Tugas 1

4. Bagaimana fenomena fouling dan pressure drop dapat menurunkan kinerja dari

alat penukar kalor?

Jawaban :

Fouling Factor

Fouling factor yaitu suatu koefisien yang menyatakan penambahan tahanan

panas pada alat penukar kalor akibat interaksi antara fluida dengan dinding pipa

pada alat penukar kalor yang mengakibatkan terbentunya endapan atau kerak pada

bagian dalam pipa dan bisa juga interaksi tersebut mengakibatkan korosi pada

dinding pipa, sehingga akan menghambat laju perpindahan kalor karena adanya

tahanan tersebut.

Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan-kalor alat penukar

kalor mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem

aliran atau permukaan sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang

digunakan dalam konstruksi penukar-kalor. Dalam kedua hal di atas, lapisan itu

memberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dan hal ini menyebabkan

menurunnya kemampuan kerja alat itu. Pengaruh menyeluruh daripada hal tersebut

di atas biasa dinyatakan dengan faktor pengotoran (fouling factor), atau tahanan

pengotoran Rf yang harus diperhitungkan bersama tahanan termal lainnya, dalam

menghitung koefisien perpindahan-kalor menyeluruh.

Fouling dapat didefinisikan sebagai pembentukan deposit pada permukaan

alat penukar kalor yang menghambat perpindahan panas dan meningkatkan

hambatan aliran fluida pada alat penukar kalor tersebut. Akumulasi deposit pada

permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan

menurunkan efisiensi perpindahan panas.

Fouling mempunyai pengaruh yang penting pada efisiensi perubahan

energi, pada pemilihan material yang digunakan dalam konstruksi alat-alat penukar

kalor dan pada operasi proses-proses industri. Lapisan fouling dapat berasal dari

partikel-partikel atau senyawa lainnya yang terangkut oleh aliran fluida.

Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat apabila permukaan deposit yang

terbentuk mempunyai sifat adesif yang cukup kuat. Gradien temperatur yang cukup

besar antara aliran dengan permukaan dapat meningkatkan kecepatan pertumbuhan

deposit.

Gambar 1. Proses Pembentukan Fouling

(Sumber: www.vesma.com)

Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa fouling resistance juga dipengaruhi oleh:

Sifat fluida

Semakin tinggi impurities fluida yang mengalir pada alat penukar kalor maka

fouling factor akan meningkat. Semakin rendah API fluida yang mengalir

pada alat penukar kalor tersebut, maka fouling factornya akan semakin besar.

Kecepatan aliran fluida

Semakin tinggi kecepatan aliran fluida yang mengalir pada alat penukar

kalor, maka fouling factor alat penukar kalor tersebut akan semakin kecil.

Temperatur operasi (temperatur semakin tinggi, maka fouling factor semakin

besar)

Waktu operasi

Meningkatnya waktu operasi alat penukar kalor akan meningkatkan fouling

factor alat penukar kalor tersebut.

Jika fouling factor di atas sudah memiliki nilai sedemikian besar, maka alat

penukar kalor tersebut dapat disimpulkan sudah tidak baik kinerjanya.

Fouling factor = fouling resistance x 1000 (1)

Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan

menentukan U untuk kondisi bersih dan kondisi kotor pada alat penukar kalor itu.

Sehingga, faktor pengotoran didefinisikan sebagai berikut:

R f=(1/U kotor )−(1 /U bersih) (2)

Untuk U<<10000 W/m2 C, fouling mungkin tidak begitu penting karena hanya

menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada water to water heat exchanger

dimana nilai U di sekitar 2000 maka fouling factor akan menjadi penting. Pada

finned tube heat exchanger dimana gas panas mengalir di dalam tube dan gas yang

dingin mengelir melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200, fouling factor akan

menjadi signifikan.

Gambar 2. Fouling pada Pipa

(Sumber: www.vesma.com)

Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, faktor pengotoran

dibagi 5 jenis, yaitu :

1. Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation

fouling).

Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung

garam-garam yang terendapkan pada suhu tinggi, seperti garam kalsium

sulfat, dan lain-lain.

2. Pengotoran akibat pengendapan partikel padat dalam fluida (particulate

fouling).

Pengotoran ini terjadi akibat pengumpulan partikel-partikel padat

yang terbawa oleh fluida di atas permukaan perpindahan panas, seperti

debu,pasir, dan lain-lain.

3. Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling).

Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia didalam fluida, diatas

permukaan perpindahan panas, dimana material bahan permukaan

perpindahan panas tidak ikut bereaksi, seperti adanya reaksi polimerisasi,

dan lain-lain.

4. Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling).

Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia antara fluida kerja dengan

material bahan permukaan perpindahan panas.

5. Pengotoran akibat aktifitas biologi (biological fouling).

Pengotoran ini berhubungan dengan akitifitas organisme biologi

yang terdapat atau terbawa dalam aliran fluida seperti lumut, jamur, dan

lain-lain.

Penurunan Tekanan

Akumulasi deposit pengotor pada alat penukar kalor dapat menimbulkan

kenaikan pressure drop. Pressure drop merupakan banyaknya penurunan tekanan

yang terjadi akibat pertukaran kalor dalam pipa. Penurunan tekanan ini

dikarenakan adanya perubahan suhu secara tiba-tiba karena adanya beban

kecepatan dan faktor friksi dalam aliran kedua fluida. Penurunan tekanan ini

mengakibatkan nilai perpindahan kalor menyeluruh dari alat penukar kalor akan

menurun dan bertambahnya biaya pemompaan fluida ke alat penukar kalor.

Penurunan tekanan pada HE khusunya pada tabung dan rangkunan tabung

dapat menyebabkan perubahan faktor gesek (friction factor). Pada tabung

hubungan antara faktor friksi dan penurunan tekanan dituliskan sebagai berikut:

f =Δp / ρ LD

V 2

2 gc (3)

Perubahan faktor friksi ini mengakibatkan berubahnya angka Reynold dan angka

Nusselt, sehingga nilai koefisien perpindahan kalor konveksinya berubah. Dengan

berubahnya koefisien perpindahan kalor konveksi maka koefisien perpindahan

kalor menyeluruh pun ikut berubah.

5. Selain kedua hal tersebut faktor-faktor apa saja yang dapat mempengaruhi

kinerja dari sebuah alat penukar kalor?

Jawaban :

Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja dari sebuah alat penukar kalor:

1. Koefisien perpindahan panas

Koefisien perpindahan panas adalah angka yang menyatakan kemampuan

suatu sistem atau alat untuk memindahkan energi panas. Semakin baik sistem

maka semakin tinggi pula koefisien panas yang dimilikinya.

2. Perbedaan suhu/ beda suhu rata-rata antara masukan dan keluaran produk

Temperatur fluida panas maupun dingin yang masuk alat penukar kalor

biasanya selalu berubah-ubah. Untuk menentukan perbedaan temperatur

tersebut digunakan perbedaan temperatur rata-rata atau LMTD (Logarithmic

Mean Temperature Difference). LMTD digunakan dalam perhitungan-

perhitungan alat penukar kalor yang menunjukkan panas yang dipindahkan.

Semakin besar beda suhunya semakin baik pula efisiensinya.

3. Luas permukaan perpindahan panas

Semakin tinggi luas permukaan panas, maka semakin besar panas yang

dipindahkan. Luas perpindahan panas ini bergantung pada jenis tube dan

ukuran tube yang digunakan suatu alat penukar kalor.

4. Jumlah Lintasan

Di dalam alat penukar kalor, jumlah lintasan sangat menentukan kecepatan

perpindahan kalor, apabila jumlah lintasan yang ada banyak, maka akan

berpengaruh pada luas permukaan yang melepas kalor. Seperti yang diketahui,

apabila luas permukaan yang terkena fluida panas semakin banyak atau luas,

maka perpindahan kalor akan terjadi lebih cepat.

Pada lintasan tunggal. Biasanya memiliki kecepatan yang agak tinggi,

namun memiliki tabung yang agak pendek. Pada lintasan banyak dapat

memperkecil penampang aliran fluida dan meningkatkan kecepatannya dengan

disertai oleh bertambah tingginya koefisien perpindahan kalor. Tetapi

kelemahannya adalah penukar kalor menjadi agak lebih rumit dan rugi gesekan

melalui alat meningkat disebabkan kecepatan yang lebih besar serta rugi masuk

dan rugi keluar pun menjadi berlipat ganda.

5. Material bahan alat penukar kalor

Alat penukar kalor yang dibuat dengan material bahan yang baik (anti-

korosi) akan memiliki kinerja yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan material

bahan yang baik akan mencegah atau mengurangi terbentuknya korosi atau

karat pada alat penukar kalor yang dapat menurunkan efisiensi kerja dari alat

penukar kalor.

Tugas 2

3. Bagaimana mekanisme dan hubungan empiris untuk perpindahan kalor konveksi

paksa pada aliran di dalam pipa? Bagaimana pula pada aliran yang menyilang

silinder, bola, dan rangkunan tabung?

Jawaban :

Hubungan Empiris Perpindahan Kalor Konveksi Paksa pada Aliran di Dalam

Pipa

Pada dasarnya, mekanisme dan hubungan empiris untuk perpindahan kalor

konveksi pada aliran di dalam pipa mengaplikasikan konsep suhu ruah (bulk

temperature), dimana aliran fluida akan mengalami perubahan suhu dalam kondisi

adiabatik (tidak ada energi

yang masuk maupun keluar).

Gambar 5. Total Perpindahan Kalor dengan Perbedaan Suhu dari Bulk Temperature

(Sumber: Holman, 2010, halaman 267)

Dengan mengaitkan konsep suhu ruah tersebut dengan luas penampang aliran

fluida, yang dalam hal ini berbentuk silinder, maka persamaan yang diberikan

adalah:

dq=m Cp dT b=h (2 πr )dx (T w−T b ) (12)

atau

q=hA (T w−Tb )av (13)

untuk: q = perpindahan kalor konveksi dalam pipa (W)

h = koefisien konveksi (W/m2. ºC)

A = luas penampang (m2)

Tw = suhu dinding pipa (ºC)

Tb = suhu ruah fluida masuk (ºC)

Berbeda dari konveksi alami, koefisien konveksi (h) untuk persamaan di atas

diperoleh dari persamaan-persamaan di bawah ini:

Nu=hLD⤏h=NuD

L

dengan D dan L merupakan diameter dan panjang penampang pipa yang dialiri

fluida, lalu Nu sebagai bilangan Nusselt.

Bilangan Nusselt diperoleh dengan memperhitungkan variabel jenis aliran fluida

(diwakili dengan bilangan Reynold/Re), dan variabel difusivitas termal dan

momentum (diwakili oleh bilangan Prandtl/Pr):

ℜ= ρDvμ

dan Pr= vα

dimana hasil kalkulasi bilangan Reynold ini digunakan untuk menentukan jenis

aliran fluida yang mengalir, entah itu turbulen atau laminer. Persamaan-persamaan

untuk mencari bilangan Nusselt yang digunakan apabila alirannya telah diketahui

(turbulen/laminer) dapat dilihat pada tabel 1 pada bagian lampiran.

Nilai Nusselt Rata-rata Untuk Aliran Laminer dan Turbulen Masuk

Berpenampang Circular :

- Untuk aliran laminer, bilangan Nusselt rata-rata dapat dicari dengan

persamaan bilangan Graetz, yakni:

Gz=ℜPr dx (14)

- Untuk aliran turbulen, mencari bilangan Nusselt rata-rata belum dapat

dilakukan karena rumusannya lebih kompleks, seperti yang digambarkan

pada 4.1b:

(a) (b)

Gambar 6. Grafik Untuk Mencari Nilai Nusselt Rata-rata Pada Aliran (a) Laminer (b)

Turbulen

(Sumber: Holman, 2010, halaman 274)

Aliran Dalam Penampang Non-Circular

Apabila penampang aliran fluida tidak bundar, maka korelasi perpindahan

kalornya didasarkan pada diameter hidrolik (DH), dan batas yang dibasahi (P):

DH=4 AP (15)

lalu, korelasi bilangan Nusselt dengan diameter hidrolik (DH) untuk aliran laminar

dapat dilihat pada tabel 2 pada bagian lampiran, dengan catatan bahwa:

NuH = nilai Nusselt rata-rata angka untuk fluks panas seragam pada

penampang aliran

tertentu

NuT = nilai rata-rata bilangan Nusselt untuk temperatur dinding seragam

yang.

f ℜDH /4 = faktor friksi dan bilangan Reynold berdasarkan diameter hidrolik

Mekanisme dan Hubungan Empiris Perpindahan Kalor Konveksi Paksa pada

Aliran Menyilang untuk Silinder

Pada angka-angka Reynolds yang rendah, yang mendekati satu, tidak terjadi

pemisahan aliran, dan semua gaya seret yang disebabkan oleh gaya gesek viskos

atau gaya gesek kental (viscous friction). Pada angka Reynolds di sekitar 10, gaya

gesek dan gaya seret bentuk hampir sama besar, sedangkan gaya seret bentuk yang

disebabkan oleh daerah aliran-terpisah turbulen lebih besar pada angka Reynolds

di atas 1000. Pada angka Reynolds di sekitar 105, berdasarkan diameter, aliran

lapisan-batas mungkin menjadi turbulen, yang menyebabkan profil kecepatan

menjadi lebih curam, dan pemisahan aliran menjadi sangat terlambat. Akibatnya,

gaya seret bentuk menjadi berkurang, dan ini terlihat dari patahan pada kurva

koefisien-seret di sekitar Re = 3 x l05.

Proses aliran jelas mempengaruhi perpindahan-kalor dari silinder panas ke

aliran fluida. Pada angka Reynolds yang agak rendah (70.800 dan 101.300) titik

minimum koefisien perpindahan-kalor terjadi di sekitar titik pisah. Kemudian

terjadi peningkatan koefisien perpindahan kalor pada bagian belakang silinder,

sebagai akibat gerakan pusaran (eddy) turbulen pada aliran yang menjadi terpisah.

Pada angka Reynolds yang lebih tinggi terdapat dua titik minimum. Yang pertama

terjadi pada titik transisi dan lapisan-batas laminar ke turbulen, dan titik minimum

yang kedua terbentuk ketika lapisan-batas turbulen memisah. Perpindahan-kalor

meningkat cepat ketika lapisan-batas menjadi turbulen, dan sekali lagi ketika

terjadi peningkatan gerakan pusaran pada pemisahan.

Oleh karena pemisahan-aliran itu bersifat rumit, maka untuk menghitung

koefisien perpindahan-kalor rata-rata dalam aliran-silang itu tidak dapat dilakukan

secara analitis. Tetapi, berdasarkan korelasi data eksperimental Hilpert untuk gas,

dan berdasarkan korelasi data eksperimental dari Knudsen-Katz untuk zat cair

didapatkan bahwa koefisien perpindahan-kalor rata-rata dapat dihitung

berdasarkan persamaan :

hdk f

=C( u∞ dv f )

n

Pr1

3

dimana konstanta C dan n sesuai dengan tabel 3 pada bagian lampiran. Data

perpindahan-kalor untuk udara digambarkan pada grafik gambar 9 pada bagian

lampiran.

Selain berdasarkan korelasi data Hilpert dan Knudsen-Katz, Fand

menunjukkan bahwa koefisien perpindahan-kalor dan zat cair ke silinder dalam

aliran-silang dapat diberikan dengan rumus sebagai berikut :

Nuf =(0 ,35+0 , 56 Ref0 , 52)Pr

f0,3

Persamaan ini berlaku untuk 10−1<ℜf <105 sejauh tidak terdapat keturbulenan

yang berlebihan pada aliran-bebas. Sedangkan Eckert-Drake merumuskan

persamaan berikut untuk perpindahan kalor dari tabung dalam aliran silang yang

didasarkan atas studi ekstensif.

Nu=(0 ,43+0 ,50 Re0,5) Pr0 , 38(Prf

Prw)0 ,25

untuk 1¿¿

Nu=0 ,25 Re0,6 Pr0, 38(Prf

Prw)0 , 25

untuk 103¿¿

Mekanisme dan Hubungan Empiris Perpindahan Kalor Konveksi Paksa pada

Aliran Menyilang untuk Bola

McAdams menyarankan persamaan berikut untuk perpindahan kalor dari

bola ke gas yang mengalir (tabel 4 bagian lampiran):

hdk f

=0 ,37 ( u∞ dv f )

0,6untuk 17¿¿

Achenbach mendapatkan persamaan yang berlaku untuk udara dengan Pr =

0,71 dan rentang angka Reynolds yang lebih luas lagi:

Nu=2+( 0 ,25+3×10−4Re1,6 )1/2untuk 100 ¿¿

Nu=430+aRe+b Re2+c Re3 untuk 3×105¿¿dengan a = 5×10−3 b = 0,25×10−9 c = -3,1× 10−7

Untuk aliran zat cair melewati bola, data Kramers dapat digunakan untuk

mendapatkan korelasi:

(

16)

(

17)

(

18)

(

19)

(

20)

(

21)

(

22)

hdk f

Prf −0,3=0 , 97+0 , 68(u∞ d

v f )0,5

untuk 1¿¿

Mekanisme dan Hubungan Empiris Perpindahan Kalor Konveksi Paksa pada

Aliran Menyilang untuk Rangkunan Tabung (Tube Bank)

Berikut ini adalah karakteristik perpindahan-kalor pada rangkunan tabung

yang segaris atau selang-seling:

hdk f

=C( u∞ dv f )Pr

13

Untuk memperoleh nilai konstanta C dan eksponen n, dapat digunakan tabel

5 bagian lampiran dengan menyesuaikan angka lain dibagian kiri dan atasnya.

Menurut parameter geometri yang digunakan untuk menggambarkan susunan

berkas tabung. Angka Reynolds didasarkan atas kecepatan maksimum yang terjadi

pada rangkunan tabung, yaitu kecepatan melalui bidang aliran yang minimum.

Luas bidang ini bergantung dari susunan geometri tabung. Nomenklatur yang

digunakan dalam tabel 5 ditunjukkan dalam gambar 10. Data daftar pada tabel 5

menyangkut rangkunan tabung yang mempunyai 10 baris atau lebih pada arah

aliran. Jika jumlah tabung dalam baris lebih sedikit, maka perbandingan nilai h

untuk baris N tabung terhadap baris 10 tabung diberikan pada tabel 6.

Penurunan tekanan untuk aliran gas melintas rangkunan tabung dapat

dihitung dari persamaan di bawah, yang dinyatakan dalam pascal:

Δp=2 f ' Gmaks

2 Nρ ( μw

μb)0,14

di mana Gmaks adalah kecepatan massa pada luas bidang aliran minimum, kg/m2.s,

ρ adalah densitas ditentukan pada kondisi aliran bebas, kg/m3, N adalah jumlah

baris melintang dan μb adalah viskositas aliran bebas rata-rata

Faktor gesek empiris f’ dirumuskan untuk baris selang-seling sebagai:

f '={0 , 25+ 0 ,118

[ (Sn−d )

d0, 43+1, 13 d

S p] }Remaks−0 ,16

Untuk baris segaris adalah

(

23)

(

24)

(

26)

(

25)

f '={0 , 044+0 ,08 S p/d

[(Sn−d )

d0 , 43+1 ,13 d

Sp ]}Remaks−0 , 15

Zukauskas membuat informasi tambahan untuk berkas tabung dengan

memperhitungkan rentang angka reynolds yang luas dan perbedaan-perbedaan

sifat. Persamaan korelasinya adalah:

Nu=h dk=C Red ,maks

n Pr0,36(PrPr w )

1/4

di mana semua sifat, kecuali Pr, dievaluasi pada T dan nilai konstanta diberikan

dalam tabel 8 pada lampiran untuk tabung yang lebih besar dari 20 baris.

Persamaan ini berlaku untuk 0,7 < Pr <500 dan 10 < Red,maks < 106. Untuk gas, rasio

angka Prandtl tidak mempunyai pengaruh banyak dan dapat diabaikan. Sekali lagi,

diperhatikan bahwa angka Reynolds didasarkan atas kecepatan maksimum di

dalam rangkunan tabung. Untuk tabung yang kurang dari 20 baris pada arah aliran,

faktor koreksi dalam daftar 7 harus diterapkan. Faktor koreksi ini pada dasarnya

sama dengan yang untuk korelasi Grimson. Selain Zukauskas, seorang ilmuwan

Morgan juga melakukan penelitian tentang hubungan aliran kalor pada rangkunan

tabung dengan pressure drop. Perlu diingat bahwa persamaan-persamaan diatas

berkolerasi dengan data eksperimen dengan ketelitian sebesar 25%.

(

27)

(

28)