TUGAS PERPINDAHAN PANAS
MAKALAH HEAT EXCHANGER
( ALAT PENUKAR PANAS )
KELOMPOK 5
Tongam May Andrivan S.
110405067
Aulia Fitri
120405033
Rikki Alanta Barus
120405035
Aulia Bismar Paduana
120405037
Departemen Teknik Kimia
Fakultas Teknik
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Unit penukar kalor adalah suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida yang lain. Sebagian besar dari industri-industri yang berkaitan dengan pemprosesan selalu menggunakan alat ini, sehingga alat penukar kalor ini mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau operasi. 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.
Pemilihan yang tepat suatu alat penukar kalor akan menghemat biaya operasional harian dan perawatan. Bila alat penukar kalor dalam keadaan baru, maka permukaan logam dari pipa-pipa pemanas masih dalam keadaan bersih setelah alat beroperasi beberapa lama maka terbentuklah lapisan kotoran atau kerak pada permukaan pipa tersebut. Tebal tipisnya lapisan kotoran tergantung dari fluidanya. Adanya lapisan tersebut akan mengurangi koefisien perpindahan panasnya. Harga koefisien perpindahan panas untuk suatu alat penukar kalor selalu mengalami perubahan selama pemakaian. Batas terakhir alat dapat berfungsi sesuai dengan perencanaan adalah saat harga koefisien perpindahan panas mencapai harga minimum.
satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.
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
Alat penukar kalor sangat dibutuhkan pada proses produksi dalam suatu industri, maka untuk mengetahui unjuk kerja dari alat penukar kalor perlu diadakan analisis. Dengan analisis yang dilakukan dapat diketahui bahwa alat tersebut mampu menghasilkan kalor dengan standar kerja sesuai kebutuhan yang diinginkan.
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.
atau corrugations dalam satu atau dua arah, yang meningkatkan luas permukaan dan dapat menyalurkan aliran fluida atau menyebabkan turbulensi.
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan Heat Exchanger ? 2. Bagaimana sistem kerja Heat Exchanger ?
3. Apa saja tipe-tipe dan klasifikasi dari Heat Exchanger ? 4. Apa saja bagian-bagian Heat Exchanger ?
5. Bagaimana sketsa komponen-komponen serta prinsip instrumentasi atau alat ukur pada Heat Exchanger ?
1.3 Tujuan
Penulisan makalah ini memiliki beberapa tujuan, antara lain :
1. Mengetahui pengertian Heat Exchanger
2. Mengetahui dan memahami prinsip kerja dari Heat Exchanger 3. Mengetahui tipe-tipe dan klasifikasi dari Heat Exchanger 4. Mengetahui komponen-komponen dari Heat Exchanger
BAB II
HEAT EXCHANGER (HE)
2.1 Alat Penukar Kalor
Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah.
Stabilitas fasa fluida pada HE suhu rendah sangat penting mengingat aliran panas/ dingin harus dapat mengalir dengan baik (viscositas optimal). Pengaruh suhu, tekanan, dan jenis kriogenik akan sangat menentukan efektivitas pertukaran panas yang terjadi. Beberapa kriteria utama HE yang dibutuhkan untuk penggunaan pada suhu rendah:
1. Perbedaan suhu aliran panas dan dingin yg kecil guna meningkatkan efisiensi 2. Rasio luas permukaan terhadap volume yg besar untuk meminimalkan
kebocoran
3. Perpindahan panas yang tinggi untuk mengurangi luas permukaan 4. Massa yg rendah untuk meminimalkan waktu start up
5. Kemampuan multi channel untuk mengurangi jumlah HE 6. Kemampuan menerima tekanan yg tinggi
7. Pressure Drop yg rendah
Perpindahan Panas Secara Konduksi
Merupakan 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.
Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.
Perpindahan Panas Secara Radiasi
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.
Gambar 2.1 Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger (Djunaidi, 2009)
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
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 dengan mempergunakan minyak (665 0F) sebagai media penguap,
minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.
Gambar. 2.2. Thermosiphon Reboiler (Anonim, 2011)
f. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:
• Memanaskan fluida
• Mendinginkan fluida yang panas
Gbr. 2.3. Konstruksi Heat Exchanger (Anonim, 2011)
2.2 Klasifikasi Alat Penukar Kalor
Melihat begitu banyaknya jenis alat penukar kalor (heat exchanger), maka dapat 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
c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masingmasing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi
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) Permukaan yang diperbesar (extended surface)
• Aliran counter menyilang
• Aliran paralel menyilang
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
2.3 Jenis-jenis Heat Exchanger
Dikarenakan banyaknya jenis dari alat penukar kalor, maka dalam pembahasan akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yang banyak dijumpai dalam industri perminyakan. Heat exchanger ini juga banyak mempunyai jenisjenisnya.
Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu : 1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya
untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.
Jenis-jenis Heat Exchanger yang terdapat pada industri perminyakan dapat dibedakan atas :
2.3.1 Shell and Tube
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
Ada beberapa fitur desain termal yang akan diperhitungkan saat merancang tabung di shell dan penukar panas tabung. Ini termasuk:
a. Diameter pipa : Menggunakan tabung kecil berdiameter membuat penukar panas baik ekonomis dan kompak. Namun, lebih mungkin untuk heat exchanger untuk mengacau-balaukan lebih cepat dan ukuran kecil membuat mekanik membersihkan fouling yang sulit. Untuk menang atas masalah fouling dan pembersihan, diameter tabung yang lebih besar dapat digunakan. Jadi untuk menentukan diameter tabung, ruang yang tersedia, biaya dan sifat fouling dari cairan harus dipertimbangkan. b. Ketebalan tabung: Ketebalan dinding tabung biasanya ditentukan untuk
memastikan:
• Ada ruang yang cukup untuk korosi
• Itu getaran aliran-diinduksi memiliki ketahanan
• Axial kekuatan
• Kemampuan untuk dengan mudah stok suku cadang biaya
Kadang-kadang ketebalan dinding ditentukan oleh perbedaan tekanan maksimum di dinding.
diganti). Juga, itu harus diingat bahwa tunggal, tabung tipis yang sulit untuk mengambil dan mengganti.
d. Tabung pitch : ketika mendesain tabung, adalah praktis untuk memastikan bahwa tabung pitch (yaitu jarak pusat-pusat tabung sebelah) tidak kurang dari 1,25 kali diameter luar tabung '
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.
Pemilihan Material Tabung
Agar dapat memindahkan panas dengan baik, material tabung harus mempunyai thermal conductivity. Karena panas ditransfer dari suatu sisi yang panas menuju sisi yang dingin melalui tabung, terdapat perbedaan temperature sepanjang lebar tabung. Karena ada kecenderungan material tabung untuk mengembang berbeda-beda secara thermal pada berbagai temperature thermal stresses muncul selama operasi. Hal ini sesuai terhadap tegangan dari tekanan tinggi dari fluida itu sendiri.
Material tabung juga harus sesuai dengan kedua hal yaitu sisi shell dan sisi tube yang dialiri untuk periode lama dibawah kondisi-kondisi operasi (temperature, tekanan, pH, dan lain-lain) untuk memperkecil hal yang buruk seperti korosi. Semua yang dibituhkan yaitu melakukan pemilihan seksama atas bahan yang kuat, thermalconductive, corrosion resistant, material tabung bermutu tinggi, yang secara khas berbahan metal. Pilihan material tabung yang buruk bisa mengakibatkan suatu kebocoran melalui suatu tabung antara sisi shell dan tube yang menyebabkan fluida yang lewat terkontaminasi dan kemungkinan hilangnya tekanan.
a. Kemampuan untuk dibersihkan (Cleanability)
Jika dibandingkan cara membersihkan Tube dan Shell, maka pembersihan sisi shell jauh lebih sulit. Untuk itu fluida yang bersih biasanya dialirkan di sebelah shell dan fluida yang kotor melalui Tube.
b. Korosi
Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari paduan logam. Paduan logam tersebut mahal, oleh karena itu fluida dialirkan melalui Tube untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan shell. Jika terjadi kebocoran pada Tube, heat exchanger masih dapat difungsikan kembali. Hal ini disebabkan karena Tube mempunyai ketahanan terhadap korosif, relatif murah dan kekuatan dari small diameter Tube melebihi shell.
c. Tekanan
Shell yang bertekanan tinggi dan diameter yang besar akan diperlukan dinding yang tebal, hal ini akan memakan biaya yang mahal. Untuk mengatasi hal itu apabila fluida bertekanan tinggi lebih baik dialirkan melalui Tube.
d. Temperatur
Biasanya lebih ekonomis meletakkan fluida dengan temperatur lebih tinggi pada Tube side, karena panasnya ditransfer seluruhnya ke arah permukaan luar Tube atau ke arah shell sehingga akan diserap sepenuhnya oleh fluida yang mengalir di shell. Jika fluida dengan temperatur lebih tinggi dialirkan padashell side, maka transfer panas tidak hanya dilakukan ke arah Tube, tapi ada kemungkinan transfer panas juga terjadi ke arah luar shell (ke lingkungan).
e. Sediment/ Suspended Solid / Fouling
Fluida yang mengandung sediment/suspended solid atau yang menyebabkan fouling sebaiknya dialirkan di Tube sehingga Tube-Tube dengan mudah dibersihkan. Jika fluida yang mengandung sediment dialirkan di shell, maka sediment/fouling tersebut akan terakumulasi pada stagnant zone di sekitar baffles, sehingga cleaning pada sisi shell menjadi tidak mungkin dilakukan tanpa mencabutTube bundle. f.Viskositas
sebagai hasil dari peningkatan turbulensi akibat aliran crossflow (terutama karena pengaruh baffles). Biasanya fluida dengan viskositas > 2 cSt dialirkan di shell side untuk mengurangi luas permukaan perpindahan panas yang diminta. Koefisien perpindahan panas yang lebih tinggi terdapat pada shell side, karena aliran turbulen akan terjadi melintang melalui sisi luar Tube dan baffle.
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.
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.
Faktor yang mempengaruhi efektivitas Heat exchanger tipe shell & tube:
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.
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 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.
Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil, Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa, dapat dipasang secara seri ataupun paralel, dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan,mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya dan kalkulasi design mudah dibuat dan akurat Sedangkan kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil, mahal, terbatas untuk fluida yang membutuhkan area perpindahan kalor kecil (<50 m2), dan biasanya digunakan untuk sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau dikondensasikan.
Prinsip kerja double pipe
Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. Fluida yang memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin) mengalir melalui pipa kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi mengalir pada pipa yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian mungkin terdiri dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal. Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.
Dalam desain pipa penukar panas ganda, merupakan faktor penting adalah jenis pola aliran dalam penukar panas. Sebuah penukar panas pipa ganda biasanya akan baik berlawanan arah / counterflow atau aliran paralel. Crossflow hanya tidak bekerja untuk penukar panas pipa ganda. Pola yang aliran dan tugas panas yang dibutuhkan pertukaran memungkinkan perhitungan log mean perbedaan suhu. Yang bersama-sama dengan perpindahan panas keseluruhan diperkirakan koefisien memungkinkan perhitungan luas permukaan perpindahan panas yang diperlukan. Kemudian ukuran pipa, panjang pipa dan jumlah tikungan dapat ditentukan.
Namun, terkadang dalam beberapa alat seperti HE ini, akan ada pengotor didalam pipa yang membuat proses perpindahan kalor nya menjadi terganggu. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchanger akibat pengaruh dari jenis fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu atau memperngaruhi temperatur fluida mengalir juga dapat menurunkan ataau mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat pengotoran antara lain : Temperatur fluida, Temperatur dinding tube dan Kecepatan aliran fluida.
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.
Gambar 2.5 Pipa Coil Heat Exchanger (Anonim, 2012)
maupun radial. Aliran tekanan tinggi diberikan pada tube diameter kecil, sementara untuk tekanan rendah dialirkan pada bagian luar tube diameter kecil.
HE jenis ini memiliki keuntungan untuk kondisi suhu rendah antara lain: 1. Perpindahan kalor dapat dilakukan lebih dari dari dua aliran secara simultan. 2. Memiliki jumlah unit Heat transfer yang tinggi
3. Dapat dilakukan pada tekanan tinggi.
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. Gambar Skematik alat tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.15.
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 yang terjadi cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.
Gbr. 2.7. Alat penukar kalor jenis open tube section (Anonim, 2010)
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. Pelat-pelat ini dipersatukan oleh suatu perangkat penekan dan jarak antara pelat-pelat ditentukan oleh sekat-sekat tersebut. Pada setiap sudut dari pelat yang berbentuk empat persegi panjang terdapat lubang. Melalui dua di antara lubang-lubang ini media yang satu disalurkan masuk dan keluar pada satu sisi, sedangkan media yang lain karena adanya sekat mengalir melalui ruang antara disebelahnya. Dalam hal itu hubungan ruang yang satu dan yang lainnya dimungkinkan. pelat-pelat yang dibentuk sesuai kebutuhan dan umumnya terbuat dari baja (stainless steel type 304, 316, 317) atau logam lainnya.
penekan yang pada setiap sudut pelat 10 ( kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir fluida. Melalui dua dari lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya karena ada sekat.
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.
Cairan panas yang melintasi bagian bawah head dialirkan ke atas melintas diantara setiap plae genap sementara cairan dingin pada bagian puncak head dialirkan turun diantara plat-plat ganjil. Arah aliran produk dan medium pemanas di dalam pelat biasanya berbeda atau boleh dikatakan mengalir secara berlawanan. Pada umumnya produk akan masuk melalui saluran atas dan mengalir kebawah melewati pelat, sehingga aliran keluaran produk akan berada dibawah, sedangkan medium pemanas akan masuk melalui saluran yang berkebalikan dari produk, yaitu masuk melalui saluran bawah dan mengalir ke atas melewati pelat, sehingga aliran pengeluaran medium pemanas akan berada diatas. Arah aliran yang berlawanan ini dimaksudkan agar proses pemanasan dapat lebih cepat berlangsung.
Produk yang mengalir pada suatu pelat akan terhimpit oleh medium pemanas dengan arah aliran yang berbeda, sehingga produk akan cepat memanas karena tertekan oleh pelat yang mengalirkan medium pemanas. Produk yang telah menjadi panas dan medium yang telah mengalir pada suatu pelat akan mengalir keluar.
Prinsip Alat Ukur PHE
1. Alat ukur laju alir 2. Alat ukur tekanan 3. Alat ukur suhu
Kelebihan PHE
1. Mempunyai permukaan perpindahan yang sangat besar pada volume alat yang kecil,sehingga perpindahan panas yang efisien.
2. Mudah dirawat dan dibersihkan
3. Mudah dibongkar dan dipasang kembali ketika proses pembersihan 4. Waktu tinggal media sangat pendek
5. Dapat digunakan untuk cairan yang sangat kental (viskos)
6. Plate and Frame lebih fleksibel, dapat dengan mudah pelatnya ditambah
7. Ukuran yang lebih kecil dapat mengurangi biaya dalam segi bahan (Stainless Steel,Titanium, dan logam lainnya)
8. Aliran turbulensinya mengurangi peluang terjadinya fouling dan sedimentasi
Kekurangan PHE
1. Pelat merupakan bentuk yang kurang baik untuk menahan tekanan. Plate and Frame Heat Exchanger tidak sesuai digunakan untuk tekanan lebih dari 30 bar.
2. Pemilihan material gasket yang sesuai sangatlah penting
Gambar 2.8 Penukar panas jenis pelat and Frame (Stevano Viktor, 2011)
PHE yang banyak dijumpai di industri adalah type: a.Glue type
Tipe glue ini memerlukan lem untuk memasang gasket pada plat PHE. Lem yang digunakan hendaknya ialah lem yang mempunyai ketahanan terhadap panas yang baik.
Gambar 2.9 Glue type (Stevano Viktor, 2011)
b.Clip type
Gambar 2.10 Clip type (Stevano Viktor, 2011) Klasifikasi
alat penukar panas :
a. Berdasarkan kontak antara bahan atau fluida
• Pertukaran panas langsung
Bahan yang dipanaskan atau yang didinginkan dikontakan langsung dengan media pemanas atau pendingin.
• Pertukaran Panas tidak langsung
Memungkinkan terjadinya perpindahan panas dari satu cairan fluida ke fluida lain melalui dinding pemisah.
b. Berdasarkan arah aliran
• Penukar panas satu lintas (single-pass)
• Penukar panas aliran searah (parallel-flow)
• Penukar panas berlawanan arah (Counter-flow)
• Penukar panas aliran lintang (Cross-flow)
Bagian-Bagian dari Plate Heat Exchanger
1. Gasket terbuat dari karet (non logam) atau bahan yang biasa digunakan adalah nitrile
dan ethylene propylene rubber (EPR/EPDM)
a. Nitrile : -400F - 2500F untuk temperatur rendah
b. Nitrile : -400F - 2500F untuk temperatur tinggi
c. EPR/ EPDM : -800F – 3000 F sangat tahan terhadap air yang sangat panas dan uap serta memiliki ketahanan yang baik untuk kompresi atau volume yang besar.
Fungsi gasket ini adalah sebagai perekat alat atau pengatur aliran fluida, sehingga antara fluida yang satu dengan fluida yang lain tidak mengalami kontak secara langsung yang menyebabkan kebocoran.
2. Pelat penekan (Compression Plate) terbuat dari logam yang berfungsi sebagai penekan pelat agar pada saat operasi alat berjalan tidak ada rongga didalam aliran fluida agar tidak terjadi kebocoran.
3. Pelat (plates), umumnya berukuran 0,4 - 0,6 mm terbuat dari stainless steel atau
titanium dan terdapat pada berbagai macam susunan yang berombak-ombak, berfungsi sebagai tempat mengatur fluida serta tempat terjadinya pertukaran panas antara fluida panas dengan fluida dingin. Fluida pada pelat ini mengalir secara turbulen, hal ini dikarenakan bentuk dari pelat tersebut yang bergerigi sehingga pertukaran panas dapat berlangsung secara cepat. Makin banyak pelat tekanan makin besar.
Gambar 2.12 Tipe pelat (Stevano Viktor, 2011)
Tipe Pelat
• Vertical, termasuk salah satu pola pelat yang sering digunakan karena mempunyai banyak pembatas untuk mengalir, sehingga menyebabkan banyak gerakan putaran
• Horizontal, juga merupakan pola yang sering digunakan. Mempunyai pembatas, gerak putaran (turbulen), dan penurunan tekanan yang lebih sedikit dibandingkan pola vertical
• Combination, penggunaan pola pelat ini biasanya ditujukan untuk hasil pemanasan dan penurunan tekanan yang lebih optimal.
4. Pelat penyangga tetap (fixed frame), terbuat dari logam dan berfungsi menjaga pelat agar tetap stabil
Gambar 2.13 Pelat penyangga tetap (fixed frame) (Stevano Viktor, 2011)
5. Alat penekan (Compression Bolt), berupa baut pelat baja yang digunakan untuk menekan pelat dan frame
Gambar 2.14 Compression Bolt (Anonim, 2010)
Gambar 2.15 Guide Bars (Anonim, 2010)
7. Front and Rear Heads . (Bagian depan dan kepala bagian belakang), merupakan bagian yang dilapisi oleh frame carbon steel yang melekat pada kumpulan pelat yang ditekan.
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.
ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.
Gambar 2.16 Pillow plate heat exchanger (Anoni, 2012)
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.
Gambar 2.17 Dynamic scraped surface heat exchanger (Anonim, 2010)
2.3.9 Phase-change heat exchanger
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.
Distilasi set-up biasanya menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan.Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.
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.
Gambar 2.18 Phase-change heat exchanger (Zuhrina, 2006)
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.
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.
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.
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:
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
BAB IV PENUTUP
Kesimpulan
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 berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact).
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
Dari jenis-jenis Heat Exchanger diatas, komponen-komponen peralatan tergantung dari jenisnya. Setiap komponen memiliki peranan masing-masing yang semuanya saling bergantungan yang apabila salah satu tidak berfungsi maka akan mengganggu kinerja dari peralatan tersebut.
sering dilakukan adalah analisa perpindahan panas keseluruhan, factor fouling dan penurunan tekanan pada Heat Exchanger.
Tipe pembersihan Heat Exchanger yang sering dilakukan adalah : a.
Chemical / Physical Cleaning
b. Mechanical Cleaning
- Drilling atau Turbining
- Hydrojeting
DAFTAR PUSTAKA
Amalia, Ilma. (2011). “PENUKAR PANAS ( HEAT EXCHANGER)” (online). Tersedia di : http://id.scribd.com/doc/46808854/Tugas - Shell - and - Tube - Ex - Changer - 2 . (Diunduh tanggal 8 Desember 2012)
Anonim. (2012). “Alat Heat Exchanger” (online). Tersedia di : http://beckfk.blogspot. com/ 2012/05/alat-heat-exchanger.html. (Diunduh tanggal 25 Oktober 2012)
Anonim. (2010). “Heat Exchanger’’ (online). Tersedia di : http://www.alaquainc.com/ Heat_Exchangers.aspx . (Diunduh tanggal 25 Oktober 2012)
Anonim. (2010). “Pembagian Heat Exchanger Berdasarkan Bentuk Konstruksinya” (online). Tersedia di : http://java - borneo.blogspot.com/2011/05/pembagian - heat exchanger - berdasarkan.html . (Diunduh tanggal 5 November 2012)
Anonim. (2012). “Pengertian Heat Exchanger” (online). Tersedia di : http://www.scribd. com/doc/94966592/Pengertian-Heat-Exchanger. (Diunduh tanggal 7 Desember 2012)
Anonim. (2012). “Jenis-Jenis Alat Penukar Panas dan Tipe aliran HE (Heat Exchanger)” (online). Tersedia di : http://pelatihanguru.net/category/alat - penukar - kalor . (Diunduh tanggal 8 Desember 2012)
Djunaidi. (2009). “Pemeliharaan Tube-Side Penukar Kalor Rsg-Gas Jangka Pendek Dan
Jangka Panjang”. Pusat Reaktor Serba Guna-BATAN. Kawasan Puspitek Serpong Tangerang : Banten
Eka, dkk. (2011). “Laporan Praktikum Heat Exchanger” (online). Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia: Depok. Tersedia di : http://www.scribd.com/doc/72839539/ Laporan - HE - Eka - Gefin - Krisna - Laili - Final . (Diunduh Tanggal 7 Desember 2012)
