INTRODUCTION
OF HEAT EXCHANGER
(PENGENALAN ALAT PENUKAR KALOR)
Eswanto.,ST.,M.Eng
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
TEMPERATURE :
Adalah suatu ukuran energi yang dimiliki oleh suatu benda (cair, padat,
dan gas/uap), sebagai ukuran apakah benda tersebut relatif panas atau
dingin. Umumnya diwakili dengan suatu satuan unit seperti, Celcius
atau Fahrenheit.
HEAT :
Adalah suatu bentuk energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat
dari perbedaan temperatur yang terjadi pada benda tersebut. Umumnya
diwakili dengan satuan unit Kalori atau BTU. Bila suatu sistem atau
benda terdapat gradien suhu (dT/dx) disinggungkan, maka akan terjadi
perpindahan energi. Proses perpindahan energi disebut perpindahan
panas (heat, bahang/ kalor istilah ini sama)
PERPINDAHAN PANAS (Heat Transfer)
:
PROSES PERPINDAHAN PANAS
(
HEAT TRANSFER
)
•
De fi ni si :
•
PP konduksi adalah
……...…..
•
PP radiasi adalah
….………
PERSAMAAN DASAR
PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
KONDUKSI :
Def: Perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang
bertemperatur tinggi ke daerah/T4 yang bertemperatur
lebih rendah didalam suatu medium (padat, cair atau
gas/uap)
atau
antara
medium
yang
berlainan
tetapi
bersinggungan secara langsung (kontak langsung
)
Konduksi
kontak
langsung
T
hotKonduksi melalui plat/ dinding datar
Condrect.exe Condpipe.exe CondMultiRect.exe
Q
= Perpindahan panas persatuan waktu, t
A
= Luas penampang medium
X = Tebal medium
k
= Konduktivitas termal medium
T
= Temperatur
KONDUKSI PADA PLAT DATAR
KONDUKSI PADA SILINDER
•
Jelaskan definisi tahanan
termal bahan, dan tuliskan
persamaan tahanam termal
bahan seri dan paralle
disertai gambar.
•
Pipa diisolasi
•
KONVEKSI
:
Laju perpindahan panas dengan cara
konveksi antara suatu permukaan dan suatu fluida karena
adanay perbedaan temperatur (∆T). Panas akan perpindah dari
suatu permukaan dan fluida bertemperatur tinggi ke
temperatur lebih rendah. Besarnya panas yang berpindah
adalah :
PERSAMAAN DASAR
PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI
Atau:
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
Q
= Perpindahan panas persatuan waktu,
t
A
= Luas penampang medium
h
= Koefisien konveksi
T
= Temperatur (benda dan fluida)
Q = h A (Tw - Ts)
qh TS
Area = A
Tahanan termal konveksi
Gabungan PP konveksi
& radiasi
ingat kembali De fi ni si :
1.
PP konveksi adalah ……...…..
2.
PP konduksi adalah ….………
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
RADIASI
:
Perpindahan panas yang terjadi akibat emisi gelombang elektromagnet
dari suatu permukaan atau ruang. Radiasi tidak memerlukan media
perpindahan panas dan dapat terjadi dalam ruang hampa udara. Jumlah
energi yang meninggalkan suatu permukaan tergantung dari suhu
mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiator sempurna atau benda
hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari permukaan dengan
laju q
r, sebesar ;
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS pada :
EVAPORASI
:
Proses pemanasan suatu liquid sampai pada temperatur titik
didihnya untuk menghasilkan phasa lain dari liquid tersebut,
yaitu vapor (uap). Uap yang dihasilkan adalah uap jenuh
(saturated) dan atau uap kering (superheat)
APK aliran parallel /searah & lawan
arah
•
air panas mengalir dalam pipa dan air dingin di luar
pipa/selongsong
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
KONDENSASI
:
Proses pendinginan terhadap suatu uap
liquid
untuk kembali ke
phasa semula, yaitu
liquid
. Ini dapat dijumpai pada proses
kondensasi uap pada kondensor turbin uap.
apk lintas satu dan duo
•
Apk selongsong dengan lintas
gbr.1. 1 selongsong dengan dua lintas
pipa, & gbr.2. dengan dua lintas
Distribusi
temperatur
Apk selongsong &
tabung dengan
lawan arah dengan
DEFINISI :
Peralatan untuk melaksanakan perpindahan panas dari satu fluida ke
fluida yang lain dengan memanfaatkan perbedaan temperatur dari kedua
fluida tersebut.
Berdasarkan prinsip perpindahan panas yang terjadi, Heat Exchanger
dibagi dalam tiga group :
1.
Direct Contact Exchanger
,
Aliran fluida panas dan dingin
dicampurkan secara langsung sehingga terjadi perpindahan panas
2.
Recuperators,
Aliran fluida panas dan dingin dipisahkan dengan
suatu dinding sehingga perpindahan panas terjadi secara konveksi
melalui dinding tersebut.
3.
Regenerator,
Perpindahan panas terjadi dalam beberapa tahap,
pertama dari fluida panas ke media penyimpan kemudian dari media
penyimpan ke fluida dingin.
1.
Parallel Flow
,
Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan
perpindahan panas mengalir dalam satu arah
dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids U= Overall Heat Transfer Coeficient
A= Area of the tube
∆T= Logarithmic mean temperature difference defined by:
Berdasarkan pola aliran fluida yang terjadi, Heat
Exchanger dibagi dalam tiga pola aliran :
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
2. Counter Flow
,
Jika aliran dari kedua fluida yang
melakukan perpindahan panas mengalir berlawanan
arah
dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids
U = Overall Heat Transfer Coeficient
A = Area of the tube
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
Untuk meningkatkan performance, Heat Exchanger dapat didisain
sehingga kedua fluida yang melakukan perpindahan panas dapat
bersinggungan beberapa kali dalam satu unit Heat Exchanger.
Jika kedua fluida bersinggungan lebih dari satu kali, maka disebut
Multi-Pass
Heat Exchanger
.
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
Heat Exchanger
kebanyakan ditemukan dalam
aplikasi sistim proses kimia maupun mechanical.
Aplikasi tersebut antara lain :
1. Proses Pemanasan awal (
Preheater
)
2. Proses Pendinginan (
Cooler
)
3. Proses Penguapan (
Evaporasi
)
4. Proses Pengembunan (
Kondensasi
)
Penjelasan berikut memperlihatkan bagaimana
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
Dalam suatu proses yang
membutuhkan temperatur
tinggi/rendah, fluida yang masuk
sebelumnya harus
dipanaskan/didinginkan awal terlebih
dahulu dalam suatu tahapan daripada
langsung memanaskannya atau
mendinginkannya dari temperatur
awal (lingkungan) ke temperatur
tinggi/rendah yang dibutuhkan. Hal
ini untuk menghindari thermal shock
stress pada material peralatan yang
dipakai. Contoh pada aplikasi ini
adalah,
U-Tube FeedWater
Preheater / Cooler
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
Setiap
sistem
pengkondisian
udara,
setidaknya ada dua heat exchanger yang
terlibat, yaitu evaporator dan condenser.
Untuk kedua sistem, fluida mengalir ke
dalam
HE
dan
memindahkan
panas
(mengambil
atau
melepas
panas)
ke
media
pendingin
/
pemanas.
Untuk
condenser, fluida (gas) berubah phasa
menjadi liquid dan untuk evaporator fluida
(
liquid
)
berubah
phasa
menjadi
gas
(uap). Proses ini diperlukan jika fluida
tersebut akan digunakan lagi dalam suatu
siklus sesuai dengan bentuk phasa-nya.
Contoh untuk aplikasi ini adalah
Steam
Condenser / Evaporator
2. Proses Penguapan (Evaporasi)
dan Pengembunan (Kondensasi)
CONSTRUCTION TYPE
OF HEAT EXCHANGER
Jenis-Jenis Heat Exchanger
1.
Double Pipe Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari pipa yang ditempatkan didalam pipa lain
yang berdiameter lebih besar. Jenis ini banyak dipakai untuk
pemanasan atau pendinginan dimana area perpindahan panas yang
dibutuhkan relatif kecil (sampai 50 m2). Kelebihan jenis ini adalah
mudah dalam pemasangan dan perawatan, namun relatif mahal untuk
area perpindahan panas yang kecil.
Sesuai dengan jenis aplikasinya, saat ini terdapat berbagai jenis
konstruksi
Heat Exchanger
yang telah dipakai di dunia industri :
2.
Shell and Tube Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari berkas pipa
2(
tube
)yang ditempatkan
di dalam suatu selongsong (
shell
) , sehingga dua fluida yang
melalui tube dan shell akan melakukan perpindahan panas
secara konduksi dan konveksi melalui dinding tube.
Keuntungan jenis ini adalah dapat digunakan dalam banyak
aplikasi, mudah dalam perawatan dan memiliki perbedaan
temperatur yang tinggi.
3. Plate Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari sekumpulan plat bentukan yang
diikat dalam suatu
frame
yang menekan
gasket
untuk
mencegah
terjadi
kebocoran.
Plat
tersebut
begitu
tipis
sehingga memungkinkan lebih banyak kontak yang terjadi
untuk mendapatkan
heat transfer rate
yang lebih besar.
Keuntungannya dapat diaplikasikan untuk banyak jenis
aliran fluida namun memiliki keterbatasan tekanan dan
temperatur terhadap material
gasket.
4. Air Cooled Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari atas sebuah fan dan sebuah atau
lebih
Heat Transfer Section
yang dipasang dalam satu
frame. Heat Transfer Section
tersbut biasanya terdiri dari
Finned Tube
. Fluida dialirkan di dalam tube yang didinginkan
dengan udara dari suatu
induced
atau
forced draft fan
.
Keuntungannya memiliki struktur yang kuat (rigid) dan banyak
digunakan untuk proses
cryogenic
. Namun jenis ini memiliki
ukuran terbatas dan sulit dalam pemeliharaan.
cabinettraydrier.exe
5.
Main (Cryogenic) Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari 2 tube bundle, satu untuk fluida
panas dan lainnya untuk fluida dingin.Sedangkan shell
berbentuk vertikal tower. Banyak dipakai untuk aplikasi
cryogenic yaitu pendinginan dibawah 0 derajat celcius.
Jenis-Jenis Heat Exchanger
Distribusi Aplikasi
Heat Exchanger
di berbagai Industri:
Shell & Tube
Dari grafik/gambar distribusi tersebut di atas, jenis
Shell and
Tube
adalah yang paling banyak dipakai termasuk di
LNG Plant.
Berikutnya kita akan memfokuskan pada pembahasan jenis
Shell
and Tube Heat Exchanger ini.
SHELL AND TUBE
PENGENALAN
Untuk mendapatkan luas penampang perpindahan panas atau
area perpindahan panas yang besar dari jenis
Double Pipe Heat
Exchange
r, pipa yang digunakan mestilah sangat panjang.
Akibatnya,
kehilangan
tekanan
yang
terjadi
juga
besar,
dibutuhkan pompa dengan kapasitas besar, dan sejumlah besar
material yang akhirnya membutuhkan biaya yang relatif sangat
besar.
Klasifikasi dan Standarisasi
Untuk melindungi pemakai jenis
Heat Exchanger Shell
and
Tube
dari bahaya akibat tekanan dan temperatur tinggi dan resiko
kegagalan alat, suatu standard telah diaplikasikan dan dianut oleh
banyak
industri
sebagai
pegangan
dalam
merencanakan,
mengoperasikan dan merawat
Heat Exchanger
jenis
Shell and
Tube.
Tubular
Exchanger
Manufacturers
Association
(TEMA)
, dari sisi
design
dan
fabrikasi
membagi jenis
Shell and Tube Heat Exchanger
ini dalam 3 kelas :
Klasifikasi dan Standarisasi
1. Kelas R
, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
kondisi berat pada industri gas dan petroleum.
2. Kelas C
, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
kondisi yang lebih ringan dan untuk keperluan
industri umum.
3. Kelas B
, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
keperluan proses-proses kimia.
Ketiga jenis kelas tersebut, semua diaplikasikan dalam kilang
Karena fokus kita adalah kilang LNG yang banyak menggunakan
jenis HE shell and tube dan menurut standard TEMA mengikuti
kelas fabrikasi kelas RCB, maka selanjutnya dibahas lebih dalam
mengenai kelas RCB tersebut. Yang menjadi patokan utama dari
kelas RCB adalah
Hasil perkalian nominal diameter shell (inch) dan
Design Pressure (PSI) tidak lebih dari 60,000.
Inside diamater Shell tidak lebih dari 60 inch
Design pressure tidak lebih dari 3000 PSI
Standard Test dilakukan dalam kondisi 1.5 kali
Design Pressure jika menggunakan cairan
(Hydrotest), dan 1.25 kali design pressure jika
menggunakan udara (pneumatic test).
Shell & Tube Heat Exchanger, TEMA Class RCB
Dari bentuk konstruksinya terbagi atas 3 bagian yaitu, Front-End
Stationary Head, Shell dan Rear-End Head.
Type AES
Type CFU
Aplikasi Shell & Tube HE
Jenis
Shell and Tube Heat Exchanger
kebanyakan dipakai pada
aplikasi proses berikut (termasuk proses di kilang LNG) :
2.
CONDENSER
3. WASTE HEAT BOILER
4.
KETTLE TYPE REBOILER
5.
HERMOSYPHON
REBOILER
6.
MAIN HEAT EXCHANGER
Konstruksi
Shell & Tube Heat Exchanger
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Penamaan (istilah) bagian konstruksi
Shell & Tube Heat Exchanger
Tube side Bagian dalam Tube.
Shell side Bagian luar tube, diantara tube dan dinding shell.
Tube sheet Suatu plat tebal yang dilengkapi lubang (1 lubang untuk setiap tube), tempat dimana tube ditanam.
Tube bundle Berkas kumpulan tube terdiri dari tube, tube sheet dan baffle plate
Shell Suatu silinder dimana tube bundle ditempatkan.
Channel Suatu jenis bagian depan HE tempat fluid dimasukkan dan dikeluarkan ke dan dari tube side. Memiliki dinding pemisah yang memisahkan aliran yang masuk dan keluar. Serta mempunyai penutup yang dapat dilepaskan.
Bonnet Seperti Channel tapi dengan penutup yang tidak bisa dilepaskan (menyatu).
Baffle plate Dapat dibentuk dengan model yang bervariasi, namun bentuk dasarnya adalah segmental. Memiliki dua fungsi yaitu ; sebagai pendukung tube dan sebagai
pengarah aliran pada shell side sehingga didapatkan perpindahan panas yang lebih efektif.
Konstruksi
Shell & Tube Heat Exchanger
Penamaan (istilah) bagian konstruksi
Shell & Tube Heat Exchanger
1. Inlet (or outlet) tube side 2. Outlet (or inlet) tube side 3. Inlet (or outlet) shell side 4. Outlet (or inlet) shell side 5. Bonnet without partition wall 6. Fixed tube sheet
7. Shell
8. Straight tubes 9. Baffle plate
10. Bonnet with partition wall 11. Tube sheet
12. U tubes
13. Channel with partition wall 14. Channel cover
15. Floating-head tube sheet 16. Floating-head backing device
17. Floating-head cover 18. Shell cover
19. Shell nozzle
