di luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah.
Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger:
a) Keuntungan
• Penggunaan longitudinal tinned tubes akan
mengakibatkan suatu heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat transfer coefficient.
• Counter current flow mengakibatkan penurunan
kebutuhan surface area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature cross.
• Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah
dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.
Fluida panas masuk
Fluida dingin masuk
Fluida dingin keluar Fluida panas keluar
• Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan.
b) Kerugian
• Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code.
• Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.
• Desain penutup memerlukan gasket khusus.
2. Shell And Tube Heat Exchanger
Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal).
Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch (pola segitiga) dan square pitch (pola segiempat). Berikut adalah contoh APK dengan tipe shell and tube dengan pola segitiga:
Gambar 2.13 Shell and tube heat exchanger
Sumber : http://www.southwestthermal.com/shell-tube-exchanger.html
Keuntungan dari shell and tube:
1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi bertekanan.
3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished).
4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5. Mudah membersihkannya.
6. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
7. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
8. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang
3. Plate Type Heat Exchanger
Plate type heat exchanger terdiri dari bahan yang memiliki sifat konduktivits yang tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengan desain khusus dimana tekstur permukaan plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar dibawah
Gambar 2.14 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent Sumber : http://pixhder.com/plate+and+frame+heat+exchanger+design
2.2.2 Metode Log Mean Temperature Difference ( LMTD )
Dalam merancang ataupun memprediksi performansi alat penukar kalor, sangatlah perlu untuk menghubungkan antara laju perpindahan panas total terhadap temperatur fluida yang masuk dan keluar, koefisien perpindahan panas menyeluruh, dan luas permukaan total untuk laju perpindahan panas. Persamaan perpindahan panas antara
fluida panas dan fluida dingin adalah setimbang. Seperti gambar di bawah ini yang menunjukkan kesetimbangan energi untuk dua fulida.
Gambar 2.15 Kesetimbangan energi total untuk fluida panas dan fluida dingin Sumber : literatur 5 Frank P Incropera, halaman 714
Frank Incropera[6] dalam bukunya mengatakan, jika q adalah laju perpindahan panas antara fluida panas dengan fluida dingin dan dengan mengabaikan perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor dengan lingkungan, mengabaikan perubahan energi potensial dan energi kinetik, dan dengan mengaplikasikan persamaan energi steady, dan dalam hal ini fluida tidak mengalami perubahan fasa dan diasumsikan pada kondisi panas jenis yang konstan, maka diperoleh persamaan
q = ṁh cp,h (Th,i – Th,o)... (2.11a) dan
q = ṁc cp,c (Tc,o – Tc,i)... (2.11b)
dimana temperatur dalam persamaan merupakan temperatur rata-rata fluida dalam lokasi yang ditentukan, dan persamaan diatas dapat digunakan untuk semua jenis alat penukar kalor. MetodeLog Mean Temperature Difference atau Perbedaan temperatur rata-rata logaritma (LMTD) merupakan metode untuk menentukan nilai perbedaan temperatur yang terjadi dalam alat penukar kalor. Penentuan LMTD tersebut dipengaruhi oleh jenis kedua aliran fluida didalam pipa yaitu aliran sejajar (paralel flow), aliran berlawanan (counter flow), aliran menyilang (crosflow).
2.2.3.1 Aliran Searah ( Paralel Flow )
Yaitu apabila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain mengalir dengan arah yang sama. Karakter penukar panas jenis ini temperatur fluida yang memberikan energi akan selalu lebih tinggi dibanding yang menerima energi sejak mulai memasuki penukar kalor hingga keluar. Berikut adalah grafik bila aliran kedua fluida sejajar
Gambar 2.16 Skematik aliran sejajar
Bila grafik aliran pararel seperti gambar 2.18 maka akan berlaku persamaan sebagai berikut :
q = ṁh cp,h (Th,i – Th,o) = ṁc cp,c (Tc,i– Tc,o)... (2.13)
dimana: q = laju perpindahan panas ( watt ) ṁ = laju alir massa fluida ( kg/s )
cp = kapasitas kalor spesifik ( j/kg.K ) T = suhu fluida (K)
Bila asumsi nilai kapasitas kalor spesifik ( Cp ) fluida dingin dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan steady state, maka kalor yang dipindahkan :
q = U A ∆TRL... (2.14)
dengan U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan ( W / m2. K) A = luas perpindahan panas (m2)
∆TRL = Beda temperatur rata-rata
∆TRL = ... (2.15)
dimana : = Thi – Tci = Tho – Tco
2.2.3.2 Aliran berlawanan (counter flow)
Yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan dan keluar pada sisi yang berlawanan. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas (temperatur fluida dingin) saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor (temperatur fluida panas) saat meninggalkan penukar kalor. Berikut adalah grafik untuk aliran bila kedua fluida saling berlawanan arah :
Gambar 2.17 Skematik aliran berlawanan
Bila grafik aliran pararel seperti gambar 2.19 maka akan berlaku persamaan sebagai berikut :
q = ṁh cp,h (Th,i – Th,o) = ṁc cp,c (Tc,o – Tc,i)... (2.16) untuk menentukan nilai ∆TRL sama dengan aliran sejajar.
2.2.3.3 Aliran menyilang ( Cross Flow )
Artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana arah aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan. Apabila ditinjau dari efektivitas pertukaran energi, penukar kalor jenis ini berada diantara kedua jenis di atas. Dalam kasus radiator mobil, udara melewati radiator dengan
temperatur rata-rata yang hampir sama dengan temperatur udara lingkungan kemudian memperoleh panas dengan laju yang berbeda di setiap posisi yang berbeda untuk kemudian bercampur lagi setelah meninggalkan radiator sehingga akan mempunyai temperatur yang hampir seragam.
2.2.3 Metode Number of Transfer Unit ( NTU )
Metode log mean temperature difference dalam menganalisis penukar kalor berguna bila suhu fluida masuk dan suhu fluida keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah; sehingga LMTD dapat dihitung dan aliran kalor, luas permukaan, serta koefisian perpindahan panas dapat dihitung. Namun apabila hanya temperatur fluida masuk saja yang diketahui maka metode LMTD tidak dapat digunakan. Maka dari itu dibutuhkan pendekatan alternatif yang lain yaitu metode keefektifan NTU. Dimana metode efektivitas ini mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisis permasalahan dimana kita harus membandingkan berbagai jenis penukar kalor demi memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan suatu tugas pemindahan kalor tertentu.
Metode NTU-efektivitas merupakan metode yang berdasarkan atas efektifitas penukar panas dalam memindahkan sejumlah panas tertentu. Metode NTU-efektifitas juga mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisa soal – soal di mana harus dibandingkan berbagai jenis penukar panas guna memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas pemindahan panas tertentu. Holman J P[1] mendefenisikan efektifitas penukar panas sebagai berikut
Efektifitas = ε = = ... (2.17)
Laju perpindahan panas aktual yang terjadi pada sebuah alat penukar kalor dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin. Untuk menentukan laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi pada sebuah alat penukar kalor, pertama sekali kita menganggap bahwa perbedaan temperatur maksimum yang berada pada sebuah alat penukar kalor adalah perbedaan antara temperatur masuk pada fluida panas dan pada fluida dingin, yakni ΔTmaks = Th,i – Tc,i
Perpindahan panas pada sebuah alat penukar kalor akan mendapatkan nilai maksimum pada saat :
1. Fluida dingin dipanaskan hingga mencapai temperatur masuk fluida panas 2. Fluida panas didinginkan hingga mencapai temperatur masuk fluida dingin
Kondisi pembatas diatas tidak akan dicapai kecuali kapasitas panas fluida panas dan fluida dingin adalah sama (Cc = Ch). Pada saat Cc ≠ Ch, yang adalah merupakan kasus yang biasanya terjadi, fluida yang memiliki kapasitas panas yang lebih kecil akan memiliki perubahan temperatur yang lebih besar, sehingga berdasarkan pengalaman akan mencapai temperatur maksimum, dimana pada kondisi tersebut perpindahan panas akan berhenti. Sehingga laju perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi adalah :
maksimum = Cmin (Th,i – Tc,i) ... (2.18) Cmin diperoleh dari perhitungan Cc dan Ch yang lebih kecil.
ε = = = ...(2.19)
Dimana Incropera[6] menyebutkan sebuah syarat penentuan efektifitas yaitu :
Bila Ch = Cmin, maka : ε = ... (2.20a) Bila Cc = Cmin, maka : ε = ... (2.20b) dimana :
Ch = ṁh cp,h atau Cc = ṁc cp,c ... (2.20b)
Cc dan Ch adalah kapasitas panas fluida dingin dan kapasitas panas fluida panas.
Keefektifan sebuah alat penukar kalor bergantung pada bentuk dan ukuran alat penukar kalor dan arah aliran yang terjadi. Oleh karena itu, perbedaan tipe pada alat penukar kalor akan menghasilkan persamaan keefektifan yang berbeda. Ada beberapa rumus yang dapat digunakan untuk menentukan keefektifan atau efektifitas Alat Penukar Kalor (APK) yang pada skripsi ini Penulis lapirkan dalam bentuk tabel. Berikut adalah rumus menentukan efektifitas APK untuk beberapa jenis yang disajikan dalam bentuk tabel 2.2 berikut :