ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER)

Disusun Oleh :

1.Galang Adam Firmansyah (1531010195)

2.Juan Dymmaess Raffael Simonsz (1531010159) 3.Nella Putri Syarifah (1531010161)

4.Nina Sari Prabowo (1531010197) 5.Putri Sinta Dewi Sinaga (1531010160)

UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL

“VETERAN”

JAWA TIMUR

*

Pengertian Alat Penukar Panas

*

Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti

alat penukar panas. Pengertian ilmiah dari heat

exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi untuk

mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih

fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau

antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur

yang berbeda serta terjadi kontak termal.

*

Heat exchanger atau penukar panas adalah alat yang

digunakan untuk menukarkan panas secara kontinyu dari

suatu medium ke medium lainnya dengan membawa

energi panas

*

Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah

*

Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat

exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Hampir disemua heat exchanger,

perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak

berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl fluida

*

Besar konveksi yang terjadi dalam double-pipe heat exchanger berbeda dengan cros-flow heat exchanger pada temperatur yang sama. Sedangkan besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut tergantung pada kecepatan aliran serta properti fluida yang

*

Prinsip Kerja Heat Exchanger

*

Heat exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas (heat transfer), dimana terjadi perpindahan panas dari fluida

yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih rendah. Biasanya, ada suatu dinding metal yang menyekat antara kedua cairan yang berlaku sebagai konduktor .

*

Suatu solusi panas yang mengalir pada satu sisi yang mana memindahkan panasnya melalui fluida lebih dingin yang

mengalir di sisi lainnya. Energi panas hanya mengalir dari yang lebih panas kepada yang lebih dingin dalam percobaan untuk menjangkau keseimbangan. Permukaan area heat exchanger

*

Alat penukar kalor (Heat Exchanger) secara tipikal

diklasifikasikan berdasarkan susunan aliran (flow arrangement) dan tipe konstruksi.

*

Penukar kalor yang paling sederhana adalah satu penukar kalor yang mana fluida panas dan dingin bergerak atau mengalir pada arah yang sama atau berlawanan dalam sebuah pipa berbentuk bundar (atau pipa rangkap dua)

*

Pada susunan aliran sejajar (parallel-flow arrangement) yang ditunjukkan gambar 5 (a) fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang sama, mengalir dalam arah yang sama dan keluar pada ujung yang sama.

*

Pada susunan aliran berlawanan (counter flow arrangement)

yang ditunjukkan gambar 5 (b) kedua fluida tersebut pada ujung yang berlawanan, mengalir dalam arah yang berlawanan, dan

Gambar 2 penukar kalor pipa konsentris

(a)Parallel flow (b)counterflow

Gambar 3 Penukar kalor aliran melintang (a) bersirip dengan kedua fluidanya tidak

campur

*

Sebagai alternatif, fluida panas dan dingin bergerak dalam arah melintang (tegak lurus satu dengan yang lain), seperti yang

ditunjukkan oleh alat penukar kalor berbentuk pipa besirip dan tidak bersirip pada gambar 6.

*

Kedua konfigurasi ini secara tipikal dibedakan oleh sebuah

*

1. Shell and tube

*

Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell

(tabung/slinder besar) dimana di dalamnya terdapat suatu

bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu jenis fluida mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir di bagian luar pipa tetapi masih di dalam shell. 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,

*

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

a.

Diameter pipa : Untuk mengurangi 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

*

Getaran aliran-diinduksi memiliki ketahanan

*

Kekuatan Axial

c.

Panjang tabung : penukar panas biasanya lebih murah ketika mereka memiliki diameter shell yang lebih kecil dan panjang tabung panjang. Dengan demikian, biasanya ada tujuan untuk membuat penukar panas sekecil mungkin. Namun, ada banyak keterbatasan untuk ini, termasuk ruang yang tersedia di mana akan digunakan dan kebutuhan untuk memastikan bahwa ada tabung tersedia dalam panjang yang dua kali panjang yang

dibutuhkan (sehingga tabung dapat ditarik dan diganti).

d.

Tabung pitch : ketika mendesain tabung, lebih baik untuk

memastikan bahwa tabung pitch (yaitu jarak pusat-pusat tabung sebelah) tidak kurang dari 1,25 kali diameter luar tabung.

Shell and tube Heat Exchanger terdiri dari serangkaian tabung. Satu set dari tabung berisi cairan yang harus dipanaskan atau didinginkan. Cairan kedua berjalan lebih dari tabung yang sedang dipanaskan atau didinginkan sehingga dapat menyediakan panas atau menyerap

*

Heat Exchanger Tipe Shell & Tube

(a) satu jalur shell, satu jalur tube

(b) satu jalur shell, dua jalur tube

*

2. Komponen-komponen Heat Exchanger

*

Dalam penguraian komponen-komponen heat exchanger

a. Head

*

Head yaitu kepala heat exchanger yang berfungsi sebagai

penutup bagian depan dan belakang shell. Bentuk dari kepala heat exchanger ini adalah lingkaran. Tebal plat dari kepala heat exchanger ini tergantung dengan hasil perhitungan yang

ditentukan dari karakteristik fluida yang akan diproses di dalam heat exchanger. Head ini dapat dihubungkan dengan dinding

bejana (shell) heat exchanger dengan baut dan connection

*

b. Shell

*

Shell merupakan komponen heat exchanger tempat terjadinya

proses pertukaran kalor antar fluida. Shell berbentuk silinder yang dapat menahan tekanan dari luar. Tebalnya shell tergantung dari hasil perhitungan dan dari karakteristik fluida yang akan diproses didalamnya, dimana dinding shell terbuat dari plat baja yang di roll dibentuk menjadi suatu diameter lingkaran yang berbentuk tabung. Ukuran dan diameter shell dapat disesuaikan dengan dengan hasil perhitungan panjang tube dan jumlah tube

didalamnya.

*

Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan ditempatkan didalamnyaShell merupakan badan dari heat

exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangat tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan

*

c. Tube (Pipa)

*

Tube adalah pipa-pipa berukuran kecil sebagai tempat mengalirnya fluida yang akan didinginkan atau dipanaskan pada heat

exchanger. Ukuran dari pipa ini diperoleh dari asumsi dan

perhitungan perpindahan panasnya. Biasanya terbuat dari material yang memiliki konduktivitas thermal yang besar.

*

Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh fluida kerja.

*

Pipa tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling

*

d. Buffles

*

Buffles adalah sekat sekat yang dipasang pada tube yang berfungsi untuk mengarahkan aliran sehingga distribusi perpindahan panas merata dan juga sebagai penopang komponen tube.

*

e. Nozzle

*

Nozzle berfungsi sebagai penghubung antara shell dengan

proses pemipaan aliran fluida yang akan dialirkan keluar masuk (nozzle outlet inlet) dari dan shell itu sendiri, dari dan ke proses lanjutan kedalam sistem pemipaan atau interface atau alat-alat instrumen pendukung lainnya.

*

f.

Sekat (Baffle)

*

Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini antara lain adalah untuk :

1.

Sebagai penahan dari tube bundle.

2.

Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran.

•

Desain Shell and Tube Heat Exchanger

*

Terdapat banyak variasi pada desain shell and tube. Secara khusus, ujung dari tiap tabung dihubungkan ke plenums

(terkadang disebut water boxes) melalui lubang dalam tube sheets. Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis heat

exchanger yang paling umum dipergunakan pada proses Refinary Oil and Gas dan Petrochemical

*

Dalam hal design Shell and Tube Heat Exchanger (STHE), standar yang dipakai adalah ASME Section VIII dan TEMA Class R, atau

API 660. Ada dua sisi utama dalam design STHE, shell side dan tube side.Berdasarkan konstruksinya, STHE dapat dibagi atas beberapa tipe, masing masing tipe diberi kode berdasarkan

*

Tipe-tipe desain dari shell ditunjukkan pada gambar di atas. Tipe E adalah yang paling banyak digunakan karena desainnya yang

sederhana serta harga yang relatif murah. 

*

Shell tipe F memiliki nilai efisiensi perpindahan panas yang lbih tinggi dari tipe E, karena shell tipe didesain untuk memiliki dua aliran (aliran U).

*

Aliran sisi shell yang dipecah seperti pada tipe G, H, dan J,

digunakan pada kondisi-kondisi khusus seperti pada kondenser dan boiler thermosiphon. 

*

Shell tipe K digunakan pada pemanas kolam air.

*

Setelah mengetahui karateristik dari masing masing type shell and tube heat exchanger, selanjutnya desain didasarkan atas keperluan atau servicenya. Desain yang komplex biasanya

menimbulkan biaya yang lebih mahal dan perawatan yang lebih sulit sehingga biasanya hanya digunakan untuk keperluan yang tidak memungkinkan penggunaan yang lebih simpel. Tabung

*

Didalam pembangkit daya litrik disebut reactor air bertekanan, heat exchangers besar disebut steam generator merupakan

berfasa ganda. Shell and tubes yang secara khas memiliki

Utubes. Semua hal tersebut digunakan untuk mendidihkan air dari steam turbin condenser menjadi uap air untuk

mengendalikan turbin tersebut untuk menghasilkan tenaga.

Kebanyakan shell and tube heat exchanger memiliki desain aliran baik 1,2, atau 4 aliran pada sisi tabung. Hal ini bergantung pada frekuensi fluida pada tabung yang melalui fluida pada shell.

*

Pada heat exchanger berfasa tunggal, fluida masuk pada satu ujung tabung dan keluar melalui ujung tabung lainnya. Steam

turbin condenser dalam pembangkit tenaga sering merupakan 1-pass straight tube heat exchanger. Dua dan empat 1-pass

*

Hal tersebut membuat konstruksinya menjadi lebih sederhana. Terdapat baffles yang mengarahkan aliran melalui sisi shell

sehingga fluida tidak mengambil jalan pintas melalui sisi shell

yang dapat menyebabkan volume arus rendah yang tidak efektif.

*

Heat exchanger arus berlawanan merupakan yang paling efisien sebab memberikan perbedaan suhu rata-rata yang paling tinggi antara arus dingin dengan arus panas. Banyak perusahaan tidak menggunakannya sebab dapat rusak dengan mudah dan menjadi lebih mahal untuk dibangun. Sering multiple heat exchanger

*

3. Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran

a.

Kesetimbangan Energi

*

Aliran di dalam celah adalah tertutup sempurna, maka

kesetimbangan energi dapat digunakan untuk menentukan

temperatur fluida yang bervariasi dan nilai total transfer panas konveksi Qconv tergantung dari laju aliran massa.

*

Jika perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan,

maka pengaruh yang signifikan adalah perubahan energi thermal dan fluida kerja. Sehingga kesetimbangan energi tergantung

*

b. Bilangan Reynold

*

Setiap aliran fluida mempunyai nilai bilangan Reynolds yang

merupakan pengelompokan aliran yang mengalir, pada plat datar dapat dilihat pada gambar berikut :

*

Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi bila Re >5.105 , untuk aliransepanjang plat rata, lapisan batas selalu

turbulen untuk Re lebih besar sama dengan 4.106 . Untuk aliran

dalam tabung dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

*

c. Bilangan Nusselt dan Bilangan Prandtl

• _{Viskositas kinematik fluida memberikan informasi tentang laju}

difusi momentum dalam fluida karena gerakan molekul.

*

Jadi perbandingan antara kedua kuantitas tersebut menunjukan besaran relatif antara difusi momentum dan difusi panas di

dalam fluida. Kedua difusi inilah yang menentukan berapa tebal lapisan batas pada suatu medan aliran tertentu. Difusivitas yang besar menunjukan bahwa pengaruh viskos atau pengaruh suhu terasa pada jarak yang lebih jauh dalam medan aliran. Jadi,

*

d. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

*

Untuk koefisiensi perpindahan panas secara menyeluruh dapat dikaji dengan cara menentukan perpindahan kalor yang terjadi pada suatu dinding logam antara fluida panas pada satu sisi dan fluida dingin pada sisi lain dengan pengaliran konveksi paksa.

Pertukaran panas yang terjadi adalah pertukaran secara tidak langsung, ini berdasarkan alirannya dapat dibedakan menjadi:

1.

Pertukaran panas dengan aliran searah (co-current/parallel

flow), pertukaran jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin)

*

Dengan asumsi nilai kapasitas panas spesifik (Cp) fluida dingin dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas pada lingkungan serta keadaan steady state, maka besarnya kalor yang

*

Koefisien perpindahan panas digunakan dalam perhitungan

perpindahan panas konveksi atau perubahan fase antara cair dan padat dengan menggunakan persamaan berikut.

Dari persamaan di atas, koefisien perpindahan panas adalah koefisien proporsionalitas antara fluks panas, Q/(A . T ), dan perbedaan temperatur yang menjadi penggerak utama

perpindahan panas, persamaan lain untuk menentukan koefisien perpindahan konveksi secara menyeluruh menggunakan