)
dimana: Dotl = diameter bundel tabung (m)
Untuk susunan tabung segaris,
Am = Lb�Ds −Dotl +
2(Dotl−do)(Xt−do)
Xt � (Lit. 16 hal. 592) (2.35)
(Sumber: lit. 16 hal. 588)
Gambar 2.19: Hubungan geometri sekat terhadap alat penukar kalor segmen tunggal
- Faktor koreksi sekat yang dipotong
Faktor koreksi ini termasuk pengaruh perpindahan panas pada jendela sekat dan bundel tabung
Jc = 0,55 + 0,72 × Fc
= 0,55 + 0,72 × (1−2Fw) (Lit. 16 hal. 648) (2.36) dimana: Fc = fraksi tabung pada aliran menyilang
Fw = fraksi jumlah tabung dalam ruang bebas
fraksi jumlah tabung dalam ruang bebas (Fw) yang besarnya dapat dihitung
dengan persamaan,
Fw = θctl
2π − sin θctl
2π (Lit. 8 hal. 590) (2.37) dimana: θctl = sudut lingkaran terluar tabung (rad)
- Faktor koreksi pada kebocoran aliran melalui tabung-sekat dan sekat
-selongsong (menyangkut aliran A dan E), lihat gambar 2.19.
JL = 0,44(1−rs) + [1−0,44(1−rs)]e−2,2rlm (Lit. 16 hal. 648) (2.38) dimana: rlm = rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang
rs = rasio luasan kebocroan terhadap selongsong dengan sekat
terhadap luasan aliran melintang
Rasio luasan kebocoran terhadap luasan aliran melintang
rlm =Asb+Atb
Am (Lit. 16 hal. 648) (2.39)
dimana: Asb = luas aliran pada celah antara selongsong dan sekat (m2)
Atb = luas aliran pada celah antara tabung dan sekat (m2)
Rasio luasan kebocroan terhadap selongsong dengan sekat terhadap luasan aliran melintang,
rs = Asb
Asb+Atb
Lihat gambar 2.20 daerah yang tebal adalah luas kebocoran antara selongsong dan sekat (Asb) adalah
Asb = π× Ds�δsb
2 � �1−
θb
2π� (Lit. 16 hal. 593) (2.41)
dimana: θb = sudut pusat bundel tabung (rad)
δsb= jarak ruang bebas diametral dari sekat dengan selongsong (m)
Gambar 2.20: Luas kebocoran antara selongsong dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal)
Sudut pusat bundel tabung, dapat dilihat pada gambar 2.19. θb = 2cos−1�1−2Lc
Ds�
(Lit. 16 hal. 590) (2.42)
Luas kebocoran antara tabung dengan sekat (Atb), lihat gambar 2.21, adalah: Atb = π
×do×Nt×δtb(1−Fw)
2 (Lit. 16 hal. 593) (2.43)
dimana: δtb= jarak ruang bebas diametral dari sekat dengan tabung (m)
Gambar 2.21: Luas kebocoran antara tabung dengan sekat (daerah lingkaran yang tebal)
δsb 2
δsb 2
- Faktor koreksi efek bypass, menyangkut aliran C dan F, lihat gambar 2.15.
rb = faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat
rss = faktor koreksi untuk sealing strip
Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat:
rb =Abp
Am (Lit. 16 hal. 648) (2.45)
Dimana: Abp = luas kebocoran melintang untuk by-pass (m2)
luas kebocoran melintang untuk by-pass,
Abp = Lb�Ds −Dotl + 0,5 × NP × wp� (Lit. 2 hal. 835) (2.46)
Faktor koreksi untuk sealing strip,
rss =
dimana: Nr,cw = jumlah baris tabung yang dilintasi aliran melintang
Nss = banyaknya jumlah sealing strips yang dipasang untuk
menahan aliran bypass pada aliran melintang
- Faktor koreksi terhadap jarak sekat pada sisi masuk dan sisi keluar alat penukar kalor,
Lb,o = jarak sekat di sisi keluar selongsong (m)
Jarak sekat di sisi masuk selongsong,
Li = Lb ,i
Lb
(Lit. 16 hal. 648) (2.49)
Jarak sekat di sisi keluar selongsong,
Lo = Lb ,o
Lb
(Lit. 16 hal. 648) (2.50)
2.2.4.2.2 Penuruan Tekanan Sisi Selongsong
Seperti halnya pada perhitungan koefisien perpindahan panas, perhitungan penurunan tekanan pada metode Bell – Delaware juga memperhitungkan beberapa faktor koreksi.
1. Besarnya penurunan tekanan aliran melintang pada bagian tengah antara ujung-ujung sekat, lihat gambar 2.22.
∆pc = [(Nb −1)∆pc× Rb]Rl (Lit. 8 hal. 328) (2.51)
(Sumber: Lit. 16 hal. 590)
Gambar 2.22: Aliran melintang bagian tengah
2. Besarnya penurunan tekanan total pada bagian sekat yang dipotong (sebelah jendela), lihat gambar 2.23.
∆pw = Nb ×∆pwi × Rl (Lit. 8 hal. 328) (2.52)
3. Besarnya penurunan tekanan pada bagian sisi masuk dan keluar selongsong, lihat gambar 2.24.
∆pe = 2 ×∆pc × Rb × Rs�1 +Nr ,cw
Nr ,cc� (Lit.8 hal. 328) (2.53)
(Sumber: Lit. 16 hal. 590)
Gambar 2.24: Aliran daerah sisi masuk dan keluar selongsong
Penurunan tekanan total yang melintasi selongsong (Δps) yang dinyatakan
sebagai:
∆ps =∆pc+∆pw +∆pe (Lit. 8 hal. 329) ∆ps= [(Nb−1)∆pc× Rb+ Nb×∆pwi]Rl+ 2∆pc× Rb× Rs�1 +
Nr ,cw
Nr ,cc� (2.54)
dimana: Nr,cc = jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang
Rl = faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat
Rb = faktor koreksi untuk aliran bypass
Rs = faktor koreksi untuk jarak sekat
Δp,c = penurunan tekanan aliran menyilang ideal (Pa) Δp,w = penurunan tekanan untuk ideal daerah jendela (Pa)
- Jumlah baris tabung efektif yang dilalui aliran melintang (Nr,cc) yang diperoleh
dari persamaan,
Nr,cc =
Ds−2Lc
- Faktor koreksi pada aliran efek bypass
- Faktor koreksi untuk efek kebocoran sekat,
Rl = exp �−1,33(1 + rs)rlm[−0,15(1+rs)+0,8]� (Lit. 16 hal. 650) (2.58)
- Penurunan tekanan aliran menyilang ideal (Δpid) yang dinyatakan sebagai,
∆pid =
Luas aliran jendela sekat bersih (Aw) yang dinyatakan sebagai
Aw = Aw,g −Aw,t (Lit. 2 hal. 828) (2.64)
Luas aliran jendela sekat kotor,
Aw,g =
Luas aliran jendela sekat yang ditempati oleh tabung,
- Faktor koreksi terhadap jarak sekat pada sisi masuk dan sisi keluar alat
2.2.5 Koefisien perpindahan kalor menyeluruh
Persamaan dibawah berlaku untuk alat penukar kalor dalam kondisi baru atau tidak terjadi faktor pengotoran pada pipa.
Uo =
Jika terjadi faktor pengotoran maka koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat ditentukan:
2.2.6 Efektivitas alat penukar kalor
Efektivitas digunakan untuk membandingkan satu alat penukar kalor dengan alat penukar kalor lainnya untuk memudahkan memilih yang sesuai dengan kebutuhan. Efektivitas dipengaruhi oleh beberapa macam faktor. Salah satunya adalah kecepatan aliran. Penukar kalor selongsong dan tabung menggunakan dua fluida. Bila perbandingan kecepatan aliran antara kedua fluida ini bertambah, maka efektivitas juga bertambah.
2.3Analisis CFD Menggunakan Flow Simulation Solidwork
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah metode perhitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memenfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida. Mulai dari aliran fluida, perpindahan panas dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida.
Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan melibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat. Persaman-persamaan ini adalah Persaman-persamaan yang membangkitkan dengan memasukan parameter apa saja yang terlibat dalam domain.
Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persaman adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagai definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persaman-persamaan yang terlibat.
Adapun beberapa keuntungan yang diperoleh dengan menggunakan CFD antara lain:
- Meminimumkan waktu dan biaya dalam mendesain suatu produk, bila proses desain tersebut dilakukan dengan uji eksperimen dengan akurasi tinggi.
- Memiliki kemampuan sistem studi yang dapat mengendalikan percobaan yang sulit atau tidak mungkin dilakukan melalui eksperimen.
- Memiliki kemampuan untuk studi dibawah kondisi berbahaya pada saat atau sesudah melewati titik kritis (termasuk studi keselamatan dan scenario kecelakaan).
Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas tiga bagian utama: 1. Prepocessor
Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisian kondisi batas atau boundary condition. Ditahap ini juga sebuah benda atau ruangan yang akan dianalisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering juga disebut dengan meshing.
2. Processor
Pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit.
3. Post processor
Tahap akhir merupakan tahap post processor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola warna tertentu.
SolidWorks adalah sebuah program computer-aided design (CAD) 3D yang menggunakan platform Microsoft Windows. Dikembangkan oleh SolidWorks Corporation, yang merupakan anak perusahaan dari Dassault Systèmes, S. A.
