BAB II LANDASAN TEORI 2.1 HE Shell and tube Penukar panas atau dalam industri populer dengan istilah bahasa inggrisnya, heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan dan bisa berfungsi sebagai pemanasan maupun sebagai pendinginan. Heat exchanger dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pada prakteknya heat exchanger yang dipergunakan di industri lebih diutamakan untuk menukarkan dua fluida(boleh sama zatnya) yang berbeda temperaturnya. Pertukaran energy dapat berlangsung melalui bidang atau permukaan perpindahan kalor yang memisahkan kedua fluida atau secara kontak langsung(fluida bercampur). Energy diputarakan akan menyebabkan perubahan tempratur fluida(kalor sensible) atau kadang dipergunakan untuk berubah fasa(kalor laten). TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 8
Laju perpindahan energi dalam heat exchanger dipengaruhi oleh banyak faktor seperti kecepatan aliran fluida, sifat-sifat fisik (viskositas, konduktivitas thermal, kapasitas kalor spesifik, dan lain-lain). Beda temperature antar kedua fluida. Dan sifat permukaan bidang perpindahan kalor yang memisahkan kedua fluida. Walaupun fungsi penukar kalor adalah untuk menukarkan energy dua fluida dan dua zat. Namun, jenisnya banyak sekali. 2.2 Kontruksi Shell and tube Tipe tabung dan pipa merupakan jenis penukar kalor yang paling banyak digunakan industri khususnya di industri perminyakan dan perkapalan. Jenis ini terdiri dari suatu tabung dengan diameter bervariasi yang didalamnya berisi seberkas pipa dengan diameter realatif kecil. Seperti gambar 2.1, salah satu fluida yang dipertukarkan energinya dilewatkan didalam pipa atau berkas pipa sedang fluida yang lainnya dilewatkan diluar pipa atau dalam tabung. Gambar 2. 3 Kontruksi Oil Cooler (Sumber : www.learneasy.info.com) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 9
a. Tipe shell Shell-and-tube penukar panas yang dibangun dari tabung bulat dipasang di shell dengan tabung sejajar dengan shell. Salah satu cairan mengalir dalam tabung, sementara aliran fluida lainnya menemukan dan sepanjang sumbu exchanger. Komponen utama dari penukar ini adalah tabung (tube bundel), shell, kepala frontend, kepala belakang, baffle, dan lembar tabung. Berbagai jenis kepala depan dan belakang dan jenis shell telah distandarkan oleh TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Assosiation). Berikut Gambar 2.2 beberapa jenis shell and tube. Gambar 2.2 Jenis shell and tube (Sumber : TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Assosiation)) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 10
b. Tube Untuk alasan kontruksi, cairan tabung-sisi harus masuk dan keluar pada sisi yang sama, Logam tabung biasanya baja karbon rendah, baja paduan rendah, stainless steel, tembaga, kelautan, cupronickel, Inconel, aluminium (dalam bentuk paduan), atau titanium. Bahan lain juga dapat dipilih untuk aplikasi tertentu. Dinding thickness tabung penukar panas adalah standar dalam hal Birmingham Kawat Gage (BWG) tabung. Tabel. Tabel 2.1 memberikan data pada tabung penukar panas. Diameter tabung kecil (8-15 mm) lebih disukai untuk daerah / kepadatan volume yang lebih besar tetapi terbatas, untuk tujuan pembersihan di-tabung, sampai 20 mm (3/4in.). Tabel 2. 1 Dimentional Tube (Sumber : TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Assosiation)) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 11
c. Susunan tube Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi kerja fluidanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube dapat dilihat pada gambar 2.2 dan gambar 2.3 : Gambar 2. 4 Susunan Tube (Sumber : Heat Exchanger selection, rating, and thermal design. Sadik Kakac and Hongtan Liu) d. Sekat (Baffles) Baffle melayani dua fungsi: hal yang paling penting untuk mendukung tabung untuk kekuatan strukturalnya, mencegah tabung getaran dan kendur, dan kedua, untuk mengalihkan aliran di bundel untuk mendapatkan lebih tinggi koefisien perpindahan panas. Baffle dapat diklasifikasikan sebagai melintang dan membujur. Ada beberapa jenis ataupun bentuk kontruksi baffles. Seperti terlihat pada gambar 2.4 TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 12
Gambar 2. 5 Bentuk Kontruksi baffle (Sumber : Heat Exchanger selection, rating, and thermal design. Sadik Kakac and Hongtan Liu) 2.3 Analisa Perhitungan Heat exchanger shell & tube Jenis shell and tube pada untuk alat penukar panas merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam dunia industri. Alat ini terdiri shell (tabung/silinder yang besar) tube pipa-pipa kecil yang berada didalam shell tersebut. Untuk menganalisa design pada shell and tube dan mendapatkan hasil perhitungannya. Berikut proses perhitungannya. Seperti yang dibawah ini : TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 13
1. Menghitung energy yang dilepaskan oleh oli Qh = ( -...(2.1) Qh : energy panas yang dilepaskan oleh oli (j/s) : laju aliran pada oli (kg/s) : panas jenis pada oli (j/kg-k) : Tempratur masuk pada oli ( C) : Tempratur keluar pada oli ( C) Sehingga energy panas yang dilepaskan oleh oli, sama dengan energy yang diterima oleh air. Qh = Qc 2. Besarnya temperature water/air keluar = +....(2.2) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 14
: Temperatur keluar air ( C) : Energi panas yang diterima oleh air ( C) : Temperatur masuk air ( C) : Laju aliran air (m/c) : Panas jenis pada air (J/kg-K) 3. Menghitung beda temperature rata-rata logaritmik (LMDT). menghitung beda temperature rata-rata. Seperti persamaan rumus dibawah ini : = -.....(2.3) = -...(2.4) =...(2.5) =....(2.6) : Temperatur keluar air ( C) : Temperatur masuk air ( C) : Temperatur keluar oli ( C) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 15
: Temperature masuk oli ( C) Fc : Faktor coreksi : Temperature rata-rata shell : Temperatur rata-rata counter flow 4. Menghitung luas area perpindahan panas satu tube....(2.7) : Besaran perpindahan panas pada luas luar permukaan tube (m²) Q : Energi panas yang dikeluarkan (W) : Koefisien perpindahan panas bersih diluar permukaan tube (W/m².K) : Temperatur rata-rata 5. Besarnya luas penampang satu tube = ( )² (2.8) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 16
: Luas penampang pada satu tube (m²) : Diameter dalam tube (m) 6. Menghitung bilangan Reynolds sisi tube ini : Cara mendapatkan bilangan Reynolds dengan mengunakan rumus seperti dibawah Re =.(2.9) Re : Bilangan Reynolds : Massa jenis air (kg/m³) : Kecepatan aliran dalam tube (m/s) : Diameter dala tube (m) 7. Menghitung koefisien gesekan didalam tube F = [1,58 In Re-3,28...(2.10) Re : Bilangan Reynolds 8. Menghitung bilangan Nusselt di sisi tube TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 17
=...(2.11) f : Koefisien gesekan di dalam tube : Bilangan Prant 9. Menghitung koefisien konveksi didalam tube. = (2.12) : Bilangan Nusselt tube : Koefisien konveksi di dalam tube (W/m²K) : Diameter dalam tube (m) : Konduktifitas thermal air (W/mK) 10. Menghitung besarnya diameter shell.(2.13) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 18
: Diameter shell : Jumlah tube CL CTP : Susunan tube : Bentuk 1 lintasan tube : Pitch ratio : Diameter luas tube (m) L : Panjang tube (m) 11. Menghitung jumlah tube = 0,637. (2.14) : Pitch ratio CTP : Bentuk lintasan satu tube : Susunan tube : Diameter luar tube (m) : Diameter tube (m) 12. Menghitung luas penampang sisi shell TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 19
Menghitung luas penampang aliran di sisi shell. Namun, terlebih dahulu mencari nilai dari. dengan persamaan rumus di bawah ini : Langkah pertamanya ialah : =, Mencari nilai dengan cara : = x : Diameter shell (m) : Pitch tube Kemudiang menghitung besarnya luas penampang disisi shell. Berikut persamaan rumusnya : = ( - )B..(2.15) : Luas penampang sisi shell (m²) : Diameter shell (m) : Diameter luar tube (m) B : Baffles 13. Menghitung bilang Reynolds sisi shell TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 20
=..(2.16) : Bilangan Reynold : Laju aliran oli (kg/s) : Luas penampang aliran sisi shell (m²) : Viskositas (Ns/m²) : Diameter luar tube (m) 14. Menghitung bilangan Nusselt sisi shell Nuo = 0,20.....(2.17) : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m²K) : Diameter luar tube (m) K : Konduktifitas thermak oli (W/mK) : Bilangan Reynolds di sisi shell 15. Menghitung koefisien konveksi sisi shell TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 21
=...(2.18) : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m²K) Nuo k : Bilangan Nusselt di sisi shell : Konduktifitas thermal oli (W/mK) 16. Menghitung koefisien perpindahan panas bersih, =.. (2.19) : Koefisien konveksi di sisi shell (W/m²K) : Diameter Luar tube (m) : Koefisien konveksi di dalam tube (W/m²K) : Diameter dalam tube (m) : Koefisien perpindahan panas yang bersih 17. Menghitung koefisien perpindahan panas kotor = (2.20) TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 22
: Koefisien perpindahan panas yang kotor : Koefisien Perpindahn panas yang bersih os : Over design TUGAS AKHIR UNIVERSITAS MERCUBUANA hal. 23