Tugas Besar Klasifikasi Heat Exchanger

ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR

ANALISIS PERPINDAHAN PANAS PADA PENUKAR

KALOR 

KALOR TIPE

TIPE

 SH

 SH E

E L

LL &

L & TU

TUB

BE 

E 

LAPORAN LAPORAN

Ditulis sebagai Tugas Besar mata kuliah Perpindahan Panas Ditulis sebagai Tugas Besar mata kuliah Perpindahan Panas

 pada Program Studi Teknik M

 pada Program Studi Teknik Mesin S1 Cimahiesin S1 Cimahi

Oleh: Oleh:

M. Geovany Fakhri Ramadhan M. Geovany Fakhri Ramadhan

2112106273 2112106273 Dosen Pembina: Dosen Pembina: Dr. Damawidjaya Biksono, M.T. Dr. Damawidjaya Biksono, M.T. Deny Bayu Saepuddin, S.T., M.T. Deny Bayu Saepuddin, S.T., M.T.

JURUSAN TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI

UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI

2016

2016

ii ii

KATA PENGANTAR

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat dan Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Besar yang berjudul hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Besar yang berjudul ““Analisis Perpindahan Panas pada Penukar Kalor TipeAnalisis Perpindahan Panas pada Penukar Kalor Tipe Shell & TubeShell & Tube”. Laporan ini”. Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Sarjana I disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Sarjana I Jurusan Teknik Mesin di Universitas Jenderal Achmad Yani.

Jurusan Teknik Mesin di Universitas Jenderal Achmad Yani.

Tujuan pembuatan laporan ini adalah untuk menambah wawasan Tujuan pembuatan laporan ini adalah untuk menambah wawasan  pengetahuan

 pengetahuan mengenai mengenai perhitungan perhitungan spesifikasispesifikasi  shell  shell & & tubetube agar sesuai denganagar sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan. Dalam penyusunannya, penulis tidak luput dari kebutuhan yang diinginkan. Dalam penyusunannya, penulis tidak luput dari keterbatasan pengetahuan dan pengalaman. Pada kesempatan ini penulis keterbatasan pengetahuan dan pengalaman. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

mengucapkan terima kasih kepada: 1.

1. Bapak Dr. Damawidjaya Biksono, M.T. selaku Dosen Pembina mata kuliahBapak Dr. Damawidjaya Biksono, M.T. selaku Dosen Pembina mata kuliah Perpindahan Panas.

Perpindahan Panas. 2.

2. Bapak Deny Bayu Saepuddin, S.T., M.T. selaku Dosen Pembina mata kuliahBapak Deny Bayu Saepuddin, S.T., M.T. selaku Dosen Pembina mata kuliah Perpindahan Panas.

Perpindahan Panas. 3.

3. Teman-teman Jurusan Teknik Mesin yang tidak dapat disebutkan satu persatu,Teman-teman Jurusan Teknik Mesin yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang telah membantu dalam penyelesaian laporan ini.

yang telah membantu dalam penyelesaian laporan ini.

Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun guna Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun guna  penulisan tugas berikutnya. Penulis berharap semoga laporan ini dapat

 penulisan tugas berikutnya. Penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaatbermanfaat khususnya bagi penulis sendiri dan umumnya bagi pembaca.

khususnya bagi penulis sendiri dan umumnya bagi pembaca.

Cimahi, 1 Januari 2017 Cimahi, 1 Januari 2017

Penulis Penulis

iii iii

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI

HALAMAN

HALAMAN JUDUL ...JUDUL ... ... ii KATA

KATA PENGANTAR PENGANTAR ... ... iiii DAFTAR

DAFTAR ISI ...ISI ... ... iiiiii DAFTAR

DAFTAR GAMBAR ...GAMBAR ... ... vv BAB

BAB I I PENDAHULUAN ...PENDAHULUAN ... I-1. I-1 1.1

1.1 Latar Latar Belakang ...Belakang ... I-1. I-1 1.2

1.2 Rumusan Rumusan Masalah ...Masalah ... I-1... I-1 1.3

1.3 Tujuan Tujuan ... ... I-1I-1 1.4

1.4 Batasan Batasan Masalah Masalah ... I-2. I-2 BAB

BAB II II LANDASAN TEORI ...LANDASAN TEORI ... II-1... II-1 2.1

2.1 Penukar Penukar Kalor ...Kalor ... ... II-1II-1 2.2

2.2 Klasifikasi Klasifikasi Penukar Penukar Kalor Kalor ... ... II-1II-1 2.3

2.3 Penukar KalorPenukar Kalor Shell & TubeShell & Tube ... ... ... II-3II-3 2.4

2.4 Komponen-komponenKomponen-komponen Shell & TubeShell & Tube ... ... ... II-6II-6 2.5

2.5 Langkah PerancanganLangkah Perancangan Shell & TubeShell & Tube ... ... ... II-10II-10 2.6

2.6 Beda Temperatur Rata-rata Logaritma (Beda Temperatur Rata-rata Logaritma (





) ...) ... ... II-11II-11 2.7

2.7 Faktor Faktor Pengotoran ..Pengotoran ... ... II-12II-12 2.8

2.8 Penurunan Tekanan padaPenurunan Tekanan pada Sisi Shell Sisi Shell  ... ... . II-12II-12 2.9

2.9 Penurunan Tekanan padaPenurunan Tekanan pada Sisi TubeSisi Tube ... ... . II-13II-13 2.10

2.10 MetodeMetode NTU  NTU  ( ( Number of Transfer Units Number of Transfer Units) dan ) dan Efektivitas ...Efektivitas ... II-14... II-14 BAB III

BAB III METODOLOGI DAN METODOLOGI DAN PROSES PENYELESAIAN ... PROSES PENYELESAIAN ... III-1III-1 3.1

3.1 Flowchart Flowchart Metodologi Penyelesaian Metodologi Penyelesaian Masalah ...Masalah ... III-1... III-1 BAB

BAB IV IV ANALISIS ANALISIS DAN DAN PEMBAHASAN PEMBAHASAN ... ... IV-1IV-1 4.1

iv BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... V-1 5.1 Kesimpulan ... V-1 5.2 Saran ... V-1 DAFTAR PUSTAKA ... vi

v

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 (a) Penukar Kalor Shell & Tube dengan Satu Shell Pass dan Satu Tube  Pass; (b) Penukar Kalor Shell & Tube dengan Satu Shell Pass dan Dua Tube Pass ... II-4 Gambar II.2 Standar TEMA Berdasarkan Jenis Shell , Front , dan Rear-end Head  ... II-5 Gambar II.3 (a) Internal dan Eksternal Enhanced Evaporator Tube; (b) Internal dan Eksternal Enhanced Condenser Tube... II-6 Gambar II.4 Konfigurasi Tube Lainnya yang Digunakan dalam Shell & Tube.. II-7 Gambar II.5 Jenis-jenis Plate Baffles ... II-8 Gambar II.6 (a) Empat Rod Baffles Disanggah oleh Skid Bars; (b) Tube di Dalam  Rod Baffle Disokong oleh Empat Rod ; (c) Penampang Kotak dari Tube dengan  Rod ; (d) Penampang Segitiga dari Tube dengan Rod ... II-9

Gambar II.7 Twisted Tube Bundle untuk Penukar Kalor Shell & Tube ... II-9 Gambar III.1 Flowchart Metodologi Penyelesaian Masalah ... III-1

I-1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Peranan alat penukar kalor di industri perminyakan dan kimia sangat dibutuhkan. Fungsi utama alat ini yaitu mengubah temperatur suatu fluida agar sesuai dengan temperatur yang diinginkan. Salah satu alat penukar kalor yang  paling banyak digunakan adalah tipe shell & tube. Sesuai dengan namanya, alat ini terdiri dari sebuah  shell (cangkang/cover ) di bagian luar dan sejumlah tube (pipa/selongsong) di bagian dalam. Cara kerjanya, ketika fluida bertemperatur tinggi mengalir di dalam tube, dan fluida lain bertemperatur rendah mengalir di luar tube (di dalam  shell ) saling bertemu. Sehingga, terjadi perpindahan kalor dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Perhitungan awal spesifikasi alat ini sangat diperlukan. Tujuannya adalah untuk memberikan kemudahan bagi pihak industri dalam melakukan proses  pembelian, agar sesuai dengan kebutuhannya. Dengan begitu, biaya produksi dapat

ditekan dan keuntungan dapat ditingkatkan. 1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah dari Tugas Besar ini, diantaranya: 1. Bagaimana cara menghitung dimensi shell & tube.

2. Bagaimana cara mencari koefisien perpindahan kalor keseluruhan, luas  perpindahan panas, dan faktor pengotoran guna mengetahui kualitas dari shell

& tube yang direncanakan. 1.3 Tujuan

Tujuan dari penyusunan Tugas Besar ini, diantaranya:

1. Menjelaskan cara menghitung dimensi  shell & tube  berupa amonia sebagai fluida yang didinginkan dan air sebagai fluida pendinginnya.

2. Mencari koefisien perpindahan kalor keseluruhan, mencari luas perpindahan  panas, dan faktor pengotoran guna mengetahui kualitas dari shell & tube yang

I-2

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah pada Tugas Besar ini, diantaranya:

1. Analisis data yang digunakan dalam perhitungan diambil dari contoh data yang telah ditentukan dalam mendesain alat penukar kalor.

II-1

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Penukar Kalor

Penukar kalor atau heat exchanger adalah suatu alat yang memungkinkan  perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas ( super heated steam) dan air  biasa sebagai air pendingin (coolong water ). Penukar kalor dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya berlangsung begitu saja. Penukar kalor 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 dimana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.

2.2 Klasifikasi Penukar Kalor

1. Klasifikasi Berdasarkan Proses Transfer a.  Indirect Contact Type

1)  Direct Transfer Type a) Single-phase  b)  Multiphase 2) Storage Type 3)  Fluidized Bed   b.  Direct Contact Type

1)  Immiscible Fluids 2) Gas-Liquid 

3)  Liquid-Vapor 

2. Klasifikasi Berdasarkan Nomor Fluida a. Two-fluid 

II-2

c.  N-fluid ( N > 3)

3. Klasifikasi Berdasarkan Kepadatan Permukaan a. Gas-to-fluid 

1) Compact ( 

 ≥

 700 m2 /m3 ) 2)  Noncompact ( 



 < 700 m2 /m3 )  b.  Liquid-to-liquid and Phase-change

1) Compact ( 

 ≥

 400 m2 /m3 ) 2)  Noncompact ( 



 < 400 m2 /m3 ) 4. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi

a. Tubular  1)  Double-Pipe 2) Shell-and-Tube a) Crossflow to Tubes  b)  Parallelflow to Tubes 3) Spiral Tube 4)  Pipe Coils  b.  Plate-Type 1)  PHE  a) Gasketed   b) Welded  c)  Brazed  2) Spiral  3)  Plate Coil  4)  Printed Circuit  c.  Extended Surface 1)  Plate-fin 2) Tube-fin

a) Ordinary Separating Wall   b)  Heat-pipe Wall 

3)  Regenerative a)  Rotary

II-3

 b)  Fixed-matrix c)  Rotating Hoods

5. Klasifikasi Berdasarkan Susunan Aliran a. Single-pass 1) Counterflow 2)  Parallelflow 3) Crossflow 4) Split-flow 5)  Divided-flow  b.  Multipass 1)  Extended Surface a) Cross-Counterflow  b) Cross-Parallelflow c) Compoundflow 2) Shell-and-Tube

a)  Parallel Conterflow, m-shell passes, n-tube passes  b) Split-flow

c)  Divided-flow 3)  Plate

a)  Fluid 1 m passes, fluid 2 n passes

6. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas a. Single-phase Convection on Both Sides

 b. Single-phase Convection on One Side, Two-phase Convection on Other Side

c. Two-phase Convection on Both Sides

d. Combined Convection and Radiative Heat Transfer  2.3 Penukar Kalor

 Shell & Tube

Penukar kalor ini biasanya tersusun atas tabung bulat (tubes) yang saling terhubung di dalam sebuah cangkang silinder ( shell ). Fluida satu mengalir di dalam tabung, sedangkan lainnya mengalir melewati dan sepanjang tabung. Komponen

II-4

utama dari penukar kalor ini adalah, tubes, shell , front-end head , rear-end head, baffles, dan tubesheets, yang ditunjukkan pada Gambar II.1.

Gambar II.1 (a) Penukar Kalor Shell & Tube dengan Satu Shell Pass dan Satu Tube Pass; (b) Penukar Kalor Shell & Tube dengan Satu Shell Pass dan Dua

Tube Pass (Byrne, 1999)

Tiga jenis shell & tube yang paling banyak digunakan diantaranya (1)  fixed tubesheet design, (2) U-tube design, dan (3) jenis  floating-head . Ketiga jenis tersebut, front-end head dibuat statis apabila rear-end head juga statis atau floating  untuk lebih jelasnya terlihat pada Gambar II.2 tentang standar jenis shell  dan front-and-rear-end head . Konstruksi front  dan rear-end head tergantung dari tegangan termal dari  shell , tube, atau tubesheet , berdasarkan perbedaan temperatur yang mana sebagai hasil keluaran dari pertukaran kalor.

Pembuatan penukar kalor disesuaikan dengan standardisasi mekanik yang menyangkut desain, fabrikasi, dan material tahan panas. Kelas R umumnya digunakan untuk kebutuhan petroleum/minyak tanah. Kelas C umumnya digunakan untuk kebutuhan komersial menengah dan proses berbagai aplikasi. Kelas B untuk  pelayanan proses kimia. Pembuatan penukar kalor mengacu pada ASME Boiler and  Pressure Vessel Code, Section VIII (1998), dan kode/standar yang bersangkutan.

II-5

Standar TEMA  menjadi pelengkap dan menjabarkan kode  ASME   untuk aplikasi  penukar kalor.

Standar TEMA sebagai spesifikasi toleransi manufaktur untuk macam-macam kelas mekanik, rata-rata ukuran tube  dan  pitches, bafflling dan  support  plates, kasifikasi tekanan, formula ketebalan tubesheet , dan lain-lain harus dikonsultasikan secara detail. Untuk referensi standar lainnya dapat mengacu pada  DIN 28 008.

Gambar II.2 Standar TEMA Berdasarkan Jenis Shell , Front , dan Rear-end Head  (Byrne, 1999)

II-6

Terlihat pada Gambar 2.2 merupakan klasifikasi standar TEMA alat penukar kalor menurut tipe  front-end head ,  shell, dan rear-end head   ke dalam tiga kode huruf, yaitu:

1. Huruf pertama: A, B, C, N, dan D, menunjukkan jenis  front-end head . 2. Huruf kedua: E, F, G, H, J, K, dan X, menunjukkan jenis  shell .

3. Huruf ketiga: L, M, D, U, P, S, T, menunjukkan jenis rear-end head . 2.4 Komponen-komponen

 Shell & Tube

Berikut ini penjelasan komponen-komponen utama dari shell & tube, diantaranya: 1. Tubes

Tubes melingkar dalam macam-macam bentuk digunakan pada penukar kalor  shell & tube. Banyak diantara konstruksi tubes lurus dan U-tubes (ditunjukkan  pada Gambar II.3) digunakan pada industri pembangkit. Selain itu,  sine-wave bend , J-shape, L-shape atau stik hoki , dan stik hoki terbalik digunakan sebagai  penukar kalor industri nuklir canggih untuk mengakomodasi ekspansi termal dalam jumlah besar. Contoh lainnya dari bentuk tubes ditunjukkan pada Gambar II.4.

(a) Turbo-EHP (b) Turbo-CDI 

Gambar II.3 (a) Internal dan Eksternal Enhanced Evaporator Tube; (b) Internal dan Eksternal Enhanced Condenser Tube (Enhanced Evaporator and

II-7

Gambar II.4 Konfigurasi Tube Lainnya yang Digunakan dalam Shell & Tube (Classification of Heat Exchangers, 2017)

2.  Baffles

 Baffle dapat diklasifikasikan menjadi tipe transversal dan longitudinal. Kegunaan dari baffle longitudinal adalah mengontrol semua arah pergerakan dari fluida  shell   yang mana ditujukan untuk mengarahkan dua fluida saling  bertemu. Sebagai contoh shell  F, G, dan H mempunyai tipe baffle longitudinal

(ditunjukkan pada Gambar II.2).  Baffle transversal dapat diklasifikasikan sebagai  plate baffles dan  grid (rod ,  strip, dan aliran aksial lainnya) baffles.  Plate baffles digunakan saat pemasangan tubes dan pengoperasiannya. Untuk menyalurkan fluida di dalam konstruksi tube dengan tepat. Sudut kemiringan yang tepat dapat meningkatkan koefisien perpindahan panas.  Plate baffles meningkatkan turbulensi dari fluida di dalam shell dan mengurangi perbedaan temperatur antara tube satu dengan lainnya. Terlihat pada Gambar 2.5 adalah  single and multisegmental baffles dan disk and doughnut baffles. Single dan double-segmental baffles  banyak digunakan untuk membantu menaikkan  perpindahan panas maksimum (pada koefisien perpindahan panas high-shell- side) untuk menurunkan tekanan dalam jumlah minimum pada ruangan. Triple and no-tubes-in-window segmental baffles  digunakan untuk aplikasi  penurunan tekanan. Pemilihan jenis baffle, jarak, dan pemotongan ditentukan sebagian besar oleh laju aliran, laju perpindahan panas, penurunan tekanan izin,  penyokong tube, dan vibrasi aliran induksi.  Disk and doughnut baffles/pelat  penyokong biasanya digunakan pada penukar kalor nuklir.  Baffle ini memiliki lubang-lubang kecil diantara lubang tube untuk memungkinkan kombinasi dari aliran silang dan aliran longitudinal untuk bagian shell  dengan tekanan rendah.

II-8

Contoh baffle ditunjukkan pada Gambar II.5 di halaman selanjutnya.

Gambar II.5 Jenis-jenis Plate Baffles (Mueller, 1973) (Shah, 1991) 3. Tubesheets

Digunakan untuk menahan tube. Sebuah tubesheets terdiri dari pelat metal dengan lubang yang disesuaikan dengan pola tube, lubang untuk tie rods (yang mana digunakan unutk memberi jarak dan menahan  plate baffles), ulir untuk  penempatan gasket, dan lubang baut untuk mengikat shell dan channel . Untuk mencegah kebocoran dari fluida di dalam shell , pada masing-masing tubesheet memiliki clearance tertentu diantara tube hole dan tube, sambungan tube dengan tubesheet  yang dibuat dengan berbagai metode, seperti pelebaran tube,  pengerolan tube, pelebaran tube dengan hidrolik, pengelasan tube, pemuatan

II-9

sambungan, atau pengelasan serta brazing tube sampai tubesheet . Contoh tubesheet ditunjukkan pada Gambar II.6 dan Gambar II.7.

Gambar II.6 (a) Empat Rod Baffles Disanggah oleh Skid Bars (Tubes Tidak Diperlihatkan); (b) Tube di Dalam Rod Baffle Disokong oleh Empat Rod ; (c) Penampang Kotak dari Tube dengan Rod ; (d) Penampang Segitiga dari Tube

dengan Rod (Shah, 1991) (Bizzy & Setiadi, 2013)

Gambar II.7 Twisted Tube Bundle untuk Penukar Kalor Shell & Tube (Diambil dari Brown Fintube Company, Houston, TX.)

II-10

2.5 Langkah Perancangan

 Shell & Tube

Sebelum merancang alat penukar kalor, dibutuhkan data dari laju aliran ( flow rate), temperatur masuk, temperatur keluar, dan tekanan operasi kedua fluida. Data ini dibutuhkan terutama untuk fluida gas jika densitas gas tidak diketahui. Untuk fluida carian (liquid ), data tekanan operasi tidak terlalu dibutuhkan karena sifatnya tidak banyak berubah apabila tekanannya berubah. Langkah-langkah yang  biasa dilakukan dalam merancang alat penuka kalor, diantaranya:

1. Menentukan heat duty (



) yang diperlukan. Penukar kalor yang dirancang harus memenuhi atau melebihi syarat ini.

2. Menentukan ukuran alat penukar kalor dengan perkiraan yang masuk akal untuk koefisein perpindahan kalor keseluruhannya.

3. Menentukan fluida yang akan mengalir di sisi shell dan tube. Biasanya sisi tube direncanakan untuk fluida yang bersifat korosif, beracun, dan bertekanan tinggi, atau bersifat mengotori dinding. Hal ini dilakukan agar lebih mudah dalam proses pembersihan atau perawatannya.

4. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah tube (



_) dengan menggunakan Persamaan 2.1.

  = 

_

. . 

_

. 

(2.1)

Keterangan:

 

: luas penampang tube



_ : jumlah tube



 : diameter luar tube



: panjang tube

5. Menentukan ukuran shell . Langkah ini dilakukan setelah diketauhi jumlah tube yang direncanakan, kemudian memperkirakan jumlah pass dan tube pitch yang akan digunakan.

II-11

6. Langkah selanjutnya adalah memperkirakan jumlah baffle dan jarak antar baffle yang digunakan. Biasanya, baffle memiliki jarak yang seragam dan minimum jaraknya 1/5 dari diameter shell tapi tidak kurang dari 2 in.

7. Terakhir, memeriksa kinerja dari alat penukar kalor yang telah direncanakan. Hitung koefisien perpindahan panas di sisi  shell dan tube, hitung faktor  pengotornya apakah sudah sesuai dengan standar yang diizinkan, serta  penurunan tekanan di sisi shell dan tube.

2.6 Beda Temperatur Rata-rata Logaritma (



)

Faktor perhitungan pada alat penukar kalor adalah masalah perpindahan  panasnya. Apabila panas yang dilepaskan besarnya sama dengan



 persatuan waktu, maka panas itu diterima fluida yang dingin sebesar



  tersebut dengan  persamaan:

 = . . ∆

  (2.2)

Keterangan:



: kalor yang dilepaskan/diterima (



)



: koefisien perpindahan panas meyeluruh (

/



℃

)

 

: luas perpindahan panas (



)

∆

: selisih temperatur rata-rata (

℃

)

Sebelum menentukan luas perpindahan panas (

 

), maka terlebih dahulu ditentukan nilai dari



. Hal ini berdasarkan selisih temperatur dari fluida yang masuk dan keluar dari kalor yang terlihat pada Persamaan 2.3.

 =

∆−∆

∆

∆

  (2.3)

untuk aliran fluida paralel,

∆

_

= 

_

 

_



 dan

∆

_

= 

_

 

_



untuk aliran fluida silang,

∆

_

= 

_

 

_



 dan

∆

_

= 

_

 

_



Keterangan:



 : selisih temperatur rata-rata logaritma (

℃

)



 : temperatur fluida masuk ke dalam shell  (

℃

)



_ : temperatur fluida keluar shell (

℃

)

...

II-12



_ : temperatur fluida masuk kedalam tube (

℃

)



 : temperatur fluida keluar tube (

℃

)

2.7 Faktor Pengotoran

Faktor pengotoran sangat mempengaruhi perpindahan kalor. Pengotoran tersebut dapat menjadi endapan dari kotoran yang terbawa fluida saat mengalir dan juga diakibatkan oleh korosi pada komponen penukar kalor. Selama penukar kalor  beroperasi maka pengaruh pengotoran pasti terjadi. Pengotoran akan

mempengaruhi temperatur fluida dan menurunkan koefisien perpindahan panas menyeluruh masing-masng fluida. Faktor pengotoran dapat dicari dengan Persamaan 2.4.



_

=

_  



   (2.4) Keterangan:



_{} : koefisien perpindahan kalor menyeluruh bersih (



⁄

_

_

_{. ℃}

)



: koefisien perpindahan kalor menyeluruh direncanakan (



⁄

_



_{. ℃}

)

2.8 Penurunan Tekanan pada Sisi

 Shell

Apabila dibicarakan besarnya penurunan tekanan pada sisi  shell , masalahnya proporsional dengan berapa kali fluida itu menyebrangi konstruksi tube diantara sekat-sekat.

Besarnya penurunan tekanan pada isotermal untuk fluida yang dipanaskan atau didinginkan, serta kerugian saat masuk dan keluar ditunjukkan dengan Persamaan 2.5 di bawah ini.

∆

_{}

=

..,.+

,._{...}   (2.5)

Keterangan:

∆

_{}: beda tekanan fluida masuk dan keluar sisi shell  (



)

 

_{} : faktor gesekan pada sisi shell 



_{} : kecepatan aliran massa sisi shell  (

/

)



, : diameter dalam shell (



)



 : jumlah baffle

...

II-13



_ : diameter hidrolik shell  (



)



: massa jenis fluida (

/

)



 : rasio viskositas fluida di dalam shell 

2.9 Penurunan Tekanan pada Sisi

Tube

Besarnya penurunan tekanan pada sisi tube diformulasikan dengan  persamaan terhadap faktor gesekan fluida yang dipanaskan atau didinginkan di

dalam tube. Ditunjukkan dengan Persamaan 2.6 di bawah ini.

∆

_

=

...

,._{.,..}  (2.6)

Keterangan:

∆

_ : beda tekanan fluida masuk dan keluar sisi tube (



)

 

_ : faktor gesekan pada sisi tube



_ : kecepatan aliran massa sisi tube (



⁄

_

_)



: panjang tube (



)



: jumlah pass



, : diameter hidrolik tube (



)



: massa jenis fluida di dalam tube (



⁄

_

_)



: rasio viskositas fluida di dalam tube

Mengingat bahwa fluida itu mengalami belokan pada bagian tube pass, maka akan mendapatkan kerugian penurunan tekanan tambahan yang ditunjukkan dengan Persamaan 2.7 di bawah ini.

∆

_

=

_



.



  (2.7)

Keterangan:

∆

_ : beda tekanan tambahan (



)



: jumlah belokan



_ :



: volume tube (



)



: percepatan gravitasi (



_⁄

_

_) ... ...

II-14

2.10 Metode

NTU

(

Number of Tr ansfer Units

) dan Efektivitas

Pendekatan



 dengan penukar kalor berguna bila suhu masuk dan suhu keluar dapat ditentukan dengan mudah, sehingga



  dapat dengan mudah dihitung. Selanjutnya, aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan. Analisis akan lebih mudah dilaksanakan dengan menggunakan metode yang berdasarkan atas efektivitas penukar kalor dalam memindahkan kalor tertentu. Untuk mendefinisikan efektivitas suatu  penukar kalor, laju perpindahan kalor maksimum yang mungkin terjadi (



_)

harus ditentukan terlebih dahulu.

Apabila salah satu fluida mengalami perubahan temperatur sebesar beda temperatur maksimum yang terdapat dalam penukar kalor tersebut. Yaitu selisih antara temperatur masuk fluida panas



_, dan fluida dingin



_,. Fluida mengalami  beda temperatur maksimum adalah yang kapasitas kalornya minimum, karena kesetimbangan energi menyaratkan bahwa energi yang diterima oleh fluida harus sama dengan energi yang dilepaskan oleh fluida yang lain. Laju perpindahan kalor masimum dinyatakan pada Persamaan 2.8 sebagai berikut:



_

= 

_

.  

_,

 

_,



  (2.8)

Dimana



_ adalah harga yang paling kecil diantara besaran



_ atau



_. Jika



_

< 

_ maka



_

= 

_

. 

_,

 

_,



Jika



_

> 

_ maka



_

= 

_

. 

_,

 

_,



; dimana

 =  . 

_

Efektivitas suatu penukar kalor didefinisikan sebagai rasio antara laju perpindahan kalor sebenarnya untuk suatu penukar kalor terhadap laju perpindahan kalor masimum yang mungkin. Secara umum efektivitas dapat dinyatakan pada Persamaan 2.9 di halaman selanjutnya.

 =

_



 × 100 %

  (2.9)

Keterangan:



: efektivitas penukar kalor (

%

)



: laju perpindahan kalor (



)

...

II-15



_ : laju perpindahan kalor maksimum (



Sedangkan  NTU ( Number of Transfer Units) merupakan parameter yang tidak  berdimensi yang secara luas digunakan dalam analisis suatu penukar kalor.

Bilangan ini didefinisikan pada Persamaan 2.10 sebagai berikut:

 =

.

_   (2.10)

Keterangan:



: Number of Trasfer Units



_{}: koefisien perpindahan kalor menyeluruh direncanakan (



⁄

_

_

_{. ℃}

)

 

: luas perpindahan panas (



)



_ : laju kapasitas kalor minimum (



⁄

_℃

)

III-1

BAB III

METODOLOGI DAN PROSES PENYELESAIAN

3.1

F lowchart

Metodologi Penyelesaian Masalah

Mulai  Input  Data Pengolahan Data Output  Data Selesai Pengumpulan Data

Gambar III.1 Flowchart  Metodologi Penyelesaian Masalah

Untuk proses pengolahan data yang ditunjukkan oleh  flowchart  pada Gambar III.1 akan dijabarkan pada sub-bab berikutnya.

III-2

3.2 Pengolahan Data Manual 1. Laju Perpindahan Kalor

Besarnya perpindahan kalor dari fluida panas ke fluida dingin dapat dihitung dengan persamaan berikut:

 = 



= 







= ̇



. ℎ



 ℎ







_

_{= 3,65  }

⁄ . 1.737,5  1.580,02  

⁄



_

= 574.802 

Diasumsikan bahwa kalor yang dilepaskan fluida panas gas amonia seluruhnya diserap oleh air sehingga bisa diketahui besarnya laju aliran massa air, sebagai  berikut:





= ̇



. 

,

. ∆

̇

_

=







,

. ∆

̇



=

574.802 

4178,7  

⁄

. 4631℃

̇



= 9,17 /

2. Beda Temperatur Rata-rata Logaritma (



)

 =

∆



 ∆



 ∆

_∆

 

∆



= 

,

 

,

= 120 ℃  46 ℃ = 74 ℃

∆



= 

,

 

,

= 52 ℃  31 ℃ = 21 ℃

 =

7421 ℃

 74

₂₁

 = 42,07 ℃

Untuk tipe alat penukar kalor tipe satu  pass shell   dan satu  pass tube  faktor koreksi (

  = 1

.

III-3

3. Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Desain (



_{})

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh desain dapat diketahui dengan menggunakan persamaan:





=

 _{. }



Keterangan:



: laju perpindahan kalor (



)



: beda temperatur rata-rata logaritma (

℃

)

 

: luas permukaan perpindahan kalor (



)

  = 

_

...

_{,}

  = 235 × 4,880  ×  × 0,020 

  = 72,08 

 Jadi,





=

_{72,08 }

574.802 

_

_{. 42,07 ℃}



_{}

_{= 189,55  }

⁄



_{. ℃}

4. Perhitungan Sisi Tube

a. Luas Permukaan Perpindahan Kalor Total (



_)





= 



.



 ′







= 235.

3,142.10

−

 _



1





= 0,07 



 b. Kecepatan Aliran Massa Amonia (



_)



_

=





 ̇



_





=

3,63  

⁄

0,07 





_

_{= 51,86  }

⁄

_

_{. }

III-4 c. Bilangan Reynold (



_{,})



,

=



,

_

. 

  Keterangan:



_{} : viskositas amonia (



⁄

_{. }

)



_{,}

=

18,58.10

−

 × 51,86  

⁄



_{. }

12,33.10

−



⁄

_{. }



_{,}

= 78.147

Jadi, jenis aliran yang terjadi di dalam tube adalah aliran turbulen karena



_{,}

> 2.300

.

d. Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi (

ℎ

_)

Koefesien perpindahan kalor konveksi dapat dicari dengan Persamaan  Nusselt, sebagai berikut:

 =

ℎ



. 

,



_

= 0,0214. (

,,

 100). 

. Keterangan:



: bilangan Nusselt



_ : konduktivitas termal tube (



⁄

_{. ℃}

)



_ : bilangan Prandtl tube

 = 0,0214.9.800

,

100.0,8756

. Sehingga,

ℎ



=

_

.

,

ℎ

_

=

197,64 × 0,031  . ℃

⁄

18,58.10

−

 _

ℎ

_

_{= 329,75  }

⁄



_{. ℃}

III-5

5. Perhitungan Sisi Shell 

a. Luas Permukaan Perpindahan Kalor Total (



_{})



_{}

=



,

. 

′

. 



_ Keterangan:



′ _{: jarak antara diameter luar dengan pitch (}

_

₎



: jarak antara baffle (



)



_ : jarak antara titik pusat tube (



)



_{}

=

440,10 .6,35 . 219 

25,4 





= 0,024 



 b. Kecepatan Aliran Massa Air (



_{})



_{}

=





 ̇



_{}





=

10,40  

⁄

0,024 





_{}

_{= 433,33  }

⁄

_

_{. }

c. Bilangan Reynold (



_{,})



_{,}

=





. 





 Keterangan:



_ : diameter hidrolik (



)



 : viskositas air (



⁄

. 

)





=

4.1 2

⁄ . 

_

.0,86.

_

 

1

⁄ . . 

2

, 

4



1

2

⁄ . . 

_{,}





=

4 × 1 2

⁄ × 25,4 × 0,86 × 25,4 

1

⁄ ..20,05

2



4



1

2

⁄ ..20,05





= 15,18 

III-6 Sehingga,



,

=

15,18.10

−

 × 433,33  

⁄



_{. }

0,637.10

−



⁄

_{. }



_{,}

= 10.306,04

Jadi, jenis aliran yang terjadi di dalam shell  adalah aliran turbulen karena



,

> 2.300

.

d. Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi (

ℎ

_)

Koefisien perpindahan kalor konveksi dapat dicari dari Persamaan  Nusselt, sebagai berikut:

 =

ℎ



. 





= 0,012.(

,,

 280). 

.

 = 0,012 10.306,04

,

_{280.4,473}

.

 = 61,62

Sehingga,

ℎ



=

.

_



ℎ



=

61,62 × 0,6286  . ℃

⁄

15,18.10

−

 _

ℎ

_

_{= 2.551,67  }

⁄



_{. ℃}

6. Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Bersih (



_{})





=

1

1

ℎ

_



ln 







2... 

ℎ

1

_



_{}

=

1

1

329,75 

ln10,025

_{9,29 }

2 ×  × 4,880 × 16,2 

2.551,67

1



_{}

_{= 279,50  }

⁄

_

_{. ℃}

III-7 7. Faktor Pengotoran (



_





_

=





 





_{}

. 

_{}





=

279,50  



_{. ℃}

⁄

_{ 189,55  }

⁄



_{. ℃}

279,50  

⁄



_{. ℃}

 × 189,55  

⁄



_{. ℃}



_

= 0,00169 ℃. 



⁄

_

8. Penurunan Tekanan (

∆

) a. Sisi Tube

∆



=

 . 

 

_..

2..

,

. 



. 



∆



=

0,021 × 51,86 



_{. }

⁄





 _{× 4,880  × 1}

2 × 9,81  

⁄  × 18,58.10

 −

 × 0,5859  

⁄



× 1

∆



= 1290,43  

⁄



∆

_

= 12,65 

 b. Sisi Shell

∆

_{}

=

 . 



. 

,

. 



 1

2..

_

. 

_

. 

_{}

∆



=

0,28.433,33  



⁄ 



 _{× 440,10. 10}

−

 _{× 22  1}

2 × 9,81  

⁄   × 992,67





⁄

_



× 15,18.10

−

  × 1

∆



= 1.800,11  

⁄



∆

_{}

= 17,65 

9. Laju Kapasitas Kalor (



)

a. Fluida Dingin di Sisi Shell 



_

= 

_

 _{̇ . }

_{,}



_

_{= 10,40  }

⁄ × 4.180,7  .℃

⁄





= 43.479,28  ℃

⁄

III-8

 b. Fluida Panas di Sisi Tube





= 



 ̇ . 

,





= 3,63  

⁄ × 2.228,3  .℃

⁄





= 8.088,73  ℃

⁄

Dari laju kapasitas kalor yang didapat,



_

> 

_. Maka



_

= 

_ dan



_

= 

_.

10. Laju Perpindahan Kalor Maksimum (



_)





= 



. (

,

 

,

)





= 8.088,73  ℃

⁄ × 12031 ℃



_

= 719.896,97 

11. Efektivitas Alat Penukar Kalor (



)

Efektivitas suatu alat penukar kalor didapat dengan membandingkan antara laju  perpindahan kalor aktual dengan laju perpindahan kalor maksimum yang

mungkin terjadi.

 =







_

 × 100 %

 =

574.802 

719.896,97 

× 100 %

 = 80 %

12. Number of Transfer Units (



)

 =





. 



_

 =

189,55  

⁄



× 72,08 



8.088,73  ℃

⁄

 = 1,67

IV-1

BAB IV

ANALISIS DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisis Data Hasil Perhitungan Tabel IV.1 Hasil Pehitungan Manual

 No. Spesifikasi Hasil

1. Laju Perpindahan Kalor (



)

574.802 

2.



42,07 ℃

3. Koefisien Perpindahan Kalor

Desain (



_{})

189,55  

⁄



. ℃

4. Koefisien Perpindahan Kalor

desain (



_{})

279,50  

⁄



. ℃

5. Jumlah Baffle 22

6. Diameter Shell & Tube (



_) _{Shell Tube}

440,10 

18,58 

8. Penurunan Tekanan (

∆

)

12,65 

17,65 

9. Faktor Pengotoran (



_)

_{0,00169 ℃. }





⁄

10. Efektivitas Penukar Kalor (



)

80 %

Dari perhitungan perencanaan alat penukar kalor di atas, di dapat faktor  pengotoran dengan harga

0,00169 ℃. 



⁄

_

. Sedangkan, standar faktor  pengotoran yang diizinkan TEMA (Tubular Exchanger Manufaturers Association) tahun 1999 untuk uap amonia adalah

0,00176 ℃. 



⁄

_

. Hal ini menunjukkan  perencanaan alat penukar kalor sudah memenuhi syarat dari standar yang ditetapkan. Untuk memenuhi syarat faktor pengotoran tersebut, perusahaan membutuhkan diameter shell 

440,10 

 dan diameter tube

18,58 

. Kualitas alat penukar kalor dapat dilihat dari nilai efektivitasnya. Saat perancangan didapat harga efektivitas

80 %

.

V-1

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari hasil perhitungan sebelumnya, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai  berikut:

1. Untuk memenuhi syarat faktor pengotoran (



_) minimal pada suatu perusahaan dibutuhkan diameter shell 

440,10 

 dan diameter tube

18,58 

.

2. Kualitas penukar kalor shell & tube yang direncanakan dapat dilihat dari nilai efektivitas (



) dan faktor pengotoran (



_). Nilai efektivitas perencanaan adalah

80 %

 dan faktor pengotorannya

0,00176 ℃. 



⁄

_

.

5.2 Saran

Berikut ini beberapa saran untuk disampaikan, diantaranya:

1. Perhitungan dapat dilakukan dengan program untuk mempercepat  perancangan.

2. Diharapkan adanya penelitian lebih lanjut dalam merencanakan penukar kalor dari segi pemilihan material, cara pengelasan, dan perencanaan peralatan  pendukung seperti mur, baut, gasket, flange, dll.