BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Latar Belakan Belakang g
Proses Proses kimia kimia sangat sangatlah lah penting penting dalam dalam dunia dunia indust industri, ri, teruta terutama ma indust industri ri kimia.dalam proses kimia diperlukan berbagai macam kondisi operasi proses. Kondisi operasi operasi yang tepatlah tepatlah yang dapat
dapat menghas menghasilkan ilkan produk produk yang sesuai sesuai yang
diingi diinginka nkan n dari dari suatu suatu proses proses kimia. kimia. Kondisi Kondisi operas operasii antara antara lain lain berkai berkaitan tan dengan dengan tempertur dan tekanan proses. Kondisi operasi yang sering menjadi perhatian adalah masalah temperatur. Untuk memperoleh temperatur yang diinginkan untuk proses, maka bahan kimia yang akan direaksikan harus dipanaskan atau diinginkan. Untuk itu diperlukan suatu alat penukar panas yang biasa dipakai dalam industri adalah heat exchanger. Pada heat exchanger akan terjadi peristiwa perpindahan panas. Dimana fluida yang akan didinginkan didinginkan dikontakkan dikontakkan dengan fluida pendingin pendingin (biasanya (biasanya air). Kontak antar flui fluida da ters tersebu ebutt akan akan menye menyeba babk bkan an terj terjad adin inya ya peris peristi tiwa wa perpi perpind ndah ahan an panas panas.. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara dua bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. radiasi. Di dalam industri industri kimia kimia masalah masalah perpindahan perpindahan energi atau atau panas adalah adalah hal yang banyak dilakukan. Heat Exchanger bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida untuk pemanasan fluida lain. Maka disini terjadi dua fungsi sekaligus, yait yaitu u mema memanas naska kan n flui fluida da yang yang dingi dingin n dan mendi mendingi ngink nkan an flui fluida da yang yang panas panas.. Perpindahan panas dapat berlangsung secara: 1. Moleku Molekuler ler,, yang dise disebut but denga dengan n konduks konduksi. i. 2. Aliran Aliran yang yang disebut disebut dengan dengan perpin perpindah dahan an konveks konveksi. i. 3. Gelombang Gelombang elektromagne elektromagnetik tik yang disebut disebut dengan dengan radiasi. radiasi.
1
Pros Proses es perpi perpind ndah ahan an panas panas yang yang terj terjadi adi di dala dalam m heat heat exch exchang anger er dapat dapat dilaks dilaksana anakan kan secara secara langsu langsung ng maupun tidak tidak langsu langsung. ng. Heat exchange exchangerr
yang
langsung, adalah dimana fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida fluida dingin dingin (tanpa (tanpa adanya adanya pemisa pemisah) h) dalam dalam suatu suatu ruang ruang terten tertentu. tu. Misaln Misalnya ya jet condersor, condersor, water injection injection desuperheater desuperheater,, dan lain-lain. lain-lain. Heat exchanger yang tidak langsung langsung adalah dimana fluida fluida panas tidak berhubungan berhubungan langsung (indirect (indirect contact) dengan fluida dingin, jadi melalui perantara seperti pipa, tube, plate atau peralatan jenis lain. Misalnya condesor pada turbin uap, pemanas uap lanjut dan pemanas air pendahuluan pada ketel. Ada beberapa heat exchanger yang umum digunakan pada industri. industri. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, plate-frame, spiral, dan lamella. lamella.
Alat Alat penukar penukar panas yang sering sering digunak digunakan an adalah adalah jenis jenis shell and
tubeheat exchanger. Lalu bagaimana dengan alat penukar panas jenis terutama jenis plate heat exchanger . Bagaimana Bagaimana prinsip prinsip dan cara kerja, kerja, jenis-jenis jenis-jenisnya, nya, dan dasar hukum yang sering dipakai dalam pemecahan masalah perpindahan panas dalam proses kimia.
1.2 Permas Permasalah alahan an
1.
Bagai agaima mana naka kah h pri prins nsiip dan dan car cara ker kerjja dar darii pla platte hea heatt exc excha hang nger er ?
2.
Apa sajakah jen jenis-jenis pla plate hea heat exch xchanger yang ser sering dipakai dal dalam industri kimia ?
3.
Apa Apa das dasar ar huku hukum m yan yang g dit diterap erapka kan n dal dalam pr proses oses per pertukar ukaran an pan panas as deng dengan an menggunakan plate heat exchanger ?
1.3 Tu Tuju juan an
1.
Menge engettahui ahui prin prinsi sip p dan dan car cara kerj kerjaa plat platee heat heat exch exchan ange gerr.
2.
Menge ngetahui hui jenis-jenis plate heat exchan hanger yang ser sering dipakai dalam industri kimia
2
3.
Menge engettahui ahui dasa dasarr huk hukum um yang yang dite diterrapka apkan n dal dalam am pros proses es per pertukar ukaran an pana panass dengan menggunakan plate heat exchanger
1.4 Manfa Manfaat at
1. Penerapan Penerapan plate plate heat exchanger exchanger dalam dalam proses proses pertukaran pertukaran panas panas dalam dalam proses proses yang berlangsung pada suatu industri kimia 2. Penggunaan Penggunaan secara secara luas luas plate plate heat heat exchanger exchanger dalam dalam dunia dunia indust industri ri
1.5 Pembatasan Pembatasan Masalah
Dalam penulisan ini titik fokus pembahasan adalah mengenai prinsip, cara kerja, jenis, dan dasar hukum yang dipakai pada proses yang terjadi pada plate heat exchanger.
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Heat Exchanger
Penukar Penukar panas panas adalah adalah alat alat yang yang diguna digunakan kan untuk untuk memper mempertuk tukark arkan an panas panas secara kontinue dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Secara umum ada 2 tipe penukar panas, yaitu: a. Direct heat exchanger, dimana dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain. Yang tergolong Direct heat exchanger adalah cooling cooling tower dimana tower dimana operas operasii perpin perpindah dahan an panasny panasnyaa terjad terjadii akibat akibat adanaya adanaya pengont pengontakan akan langsu langsung ng antara air dan udara. b. Indirect heat exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisahkan oleh sekat/ sekat/ dindin dinding g dan panas panas yang yang berpin berpindah dah juga juga melewat melewatiny inya. a. Yang Yang tergol tergolong ong Indirect heat exchanger adalah penukar panas jenis shell and tube, pelat, dan spiral.
2.2 Prinsip Kerja
Heat exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas (heat transfer), dimana terjadi perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida fluida yang yang temper temperatu aturny rnyaa lebih lebih rendah. rendah. Biasan Biasanya, ya, ada suatu suatu dindin dinding g metal metal yang menyekat antara kedua cairan yang berlaku sebagai konduktor . Suatu solusi panas yang mengalir pada satu sisi yang mana memindahkan panasnya melalui fluida lebih dingin dingin yang mengalir mengalir di sisi sisi lainnya. lainnya. Energi panas hanya mengalir mengalir dari dari yang lebih lebih panas kepada yang lebih dingin dalam percobaan untuk menjangkau keseimbangan. Permukaan Permukaan area heat exchanger exchanger mempengaruhi mempengaruhi efisiensi efisiensi dan kecepatan kecepatan perpindahan perpindahan panas yang lebih besar area permukaan panas exchanger, lebih efisien dan yang lebih cepat pemindahan panasnya.
4
2.3 Kegunaan Heat Exchanger
Contoh Contoh penggunaa penggunaan n komers komersial ial yang lain untuk heat exchang exchanger er
melipu meliputi ti
pemanasan sumber air mineral dan pemanasan kolam renang , radiator rumah, air panas pada radiator, lemari es dan alat pendingin. Heat Heat exchang exchanger er penting penting dalam dalam pengatu pengaturan ran sepert sepertii mempro memproses ses makana makanan, n, proses industri, berkenaan dengan farmasi, pulp p ulp dan kertas dan industri baja. Semua indust industri ri yang membang membangkit kitkan kan tenaga tenaga memerl memerlukan ukan alat alat heat heat exchang exchanger er terseb tersebut. ut. Indust Industri ri lain lain yang menggun menggunakan akan heat exchang exchanger er melipu meliputi ti indust industri ri bahan bahan kimia, kimia, angkat angkatan an laut, laut, semi semi penghan penghantar tar,, petrok petrokimi imia, a, elektr elektroni onik, k, permob permobil ilan, an, teksti tekstill dan fasilitas perawatan air.
2.4 Jenis-jenis Heat Exchanger
Ketiga jenis utama heat exchanger ini yaitu : a.
Plate heat exchanger
Plat Platee heat heat exch exchan ange gerr adal adalah ah sala salah h satu satu tipe tipe heat heat exch exchan ange gerr yang yang meng menggu guna naka kan n plat plat loga logam m untu untuk k memi memind ndah ahka kan n pana panass anta antara ra dua dua liqu liquid id.. Penggunaan heat exchanger ini menguntungkan dari heat exchanger konvensional karena permukaan kontak fluida lebih luas. Plate heat exchanger merupakan suatu kemajuan desain dasar yang membuat perpindahan panas yang cepat. Plate heat exchanger terbagi dua ruangan, yang tipis berada di dalam, membagi dua fluida deng dengan an luas luas perm permuk ukaa aan n yang yang pali paling ng luas luas oleh oleh plat plat loga logam. m. Plat Plat ters terseb ebut ut memungkinkan perpindahan panas yang paling cepat. Membuat setiap ruangan tipis tipis memast memastikan ikan sebagi sebagian an besar besar volume volume dari dari liquid liquid akan mengal mengalami ami kontak kontak dengan plat.
5
Gambar 2.1 Plate Heat Exchanger
b.
Shell an and Tube Heat Ex Exchanger
Shell merupakan bagian bagian heat exchanger yang berbentuk tube yang besar. Tube berada di dalam shell. Dua fluida yang berbeda temperatur mengalir melalui exchanger dan terjadi pertukaran panas di dalamnya. Satu fluida mengalir melalu melaluii tube tube dan yang yang lainnya lainnya mengal mengalir ir melalu melaluii shell. shell. Dengan Dengan menggun menggunakan akan exchanger ini maka panas tidak akan terbuang dengan sia – sia sehingga dapat menghemat energi.
6
Gambar 2.2 Shell and Tube Heat Exchanger
c.
Plate heat exchanger
2.5 Desain dan Konstruksi Heat Exchanger
Konstru Konstruksi ksi dari dari heat heat exchang exchanger er biasan biasanya ya yaitu yaitu baja, baja, titani titanium, um, tembag tembaga, a, perunggu, baja tahan-karat, aluminum atau besi cor. Salah satu permasalahan dalam alat penukar panas ini yaitu yang paling besar harus mencegah terjadinya karatan, yang mana umum dalam kaitannya dengan yang cairan yang mengalir tetap. Hal ini biasanya sulit untuk dihindari. Untuk membantu mencegah ini, tabung harus bersifat menceg mencegah ah karat karat secara secara umum, umum, pemipa pemipaan, an, stress stress-co -corr rrosi osion on cracki cracking ng (SCC), (SCC), sel oksigen dan pelepasan selektif biasanya menyerang dalam hal saat perbaikan. Beberapa disain alat penukar panas menggunakan sirip untuk menyediakan konduktifitas termal yang lebih besar, yang biasanya membantu. Sebagai contoh,
7
suatu radiator mobil adalah suatu alat yang bermanfaat untuk pemindahan panas dari mesin mesin kepada kepada udar luar. Heat Heat exchan exchanger ger mempun mempunyai yai peran peran rumit rumit dalam dalam disain disain,, pemeliharaan dan operasi proses pengaturan sistem suhu dan pemanasan, disain vehicle, pembangkit tenaga listrik, pendinginan, bahan kimia dan rekayasa industri sistem. Tabel 2.1 Macam Desain pada Heat Exchanger
8
HEAD
BODY
REAR
A
E
L
B
F
M
C
G
N
D
H
P
N
J
S
K
T
X
U
9
W
BAB III PEMBAHASAN
3.1 Plate Heat Exchanger
Alat penukar panas jenis jenis pelat adalah alat yang memiliki efisiensi efisiensi tinggi. Alat penukar panas jenis ini dibuat oleh pelat logam stainless steel tahan karat . Aliran fluida panas dan dingin mengalir masuk ( dan keluar) melalui suatu lubang angin pada 4 sudut lembar yang menghasilkan efek perpindahan panas. Dalam rangka mencegah kebocoran dan pencampuran dari cairan panas dan dingin, karet pengatur jarak digunakan untuk menyegel antara pelat logam. Pengatur jarak dan plat dirakit dalam bingkai (frame). Area dari pertukaran panas ditetapkan menurut volume pertukaran panas tersebut.
10
Gambar 3.1 Plate Heat Exchanger
3.2 Sejarah Plate Heat Exchanger
Plate heat exchanger (PHE) ditemukan ditemukan oleh Dr Richard Seligman Seligman pada 1923 yang digunakan digunakan untuk pemanasan pemanasan yang tidak tidak langsung langsung dan mendinginkan mendinginkan cairan cairan yang dipakai pada APV (Aluminium Plant & Vessel) Company Limited. Struktur umum penukar panas jenis pelat (Plate Heat Exchanger) pertama kali dipubl dipublika ikasik sikan an oleh oleh Marrio Marriot, t, 1971. 1971. Penukar Penukar panas panas jenis jenis pelat pelat ini terdir terdirii atas atas pelatpelat pelat tegak lurus yang dipisahkan sekat-sekat berukuran antara 2 sampai 5 mm. Pelat pelat ini berbentuk empat persegi panjang dengan tiap sudutnya terdapat lubang. Melalui dua di antara lubang-lubang ini fluida yang satu dialirkan masuk dan keluar pada satu sisi, sedangkan fluida yang lain karena adanya sekat mengalir melalui ruang antara di sebelahnya.
11
Gambar 3.2 Penukar panas jenis pelat [Marriot, 1971]
3.3 Prinsip Aliran pada Plate Heat Exchangers
Plat Platee heat heat excha exchang nger er terd terdir irii dari dari banya banyak k plat plat meta metall yang yang tipi tipiss denga dengan n pembukaan untuk jalan yang dilewati oleh fluida. Plat yang bengkok yang mana maksud maksudnya nya bahwa bahwa tiap-t tiap-tiap iap bagian bagian plat plat berseb bersebela elahan han di dalam dalam heat heat exchang exchanger er membentuk suatu saluran. Tiap detik saluran terbuka bagi fluida yang sama . Antara masing-masing penghembus plat ada suatu gasket karet, yang mana mencegah cairan dari pencampuran dan dari kebocoran ke lingkungan sekitarnya.
12
Gambar 3.3 Pelat pada Plate Heat Exchanger
13
Gambar 3.4 aliran fluida melalui Plate Heat Exchanger
Ketika media masuk plate and frame heat exchanger melalui koneksi dalam frame, diarahkan melalui saluran pengubah oleh pengaturan gasket. aliran fluida yang panas melalui setiap saluran yang lain dan cairan yang dingin melalui saluran yang berada diantaranya. Panas ditransfer dari cairan yang hangat kepada cairan yang lebih lebih dingin dingin melalu melaluii pembagi pembagian an dindin dinding, g, yaitu yaitu materi material al plat. plat. Bentuk Bentuk bengkok bengkok mendukung plat dari tekanan diferensial dan menciptakan suatu aliran turbulen di saluran . Pada gilirannya, aliran turbulen menyediakan pemindahan kalor efisiensi tinggi, membuat plate and frame heat exchanger sangat efisien dibandingkan dengan heat exchanger tipe shell and tube tradisional.
14
Gambar 3.5 Prinsip Aliran dan Perpindahan Panas pada Plate Heat Exchanger
3.4 Pengaturan Aliran
Saat aliran fluida dingin dan panas dalam arah kebalikan ke plat tunggal melint melintang, ang, pole pole alir alir antara antara plat plat dapat dapat bertuk bertukarar-tuk tukar. ar. Alat Alat penukar penukar panas panas dapat dapat mengalir secara single atau multi-pass. multi-pass. Pengaturan single-pass berarti masing-masing aliran fluida dalam arah yang sama melintang ke semua plat di dalam unit tersebut. Pengat Pengatura uran n multimulti-pas passs diranca dirancang ng sehing sehingga ga cairan cairan dapat dapat beruba berubah h arah arah arus arus dari dari masing-masing fluida. Unit Single-Pass lebih cocok untuk kebanyakan aplikasi, tetapi laju alir sangat rendah dibanding alat penukar p enukar panas dengan tipe multi-pass.
15
Gambar 3.6 Single-pass arrangement Suitable for most application.
Gambar 3.7 Multi-pass arrangement for application with low flow rates or close approach temperatures.
3.5 Keuntungan Plate Plate Heat Exchanger
Keuntungan Keuntungan dari dari heat exchange exchangerr jenis jenis pelat pelat mulai mulai dengan disainnya. disainnya. Heat exchang exchanger er jenis jenis pelat, pelat, mengir mengirim, im, efisie efisiensi nsi lebih lebih besar, besar, biaya biaya yang yang lebih lebih rendah, rendah,
16
pemeliharaan dan pembersihan lebih mudah, dan semakin dekat pendekatan temperatur dibanding penukar panas teknologi lain. Yang dibandingkan heat exchanger jenis spiral dan shell and tube, plate heat exchanger mempunyai kapasitas serupa juga memuat luas,lebar lantai sedikit dan muda mudah h untu untuk k dipe diperl rlua uas. s. swin swingg-ou outt plat platee vert vertik ikal al meng mengij ijin inka kan n kamu kamu untu untuk k mempacking beribu-ribu ft2 area pemindahan kalor ke dalam suatu ruang kecil, selagi masih membiarkan ruang untuk pertumbuhan masa depan. Berikut ini keuntungan dari Plate Heat Exchangers, antara lain : 1. Dalam Dalam kaitan kaitan dengan dengan turbulen turbulensi si yang tinggi tinggi di pola alir alir dari fluida fluida melalui melalui channel alternatif yang dapat memperoleh transfer panas dengan sangat tinggi. Lebih Lebih memper memperti timban mbangkan gkan disain disain yang yang lebih lebih ringkas ringkas dengan dengan biayabiaya-bia biaya ya modal yang lebih rendah, sebagai contoh peralatan penukar panas permukaan yang mana lebih rendah dari suatu penukar panas konvensional. 2. Disain Disain modular modular mengiji mengijinkan nkan pemakai pemakai untuk untuk menamb menambahk ahkan an kapasitas kapasitas yang mana mengubahnya dengan hanya menambahkan plat kepada heat exchanger. 3. Lebih Lebih sedikit sedikit pemasan pemasangan gan pipa pada plate plate and frame heat exchang exchanger er menjadi menjadi terbuka terbuka tanpa tanpa mengga mengganggu nggu pemasa pemasangan ngan pipa. pipa. Semaki Semakin n dekat dekat pendeka pendekatan tan temperatur temperatur sampai sampai kepada 2°F menyediakan menyediakan recovery panas maksimum maksimum dan lebih ekonomis. 4. Alat penukar penukar panas panas jenis jenis pelat alira aliran n berlawanan berlawanan arah arah memiliki memiliki efisiens efisiensii yang terbai terbaik k dibandi dibanding ng alat alat penukar penukar panas panas jenis jenis pelat pelat aliran aliran menyil menyilang ang banyak banyak laluan dan alat penukar panas jenis pelat aliran menyilang tanpa sekat-sekat. 5. Mengg Menggun unak akan an mate materi rial al tipi tipiss untuk untuk perm permuk ukaan aan penuk penukar ar pana panass sehi sehing ngga ga menurunkan tahanan panas selama konduksi. 6. Member Memberika ikan n deraja derajatt turbul turbulens ensii yang tinggi tinggi yang member memberika ikan n nilai nilai konveksi konveksi yang besar besar sehing sehingga ga mening meningkat katkan kan nilai nilai U dan juga juga menimb menimbulk ulkan an self cleaning effect 7. Fakt Faktor or-f -fak akttor fouling kecil fouling kecil karena: a. Aliran Aliran turbule turbulen n yang yang tinggi tinggi menyebabkan menyebabkan padatan padatan tersusp tersuspensi ensi 17
b. Profil kecepatan pada pelat menjadi seragam c. Perm Permuka ukaan an pel pelat at sec secar araa umum umum smooth smooth d. Laju Laju koro korosi si rend rendah ah e. Mempuny Mempunyai ai nilai ekonomi ekonomiss dalam dalam instala instalasi si karena karena hanya hanya membut membutuhka uhkan n tempat 1/4 sampai 1/10 tempat yang dibutuhkan tube dan spiral f. Mudah Mudah dalam dalam modifi modifikas kasii dan dan peme pemeli lihar haraan aan Mudah dalam pemeliharaan dengan ruang minimal yang diperlukan untuk membuka / menutup heat exchanger dan adalah harga yang stabil serta ekonomis. g. Penukar panas jenis pelat dapat memind memindahkan ahkan panas panas secara secara efisien efisien bahkan pada beda temperatur sebesar 10C sekalipun h. Penukar panas jenis jenis pelat pelat juga juga fleksibel fleksibel dalam pemeli pemeliharaan haraan aliran. aliran.
3.6 Jenis-jenis Plate Heat Exchanger
Menur Menurut ut Bell Bell (195 (1959) 9) ada ada bebe bebera rapa pa tipe tipe alir aliran an flui fluida da dala dalam m pelat pelat heat exchanger, yaitu: 1. Seri Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alirnya rendah dan beda temperaturnya tinggi. 2. Paralel Pola Pola ini digunaka digunakan n untuk untuk fluida fluida yang laju laju alirny alirnyaa lebih lebih besar besar dan beda temperaturnya rendah. 3. Seri paralel Pola ini digunakan untuk fluida yang laju alir dan beda temperaurnya tidak terlalu tinggi (menengah).
Berdas Berdasark arkan an konstr konstruks uksiny inya, a, penukar penukar panas panas pelat pelat dapat dapat dibagi dibagi menjad menjadii 2 macam, yaitu 1.
Gasketted Plate Heat Plate Heat Exchanger 18
Gasketted plate heat exchanger mudah exchanger mudah dimodifikasi karena desainnya fleksibel. Fungsi utama gasket adalah menjaga tekanan fluida, menjaga laju alir fluida dan mencegah pencampuran fluida. Selain iu, gasket juga mudah dibuka untuk kontrol dan pembersihan.
Gambar 3.8 Aliran Fluida pada Gasketted Plate Heat Exchanger 2.
Brazed Plate Heat Exchanger Brazed plate heat exchanger adalah pengembangan jenis gasket. Kelebihannya adalah lebih kompak, dan digunakan untuk tekanan dan temperatur tinggi. temperatur tinggi.
Berd Berdas asar arka kan n
raga ragam m alira aliran n fluida fluida opera operasi si plat platee heat excha exchang nger er
dapa dapatt
dibedakan menjadi : 19
1. Penukar panas pelat beraliran jamak (multipass (multipass plate heat exchanger ) 2. Penukar panas pelat berlawanan arah (countercurrent (countercurrent plate heat exchanger ) 3. Penukar panas pelat bersilangan arah (crosscurrent (crosscurrent plate heat exchanger )
3.6.1 Multipass Plate Heat Exchanger Proses pertukaran pertukaran panas pada penukar panas jenis ini secara secara sederhana sederhana mirip dengan proses pertukaran panas pada penukar panas pipa ganda (double (double pipe heat exchanger ). ). Perbedaannya terletak pada bentuk alur laluan fluida. Pada pipa ganda alur laluan fluida pendinginnya sejajar dengan alur laluan fluida panasnya. Baik fluida dingin maupun panas memiliki alur aliran yang lurus ( smooth smooth ). Sedangkan pada penukar panas pa nas pelat beraliran jamak alur laluan fluida dingin membentuk huruf U dan sejajar dengan alur laluan fluida panas.
Gambar 3.9 Penukar panas jenis pelat berlairan jamak (multi-pass) Alat penukar panas saluran saluran jamak memiliki memiliki spesifikas spesifikasii aliran aliran berupa saluran jamak banyak laluan (multipass) multipass) untuk aliran udara pendingin dan saluran tunggal untuk untuk aliran aliran flue gas. Denga Dengan n adan adanya ya salu salura ran n jama jamak k ini, ini, perpi perpinda ndaha han n panas panas berlangsung secara bertahap sehingga laju penurunan temperatur flue temperatur flue gas lebih teratur. Fluida panas ( flue flue gas) gas) yang digunakan dalam penelitian ini adalah udara yang berasal dari kerangan (valve (valve)) yang dipanaskan oleh alat pemanas udara (heater (heater ) 20
dan udara udara ambien ambientt sebaga sebagaii fluida fluida dingin dingin.. Rancan Rancangan gan alat alat penukar penukar panas panas salura saluran n jamak ditampilkan pada gambar 5 dan gambar 6 berikut:
Gambar 3.10 Alat penukar panas jenis pelat saluran saluran jamak untuk sisi udara
Gambar 3.11 Alat penukar panas pan as jenis pelat saluran jamak untuk sisi flue gas
3.6.2 Counter Current Plate Heat Exchanger Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue gas, dan udara pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah yang berlawanan dan keluar sistem sistem dalam arah yang berlawanan berlawanan juga. Gambar Gambar 3.12 menunjukkan menunjukkan skema arah aliran pada penukar pelat berlawanan arah.
21
Gambar 3.12 Penukar panas pelat berlawanan arah (counter current)
Pada alat penukar panas berlawanan arah, kedua fluida, flue fluida, flue gas dan udara pendingin mengalir masuk ke penukar panas dalam arah berlawanan dan keluar system dalam arah yang berlawanan juga. Hal ini dapat dilihat pada gambar 3.13 dan gambar 3.14. Dengan skema peralatan tersebut diharapkan hasil yang diperoleh dapat memenuhi rentang bilangan Reynolds antara 10-400 seperti yang ditekankan Marriot (1971).
Gambar 3.13 Alat penukar panas jenis jenis pelat berlawanan arah untuk sisi sisi udara
22
Gambar 3.14 Alat penukar panas jenis pelat berlawanan arah untuk sisi flue gas
3.6.3 Cross Current Plate Heat Exchanger Pada penukar panas pelat bersilangan arah, udara bergerak menyilang melalui matriks perpindahan panas yang dilalui oleh flue gas. Arah matriks matriks perpindahan perpindahan panas pada penukar panas jenis ini dapat dilihat pada Gambar 3.15.
Gambar 3.15 Penukar panas bersilangan arah (cross-current)
23
Bila kedua fluida mengalir sepanjang permukaan perpindahan panas dalam gerakan yang tegak lurus satu dengan lainnya, maka penukar panasnya dikatakan berjenis aliran silang (cross flow). flow). Pada sistem ini, udara bergerak menyilang melalui matriks perpindahan panas yang dilalui flue dilalui flue gas. Aliran fluida panas dan dingin pada penukar panas pelat beraliran silang yang akan digunakan pada percobaan ini tidak saling bercampur (unmixed (unmixed ). ). Hal ini disebabkan oleh adanya sekat yang memisahkan aliran kedua fluid fluidaa terseb tersebut. ut. Skema Skema perala peralatan tan penukar penukar panas panas pelat pelat berali beraliran ran silang silang ini
ditampilkan pada gambar 3.16.
Gambar 3.16 Alat penukar panas jenis jenis pelat bersilangan bersilangan arah
3.7 Perpindahan Panas pada Plate Heat Exchanger
Perpindahan panas antara dua fluida yang dipisahkan oleh pelat terjadi secara konduksi konduksi dan konveksi. konveksi. Jika konduksi konduksi dan konveksi secara berurutan, maka tahanan panas yang terlibat (konduksi dan konveksi) dapat dijumlahkan untuk memperoleh koefisien perpindahan panas keseluruhan (U). Besaran 1/Uh dan 1/Uc disebut tahanan keseluruhan keseluruhan terhadap perpindahan perpindahan panas dan merupakan merupakan jumlah seri dari tahanan di fasa fluida panas, pelat, dan fluida dingin. d ingin.
24
Gambar 3.17 Distribusi Temperatur pada Pelat
Secara matematis dapat dirumuskan:
1
U h
=
1
hh
x w
+
1
dA dA
w
k
h
+ h
c
dA dA
c
h
..(1)
..(2)
dan 1
U c
=
1
hc
x w
+
1
dA dA
k
w c
+ h
h
dA dA
h c
dimana : 1
U h 1
U c
= tahanan panas keseluruhan atas dasar fluida panas = tahanan panas keseluruhan atas dasar fluida dingin
hh
= koefisien perpindahan panas di fluida panas
hc
= koefisien perpindahan panas di fluida dingin
xw = tebal pelat k
= konduktivitas pelat
25
Perpindahan panas menjadi:
dQ dA
= U ( T h – Tc )
…(3)
dQ
hh =
dA T h −T w, h
…(4)
dQ
hc =
dA T w, c
…(5)
−T
c
dQ/dA : fluks panas per unit perpindahan panas di mana perbedaan temperatur (Th
-Tc). U
: koefisien perpindahan panas keseluruhan
Tw
: temperatur dinding pelat.
Bilangan Reynolds merupakan merupakan bilangan bilangan tak berdimensi berdimensi yang didefinisi didefinisikan kan sebagai perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viscous dalam system aliran fluida. Secara matematis dapat dirumuskan: NRE =
ρ D v
. . µ
...(6)
dimana ρ = densitas fluida (kg/m3) v = laju alir fluida (m/s2) µ = viskositas fluida (ms2/kg) D = diameter (m)
26
Penukar Penukar panas panas yang yang baik baik adalah adalah yang memil memiliki iki laju laju perpin perpindah dahan an panas panas seopti seoptimal mal mungki mungkin. n. Ketida Ketidakop koptim timala alan n laju laju perpin perpindaha dahan n panas panas ditent ditentukan ukan nilai nilai koefis koefisien ien perpin perpindaha dahan n panas panas keselu keseluruh ruhan an (U). (U). HasilHasil-has hasil il peneli penelitia tian n yang yang telah telah dipu dipubl blik ikas asik ikan an
menu menunj njuk ukka kan n
bahw bahwaa
peru peruba baha han n
fluk flukss
mass massaa
udar udaraa
dapa dapatt
meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang bilangan Reynolds bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan perpindahan panas tidak efektif.
3.8 Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas
Karakterist Karakteristik ik alat perpindahan panas ditentukan ditentukan oleh beberapa faktor, faktor, antara antara lain: 1. Jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya 2. Laju alir fluida 3. Tipe aliran yang dipakai (co-current (co-current atau atau counter-current ) 4. Letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas tersebut. Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa dala dalam m penuk penukar ar kalor kalor tida tidak k terj terjad adii kerj kerjaa poros poros,, seda sedang ng ener energi gi meka mekani nik, k, energ energii potensial, dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor
Q= m ( H b - Ha )
..(7)
Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut q=
Q = laju perpindahan kalor ke dalam arus t
Ha & H b = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.
27
Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekitar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin.
3.9 Hukum Fourier
Hubungan dasar yang menguasai aliran kalor melalui konduksi ialah berupa kesebandingan yang ada antara laju aliran kalor melintas permukaan isotermal dan gradien suhu yang terdapat pada permukaan itu. Hubungan umum ini, yang berlaku pada setiap lokasi di dalam suatu benda, pada setiap waktu disebut hukum fourier. Hukum Fourier menyatakan menyatakan bahwa k tak bergantung pada gradient suhu tetapi tetapi tidak selalu demikian halnya dengan suhu itu sendiri.
Hukum itu dapat dituliskan sebagai : dq dA
= -k
∂T ∂n
dimana : A = luas permukaan isotermal n = jarak, diukur normal ( tegak lurus ) terhadap permukaan itu q = laju aliran kalor melintas permukaan pada arah normal terhadapnya T = suhu k = konstanta proporsionalitas ( tetapan kesebandingan )
Termal konduktivitas adalah proses untuk memindahkan energi dari bagian yang panas kebagian yang dingin dari substansi oleh interaksi molekuler. Dalam fluida, pertukaran energi utamanya dengan tabrakan langsung. Pada solid, mekanisme
28
utam utamaa adal adalah ah vibr vibras asii mole moleku kule ler. r. Kondu Kondukt ktor or list listri rik k yang yang baik baik juga juga meru merupak pakan an kondukt konduktor or panas panas yang baik baik pula. pula. Kondukt Konduktivi ivitas tas termal termal k ialah ialah suatu suatu konsta konstanta nta (tetap (tetapan) an) yang yang ditent ditentukan ukan dari dari eksper eksperime imen n dengan dengan medium medium itu. itu. Satuan Satuan k adalah adalah Btu/hr.ft.oFatau W/m.K.
29
BAB IV KESIMPULAN
1. Plate heat exchanger exchanger adalah adalah salah salah satu satu tipe heat heat exchanger exchanger yang yang menggunakan menggunakan plat logam untuk memindahkan panas antara dua liquid dengan menerapkan prinsip hukum Fourier. 2. Heat exchanger exchanger bekerja bekerja berdasark berdasarkan an prinsip prinsip perpindaha perpindahan n panas (heat (heat transfer), transfer), dimana terjadi perpindahan panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya lebih rendah. 3. Berdasarkan Berdasarkan ragam aliran aliran fluida fluida operasi operasi plate heat exchanger exchanger dapat dibedakan dibedakan menjadi : 1. Penukar panas pelat beraliran jamak (multipass (multipass plate heat exchanger ) 2. Penukar panas pelat berlawanan arah (countercurrent (countercurrent plate heat exchanger ) 3. Penukar panas pelat bersilangan arah (crosscurrent (crosscurrent plate heat exchanger )
30
DAFTAR PUSTAKA
Fachry, Fachry, H.A.R. 2007. Penuntun 2007. Penuntun Praktikum Laboratorium Unit Operasi. Indralaya : Laboratorium Proses dan Operasi Teknik Tekn ik Kimia Universitas Sriwijaya http://images.google.co.id http://www.egr.msu.edu/~steffe/handbook http://www.kaori-taiwan.com/ http://www.valutechinc.com/alfalaval1.htm Mc Cabe, Warren, Julian C Smith & Peter H..1985. Operasi Teknik Kimia. Kimia. Erlangga : Jakarta. Utomo, Tjipto.1983. Teori Teori Dasar Fenomena Transpor . Binacipta : Bandung
31
