Rancang Bangun Alat Penukar Kalor Shell and Tube Dengan Satu Cangkang (Shell) dan Dua Laluan

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Teori Dasar Alat Penukar Kalor

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

digunakan secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus

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 dan dapat menganalisisnya dengan metode

keefektifan-NTU.

2.2 Jenis Alat Penukar Kalor

Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya yakni :

dalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendigninan

yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin

biasanyan digunakan amoniak atau Freon.

Gambar 2.1 Chiller [7]

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 [7]

c. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi

coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan

(kipas)

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 [8]

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.

sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 °F) sebagai media

penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

Gambar 2.5 Thermosiphon Reboiler [4]

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 dalam shell.

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas

a. Tipe kontak tidak langsung

• Tipe dari satu fase

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) • Tube ganda (double tube)

• 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)

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran

a. Aliran dengan satu pass

• Aliran Berlawanan

a. Permukaan yang diperbesar (extended surface) • Aliran counter menyilang

• Aliran paralel menyilang • Aliran compound

2.3.1 Standarisasi Tabung Alat Penukar Kalor

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 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 industri.

Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum

digunakan dalam dunia industri :

2.3.2 Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)

Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang ditunjukkan pada gambar 2.3 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada

gambar 2.3 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran cocurrent atau

countercurrent. 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,berikut gambar dari aliran ganda pipa berlawanan.

Gambar 2.8 Hairpin heat exchanger [4]

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 dalam :

- 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 :

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 aliran fluida panas ada pada inner pipe dan fluida dingin pada annulus pipe.

Gambar 2.9 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current [18]

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 4 dan gambar 5.

Gambar 2.11 Double-pipe heat exchangers in series–parallel[4]

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.

2.3.3 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 2.12 Bentuk susunan tabung [4]

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

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

Gambar 2.13 shell and tube heat exchanger [4]

Keuntungan dari shell and tube:

1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar

dengan bentuk atau volume yang kecil.

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

Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit

perawatannya

2.3.4 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. seperti gambar dibawah

Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent [5]

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas 2.4.1 Konduksi

Sebuah batang silinder dengan material tertentu diisolasi pada sisi

yakni T1 > T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan panas

secara konduksi pada arah x positif.Dan dapat mengukur laju perpindahan panas

qx, dan dapat menentukan qx bergantung pada variabel-variabel berikut : ΔT,

Berikut ini adalah gambar perpindahan panas secara konduksi.

Gambar 2.15 Perpindahan Panas secara Konduksi [1]

Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, akan

menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, diteemukan

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

atau persamaan flux panas menjadi,

q”x = = -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.

Gambar 2.16 Pendinginan sebuah balok yang panas dengan konveksi paksa [18]

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.

Qkonveksi = hAs (Ts - T∞) (2.5)

h merupakan koefisien perpindahan panas konduksi, As merupakan area permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞

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. Diffuse

dapat diartikan sebagai arah yang bebas untuk berdiri sendiri. Hal ini dapat dilihat

pada gambar berikut.

Gambar 2.17 : Blackbody disebut sebagai pemancar dengan arah yang bebas [18]

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

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 Internal Flow (Aliran Dalam)

2.5.1 Aliran Di Dalam Pipa

Cairan atau gas yang melewati pipa atau duct 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 dibutuhkan 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

dihitung sifat-sifat fluida pada temperatur rata-rata dan menganggapnya konstan.

Persamaan untuk menghitung kecepatan rata-rata berasal dari hukum kekekalan

massa, yakni

ṁ= ρuAc = (2.7)

ṁ adalah laju aliran massa, ρ adalah rapat massa, Ac adalah luas permukaan, dan u(r,x) adalah profil kecepatan. Sehingga kecepatan rata-rata untuk aliran inkompresibel pada sebuah pipa dengan radius R adalah

u = = = (2.8)

Aliran didalam pipa dapat berupa aliran laminar ataupun turbulen,

bergantung pada kondisi aliran. Aliran fluida digambarkan dengan menggunakan

garis arus dan pada kecepatan yang rendah terjadi aliran laminar, tetapi berubah

Transisi dari aliran laminar ke aliran turbulen tidak terjadi dalam waktu yang

singkat, namun itu terjadi melalui rentang kecepatan yang fluktuatif diantara

laminar dan turbulen sebelum aliran tersebut menjadi aliran yang turbulen.

Kebanyakan aliran yang masuk kedalam pipa adalah turbulen. Aliran laminar

terjadi ketika fluida yang mengalir memiliki viskositas yang tinggi seperti minyak

yang mengalir didalam pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada

jarak yang dekat. Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran,

bilangan Reynold didefenisikan sebagai

Re = = (2.9)

u adalah kecepatan rata-rata fluida, D adalah diameter pipa, dan v adalah viskositas kinematik fluida.

Untuk aliran yang mengalir pada pipa yang tidak memiliki penampang lingkaran,

bilangan Reynold bergantung pada diameter hidraulik Dh yang didefenisikan

sebagai

Dh = (2.10)

p adalah keliling penampang pipa. Dengan menghitung bilangan Reynold, dapat ditentukan jenis aliran yang terjadi

Re < 2300 aliran laminar

2300 ≤ Re ≤ 10000 aliran transisi

Re > 10000 aliran turbulen

Ketika perbedaan temperatur antara permukaan pipa dengan fluida kerja

besar, sangat penting untuk menghitung variasi kekentalan dengan temperatur.

Bilangan Nusselt rata-rata untuk aliran laminar yang berkembang pada sebuah

pipa berpenampang lingkaran dapat ditentukan dengan persamaan Sieder dan Tate

(1936) yakni

Nu = 1,86 (2.11)

Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali μs dihitung

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 (2.12)

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 (2.13)

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.

2.5.2 Aliran Di Dalam Annulus Pipa

Beberapa peralatan pemindah panas terdiri dari dua pipa sepusat, yang

biasanya disebut alat penukar kalor pipa ganda. Pada alat tersebut, salah satu

fluida mengalir didalam pipa sedangkan fluida yang lainnya mengalir didalam

ruang annulus. Persamaan pembentuk untuk kedua aliran adalah identik.

Gambar 2.18 Alat penukar kalor pipa [18]

Dengan menganggap diameter dalam Di dan diameter luar Do, diameter

hidraulik annulus adalah

Dh = = = Do - Di (2.14)

Pada alat penukar kalor tabung sepusat ini terdapat dua bilangan Nusselt,

yakni pada permukaan dalam pipa Nui dan pada permukaan dalam pipa Nuo.

permukaan yang temperaturnya konstan dan permukaan luarnya diisolasi, dapat

dilihat pada tabel berikut :

Tabel 2.2 : Bilangan Nusselt untuk aliran laminar berkembang penuh didalam

annulus dengan salah satu permukaan pipa isotermal dan permukaan

lainnya adiabatic

Jika bilangan Nusselt diketahui, koefisien perpindahan panas untuk permukaan

pipa bagian dalam dan bagian luar dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan

Nui= (2.15)

Nuo= (2.16)

2.6 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. Jaringan

tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari

dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi yang mengalir

didalam dinding solid pseperti pada gambar,dimana dindin yang solid ini akan di

aliri fluida dan mengakitbatkan perpindahan panas dari fluida ke dinding-dinding

solid tersebut, dapat di lihat pada gambar berikut.

Gambar 2.19 Jaringan tahanan panas yang dihubungkan dengan alat penukar

kalor tabung sepusat [18]

2.7 Analisis Alat Penukar Kalor Dengan Menggunakan 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

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 yang ada didalam perhitungan,dimana berikut gambar dari kesetimbangan energy total

Gambar 2.20 : Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin

pada sebuah alat penukar kalor[18]

q = ṁc(ic,o – ic,i) = ṁh(ih,i – ih,o) (2.17)

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) (2.18)

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) (2.19)

2.8 Katup

Valve (Katup) adalah sebuah perangkat yang mengatur, mengarahkan atau

mengontrol aliran dari suatu cairan (gas, cairan, padatan terfluidisasi) dengan

membuka, menutup, atau menutup sebagian dari jalan alirannya.

Valve (katup) dalam kehidupan sehari-hari, paling nyata adalah pada pipa air,

seperti keran untuk air. Contoh akrab lainnya termasuk katup kontrol gas di

kompor, katup kecil yang dipasang di kamar mandi dan masih banyak lagi.

Katup memainkan peran penting dalam aplikasi industri mulai dari transportasi air

minum juga untuk mengontrol pengapian di mesin roket.

Valve (Katup) dapat dioperasikan secara manual, baik oleh pegangan , tuas pedal

dan lain-lain. Selain dapat dioperasikan secara manual katup juga dapat

dioperasikan secara otomatis dengan menggunakan prinsip perubahan aliran

tekanan, suhu dll. Perubahan2 ini dapat mempengaruhi diafragma, pegas atau

Macam – macam Valve (katup) yang sering digunakan adalah sebagai berikut :

2.8.1. Gate Valve

Gambar 2.21 Gate Valve[6]

Gate valve adalah jenis katup yang digunakan untuk membuka aliran dengan cara

mengangkat gerbang penutup nya yang berbentuk bulat atau persegi panjang.

Gate Valve adalah jenis valve yang paling sering dipakai dalam sistem perpipaan.

Yang fungsinya untuk membuka dan menutup aliran.

Gate valve tidak untuk mengatur besar kecil laju suatu aliran fluida dengan cara

membuka setengah atau seperempat posisinya, Jadi posisi gate pada valve ini

harus benar benar terbuka (fully open) atau benar-benar tertutup (fully close). Jika

posisi gate setengah terbuka maka akan terjadi turbulensi pada aliran tersebut dan

turbulensi ini akan menyebabkan :

a) Akan terjadi pengikisan sudut-sudut gate.

laju aliran fluida yg turbulensi ini dapat mengikis sudut-sudut gate yang dapat

menyebabkan erosi dan pada akhirnya valve tidak dapat bekerja secara sempurna.

b) Terjadi perubahan pada posisi dudukan gerbang penutupnya.

Gerbang penutup akan terjadi pengayunan terhadap posisi dudukan (seat),

sehingga lama kelamaan posisi nya akan berubah terhadap dudukan (seat)

sehingga apabila valve menutup maka gerbang penutupnya tidak akan berada

Ada 3 jenis gate valve:

1. Rising Stem Gate Valve;

jika dioperasikan handwheel naik dan stem juga naik

Gambar 2.22 Rising Stem Gate valve[6]

2. Non Rising Stem Gate Valve

jika di opersikan handwheel tetap dan stem juga tetap.

3. Outside Screw & Yoke Gate Valve

jika di operasikan handwheel tetap tapi stemnya naik.

Rising Stem & Non Rising Stem digunakan untuk tekanan yang tidak terlalu

tinggi, dan tidak cocok untuk getaran. Outside Screw & Yoke Gate Valve amat

cocok digunakan untuk high pressure. Biasanya OS & Y banyak di gunakan di

lapangan minyak, medan yang tinggi, temperature tinggi. Karena pada OS & Y

stem naik atau turun bisa dijadikan sebagai penanda. Contoh, apabila stem tinggi

itu menandakan posisi valve sedang buka penuh. Pada dasarnya body & bonet

pada gate terbuat dari bahan yang sama.

Keuntungan menggunakan Gate Valve :

1. Low pressure drop waktu buka penuh

2. Amat ketat dan cukup bagus waktu penutupan penuh

3. Bebas kontaminasi

4. Sebagai Gerbang penutupan penuh, sehingga tidak ada tekanan lagi.

Cocok apabila akan melakukan service / perbaikan pada pipa

Kerugian menggunakan Gate Valve :

1. Tidak cocok di pakai untuk separuh buka, karena akan menimbulkan

turbulensi sehingga bisa mengakibatkan erosi dan perubahan posisi gate

pada dudukan

2. Untuk membuka dan menutup valve perlu waktu yang panjang dan

memerlukan torsi / torque yang tinggi;

3. Untuk ukuran 10 “ keatas tidak cocok dipakai untuk steam.

2.8.2. Globe Valve

Globe Valve adalah jenis Valve yang digunakan untuk mengatur laju aliran fluida

Gambar 2.24 Glove Valve[6]

Prinsip dasar dari operasi Globe Valve adalah gerakan tegak lurus disk dari

dudukannya. Hal ini memastikan bahwa ruang berbentuk cincin antara disk dan

cincin kursi bertahap sedekat Valve ditutup.

Ada tiga jenis desain utama bentuk tubuh Globe Valve, yaitu: Z-body, Y-body

dan Angle- body :

• Z-Body desain adalah tipe yang paling umum yang sering dipakai, dengan

diafragma berbentuk Z. Posisi dudukan disk horizontal dan pergerakan

batang disk tegak lurus terhadap sumbu pipa atau dudukan disk.

Bentuknya yang simetris memudahkan dalam pembuatan, instalasi

maupun perbaikannya.

• Y-Body desain adalah sebuah alternatif untuk high pressure drop. Posisi

dudukan disk dan batang (stem) ber sudut 45˚ dari arah aliran fluidanya.

Jenis ini sangat cocok untuk tekanan tinggi

• Angle-Body desain adalah modifikasi dasar dari Z-Valve. Jenis ini

Gambar 2.25Angle Glove,Y-Body,Z-Body Globe valve[9]

Macam-macam bentuk Disc/plug dari Globe Valve :

a. Type Plug Disk

b. Tipe Regulating disk

c. Tipe flat disk

d. Tipe soft seat disk

e. Tipe guide disk

Keuntungan menggunakan Globe valve adalah :

• Kemampuan dalam menutup baik.

• kemampuan throttling (mengatur laju aliran) Cukup baik.

Kelemahan utama penggunaan Globe Valve adalah:

• Penurunan tekanan lebih tinggi dibandingkan dengan Gate Valve • Valve ukuran besar membutuhkan daya yang cukup atau aktuator yang

2.8.3 Ball Valve

Ball Valve adalah sebuah Valve atau katup dengan pengontrol

aliran berbentuk disc bulat (seperti bola/belahan). Bola itu memiliki lubang, yang

berada di tengah sehingga ketika lubang tersebut segaris lurus atau sejalan dengan

kedua ujung Valve / katup, maka aliran akan terjadi.

Tetapi ketika katup tertutup, posisi lubang berada tegak lurus terhadap ujung

katup, maka aliran akan terhalang atau tertutup.

Gambar 2.26 Ball Valve[6]

Ball valve banyak digunakan karena kemudahannya dalam perbaikan dan

kemampuan untuk menahan tekanan dan suhu tinggi. Tergantung dari material

apa mereka terbuat, Bal Valve dapat menahan tekanan hingga 10.000 Psi dan

dengan temperature sekitar 200 derajat Celcius.

Ball Valve digunakan secara luas dalam aplikasi industri karena mereka sangat

serbaguna, dapat menahan tekanan hingga 1000 barr dan suhu hingga 482 ° F

(250 ° C). Ukurannya biasanya berkisar 0,2-11,81 inci (0,5 cm sampai 30 cm).

Ball Valve dapat terbuat dari logam , plastik atau pun dari bahan keramik.

Bolanya sering dilapisi chrome untuk membuatnya lebih tahan lama.

Ada 2 tipe Ball Valve yaitu :

Gambar 2.27 Full Bore Ball Valve[9]

Full bore ball valve adalah tipe ball valve dengan diameter lubang bolanya sama

dengan diameter pipa. Jenis full bore ball valves biasanya digunakan pada blow

down, piggable line, production manifold, pipeline dll.

b. Reduced bore ball valves

Gambar 2.28 Reduce Bore Ball Valves

Reduced bore ball valves adalah jenis ball valve yang diameter lubang bolanya

tidak seukuran dengan ukuran pipa. Minimum diameter bola katup yang

berkurang adalah satu ukuran lebih rendah dari ukuran diameter pipa sebenarnya.

2.8.4. Butterfly Valve

Butterfly Valve adalah valve yang dapat digunakan untuk mengisolasi atau

mengatur aliran. Mekanisme penutupan mengambil bentuk sebuah disk . system

pengoperasiannya mirip dengan ball valve, yang memungkinkan cepat untuk

menutup. Butterfly Valve umumnya disukai karena harganya lebih murah di

banding valve jenis lainnya. desain valvenya lebih ringan dalam berat dibanding

jenis-jenis valve yang lain. Biaya pemeliharaan biasanya pun lebih rendah karena

jumlah bagian yang bergerak minim.

Sebuah butterfly valve, diilustrasikan pada Gambar di bawah ini, adalah gerakan

valve berputar yang digunakan untuk berhenti, mengatur, dan mulai aliran fluida.

Butterfly Valve mudah dan cepat untuk dioperasikan karena rotasi 90o yang

digerakkan oleh handwheel dengan menggerakkan disk dari tertutup penuh ke

posisi terbuka penuh

Gambar 2.29 Butterfly Valve(6)

Butterfly Valve sangat cocok untuk penanganan arus besar cairan atau gas pada

tekanan yang relatif rendah dan untuk penanganan slurries atau cairan padatan

tersuspensi dengan jumlah besar.

2.8.5. Check Valve

Check valve adalah alat yang digunakan untuk membuat aliran fluida hanya

Aplikasi valve jenis ini dapat dijumpai pada outlet/discharge dari centrifugal

pump.

Ketika laju aliran fluida sesuai dengan arahnya, laju aliran tersebut akanmembuat

plug atau disk membuka. Jika ada tekanan yang datang dari arahberlawanan, maka

plug atau disk tersebut akan menutup.

Jenis-jenis check valve :

a. Swing Check Valve

Gambar 2.30 Swing Check Valve[6]

check valve tipe ini terdiri atas sebuah disk seukuran dengan pipa yang

digunakan, dan dirancang menggantung pada poros (hinge pin) di bagian atasnya.

Apabila terjadi aliran maju atau foward flow, maka disk akan terdorog oleh

tekanan sehingga terbuka dan fluda dapat mengalir menuju saluran outlet.

Sedangkan apabila terjadi aliran balik atau reverse flow, tekanan fluida akan

mendorong disk menutup rapat sehingga tidak ada fluida yang mengalir. Semakin

b. Lift Check Valve

Gambar 2.31 Lift Check Valve[9]

Penggunaan untuk fluida steam, gas, maupun liquid yang mempunyai flow yang

tinggi dalam konfigurasinya mirip dengan globe valve hanya saja pada globe

valve putaran disk atau valve dapat dimanipulasi sedangkan pada lift check valve

tidak (karena globe valve adalah jenis valve putar dan control valve).

Port inlet dan outlet dipisahkan oleh sebuah plug berbentuk kerucut yang terletak

pada sebuah dudukan, umumnya berbahan logam. Ketika terjadi foward flow,

plug akan terdorong oleh tekanan cairan sehingga lepas dari dudukannya dan

fluida akan mengalir ke saluran outlet. Sedangkan apabila terjadi reverse flow,

tekanan fluda justru akan menempatkan plug pada dudukannya, semakin besar

tekanan semakin rapat pula posisi plug pada dudukannya, sehingga fluida tidak

dapat mengalir.

bahan dari dudukan plug adalah logam, hal ini mempertimbangkan tingkat

kebocoran yang sangat sedikit dari check valve tersebut. Umumnya lift check

valve digunakan untuk aplikasi fluida gas karena tingkat kebocoran yang kecil.

Penggunaan check valve tipe lift ini di industri adalah untuk mencegah aliran

balik condensate ke steam trap yang dapat menyebabkan terjadinya korosi pada

turbin uap. Keuntungan menggunakan lift check valve adalah terletak pada

kesederhanaan desain dan membutuhkan sedikit pemeliharaan. Kelemahannya

adalah instalasi dari check valve jenis lift hanya cocok untuk pipa horisontal

c. Back water check valve

Back water valve, banyak digunakan pada sistem pembuangan air bawah tanah

yang mencegah terjadinya aliran balik dari saluran pembuangan saat terjadi banjir.

Saat banjir saluran pembuangan akan penuh dan bertekanan tinggi sehingga

memungkinkan terjadinya aliran balik, dengan menggunakan back water valve,

hal ini dapat diatasi dengan baik.

d. Swing Type Wafer Check Valve

Gambar 2.32 Swing Type Wafer Check Valve[6]

Dalam penggunaan swing check valve dan lift check valve terbatasi hanya untuk

pipa ukuran besar (diameter DN80 atau lebih). jadi sebagai solusinya adalah

dengan menggunakan wafer check valve. Dengan menggunakan wafer ceck valve

dapat digunakan tubing dengan ukuran yang mengerucut pada satu sisinya

sehingga dapat diaplikasikan pada pipa yang lebih kecil ukurannya.

e. Disk Check valve

valve jenis ini terdiri atas body, spring, spring retainer dan disc. Prinsip kerjanya

adalah saat terjadi foward flow, maka disk akan didorong oleh tekanan fluida dan

mendorong spring sehingga ada celah yang menyebabkan aliran fluida dari inlet

menuju outlet. Sebaliknya apabila terjadi reverse flow, tekanan fluida akan

mendorong disk sehingga menutup aliran fluida

perbedaan tekanan diperlukan untuk membuka dan menutup valve jenis ini dan ini

ditentukan oleh jenis spring yang digunakan. Selain spring standar, tersedia juga

beberapa pilihan spring yang tersedia:

• No spring – Digunakan di mana perbedaan tekanan di valve kecil. • Nimonic spring – Digunakan dalam aplikasi suhu tinggi.

• Heavy duty spring – Hal ini meningkatkan tekanan pembukaan yang

diperlukan. Bila dipasang pada line boiler water feed, dapat digunakan untuk

mencegah uap boiler dari kebanjiran ketika mereka unpressurised.

f. Split disc check valve

Gambar 2.34 Split Disc Check Valve[9]

check valve jenis ini adalah terdiri dari disk yang bagian tengahnya merupakan

poros yang memungkinkan disk bergerak seolah terbagi dua bila didorong dari

arah yang benar (foward flow) dan menutup rapat bila ditekan dari arah yang

salah (reverse flow).

2.8.6. Safety Valve

Safety valve adalah jenis valve yang mekanismenya secara otomatis melepaskan

zat dari boiler, Bejana tekan, atau suatu sistem, ketika tekanan atau temperatur

melebihi batas yang telah ditetapkan.

Cara kerja Pressure Safety Valve :

Pressure savety valve mempunyai tiga bagian utama yaitu inlet, outlet dan spring

set. Fluida bertekanan berada pada inlet PSV. PSV posisi menutup selama tekanan

fluida lebih kecil dibandingkan tekanan spring pada spring set. Sebaliknya jika

tekanan fluida lebih tinggi dibandingkan tekanan spring set maka springset akan

bergerak naik dan membuka katup yang akan membuang tekanan melalui outlet

sampai tekanan fluida maksimal sama dengan tekanan spring set

Gambar 2.36 Safety Valve PSV [9]

2.9 Pompa Submersible

Pengertian pompa secara sederhana sesuai dengan fungsinya adalah alat

untuk mentransport fluida. Fungsi yang lainnya adalah untuk mensirkulasi fluida

ke sistem dan mengubah energi mekanik menjadi energy fluida.

Pompa Submersible

Pompa Submersible merupakan salah satu jenis khusus dari pompa sentrifugal. Pompa jenis ini dioperasikan dalam kondisi terbenam. Dimana motor

listrik terpasang langsung pada rumah pompa (direct coupled) dan merupakan suatu kontruksi yang terpadu.Ada 3 metode dalam pemasangan pompa yaitu

secara tunggal, seri dan parallel. Pemasangan pompa yang menghindari kerugian

parallel dilakukan karena memungkinkan pemakaian beberapa pompa dalam satu

sistem dihidupkan dan dimatikan sesuai kebutuhan untuk memenuhi variasi

permintaan. Pada umumnya pada] pemasangan pompa secara pararel

dipergunakan pompa yang type, jenis ukuran dan data teknis yang sama.

Kinerja Pompa Submersible

Kerja yang ditunjukkan oleh sebuah pompa merupakan fungsi dari Head total dan berat cairan yang dipompa dalam jangka waktu yang diberikan. Daya pompa (Pw)

adalah energy yang secara efektif diterima oleh air dari pompa per satuan waktu,

dan dapat dihitung sebagai berikut:

Dimana:

K=koefisien kesalahan perancangan =1,1-1,2 N=efisiensi pompa