Chapter ii 4

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

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

PrPrPrRe Nu ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

s

nmDD C

kDh

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 )]K 29,1[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 + nu ∆pF + ∆ps


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 :

16,008,1 Re118,025,0f −

⎪⎪

⎭

⎪⎪

⎬

⎫

⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

+=

ddSn

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 :

)( )( , 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 :


)( )( , 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

TTAUQ

ΔΔ == & (2.3)

dimana :

(K) logaritmik rata-ratasuhu beda=Δ lmT

Gambar 2.5 : Diagram Temperatur


[ ])/()(ln)()(

umakukam

umakukamlm TTTT

TTTTT

−−−−−

=Δ

iioos AUAUAU ==

Uo = koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan permukaan

luar tabung (m2)

11

2)/ln(1

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

us

ioo

ai

oo hLk

DDAhA

AU

π

11

2)/ln( 1

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

u

iooT

ai

ohk

DDDNhD

D

Ui = koefisien perpindahan kalor menyeluruh berdasarkan permukaan

dalam tabung (m2)

11

2)/ln(1

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

uo

i

s

ioi

ai hA

ALk

DDAh

Uπ

11

2)/ln( 1

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

uo

iioiT

a hDD

kDDDN

h

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡++=

uos

io

ait hALk

DDhA

R 1

2)/ln(

1

π

Ao = luas dinding luar tabung (m2)

soTo LDNA π=

Ai = luas dinding dalam tabung (m2)

siTi LDNA π=

hu = koefisien perpindahan kalor konveksi udara (W/m2 K)

ha = koefisien perpindahan kalor konveksi air (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

aaa D

kDk

Dk

Nuh 36,41148

=== (untuk laminar Re<2300) (2.4)

)Pr Re (0,023 na

0,8a

i

a

i

aaa D

kDk

Nuh == (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

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 :


14,0

,

3/155,0 )(Pr)Re( 36,0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

su

uuuuNu

μμ

(2.7)

dimana : μu = viskositas dinamik udara (kg/m.s)

μu,s = viskositas dinamik udara pada suhu dinding (kg/m.s)

u

uupu k

c μ Pr ,=

uf

eu

u

emaksuu A

DmDVμμ

ρ

Re&

==

Af = luas aliran silang (m2)


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

oOTLOTLsBf DP

PDD

DDLA 707,0

(2.8)

PT

P 1

PT

C 1

Do

Gambar 2.6 : Susunan Tabung Belah Ketupat


basah kelilingaliran luas x 4

=eD

o

oT

e D

DPD

4

4 22

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 maksimumkalor n perpindahalaju

aktualkalor n perpindahalaju ==

maksQQ&

&ε (2.10)

Laju perpindahan kalor aktual dalam alat penukar kalor dapat ditentukan dari

balans energi dari pada fluida panas atau dingin sebagai berikut :

)()( hohihcicoc TTCTTCQ −=−=& (2.11)


dimana :

dingin fluida panas kapasitaslaju == pccc cmC &

panas fluida panas kapasitaslaju == phhh cmC &

(kg/s)dingin fluida massaaliran laju =cm&

(kg/s) panas fluida massaaliran laju =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

hohihTTC

TTCTTC

TTC−−

=−−

=ε (2.13)

bila Ch adalah Cmin maka : )()(

cihi

hohiTTTT

−−

=ε (2.14)

dan bila Cc adalah Cmin maka : )()(

cihi

cicoTTTT

−−

=ε (2.15)


Apabila efektivitas dari alat penukar kalor diketahui, maka laju perpindahan

kalor aktual dapat ditentukan sebagai berikut :

)( cihiminmaks TTCQQ −== εε && (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

maksL

VfNP

ρχ=Δ (2.17)

dimana :

∆P = penurunan tekanan (Pa)

gesekfaktor =f

koreksifaktor =χ

1=χ untuk susunan tabung bujur sangkar dan segitiga

NL = jumlah baris tabung

Vmaks = kecepatan maksimum fluida (m/s)


Selain itu Hewitt at al [22] dalam bukunya menyatakan penurunan tekanan

dalam berkas tabung sebagai berikut :

( )2

2maks

fraV

KnKpρ

+=Δ (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

Am

DDNfp

ρμμ&+

=Δ (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 sekat dengan


sekat (NB + 1) dan jarak lintas aliran pada setiap segmen sehingga penurunan tekanan

dapat dihitung dari persamaan :

2

)1( 2

ss

e

sB

VDD

Nfpρ

+=Δ (2.20)

dimana : ∆p = penurunan tekanan (Pa)


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.


Gambar 2.7 : Kerangka Konsep Penelitian


Gambar 2.8 : Diagram alir penelitan


Chapter ii 4

Environment

Transcript of Chapter ii 4