BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA. industri proses, sekurang-kurangnya 60% dari semua APK yang digunakan, karena

Transkripsi

1 BB INJUN PUSK. lat Penkar Kalr Selngsng dan abng lat penkar kalr selngsng dan tabng mmnya banyak dgnakan dalam ndstr prses, sekrang-krangnya 60% dar sema PK yang dgnakan, karena dapat d-dsan ntk menjalankan lebh banyak tekanan dan temperatr sepert yang djmpa dalam ndstr prses. PK n dapat jga dknstrks dar bermacammacam materal. nggl [0] menjelaskan beberapa kentngan PK selngsng dan tabng bahwa knstrksnya sederhana, dapat dpsah sat sama lan (tdak merpakan sat kesatan yang th sehngga pengangktannya relatf mdah, pemakaan rang relatf kecl, dan mdah membershkannya. Farel H Naptpl [6] melakkan kajan ekspermental efektftas alat penkar kalr selngsng dan tabng (shell and tbe sebaga pemanas ar dengan memanfaatkan energ thermal gas bang mtr desel bahwa dapat mencapa efektftas tertngg 8,496 % ntk debt ar mask knstan 5 Lter/ment. Gambar. : PK Selngsng dan abng Unverstas Smatera Utara

2 pe PK selngsng dan tabng ssnan yang lazm dklasfkaskan menrt nmenklatr blar Exchanger Manfactrer s sscatn (EM f the Unated States. Salah sat tpe PK selngsng dan tabng sepert yang dtnjkkan pada Gambar.. lat Penkar Kalr n mempnya selngsng tpe E yat sat lalan selngsng (sngle-pass shell dan sat lalan tabng (sngle-pass tbe serta dlengkap dengan sekat (bffle. Yang dmaksd dengan lalan selngsng adalah lntasan yang dlakkan leh flda sejak mask kedalam selngsng melal salran mask (nlet nzzle, dan melewat bagan dalam selngsng melntas bndel tabng, kemdan kelar dar salran bang (tlet nzzle. pabla lntasan t dlakkan sat kal maka dsebt sat lalan selngsng (sngle-pass shell, kala terjad da kal dsebt dengan da lalan selngsng (tw-pass shell. Untk flda d dalam tabng, jka flda mask ke dalam penkar kalr melal bagan depan (frnt head lal mengalr ke dalam tabng dan langsng kelar dar bagan belakang (rear head, maka dsebt dengan sat lalan tabng (snglepass tbe. pabla flda t membelk lag mask ke dalam tabng, sehngga terjad da kal lntasan flda dalam tabng maka dsebt da lalan tabng (tw-pass tbe. Basanya jmlah lalan selngsng (pass shell lebh sedkt ata sama dengan jmlah lalan tabng (pass tbe. Ssnan tabng yang basa dgnakan adalah ssnan tabng bjr sangkar (In-lne sqare ptch, ssnan tabng belah ketpat (rtated sqare ptch, ssnan tabng segtga (tranglar ptch, dan ssnan tabng layang-layang (rtated tranglar ptch sepert yang dtnjkkan pada Gambar.. Unverstas Smatera Utara

3 Gambar. : Bentk Ssnan abng Ummnya alran flda dalam selngsng adalah aksal terhadap tabng ata menylang. Untk membat alran flda dalam selngsng menjad alran menylang basanya dtambah dengan sekat. Sekat n jga berfngs ntk mendkng tabng dan menahan vbras. Bentk sekat yang lazm adalah segmental baffle, dsc and dghnt baffle, dan rfce baffle. pe yang palng banyak dpergnakan adalah segmental baffle dengan pemtngan sekat (baffle ct sepert pada Gambar.3. Gambar.3 : Sekat segmental (segmental baffle Secara mm alran dalam ss selngsng yang menggnakan sekat sangat kmpleks. E.S Gadds [7] menganalsa bahwa alran dalam ss selngsng sebagan tegak lrs dan sebagan sejajar terhadap bndel tabng sepert yang dtnjkkan Unverstas Smatera Utara

4 pada Gambar.4. S H merpakan alran tama. Selan t celah antara tabng dengan sekat dan celah antara sekat dengan selngsng terdapat kebcran alran S L. emkan jga tabng tdak dapat dtempatkan sangat dekat dengan selngsng sehngga menyebabkan terbentknya alran bypass S B. Gambar.4 : Bentk alran dalam ss selngsng Macbeth (abrek et al [3] jga mengamat pengarh kebcran alran pada celah antara sekat dengan selngsng dan antara sekat dengan tabng terhadap kefsen perpndahan kalr knveks dengan menggnakan pemtngan sekat (baffle ct yang bervaras antara 8,4 % sampa 37,5 % dar dameter selngsng, maka dperleh hasl bahwa semakn besar celahnya semakn kecl kefsen perpndahan kalr knveks. Ylmaz M [4] menelt pengarh perbahan ketnggan sekat pada setap blangan Reynld yang berbeda. Pengamatannya dlakkan dalam salran berpenampang perseg yang menggnakan sekat. Parameter ketnggan sekat merpakan varas perbandngan antara tngg sekat dengan tngg salran (C/H dengan varas Unverstas Smatera Utara

5 perbandngan 0,6 dan serta sdt kemrngan sekat 30, 45, 60, dan 90. Hasl peneltannya mennjkkan bahwa perpndahan panas dan faktr gesekan secara sgnfkan tergantng pada sdt kemrngan sekat, perbandngan tngg sekat dengan tngg salran dan blangan Reynld. Hasl peneltannya jga mennjkkan bahwa blangan Nsselt dan faktr gesekan menngkat dengan berkrangnya ras C/H dan kenakan sdt sekat. lran flda yang melntas bndel tabng dalam pss mrng damat leh Zkaskas (abrek et al [5]. Varas sdt kemrngan sekat damat dar pss ars datang yang tegak lrs (90 sampa kemrngan 30. Hasl pengamatan mennjkkan bahwa semakn besar sdt ars flda yang menj bndel tabng semakn besar pla faktr kreks terhadap sdt lntasnya. Hasl n mennjkkan bahwa prses perpndahan kalr palng efektf terjad jka menggnakan ars alran yang datang tegak lrs terhadap bndel tabng. Pemasangan sekat pada alat penkar kalr akan mempengarh kecepatan flda yang melntas las frntalnya dan akan berakbat langsng pada kefsen perpndahan kalr. Kern [3] mengatakan adanya pemasangan sekat adalah ntk mengarahkan alran flda dalam selngsng menjad melntang (crss flw terhadap berkas tabng, dan jga menjadkan alran tersebt lebh trblen. lran trblen dapat menngkatkan perpndahan kalr. alam pengkajan ekspermental yang dlakkan leh L dan Kttke [] pada penkar kalr selngsng dan tabng dengan ssnan tabng berselang-selng menymplkan pertambahan jarak sekat dapat menngkatkan kefsen perpndahan kalr knveks dan penrnan tekanan lebh tngg, dar pada jarak sekat yang Unverstas Smatera Utara

6 pendek. Kern [3] jga menambahkan bahwa semakn banyak jmlah sekat yang dgnakan ata jarak antar sekat semakn pendek maka akan menambah derajat trblens alran dan jga penrnan tekanan (pressre drp. lan phak nggl [0] mengemkakan apabla jarak antar sekat dbat terlal jarang ata panjang, maka alran flda akan menjad aksal sehngga tdak terdapat alran yang melntang, sebalknya jka jarak antar sekat dbat terlal sempt ata kecl, maka akan menmblkan bcran yang berlebhan antara sekat dengan selngsng. Kemdan abrek [8] dan Kern [3] menyarankan bahwa jarak antar sekat dapat bervaras antara mnmm 0 % dar dameter selngsng sampa dengan maksmm sama dengan dameter selngsng. Sltan et al [6] menetapkan persamaan krelas ntk perhtngan jarak sekat ptmm pada PK kndenser tpe E dan J sebaga berkt : Lbc Sm/[L bb ctl (- t /L tp ] Mkherjee [9] mengemkakan bahwa pemtngan sekat (baffle ct yang deal antara 0% sampa dengan 35% dar dameter selngsng. Jka pemtngan sekat dambl krang dar 0 % dengan maksd agar kefsen perpndahan kalr knveks pada ss selngsng bertambah ata pemtngan dambl lebh dar 35 % dengan maksd agar kergan tekanan berkrang, maka hasl yang dperleh mmnya akan mergkan. Zkaskas (Yns. Cengel [7] mengslkan rms krelas ntk perhtngan kefsen perpndahan kalr knveks alran menylang melntas bndel tabng selang-selng (staggered sepert berkt n : Unverstas Smatera Utara

7 N h k C Re m Pr n Pr Pr s 0,5 dmana nla knstanta C, m, dan n tergantng pada blangan Reynlds. Persamaan n berlak ntk jmlah bars tabng N > 6 dan 0,7 < Pr < 500 serta 0 < Re < x 0 6. Bla jmlah bars tabng N < 6 maka persamaan datas dmdfkas dengan mengalkan faktr kreks F. Selan t persamaan emprs ntk kefsen perpndahan kalr knveks yang banyak dterapkan pada alat penkar kalr kmersl, Janna [4] mermskan sebaga berkt : N 0,36 Re 0,55 Pr 0,33 Kemdan Sparrw [8] dalam peneltannya mengemkakan bahwa persamaan krelas ntk menentkan kefsen perpndahan kalr knveks adalah : N 0,453 [exp(,9 K] Re 0,63 Pr 0,36 dmana faktr K menyatakan pemtngan sekat (baffle ct. Penrnan tekanan dalam ss selngsng (shell sangat dpengarh leh faktr gesek dan laj alran flda. Besar faktr gesek (f dalam ss selngsng berkrelas langsng dengan blangan Reynlds, sepert yang dkemkakan leh Pekdemr, at al [9] bahwa penrnan tekanan adalah fngs dar blangan Reynlds. Gadds E. S dan Gnelnsk V [7] mermskan perhtngan kergan tekanan pada ss selngsng (shell adalah sebaga berkt : p (n p q p QE n p F p s Unverstas Smatera Utara

8 emkan jga Kakac dan L [4] mermskan persamaan krelas ntk faktr gesek sebaga berkt : f exp (0,576 0,9 ln Re Selan t Jegede [0] mengemkakan bentk hbngan fngsnal faktr gesek dengan blangan Reynlds sebaga berkt : f,79 Re -0,9 emkan jga menrt Jakb (Hlman [], persamaan emprs ntk faktr gesek pada bndel tabng selang-selng sebaga berkt : f 0,5 S n 0,8 d d,08 Re 0,6 Menrt Sapp [] dar hasl peneltannya mennjkkan bahwa kefsen perpndahan kalr dan faktr gesek terjad pada pss sekat (baffle tegak lrs terhadap tabng. Krelas emprs kefsen perpndahan kalr dan kergan tekanan masng-masng dnyatakan dalam hbngan fngsnal yat : N 0,6 Re 0,58 (sn θ 0,9 dan f 4, Re -0,7 (sn θ 0,5 dmana, 8680 < Re < 530 dan 45 θ 90. Landasan er Perpndahan kalr dan kergan tekanan yang terjad pada alat penkar kalr selngsng dan tabng sangat bergantng pada bentk gemetr dan dmens dar Unverstas Smatera Utara

9 pada tabng (tbe dan sekat (baffle, serta sfat-sfat fsk flda dalam ss tabng (tbe dan selngsng (shell. nalsa perpndahan kalr dalam ss selngsng (shell dlakkan dengan memperhtngkan jmlah kalr yang dserap leh flda dalam selngsng (shell. Jmlah kalr yang dserap dasmskan sama besar dengan jmlah kalr yang dpndahkan leh flda dalam tabng (tbe secara kndks melal dndng tabng. nalss n jga mengasmskan bahwa tdak terdapat kehlangan kalr melal dndng selngsng (shell ke dara lar dsektarnya. Laj perpndahan kalr yang dserap leh flda (dara dalam selngsng (shell dhtng dengan rms : dmana : Q & h ( s m m& c p, ( k m (. h kefsen perpndahan kalr knveks dara (W/m K las dndng lar tabng (m s sh dndng lar tabng ( C m ( m k / sh rata-rata dara ( C m& laj alran massa dara (kg/s c p, panas jens dara (J/kg K k sh dara kelar selngsng ( C m sh dara mask selngsng ( C Laj perpndahan kalr yang dlepaskan leh flda (ar dalam tabng (tbe dhtng dengan rms : Unverstas Smatera Utara

10 Q & ha ( ma s m& a c p, a ( am ak (. dmana : h a kefsen perpndahan kalr knveks ar (W/m K las dndng dalam tabng (m s sh dndng dalam tabng ( C ma ( am ak / sh rata-rata ar ( C m& a laj alran massa ar (kg/s c p,a panas jens ar (J/kg K ak sh ar kelar tabng ( C am sh ar mask tabng ( C Laj perpndahan kalr menyelrh dar flda (ar melal dndng tabng (tbe ke flda (dara dhtng dengan rms : dmana : Δlm Q U s Δ lm Rt & (.3 Δ lm beda sh rata - rata lgartmk (K Gambar.5 : agram emperatr Unverstas Smatera Utara

11 [ ] /( ( ln ( ( m ak k am m ak k am lm Δ s U U U U kefsen perpndahan kalr menyelrh berdasarkan permkaan lar tabng (m / ln( s a h L k h U π / ln( a h k N h U kefsen perpndahan kalr menyelrh berdasarkan permkaan dalam tabng (m / ln( s a h L k h U π / ln( a h k N h s a t h L k h R / ln( π las dndng lar tabng (m s L N π las dndng dalam tabng (m s L N π h kefsen perpndahan kalr knveks dara (W/m K h a kefsen perpndahan kalr knveks ar (W/m K Unverstas Smatera Utara

12 k kndktftas panas tabng (W/m K dameter lar tabng (m dameter dalam tabng (m L S panjang tabng (m N jmlah tabng Kefsen perpndahan kalr knveks flda (ar dalam ss tabng dapat dhtng dengan rms : ka 48 ka ka ha Na 4, 36 (ntk lamnar Re<300 (.4 ka ka 0,8 n h a Na (0,03 Rea Pra (ntk trblen Re>4000 (.5 dmana : k a kndktftas panas ar (W/m K n 0,4 (ntk pemanasan n 0,3 (ntk pendngnan Kefsen perpndahan kalr knveks flda (dara dalam ss selngsng dapat dhtng dengan rms : k h N (.6 e dmana : k kndktftas panas dara (W/m K e dameter ekvalen (m Kern [3] menyatakan bahwa ntk pemtngan sekat (baffle ct 5 %, maka blangan Nsselts dapat dhtng dengan persamaan sebaga berkt : Unverstas Smatera Utara

13 P N 0,36 (Re 0,55 (Pr /3 μ μ, s 0,4 (.7 dmana : μ vskstas dnamk dara (kg/m.s μ,s vskstas dnamk dara pada sh dndng (kg/m.s Pr c p, k μ Re ρ V μ maks e m& f μ e f las alran slang (m e dameter ekvalen (m Untk alat penkar kalr selngsng dan tabng dengan ssnan tabng belah ketpat (rtated sqare maka defns las alran dan dameter ekvalen adalah sebaga berkt : f OL LB s OL 0,707 P ( P (.8 C P P Gambar.6 : Ssnan abng Belah Ketpat Unverstas Smatera Utara

14 e 4 x las alran kellng basah e π 4 P 4 (.9 π C P - (celah antar tabng dalam meter dmana : s dameter selngsng (m OL dameter bndel tabng (m L B jarak sekat (m P jarak antar tabng (tbe ptch (m dameter lar tabng (m Efektvtas lat Penkar Kalr Efektvtas sat alat penkar kalr merpakan salah sat hal yang sangat pentng dalam mendsan alat penkar kalr. Hal n dsebabkan karena parameter efektftas tersebt merpakan sat gambaran njk kerja sebah alat penkar kalr. Efektvtas alat penkar kalr (heat-exchanger effectveness dapat ddefnskan sebaga berkt : Q& laj perpndahan kalr aktal ε (.0 & laj perpndahan kalr maksmm yang mngkn Q maks Laj perpndahan kalr aktal dalam alat penkar kalr dapat dtentkan dar balans energ dar pada flda panas ata dngn sebaga berkt : Q & C C ( (. c ( c c h h h Unverstas Smatera Utara

15 dmana : C & c mc c pc C m& c h h ph laj kapastas panas flda dngn laj kapastas panas flda panas m& c m& h laj alran massa flda dngn (kg/s laj alran massa flda panas (kg/s c sh mask flda dngn ( C c sh kelar flda dngn ( C h sh mask flda panas ( C h sh kelar flda panas ( C Laj perpndahan kalr maksmm yang mngkn dalam alat penkar kalr adalah berdasarkan perbedaan temperatr maksmm dan laj kapastas panas yang mnmm, yat : Q & C (. maks mn ( h c dmana, C mn adalah yang lebh kecl dar C h dan C c. Selan t dengan mensbstts persamaan. dan. ke persamaan.0 maka efektvtas dapat dnyatakan sebaga berkt : Ch ( h h Cc ( c c ε (.3 C ( C ( mn h c mn ( h h bla C h adalah C mn maka : ε (.4 ( h c ( c c dan bla C c adalah C mn maka : ε (.5 ( h c h c Unverstas Smatera Utara

16 pabla efektvtas dar alat penkar kalr dketah, maka laj perpndahan kalr aktal dapat dtentkan sebaga berkt : Q & ε Q & ε C (.6 maks mn ( h c Penrnan ekanan (pressre drp Penrnan tekanan merpakan sat kergan tekanan antara ss mask dan kelar dar bndel tabng yang terjad pada alran dalam ss selngsng (shell. Penrnan tekanan n dpengarh leh bentk gemetr dar tabng dan sfat-sfat alran flda melal bndel tabng. Yns. Cengel [7] dalam bknya menyatakan penrnan tekanan dalam bndel tabng sebaga berkt : ρ Vmaks Δ P N L f χ (.7 dmana : P penrnan tekanan (Pa f faktr gesek χ faktr kreks χ ntk ssnan tabng bjr sangkar dan segtga N L jmlah bars tabng V maks kecepatan maksmm flda (m/s Unverstas Smatera Utara

17 Selan t Hewtt at al [] dalam bknya menyatakan penrnan tekanan dalam berkas tabng sebaga berkt : ( K n K ρ Vmaks Δ p a r f (.8 dmana : K a knstanta n r jmlah bars tabng K f parameter yang tergantng Re, V maks dan bentk gemetr emkan jga Kern [3] menyatakan penrnan tekanan alran flda dalam ss selngsng adalah sebaga berkt : B 0,4 w s 4 f ( N s m& Δ ps (.9 ( μ / μ ρ e f dmana : s dameter selngsng (m f faktr gesek N B jmlah sekat m& laj alran massa flda dalam selngsng (kg/s las alran slang (m f Sdk Kakac dkk [5], menyatakan bahwa penrnan tekanan adalah fngs dar jmlah segmen lntasan pada bndel tabng yang terletak dantara sekat dengan Unverstas Smatera Utara

18 sekat (N B dan jarak lntas alran pada setap segmen sehngga penrnan tekanan dapat dhtng dar persamaan : s ρs Vs Δ p f ( N B (.0 e dmana : p penrnan tekanan (Pa e dameter ekvalen (m V s kecepatan alran flda (m/s ρ s massa jens flda (kg/m3.3 Kerangka Knsep Peneltan Hasl yang dperleh dalam sat peneltan dpengarh leh varabelvarabel peneltan t sendr. Kerangka knsep peneltan dperlhatkan pada Gambar.7 dan dagram alr/rtan peneltan pada Gambar.8. Unverstas Smatera Utara

19 Gambar.7 : Kerangka Knsep Peneltan Unverstas Smatera Utara

20 Gambar.8 : agram alr peneltan Unverstas Smatera Utara