-
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Meningkatnya tuntutan konsumen akan sebuah produk,
menyebabkan
kegiatan produksi dan operasi dunia industri turut meningkat.
Kebutuhan akan alat
yang efisien dan fleksibel semakin tinggi demi kelancaran
kegiatan produksi, salah
satu alat yang dibutuhkan yakni alat penukar panas atau biasa
disebut Heat
Exchanger sehingga alat penukar kalor ini mempunyai peran yang
penting dalam
suatu proses produksi atau operasi
Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang
digunakan
untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa
perpindahan massa dan
bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Salah
satu tipe dari alat
penukar kalor yang banyak dipakai adalah Shell and Tube Heat
Exchanger. Alat
ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan
sejumlah tube (tube bundle)
di bagian dalam, dimana temperatur fluida di dalam tube bundle
berbeda dengan di
luar tube (di dalam shell) sehingga terjadi perpindahan panas
antara aliran fluida
didalam tube dan di luar tube. Adapun daerah yang berhubungan
dengan bagian
dalam tube disebut dengan tube side dan yang di luar dari tube
disebut shell side.
Penukar panas dapat diklasifikasikan menurut pengaturan arus
mereka.
Dalam paralel-aliran penukar panas, dua cairan masuk ke penukar
pada akhir yang
sama, dan perjalanan secara paralel satu sama lain ke sisi lain.
Dalam counter-flow
penukar panas cairan masuk ke penukar dari ujung berlawanan.
Desain saat ini
counter paling efisien, karena dapat mentransfer panas yang
paling. Dalam suatu
heat exchanger lintas-aliran, cairan perjalanan sekitar tegak
lurus satu sama lain
melalui exchanger
Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran
yaitu :
Parallel flow/co current /flow (aliran searah)
Cross flow (aliran silang)
Cross counter flow (aliran silang berlawanan)
-
Counter current flow (aliran berlawanan arah)
Jenis-jenis penukar panas
Jenis-jenis penukar panas antara lain :
a. Double Pipe Heat Exchanger
b. Plate and Frame Heat Exchanger
c. Shell anf Tube Heat Exchanger
d. Adiabatic wheel Heat Exchanger
e. Pillow plate Heat Exchanger
f. Dynamic scraped surface Heat Exchanger
g. Phase-change Heat Exchanger
1.2 Rumusan Masalah
Perumusan masalah dalam makalah ini adalah bagaimana mengetahui
tentang heat
exchanger
1. Apa yang dimaksud dengan Heat Exchanger ?
2. Apa saja tipe-tipe dan klasifikasi dari Heat Exchanger ?
3. Bagaimana prinsip kerja Heat Exchanger ?
4. Bagaimana analisa dari kinerja Heat Exchanger
1.3. Tujuan Penulisan
Adapun tujuan penulisan dalam makalah ini adalah :
1. Tujuan Umum
Memperoleh pengetahuan dalam hal pertukaran panas atau heat
exchanger,
terutama pengetahuan dalam bidang ilmu teknik mesin.
2. Tujuan Khusus
-
Agar lebih memahami dan mengetahui seberapa penting tentang
dunia
teknik,khususnya untuk masalah pertukaran panas yang mana banyak
di jumpai di
industri-industri tertentu.
-
BAB II.
STUDI LITELATUR
Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Perpindahan panas dapat didefenisikan sebagai berpindahnya
energi dari
satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu
antara daerah
daerah tersebut. Hal ikhwal aliran panas bersifat universal yang
berkaitan
dengan tarikan gravitasi. Secara umum ada tiga cara perpindahan
panas yang berbeda
yaitu :
konduksi (conduction), radiasi (radiation) dan konveksi
(convection). Jika kita
berbicara secara tepat, maka hanya konduksi dan radiasi dapat
digolongkan sebagai
proses perpindahan panas, karena hanya kedua mekanisme ini yang
tergantung pada
beda suhu. Sedang konveksi, tidak secara tepat memenuhi definisi
perpindahan panas,
karena untuk penyelenggaraanya bergantung pada transport massa
mekanik pula.
Tetapi karena konveksi juga menghasilkan pemindahan energi dari
daerah yang
bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah, maka
istilah perpindahan
panas dengan cara konveksi telah diterima secara umum.
Konduksi (Conduction)
Konduksi adalah proses dengan mana panas mengalir dari daerah
yang bersuhu tinggi
ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium (padat,
cair atau gas) atau
antara medium - medium yang berlainan yang bersinggungan secara
langsung tanpa
adanya perpindahan molekul yang cukup besar menurut teori
kinetik. Suhu elemen
suatu zat sebanding dengan energi kinetik rata rata molekul
molekul yang
membentuk elemen itu.
Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh
kecepatan dan posisi
relative molekul molekulnya disebut energi dalam. Perpindahan
energi tersebut dapat
berlangsung dengan tumbukan elastic (elastic impact), misalnya
dalam fluida atau
dengan pembauran (difusi/diffusion) elektron elektron yang
bergerak secara cepat dari
daerah yang bersuhu tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah (
misalnya
-
logam).Konduksi merupakan satu satunya mekanisme dimana panas
dapat mengalir
dalam zat padat yang tidak tembus cahaya.
perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan
antar yang satu
dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan
molekul-molekul tersebut
secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih
cepat dibandingkan
molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin.
Getaran-getaran yang
cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya
sehingga
menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan
panas.
Radiasi (Radiation)
Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang
bersuhu tinggi ke benda yang
bersuhu rendah, bila benda benda itu terpisah didalam ruang,
bahkan bila terdapat ruang
hampa diantara benda benda tersebut. Semua benda memancarkan
panas radiasi secara terus
menerus. Intensitas pancaran tergantung pada suhu dan sifat
permukaan . Energi radiasi
bergerak dengan kecepatan cahaya (3x108 m/s) dan gejala
gejalanya menyerupai radiasi
cahaya. Menurut teori elektromagnetik, radiasi cahaya dan
radiasi termal hanya berbeda dalam
panjang gelombang masing masing. Perpindahan panas tanpa melalui
media (tanpa
melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu
tempat ke tempat lainnya (dari
benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang
elektromagnetik dimana
tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika
terserap oleh benda yang lain.
Konveksi (Convection)
Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan
dari konduksi panas,
penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksisangat penting
sebagai
mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat,
cairan atau gas.
Perpindahan panas secara konveksi diklasifikasikan dalam
konveksi bebas (free
convection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara
menggerakkan
alirannya. Bila gerakan mencampur berlangsung semata mata
sebagai akibat dari
perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradien suhu, maka
disebut konveksi bebas
atau alamiah (natural). Bila gerakan mencampur disebabkan oleh
suatu alat dari luar
seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebutkonveksi
paksa.Keefektifan
perpindahan panas dengan cara konveksi tergantung sebagian
besarnya pada gerakan
-
mencampur fluida . akibatnya studi perpindahan panas konveksi
didasarkan pada
pengetahuan tentang ciri ciri aliran fluida.
2. Hukum-hukum Dasar Perpindahan Panas
Konduksi. Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara
konduksi diusulkan
oleh ilmuan perancis , J.B.J. Fourier, tahun 1882. Hubungan ini
menyatakan bahwa qk,
laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan, sama
dengan hasil kali dari
tiga buah besaran berikut :
1. k, konduktivitas termal bahan.
2. A, luas penampang dimana panas mengalir dengan cara konduksi
yang harus diukur
tegak lurus terhadap arah aliran panas.
3. dT/Dx, gradien suhu terhadap penampang tersebut, yaitu
perubahan
suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x. Untuk
menuliskan persamaan
konduksi panas dalam bentuk matematik, kita harus mengadakan
perjanjian tentang
tanda. Kita tetapkan bahwa arah naiknya jarak x adalah arah
aliran panas positif.
Persamaan dasar untuk konduksi satu dimensi dalam keadaan tunak
(stedi) ditulis :
dXqk = kA dT (1-1)
Untuk konsistensi dimensi dalam pers. 1-1,
laju aliran panas qk dinyatakan dalam Btu/h*), luas A dalam ft2
dan gradien suhu dT/dx
dalam F/ft.
Konduktivitas termal k adalah sifat bahan dan menunjukkan jumlah
panas yang
mengalir melintasi satuan luas jika gradien suhunya satu. Jadi
panas konduksi Bahan
yang mempunyai konduktivitas termal yang tinggi dinamakan
konduktor(conductor),
sedangkan bahan yang konduktivitas termalnya rendah disebut
isolator (insulator).
-
Untuk kasus sederhana aliran panas keadaan stedi melalui dinding
datar (plane),
gradien suhu dan aliran panas tidak berubah dengan waktu dan
sepanjang lintasan
aliran panas luas penampangnya sama : = Tdingin Tpanask L dx
kdTAq Jika k tidak
bergantung pada T, setelah integrasi kita mendapat rumus berikut
untuk laju konduksi
panas melalui dinding :
L AkT T TLqk Ak panas dingin
L/Ak setara dengan tahanan termal (thermal resistance) Rk yang
diberikan oleh dinding
kepada aliran panas dengan cara konduksi dan kita
memperoleh.
AkRk = L (1-3)
Kebalikan dari tahanan termal disebut konduktansi termal
(thermalconductance);
LKk = Ak(1-4)
Radiasi, jumlah energi yang meninggalkan suatu permukaan sebagai
panas radiasi
tergantung pada suhu mutlak dan sifat permukaan tersebut.
Radiator sempurna atau
benda hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari
permukaannya dengan laju
qr yang diberikan oleh
qr= A1 T14 Btu / hr (1-5)
Btu/h, jika A1 luas permukaan dalam ft persegi, T1 suhu
permukaan dalamderajat
rankine (R) dan konstanta dimensional dengan nilai 0,1714 x 10-8
Btu/h ft2 R4.dalam
satuan SI laju aliran panas qr mempunyai satuan watt, jika luas
permukaan A1 dalam m2
, suhu mutlak dalam derajat Kelvin, dan 5,67 x 10 -8 watt / m2
k4 .besaran dinamakan
konstanta Stefan Boltzmann.Jika benda hitam tersebut beradiasi
ke sebuah penutup
yang sepenuhnyamengurungnya dan yang permukaanya juga hitam,
yaitu menyerap
semua energi radiasi yang datang padanya , maka laju bersih
perpindahan panas radiasi
diberikan oleh :
qr= A1 (T14 - T24) (1-6)
-
Dimana T2 adalah suhu permukaan penutup dalam derajat Fahrenheit
mutlak. Jika pada
suhu yang sama dengan benda hitam benda nyata memancarkan
sebagian yang konstan
dari pancaran benda hitam pada setiap panjang gelombang, maka
benda itu disebut
benda kelabu (gray body). Laju bersih perpindahan panas dari
benda kelabu dengan
suhu T1 ke benda hitam dengan suhu T2 yang mengelilinginya
adalah
qr= A1 1 (T14 - T24) (1-7)
Dimana 1 adalah emitansi (emittance) permukaan kelabu dan sama
dengan
perbandingan pancaran (emission) dari permukaan kelabu terhadap
pancaran dari
radiator sempurna pada suhu yang sama. Jika kedua benda tersebut
bukan radiator
sempurna dan jika kedua benda itu mempunyai hubungan geometrik
tertentu satu sama
lain, maka perpindahan panas bersih diantara kedua benda
tersebut diberikan oleh
qr= A1 1-2 (T14 - T24) (1-8)
Konveksi. Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara
suatu
permukaan dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan :
qc= hc A T (1-9)
Dimana qc= laju perpindahan panas dengan cara konveksi,
Btu/h;
A = luas perpindahan panas, ft2;xv
T = beda antara permukaan suhu Ts dan suhu fluida T dilokasi
yang ditentukan
(biasanya jauh dari permukaan), F;
hc= Konduktansi termal satuan konveksi rata rata (sering disebut
koefisien permukaan
perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas konveksi),
Btu/h ft2 F.
Btu/ ft2 F W/m2 K
Udara , konveksi bebas 1-5 6-30
Uap panas lanjut atau udara, konveksi paksa 5-50 30-300
Minyak, konveksi paksa 10-300 60-1800
Air, konveksi paksa 5-2000 300-6000
-
Air, mendidih 500-10000 3000-60000
Uap, mengembun 1000-20000 6000- 120000
Dengan mempergunakan pers. 1-9, kita dapat mendefenisikan
konduktansi termal Kc
untuk perpindahan panas konveksi sebagai
Kc = hc A (1-10)
Dan tahanan termal terhadap perpindahan panas konveksi Rc yang
sama dengan
kebalikan konduktansi, sebagai
Rc =hcA1 (1-11)
3. Mekanisme Perpindahan Panas Gabungan
Dalam praktek biasanya panas berpindah dalam tahap tahap melalui
sejumlah bagian
yang berbeda yang dihubungkan secara seri, dan untukbagian
tertentu dalam sistem
tersebut perpindahannya seringkali berlangsung dengan dua
mekanisme secara paralel.
Contoh; Perpindahan panas dari hasil pembakaran dalam ruang
bakar motor roket
melalui dinding tipis ke zat pendingin yang mengalir dalam
cincin diluar dinding
tersebut Bagian pertama sistem ini panas berpindah dari gas
panas ke permukaan
dalam dinding motor roket dengan mekanisme konveksi dan radiasi
yangbekerja
secarah paralel. Laju total aliran panas q ke permukaan dinding
pada suatu jarak dari
nosel adalah :
q = qc+ qr
= hc A (Tg Tsg) + hr A (Tg Tsg) (1-12)
q= (hc A + hr A) (Tg Tsg)
= (Kc + Kr) (Tg Tsg)
=RTg Tsg
Dimana Tg= suhu gas panas
-
Tsg = suhu pada permukaan dalam dinding;
R1 = tahanan termal kombinasi atau efektif bagian pertama,
R1 = 1/(hr + hc) A.
Bagian kedua; keadaan stedi, panas berkonduksi melalui cangkang
(shell), yaitu bagian
kedua sistem tersebut, dengan laju yang sama dengan laju ke
permukaan dan
q = qk = (Tsg Tsc)
LkA (1-13)
= Kk (Tsg Tsc)
=2 RTsg Tsc
Dimana
Tsc = suhu permukaan dinding pada zat pendingin
R2 = tahanan termal dalam bagian ketiga sistem.
Bagian ketiga; panas mengalir melalui bagian ketiga sistem
tersebut ke zat pendingin
dengan cara konveksi.
q = qc = hc A (Tsc Tc) (1-14)
=RTsc Tc
Dimana: Tc = suhu zat pendingin ;
R3 = tahanan termal dalam bagian ketiga sistem. Dalam praktek,
sering kali yang
diketahui hanya suhu gas panas dan suhu zat pendingin atau;
q = =+ +
R1 R2 R3
Tg Tc
R1 R2 R3
-
Ttotal
+ +(1-15)
Persamaan 1-15 disederhanakan dengan menggabungkan
berbagaitahanan atau
konduktansi sistem termalnya menjadi satu besaran, yang
dinamakan konduktansi
satuan keseluruhan (overall unit conductance), transmitansi
keseluruhan (overall
transmittance), atau koefisien perpindahan panas keseluruhan, U
atau q = U A Ttotal
(1-16)
dimana UA =1 2 31R + R + R(1-17)
Untuk aliran panas sepanjang lintasan yang terdiri dari n bagian
termal dalam seri,
konduktansi keseluruhan UA sama dengan kebalikan dari jumlah
tahanan masing
masing bagian, atau
UA =R1 R2 ...Rn1+ +(1-18)
Pada Dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu
memindahkan panas dari
dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat
dilakukan secara langsung
ataupun tidak langsung.
a. Secaara kontak langsung
Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui
permukaan kontak
langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida.Transfer
panas yang terjadi yaitu
melalui interfase / penghubung antara kedua fluida.Contoh :
aliran steam pada kontak
langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat
bercampur), gas-liquid, dan partikel
padat-kombinasi fluida.
b. Secara kontak tak langsung
Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui
dinding pemisah.
Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
Seperti yang telah dikemukakan dalam pendahuluan terdapat banyak
sekali
jenis-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah timbulnya
kesalah pahaman maka
alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya :
a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan
fluida
sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil
pendinginan
didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan
fluida pendinginan
-
yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media
pendingin
biasanya digunakan amoniak atau Freon.
b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk
mendinginkan uap atau
campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media
pendingin yang
dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan
melepaskan panas
atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga
uap yang
mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin
akan
dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi
kondensat.
c. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan
cairan atau gas
dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak
terjadi
perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka
pendingin
coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan
fan
(kipas).
d. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan
cairan menjadi
uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan)
suatu zat dari
fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas
latent dan zat
yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.
Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali
(reboil) serta
menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas
yang sering
digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu
sendiri. Hal ini dapat
dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan
sebuah reboiler
dengan mempergunakan minyak (665 0F) sebagai media penguap,
minyak tersebut
akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Data
-
Data yang digunakan dalam makalah ini adalah data yang
terperinci dari
hasil pengamatan dan menganalia tentang pertukaran panas dari
suatu heat
exchanger yang terdapat pada industri besar. Data yang
dihasilkan dari hasil
pengamatan antara lain konduksi panas yang terjadi didalam heat
exchanger.
Sedangkan untuk mendapatkan informasi tentang pemanasan dapat
diambil dari
sumber buku, internet, dan lain-lain.
3.2. Langkah langkah Penyelesaian
Secara umum langkah-langkah yang akan dilakukan untuk
menyelesaikan permasalahan pada topik pemanasan secara konveksi,
maka terdiri
dari beberapa langkah.
Gambar 2.5 Skema Data Analisa
Dari skema pada gambar 2.5, langkah-langkah penelitian dapat
dijelaskan
sebagi berikut :
KAJIAN PUSTAKA
METODE PENELITIAN
ANALISA HASIL DATA
-
a. Kajian Pustaka
Kajian pustaka dengan cara memahami secara teoritis mengenai
tentang suatu
macam perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.
Namun dalam
makalah ini yang dibahas hanya tentang perpindahan secara
konduksi.
b. Metode Penelitian
Langkah selanjutnya dalam penelitian perpindahan panas secara
konveksi dan
perubahan massa pada proses pemanasan yang terjadi oleh suatu
heat exchanger.
Penentuan data ini diambil dari data yang terperinci, misalnya
secara konduksi
dalam pemanasan.
c. Analisa Hasil Data
Setelah pembuatan data yang signifikan, maka dapat diambil suatu
hasil dari proses
pemanasan secara konduksi. Hasil yang diperoleh dari proses
selanjutnya dianalisis
untuk mengetahui pengaruh dari nilai-nilai sifat dari pemanasan
itu sendiri,
sehingga dapat diambil suatu kesimpulan.
Menurut hasil dari data yang didapatkan penukar panas dapat
diklasifikasikan
menurut pengaturan arus mereka. Dalam paralel-aliran penukar
panas, dua cairan
masuk ke penukar pada akhir yang sama, dan perjalanan secara
paralel satu sama
lain ke sisi lain. Dalam counter-flow penukar panas cairan masuk
ke penukar dari
ujung berlawanan. Desain saat ini counter paling efisien, karena
dapat mentransfer
panas yang paling. Dalam suatu heat exchanger lintas-aliran,
cairan perjalanan
sekitar tegak lurus satu sama lain melalui exchanger
diklasifikasikan berdasarkan bermacam-macam pertimbangan yaitu
:
1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas
a. Tipe kontak tidak langsung
Tipe dari satu fase
Tipe dari banyak fase
Tipe yang ditimbun (storage type)
Tipe fluidized bed
b. Tipe kontak langsung
1) Immiscible fluids
2) Gas liquid
3) Liquid vapor
-
2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir
a. Dua jenis fluida
b. Tiga jenis fluida
c. N Jenis fluida (N lebih dari tiga)
3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan
a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan >
700 m
b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan
< 700 m
4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas
a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya
b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang
lainnya terdapat cara
konveksi 2 aliran
c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat
2 pass aliran
masingmasing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi
5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi
a. Konstruksi tubular (shell and tube)
1) Tube ganda (double tube)
2) Konstruksi shell and tubeoSekat plat (plate baffle) oSekat
batang (rod baffle)
oKonstruksi tube spiral
b. Konstruksi tipe pelat
1) Tipe pelat 3) Tipe lamella
2) Tipe spiral 4) Tipe pelat koil
c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended
surface)
1) Sirip pelat (plate fin)
2) Sirip tube (tube fin)
Heat pipe wall
Ordinary separating wall
d. Regenerative
1) Tipe rotary 3) Tipe disk (piringan)
2) Tipe drum 4) Tipe matrik tetap
6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran
a. Aliran dengan satu pass 1) Aliran berlawanan 4) Aliran
parallel
-
2) Aliran melintang 5) Aliran split
3) Aliran yang dibagi (divided)
b. Aliran multipass
1) Permukaan yang diperbesar (extended surface)
Aliran counter menyilang
Aliran paralel menyilang
Aliran compound
-
16 | H e a t E x c h a n g e r
Shell and tube
Aliran paralel yang berlawanan (M pass pada shell dan N pass
pada tube)
Aliran split
Aliran dibagi (devided)
2) Multipass plat
N paralel plat multipass
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Heat Exchanger
Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang
digunakan untuk
memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan
massa dan bisa berfungsi
sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium
pemanas dipakai adalah air
yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air
pendingin (cooling water).
Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas
antar fluida dapat
-
17 | H e a t E x c h a n g e r
berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena
adanya kontak, baik antara fluida
terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur
langsung (direct
contact). Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri
seperti kilang minyak, pabrik
kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi,
pembangkit listrik. Salah satu
contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil
di mana cairan pendingin
memindahkan panas mesin ke udara sekitar.
Dalam industri perminyakan Jenis-jenis Heat Exchanger yang
sering di jumpai
dapat dibedakan atas jenis dan sistem kerjanya diantaranya
seperti:
2.3.1 Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam
industri
perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder
besar) dimana
didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter
yang relative
kecil. Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan
fluida lainnya
mengalir dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell
Shell and tube penukar panas terdiri dari serangkaian tabung.
Satu set dari tabung
berisi cairan yang harus baik dipanaskan atau didinginkan.
Cairan kedua berjalan lebih
dari tabung yang sedang dipanaskan atau didinginkan sehingga
dapat menyediakan panas
atau menyerap panas yang dibutuhkan. Satu set tabung disebut
berkas tabung dan dapat
terdiri dari beberapa jenis tabung: polos, bersirip longitudinal
dll Shell dan penukar panas
tabung biasanya digunakan untuk aplikasi tekanan tinggi (dengan
tekanan lebih besar dari
30 bar) dan suhu lebih besar dari 260 C. Hal ini karena shell
dan penukar panas tabung
yang kuat karena bentuknya.
2.3.2 Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)
Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam
jenis
penukar panas dapat digunakanberlawanan arah aliran atau arah
aliran, baik dengan
cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruangan
nular dan cairan
lainnya dalam pipa.
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam
standart yang
dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan
kotak penyekat. Fluida
yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua
mengalir di dalam ruang
-
18 | H e a t E x c h a n g e r
anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas
jenis ini dapat
digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi
yang tinggi. Sedangkan
untuk kapasitas yang lebih besar digunakan penukar panas jenis
selongsong dan buluh
( shell and tube heat exchanger ).
Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell
sendiri-
sendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat
exchanger ini
dibentuk menjadi U. pada keperluan khusus, untuk meningkatkan
kemampuan
memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk
siripnya ada yang
memanjang, melingkar dan sebagainya.
2.3.3 Koil Pipa
Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan
didalam
sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang
disemprotkan untuk
mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini
disebut juga sebagai
box cooler jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan kalor
yang relative kecil
dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.
Geometri HE Coiled Tube
sangat bervariasi, tergantung pada kondisi aliran dan drop
pressure yang dibutuhkan.
Parameter yang berpengaruh antara lain: kecepatan aliran pada
shell dan tube,
diameter tube, jarak antar tube (tube pitch), layer spacer
diameter. Faktor lain yang
juga harus diperhitungkan yaitu jumlah fasa aliran, terjadinya
kondensasi dan
evaporasi pada shell atau tube.
Aplikasi HE Coiled Tube untuk skala besar telah banyak
diterapkan pada
LNG Plant, dimana alat HE ini memiliki kapasitas 100,000 m3/h
pada 289 K dan
0.101 Mpa. Luas permukaan heat transfer 25,000 m2 dan panjang
keseluruhan 61
m, diameter 4.5 m dan berat 180 ton
2.3.4 Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)
Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam
shell,
tetapi dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan
mengalirkan air atau udara
pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk
pendinginan
dengan udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk
memperluas
permukaan perpindahan panas. Seperti halnya jenis coil pipa,
perpindahan panas
-
19 | H e a t E x c h a n g e r
yang terjadi cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari
jenis shell and
tube.
2.3.5 Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat
exchanger )
Plate Heat Exchanger adalah salah satu jenis alat penukar panas
yang terdiri atas
paket pelat-pelat tegak lurus bergelombang atau dengan profil
lain, yang dipisahkan
antara satu dengan lainnya oleh sekat-sekat lunak. Sistem Kerja
dari Plate Heat
Exchanger Produk akan dipanaskan dan masuk kedalam suatu larutan
yang
kemudian akan mengalir pada sebuah pelat. Proses pemanasan ini
terjadi dengan
adanya medium pemanas yang mengalir pada saluran dan pelat yang
lainnya.
Dimana pelat yang telah tersusun ini akan secara bergantian
mengalirkan produk
dan medium pemanas. Pelat yang dialiri produk tidak akan dialiri
oleh komponen
lain
2.3.6 Adiabatic wheel heat exchanger
Jenis keenam penukar panas menggunakan intermediate cairan atau
toko yang
solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain
dari penukar panas
akan dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri
dari roda besar dengan
benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan
penukar panas cairan.
2.3.7 Pillow plate heat exchanger
Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri
susu untuk
susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal
stainless steel.
Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah
seluruh permukaan
tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke bagian
luar tangki. Pelat
bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas
ke permukaan
selembar tebal dari logam.
Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau
dengan pola serpentin
garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan
kekuatan yang cukup
untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar lasan,
menyediakan ruang
untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan
yang karakteristik
bantal membengkak terbentuk dari logam.
-
20 | H e a t E x c h a n g e r
2.3.8 Dynamic scraped surface heat exchanger
Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan
heat
exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau
pendinginan dengan tinggi
viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan
fouling aplikasi. Kali
berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus menggores
permukaan, sehingga
menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan transfer panas
yang berkelanjutan
selama proses tersebut.
2.3.9 Phase-change heat exchanger
Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa,
penukar
panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau
mendidih) atau
digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun
ke cairan.
Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers digunakan untuk
memanaskan umpan masuk
untuk menara distilasi sering penukar panas
Heat exchanger atau unit serupa untuk memproduksi uap dari air
yang sering
disebut boiler atau generator uap.Dalam pembangkit listrik
tenaga nuklir yang disebut
reaktor air bertekanan, penukar panas khusus besar yang melewati
panas dari sistem
(pabrik reaktor) primer ke sistem (pabrik uap) sekunder, uap
memproduksi dari air
dalam proses, disebut generator uap.Semua pembangkit listrik
berbahan bakar fosil
dan nuklir menggunakan uap yang digerakkan turbin memiliki
kondensor permukaan
untuk mengubah uap gas buang dari turbin ke kondensat (air)
untuk digunakan
kembali
Faktor yang mempengaruhi efektivitas alat penukar panas (Heat
Exchanger) terutama Heat
exchanger tipe shell & tube:
1. penggunaan baffle dapat meningkatkan efektifitas alat penukar
panas, hal ini sejalan
dengan peningkatan koefisien perpindahan panas.
2. pengaruh tebal isolasi pada bagian luar shell, efektifitas
meningkat hingga suatu harga
maksimum dan kemudian berkurang.
3. dengan menggunakan alat penukar panas tabung konsentris,
efektifitas berkurang, jika
kecepatan udara masuk dingin meningkat dan efektifitas
meningkat, jika laju alir massa
udara meningkat.
-
21 | H e a t E x c h a n g e r
4. Menentukan jarak antar baffle minimum 0,2 dari diameter shell
sedangkan jarak
maksimum ialah 1x diameter bagian dalam shell. Jarak baffle yang
panjang akan
membuat aliran membujur dan kurang menyimpang dari aliran
melintang. 5. Melakukan penelitian penggunaan baffle dapat
meningkatkan efektifitas alat penukar
panas, hal ini sejalan dengan peningkatan koefisien perpindahan
panas.
6. Melakukan penelitian pengaruh tebal isolasi pada bagian luar
shell, efektifitas meningkat
hingga suatu harga maksimum dan kemudian berkurang.
7. Menyimpulkannya dengan menggunakan alat penukar panas tabung
konsentris,
efektifitas berkurang, jika kecepatan udara masuk dingin
meningkat dan efektifitas
meningkat, jika laju alir massa udara meningkat.
8. Menentukan jarak antar baffle minimum 0,2 dari diameter shell
sedangkan jarak
maksimum ialah 1x diameter bagian dalam shell. Jarak baffle yang
panjang akan
membuat aliran membujur dan kurang menyimpang dari aliran
melintang.
Analisa kinerja HE :
1. Koefisien overall perpindahan panas (U)
Menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas
ke fluida dingin
dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan
proses konduksi dan
konveksi.
2. Fouling factor (Rd)
Fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak
dikehendaki di
permukaan Heat Exchanger yang berkontak dengan fluida kerja,
termasuk permukaan
heat transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan,
pengerakan, korosi, polimerisasi
dan proses biologi.Angka yang menunjukkan hambatan akibat adanya
kotoran yang
terbawa fluida yang mengalir di dalam HE
Penyebab terjadinya fouling :
a. Adanya pengotor berat yaitu kerak keras yang berasal dari
hasil korosi atau coke
keras.
b. Adanya pengotor berpori yaitu kerak lunak yang berasal dari
dekomposisi kerak
keras.
Akibat fouling :
a. mengakibatkan kenaikan tahanan heat transfer, sehingga
meningkatkan biaya,
baik investasi, operasi maupun perawatan.
-
22 | H e a t E x c h a n g e r
b. ukuran Heat Exchanger menjadi lebih besar, kehilangan energi
meningkat,
waktu shutdown lebih panjang dan biaya perawatan meningkat.
Variabel operasi yang berpengaruh terhadap fouling :
a. Kecepatan Linier Fluida (Velocity)
Semakin tinggi kecepatan linier fluida, semakin rendah
kemungkinan
terjadinya fouling. Sebagai batasan dalam rancangan dapat
digunakan nilai-nilai
berikut:
1). Kecepatan fluida proses di dalam tube adalah 3 6 ft/s
2). Kecepatan fluida pendingin di dalam tube adalah 5 8 ft/s
3). Kecepatan fluida tube maksimum untuk menghambat terjadinya
fouling
adalah 10 15 ft/s
4). Kecepatan fluida shell adalah 1 3 ft/s.
Temperature Permukaan dan Temperature Fluida
Kecepatan terbentuknya fouling akan meningkat dengan
meningkatnya
temperatur.
3.Pressure drop
Untuk mengetahui sejauh mana fluida dapat memepertahankan
tekanan yang dimilikinya
selama fluida mengalir.
Disebabkan oleh 2 hal :
Friksi aliran dengan dinding
Pembelokan aliran