Upload
aras-barrung
View
741
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
ALAT PENUKAR KALOR
A. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penukar kalor adalah alat – alat yang digunakan untuk mengubah
temperatur fluida atau mengubah fasa fluida dengan cara mempertukarkan
kalornya dengan fluida lain. Kalor yang dapat dipindahkan diantara fluida
tersebut, besarnya sangat bergantung pada kecepatan fluida, arah alirannya, sifat
– sifat fisik fluida, kondisi permukaan dan luas bidang perpindahan panas, serta
beda temperatur diantara kedua fluida.
Penukar kalor yang lazim digunakan yaitu dimana satu fluida terpisah
dari fluida lainnya oleh suatu dinding pembatas atau sekat-sekat yang dilalui oleh
panas. Penukar kalor ini disebut rekuperator (recuperator). Alat ini terdiri atas
berbagai macam bentuk, dari pipa didalam pipa yang sederhana dan beberapa
foot persegi permukaan perpindahan panas sampai kondensor dan evaporator.
Sebuah shell dan penukar panas tabung adalah desain penukar panas.
Ini adalah jenis yang paling umum dari penukar panas di kilang minyak dan
lainnya proses kimia yang besar, dan cocok untuk aplikasi tekanan yang lebih
tinggi. Seperti namanya, jenis penukar panas terdiri dari shell (besar bejana
tekan) dengan bantalan tabung di dalamnya. Satu berjalan cairan melalui tabung,
dan lain aliran fluida atas tabung (melalui shell) untuk mentransfer panas antara
KELOMPOK IV Page 1
ALAT PENUKAR KALOR
kedua cairan. Set tabung disebut bundel tabung, dan mungkin disusun oleh
beberapa jenis tabung: polos, bersirip longitudinal, dll.
Untuk dapat mentransfer panas dengan baik, bahan tabung yang baik harus
memiliki konduktivitas termal. Karena panas dipindahkan dari sisi panas ke dingin
melalui tabung, ada perbedaan suhu melalui lebar tabung. Karena kecenderungan
material tabung untuk memperluas termal yang berbeda pada berbagai suhu, tegangan
termal terjadi selama operasi. Hal ini merupakan tambahan untuk setiap stres dari tinggi
tekanan dari cairan sendiri. Bahan tabung juga harus kompatibel dengan kedua sisi kulit
dan cairan tabung untuk waktu yang lama di bawah kondisi operasi ( suhu , tekanan,
pH , dll) untuk meminimalkan kerusakan seperti korosi . Semua persyaratan untuk
mendapatkan ketahanan yang lama, termal-konduktif, tahan korosi, tabung bahan
berkualitas tinggi, biasanya logam , termasuk paduan tembaga , stainless steel , baja
karbon , non-ferrous paduan tembaga, Inconel , nikel , Pelindung dan titanium. Sedikit
pilihan tabung bahan bisa mengakibatkan kebocoran melalui tabung antara shell dan sisi
tube fluida menyebabkan kontaminasi silang dan kemungkinan hilangnya tekanan.
Tujuan
Adapaun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah :
Mengetahui jenis-jenis selongsong dan tabung
Mengetahui komponen-komponen utama selongsong dan tabung
Mengetahui Proses atau cara mengitung Perpindahan panas
selongsong dan tabung
KELOMPOK IV Page 2
ALAT PENUKAR KALOR
. Mengetahui aplikasi atau penggunaan selongsong dan tabung
Batasan Masalah
Adapun batasan masaklah pada penulisan makalah ini adalah sebagai
berikut :
Bagaimana selongsong dan tabung sebagai penukar kalor
Proses perpindahan panas pada selongsong dan tabung
KELOMPOK IV Page 3
ALAT PENUKAR KALOR
B. TEORI
Dua cairan, temperatur awal yang berbeda, mengalir melalui penukar panas. 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 dihukum digunakan. Ini adalah cara
yang efisien untuk menghemat energi.
Aliran simulasi untuk sebuah shell dan gaya exchanger tabung; inlet shell adalah di
bagian belakang atas dan outlet di latar depan di bagian bawah
KELOMPOK IV Page 4
ALAT PENUKAR KALOR
Beberapa Macam selongsong dan tabung
Penukar kalor jenis shell and tube merupakan penukar kalor yang paling
sederhana dari semua jenis penukar kalor dan banyak diproduksi dalam berbagai
ukuran. Alat ini banyak digunakan sebagai alat bantu pada mesin-mesin stasioner.
Jenis alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/silinder besar) dimana di dalamnya
terdapat satu bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relatif kecil. Satu jenis
fluida mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir di bagian luar
pipa tapi masih di dalam sh ell-nya. Gambar 1. berikut ini menunjukkan bentuk
potongan memanjang dari jenis shell and tube, disertai dengan penamaan komponen-
komponennya (standar).
KELOMPOK IV Page 5
ALAT PENUKAR KALOR
Gambar 1. Bentuk Penukar kalor jenis Shell and Tube
KELOMPOK IV Page 6
ALAT PENUKAR KALOR
Jenis shell and tube ini dibedakan atas :
1. Jenis fixed tube sheet.
Jenis ini digunakan untuk kondisi operasi pada temperatur yang relatif rendah,
dimana pemuaian bahan pada temperatur operasi sangat kecil.
Gambar 2. Penukar Kalor Jenis Fixed Tube Sheet
2. Jenis floating tube sheet.
Pada jenis ini bila terjadi pemuaian pada tube. tidak akan menimbulkan
tegangan pada shell maupun pada tube karena salah satu tube sheetnya tidak terikat
pada shell (floating), sehingga jenis ini sangat cocok dioperasikan pada temperatur
tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.
KELOMPOK IV Page 7
ALAT PENUKAR KALOR
Gambar 3. Penukar Kalor Jenis Floating
3. Jenis U-tube; U-bundle.
Di sini hanya dibutuhkan satu tube sheet saja, pada ujung lainnya pipa
dibengkokan dengan bentuk U. Penukar kalor jenis ini akan dapat bekerja pada
tekanan tinggi dan dapat digunakan pada fluida -fluida yang tidak boleh
bercampur.
KELOMPOK IV Page 8
ALAT PENUKAR KALOR
Gambar 4. Penukar Kalor U Tube4. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)
Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-sendiri.
Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, Penukar kalor ini dibentuk menjadi
U (lihat Gambar 5).
Gambar 5. Penukar kalor jenis pipa ganda
Pada beberapa keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan
memindahkan panas, bagian luar pipa diberi sirip. Bentuk sirip bermacam-macam, ada
yang memanjang, melingkar.
Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dan
karena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil.
Kelemahannya adalah kapasitas perpindahan panasnya relatif kecil.
KELOMPOK IV Page 9
ALAT PENUKAR KALOR
5. Jenis Lamella
Jenis Lamella (Gambar 6), biasanya digunakan untuk perpindahan panas dari
gas ke gas pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas
yang tinggi.
Gambar 6. Penukar Kalor Jenis Lamella
C. Komponen Utama Penukar Kalor Shell and Tube
Komponen utama dari penukar kalor jenis Shell and Tube ini adalah
terdiri dari pipa (berkas pipa), Selongsong, Bagian kepala depan dan belakang
KELOMPOK IV Page 10
ALAT PENUKAR KALOR
Selongsong (front-end head). Pengarah aliran (baffle), dan tube sheet. Untuk lebih
jelasnya diuraikan sebagai berikut :
1. Shell
Konstruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tube yang akan ditempatkan
di daIamnya. Shell dapat dibuat dari sebuah pipa yang berdiameter besar atau
dapat juga dibuat pada sebuah pelat logam yang diroll. Shell merupakan badan
penukar kalor dimana didalamnya terdapat tube bundle (berkas pipa). Kedua
ujung shell ini akan diberi penutup yang dipasangkan dengan flens. Kadang
kadang permukaan dalam shell dilengkapi dengan alur untuk menempatkan
berkas pipa pada posisi yang baik di dalam shell. Untuk temperatur operasi yang
sangat tinggi, kadang-kadang shell dibagi dua dan disambungkan dengan
sambungan ekspansi. Bentuk-bentuk shell yang lazim digunakan ditunjukkan
pada Gambar 10.
Gambar 10. Bentuk – bentuk Shell dan Penutupnya
KELOMPOK IV Page 11
ALAT PENUKAR KALOR
2. Tube (Pipa)
Tubes atau pipa-pipa memegang peranan yang sangat penting di dalam
penukar kalor. Dinding pipa merupakan bidang pemisah kedua jenis fluida
yang mengalir di dalamnya dan sekaligus berfungsi sebagai bidang perpindahan
panas. Bahan dan ketebalan dnding pipa harus dipilih agar diperoleh
penghantaran panas yang baik dan juga harus mampu bekerja pada tekanan
operasi fluida kerjanya. Susunan tubes biasanya dipasang menurut konfigurasi
segitiga atau segiempat (Gambar 11)
Gambar 11. Susunan Berkas Pipa dalam Shell
KELOMPOK IV Page 12
ALAT PENUKAR KALOR
Konfigurasi susunan tersebut didasarkan atas pertimbangan untuk mendapatkan
jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan (pembersihan
permukaan pipa).
3. Tube Sheet
Tube sheet merupakan bagian yang penting pada penukar kalor. Bagian ini
merupakan tempat disatukannya pipa-pipa pada bagian u jungnya . Tube sheet ini
dibuat tebal dan pipa harus terpasang rapat tanpa bocor pada tube sheet. Dengan
konstruksi f lu ida y a n g mengalir pada badan shell tidak akan tercampur dengan
fluida yang mengalir didalam tube. Penyambungan antara tube sheet dengan pipa
merupakan hal yang paling penting untuk diperhatikan, karena.segala kegagalan
penyambungan ini akan menyebabkan kebocoran dan pencampuran kedua
fluida di dalam penukar kalor.
Terdapat dua jenis tube sheet, yaitu
a. Fixed tube sheet, dimana tube sheet dipasang kokoh pada shell. Biasanya
tube sheet ini dipasang dengan cara compression fitting (dengan baut-mur).
Untuk keperluan khusus dapat dilakukan sambungan las.
b. Floating tube sheet; tube sheet ini tidak dikatkan pada shell,tetapi
terpasang dengan baik pada tube bundle (berkas pipa). Pemakaian floating
tube sheet biasanya dimaksudkan untuk mengatasi ekspansi termal pada
operasi temperatur tinggi. Untuk mencegah tercampurnya fluida di dalam
penukar kalor, pada bagian saluran pipa dipasang tutup tube sheet.
KELOMPOK IV Page 13
ALAT PENUKAR KALOR
4. Baffle
Baffle berfungsi untuk mengubah dan mengatur arah aliran di dalam Shell dan
sekaligus dapat berfungsi sebagai support berkas pipa dan mengatur spacing dari
pipa-pipa. Baffle ini berupa piringan yang dilubangi untuk penempatan pipa dan
bentuknya dibuat sedemikian rupa agar aliran fluida diluar pipa dapat menyentuh
permukaan luar pipa secara efektif untuk perpindahan panas. Terdapat dua jenis
baffle. Yaitu jenis plat dan rod (grid). Baffle yang berbentuk plat terbagi menjadi
single-segmental, double-segmental, atau triple-segmental, seperti yang
ditunjukkan pada gambar 12.
Gambar 12. Bentuk – bentuk Baffle
KELOMPOK IV Page 14
ALAT PENUKAR KALOR
C. PENGGUNAAN
Penukar panas dengan hanya satu fase (cair atau gas) di setiap sisi bisa disebut satu-
fase atau penukar panas tunggal. Fase dua penukar panas dapat digunakan untuk
memanaskan cairan mendidih ke gas (uap), kadang-kadang disebut boiler , atau
dingin uap berkondensasi ke dalam (cairan disebut kondenser ), dengan perubahan
fasa biasanya terjadi pada kulit samping. Mesin steam boiler di lokomotif biasanya
besar, biasanya berbentuk cylindrically shell dan tabung penukar panas. Dalam
pengggunaan yang besar pembangkit listrik tenaga uap yang digerakkan dengan
turbin , shell-dan-tabung permukaan digunakan untuk mempercepat pembuangan uap
keluar turbin ke dalam kondensat air yang didaur ulang kembali akan berubah
menjadi uap dalam pembuat uap.
D. PROSES PERPINDAHAN PANAS
Untuk penukar kalor jenis shell dan tube ini, analogi tahanan
thermalnya seperti pada gambar 13, dimana pada gbr. 13.a merupakan arah
aliran dari penukar kalor jenis ini dan gbr. 13.b merupakan tahanan thermal
yang terjadi pada bagian dalam penukar kalor (pipa bagian dalamnya).
KELOMPOK IV Page 15
ALAT PENUKAR KALOR
(a) (b)
Gambar 13. Perpindahan panas menyeluruh pada PK
Dalam hal ini, Laju perpindahan panas menyeluruh dinyatakan
dengan persamaan (Holman,J.P,1986) :
q = ∆T
1h i A i
+ In (r o/ri )2πkL
+ 1ho A 0
………………………(1)
Dimana :
q = Laju perpindahan panas menyeluruh (W/m2.K)
ΔT = Beda temperatur kedua fluida (oC)
hi = Koefisien perpindahan panas tube bagian dalam (W/m2.K)
ho = Koefisien perpindahan panas tube bagian luar (W/m2.K)
ro = Jari – jari luar tube (m)
r1 = Jari – jari dalam tube (m)
k = Konduktivitas thermal bahan (W/m2.K)
KELOMPOK IV Page 16
ALAT PENUKAR KALOR
Sesuai dengan jaringan thermal sebagaimana ditunjukkan pada
gambar 19. Besaran Ai dan Ao merupakan luas permukaan dalam dan luar
tabung . Koefisien perpindahan panas menyeluruh dapat didasarkan atas
bidang dalam atau luar tabung.
U i = 1
1hi
+A i In( ro/ri )
2πkL +
A 0
A i
1ho
……..………………….(2)
Atau
U0 = 1
A0
A i
1h i
+ Ao∈¿¿¿……..………………….(3)
Dapat pula diperoleh dengan persamaan (Kakac, Sadik ,1997):
U =
1
ro
ri
x1hi
+ro
ri
R fi+roIn (r o/ ri
)k
+Rfo+1ho
……………………(4)
Dimana :
U = Koefisen perpindahan panas total penukar kalor (W/m2.K)
hi = Koefisien perpindahan panas seksi tube bagian dalam (W/m2.K)
ho = Koefisien perpindahan panas seksi shell (pipa bagian luar)
(W/m2.K)
ro = Jari-jari luar tube (m)
ri = Jari-jari dalam tube (m)
k = Konduktivitas thermal bahan (W/m.K)
KELOMPOK IV Page 17
ALAT PENUKAR KALOR
Untuk menghitung koefisien perpindahan panas total pada penukar
kalor jenis shell and tube ini, terlebih dahulu koefisien perpindahan panas
masing – masing shell dan tube harus dihitung. Untuk menentukan koefisien
perpindahan panas berdasarkan Kern Metode sebagai berikut :
a. Koefisen Perpindahan Panas Shell ( air panas )
Koefisien perpindahan panas pada shell (Kakac, Sadik,1997)
adalah :
ho De
k=0.36 (De Gs
μ )0.55
(Cp μk )
1 /3
(μb
μw)
0.14
..................................... (5)
Dimana :
ho = Koefisien perpindahan panas pada shell (W/m2.K)
De = Diameter Ekuivalen (m)
Gs = Kecepatan aliran massa shell (kg.m2/s)
Cp = Panas Spesifik fluida (kJ/kg.oC)
µb = Viskositas Dinamis Fluida pada temperatur borongan
(kg/m.s)
µw = Viskositas Dinamis Fluida pada temperatur dinding (kg/m.s)
k = Konduktivitas Thermal Fluida (W/m.K)
Sifat – sifat dari fluida dievaluasi pada temperatur borongan rata -
rata shell. Sedangkan untuk menghitung diameter ekuivalen, tergantung dari
bentuk susunan pipa. Untuk bentuk susunan pipa segitiga, maka :
KELOMPOK IV Page 18
ALAT PENUKAR KALOR
De =
4 ( Pt2 √34
-π d0
2
8 )π do/2
...............................…………..(6)
Dimana :
PT = jarak sumbu pipa (m)
do = Diameter luar pipa (m)
do
C1 Pt
Gambar 20 : Bentuk pipa dengan sumbu 60o
Untuk kecepatan aliran massa shell dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Gs =m h
As
…………………………………….(7)
Dimana :
m h= Laju aliran massa fluida shell(kg/s)
As = Luas berkas aliran (m2)
Untuk menghitung Laju aliran massa fluida shell (Mh) dapat diperoleh
dengan :
KELOMPOK IV Page 19
ALAT PENUKAR KALOR
m h =ρ .Q h ………………………………….(8)
Dimana :
ρ = Massa jenis fluida panas (kg/m3)
Qh = Kapasitas fluida panas (m3/s)
Untuk menghitung Luas berkas aliran (As) dapat diperoleh dengan :
As=Dis .C1 . LB
PT
………………………………….(9)
Dimana :
Dis= Diameter dalam Shell (m)
C1 = Clearance (m)
LB = Jarak Baffle (m)
PT = Jarak antar Sumbu tube (m)
Untuk menghitung clearance dapat diperoleh dengan :
C1 = PT - do ……………………………….(10)
Dimana :
do = diameter luar tube (m)
Sedangkan untuk memperoleh viskositas dinamis fluida pada
temperatur dinding dapat diperoleh dari tabel (lampiran 2) dengan
mengevaluasi temperatur dinding dari persamaan
KELOMPOK IV Page 20
ALAT PENUKAR KALOR
Tw =12
(Tc1+ Tc2
2+
Th1+Th2
2 ) …………………….(11)
Dimana :
Tc1 = Temperatur fluida dingin masuk PK (oC)
Tc2 = Temperatur fluida dingin keluar PK (oC)
Th1 = Temperatur fluida panas masuk PK (oC)
Th2 = Temperatur fluida panas keluar PK (oC)
b. Koefisien Perpindahan Panas Tube (air dingin)
Koefisien perpindahan panas pada tube dapat diperoleh dari
(Kakac,Sadik,1997) :
hi =Nuc kc
d i
……………………………..(12)
Dimana :
hi = koefisien perpindahan panas tube (W/m2.K)
Nuc = Bilangan Nusselt tube
kc = Konduktivitas thermal fluida tube (W/m.K)
di = diameter dalam tube (m)
Untuk memperoleh bilangan Nusselt pada tube dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Nu c =(f /2 ) ( Reb - 1000 ) Pr
1+12.7 (f /2 )1 /2 (Pr2 /3 - 1)……………………..(13)
KELOMPOK IV Page 21
ALAT PENUKAR KALOR
ƒ=(1.58 In Re-3.28)-2
Dimana :
Rec = Bilangan Reynolds tube
Prc = Bilangan Prandtl tube
Untuk menghitung bilangan Reynolds dapat diperoleh dari persamaan.
R e =ρ Vm d i
μ ……….………………………(14)
Dimana :
ρ = Densitas Fluida tube (Kg/m3)
Vm = Kecepatan rata – rata fluida dalam tube (m/s)
di = Diameter dalam tube (m)
µ = Viskositas dinamis fluida seksi tube (N.s/m2)
Untuk menghitung kecepatan rata – rata fluida dalam tube dapat
diperoleh dari persamaan :
Vm= mc
ρ A tp Nt
……………………………….(15)
Dimana :
m c = Laju aliran massa seksi tube (Kg/s)
Atp = Luas permukaan tube (m2)
Nt = Jumlah tube
Untuk menghitung Laju aliran massa fluida tabung (Mc) dapat
KELOMPOK IV Page 22
ALAT PENUKAR KALOR
diperoleh dengan :
m c =ρ .Q c ………………………………….(16)
Dimana :
ρ = Massa jenis fluida dingin (kg/m3)
Qc = Kapasitas fluida dingin (m3/s)
Untuk menghitung luas permukaan pipa dapat diperoleh dari persamaan :
Atp= πd i
2
4 ………………………………….(17)
Dimana :
di = Diameter dalam tube (m)
c. Koefisien Perpindahan Panas Shell Bagian Luar
Koefisien perpindahan panas pada shell bagian luar dapat diperoleh dari
(Kakac,Sadik,1997) :
hos=Nu k
L ……………………………………..(18)
Dimana :
hos = koefisien perpindahan panas shell (W/m2.K)
Nu = Bilangan Nusselt
k = konduktivitas thermal fluida (W/m.K)
L = panjang shell (m)
KELOMPOK IV Page 23
ALAT PENUKAR KALOR
Untuk memperoleh bilangan Nusselt dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Nu 1 /2 =0,387 Ral
1/6
[1+(0,559/ Pr)9 /16 ]8 /27 ……………………(19)
Dimana :
Ral = Bilangan Rayligh
Pr = Bilangan Prandtl
Untuk memperoleh bilangan Rayligh dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Ral = Gr x Pr……………………………………..(20)
Dimana :
Gr = Bilangan Grashof
Pr = Bilangan Prandtl
Untuk memperoleh bilangan Grashof dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Gr = g x β x (T w−T ¿ l3 ¿………….……………………….
(21)
Dimana :
KELOMPOK IV Page 24
ALAT PENUKAR KALOR
g = gaya gravitasi
Tw = Temperatur dinding shell
T = Temperatur udara
= Viskositas kinematik
E. KESIMPULAN
1) Jenis-jenis alat penukar kalor selongsong dan tabung :
Jenis fixed tube sheet
Jenis floating tube sheet
Jenis U-tube; U-bundle
Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)
Jenis Lamella
2) Komponen-komponen utama selongsong dan tabung :
shell
tube
tube sheet
baffle
KELOMPOK IV Page 25
ALAT PENUKAR KALOR
3) Salah satu aplikasi dari alat penukar kalor selongsong dan tabung adalah
pada pembangkit listrik tenaga uap.
4) Laju perpindahan panas :
q = ∆T
1h i A i
+ In (r o/ri )2πkL
+ 1ho A 0
Koefisien perpindahan panas shell
ho De
k=0.36 (De Gs
μ )0.55
(Cp μk )
1 /3
(μb
μw)
0.14
Koefisien perpindahan panas tube
hi =Nuc kc
d i
Koefisien perpindahan panas shell bagian luar
hos=Nu k
L
.
KELOMPOK IV Page 26
ALAT PENUKAR KALOR
F. DAFTAR PUSTAKA
Kakac sadik, liu hongtan,(1997). Heat exchanger selection, rating, and thermal design. CRC Press, Wanghiston DC.
KELOMPOK IV Page 27