BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Perpindahan Kalor Perpindahan kalor dari suatu zat ke zat yang lain seringkali terjadi dalam kehidupan sehari-hari, baik penyerapan atau pelepasan kalor untuk mencapai dan mempertahankan keadaan yang dibutuhkan sewaktu proses berlangsung. Kalor sendiri adalah bentuk energi yang dapat berpindah atau mengalir dari benda yang memiliki kelebihan kalor menuju benda yang kekurangan kalor. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat musnah, contohnya hukum kekekalan massa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama kebentuk yang ke dua. Kalor dapat berpindah dengan tiga macam, yaitu: 1. Pancaran, atau sering disebut dengan radiasi. 2. Hantaran, atau sering disebut konduksi. 3. Aliran, atau sering disebut dengan konveksi.

2.1.1 Perpindahan Panas Radiasi atau Pancaran Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor, keadaan ini baru terbukti setelah suhu meningkat. Pada hakekatnya, proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Apabila sejumlah energi kalor menimpa suatu permukaan, sebagian akan dipantulkan , sebagian akan diserap kedalam bahan, dan sebagian akan menembus bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor secara radiasi, maka akan dilibatkan suatu fisik permukaan. Ciri-ciri radiasi yaitu: 1. Kalor radiasi merambat lurus. 2. Untuk perambatan kalor tidak membutuhkan medium (misalnya zat cait atau gas). Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan berasal energi panas materi yang dibatasi oleh permukaan, dan tingkat dimana energi yang dilepaskan per 5

Universitas Sumatera Utara

6

satuan luas disebut emissive power (E). Rumus dari Stefan-Boltzmann law untuk menghitung emissive power adalah: 𝐸𝐸 = 𝜎𝜎𝑇𝑇𝑠𝑠4 ............................................................................................... (2.1) Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal, dan:

𝐸𝐸 = 𝜀𝜀𝜀𝜀𝑇𝑇𝑠𝑠4 .............................................................................................. (2.2)

Rumus ini berlaku pada benda real. Dimana :

E = Daya radiasi 𝜀𝜀 = Emisivitas

𝜎𝜎 = Konstanta Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 W/m2.K4 Ts = Temperatur (K)

Rumus ini berlaku pada benda hitam atau radiasi ideal. Pada gambar 2.1 dibawah ini dapat dilihat perpindahan panas secara radiasi.

Gambar 2.1 Perpindahan panas secara radiasi (a) pada permukaan, (b) diantara sebuah permukaan dan lingkungan sekeliling (Incropera,1996) Dengan menganggap permukaan benda yang kecil As, emisivitas 𝜀𝜀, dan

kemampuan untuk menyerap α pada temperatur T yang terdiri dari keisotermalan

yang besar dalam bentuk yang tertutup pada benda blackbody. Blackbody dapat didefinisikan sebagai pemancar dan penyerap yang sempurna. Pada temperatur dan panjang gelombang yang tertentu, tidak ada permukaan yang dapat memancarkan energi yang lebih banyak daripada blackbody. Blackbody menyerap semua radiasi tanpa memperhatikan panjang gelombang dan arahnya.

6


7

2.1.2 Perpindahan Panas Konduksi (hantaran) Yang dimaksud dengan konduksi adalah perpindahan kalor melalui satu jenis zat. Sehingga perpindahan kalor secara konduksi merupakan suatu proses dalam, karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Arah aliran energi panas adalah titik bersuhu tinggi ke titik bersuhu rendah. Bahan yang dapat menghantarkan kalor yang baik disebut konduktor, dan penghantar panas yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor adalah koefisien konduksi termal (k). Apabila nilai koefisien tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil. Pada umumnya, bahan yang dapat menghantar arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik, juga untuk kalor dan sebaliknya. Pada gambar 2.2 dibawah ini dapat diketahui sifat-sifat suatu material.

Gambar 2.2 Gambar tabel konduktivitas termal beberapa bahan logam (Incropera, 197) Contohnya sebuah batang silinder dengan material tertentu dimana tidak ada isolasi pada sisi terluarnya dan salah satu ujungnya dipanaskan dengan api

7


8

sehingga kedua ujung permukaannya memiliki suhu yang berbeda yakni T1>T2Seperti yang terlihat pada gambar 2.3 dibawah ini : T2 qx T1

Gambar 2.3 Skematik perpindahan panas pada batang (Cengel, 96) Kita dapat mengukur laju perpindahan panas qx, dan kita 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 kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan A. Dengan cara yang sama, jika ΔT dan A adalah konstan, kita dapat melihat bahwa qx berbanding terbalik dengan Δx. Apabila A dan Δx konstan, maka kita dapat melihat bahwa qx berbanding lurus dengan ΔT. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa qx = A

Δ𝑇𝑇 Δx

.................................................................................. (2.3)

Gambar 2.4 berikut ini adalah perpindahan panas secara konduksi melalui dinding dengan ketebalan ∆x.

Gambar 2.4 Perpindahan Panas secara Konduksi (Cengel, 18) Dengan memperhatikan material batang, sebagai contoh plastik, kita akan menemukan bahwa kesebandingan diatas adalah valid. Namun, kita juga 8


9

menemukan bahwa untuk nilai A, Δx, dan ΔT yang sama, akan menghasilkan nilai qx yang lebih kecil untuk material plastik dibandingkan bermaterial logam. Sehingga kesebandingan diatas dapat ditulis dalam bentuk persamaan dengan memasukkan koefisien yang dipengaruhi oleh material. Sehingga diperoleh, qx = kA

Δ𝑇𝑇 Δx

................................................................. (2.4)

k, adalah konduktivitas thermal (W/m.K), yang adalah merupakan sifat material yang penting. Dengan menggunakan limit Δx

0 kita mendapatkan persamaan

untuk laju perpindahan panas, qx = -kA

𝑑𝑑𝑇𝑇 dx

................................................................... (2.5)

atau persamaan flux panas menjadi: q”x =

qx A

= -k

𝑑𝑑𝑇𝑇 dx

............................................................. (2.6)

2.1.3 Perpindahan Panas Konveksi Yang dimaksud dengan konveksi adalah perpindahan kalor oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Konduksi dan konveksi 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 sifatsifat 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. Sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa perpindahan panas secara konveksi adalah kompleks karena bergantung pada banyak variabel. Oleh karena itu, konveksi adalah mekanisme perpindahan panas yang paling kompleks. Meskipun konveksi adalah kompleks, setelah diamati bahwa laju perpindahan panas secara konveksi berbanding lurus dengan perbedaan temperatur dan dapat ditulis dengan Hukum Newton tentang pendinginan. Berikut pada gambar 2.5 dapat kita lihat gambaran perpindahan panas secara konveksi.

9


10

Gambar 2.5 Perpindahan panas secara konveksi (incropera, 6) qkonveksi = h As (Ts - T∞) .............................................................................. (2.7) h merupakan koefisien perpindahan panas konveksi, As merupakan luas permukaan perpindahan panas, Ts merupakan temperatur permukaan benda, T∞ merupakan temperatur lingkungan sekitar benda.

2.2 Perpindahan Panas Menyeluruh Dalam alat penukar kalor terdapat dua jenis fluida yang mengalir dan dipisahkan oleh dinding material berupa pipa. Dimana perpindahan panas terjadi terhadap kedua fluida dengan perantaraan dinding solid tersebut, yaitu pertama dari fluida panas akan berpindah panasnya menuju permukaan dinding yang terjadi secara konveksi, selanjutnya panas akan berpindah melewati dingding solid menuju permukaan dinding fluida dingin yang terjadi secara konduksi, kemudian panas dari akan berpindah ke fluida dingin yang terjadi secara konveksi sehingga temperatur fluida dingin menjadi naik. Berikut pada gambar 2.6 ini adalah perpindahan panas menyeluruh pada bidang datar.

10


11

Gambar 2.6 Perpindahan panas menyeluruh melalui bidang datar (Holman, 522) Dalam penghitungan koefisien pindahan panas menyeluruh efek radiasi apapun biasanya

termasuk didalam koefisien perpindahan panas konveksi.

Dimana koefisien pindahan panas melalui bidang datar seperti gambar 2.20 dinyatakan sebagai berikut : 𝑞𝑞 = 1

𝑇𝑇𝐴𝐴 − 𝑇𝑇𝐵𝐵

�ℎ 𝐴𝐴 + ∆𝑥𝑥�𝑘𝑘𝑘𝑘 +1�ℎ 𝐴𝐴 1 2

........................................................................... (2.8)

Dimana TA dan TB masing-masing adalah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu. Koefisien pindahan panas menyeluruh U didefenisikan oleh hubungan q = U A∆Tmenyeluruh ................................................................................ (2.9) Dimana A merupakan luas bidang aliran kalor. Jaringan tahanan panas dihubungkan dengan proses perpindahan panas ini yang terdiri dari dua tahanan panas konveksi dan satu tahanan panas konduksi seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut. Pada gambar 2.7 dibawah ini dapat dilihat jaringan tahanan panas.

11


12

Gambar 2.7 Jaringan tahanan panas pada alat penukar kalor (cengel, 671) Dimana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung yang berada didalam dan permukaan luar tabung. Untuk alat penukar kalor tabung sepusat, Ai = DiL dan Ao = DoL, sehingga tahanan termal dinding tabung adalah Rdinding =

ln(Do/Di) 2kL

.......................................................... (2.10)

Gambar 2.8 Dua luasan area alat penukar kalor (cengel, 671) k adalah konduktivitas termal dinding dan L adalah panjang tabung. Sehingga tahanan termal total menjadi R = Rtotal = Ri + Rdinding + Ro =

1 ln(Do/Di) 1 + + h i Ai 2kL h o Ao

................ (2.11)

Dalam menganalisis alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggabungkan semua tahanan panas yang terjadi pada fluida panas sampai fluida dingin menjadi sebuah tahanan panas R, dan laju perpindahan panas diantara kedua fluida adalah 12


13

Q=

ΔT R

= UA ΔT = UiAi ΔT = UoAo ΔT .............................................. (2.12)

U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2 °C). Rumus diatas menjadi : 1 1 1 1 1 = = =R= +Rdinding + UAs Ui Ai Uo Ao h i Ai h o Ao

........................... (2.13)

Sebagai catatan bahwa UiAi = UoAo tetapi Ui ≠ Uo kecuali Ai = Ao 2.3 Alat Penukar Kalor Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti harfiah alat penukar panas. Pengertian ilmiah dari heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran, distilisasi (pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol sebuah proses fluida. Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah permukaan kontak panas. Pada permukaan inilah terjadi perpindahan panas dari satu zat ke zat yang lain. Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Pada kondisi tertentu, ada satu komponen tambahan yang dapat digunakan untuk meningkatkan luas total bidang kontak perpindahan panas ini. Komponen tersebut adalah sirip. 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.

13


14

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 ratarata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur tidak diketahui kita dapat menganalisisnya dengan metode keefektifan-NTU.

2.3.1 Klasifikasi 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 didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan

dengan fluida

pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. Contoh gambar chiller dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini

Gambar 2.9 Chiller sentrifugal (Carl Branan, 437)

14


15

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. Pada gambar 2.10 berikut dapat dilihat contoh gambar kondensor

Gambar 2.10 Kondensor (Holman, 673) 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). Pada gambar 2.11 berikut adalah gambar dari coller.

Gambar 2.11 Coller (https://en.wikipedia.org/wiki/Chiller)

15


16

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. Berikut pada gambar 2.12 adalah gambar dari evaporator.

Gambar 2.12 Evaporator AC (https://www.google.com/search?q=evaporator&tbm)

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. Pada gambar 2.13 dibawah ini adalah gambar dairi reboiler.

Gambar 2.13 Reboiler (Sumber: http://megproduction.blogspot.co.id/2011/04/reboiler-design.html)

16


17

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 adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell. Pada gambar 2.14 berikut adalah gambar dari heat exchanger.

Gambar 2.14 Salah satu Konstruksi Heat Exchanger tipe shell and tube (cengel, 670)

Dari beberapa jenis alat penukar kalor tersebut dapat diklasifikasikan dalam berbagai tipe, diantaranya : 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 17


18

•

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 passaliran 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 baffle) • 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)

18


19

• 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 1. Permukaan yang diperbesar (extended surface) •

Aliran counter menyilang

•

Aliran paralel menyilang

•

Aliran compound

2. Shell and tube • Aliran pararel yang berlawanan • Aliran split • Aliran dibagi (divided) 3. Multipass plat • N-pararel plat multipass

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

19


20

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

indu stri. Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan dalam dunia industri :

1. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe) Heat exchanger ini menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda. Pipa dengan diameter lebih kecil dipasang paralel di dalam pipa berdiameter lebih besar. Perpindahan panas terjadi pada saat fluida kerja yang satu mengalir di dalam pipa diameter kecil, dan fluida kerja lainnya mengalir di luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah. Fluida dingin masuk Fluida dingin keluar

Fluida panas keluar

Pipa annulus

Fluida panas masuk

Gambar 2.15 Heat Exchanger Tipe Double-Pipe (kakac, 194)

20


21

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. 3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.

2. 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). Pada gambar 2.16 dibawah ini adalah gambar shell and tube heat exchanger.

Gambar 2.16 Shell and tube heat exchanger (incropera, 707)

21


22

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

3. Plate Type Heat Exchanger Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengandesign 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 berlapislapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar 2.17 dibawah ini.

Gambar 2.17 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent (Sumber: http://pixhder.com/plate+and+frame+heat+exchanger+design) 22


23

2.4 Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube Alat penukar kalor jenis shell and tube adalah jenis alat penukar panas yang paling serbaguna dari alat penukar panas lainnya. Alat ini digunakan dalam proses industri, pembangkit listrik konvensional dan pembangkit tenaga nuklir sebagai kondensor, generator uap di reaktor air bertekanan pembangkit tenaga listrik, dan sebagai pemanas air. Alat penukar kalor shell and tube juga dipakai untuk banyak aplikasi energi alternatif, juga digunakan di beberapa ac dan sistem pendingin lainnya. Alat penukar kalor shell and tube memberikan rasio area perpindahan panas yang relatif besar dan juga mudah untuk dibersihkan. Dua cairan, temperatur awal yang berbeda, mengalir melalui penukar panas shell and tube. Satu mengalir melalui tabung (sisi tabung) dan aliran lain di luar tabung tapi di dalam shell (sisi shell). Panas dipindahkan dari satu fluida ke yang lain melalui dinding tabung, baik dari tabung sisi ke sisi shell atau sebaliknya. Cairan dapat berupa cairan atau gas baik pada shell atau sisi tabung. Untuk perpindahan panas secara efisien, besar perpindahan panas daerah harus digunakan, yang mengarah ke penggunaan tabung banyak. Dengan cara ini, panas limbah dapat digunakan.

2.5Konstruksi Alat Penukar Kalor Ditinjau dari segi kosntruksi dari alat penukar kalor jenisshell and tube, maka secara umum dapat dikatakan konstruksinya terdiri dari 4 bagian utama yaitu: 1. Bagian depan yang tetap atau Front Head Stationary Head (dalam praktek hanya disingkat stationary head). 2. Shell (cangkang) yaitu badan alat penukar kalor itu. 3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head (dalam praktek lebih sering disebut Rear Head). 4. Berkas tube atau tube-bundle, yaitu kumpulan tube yang dimasukkan ke dalam tube apk. Di dalam standart TEMA, masing-masing bagian tersebut (kecuali nomor 3) telah diberikan kode masing-masing dengan mempergunakan huruf.

23


24

Bagian depan yang tetap (front head stationary) terdiri dari 4 tipe yaitu: tipe A, B, C dan D. Shell alat penukar kalor terdiri dari 6 tipe, yaitu E, F, G, H, J, dan K. Bagian ujung belakang (rear end head) APK dibuat 8 tipe yaitu tipe L, M, N, P, S, T, U dan W. Ketiga gambar itu dapat dilihat pada gambar 2.18 berikut ini.

Gambar 2.18 Standar tipe shell (cangkang), kepala depan dan kepala belakang shell (kakac, 284) Bagian-bagian alat penukar kalor shell and tube dapat kita lihat pada gambar 2.19 dibawah ini.

24


25

Gambar 2.19 Bagian-Bagian Alat penukar Kalor shell and tube (Frank Kreith, 308) Bagian-bagian shell and tube exchanger : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Channel fixed tip Hat fixed tip Channel fixed tip Channel cover Stationary head nozzles Stationary tubes sheet Tubes Shell Shell Cover Stationary shell flange head end 11. Shell flange - Rear Head End 12. 13. 14. 15. 16. 17.

Shell Nozzle Shell cover flange Expansion Joint Floating Head Cover Floating Head Cover Floating Head Flange

18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27.

Head Floating Backing Device Split Ring Shear Slip - on backing flange Floating Head Cover Floating Tube Sheet Skirt Packing box flange Packing Packing follower ring Lantern Ring Tie Rod and Spacer

28. Transverse baffles or Support Plate 29. Impingement baffles 30. Longitudinal baffles 31. Pass partition 32. Vent Connection 33. Connection

a. Jenis-Jenis Shell (cangkang) Seperti diketahui bahwa bentuk konstruksi shell alat penukar kalor terdiri dari 7 jenis, yaitu E, F, G, H, J, K dan X. masing-masing jenis kontruksi mempunyai karakteristik sendiri, untuk itu diperlukan pertimbangan dalam menentukan pemilihan penggunaannya.

25


26

Shell tipe E merupakan salah satu jenis shell yang paling ekonom is, efisiensi termalnya baik, terdiri dari satu pass. Factor koreksi selisih temperatur rata-rata (Log mean temperature difference- F factor) tinggi. Sesuai kebutuhan operasi, apabila terdapat aliran multi pass dalam shell, perlu dipertimbangkan apakah menggunakan 1 shell tipe E F. Dalam hal ini pilihan mungkin akan lebih ekonomis. Tetapi sebaliknya supaya dipikirkan apakah tidak terjadi kesulitan lain dengan pilihan itu, seperti masalah perbaikan memasukkan dan mengeluarkan tube bundle, dan kerugian panas. Segi lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan shell adalah penurunan tekanan atau pressure drop. Jika pressure drop pada sisi shell dibatasi , apakah tidak lebih baik menggunakan shell dengan tipe J, walaupun pada tipe ini terjadi kerugian panas (faktor koreksi F rendah). Masalah pressure drop juga dapat diatasi oleh shell tipe G dan H, dimana terjadi pemisahan aliran dan sedikit mengorbankan faktor koreksi F. Alat penukar kalor dengan satu laluan cangkangadalah tipe yang paling banyak digunakan karena konstruksinya sederhana dan harganya pun murah. Dalam tipe ini, cairan masuk disalah satu ujung shell, dan keluar pada ujung yang lain. Tabung mungkin mempunya satu laluan atau dua laluan dan dapat didukung oleh baffle melintang. Jenis cangkang ini adalah yang paling banyak digunakan untuk aplikasi fluida satu fasa. Pada gambar 2.20 dibawah ini dapat dilihat aliran tiap-tiap shell.

Gambar 2.20 Sket skematik dari beberapa tipe cangkang yang sering digunakan (kakac, 286) 26


27

b. Tube dan Jumlah Aliran Tube Pemilihan yang menyangkut tube antara lain adalah jenis bahan tube sesuai dengan suhu, tekanan dan sifat korosi fluida yang mengalir, dan ukuran tube (diameter dan panjangnya). Ukuran tuba biasa nya 3/8 sampai 2 inci O.D. apabila dipergunakan tube dengan fin (sirip), maka harus dipilih apakah tube dengan sirip kecil (0,05 inci = 1,27 mm) atau sirip tinggi (high fin) biasanya 0,63 sampai 0,75 inci atau 1,6 mm sampai 19,05 mm dan jumlah sirip berkisar antara 16 sampai 19 sirip per inci. Jumlah lintasan aliran pada tube berkisar antara 1-16 pass. Semakin banyak pass aliran akan menimbulkan penurunan efisiensi pada alat penukar kalor sebagai akibat dari pola alirannya.

c. Susunan dan Jumlah Tube Kemampuan melepas dan menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan (heating surface). Besarnya luas permukaan itu tergantung dari

panjang, ukuran dan jumlah tubes yang

dipergunakan pada alat penukar kalor. Dibawah ini terdapat beberapa susunan tubes alat penukar kalor, yaitu tube dengan susunan segitiga (triangular pitch), tube dengan susunan segitiga diputar 30o (rotated triangular pitch), tube dengan susunan bujur sangkar (inline square pitch) dan tube dengan susunan belah ketupat atau bentuk bujur sangkar yang diputar 45o (diamond square pitch). Susunan tabung dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 berikut ini.

Gambar 2.21 Sudut susunan tabung (kakac, 292) 27


28

Susunan tube yang membentuk 45o atau susunan tube diamond seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas merupakan jenis kondisi menengah. Dan susunan tube ini lebih mudah dirancang daripada susunan tube yang membentuk sudut 30o. pembersihan bagian luar tube dilakukan dengan pembersihan mekanik seperti pada bujur sangkar. Tabel 2.1 Kelebihan dan Kekurangan Jenis-Jenis Susunan Tabung NO 1

Susunan Tube Bujur Sangkar

Kelebihan

Kekurangan

Mudah dibuat dan bagus Koefisien untuk

kondisi

yang perpindahan

memerlukan jatuh tekanan panas rendah.

rata-

untuk ratanya rendah

Baik

pembersihan luar tube secara mekanik serta baik untuk fluida yang kotor. 2

Susunan Diamond Mudah dibuat dan jumlah Koefisien (Bujur diputar 45o)

sangkar tube

yang

lebih

daripada

susunan

sangkar

serta

perpindahan

banyak perpindahan bujur panas koefisien ratanya

panas

ratarelative

rata- rendah

ratanya lebih baik dari bujur sangkar, tetapi tidak sebaik susunan segitiga dan segitiga yang diputar. Mudah untuk pembersihan secara mekanis dan baik untuk fluida yang kotor.

28


29

3

Susunan Segitiga

Koefisen perpindahan panas Tidak baik untuk rata-ratannya paling tinggi fluida yang kotor, diantara semua susunan tube. dan pembersihan Dapat dibuat jumlah tube yang

dilakukan

yang lebih banyak sebab secara susunannya lebih kompak.

kimia

(chemical cleaning). Cukup

rumit

untuk dibuat. 4

Susunan

Segitiga Koefisien perpindahan panas Pembersihan

Yang diputar

rata-ratanya yang tinggi tapi yang tidak

sebesar

dilakukan

susunan secara

kimia

segitiga. Dapat digunakan (chemical untuk fluida kotor

cleaning)

Secara teoritis dapat dihitung berapa jumlah tube yang diperlukan suatu alat penukar kalor pada beban tertentu. Hasil perhitungan itu tidak selalu cocok apabila di konstruksikan. Hal ini lebih nyata pada alat penukar kalor yang multi pass. Jumlah tube secara teoritis dapat dihitung dengan rumus: 𝐷𝐷𝐷𝐷 2

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶

𝑁𝑁𝑁𝑁 = 0,785𝑥𝑥( 𝐶𝐶𝐶𝐶 ) (𝑃𝑃𝑃𝑃 )2 (𝑑𝑑𝑑𝑑 )2 .......................................... (2.14)

Dimana CTP adalah jumlah perhitungan tabung konstan yang mewakili diameter dalam cangkang terhadap tabung. Satu laluan tabung, CTP = 0,93 Dua laluan tabung, CTP = 0,90 Tiga laluan tabung, CTP = 0,85 CL adalah layout tabung yang konstan: CL = 1 untuk susunan bujur sangkat dan susunan diamond CL = 0,87 untuk susunan segitiga dan segitiga yang diputar Dan PR adalah pitch ratio.

29


30

d. Jarak Tube (Tube Pitch) Jarak tube pitch ini erat hubungannya dengan ukuran tube, susunan tube (layouts) dan sistem pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tube. Biasanya jarak antar tube (tube pitch) ini adalah berkisar 1,25 (untuk fluida bersih) sampai 1,5 (untuk fluida kotor) dikali diameter luar tube.

e. Baffel Baffel atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor mempunyai beberapa fungsi, yaitu: 1. Struktur untuk menahan tube-bundel. 2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran pada tabung. 3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang mengalir diluar tubes (shell side). Fungsi tersebut selalu menyatu pada setiap pemasangan baffle, namun adakalanya satu sama lainnya harus diperketat persyaratannya untuk tujuantujuan yang khusus. Kadang-kadang para perencana sering melupakan adanya getaran pada tubes bundel, karena dalam prakteknya kerusakan karena akibat getaran itu sangat sedikit sekali. Pada gambar 2.17 nomor 31 terdapat passpartitionyang dipasang pada front-end alat penukar kalor. Bagian ini juga berfungsi sebagai baffel atau sekat aliran fluida yang masuk kedalam front end itu, yang selanjutnya membelok masuk kedalam tube penukar kalor. Dengan memasang plat-partition pada penukar kalor dapat menambah jumlah pass aliran fluida di dalam tube. Sedangkan pemasangan baffel pada sisi shell tidak menambah jumlah aliran di shell tersebut. Ditinjau dari segi konstruksi, baffel dapat diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu: 1. Sekat pelat berbentuk segmen (segmental baffles plate). 2. Sekat batang (rod baffles). 3. Sekat mendatar (longitudinal baffles). 4. Impingement baffles.

30


31

Biasanya jenis sekat ini dipergunakan secara sendiri-sendiri, namun dalam hal eperluan khusus, dapat dikombinasikan jenis yang satu dengan yang lainnya. Hal ini jarang sekali dilakukan. Plat baffel berbentuk segmen yang sering digunakan ditunjukkan pada gambar 2.22 dibawah ini.

Gambar 2.22 Jenis Plat Baffel (kakac, 297) Sekat plat berbentuk segmen dipasang dengan posisi tegak lurus terhadap tubes. Disamping membelokkan aliran, sekat ini juga berfungsi untuk menyangga tubes agar tidak terjadi getaran tubes akibat aliran di luar dan di dalam tubes. Konstruksi sekat ini terdiri dari bahan plat yang dilubangi untuk memasukkan tube kedalamnya. Pada setiap alat penukar kalor dipergunakan lebih dari satu baffel.

31


32

2.6 Aliran di Dalam Alat Penukar Kalor Cairan atau gas yang melewati tabung atau tube 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 kita membutuhkan 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, kita menghitung sifat-sifat fluida pada temperatur rata-rata dan menganggapnya konstan. Persamaan untuk menghitung kecepatan rata-rata berasal dari hukum kekekalan massa, yakni .

ṁ = ρuAc = ∫Ac ρu(r,x)dAc .......................................... (2.15)

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

𝑅𝑅

∫ ρu(r,x)dAc ∫0 ρu(r,x)2rdr 2 𝑅𝑅 u = Ac = = 2 ∫ u(r,x)rdr .......... (2.16) ρAc ρR2 R 0

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 32


33

pipa yang memiliki diameter yang kecil, ataupun pada jarak yang dekat. Osborne Reynolds (1841-1912), ilmuwan dan ahli matematika inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua kasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.23 dibawah ini

Gambar 2.23 Eksperimen untuk menentukan jenis aliran (Bruce R Munson) Gmabar 2.23 menunjukkan jenis aliran tersebut tergantung pada kecepatan fluida yang melalui pipa dan dapat ditentukan dengan bilangan Reynolds (Re), yaitu perbandingan antara efek inersia dan viskos dalam aliran. Dari percobaan tersebut Osborne Reynoldsmenentukan rumus empiris untuk menenukan besarnya nilai bilangan Reynold dalam sebuah pipa . Untuk aliran didalam pipa yang memiliki penampang lingkaran, bilangan Reynold didefenisikan sebagai Re =

𝜌𝜌𝑢𝑢𝑢𝑢 𝑢𝑢𝑢𝑢 =

μ

v

............................................ (2.17)

u adalah kecepatan rata-rata fluida, D adalah diameter pipa, dan v adalah viskositas kinematik fluida. Re < 2300 2300 ≤ Re ≤ 10000 Re > 10000

aliran laminar aliran transisi 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 33


34

Nu = 1,86 �

Re Pr D 1/3 μb 0,14

�

L

�μ � s

.......................... (2.18)

Semua sifat fluida dihitung pada temperatur rata-rata fluida, kecuali μsdihitung pada temperatur permukaan pipa.

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 ................................................. (2.19) 0,7 ≤ Pr ≤ 160

dengan syarat bahwa :

Re > 10000 Persamaan diatas disebut Persamaan Colburn. Keakurasian persamaan diatas dapat ditingkatkan dengan memodifikasinya menjadi Nu = 0,023 Re0,8 Pr n ................................................. (2.20) 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. Diantara sejumlah rumus yang ada, rumus yang sering digunakan untuk aliran turbulent adalah rumus yang dianjurkan Donohue dan Kern. Donohue menghitung 2 kecepatan massa, yaitu kecepatan massa longitudinal (Gl) dan kecepatan massa transversal (Gt) didalam cangkang. Selanjutnya digabungkan satu kecepatan massa ekivalen (Ge) yaitu: 𝐺𝐺𝐺𝐺 = √𝐺𝐺𝐺𝐺 𝑥𝑥 𝐺𝐺𝐺𝐺 .............................................................(2.21)

Pada gambar 2.24 dibawah ini dapat dilihat aliran di dalam cangkang.

Gl

Gt Gl

Gt Gl

Gt

l Gambar 2.24 Aliran didalam cangkang alat penukar kalor shell and tube

34


35

Panjang karakteristikdari bilangan nusselt dan reynold, diameter luar (de) dari satu tabung. Bilangan prandl, viskositas, dan konduktivitas termal dievaluasi pada suhu dinding tabung. Kern mengamati bahwa dalam cangkang yang dinormalisasi yaitu ruang bebas (diujung sekat) adalah 25% dari diameter dalam cangkang dimana dalam hal ini Gl = Gt. Dengan demikian perhitungan bilangan reynold terbatas oleh satu kecepatan massa transversal Gt. Dimana Gt adalah: 𝐺𝐺𝐺𝐺 = Dimana:

𝑚𝑚̇ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑥𝑥 𝑙𝑙 𝑥𝑥 (𝑝𝑝 −𝑑𝑑𝑑𝑑 ) 𝑝𝑝

...........................................................(2.22)

Di

= diameter dalam cangkang

de

= diameter luar tabung

P

= jarak antar dua sumbu tabung

l

= jarak antar sekat

de p

Gambar 2.25 Sket susunan tabung pada plat tabung Dan menghitung diameter hidrolik: 4𝑝𝑝 2

𝐷𝐷ℎ = 𝜋𝜋 𝑥𝑥 𝑑𝑑𝑑𝑑 − 𝑑𝑑𝑑𝑑 ..........................................................(2.23) 2.6.1 Metode 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 35


36

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: q = ṁc(ic,o – ic,i) = ṁh(ih,i – ih,o) .................................... (2.24) 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) ................... (2.25) 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) .................................................... (2.26) 2.7 Dimensi Alat Penukar Kalor Dalam mendesain alat penukar kalor untuk menghitung luas dari alat tersebut (A) dapat dihitung dengan rumus: 𝑄𝑄

𝐴𝐴 = 𝑈𝑈 𝑥𝑥 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 ........................................................................................(2.27)

Dimana:

Q

= laju perpindahan panas (W)

CMTD = gradien temperatur = koefisien perpindahan panas total (W/m2·K)

U

Koefisien Perpindahan panas menyeluruh (U), dihitung dari: 1

𝑈𝑈

Dimana:

1

1

𝑇𝑇

= ℎ𝑐𝑐 + ℎ𝑓𝑓 + 𝜆𝜆 + 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 ..............................................................(2.28) hc = koefisien pindahan panas didalam tabung (W/m2·K)

hf = koefisien pindahan panas didalam cangkang (W/m2·K) T = tebal tabung (m) 𝞴𝞴 = konduktfitas termal bahan (W/m·K)

Rfi = faktor pengotoran fluida didalam cangkang (m2 oC/W) Rfc = faktor pengotoran fluida didalam tabung (m2 oC/W)

Untuk asumsi koefisien pindahan panas fluida sebagai awal perhitungan dapat dilihat pada tabel:

36


37

Tabel 2.2 Referensi nilai koefisien pindahan panas (Manfred, 3)

Dari tabel diatas dapat dilihat koefisien pindahan panas untuk air yaitu 250-500 (W/m2·K). Gradien temperatur (CMTD) untuk alat penukar kalor multipass, dapat dihitung dengan rumus: 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝐹𝐹 𝑥𝑥 𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥 ............................................................................ (2.29)

Dimana:

F

= faktor koreksi

𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥𝛥 = perbedaan temperatur rata-rata

Faktor koreksi (F) dapat dicari melalui grafik correction factor yang sudah ditentukan untuk alat penukar kalor satu laluan cangkang, dan dua laluan cangkang. Grafik untuk menentukan faktor koreksi alat penukar kalor tipe shell and tube dapat kita lihat pada gambar 2.27 dan 2.28 berikut ini.

Gambar 2.26 Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk satu laluan cangkang dengan dua laluan tabung, dan empat laluan tabung (Holman, 534)

37


38

Gambar 2.27 Grafik faktor koreksi alat penukar kalor untuk dua laluan cangkang dengan empat, dan delapan laluan tabung (Holman, 534) Dalam mencari faktor koreksi pada tabel diatas, terlebih dahulu menghitung R dan P dengan rumus: 𝑅𝑅 =

𝑇𝑇1−𝑇𝑇2 𝑡𝑡2−𝑡𝑡1

............................................................................................(2.30)

𝑡𝑡2−𝑡𝑡1

𝑃𝑃 = 𝑇𝑇1−𝑡𝑡1 .............................................................................................(2.31) 2.8 Isolasi Panas Isolasi berfungsi untuk mencegah kehilangan panas alat penukar kalor, pipa-pipa steam/gas yang bersuhu tinggi ke sekeliling yang suhunya lebih rendah atau sebaliknya. Untuk alat penukar kalor dengan suhu rendah, isolasi berfungsi untuk mencegah masuknya panas karena suhu sekitarnya yang lebih tinggi. Isolasi juga berfungsi mencegah bahaya yang dapat timbul bila orang menyentuh permukaan benda yang sangat panas. Makin tebal isolasi, maka makin sedikit panas yang hilang. Bahan isolasi yang baik memiliki ciri-ciri sebagai berikut: 1. Daya hantar panas rendah 2. Dapat menahan arus konveksi 3. Disesuaikan dengan suhu Material dibawah ini adalah beberapa jenis material non logam yang biasa digunakan sebagai bahan isolasi beserta konduktivitas termalnya: 38


39

Tabel 2.3 Konduktivitas Termal Bahan Isolasi Bahan Magnesit Marmar Batu pasir Kaca, jendela Kayu, maple atau ek Serbuk gergaji Wol kaca Aluminium foil kraft paper

Konduktivitas Termal (W/m˙K) 4.15 2.08-2.94 1.83 0.78 0.17 0.059 0.038 0,037

Dari tabel diatas dapat dilihat konduktivitas termal material yang digunakan sebagai bahan isolasi adalah material yang memiliki konduktivitas termal yang rendah. Ini dilakukan untuk meminimalisir kalor yang keluar ataupun masuk ke dalam alat penukar kalor.

2.9 Faktor Pengotoran dalam Alat Penukar Kalor Performansi alat penukar kalor biasanya semakin menurun dengan bertambahnya waktu pemakaian sebagai akibat terjadinya penumpukan kotoran pada permukaan alat penukar kalor. Lapisan kotoran tersebut menimbulkan hambatan tambahan pada proses perpindahan panas dan mengakibatkan penurunan laju perpindahan panas pada alat penukar kalor. Penumpukan kotoran pada alat penukar kalor disebut faktor kotoran Rfyang menjadi ukuran dalam tahanan termal. Faktor kotoran adalah nol untuk alat penukar kalor yang baru dan meningkat dengan meningkatnya lama pemakaian sehingga kotoran menempel pada permukaan alat penukar kalor. Faktor kotoran bergantung pada temperatur operasi dan kecepatan fluida, dan sebanding dengan panjang alat penukar kalor. Kotoran akan meningkat dengan meningkatnya temperatur dan menurunnya kecepatan. Ai = DiL dan Ao= DoL adalah luas area permukaan dalam dan luar alat penukar kalor. Rf,i dan Rf,o adalah faktor kotoran permukaan dalam dan luar alat penukar kalor. 39


40

Tabel 2.4 Faktor Pengotoran untuk berbagai fluida (incropera, 709) Fluid Distiled water, sea water, river water, boiled feedwater : Below 50 °C Above 50 °C Fuel oil Steam (oil-free) Refrigerants (liquid) Refrigerants (vapor) Alcohol vapors Air

Rf, m2. °C/W

0.0001 0.0002 0.0009 0.0001 0.0002 0.0004 0.0001 0.0004

2.10 Manfaat Mandi Air Panas Belerang Belerang atau sulfur adalah unsur kimia yang memiliki lambing S pada table periodik dan memiliki nomor atom 16. Bentuknya adalah non-metal yang tak berasa. Dalam bentuk aslinya berupa zat padat kristalin kuning. Penggunaan komersilnya terutama dalam fertilizer, bubuk mesiu, korek api, insektisida, dan fungisida. Belerang juga dapat membunuh kuman atau bakteri tertentu yang menyerang kulit. Oleh karena itu banyak kita jumpai pemandian air panas belerang di berbagai tempat wisata. Mandi air panas belerang juga dipergunakan sebagai terapi kesehatan karena terbukti menyembuhkan berbagai penyakit kulit. Dengan berendam di pemandian air panas, penyakit seperti rematik, gatal-gatal bisa sembuh. Air belerang juga bermanfaat membantu mengatasi timbulnya jerawat pada kulit tubuh, terutama pada kulit wajah. Perlu diketahui belerang mmempunyai kandungan anti bakteri yang dapat menghindarkan bakteri pada kulit wajah. Oleh karena banyak manfaat dari mandi air belerang, pemandian air belerang banyak dijadikan sebagai tempat wisata. Contohnya saja di daerah Sumatera Utara,terdapat pemandian air belerang di desa Semangat Gunung, Tanah Karo. Banyak pengunjung lokal maupun wisatawan asing berkunjung ke tempat ini untuk relaksasi menikmati pemandian air panas ditengah dinginnya udara pegunungan.

40


41

Akan tetapi pada saat selesai mandi air panas, pengunjung akan membasuh membersihkan diri dengan air dingin dengan suhu sekitar 25o C oleh karena tidak tersedianya air hangat untuk membasuh tubuh pengunjung. Hal ini tidak baik pada kesehatan, pada saat mandi air belerang yang bersuhu konstan sekitar 45o C menyebabkan pori-pori kulit lebih terbuka, sehingga apabila dengan tiba-tiba membasuh tubuh dengan air dingin akan dapat menyebabkan masuk angin dan bahkan tubuh akan meriang dan demam. Oleh karena itu perlunya disediakannya air hangat untuk membasuh tubuh oleh pihak pengelola pemandian air panas di desa Semangat Gunung, Tanah Karo.Selain untuk menjaga kesehatan para pengunjung, juga dapat meningkatkan pelayanannya. Hal ini juga dapat meningkatkan pengunjung pemandian oleh karena pelayanan yang baik dari pihak pengelola.

41


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents