evaluasi disain alat penukar panas jenis cangkang …

PENDAHULUANEnergi dalam era industrialisasi saat ini

menempati posisi penting dan berpengaruh sangatpenting dalam berbagai kegiatan manusia, terutamadi sektor industri, seperti pada industri energi,industri logam, industri petrokimia danindustri–industri lainnya. Sumber–sumber energiyang dipergunakan pada industri tersebut sebelumdimanfaatkan dalam bentuk energi yang bergunaterlebih dahulu dilakukan beberapa proses transferenergi atau konversi di dalam suatu peralatan yangdinamakan alat penukar panas (Heat Exchanger)dimana alat tersebut merupakan sumber daripenelitian kali ini. Dari sisi media yang digunakanuntuk pertukaran energi panas tersebut biasanyadipakai air panas, air dingin, uap kering, uap panaslanjut dan lain sebagainya.

Untuk mendapatkan energi yang berguna dandapat dimanfaatkan secara maksimum, alat penukarpanas harus memiliki kinerja (performance) yangbaik. Selain itu, dengan semakin mahalnya biayaenergi dari tahun ke tahun dan semakin terbatasnyapersediaan sumber – sumber energi maka konservasidan efisiensi penggunaan energi harus dilakukansebaik mungkin dengan menyesuaikan kondisi fisiksuatu alat penukar panas dengan keadaanlingkungannya.

Alat penukar panas yang banyakdipergunakan di dunia industri adalah jenis cangkangdan tabung (shell and tube). Salah satu contohpenggunaan penukar panas jenis cangkang dantabung ini adalah sebagai pendingin air (watercooler). Di dalam alat penukar panas ini, air yanglebih panas (temperatur lebih tinggi) didinginkanoleh air yang lebih dingin (temperatur lebih rendah).Pada umumya air yang lebih panas mengalir didalam tabung, sedangkan air yang lebih dinginmengalir di dalam cangkang.Beberapa cara dapatdilakukan untuk melakukan analisis, misalnyadengan melakukan pengujian di lapangan. Dengancara ini, data yang diperoleh dari pengujian tersebutdianalisis untuk menetukan kinerjanya. Namundemikian terdapat cara lain, yaitu dengan melakukananalisis terhadap disain penukar panas tersebut.Dari hasil analisis tersebut akan ditentukan apakahkinerja yang telah ditetapkan akan dapat terpenuhioleh disain penukar panas tersebut. Selain itu,peneliti akan menentukan pula bahwa apakahpenukar panas telah dirancang dengan baik.

Alat Penukar Panas Jenis Cangkang danTabung

Alat penukar panas (APP) tipe cangkang dantabung yang paling sederhana ditunjukkan dalam

EVALUASI DISAIN ALAT PENUKAR PANASJENIS CANGKANG DAN TABUNG (SHELL AND TUBE)

Frederikus KonradProgram Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik UPN “Veteran” Jakarta

Jl. RS. Fatmawati Pondok Labu Jakarta Selatan - 12450Telp. 021 7656971 E-mail: [email protected]

Abstract

Energy is an essential for the survival of mankind. For that we need a tool that can processthem properly where heat exchangers are one tool that can process the energy. In order to processan accurate calculation of energy required and appropriate for greater efficiencies generated resultingin an energy savings For accuracy and ease of design of heat exchangers, especially in the planningof thermal and while doing calculations manually, which put emphasis on the evaluation of heatexchanger design. Conducted in this study is to analyze the design of a heat transfer type of shelland tube to evaluate the mechanical design and performance evaluation. Method of calculationusing the method of Bell-Dellaware while the standard for evaluating the mechanical design is theTEMA and HEDH Results obtained in accordance with the standard design, while the larger heatcapacity (over-Designed) of the requested where Q actual = 11005.435 kW and Q = 3864.841 kWrequired

Key Words: An Accident, manifest Variable and Latent Variable

40 BINA WIDYA, Volume 24 Nomor 1, Edisi Desember 2012, 40-52-

Perpustakaan UPN "Veteran" Jakarta

gambar 1. Alat penukar panas ini terdiri dari sebuahtabung yang terletak konsentrik di dalam tabunglainnya yang merupakan cangkang untuk susunanini. Fluida kerja yang satu mengalir melalui tabungpada bagian dalamnya sedangkan fluida kerja yanglainnya mengalir melalui cincin atau annulus yangterbentuk antara pipa bagian dalam dan pipa bagianluar. Aliran fluida yang mengalir di dalamnya hanyaterjadi satu aliran, oleh sebab itu susunan ini disebutpenukar panas satu lintasan (single pass). Jika keduafluida kerja mengalir dalam arah yang sama makaalat penukar panas ini disebut tipe aliran searah(parallel flow), sedangkan jika alirannya berlawananarah disebut aliran lawan (counter flow). Bila keduafluida kerja yang mengalir sepanjang permukaanperpindahan panas bergerak saling tegak lurus,maka alat penukar panas ini disebut aliran menyilang(cross flow).

Gambar 1(a)Aliran searah,(b)Aliran berlawanan arah, (c)Aliran silang

Gambar 2. menunjukkan sebuah alat penukarpanas dengan satu lintasan tabung dan satu lintasancangkang, bersekat – sekat lintang, tipe sekat–sekatlintangnya dari tipe segmen (segmental baffle).

Gambar 2.Alat penukar panas cangkang dan tabung dengansekat–sekat segmen satu lintasan tabung dan satu

lintasan cangkang

Alat penukar panas pada Gambar 2.mempunyai pelat tabung yang terpasang mati (fixedtube shell) di tiap ujung dan tabung-tabungnya dilasatau direnggangkan (expanded) ke dalam pelat–pelatitu. Sifat yang kurang menguntungkan adalah tidakdapatnya berkas tabung dicabut untuk dibersihkan.

Kekurangan–kekurangan ini dapat diatasi denganmengubah rancang bangun dasarnya sepertiditunjukkan pada Gambar 3. berikut ini. Dalamsusunan ini satu pelat tabung (tube sheet) terpasangmati (fixed) tetapi plat lainnya dibuat pada suatututup kepala mengambang (floating head) yangmemungkinkan berkas tabung bergerak relatifterhadap cangkang. Pelat tabung mengembangdiklem diantara kepala mengambang dan sebuahflens sehingga dimungkinkan untuk mengeluarkanberkas tabung untuk dibersihkan.

Gambar 3. Alat Penukar Panascangkang dan tabung dengan Floating Head

Pembagian Alat Penukar Panas cangkang dantabung Berdasarkan TEMA

TEMA (Tubular Exchanger ManufacturersAssociation) mengelompokkan penukar panascangkang dan tabung ke dalam 3 kelompok sesuaidengan penggunaannya, yaitu: (1) Alat penukarpanas kelas “R“ yang dipergunakan pada industriminyak dan peralatan yang berhubungan denganproses tersebut, (2) Alat penukar panas kelas “C“yang umumnya dipergunakan pada keperluankomersial, dan (3) Alat penukar panas kelas “B“yang banyak dipergunakan pada proses kimia. KelasR,B,C ini semuanya adalah alat penukar panas yangtidak dibakar, tidak sama dengan dapur atau keteluap.

Sedangkan, menurut disain mekanikcangkang, TEMA mengenal penukar panascangkang dan tabung dalam berbagai tipe. Masing-masing tipe konstruksi diberi notasi alfabet sepertiterlihat pada Gambar 4. Sebagai contoh untuk suatupenukar panas cangkang dan tabung dengankonstruksi aliran cangkang satu lintasan,menggunakan tabung berbentuk U dan dengankonstruksi tutup depan (front end) jenis Bonnetdikenal dengan penukar panas tipe BEU.

- 41Evaluasi Desain Alat Penukar.....(Frederikus Konrad)


Gambar 4.Tipe TEMA Standar Untuk Alat Penukar Panas

Jenis cangkang dan tabung

Diameter dan panjang tabungTabung dapat dikatakan sebagai urat nadi

pada alat penukar panas. Di dalam dan di luartabung mengalir fluida yang mempunyai sifat–sifatfisik serta jenis yang berbeda. Kedua ujung tabungini dirol pada tube sheet untuk mencegah bocoranfluida yang menyebabkan fluida terkontaminasi.Tabung ditahan dengan sekat (baffle) untukmempertahankan posisi tabung dan mencegahgetaran yang kemudian dimasukkan kedalamcangkang dalam bentuk tube bundle. Khusus untuktabung U, tabungnya dibengkokkan sesuai denganjari–jari yang diijinkan.

Pemilihan yang baik untuk tabung adalahjenis bahan tabung yang sesuai dengan temperatur.Ukuran tabung yang menyangkut diameter danpanjangnya adalah diameter yang biasa digunakanantara 5/8 inch (15,875 mm) sampai dengan 2 inch(50,8 mm) OD (out side diameter) sedangkanpanjang tabung yang biasa digunakan antara lain6 ft (1,8 m), 8 ft (2,4 m), 12 ft (3,6 m) dan 16 ft(4,9 m).

Tebal, Jarak dan Susunan TabungTebal dinding tabung harus dipilih yang sesuai

untuk melawan tekanan di dalam dan di luar tabungatau perbedaan tekanan maksimum yangmenyeberang dinding tabung. Akan tetapi dalambanyak hal tekanan tidak mempengaruhi faktordalam penentuan tebal dinding.

Jarak pusat tabung (tube pitch) ini erathubungannya dengan ukuran tabung, susunantabung dan sistem pembersihan di luar tabung.Umumnya jarak tabung berkisar 1,25 sampai dengan1,50 kali diameter luar (tidak boleh kurang dari1,25 diameter luar). Untuk membersihkan sisi luartabung secara mekanik maka jarak itu dapatditambah sebesar minimum 0,25 inch (6,35 mm)atau untuk fluida bersih 0,125 inch (3,175 mm).

Susunan tabung ini sangat penting, sebabakan mempengaruhi baik buruknya perpindahanpanas. Kemampuan perpindahan panas inidipengaruhi oleh besarnya luas permukaan,tergantung dari panjang ukuran dan jumlah tabungyang dipengaruhi pada alat penukar panas tersebut.

Beberapa susunan tabung pada alat penukarpanas, antara lain (1) Susunan bujursangkar(square) 900. Susunan ini digunakan untuk fluidayang kotor, atau yang mudah menimbulkanpengotoran karena pembersihannya dapat dilakukansecara mekanikal. Susunan ini digunakan pada jenisaliran turbulen, sedangkan pada laminar hasilnyakurang baik. (2) Susunan belah ketupat (rotatedsquare) 450. Susunan ini dapat digunakan untukfluida yang kotor, tetapi aliran yang digunakanadalah aliran laminar. Pembersihannya dapatdilakukan secara mekanikal. (3) Susunan segitiga(triangular pitch) 300. Susunan 300 ini sangatpopular dan baik, fluida yang dipergunakandiusahakan fluida yang bersih (non fouling).Pembersihan tube dilakukan secara kimia dan dapatdipakai pada semua jenis aliran. (4) Susunansegitiga diputar (rotated triangular) 600. Susunanini tidak sepopuler susunan sebelumnya karenakarakternya lebih jelek dan perpindahan panasnyatidak baik. Fluida yang digunakan adalah fluidabersih.

Gambar 5. Susunan Tabung



CangkangCangkang adalah bagian tengah alat penukar

panas jenis cangkang dan tabung yang merupakanrumah bagi berkas tabung. Antara cangkang danberkas tabung terdapat fluida yang menerima ataumelepaskan panas sesuai dengan proses yang terjadi.Setiap pabrik dalam fabrikasinya mempunyaidiameter cangkang standar sendiri, tetapi dalamrentang ukurannya yang bergantung pada standarpipa yang tersedia dan ruangan untuk tempat alatpenukar panas (pipa). Di lapangan biasanya diameterluar cangkang adalah 457–610 mm (18–24 in).Secara umum dapat diperlihatkan beberapa macamcangkang yang dapat dipergunakan untuk alatpenukar panas berdasarkan TEMA (lihat Gambar6.) yaitu:

a. Tipe E Aliran satu lintasanb. Tipe F Aliran dua lintasan dan sekat

longitudinalc. Tipe G Aliran dipisah (split flow)d. Tipe H Aliran yang diganda (double split

flow)e. Tipe J Aliran yang dibagi (divided flow)f. Tipe K Shell tipe cerat (ketel reboiler)g. Tipe X Aliran menyilang (cross flow)

Masing–masing cangkang mempunyaikarakteristik tersendiri sehingga diperlukanpertimbangan dalam menentukan pemilihanpenggunaanya. Jenis cangkang yang banyakdigunakan adalah jenis satu lintasan (tipe E) karenapaling ekonomis, efisiensi termalnya baik dan faktorkoreksi untuk selisih temperatur rata–rata tinggi.Cangkang dua lintasan digunakan bila temperaturcangkang dan tabung tidak dapat dibagi adalahuntuk mengurangi penurunan tekanan sisi cangkangkarena penurunan tekanan merupakan faktor kontrolpada perencanaan dan operasi alat penukar panas.

Tabung yang sudah dirakit menjadi berkastabung dimasukan ke dalam cangkang, denganberkas tabung sudah dilengkapi dengan sekat(baffle). Agar mudah memasukkan kedalamcangkang, antara sekat dan cangkang harus adacelah (clearance). Celah ini tidak boleh terlalubesar karena akan mempengaruhi aliran fluida diluar tabung, sebab semakin besar celah ini akansemakin besar pula kebocoran antara cangkangdengan sekat.

Gambar 6. Tipe–tipe cangkang

Sekat tipe lintang (cross type baffle)Sekat mempunyai fungsi sebagai berikut (1)

struktur untuk menahan berkas tabung, (2) damperuntuk menahan atau mencegah terjadinya getaran(Vibration) pada tabung, dan (3) sebagai alat untukmengontrol, mengarahkan atau membagi aliranfluida yang mengalir di luar tabung (shell side)sehingga alirannya bersilangan dengan berkastabung. Selain menaikkan koefisien perpindahanpanas, di sisi lain sekat juga mengakibatkanpenurunan tekanan. Jarak antara sekat disebut bafflespacing atau baffle pitch. Makin kecil baffle pitchmakin tinggi kecepatan aliran silangnya, makintinggi koefisien perpindahan panasnya dan makinbesar penurunan tekanannya. Baffle pitch biasanyadipasang pada nilai yang memberikan kecepatanaliran tertinggi dan koefisien perpindahan panasyang tertinggi pada batas ijin penurunan tekananyang diperbolehkan. Hal ini akan memberikandesain yang optimum. Nilai minimum untuk bafflespacing biasanya adalah 1/5 dari diameter cangkangdan tidak boleh kurang dari 50,8 mm (2 in). Tipesekat yang umum digunakan adalah tipe segmen(segmental baffle), sedangkan tipe yang lain adalahtipe rod baffle.

Gambar 7.Sekat jenis segmen dan tipe–tipe segmental yangbiasa digunakan



Pemotongan sekat (baffle cut) adalah sekitar15–40% untuk segmental baffle dan 20–30% untukdouble segmental baffle. Lintasan tabung yangmelewati baffle windows tidak ditahan sepanjangjarak. Sekat untuk single dan double segmentalsejarak tiga sekat untuk tipe triple segmental.Pemilihannya dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Orientasi tepi sekat

PELAYANAN TEPI BAFFLE KETERANGAN

Fasa tunggal Salah Satu /horizontal -fluida bersih lebih umum

Fasa tunggal Vertikal Mencegahfluida kotor pengendapan/kotoran

Condensing Vertikal Memungkinkanterjadinya kondensat

Penguapan Salah satu Horizontal untukmencegah stratifikasi

Tebal dari Celah sekat (Clearance baffle)Tebal sekat untuk alat penukar panas menurut

TEMA dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Tebal sekat Plate Thickness Distance between adjacent full diameter baffles, supports

or the unsupported tube length between other type baffles

Plate Thickness Distance between adjacent full diameter baffles, supports

or the unsupported tube length between other type baffles

Tebal sekat tipe cross bergantung padadiameter cangkang, tetapi biasanya berkisar dari3,2–19 mm (1/8–_ in). Celah sekat (Baffleclearance) adalah ruang diantara diameter dalamcangkang dengan diameter luar sekat. Jika celahini terlalu besar, maka akan memberikan efek padakoefisien perpindahan panas di cangkang, dan akanmempengaruhi perbedaan temperatur rata – ratadiantara fluida. Tetapi untuk besar celah yangdiijinkan tidak akan mempengaruhi hal tersebut.Ukuran besar celah ditunjukkan dalam tabel 3.

Tabel 3. Ukuran CelahNominal Shell I.D. Design I.D. of Shell Minus Baffle O.D.

6-17 1/818-39 3/1640-54 1/455-60 5/1661-69 5/1670-84 3/885-100 7/16

Gambar 8. Celah Sekat

Jumlah lintasan aliran (Number pass)Jumlah lintasan aliran fluida pada alat penukar

panas ada dua macam yaitu: (1) jumlah lintasanaliran yang melalui tabung (tube pass), di manajumlah lintasan aliran ini berkisar antara 1 sampaidengan 6 pass, dan (2) jumlah lintasan aliran yangmelalui cangkang.

Semakin banyak lintasan aliran akanmenimbulkan penurunan efisiensi pada alat penukarpanas sebagai akibat dari pada alirannya. Denganlintasan banyak diharapkan jumlah aliran kecildengan tujuan mempertahankan kecepatan yangtinggi guna mencegah terjadinya pengotoran.

Gambar 9. Jumlah aliran

Nosel (nozzle)Sebagai tempat aliran masuk fluida kedalam

alat penukar panas dipasang nosel. Minimaldiperlukan 4 buah nosel, yaitu 2 untuk fluida dalamtabung dan 2 untuk fluida luar tabung. Penempatannosel dipengaruhi oleh jumlah aliran (pass).

6-1415-2829-3839-60

12 Inc1/161/83/161/4

12-24 Inc1/83/161/41/4

24-36 Inc3/161/45/163/8

36-48 Inc1/43/83/81/2

48-60 Inc3/81/25/85/8

>603/81/25/85/8

NominalShell I.D.

NominalShell I.D.

61-100<24 Inc

3/824-36 Inc

1/236-48 Inc

5/848-60 Inc

3/4>603/4



Gambar 10. Nosel

Perhitungan sisi Cangkang dengan Metode Bell-Dellaware.

Pada penukar panas jenis Cangkang danTabung, perhitungan termohidraulika sisi tabunglebih mudah, karena konfigurasi aliran dalam tabungdapat dilihat sebagai aliran dalam satu tabung yangsama untuk seluruh tabung. Sehingga, untukperhitungan koefisien perpindahan panas sisi tabungmisalnya, dapat langsung dipergunakan korelasiyang sudah dikenal, yaitu Dittus-Bolter. Tidakdemikian halnya dengan aliran sisi cangkang.Konfigurasi aliran merupakan campuran dari aliransejajar dan menyilang. Di sisi lain, geometri susunantabung, sekat dan adanya celah antara sekat dengantabung maupun dengan cangkang memberikanpengaruh pada aspek termohidraulikanya. Salahsatu metoda yang secara detil melakukan pendekatankompleksitas aliran sisi cangkang ini adalah metodeBell-Dellaware.

Seperti diketahui bahwa ada dua macamaliran fluida dalam alat penukar panas, yaitu: (1)aliran fluida yang mengalir melalui tabung (tubeside), di mana fluida tersebut berada di dalamtabung, dan (2) aliran fluida di dalam cangkang(shell side), di mana fluida berada di luar tabungatau di dalam cangkang.

Aliran fluida dalam tabung, akan mengalamitiga hal, yaitu: (1) kontraksi atau penyempitanaliran, yaitu pada saat fluida hendak masuk kedalam tabung, (2) ekspansi atau penyebaran, yangdialami saat fluida ke luar dari tabung, dan (3)pembelokan arah aliran, di mana terjadi perubahanlaluan (dari satu pass ke pass yang lain, atau berbalikarah pada tabung U). Sedangkan aliran fluida yangberada dalam cangkang, seperti pada Gambar 11,mengalami perubahan yaitu: (1) aliran aksial, aliranyang sejajar dengan berkas tabung, dan (2) aliranmelintang (cross flow) yang menyeberangi berkastabung, di antara sekat (baffle).

Gambar 11. Idealisai aliran di dalan cangkang

Dalam pendekatan Bell-Dellaware alirancangkang dapat dibedakan menjadi empat aliran,yaitu aliran A,B,C dan E, seperti pada Gambar 12.

Aliran A atau leakage through the tube-baffleclearance, adalah aliran yang bocor akibat terdapatcelah antara lubang sekat dengan tabung (antaradiameter luar tabung dengan diameter lubang tabungpada sekat). Aliran B, merupakan aliran melintangyang sebenarnya (actual cross flow stream throughthe tube bundle). Aliran C, aliran by-pass yangterjadi antara cangkang dengan berkas tabung(outside of the tube bundle). Aliran E, aliran yangtejadi kerena adanya ruang bebas antara cangkangdan sekat (leakage through the baffle-shellclearance). Aliran F (seperti pada Gambar 2.12b),aliran yang terjadi karena adanya celah pada pelatpemisah antara pass aliran (pass partition plates).Bocoran aliran F terjadi apabila alat penukar panastersebut mempunyai aliran yang multipass. Disamping itu aliran F bisa juga terjadi jika terdapatkebocoran pada kanal. Bocornya kanal dapatdisebabkan karena (1) kurang tepat posisi packingsaat menyetel, (2) tidak ratanya permukaan berkastabung alibat tegangan yang terjadi saat memasangtabung pada berkas tabung, dan (3) kurang ratapermukaan kanal itu sendiri. Kebocoran aliran Fini mengarah tegak terhadap posisi berkas tabung,dan mengakibatkan penurunan tekanan fluida.

Jika dibandingkan antara alat penukar panasyang terjadi aliran by-pass dengan yang tidak terjadiby-pass, maka jenis pertama akan mengalamipenurunan kecepatan aliran fluida. Akibatnya padajenis ini koefisien perpindahan panas rata-ratamenjadi rendah. Aliran C,E dan F merupakan aliranby-pass dari tabung, ini akan mengurangi luaspermukaan panas efektif (reduces the effective heattransfer area).

Dengan adanya beberapa macam alirantersebut perlu dipertimbangkan faktor koreksi aliranyang lain seperti aliran bocoran celah tabung penukar



panas, kemudian faktor aliran by-pass pada bagianluar antara berkas (bundle) dengan dinding cangkangdan faktor koreksi yang memberikan pengaruh darijumlah baris tabung yang tegak lurus.

Secara umum faktor koreksi ini senilai lebihbesar dari 0,4 untuk perencanaan yang baik, dandiharapkan lebih besar atau sama dengan 0,5 untukmendapatkan disain yang memuaskan. Bila nilaikoreksi tersebut kurang dari nilai tersebut makaperencanaan dapat dikatakan jelek. Faktor koreksitersebut diatas akan mempengaruhi koefisienperpindahan panas pada cangkang.

Gambar 12. Aliran fluida dalam cangkang

HASIL DAN PEMBAHASANPersyaratan disainJenis / Tipe alat penukar panas menurut standar TEMA : B E UPosisi / Letak alat penukar panas : VERTIKALBerfungsi sebagai : Pendingin Air (Cooling Water)Kapasitas : Ditentukan berdasarkan kondisi operasi yang

ditetapkan 4 MWFluida : Air bebas mineral di sisi tabung dan cangkang

Kondisi operasiSisi tabungTemperatur (T) : (in) 3440C, (out) 290 0CLaju alir (m) : 11,8 kg/detikTekanan (p) : 150 barSisi CangkangTemperatur (T) : (in) 370C, (out) 550CTekanan (p) : 5 bar

Sifat – sifat termodinamikaSifat termodinamika air di ambil dari

temperatur rata-rata sisi masuk dan sisi keluarmasing-masing.

Sisi tabungTemperatur rata-rata (T) : 3170CKalor spesifik (cp) : 6066 J/kg KMassa jenis (r) : 672,957 kg/m3

Konduktivitas termal (k) : 616,713 10-3 W/KmKekentalan (m) : 103,733 10-3 kg/detik mPrandtl number (Pr) : 1,020Sisi cangkangTemperatur rata-rata ( T ) : 460CKalor spesifik ( cp ) : 4183 J / kg KMassa jenis ( r ) : 986,563 kg / m3

Konduktivitas termal ( k ) : 637,968 10-3 W / K mKekentalan ( m ) : 601,82 10-6 kg / detik mPrandtl number ( Pr ) : 3,946

Perhitungan PanasDaya (kapasitas) pada sisi tabung ( 3-1a )

= ( 11,8 )( 6066 )( 344 – 290 ) = 3865 kWDaya (kapasitas) pada sisi cangkang, karena

Qs=Qt dengan mengasumsi tidak adanya panasyang hilang ( adiabatis ) maka digunakan persamaan

Sehingga,

= 51,33 kg / det

Koefisien Perpindahan Panas Pada Sisi TabungPerhitungan bilangan Reynolds

dimana

jadi

dimana = 0,251 kg/det

maka

µυρ d..

Re =v =

m 1

p A

A =n4

d 2i

[p] [d]m i

p =n4

d 2i

uRe

M i.4u .n .d

Re

M1 = 11,8

47



Re=

Re = 186132,740Dilanjutkan dengan menghitung koefisien

perpindahan panas sisi tabung dengan persamaanDittus dan Boolter

Untuk persamaan ini sifat-sifat ditentukanpada temperatur fluida rata-rata, dan nilai eksponenn adalah sebagai berikut: berdasarkan refrensi J.P.Holman hal 252n = 0,4 Untuk pemenasan 0,3 Untuk pendinginan

Jadi

Nu = 380,351

Nilai hi adalah

hi = 14164,674 [ W /m2 oC ]

Evaluasi Disain MekanikalData disain mekanikal penukar panas cangkangdan tabung yang diteliti terlihat pada tabel 4

Tabel 4. Data Desain Mekanikal

Berdasarkan data tabel 4, dapat dilakukanevaluasi beberapa nilai kritis yang penting untukmengetahui apakah disain yang ada telah memenuhistandar (dalam hal ini TEMA)

Jarak pusat tabung (item 6)

Jarak tabung Ltp = 24,5 mm untuk diametertabung 19,05 mm sesuai dengan yangdirekomendasikan yaitu 1,25 ≤ Ltp/Dt ≤ 1,5Sudut susunan tabung (item 7)øtp = 300. Sesuai dengan rekomendasi standarkarena tidak mensyaratkan pembersihan sisi luartabung.Potongan sekat (item 11)Bc = 42,078 %

Karena

Berdasarkan buku refrensi 1 harga BC sekitar45% jadi pemilihan harga BC = 42% masih dapatditerima.Jarak sekat (item 12)Lbc = 500 mm

Secara hidraulik jarak sekat ini terlalu besarkarena jarak sekat maksimum (Lbc maks)direkomendasikan sama dengan diameter cangkang(Ds). Namun dari aspek mekanik, yaitu untukmencegah vibrasi berlebihan, jarak ini masih dapatditerima karena menurut rekomendasi jarakmaksimum sekitar 200 mm.

Celah tabung dengan lubang sekat (Item 19)Ltb = 0,4 Sesuai dengan rekomendasi (antara0,4–0,8) sehingga dapat diterima.

Celah sekat dengan dinding cangkang (item 20)Lsb = 2,9 Dapat diterima karena yangdirekomendasikan sekitar 2,5 mm.

Celah berkas tabung dengan cangkang (item 21)Lbb = 31,75 mm. Lebih besar dari yangdirekomendasikan, yaitu sekitar 17 mm. Hal inidapat mengakibatkan besarnya aliran by-pass.

Evaluasi KinerjaPerhitungan Parameter DasarMenghitung aliran tegak lurus terhadap jarak sekat,

Dctl = 323,8 – (31,75 + 19,05)

1,0045,397.10-6

hi =Nukd i

hi =234,56716,56.10-3


NILAI322,8 mm19,05 mm1,245 mm16,56 mm20 W/km24,5 mm

30oTidak perlu2590 mm

2677,615 mm42,078%500 mm

37oC35oC

SIMBOLDsDtLtwDtiKtwLtpØtpLtoLtiLtaBcLbc

TsiTso

ITEM123456789101112

2223

ITEM13a13b1415161718192021

2425

SIMBOLLbiLboCNNuNtpNssCBLtbLsb

TtiTso

NILAI970mm970mm

tidak ada90 buah

20

UTT0,4mm2,9 mm31,75

344oC290oC

TEMPERATUR


= 323,8 – 50,8= 273 mm

= 500 [ 31,75 + 11,143 . 5,45 ] = (500) . (92479) = 46 239,5 mm2

Menghitung temperatur rata-rata

= . 92 = . 634

= 460C = 3170C

Mencari laju alir di sisi cangkang dan bilanganReynolds number

= 1110,09 kg/m2s

= 35138,771Menghitung bilangan prandel

Pr = 3,946Menghitung beda temperatur rata-rata logaritmik

∆T1 = 344 – 55 ∆T2 = 290 – 37 = 289 0C = 253 0C

= 270,677 0CSedangkan untuk menghitung faktor koreksi F,terlebih dahulu dihitung:

= =0,176

= =0,33

Sehingga nilai koreksi F didapat F = 1,0Menghitung panjang efektif tabung U

Dotl = (323,8) – (31,75) = 292,05 mmLta = 2590 + (0,3)(292,05) = 2590 + 87,615 = 2677,615 mm

Menghitung luas permukaan perpindahan panasAo = (3,14)(19,05)(2677,615)(94)(10-6) = 15,056 m2

Perhitungan PenunjangMenghitung sudut sekat terhadap cangkang

= 2 cos-1 [ 1-2(0,421)]= 2 cos-1 [0,158]= 2. 80,909= 161,8180

= 2 cos-1{1,186.0,158}= 2 cos-1{0,187}= 2.79,222= 158,4450

Menghitung luas penampang aliran jendela sekat

= (0,785)(104846,44)(0,449-0,050)= (82304,455)(0,399)= 32839,478 mm2

= 0,440 – 0,059= 0,381

Fc = 1 – 2 . 0,381= 1 – 0,762= 0,238

Ntw = (94)(0,381)= 35,814

= (35,814)(0,785(362,903))= (35,814)(284,879)= 10202,657 mm2

Sw = (32839,478) – (10202,657)= 22636,821 mm2

Menghitung jumlah baris tabung terhadap aliran


12

12


tegak lurusLpp = 0,866 . 24,5

= 21,217 mm

= (15,261)(0,158)= 2,411

= (0,038)[(136,320)-(25,4)]= 0,038 . 110,92= 4,215

Menghitung jumlah sekat

= 4,18Menghitung berkas tabung terhadap cangkang

Sb = 500[(323,8 – 292,05) + 0]= 500[31,75 + 0]= 15875 mm2

= 0,343Menghitung kebocoran aliran di cangkang terhadapsekat

Ssb = 0,00436.(323,8).(2,9).(360 – 161,818)= (4,094).(198,182)= 811,357

Menghitung kebocoran aliran di tabung terhadapsatu sekat

= {0,785[378,303 362,903]}(94)(0,619)= {0,785 . 15,4} 58,186= 12,089 . 58,186= 703,411

Perhitungan faktor koreksiMenghitung faktor koreksi jendela sekat

Fc = 1 – 2(0,381)= 1 – 0,762= 0,238

Jc = 0,55 + 0,72 . 0,238= 0,55 + 0,171= 0,721

Menghitung faktor koreksi

= 0,033

= 0,536Jl= 0,44(1-0,536)+[1-0,44(1-0,536)]exp(-2,2.0,033)

= 0,44.0,464 + {1-0,44.0,464]exp –0,073= 0,204 + [1 – 0,204] 0,930= 0,204 + 0,796.0,930= 0,204 + 0,740= 0,944

Menghitung faktor koreksi untuk aliran by-pass diberkas tabung terhadap perpindahan panas

Cbh = 1,25 untuk aliran turbulentNtcc = 2,411Fsbp = 0,343Rss = 0

=exp[-0,429 . 1]=exp –0,429= 0,651

Menghitung faktor koreksi perpindahan panas untukrugi temperatur tinggi dalam aliran laminerJr = 1,0 dikarenakan aliran turbulent Res > 100Menghitung faktor koreksi jarak sekat

N = 0,6 Untuk aliran turbulentNb = 4,18

= 1,94

= 1,94

maka L = 1,9

= 0,820


Stb = (19,05+0,4)2-19,052 (94)(1=0,381)3,14

4


Koefisien Perpindahan Panas idealMenghitung faktor JiMaka untuk mencari nilai a1 sampai a4 dapatdiktahui bilangan Reynold pada sisi cangkang,maka

a1 = 0,321a2 = -0,388a3 = 1,450a4 = 0,519

= 0,016

= 5,463 . 10-3Menghitung perbandingan viskositas air di sisicangkang berdasarkan persamaan 3-48 di dapat

= (3,301)0,14 = 1,182Menghitung koefisien perpindahan panas dicangkang berdasarkan persamaan

ho = ho,i.Jc.Jl.Jb.Jr.Js = ho,i.Jtotal

ho,i = (5,463.10-3)(4183)(1110,09)(3,946)-2/3(1,182) = (25367,476)(0,401)(1,182) = (25367,476)(0,474) = 12024,184 W/m2 oCJtotal = (0,721)(0,944)(0,651)(1)(0,820)

= 0,363

ho = (12024,184)(0,363) = 4364,779

Koefisien Perpindahan Panas MenyeluruhMenghitung koefisien perpindahan panas

menyeluruh baik di sisi cangkang maupun di sisitabung dari persamaan

= 1,150

= 0,062 . 10-3

= 6,2 . 10-5

= 0,00006 m20C/W

= 2,291.10-4 + 7,060.10-5 . 1,150 + 0,00006= 2,291.10-4 + 8,119.10-5 +0,00006= 3,703.10-4 m20C/W

= 2700,513 W/m20C

Evaluasi kinerjaPada evaluasi kinerja yang berdasarkan disain

dilakukan dengan membandingkan kapasitas panasdari Qact dengan kapasitas yang diinginkan Qreqberdasarkan persamaan 3-54 sampai 56 makadidapat

Qact = (15,056)(2700,513)(270,677)(1) = 11005435,498 W

= 11005,435 kWQreq= (51,33)(4183)(37 – 55) = 214713,39 . 18

= 3864841,02 W = 3864,841 kW

= 0,351 . 15 = 5,265 m2


Øs= 601,82.10-6

182,3.10-6

0,14


PembahasanDari perhitungan diatas dapat diambil secara

garis besarnya bahwa perhitungan tersebut terbagimenjadi dua bagian pokok yaitu: aspek mekanikaldan aspek termal. Aspek mekanikal, telah dilakukanperhitungan serta analisis disain berdasarkan standaryang berlaku. Dari data mekanikal dihitung nilaibeberapa parameter disain terpenting untukdiketahui apakah disain mekanikal tersebut sesuaidengan standar atau tidak, bila tidak sesuai standarmaka terdapat konsekwensinya. Hasil perhitunganmekanikal di atas dapat diketahui bahwa alatpenukar panas tersebut sesuai dengan standar yangberlaku yaitu standar Tubular ExchangerManufacturers Association (TEMA) dan buku HeatExchanger Design Handbook (HEDH).

Namun demikian, terdapat satu parameteryang nilainya lebih besar dari harga batas standar,yaitu jarak sekat. Standar merekomendasikan jaraksekat maksimum sebesar harga diameter dalamcangkang. Sehingga dalam hal ini semestinya Lbc= Ds = 323,8 mm, lebih kecil dari harga yang adayaitu Lbc = 500 mm. Jarak sekat yang terlalu besartersebut dikhawat i rkan mengakibatkanberkurangnya aliran silang dan berakibatberkurangnya harga koefisien perpindahan panas.

Sementara itu, dari perhitungan faktor koreksitampak bahwa faktor koreksi Jb yang menunjukanaliran by-pass di luar berkas tabung (aliran C padamodel aliran Bell-Dellaware, lihat gambar 2.12)merupakan harga terkecil, yaitu 0,651. Hal inimenunjukkan bahwa aliran by-pass tersebut terlalubesar sehingga mengurangi efektifitas perpindahanpanas. Berdasarkan harga faktor koreksi total Jtotyang diperoleh sebesar 0,363 dapat dikatakan disainmekanikalnya kurang bagus sebab direkomendsikanJtot ≥ 0,4 (refrensi 1).

Sedangkan aspek termalnya, dititik beratkanpada evaluasi kinerja berdasarkan data disainmekanikal alat penukar panas tersebut. Hasil akhirevaluasi adalah untuk mengetahui apakah kapasitaspanas yang terpasang (Qact) sesuai dengan kapasitaspanas yang dikehendaki(Qreq). Apabila sesuai, makakinerja dari alat penukar panas tersebut baik.Pada prinsipnya, perlu dihitung harga koefisienperpindahan panas menyeluruh Uo, berdasarkandata operasi dan data disain mekanikalnya. Dengandasar harga Uo, luas permukaan tabung dan bedatemperatur yang ditetapkan, dihitung kapasitaspemindahan panas penukar panas terpasang denganpersamaan 3-53

Qact = Uo A F ∆TLM


Hasil perhitungan menghasilkan Qact =11005,435 kW. Kapasitas penukar panas ini jauhlebih besar dibanding dengan kapasitas operasi yangdiinginkan, yaitu Qreq = 3864,841 kW. Atau dengankata lain, penukar panas ini telah over designed,sebesar

Indikasi adanya over designed ini sebenarnyatelah diketahui pada saat uji coba penukar panasini (refrensi 8). Walaupun tidak diketahui berapabesar over designed nya oleh karena itu, pada waktuitu dilakukan penyumbatan terhadap 22 tabungdengan maksud mengurangi kapasitas perpindahanpanasnya. Hasilnya adalah penurunan kapasitassebesar, hanya sekitar 10%. Meskipun demikian,perlu dicatat bahwa perhitungan kapasitas panasdalam studi ini dilakukan tanpa perhitunganpenyumbatan yang dilakukan. Hal ini karena sulitnyaaplikasi metode Bell-Dellaware untuk kasus tabungyang disumbat.

Tentang besarnya over designed, apabiladilihat dari harga Uo, hasil perhitungan menunjukkanharga yang wajar dalam rentang penukar panas air-air. Parameter lain yang dapat mengakibatkankapasitas pemindahan panas yang besar adalah bedatemperatur antara sisi primer dan skunder. Dariperhitungan terlihat ∆TLM = 270,68 0C Temperatursisi sekunder dipertahankan rendah (Ts,av = 46 0C)ditetapkan mengingat kemampuan alat menarapendingin udara yang tepasang di UUTR.

SIMPULANSebagian besar rancangan mekanikal telah

memenuhi rekomendasi standar TEMA yang berlakuuntuk penukar panas jenis Cangkang dan tabung

Rancangan termal penukar panas menunjukanover designed sebesar 2,85. hal ini ditunjukandengan kapasitas terpasang Qact sebesar 11005,435kW dari kapasitas yang dikehendaki sebesar Qreq

= 3864,841 kW. Beda temperatur yang besar antarasisi primer dan sekunder merupakan parameterpenentu yang terkecil dengan disain alat penukarpanas lain yang terpasang pada sitem UUTR

Perhitungan termal menunjukan bahwasebenarnya efektivitas penukar panas ini sebetulnyamasih rendah. Hal ini terlihat dari faktor koreksiJtot sebesar 0,369 yang masih di bawah harga yangdirekomendasikan yaitu ≥ 0,4

Evaluasi disain alat penukar panas jeniscangkang dan tabung ini menggunakan metodelainnya, seperti metode kern atau program komputerHTFS yang berguna untuk menverifikasikan hasilperhitungan.


DAFTAR PUSTAKAAnonim, 1983, Heat Exchanger Design Handbook

(HEDH) , Hemisphere Pub l i sh ingCorporation,2nd,

………, 1988, Tubular Exchanger ManufacturersAssociation (TEMA), 25 Nort Boadway TarryTown, New York

………, 1982, Properties of water and steam inSI-Units, Springer-verlog Berlin Hei DelbergNew York,3.

J.P Holman, 1991, Perpindahan Kalor, PenerbitErlangga,kedua,

Tunggul Sitompul, 1993, Alat Penukar Kalor, PT.Raja Grafindo Persada, pertama.

M. Necati Ozisik, 1988, Elements of heattransfer,MC Graw-Hill International Editions,pertama

Incopera,Dewitt, 1990, Introduction to heat transfer,Jhon Wiley & Soni,inc,2nd Edition

Ismu H.dkk, 1993, Pengaruh pengurangan jumlahpipa pada Untai Uji Termohidraulika, Laporanteknis PPTKR,TA.1992-1993,PPTKR-43/1993

BINA WIDYA, Volume 24 Nomor 1, Edisi Desember 2012, 40-5252 -


evaluasi disain alat penukar panas jenis cangkang …

Documents