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) adalah alat yang digunakan

untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan

bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Salah satu tipe dari alat

penukar kalor yang banyak dipakai adalah Shell and Tube Heat Exchanger. Alat

ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian luar dan sejumlah tube (tube bundle)

di bagian dalam, dimana temperatur fluida di dalam tube bundle berbeda dengan di

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 tube side dan yang di luar dari tube disebut shell side.

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 aliran yaitu :

Parallel flow/co current /flow (aliran searah)

Cross flow (aliran silang)

Cross counter flow (aliran silang berlawanan)

Counter current flow (aliran berlawanan arah)

Jenis-jenis penukar panas

Jenis-jenis penukar panas antara lain :

a. Double Pipe Heat Exchanger

b. Plate and Frame Heat Exchanger

c. Shell anf Tube Heat Exchanger

d. Adiabatic wheel Heat Exchanger

e. Pillow plate Heat Exchanger

f. Dynamic scraped surface Heat Exchanger

g. Phase-change 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 ?

3. Bagaimana prinsip kerja Heat Exchanger ?

4. Bagaimana analisa dari kinerja Heat Exchanger

1.3. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan 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.

Konduksi (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.

Konveksi (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 gradien 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

Konduksi. Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi diusulkan

oleh ilmuan perancis , J.B.J. Fourier, tahun 1882. Hubungan ini menyatakan bahwa qk,

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 disebut 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) Rk yang diberikan oleh dinding

kepada aliran panas dengan cara konduksi dan kita memperoleh.

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

qr yang diberikan oleh

qr= A1 T14 Btu / hr (1-5)

Btu/h, jika A1 luas permukaan dalam ft persegi, T1 suhu permukaan dalamderajat

rankine (R) dan konstanta dimensional dengan nilai 0,1714 x 10-8 Btu/h ft2 R4.dalam

satuan SI laju aliran panas qr mempunyai satuan watt, jika luas permukaan A1 dalam m2

, suhu mutlak dalam derajat Kelvin, dan 5,67 x 10 -8 watt / m2 k4 .besaran 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 laju bersih perpindahan panas radiasi

diberikan oleh :

qr= 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= A1 1 (T14 - T24) (1-7)

Dimana 1 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= A1 1-2 (T14 - T24) (1-8)

Konveksi. Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu

permukaan dan suatu fluida dapat dihitung dengan hubungan :

qc= hc A T (1-9)

Dimana qc= laju perpindahan panas dengan cara konveksi, Btu/h;

A = luas perpindahan panas, ft2;xv

T = 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 Kc

untuk perpindahan panas konveksi sebagai

Kc = hc A (1-10)

Dan tahanan termal terhadap perpindahan panas konveksi Rc 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;

R1 = 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

R2 = 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 ;

R3 = 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

Ttotal

+ +(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 Ttotal

(1-16)

dimana UA =1 2 31R + 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 dinding 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) serta

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

dengan mempergunakan minyak (665 0F) 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.

Gambar 2.5 Skema Data Analisa

Dari skema pada gambar 2.5, langkah-langkah penelitian dapat dijelaskan

sebagi berikut :

KAJIAN PUSTAKA

METODE PENELITIAN

ANALISA HASIL DATA

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 pertimbangan yaitu :

1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas

a. Tipe kontak tidak langsung

Tipe dari satu fase

Tipe dari banyak fase

Tipe yang ditimbun (storage type)

Tipe fluidized 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) oSekat batang (rod baffle)

oKonstruksi tube spiral

b. Konstruksi tipe pelat

1) Tipe pelat 3) Tipe lamella

2) Tipe spiral 4) Tipe pelat koil

c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

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

16 | H e a t E x c h a n g e r

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

17 | H e a t E x c h a n g e r

berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi 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 yang relative

kecil. Satu jenis fluida 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 dari

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

18 | 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 exchanger ).

Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-

sendiri. 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 m3/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

19 | 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.

20 | 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.

21 | 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 aliran 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 aliran 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 korosi 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.

22 | 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