BAB II TINJAUAN PUSTAKA Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung. Alat penukar kalor selongsong dan tabung di disain untuk dapat melakukan

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA.1. Alat Penukar Kalor Selongsong dan Tabung Alat penukar kalor selongsong dan tabung di disain untuk dapat melakukan pertukaran kalor dari satu fluida ke fluida yang lain yang berbeda suhunya, dengan luas permukaan yang minimum dan kondisi operasi yang efektif serta konstruksi yang kokoh seperti yang ditunjukkan pada Gambar.1. Gambar.1 Alat penukar kalor selongsong dan tabung Secara umum lintasan fluida dalam APK selongsong dan tabung dapat terjadi dalam dua area lintasan yang terpisah yakni dalam selongsong dan dalam tabung. Dalam menganalisa aliran dalam selongsong selain terdapat aliran utama B yakni aliran yang melintasi tegak (main cross flow) terhadap tube bundle, juga terdapat kebocoran aliran seperti kebocoran A antara baffle dengan tabung, dan E keborocoran antara baffle dengan selongsong, serta aliran bypass C antara tube bundle dengan selongsong seperti Gambar.. 5

2 6 Gambar.. Aliran dalam sisi selonsong dengan baffle segment Aliran fluida di sisi selongsong APK selongsong dan tabung yang memiliki baffle segmental sangat kompleks dari pada aliran didalam tabung atau didalam kanal, dan juga dalam menentukan perpindahan kalor dan penurunan tekanan di sisi selongsong adalah sangat kompleks. Akibat tahanan aliran utama B seperti yang ditunjukkan pada Gambar., akan menyebabkan arus bypass, sementara itu aliran E tidak mempengaruhi perpindahan kalor secara signifikan. Suatu skema idealisasi dari aliran pada sisi selongsong daerah longitudinal dan cross flow pada tiap-tiap tube bundle, ditunjukkan dengan distribusi aliran pada selongsong akibat pengaruh baffle cut, Gambar.3. Gambar.3. Distribusi aliran pada selongsong akibat pengaruh baffle cut

3 7 Baffle segmental cenderung membuat distribusi aliran tidak baik jika perbandingan jarak baffle dan baffle cut tidak tepat seperti pada Gambar.3. Perbandingan yang terlalu tinggi atau rendah akan menyebabkan kesalahan aliran dan menurunkan perpindahan kalor[4]. Distribusi aliran yang optimal dapat menghasilkan perpindahan panas yang lebih tinggi dan penurunan tekanan yang lebih rendah. Oleh karena itu, optimalisasi distribusi aliran adalah suatu langkah penting dalam desain optimasi APK [5]. Susunan tabung selang-seling memberikan kinerja yang lebih baik untuk kecepatan fluida rendah dan tabung lebih panjang, sedangkan susunan sejajar memberikan hasil lebih baik untuk kecepatan fluida yang lebih tinggi dan perbandingan pitch lebih besar [8]. Dari sekian banyak kalkulasi desain pada beberapa parameter yang terdapat dalam selongsong sehubungan dengan besarnya laju perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan, maka kalkulasi untuk parameter baffle adalah yang paling rumit. Terdapatnya perbedaan kecepatan aliran fluida yang melintasi pada tube bundle, akan menyebabkan terjadinya percepatan dan perlambatan yang berulang-ulang disepanjang lintasan selongsong dan tabung. Aliran demikian akan mengalami kontraksi dan ekspansi, yang kemudian akan mempengaruhi terhadap laju aliran perpindahan kalor konveksi dan penurunan tekanan. Untuk menghindari hal itu, maka diupayakan mengambil dimensi pemotongan baffle dan jarak baffle yang sesuai agar luas penampang aliran pada jendela baffle kurang lebih mendekati sama dengan luas penampang alir pada daerah aliran lintang bundle [13].

4 8.. Landasan Teori..1. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh Studi eksperimental dan analisa analitis telah dilakukan untuk menetukan koefisien perpindahan kalor dan penurunan tekanan pada APK selongsong dan tabung. Keseimbangan energi APK adiabatis pada kondisi steady state: a pa ( T T ) m c ( T T ) Q m. c...(.1) hi ho Jumlah kalor yang diserap oleh fluida pada selongsong dihitung dengan rumus: T m u pu co ci Q U. A....(.) Tm ( T T ) ( T T ) hi ho T ln T hi co co T T ho ci ci...(.3) Sehingga, untuk performa panas APK Q U ( T T ) ( T T ) hi ho co ci..... (.4) A Thi Tho ln T T co ci U 1 h i 1 d d o i ln di + k t di + h d o o... (.5) Efektivitas APK karena pada penelitian ini menggunakan APK selongsong dan tabung satu tabung dan satu laluan efektifitas APK dianalogikan pada efektivitas APK pipa ganda:

5 9 qnyata ε... (.6) q maks q maks ( T T ) C min... (.7) am um C m cp... (.8) c c c C m cp... (.9) h h h C min adalah harga C c ata C h yang paling kecil Aliran Searah Aliran berlawanan Bilangan Reynold sisi tabung: [ NTU ( 1+ c) ] 1 exp ε.. (.10) 1+ c [ NTU ( 1 c) ] [ NTU ( 1 c) ] 1 exp ε.... (.11) 1 c exp Rei 4. w. n i pass... (.1) π. d in. v N i t Bilangan Nusselt sisi tabung dihitung dengan menggunakan persamaan Seider-Tate dan Hausen: a. Untuk (Ri. Pri. din / Lt) (1 / 3) < maka koefisien perpindahan kalor pada sisi tabung dihitung dari persamaan: b. Untuk Rei 10 4 : k hi 3, 66.. (.13) din

6 10 ( µ / ) Rei. Pri w Nui µ... (.14) c. Untuk 100 <Rei<10 4 : / 3 1/ / 3 [ i. 15] Pr i ( / ) [ 1 ( d / L ) ] Nui Re µ µ w + o t. (.15) d. Untuk Rei 100: Nui [ Rei. Pr. d / L ] µ i o t µ w (.16) Koefisien perpindahan kalor pada bagian dalam tabung dapat dihitung dengan persamaan berikut: k h i Nui... (.17) d in Suhu pemukaan dinding dalam tabung dapat dihitung sebagai berikut: T ti Thi + T ho Qa hi Ntπd in Lt... (.18) Suhu permukaan dinding luar tabung dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: T to ln ( d / d ) o in Ti Qa... (.19) πk tlt Koefisien perpindahan kalor pada sisi selongsong: o ideal ( J J J J J ) h h... (.0) c L B R s Bilangan Reynold dalam selongsong dapat dihitung dengan persamaan yang dikembangkan oleh Gadis E.S., Gnielinski V [6].

7 11 π wo do Re o vo Re o, ψ ψ ψ... (.1) π ψ 1 4a untuk b 1 π ψ 1 4ab untuk b < 1 P t a, d o b P d p o... (.) (Void fraction ) a S1 / do. (.3) b S / do... (.4) Dimana Kapasitas laju aliran udara Laju massa aliran udara S 1 Ltp S Lpp V v Ds Lbc.. (.5) m u ρv.. (.6) Laju massa aliran udara

8 1 w o Koefisien perpindahan kalor ideal pada selogsong m u Ds x Lbc.. (.7) h ideal j Cp G / 3 Pr..... (.8) G M u S m Luas daerah aliran lintang pada selongsong: S j m Dctl Lbc Lbb + tp o Ltp. eff a a a a ( R ) ( L d )... (.9) 3 1 e Pt / d. (.30) o a a 1+ 0,14 3 R e a ( ) 4... (.31) Gambar..3 Susunan Tabung

9 13 Gambar.3. Dimana pada penelitian ini menggunakan susunan tabung segi empat. Gambar.4 Profil Aliran dan Konstruksi Luas Jendela Baffle Cut Gambar.4. Dimana yang warna merah adalah baffle dan warna biru adalah tube dan warna hitam adalah arah aliran fluida (udara). Dimana pada pemotongan baffle cut 5,6 % alirannya adalah ideal (optimal) seperti garis warna hitam. Baffle cut 11 % Jumlah lubang 38 buah

10 14 Baffle cut 5,6 % Jumlah lubang 33 buah Baffle cut 38,88 % Jumlah lubang 6 buah Baffle cut 48,97 % Jumlah lubang 19 buah Gambar.5. Jenis-jenis baffle cut yang diuji Tabel.. Faktor konstanta untuk perhitungan koefisien perpindahan kalor ideal

11 15 Tabel.. Dimana sudut Ө yang diambil adalah 45 o. Dan itu berlaku pada baffle cut susunan tabung segi empat dan sudut Ө 45 o. Koefisien perpindahan kalor actual pada selongsong h h o ideal J C J L J B J S. (.3) Faktor koreksi untuk aliran pada jendela baffle Jc Fc.. (.33) Fc 1 Fw.... (.34) θ ctl sin θctl Fw π π.. (.35) θ ctl 1 Ds Bc Cos 1 Dctl (.36) Dctl Ds Dotl. (.37) Dotl Ds lbb.. (.38) θ ctl Cos 1 0,13 0, ( ) 0,13 0, (.39) Faktor kebocoran aliran tabung-baffle dan baffle-selongsong J L -,rlm ( r ). + [ 1 0,44( 1 r )] e 0,44 1 s s... (.40) Luas celah kebocoran antara selongsong dan baffle ( 1 BC) 1 θd s Cos... (.41)

12 16 Gambar.6. menunjukkan geometri baffle yang digunakan dalam penelitian ini. Gambar.6. Geometri baffle [9] Gambar.6. Menunjukkan pemotongan baffle cut dan sudut lubang pada baffle cut yang digunakan. Luas kebocoran antara lubang tabung pada satu baffle S tb [( d + L ) d ] N ( Fw) π tb t (.4) r r lm S Ssb + S S S sb S m sb + S tb tb..... (.43) (.44) Faktor Bypass Bundle J B 1 ( Cj Fsbp). ( 1 ( rss) ) 3 Exp... (.45)

13 17 Jika Re o, ψ 100, Cj 1,5 Re o, ψ 100, Cj 1.35 Sb Fsbp... (.46) sm Nss rss Nc... (.47) Jumlah baris tabung pada baffle tip Nc Ds ( 1 Bc) ' P T.... (.48) Karena APK tidak memakai sealing strip maka: Nss 0 Faktor koreksi untuk jarak baffle J S ( nb 1) + B B ( n1 ) ( 1 n1 ) Bout B Bin in + B B B out ( nb 1) (.49) Dimana: N 1 0,6 untuk Re 100 N 1 1/3 untuk Re < 100 Js 1 untuk jarak baffle pada APK sama Karena APK pada penelitian adalah APK satu selongsong dan satu aliran tabung maka efektivitas APK ini dianalogikan pada APK pipa ganda maka efektivitas APK dapat dihitung dari persamaan berikut: Efektivitas APK aliran searah

14 18 Efektivitas APK aliran berlawanan Temperatur air panas keluar APK [ NTU ( 1+ c) ] 1 exp ε. (.50) 1+ c [ NTU ( 1 c) ] [ NTU ( 1 c) ] 1 exp ε.. (.51) 1 c exp Th out Qnyata Thin. C h.. (.5) Temperatur udara keluar APK Perhitungan LMTD Tc out Qnyata Tcin +. Cc... (.53) T lm T1 T ln T1 T... (.54) Aliran searah T 1 Th in Tc in..... (.55) T Th out T cout.. (.56) Aliran Berlawanan T 1 Th in Tc out. (.57) T Th out Tc in. (.58)

15 19 Th in Th in Tc out Th out Th out Tc out Tc in Tc in (a) (b) Gambar.7 Arah aliran fluida didalam APK selongsong dan tabung Gambar a, Dimana arah aliran air panas dan arah aliran udara satu arah, sehingga panas air panas yang diserap udara tidak terlalu banyak apabila dibandingkan dengan arah berlawanan. Gambar b, Dimana arah aliran air panas dan arah aliran udara berlawanan, sehingga temperatur air panas keluar menurun dan temperatur udara keluar naik.... Penurunan Tekanan Hal yang sama juga berlaku untuk menentukan penurunan tekanan, faktor koreksi untuk menghitung penurunan tekanan didalam selongsong, juga memperhitungkan pengaruh dari kebocoran. Penurunan tekanan total didalam selongsong dibagi dalam beberapa komponen: 1. Penurunan tekanan total pada sisi masuk dan keluar nosel pada ujung-ujung APK selongsong dan tabung.. Penurunan tekanan yang terjadi pada interior penampang lintang. 3. Penurunan tekanan disebabkan pola aliran pada sisi masuk pada ujung penampang lintang melintasi bundle tabung hingga pada ketinggian baffle dan sebelum memasuki luasan jendela.

16 0 Penurunan tekanan total pada APK selongsong dan tabung: Pf Pc + Pw+ Pe.. (.59) ( Nb ) Pideal RLRB Pc 1... (.60) fideal NcG P ideal.. (.61) gc ρ φ φ faktor koreksi viskositas gc 1,0 (kg m/s )/N fideal NcG P ideal.... (.6) gc ρ φ f ideal b 1,33 b b ( Re) 1 PT / do.. (.63) b3 b..... (.64) 1+ 0,14 b ( Re) 4 ( + 0,6N ) cw mo Pw, ideal... (.65) gc ρsmsw Jumlah baris tabung efektif pada jendela baffle 0,8 Bc Ds Ncw... (.66) ' P T P T PT untuk susunan segi empat PT cos θ tp untuk susunan segitiga θ tp 30 o PT cos θ tp untuk susunan segitiga empat diputar θ tp 45 o

17 1 N Pe ideal 1+ cw Pideal RB RS N.... (.67) c Faktor koreksi akibat aliran bypass untuk penurunan tekanan 3 [ CR( Sb / Sm) ]( 1 rss ) R B exp untuk rss < 0,5. (.68) RB 1 untuk rss 0,5 Dimana: CR 4,5 untuk Re < 100 CR 3,7 untuk Re 100 Faktor koreksi akibat aliran kebocoran untuk penurunan tekanan P R exp 1,33 1+ r r.... (.69) L [ ( )( ) ] ( ) s l P 0,8 0,15 1+ rs... (.70) Faktor koreksi akibat jarak baffle yang tidak sama untuk penurunan tekanan ( n ) ( n ) B B R + S 0,5... (.71) Bin Bout Dimana: N 0, untuk Re 100 N 1,0 untuk Re < 100 Untuk B in B out B maka Rs 1 Penurunan tekanan dalam selongsong hasil penelitian dihitung dengan persamaan: P s ρ g h.. (.7)

18 Koefisien gesekan didalam selongsong dihitung dengan menggunakan persamaan: ( N + 1) 4 f b Ds ρv P.. (.73) De f Ps De.... (.74) 4 ( N + 1) ρv b Kecepatan maksimum udara didalam selongsong dihitung dengan persamaan sebagai berikut: mu V.. (.75) ρ Sm