BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung
Alat penukar kalor selongsong dan tabung umumnya banyak digunakan dalam industri proses, sekurang-kurangnya 60% dari semua APK yang digunakan, karena dapat di-disain untuk menjalankan lebih banyak tekanan dan temperatur seperti yang dijumpai dalam industri proses. APK ini dapat juga dikonstruksi dari bermacam-macam material. Tunggul [10] menjelaskan beberapa keuntungan APK selongsong dan tabung bahwa konstruksinya sederhana, dapat dipisah satu sama lain (tidak merupakan satu kesatuan yang utuh) sehingga pengangkutannya relatif mudah, pemakaian ruang relatif kecil, dan mudah membersihkannya.
Farel H Napitupulu [6] melakukan kajian eksperimental efektifitas alat penukar kalor selongsong dan tabung (shell and tube) sebagai pemanas air dengan memanfaatkan energi thermal gas buang motor diesel bahwa dapat mencapai efektifitas tertinggi 82,496 % untuk debit air masuk konstan 5 Liter/menit.
Tipe APK selongsong dan tabung susunan yang lazim diklasifikasikan menurut nomenklatur Tubular Exchanger Manufacturer’s Association (TEMA) of the Unated States. Salah satu tipe APK selongsong dan tabung seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Alat Penukar Kalor ini mempunyai selongsong tipe E yaitu satu laluan selongsong (single-pass shell) dan satu laluan tabung (single-pass tube) serta dilengkapi dengan sekat (buffle).
Yang dimaksud dengan laluan selongsong adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk kedalam selongsong melalui saluran masuk (inlet nozzle), dan melewati bagian dalam selongsong melintasi bundel tabung, kemudian keluar dari saluran buang (outlet nozzle). Apabila lintasan itu dilakukan satu kali maka disebut satu laluan selongsong (single-pass shell), kalau terjadi dua kali disebut dengan dua laluan selongsong (two-pass shell).
Untuk fluida di dalam tabung, jika fluida masuk ke dalam penukar kalor melalui bagian depan (front head) lalu mengalir ke dalam tabung dan langsung keluar dari bagian belakang (rear head), maka disebut dengan satu laluan tabung (single-pass tube). Apabila fluida itu membelok lagi masuk ke dalam tabung, sehingga terjadi dua kali lintasan fluida dalam tabung maka disebut dua laluan tabung (two-pass tube). Biasanya jumlah laluan selongsong (pass shell) lebih sedikit atau sama dengan jumlah laluan tabung (pass tube).
Susunan tabung yang biasa digunakan adalah susunan tabung bujur sangkar (In-line square pitch), susunan tabung belah ketupat (rotated square pitch), susunan tabung segitiga (triangular pitch), dan susunan tabung layang-layang (rotated triangular pitch) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 : Bentuk Susunan Tabung
Umumnya aliran fluida dalam selongsong adalah aksial terhadap tabung atau menyilang. Untuk membuat aliran fluida dalam selongsong menjadi aliran menyilang biasanya ditambah dengan sekat. Sekat ini juga berfungsi untuk mendukung tabung dan menahan vibrasi. Bentuk sekat yang lazim adalah segmental baffle, disc and doughnut baffle, dan orifice baffle. Tipe yang paling banyak dipergunakan adalah segmental baffle dengan pemotongan sekat (baffle cut) seperti pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 : Sekat segmental (segmental baffle)
Secara umum aliran dalam sisi selongsong yang menggunakan sekat sangat kompleks. E.S Gaddis [7] menganalisa bahwa aliran dalam sisi selongsong sebagian tegak lurus dan sebagian sejajar terhadap bundel tabung seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 2.4. SH merupakan aliran utama. Selain itu celah antara tabung dengan
sekat dan celah antara sekat dengan selongsong terdapat kebocoran aliran SL.
Demikian juga tabung tidak dapat ditempatkan sangat dekat dengan selongsong sehingga menyebabkan terbentuknya aliran bypass SB.
Gambar 2.4 : Bentuk aliran dalam sisi selongsong
Macbeth (Taborek et al [13]) juga mengamati pengaruh kebocoran aliran pada celah antara sekat dengan selongsong dan antara sekat dengan tabung terhadap koefisien perpindahan kalor konveksi dengan menggunakan pemotongan sekat (baffle cut) yang bervariasi antara 18,4 % sampai 37,5 % dari diameter selongsong, maka diperoleh hasil bahwa semakin besar celahnya semakin kecil koefisien perpindahan kalor konveksi.
Yilmaz M [14] meneliti pengaruh perubahan ketinggian sekat pada setiap bilangan Reynold yang berbeda. Pengamatannya dilakukan dalam saluran berpenam-pang persegi yang menggunakan sekat. Parameter ketinggian sekat merupakan variasi perbandingan antara tinggi sekat dengan tinggi saluran (C/H) dengan variasi
perbandingan 0,6 dan 1 serta sudut kemiringan sekat 30o, 45o, 60o, dan 90o. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa perpindahan panas dan faktor gesekan secara signifikan tergantung pada sudut kemiringan sekat, perbandingan tinggi sekat dengan tinggi saluran dan bilangan Reynold. Hasil penelitiannya juga menunjukkan bahwa bilangan Nusselt dan faktor gesekan meningkat dengan berkurangnya rasio C/H dan kenaikan sudut sekat.
Aliran fluida yang melintas bundel tabung dalam posisi miring diamati oleh Zukauskas (Taborek et al [15]). Variasi sudut kemiringan sekat diamati dari posisi arus datang yang tegak lurus (90o) sampai kemiringan 30o. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa semakin besar sudut arus fluida yang menuju bundel tabung semakin besar pula faktor koreksi terhadap sudut lintasnya. Hasil ini menunjukkan bahwa proses perpindahan kalor paling efektif terjadi jika menggunakan arus aliran yang datang tegak lurus terhadap bundel tabung.
Pemasangan sekat pada alat penukar kalor akan mempengaruhi kecepatan fluida yang melintasi luas frontalnya dan akan berakibat langsung pada koefisien perpindahan kalor. Kern [3] mengatakan adanya pemasangan sekat adalah untuk mengarahkan aliran fluida dalam selongsong menjadi melintang (cross flow) terhadap berkas tabung, dan juga menjadikan aliran tersebut lebih turbulen. Aliran turbulen dapat meningkatkan perpindahan kalor.
Dalam pengkajian eksperimental yang dilakukan oleh Li dan Kottke [1] pada penukar kalor selongsong dan tabung dengan susunan tabung berselang-seling menyimpulkan pertambahan jarak sekat dapat meningkatkan koefisien perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan lebih tinggi, dari pada jarak sekat yang
pendek. Kern [3] juga menambahkan bahwa semakin banyak jumlah sekat yang digunakan atau jarak antar sekat semakin pendek maka akan menambah derajat turbulensi aliran dan juga penurunan tekanan (pressure drop).
Dilain pihak Tunggul [10] mengemukakan apabila jarak antar sekat dibuat terlalu jarang atau panjang, maka aliran fluida akan menjadi aksial sehingga tidak terdapat aliran yang melintang, sebaliknya jika jarak antar sekat dibuat terlalu sempit atau kecil, maka akan menimbulkan bocoran yang berlebihan antara sekat dengan selongsong. Kemudian Taborek [8] dan Kern [3] menyarankan bahwa jarak antar sekat dapat bervariasi antara minimum 20 % dari diameter selongsong sampai dengan maksimum sama dengan diameter selongsong. Soltan et al [16] menetapkan persa-maan korelasi untuk perhitungan jarak sekat optimum pada APK kondenser tipe E dan J sebagai berikut :
Lbc = Sm/[Lbb + Dctl (1-Dt/Ltp)]
Mukherjee [9] mengemukakan bahwa pemotongan sekat (baffle cut) yang ideal antara 20% sampai dengan 35% dari diameter selongsong. Jika pemotongan sekat diambil kurang dari 20 % dengan maksud agar koefisien perpindahan kalor konveksi pada sisi selongsong bertambah atau pemotongan diambil lebih dari 35 % dengan maksud agar kerugian tekanan berkurang, maka hasil yang diperoleh umumnya akan merugikan.
Zukauskas (Yunus A. Cengel [17]) mengusulkan rumus korelasi untuk perhitungan koefisien perpindahan kalor konveksi aliran menyilang melintas bundel tabung selang-seling (staggered) seperti berikut ini :
25 , 0 Pr Pr Pr Re Nu ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = = s n m D D C k D h
dimana nilai konstanta C, m, dan n tergantung pada bilangan Reynolds. Persamaan ini berlaku untuk jumlah baris tabung N > 16 dan 0,7 < Pr < 500 serta 0 < ReD < 2 x 106. Bila jumlah baris tabung N < 16 maka persamaan diatas dimodifikasi dengan menga-likan faktor koreksi F.
Selain itu persamaan empiris untuk koefisien perpindahan kalor konveksi yang banyak diterapkan pada alat penukar kalor komersil, Janna [4] merumuskan sebagai berikut : 33 , 0 55 , 0 Pr Re 36 , 0 Nu =
Kemudian Sparrow [18] dalam penelitiannya mengemukakan bahwa persa-maan korelasi untuk menentukan koefisien perpindahan kalor konveksi adalah :
36 , 0 63 , 0 Pr Re )] K 29 , 1 [exp( 453 , 0 Nu = −
dimana faktor K menyatakan pemotongan sekat (baffle cut).
Penurunan tekanan dalam sisi selongsong (shell) sangat dipengaruhi oleh faktor gesek dan laju aliran fluida. Besar faktor gesek (f) dalam sisi selongsong berkorelasi langsung dengan bilangan Reynolds, seperti yang dikemukakan oleh Pekdemir, at al [19] bahwa penurunan tekanan adalah fungsi dari bilangan Reynolds. Gaddis E. S dan Gnielinski V [7] merumuskan perhitungan kerugian tekanan pada sisi selongsong (shell) adalah sebagai berikut :
Demikian juga Kakac dan Liu [4] merumuskan persamaan korelasi untuk faktor gesek sebagai berikut :
f = exp (0,576 – 0,19 ln Re)
Selain itu Jegede [20] mengemukakan bentuk hubungan fungsional faktor gesek dengan bilangan Reynolds sebagai berikut :
f = 1,79 Re-0,19
Demikian juga menurut Jakob (Holman [21]), persamaan empiris untuk faktor gesek pada bundel tabung selang-seling sebagai berikut :
16 , 0 08 , 1 Re 118 , 0 25 , 0 f − ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − + = d d Sn
Menurut Sappu [11] dari hasil penelitiannya menunjukkan bahwa koefisien perpindahan kalor dan faktor gesek terjadi pada posisi sekat (baffle) tegak lurus terhadap tabung. Korelasi empiris koefisien perpindahan kalor dan kerugian tekanan masing-masing dinyatakan dalam hubungan fungsional yaitu :
Nu = 0,26 Re0,58 (sin θ)0,91 dan f = 4,2 Re-0,17 (sin θ)0,52
dimana, 18680 < Re < 53120 dan 45o ≤ θ ≤ 90o
2.2 Landasan Teori
Perpindahan kalor dan kerugian tekanan yang terjadi pada alat penukar kalor selongsong dan tabung sangat bergantung pada bentuk geometri dan dimensi dari
pada tabung (tube) dan sekat (baffle), serta sifat-sifat fisik fluida dalam sisi tabung (tube) dan selongsong (shell).
Analisa perpindahan kalor dalam sisi selongsong (shell) dilakukan dengan memperhitungkan jumlah kalor yang diserap oleh fluida dalam selongsong (shell). Jumlah kalor yang diserap diasumsikan sama besar dengan jumlah kalor yang dipindahkan oleh fluida dalam tabung (tube) secara konduksi melalui dinding tabung. Analisis ini juga mengasumsikan bahwa tidak terdapat kehilangan kalor melalui dinding selongsong (shell) ke udara luar disekitarnya.
Laju perpindahan kalor yang diserap oleh fluida (udara) dalam selongsong (shell) dihitung dengan rumus :
) ( ) ( so mu u p,u uk um o u A T T m c T T h Q& = − = & − (2.1) dimana :
hu = koefisien perpindahan kalor konveksi udara (W/m2 K)
Ao = luas dinding luar tabung (m2)
Tso = suhu dinding luar tabung (oC)
Tmu = (Tum+Tuk)/2 = suhu rata-rata udara (oC)
u
m& = laju aliran massa udara (kg/s) cp,u = panas jenis udara (J/kg K)
Tuk = suhu udara keluar selongsong (oC)
Tum = suhu udara masuk selongsong (oC)
Laju perpindahan kalor yang dilepaskan oleh fluida (air) dalam tabung (tube) dihitung dengan rumus :
) ( ) ( ma si a p,a am ak i a A T T m c T T h Q& = − = & − (2.2) dimana :
ha = koefisien perpindahan kalor konveksi air (W/m2 K)
Ai = luas dinding dalam tabung (m2)
Tsi = suhu dinding dalam tabung (oC)
Tma = (Tam+Tak)/2 = suhu rata-rata air (oC)
a
m& = laju aliran massa air (kg/s) cp,a = panas jenis air (J/kg K)
Tak = suhu air keluar tabung (oC)
Tam = suhu air masuk tabung (oC)
Laju perpindahan kalor menyeluruh dari fluida (air) melalui dinding tabung (tube) ke fluida (udara) dihitung dengan rumus :
t lm lm s R T T A U Q& = Δ = Δ (2.3) dimana :
ΔTlm =bedasuhu rata-ratalogaritmik(K)
[
( )/( )]
ln ) ( ) ( um ak uk am um ak uk am lm T T T T T T T T T − − − − − = Δ i i o o s U A U A A U = =Uo = koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan permukaan luar tabung (m2) 1 1 2 ) / ln( 1 − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + = u s i o o a i o o h L k D D A h A A U π 1 1 2 ) / ln( 1 − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + = u i o o T a i o h k D D D N h D D
Ui = koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan permukaan dalam tabung (m2) 1 1 2 ) / ln( 1 − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + = u o i s i o i a i h A A L k D D A h U π 1 1 2 ) / ln( 1 − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + = u o i i o i T a D h D k D D D N h ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + = u o s i o a i t h A L k D D h A R 1 2 ) / ln( 1 π
Ao = luas dinding luar tabung (m2)
s o T
o N D L
A = π
Ai = luas dinding dalam tabung (m2)
s i T
i N D L
A = π
hu = koefisien perpindahan kalor konveksi udara (W/m2 K)
k = konduktifitas panas tabung (W/m2 K) Do = diameter luar tabung (m)
Di = diameter dalam tabung (m)
LS = panjang tabung (m)
NT = jumlah tabung
Koefisien perpindahan kalor konveksi fluida (air) dalam sisi tabung dapat dihitung dengan rumus :
i a i a i a a a D k D k D k Nu h 4,36 11 48 = =
= (untuk laminar Re<2300) (2.4)
) Pr Re (0,023 0,8a an i a i a a a D k D k Nu
h = = (untuk turbulen Re>4000) (2.5)
dimana : ka = konduktifitas panas air (W/m2 K)
n = 0,4 (untuk pemanasan) n = 0,3 (untuk pendinginan)
Koefisien perpindahan kalor konveksi fluida (udara) dalam sisi selongsong dapat dihitung dengan rumus :
e u u u D k Nu h = (2.6)
dimana : ku = konduktifitas panas udara (W/m2 K)
De = diameter ekivalen (m)
Kern [3] menyatakan bahwa untuk pemotongan sekat (baffle cut) 25 %, maka bilangan Nusselts dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut :
14 , 0 , 3 / 1 55 , 0 (Pr ) ) Re ( 36 , 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = s u u u u u Nu μ μ (2.7) dimana : μu = viskositas dinamik udara (kg/m.s)
μu,s = viskositas dinamik udara pada suhu dinding (kg/m.s)
u u u p u k c μ Pr = , u f e u u e maks u u A D m D V μ μ ρ Re = = &
Af = luas aliran silang (m2) De = diameter ekivalen (m)
Untuk alat penukar kalor selongsong dan tabung dengan susunan tabung belah ketupat (rotated square) maka definisi luas aliran dan diameter ekivalen adalah sebagai berikut :
(
)
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − + − = T o T o OTL OTL s B f P D P D D D D L A 707 , 0 (2.8) PT P1 P T C1 Dobasah keliling aliran luas x 4 = e D o o T e D D P D 4 4 2 2 π π ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = (2.9)
C1 = PT - Do (celah antar tabung dalam meter)
dimana : Ds = diameter selongsong (m)
DOTL = diameter bundel tabung (m)
LB = jarak sekat (m)
PT = jarak antar tabung (tube pitch) (m)
Do = diameter luar tabung (m)
Efektivitas Alat Penukar Kalor
Efektivitas suatu alat penukar kalor merupakan salah satu hal yang sangat penting dalam mendisain alat penukar kalor. Hal ini disebabkan karena parameter efektifitas tersebut merupakan suatu gambaran unjuk kerja sebuah alat penukar kalor. Efektivitas alat penukar kalor (heat-exchanger effectiveness) dapat didefinisikan sebagai berikut : mungkin yang maksimum kalor n perpindaha laju aktual kalor n perpindaha laju = = maks Q Q & & ε (2.10)
Laju perpindahan kalor aktual dalam alat penukar kalor dapat ditentukan dari balans energi dari pada fluida panas atau dingin sebagai berikut :
) ( ) ( co ci h hi ho c T T C T T C Q& = − = − (2.11)
dimana : dingin fluida panas kapasitas laju = = c pc c m c C & panas fluida panas kapasitas laju = = h ph h m c C &
(kg/s)m&c =laju aliran massafluidadingin (kg/s)m&h =laju aliran massafluidapanas
Tci = suhu masuk fluida dingin (oC) Tco = suhu keluar fluida dingin (oC) Thi = suhu masuk fluida panas (oC) Tho = suhu keluar fluida panas (oC)
Laju perpindahan kalor maksimum yang mungkin dalam alat penukar kalor adalah berdasarkan perbedaan temperatur maksimum dan laju kapasitas panas yang minimum, yaitu : ) ( hi ci min maks C T T Q& = − (2.12)
dimana, Cmin adalah yang lebih kecil dari Ch dan Cc.
Selain itu dengan mensubstitusi persamaan 2.11 dan 2.12 ke persamaan 2.10 maka efektivitas dapat dinyatakan sebagai berikut :
) ( ) ( ) ( ) ( ci hi min ci co c ci hi min ho hi h T T C T T C T T C T T C − − = − − = ε (2.13)
bila Ch adalah Cmin maka :
) ( ) ( ci hi ho hi T T T T − − = ε (2.14)
dan bila Cc adalah Cmin maka :
) ( ) ( ci hi ci co T T T T − − = ε (2.15)
Apabila efektivitas dari alat penukar kalor diketahui, maka laju perpindahan kalor aktual dapat ditentukan sebagai berikut :
) ( hi ci min maks C T T Q Q& =ε & =ε − (2.16)
Penurunan Tekanan (pressure drop)
Penurunan tekanan merupakan suatu kerugian tekanan antara sisi masuk dan keluar dari bundel tabung yang terjadi pada aliran dalam sisi selongsong (shell). Penurunan tekanan ini dipengaruhi oleh bentuk geometri dari tabung dan sifat-sifat aliran fluida melalui bundel tabung.
Yunus A. Cengel [17] dalam bukunya menyatakan penurunan tekanan dalam bundel tabung sebagai berikut :
2 2 maks L V f N P= χ ρ Δ (2.17) dimana :
∆P = penurunan tekanan (Pa) gesek faktor = f χ =faktor koreksi 1 =
χ untuk susunan tabung bujur sangkar dan segitiga NL = jumlah baris tabung
Selain itu Hewitt at al [22] dalam bukunya menyatakan penurunan tekanan dalam berkas tabung sebagai berikut :
(
)
2 2 maks f r a V K n K p= + ρ Δ (2.18) dimana : Ka = konstantanr = jumlah baris tabung
Kf = parameter yang tergantung Re, Vmaks dan bentuk geometri
Demikian juga Kern [3] menyatakan penurunan tekanan aliran fluida dalam sisi selongsong adalah sebagai berikut :
2 2 14 , 0 2 ) / ( ) 1 ( 4 f e s s w B s A m D D N f p ρ μ μ & + = Δ (2.19)
dimana : Ds = diameter selongsong (m) =
f faktor gesek
NB = jumlah sekat =
m& laju aliran massa fluida dalam selongsong (kg/s) =
f
A luas aliran silang (m2)
Sidik Kakac dkk [5], menyatakan bahwa penurunan tekanan adalah fungsi dari jumlah segmen lintasan pada bundel tabung yang terletak diantara sekat dengan
sekat (NB + 1) dan jarak lintas aliran pada setiap segmen sehingga penurunan tekanan
dapat dihitung dari persamaan :
2 ) 1 ( 2 s s e s B V D D N f p= + ρ Δ (2.20)
dimana : ∆p = penurunan tekanan (Pa) De = diameter ekivalen (m) Vs = kecepatan aliran fluida (m/s) ρs = massa jenis fluida (kg/m3)
2.3 Kerangka Konsep Penelitian
Hasil yang diperoleh dalam suatu penelitian dipengaruhi oleh variabel-variabel penelitian itu sendiri. Kerangka konsep penelitian diperlihatkan pada Gambar 2.7 dan diagram alir/urutan penelitian pada Gambar 2.8.
