HEAT EXCHANGER

A. Pendahuluan

Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah

temperatur dan fasa suatu jenis fluida. Proses tersebut terjadi dengan

memanfaatkan proses perpindahan kalor dari fluida bersuhu tinggi menuju fluida

bersuhu rendah.

Di dalam dunia industri peran dari heat exchanger sangat penting. Misal

dalam industri pembangkit tenaga listrik, heat exchanger berperan dalam

peningkatan efisiensi sistem. Contohnya adalah ekonomizer, yaitu alat penukar

kalor yang berfungsi memanaskan feed water sebelum masuk ke boiler

menggunakan panas dari exhaust gas (gas buang). Selain itu heat exchanger juga

merupakan komponen utama dalam sistem mesin pendingin, yaitu berupa

evaporator dan condenser.

Kemampuan untuk menerima panas suatu heat exchanger dipengaruhi oleh 3

hal :

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. Luas bidang yang tegak lurus terhadap arah perpindahan panas

3. Selisih temperatur rata-rata logaritmik (T LMTD)

LMTD merupakan perbedaan temperatur yang dipukul rata-rata setiap bagian

HE. Karena perbedaan temperatur di setiap bagian HE tidak sama.

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 1

B. Shell and Tube Heat Exchanger

Shell and Tube Heat Exchanger merupakan salah satu jenis heat exchanger.

Jika aliran yang terjadi sangat besar, maka digunakan shell and tube heat

exchanger, dimana exchanger ini adalah yang biasa digunakan dalam proses

industri.

Exchanger ini memiliki aliran yang kontinyu. Banyak tube yang dipasang

secara paralel dan di dalam tube-tube ini fluida mengalir. Tube-tube ini disusun

secara paralel berdekatan satu sama lain di dalam sebuah shell dan fluida yang lain

mengalir di luar tube-tube, tetapi masih dalam shell.

1. Bagian – bagian Shell and Tube Heat Exchanger

Secara keseluruhan komponen utama penyusun shell and tube heat

exchanger adalah:

1. Shell

Biasanya berbentuk silinder yang berisi tube bundle sekaligus sebagai

wadah mengalirnya zat.

2. Head stationer

Head stationer merupakan salah satu bagian ujung dari penukar panas.

Pada bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang mengalir ke dalam

tube.

3. Head bagian belakang

Head bagian belakang ini terletak diujung lain dari alat penukar panas

4. Sekat (baffle)

Sekat digunakan untuk membelokkan atau membagi aliran dari fluida

dalam alat penukar panas. Untuk menentukan sekat diperlukan

pertimbangan teknis dan operasional.

Macam-macam baffle yaitu:

a) Horizontal cut baffle

Baik untuk semua fase gas atau fase liquid dalam shell.

Baik ada dissolves gas dalam liquid yang dapat dilepaskan dalam

heat exchanger maka perlu diberi ‘notches’ dalam baffle.

b) Vertical cut baffle

Baik untuk liquid yang membawa suspended matter atau yang

heavy fouling fluida.

c) Disc and doughtnut baffle

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 2

Fluida harus bersih, bila tidak akan terbentuk sediment dibelokkan

doughtnut

Kurang baik, sebab bila ada dissolved gas yang terlepas, bisa

dilepaskan melalui top  dari doughtnut, bila ada kondensat liquid

tidak dapat di drain tanpa large ports pada doughtnut.

d) Baffle dengan annular orifice

Baffel ini jarang digunakan kerena terdiri dari full circular plate

dengan lubang-lubang untuk semua tube.

e) Longitudinal baffle

Digunakan pada shell side untuk membagi aliran shell side menjadi

dua atau beberapa bagian untuk memberikan kecepatan yang lebih

tinggi untuk perpindahan panas yang lebih baik.

5. Tube

Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda

suhunya diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Pemilihan tube

ini harus sesuai dengan suhu, tekanan, dan sifat korosi fluida yang

mengalir.

Tube ada dua macam, yaitu tube polos (bare tube) dan tube bersirip

(finned tube)

6. Tube sheet

Berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 3

7. Channel and pass partition

Channel merupakan tempat keluar masuknya fluida pada tube, sedangkan

pass partition merupakan pembatas antara fluida yang masuk dan  keluar

tube.

8. Shell cover and channel cover

Shell cover and channel cover adalah tutup yang dapat dibuka pada saat

pembersihan.

2. Konstruksi dari heat exchanger jenis ini sangat banyak, antara

lain :

1. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi “fixed tube sheet”

artinya pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa, keduanya

memiliki konstruksi yang tetap (tidak dapat bergeser secara aksial dalam

arah sumbu tabung relative antara satu sisi dengan sisi lainnya).

2. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi “floating tube sheet”

artinya salah satu pelat pemegang pipa-pipa pada kedua ujung pipa dapat

bergerak relatif terhadap satunya karena tidak terjepit oleh flens

(mengambang).

3. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi pipa U (U tube type).

4. Shell and tube heat exchanger dengan konstruksi dua pipa (double pipe

type). Pada jenis ini setiap tabung berisi berkas pipa masing-masing.

Pergerakan relative ini dimaksudkan sebagai kompensasi akibat pertambahan

panjang bila terjadi perubahan temperatur pada pipa sehingga tidak memberikan

tambahan beban gaya pada baut pengencang flens tabung di luar pipa. Hal ini

selain untuk alasan kekuatan bahan juga dimaksudkan untuk keamanan dalam hal

menghindari kebocoran.

Pada heat exchanger diameter tabung tidak sama sepanjang penukar kalor.

Pebesaran diameter dimaksudkan untuk menampung perubahan fasa dari fluida

yang berada di luar pipa dan di dalam tabung. Alat ini diaplikasikan untuk proses

penguapan atau pendidihan fluida di luar pipa. Jenis ini sering disebut dengan jenis

ketel (kettle).

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 4

3. Penentuan fluida dalam shell atau tube :

1. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar

cukup kuat menahan tekanan yang tinggi.

2. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan lebih

mudah dilakukan.

3. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell

membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak.

4. Fluida bertemperature tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan

panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan panas

dapat dihindarkan.

5. Fluida dengan viscositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube karena

pengaliran fluida dengan viscositas tinggi di dalam penampang alir yang

kecil membutuhkan energi yang lebih besar.

6. Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat

digunakan baffle untuk menambah laju perpindahan.

7. Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter tube yang

kecil menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity) masih cukup tinggi,

sehingga menghambat fouling dan mempercepat perpindahan panas.

8. Fluida yang mempunyai volume besar dilewatkan melalui tube, karena

adanya cukup ruangan.

4. Keuntungan shell & tube exchanger :

1. Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang lebih

besar.

2. Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup baik

untuk operasi bertekanan.

3. Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi

4. Prosedur pengopersian lebih mudah

5. Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia

6. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 5

T1

T2

t2

t1

5. Cara kerja Shell and Tube Heat Exchanger

Untuk 1-1 counterflow exchanger (gambar 1), atau 1 shell pass dan 1 tube

pass, fluida dingin masuk dan mengalir di dalam tube-tube. Fluida dingin masuk

pada ujung yang lain dan mengalir secara counterflow di bagian luar tube tetapi

masih di dalam shell. Baffle-baffle digunakan agar fluida dapat mengalir secara

bertahap melewati tube dan tidak mengalir secara paralel dengan tube.

Gambar 1. Shell & tube heat exchanger

1 shell pass and 1 tube pass (1-1 exchanger)

Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan

panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube.

Jika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang sama dan mengalir

dengan arah yang sama, alirannya disebut parallel atau cocurrent flow. Untuk aliran

parallel, ΔT2 = T1 – t1 dan ΔT1 = T2 – t2.

Gambar 2. Kurva temperatur pada aliran cocurrent

Ketika dua fluida memasuki exchanger pada dua ujung yang berbeda dan

melewati exchanger unit dengan arah yang berlawanan, aliran tipe ini biasa disebut

counterflow atau countercurrent flow. Untuk aliran countercurrent, ΔT2 = T1 – t2 dan

ΔT1 = T2 – t1.

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 6

Gambar 3. Kurva temperature pada aliran countercurrent

Ada 2 jenis mekanisme perpindahan panas yang terjadi dalam Heat Exchanger, yaitu:

a. KonduksiMekanisme perpindahan panas ini adalah mekanisme yang

berhubungan dengan interakasi molekuler. Transfer energi konduksi ini terjadi melalui 2 cara, yaitu mekanisme interaksi molekuler dimana dalam mekanisme ini gerakan lebih besar yng dilakukan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat yang lebih rendah. Serta mekanisme melalui elektron-elektron “bebas”. Karena konduksi panas pada initnya merupakan fenomena molekuler, dapat diperkirakan bahwa persamaan dasar yang digunakan untuk menggambarkan proses ini akan serupa dengan persamaan yang digunakan dalam transfer momentum molekuler. Persamaan Fourier :

b. Konveksi molekulerTranfer panas yang disebabkan konveksi melibatkan pertukaran energi

antara suatu permukaan dengan fluida di dekatnya. Persamaan laju untuk transfer panas ini pertama kali dinyatakan oleh newton pada tahun 1701

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 7

qx /A = -k dT/dt

q /A = h ΔT

6. Contoh Perhitungan

Spesifikasi Desain Heat ExchangerSpesifikasi Pada ShellDiameter luar (ODs) = 31,614 in x 0,0834 = 2,637 ftDiameter dalam (IDs) = 30,748 in x 0,0834 = 2,564 ft Jarak antar baffle (B) = 23,623 in x 0,0834 = 1,97 ft Temperatur fluida masuk (T1) = 536 °F Temperatur fluida keluar (T2) = 248 °FKapasitas produksi per hari = 172,557 m3 x 35,318 = 6094,37 ft3

Jumlah baffle (N) = 4 buahFluida yang digunakan = SolarJumlah passes (n) = 1 passSG 60/60°F fluida = 0,857

Spesifikasi Pada TubeDiameter luar (ODt) = 1 in x 0,0834 = 0,0834 ft BWG = 14Pitch (Pt) = 1,25 in x 0,0834 = 0,104 ft Jumlah tube (Nt) = 382 buahJarak antar tube (c) = 0,25 in x 0,0834 = 0,021 ft Panjang tube (L) = 9,843 ftTemperatur fluida masuk (t1) = 95 °F Temperatur fluida keluar (t2) = 208,4 °F Fluida yang digunakan = Crude OilSG 60/60°F fluida = 0,8533Jumlah passes (n) = 1 passKapasitas produksi per hari = 507,125 m3 x 35,318 = 17910,64 ft3

Menentukan Neraca PanasNeraca Panas Pada Shell (Solar)Perhitungan neraca panas dapat diperoleh sebagai berikut : Temperatur rata-rata

Tr=(T1+T 2)

2=

(536 ° F+248 ° F )2

=392° F

Derajat API (°API)

° API= 141.5SG 60/60 ° F

−131.5

Dengan SG 60/60°F dari data yang diperoleh = 0,8570 maka :

° API= 141.50.8570

−131.5=33.61

Dengan menggunakan grafik Approximate change of intermediate-base oils withtemperature. Grafik hubungan antara temperatur (°F) dengan °API dari solar maka akandapat diperoleh SG pada tiap temperatur dari solar adalah 0,75 dengan menggunakangrafik Specific heats of hydrocarbon liquids. Grafik hubungan antara temperatur dengan°API dari solar maka dapat diperoleh panas spesifik dari solar, cpsolar(BTU/lb. °F) adalah0,63 BTU/lb. °F

Menentukan kapasitas dari solar, Qsolar (ft3/jam)Dengan kapasitas solar yang diperoleh dari data yakni 172,557 m3. Maka kapasitas dari solar :

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 8

Qsolar=172.557m3

24 jam×35.318 ft3 /m3=253.932 ft3/ jam

Menentukan massa jenis dari solar solarSG solar x airdimana air = 1000 kg/m3

solar0.75 x 1000 kg /m3 x 0.06243 lb / ft 346.8225 lb / ft 3

Menentukan laju aliran massa solar, Ws (lb/jam)W s Q solar x solar

W s 253,932 ft 3 / jam x 46,8225 lb / ft 3 11.889,73 lb / jam

Panas yang dilepaskan oleh solar, qs (BTU/jam) Qs = Ws x cps x ( T1 - T2 )

Qs = Fs 11.889,73 lb / jam x 0,63 BTU / lb F x 536 F248 F )2.157.272,611 BTU / jam

Neraca Panas Pada Tube (Crude Oil) Temperatur rata-rataTav = 295 208,421 2 t t F FTav= 151,7 oF_ Derajat API (oAPI)131,560 / 60141,5 SG FAPIDengan SG60/60 oF dari data yang diperoleh = 0,8533 maka,131,50,8533141,5 API = 34,33 oF_ Dengan menggunakan grafik Approximate change of intermediate-base oils withtemperature. Grafik hubungan antara temperatur (oF) dengan oAPI dari crude oil makaakan dapat diperoleh SG pada tiap temperatur dari crude oil adalah 0,81. Dan denganmenggunakan grafik Specific heats of hydrocarbon liquids. Grafik hubungan antaratemperatur dengan oAPI dari crude oil maka dapat diperoleh panas spesifik dari crude oil,cpcrude oil (BTU/lb.oF) adalah 0,49 BTU/lb.oF._ Menentukan kapasitas dari Crude Oil, Qcrude oil (ft3/jam)Dengan volume crude oil yang diperoleh dari data yang diambil tanggal 09 Februari 2005yakni 507,125 m3. Maka kapasitas dari crude oil :3 33

35,318 /24507,125x ft m

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 9

jammQ Crude Oil 746,277 ft 3 / jam_ Menentukan massa jenis dari Crude Oil (_Crude Oil )Crude Oil Crude Oil air SG x dimana _air = 1000 kg/m3

0,81 x 1000 kg /m3 x 0,06243 lb / ft 3 Crude Oil 50,57 lb / ft 3

_ Menentukan laju aliran massa Crude Oil, WCO (lb/jam)CrudeOil CrudeOil CrudeOil W Q x W 746,277 ft 3 / jam x 50,57 lb / ft 3 CrudeOil 37.739,23 lb / jam_ Panas yang diserap oleh Crude Oil, qCO (BTU/jam)

2 1 q W x cp x t t CrudeOil CrudeOil CrudeOil q lb jam x BTU lb F x F FCrudeOil 37.739,23 / 0,49 / 208,4 95 2.097.018,054 BTU / jam

Shell and Tube Heat ExchangerBy. Ruri Widayanto 5-B1 Tekkim UNSERA Page 10