BAB II TINJAUAN PUSTAKA

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 :

a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan di

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 perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin

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. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan

sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 °F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

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 • Tipe dari banyak fase

• Tipe yang ditimbun (storage type) • Tipe fluidized bed

b. Tipe kontak langsung • Immiscible fluids

• Gas liquid

• Liquid vapor

2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida

b. Tiga jenis fluida

c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)

3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan

a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m 4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas

a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran

c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masingmasing

d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a. Konstruksi tubular (shell and tube) • Tube ganda (double tube)

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

• 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)

• Sirip tube (tube fin) • Heat pipe wall

• Ordinary separating wall

d. Regenerative • Tipe rotary

• Tipe disk (piringan) • Tipe drum

• Tipe matrik tetap

6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass

• Aliran Berlawanan • Aliran Paralel • Aliran Melintang • Aliran Split

• Aliran yang dibagi (divided) b. Aliran multipass

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 :

Tabel 2.1 : Double Pipe Exchanger fittings

Outer Pipe, IPS Inner Pipe, IPS

3 2½ 3 4 1¼ 1¼ 2 3

Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft Panjang

efektif, panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi perpindahan panas dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the

exchanger section.

Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran dalam type heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana 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.

2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.

3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished). 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis

material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi. 5. Mudah membersihkannya.

6. Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished). 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.

8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).

9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang

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 terluarnya dan pada kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda

yakni T1 > T2 . Perbedaan temperatur tersebut menyebabkan perpindahan panas

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

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

yakni perbedaan temperatur ; Δx, yakni panjang batang ; dan A, yakni luas penampang tegak lurus bidang.

Jika ΔT dan Δx adalah konstan dan hanya memvariasikan A, maka qx

berbanding lurus dengan A. Jika ΔT dan A adalah konstan, maka qx berbanding

terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka qx berbanding lurus dengan

ΔT.

qx ∞ A (2.1)

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

yang penting. Dengan menggunakan limit Δx 0 didapatkan persamaan untuk laju perpindahan panas,

qx = -kA (2.3)

A,T1 T2

qx Δx ΔT=T1-T2

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 menjadi aliran turbulen ketika kecepatannya meningkat melalui nilai kritis.

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

Di/Do Nui Nuo 0 - 3,66 0,05 17,46 4,06 0,10 11,56 4,11 0,25 7,37 4,23 0,50 5,74 4,43 1,00 4,86 4,86

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 untuk fluda pansa dan fluida dingin pada sebuah alat penukar kalor.

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 piston yang pada gilirannya mengaktifkan katup secara otomatis.

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 pada posisi yang tepat, sehingga bisa menyebabkan passing.

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 dalam pipa,berikut gambar dari glove valve.

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 digunakan untuk mentransfer aliran dari vertikal ke horizontal.

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. Misalnya ukuran diameter pipa 4 inci dan diameter bola valve adalah 3 inchi.

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 mengalir ke satu arah saja atau agar tidak terjadi reversed flow/back flow.

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 tinggi tekanan balik semakin rapat disk terpasang pada dudukannya.

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 dengan diameter yang besar.

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 dalam pengoperasiannya adalah pemasangan pompa secara parallel. Pemasangan

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

P=daya pompa(watt) Q=debit aliran