Shell and Tube Heat Exchanger

HEAT EXCHANGER

I. TUJUAN PERCOBAAN

a. Untuk dapat memahami prinsip kerja alat penukar panas pipa ganda (double pipe HE)

b. Untuk mengetahui karasteristik alat pengukur panas dengan menghitung:  LMTD pada aliran searah ataupun aliran berlawanan arah

 Koefisien perpindahan panas keseluruhan II. ALAT DAN BAHAN

Alat penukar panas (double pipe HE) Thermo bath (sumber fluida)

Gelas kimia

Personal Computer Air

III. DASAR TEORI

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).

A. Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas

Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu : 1. Counter current flow (aliran berlawanan arah)

2. Paralel flow/co current flow (aliran searah) 3. Cross flow (aliran silang)

4. Cross counter flow (aliran silang berlawanan) B. Jenis-jenis penukar panas

Jenis-jenis penukar panas antara lain : 1. Double Pipe Heat Exchanger 2. Plate and Frame Heat Exchanger 3. Shell and Tube Heat Exchanger

4. Adiabatic wheel heat exchanger 5. Pillow plate heat exchanger

6. Dynamic scraped surface heat exchanger 7. Phase – change heat exchanger

C. Prinsip Kerja Heat Exchanger

Heat exchanger adalah heat exchanger antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada heat exchanger adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam. Pada heat exchanger ini, terdapat dari dua pipa konsentris, yaitu: annullus/shell (pipa yang berada di luar) dan tube (pipa yang berada di dalam).

Berdasarkan jenis alirannya heat exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Pararel Flow

Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.

2. CounterFlow

Berlawanan dengan paralel flow, kedua aliran fluida yang mengalir dalam HE masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih efekrif dari paralel flow. Mekanisme perpindahan kalor jenis ini hampir sama dengan paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari persamaan steady-state:



T t



a dL U

dQ  "

wcdt WCdT

dQ  

(2)

3. CrossflowHeat exchanger

Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap (tube and shellheat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.

D. Jenis Jenis Perpindahan Panas

1. 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.

2. Perpindahan Panas Secara Konveksi

Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.

3. 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 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger

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. Secara 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.

E. Jenis – jenis Heat Exchanger

Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular 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 ).

Gambar 2 . Penukar panas jenis pipa rangkap (double pipe heat exchanger )

2. Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchange ) Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat-pelat tegak lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara

pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak (biasanya terbuat dari karet). Pelat – pelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat 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.

Gambar 4. Penukar panas jenis pelat and Frame

Gambar 5. Penukar panas jenis pelat and Frame

3. SD Adiabatic wheel heat exchanger

Jenis keempat 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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 .

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. Istilah ini juga dapat merujuk kepada penukar panas yang mengandung bahan dalam struktur mereka yang memiliki perubahan fasa. Hal ini biasanya padat ke fase cair karena perbedaan volume kecil antara negara-negara ini. Perubahan fase efektif bertindak sebagai buffer karena terjadi pada suhu konstan tetapi masih memungkinkan untuk penukar panas untuk menerima panas tambahan. Salah satu contoh di mana ini telah diteliti untuk digunakan dalam elektronik pesawat daya tinggi

7. Penukar panas cangkang dan buluh (shell and tube heat exchanger) 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.

Gambar 3.Penukar panas jenis cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )

Jenis penukar panas shell and tube yang digunakan adalah 1 shell pass dan 2 tube pass (1-2 Exchanger) seperti gambar dibawah ini.

Alat yang digunakan dalam praktikum mempunyai ukuran : Panjang pipa dan shell 1200 mm

Diameter shell 375 mm Diameter pipa luar 32 mm Diameter pipa dalam 27,8 mm Jumlah sekat 13

Susunan pipa dalam shell dapat berbentuk in-line (a) dan staggered (b)

Sedangkan susunan pipa yang ada didalam alat yang digunakan

adalah in-line (a) dan ratio antara Sn/D = Sp/D = 1,25 Gambar profil temperatur dari penukar panas ini adalah : Menghitung Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U)

a. Menggunakan Neraca Energi

Q=U . A .△Tm

U= Q

A .△T_m

△Tm = FT . △Tlm Harga Q dapat dihitung dari :

Q = (M.Cp.△T)1 .. Kalor yang diberikan fluida panas = (M.Cp.△T)2 .. Kalor yang diterima fluida dingin

Efisiensi kalor yang dipertukarkan : η=(M .Cp .△T)2

(M .Cp .△T)1x100

Q = Laju Alir Kalor (Watt) A = Luas Permukaan (m2₎

U = Koefisien Pindah panas Keseluruhan (W/m2_.K)

△T_lm=△T1−△T2

ln△T1

△T₂

Untuk Aliran Counter-current

△T1 = Thi – Tco

△T2 = Tho – Tci

Untuk Aliran Co-current

△T1 = Tho – Tco

△T2 = Thi – Tci

Harga FT dapat diperoleh dari kurva dibawah :

Menghitung (U) Menggunakan Persamaan Empiris Untuk pipa sepanjang L

U= 1 1 hi. Ai+ △X K . Ar+ 1 hoAo U= 1 1 hi.2π . ri . L+ ln⁡(ro ri) K.2π . L+ 1 ho.2π . ro . L

( hi,ho) = Koefisien pindah panas konveksi insde dan outside (W/m2.K) ;( K) = Koefisien Konduksi (W/m.K); (ri,ro) diameter (m) inside dan outside pipa yang kecil dan L panjang pipa yang diameternya kecil (m).

Harga (ri,ro) dan L dapat diukur dari alat, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris.

Persamaan untuk menghitung hi Untuk aliran laminer Nre < 2100

N_NU=h i. D K =1,86[Nℜ. NPr. D L ] 1/3 [μb μw] 0,14

Untuk aliran turbulen Nre> 6000 dan L/D > 60

N_NU=h i. D K =0,027[Nℜ] 0,8 [N_Pr] 1 3_[ μb μw] 0,14

Koreksi harga hi apabila L/D < 60 ; 2<(L/D)<20 hi ' hi =1+[ D L] 0,7 20<(L/D)<60 hi ' hi =1+6[ D L] Untuk Aliran transisi

Persamaan Untuk Menghitung ho N_ℜ

¿ ¿ NNu=C .¿

Darga D untuk menghitung Nre diperoleh dengan pendekatan : D=

√

4.Ae

π

Ae Adalah luas efektif yang dilewati fluida diantara pipa dalam anulus, yaitu luas permukaan penempang shell dikurangi jumlah luas penampang semua pipa.

F. Parameter Heat Exchanger

1. Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada awalnya kita mengandaikan U (bisa juga digantikan oleh



h

) sebagai nilai konstan (nilai U dapat dilihat pada tabel pada lampiran). U sendiri merupakan koefisien heat transfer overall. Aturan untuk nilai U adalah sebagai berikut :

 Fluida dengan konduktivitas termal rendah seperti tar, minyak atau gas, biasanya menghasilkan h yang rendah. Ketika fluida tersebut melewati heat exchanger, U akan cenderung untuk turun

 Kondensasi dan Pemanasan merupakan proses perpindahan kalor yang efektif. Proses ini dapat meningkatkan nilai U.

 Untuk U yang tinggi, tahanan dalam exchanger pasti rendah  Untuk fluida dengan konduktivitas yang tinggi , mempunyai nilai

U dan h yang tinggi.

Untuk U pada suhu yang hampir konstan, variasi temperatur dari aliran fluida dapat dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur rata-rata dari aliran dua fluida, yang dapat dibuat persamaan sebagai berikut :

mean T UA Q 

(3)

Yang menjadi masalah kali ini adalah bagaimana membuat persamaan tersebut menjadi benar. Kita harus dapat menghitung nilai dari ΔT yang diinginkan. Hal ini disebabkan karena terlihat pada grafik mengenai kecenderungan perubahan temperatur fluida akan lebih cepat sejalan dengan posisinya (grafik bisa dilihat dari lampiran). Selain itu pada counterflow dan pararel flow, perhitungan tersebut bisa berbeda. Oleh karena itu perlu dicari suatu persamaan yang dapat menyelesaikan masalah ini. Dengan menurunkan rumus awal sebagai berikut :

c c p h h p dT mc dT mc T dA U dQ ( ) ( ) ( ) (4) Keterangan : h untuk aliran panas dan c untuk aliran dingin Setelah itu kita menyamakan persamaan antara persamaan untuk counterflow dan persamaan untuk pararel flow dan didapat :

          b a b a T T T T UA Q / ln( (5)

Dimana ΔTa adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin awal dan ΔTb adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin akhir. Δt mean yang dimaksud dalam persamaan tersebut adalah LMTD, yaitu :

            b a b a mean T T T T LMTD T / ln( (6) Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Kita harus menggunakan faktor koreksi F yang dapat dilihat dalam grafik pada lampiran. Sehingga rumusnya menjadi :

) (LMTD UAF

Q

(7)

2. Koefisien perpindahan kalor keseluruhan U (overall coefficient of heat transfer)

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U), terdiri dari dua macam yaitu:

 UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor masih baru

 UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor sudah kotor.

Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai:

(8) 3. Fouling Resistance

Jika sebuah pipa baru saja digunakan, maka keadaannya masih normal dan bersih sehingga tidak mengganggu proses perpindahan kalor. Namun pada suatu saat fluida yang terus menerus mengalir dalam pipa akan membentuk seperti sebuah lapisan yang akan mengganggu aliran kalor. Hal inilah yang disebut dengan fouling resistance. Untuk menghitung fouling resistance dapat digunakan rumus berikut ini :

C D d U U R  1  1

Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

d i pipe i p j insulator p i i R h r r k r r r k r r r h U      0 0 0/ ) ln( / ) ln( 1 1 (9) Untuk U<<10000 W/m2 _{°C fouling mungkin tidak begitu penting,} karena hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada water to water heat exchanger dimana nilai U disekitar 2000 maka fouling factor akan menjadi penting. Pada finned tube heat exchanger

dimana gas panas mengalir di dalam tube dan gas yang dingin mengalir melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200, fouling factor

akan menjadi signifikan.

4. Efektivitas Heat exchanger

Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut :













in in





in out in out in c h c c c c h h h h T T C T T C T T C T T C       min min min  (10) another to stream one from d transferre be possibly could that heat imum d transferre heat actual max  

Maka untuk mencari efektifitas untuk paralel single pass HE adalah sebagai berikut :





max min max min / 1 ) / 1 ( exp 1 C C NTU C C       (11) Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :







C C NTU



C C NTU C C ) / 1 ( exp ) / ( 1 ) / 1 ( exp 1 max min max min max min         (12) Gambar 4. Kekotoran

Keterangan : NTU (Number of Transfer Unit) bisa didapatkan dari rumus : min C UA NTU  (13) Cmin merupakan nilai C tekecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan nilai yang terbesar.

5. Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor

(14) Δtm merupakan suhu rata-rata log atau Log Mean Temperature Difference (LMTD). Untuk shell and tube heat exchanger, nilai LMTD harus dikoreksi dengan faktor yang dicari dari grafik yang sesuai (Fig 18 s/d Fig 23 Kern). Caranya adalah dengan menggunakan parameter R dan S.

Nilai LMTD dihitung dengan persamaan sbb: Bila UD konstan

Untuk aliran searah (co-current)

Atau

Untuk aliran berlawanan arah (Counter Current)

Nilai LMTD yang diperoleh ini harus dikoreksi dengan faktor FT yang dicari dari grafik yang sesuai. Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S:

(18-19) Dan harga Δ tm =FT.LMTD

Bila UD tidak konstan (berubah) terhadap suhu

Untuk aliran searah atau aliran berlawanan arah, maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit:

(20)

6. Penurunan Tekanan pada Alat Penukar Kalor

Pada setiap aliran akan terjadi penurunan tekanan (pressure drop) karena gaya gesek yang terjadi antara fluida dan tempatnya.