alat penukar kalor selongsong dan tabung
TRANSCRIPT
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
1/20
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.
Gambar 2.1 : APK Selongsong dan Tabung
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
2/20
Tipe APK selongsong dan tabung susunan yang lazim diklasifikasikan
menurut nomenklaturTubular Exchanger Manufacturers 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.
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
3/20
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
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
4/20
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
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
5/20
perbandingan 0,6 dan 1 serta sudut kemiringan sekat 30o, 45
o, 60
o, dan 90
o. 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 30
o. 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
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
6/20
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 :
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
7/20
25,0
Pr
PrPrReNu
==
s
nmDD C
k
Dh
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 :
33,055,0 PrRe36,0Nu =
Kemudian Sparrow [18] dalam penelitiannya mengemukakan bahwa persa-
maan korelasi untuk menentukan koefisien perpindahan kalor konveksi adalah :
36,063,0 PrRe)]K29,1[exp(453,0Nu =
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 :
p = (nu 1) pq + pQE + nupF + ps
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
8/20
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
08,1Re
118,025,0f
+=
d
dSn
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 )0,91
dan
f = 4,2 Re-0,17
(sin )0,52
dimana, 18680 < Re < 53120 dan 45o 90
o
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
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
9/20
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 :
)()( , umukupumusoou TTcmTTAhQ && (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)
um& = 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 :
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
10/20
)()( , akamapasimaia TTcmTTAhQ && (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)
am& = 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
lmlms R
T
TAUQ
=
&
(2.3)
dimana :
(K)logaritmikrata-ratasuhubeda= lmT
Gambar 2.5 : Diagram Temperatur
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
11/20
[ ])/()(ln)()(
umakukam
umakukamlm
TTTT
TTTTT
=
iioos AUAUAU ==
Uo = koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan permukaan
luar tabung (m2)
11
2
)/ln(1
++=
us
ioo
ai
oo
hLk
DDA
hA
AU
1
12
)/ln(1
++=
u
iooT
ai
o
hkDDDN
hDD
Ui = koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan permukaan
dalam tabung (m2)
11
2
)/ln(1
++=
uo
i
s
ioi
ai
hA
A
Lk
DDA
hU
11
2
)/ln(1
++=
uo
iioiT
a hD
D
k
DDDN
h
++=
uos
io
ait
hALk
DD
hAR
1
2
)/ln(
1
Ao = luas dinding luar tabung (m2)
soTo LDNA =
Ai = luas dinding dalam tabung (m2)
siTi LDNA =
hu = koefisien perpindahan kalor konveksi udara (W/m2
K)
ha = koefisien perpindahan kalor konveksi air (W/m2
K)
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
12/20
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
aaa
D
k
D
k
D
kNuh 36,4
11
48=== (untuk laminar Re4000) (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
uuu
D
kNuh = (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 :
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
13/20
14,0
,
3/155,0 )(Pr)Re(36,0
=
su
uuuuNu
(2.7)
dimana : u = viskositas dinamik udara (kg/m.s)
u,s = viskositas dinamik udara pada suhu dinding (kg/m.s)
u
uupu
k
c Pr
,=
uf
eu
u
emaksu
uA
DmDV
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 :
( )
+= oT
T
oOTL
OTLsBf DPP
DDDDLA
707,0(2.8)
PTP1
PT
C1
Do
Gambar 2.6 : Susunan Tabung Belah Ketupat
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
14/20
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
15/20
dimana :
dinginfluidapanaskapasitaslaju== pccc cmC&
panasfluidapanaskapasitaslaju== phhh cmC &
(kg/s)dinginfluidamassaaliranlaju=cm&
(kg/s)panasfluidamassaaliranlaju=hm&
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 :
)( cihiminmaks TTCQ =& (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 :
)(
)(
)(
)(
cihimin
cicoc
cihimin
hohih
TTC
TTC
TTC
TTC
=
= (2.13)
bila Ch adalah Cmin maka :)(
)(
cihi
hohi
TT
TT
= (2.14)
dan bila Cc adalah Cmin maka :)(
)(
cihi
cico
TT
TT
= (2.15)
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
16/20
Apabila efektivitas dari alat penukar kalor diketahui, maka laju perpindahan
kalor aktual dapat ditentukan sebagai berikut :
)( cihiminmaks TTCQQ == && (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
2maksL
VfNP
= (2.17)
dimana :
P = penurunan tekanan (Pa)
gesekfaktor=f
koreksifaktor=
1= untuk susunan tabung bujur sangkar dan segitiga
NL = jumlah baris tabung
Vmaks = kecepatan maksimum fluida (m/s)
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
17/20
Selain itu Hewitt at al [22] dalam bukunya menyatakan penurunan tekanan
dalam berkas tabung sebagai berikut :
( )2
2maksfra
VKnKp
+= (2.18)
dimana :
Ka = konstanta
nr= 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
fe
s
sw
Bs
A
m
D
DNfp
&+= (2.19)
dimana : Ds = diameter selongsong (m)
=f faktor gesek
NB = jumlah sekat
=m& laju aliran massa fluida dalam selongsong (kg/s)
=fA luas aliran silang (m2)
Sidik Kakac dkk [5], menyatakan bahwa penurunan tekanan adalah fungsi
dari jumlah segmen lintasan pada bundel tabung yang terletak diantara sekatdengan
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
18/20
sekat (NB + 1) dan jarak lintas aliran pada setiap segmen sehingga penurunan tekanan
dapat dihitung dari persamaan :
2
)1(
2ss
e
sB
V
D
DNfp
+= (2.20)
dimana : p = penurunan tekanan (Pa)
De = diameter ekivalen (m)
Vs = kecepatan aliran fluida (m/s)
s = 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.
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
19/20
Gambar 2.7 : Kerangka Konsep Penelitian
Universitas Sumatera Utara
-
7/27/2019 Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Tabung
20/20
Gambar 2.8 : Diagram alir penelitan