Klasifikasi Alat Penukar Kalor

2.3 Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Menurut T. Kuppan, alat penukar kalor dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yakni : 1.Klasifikasi berdasarkan proses transfer 1.1 Tipe Kontak Langsung 1.2 Tipe tidak Kontak langsung 1.2.1 Tipe Pentransferan langsung 1.2.2 Tipe Penyimpanan 2. Klasifikasi berdasarkan kepadatan permukaan 2.1 Compact Kepadatan daerah permukaan = 700 m 2 m 3 2.2 Non-compact Kepadatan daerah permukaan 700 m 2 m 3 3. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi 3.1 Tubular 3.1.1 Double-Pipe 3.1.2 Shell-and-tube 3.1.2.1 Plate baffle 3.1.2.2 Rod baffle 3.1.3 Spiral tube 3.2 Plate 3.2.1 Gasketed 3.2.2 Spiral 3.2.3 Lamella 3.3 Extended Surface 3.3.1 Plate-fin 3.3.2 Tube-fin 3.4 Regenerative 3.4.1 Rotory 3.4.1.1 Disk-type 3.4.1.2 drum-type 3.4.2 Fixed-matrix 4. Klasifikasi berdasarkan susunan aliran 4.1 Laluan tunggal 4.1.1 Aliran sejajar 4.1.2 Aliran berlawanan 4.1.3 Aliran menyilang 4.2 Laluan Banyak 4.2.1 Extended Surface heat exchanger 4.2.1.1 Cross counter flow 4.2.1.2 Cross parallel flow 4.2.2 Extended surface heat exchanger 4.2.2.1 Parallel counter flow shell and fluid mixed 4.2.2.1.1 M shell passes 4.2.2.1.2 N tube passes 4.2.2.2 Split flow 4.2.2.3 Divided-flow 4.2.3 Multi pass 4.2.3.1 N-paralel plate multi-pass 5. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida 5.1 Dua fluida 5.2 Tiga fluida 5.3 N-fluida N3 6. Klasifikasi berdasarkan susunan mekanis aliran 6.1 Konveksi 1 fasa pada kedua sisi 6.2 Konveksi 1 fasa pada 1 sisi, konveksi 2 fasa pada sisi lainnya 6.3 Konveksi 2 fasa pada kedua sisi 6.4 Perpindahan panas secara radiasi yang dikombinasikan dengan konveksi 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 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 industri. Berikut ini akan dijelaskan beberapa contoh alat penukar kalor yang digunakan dalam pemakaian yang luas : 1. Concentric Tube Heat Exchanger Bentuk yang paling sederhana dari alat penukar kalor adalah tabung sepusat. Alat penukar kalor jenis ini terdiri dari dari dua pipa, yakni pipa didalam pipa. Fluida pertama mengalir didalam pipa yang terdalam, yakni pipa pusat dan fluida kedua mengalir didalam ruang anulus. Dalam hal yang berkaitan dengan perancangan secara mekanikal, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan, yakni : 1. Alat penukar kalor pipa lurus ganda Alat penukar kalor pipa lurus ganda terdiri dari dua pipa yang memiliki sumbu yang sama. Alat penukar kalor jenis ini mudah dibuat dan relatif mudah untuk dibersihkan, dirawat, dan dimodifikasi. Namun, alat panukar kalor jenis ini membutuhkan banyak ruang dan memiliki kapasitas termal yang terbatas. Alat penukar kalor jenis ini kadang dibuat sendiri untuk aplikasi yang kecil. Tetapi kebanyakan alat penukar kalor jenis tabung sepusat dari pembuat yang ahli yang menyediakan jenis perancangan yang luas, termasuk jenis alat penukar kalor pipa lurus, U-tube, dan jenis lainnya. 2. Alat Penukar kalor pipa U alat penukar kalor jenis ini didesai agar pipa U dapat dilepas dari cangkang penutupnya untuk pembersihan dan perawatan. Terdapat cangkang penutup yang dapat dilepas pada alat penukar kalor jenis ini yang menutup U-bend dan pada ujungnya diikat dengan flange yang menggunakan baut dan mur. Pipa yang terdalam ditopang oleh oleh split ring yang dapat digerakkan ketika flange dibuka. Pada sambungan luarnya terdapapat flange yang memiliki prinsip kerja yang sama. Sealing ring yang digunakan antara pipa dengan cangkang terbuat dari logam yang tahan terhadap tekanan. 3. Multitube Unit Pada tipe multitube unit, laluan pipa ditutup oleh plat yang dilubangi yang berguna sebagai seal, yang disebut tube sheet. Untuk aplikasi tekanan rendah tube sheet ditutup oleh sebuah cincin yang ttahan terhadap tekanan untuk mencegah terjadinya kebocoran yang terjadi pada celah anatara pipa dengan cangkang. Untuk aplikasi tekanan tinggi terdapat separate sealing ring untuk mencegah terjadinya kebocoran pada sisi cangkang dan terdapat indepandent seal untuk mencegah terjadinya kebocoran pada sisi pipa. Seperti pada alat penukar kalor tabung sepusat yang sederhana, tipe multitube unit ini disusun atas split ring dan flange untuk memungkinkan terjadinya pelepasan bundle. 4. Sirip Sirip dibentuk dari potongan logam, dibentuk berupa huruf U dan biasanya ditambahkan ke pipa dengan pengelasan titik. Umumnya material sirip adalah baja karbon, baja tahan karat, dan paduan logam lainnya. Sirip yang dibuat dari brass atau sejenisnya biasanya disolder dengan tembaga, nikel, atau pipa aluminium. Material tersebut memiliki range temperatur yang terbatas dan tidak melebihi 250 °C. Jangkauan penggunaan alat penukar kalor tabung sepusat adalah luas. Alat penukar kalor jenis ini dapat didesain untuk bekerja pada tekanan tinggi lebih dari 300 atm didalam cangkang dan 1400 atm didalam pipa dan temperatur tinggi ≈ 600 °C, dan alat penukar kalor ini dapat dikerjakan dengan cara kerja yang sederhana dan relatif tidak mahal. Faktor lain yang dapat menjadi pertimbangan dalam memilih alat penukar kalor tabung sepusat adalah : 1. Konstruksi yang sederhana Untuk aplikasi yang hanya membutuhkan laju perpindahan panas yang relatif kecil misalnya 1000 kW dan tidak dibutuhkan peningkatan perpindahan panas, alat penukar kalor dengan pipa yang sederhana lebih diuntungkan karena hanya membutuhkan konstruksi yang sederhana. 2. Mudah untuk dirawat Dalam pencegahan kebocoran alat penukar kalor dapat dicapai dengan sambungan flange dan ditutup dengan sealing ring. Hal tersebut dapat memungkinkan pipa dilepas dari cangkang sehingga dapat dibersihkan, dan merupakan suatu keuntungan pada aplikasi pipa sederhana dan pipa yang bersirip. 3. Aliran Berlawanan Alat penukar kalor mengijinkan pertukaran panas aliran berlawanan dimana fluida dingin dapat dipanaskan ke temperatur diatas temperatur keluar fluida panas. Hal ini mematahkan dugaan adanya pendekatan perbedaan temperatur seperti yang terjadi pada aliran sejajar, ataupun laluan yang banyak. 4. Kemampuan untuk dibuat sirip pada pipa Alat penukar kalor adalah jenis yang paling sesuai untuk dilakukan peningkatan luas permukaan perpindahan panas dengan adanya sirip. Sirip digunakan saat koefisien perpindahan panas anulus rendah. Hal ini terjadi saat fluida didalam cangkang adalah berupa gas ataupun fluida dengan viskositas yang tinggi. 5. Aplikasi Tekanan Tinggi Dalam beban yang berat, alat penukar kalor tabung sepusat yang dirangkai secara seri akan membutuhkan diameter cangkang yang lebih kecil jika dibandingkan dengan alat penukar kalor tipe shell and tube rentang diameter yang normal dari 50 sampai 200 mm. Oleh karena itu, tebal dinding cangkang lebih kecil, dan pada aplikasi tekanan yang tinggi hal ini dapat menjadi faktor yang penting dalam menentukan harga dan pengerjaan. Kesimpulan yang didapat adalah, alat penukar kalor tabung sepusat adalah bentuk yang paling sederhana dari alat penukar kalor dengan berbagai kelebihan, yakni untuk beban termal yang kecil dan untuk aplikasi beban tekanan yang tinggi. Penggunaan sirip untuk meningkatkan perpindahan panas sisi cangkang. Gambar 2.7 Alat Penukar kalor tabung sepusat Pipa Polos Sumber : Process Heat Transfer,G.F Hewitt Gambar 2.8 Alat Penukar kalor tabung sepusat Dengan sirip lurus memanjang Sumber : Process Heat Transfer,G.F Hewitt 2. Shell And Tube Heat Exchanger Fitur-fitur secara mekanikal yang spesifik dari sebuah alat penukar kalor memiliki pengaruh terhadap performansi secara termal karena perubahan perancangan secara mekanikal akan berpengaruh terhadap aliran fluida didalam alat penukar kalor dan secara langsung akan mempengaruhi proses perpindahan panas. Terdapat berbagai susunan secara mekanikal diciptakan. Untuk menghindari terjadinya berbagai pendapat yang berbeda tentang hal tersebut, Tubular Exchanger Manufacturers’ Association TEMA telah mengklasifikasikan tipe dan susunan dari alat penukar kalor, khususnya jenis shell and tube tabung cangkang yang telah diterima oleh seluruh dunia. 2.1 Tipe Cangkang Tipe yang paling sederhana memiliki nozel masuk dan keluar pada sudut yang berbeda dan ujung yang berbeda dari sebuah alat penukar kalor dengan satu laluan cangkang. Alat penukar kalor tipe itu biasanya disebut TEMA tipe E. Metode dalam merancang biasanya berdasarkan tipe E, namun dapat dimodifikasi. Tipe cangkang yang lain yang diakui oleh TEMA dapat dideskripsikan dengan sederhana sebagai berikut : 1. TEMA tipe F Cangkang tipe ini memiliki dua laluan cangkang karena tipe ini memiliki sekat longitudinal. Susunan ini digunakan dalam aplikasi dua cangkang disusun secara seri, karena pendekatan temperatur seperti contoh, temperatur keluar fluida panas yang diinginkan agar mendekati temperatur masuk fluida dingin danatau menghindari rendahnya kapasitas aliran yang berada pada sisi cangkang jika memakai cangkang tipe E. Penurunan tekanan yang terjadi pada tipe F ini adalah mendekati 8 kali lebih besar daripada tipe E, tetapi hal ini dapat diterima dalam aplikasi tertentu. Potensi kebocoran antara sekat longitudinal dengan cangkang menjadi pertimbangan pemakaian. 2. TEMA tipe G Tipe ini biasanya disebut tipe split flow, dengan sekat longitudinal. Penurunan tekanan yang terjadi pada tipe ini adalah sama dengan tipe E, tetapi keefektifan termal lebih baik daripada tipe E. Tipe ini digunakan biasanya untuk reboilers, tetapi kadang-kadang digunakan untuk aliran yang tidak mengalami perubahan fasa. 3. TEMA tipe J Tipe ini biasanya disebut tipe divided flow, dimana terdapat satu nozel masuk dan dua nozel keluar aliran, sehingga membagi aliran menjadi dua. Akibatnya penurunan tekanan mendekati seperdelapan tipe E. Penggunaan utama tipe ini adalah untuk aplikasi dengan tekanan rendah seperti coolers dan kondensor. 4. TEMA tipe X Tipe ini memiliki aliran murni yang menyilang pada sisi cangkang, tanpa sekat menyilang. Hasilnya adalah terjadi penurunan tekanan yang sangat rendah. Tipe ini digunakan untuk fluida gas dan uap kondensat pada tekanan rendah. Gambar 2.9 Bentuk cangkang berdasarkan TEMA Sumber : Process Heat Transfer,G.F Hewitt 2.2 Tube Bundle Bentuk-bentuk tube bundle pengikat tabung adalah hal yang penting dalam perencanaan thermohydraulic dari sebuah pengikat. Perencanaan yang teliti harus menyertakan perhitungan terhadap tekanan dari fluida didalam cangkang dan didalam tabung, yang akan berpengaruh terhadap masalah kebocoran pada saat proses diantara pengikat tabung dengan cangkang. Kebocoran seperti itu tidak dapat ditoleransi di berbagai aplikasi dimana kemurnian yang tinggi dibutuhkan ataupun dibutuhkan produk yang tidak terkontaminasi. Perancangan mekanikal pengikat tabung terdiri dari pertimbangan yang seksama mengenai ekspansi termal. Alternatif-alternatif lain ditawarkan yakni : 1. Fixed tube sheet 2. Floating head 3. U-tube bundle 2.3 Diameter Tabung Alat Penukar Kalor Luas permukaan perpindahan panas yang lebih besar dapat terjadi pada diameter tabung yang kecil. Dalam pembersihan tabung lebih mudah melakukannya pada diameter minimum yakni tabung dengan OD 20 mm. Mengurangi diameter tabung akan membutuhkan panjang tabung yang lebih pendek, tetapi pada saat pembersihan tabung akan perlu melakukan berbagai operasi tiap tube sheet nya. Hal lainnya adalah, diameter tabung yang kecil akan meningkatkan kemungkinan terjadinya getaran pada tabung. 2.4 Panjang Tabung Alat Penukar Kalor Secara umum, semakin panjang tabung, akan semakin rendah harga alat penukar kalor pada luas permukaan yang ditentukan. Ini juga akan berakibat pada akan semakin kecilnya diameter cangkang, semakin tipisnya tube sheet dan flange, akan semakin sedikit yang akan ditopang dan semakin sedikit lubang yang akan dibuat. Semakin panjangnya tabung juga akan berakibat pada kapasitas aliran yang mengalir akan relatif rendah. Jumlah tabung tiap laluan tabung ditentukan untuk mendapatkan kecepatan fluida yang dibutuhkan. Panjang total tabung tiap laluan tabung ditentukan oleh besarnya perpindahan panas yang dibutuhkan. Selanjutnya, perancangan tabung yang sesuai untuk cangkang sehingga didapatkan kecepatan yang sesuai didalam cangkang. Semakin panjang tabung akan lebih sulit untuk menentukan perancangan cangkang yang sesuai. Secara singkat, semakin panjang tabung akan membuat semakin sulit dalam perancangan sekat yang sesuai untuk menopang tabung. Biasanya rasioperbandingan panjang tabung terhadap diameter cangkang adalah 5-10 untuk menghasilkan performansi yang terbaik. 2.5 Susunan dan Jarak Tabung Gambar dibawah akan memberikan gambaran tentang susunan tabung yang utama yang terdapat pada alat penukar kalor tabung cangkang, yakni equilateral triangular, segi empat sama sisi, segi empat berpola zigzag. Susunan triangular memberikan hasil yang kuat terhadap tube sheet, bentuk segi empat sama sisi adalah susunan yang sederhana dan memudahkan dalam proses perawatan. Secara umum, jarak paling kecil dari bentuk triangular 30° adalah lebih baik dalam menghasilkan jenis aliran turbulent dan lamainar, sedangkan dalam hal pembersihan digunakan sudut 90° dan 45° dengan jarak 6,4 clearance. 2.6 Perancangan Baffle Sekat Fungsi dari sekat yang menyilang adalah untuk mengarahkan aliran melewati tube bundle dan untuk menopang tabung secara mekanik agar tidak bergeser dan tidak bergetar. Bentuk yang paling umum digunakan adalah segmental baffle. Jarak sekat harus diatur pada jarak minimum dan maksimum untuk performasi termohidrorika dan dalam menopang tabung. Rasio antara jarak antarsekat terhadap bentuk sekat adalah hal yang sangat penting dalam merancang untuk menghasilkan konversi penurunan tekanan ke perpindahan panas yang efisien. Jika penurunan tekanan yang rendah adalah yang ingin dicapai, maka dapat menggunakan sekat tipe disk-and-doughnut yang akan mengurangi penurunan tekanan sekitar 60. Menurut TEMA, ada beberapa rekomendasi yang dapat dipertimbangkan dalam mengatur jarak sekat : 1. Jarak minimum : Sekat seharusnya tidak diletakkan lebih dekat dari 15 ukuran diameter dalam ID cangkang atau 50 mm, melainkan lebih besar. Namun, perancangan khusus membutuhkan jarak sekat yang lebih dekat. 2. Jarak maksimum : Kegagalan utama saat terjadi getaran pada tabung adalah terjadi pada tabung yang tidak ditopang yang lebih dari 80 dari standar TEMA. Gambar 2.10 Bentuk sekat Sumber : Process Heat Transfer,G.F Hewitt Untuk dapat mengetahui dengan baik proses perancangan, kita dapat mengikuti beberapa pertimbangan yang diajukan oleh Taborek : 1. Tentukan fluida yang akan mengalir didalam cangkang dan didalam tabung. Secara normal, keputusan ini akan dibuat untuk mengurangi harga akaibat daya pompa yang keluar. Sebagai contoh, air digunakan untuk mendinginkan minyak, minyak yang memiliki viskositas kekentalan yang lebih tinggi akan mengalir didalam cangkang. Kecenderungan untuk korosi, kerak, dan masalah dalam membersihkan kerak pada tabung, dan masalah berat yang adalah perlu dipertimbangkan. 2. Pada proses awal, perancang harus memperkirakan harga dalam perhitungan dengan membandingkan dengan : a. Keakurasian perhitungan b. Investasi didalam alat penukar kalor c. Harga jika terjadi kesalahan dalam menghitung 3. Membuat perkiraan kasar tentang ukuran alat penukar kalor yang akan dirancang, misalnya nilai koefisien perpindahan panas U ataupun hal lainnya yang dapat diketahui melalui pengalaman. Hal ini akan membatasi akibat dalam perhitungan trial and error. Hal itu dapat membantu dalam mengukur kapasitas aliran dan mencegah terjadinya variasi temperatur serta mencegah terjadinya error. 4. Hitung perpindahan panas yang terjadi, penurunan tekanan yang terjadi, dan harga berbagai jenis konfigurasi alat penukar kalor yang mungkin diaplikasikan. Hal ini biasanya dilakukan dengan bantuan program komputer dalam skala besar yang telah dikembangkan dan ditingkatkan.

2.4 Jenis-Jenis Perpindahan Panas 1. Konduksi