BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Meningkatnya tuntutan konsumen akan sebuah produk, menyebabkan kegiatan produksi dan operasi dunia industri turut meningkat. Kebutuhan akan alat yang efisien dan fleksibel semakin tinggi demi kelancaran kegiatan produksi, salah satu alat yang dibutuhkan yakni alat penukar panas atau biasa disebut Heat Exchanger sehingga alat penukar kalor ini mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau operasi Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Salah sat u tipe dari dar i alat penukar kalor yang banyak dipakai adalah Shell and T ube Heat Exchanger Exchanger . Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah tube (tube bundl e ) di bagian dalam, dimana temperatur fluida di dalam tube bundl e berbeda dengan di berbeda luar tube (di dalam shell ) sehingga terjadi perpindahan panas antara aliran fluida didalam tube dan di luar tube . Adapun daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tube disebut dengan tu dan yang di luar dari tube dan disebut shell si de disebut . tube be si de Penukar panas dapat diklasifikasikan menurut pengaturan arus mereka. Dalam paralel-aliran penukar panas, dua cairan masuk ke penukar pada akhir yang sama, dan perjalanan secara paralel satu sama lain ke sisi lain. Dalam counter-flow penukar panas cairan masuk ke penukar dari ujung berlawanan. Desain saat ini counter paling efisien, karena dapat mentransfer panas yang paling. Dalam suatu heat exchanger lintas-aliran, cairan perjalanan sekitar tegak lurus satu sama lain melalui exchanger Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam alira n yaitu : •
Parallel flow/co current /flow (aliran /flow (aliran searah)
•
Cross flow (aliran silang)
•
Cross counter flow (aliran silang berlawanan)
•
Counter current flow f low (aliran berlawanan arah)
Jenis-jenis penukar panas
Jenis-jenis penukar panas antara lain : a. Double Pipe Heat Exchanger Exchanger b. Plate and Frame Heat Heat Exchanger c. Shell anf Tube Heat Exchanger d. Adiabatic wheel wheel Heat Exchanger e. Pillow plate Heat Exchanger Exchanger f. Dynamic scraped surface Heat Exchanger g. Phase-change Heat Heat Exchanger
1.2 Rumusan Masalah Perumusan masalah dalam makalah ini adalah bagaimana mengetahui tentang heat exchanger 1. Apa yang dimaksud dengan Heat Exchanger ? 2. Apa saja tipe-tipe dan klasifikasi dari Heat Exchanger E xchanger ? 3. Bagaimana prinsip kerja Heat Exchan Exchanger ger ? 4. Bagaimana analisa dari kinerja Heat Exchanger 1.3. Tujuan Penulisan
Adapun tujuan penulisan penulisan dalam makalah ini adalah : 1. Tujuan Umum
Memperoleh pengetahuan dalam hal pertukaran panas atau heat exchanger, terutama pengetahuan dalam bidang ilmu teknik mesin. 2. Tujuan Khusus
Agar
lebih
memahami
dan
mengetahui
seberapa
penting
tentang
dunia
teknik,khususnya untuk masalah pertukaran panas yang mana banyak di jumpai di industri-industri tertentu.
BAB II. STUDI LITELATUR Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Perpindahan panas dapat didefenisikan sebagai berpindahnya energi dari satu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah – daerah tersebut. Hal ikhwal aliran panas bersifat universal yang berkaitan dengan tarikan gravitasi. Secara umum ada tiga cara perpindahan panas yang berbeda yaitu : konduksi (conduction), radiasi (radiation) dan konveksi (convection). Jika kita berbicara secara tepat, maka hanya konduksi dan radiasi dapat digolongkan sebagai proses perpindahan panas, karena hanya kedua mekanisme ini yang tergantung pada beda suhu. Sedang konveksi, tidak secara tepat memenuhi definisi perpindahan panas, karena untuk penyelenggaraanya bergantung pada transport massa mekanik pula. Tetapi karena konveksi juga menghasilkan pemindahan energi dari daerah yang bersuhu lebih tinggi ke daerah yang bersuhu
lebih rendah, maka istilah “perpindahan
panas dengan cara konveksi” telah diterima secara umum. Konduk si (Conduction)
Konduksi adalah proses dengan mana panas mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam satu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium - medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar menurut teori kinetik. Suhu elemen suatu zat sebanding dengan energi kinetik rata
– rata molekul – molekul yang
membentuk elemen itu. Energi yang dimiliki oleh suatu elemen zat yang disebabkan oleh kecepatan dan posisi relative molekul – molekulnya disebut energi dalam. Perpindahan energi tersebut dapat berlangsung dengan tumbukan elastic (elastic impact ), misalnya dalam fluida atau dengan pembauran (difusi/diffusion) elektron – elektron yang bergerak secara cepat dari daerah yang bersuhu tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah ( misalnya
logam).Konduksi merupakan satu – satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak tembus cahaya.
perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas. Radiasi (Radiation)
Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, bila benda – benda itu terpisah didalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda – benda tersebut. Semua benda memancarkan panas radiasi secara terus menerus. Intensitas pancaran tergantung pada suhu dan sifat permukaan . Energi radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya (3x108 m/s) dan gejala – gejalanya menyerupai radiasi cahaya. Menurut teori elektromagnetik, radiasi cahaya dan radiasi termal hanya berbeda dalam panjang gelombang masing – masing. Perpindahan panas
tanpa melalui media (tanpa
melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.
Kon veksi (Convection )
Konveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Konveksisangat penting sebagai mekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat, cairan atau gas. Perpindahan panas secara konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas ( free convection) dan konveksi paksa ( forced convection) menurut cara menggerakkan alirannya. Bila gerakan mencampur berlangsung semata – mata sebagai akibat dari perbedaan kerapatan yang disebabkan oleh gradie n suhu, maka disebut konveksi bebas atau alamiah (natural). Bila gerakan mencampur disebabkan oleh suatu alat dari luar seperti pompa atau kipas, maka prosesnya disebutkonveksi paksa.Keefektifan perpindahan panas dengan cara konveksi tergantung sebagian besarnya pada gerakan
mencampur fluida . akibatnya studi perpindahan panas konveksi didasarkan pada pengetahuan tentang ciri – ciri aliran fluida.
2. Hukum-hukum Dasar Perpindahan Panas
. Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi diusulkan Konduksi oleh ilmuan perancis , J.B.J. Fourier, tahun 1882. Hubungan ini menyatakan bahwa q k , laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan, sama dengan hasil kali dari tiga buah besaran berikut : 1. k, konduktivitas termal bahan. 2. A, luas penampang dimana panas mengalir dengan cara konduksi yang harus diukur
tegak lurus terhadap arah aliran panas. 3. dT/Dx, gradien suhu terhadap penampang tersebut, yaitu perubahan
suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x. Untuk menuliskan persamaan konduksi panas dalam bentuk matematik, kita harus mengadakan perjanjian tentang tanda. Kita tetapkan bahwa arah naiknya jarak x adalah arah aliran panas positif. Persamaan dasar untuk konduksi satu dimensi dalam keadaan tunak ( stedi) ditulis :
dXqk = −kA dT (1-1) Untuk konsistensi dimensi dalam pers. 1-1, laju aliran panas qk dinyatakan dalam Btu/h*), luas A dalam ft2 dan gradien suhu dT/dx dalam F/ft. Konduktivitas termal k adalah sifat bahan dan menunjukkan jumlah panas yang mengalir melintasi satuan luas jika gradien suhunya satu. Jadi panas konduksi Bahan yang mempunyai konduktivitas termal yang tinggi dinamakan konduktor (conductor), sedangkan bahan yang konduktivitas termalnya rendah d isebut isolator (insulator).
Untuk kasus sederhana aliran panas keadaan stedi melalui dinding datar ( plane), gradien suhu dan aliran panas tidak berubah dengan waktu dan sepanjang lintasan aliran panas luas penampangnya sama :
∫
=−
∫
Tdingin Tpanask L
dx kdTAq Jika k tidak
bergantung pada T, setelah integrasi kita mendapat rumus berikut untuk laju konduksi panas melalui dinding :
L AkT T TLqk Ak panas dingin L/Ak setara dengan tahanan termal (thermal resistance) R k yang diberikan oleh dinding kepada aliran panas dengan cara konduksi dan kita m emperoleh.
AkRk = L (1-3) Kebalikan dari tahanan termal disebut konduktansi termal (thermalconductance);
LKk = Ak (1-4) Radiasi , jumlah energi yang meninggalkan suatu permukaan sebagai panas radiasi
tergantung pada suhu mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiator sempurna atau benda hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari permukaannya dengan laju q r yang diberikan oleh
qr = σ A1 T14 Btu / hr (1-5) Btu/h, jika A1 luas permukaan dalam ft persegi, T 1 suhu permukaan dalamderajat
rankine (R) dan σ konstanta dimensional dengan nilai 0,1714 x 10 -8 Btu/h ft2 R 4.dalam satuan SI laju aliran panas qr mempunyai satuan watt, jika luas permukaan A1 dalam m2
, suhu mutlak dalam derajat Kelvin, dan σ5,67 x 10 -8 watt / m2 k 4 .besaran σ dinamakan konstanta Stefan – Boltzmann.Jika benda hitam tersebut beradiasi ke sebuah penutup yang sepenuhnyamengurungnya dan yang permukaanya juga hitam, yaitu menyerap semua energi radiasi yang datang padanya , maka la ju bersih perpindahan panas radiasi diberikan oleh : qr = σ A1 (T14 - T24) (1-6)
Dimana T2 adalah suhu permukaan penutup dalam derajat Fahrenheit mutlak. Jika pada suhu yang sama dengan benda hitam benda nyata memancarkan sebagian yang konstan dari pancaran benda hitam pada setiap panjang gelombang, maka benda itu disebut benda kelabu ( gray body). Laju bersih perpindahan panas dari benda kelabu dengan suhu T1 ke benda hitam dengan suhu T2 yang mengelilinginya adalah qr = σ A1 ε1 (T14 - T24) (1-7)
Dimana έ1 adalah emitansi (emittance) permukaan kelabu dan sama dengan perbandingan pancaran (emission) dari permukaan kelabu terhadap pancaran dari radiator sempurna pada suhu yang sama. Jika kedua benda tersebut bukan radiator sempurna dan jika kedua benda itu mempunyai hubungan geometrik tertentu satu sama lain, maka perpindahan panas bersih diantara kedua benda tersebut diberikan oleh qr = σ A1 ε1-2 (T14 - T24) (1-8) Konveksi . Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu
permukaan dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan : qc= hc A ΔT (1 -9) Dimana qc= laju perpindahan panas dengan cara konveksi, Btu/h; A = luas perpindahan panas, ft 2;xv
ΔT = beda antara permukaan suhu Ts dan suhu fluida T ∞ dilokasi yang ditentukan (biasanya jauh dari permukaan), F; hc= Konduktansi termal satuan konveksi rata – rata (sering disebut koefisien permukaan perpindahan panas atau koefisien perpindahan panas konveksi), Btu/h ft2 F. Btu/ ft2 F W/m2 K Udara , konveksi bebas
1-5
6-30
Uap panas lanjut atau udara, konveksi paksa
5-50
30-300
Minyak, konveksi paksa
10-300
60-1800
Air, konveksi paksa
5-2000
300-6000
Air, mendidih
500-10000 3000-60000
Uap, mengembun
1000-20000 6000- 120000
Dengan mempergunakan pers. 1-9, kita dapat mendefenisikan konduktansi termal K c untuk perpindahan – panas konveksi sebagai Kc = hc A (1-10) Dan tahanan termal terhadap perpindahan
– panas konveksi R c yang sama dengan
kebalikan konduktansi, sebagai Rc =hcA1 (1-11) 3. Mekanisme Perpindahan Panas Gabungan
Dalam praktek biasanya panas berpindah dalam tahap – tahap melalui sejumlah bagian yang berbeda yang dihubungkan secara seri, dan untukbagian tertentu dalam sistem tersebut perpindahannya seringkali berlangsung dengan dua mekanisme secara paralel. Contoh; Perpindahan panas dari hasil pembakaran dalam ruang bakar motor roket melalui dinding tipis ke zat pendingin yang mengalir dalam cincin diluar dinding tersebut Bagian pertama sistem ini panas berpindah dari gas panas ke permukaan dalam dinding motor roket dengan mekanisme konveksi dan radiasi yangbekerja secarah paralel. Laju total aliran panas q ke permukaan dinding pada suatu jarak dari nosel adalah :
q = qc+ qr = hc A (Tg – Tsg) + hr A (Tg – Tsg) (1-12) q= (hc A + hr A) (Tg – Tsg) = (Kc + Kr) (Tg – Tsg) = RTg −Tsg Dimana Tg= suhu gas panas
Tsg = suhu pada permukaan – dalam dinding; R 1 = tahanan termal kombinasi atau efektif bagian pertama, R1 = 1/(hr + hc) A. Bagian kedua; keadaan stedi, panas berkonduksi melalui cangkang (shell), yaitu bagian kedua sistem tersebut, dengan laju yang sama dengan laju ke permukaan dan q = qk = (Tsg Tsc)
LkA − (1-13) = Kk (Tsg – Tsc) =2 RTsg −Tsc Dimana Tsc = suhu permukaan dinding pada zat pendingin R 2 = tahanan termal dalam bagian ketiga sistem. Bagian ketiga; panas mengalir melalui bagian ketiga sistem tersebut ke zat pendingin dengan cara konveksi.
q = qc = hc A (Tsc – Tc) (1-14) = RTsc −Tc Dimana: Tc = suhu zat pendingin ; R 3 = tahanan termal dalam bagian ketiga sistem. Dalam praktek, sering kali yang diketahui hanya suhu gas panas dan suhu zat pendingin atau; q = =+ + −
R1 R2 R3 Tg Tc R1 R2 R3
T total
+ +Δ(1-15) Persamaan 1-15 disederhanakan dengan menggabungkan berbagaitahanan atau konduktansi sistem termalnya menjadi satu besaran, yang dinamakan konduktansi satuan keseluruhan (overall unit conductance), transmitansi keseluruhan (overall transmittance), atau koefisien perpindahan – panas keseluruhan, U atau
q = U A Δ T total
(1-16) dimana UA =1 2 31 R + R + R(1-17) Untuk aliran panas sepanjang lintasan yang terdiri dari n bagian termal dalam seri, konduktansi keseluruhan UA sama dengan kebalikan dari jumlah tahanan masing – masing bagian, atau UA = R1 R2 ... Rn1+ +(1-18)
Pada Dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. a. Secaara kontak langsung Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua fluida.Contoh : aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida. b. Secara kontak tak langsung Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui d inding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir. Seperti yang telah dikemukakan dalam pendahuluan terdapat banyak sekali jenis-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah timbulnya kesalah pahaman maka alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya : a. Chiller , alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan
yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan
condensing
turbin,
maka
uap bekas dari turbin akan
dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat. c. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas). d. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair. Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) sert a menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan sebuah reboiler 0 dengan mempergunakan minyak (665 F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube
BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Data
Data yang digunakan dalam makalah ini adalah data yang terperinci dari hasil pengamatan dan menganalia tentang pertukaran panas dari suatu heat exchanger yang terdapat pada industri besar. Data yang dihasilkan dari hasil pengamatan antara lain konduksi panas yang terjadi didalam heat exchanger. Sedangkan untuk mendapatkan informasi tentang pemanasan dapat diambil dari sumber buku, internet, dan lain-lain.
3.2. Langkah – langkah Penyelesaian
Secara
umum
langkah-langkah
yang
akan
dilakukan
untuk
menyelesaikan permasalahan pada topik pemanasan secara konveksi, maka terdiri dari beberapa langkah.
KAJIAN PUSTAKA
METODE PENELITIAN
ANALISA HASIL DATA
Gambar 2.5 Skema Data Analisa
Dari skema pada gambar 2.5, langkah-langkah penelitian dapat dijelaskan sebagi berikut :
a. Kajian Pustaka Kajian pustaka dengan cara memahami secara teoritis mengenai tentang suatu macam perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Namun dalam makalah ini yang dibahas hanya tentang perpindahan secara konduksi. b. Metode Penelitian Langkah selanjutnya dalam penelitian perpindahan panas secara konveksi dan perubahan massa pada proses pemanasan yang terjadi oleh suatu heat exchanger. Penentuan data ini diambil dari data yang terperinci, misalnya secara konduksi dalam pemanasan. c. Analisa Hasil Data Setelah pembuatan data yang signifikan, maka dapat diambil suatu hasil dari proses pemanasan secara konduksi. Hasil yang diperoleh dari proses selanjutnya dianalisis untuk mengetahui pengaruh dari nilai-nilai sifat dari pemanasan itu sendiri, sehingga dapat diambil suatu kesimpulan.
Menurut hasil dari data yang didapatkan penukar panas dapat diklasifikasikan menurut pengaturan arus mereka. Dalam paralel-aliran penukar panas, dua cairan masuk ke penukar pada akhir yang sama, dan perjalanan secara paralel satu sama lain ke sisi lain. Dalam counter-flow penukar panas cairan masuk ke penukar dari ujung berlawanan. Desain saat ini counter paling efisien, karena dapat mentransfer panas yang paling. Dalam suatu heat exchanger lintas-aliran, cairan perjalanan sekitar tegak lurus satu sama lain melalui exchanger diklasifikasikan berdasarkan bermacam-macam pert imbangan yaitu : 1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung •
Tipe dari satu fase
•
Tipe dari banyak fase
•
Tipe yang ditimbun ( stor age type )
•
Tipe f lui dized bed
b. Tipe kontak langsung 1) Immiscible fluids 2) Gas liquid 3) Liquid vapor
2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir a. Dua jenis fluida b. Tiga jenis fluida c. N – Jenis fluida (N lebih dari tiga) 3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan a. Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m b. Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m 4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas a. Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya b. Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran c. Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masingmasing d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi a. Konstruksi tubular ( shell and tube) 1) Tube ganda (double tube) 2) Konstruksi shell and tubeoSekat plat ( plate baffle)
Sekat batang (rod baffle)
o
Konstruksi tube spiral
o
b. Konstruksi tipe pelat 1) Tipe pelat 3) Tipe lamella 2) Tipe spiral 4) Tipe pelat koil c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas ( extended sur f ace ) 1) Sirip pelat ( plate fin) 2) Sirip tube (tube fin) •
•
Heat pipe wall Ordinary separating wall
d. Regenerative 1) Tipe rotary 3) Tipe disk (piringan) 2) Tipe drum 4) Tipe matrik tetap 6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass 1) Aliran berlawanan
4) Aliran parallel
2) Aliran melintang
5) Aliran split
3) Aliran yang dibagi (divided ) b. Aliran multipass 1) Permukaan yang diperbesar (extended surface) •
Aliran counter menyilang
•
Aliran paralel menyilang
•
Aliran compound
Shell and tube •
Aliran paralel yang berlawanan (M pass pada shell dan N pass pada tube)
•
Aliran split
•
Aliran dibagi (devided )
2) Multipass plat •
N – paralel plat multipass
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Heat Exchanger Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin ( cooling water ). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat 16 | H e a t
E x c h a n g e r
berlangsung secara efisien. Pertukaran panas t erjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung ( direct contact ). Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar. Dalam industri perminyakan Jenis-jenis Heat Exchanger yang sering di jumpai dapat dibedakan atas jenis dan sistem kerjanya diantaranya seperti:
2.3.1 Shell and Tube Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter kecil.
Satu
jenis
fluida
yang relative
mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya
mengalir dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell Shell and tube penukar panas terdiri dari serangkaian tabung. Satu set dari tabung berisi cairan yang harus baik dipanaskan atau didinginkan. Cairan kedua berjalan lebih dari tabung yang sedang dipanaskan atau didinginkan sehingga dapat menyediakan panas atau menyerap panas yang dibutuhkan. Satu set tabung disebut berkas tabung dan dapat terdiri dari beberapa jenis tabung: polos, bersirip longitudinal dll Shell dan penukar panas tabung biasanya digunakan untuk aplikasi tekanan tinggi (dengan tekanan lebih besar dar i 30 bar) dan suhu lebih besar dari 260 ° C. Hal ini karena shell dan penukar panas tabung yang kuat karena bentuknya.
2.3.2 Jenis Double Pipe (Pipa Ganda) Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam jenis penukar panas dapat digunakanberlawanan arah aliran atau arah aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruangan nular dan cairan lainnya dalam pipa. Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang
17 | H e a t
E x c h a n g e r
anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar digunakan penukar panas jenis selongsong dan buluh ( shell and tube heat exchan ger ). Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendirisendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menjadi U. pada keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk siripnya ada yang memanjang, melingkar dan sebagainya.
2.3.3 Koil Pipa Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan didalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini disebut juga sebagai box cooler jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut. Geometri HE Coiled Tube sangat bervariasi, tergantung pada kondisi aliran dan drop pressure yang dibutuhkan. Parameter yang
berpengaruh antara lain: kecepatan aliran pada shell dan tube,
diameter tube, jarak antar tube (tube pitch), layer spacer diameter. Faktor lain yang juga harus diperhitungkan yaitu jumlah fasa aliran, terjadinya kondensasi dan evaporasi pada shell atau tube. Aplikasi HE Coiled Tube untuk skala besar telah banyak diterapkan pada LNG Plant, dimana alat HE ini memiliki kapasitas 100,000 m 3/h pada 289 K dan 0.101 Mpa. Luas permukaan heat transfer 25,000 m2 dan panjang keseluruhan 61 m, diameter 4.5 m dan berat 180 ton
2.3.4 Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section) Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell, tetapi dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau udara pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk pendinginan dengan udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan perpindahan panas. Seperti halnya jenis coil pipa, perpindahan panas
18 | H e a t
E x c h a n g e r
yang terjadi cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.
2.3.5 Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger ) Plate Heat Exchanger adalah salah satu jenis alat penukar panas yang terdiri atas paket pelat-pelat tegak lurus bergelombang atau dengan profil lain, yang dipisahkan antara satu dengan lainnya oleh sekat-sekat lunak. Sistem Kerja dari Plate Heat Exchanger Produk akan dipanaskan dan masuk kedalam suatu larutan yang kemudian akan mengalir pada sebuah pelat. Proses pemanasan ini terjadi dengan adanya medium pemanas yang mengalir pada saluran dan pelat yang lainnya. Dimana pelat yang telah tersusun ini akan secara bergantian mengalirkan produk dan medium pemanas. Pelat yang dialiri produk tidak akan dialiri oleh komponen lain
2.3.6 Adiabatic wheel heat exchanger Jenis keenam penukar panas menggunakan intermediate cairan atau toko yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda besar dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan penukar panas cairan.
2.3.7 Pillow plate heat exchanger Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu untuk susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal stainless steel. Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam. Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.
19 | H e a t
E x c h a n g e r
2.3.8 Dynamic scraped surface heat exchanger Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling aplikasi. Kali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus menggores permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.
2.3.9 Phase-change heat exchanger Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan. Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas Heat exchanger atau unit serupa untuk memproduksi uap dari air yang sering disebut boiler atau generator uap.Dalam pembangkit listrik tenaga nuklir yang disebut reaktor air bertekanan, penukar panas khusus besar yang melewati panas dari sistem (pabrik reaktor) primer ke sistem (pabrik uap) sekunder, uap memproduksi dari air dalam proses, disebut generator uap.Semua pembangkit listrik berbahan bakar fosil dan nuklir menggunakan uap yang digerakkan turbin memiliki kondensor permukaan untuk mengubah uap gas buang dari turbin ke kondensat (air) untuk digunakan kembali Faktor yang mempengaruhi efektivitas alat penukar panas (Heat Exchanger) terutama Heat exchanger tipe shell & tube: 1. penggunaan baffle dapat meningkatkan efektifitas alat penukar panas, hal ini sejalan
dengan peningkatan koefisien perpindahan panas. 2. pengaruh tebal isolasi pada bagian luar shell, efektifitas meningkat hingga suatu harga
maksimum dan kemudian berkurang. 3.
dengan menggunakan alat penukar panas tabung konsentris, efektifitas berkurang, jika kecepatan udara masuk dingin meningkat dan efektifitas meningkat, jika laju alir massa udara meningkat.
20 | H e a t
E x c h a n g e r
4.
Menentukan jarak antar baffle minimum 0,2 dari diameter shell sedangkan jarak maksimum ialah 1x diameter bagian dalam shell. Jarak baffle yang panjang akan membuat aliran membujur dan kurang menyimpang dari a liran melintang.
5.
Melakukan penelitian penggunaan baffle dapat meningkatkan efektifitas alat penukar panas, hal ini sejalan dengan peningkatan koefisien perpindahan panas.
6.
Melakukan penelitian pengaruh tebal isolasi pada bagian luar shell, efektifitas meningkat hingga suatu harga maksimum dan kemudian berkurang.
7.
Menyimpulkannya dengan menggunakan alat penukar panas tabung konsentris, efektifitas berkurang, jika kecepatan udara masuk dingin meningkat dan efektifitas meningkat, jika laju alir massa udara meningkat.
8.
Menentukan jarak antar baffle minimum 0,2 dari diameter shell sedangkan jarak maksimum ialah 1x diameter bagian dalam shell. Jarak baffle yang panjang akan membuat aliran membujur dan kurang menyimpang dari a liran melintang.
Analisa kinerja HE : 1. Koefisien overall perpindahan panas (U) Menyatakan mudah atau tidaknya panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan konveksi. 2. Fouling factor (Rd) Fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di permukaan Heat Exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan heat transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan proses biologi.Angka yang menunjukkan hambatan akibat adanya kotoran yang terbawa fluida yang mengalir di dalam HE Penyebab terjadinya fouling :
•
a. Adanya pengotor berat yaitu kerak keras yang berasal dari hasil ko rosi atau coke keras. b. Adanya pengotor berpori yaitu kerak lunak yang berasal dari dekomposisi kerak keras. •
Akibat fouling : a. mengakibatkan kenaikan tahanan heat transfer, sehingga meningkatkan biaya, baik investasi, operasi maupun perawatan.
21 | H e a t
E x c h a n g e r
b. ukuran Heat Exchanger menjadi lebih besar, kehilangan energi meningkat, waktu shutdown lebih panjang dan biaya perawatan meningkat. •
Variabel operasi yang berpengaruh terhadap fouling : a. Kecepatan Linier Fluida (Velocity) Semakin tinggi kecepatan linier fluida, semakin rendah kemungkinan terjadinya fouling. Sebagai batasan dalam rancangan dapat digunakan nilai-nilai berikut: 1). Kecepatan fluida proses di dalam tube adalah 3 – 6 ft/s 2). Kecepatan fluida pendingin di dalam tube adalah 5 – 8 ft/s 3). Kecepatan fluida tube maksimum untuk menghambat terjadinya fouling adalah 10 – 15 ft/s 4). Kecepatan fluida shell adalah 1 – 3 ft/s.
•
Temperature Permukaan dan Temperature Fluida Kecepatan
terbentuknya
fouling
akan
meningkat
dengan
meningkatnya
temperatur. 3.Pressure drop Untuk mengetahui sejauh mana fluida dapat memepertahankan tekanan yang dimilikinya selama fluida mengalir. Disebabkan oleh 2 hal : •
Friksi aliran dengan dinding
•
Pembelokan aliran
22 | H e a t
E x c h a n g e r
