1
1
K
Klla
assiiffiik
ka
assi
i H
Heea
at
t E
Ex
xcch
ha
an
ng
geerr
Berbagai heat exchanger digunakan dalam industri dan pada produk industri. Tujuan dari bab Berbagai heat exchanger digunakan dalam industri dan pada produk industri. Tujuan dari bab ini adalah untuk
ini adalah untuk menggmenggambaambarkan sebagian besar rkan sebagian besar heat exchangheat exchanger er ini dalam ini dalam beberbeberapa rincianapa rincian menggunakan skema klasifikasi. Dimulai dengan definisi, heat exchanger
menggunakan skema klasifikasi. Dimulai dengan definisi, heat exchanger yang diklasifikasikanyang diklasifikasikan menu
menurut rut proseproses s transftransfer, er, jumljumlah ah fluifluida, da, tingktingkat at kepakepadatadatan n permpermukaanukaan, , fitufitur r konstkonstruksiruksi, , flowflow arrangements, dan mekanisme perpindahan panas. Dengan klasifikasi detail di setiap kategori, arrangements, dan mekanisme perpindahan panas. Dengan klasifikasi detail di setiap kategori, istilah yang berhubungan dengan berbagai exchanger ini diperkenalkan dan dijelaskan dengan istilah yang berhubungan dengan berbagai exchanger ini diperkenalkan dan dijelaskan dengan pengaplikasian praktis. Sebutan
pengaplikasian praktis. Sebutan singkat juga singkat juga berasal dari berasal dari perbedaanperbedaan dalam prosedur perbedaanperbedaan dalam prosedur desain untuk berbagai jenis heat
desain untuk berbagai jenis heat exchangerexchanger..
1
1..11 PPEENNDDAAHHUULLUUAANN
Heat
Heat Exchanger Exchanger adalaadalah h peraperangkat yang ngkat yang digundigunakan untuk akan untuk peminpemindahan energi panas dahan energi panas !enta!entalpi"lpi" antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dan fluida, atau antara partikel padat dan antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dan fluida, atau antara partikel padat dan fl
fluiduida, a, padpada a temtemperperatuatur r yayang ng berberbedbeda a dan dan daldalam am konkontak tak tertermamal. l. DalDalam am heaheat t excexchanhangeger,r, biasanya
biasanya tidak tidak ada ada eksternal eksternal panas panas dan dan kerja kerja interaksi. interaksi. #plikas#plikasi i yang yang umum umum melibatkanmelibatkan pemanasan
pemanasan atau atau pendinginan pendinginan aliran aliran fluida fluida dan dan penguapan penguapan atau atau kondensasi kondensasi tunggal tunggal atauatau multikomponen aliran fluida. Dalam aplikasi lain, yang mungkin tujuannya untuk memulihkan multikomponen aliran fluida. Dalam aplikasi lain, yang mungkin tujuannya untuk memulihkan ata
atau u memenolnolak ak papanasnas, , ataatau u memenstnsterierilkalkan, n, paspasteuteurisrisasiasi, , frafraksiksinasnasi, i, menmenyayarinring, g, konkonsensentratrasi,si, mengk
mengkristristal, al, atau mengontratau mengontrol ol prosproses es fluifluida. da. DalaDalam m beberbeberapa apa heat exchangeheat exchanger, r, fluifluida da bertbertukar ukar panas
panas pada pada kontak kontak langsung. langsung. Dalam Dalam kebanyakan kebanyakan heat heat exchanger, exchanger, transfer transfer panas panas antara antara fluidafluida terjadi melalui dinding pemisah atau ke dalam dan keluar dari dinding dengan cara transien. terjadi melalui dinding pemisah atau ke dalam dan keluar dari dinding dengan cara transien. Dala
Dalam m banyabanyak k heat exchangeheat exchanger, r, fluifluida da dipidipisahkasahkan n oleh permukaaoleh permukaan n perpiperpindahan panas, danndahan panas, dan idealnya mereka tidak bercampur atau
idealnya mereka tidak bercampur atau bocor. exchanger seperti ini disebut sebagai jenis bocor. exchanger seperti ini disebut sebagai jenis transfer transfer lan
langsugsung, ng, ataatau u hanyhanya a recrecupeuperaratortor. . SebSebalialiknyknya, a, excexchanhanger ger di di manmana a ada ada perpertuktukaraaran n panpanasas intermiten antara fluida panas dan dingin melalui penyimpanan energi termal dan melepaskan intermiten antara fluida panas dan dingin melalui penyimpanan energi termal dan melepaskan melalui permukaan $xchanger atau matriks disebut sebagai jenis transfer tidak langsung, atau melalui permukaan $xchanger atau matriks disebut sebagai jenis transfer tidak langsung, atau hanya regenerator
hanya regenerator. exchanger seperti ini biasanya memiliki kebocoran fluida dari . exchanger seperti ini biasanya memiliki kebocoran fluida dari satu aliransatu aliran fluida ke yang lain, karena perbedaan tekanan dan rotasi matriks % katup switching. &ontoh fluida ke yang lain, karena perbedaan tekanan dan rotasi matriks % katup switching. &ontoh umum dari
umum dari penukpenukar ar panas adalah panas adalah shelshelldan ldan pipe exchanger, radiatopipe exchanger, radiator r kendarkendaraan, aan, kondekondensornsor,, e'aporator, udara pre heater, dan cooling tower (ika tidak ada perubahan fasa terjadi di salah e'aporator, udara pre heater, dan cooling tower (ika tidak ada perubahan fasa terjadi di salah satu fluida di exchanger, kadangkadang disebut sebagai penukar panas sensibel. )ungkin ada satu fluida di exchanger, kadangkadang disebut sebagai penukar panas sensibel. )ungkin ada sumber energi panas internal di exchanger, seperti di pemanas listrik dan elemen bahan bakar sumber energi panas internal di exchanger, seperti di pemanas listrik dan elemen bahan bakar nuklir. *embaka
nuklir. *embakaran dan ran dan reaksi kimia dapat berlangsung reaksi kimia dapat berlangsung dalam exchanger, seperti di boiler, fireddalam exchanger, seperti di boiler, fired hea
heatedted, , dadan n fluifluidi+di+ededbed bed excexchanhangerger. . perperangangkat kat mekmekanianik k dapdapat at digdigunakunakan an di di bebbeberaerapapa ex
exchchanganger er sesepepertrti i di di exexchchanangeger r pepermrmukukaaaan n teterkrkikikisis, , 'e'essssel el agagititasasi, i, dadan n rereakaktotor r tatangngkiki pembangkit.
pembangkit. perpindahan perpindahan panas panas di di dinding dinding pemisah pemisah recuperator recuperator umumnya umumnya terjadi terjadi secarasecara konduksi.
6amun, dalam heat exchanger tabung panas, tabung panas tidak hanya bertindak sebagai dinding pemisah, tetapi juga memfasilitasi transfer panas dengan kondensasi, penguapan, dan konduksi kerja fluida di dalam tabung panas. Secara umum, jika fluida yang bercampur, dinding pemisah dapat dihilangkan, dan antarmuka antara fluida menggantikan permukaan perpindahan panas, seperti dalam penukar panas kontak langsung.
7589$ :.: -lasifikasi heat exchanger !Shah, :;<:".
=eat exchanger terdiri dari unsur perpindahan panas seperti inti atau matriks yang mengandung permukaan perpindahan panas, dan elemen distribusi fluida seperti header, manifold, tangki, no+el inlet dan outlet atau tabung, atau seal. Biasanya, tidak ada bagian bergerak di heat exchanger> 6amun, pengecualian, seperti $xchanger regeneratif rotary !di mana matriks mekanis didorong untuk berputar pada beberapa kecepatan desain" atau heat exchanger permukaan terkikis.
*ermukaan perpindahan panas adalah permukaan inti $xchanger yang bersentuhan langsung dengan fluida dan melalui permukaaan dimana panas ditransfer oleh konduksi. 5tulah sebagian dari permukaan yang bersentuhan langsung dengan kedua panas dan dingin fluida dan transfer panas antara mereka disebut sebagai permukaan primer atau langsung. 9ntuk meningkatkan
area perpindahan panas, pelengkap mungkin erat berhubungan dengan permukaan utama untuk memberikan permukaan yang diperluas, sekunder, atau tidak langsung. elemen permukaan yang diperpanjang ini disebut sebagai fin. Dengan demikian, panas terkonduksi melalui fin dan terkon'eksi !dan % atau teradiasi" dari fin !melewati luas permukaan" dengan fluida sekitarnya, atau sebaliknya, tergantung pada apakah fin sedang didinginkan atau dipanaskan. #kibatnya, penambahan fin dengan permukaan primer mengurangi ketahanan termal di sisi itu dan dengan
demikian meningkatkan total perpindahan panas dari permukaan untuk selisih temperatur yang sama. 7in dapat membentuk bagian aliran untuk fluida indi'idu tetapi tidak memisahkan dua !atau lebih" fluida dari exchanger. *ermukaanpermukaan sekunder ini% fin juga dikenalkan terutama untuk tujuan struktural atau untuk menyebarkan campuran cairan yang sangat kental.
heat exchangers tidak hanya digunakan dalam proses, daya, minyak bumi, transportasi, #&, pendingin, kriogenik, heat reco'ery, bahan bakar alternatif, dan industri manufaktur, mereka juga berfungsi sebagai komponen kunci dari banyak produk industri yang tersedia di pasar. $xchangerexchanger ini dapat diklasifikasikan dalam banyak metode. -ami akan mengklasifikasikan mereka berdasarkan proses pemindahan, jumlah fluida, dan mekanisme perpindahan panas. heat exchanger kon'ensional lebih banyak diklasifikasi berdasarkan jenis konstruksi dan arrangement flow. -lasifikasi arbitrary lain dapat dibuat berdasarkan rasio luas permukaan% 'olume perpindahan panas ke heat exchanger kompak dan noncompact. klasifikasi
ini dibuat karena jenis perangkat, medan aplikasi, dan teknik desainnya secara umum berbeda. Semua klasifikasi ini dirangkum dalam 8ambar. :.: dan dibahas lebih lanjut dalam bab ini. =eat exchanger juga dapat diklasifikasikan berdasarkan fungsi proses, seperti diuraikan pada 8ambar. :.0. 6amun, kalsifikasi ini tidak dibahas di sini dan pembaca bisa merujuk ke Shah dan )ueller !:;<<". metode tambahan untuk mengklasifikasikan heat exchanger adalah tipe fluida !gasgas, gascair, caircair, gas dua fase, cair dua fase, dll", industri, dan sebagainya, tapi kami tidak mengko'er klasifikasi tersebut dalam bab ini.
1.2 KLASIFIKASI BEDASAKAN P!SES "ANSFE
=eat exchangers yang diklasifikasikan berdasarkan proses transfer yaitu tipe kontak tidak langsung dan kontak langsung.
1.2.1 Heat Exchangers in#irect$c%ntact
Dalam heat exchanger kontaktidak langsung, aliran fluida tetap terpisah dan panas berpindah secara terus menerus melalui dinding pembatas yang kedap air atau ke dalam dan keluar dari dinding dengan cara transien. (adi, idealnya, tidak ada kontak langsung antara interaksi termal fluida. (enis heat exchanger, juga disebut sebagai surface heat exchanger, lebih dapat diklasifikasikan ke dalam tipe transfer langsung, tipe penyimpanan, dan echanger fluidi+edbed.
8#)B# :.0 !a" -lasifikasi berdasarkan fungsi proses> !b" klasifikasi kondensor> !c" kalsifikasi exhanger perubahan fase cairan ke uap.
1.2.1.1 Exchanger ti&e #irect$transfer. *ada tipe ini, panas berpindah secara terus menerus dari fluida panas ke fluida dingin melalui sebuah dinding pembagi. )eskipun aliran serentak dari dua !atau lebih" fluida diperlukan di exchanger, tidak ada pencampuran langsung dari dua !atau lebih" fluida karena setiap fluida mengalir pada bagian fluida terpisah. Secara umum, tidak ada bagian yang bergerak di heat exchanger. Tipe $xchanger ini ditetapkan sebagai =eat $xchanger recuperati'e atau hanya sebagai recuperator.Ϯ
ᶧ Beberapa contoh heat exchanger tipe directtransfer berbentuk tabung, tipepelat, dan exchanger permukaan yang diperpanjang. *erhatikan bahwa istilah recuperator tidak umum digunakan dalam industri proses untuk shell
Ϯᶧ Dalam turbin gas kendaraan, heat exchanger stasioner biasanya disebut sebagai recuperator, dan heat
exchanger berputar sebagai regenerator. 6amun, dalam turbin gas industri, dari tradisi lama dan dalam arti termodinamika, heat exchanger stasioner umumnya disebut sebagai regenerator. ?leh karena itu, regenerator turbin gas bisa berupa recuperator atau regenerator dalam arti tegas, tergantung pada konstruksi. *ada pembangkit listrik, heat exchanger tidak disebut recuperator, tetapi, lebih tepatnya, ditetapkan menurut fungsi atau penerapannya.
8#)B# :.0 !d" klasifikasi e'aporator kimia berdasar pada!i" tipe konstruksi, dan !ii" bagaimana energi disuplai !Shah and )ueller, :;<<"> !e" klasifikasi reboiler.
dantabung serta pelat heat exchanger, meskipun mereka juga dianggap sebagai recuperator. ecuperators yang lebih subklasifikasi sebagai surface exchanger prima dan surface exchanger yang diperpanjang. Surface exchanger 'rima tidak menggunakan fin atau permukaan diperpanjang pada setiap sisi fluida. $xchanger biasa berbentuk tabung, exchanger shelldan tabung dengan tabung biasa, dan exchanger pelat adalah contoh yang baik dari surface exchanger prima. ecuperators merupakan mayoritas dari semua heat exchanger.
1.2.1.2 Exchanger ti&e St%rage. *ada exchanger tipe storage, kedua fluida mengalir secara alternatif melalui bagian aliran yang sama. oleh karenanya perpindahan panas 'ersifat inter(iten. &er()kaan &er&in#ahan &anas *atau jalur aliran" umumnya sel)ler #ala( str)kt)r #an #ise')t se'agai (atriks *lihat +a('ar. 1.,-/ ata) it) (er)&akan *&%r%)s 'ahan &a#at &er(ea'el/ yang disebut sebagai &acke# 'e#. Ketika gas &anas (engalir #i atas &er()kaan &er&in#ahan &anas *(elal)i jalur aliran",
energi termal #ari gas &anas #isi(&an #i #in#ing (atriks/ #an #engan #e(ikian gas &anas #i#inginkan sela(a &eri%#e &e(anasan matriks. -emudian gas dingin mengalir melalui jalur yang sama!yaitu, selama periode pendinginan matriks", dinding matriks menghasilkan energi termal, yang diserap oleh fluida dingin. Dengan demikian, panas tidak ditransfer secara terus menerus melalui dinding seperti pada exchanger tipe directtransfer !recuperator", tetapi energi panas koresponden secara 'ergantian #isi(&an #an dilepas oleh dinding matriks. (enis
penyimpanan heat exchanger ini juga disebut sebagai regeneratif heat exchanger, atau hanya sebagai regenerator. ᶧ 9ntuk beroperasi secara terus menerus dan dalam rentang suhu yang diinginkan, gas, header, atau matriks diaktifkan secara berkala !misalnya, diputar", sehingga 0al)r ang sa(a #ite(&ati secara 'erkala %leh gas &anas #an #ingin/ se&erti ang
#i0elaskan le'ih lan0)t #ala( Bagian 1..,. 3akt) akt)al 'ah4a gas &anas ang
#i')t)hkan )nt)k (engalir (elal)i (atriks regenerat%r #ingin #ise')t &eri%#e &anas ata) 'l%4 &anas/ #an 4akt) gas #ingin (engalir (elal)i (atriks regenerat%r &anas
#ise')t &eri%#e #ingin ata) blow dingin. 9ntuk ke'erhasilan &eng%&erasian/ gas panas dan dingin tidak perlu (e(iliki durasi periode aliran yang sama. #da beberapa ak)()lasi ang ti#ak #a&at #ihin#ari/ se'agian kecil fl)i#a ter0e'ak &a#a 0al)r menuju aliran fluida lain> ini disebut sebagai kebocoran akumulasi. Selain itu, jika fluida panas dan dingin berada pada tekanan yang berbeda, akan ada kebocoran dari fluida tekanan tinggi ke tekanan rendah
melewati radial, perifer, dan segel aksial, atau katup. -ebocoran ini disebut sebagai kebocoran tekanan. -arena kebocoran ini tidak dapat dihindari, regenerator digunakan secara ekskl)sif &a#a gas ke gas a&likasi &er&in#ahan *#an (assa #engan &er&in#ahan &anas ang sensi'le5 #ala( 'e'era&a a&likasi/ regenerat%r ()ngkin (entransfer )a& air #ari )#ara le('a' ke udara kering sampai sekitar @A.
9ntuk analisis perpindahan panas dari regenerator, metode recuperators ε 6T9 perlu dimodifikasi untuk memperhitungkan kapasitas penyimpanan energi panas dari matriks. Akan kita 'ahas te%ri #esain regenerat%r secara rinci #ala( Ba' .
1.2.1.- Heat Exchanger Fl)i#i6e#$Be#. Pa#a Heat Exchanger Fl)i#i6e#$Be#, satu sisi dari exchanger 0aliran terbenam pada alas dari material padat yang sangat halus. seperti ')n#le t)'e ang ter'ena( #ala( alas &asir ata) &artikel 'at) 'ara/ seperti pada gambar :.2. (ika kece&atan fl)i#a naik pada alas rendah, partikel &a#at akan teta& terfiksasi #i alas dan cairan akan mengalir melalui celah alas. (ika kecepatan fluida naik tinggi, partikel padat akan terbawa dengan fluida. *ada dari nilai kecepatan fluida yang pantasC, gaya drag naik sedikit lebih tinggi dari berat partikel alas. #kibatnya, partikel padat akan mengambang sesuai peningkatan 'olume alas, dan alas berperilaku sebagai cairan. -arakteristik alas ini disebut se'agai k%n#isi fluidi(ed condition. Berdasarkan k%n#isi ini/ tekanan cairan drop (elal)i alas yang tetap konstan, terlepas dari laju aliran, dan terjadi strong mixing dari partikel padat. =al ini menyebabkan temperatur seragam untuk Total alas !gas dan partikel" dengan kondukti'itas termal dari partikel padat yang tak terhingga. koefisien perpindahan panas yang sangat tinggi dicapai di sisi uidi+ed fl dibandingkan dengan gas partikel partikel bebas atau encerfase fl mengalir. eaksi kimia 'iasa ter0a#i #i sisi fluidi+ed dalam banyak aplikasi proses, dan pembakaran ter0a#i pada pembakaran batubara fluidi+ed bed. #plikasi umum dari fl)i#i6e#$ bed heat exchanger mengering, pencampuran, adsorpsi, teknik reaktor, pembakaran batubara,
8#)B# :.2 heat exchanger 7luidi+edbed.
*erbedaan temperatur awal
¿
¿
❑
❑❑
❑ Ϯberkurang karena fluidisasi, keefektifitasexchanger rendah, dan teori
ε
6T9 untuk exchanger fluidi+edbed perlu dimodifikasi !Suo, :;E". #kan tetapi eaksi kimia and pembakaran yang lebih ko mplikasi dari desain exchangerexchanger ini berada di luar cakupan buku ini.:.0.0 =eat $xchanger directcontact
*ada =eat $xchanger directcontact, dua aliran fluida bersentuhan langsung, panas bertukar, dan kemudian memisah. aplikasi umum dari exchanger directcontact melibatkan perpindahan massa #i sa(&ing &er&in#ahan &anas/ se&erti #ala( &en#inginan e'aporatif dan rectifikasi> jarang terdapat aplikasi yang hanya melibatkan perpindahan panas sensibel. $ntalpi perubahan fasa di exchanger seperti umumnya merupakan 'agian ang signifikan #ari t%tal &er&in#ahan energi. Per)'ahan fasa )()(na (eningkatkan la0) &er&in#ahan &anas. bandingan rec)&erat%rs #irect$c%ntact #an regenerat%r/ #ala( heat exchanger #irect$
c%ntact *1 tingkat &er&in#ahan &anas ang sangat tinggi #a&at #ica&ai/ *2 k%nstr)ksi &en)kar relatif ()rah/ #an *- (asalah ( pencemaran umumnya tidak ada, karena ketia#aan #ari &er()kaan &er&in#ahan &anas *#in#ing antara ke#)a fl)i#a. Na()n/
ᶧ egenerator juga digunakan untuk menyimpan energi panas untuk digunakan, seperti dalam penyimpanan energi panas. tujuannya berikutnya adalah bagaimana menyimpan fraksi maksimum energi input dan meminimalkan kebocoran panas. 6amun, dalam buku ini kami tidak berkonsentrasi pada aplikasi ini.
a&likasi ang ter'atas &a#a kas)s$kas)s #i (ana k%ntak langs)ng #ari #)a aliran fl)i#a #i&er'%lehkan. "e%ri #esain )nt)k
Ϯ
ᶧ
