Alat Penukar Kalor TINJAUAN PUSTAKA

2.2 Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor merupakan suatu peralatan dimana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat terjadi secara langsung maupun tidak langsung. Maksudnya adalah : 1. Pada alat penukar kalor yang langsung, fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dalam suatu bejana atau ruangan tertentu 2. Pada alat penukar kalor yang tidak langsung, fluida panas tidak berhubungan langsung dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panas itu mempunyai media perantara, seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnnya 2.2.1. Klasifikasi Alat Penukar Kalor Menurut Tunggul [9] alat penukar kalor dapat diklasifikasikan berdasarkan bermacam-macam pertimbangan, yaitu: 1. Klasifikasi Berdasarkan Proses Perpindahan Panas - Tipe kontak tidak langsung • Tipe yang langsung dipindahkan  Tipe satu fase  Tipe banyak fase  Tipe yang ditimbun storage type  Tipe fluidized bed - Tipe yang kontak langsung • Immiscible fluids • Gas liquid • Liquid vapor 2. Klasifikasi Berdasarkan Jumlah Fluida yang Mengalir - Dua jenis fluida - Tiga jenis fluida - N-jenis fluida 3. Klasifikasi Berdasarkan Kompaknya Permukaan - Tipe penukar kalor yang kompak, density luas permukaannya 700 m 2 m 3 - Tipe penukar kalor yang tidak kompak, density luas permukaannya 700 m 2 m 3 4. Klasifikasi Berdasarkan Mekanisme Perpindahan Panas - Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya - Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi dua aliran - Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta masing-masing terdapat dua pass aliran - Kombinasi cara konveksi dan radiasi 5. Klasifikasi Berdasarkan Konstruksi - Konstruksi tubular shell and tube • Pipa ganda Double tube • Konstruksi shell and tube  Sekat plat plate baffle  Sekat batang rod baffle  Konstruksi tabung spiral - Konstruksi tipe pelat • Tipe pelat • Tipe lamella • Tipe spiral • Tipe pelat koil - Konstruksi dengan luas permukaan diperluas extended surface • Sirip pelat pelat fin • Sirip tabung tube fin  Heat pipe wall  Ordinary separating wall - Regenerative • Tipe rotari • Tipe disk piringan • Tipe drum • Tipe matrik tetap 6. Klasifikasi Berdasarkan Pengaturan Aliran - Aliran dengan satu pass • Aliran berlawanan arah • Aliran paralel • Aliran melintang • Aliran split • Aliran yang dibagi divided - Aliran multi pass • Permukaan yang diperbesar extended surface  Aliran counter menyilang  Aliran paralel menyilang  Aliran compound • Shell and tube  Aliran paralel yang berlawanan M laluan pada cangkang dan N laluan pada tabung  Aliran split  Aliran dibagi divided • Multipass pelat  N-paralel pelat multipass 2.2.2. Standar Alat Penukar Kalor. Menurut Tunggul [10] standar yang umum digunakan menjadi acuan dalam merencanakan, fabrikasi serta memelihara alat penukar kalor adalah: 1. Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association TEMA Standards, merupakan standar Amerika Serikat 2. American Society of Mechanical Engineers ASME Code, Section VIII, Pressure Vessel-Division I Alternative rules for pressure Vessels-Division II 3. American Petroleum Institute API Standards Chapter VI – Pressure Vessels Tower, Drums, and Reactors Chapter VII – Heat Exchangers, Condensors, and Cooler Boxes 4. American Society of Mechanical Engineers ASME Code, Section II – Material Spesification Part A – Ferrous metal Part B – Non-ferrous metal Part C – Welding Rod, Electrods, and Filler metals 5. Standards British, seperti British Standard B S 3274, B S 5500, dan standar negara-negara lain seperti Belgia, Jerman, Belanda, Perancis, Norwegia, Australia, Japan, dan lain-lain Adapun standar tersebut mencakup masalah perencanaan design, pembuatan fabrikasi, pemilihan material konstruksi, pengujian testing cangkang tabung, sekat dan support, ujung yang bebas floating head, saluran nosel, pelat tabung tube sheet, dan lain-lain. 2.2.3. Alat Penukar Kalor Tipe Cangkang dan Tabung. Cangkang tabung adalah salah satu jenis APK yang menurut konstruksinya dicirikan oleh adanya sekumpulan tabung tube bundles yang dipasangkan di dalam cangkang berbentuk silinder dimana dua jenis fluida yang saling bertukar kalor mengalir secara terpisah, masing-masing melalui sisi tabung dan sisi cangkang. Begitu banyaknya jenis dari alat penukar kalor cangkang tabung yang dipergunakan pada dunia industri. Untuk membuat pembagiannya secara pasti adalah sangat sulit. Menurut Tunggul [11] berdasarkan pemakaian, heat exchanger diklasifikasikan dalam 3 class, yaitu : class R, class C, dan class B. Class R adalah alat penukar kalor yang tidak mengalami pembakaran, dan secara umum dipergunakan untuk mengolah minyak petroleum atau setidak-tidaknya berhubungan dengan aplikasi dalam proses pengolahan minyak. Class C sama dengan class R, dimana dalam penggunaannya tidak mengalami pembakaran. Jenis ini umumnya dipergunakan pada tujuan-tujuan komersial dan dalam proses yang umum. Class B juga sama, hanya saja dipergunakan untuk proses-proses kimia chemical process service. Disamping pengelompokan diatas, dari TEMA dikenal juga tipe lain, seperti: 1. Penukar kalor dengan fixed tube sheet 2. Penukar kalor dengan floating tube sheet 3. Penukar kalor dengan pipa U hairpin tube 4. Penukar kalor dengan fixed tube sheet dan mempunyai sambungan ekspansi expantion joint pada cangkangnya Keuntungan alat penukar kalor tipe cangkang tabung adalah : 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 established 4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang dipergunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasinya 5. Mudah membersihkannya 6. Prosedur perencanaannya sudah mapan well established 7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil 8. Prosedur mengoperasikannya tidak berbelit-belit 9. Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang utuh, sehingga pengangkutannya relatif mudah Gambar 2.4. APK jenis Cangkang dan Tabung tipe BEM. Konstruksi tipe BEM mempunyai front end Stationary B yang berbentuk Bunnet, cangkang tipe E yaitu one pass shell dan rear end head, tipe M yaitu fixed tube shell. Umumnya, aliran fluida dalam cangkang dan tabung dari suatu APK adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam cangkang dan tabung menjadi aliran menyilang cross flow biasanya ditambah baffle sekat. 2.2.4. Fluida di Dalam Cangkang dan di Dalam Tabung. Menentukan fluida di dalam tabung serta fluida diluar tabung sisi cangkang memerlukan pertimbangan-pertimbangan yang khusus. Untuk menentukan hal itu dilakukan evaluasi berbagai faktor disamping memperhatikan tipe alat penukar kalor. Tunggul [12] mengemukakan faktor-faktor yang harus diperhatikan untuk menentukan jenis fluida dalam tabung tube side atau diluar tabung shell side adalah: 1. Kemampuan untuk dibersihkan cleanability Jika dibandingkan cara membersihkan tabung dan cangkang, maka pembersihan sisi cangkang luar tabung jauh lebih sulit. Untuk itu maka fluida yang bersih biasanya dialirkan sebelah cangkang diluar tabung dan fluida yang kotor melalui tabung. 2. Korosi Masalah korosi atau kebersihan sangat dipengaruhi oleh penggunaan dari paduan logam. Paduan logam itu mahal, karena itu fluida dialirkan melalui tabung untuk menghemat biaya yang terjadi karena kerusakan cangkang. 3. Tekanan kerja Cangkang yang bertekanan tinggi, diameter besar, akan memerlukan dinding yang tebal, ini akan mahal. Untuk mengatasi hal ini, apabila fluida bertekanan tinggi, lebih baik dialirkan melalui tabung. 4. Temperatur Fluida bertemperatur tinggi lebih baik dialirkan melalui tabung. Fluida bertemperatur tinggi juga akan menurunkan tegangan yang dibolehkan allowable stress pada material peralatan, hal ini mempunyai pangaruh yang sama seperti fluida bertekanan tinggi yang memerlukan dinding cangkang yang tebal. 5. Fluida berbahaya atau fluida mahal Untuk fluida mahal dan atau fluida yang berbahaya harus dialirkan melalui bagian-bagian yang terikat kuat pada alat penukar kalor itu. Beberapa tipe penukar kalor mengalirkannya pada sisi sebelah tabung. 6. Jumlah aliran fluida Suatu perencanaan yang baik akan diperoleh aliran fluida yang kecil jumlahnya dilakukan pada sisi sebelah cangkang. Ini mempengaruhi jumlah pass aliran, tetapi konsekuensinya ialah kerugian dan penurunan tekanan. 7. Viskositas Batas angka kritis bilangan Reynolds untuk aliran turbulen pada sisi cangkang adalah 200. Karena itu aliran laminer dalam tabung dapat menjadi turbulen apabila aliran melalui cangkang. Aliran tetap laminar dialirkan melalui cangkang, maka lebih baik aliran itu dialirkan melalui tabung. 8. Penurunan tekanan Apabila masalah penurunan tekanan pressure drop merupakan hal yang kritis dan harus ditinjau secara teliti, maka sebaiknya fluida tersebut dialirkan melalui sisi tabung. Penurunan tekanan didalam tabung dapat dihitung dengan teliti, sedangkan pressure drop sisi cangkang dapat menyimpang sangat besar dari nilai teoritis, tergantung dari kelonggaran clearance alat penukar kalor itu. Kemampuan melepas atau menerima panas suatu alat penukar kalor dipengaruhi oleh besarnya luas permukaan heating surface. Besarnya luas permukaan itu tergantung dari panjang, ukuran dan jumlah tabung yang dipergunakan pada alat penukar kalor itu. 2.2.5. Jumlah Pass Atau Lintasan Pada Alat Penukar Kalor. Yang dimaksud dengan pass dalam alat penukar kalor adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida di dalam cangkang atau dalam bundle tabung. Dikenal 2 jenis lintasan alat penukar kalor, yaitu : 1. Shell pass atau lintasan cangkang. 2. Tube pass atau lintasan tabung. Yang dimaksud dengan pass shell adalah lintasan yang dilakukan oleh fluida sejak masuk mulai saluran masuk inlet nozzle, melewati bagian dalam cangkang dan mengelilingi tabung, keluar dari saluran buang outlet nozzle. Apabila lintasan itu dilakukan 1 kali maka disebut 1 laluan cangkang, kalau terjadi 2 kali atau n kali melintasi bagian dalam serta melewati tabung, disebut 2 atau n laluan cangkang. Untuk fluida di dalam tabung, jika fluida masuk kedalam penukar kalor melalui salah satu ujung front head lalu mengalir ke dalam tabung dan langsung keluar dari ujung tabung yang lain melalui rear head, maka disebut dengan 1 laluan tabung. Apabila fluida itu membelok lagi masuk kedalam tabung, sehingga terjadi dua kali lintasan fluida dalam tabung maka disebut 2 laluan tabung. Biasanya laluan cangkang itu lebih sedikit daripada laluan tabung. 2.2.6. Aliran Fluida dan Distribusi Temperatur Pada Alat Penukar Kalor Apabila ditinjau aliran fluida alat penukar kalor, maka dapat dibagi dalam 3 macam aliran, yaitu : 1. Aliran sejajar atau paralel flow. 2. Aliran berlawanan atau counter flow. 3. Aliran kombinasi, gabungan aliran sejajar dan berlawanan. Aliran fluida dan distribusi temperatur pada penukar kalor dapat dibagi atas : 1. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Langsung Pada alat penukar kalor jenis ini, temperatur akhir fluida panas dan fluida dingin menjadi sama karena kedua jenis fluida tersebut akan membentuk campuran teraduk keluar dari alat penukar kalor itu. Hal ini berarti, panas yang diberikan oleh fluida panas diterima secara utuh atau 100 oleh fluida dingin, tanpa ada kerugian panas. Hubungan antara jenis aliran, distribusi temperatur dan panjang tabung luas tabung pada alat penukar kalor yang kontak langsung dapat dilihat pada gambar 2.5. dan 2.6 [13]. Gambar 2.5. Distribusi temperatur – panjang luas tabung alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida parallel. Gambar 2.6. Distribusi temperatur – panjang luas tabung, alat penukar kalor langsung, dengan aliran fluida berlawanan arah. 2. Aliran dan Distribusi Temperatur Alat Penukar Kalor yang Tidak Langsung Pada jenis alat penukar kalor ini, tabung berfungsi sebagai pemisah antara fluida panas dengan fluida dingin. Untuk itu perlu pertimbangan yang matang, untuk menentukan fluida mana yang mengalir melalui tabung, apakah fluida panas atau fluida dingin. 2.2.7. Konstruksi Alat Penukar Kalor Ditinjau dari segi konstruksi alat penukar kalor jenis cangkang dan tabung, Tunggul [14] membagi konstruksinya dalam 4 bagian, yaitu: 1. Bagian depan yang tetap atau Front End Stationary Head 2. Shell atau badan alat penukar kalor 3. Bagian ujung belakang atau Rear End Head 4. Berkas tabung atau tube bundle, kumpulan tabung yang dimasukkan ke dalam tabung alat penukar kalor Didalam TEMA Standar, masing-masing bagian tersebut kecuali nomor 4 telah diberi kode masing-masing dengan mempergunakan huruf. Gambar 2.7. Bagian-bagian dari alat penukar kalor berdasarkan standar TEMA [15]. 2.2.8. Cangkang Shell Secara umum lintasan fluida dalam APK dapat terjadi pada dua area lintasan yang terpisah yakni dalam shell side sisi cangkang dan tube side sisi tabung. Dalam menganalisa aliran fluida dalam sisi cangkang bahwa, dalam sisi cangkang selain terdapat aliran utama B yakni aliran yang melintas tegak main cross flow terhadap bundel tube, juga terdapat kebocoran leakage aliran seperti kebocoran A antara baffle dengan tabung, dan kebocoran E antara baffle dengan cangkang, serta aliran by pass C antara bundel tube dengan cangkang, seperti gambar 2.8. [16]. Gambar 2.8. Aliran dalam sisi cangkang dengan baffle segmen. Gambar 2.9. Cangkang APK. 2.2.9. Tabung. Susunan tabung itu mempengaruhi besarnya penurunan tekanan aliran fluida dalam cangkang. Penentuan susunan tabung pada alat penukar kalor sangat prinsip sekali, ditinjau dari segi operasi dan pemeliharaan. Adapun beberapa susunan tabung alat penukar kalor menurut Tunggul [17] meliputi: 1. Tabung tube dengan susunan segitiga triangular pitch. 2. Tabung tube dengan susunan segitiga diputar 30 o rotated triangular atau in-line triangular pitch. 3. Tabung tube dengan susunan bujur sangkar in-line square pitch. 4. Tabung tube dengan susunan berbentuk belah ketupat, atau bentuk bujur sangkar yang diputar 45 o diamond square pitch. Susunan tabung yang segitiga merupakan susunan yang sangat popular dan baik dipakai melayani fluida kotorberlumpur atau yang bersih non-fouling or fouling. Koefisien perpindahan panasnya lebih baik dibanding dengan susunan tabung bujur sangkar in-line square pitch. Susunan tabung segitiga banyak dipergunakan dan menghasilkan perpindahan panas yang baik per satu satuan penurunan tekanan per unit pressure drop, di samping itu letaknya lebih kompak. Susunan bujur sangkar membentuk sudut 90 o in-line square pitch banyak dipergunakan, dengan pertimbangan seperti berikut: 1. Apabila penurunan tekanan pressure drop yang terjadi pada alat penukar kalor itu sangat kecil. 2. Apabila pembersihan yang dilakukan pada bagian luar tabung adalah dengan cara pembersihan mekanik mechanical cleaning. Sebab pada susunan seperti ini, terdapat celah anatara tabung yang dipergunakan untuk pembersihannya. 3. Susunan ini memberikan perilaku yang baik, bila terjadi aliran turbulen, tetapi untuk laminar akan memberikan hasil yang kurang baik. Gambar 2.10. Susunan tabung alat penukar kalor. a susunan tabung segitiga triangular; b susunan tabung bujur sangkar c susunan tabung bujursangkar diputar 45 o diamond [18]. a b c Tabel 2.1. Perbandingan dari susunan tabung pada alat penukar kalor [19]. Susunan tabung Kelebihan Kekurangan Segitiga - Film koefisiennya lebih tinggi daripada bujur sangkar - Dapat dibuat jumlah tabung yang lebih banyak sebab susunannya kompak - Jatuh tekanan yang terjadi antara menengah keatas - Tidak baik untuk fluida yang kotor - Pembersihannya dengan cara kimia Bujur sangkar - Bagus untuk kondisi yang memerlukan jatuh tekanan rendah - Baik untuk pembersihan luar tabung secara mekanik - Baik untuk melayani fluida kotor - Film koefisiennya rendah Belah ketupat - Film koefisiennya lebih baik dari susunan bujur sangkar, tetapi tidak sebaik susunan segitiga - Mudah untuk pembersihan dengan mekanis - Baik untuk fluida yang kotor - Film koefisiennya relatif rendah - Jatuh tekanannya tidak serendah jenis susunan bujur sangkar 2.2.10. Baffle atau Sekat Umumnya, aliran fluida dalam alat penukar kalor adalah paralel atau berlawanan. Untuk membuat aliran fluida dalam alat penukar kalor menjadi cross flow biasanya ditambahkan penyekat atau baffle. Aliran cross flow yang didapat dengan menambahkan baffle akan membuat luas kontak fluida dalam shell dengan dinding tube makin besar, sehingga perpindahan panas di antara kedua fluida meningkat. Selain untuk mengarahkan aliran agar menjadi cross flow, baffle juga berguna untuk menjaga supaya tube tidak melengkung. Secara teoritis, baffle yang dipasang terlalu berdekatan akan meningkatkan perpindahan panas yang terjadi di antara kedua fuida, namun hambatan yang terjadi pada aliran yang melalui celah antar baffle menjadi besar sehingga penurunan tekanan menjadi besar. Sedangkan jika baffle dipasang terlalu berjauhan penurunan tekanan yang terjadi akan kecil, namun perpindahan panas yang terjadi kurang baik dan timbul bahaya kerusakan pipa-pipa karena melengkung atau vibrasi. Hal ini menunjukkan bahwa jarak antar baffle tidak boleh terlalu dekat ataupun terlalu jauh, ada jarak tertentu yang optimal untuk alat penukar kalor tertentu. Untuk itu akan dilakukan suatu penelitian untuk mempelajari pengaruh penggunaan baffle pada suatu alat penukar kalor. Pada alat penukar kalor, aliran fluida dalam selongsong adalah aksial terhadap tabung atau menyilang. Untuk membuat aliran fluida dalam selongsong menjadi aliran menyilang biasanya ditambah dengan sekat. Sekat ini juga berfungsi untuk mendukung tabung dan menahan vibrasi. Bentuk sekat yang lazim adalah segmental baffle, disc and doughnut baffle, dan orifice baffle. Tipe yang paling banyak dipergunakan adalah segmental baffle dengan pemotongan sekat baffle cut. Baffles atau sekat-sekat yang dipasang pada alat penukar kalor mempunyai beberapa fungsi, yaitu: 1. Struktur untuk menahan berkas tabung 2. Damper untuk menahan atau mencegah terjadinya getaran vibration pada tabung 3. Sebagai alat untuk mengontrol dan mengarahkan aliran fluida yang mengalir diluar tabung sisi cangkang Gambar 2.11. Baffle Menurut Tunggul [20], ditinjau dari segi konstruksi, sekat dapat diklasifikasikan dalam 4 kelompok, yaitu: 1. Sekat pelat berbentuk segment segmental baffles plate. 2. Sekat batang rod baffles. 3. Sekat mendatar longitudinal baffles. 4. Sekat impingment impingiment baffles. 2.2.11 Jarak antar Baffle Menentukan jarak antara baffle dengan sekat sangat penting,sebab hal ini akan langsung mempengaruhi banyaknya lintasan fluida yang melintang di luar tabung. Pada konstruksinya diusahakan agar jarak baffle satu sama lain nya sama. Dalam hal yang tidak memungkinkan , maka pada bagian –bagian ujungnya dibuat jrak kebih kecil, tetapi harus selalu memperhatikan letak dari nozzle pada cangkang. Maksudnya nozzle disini adalah saluran fluida masuk tabung dan keluar dari tabung. Jarak maksimum antara sekat maximum spacing adalah diameter dalam cangkang dan minimum 15 dari diameter dalam cangkang. Apabila jarak antara sekat itu dibuat terlalu jarang, maka aliran fluida akan aksial sehingga tidak terdapat aliran yang melintang sebaliknya kalau jarak antara sekat dibuat terlalu sempit menimbulkan bocoran yang berlebihan antara sekat dan cangkang. Perubahan pemasangan baffle dengan posisi tegak lurus dari beberapa variasi jarak dengan sendirinya memberi implikasi terhadap bentuk zona aliran maupun pola alirannya yang pada gilirannya akan dapat mempengaruhi unjuk kerja termal dan penurunan tekanan. Dalam penggunaannya pada APK, baffle dengan type segmental yang dipasang tegak lurus terhadap tabung atau arah axial APK. Sekat baffle yang terpasang tegak lurus tabung akan mengakibatkan arah aliran sebagian fluida dalam cangkang melintas tegak lurus transversal terhadap bundle tabung dan kondisi demikian akan meningkatkan efek turbulensi. Aliran tersebut sangatlah komplek, namun demikian dapat memberi dampak perpindahan kalor konveksi yang lebih baik disatu sisi, tetapi kurang baik terhadap penurunan tekanan di sisi lain. Dengan kata lain proses aliran dan perpindahan kalor di sisi tabung sangat bergantung kepada ukuran tabung itu sendiri, jarak pitch, susunan tabung, tipe baffle, jarak baffle, baffle cut, dan celah antara baffle dan shell. Jarak antara tube tube pitch ini erat hubungan nya dengan ukuran tube, susunan tube, dan system pembersihan yang dilakukan pada luar tube. Biasanya jarak tube tube pitch ini berkisar 1,25 – 1,50 kali diameter tube. Gambar 2. 12. Jarak antara sekat Jarak antara baffle baffle spacing atau baffle pitch ini dikenal dua macam yaitu: 1. Jarak antara baffle maksimum yaitu: B = Diameter sebelah dalam cangkang 2. Jarak baffle minimum yaitu: B = 15 diameter sebelah dalam cangkang. Apabila jarak antara baffle dibuat terlalu jarang , maka aliran fluida akan aksial sehingga tidak terdapat aliran melintang, sebaliknya kalau jarak antara baffle dibuat terlalu sempit, maka akan menimbulkan kebocoran yang berlebihan antara baffle dan cangkang.

2.3 Landasan Teori