BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 PENDAHULUAN
Pada bab ini dicantumkan beberapa penelitian yang berhubungan dengan analisis kinerja alat penukar kalor yang telah dilakukan sebelumnya. Selain itu dicantumkan juga teori dasar yang dijadikan acuan dalam penyelesaian tugas akhir yang didapatkan dari buku, modul, laporan tugas akhir, jurnal, internet, dan sebagainya. Teori dasar tersebut diantaranya mengenai teori perpindahan panas, alat penukar kalor, dan gasketed plate heat exchanger, juga termasuk perhitungan kinerja
2.2 PROSES ROLLING MILL
Rolling atau pengerolan baja adalah sebuah proses untuk mengurangi ketebalan atau luas penampang dari suatu baja, dengan melewatkan benda kerja pada sepasang roll yang berputar dengan arah yang berlawanan.
Celah atau gap diantara dua roll yang berputar lebih kecil dari ketebalan logam yang akan masuk. Benda kerja terjepit diantara dua roll, sehingga muncul gaya gesek yang diperlukan untuk menggigit dan menarik benda kerja agar dapat melewati roll. Benda kerja yang melewati roll berputar akan mengalami tegangan tekan dan tegangan geser permukaan. Deformasi dari proses ini akan menyebabkan benda kerja bertambah panjang, sedangkan luas penampang atau ketebalannya akan berkurang
2.2.1 Jenis – Jenis Proses Pengerolan
A. Proses Pengerolan Panas (Hot Rolling)
Hot rolling merupakan operasi pengerolan yang dilakukan pada temperature lebih tinggi dari temperature rekristalisasi. Biasanya bahan kerja yang digunakan dalam proses pengerolan panas berupa potongan besar logam dalam bentuk slab atau bloom untuk tahap berikutnya, sehingga pada akhirnya diperoleh bentuk batang, plat, atau lembaran.
Pada proses pengerolan panas ini, deformasi tidak menyebabkan terjadinya penguatan logam. Tegangan alir bahan akan semakin kecil dengan semakin tingginya temperature operasi. Energi deformasi yang dibutuhkan menjadi lebih kecil pada temperature yang lebih tinggi. Dengan demikian, maka deformasi dapat dilakukan pada benda kerja yang berukuran relative besar dengan total deformasi besar.
Keuntungan dari pengerolan panas adalah : • Bebas dari tegangan sisa
• Sifat-sifatnya lebih homogen
Sedangkan beberapa kekurangan dari pengerolan panas ini yaitu : • Dimensi kurang akurat
• Terjadi oksidasi pada permukaan rolan
B. Proses Pengerolan Dingin (Cold Rolling)
Cold rolling merupakan proses pengerolan yang dilakukan pada temperature dibawah temperature rekristalisasi benda kerjanya. Pengerolan dingin ini biasanya dilakukan setelah proses pengerolan panas . Proses pengerolan dingin ini menghasilkan kualitas permukaan yang lebih baik, dan kesalahan dimensional yang lebih kecil daripada hasil proses pengerolan panas. Bahan baku untuk proses pengerolan dingin ini biasanya adalah hasil dari proses pengerolan panas.
Proses pengerolan dingin ini akan menyebabkan terjadinya mekanisme penguatan pada benda kerja yang diikuti dengan turunnya keuletan. Benda kerja
menjadi lebih kuat, lebih keras, dan lebih rapuh. Pada proses pengerolan dingin ini, tegangan alir benda kerja menjadi semakin meningkat.
Pada saat benda kerja mengalami pengerolan dingin, terjadi perubahan yang mencolok pada struktur butir dan pergeseran atom-atom. Untuk pengerolan dingin diperlukan tekanan yang lebih besar daripada pengerolan panas, karena material akan mengalami deformasi plastis bila tegangan melebihi batas elastis. Karena tidak mungkin terjadi rekristalisasi selama pengerolan dingin, tidak terjadi pemulihan dari butir yang mengalami perpecahan.
Keuntungan dari proses pengerolan dingin antara lain : • Produknya lebih tipis daripada produk pengerolan panas • Benda kerjanya menjadi lebih kuat dan lebih keras
Sedangkan beberapa kekurangan dari pengerolan dingin antara lain :
• Membutuhkan proses pengerjaan panas setelah pengerolan, untuk menyeimbangkan lagi sifat mekanik produk
2.2.2 Proses Dasar Rolling Mill
Logam yang telah dipanaskan dilewatkan diantara dua roll yang berputar berlawanan arah, dengan celah antar rollnya kurang dari ketebalan material yang akan dimasukan. Karena roll berputar dengan kecepatan permukaanmelebihi kecepatan logam yang masuk, gesekan sepanjang kontak antar muka bereaksi memajukan logam
Logam dijepit dan perpanjangan adalah kompensasi dari penurunan luas penampang lintang. Jumlah deformasi yang bisa dicapai pada sekali pengerolan tergantung pada kondisi friksi (gesek) di sepanjang permukaan. Bila terlalu banyak yang diinginkan roll tida dapat memproses material dan slip diatas permukaan. Apabila terlalu sedikit deformasi untuk sekali lewat pengerolan, maka akan mengakibatkan biaya produksi yang dibutuhkan menjadi lebih mahal
2.2.3 Konfigurasi Mesin Roll
A. Mesin roll dua tingkat (two-high roll mill)
Mesin roll ini mempunyai diameter sekitar 0,6-1,4 meter. Roll ini dapat bekerja bolak-balik (reversing) ataupun searah (non-reversing). Roll yang searah selalu berputar pada arah yang sama, dan benda kerja selalu dimasukkan dari sisi yang sama. Roll yang bekerja bolak-balik, arah putaran roll dapat dibalik sehingga benda kerja bisa dimasukkan dari sisi yang lain. Keuntungan mesin roll dua tingkat antara lain :
• Dapat mereduksi luas penampang dalam berbagai ukuran.
• Dapat diatur kemampuannya sesuai dengan ukuran batangan dan laju reduksi. Sedangkan, kelemahan dari mesin roll dua tingkat antara lain :
• Ukuran panjang batangan terbatas.
• Pada setiap pembalikan siklus pembalikan gaya, kelembaman harus diatasi.
B.Mesin roll tiga tingkat (three-high roll mill) Keuntungan mesin roll tiga tingkat antara lain :
1. Tidak diperlukan pembalikan arah putaran roll, sehingga tidak ada gaya kelembaman yang harus diatasi.
Gambar 2.1 Mesin roll 2 tingkat (Sumber : Andra,2011)
2. Biaya lebih murah, dan mempunyai keluasan yang lebih tinggi dari pada mesin roll bolak-balik.
Gambar 2.2 Mesin roll 3 tingkat (Sumber : Andra,2011)
Sedangkan kekurangan dari mesin roll tiga tingkat ini antara lain : 1. Diperlukan adanya mekanisme elevasi.
2. Terdapat sedikit kesulitan dalam mengatasi kecepatan roll.
C. Mesin roll empat tingkat (four-high roll mill)
Mesin ini menggunakan dua roll dengan diameter lebih kecil yang langsung bersentuhan atau biasa disebut dengan work roll dengan benda kerja dan dua roll pendukung untuk menahan roll yang berdiameter lebih besar atau biasa disebut dengan back up roll. Mesin dengan konfigurasi ini yang dipakai pada divisi plate rolling yang disebut dengan finishing mill
Gambar 2.3 Mesin mill 4 tingkat (Sumber : Andra,2011)
2.3 ALAT PENUKAR PANAS 2.3.1 Definisi
Alat penukar panasadalah suatu perangkat yang digunakan untuk transfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, pada suhu yang berbeda dan dalam kontak termal, biasanya tanpa panas eksternal dan interaksi kerja (shah & sekulic, 2003) dan Penukar panas ini dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien.
Di dalam alat penukar panas berlangsung proses pertukaran energy panas dari fluida panas ke fluida yang lebih dingin melalui permukaan dinding pemisah. Apabila aliran fluida panas mengalir di dalam permukaan pipa, dan aliran fluida dingin mengalir di permukaaan luar pipa maka perpindahan panas dari aliran fluida panas ke permukaan bagian dalam pipa berlangsung secara konveksi. Kemudian, dari permukaan bagian dalam pipa ke permukaan bagian luar pipa perpindahan panasnya berlangsung secara konduksi dengan laju yang sama dengan perpindahan panas konveksi. kemudian, dengan laju perpindahan panas yang sama energi panas akan ditransmisikan dari permukaan luar pipa ke aliran fluida dingin yang berkontak dengan permukaan luar pipa secara konveksi
2.3.2 Klasifikasi
Alat penukar panas dapat diklasifikasikan berdasarkan bermacam macam pertimbangan yaitu:
1. Berdasarkan proses perpindahan panas
a. Alat penukar panas tipe kontak langsung
Pada alat penukar kalor direct-contact, dua aliran fluida bertemu dan mengalami kontak, bertukaran panas, dan kemudian dipisahkan. Aplikasi uraum dari penukar kalor tipe ini melibatkan perpindahan massa disamping perpindahan panas, seperti pada pendinginan evaporatif; aplikasi yang melibatkan hanya kalor sensible adalah jarang. Enthalpy perubahan fasa pada penukar panas tipe ini biasanya menyatakan sejumlah bagian besar dari energi
total yang ditransfer. Perubahan fase umumnya meningkatkan laju perpindahan panas.Dibandingkan dengan recuperator dan regenerator yang bersifat indirect-contact, penukar kalor direct-indirect-contact, (1) dapat mencapai laju perpindahan kalor yang sangat besar, (2) konstruksi penukar kalor ini relatif tidak mahal, dan (3) masalah fouling biasanya tidak ada, dikarenakan hilangnya permukaan perpindahan kalor antara dua fluida. Namun, penerapan dibatasi pada kasus dimana kontak langsung antara dua fluida dimungkinkan.
b. Alat penukar panas tipe tidak langsung
Pada alat penukar kalor ini, aliran fluida terpisahkan satu sama lain dan panas dipindahkan terus-menerus melalui dinding pemisah secara transient. Jadi, tidak ada kontak langsung sama sekali antara fluida yang berinteraksi secara thermal. Tipe penukar kalor seperti ini juga dikenal sebagai alat penukar kalor permukaan, dapat diklasifikasikan lebih jauh menjadi tipe direct-transfer, storage,danfluidized-bed
2.Berdasarakan jumlah aliran yang mengalir
Kebanyakan proses pemanasan, pendinginan, pemulihan panas, dan pembuangan panas melibatkan perpindahan panas antara dua fluida. Jadi, alat penukar kalor dua fluida adalah yang paling umum. Alat penukar kalor tiga fluida banyak digunakan pada proses cryogenic dan beberapa proses kimia (contoh: sistem penyaringan udara, unit pemisah helium-udara, pemurnian dan pencairan hidrogen, sintesis gas ammonia ). Alat penukar kalor dengan fluida sebanyak 12 aliran telah digunakan pada beberapa aplikasi proses kimia. Teori desain dari alat penukar kalor tiga sampai multifluid lebih kompleks perhitungannya.
3.Berdasarkan luas permukaan
Yang dimaksud dengan kekompakan luas permukaan perpindahan panas di sini adalah luas permukaan efektif yang tersentuh oleh salah satu zat (biasanya diambil yang tertinggi nilainya dalam m2) per atau dibagi dengan volume penukar kalor yang menempati ruang dalam m3. Jadi dimensi kekompakan penukar kalor adalah [m2/m3] Apabila ditinjau dari kekompakan luas permukaan perpindahan panas ini, suatu penukar
kalor dikategorikan sebagai penukar kalor kompak bila luas permukaan perpindahan panas per volumenya lebih besar dari 700[m2/m3]. Sedangkan yang nilainya kurang dari nilai itu disebut penukar kalor tidak atau kurang kompak. Radiator mobil dan kondenser AC split merupakan dua contoh penukar kalor kompak.
4. Berdasarkan konstruksi
Berdasarkan profil konstruksi permukaan, penukar kalor yang banyak di pergunakan di industri antara lain dengan konstruksi tabung dan pipa (shell and tube), pipa bersirip (tube with extended surfaces / fins and tube), dan penukar kalor pelat (plate heat exchanger). Berikut ini akan diuraikan satu persatu dari setiap jenis penukar kalor tersebut:
a.Tipe konstruksi tubular
Tipe tabung dan pipa (tubular) merupakan jenis penukar kalor yang paling banyak digunakan di industri khususnya industri perminyakan. Jenis ini terdiri dari suatu tabung dengan diameter cukup besar yang di dalamnya berisi seberkas pipa dengan diameter relatif kecil . Salah satu fluida yang dipertukarkan energinya dilewatkan di dalam pipa atau berkas pipa sedang fluida yang lainnya dilewatkan di luar pipa atau di dalam tabung. Fluida yang dipertukarkan energinya dalam penukar kalor tipe tabung dan pipa ini dapat berwujud cair dan cair atau cair dan gas, atau cair dan cair dalam proses perubahan fasa menjadi gas
b. Tipe plat
Penukar kalor tipe pelat merupakan penukar kalor yang sangat kompak Karena memiliki kekompakan yang sangat tinggi. Penukar kalor jenis ini terdiri dari pelat-pelat yang sudah dibentuk dan ditumpuk-tumpuk sedemikian rupa sehingga alur aliran untuk suatu fluida akan terpisahkan oleh pelat itu sendiri terhadap aliran fluida satunya serta dipisahkan dengan gasket. Jadi kedua fluida yang saling dipertukarkan energinya tidak saling bercampur
Salah satu contoh penukar kalor tipe pipa bersirip (extended surfaces) ini banyak dijumpai di lapangan antara lain radiatormobil, kondensor dan evaporator mesin pendingin dan masih banyak lagi yang lain. Pada umumnya penukar kalor jenis pipa bersirip ini dipergunakan untuk fluida cair dan gas dimana fluida gas dilalukan di luar pipa, yaitu bagian yang bersirip. Hal ini dimaksudkan untuk meningkatkan efektivitas transfer energi karena biasanya pada sisi gas koefisien perpindahan panas memiliki nilai yang kecil sehingga untuk kompensasi agar laju transfer energinya meningkat diperlukan luas permukaan perpindahan panas yang relatif tinggi. Penukar kalor tipe pipa bersirip juga bermacam-macam konstruksinya, antara lain penampang pipanya tidak selalu lingkaran, artinya banyak sekali pipa jenis pipih, oval, dan persegi yang dilengkapi dengan sirip. 5.Berdasarkan aliran fluida
Yang dimaksud dengan susunan aliran fluida di sini adalah berapa kali fluida mengalir sepanjang penukar kalor sejak saat masuk hingga meninggalkannya serta bagaimana arah aliran relatif antara kedua fluida ( apakah sejajar/parallel, berlawanan arah/counter atau bersilangan/cross). Berdasarkan berapa kali fluida melalui penukar kalor dibedakan jenis satu kali laluan atau satu laluan dengan multi atau banyak laluan. Pada jenis satu laluan, masih terbagi ke dalam tiga tipe berdasarkan arah aliran dari fluida yaitu:
a. Counterflow
Yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor saat meninggalkan penukar kalor. Dengan teori seperti ini jenis penukar kalor berlawanan arah merupakan penukar kalor yang paling efektif
b. Parallel flow
Yaitu bila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain. Pada jenis ini temperatur fluida yang memberikan energi akan selalu lebih tinggi dibanding yang menerima energi sejak mulai memasuki penukar kalor hingga
keluar. Dengan demikian temperatur fluida yang menerima panas tidak akan pernah mencapai temperatur fluida yang memberikan panas saat keluar dari penukar kalor. Jenis ini merupakan penukar kalor yang paling tidak efektif
c.Crossflow
Artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering ditemui adalah radiator mobil dimana arah aliran air pendingin mesin 12 yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan. Apabila ditinjau dari efektivitas pertukaran energi, penukar kalor jenis ini berada diantara kedua jenis di atas. Dalam kasus radiator mobil, udara melewati radiator dengan temperature rata-rata yang hampir sama dengan temperatur udara lingkungan kemudian memperoleh panas dengan laju yang berbeda di setiap posisi yang berbeda untuk kemudian bercampur lagi setelah meninggalkan radiator sehingga akan mempunyai temperatur yang hampir seragam
2.3.3 Plate Heat Exchanger
Alat penukar panas tipe plate adalah jenis penukar panas yang menggunakan pelat logam untuk mentransfer panas antara dua fluida. Ini memiliki keuntungan besar atas suatu penukar panas konvensional dalam bahwa cairan yang terkena luas permukaan jauh lebih besar karena cairan menyebar di plat. Ini memfasilitasi transfer panas, dan
sangat meningkatkan kecepatan perubahan suhu
Gambar 2.4 Konstruksi alat penukar panas tipe plate (Sumber : Sadik.2003)
kontruksi dari tipe ini terdiri dari tumpukan beberapa plat yang memiliki 4 lubang yang berfungsi sebgai tempat keluar masuk fluida pendingin dan fluida yang akan didinginkan dan selain plat, didalam tipe alapt penukar panas ini terdapat seal, yang berfungsi sebagai pemisah antara fluida pendingin dengan fluida yang akan didinginkan. Ukuran d an banyak dari plat yang tersusun didalam alat penukar panas ini menentukan laju aliran fluida, physical properties dari fluida tersebut, pressure drop dan temperature yang kan dihasilkan. Setelah itu komponen penyusun alat penukar panas tipe plate yaitu frame atau rangka, frame dari plate heat exchanger berfungsi sebagai penahan dari tumpukan plate yang telah disusun, frame ini menjaga aga tidak terjadi kebocoran fluida yang mengalir didalam alat penukar panas ini, elemen dari rangka yaitu plate tetap, plat kompresi, pressing equipment dan connecting ports
Keuntungan dari alat penukar panas tipe pelat dibandingkan dengan alat penuakr panas lain yaitu
1.Hemat ruang
PHE memiliki konstruksi yang kompak sehingga membutuhkan ruang penempatan unit yang lebih kecil dibandingkan dengan jenis alat penukar panas yang lain. Sebagai perbandingan, PHE memiliki kurang lebih ruang penempatan dan berat sekitar 80% lebih kecil dibandingakan dengan STHE.
2. Kapasitas perpindahan panas yang besar
Plat yang tersusun pada PHE dengan jalur aliran fluida sempit yang terbentuk menjadikan aliran fluida turbulen sehingga dapat meningkatkan perpindahan panas yang terjadi antara fluida panas dan fluida dingin.
3.Memerlukan filling refrigerant yang rendah
Dengan konstruksi yang kompak dan kapasitas perpindahan panas yang besar, maka jumlah filling refrigerant pada sistem PHE rendah. Filling content yang sering dipakai adalah amonia, dan sebagian senyawa obat-obatan.
4.Cenderung memiliki fouling yang rendah
Aliran turbulen yang terbentuk pada celah-celah plat menyebabkan partikel kotoran sulit untuk mengendap selama beberapa waktu. Berbeda dengan alat penukar panas konvensional dimana partikel kotoran cenderung mudah mengendap yang dapat mengganggu proses perpindahan panas yang terjadi. Fouling layer tipis yang terbentuk pada PHE selain dapat meningkatkan perpindahan panas antarfluida juga menguntungkan kita dalam proses pembersihan yang relatif lebih mudah.
5.Tahan korosi
Material plat dan gasket pada PHE dipilih karena dapat meningkatkan perpindahan panas yang terjadi selain memberikan ketahanan terhadap fluida korosif. Material plat yang baik digunakan seperti stainless-steel dan logam campuran khusus.
6.Konstruksi yang fleksibel
Komponen plat dan frame pada PHE disambung dengan baut yang memudahkannya untuk mengatur lebar dari celah plat yang terbentuk. Plat yang tersusun pun juga dapat ditambah atau dikurangi sesuai dengan kapasitas yang dibutuhkan.
7.Pemeliharaan yang mudah
Pemeliharaan yang mudah disebabkan karena fleksibilitas dari tie rod yang mudah dilepas dengan melonggarkan baut yang terkoneksi. Plat PHE dapat dibersihkan secara langsung pada bagian yang terdapat gasket. Jika diperlukan, PHE juga memungkinkan untuk bertukar plat/modul dengan PHE yang lain.
Selain keunggulan-keunggulannya, PHE juga memiliki beberapakelemahan yang membatasi aplikasinya seperti:
1.Tekanan operasi maksimum yang rendah
Tekanan kerja maksimum PHE adalah 25 bar, jauh lebih kecil dibandingkan dengan shell & tube (>300 bar). PHE tersusun dari plat-plat tipis yang tidak terlalu kuat dibandingkan dengan plat besi tebal pada shell & tube. Faktor lain yang membatasi tekanan kerja PHE adalah gasket yang digunakan. Kebanyakan gasket tidak dapat menahan tekanan tinggi
2.Temperatur operasi yang tidak terlalu tinggi
Faktor utama yang membatasi temperatur kerja PHE adalah material gasket yang digunakan. Untuk memilih gasket, harus dicocokkan dengan temperatur fluida kerjanya 3. Debit aliran fluida yang terbatas
Inlet & outlet pada PHE sangat kecil dibandingkan dengan inlet pada shell & tube. Inlet & outlet yang kecil ini membatasi debit fluida yang dapat mengalir keluar/masuk PHE. 4.Mudah mengalami kebocoran
Kebocoran pada PHE sering terjadi jika digunakan pada tekanan & temperatur yang terlalu tinggi, atau saat fluida kerja yang digunakan tidak cocok dengan gasket yang digunakan
5.Pilihan fluida kerja yang terbatas
Permukaan plat PHE memiliki korugasi-korugasi. Korugasi ini sengaja dibuat untuk menambah luas permukaan perpindahan kalor dan menimbulkan turbulensi pada fluida kerjanya. Selain itu korugasi juga berfungsi sebagai penguat dari PHE. Ada berbagai macam pola korugasi yang digunakan pada PHE seperti , namun yang paling banyak digunakan adalah jenis chevron. Pada korugasi jenis chevron, besarnya sudut yang dibentuk dinyatakan dengan chevron angle (β). Chevron angle yang banyak digunakan berkisar antara 250-650. Plat dengan chevron angle kecil (high-θ, 250 ≤ β ≤
Gambar 2.5 Pola-pola korugasi pada permukaan plat PHE: (a) washboard, (b)zigzag,
(c) chevron, (d) protrusions & depressions, (e) washboard dengan
korugasi kedua, (f) oblique washboard
300) akan mengalami perpindahan kalor yang besar dan disertai dengan pressure drop yang besar. Sebaliknya plat dengan chevron angle besar (low-θ, 600 ≤ β ≤ 650) akan mengalami perpindahan panas yang lebih kecil dan pressure drop yang tidak terlalu besar
Seperti sudah disebutkan sebelumnya, korugasi akan menambah luas permukaan plat, khususnya panjang efektif sebenarnya dari plat. Pertambahan panjang ini akan sangat tergantung pada kedalaman dan pitch dari korugasi. Pertambahan panjang dari plat ditunjukkan dengan parameter faktor perpanjangan (enlargement factor), Φ. Faktor perpanjangan merupakan rasio antara developed length dan projected length. Nilai Φ berkisar antara 1,1 sampai 1,25. Pada umumnya faktor perpanjangan diasumsikan pada 1,171 (kuppan, 2000) Nilai Φ juga menyatakan rasio luas. Untuk rumus nya sebagai berikut :
(2.1)
Efektif plat aktual (A1) dengan luas plat terproyeksi (A1p) Dimana nilai A1p dihitung dari:
(2.2)
dan nilai Lp dan Lw didapat dari:
(2.3)
(2.4)
Keterangan :
Dp : diameter port (m) Lv : jarak vertical port (m)
Lp : panjang efektif plat (m) Lw : lebar efektif plat (m)
Lh : jarak horizontal antar port (m) β : chevron angle
Parameter lain yang menjelaskan tentang PHE adalah Mean Flow Channel Gap dan Channel Flow Area. Mean Flow Channel Gap (b) menyatakan jarak rata- rata celah pada PHE yang dapat dialiri oleh fluida.
(2.5)
Keterangan : p = pitch plat (m), dan t = ketebalan plat (m)
Pitch plat (p) sangat berguna dalam menghitung bilangan reynold dan laju aliran massa maka dari itu, jika tidak mengetahui nilai dari p maka dapat menggunakan rumus sebagai berikut :
(2.6)
Keterangan:
Lc = panjang alat penukar panas (m) N = banyak plat
Channel Flow Area (As) menyatakan luas permukaan masing-masing celah yang akan dialiri oleh fluida kerja.
(2.7)
Dimana Lw adalah lebar efektif plat (m)
Untuk perhitungan bilangan Reynolds, digunakan diameter hidrolis untuk menyatakan diameter permukaan yang bukan berbentuk bulat yang dilalui oleh fluida. Pada PHE, diameter hidrolis dinyatakan dengan Channel Equivalent Diameter (De)
(2.8)
(2.9)
Gambar 2.6 parameter pada plat heat exchanger Sumber : sadic,2003
2.4 TEORI PERPINDAHAN PANAS
Perpindahan panas adalah ilmu yang memperkirakan terjadinya perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu di antar benda atau material. Ilmu perpindaha kalor menjelaskan bagaimana energi berpindah dari suatu benda ke benda lain dengan memperkirakan laju perpindahan yang terjadi pada kondisikondisi tertentu (Holman,1986).
Energi panas dapat berpindah apabila di dalam suatu sistem terdapat kondisi beda temperatur di antara satu media dengan media yang lain. Mekanisme perpindahan energi panas dapat berlangsung secara konduksi, konveksi dan radiasi.
Pada prinsipnya, energi dalam bentuk panas (atau biasa disebut juga Kalor) akan berpindah dari suatu media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur rendah melalui berbagai bentuk mekanisme. Perpindahan panas konduksi biasanya terjadi karena adanya hantaran oleh molekul-molekul di dalam suatu zat padat, atau bisa juga pada zat cair yang diam. Sedangkan perpindahan panas konveksi terjadi antara suatu aliran fluida dengan permukaan suatu padatan di mana aliran fluida tersebut berkontak. Sedangkan, perpindahan panas secara radiasi (pancaran energi panas) biasanya terjadi pada sistem-sistem bertemperatur sangat tinggi. Dalam hal tersebut benda tertentu yang bertemperatur tinggi memancarkan energi panas ke sekelilingnya.
2.4.1 Perpindahan Panas Secara Konduksi
Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Secara umum laju aliran kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut (holman, 2010):
(2.10)
keterangan :
A = luas penampang (m²)
dT/dx = gradient suhu terhadap penampang tersebut, yaitu laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x.
2.4.2 Perpindahan Kalor Secara Konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses tansport energi dengan kerja gabungan dari konduksi kalor, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cair atau gas. Perpindahan kalor secara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya di atas suhu fluida disekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, kalor akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel- partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel-partikel fluida tersebut. Kedua, partikel-partikel tersebut akan bergerak ke daerah suhu yang lebih rendah dimana partikel tersebut akan bercampur dengan partikel-partikel fluida lainnya.
Perpindahan kalor secara konveksi dapat dikelompokkan menurut gerakan alirannya, yaitu konveksi bebas (free convection) dan konveksi paksa (forced convection). Apabila gerakan fluida tersebut terjadi sebagai akibat dari perbedaan densitas (kerapatan) yang disebabkan oleh gradient suhu maka disebut konveksi bebas atau konveksi alamiah (natural convection). Bila gerakan fluida tersebut disebabkan oleh penggunaan alat dari luar, seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebut konveksi paksa. Laju perpindahan kalor antara suatu permukaan plat dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan (holman, 2010):
(2.11)
dimana
Q = Laju perpindahan kalor secara konveksi (W) h = Koefisien perpindahan kalor konveksi (W/m2.K) A = Luas perpindahan kalor (m²)
2.5 PERHITUNGAN KINERJA ALAT PENUKAR PANAS
Untuk melakukan evaluasi unjuk kerja alat alat penukar panas, perlu dilakukan perhitungan unjuk kerja dari alat penukar panas tersebut saat ini dibandingkan dengan kondisi awal peralatan (kondisi desain).
2.5.1 Neraca Panas / Heat Balance
Perhitungan mengenai besarnya panas yang dilepas dan panas yang diterima adalah sama, disebut Necara Panas (heat balance) sesuai dengan persamaan (Holman, 2010)
(2.12)
Keterangan :
Q = Panas yang dilepaskan oleh fluida panas (watt) ṁh = Jumlah aliran masa fluida panas (kg/s)
ṁc = Jumlah aliran masa fluida dingin (kg/s) Cph = Panas jenis fluida panas (kJ/kg.K) Cpc = Panas jenis fluida dingin (kJ/kg.K)
2.5.2 Laju Kapasitas Panas
Untuk mempermudah menghitung laju perpindahan panas dibutuhkan laju kapasitas panas yang dapat dihitung dengan persamaan berikut (Cengel, 2006):
(2.13)
Atau
(2.14)
Dimana:
Ch = laju kapasitas panas fluida panas (W/K) Cc = laju kapasitas panas fluida dingin (W/K)
mh = laju aliran massa fluida panas (kg/s) mc = laju aliran massa fluida dingin (kg/s)
2.5.3 Laju Perpindahan Panas Maksimal
Laju perpindahan panas maksimal merupakan nilai perpindahan panas terbesar yang mungkin terjadi pada Alat penukar kalor yang dapat dihitung dengan persamaan berikut (Cengel, 2006):
(2.15)
dimana:
Qmax = laju perpindahan panas maksimal (watt) Cmin = nilai terkecil di antara nilai Ch dan Cc (W/K) Th1 = temperatur fluida panas masuk heat exchanger (K) Tc1 = temperatur fluida dingin masuk heat exchanger (K)
2.5.4 Laju Perpindahan Panas Aktual
Laju perpindahan panas aktual merupakan panas yang dilepaskan oleh fluida panasatau yang diserap oleh fluida dingin, yang dapat dihitung dengan persamaan berikut (Cengel, 2006):
(2.16)
Atau
(2.17)
Dimana
Qact = laju perpindahan panas aktual (watt) Ch = laju kapasitas panas fluida panas (W/K) Cc = laju kapasitas panas fluida dingin (W/K)
Th2 = temperatur fluida panas keluar heat exchanger (K) Tc1 = temperatur fluida dingin masuk heat exchanger (K) Tc2 = temperatur fluida dingin keluar heat exchanger (K)
Selain itu perhitungan laju perpindahan panas aktual dapat dicari dengan menggunakan persamaan (Cengel, 2006) :
(2.18)
2.5.5 Beda Temperatur Rata-Rata
ΔTm adalah beda temperature rata-rata logaritmik yang diberikan oleh persamaan (Handoyo & Ahsan, 2012):
) / ln( ) / ln( 2 1 1 2 2 1 2 1 T T T T T T T T Tm (2.19)
Di sini, berdasarkan konfigurasi aliran fluida counter flow :
•ΔT1 : beda antara temperatur fluida panas masuk APK dengan temperatur fluida pendingin keluar APK
•ΔT2 : beda antara temperatur fluida panas keluar APK dengan temperatur fluida pendingin masuk APK
2.5.6 Efektivitas Perpindahan Panas
Efektivitas proses perpindahan panas di dalam sebuah alat penukar kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara laju pertukaran energi panas yang sebenarnya terjadi terhadap laju pertukaran energi panas maximum yang mungkin dapat terjadi pada alat tersebut (Soekardi, 2015) :
Untuk aliran counterflow dapat digunakan juga persamaan (kakac & liu, 2002) :
(2.21)
Harga besaran Efektivitas perpindahan panas di antara angka 0 dan 1.Semakin efektif proses pertukaran energi panas di dalam sebuah APK maka semakin cepat pula laju pertukaran energi panas di dalamnya sehingga proses pemanasan atau pendinginan dapat berlangsung dengan cepat. Dampaknya adalah konsumsi energinya juga dapat dipertahankan pada tingkat yang serendah-rendahnya.
2.5.7 Number Of Transfer Unit ( NTU )
Pada sisi yang lain, bagi sebuah APK, NTU (Number of Transfer Unit) adalah sebuah besaran tak berdimensi yang diberikan oleh persamaan (Kuppan, 2000):
(2.22)
Keterangan :,
A : luas permukaan perpindahan panas di dalam APK U : koefisien perpindahan panas global
Harga efektifitas ε bagi sebuah APK merupakan fungsi dari bilangan NTU, Cmax dan Cmin. Hubungan antara efektifitas ε dan NTU untuk berbagai jenis APK telah tersedia di dalam literatur tentang APK, biasanya berupa grafik atau tabel persamaan empirik. Namun maneurut (Sekulic, 2003), jika aliran fluida counterflow maka nilai NTU dapat ditentukan dengan diketahui nilai efektivitas dari alat penukar panas yaitu :
2.5.8 Faktor Pengotor
fouling factor pada alat penukar panas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Handoyo & Ahsan, 2012) dibawah ini :
(2.24)
Keterangan :
Rf = tahanan thermal (faktor pengotor)
Uf = Koefisien perpindahan panas total service Uc = koefisien perpindahan panas total bersih
