13
Q =
Δ
T R
= UA ΔT = U
i
A
i
ΔT = U
o
A
o
ΔT .............................................. 2.12 U adalah koefisien perpindahan panas menyeluruh Wm
2
°C. Rumus diatas menjadi :
1 UA
s
=
1 U
i
A
i
=
1 U
o
A
o
= R =
1 h
i
A
i
+R
dinding
+
1 h
o
A
o
...........................
2.13 Sebagai catatan bahwa U
i
A
i
= U
o
A
o
tetapi U
i
≠ U
o
kecuali A
i
= A
o
2.3 Alat Penukar Kalor
Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti harfiah alat penukar panas. Pengertian ilmiah dari heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi
untuk mentransfer energi panas entalpi antara dua atau lebih fluida, antara permukaan padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada
temperatur yang berbeda serta terjadi kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi,
pemisahan campuran, distilisasi pemurnian, ekstraksi, pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk mengontrol sebuah proses fluida.
Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah permukaan kontak panas. Pada permukaan inilah terjadi perpindahan panas dari satu zat ke zat yang lain.
Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Pada kondisi
tertentu, ada satu komponen tambahan yang dapat digunakan untuk meningkatkan luas total bidang kontak perpindahan panas ini. Komponen tersebut adalah sirip.
Alat penukar kalor adalah alat yang memungkinkan terjadinya perpindahan panas diantara dua fluida yang memiliki temperatur yang berbeda tanpa
mencampurkan kedua fluida tersebut. Alat penukar kalor biasanya digunakan secara praktis didalam aplikasi yang luas, seperti dalam kasus pemanasan dan
sistem pengkondisian udara, proses-proses kimia dan proses pembangkitan tenaga. Alat penukar kalor berbeda dengan ruangan pencampuran yakni alat
penukar kalor tidak memperbolehkan kedua fluida bercampur. Sebagai contoh, pada radiator mobil, panas dipindahkan dari air panas yang mengalir melalui pipa
yang terdapat pada radiator yang ditambahkan plat pada jarak yang kecil dengan melewatkan udara diantaranya.
Universitas Sumatera Utara
14
Perpindahan panas pada alat penukar kalor biasanya terdiri dari konveksi di setiap fluida dan konduksi pada dinding yang memisahkan kedua fluida. Pada saat
menganalisa alat penukar kalor, sangat diperlukan untuk menggunakan koefisien perpindahan panas menyeluruh U yang memungkinkan untuk menghitung seluruh
efek dari perpindahan panas. Laju perpindahan panas diantara kedua fluida terletak pada alat penukar kalor yang bergantung pada perbedaan temperatur pada
suatu titik, yang bervariasi sepanjang alat penukar kalor. Pada saat menganalisis alat penukar kalor, biasanya bekerja dengan menggunakan logarithmic mean
temperature difference LMTD, yang sebanding dengan perbedaan temperatur rata- rata diantara kedua fluida sepanjang alat penukar kalor. Ketika dua temperatur
tidak diketahui kita dapat menganalisisnya dengan metode keefektifan-NTU.
2.3.1 Klasifikasi Alat Penukar Kalor Secara umum, alat penukar kalor dapat dibagi berdasarkan fungsinya
yakni : 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. Contoh gambar chiller
dapat dilihat pada gambar 2.9 berikut ini
Gambar 2.9 Chiller sentrifugal Carl Branan, 437
Universitas Sumatera Utara
15
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. Pada gambar 2.10 berikut dapat dilihat contoh gambar kondensor
Gambar 2.10 Kondensor Holman, 673 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. Pada gambar 2.11 berikut adalah gambar dari coller.
Gambar 2.11 Coller https:en.wikipedia.orgwikiChiller
Universitas Sumatera Utara
16
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. Berikut pada gambar
2.12 adalah gambar dari evaporator.
Gambar 2.12 Evaporator AC
https:www.google.comsearch?q=evaporatortbm
e. 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 °F sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan
mengalir didalam tube. Pada gambar 2.13 dibawah ini adalah gambar dairi reboiler.
Gambar 2.13 Reboiler Sumber: http:megproduction.blogspot.co.id201104reboiler-design.html
Universitas Sumatera Utara
17
f. Heat Exchanger
Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:
• Memanaskan fluida
• Mendinginkan fluida yang panas
Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana
fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell. Pada
gambar 2.14 berikut adalah gambar dari heat exchanger.
Gambar 2.14 Salah satu Konstruksi Heat Exchanger tipe shell and tube cengel, 670
Dari beberapa jenis alat penukar kalor tersebut dapat diklasifikasikan dalam berbagai tipe, diantaranya :
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 •
Immiscible fluids •
Gas liquid
Universitas Sumatera Utara
18
• 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 passaliran masingmasing
d. Kombinasi cara konveksi dan radiasi
5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi a. Konstruksi tubular shell and tube
• Tube ganda double tube
• Konstruksi shell and tube, Sekat plat plate baffle, Sekat batang
rod baffle •
Konstruksi tube spiral b. Konstruksi tipe pelat
• Tipe pelat
• Tipe lamella
• Tipe spiral
• Tipe pelat koil
c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas extended surface •
Sirip pelat plate fin •
Sirip tube tube fin
Universitas Sumatera Utara
19
• Heat pipe wall
• Ordinary separating wall
d. Regenerative •
Tipe rotary •
Tipe disk piringan •
Tipe drum •
Tipe matrik tetap
6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass
• Aliran Berlawanan
• Aliran Paralel
• Aliran Melintang
• Aliran Split
• Aliran yang dibagi divided
b. Aliran multipass 1.
Permukaan yang diperbesar extended surface •
Aliran counter menyilang •
Aliran paralel menyilang •
Aliran compound 2.
Shell and tube •
Aliran pararel yang berlawanan •
Aliran split •
Aliran dibagi divided 3.
Multipass plat •
N-pararel plat multipass
Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminologi yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang
dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tubular Exchanger Manufacture’s Association TEMA. Standarisasi tersebut bertujuan
Universitas Sumatera Utara
20
untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :
1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum
indu stri. Berikut ini akan dijelaskan beberapa alat penukar kalor yang umum digunakan
dalam dunia industri :
1. Concentric Tube Heat Exchanger Double Pipe
Heat exchanger ini menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda. Pipa dengan diameter lebih kecil dipasang paralel di dalam pipa berdiameter
lebih besar. Perpindahan panas terjadi pada saat fluida kerja yang satu mengalir di dalam pipa diameter kecil, dan fluida kerja lainnya mengalir di
luar pipa tersebut. Arah aliran fluida dapat didesain berlawanan arah untuk mendapatkan perubahan temperatur yang tinggi, atau jika diinginkan
temperatur yang merata pada semua sisi dinding heat exchanger maka arah aliran fluida dapat didesain searah.
Gambar 2.15 Heat Exchanger Tipe Double-Pipe kakac, 194
Fluida panas masuk Fluida dingin masuk
Fluida dingin keluar Fluida
panas keluar
Pipa annulus
Universitas Sumatera Utara
21
Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger: a
Keuntungan 1.
Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat exchanger untuk shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat
transfer coefficient. 2.
Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface area permukaan untuk service yang mempunyai suatu temperature
cross. 3.
Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan konstruksi pipa-U.
4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan.
b Kerugian
1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak
dibangun untuk industri standar dimanapun selain ASME code. 2.
Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell dan tube heat exchanger.
3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.
2. Shell And Tube Heat Exchanger
Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu
annulus dengan rangkaian tertentu untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal. Fluida mengalir di selongsong maupun di annulus sehingga terjadi
perpindahan panas antara fluida dengan dinding annulus misalnya triangular pitch Pola segitiga dan square pitch Pola segiempat. Pada gambar 2.16 dibawah ini
adalah gambar shell and tube heat exchanger.
Gambar 2.16 Shell and tube heat exchanger incropera, 707
Universitas Sumatera Utara
22
Keuntungan dari shell and tube: 1.
Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk
operasi bertekanan. 3.
Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan well-astablished. 4.
Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5. Mudah membersihkannya.
6. Prosedur perencanaannya sudah mapan well-astablished.
7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8. Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti diketahui
oleh para operator yang berlatar belakang pendidikan rendah. 9.
Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang
3. Plate Type Heat Exchanger
Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau tembaga. Plate dibuat dengandesign khusus dimana tekstur permukaan
plate saling berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua plate yang berdekatan. Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-
lapis, susunan plate-plate tersebut tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk perpindahan panas tergantung pada jumlah
plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar 2.17 dibawah ini.
Gambar 2.17 Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent Sumber: http:pixhder.complate+and+frame+heat+exchanger+design
Universitas Sumatera Utara
23
2.4 Alat Penukar Kalor Tipe Shell and Tube
