Tipe aliran pada penukar kalor jenis ini ada dua, yaitu : 1. Tipe aliran searah 2. Tipe aliran melawan arah.
Pada tipe aliran searah, fluida kerja yang ingin di dinginkan atau di panaskan dialirkan
searah
dengan
fluida
kerja
yang
akan
menidinginkan
atau
memanaskannya. Sedangkan tipe aliran berlawanan arah, fluida kerj a yang ingin di dinginkan atau di panaskan mengalir berlawanan dengan fluida kerja yang mendinginkan atau memanaskannya.
Contoh tipe aliran searah
Keterangan : -
Merah
: Area Panas
-
Biru
: Area Dingin
-
Nomor 1
: Fluida yang didinginkan
-
Nomor 2
: Fluida Pendingin
Gambar Contoh Tipe Aliran Berlawanan Arah
Keterangan : -
Merah
: Area Panas
-
Biru
: Area Dingin
-
Nomor 1
: Fluida pemanas
-
Nomor 2
: Fluida yang dipanaskan
Ada beberapa jenis Penukar Kalor tipe spiral, yaitu : 1. Spiral Plate Heat Exchanger Heat exchanger tipe ini menggunakan desain spiral pada susunan platnya, dengan menggunakan sistem sealing las. Aliran dua fluida di dalam heat exchanger tipe ini dapat berbentuk tiga macam yakni : (1) dua aliran fluida spiral mengalir berlawanan arah (counterflow). (2) satu fluida mengalir spiral dan yang lainnya bersilangan dengan fluida pertama (crossflow). (3) satu fluida mengalir secara spiral dan yang lainnya mengalir secara combinasi antara spiral dengan crossflow.
Contoh Spiral Heat Exchanger (plate)
Heat exchanger tipe ini sangat cocok digunakan untuk fluida dengan viskositas tinggi atau juga fluida yang mengandung material-maerial pengotor yang dapat menimbulkan tumpukan kotoran di dalam elemen heat exchanger . Hal ini disebabkan karena desainnya yang satu lintasan, sehingga apabila terjadi penumpukan kotoran di satu titik, maka secara alami kecapatan aliran fluida pada titik tersebut akan meningkat, sehingga kotoran tadi akan terkikis sendiri oleh fluida kerja tersebut. Karena kelebihan inilah sehingga heat exchanger tipe ini sangat cocok untuk digunakan pada fluida kerja
dengan viskositas sangat tinggi, fluida slurries (semacam lumpur), air limbah inidustri, dan sejenisnya. Cara kerja penukar kalor jenis ini adalah : Untuk aliran dimana masing-masing fluida tutup pada kedua sisinya. Dan dalam mengalir mengikuti bentuk spiralnya, rakitan spiral plate-nya memiliki usunan tersebut fluida biasanya mengalir dengan arah yang berlawanan, yaitu dengan mengalirkan fluida dingin pada sekelilingnya sehingga mengalir kearah pusat, sedangkan fluida panas dimasukkan pada pusat tersebut sehingga mengalir kearah sekelilingnya. Disini, perhitungan dalam merancang alat penukar panas ini, kita dapat menggunakan prinsip perpindahan panas antara plat. Perpindahan panas yang terjadi pada alat penukar kalor jenis ini adalah proses perpindahan panas secara konduksi yang terjadi pada plat (tergantung pada konduktifitas termal bahan) dan juga perpindahan panas yang terjadi secara konduksi antara fluida kerja dengan dinding plat.
Penggunaan Spiral Heat Exchagner sangat banyak, namun umumnya kita akan sering menjumpainya dalam industri Pasteurisasi, Pra-Penghangat Ruangan, (untuk digunakan dalam recuperators) dan sistem pendingin.
KELEBIHAN :
1. Ramah lingkungan. 2. Efisien penggunaan ruang. 3. Mengurangi biaya. 4. Efisien dalam keseluruhan operasi. 5. Mudah di bersihkan.
KEKURANGAN :
1. Perbaikan untuk spiral plate heat exchanger cukup sulit. 2. Spiral plate heat exchanger sering tidak digunakan jika terjadi siklus temperatur yang berulang-ulang. 3. Spiral plate heat exchanger tersebut biasanya tidak digunakan apabila selama pengoperasian terjadi pengerakan yang Besar. 4. Untuk aliran aksial-spiral, perbedaan temperatur harus dikoreksi.
2. Spiral Tube Heat Exchanger Heat exchanger tipe ini menggunakan pipa tube yang didesain membentuk spiral di dalam sisi shell . Perpindahan panas pada tipe ini sangat efisien, namun di sisi hampir tidak mungkin untuk melakukan pembersihan sisi dalam tube apabila kotor. Oleh karena itu jenis heat exchanger ini butuh perawatan yang lebih dibandingkan dengan plate spiral heat exchanger.
Contoh heat exchanger tipe spiral (tube).
Di sini kita mepyelidiki peristiwa berlangsungnya perindahan panas itu. Kalau kita menganggap perindahan panas berlangsung secara mengalir analogi dengan aliran listrik atau aliran fluida, maka aliran panas ini kita namakan arus panas. Kita definisikan arus panas ini sebagai jumlah tenaga panas per satuan waktu atau daya panas melalui penampang tegak lurus kepada arah arus. Oleh sebab itu arus panas rata-rata adalah :
Dengan
∆T
sebagai waktu perpindahan panas yang dipandang. Karena arus panas
dapat berubah-ubah menurut waktu, maka arus panas pada setiap saat adalah :
Perindahan panas dapat kita ketahui melalui perubahan temperatur. Oleh karenanya perlu ditentukan hubungan antara arus panas dan perubahan atau perbedaan temperatur. Bagi kalorimeter yang mengalami pertukaran panas dengan luar sistem, akibat perpindahan panas, Newton memberikan suatu koreksi yang dikenal s ebagai hukum pendinginan atau pemanasan Newton.
Hukum Pendinginan Atau Pemanasan Newton
Perubahan temperatur akibat pertukaran panas seperti pada kalorimeter menurut Newton pada tahun 1701, adalah berbanding lurns dengan waktu. Bila temperatur sistem lebih tinggi daripada tempeatur sekitarnya, maka akan terjadi pendinginan pada sistem atau penurunan temperatur dan demikian pun sebaliknya. Perbandingan ini dapat dijadikan persamaan dengan membubuhi suatu faktor konstanta k, sehingga :
∆ ∆
= ( )
Dengan t dan t. masing-masing merupakan temperatur sistem dan temperatur sekitarnya. Tanda negatif menunjukkan terjadinya penurnnan temperatur bila t > ts . Karena perubahan temperatur ini dapat berbeda menurut waktu, maka perubahan temperatur setiap saat adalah :
= ( )
atau dapat juga ditulis
=
sehingga setelah diintegrasikan diperoleh temperatur sistem setelah waktu 't, sebesar In (t - t s) = - k T + C Jika temperatur pada waktu T =0 adalah t0 maka konstanta integrasi C dapat ditentukan, sehingga diperoleh
Ln
−0 0 −
=
Atau t = t0 + (t0 – ts ) e-kt
Apabila perbedaan temperatur sistem dan sekitarnya keeil maka dengan sendirinya perubahan temperatur pada sistem adalah keeil juga karena perubahan temperature maksimum dari sistem adalah menyamai temperatur sekitarnya. Oleh sebab itu dalam hal ini nampak dari persamaan diatas bahwa k 't akan keeil juga harganya. Untuk k 't« 1 dapat diadakan pendekatan dari persamaan diatas dengan menguraikan dulu ke dalam deret.
Dengan mengabaikan faktor kT dengan pangkat dua dan lebih, pendekatan ini menjadi
Perhitungan dalam merancang heat exchanger, dalam hal ini spiral heat exchanger adalah dengan memperhitungkan perpindahan panas secara konduksi dan secara konveksi.
1. Perpindahan panas konduksi Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat perantara. Namun, zat tersebut tidak ikut berpindah ataupun bergerak. Contoh sederhana dalam kehidupan seharihari misalnya, ketika kita membuat kopi atau minuman panas, lalu kita mencelupkan sendok untuk mengaduk gulanya. Biarkan beberapa menit, maka sendok tersebut akan ikut panas. Panas dari air mengalir ke seluruh bagian sendok. Atau contoh lain misalnya saat kita membakar besi logam dan sejenisn ya. meskipun hanya salah satu ujung dari besi logam tersebut yang dipanaskan, namun panasnya akan menyebar ke seluruh bagian logam sampai ke ujung logam yang tidak ikut dipanaskan. Hal ini menunjukkan panas berpindah dengan perantara besi logam tersebut. Contoh lainnya adalah ketika kita melihat tukang menempah besi menjadi sesuatu barang semisal parang. Walau hanya ujung besi yang dipanaskan, namun
rasa panas menjalar ke semua bagian besi, sehingga para tukang biasanya mengalasi ujung besi yang tidak dipanaskan dengan kain. Selain itu, juga kita bisa melihat pada kasus melelehnya margarine yang dimasukkan ke dalam wajan yang panas. Tenaga panas dari suatu bagian benda bertemperatur lebih tinggi akan mengalir melalui zat benda itu ke bagian lainnya yang bertemperatur lebih rendah. Sebagai arus panas, perpindahan panas ini memenuhi definisi (82). Zat atau partikel zat dari benda yang dilalui panas ini sendiri tidak mengalir sehingga tenaga panas berpindah dari satu partikel ke lain partikel dan meneapai bagian yang dituju. Perpindahan panas seeara ini disebut konduksi panas; arus panasnya adalah arus panas konduksi dan zatnya itu mempunyai sifat konduksi panas. Konduksi panas ini bergantung kepada zat yang dilaluinyan dan juga kepada distribusi temperatur dari bagian benda sedangkan, menurut penyelidikan, selanjutnya juga bergantung sedikit banyak kepada temperatur itu sendiri. Berlangsungnya konduksi panas melalui zat dapat diketahui oleh perubahan temperatur yang terjadi. Ditinjau dari sudut teori molukuler, yakni benda atau zat terdiri dari molekul, pemberian panas pada zat menyebabkan molekul itu bergetar. Getaran ini makin bertambah jika panas ditambah, sehingga tenaga panas berubah menjadi tenaga getaran. Molekul yang bergetar ini tetap pada tempatnya tetapi getaran yang lebih hebat ini akan menyebabkan getaran yang lebih keeil dari molekul di sampingnya, bertambah getarannya, dan demikian seterusnya sehingga akhirnya getaran molekul pada bagian lain benda akan lebih hebat. Sebagai akibatnya, temperatur pada bagian lain benda itu akan naik dan kita lihat bahwa panas berpindah ke tempat lain. Jadi pada konduksi panas, tenaga panas dipindahkan dari satu partikel zat ke partikel di sampingnya, berturut-turut sampai meneapai bagian lain zat yang bertemperatur lebih rendah.
Konduksi Panas Pada Keadaan Tetap
Apabila temperatur dari suatu benda pada dua tempat adalah tetap dan berlainan, maka akan terjadi konduksi panas. Konduksi panas demikian yakni antara bagian dengan temperatur tetap disebut konduksi panas pada keadaan tetap. Arus konduksi tentunya bergantung juga kepada distribusi temperatur tetap ini pada benda itu, di samping bentuk benda itu sendiri.
Di sini kita akan melihat hanya hal-hal yang sederhana, yakni keadaan dengan hanya dua temperatur tetap yang terletak simetris pada benda bersangkutan. Pada keadaan seimbang, arus panas antara kedua tempeatur tetap ini akan tetap harganya. Pada gambar 19 terlihat suatu keping datar plan-paralel, dengan luas kedua permukaan bidang yang berhadapan adalah A dan masing-masing mempunyai temperature tetap t1 dan t2 (t1 > t2).
Tebal keping adalab I dan arus panas H mengalir dari t1 ke t2. Setelah mencapai keseimbangan, maka menurut hasil eksperimen dari Biot dan Fourier, arus panas tetap H berbanding lurns dengan luas penampang yang tegak lurns pada arab arus panas, berbanding lurns dengan beda temperatur tetap itu (t 1 - t 2), dan berbanding terbalik dengan panjang jalan yang ditempuh arus panas. Dengan membubuhi suatu faktor pembanding K, kita peroleh hubungan :
Atau umumnya dapat ditulis :
Dengan x sebagai jalan yang ditempuh arus panas. Apabila perubaban temperatur bergantung kepada jalan arus panas, maka dapat ditulis menja di :
Dengan tanda negatif menyatakan babwa arab arus menuju ke arab turunnya temperatur. Faktor
disebut juga sebagai gradient temperatur.
Konstanta K disebut koefisien konduktivitas panas atau konduktivitas panas. Ternyata kemudian bahwa konduktivitas panas ini juga tidak konstan tetapi bergantung kepada temperatur. Untuk batas temperatur tertentu dapat diambil harga rata-ratanya yakni konduktivitas panas rata. Kita pandang di sini zat dengan konduktivitas panas yang isotropis.
Dari persamaan ini kita dapat menyelesaikan perancangan heat exchanger tipe spiral.
Gambar-gambar contoh spiral heat exchanger yang digunakan di industri.
SPIRAL PLATE HEAT EXCHANGERS
A spiral plate heat exchanger (SPHE) is fabricated by rolling a pair of relatively long strips of plate to form a pair of spiral passages (Figure 7.28). Channel spacing is maintained uniformly along the length of the spiral passages by means of spacer studs welded to the plate strips prior to rolling. It can be made with channels 5 – 25 mm wide, with or without studs. The spiral channels are welded shut on their ends.
a.
b.
FIGUE 7.28 Spiral plate heat exchanger. (a) Unit and (b) two plates design (with studded or plain design).
in order to contain respective fluids. An overall gasket is applied to the cover. The covers are attached to the spiral element by means of forged hook bolts and adapters. The hook bolt engages the bevel at the back of the flange ring and the adapter engages the rim at the edge of the cover. A header is welded on the outer end of each passage to accommodate the respective peripheral nozzle. For most services, both fluid flow channels are closed by alternate channels welded at both sides of the spiral plate. In some applications, one of the channels is left completely open, and the other closed at both sides of the plate. These two types of construction prevent the fluids from mixing.
Flow Arragement and Application
The spiral assembly can be fitted with covers to provide three flow pattern types:
1.
Both fluids in spiral flows; this arrangement can accommodate the media in full counter- flow. General uses are for liquid to liquid, condensers, and gas coolers.
2.
One fluid in spiral flow and the other in axial flow across the spiral; general uses are as condensers, reboilers, and gas coolers and heaters.
3.
One fluid in spiral flow and the other in a combination of axial and spiral flow; general uses are as condensers (with built-in aftercoolers) and vaporizers.
These flow arrangements are shown schematically in Figure 7.29.
Construction Material
Spiral plate exchangers are fabricated from any material that can be cold worked and welded. Typical construction materials include carbon steel, stainless steels, Hastelloy B and C, nickel and nickel alloys, aluminum alloys, titanium, and copper alloys. To protect against corrosion from cooling water, the surface is given baked phenolic resin coatings, among others. Anodic elements may also be wound into the assembly to anodically protect surfaces against corrosion.
Thermal Design of Spiral Plate Exchanger
Thermal design procedures of SPHEs are covered by Minton [19]. The system of ordinary differential equations for the temperature distribution in SPHEs has been solved numerically by Chaudhury et al. [20] to obtain the efficiency, LMTD correction factor F is a function of number of transfer units, number of turns n, and the heat capacity rate ratio. They found that the LMTD correction factors, when plotted versus NTU Plate Heat Exchangers and Spiral Plate Heat Exchangers .
FIGURE 7.29 Alfa Laval SPHE flow arrangements (L, condensate; G, gas; W, liquid; V, vapor; and
S, noncondensables).
per turn, fall approximately on a single curve and that curve can be represented by the simple formula
Mechanical Design of Spiral Plate Heat Exchangers
Spiral exchangers can be furnished in accordance with most pressure vessel codes. Sizes range from 0.5 to 350 m2 of heat transfer surface in one single spiral body. The maximum design pressure is normally limited to 150 psi due to the following reasons, a lthough for smaller diameters the pressure may sometimes be higher [19]: 1. They are normally designed for the full pressure of each passage. 2. Because the turns of the spiral are of relatively large diameter, each turn must contain its design pressure. 3. The plate thickness is somewhat restricted. Limitations of materials of constructions govern design temperature.
Aplication for Spiral Plate Heat Exchanger
The SPHE is particularly suited for such liquid-to-liquid duties as -
Clogging slurries such as PVC slurries
-
Clogging particle-laden and fibrous media such as TMP condensate in pulp and paper production
-
Clogging and erosive media such as alumina, hydrate slurries, etc.
-
Fouling media such as waste water or sewage sludge
-
High-viscosity media such as heavy oil
- Non-Newtonian fluids such as fermenting froth in pharmaceuticals processing
Adventage of Spiral Plate Exchangers
SPHEs have a number of advantages over conventional shell and tube exchangers: 1. The spiral heat exchanger approaches the ideal in heat exchanger design. Media can be arranged in full counterflow. Flow characteristics are the same for each medium. The long passages on each side permit close temperature approaches. Radiation losses are negligible.
2. The exchanger is well suited for heating or cooling viscous fluids because its L/D ratio is lower than that of tubular exchangers 3. At a velocity that would be marginal and approaching streamline flow in straight tubes, good turbulence is realized because of the continuously curving passages. 4. The scrubbing action of the fluids in each side of the passage tends to flush away deposits as they form and hence permits the use of low fouling resistance values. 5. Media cannot intermix; they are isolated by the welded closing on one side of each passage. 6. The spiral exchanger is compact and requires less installation and servicing space than conventional exchangers of equivalent surface. 7. They are easily maintainable. By removing the covers of the spiral exchanger, the entire lengths of the passages are easily accessible for inspection or mechanical cleaning, if necessary. Similarly, because of the single passage on each side, the spiral heat exchanger is readily cleaned with cleaning solutions without opening the unit. 8. Spiral plate exchangers avoid problems associated with differential thermal expansion in non-cyclic service. 9. In axial flow, a large flow area affords a low pressure drop, which becomes especially important when condensing under vacuum.
Lamination
Besides the pressure limitation noted earlier, the spiral plate exchanger also has the following disadvantages : 1. Repairing an SPHE in the field is difficult; however, the possibility of leakage in a spiral is less because it is generally fabricated from much thicker plate than tube walls. 2. Spiral plate exchangers are not recommended for service in which thermal cycling is frequent. When used for such services, the unit s ometimes must be designed for higher stresses. 3. The SPHE usually should not be used when a hard deposit forms during operation, because the spacer studs prevent such deposits from being easily removed by drilling.
Fouling Tendencies
Fouling is defined as the formation on heat exchanger surfaces of undesirable deposits that impede the heat transfer and increase the resistance to fluid flow, resulting in higher pressure drop. The growth of these deposits causes the thermohydraulic performance of heat exchanger to decline with time. Fouling affects the energy consumption of industrial processes, and it also decides the amount of extra material required to provide extra heat transfer surface to compensate for the effects of fouling. Compact heat exchangers are generally preferred for nonfouling applications. In a shell and tube unit, t he fluid with more fouling tendencies should be put on the tubeside for ease of cleaning. On the shellside with cross baffles, it is sometimes difficult to achieve a good flow distribution if the baffle cut is either too high or too low. Stagnation in any regions of low velocity behind the baffles is difficult to avoid if the baffles are cut more than about 20% – 25%. PHEs and spiral plate exchangers are better chosen for fouling services. The flow pattern in PHE induces turbulence even at comparable low velocities; in the spiral units, the scrubbing action of the fluids on the curved surfaces minimizes fouling. Also consider Philips RODbaffle heat exchanger, TWISTED TUBE® heat exchanger, Helixchanger® heat exchanger or EMbaffle® heat exchanger to improve flow velocity on shellside, enhance heat transfer performance and reduce fouling tendencies on shellside.
Maintenance, Inspection, Cleaning, Repair, and Extension Aspects
Consider the suitability of various heat exchangers as r egards maintenance, inspection, cleaning, repair, and extension. For example, the pharmaceutical, dairy, and food industries require quick access to internal components for frequent cleaning. Since some of the heat exchanger types offer great variations in design, this must be kept in mind when designing for a certain application. For instance, consider inspection and manual cleaning. Spiral plate exchangers can be made with both sides open at one edge, or with one side open and one closed. They can be made with channels between 5 and 25 mm wide, with or without studs. STHE can be made with fixed tubesheets or with a removable tube bundle, with small- or large-diameter tubes, or small or wide pitch. A lamella heat exchanger bundle is removable and thus fairly easy to clean on the shellside. Inside, the lamella, however, cannot be drilled to remove the hard fouling deposits. Gasketed PHEs are easy to open, especiall y when all nozzles are located on the stationary end-plate side. The plate arrangement can be changed for other duties within the frame and nozzle capacity.
Repair of some of the shell and tube exchanger components is possible, but the repair of expansion joint is very difficult. Tubes can be renewed or plugged. Repair of compact heat exchangers of tube-fin type is very difficult except by plugging of the tube. Repair of the pl atefin exchanger is generally very difficult. For these two types of heat exchangers, extension of units for higher thermal duties is generally not possible. All these drawbacks are easily overcome in a PHE. It can be easily repaired, and plates and other parts can be easil y replaced. Due to modular construction, PHEs possess the flexibility of enhancing or reducing the heat transfer surface area, modifying the pass arrangement, and addition of more than one duty according to the heat transfer requirements at a future date.
Daftar Pustaka -
Heat Exchanger Design Handbook, 2nd Edition-2013,
DAFTAR PUSTAKA
-
http://chemicalengineeringnow.blogspot.co.id/2015/03/heat-exchanger-alat-penukar panas.html
-
http://server2.docfoc.us/uploads/Z2015/12/23/EwO8YgSRl2/2d9d328c4781d2a24fa8 b2a2dc615904.docx
-
Heat Exchanger Design Handbook, 2nd Edition-2013
