Makalah Pap Compile_ada Contoh

Click here to load reader

  • date post

    25-Sep-2015
  • Category

    Documents

  • view

    25
  • download

    5

Embed Size (px)

description

fewefwef

Transcript of Makalah Pap Compile_ada Contoh

  • i Universitas Indonesia

    KATA PENGANTAR

    Puji syukur saya ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah

    memberikan rahmat serta karunia-Nya kepada kami sehingga saya dapat

    menyelesaikan penulisan makalah ini. Makalah ini disusun untuk memenuhi

    sebagian persyaratan akademis dalam memenuhi mata kuliah Perancangan Alat

    Proses. Dalam penyusunan makalah ini, penulis mendapatkan banyak bantuan dan

    bimbingan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan

    terima kasih kepada:

    1. Orang tua penulis, atas seluruh dukungan dan doa yang telah diberikan ;

    2. Ir. Yuliusman, M.Eng. selaku dosen pengampu yang telah menyediakan

    waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan kami dalam penyusunan

    makalah ini;

    3. Seluruh dosen Departemen Teknik Kimia UI yang telah mengajar dan

    memberi wawasan sebagai mahasiswa Teknik Kimia ;

    4. Pihak-pihak lain yang telah mendukung dan membantu saya baik langsung

    maupun tidak langsung, yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

    Terima kasih atas dukungan dan bantuan yang telah diberikan. Dalam

    penulisan makalah ini mungkin masih terdapat kesalahan-kesalahan yang tidak

    disadari ataupun belum diketahui, oleh karena itu kritik dan saran dari semua pihak

    yang bersifat membangun selalu saya harapkan demi kesempurnaan seminar ini.

    Semoga tulisan ini bermanfaat bagi pembaca, serta dapat menjadi kontribusi nyata

    bagi dunia pendidikan dan ilmu pengetahuan, terutama di Indonesia.

    Depok, 12 Maret 2015

    Penulis

  • ii Universitas Indonesia

    DAFTAR ISI

    KATA PENGANTAR ............................................................................................. i

    DAFTAR ISI ........................................................................................................... ii

    INTRO, SELEKSI, DAN KLASIFIKASI HEAT EXCHANGER ......................... 3

    1.1. Pendahuluan ............................................................................................. 3

    1.2. Klasifikasi Heat Exchanger ...................................................................... 4

    1.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Tipe Konstruksi.......................................... 5

    1.2.2. Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas ........................ 14

    1.2.3. Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida ................................... 15

    1.2.4. Klasifikasi Berdasarkan Tipe Pass Fluida ....................................... 17

    1.3. Kriteria Pemilihan Heat Exchanger ........................................................ 17

    1.4. Analisis Efektivitas Heat Exchanger...................................................... 20

    DESAIN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER ........................................ 26

    2.1. Langkah Mendesain Shell and Tube Heat Exchanger ................................ 26

    2.2. Metode Bell-Delaware ............................................................................... 28

    2.2.1. Faktor Koreksi Koefisien Perpindahan Panas ..................................... 28

    2.2.2. Perhitungan Koreksi Koefisien Perpindahan Panas ............................. 29

    2.2.3. Koreksi Pressure Drop ......................................................................... 38

    2.2.4. Perhitungan Pressure Drop .................................................................. 39

    DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 42

  • 3 Universitas Indonesia

    BAB I

    INTRO, SELEKSI, DAN KLASIFIKASI HEAT EXCHANGER

    1.1.Pendahuluan

    Heat exchanger atau yang biasa kita kenal dengan sebutan alat penukar

    kalor adalah suatu macam alat proses yang berguna untuk menukarkan energi

    termal antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki perbedaan temperatur.

    Serupa dengan energi potensial, energi kinetik, dan energi dalam, energi termal

    adalah energi yang dimiliki oleh suatu zat yang dikarenakan suhunya. Dapat

    dikatakan zat yang memiliki suhu pasti memliki energi termal. Perbedaan antara

    energi termal yang dimiliki oleh suatu fluida dengan fluida lain dapat

    dikarakterisasi dari adanya perbedaan suhu antara kedua fluida tersebut. Adanya

    perbedaan suhu mengindikasikan adanya perbedaan energi termal yang dikandung

    oleh setiap fluida. Tujuan diciptakannya alat penukar kalor adalah untuk

    mentransferkan energi termal yang dimiliki oleh suatu fluida ke fluida lain yang

    memiliki energi termal yang lebih rendah. Adanya peristiwa perpindahan panas

    yang dialami oleh fluida melalui alat penukar kalor akan menyebabkan adanya

    kenaikan temperatur bagi fluida yang menerima transfer energi termal, sedangkan

    untuk fluida yang mentransferkan energi termalnya akan mengalami penurunan

    suhu.

    Alat penukar kalor atau yang dapat disingkat dengan sebutan HE (heat

    exchanger) merupakan suatu alat proses yang pasti ada pada setiap industri

    industri, baik itu industri pengilangan, petrokimia, ataupun industri industri yang

    menyangkut proses liquifikasi gas. Karena kegunaannya yang luas pada setiap

    industri, oleh sebab itu terdapat cukup banyak klasifikasi HE yang ada, menyangkut

    adanya perbedaan tipe konstruksi, tipe perpindahan panas, arah aliran fluida, serta

    tipe pass fluida yang dimiliki dari setiap HE yang ada. Namun demikian terdapat

    syarat umum yang harus dipenuhi oleh HE agar alat tersebut dapat menjalankan

    fungsinya untuk menukarkan kalor, yaitu:

    Elemen Penukar Panas

    Elemen penukar panas yang dimaksud disini adalah adanya area kontak

    antara fluida panas dan fluida dingin, baik secara langsung maupun tidak

  • 4 Universitas Indonesia

    langsung. Adanya area kontak pada HE inilah yang mengindikasikan proses

    perpindahan panas dapat berjalan di dalam HE. Terkadang untuk dapat

    memperoleh efektivitas HE yang tinggi, seringkali ke dalam HE ditambahkan

    area kontak sekunder yang berfungsi untuk memperluas area kontak total dari

    HE agar proses perpindahan panas yang terjadi berjalan dengan lebih maksimal.

    Elemen Pendistribusi Fluida

    Elemen ini berfungsi untuk menjaga kontinuitas proses yang terjadi di

    dalam HE,

    mengingat HE bekerja secara kontinu. Untuk dapat menjaga proses yang

    berlangsung di dalamnya maka seringkali terdapat tanki yang berfungsi untuk

    menampung fluida proses yang akan dipertukarkan energi termalnya satu

    dengan yang lainnya. Hal ini dimaksudkan agar di dalam HE selalu dipastikan

    terdapat fluida proses yang akan dipertukarkan kalornya.

    Nozzle

    Nozzle disini tentunya berfungsi sebagai sarana masuk dan keluarnya fluida

    proses yang telah mengalami proses perpindahan kalor di dalam HE. Tanpa

    adanya bagian ini maka tidak akan ada fluida yang dapat mempertukarkan

    kalornya di dalam HE.

    Gambar 1.1. Berbagai Jenis Heat Exchanger

    1.2. Klasifikasi Heat Exchanger

    Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, mengingat kegunaan HE yang

    luas di dalam industri, maka untuk dapat mempermudah karakterisasi antara satu

    jenis HE dengan HE yang lain maka dilakukanlah klasifikasi HE ke dalam beberapa

    kelompok. Klasifiasi HE secara umum dibedakan ke dalam 4 kategori yang berbeda

  • 5 Universitas Indonesia

    berdasarkan tipe konstruksinya, proses perpindahan panas yang terlibat, arah aliran

    fluida, serta tipe pass fluida.

    1.2.1. Klasifikasi Berdasarkan Tipe Konstruksi

    Berdasarkan tipe konstruksinya, HE dapat dibedakan menjadi 3 jenis, yaitu:

    Tubular Heat Exchanger

    Plate Heat Exchanger

    Compact Heat Exchanger

    Tubular Heat Exchanger

    Tubular heat exchanger adalah tipe HE yang memiliki area kontak

    perpindahan panasnya berbentuk tubular. Jenis HE yang masuk ke dalam kelompok

    ini adalah double pipe heat exchanger, shell and tube heat exchanger, dan coiled

    tube heat exchanger.

    Double Pipe Heat Exchanger

    Heat exchanger jenis ini terdiri dari dua buah pipa yang dikonstruksi secara

    konsentris, dimana fluida mengalir di dalam pipa yang berukuran kecil (inner

    tube) serta di dalam annulus. Pada umumnya fluida yang memiliki tekanan yang

    lebih tinggi serta fluida yang bersifat korosif akan dialirkan di dalam pipa kecil,

    sedangkan fluida yang lainnya akan dialirkan pada annulus. Heat exchanger

    jenis ini memiliki luas permukaan area kontak yang berkisar pada angka 300

    6000 ft2, dimana luas permukaan area kontak ini terbilang kecil untuk suatu unit

    HE. Oleh sebab itu HE jenis ini memiliki efektivitas yang paling rendah

    dibandingkan jenis jenis HE yang ada di dalam kelompok tubular heat

    exchanger. Untuk mengkompensasi hal ini, maka seringkali HE jenis ini

    dikonstruksi dengan bentuk U dengan cara menempatkan beberapa hairpin pada

    setiap ujung HE. Dengan digunakannya hairpin, maka HE jenis ini dapat

    memiliki luas permukaan yang lebih besar, sebab HE jenis ini dikonstruksi

    dengan bentuk yang berkelok kelok. Adanya luas permukaan yang lebih besar

    melalui proses instalasi hairpin, diharapkan HE jenis ini akan mengalami

    peningkatan efektivitas pertukaran kalornya. Disamping dengan melakukan

    konstruksi HE dengan bentuk hairpin, sering juga HE jenis ini dikonstruksi

    dengan menambahkan fin pada dinding pipa dalam (inner tube) yang berfungsi

  • 6 Universitas Indonesia

    untuk memberikan luas permukaan kontak yang lebih besar guna

    mengkompensasi kecilnya nilai luas permukaan kontak transfer panas yang

    dimilliki HE ini. Untuk dapat lebih meingkatkan nilai efektivitas perpindahan

    kalornya, maka arah aliran yang digunakan pada HE jenis ini mayoritas adalah

    counterflow.

    Gambar 1.2. Konstruksi Double Pipe Heat Exchanger

    Meskipun memliki luas permukaan kontak yang kecil, HE ini memiliki

    beberapa kelebihan, dimana kelebihan yang utamanya adalah HE ini dapat

    digunakan untuk menangani proses pertukaran kalor yang melibatkan fluida

    dengan suhu serta tekanan yang tinggi. Kisaran suhu operasi yang dapat

    diaplikasikan pada HE ini adalah dari 100oC 600oC, sedangkan untuk

    tekanan berkisar dari 0 bar 1000 bar. Heat exchanger jenis ini seringkali

    digunakan pada proses perpindahan panas yang melibatkan fluida dengan

    jumlah partikel tersuspensi yang tinggi (slurry). Kelebihan lainnya yang

    dimiliki oleh HE jenis ini adalah kegunaannya dalam menangani permasalahan

    temperature cross yang mungkin dialami pada saat mempertukarkan kalor

    antara fluida yang bersangkutan. Peristiwa temperature cross terjadi ketika

    suhu keluaran fluida panas memiliki suhu yang lebih rendah dari suhu keluaran

    fluida dingin. Terjadinya hal ini dapat menyebabkan nilai dari driving force

    untuk proses perpindahan panas menjadi negatif, dimana hal ini

    mengindikasikan bahwa proses perpindahan panas tidak akan terjadi. Untuk

    menangani masalah ini, seringkali digunakan HE jenis double pipe ini untuk

    mengatasi permasalahan tersebut. Ide ini muncul dikarenakan kecilnya luas

    permukaan kontak perpindahan panas yang dimiliki oleh HE jenis ini, dimana

    luas permukaan kontak yang semakin kecil akan dapat mengatasi permasalahan

    temperature cross. Karena dengan luas permukaan kontak yang semakin kecil,

    maka efektivitas dari HE yang ada akan semakin rendah, dimana dengan

  • 7 Universitas Indonesia

    semakin rendahnya efektivitas HE yang ada, maka suhu keluaran fluida panas

    akan semakin meningkat, sedangkan suhu keluaran fluida dingin akan semakin

    menurun. Melalui hal tersebut maka masalah mengenai temperature cross dapat

    diselesaikan.

    Gambar 1.3. Instalasi Fin sebagai Area Kontak Sekunder pada Double Pipe Heat Exchanger

    Shell and Tube Heat Exchanger

    Jenis heat exchanger ini merupakan HE yang paling banyak digunakan di

    dalam industri. Hampir 90% HE yang digunakan di dalam industri yang ada di

    seluruh dunia adalah jenis shell and tube. Tipe konstruksi HE jenis ini

    sebenarnya serupa dengan tipe double pipe, hanya saja pipa kecil (inner tube)

    yang ada di dalam pipa besar (shell / outer tube) memiliki jumlah yang banyak

    (multi-tube), berbeda dengan HE jenis double pipe yang hanya terdiri dari satu

    pipa kecil saja di dalamnya (single-tube). Pada umumnya untuk fluida yang

    bersifat korosif serta memiliki suhu dan tekanan yang tinggi akan dialirkan di

    dalam tube, sedangkan fluida yang lainnya akan dialirkan di dalam shell.

    Ukuran HE jenis ini pada umumnya berkisar dari 6 cm 2 m untuk ukuran

    diameter shell-nya. Kisaran suhu operasi yang dapat diaplikasikan pada HE

    jenis ini berkisar antara -20oC 500oC, sedangkan untuk tekanannya berkisar

    dari 0 bar 600 bar. Sebenarnya kisaran suhu dan tekanan operasi dari HE jenis

    ini dapat dibilang tidak terbatas. Hal ini terjadi sebab HE jenis ini dapat

    dikonstruksi dengan berbagai macam material, mulai dari material non logam

    seperti teflon, grafit, serta kaca. Disamping itu HE jenis ini juga dapat

    dikonstruksi dengan menggunakan logam logam super seperti titanium,

    zirconium, serta tantalum, dimana jenis HE lainnya belum tentu bisa

    dikonstruksi dengan menggunakan material tersebut. Luasnya pemilihan

    material konstruksi yang dapat digunakan untuk HE jenis ini dikarenakan

    proses fabrikasi HE jenis ini sudah sangat maju dibandingkan HE jenis lainnya,

  • 8 Universitas Indonesia

    dimana hal ini terjadi sebab mayoritas penggunaan HE yang ada adalah berjenis

    shell and tube. Heat exchanger jenis ini pada umumnya digunakan untuk proses

    transfer panas antara fluida liquid liquid.

    Salah satu kelemahan yang dimiliki oleh HE jenis ini adalah besarnya lahan

    yang diperlukan untuk peletakan HE ini. Besarnya lahan disini bukan

    dikarenakan HE jenis ini menempati lahan yang besar untuk peletakannya,

    melainkan hal ini lebih menyangkut pada alasan proses perawatannya.

    Mengingat proses pembersihan HE jenis ini, dimana tube bundle (kumpulan

    tube yang ada di dalam shell) harus dikeluarkan dari shell untuk dibersihkan.

    Mengingat ukuran tube bundle yang cukup besar dan harus dikeluarkan secara

    simultan (tidak bisa satu satu), maka diperlukan lahan ekstra untuk dapat

    melakukan hal tersebut. Disamping itu HE jenis ini tidak cocok untuk

    digunakan menyangkut fluida proses yang memiliki tendensi tinggi untuk

    membentuk fouling, karena proses pemberihan secara mekanik tidak bisa

    dilakukan pada HE jenis ini, terutama pada bagian bagian tube yang ada di

    dalam shell.

    Gambar 1.4. Konstruksi Internal dari Shell and Tube Heat Exchanger

    Coiled Tube Heat Exchanger

    Heat exchanger jenis ini dikonstruksi dengan cara melilitkan tube tube

    yang berukuran kecil pada satu tube utama secara heliks dengan menggunakan

    mandrel. Heat exchanger jenis ini bekerja secara counter flow dan dapat

    menangani lebih dari 2 stream fluida. Semakin banyak stream yang dilibatkan

    pada HE ini, maka akan semakin banyak tube yang mengelilingi tube core. Heat

  • 9 Universitas Indonesia

    exchanger jenis ini seringkali digunakan pada proses liquifikasi gas. Material

    yang dapat digunakan untuk proses konstruksi ini biasanya adalah alumunium

    alloy untuk suhu operasi kriogenik, serta stainless steel untuk suhu operasi yang

    berkisar 700oC 800oC. Jarang sekali di dalam industri selain untuk proses

    liquifikasi gas, HE jenis ini digunakan, mengingat harga HE ini yang sangat

    mahal dibandingkan dengan jenis jenis HE yang berada di dalam kelompok

    tubular heat exchanger. Kelemahan dari HE jenis ini adalah sulitnya untuk

    membersihkan deposit deposit yang mungkin terjadi di dalam tube-nya secara

    mekanik, maka dari itu HE jenis ini tidak dapat digunakan untuk proses

    pertukaran kalor yang melibatkan fluida tersuspensi ataupun fluida yang

    memiliki tendensi fouling yang tinggi.

    Gambar 1.5. Konstruksi Internal dari Coiled Tube Heat Exchanger

    Plate Heat Exchanger

    Plate heat exchanger adalah tipe HE yang memiliki konstruksi area

    perpindahan panasnya terjadi pada suatu pelat yang berada di dalam HE. Jenis

    jenis HE yang masuk ke dalam kelompok ini adalah plate and frame (gasketed)

    heat exchanger dan spiral heat exchanger.

  • 10 Universitas Indonesia

    Plate and Frame (Gasketed) Heat Exchanger

    Heat exchanger jenis ini dikonstruksi dengan cara menyusun beberapa pelat

    pelat logam (gasket) secara bertumpuk tumpuk sehingga fluida dapat

    dialirkan melalui tumpukan gasket gasket ini. Nantinya tumpukan gasket

    gasket ini akan berfungsi sebagai media perpindahan panas antara fluida panas

    dan fluida dingin. Heat exchanger jenis ini memiliki efektivitas perpindahan

    kalor yang tinggi, dimana hal ini ditandai dengan rendahnya nilai temperature

    approach yang dapat dicapai oleh HE jenis ini, yaitu bernilai 2oC. Tingginya

    efektivitas perpindahan kalor pada HE jenis ini dikarenakan HE jenis ini

    dialirkan secara counter flow dengan turbulensi yang tinggi. Seperti yang telah

    kita pahamai bahwa tahanan termal dari proses perpindahan panas antara dua

    buah fluida akan semakin kecil untuk profil aliran yang semakin turbulen.

    Disamping itu, penggunaan HE jenis ini juga dapat memberikan efek scrubbing,

    sehingga minim sekali masalah deposit / fouling ditemukan pada HE jenis ini.

    Seperti yang kita ketahui bahwa adanya fouling dapat memperbesar tahanan

    termal dari proses perpindahan panas. Dengan minimnya nilai tahanan termal

    yang dimiliki HE jenis ini melalui dua mekanisme yang telah dijelaskan

    sebelumnya, maka HE jenis ini dapat memiliki efektivitas yang tinggi, ditandai

    dengan rendahnya nilai temperature approach yang dapat dicapai oleh HE jenis

    ini. Heat exchanger jenis ini dijadikan sebagai solusi untuk proses pertukaran

    panas yang melibatkan fluida pada fasa cair cair untuk suhu dan tekanan

    operasi yang rendah hingga moderat ketimbang menggunakan HE berjenis shell

    and tube yang memiliki biaya konstruksi lebih mahal.

  • 11 Universitas Indonesia

    Gambar 1.6. Konstruksi Internal dari Gasketed Heat Exchanger

    Kelemahan dari HE jenis ini adalah kisaran suhu operasi yang dapat

    diaplikasikan pada HE jenis ini. Suhu operasi maksimum yang dapat

    dibebankan pada HE jenis ini hanya sampai pada suhu 160oC (sampai 200oC

    dengan menggunakan gasket spesial), sedangkan untuk tekanan operasinya

    maksimum hanya dapat menahan tekanan hingga 25 bar. Rendanya kisaran

    suhu dan tekanan operasi dari HE jenis ini dikarenakan adanya limitasi dari

    material yang digunakan dalam proses konstruksi gasket yang digunakan.

    Disamping itu resiko kebocoran juga tinggi pada HE jenis ini, mengingat fluida

    dialirkan di sepanjang tumpukan gasket.

    Spiral Heat Exchanger

    Heat exchanger jenis spiral ini dikonstruksi dengan cara melilitkan pelat

    pelat hingga memiliki bentuk spiral. Awal mula diciptakannya HE jenis ini

    berasal dari permasalahan sulitnya untuk menangani proses perpindahan panas

    yang melibatkan fluida yang memiliki viskositas dan partikel tersuspensi yang

    tinggi. Dengan begitu jelaslah sudah kegunaan dari heat exchanger jenis ini

    adalah untuk menangani proses perpindahan panas dari fluida yang memiliki

    viskositas tinggi (hingga 5000 poise), serta untuk menangani fluida dengan

    partikel tersuspensi hingga 50%. Heat exchanger jenis ini seringkali digunakan

    dalam proses penanganan wastewater, pada industi minyak konsumsi, dan juga

    digunakan pada unit crude desalter pada proses pengolahan minyak bumi.

  • 12 Universitas Indonesia

    Gambar 1.7. Mekanisme Perpindahan Panas pada Spiral Heat Exchanger

    Compact Heat Exchanger (Extended Surface Heat Exchanger)

    Sebenarnya HE jenis ini adalah pengembangan dari HE jenis plate heat

    exchanger, dimana pada compact HE ditambahkan secondary surface area yang

    berfungsi untuk memperluas area kontak perpidahan panas yang ada di dalam HE.

    Jenis HE yang termasuk ke dalam golongan ini sangatlah banyak, karena ada

    banyak sekali tipe secondary surface yang dapat digunakan, oleh sebab itu pada

    makalah ini hanya akan dibahas tipe compact heat exchanger yang paling banyak

    digunakan, yaitu tipe plate-fin heat exchanger dan finned-tube heat exchanger.

    Plate-fin Heat Exchanger

    Heat exchanger jenis ini sebenarnya merupakan modifikasi dari plate heat

    exchanger, dimana konstruksi HE jenis ini terdiri dari tumpukan pelat pelat

    yang disusun satu per satu, hanya saja disetiap pelat yang disusun diselipkan

    secondary surface area berbentuk fin. Penyusunan secondary surface

    berbentuk fin ini diantara tumpukan pelat pelat biasanya memiliki konfigurasi

    umum yang berebentuk segitiga. Aliran yang digunakan pada HE jenis ini

    adalah secara cross flow. Melalui penambahan area kontak perpindahan panas

    yang dilakukan dengan cara menyelipkan fin diantara tumpukan pelat, maka

    luas permukaan total yang dapat digunakan sebagai media perpindahan panas

    pada HE jenis ini dapat mencapai 6000 m2/m3. Dengan adanya luas permukaan

    transfer panas yang tinggi, maka HE jenis ini memiliki nilai efektivitas termal

    yang tinggi, dimana hal ini diindikasikan dengan temperature approach yang

    dapat dicapi hingga bernilai 1oC. Kisaran suhu dan tekanan operasi yang dapat

  • 13 Universitas Indonesia

    diaplikasikan pada HE jenis ini dapat dikatakan cukup beragam, dimana suhu

    yang dapat dioperasikan pada HE ini berkisar dari suhu kriogenik hingga suhu

    600oC, sedangkan untuk tekanan dapat dioperasikan dari tekanan vaccum

    hingga 15 bar. Heat exchanger tipe ini dapat digunakan untuk menukarkan

    fluida yang berfasa gas gas ataupun liquid liquid.

    Gambar 1.8. Mekanisme Perpindahan Panas pada Plate-fin Heat Exchanger

    Finned-tube Heat Exchanger

    Heat exchanger jenis ini menggunakan pipa tubular sebagai secondary

    surface area nya. Heat exchanger jenis ini biasa digunakan untuk menangani

    proses perpindahan panas yang melibatkan fasa gas liquid. Heat exchanger

    jenis ini bisa kita temukan pada kondensor AC, intercooler pada mesin diesel,

    dan juga digunakan pada evaporator.

    Gambar 1.9. Mekanisme Perpindahan Panas pada Finned-tube Heat Exchanger

  • 14 Universitas Indonesia

    1.2.2. Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas

    Heat exchanger dapat diklasifikasikan berdasarkan proses perpindahan

    panasnya menjadi kontak tak langsung dan kontak langsung.

    Kontak Tak Langsung

    Heat exchanger yang digolongkan ke dalam kontak tak langsung adalah HE

    yang melibatkan adanya suatu permukaan transfer panas yang terlibat pada saat

    proses perpindahan kalor terjadi. Heat exchanger yang melakukan proses

    perpindahan panasnya melalui kontak tak langsung maka tidak akan disertai

    dengan proses pencampuran antara fluida fluida yang ingin dipertukarkan

    kalornya, sebab fluida fluida tersebut dipisahkan oleh suatu luas permukaan

    panas (elemen penukar kalor). Heat exchanger yang digolongkan ke dalam HE

    dengan jenis kontak tak langsung adalah tubular heat exchanger, plate heat

    exchanger, serta compact heat exchanger.

    Kontak Langsung

    Heat exchanger yang digolongkan ke dalam kontak langsung adalah HE

    yang melibatkan adanya proses pencampuran antara fluida yang terlibat dalam

    proses perpindahan panasnya. Dengan begitu pada HE jenis ini kita tidak akan

    menemukan adanya luas permukaan transfer panas yang memisahkan antara

    fluida panas dan fluida dingin yang akan dipertukarkan panasnya. Pada proses

    transfer panas yang terjadi pada HE jenis ini selain terjadi proses perpindahan

    kalor biasanya juga diikuti dengan peristiwa transfer massa. Salah satu contoh

    HE yang bekerja dengan kontak langsung adalah cooling tower. Seperti yang

    kita ketahui bahwa tujuan adanya cooling tower adalah untuk mendinginkan

    fluida keluaran kondensor yang memiliki suhu tinggi, dimana untuk

    menurunkan suhu fluida keluaran kondensor, maka fluida ini akan dikontakan

    secara langsung dengan udara yang memiliki arah aliran yang berlawanan

    dengan fluida panas yang di spray kan kearah bawah kolom.

  • 15 Universitas Indonesia

    Gambar 1.10. Mekanisme Perpindahan Panas secara Kontak Langsung pada Unit Cooling Tower

    1.2.3. Klasifikasi Berdasarkan Arah Aliran Fluida

    Heat exchanger dapat diklasifikasikan berdasarkan arah alir dari fluida yang

    terlibat dalam proses perpindahan panasnya menjadi tiga, yaitu cross flow, parallel

    flow, serta counter flow.

    Cross Flow

    Heat exchanger yang menggunakan arah aliran cross flow memiliki nilai

    efektivitas termal yang berkisar antara aliran paraller flow dan counter flow.

    Heat exchanger yang menggunakan tipe aliran ini pada umumnya adalah HE

    yang berada pada golongan compact heat exchanger.

    Gambar 1.11. Profil Perubahan Suhu Untuk Tipe Aliran Cross Flow

  • 16 Universitas Indonesia

    Parallel Flow

    Heat exchanger yang menggunakan arah aliran parallel flow memiliki nilai

    efektivitas yang paling rendah dibandingkan HE dengan tipe aliran yang lain

    untuk flowrate, capacity rate, serta luas permukaan kontak yang sama. Hal ini

    terjadi sebab HE dengan arah aliran paralel akan mempertemukan fluida dengan

    delta temperatur yang maksimal dibandingkan dengan tipe aliran yang lainnya.

    Untuk HE dengan tipe aliran ini maka akan mempertemukan inlet fluida panas

    dan inlet fluida dingin pada titik yang sama, begitu juga untuk titik outletnya.

    Adanya delta perbedaan suhu yang besar antara fluida dingin dan fluida panas

    akan menyebabkan tingginya nilai thermal stress pada bagian dinding / luas

    permukaan pada titik tersebut. Tingginya nilai thermal stress pada dinding

    dapat meneybabkan rendahnya nilai efektivitas termal dari HE yang ada.

    Meskipun demikian arah aliran parallel flow cocok untuk digunakan

    menyangkut fluida dengan viskositas yang tinggi. Hal ini terjadi sebab dengan

    adanya delta suhu yang tinggi pada bagian inlet HE, maka hal ini dapat

    menurunkan viskositas dari fluida yang akan mengalami proses perpindahan

    panas. Dengan adanya penurunan viskositas yang besar, maka boundary layer

    yang terbentuk pada dinding akan semakin tipis, sehingga hal ini dapat

    mempermudah terjadinya proses perpindahan panas agar berlangsung secara

    lebih efektif.

    Gambar 1.12. Diagram Tipe Aliran Parallel Flow

    Counter Flow

    Heat exchanger yang menggunakan arah aliran counter flow memiliki nilai

    efektivitas yang paling tinggi dibandingkan HE dengan tipe aliran yang lain

    untuk flowrate, capacity rate, serta luas permukaan kontak yang sama. Hal ini

    terjadi sebab HE dengan arah aliran counter akan mempertemukan fluida

    dengan delta temperatur yang minimal dibandingkan dengan tipe aliran yang

  • 17 Universitas Indonesia

    lainnya. Adanya nilai delta temperatur yang minimal di sepanjang HE akan

    menyebabkan rendahnya nilai thermal strees dari dinding / luas permukaan

    kontak di sepanjang unit HE. Rendahnya nilai thermal stress di sepanjang HE

    akan meningkatkan nilai efektivitas termal dari HE yang menggunakan tipe

    aliran ini. Oleh sebab itu untuk dapat memperoleh nilai efektivitas termal yang

    tinggi, seringkali HE yang digunakan memiliki arah aliran counter flow.

    Gambar 1.13. Diagram Tipe Aliran Counter Flow

    1.2.4. Klasifikasi Berdasarkan Tipe Pass Fluida

    Heat exchanger dapat diklasifikasikan berdasarkan tipe pass fluida yang

    terlibat dalam proses perpindahan panasnya menjadi dua, yaitu single pass dan

    multi pass.

    Single Pass

    Heat exchanger dikatakan memiliki single pass apabila hanya diperlukan satu

    kali aliran saja untuk suatu fluida melewati seluruh panjang heat exchanger.

    Multi Pass

    Heat exchanger dikatakan memiliki multi pass apabila diperlukan dua atau tiga

    kali aliran untuk suatu fluida untuk melewati seluruh panjang heat exchanger.

    Seringkali suatu HE dibuat menjadi multi pass untuk meningkatkan efektivitas

    termal dari suatu HE, sehingga nilai temperature approach yang dicapai dapat

    menjadi semakin rendah.

    1.3. Kriteria Pemilihan Heat Exchanger

    Material Konstruksi

    Terdapat berbagai macam material yang dapat digunakan untuk keperluan

    konstruksi heat exchanger. Material material yang digunakan untuk

    konstruksi heat exchanger dapat berbeda beda antara satu jenis HE dengan

    HE yang lain. Seperti pada HE jenis shell and tube, terdapat berbagai macam

    material konstruksi yang dapat digunakan untuk membangun HE jenis ini, sebut

    saja mulai dari material non logam seperti teflon, grafit, kaca, hingga material

  • 18 Universitas Indonesia

    logam istimewa seperti titanium, zirconium, dan tantalum. Sementara untuk

    material konstruksi plate heat exchanger lebih diutamakan material yang dapat

    di las dan dapat ditekan, sedangkan untuk material konstruksi compact heat

    exchanger lebih diutamakan material yang memiliki maleabilitas yang tinggi

    sehingga mudah untuk dibentuk.

    Kondisi Operasi (Suhu dan Tekanan)

    Berbagai jenis HE yang ada memiliki rentang suhu operasi yang berbeda

    beda antara satu jenis HE dengan HE yang lainnya. Semakin tinggi suhu dan

    tekanan operasi dari suatu unit HE maka untuk mengkompensasi hal ini

    dibutuhkan lapisan penahan panas dan tekanan yang semakin tebal. Untuk

    beberapa jenis HE misalnya compact heat exchanger, HE jenis ini memiliki

    batasan maksimum dari lapisan penahan panas dan tekanan yang dapat

    digunakan pada HE ini. Pada umumnya HE jenis ini tidak dapat menggunakan

    lapisan penahan panas dan tekanan yang tebal mengingat material konstruksi

    untuk HE tipe ini harus memiliki kemampuan mudah dibentuk (maleabilitas).

    Apabila lapisan penahan panas dan tekanan yang digunakan semakin tebal,

    maka hal ini akan mempengaruhi kemampuan material konstruksi compact heat

    exchanger sehingga semakin sulit untuk dibentuk. Oleh sebab itu biasanya

    compact heat exchanger tidak dapat digunakan pada suhu yang sangat tinggi.

    Untuk kondisi operasi yang memiliki suhu dan tekanan yang tinggi, HE jenis

    shell and tube dapat dijadikan jawabannya, mengingat HE jenis ini dapat

    menggunakan material konstruksi logam logam istimewa seperti titanium,

    zirconium, dan tantalum yang memiliki resistansi yang tinggi terhadap suhu dan

    tekanan. Hal yang serupa juga terjadi pada plate heat exchanger, dikarenakan

    adanya limitasi dari penggunaan material konstruksi untuk produksi pelat

    pelat dari plate heat exchanger, maka HE jenis ini hanya mampu digunakan

    pada kondisi operasi suhu dan tekanan yang rendah hingga moderat.

    Arah Aliran

    Untuk dapat memperoleh nilai temperature approach yang semakin rendah,

    maka kita dapat menggunakan arah aliran counter flow, sebab arah aliran

    counter flow dapat memberikan nilai efektivitas termal yang paling tinggi

    dibandingkan dengan HE jenis lain untuk flowrate, capacity rate, serta luas

  • 19 Universitas Indonesia

    permukaan yang sama. Tingginya nilai efektivitas termal dari HE yang

    menggunakan arah aliran counter flow disebabkan karena untuk tipe aliran ini,

    nilai delta suhu yang ada di sepanjang HE bernilai paling rendah, sehingga nilai

    tahanan termal yang ada di sepanjang dinding HE bernilai rendah. Hal inilah

    yang membuat nilai efektivitas termal HE yang menggunakan aliran counter

    flow tinggi. Untuk menangani fluida fluida yang memiliki viskositas yang

    tinggi, maka kita dapat memanfaatkan aliran parallel flow untuk memperoleh

    proses perpindahan kalor agar berjalan semaksimal mungkin. Sedangkan untuk

    penggunaan compact heat exchanger baru akan menggunakan aliran cross flow,

    sebab mayoritas konstruksi compact heat exchanger adalah dengan

    menggunakan aliran cross flow.

    Tendensi Terbentuknya Fouling

    Untuk dapat menangani kasus perpindahan panas yang melibatkan fluida

    yang memiliki tendensi tinggi untuk membentuk fouling, tidak disarankan

    untuk menggunakan HE dengan jenis shell and tube. Hal ini terjadi sebab proses

    pembersihan HE pada bagian tube dari HE jenis shell and tube cukup

    merepotkan, terutama pembersihan secara mekanik. Double pipe heat

    exchanger dapat digunakan untuk menangani permasalahan fluida yang

    memiliki tendensi tinggi untuk menyebabkan fouling, namun kompensasi yang

    harus ditanggung dengan menggunakan HE dengan jenis double pipe adalah

    kita tidak dapat memperoleh nilai temperature approach yang rendah,

    mengingat efektivitas termal dari HE jenis ini adalah rendah disebabkan

    kecilnya luas permukaan transfer panasnya. Jawaban untuk permasalahan

    fouling sekaligus untuk permasalahan efektivitas, maka kita dapat menggunakan

    plate heat exchanger. Dengan efek scrubbing yang diberikan dengan

    penggunaan plate heat exchanger, maka hal ini dapat mengkompensasi fluida

    fluida yang bersifat fouling. Disamping itu plate heat exchanger juga

    memiliki nilai efektivitas termal yang tinggi, mengingat HE jenis ini bekerja

    secara counter flow dengan aliran yang turbulen.

    Kemudahan Fabrikasi dan Biaya

    Berbicara mengenai kemudahan fabrikasi, tentunya shell and tube heat

    exchanger memiliki proses fabrikasi yang paling mudah, mengingat

  • 20 Universitas Indonesia

    perkembangan HE jenis ini sudah lebih pesat dibandingkan dengan HE jenis

    yang lainnya. Untuk proses pertukaran panas yang melibatkan fasa cair cair

    pada suhu dan tekanan rendah hingga moderat misalnya, maka dapat digunakan

    gasketed heat exchanger ketimbang shell and tube heat exchanger mengingat

    biaya fabrikasi gasketed heat exchanger yang lebih murah. Compact heat

    exchanger merupakan kelompok HE yang jauh lebih sulit untuk difabrikasi

    dibandingkan dengan plate heat exchanger. Namun demikian proses fabrikasi

    HE tersulit dan termahal adalah untuk jenis coiled tube heat exchanger yang

    sering digunakan untuk proses liquifikasi gas. Jarang sekali coiled tube heat

    exchanger digunakan untuk keperluan selain liquifikasi gas. Kemudahan dan

    biaya fabrikasi suatu unit HE seringkali dijadikan sebagai pertimbangan utama

    dalam pemilihan HE yang akan digunakan di dalam suatu industri.

    Perawatan

    Dalam hal kemudahan perawatan, maka kelompok plate heat exchanger

    merupakan kelompok HE yang paling mudah proses perawatannya, mengingat

    HE jenis ini hanya menggunakan tumpukan pelat pelat sebagai media

    perpindahan panasnya. Disamping itu kelompok tubular heat exchanger seperti

    double pipe dan shell and tube juga tergolong sebagai HE yang mudah proses

    perawatannya, namun jika dibandingkan dengan plate heat exchanger, maka

    proses perawatan tubular heat exchanger dapat dikatakan lebih sulit. Meskipun

    demikian kedua golongan HE yang telah disebutkan sebelumnya, yaitu tubular

    heat exchanger dan plate heat exchanger, dibandingkan dengan mereka, maka

    compact heat exchanger merupakan tipe HE yang paling sulit proses

    perawatannya. Tidak seperti tubular heat exchanger dan plate heat exchanger

    yang mudah untuk dirawat setiap bagiannya, kerusakan pada suatu bagian

    compact heat exchanger sulit untuk direparasi selain dengan cara mengganti

    satu unit full dari bagian yang rusak tersebut.

    1.4.Analisis Efektivitas Heat Exchanger

    Kemampuan suatu heat exchanger untuk dapat mempertukarkan kalor

    antara fluida yang akan diproses dapat diketahui dengan meninjau nilai efektivitas

    dari heat exchanger yang digunakan. Semakin tinggi nilai efektivitas yang dimiliki

    oleh suatu HE, maka hal ini dapat diindikasikan dengan semakin rendahnya nilai

  • 21 Universitas Indonesia

    temperature approach yang dapat dicapai oleh suatu HE. Temperature approach

    sendiri merupakan selisih antara suhu keluaran fluida panas dengan suhu keluaran

    fluida dingin. Semakin rendah nilai temperature approach nya maka dapat

    dikatakan kinerja proses transfer panas yang terjadi di dalam HE tersebut berjalan

    secara optimal. Oleh sebab itu efektivitas suatu HE dapat juga diketahui dari nilai

    temperature approach yang dapat dicapainya. Secara umum terdapat dua metode

    yang dapat digunakan untuk mengevaluasi efektivitas suatu HE, yaitu NTU method

    dan LMTD method.

    NTU Method

    Pada metode ini, efektivitas suatu unit heat exchanger merupakan suatu

    fungsi yang dipengaruhi oleh tiga buah variabel, yaitu NTU (number of transfer

    unit), C* (rasio antara laju kapasitas panas minimum / laju kapasitas panas

    maximum), dan tipe arah aliran yang digunakan. Untuk mengaplikasikan

    metode NTU ini guna mendapatkan nilai efektivitas termal suatu HE, maka kita

    akan meninjau sistem yang dapat dilihat pada gambar 14 di bawah. Pada

    gambar 14 dapat kita lihat bahwa tahanan termal yang ada pada sistem terdiri

    dari proses perpindahan panas konveksi, lapisan fouling, dinding area kontak

    transfer panas, lapisan fouling, dan proses perpindahan panas konveksi kembali.

    Gambar 1.14. Sistem Perpindahan Panas yang Umum Terjadi pada Suatu Heat Exchanger

    Untuk dapat mengetahui nilai NTU total yang ada pada sistem yang terdapat

    pada gambar 14, maka kita harus mengetahui berapa besarnya nilai konduktasi

    total yang ada pada sistem tersebut. Nilai konduktansi termal total besarnya

  • 22 Universitas Indonesia

    akan sama dengan invers dari besarnya nilai tahanan termal total. Tahanan

    termal total yang ada pada gambar 14 diatas adalah:

    karena nilai tahanan termal total sama dengan invers dari nilai konduktansi

    termal total (UA), maka diperoleh:

    Nilai Rw (tahanan termal dari dinding) untuk bentuk tubular dapat dicari dengan

    persamaan:

    Sedangkan untuk bentuk pelat dapat dicari dengan menggunakan persamaan:

    Dari semua persamaan diatas, maka kita dapat mengetahui besarnya nilai NTU

    yang ada dari sistem tersebut, dimana nilai NTU adalah rasio antara nilai

    konduktansi termal total dengan nilai laju kapasitas kalor minimum (nilai laju

    kapasitas kalor dari aliran fluida yang memiliki nilai specific heat lebih kecil

    dibandingkan fluida lainnya), dimana nilai NTU total adalah:

    Setelah diperoleh nilai NTU total dari suatu sistem HE, maka selanjutnya

    dengan mengetahui nilai C* (rasio Cmin/Cmax) dan tipe aliran fluida yang

    digunakan, maka nilai efektivitas suatu HE dapat diketahui dengan

    menggunakan representasi grafis. Sebagai contoh berikut adalah grafik yang

  • 23 Universitas Indonesia

    dapat digunakan untuk mengetahui nilai efektivitas suatu HE yang telah

    diketahui nilai NTU totalnya, nilai C*, serta tipe aliran yang digunakan, seperti

    yang tertera di grafik pada gambar 15 di bawah.

    Gambar 1. 15. Grafik yang Digunakan untuk Mengetahui Nilai Efektivitas Suatu Heat

    Exchanger dengan Aliran Cross Flow

    LMTD Method

    Analisis efektivitas suatu HE dengan menggunakan metode LMTD (log

    mean temperature difference) bertujuan untuk mengetahui nilai transfer panas

    optimum yang mungkin terjadi dari suatu unit HE. LMTD sendiri

    mengindikasikan suhu rata rata yang ada di sepanjang unit heat exchanger,

    dimana pada suhu LMTD inilah suatu HE akan memiliki efektivitas yang paling

    tinggi. Untuk mencari besarnya nilai LMTD dari suatu unit HE yang

    menggunakan aliran counter flow, maka kita dapat mencarinya dengan

    menggunakan persamaan:

    dimana nilai delta t1 dan delta t2 masing masing dapat dilihat pada gambar 16

    di bawah.

  • 24 Universitas Indonesia

    Gambar 1. 16. Representasi Grafis yang Dapat digunakan Untuk Mencari Nilai LMTD suatu Heat

    Exchanger

    Namun demikian, analisis LMTD hanya dapat digunakan untuk

    menganalisis efektivitas suatu HE yang memiliki tipe aliran counter flow,

    sedangkan untuk tipe aliran parallel dan cross flow dapat diketahui nilai LMTD

    nya berdasarkan nilai LMTD yang diperoleh dari HE dengan aliran counter flow

    yang disertakan dengan faktor koreksi yang ada. Untuk mengetahui faktor

    koreksi yang diperlukan untuk melakukan analisis LMTD bagi HE dengan

    aliran parallel flow dan cross flow dapat dicari dengan menggunakan

    persamaan:

    Seperti yang diketahui, untuk konfigurasi aliran counter flow, efektivitas

    termal yang dapat dicapai dari suatu unit HE akan lebih tinggi dibandingkan

    dengan HE jenis lainnya untuk flowrate, capacity rate, dan luas permukaan

    kontak yang sama. Hal ini terjadi karena dengan menggunakan konfigurasi

    aliran counter flow, nilai LMTD yang diperoleh akan lebih besar dibandingkan

    dengan nilai LMTD yang diperoleh untuk tipe aliran lainnya. Hal ini dapat

    dilihat melalui representasi grafis pada gambar 17 di bawah. Tingginya

    efektivitas termal yang dimiliki oleh suatu HE dengan tipe aliran counter flow

    dikarenakan tipe aliran ini dapat menciptakan suhu yang hampir uniform di

    sepanjang HE. Melalui uniformitas suhu yang ada inilah yang menyebabkan

    thermal stress yang berada pada dinding dinding di sepanjang HE bernilai

  • 25 Universitas Indonesia

    minimum, sehingga dapat dicapai nilai efektivitas yang tinggi. Adanya

    perbedaan suhu yang semakin besar di sepanjang HE akan menyebabkan nilai

    LMTD yang dapat dicapai HE tersebut akan semakin kecil, dimana pada

    nomograf di gambar 17 akan terbentuk slope yang bernilai negatif untuk HE

    dengan perbedaan suhu yang terlampau jauh. Slope negatif ini menandakan

    bahwa nilai LMTD yang dapat dicapai oleh suatu HE dengan delta suhu yang

    terlampau jauh di sepanjang HE akan bernilai semakin rendah. Oleh sebab itu

    uniformitas delta suhu di sepanjang HE diperlukan untuk memperoleh slope

    positif pada nomograf, dimana hal ini mengindikasikan nilai LMTD yang dapat

    dicapai akan semakin tinggi. Hal ini dengan mudah dapat dicapai dengan

    menggunakan konfigurasi aliran dengan tipe counter flow.

    Gambar 1. 17. Nomograf yang digunakan untuk Penentuan Nilai LMTD

  • 26 Universitas Indonesia

    BAB II

    DESAIN SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

    Pada dasarnya, shell and tube heat exchanger (STHE) sama dengan double-

    pipe heat exchanger, yaitu terdapatnya pipa di dalam pipa di mana kedua pipa dialiri

    fluida yang mentransfer panas satu sama lain. Bedanya, STHE memiliki luas

    perpindahan panas yang lebih luas daripada double-pipe heat exchanger. Dengan

    area kontak yang lebih luas, maka perpindahan panas yang terjadi lebih baik.

    STHE merupakan jenis heat exchanger yang paling umum digunakan di

    seluruh industri. Oleh karena itu, memahami cara mendesain heat exchanger

    menjadi penting.

    2.1. Langkah Mendesain Shell and Tube Heat Exchanger

    Berikut langkah-langkah mendesain STHE,

    1. Hitung laju perpindahan panas menggunakan neraca energi dan tentukan laju

    alir masing-masing aliran, baik shell maupun tube.

    = ,(, ,) = ,(, ,)

    2. Lakukan pemilihan mekanik STHE, seperti tipe front-end, tipe shell, dan tipe

    rear-end sesuai dengan yang biasa digunakan di industri tersebut.

    3. Estimasi koefisien perpindahan panas overall (U) dengan Tabel 4.1.

    Tabel 4.1. Nilai koefisien panas overall

    4. Tentukan luas permukaan perpindahan panas menggunakan persamaan

    =

    Dengan nilai,

    = =1 2

    ln (12

    )

    1 = , ,

  • 27 Universitas Indonesia

    2 = , ,

    Dengan asumsi

    = 0.8

    5. Menentukan diameter, panjang, pitch, dan susunan tube

    =(0.78)1

    2[

    2 ]

    Dengan nilai

    C1 = 0.86 untuk tp = 30o

    C1 = 1 untuk tp = 45o dan 90o

    Rasio Lti dan Dctl diasumsikan bernilai 8

    Lti adalah panjang tube, m

    =

    Dotl adalah jarak dari tengah tube bundle ke pipa diameter pipa terluar pada tube

    bundle. Gambar 2.1. mengilustrasikan susunan tube bundle dalam shell.

    Gambar 2.1. Susunan tube bundle dalam shell

    6. Menghitung koefisien perpindahan panas dan pressure drop dengan metode

    Bell-Delaware.

    7. Menghitung koefisien perpindahan panas overall yang baru

  • 28 Universitas Indonesia

    8. Membandingkan koefisien perpindahan panas overall dan pressure drop yang

    baru dengan yang lama.

    9. Melakukan inspeksi dan tentukan apakah heat exchanger yang didesain ini telah

    memenuhi keperluan proses.

    10. Ulangi langkah 5 hingga 9 dengan estimasi yang baru sampai memenuhi

    keperluan proses.

    2.2. Metode Bell-Delaware

    Metode Bell-Delaware adalah suatu metode perhitungan yang

    digunakan untuk meminimalisasi kesalahan desain STHE. Sampai saat ini,

    metode Bell-Delaware merupakan metode yang paling akurat untuk

    mendesain STHE.

    Pada metode Bell-Delaware, dilakukan dua koreksi, yaitu koreksi

    terhadap perhitungan koefisien perpindahan panas dan perhitungan

    pressure drop dari sisi shell.

    2.2.1. Faktor Koreksi Koefisien Perpindahan Panas

    Faktor koreksi diperlukan untuk koefisien perpindahan panas karena

    tidak diperhitungkannya

    Baffle cut dan baffle spacing J1

    Aliran leakage J2. Aliran ini terjadi karena adanya celah yang sangat

    kecil antara baffle dengan dinding shell bagian dalam serta tube dengan

    baffle. Aliran ini ditunjukkan oleh huruf A dan E pada gambar 2.2.

    Gambar 2.2. Ilustrasi aliran STHE di dekat baffle

  • 29 Universitas Indonesia

    Aliran bypass J3. Aliran ini terjadi karena pergerakan fluida dalam

    shell tegak lurus terhadap baffle (aliran bypass). Aliran ini ditunjukkan

    oleh huruf C dan F pada gambar 2.3.

    Gambar 2.3. Ilustrasi aliran STHE menuju baffle

    Terbentuknya gradien temperatur karena aliran laminer J4

    Perbedaan baffle spacing di tengah-tengah shell dan diujung-ujung shell

    J5.

    2.2.2. Perhitungan Koreksi Koefisien Perpindahan Panas

    Persamaan yang digunakan untuk perhitungan koefisien

    perpindahan panas pada fluida di shell adalah

    = 12345

    Berikut ini merupakan langkah-langkah untuk menghitung nilai

    seluruh term yang ada di persamaan di atas dengan contoh soalnya, (Lihat

    Gambar 2.1., 2.4., dan 2.5.).

    CONTOH SOAL

    Sebuah shell and tube heat exchanger didesain untuk menukar panas

    antara dua fluida. Fluida panas adalah air yang mengalir di tube,

    sementara fluida dingin adalah air yang mengalir di shell. Berikut ini

    adalah data sifat fluida yang dibutuhkan untuk desain

    Properties Tube Shell

    (Densitas fluida) 1000 kg/m3 1000 kg/m3

    Cp (Kapasitas panas) 4.187 kJ/kg K 4.187 kJ/kg K

    (Viskositas) 0.00086 Ns/m2 0.00088 Ns/m2

    k (Konsuktivitas fluida) 0.00098 kJ/s-m K 0.00098 kJ/s-m K

  • 30 Universitas Indonesia

    Berikut merupakan data heat exchanger yang dibutuhkan

    Properties Nilai

    Ds (Diameter dalam shell) 0.2 m

    do (Diameter luar tube) 0.01924 m

    pt (Tube pitch) 0.03 m

    (Panjang shell) 0.8 m

    (Panjang tube) 0.825 m

    Lbc (Jarak antar baffle) 0.2 m

    Nb (Jumlah baffle) 4

    (Jumlah tube) 18

    (Jumlah pass shell) 1

    (Jumlah pass tube) 2

    (Clearance) 0.01076 m

    Lbb (Bundle-to-shell) 0.028 m

    (Shell-to-baffle) 0.0254 m

    (Tube-to-baffle) 0.0005 m

    ms (Laju alir massa di shell) 0.0267 kg/s

    LANGKAH 1. Menghitung Amb (Luas penampang minimum shell dari

    garis tengah buffle).

    Gambar 2.4. Ilustrasi aliran STHE tampak horizontal

  • 31 Universitas Indonesia

    Gambar 2.4. Ilustrasi aliran STHE tampak horizontal dengan headnya

    = [ +,

    ( )]

    =

    , =

    = 1 untuk 30o and 90o

    = 1 untuk 45o

    = 0.2 [0.028 +0.15276

    0.03(0.03 0.01924)] = 0.0165 2

    Lbc : Jarak antar baffle (m)

    Lbb : Jarak antara tube terluar pada bundle dengan dinding dalam shell

    Dctl : Jarak dari tengah-tengah tube bundle ke sisi tube menghadap bundle

    terluar pada bundle (m)

    Dotl : Jarak dari tengah-tengah tube bundle ke titik terluar tube terluar

    pada bundle (m)

    pt : Jarak antara titik tengah tube dengan tube (tube pitch) (m)

    do : diameter luar tube (m)

    LANGKAH 2. Menghitung bilangan Reynold dan bilangan Prandtl

    aliran di dalam shell

    =

  • 32 Universitas Indonesia

    =

    =

    =0.0267 /

    0.0165 2= 1.618 /2

    =(0.01924 ) (1.618

    2

    )

    0.000882

    = 13.51

    =(4.187

    ) (0.00088

    2)

    0.00098

    = 3.76

    Gs : Laju alir massa per satuan area dalam shell (kg/m2s)

    ms : Laju alir massa fluida dalam shell (kg/s)

    Cps : Kapasitas panas fluida dalam shell (J/kg oC)

    : Viskositas fluida yang mengalir di dalam shell (Pa.s)

    ks : Konduktivitas panas fluida yang mengalir di dalam shell (W/m K)

    LANGKAH 3. Menghitung nilai s

    {

    (

    )0.14

    1

    ()0.25 ()

    ()

    : viskositas pada temperatur fluida di dinding shell (Tw) (Pa.s)

    Tw : temperatur fluida pada dinding shell (K)

    Ts : temperatur fluida di dalam shell (K)

    Pada contoh soal diasumsikan (

    )0.14 = 1, meskipun fluida merupakan

    liquid.

  • 33 Universitas Indonesia

    LANGKAH 4. Mencari nilai ji (faktor colburn)

    Nilai ji dapat dicari dengan memasukkan bilangan Reynold ke dalam kurva

    kurva berikut,

    Gambar 4.4. Colburn factor dan friction factor untuk susunan tube 90o (fig 17.55 Rosenhow)

  • 34 Universitas Indonesia

    Gambar 4.5. Colburn factor dan friction factor untuk susunan tube 45o (fig 17.56 Rosenhow)

    Gambar 4.5. Colburn factor dan friction factor untuk susunan tube 30o (fig 17.57 Rosenhow)

    Setelah nilai faktor colburn didapat, bisa dilakukan perhitungan nilai hideal.

  • 35 Universitas Indonesia

    Karena fluida yang mengalir di bagian shell adalah air dingin, maka

    diasumsikan masalah fouling sangat minimum. Dengan minimumnya fouling, maka

    maintenance pada sisi shell tidak terlalu rumit. Untuk itu dipilih susunan tube yang

    mengakomodasi perpindahn panas yang paling baik, yaitu susunan tube 30o. Dari

    grafik tersebut, didapatkan faktor colburn 0.22. (Lihat Gambar 4.5.)

    LANGKAH 5. Menghitung nilai hideal

    = 23

    = (0.22) (4.187

    ) (1.618

    2) (3.76)

    23(1) = 0.616

    2

    LANGKAH 6. Menghitung nilai J1

    1 = 0.55 + 0.72

    = 1 2

    =360

    2

    = 21 [

    (1 2100

    )]

    Bc : Baffle cut (persen)

    = 21 [

    0.2

    0.15276(1 2

    25

    100)]

    = 98.22

    =98.22

    360(98.22)

    2= 0.273 0.1575 = 0.11548

    = 1 2(0.11548) = 0.769

    1 = 0.55 + 0.72(0.769) = 1.104

    LANGKAH 6. Menghitung nilai J2

    2 = 0.44(1 ) + [1 0.44(1 )]exp (2.2)

    =

    +

    = +

  • 36 Universitas Indonesia

    = 2

    360 360

    = 21 [1 2

    100

    ]

    =

    4[( + )

    2 2](1 )

    Amb : Luas permukaan minimum shell (m2)

    Atb : Luas tube-to-baffle leakage (m2)

    Asb : Luas shell-to-baffle leakage (m2)

    Nt : Jumlah tube (tak berdimensi)

    =

    4[((0.01924 ) + (0.0005 ))

    2 (0.01924 )2] (18)(1 0.11548)

    = 2.44 . 104 2

    = 21 [1 2

    25

    100] = 120

    = (0.2 )(0.0254 )

    2

    360 120

    360= 5.32 . 103

    =(5.32 . 103 2) + (2.44 . 104 2)

    (0.0165 2)= 0.337

    =(5.32 . 1032)

    (5.32 . 1032) + (2.44 . 104 2)= 0.956

    2 = 0.44(1 0.956) + [1 0.44(1 0.956)] exp(2.2(0.337)) = 0.48656

    LANGKAH 7. Menghitung nilai J3

    3 = 1 ; +

    1

    2

    3 = {[1 (2+)

    13]} ;

    + 100

    + =

    = 1 untuk jumlah tube setiap kelipatan 4 atau 6

  • 37 Universitas Indonesia

    =(1 2

    100

    )

    =

    = [( ) + ]

    = {0

    1

    2

    Aba : Luas permukaan bypass (m2)

    Nss : Jumlah pasangan seal (tak berdimensi)

    Ntcc : Jumlah efektif tube yang melewati baffle (tak berdimensi)

    rb : Koordinat di tengah-tengah silinder

    Xl : Tube pitch longitudinal (m)

    = (0.2 )[((0.2 ) (0.172 )) + 0] = 5.6 . 103 2

    =

    =5.6 . 103 2

    0.0165 2= 0.34

    =0.2

    0.03 (1 2

    25

    100) = 3.33

    = 1

    + =

    = 0.3

    3 = {(1.35)(0.34)[1 (2(0.3))13]} = 0.93

    LANGKAH 8. Menghitung nilai J4

    4 = 1 ; > 100

    4 = (10

    )0.18

    ; 20

    = +

    = 0.8

    Lcp : Jarak penetrasi (m)

  • 38 Universitas Indonesia

    Ntcw : Jumlah efektif tube yang melewati window (tak berdimensi)

    Nc : Jumlah efektif tube (tak berdimensi)

    LANGKAH 9. Menghitung nilai J5

    5 = 1 + (

    +)(1)

    + (+)(1)

    1 + + +

    +

    + =

    + =

    =

    1

    = 0.6

    Lbi : jarak antar baffle pada outlet (m)

    Lbc : jarak antar baffle pada outlet (m)

    Lbo : jarak antar baffle pada outlet (m)

    Nb : jumlah baffle (tak berdimensi)

    LANGKAH 10. Menghitung hs

    Setelah semua nilai diketahui, maka kembali pada persamaan berikut

    = 12345

    = (0.616

    2) (1.104)(0.48656)(0.93)(1)(1) = 0.499

    2

    2.2.3. Koreksi Pressure Drop

    Pada perhitungan pressure drop pada aliran shell, perlu dilakukan

    koreksi karena berbedanya pressure drop di bagian shell tertentu.

    Umumnya, perhitungan pressure drop disamaratakan menjadi pressure

    drop di aliran tengah. Namun, hal ini menyebabkan nilai pressure drop

    terhitung jauh lebih besar dari sebenarnya.

    Perhitungan pressure drop pada aliran shell, sebenarnya, dibagi

    menjadi tiga bagian, yaitu pressure drop aliran tengah (pc), pressure drop

  • 39 Universitas Indonesia

    aliran window, bagian yang tidak terkena baffle (pw), pressure drop aliran

    di inlet dan outlet (pi-o). Dengan perhitungan ini, nilai pressure drop

    terhitung jauh lebih rendah daripada perhitungan yang tanpa koreksi.

    2.2.4. Perhitungan Pressure Drop

    LANGKAH 1. Menghitung pc

    = ( 1)

    =

    1

    = 22

    = {[1 (2+)

    13 ]} untuk Nss+ 100

    pbi : pressure drop ideal (Pa)

    gc : 1 (tak berdimensi) untuk SI

    f : friction factor

    = {(4.5)(0.34) [1 (2(0.3))13 ]} = 1.68

    = [0.15(1 + 0.956) + 0.8] = 0.507

    = exp [1.33(11 + 0.956)(0.337)0.507] = 1.05 . 104

  • 40 Universitas Indonesia

    = 2(2)(3.33)

    (1.6182

    2

    )

    (1) (10003)(1) = 0.0216

    = (0.0216 )(4 1)(1.68)(1.05 . 104) = 1.14 105

    LANGKAH 2. Menghitung pw

    = (2 + 0.6)

    2

    2 ; 100

    = [26

    (

    +2) + 2(103)

    2

    2] ; < 100

    =

    ()12

    =

    =

    42 (

    360

    sin 2

    )

    =

    2

    4

    =4

    + 360

    LANGKAH 3. Menghitung pi-o

    = (1 +

    )

    = (

    )2

    + ()2

    = 1 ;

    = 0.2

    = (

    )21

    + ()21

  • 41 Universitas Indonesia

    LANGKAH 4 Menghitung pressure drop total

    = + +

  • 42 Universitas Indonesia

    DAFTAR PUSTAKA

    Rohsenow, Warren M. 1998. Handbook of Heat Transfer. United States: John

    Wiley & Sons

    Thulukkanam, Kuppan. 2013. Heat Exchanger Design Handbook. United States:

    CRC Press