Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiahPPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995

'2-0.3

Buku I 83

PERIllTUNGAN DAN ANALISIS FAKTORKOREKSIKOEFISIEN PERPINDAHAN KALOR PADAHEAT EXCHANGERTIPE CANGKANG DAN PIPAREAKTOR KARTINI

SuyamtoPPNY-BATAN p.o. Box 1008 Yogyakarla 55010

ABSTRAK

PERHITUNGAN DAN ANALISIS FAKTOR KOREKSI KOEFISIENPERPINDAHANKALORPADAHEATEXCHANGERREAKTOR KARTINI. Telahdilakukan analisisdanperhitunganfaktor kareksi koefisienperpindahan kalor pada Heat Exchanger (HE) tipe cangkang danpipa reaktor Kartini. Analisis dan perhi-tungan dilakukan karena dimensi HE berubah akibat dad pemakaian yang sudah lebih dad 15 tho Dariperhitungan yang telah dilakukan dengan menggunakan data dimensi HE sesungguhnya yang terukur,diperoleh faktor koreksi totalFt sebesar 0,4669. Sedang dad analisis dapat diketahui bahwa faktor korek-si tersebut menyimpang sebesar 0,1331 dad harga perkiraan. Bila pengikisan air pendingin sekunderdanpengaratan yang teljadi pada sekat linear terhadap jam operasi HE, makafungsi dari sekat akan kritispada tahun 2002/2003 atau 7,5 tahun lagi.

ABSTRACTTHE COMPUTATION AlvD ANALYSIS OF THE CORRECTION FACTOR OF HEAT TRANSFER

COEFFISIENTFOR THE KARTINI REACTOR'S HEAT EXCHANGER. The computation and analysis of theheat transfer coejJisientcorrectionfactor for the shell and'tube type of the Kartini reactor's heat exchanger(HE) has been carded out. The computation of the correctionfactor was done by measudng of the actualdimention of HE. As known that the shell and tube type of the Kartini reactor's has been opera- tedfor morethan 15 years. Due to the scraping and rusting occur at the bujJle, the total heat transfer coejJisiencorrectionfactor Ft was decrease. At the later computation, it isfound that it's value is 0,4669 or differ of0,1331 compared to theprediction standart value. Solar, if the rusting and scraping of the secondary watercoolant to the bujJle is linear to the earlierHE's operation time, it is predicted that thefunction of the bujJlewill cdsis appro- ximately in theyear of 2002/2003 or 7,5years again.

PENDAHULUAN

Telah diketahui bahwa pacta saat ini reaktorKartini mempunyai dua buah HE yaitu tipe

cangkang clanpipa serta tipe plat. HE tipe cangkangclanpipa tersebut telah dioperasikiillselama 15tahunsehingga unjuk keIjanya berubah daTI tidak sesuailagi denganyang diharapkan. Salah satu faktoryangmempengaruhiunjuk keIja dari HE adalah ko efisienperpindahankalomya. Semakin kedl harga koefisienperpindahan kalor suatu HE, akan semakin jelekunjuk kerjanya sehingga proses terjadinya per-pindahan kalor akan terganggu.

Besamya koefisien perpindahan kalor ter-gantung pactabeberapa faktor seperti bentuk alirancairankeIja di dalam HE, faktor pengotoran (foulingfactor) clan dimensi serta konfigurasi dari pipa-pipadalambunde1.(l)

Bentuk aliran di dalam HE dapatberubah bilaterjadi kebocoran aliran sebagai akibat dari

teIjadinya perubahan dimensi. Dari pengamatan clanpengukuran yang telah dilakukan dapat diketahuibahwa temyata sekat (bufJle) HE sudah mengalamibanyak kerusakan karena pengikisan clan pengarat-an. Akibatnya adalah teIjadi perubahan dimensiclan kebocoran aliran cairan keIja di dalam HE.

Di dalam makalah ini dihitung daTIdi analisisbesamya faktor koreksi perpindahan kalor yangditimbulkan oleh perubahan bentuk aliran tersebut.

TEORI

Koefisien perpindahan kalor total suatuHE tipe cangkang clanpipa terdiri dari limafaktor ataukomponen penyusun yaitu (lihat gambar 1) :1. Konveksi film pactasisi cangkang2. Konveksi film pactasisi pipa3. Konduksi dari dinding pipa

lSSN 0216-3128 ~ Suyamto

84

4.

5.Pengotor pacta sisi cangkangPengotor pacta sisi pipa.

d.1..ItJti"8 pi:pa

Xot8%"tLJlB>!lJt. I

1 da,. 2. lcoavU:ai :rUm

3. koaduJc:si d.Ud1:as 111:1&4 da. 5. P<>"8otor 0I

1510I12

0,I

o~d!.:a.d1"8 pipa

4

3

, 1+oSJlgka"8

Gambar 1. Distribltsi don komponen penyltSltnkoef,sien perpimIahan kalor totalHE

Koefisien perpindahan killer karena konveksifilm sering juga disebut sebagai koefisienperpindahan killer konduksi permukaan. Untuk sisicangkang besamya adalah

ho = Ft hi

di mana,

he = koefisien perpindahan killer konveksi,W/m2K

n = koefisien perpindahan kalor konveksiideal W,m2K

F, = faktor koreksi

F, pacta rumus di alas sangat besar peng-aruhnya terhadap koefisien perpindahan kalor sisicangkang. Pacta umurnnya berkisar antara 0,4 -0,6,tergantung pacta dimensi dan konfigurasi sekatrnaupun bundel pipa, serta kondisi operasi daTiHE.Untuk menentukan besamya faktor koreksi F, dapatdipakai metode Bell, Deware dan Taborek sebagaiberikut.

Pi = Fl F2F3 F4 Fs

di mana :

FI = faktor koreksi jendela potongan sekat

F2 = faktor koreksi kebocoran aliran pactasekat

Buku IPrQsiding Pertemuan dan Presentasi IlmiaIr

PPNY-BATAN, Yof{vakarta 25-27 Apru1995

F3 = faktor koreksi laluan (bypass) bundelF4 = faktor koreksi bentuk aliran

Fs = faktor koreksi ketidaksarnaanjarak sekat

Faktor Koreksi Jendela Potongan Sekat

Besarnya faktor koreksi jendela sekattergantung' pactapotongan sekat (lihat gambar 2a)dirurnuskan sebagaiberikut(l)

eekat

keboCO:raJL al.1rtul.

Ca)

pex;reJcat aUroa

Cb) .

(1)

Leo

M

'-

(c)

Gambar 2. Penyebab timbulnya faktor koreksi Fe(a) -Potongan sekat, mengakibatkan timbulnya F]

-Kebo~oran aliran pacta sekat, mengakibatkan 2(b) Penyekat aliran, mengakibatkan F3

(c) Ketidaksamaan j arak sekat, mengakibatkan F5

(2)FI = 0,55 + 0,72Fe (3)

Besamya F1 dapat dihitung apabila diketahui.dimensi-dimensi HE berikut ini

Suyamto ISSN 0216-3128

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IlmiahPPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995

Ds = diameter dalam dati cangkang, nunBC = besar potongan sekat, %do = diameter luar pipa, mmLb = jarak antara cangkang dan blUldelpipa, nun

Faktor Koreksi Kebocoran Aliran Pad aSekat

Faktor koreksi aliran pactasekat dipengaruhioleh jarak antara sekat terhadap cangkang maupunpipa, dirumuskan sebagai berikut.(1)

F2 = 0,44(1- r~ + {I - 0,44 (1 - r~J e-2,2rlm

Besarnya F2 dapat dihitlUlg bila diketahuidimensi-dimensi dati HE berikut ini.

Ltec = Lt(3):jarakpitchantarpipa,mm

Lst = jarak sekat tengah, mmDc = diameter lubang tempat pipa pacta sekat,

mmN

Ltb= jumlah pipa

= jarak clearance antara pipa danlubang pactasekat, nun

Faktor Koreksi Laluan (bypass) Bundel

Faktor koreksi tersebut merupakan pencer-minan atau pengaruh daTi adanya penyekat aliran(sealing strip) pada cangkang dan pelalu aliran(bypass lane), lihat gambar 2c. Besarnya adalah Y)

F3 = Exp [ - Cbh. FsbP{J - (2rs,iI3)}]

Untuk menghitung F3 hams diketahuibesarnyaLp yaitujalurlaluan (bypas lane). rss pactarumus 5 di alas adalah menunjukkan pengaruh daripemasangan penyekat aliran. Besarnya tergantlUlgpactajumlah sekat aliran yang dipasang. Sedang Cbhadalah suatu konstanta yang besarnya tergantlUlgpactabentuk aliran di dalam cangkang.

Faktor Koreksi Bentuk Aliran

Seperti diketahui bahwa bentuk aliran (flowregime) dibedakan dalam tiga macam bentukberdasarkan pada besarnya bilangan Reynold yaituturbulen, transisi dan laminar. Besarnya faktorkoreksi bentuk aliran (F4) berbeda-beda untukmasing-masing bentuk.

Faktor Koreksi Ketidaksamaan Jarak Sekat

Faktor koreksi ini muncul akibat dariketidaksamaanjarak antara sekat tengah dan pinggir.Besarnyaadalah :(1)

Buku I

(4)

(5)

85

Fs = (Ns-l)+L1-"+L~I-")(Ns - 1) + Li + La (6)

di mana :

1.;= Ls/Lst dan Lo= LsJLst

Lsidan Lso= jarak sekat pinggir (gambar 2c)

N = jumlah sekat

TATAKERJA

Penelitian ini dilaksanakan setelah bagianblUldelpipa dikeluaIkan dati cangkangnya, kemudiandilakukan perawatan dID pembersihan denganmengikuti prosedur yang ada, yaitu

1. Bagian dalam dati cangkang dibersihkan denganhidran

2. Pactabagian luar bundel pipa dilakukan

a. pembersihan terhadap kotoran yangmenempel

b. pengelupasan kerak dengan amplasc. pengelupasan kerak dengan menggunakan

campuran 9 % HNO3selama 10 menit

3. Pacta bagian dalam dari pipa dilakukanpengikatan ion dengan menggunakan campuran10% Na2EDTAselama 10 memtPerbaikan sekat yang telah mengalamikerusakan

4.

Perlu diketahui bahwa karena adanyapengikisan daD pengaratan pada pipa dan sekat,kemudian HE dirawat dengan perlakuan sepertitersebut di alas, maka dimensi HE banyakmengalarni perubahan sehingga tidak sesuai lagidengan ukuran standarnya. Dalam pengukurandimensi HE untuk menghitung faktor koreksidilakukan 10 kali secara acak.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran dimensi HE untukmenghitlUlg besarnya faktor koreksi perpindahankaior ditunjukkan dalam label 1.

Dengan data masukan pacta label 1, makadapat dihitung besaran-besaran suplemen lUltukrumus 3 sampai dengan 6. Hasilnya ditlUljukkandalam label 2.

ISSN 0216~3128 Suyamto

86 Bukll I.Prosiding Pertenlllan dan Presentasi //miallPPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April /995

Tabell. Ukuran-ukuran fisis HE sebagai datamasukan untuk menghitung besarnyafaktor koreksi pad a rumus 3 sampaidengan 6

Tabel2. HasH perhitungan besaran-besaransuplemen yang dipakai untuk meng-hitung faktor koreksi pada rumus 3sampai dengan 6(1)

Dengan menggunakan data dimensi HE pactatabel 1 dan data suplemen pacta tabel 2, akhimyadapat dihitung besar setiap faktor koreksi Fl sampaidengan F5. Dalam perhitungan ini diambil konstantadan batasan sebagai berikut.(2)

1. Karena tidak actapenyekat aliran pactadindingcangkang makabesarnya rsspactarumus 5 adalah0 (nol)Telah dihitung bahwa besarnya bilanganReynold pacta sisi cangkang untuk kondisioperasi biasa adalah 13.868,(3)sehingga bentukalirannya adalah turbulen. Dan untuk aliran tur-bulen, besarnya CbhpactaTUmus5 adalah 1,25Faktor koreksi bentuk aliran F4 hanyaberlakuuntuk aliran laminar,sedang untuk aliran tubulenbesar faktor koreksi ini adalah 1 (satu).

2.

3.

Hasil perhitungan tiap faktor koreksitersebut ditunjukkan dalam label 3. Kemudiandengan menggunakan besaran Fl sampai dengan Fspacta label 3, maka dapat dihitung besar faktorkoreksi perpindahan kalor total karena konduksipermukaan pactasisi cangkang Ft. (TUmus1).

Di dalam tabel 3 juga ditunjukkan perbedaanfaktor koreksi hasil perhitungan terl1adap hargaperkiraan yang biasa diambil, khususnya untukkeperluan disain.

Tabel 3. HasH perhitungan faktor koreksi daDperbandingannya terhadap harga per-kiraan yang direkomendasikan

* dihittU1gdaTikondisi baik, dimana faktor koreksi Fberharga baik sesuai dengan fungsinya

Dengan melihat besamya Ft, maka denganmengambil asumsi-asumsi tertentu akan dapat di-hitung atau diperldrakan masa kritis fungsi sekatsebagai berikut.

Seperti diketahui bahwa faktor koreksi pactaTUmUS-TUmus3 sampai dengan 6 sangat dipengaruhioleh keadaan sekat. Untuk itu apabila diasumsikanbahwa :

1. Fungsi sekat sudah dianggap kritis atau jelekhila besarnya faktor koreksi total Ft mini-mum, yaitu 0,4

2. HE telah dioperasikan 15 tahun, dari 1980sampai 1995

3. Jam operasi atau pemakaian HE dianggapkontinue, yaitu rata-rata 5jam/hari dID5 hariJminggu atau 1300jam/tatun, maka rnasakritis(Tk)dari sekat adalah

- (0,4669 - 0,4) x (1995- 1980) = 7,54 tahunTk - (0,6 - 0,4669)

Suyamto ISSN 0216-3128

simbol besar simbol besar

Ds 392 Lst 209

di 16,74 Lso 250

do 19,09 Lsi 258

BC 25 Ltb 1,48

N 144 Lb(l,3) 15

Ns 16 Lo(l,3) 27,60

simbol besar simbol besar

Fw 0,1696 Sm 20511

Fe 0,661 Sb 6019,2

Dotl 377 Ssb 1285,83

Detl 357,96 Stb 5495,59

Betl 113,6 Stbl 45,96

Bds 122,52 rs 0,1896

Lsb 3,168 rIm 0,331

Fsbo 0,293 Lol 13,8

Cbh 1,25 La 1,234

n 0,6 Li 1,196

simbol basil harga perbedaan *

perhitungan perkiraan

FI 1,0257 0,65 - 1,50 0,4743

F2 0,6672 0,70 -0,80 0,1328

F3 0,693 0,70 -0,90 0,2070

F4 1 1 -F5 0,9846 0,85 -1,0 0,0154

Ft 0,4669 0,40 -0,60 0,1331

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IlmiahPPNY-BATAN, Yogyakarta 25-27 April 1995

Dengan demikian maka fungsi sekat akanmempunyaikriteriajelek setelah dipakai 7,54 tahunlagi alan pactatahun 2002/2003 yang akan datang.

Apabila jam pemakaian HE lebih kecil dari1300jamltahun maka masa kritis dari HEjuga akanlebih panjang, daTIsebaliknya hila pemakaiannyalebih besar dari 1300jamltahun.

Jika dilihat penyimpangan faktor koreksiperpindahan kalor total Ft dari kondisi baiknya se-besar 0,1331 untuk pemakaian selama 15 tahun,maka penurunan kualitas HE rata-rata pertahunadalahO,1331/15 = 8,873 W-3.

Disamping itu dengan melihat besarnyamasing-masing faktor koreksi maka : jarak jendelasekat, kebocoran aliran yang disebabkan oleh ke-adaan sekat daTIfaktor pemasangan penyekat aliranmemberikan kontribusi yang dominan terhadapbesamya faktor koreksi total Ft.

KESIMPULAN DAN SARAN

Dari basil perawatan dan pembersihanterhadapHE, serta berdasarkan basil perhitungan daTIpembahasan yang telah dilakukan dapat diambilkesimpulan sebagai berikut :

1. Pengerakan, pengikisan dan pengaratan yangterjadi pacta HE, khususnya pacta sekat sangatbesar, hal ini sangat erat kaitannya dengan kua-litasair pendingin sekunder. Untuk itu seyogya-nya air pendingin sekunder lebih ditingkatkankualitasnya dengan cara di-treatment lebihdolo sebelum dirnasukkan ke HE.

2. Besar penyimpangan faktor koreksi koefisienperpindahan kalor sisi cangkang dari kondisibaik adalah 0,1331. Dengan dernikian maka ter-jadi penurunan kualitas sebesar 8,873 10-3/tahun.

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan telah selesainya penelitian ini, karnimengucap-kan terirna kasih kepada seluruh anggota" SATGAS Perawatan HE lama Tipe Shell and TubeReaktorKartini"yang telah melakukanpembongkar-an, perawatan,pengukuran dimensi daTIpemasangankembali dari HE tersebut.

DAFTARPUSTAKA

1. D. BRIAN SPELDING, TABOREK, J andKENNETH, J., Heat Exchanger Design Hand

Buku I 87

2.

Book, Chapter 1 daTI3, Hernispere PublishingCorporation, 1983. -TUNGGULM SITOMPUL, Alat Penukar Kalor(Heat Exchanger), ed I, cet I, ISBN 979-363-2,1993.SUYAMTO,Analisis daTIEvaluasi Unjuk KerjaAlat Penukar Kalor (APK) Tipe Cangkang daTIPipa Reaktor Kartini, Presentasi Peneliti Muda,PPNY-BATAN,1994.SUYAMTO, Faktor Koreksi GeometriSubchannel Buffle Terhadap Koefisien Perpin-dahanPanas Konveksi Dalam Bundel, Indus trialTraining, Jepang 1992/1993.SUPRAPTO, Analisa Perpindahan Panas HeatExchanger Tipe Shell and Tube Untuk ReaktorKartini Batan, Yogyakarta, Ir Thesis, ITSSurabaya 1991.

3.

4.

5.

TANYAJAWAB

Utaja

- Mohon penjelasan arab perpindahan panas pactacangkang 7

- Kenapa koefisien perpindahan panas tube kecil 7,justru tube inilah yang membuang panas 7.

- Bagaimana menghitung bilangan Reynold 7.Hargayang penyaji berikan (Re = 1300),actapactasisi mana, tube atau shell?

Suyamto

- Arah perpindahan panas pada sisi cangkangadalah vertikal dari sisi pipa ke sisi cangkang.

- Benar, bahwa koefisien perpindahan panas disisipipa adalah besar, yang keci! adalah tahananperpindahan panasnya.

- Besar bilangan Reynold dihitung denganmengambil daflar pustaka 3, yaitu

Re = De. v p!l

Re = 13,868. pada posisi cangkang

Farizal

- Mohon penjelasan keadaan kritis yang bagaimanayang akan terjadi 7,5 tahun lagi sesuai denganprediksi Bapak (atau apa yang dimaksud dengankeadaan kritis tersebut).

Suyamto

Yang dimaksud dengan keadaan kritis, adalahkeadaan di-mana besarnya faktor koreksi Ftminimum (~0,4) sehinggaho = F,hi kecil (minimum)

ISsN 0216-3128 Suyamto

88 Buku IProsiding Pertemuan don Presentasi Ilmiah

PPNY-BATAN, Yof{yakarta 25-27 April 1995

Untukpemakaian yang sarnaseperti tahun 1980-1995Jungsi sekat sudah sangatjelekpada tahun7,5 tahun lagi

Widarto

Mohon dijelaskan kriteria apa saja HE shell &tube hams dirawat/dibersihkan.Kriteria apa sajaHE tersebut bisa dikatakanbersihsehingga memenuhi syarat pendinginan untukReaktor Kartini, mohon penjelasan.

Suyamto

- Perawatanlpembersihan HE seyogyanyadilakukan secara periodik dengan mem-perhatikan efisiensi pemakaian, biaya dan SDMDisamping itu pengamatan suhu keluarlmasukHE maupun suhu air tangki reaktor (ATR) dapatmenentukan "Kriteriaperawatan"

- Ada beberapa kriteria.

- Suhu ATR sudah dapat diturunkanldikembali-kan seperti pada waktu barulawal dipakai.

- Suhu ATR belum melampaui batas yang dii-jinkan oleh BPTA (41 °c)

Basuki Agung P.

Faktor koreksi Ft menyimpang sebesar 0,1331,apakah ini angkariil (kuantitasi) atau % ? Apakaharti fisisnya ?

- Perkiraan perhitungan waktu (7,5 tahun)didasarkan pacta asumsi efek linieritas alanakumulasi ?

- Dengan ko~disi tersebut, berapa besar (kira-kira)perubahan koefisien perpindahan panasnya ?

Suyamto

0,1331 adalah kuantitatif dihitung dari kondisibaikwaktu HE baru, dengan Fi- 0,6 (maksimum).Arti fisisnya, fungsi HE setelah dirawat ber-kurang sebesar

0,1331 x 100% = 22%O,~

- Akumulatif- Perubahan hoharus dihitung lagi (acuan 3 dan 5)

Zainal Abidin.

- Langkah pencegahan apa yang dapat diupayakanuntuk menunda fungsi daTi sekat yang menurutperhitungan akan kritis pactatahun 2002/2003.

Suyamto

Yang paling mungkin dan paling mudah adalahair pendingin sekunder yang akan masuk ke HEditreatment lebih dulu.

..';

Suyamto ISSN 0216-3128