BUKU ALAT PENUKAR KALOR

i

ii

ALAT PENUKAR KALOR

iii

Kutipan Pasal 72, Ayat 1, 2, dan 3, Undang-undang Republik Indonesia No. 19 Tahun 2002 tentang HAK CIPTA:

(1) Barangsiapa dengan sengaja dan tanpa hak melakukan perbuatan sebagaimana dimaksud dalam Pasal 2 ayat (1) atau Pasal 49 ayat (1) dan ayat (2) dipidana dengan pidana penjara masing-masing paling singkat 1 (satu) bulan dan/atau denda paling sedikit Rp1.000.000,00 (satu juta rupiah), atau pidana penjara masing-masing paling singkat 1 (satu) bulan dan/atau denda paling sedikit Rp1.000.000,00 (satu juta rupiah), atau pidana penjara paling lama 7 (tujuh) tahun dan/atau denda paling banyak Rp5.000.000.000,00 (limamiliar rupiah).

(2) Barangsiapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada umum suatu Ciptaan atau barang hasil pelanggaran Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksud pada ayat (1) dipidana dengan pidana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling banyak Rp500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).

(3) Barangsiapa dengan sengaja dan tanpa hak memperbanyak penggunaan untuk kepentingan komersial suatu Program Komputer dipidana dengan pidana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling banyak Rp.500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).

Alat Penukar Kalor / Nandy Putra. ‐‐ Jakarta : Penerbit Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia, 2012.

ISBN 978‐602‐98412‐1‐3

Layout : Haulia

Hak Cipta © 2012 : Pada Penulis

Hak Penerbitan : Pada Penerbit Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia

iv

Kata Pengantar

Keinginan untuk membuat buku tentang Alat penukar kalor sudah lama direncanakan sejak Mata Ajaran Alat Penukar Kalor dijadikan Mata ajaran pilihan di Kurikulum Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Univeristas Indonesia tahun 2004. Bahan-bahan sudah dikumpulkan antara lain dari bahan-bahan pelatihan alat penukar kalor yang pernah diselenggarakan dimana Lab Perpindahan kalor bekerjasama dengan Heat Transfer Fluid Flow Service dan pada waktu itu Dr.

Viswas Wadekar menjadi instruktur pelatihan dan bahan-bahan dari penelitian yang dilakukan penulis bersama mahasiswa-mahasiswa S-1 antara lain Ferki, Reza Adiprana, Hany, Reza Prayogi, Agus LMS, Chandra, Amri, Dian, Mulyanto, Kuswantoro, Anwari, Luky, Dwi Ananto, Andreas, Agung, Ichwan, dan mahasiswa-mahasiswa S-2 antara lain Wayan Nata dan Haulia Rahman.

Buku Alat penukar kalor ini berisikan 10 bab dengan uraian sebagai berikut: Bab 1 mengulas mengenai klasifikasi alat penukar kalor yang diaplikasikan di industri, bab 2 dituliskan mengenai Metode dasar desain alat penukar kalor, Bab 3 membahas mengenai korelasi konveksi paksa pada alat penukar kalor, pada bab ini banyak diuraikan mengenai persamaan-persamaan perpindahan kalor yang biasa digunakan dalam perancangan termal alat penukar kalor. Bab 4 membahas faktor pengerakan di alat penukar kalor. Bab 5 diuraikan mengenai Shell and Tube yang merupakan alat penukar kalor yang paling banyak digunakan di dalam industri. Kemudian bab 6 dibahas mengenai Alat Penukar Kalor Pelat yang merupakan salah satu contoh jenis alat penukar kalor yang kompak (compact heat exchanger). Bab 7 dibahas mengenai alat pendingin evaporatif. Bab 8 diuraikan mengenai air cooled heat exchanger. Bab 9 membahas mengenai pipa kalor, salah satu alat penukar kalor yang unik dan banyak diaplikasikan sebagai pendingin alat elektronik. Pipa Kalor ini menjadi salah satu objek penelitian pada grup riset penulis bersama mahasiswa-mahasiswa S1, S2 dan S3. Bab terakhir adalah Bab 10 yang membahas mengenai hasil penelitian yang telah dilakukan di Laboratorium Perpindahan Kalor yakni Air Conditioning Water Heater.

Penyelesaian buku ini banyak dibantu oleh Haulia Rahman ST, MT yang senantiasa membantu penulis dalam pengeditan baik tulisan dan gambar-gambar.

Untuk itu penulis mengucapkan banyak terima kasih, dan penulis berharap bantuannya untuk buku-buku berikutnya yakni mengenai Termoelektrik dan Nanofluida.

v

Bantuan penulisan buku teks dari Dikti tahun 2011 mempercepat proses penyelesaian buku Alat Penukar Kalor ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih atas bantuan Prof. Dr. Suminar dari IPB yang telah bersedia menjadi pendamping dalam editing buku ini.

Penulis berharap masukan dari para teman sejawat, rekan dari industri dan para mahasiswa, agar buku alat penukar kalor ini lebih lengkap dan dapat dipergunakan untuk bahan perkuliahan dan referensi dalam desain alat penukar kalor.

Depok, 2 Desember 2011

Prof.Dr.-Ing. Nandy Putra

vi

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ... iii

Daftar Isi ... v

BAB I KLASIFIKASI ALAT PENUKAR KALOR 1.1 Pengenalan ... 1

1.2. Klasifikasi Alat Penukar Kalor ... 2

1.2.1. Klasifikasi menurut proses perpindahan Kalor ... 6

1.2.2. Klasifikasi Menurut Jumlah Fluida ... 11

1.2.3. Klasifikasi Menurut Permukaan Kompak. ... 11

1.2.4. Klasifikasi menurut Konstruksi ... 13

1.2.5. Klasifikasi Menurut Susunan Aliran ... 28

1.2.6. Klasifikasi Menurut Mekanisme Perpindahan Panas ... 35

1.3. Aplikasi Alat Penukar Kalor ... 36

BAB II METODE DISAIN DASAR ALAT PENUKAR KALOR 2.1. Persamaan Dasar Desain Alat Penukar Kalor ... 39

2.2. Koefisien Perpindahan Kalor Total (Overall Heat Transfer Coeffisient) 41 2.3. LMTD (Logarithmic Mean Temperature Defference) ... 42

2.4. Effective - Number Transfer Unit (ε–NTU) ... 46

BAB III KORELASI KONVEKSI PAKSA PADA ALAT PENUKAR KALOR 3.1. Perpindahan Kalor Konduksi ... 55

3.2. Perpindahan Kalor Konveksi ... 57

BAB IV FAKTOR PENGERAKAN 4.1. Definisi dan Proses Terjadinya Pengerakan (Fouling) ... 71

4.2. Pengaruh pengerakan terhadap kinerja APK ... 73

vii

4.3. Faktor Pengerakan ( ) ... 74

4.4. Faktor Kebersihan (Cleanliness, CF) ... 76

BAB V ALAT PENUKAR KALORSELONGSONG DAN PIPA (SHELL & TUBE) 5.1. Keunggulan-Keunggulan Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Pipa ... 81

5.2. Kontruksi Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Pipa ... 82

5.3. Kriteria Disain Selongsong Dan Pipa Dari Segi Mekanikal ... 93

5.4. Pertimbangan Dalam Menentukan Fluida Dalam Selongsong - Dan Pipa ... 98

5.5. Perbandingan dari susunan tube pada alat penukar kalor ... 101

5.6. Laluan (Pass) Pada Alat Penukar Kalor Selongsong Dan Pipa ... 102

5.7. Jatuh Tekanan (pressure drop) ... 103

5.8 Disain Mekanikal ... 104

BAB VI PENUKAR KALOR PELAT 6.1. Pendahuluan ... 109

6.2. Geometri Pelat ... 115

6.3. Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi ... 118

6.4. Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh (Overall Heat Transfer Coeficient) ... 120

6.5. Analisis Plate Heat Exchanger dengan Logarithmic Mean- Temperature Difference ... 123

6.6. Metode Number of Transfer Unit (NTU) pada Analisa Alat- Penukar Kalor ... 125

BAB VII ALAT PENDINGIN EVAPORATIF 7.1. Pendinginan Evaporatif ... 131

7.2. Pendinginan Evaporatif Tipe Langsung ... 133

7.3. Pendinginan Evaporatif Tak Langsung ... 138

BAB VIII Air Cooled Heat Exchanger (ACHE) 8.1. Pendahuluan ... 147

viii

8.2. Susunan dan Konstruksi ACHE ... 147

8.3. Kapasitas Aliran udara ... 154

8.4. Desain Termal ... 156

8.5. Beda Suhu Rata-rata Logaritmik (LMTD) ... 165

BAB IX PIPA KALOR 9.1. Sejarah Pipa Kalor ... 171

9.2. Ciri Kerja Pipa Kalor ... 173

9.3. Fluida Kerja ... 179

9.4. Struktur Sumbu ... 184

9.5. Media Berpori ... 190

9.6. Metallurgi Serbuk ... 192

9.7. Perpindahan Kalor dan Hambatan Kalor ... 193

9.8. Pendidihan ... 197

BAB X Penyejuk Udara Pemanas Air (ACWH) 10.1. Pendahuluan ... 207

10.2. Jenis-Jenis Pemanas Air ... 210

10.3. ACWH dengan APK Tipe Pelat (PHE) ... 231

10.4. ACWH dengan APK Tipe Serpentin ... 251

1

Bermacam-macam jenis alat penukar kalor (APK) digunakan di industri, di gedung- gedung perkantoran dan perumahan, di peralatan elektronik dan berbagaimacam produk lainnya. Tujuan dari bab ini adalah untuk menjelaskan secara rinci APK dengan melihat pada pengklasifikasiannya. Dimulai dari definisi APK, kemudian APK diklasifikasikan menurut proses perpindahan kalornya, jumlah fluida kerja, permukaan yang kompak susunan aliran dan menurut mekanisme perpindahan kalornya.

1.1 Pengenalan

Lebih dari satu abad yang lalu, arti penting alat penukar kalor (APK) meningkat sangat pesat dari sudut pandang konservasi energi, konversi energi, rekoveri kalor (heat recovery), dan implementasi sumber energi terbarukan. Arti penting tersebut juga meningkat dari sudut pandang yang berkaitan dengan lingkungan, misalnya polusi termal, polusi udara, polusi air, dan pengelolaan hasil gas buang. APK banyak digunakan antara lain pada beberapa proses industri, pembangkitan daya, alat transportasi, penyeduk udara dan refrigerasi, sistem kriogenik, rekoveri kalor, bahan bakar alternatif, dan industri manufaktur, yang merupakan komponen kunci pada produk-produk industri yang tersedia di pasaran.

APK adalah alat yang digunakan untuk memindahkan energi termal (entalpi) di antara dua fluida atau lebih, antara permukaan padatan dan fluida, atau antara partikel padatan dan fluida, pada kondisi suhu yang berbeda dalam keadaan kontak termal.

Pada APK biasanya tidak terjadi interaksi panas dan kerja terhadap lingkungan luarnya.

Aplikasi APK pada umumnya digunakan sebagai sistem pemanasan atau pendinginan baik tanpa disertai perubahan fase dari aliran fluida maupun disertai dengan perubahan fase, yakni penguapan atau pengembunan aliran fluida. Pada

2

aplikasi khusus, APK banyak digunakan pada proses sterilisasi, pasteurisasi, fraksionasi, penyulingan, konsentrasi, kristalisasi, maupun sebagai pengontrol fluida kerja.

1.2 Klasifikasi APK

Secara garis besar, APK terbagi dalam dua kategori. Kategori pertama ialah terjadinya pencampuran antara fluida-fluidanya dan kategori kedua adalah fluida- fluidanya dipisahkan oleh permukaan perpindahan kalor. APK yang bercampur disebut sebagai APK jenis transfer langsung atau regenerator, artinya fluida yang kontak akan memindahkan energi kalor secara langsung. Sebaliknya, APK yang perpindahannya melalui permukaan perpindahan kalor, perpindahan terjadi melalui penyimpan kalor (thermal energy storage) dan pelepasan melalui permukaan penukarkalor; jenis ini disebut sebagai transfer taklangsung atau rekuperator. Jika tidak ada perubahan fase pada fluida kerja, APK jenis ini disebut penukar kalor sensibel. Dalam APK ada kemungkinan terdapat sumber energi kalor internal, seperti pada pemanas listrik dan elemen bahan bakar nuklir. Penggunaan APK di industri sebagai salah satu rangkaian proses produksi di antaranya boiler, pemanas bakar, dan penukar kalor fluidized-bed.

Peralatan mekanis juga dapat dipasangi APK seperti pada scraped surface exchanger, bejana pengaduk, dan reaktor tanki pengaduk.

Perpindahan kalor pada kategori rekuperator biasanya melalui dinding pemisah untuk menyatukan fluida yang bercampur. Namun, ada beberapa yang tidak menggunakan dinding pemisah dan ada pula yang berfungsi ganda, baik sebagai dinding pemisah maupun sebagai pendorong perpindahan kalor melalui kondensasi, evaporasi, dan konduksi fluida kerja di dalam pipa, seperti pada pipa kalor. Umumnya, bila fluida bersifat takcampur (immiscible, tidak dapat menjadi homogen, tidak dapat bercampur bersama membentuk satu zat yang homogen), dinding pemisah tidak diperlukan, dan antarmuka (interface) fluida menggantikan permukaan perpindahan kalor, seperti pada APK kontak langsung.

APK tipe regenerator banyak ditemukan di industri adalah shell-and-tube, radiator kendaraan, kondenser, evaporator, prapemanas udara, dan menara pendingin. APK taklangsung cenderung mengalami masalah kebocoran fluida kerjanya, akibat dari perbedaan tekanan dan aliran.

Komponen utama APK terdiri atas elemen perpindahan kalor (seperti core atau matriks yang merupakan permukaan perpindahan kalor), dan elemen distribusi fluida

3

(seperti header, manifold, tanki, pipa, nozzle, atau seal). Di dalam APK, biasanya tidak banyak bagian mekanis yang bergerak; namun, beberapa jenis APK kategori taklangsung memunyai motor seperti misalnya pada rotary regeneratif atau APK scraped surface (Gambar 1.1 dan 1.2).

Motor penggerak Keluaran gas Fan

buang yang didinginkan

Udara dingin masuk

Regenerative Heat absorbing

material

Udara panas Gas buang

panas

Gambar 1.1 APK dengan tambahan motor penggerak rotary regeneratif [Shah, 2003]

Permukaan perpindahan kalor adalah permukaan APK yang mengalami kontak langsung dengan fluida dan melalui permukaan tersebut, kalor dipindahkan melalui konveksi. Untuk meningkatkan kalor yang mampu dipindahkan oleh APK dan mengingat kalor konveksi yang berperan besar maka luasan perpindahan kalor yang digunakan dapat semaksimum mungkin diperluas. Permukaan perpindahan kalor dapat ditambahkan pada permukaan primer sebagai permukaan sekunder, dan biasanya permukaan tambahan ini dikenal sebagai sirip (fin). Sehingga, kalor dipindahkan secara konduksi melalui sirip dan kemudian dikonveksikan dari sirip ke lingkungan fluida, atau sebaliknya, bergantung pada apakah sirip tersebut berfungsi sebagai penyerap kalor atau pelepas kalor.

4

Fluida panas keluar

Fluida dingin keluar

Kondensat Uap

Motor

Gambar 1.2 APK scraped surface [niro.com, 2011]

Seperti pada Gambar 1.3 sirip sebagai permukaan sekunder akan menambah besarnya kalor yang dipindahkan melalui kalor konveksi antara fluida dan dinding APK.

Penambahan sirip pada permukaan primer akan mengurangi tahanan termal pada sisi itu dan meningkatkan perpindahan kalor total dari permukaan yang sama pada perbedaan suhu yang sama. Sirip dapat berbentuk jalur aliran untuk fluida tetapi tidak berbentuk pemisah untuk fluida tersebut. Permukaan sekunder juga dapat dipakai sebagai penguat struktur atau sebagai pencampur fluida dengan viskositas besar.

Gambar 1.3 Sirip tube pada APK

APK dapat digolongkan dengan kriteria yang berbeda-beda. Penggolongan dapat berdasarkan atas proses perpindahan kalor, jumlah fluida, dan mekanisme perpindahan kalor. APK konvensional digolongkan menurut tipe konstruksi dan susunan aliran.

Penggolongan lain dapat dibuat berdasarkan nisbah luas permukaan perpindahan

5

kalor/volume ataupun penggolongan dalam jenis APK kompak dan tidak kompak. Pada Gambar 1.4 dapat dilihat klasifikasi APK.

Klasifikasi menurut proses transfer

Tipe kontak tidak langsung Tipe kontak langsung Tipe Perpindahan

Kontak Tipe Penyimpanan Tipe Fluidize bed

Kompak Tidak kompak

Fluida Immiscible Gas-Cair Cair-Uap

Klasifikasi menurut jumlah fluida

Dua fluida Tiga fluida N-fluida (N>3)

Klasifikasi menurut permukaan kompak

Cair-cair dan perubahan fasa Gas-cair

β≥700 m²/m³ Β<700 m²/m³

Kompak Tidak kompak

β≥400 m²/m³ Β<400 m²/m³

PHE Spiral

Klasifikasi menurut konstruksi

Permukaan di perluas Tubular

Sirip-plat Sirip-tube Tipe plat

Plat koil Printed Circuit

Regeneratif

Parallel-couterflow Dengan laluan m-shell & m-tube

Gasket Las Patri Ordinary Dinding heat pipe

separating wall Pipa ganda Shell & tube Spiral tube Pipe Coil

Counter-flow

Klasifikasi menurut susunan aliran

Multi laluan Laluan tunggal

Permukaan diperluas Plat

Parallel-flow Cross-flow Split-flow Devided-flow

Shell & Tube

Cross- couterflow

Cross- parallelflow

Compound

flow Split-flow Devided-flow

Rotary Matrix tetap Rotating hood

Fluida 1 m laluan Fluida 2 n laluan

Konveksi satu fasa Kedua sisi

Klasifikasi menurut mekanisme perpindahan panas

Konveksi satu fasa satu sisi,

Konveksi dua fasa sisi yang lain Konveksi dua fasa

kedua sisinya Kombinasi perpindahan kalor

konveksi dan radiasi Heat pipe

Gambar 1.4. Penggolongan APK [SMRE].

6

Berikut ini akan dijelaskan beberapa jenis penggolongan APK. APK dapat digolongkan menurut kriteria berdasarkan:

1. Proses perpindahan kalor: kontak langsung (direct contact) dan kontak tidak langsung (indirect contact).

2. Jumlah fluida 2 fluida, 3 fluida, dan n-fluida.

3. Penggolongan menurut permukaan kompak dan tidak kompak.

4. Geometri dari kontruksi: tubes (pipa-pipa), plates, dan extended surface (permukaan diperluas = atau dengan sirip).

5. Mekanisme penukaran kalor yang melibatkan perubahan fase, sehingga bisa terdiri atas satu-fase dan dua-fase

6. Susunan aliran: aliran sejajar (paralel), aliran berlawanan (counter flow), dan aliran menyilang (cross flow).

1.2.1 Klasifikasi menurut proses perpindahan kalor

APK merupakan suatu peralatan yang memindahkan kalor dari suatu fluida yang suhunya lebih tinggi kepada fluida lain yang suhunya lebih rendah. Jika dilihat dari proses perpindahan kalor maka dapat digolongkan menjadi kontak langsung atau kontak tidak langsung.

(1) APK Kontak Langsung

Pada APK kontak langsung adalah dua aliran fluida bertemu dan mengalami kontak, bertukaran kalor, dan kemudian dipisahkan. Aplikasi umum dari APK tipe ini melibatkan perpindahan massa di samping perpindahan kalor, seperti pada pendinginan evaporatif. Entalpi perubahan fase pada APK tipe ini biasanya menyatakan sejumlah besar dari energi total yang dialihkan. Perubahan fase umumnya meningkatkan laju perpindahan kalor. Dibandingkan dengan tipe regenerator yang bersifat kontak tidak langsung, APK kontak langsung mempunyai beberapa keuntungan :

(1) Dapat mencapai laju perpindahan kalor yang sangat besar (2) Konstruksi APK ini relatif tidak mahal,

(3) Masalah pengotoran (fouling) biasanya tidak ada karena tidak ada permukaan perpindahan kalor di antara kedua fluida.

7 Jenis APK tipe kontak langsung berupa (a) APK Fluida Imisibel

Pada tipe ini, dua fluida yang tak dapat bercampur dibawa secara bersamaan dan mengalami kontak langsung. Fluida ini dapat berupa keadaan satu fase atau beda fase sehingga proses kondensasi dan evaporasi dapat terjadi. Contohnya adalah perukaran kalor pada uap organik atau uap minyak dengan air atau udara.

(b) APK Gas-Likuid

Pada tipe ini, satu fluidanya berbentuk gas (umumnya udara) dan fluida lainnya berupa cairan dengan tekanan rendah (biasanya air) yang kemudian dapat dipisahkan menuju jalur masing-masing setelah terjadinya pertukaran energi. Pada pendinginan cairan atau pelembaban gas (udara), cairan menguap sebagian dan uap tersebut terbawa oleh gas. Pada APK ini, lebih dari 90% transfer energi dilakukan dengan perpindahan massa (evaporasi zat cair), dan perpindahan kalor konveksi berperan kecil.

Aplikasi yang paling umum pada tipe APK ini adalah menara pendingin air dengan aliran udara paksa atau bebas. Aplikasi lainnya meliputi air-conditioning spray chamber, spray drier, spray tower, dan spray pond (Gambar 1.5).

(a) (b)

Gambar 1.5 APK Gas-Cairan (a) Spray pond (b) Spray tower (c) APK Likuid-Vapor

Pada tipe ini, uap air (stim, steam) biasanya dikondensasikan oleh air pendingin atau air dipanasi oleh stim sisa melalui kontak langsung di APK. Arus keluaran dari APK berupa stim sisa tak terkondensasikan dan air panas. Contoh umumnya berupa desuperheater (Gambar 1.6) dan open feedwater heater pada pembangkit daya.

8

Mixing Chamber

Uap keluaran Desuperheater Uap

Superheat

masuk PSV

Spindle

Air dingin masuk

Gambar 1.6 Desuperheater [spiraxsarco.com/desuperheating, 2011]

(2) APK Kontak Tidak Langsung

APK kontak tidak langsung memiliki aliran fluida terpisahkan satu sama lain dan kalor dipindahkan terus-menerus melalui dinding pemisah atau keluar masuk dinding secara temporer. Jadi, tidak ada kontak langsung sama sekali antara fluida yang berinteraksi secara termal. Tipe penukar kalor seperti ini juga dikenal sebagai APK permukaan, yang dapat digolongkan lebih jauh menjadi tipe direct-transfer, storage, dan fluidized-bed.

(a) APK tipe transfer langsung (Direct-Transfer)

Kalor pada APK tipe direct-transfer mengalir dari fluida panas ke fluida dingin melalui dinding batas. Walaupun dibutuhkan dua atau lebih fluida secara bersamaan, tidak ada pencampuran langsung di antara fluida-fluida tersebut karena setiap fluida mengalir pada jalannya masing-masing. Umumnya tidak ada bagian yang bergerak pada APK tipe ini. Penukar kalor tipe ini disebut APK rekuperatif, atau secara sederhana disebut hanya rekuperator. Beberapa contoh APK tipe transfer-langsung ialah APK tubular, pelat, dan permukaan diperluas (extended surface). Istilah rekuperator jarang sekali digunakan di industri proses. APK jenis ini banyak disebut APK shell-and-tube, walaupun masuk ke dalam golongan rekuperator. Rekuperator lebih jauh digolongkan lagi menjadi APK prime surface dan permukaan diperluas. APK prime surface tidak memakai sirip atau peluasan lain pada dinding aslinya. APK tubular sederhana, APK

9

shell-and-tube dengan tube biasa, dan APK pelat adalah contoh untuk APK prime surface.

(b) APK Storage

Kedua fluida pada APK tipe ini mengalir melalui jalan yang sama secara bergantian, dan karena itu pertukaran kalor terjadi secara berjeda (intermiten).

Permukaan perpindahan kalor (atau jalur aliran) umumnya terdiri atas konstruksi sel-sel dan disebut sebagai matriks. Matriks dapat berupa material padat berpori atau bersifat permeabel yang dikenal dengan packed bed (Gambar 1.7). Ketika gas panas mengalir melewati permukaan perpindahan kalor, energi termal dari gas panas disimpan dalam dinding matriks, kemudian gas panas akan didinginkan selama periode pemanasan matriks. Berikutnya, gas dingin mengalir melalui jalur yang sama, dinding matriks melepaskan energi termal, yang diserap oleh gas dingin. Jadi, kalor tidak mengalir melalui dinding secara kontinu seperti pada APK tipe transfer langsung (rekuperator), tetapi energi termal yang dilibatkan secara bergantian, energi termal disimpan kemudian dilepaskan oleh dinding matriks. Untuk pengoperasi APK ini secara terus-menerus dan dalam jangkauan suhu tertentu, maka gas, header, dan matriksnya dapat di-switch secara berkala (misalnya dengan diputar).

Periode saat gas panas melewati matriks dingin disebut sebagai hot blow, dan periode gas dingin mengalir melalui matriks panas disebut atau cold blow. Agar operasi dapat berjalan dengan baik, gas panas dan dingin tidak memiliki waktu periode yang sama. Di sini akan terdapat kebocoran yang tidak bisa dicegah dari fluida yang terperangkap ketika terjadi penggantian fluida (switch). Selain itu jika terdapat perbedaan tekanan di antara fluida panas dan dingin maka akan terdapat kebocoran tekanan dari fluida tekanan tinggi ke fluida tekanan rendah. Karena kebocoran- kebocoran tersebut tak dapat dihindari maka APK ini hanya digunakan secara eksklusif untuk perpindahan kalor dan massa dari gas ke gas dengan kalor sensibel.

10

Gambar 1.7 Matriks keramik thermal storage (c) APK Fluidized-Bed

Pada APK fluidized-bed (Gambar 1.8), sebagian dari APK diletakkan di dalam pertikel material padat yang halus, misalnya pasir atau partikel batu bara. Udara fluidisasi dihembuskan dari bagian dasar APK menuju bagian atas. Jika kecepatan fluida rendah, partikel padatan tetap tidak akan bergerak dan fluida mengalir melalui sisi-sisi kosong dari lapisan. Bila kecepatan fluida ke atas tersebut tinggi, partikel padatan akan terbawa oleh fluida itu.

Pada nilai kecepatan yang tepat, jika gaya seret (drag) ke atas sedikit lebih besar daripada bobot partikel lapisan, hasilnya partikel-partikel padatan akan melayang, dan lapisan tersebut akan berlaku seperti cairan. Ciri ini dikenal sebagai kondisi terfluidisasi dari lapisan butiran. Pada keadaan ini, penurunan tekanan fluida melalui lapisan hampir selalu konstan, tidak bergantung pada kecepatan aliran, dan pencampuran dari partikel padatan mulai terjadi. Hal ini mengakibatkan suhu yang merata di lapisan butiran (gas dan partikel) dengan konduktivitas termal yang pasti untuk partikel padatan, yaitu infinity. Koefisien perpindahan kalor yang sangat tinggi dicapai pada sisi terfluidisasi dibandingkan dengan aliran fluida yang tanpa partikel. Di banyak aplikasi proses, reaksi kimia biasanya akan terjadi pada sisi yang terfluidisasi, dan pembakaran terjadi pada fluidized bed batu bara. Aplikasi umum dari APK fluidized-bed adalah pengeringan, pencampuran, adsorpsi, reaktor, pembakaran batu bara, dan pengambilan kalor sisa.

11

Gambar 1.8 APK fluidized-bed [Shah, 2003].

1.2.2 Klasifikasi Menurut Jumlah Fluida

Kebanyakan proses pemanasan, pendinginan, pemulihan panas, dan pembuangan kalor akan melibatkan perpindahan kalor di antara dua buah fluida. Jadi, APK dua-fluida adalah jenis APK yang paling umum. APK dengan tiga fluida juga banyak digunakan pada proses kriogenik dan beberapa proses kimia (contoh: sistem penyaringan udara, unit pemisah helium-udara, pemurnian dan pencairan hidrogen, dan sintesis gas ammonia). APK dengan fluida sebanyak 12 aliran telah digunakan pada beberapa aplikasi proses kimia. Teori desain dari APK tiga sampai multifluida akan lebih kompleks dalam perhitungannya.

1.2.3 Klasifikasi Menurut Permukaan Kompak

Dibandingkan dengan APK shell and tube, APK kompak dicirikan dengan besarnya luas permukaan perpindahan kalor per satuan volume APK, sehingga menyebabkan penyusutan ruang volume yang dipakai, bobot, struktur penopang, biaya, dan kebutuhan energi, serta penyempurnaan desain proses dan kondisi-kondisi tata letak instalasi dan proses. APK gas-cairan dikatakan kompak bila memiliki permukaan perpindahan kalor dengan kerapatan lebih dari 700 m²/m³ atau memiliki diameter hidrolik Dh ≤ 6 mm, bila beroperasi pada aliran gas dan lebih dari 400 m²/m³ untuk

12

pengoperasian fluida cairan atau aliran dengan perubahan fase. APK aliran laminar (APK meso) mempunyai kerapatan luas permukaan lebih dari 3000 m²/m³ atau 100 μm ≤ Dh

≤ 1 mm. Istilah APK mikro digunakan bila kerapatan luas permukaan lebih besar dari 15000 m²/m³ atau 1 μm ≤ Dh ≤ 100 μm.

APK dengan fluida cairan/dua fase dikatakan kompak bila kerapatan luas permukaannya lebih dari 400 m²/m³. Sebaliknya, pada APK shell and tube untuk industri proses biasa memiliki kerapatan luas permukaan kurang dari 100 m²/m³. APK plat biasa mempunyai koefisien perpindahan kalor konveksi h dan koefisien perpindahan kalor total U rata-rata mempunyai nisbah dua kali lebih besar dari shell and tube untuk aplikasi APK air ke air. APK kompak tidak selalu berukuran dan bermassa kecil. Namun, bila tidak mencakup permukaan dengan kerapatan luas dengan permukaan yang besar, maka APK tersebut akan berukuran lebih besar dan lebih berat.

Beberapa contoh APK kompak adalah plate-fin, tube-fin, dan regenerator rotari. Susunan aliran dasar dari APK kompak dua fluida adalah single-pass crossflow, counterflow, dan multipass cross-counterflow. Gambar 1.9 menunjukkan spektrum kerapatan luas permukaan perpindahan kalor pada APK.

Gambar 1.9 Spektrum kerapatan luas permukaan perpindahan kalor pada APK [Shah, 1981].

13 1.2.4. Klasifikasi menurut Konstruksi

APK seringkali dicirikan oleh konstruksinya. Empat tipe konstruksi yang paling umum ialah tubular, pelat, permukaan diperluas, dan regenerator. APK dengan tipe konstruksi yang lain, dapat diklasifikasikan misalnya scraped surface exchanger, pemanas tanki, cooler cartridge exchanger, dan lain-lain. Beberapa yang tersebut tadi dapat dimasukkan ke dalam jenis tubular, tetapi mereka memiliki keunikan yang berbeda dibandingkan APK tubular konvensional dan memiliki aplikasi yang spesifik.

Penggunaan metoda ε-NTU dan LMTD untuk tipe tubular, pelat, dan permukaan diperluas adalah identik, tetapi dalam proses perancangannya pengaruh dari faktor- faktor berikut harus diperhitungkan, yaitu kebocoran dan laluan aliran pada shell-and- tube, pengaruh akibat beberapa pelat pada APK pelat, dan efisiensi sirip pada APK jenis permukaan diperluas. Demikian pula halnya dengan APK storage, metode ε-NTU harus disesuaikan dengan memperhitungkan kapasitas kalor matriks pada storage.

(1) APK Berbentuk Pipa (Tubular)

APK tipe ini umumnya dibuat dari pipa profil bulat, elips, kotak, atau pilin. Dalam perancangannya terdapat tingkat fleksibilitas yang cukup tinggi karena geometri inti dapat diragamkan dengan mudah, yaitu dengan perubahan diameter pipa, panjang, dan susunannya. APK tubular dapat didesain untuk tekanan tinggi relatif terhadap lingkungan maupun relatif terhadap fluida-fluidanya. APK tubular digunakan terutama untuk aplikasi perpindahan kalor likuid-likuid dan likuid-dua fase atau pada gas-liquid dan gas-gas terutama bila suhu dan tekanan operasi sangat tinggi. Selain itu faktor pengerakan (fouling) merupakan masalah besar pada dinding permukaan perpindahan kalor. APK jenis ini diklasifikasikan menjadi APK shell-and-tube, double-pipe, dan spiral.

Kesemua APK tersebut merupakan APK dengan permukaan primer.

(a) APK double pipe (pipa ganda)

APK pipa ganda seperti pada Gambar 1.10 terdiri atas satu pipa berada di dalam pipa lain yang memiliki diameter lebih besar yang ditempatkan konsentris dengan penyusunan yang tepat untuk mengalirkan fluida dari bagian satu ke bagian yang lain.

Pipa ganda dapat disusun dalam berbagai susunan seri dan paralel untuk mencocokkan

14

dengan kebutuhan hilang tekanan (pressure drop) dan beda suhu rata-rata. Penggunaan utama pipa ganda adalah untuk proses pemanasan (sensible heating) dan pendinginan (cooling) pada fluida dengan kebutuhan luas permukaan kalor yang kecil (sampai 50 m²). Konfigurasi ini juga cocok digunakan ketika fluidanya memiliki tekanan yang tinggi kira-kira sampai 4500 psia pada pipa luar (shell side) dan 21000 psia pada pipa dalam (tube side). Namun, kerugian menggunakan APK ini adalah memerlukan tempat yang besar dan mahal untuk tiap satuan permukaan perpindahan kalor. Jumlah pipa yang ada di dalam dapat berupa tunggal atau banyak; jika terlalu banyak maka jenis ini bisa menjadi jenis shell and tube. Jika koefisien pertukaran kalor sangat kecil di dalam annulus atau shell maka dapat digunakan sirip.

Gambar 1.10 APK Pipa Ganda (b) APK Selongsong-dan-Pipa (Shell and Tube)

APK selongsong-dan-pipa terdiri atas pipa-pipa yang tersusun melingkar yang berada di dalam satu pipa yang lebih besar yang dinamakan selongsong di mana susunan pipa-pipa (tube bundle) tersebut sejajar terhadap selongsong tersebut. APK inilah yang paling banyak digunakan. Pada Gambar 1.11 menunjukan salah satu contoh APK jenis Shell and Tube.

APK ini umumnya terdiri atas sekumpulan pipa-pipa bulat yang dimasukkan ke dalam selongsong bulat dengan sumbu pipa paralel terhadap sumbu selongsong. Satu fluida mengalir di sisi pipa, fluida lainnya mengalir di sekeliling pipa. Komponen- komponen utama dari APK ini ialah kumpulan pipa-pipa (tube bundle), selongsong (shell), kepala depan (front-end head), kepala belakang (rear-end head), baffle, dan tubesheet.

15

Terdapat bermacam konstruksi dari APK ini, bergantung pada perpindahan kalor yang dibutuhkan, performa penurunan tekanan, metode yang digunakan untuk mengurangi tegangan termal, mencegah kebocoran, mempermudah pembersihan, menjaga suhu/tekanan operasi, mengendalikan korosi, mengakomodasi aliran yang sangat asimetris, dan lain-lain. APK selongsong-dan-pipa digolongkan sesuai dengan standar-standar yang banyak digunakan seperti standar TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association), DIN, dan ASME (American Society of Mechanical Engineers) bagian boiler dan pressure vessel codes. TEMA telah mengembangkan suatu sistem notasi untuk menamai tipe umum dari selongsong-dan-pipa. Pada sistem ini setiap APK dinamai dengan kombinasi tiga huruf; huruf pertama menunjukkan tipe front-end head, yang kedua menunjukkan tipe shell, dan yang ketiga menunjukkan tipe rear-end head.

Perlu diperhatikan lebih lanjut bahwa terdapat tipe selongsong-dan-pipa lain yang bersifat spesial yang tersedia secara komersial dengan tipe front-end head dan rear-end head berbeda dari standar TEMA, sehingga tidak dapat diidentifikasi dengan penamaan huruf dari TEMA.

Gambar 1.11 APK selongsong-dan-pipa (c) APK pipa spiral (spiral tube)

Tipe ini terdiri atas gulungan koil-koil yang berbentuk spiral dan ditempatkan di dalam sebuah selongsong dan biasa digunakan dalam sistem refrigerasi. Koefisien perpindahan kalor dalam pipa spiral ini lebih tinggi daripada pada pipa yang lurus. APK

16

ini cocok untuk ekspansi termal dan digunakan pada fluida yang bersih, karena hampir tidak mungkin untuk pengerjaaan pembersihan.

(d) APK Air-cooled

APK air-cooled yang dimaksud disini adalah APK tubular dengan udara lingkungan mengalir melewati bagian luar pipa, berfungsi sebagai media pendingin untuk mengkondensasikan dan/atau mendinginkan fluida di dalam pipa.

Udara menjadi pilihan tepat sebagai media pendingin, sebagai pengganti air, karena udara dalam tersedia di sekeliling kita dalam jumlah yang tidak terbatas. Hal tersebut telah digunakan sejak lama oleh insinyur otomotif di radiator mobil. Namun, udara mempunyai koefisien konduktivitas termal yang rendah dibandingkan dengan air yang memiliki konduktivitas termal 23 kali lebih besar pada suhu 35 ^oC. Kalor spesifik air empat kali lebih besar daripada udara, dan densitasnya dibandingkan dengan udara pada tekanan dan suhu standar yang 800 kali lebih besar. Oleh sebab itu, untuk beban kalor yang diberikan dan kenaikan suhu pendingin, sejumlah besar udara dibutuhkan daripada air, yaitu 4 kali masa dan 3200 kali volume udara. Kecuali kalau air tidak tersedia, pilihan antara udara atau air sebagai medium pendingin bergantung pada banyak faktor dan harus dikaji secara mendalam. Pendinginan dengan udara memberikan solusi terbaik meskipun pada kenyataannya tersedia cukup banyak persediaan air pendingin yang bermutu bagus. Berikut ini ditampilkan Tabel 1.1 yang memberikan pertimbangan dalam mengkaji penggunaan pendingin udara dibandingkan pendingin air.

Orientasi (penempatan) yang umum pada air-cooled adalah bidang horizontal.

Untuk mengurangi area di bawahnya, dapat dibuat jika tube bundle di pasang pada bidang vertikal, tetapi kinerja dari unit tersebut terpengaruh secara drastis oleh arah angin yang diembuskan. Tabir pelindung (protective screen) sering kali digunakan untuk menjaga performa rancangan. Pada umumnya, penggunaan bundle yang dipasang secara vertikal dibatasi dengan ukuran yang kecil. Untuk memberikan jalan keluar dengan menggunakan setengah ground area dari unit horizontal, berupa bentuk bingkai

’A’ atau ’V’. Dalam dua jenis bundle ini, kemiringan yang digunakan 30–45^o dari vertikal, digabungkan dengan header pada bagian atas atau bawah, untuk membentuk sisi miring dari ’A’ atau ’V’ (Gambar 1.12). Bentuk ’A’ atau tipe ’atap’ lebih umum dan digunakan dalam aplikasi kondensasi uap.

17

Tabel 1.1. Perbandingan antara pendingin udara dan air.

Hal Komentar

Pilihan lokasi Pilihan tidak terbatas jika udara sebagai pendingin, tetapi instalasi harus berdekatan dengan sumber jika menggunakan air sebagai pendingin.

Pengerakan Pengerakan pada sisi udara biasanya diabaikan, sedangkan pengerakan pada sisi air merupakan masalah yang sering muncul.

Perawatan Biaya perawatan untuk pendingin udara diperkirakan sekitar 25%

dari sistem pendinginan menggunakan air.

Faktor lingkungan Kebisingan adala faktor yang harus dipertimbangakan dalam design kipas untuk pendingin udara.

Suhu keluar fluida proses Pendinginan dengan air mampu mendinginkan fluida proses sampai 3-6 ^oC lebih rendah daripada pendinginan dengan udara.

Efek cuaca Suhu udara adalah sesuatu yang berfluktuasi lebih cepat dan lebih besar daripada air, utamanya karena adanya matahari dan hujan, membuat pengendalian suhu dan percobaan perfomans lebih sulit. Sirip yang terbuka pada udara bebas menimbulkan risiko rusak karena hujan batu es. Dalam area yang memiliki suhu musim dingin yang sangat rendah, perancangan yang tepat digunakan untuk mencegah fluida proses membeku dalam pipa.

Ruang – hanya untuk pendingin

Pendingin udara menempati ruang yang lebih luas, meskipun ruang di bawahnya dapat dimanfaatkan untuk peralatan lainnya atau penyimpanan.

Biaya modal Biaya modal untuk pendingin udara sendiri kurang lebih 2 4 kali lebih besar daripada unit selongsong-dan-pipa yang setara.

Sistem pendingin udara tidak membutuhkan menara pendingin, pompa, rumah pompa, pipa, katup, filter, plat pengolahan air, dan sebagainya.

Biaya total operasi Sistem yang bersangkutan harus dibandingkan berdasarkan depresiasi, perawatan, dan biaya sumber daya yang dibutuhkan.

Gambar 1.12 Orientasi tube bundle pada APK air-cooled.

18

Selain orientasi pada tube bundle terdapat juga pilihan aliran udara antara forced dan induced-draught (Gambar 1.13). Pada unit dengan force-draught, udara ditarik melalui kipas dan dipaksa melalui tube bundle. Pada unit dengan induced-draught, udara pertama diisap melalui tube bundle. Keuntungan yang didapat dari induced- draught antara lain memiliki kebisingan yang minimuml, aliran udara yang lebih seragam, dan memberikan perlindungan dari cuaca. Pada forced-draught didapat keuntungan antara lain berupa perpindahan kalor yang lebih tinggi karena terjadinya turbulensi, udara yang dipakai lebih dingin, dan lebih mudah terpengaruh oleh cuaca.

Gambar 1.13 Forced-draught dan Induced-draught dengan komponennya.

(2) APK Berbentuk Pelat (PHE, Plate Heat Exchanger)

APK terbentuk dari pelat-pelat tipis yang membentuk saluran-saluran di mana fluida dingin dan fluida panas mengalir. APK berbentuk pelat dapat digunakan untuk memindahkan kalor dari berbagai macam kombinasi aliran fluida baik gas, cair maupun fluida yang berubah fase. Pelat-pelat tersebut dapat berkontur polos maupun korugasi atau cerukan bergelombang. Umumnya, APK ini digunakan untuk aliran bertekanan dan perbedaan suhu yang rendah. APK pelat (PHE) dapat dibedakan sebagai PHE gasket, welded, atau brazed, bergantung pada tingkat anti-bocor yang diperlukan. PHE jenis lainnya berupa pelat spiral, lamella, dan koil pelat (plate coil). Pada Gambar 1.14 dapat dilihat APK jenis PHE.

19 (a) Gasketed-Plate Heat Exchangers

PHE plate-and-frame atau gasket (Gambar 1.14) terdiri atas sejumlah pelat logam persegi panjang tipis disegel pada sekelilingnya oleh gasket dan disatukan dalam satu bingkai (frame). Bingkai yang dimaksud biasanya mempunyai ujung cover tetap, dengan jalur-jalur penghubung dan sebuah cover ujung yang mampu bergerak. Pada bingkai tersebut posisi pelat-pelat dijaga dari atas oleh upper carrying bar dan dari bawah oleh bottom carrying bar. Untuk itu setiap pelat diberi bentukan pada bagian tengah sisi atas dan bawahnya. Satu unit pelat, cover ujung tetap dan cover ujung mampu gerak direkatkan dengan baut yang panjang, sehingga gasket tertekan dan menyegel aliran fluida.

(a)

(b)

Gambar 1.14 Konstruksi dan arah aliran APK gasket [Shah, 2003].

20

PHE diperkenalkan pada tahun 1923 untuk pasteurisasi susu dan kini mengambil peran utama untuk aplikasi perpindahan kalor likuid-likuid. PHE ini sangat umum dalam industri susu, jus, minuman kaleng, pemrosesan bahan makanan, dan farmasi, sebab tingkat kemudahan pembersihan dan pengontrolan suhu yang dimiliki membuatnya ideal untuk memenuhi kebutuhan akan sterilisasi/pasteurisasi. PHE ini juga digunakan pada industri karet sintetik, pabrik kertas, pemanas, pendingin proses, dan sistem pendingin sirkuit tertutup pada instalasi petrokimia dan pembangkit listrik besar. Di sini pembuangan kalor ke air laut terjadi oleh sebab itu digunakan pelat titanium untuk mencegah korosi.

(b) APK Plat Welded

Salah satu kekurangan dari PHE gasket adalah keberadaan gasket itu sendiri, yang membatasi terhadap jenis fluida tertentu dan membatasi suhu dan tekanan kerja.

Untuk mengatasi masalah ini telah muncul rancangan PHE dengan proses las pada sisi pelat-pelatnya. Untuk mengurangi biaya efektif pengelasan, ukuran pelat untuk APK ini biasanya lebih besar daripada untuk PHE gasket. Kelemahan dari tipe ini adalah hilangnya fleksibilitas pembongkaran karena pengelasan. Pengelasan laser dilakukan di sekeliling tepi pelat, tempat gasket biasanya berada. Pengelasan pada kedua sisi menghasilkan kisaran yang lebih tinggi untuk suhu dan tekanan kerja dan memungkinkan penggunaan fluida korosif yang cocok dengan material pelat.

(c) APK Pelat Spiral (Spiral Plate Heat Exchanger)

Sebuah APK pelat spiral terdiri atas dua pelat logam yang relatif panjang, dibungkus secara heliks untuk membentuk sepasang saluran spiral tempat aliran dua fluida mengalir. Setiap fluida memiliki sebuah jalur panjang disusun dalam satu paket kompak. Untuk menyempurnakan APK ini, penutup dipasangkan pada tiap ujungnya.

Logam apa saja yang mapu dibentuk dingin dan mampu dilas dapat digunakan sebagai material utama APK pelat spiral ini. Logam yang umum digunakan antara lain baja karbon dan beberapa penggunaan untuk fluida yang mengandung senyawa kimia yang bersifat destruktife digunakan logam seperti titanium, hastelloy, incoloy, dan paduan logam kaya nikel. Elemen spiral dasar disegel dengan cara dilas pada setiap sisi saluran atau dengan memasang gasket pada tiap ujung penutup. Seluruh rakitan dimasukkan ke dalam sebuah selongsong silindris ditutup oleh penutup bulat datar atau konis.

Gambar 1.15. menunjukkan konstruksi APK jenis spiral.

21

Fluida 2 Masuk

Fluida 2 Keluar Fluida 1

Masuk

Fluida 1 Keluar

Gambar 1.15 APK pelat spiral dengan dua fluida berlawanan arus spiral [Shah, 2003].

(d) APK Lamela (Lamella Heat Exchanger)

APK lamela (Gambar 1.16) terdiri atas pipa selongsong luar yang di dalamnya terdapat sekumpulan elemen perpindahan kalor. Elemen tersebut, dikenal dengan sebutan lamela, terdiri atas pipa-pipa datar. Bukaan dalam dari lamella berkisar antara 3 dan 10 mm dan ketebalan dindingnya 1,5-2 mm. Lamela ditumpuk berdekatan untuk membentuk saluran sempit. Pada APK kecil lebar lamela meningkat dari sisi selongsong ke tengah selongsong agar memaksimalkan semua ruang yang tersedia. Pada APK yang lebih besar lamela terdiri atas dua atau lebih pipa datar untuk menjaga tekanan kerja.

Sekat (baffle) tidak digunakan pada APK lamela. Satu fluida mengalir di dalam pipa lamela dan fluida lainnya mengalir longitudinal pada celah antara lamella tanpa sekat di sisi selongsong. Jenis aliran pada APK ini adalah satu laluan, dan biasanya alirannya berlawanan. Koefisien perpindahan kalor yang tinggi biasanya diperoleh karena diameter hidrolik yang kecil dan tidak adanya kebocoran atau arus bypass seperti pada APK selongsong-dan-pipa konvensional. Unit lamela besar dapat mempunyai permukaan dengan luas sampai 1000 m². APK lamela memiliki bobot kurang dari APK selongsong- dan-pipa dengan bobot kerja yang sama. APK ini digunakan untuk pengambilan kalor pada industri kertas, industri proses kimia, dan aplikasi industri lainnya bersaing dengan APK selongsong-dan-pipa.

22

Gambar 1.16 (a) APK lamela; (b) irisan penampang APK lamella; (c) lamela. [Alfa Laval Thermal, Inc., Lund, Sweden]

(e) APK Printed-Circuit (PCHE)

APK ini (Gambar 1.17) hanya bisa memiliki permukaan primer seperti pada PHE.

Jalur-jalur halus dibuat pada plat dengan teknik yang sama yang digunakan untuk membuat PCB. Untuk dua aliran fluida, terdapat pola etching yang berbeda untuk menciptakan aliran counterflow, crossflow, atau multipass cross-counterflow. Laluan yang banyak dan arus fluida yang banyak dapat dibuat pada satu blok plat. Beberapa blok disatukan dengan cara las untuk aplikasi beban kalor besar. Kerapatan luas permukaan yang tinggi, 650 sampai 1300 m²/m³, untuk tekanan kerja 50-10 MPa dan suhu kerja 150-800ºC. Jenis material yang digunakan termasuk baja antikarat, titanium, tembaga, nikel, dan beberapa paduan yang mengandung nikel. Alat ini digunakan dengan fluida gas, cairan, dan perubahan fase yang relatif bersih, seperti pada aplikasi industri proses kimia, pengolahan bahan bakar, pengambilan kalor sisa, energi dan daya, refrigerasi, dan pemisahan udara. PCHE ini digunakan secara ekstensif pada anjungan minyak lepas-pantai sebagai pendingin kompresor, pendingin gas, pada proses kriogenik untuk menghilangkan gas mulia, dan lain-lain. Karena mempunyai saluran berukuran kecil, penurunan tekanan dapat menjadi hambatan bagi aplikasi dengan

23

tekanan rendah dan sedang. Bagaimanapun juga, keuntungan terbesar dari APK ini adalah tekanan kerja yang tinggi, fleksibel dalam hal desain, dan sangat efektif.

Gambar 1.17 APK printed-circuit (PCHE) [Heatric Division of Meggitt Ltd., Dorset, UK.]

(3) APK Permukaan Diperluas (Extended Surface Heat Exchanger)

APK tubular dan pelat semuanya adalah APK dengan permukaan primer, kecuali pada shell-and-tube dengan pipa low-fin. APK jenis ini mempunyai efektivitas terbaik kurang dari 60%, dan kerapatan luas permukaan perpindahan kalornya biasanya kurang dari 700 m²/m³. Pada beberapa aplikasi, efektivitas APK yang sangat tinggi sangat diperlukan, dan volume serta massa unit dibatasi sehingga APK yang mempunyai permukaan lebih kompak menjadi keharusan. Ditambah lagi jika digunakan pada fluida gas atau beberapa cairan dengan koefisien perpindahan kalornya kecil. Hal ini menyebabkan munculnya kebutuhan akan luas permukaan perpindahan kalor yang besar. Salah satu metode yang paling umum untuk meningkatkan luas permukaan dan kerapatan APK adalah dengan menambahkan sirip dengan kerapatan setinggi-tingginya sesuai dengan kebutuhan desain. APK ini menjadi APK permukaan-diperluas. Geometri plate-fin dan tube-fin adalah dua tipe paling umum dari APK permukaan-diperluas.

(a) APK Sirip-Pelat (Plate-Fin)

APK tipe ini (Gambar 1.18) memiliki sirip bergelombang atau pemisah yang diletakkan selang-seling di antara pelat-pelat. Bila fluida cairan atau uap mengalir pada sisi lainnya, lembaran pemisahnya biasanya digantikan oleh pipa datar. APK plate-fin telah diproduksi sejak 1910 oleh industri otomotif, sejak tahun 1940 oleh industri kapal

24

terbang, dan industri pencairan gas sejak tahun 1950. Kini APK sirip-pelat telah banyak digunakan pada sistem pembangkit tenaga listrik, motor bakar, dan pada aplikasi lainnya.

Plat partisi

Fin

Fin Batang penguat

Batang penguat

Plat partisi

Gambar 1.18 Komponen dasar APK pelat-sirip [Shah and Webb, 1983].

(b) APK Tube-Fin

APK ini (Gambar 1.18) dapat dibedakan menjadi tube-fin konvensional dan tube- fin spesial. Pada tube-fin konvensional, perpindahan kalor antara dua fluida terjadi secara konduksi melalui dinding pipa. Namun, pada APK pipa kalor (tube-fin tipe spesial), pipa dengan kedua ujungnya ditutup dan perpindahan kalor di antara kedua ujungnya melalui fluida yang bersikulasi di dalamnya. APK tube-fin digunakan bila pada satu fluida tekanan atau koefisien perpindahan kalornya lebih tinggi dari fluida satunya lagi. Akibatnya APK ini digunakan secara ekstensif pada aplikasi refrigerasi dan penyejuk udara sebagai kondenser dan evaporator, kondenser di pembangkit tenaga listrik, pendingin minyak di pembangkit daya, dan sebagai APK berpendingin-udara pada industri proses dan daya. APK pipa kalor (heat pipe heat exchanger, HPHE) umumnya dipakai pada aplikasi perpindahan kalor gas ke gas. APK jenis ini digunakan terutama untuk aplikasi pengambilan kalor sisa pada banyak industri.

25

Gambar 1.19 APK tube-fin [Shah, 2003].

(4) Regenerator

Regenerator (Gambar 1.20) adalah APK tipe storage. Permukaan atau elemen perpindahan kalornya biasanya dikenal dengan matriks regenerator. Untuk bekerja secara kontinu maka matriks harus digerakkan ke dalam dan keluar aliran fluida gas seperti pada regenerator rotari atau aliran gas dilarikan masuk keluar katup-katup menuju dan melewati matriks yang tetap seperti pada regenerator matriks tetap.

Keuntungan utama dari regenerator daripada rekuperator adalah permukaan yang lebih kompak, sehingga mengurangi volume APK dan berarti regenerator lebih ekonomis dibandingkan rekuperator. Regenerator biasanya dibuat dari logam, keramik, nilon, plastik dan kertas, bergantung pada aplikasi. Keuntungan lain dari regenerator counterflow dibandingkan dengan rekuperator counterflow adalah header untuk aliran fluida pada regenerator lebih sederhana. Hal ini dikarenakan kedua fluida mengalir pada seksi-seksi regenerator yang berbeda. Permukaan yang kompak dan susunan counterflow membuat regenerator ideal untuk aplikasi APK gas ke gas dengan kebutuhan efektivitas termal APK lebih dari 85%.

26

Gambar 1.20 Regenerator rotari atau heat wheel.

Kelemahan terbesar dari APK regenerator rotari adalah operan yang tak terelakkan dari fraksi kecil fluida yang terperangkap ketika matriks berganti fluida. Regenerator tidak dapat digunakan untuk fluida cair sehingga hanya dapat dipakai pada aplikasi perpindahan kalor gas ke gas terutama untuk pengambilan kalor sisa, dan tidak dapat dipakai dengan fluida cair dan fluida berubah fase.

(4) Pipa Kalor (Heat Pipe)

Pipa Kalor adalah sebuah teknologi penghantaran kalor dengan menggunakan pipa berukuran tertentu yang berisi cairan khusus sebagai fluida kerja dari ujung yang panas ke ujung lain yang lebih dingin. Konsep pipa kalor pertama kali ditemukan oleh RS Gougler dari General motor Corporation, Ohio, USA. Pipa kalor ini dipatenkan pada tahun 1942 dan publikasikan oleh US Patent pada tahun 1944. Pipa kalor tidak membutuhkan daya tambahan dari luar dan tidak ada bagian mekanis yang bergerak. Keunggulan lain pipa kalor adalah digunakan dalam situasi di mana sumber kalor dan pelepas kalor dapat ditempatkan pada posisi yang berbeda sehingga pada kebutuhan tertentu dapat mencegah kalor berpusat di suatu titik. Dalam aplikasinya pipa kalor digunakan untuk mendinginkan komponen elektronik, seperti pada AC, refrigerator, dan komputer notebook.

Mekanisme penghantaran kalor pada pipa kalor dilakukan melalui tiga daerah hantaran yaitu, evaporator, daerah adiabatik, dan kondensor. Fluida cair diuapkan di daerah evaporator, kemudian uap melewati daerah adiabatik hingga mencapai daerah

27

kondensor. Kalor uap dilepaskan pada daerah kondensor sehingga uap mengalami kondensasi dan cairan kondensat tersebut mengalir menuju daerah evaporator kembali melalui daya kapilaritas wick. Pipa kalor dapat secara berkesinambungan menghantarkan kalor ke daerah kondensor. Proses ini akan berlanjut selama ada tekanan kapilaritas yang cukup untuk membawa cairan kembali ke daerah evaporator.

Skema aliran pada pipa kalor silinder diperlihatkan pada Gambar 1.21.

Gambar 1.21 Skema Mekanisme Hantaran Kalor pada Pipa kalor [Dunn 1978]

Faktor-Faktor yang mempengaruhi kinerja pipa kalor yaitu fluida kerja dan gaya kapiler pada sumbu (wick). Dalam menentukan fluida kerja yang akan digunakan di dalam pipa kalor, harus mempertimbangkan rentang suhu penguapan, sifat-sifat fisik, dan konduktivitas termalnya.

Gambar 1.22 Struktur sumbu pada pipa kalor [Dunn & enertron-inc.com]

Sumbu merupakan struktur kapilaritas atau arteri yang berfungsi sebagai saluran balik dari fluida kerja pada daerah kondensor menuju ke daerah evaporator melalui

28

bagian adiabatik. Secara umum terdapat empat jenis struktur sumbu secara umum, yakni screen mesh, wire bundle, grove, dan sintered powder metal (Gambar 1.22).

1.2.5 Klasifikasi Menurut Susunan Aliran

Susunan aliran fluida yang umum pada APK diklasifikasikan seperti pada Gambar 1.23. Pemilihan jenis susunan tertentu bergantung pada efektivitas APK yang dibutuhkan, penurunan tekanan yang ada, kecepatan minimum dan maksimum yang dibolehkan, jalur aliran fluida, selongsong seluruh unit, tegangan termal yang diijinkan, level suhu, pertimbangan pemipaan, dan kriteria desain lainnya.

Fluida dikatakan mengalir dalam satu laluan/aliran bila ia mengalir pada penampang APK sekali dalam satu alirannya. Setelah mengalir satu laluan penuhnya bila arah aliran dibalik dan mengalir melalui penampang yang sama atau berbeda ukuran maka dapat dikatakan bahwa fluida tersebut telah melakukan laluan keduanya.

APK dikatakan satu laluan bila kedua fluidanya melakukan satu laluan pada APK tersebut.

(1) APK Satu Laluan (Single-pass) (a) APK Aliran Paralel

Pada APK aliran paralel, aliran fluida masuk bersama-sama pada satu sisi, mengalir secara paralel satu sama lainya dengan arah yang sama, dan keluar pada sisi lainnya. Keragaman suhu fluida, diidealisasikan dalam satu dimensi, ditunjukkan pada Gambar 1.23.

Gambar 1.23 Distribusi suhu pada APK aliran pararel [Shah, 1981]

29

Perbedaan suhu pada awalnya sangat besar tetapi berkurang secara cepat seiring pertambahan panjang APK tersebut dan mencapai nol secara asimtot. Penting untuk diingat bahwa untuk APK jenis ini, suhu keluaran fluida dingin tidak pernah melebihi fluida panas.

Dalam Gambar 1.23, dengan Th,1 = Th,1, Th,o = Th,2, Tc,i = Tc,1, Tc,o = Tc,2, maka pada perbedaan suhu pada setiap ujung adalah;

1 ,1 ,1 , ,

2 ,2 ,2 , ,

h c h i c i

h c h o c o

T T T T T

T T T T T

    

 

     

 

Konfigurasi aliran paralel memiliki efektivitas APK yang paling rendah di antara APK satu-laluan, dengan pertimbangan kondisi konduktans termal keseluruhan (UA), kecepatan fluida (heat-capacity dari fluida) dan suhu masuk. Bagaimanapun, untuk APK dengan efektivitas rendah, perbedaan pada efektivitas aliran paralel dan counter-flow adalah kecil. Pada APK aliran paralel, perbedaan suhu antara suhu masuk dari fluida panas dan fluida dingin terjadi pada sisi inlet, sehingga kondisi tersebut menimbulkan stres termal yang tinggi pada dinding APK pada sisi masuk. Meskipun konfigurasi aliran paralel tidak digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan efektivitas suhu yang tinggi, kadang digunakan pada aplikasi dengan kondisi antara lain berikut ini.

 Distribusi suhu yang seragam pada dinding APK dan tidak setinggi atau serendah pada konfigurasi counter-flow pada area permukaan yang sama, besarnya kecepatan fluida dan suhu masuk fluida. Oleh karena itu, APK aliran paralel kadang digunakan dengan material yang sensitif, cairan dengan viskositas tinggi, dan rekuperator logam dengan suhu inlet melebihi 1100 ^oC.

 Terjadi permulaan awal dari pembentukan gelembung-gelembung uap (nucleate- boiling) untuk aplikasi pendidihan.

 Aplikasi yang hanya membolehkan perpipaan yang sesuai dengan aliran paralel.

(b) APK Aliran Berlawanan (Counterflow)

Pada APK aliran berlawanan (counterflow atau countercurrent), dua fluida mengalir secara paralel tetapi dalam arah yang berlawanan. Konfigurasi pada APK aliran berlawanan membuat pertukaran kalor antara bagian fluida panas dan dingin yang memiliki suhu tertinggi, sama baiknya dengan pertukaran kalor antara bagian fluida panas dan dingin yang memiliki suhu terendah. Keragaman suhu dari dua fluida pada APK ini diidealisasikan sebagai satu dimensi sebagaimana digambarkan pada Gambar 1.24.

30

Gambar 1.24 Distribusi suhu pada APK aliran berlawanan (Shah, 1981)

Dalam Gambar 1.24, dengan Th,1 = Th,1, Th,o = Th,2, Tc,i = Tc,1, Tc,o = Tc,2, maka pada perbedaan suhu pada setiap ujung adalah;

1 ,1 ,2 , ,

2 ,2 ,1 , ,

h c h i c o

h c h o c i

T T T T T

T T T T T

    

 

     

 

Konfigurasi aliran berlawanan memiliki efektivitas suhu yang paling tinggi, memberikan perubahan suhu yang paling tinggi pada pada setiap fluida dibandingkan konfigurasi fluida yang lainya untuk kondisi tertentu (hambatan termal keseluruhan (UA), kecepatan fluida, kapasitas kalor dari fluida dan suhu masuk). Selain itu, perbedaan suhu maksimum di antara ketebalan dinding APK pada ujung salah satu fluida dingin atau fluida panas adalah terendah, dan memberikan termal stress minimum pada dinding untuk performa yang sebanding dengan konfigurasi aliran yang lainnya.

(c) APK Aliran Silang (Crossflow)

Pada APK jenis ini, seperti terlihat pada Gambar 1.25, dua fluida mengalir dengan arah normal satu sama lainnya.

31

Gambar 1.25 (a) APK Plate-fin unmixed crossflow; (b) APK tube-fin unmixed-mixed crossflow [Shah, 1981]

Keragaman suhu fluida pada umumnya diidealisasikan dengan dua dimensi, ditunjukkan oleh Gambar 1.26 untuk perpotongan inlet dan outlet.

Gambar 1.26 Distribusi suhu pada inlet dan outlet pada unmixed-unmixed cross-flow [Shah, 1981]

Secara termodinamika, efektivitas APK aliran silang berada di antara aliran paralel dan aliran berlawanan. Pada konfigurasi aliran silang, percampuran pada salah satu aliran fluida dapat terjadi atau tidak bergantung pada desain APK. Fluida disebut tak-bercampur jika mengalir melalui saluran-saluran tersendiri atau pipa-pipa tanpa ada

32

pencampuran antarsaluran yang berdekatan. Pada kasus ini dalam APK, gradien suhu pada fluida muncul pada sekurangnya satu arah (pada bidang melintang) normal terhadap arah aliran fluida utama. Sebuah aliran fluida disebut bercampur jika tidak ada suhu gradien yang muncul pada bidang melintang di dalam pipa-pipa dalam APK.

(2) APK Banyak Laluan (Multi-pass)

Ketika rancangan APK menghasilkan panjang yang sangat ekstrem, kecepatan fluida sangat rendah, atau efektivitas yang rendah, maka APK banyak laluan atau beberapa APK satu laluan dapat disusun secara seri, atau kombinasi dari keduanya dapat digunakan. APK yang telah dijelaskan sebelumnya dalam bagian satu laluan dapat disusun dalam susunan seri untuk membuat unit banyak laluan.

Salah satu keuntungan utama dari penyusunan banyak laluan adalah mampu meningkatkan efektivitas keseluruhan APK melebihi efektivitas APK secara individual.

Gambar 1.27 Contoh APK multipass; (a) konfigurasi series coupling atau over-and-under pass; (b) konfigurasi parallel coupling atau side-by-side pass; (c) susunan compound

coupling [Shah, 1981]

33 (a) Multi-pass APK Crossflow

Konfigurasi ini adalah konfigurasi yang paling umum untuk APK permukaan- diperluas, yaitu dua atau lebih laluan disusun dalam rangkaian seri, dengan tiap laluannya aliran-silang, meskipun satu saja dari satu-laluan yang digunakan. Konfigurasi aliran dapat digolongkan sebagai (a) series coupling dengan n laluan atau over-and- under passes, (b) parallel coupling dengan n laluan atau side-by-side passes, dan (c) kombinasi dari keduanya atau susunan gabungan. Setiap modul dalam Gambar 1.27 dapat berupa laluan individual atau sebuah APK individual.

(b) APK Plat Multi-pass

APK pelat umumnya bersusunan single-pass counter-flow tetapi terdapat juga sejumlah susunan aliran banyak-laluan yang mungkin dibuat, bergantung pada kondisi gasket pada sekeliling temapat sambungan (port) pada pelat. Pada dasarnya, APK banyak-laluan adalah kombinasi dari susunan aliran paralel dan aliran-berlawanan dengan pertukaran kalor terjadi pada saluran yang berdekatan (Gambar 1.28).

Gambar 1.28 Susunan APK plate single pass dan multi pass. Susunan putar atau single- pass (a) Susunan U; (b) Susunan Z. Susunan Multi-pass (c) 2 pass-1 pass; (d) 3 pass-1

pass; (e) 4 pass-2 pass; dan (f) aliran seri

34 (c) Multi-pass APK Shell-and-tube

Ketika jumlah laluan tube lebih dari satu, maka APK selongsong-dan-pipa tersebut termasuk dalam APK multipass. Karena aliran dalam setiap jenis selongsong bersifat unik, maka efektivitas berbeda-beda untuk setiap jenis selongsong meskipun jumlah pipa laluan mungkin sama.

APK Parallel Counterflow, TEMA E Shell.

Jenis ini adalah susunan yang paling umum digunakan dalam satu fase APK selongsong-dan-pipa, dan digolongkan dalam TEMA E Shell. Salah satu susunan aliran yang paling sederhana adalah satu laluan dalam selongsong dan dua laluan dalam pipa, dengan menggunakan U-tube bundle (Gambar 1.29).

Gambar 1.29 (a) APK 1-2 TEMA E (Satu laluan shell dan dua laluan tube); (b) Distribusi suhu.

Jika fluida dalam selongsong dianggap ideal sebagai bercampur baik, suhunya konstan pada setiap perpotongan tetapi akan berubah untuk setiap perpotongan dengan perpotongan yang lainya sepanjang arah selongsong. Dalam kasus ini, jika aliran fluida dalam tube dibalik tidak akan mengubah distribusi suhu yang dianggap ideal, sebagaimana Gambar 1.30, dan efektivitas APK. Peningkatan jumlah pipa laluan pada APK 1-2n dari dua ke empat, enam, dan seterusnya, akan sedikit mengurangi efektivitas APK, dan dalam batasan ketika jumlah pipa laluan mendekati tak terbatas pada satu selongsong laluan, efektivitas APK akan mendekati efektivitas untuk APK single-pass crossflow dengan kedua fluida tercampur.

35

Karena APK 1-2n memiliki efektivitas yang lebih rendah daripada APK aliran- berlawanan, penyusunan secara multipass susunan dasar 1-2n digunakan dengan banyak selongsong (setiap selongsong sebagai APK 1-2) untuk mendekati efektivitas APK aliran-berlawanan. APK dengan susunan paling umum memiliki m laluan dalam shell dan n laluan dalam tube.

Gambar 1.30 (a) APK dengan dua laluan dalam selongsong empat-laluan dalam pipa (two sell pass-four tube pass exchanger); (b) APK tiga laluan dalam shell-enam laluan

dalam pipa (three shell pass-six tube pass exchanger).

1.2.6 Klasifikasi Menurut Mekanisme Perpindahan Kalor

Mekanisme dasar perpindahan kalor untuk memindahkan energi termal dari fluida pada sisi yang satu ke dinding pemisah ialah dengan cara konveksi satu fase (paksa atau bebas), konveksi dua fase (kondensasi atau evaporasi), dan kombinasi radiasi dan konveksi.

Beberapa contoh dari setiap tipe penggolongan adalah sebagai berikut.

Konveksi satu fase pada kedua sisi APK dua fluida: radiator otomotif, regenerator, economizer, dan lain-lain. Konveksi satu fase pada satu sisi dan konveksi dua fase pada sisi lainnya terjadi pada APK berikut: kondenser pembangkit tenaga uap, kondenser berpendingin udara, evaporator gas atau cair, generator uap, dan lain-lain. Perpindahan kalor radiasi merupakan cirr