Bab 2 Tgas Khusus kp

Jurusan Teknik KimiaUniversitas Sultan Ageng Tirtayasa

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Alat Penukar Panas

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 berlangsung secara efisien. 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. (Koestoer,2002)

Proses pertukaran panas dapat dilakukan secara langsung atau tidak

maksudnya ialah

1. Alat penukar panas yang langsung, ialah dimana fluida yang panas akan

bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah)

dalam suatu bejana atau ruangan tertentu salah satu contohnya adalah

deaerator.

2. Alat penukar panas yang tidak langsung, ialah dimana fluida panas tidak

berhubungan langsung (indirect contact) dengan fluida dingin. Jadi proses

perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara, seperti pipa, pelat atau

peralatan jenis lainnya salah satu contohnya adalah kondensor.


3

Dalam industri proses kimia masalah perpindahan energi atau panas adalah

hal yang sangat banyak dilakukan. Sebagaimana diketahui bahwa panas dapat

berlangsung lewat tiga cara, dimana mekanisme perpindahan panas itu sendiri

berlainan adanya. Adapun perpindahan itu dapat dilaksanakan dengan: (Sitompul,

1993)

1.Secara molekular, yang disebut dengan konduksi

Perpindahan kalor secara perambatan atau konduksi adalah perpindahan kalor

dari suatu bagian benda padat ke bagian lain dari benda padat yang sama, atau dari

benda padat yang satu ke benda padat yang lain karena terjadi persinggungan fisik

atau menempel tanpa terjadinya perpindahan molekul-molekul dari benda padat itu

sendiri (Halauddin, 2005).

Q=kA (−dTdx ).....................................................................(1)

Dimana : T = Suhu, 0C

x = Jarak / tebal dinding, m

A = Luas Dinding, m2

K = Konduktivitas Thermal, W /m. 0C

Q = Laju Perpindahan Panas Konduksi, W

Cara lain untuk menghitung laju perpindahan panas adalah dengan

menggunakan faktor bentuk (shape factor), yang diberi simbol S. Dengan

memperhatikan relasi keadaan- tunak yang telah dikembangkan untuk bentuk datar

dan bentuk silindris

q= kAL

∆ T ..........................................................................(2)

dan


4

q=2πkLln ¿¿ ......................................................................(3)

Jika bagian setiap persamaan yang berhubungan dengan geometri dipisahkan dari

suku-suku lainnya, maka, untuk dinding datar didapat

q=( kAL )∆T

Dan untuk silinder

q=k ¿

Masing-masing dari suku-suku di dalam tanda kurung adalah faktor bentuk untuk

geometri yang dapat dipakai. Hubungan umum yang memanfaatkan bentuk ini adalah

q=kS ∆ T .................................................................(4)

Persamaan ini memberikan beberapa keuntungan ketika suatu geometri tertentu

dibutuhkan karena keterbatasan ruang dan konfigurasi. Jika ini masalahnya, maka

faktor bentuknya dapat dihitung dan q dapat ditentukan untuk berbagai material yang

memiliki nilai-nilai k yang terletak pada suatu rentang. (Welty dkk, 2004)

2.Secara aliran yang disebut dengan perpindahan konveksi.

Koveksi merupakan proses perpindahan panas yang terjadi antara permukaan

padat dengan fluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan media

penghantar berupa fluida (cairan/gas). Konveksi adalah perpindahan kalor yang

terjadi akibat adanya pergerakan molekul pada suatu zat, gerakan inilah yang

menyebabkan adanya transfer kalor (Julian, 2012).

Q=hc A ∆T ........................................................................(5)

Dimana : T = Suhu, 0C

A = Luas Dinding, m2

hC = Koefisien Perpindahan Panas Konveksi, W /m2. 0C

Q = Laju Perpindahan Panas Konveksi, W/s


5

Perpindahan panas konveksi ada dua macam, yaitu (Rokhadi, 2010) :

a. Konveksi alami (natural convection)

Adalah perpindahan panas konveksi yang terjadi karena berubahnya densitas

fluida tersebut yang disebabkan adanya pemanasan.

b. Konveksi paksa (forced convection)

Adalah perpindahan panas konveksi konveksi yang berlangsung dengan

bantuan peralatan mekanis, misalnya udara yang dihembuskan di atas plat

oleh kipas.

3.Secara gelombang elektromagnetik, yang disebut dengan radiasi.

Perpindahan kalor secara pancaran atau radiasi adalah perpindahan kalor suatu

benda ke benda yang lain melalui gelombang elektromagnetik tanpa medium

perantara. Bila pancaran kalor menimpa suatu bidang, sebagian dari kalor pancaran

yang diterima benda tersebut akan dipancarkan kembali (re-radiated), dipantulkan

(reflected) dan sebagian dari kalor akan diserap. (Djokosetyardjo, 1987).

Q=σ ε A T 4.........................................................................(6)

Dimana : ε = Emisivitas

T = Suhu absolut benda, K

A = Luas Permukaan, m2

Q = Laju Perpindahan Panas Radiasi, W

Berdasarkan tipe aliran di dalam alat penukar panas ini,ada 4 macam aliran

yaitu :

a) Counter current, yaitu jenis heat exchanger di mana aliran bahan dengan

aliran energi (fluida pemanas) mengalir berlawanan.


6

b) Co current, yaitu jenis heat exchanger di mana aliran bahan dengan

aliran energi (fluida pemanas) mengalir searah.

c) Cross flow, yaitu terjadi ketika salah satu aliran fluida tegak lurus

terhadap cairan kedua, yaitu, satu aliran fluida melalui tabung dan cairan

kedua melewati sekitar saluran di sudut 90 °. Biasanya ditemukan pada

kondisi perubahan cairan 2 fasa. Contohnya adalah sistem uap

kondensor, di mana uap keluar turbin memasuki sisi shell kondensor, dan

air dingin yang mengalir di tabung menyerap panas dari uap, kondensasi

itu ke dalam air.

Gambar 2.2 Aliran Co Current

Gambar 2.1 Aliran Counter Current


7

2.2 Tipe Alat Penukar Panas

Berikut ini beberapa jenis heat exchanger yaitu:

a. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)

Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang

ditunjukkan pada gambar 1 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada

gambar 1 mengalir dari titik A ke titik B, dengan space berbentuk U yang mengalir di

dalam pipa. Cairan yang mengalir dapat berupa aliran cocurrent atau countercurrent.

Alat pemanas ini dapat dibuat dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain

hingga membentuk U. Double pipe heat exchanger merupakan alat yang cocok

dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang kecil (Geankoplis, 1993).

Gambar 2.3 Aliran Cross Flow

Tho

Thi

Tci

Tco

Gambar 2.4 Double Pipe Heat Exchanger


8

b. Shell And Tube Heat Exchanger

Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan

relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu

annulus dengan rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang

optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi

perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch

dan square pitch (Bizzy, 2013).

c. Plate Type Heat Exchanger

Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless

steel atau tembaga. Plate dibuat dengan design khusus dimana tekstur permukaan

plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua

plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-

lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir

untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang

dipasang bersama-sama seperti gambar dibawah

Gambar 2.5 Shell and tube Heat Exchanger


9

(Allan, 1981).

2.3 Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh

Koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) dapat didefinisikan sebagai

hubungan antara :

………………………….. (7)

dengan profil perbedaan temperatur menyeluruh aliran fluida sejajar (co-curent)

ataupun berlawanan arah (counter current) ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2.

Gambar 2.6 Plate and Frame Heat Exchanger


10

………………………………….(8)

Perbedaan temperatur LMTD merupakan perbedaan temperatur rata-rata

logaritmik yang diturunkan menggunakan dua asumsi. Pertama adalah kalor

spesifik fluida tidak berubah menurut temperatur, dan asumsi kedua adalah

koefisien perpindahan kalor konveksi tetap untuk seluruh penukar kalor.

Gambar 2.7 Profil Aliran Temperatur Co-Current

ofil

Gambar 2.8 Profil Aliran Temperatur Counter-Current

ofil


11

2.4 Efisiensi

Efisiensi pada alat penukar panas merupakan perbandingan antara

perpindahan kalor nyata terhadap perpindahan kalor yang mungkin terjadi.

Perbandingan kalor ini dapat diturunkan menjadi perbandingan antara selisih

temperatur masuk fluida panas dan fluida dingin, atau secara matematis dituliskan

sebagai berikut.

η=U aktualU design .............................................(9)

(Perry,1984)

Bab 2 Tgas Khusus kp

Documents

Transcript of Bab 2 Tgas Khusus kp