Eswanto ITM KULIAH MESIN MESIN TERMAL FL
INTRODUCTION
OF HEAT EXCHANGER
(PENGENALAN ALAT PENUKAR KALOR)
Eswanto.,ST.,M.Eng
INSTITUT TEKNOLOGI MEDAN
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
TEMPERATURE :
Adalah suatu ukuran energi yang dimiliki oleh suatu benda (cair, padat,
dan gas/uap), sebagai ukuran apakah benda tersebut relatif panas atau
dingin. Umumnya diwakili dengan suatu satuan unit seperti, Celcius
atau Fahrenheit.
HEAT :
Adalah suatu bentuk energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat
dari perbedaan temperatur yang terjadi pada benda tersebut. Umumnya
diwakili dengan satuan unit Kalori atau BTU. Bila suatu sistem atau
benda terdapat gradien suhu (dT/dx) disinggungkan, maka akan terjadi
perpindahan energi. Proses perpindahan energi disebut perpindahan
panas (heat, bahang/ kalor istilah ini sama)
PERPINDAHAN PANAS (Heat Transfer) :
Energi dapat berpindah dalam bentuk heat dari suatu zat ke
lingkungannya atau zat lain apabila diantara kedua zat tersebut berbeda
temperatur nya.
PROSES PERPINDAHAN PANAS
(HEAT TRANSFER)
•
•
•
•
De
PP
PP
PP
fi ni si :
konduksi adalah ……...…..
radiasi adalah ….………
konveksi adalah .…..………
PERSAMAAN DASAR
PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI
Hukum Fourier’s pada konduksi pada dinding
• Seorang ilmuan Perancis, J.B.J. Fourier (1882),
menyatakan bahwa qkond, laju aliran panas dengan
cara konduksi dalam suatu bahan (material), sama
dengan hasil kali dari 3 besaran dalam persamaan
berikut.
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
KONDUKSI :
Def: Perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang
bertemperatur tinggi ke daerah/T4 yang bertemperatur
lebih rendah didalam suatu medium (padat, cair atau
gas/uap) atau antara medium yang berlainan tetapi
bersinggungan secara langsung (kontak langsung)
Konduksi
kontak
langsung
Thot
Tcolt
Konduksi melalui plat/ dinding datar
Q = Perpindahan panas persatuan waktu, t
A = Luas penampang medium
X = Tebal medium
k = Konduktivitas termal medium
T = Temperatur
X
Condrect.exe
Condpipe.exe
CondMultiPipe.exe
CondMultiRect.exe
KONDUKSI PADA PLAT DATAR
Dijelaskan proses perpindahan kalor konduksi keadaan stedi melalui
dinding datar D1, kemudian lanjutkan bila dengan bahan komposit
seri dan parallel.
Gambarkan distribusi temperatur sebagai fungsi jarak/ tebal, T=f(x)
KONDUKSI PADA SILINDER
•Pipa diisolasi
dengan tebal x0,
hubungan antara
k dan h dalam
menentukan jarijari kritis isolasi
(rcrit)
•Jelaskan definisi tahanan
termal bahan, dan tuliskan
persamaan tahanam termal
bahan seri dan paralle
disertai gambar.
PERSAMAAN DASAR
PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI
• KONVEKSI : Laju perpindahan panas dengan cara
konveksi antara suatu permukaan dan suatu fluida karena
adanay perbedaan temperatur (∆T). Panas akan perpindah dari
suatu permukaan dan fluida bertemperatur tinggi ke
temperatur lebih rendah. Besarnya panas yang berpindah
adalah :
Atau:
Perpindahan panas yang terjadi antara suatu permukaan benda/ medium
dengan suatu fluida yang bergerak atau diam pada suatu perbedaan
temperatur (∆T)
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
h
q
TS
Area = A
Tw
Q = h A (Tw - Ts)
Q = Perpindahan panas persatuan waktu, t
A = Luas penampang medium
h = Koefisien konveksi
T = Temperatur (benda dan fluida)
Contoh 3APK
Konveksi paksa dan natural
Tahanan termal konveksi
ingat kembali De fi ni si :
1. PP konveksi adalah ……...…..
2. PP konduksi adalah ….………
3. PP radiasi adalah ...…..………
Gabungan PP konveksi
& radiasi
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
RADIASI :
Perpindahan panas yang terjadi akibat emisi gelombang elektromagnet
dari suatu permukaan atau ruang. Radiasi tidak memerlukan media
perpindahan panas dan dapat terjadi dalam ruang hampa udara. Jumlah
energi yang meninggalkan suatu permukaan tergantung dari suhu
mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiator sempurna atau benda
hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari permukaan dengan
laju qr, sebesar ;
Besar radiasi yang dipancarkan
suatu benda :
ε = emissivity material
A = luas permukaan
T = Temperatur benda
σ = Konstanta Boltzman,
5.67× 10-8 W/m2K4
DirectContactFrz.exe
RA DIA SI
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS pada :
EVAPORASI :
Proses pemanasan suatu liquid sampai pada temperatur titik
didihnya untuk menghasilkan phasa lain dari liquid tersebut,
yaitu vapor (uap). Uap yang dihasilkan adalah uap jenuh
(saturated) dan atau uap kering (superheat)
EvapSingle.exe
APK aliran parallel /searah & lawan
arah
• air panas mengalir dalam pipa dan air dingin di luar
pipa/selongsong
- gbr.1. aliran searah
- gbr.2. aliran lawan arah
Apk aliran silang
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
KONDENSASI :
Proses pendinginan terhadap suatu uap liquid untuk kembali ke
phasa semula, yaitu liquid. Ini dapat dijumpai pada proses
kondensasi uap pada kondensor turbin uap.
EvapMulti.exe
apk lintas satu dan duo
• Apk selongsong dengan lintas
gbr.1. 1 selongsong dengan dua lintas
pipa, & gbr.2. dengan dua lintas
selonsong & empat lintas pipa
Harga U untuk berbagai tipe
Heat exchanger
Faktor pengotoran (F)
Distribusi
temperatur
dengan distribusi
temperatur apk
lawan arah dengan
laju aliran massa
sama
distribusi
temperatur
pada
kondensor &
evaporator
Apk selongsong &
tabung dengan
dengan distribusi
temperatur
Tugas
Tabel-2. Efektifitas APK
fungsi NTU
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
DEFINISI :
Peralatan untuk melaksanakan perpindahan panas dari satu fluida ke
fluida yang lain dengan memanfaatkan perbedaan temperatur dari kedua
fluida tersebut.
Berdasarkan prinsip perpindahan panas yang terjadi, Heat Exchanger
dibagi dalam tiga group :
1.
Direct Contact Exchanger, Aliran fluida panas dan dingin
dicampurkan secara langsung sehingga terjadi perpindahan panas
2.
Recuperators, Aliran fluida panas dan dingin dipisahkan dengan
suatu dinding sehingga perpindahan panas terjadi secara konveksi
melalui dinding tersebut.
3.
Regenerator, Perpindahan panas terjadi dalam beberapa tahap,
pertama dari fluida panas ke media penyimpan kemudian dari media
penyimpan ke fluida dingin.
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
Berdasarkan pola aliran fluida yang terjadi, Heat
Exchanger dibagi dalam tiga pola aliran :
1. Parallel Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan
perpindahan panas mengalir dalam satu arah
dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids
U= Overall Heat Transfer Coeficient
A= Area of the tube
∆ T= Logarithmic mean temperature difference
defined by:
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
2. Counter Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang
melakukan perpindahan panas mengalir berlawanan arah
dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids
U = Overall Heat Transfer Coeficient
A = Area of the tube
∆Tm= Logarithmic mean temperature difference defined by:
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
3. Cross Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan
perpindahan panas mengalir secara bersilangan
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
Untuk meningkatkan performance, Heat Exchanger dapat didisain
sehingga kedua fluida yang melakukan perpindahan panas dapat
bersinggungan beberapa kali dalam satu unit Heat Exchanger.
Jika kedua fluida bersinggungan hanya satu kali maka disebut Single-Pass Heat
Exchanger .
Jika kedua fluida bersinggungan lebih dari satu kali, maka disebut Multi-Pass
Heat Exchanger.
Umumnya Multi-Pass HE menggunakan jenis U-Bend Tube untuk mengalirkan
kembali fluida sehingga dapat bersinggungan lebih dari satu kali. Atau dengan
menggunakan plat pemisah (baffle) pada sisi shell dari Heat Exchanger tersebut.
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
Heat Exchanger kebanyakan ditemukan dalam
aplikasi sistim proses kimia maupun mechanical.
Aplikasi tersebut antara lain :
1. Proses Pemanasan awal (Preheater)
2. Proses Pendinginan (Cooler)
3. Proses Penguapan (Evaporasi)
4. Proses Pengembunan (Kondensasi)
Penjelasan berikut memperlihatkan bagaimana
Heat Exchanger berfungsi dalam sistem
proses tersebut.
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
1. Proses Pemanasan Awal (Preheater) &
Pendinginan (Cooler)
Dalam suatu proses yang
membutuhkan temperatur
tinggi/rendah, fluida yang masuk
sebelumnya harus
dipanaskan/didinginkan awal terlebih
dahulu dalam suatu tahapan daripada
langsung memanaskannya atau
mendinginkannya dari temperatur
awal (lingkungan) ke temperatur
tinggi/rendah yang dibutuhkan. Hal
ini untuk menghindari thermal shock
stress pada material peralatan yang
dipakai. Contoh pada aplikasi ini
adalah, U-Tube FeedWater
Preheater / Cooler
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
2. Proses Penguapan (Evaporasi)
dan Pengembunan (Kondensasi)
Setiap sistem pengkondisian udara,
setidaknya ada dua heat exchanger yang
terlibat, yaitu evaporator dan condenser.
Untuk kedua sistem, fluida mengalir ke
dalam HE dan memindahkan panas
(mengambil atau melepas panas) ke
media pendingin / pemanas. Untuk
condenser, fluida (gas) berubah phasa
menjadi liquid dan untuk evaporator fluida
(liquid) berubah phasa menjadi gas
(uap). Proses ini diperlukan jika fluida
tersebut akan digunakan lagi dalam suatu
siklus sesuai dengan bentuk phasa-nya.
Contoh untuk aplikasi ini adalah Steam
Condenser / Evaporator
RefrigSystem.exe
CONSTRUCTION TYPE
OF HEAT EXCHANGER
(JENIS KONSTRUKSI ALAT PENUKAR PANAS)
Jenis-Jenis Heat Exchanger
Sesuai dengan jenis aplikasinya, saat ini terdapat berbagai jenis
konstruksi Heat Exchanger yang telah dipakai di dunia industri :
1. Double Pipe Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari pipa yang ditempatkan didalam pipa lain
yang berdiameter lebih besar. Jenis ini banyak dipakai untuk
pemanasan atau pendinginan dimana area perpindahan panas yang
dibutuhkan relatif kecil (sampai 50 m2). Kelebihan jenis ini adalah
mudah dalam pemasangan dan perawatan, namun relatif mahal untuk
area perpindahan panas yang kecil.
TubularHeatEx.exe
Jenis-Jenis Heat Exchanger
2. Shell and Tube Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari berkas pipa2(tube)yang ditempatkan
di dalam suatu selongsong (shell) , sehingga dua fluida yang
melalui tube dan shell akan melakukan perpindahan panas
secara konduksi dan konveksi melalui dinding tube.
Keuntungan jenis ini adalah dapat digunakan dalam banyak
aplikasi, mudah dalam perawatan dan memiliki perbedaan
temperatur yang tinggi.
Jenis-Jenis Heat Exchanger
3. Plate Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari sekumpulan plat bentukan yang
diikat dalam suatu frame yang menekan gasket untuk
mencegah terjadi kebocoran. Plat tersebut begitu tipis
sehingga memungkinkan lebih banyak kontak yang terjadi
untuk mendapatkan heat transfer rate yang lebih besar.
Keuntungannya dapat diaplikasikan untuk banyak jenis
aliran fluida namun memiliki keterbatasan tekanan dan
temperatur terhadap material gasket.
Jenis-Jenis Heat Exchanger
4. Air Cooled Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari atas sebuah fan dan sebuah atau
lebih Heat Transfer Section yang dipasang dalam satu
frame. Heat Transfer Section tersbut biasanya terdiri dari
Finned Tube. Fluida dialirkan di dalam tube yang didinginkan
dengan udara dari suatu induced atau forced draft fan.
Keuntungannya memiliki struktur yang kuat (rigid) dan banyak
digunakan untuk proses cryogenic. Namun jenis ini memiliki
ukuran terbatas dan sulit dalam pemeliharaan.
cabinettraydrier.exe
Jenis-Jenis Heat Exchanger
5. Main (Cryogenic) Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari 2 tube bundle, satu untuk fluida
panas dan lainnya untuk fluida dingin.Sedangkan shell
berbentuk vertikal tower. Banyak dipakai untuk aplikasi
cryogenic yaitu pendinginan dibawah 0 derajat celcius.
Jenis-JenisHeat
HeatExchanger
Exchanger
Jenis-Jenis
Distribusi Aplikasi Heat Exchanger di berbagai Industri:
Cooling Towers
9%
Waste Heat Boilers
5%
Other Heat
Recovery
10%
Air Coolers
10%
Other Proprietary
2%
Other Plate
4%
Plate & Frame
13%
Shell & Tube
42%
Other Tubular
5%
Dari grafik/gambar distribusi tersebut di atas, jenis Shell and
Tube adalah yang paling banyak dipakai termasuk di LNG Plant.
Berikutnya kita akan memfokuskan pada pembahasan jenis Shell
and Tube Heat Exchanger ini.
SHELL AND TUBE
HEAT EXCHANGER
PENGENALAN
Untuk mendapatkan luas penampang perpindahan panas atau
area perpindahan panas yang besar dari jenis Double Pipe Heat
Exchanger, pipa yang digunakan mestilah sangat panjang.
Akibatnya, kehilangan tekanan yang terjadi juga besar,
dibutuhkan pompa dengan kapasitas besar, dan sejumlah besar
material yang akhirnya membutuhkan biaya yang relatif sangat
besar.
Hal ini berarti kita membutuhkan bentuk konstruksi yang kompak
untuk keperluan area perpindahan panas yang besar tersebut,
jenis Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis konstruksi yang
sesuai untuk kebutuhan tersebut.
Klasifikasi dan Standarisasi
Untuk melindungi pemakai jenis Heat Exchanger Shell and Tube
dari bahaya akibat tekanan dan temperatur tinggi dan resiko
kegagalan alat, suatu standard telah diaplikasikan dan dianut oleh
banyak industri sebagai pegangan dalam merencanakan,
mengoperasikan dan merawat Heat Exchanger jenis Shell and
Tube.
Standar tersebut adalah Tubular Exchanger Manufacturers
Association (TEMA).
Klasifikasi dan Standarisasi
Tubular Exchanger Manufacturers Association
(TEMA), dari sisi design dan fabrikasi membagi jenis
Shell and Tube Heat Exchanger ini dalam 3 kelas :
1. Kelas R, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
kondisi berat pada industri gas dan petroleum.
2. Kelas C, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
kondisi yang lebih ringan dan untuk keperluan
industri umum.
3. Kelas B, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
keperluan proses-proses kimia.
Ketiga jenis kelas tersebut, semua diaplikasikan dalam kilang
LNG
Klasifikasi dan Standarisasi
Karena fokus kita adalah kilang LNG yang banyak menggunakan
jenis HE shell and tube dan menurut standard TEMA mengikuti
kelas fabrikasi kelas RCB, maka selanjutnya dibahas lebih dalam
mengenai kelas RCB tersebut. Yang menjadi patokan utama dari
kelas RCB adalah
Hasil perkalian nominal diameter shell (inch) dan
Design Pressure (PSI) tidak lebih dari 60,000.
Inside diamater Shell tidak lebih dari 60 inch
Design pressure tidak lebih dari 3000 PSI
Standard Test dilakukan dalam kondisi 1.5 kali
Design Pressure jika menggunakan cairan
(Hydrotest), dan 1.25 kali design pressure jika
menggunakan udara (pneumatic test).
Shell & Tube Heat Exchanger, TEMA Class RCB
Dari bentuk konstruksinya terbagi atas 3 bagian yaitu, Front-End
Stationary Head, Shell dan Rear-End Head.
Type AES
Type CFU
Type AKT
Aplikasi Shell & Tube HE
Jenis Shell and Tube Heat Exchanger kebanyakan dipakai pada
aplikasi proses berikut (termasuk proses di kilang LNG) :
1. COOLERS
Aplikasi Shell & Tube HE
2. CONDENSER
Aplikasi Shell & Tube HE
3. WASTE HEAT BOILER
Aplikasi Shell & Tube HE
4.
KETTLE TYPE REBOILER
Aplikasi Shell & Tube HE
5. HERMOSYPHON REBOILER
Aplikasi Shell & Tube HE
6.
MAIN HEAT EXCHANGER
Animasi heat exchanger
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Seperti ditampilkan sebelumnya, berikut jenis-jenis konstruksi Shell &
Tube Heat Exchanger berdasarkan standar TEMA kelas RCB.
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Penamaan (istilah) bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Tube side
Bagian dalam Tube.
Shell side
Bagian luar tube, diantara tube dan dinding shell.
Tube sheet
Suatu plat tebal yang dilengkapi lubang (1 lubang untuk setiap tube), tempat
dimana tube ditanam.
Tube bundle
Berkas kumpulan tube terdiri dari tube, tube sheet dan baffle plate
Shell
Suatu silinder dimana tube bundle ditempatkan.
Channel
Suatu jenis bagian depan HE tempat fluid dimasukkan dan dikeluarkan ke dan dari
tube side. Memiliki dinding pemisah yang memisahkan aliran yang masuk dan
keluar. Serta mempunyai penutup yang dapat dilepaskan.
Bonnet
Seperti Channel tapi dengan penutup yang tidak bisa dilepaskan (menyatu).
Baffle plate
Dapat dibentuk dengan model yang bervariasi, namun bentuk dasarnya adalah
segmental. Memiliki dua fungsi yaitu ; sebagai pendukung tube dan sebagai
pengarah aliran pada shell side sehingga didapatkan perpindahan panas yang lebih
efektif.
Tie rods
Batang yang dipasang diantara tube sheet untuk mendukung baffles. Juga
berfungsi untuk mengurasi vibrasi (getaran).
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Penamaan (istilah) bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
1. Inlet (or outlet) tube side
2. Outlet (or inlet) tube side
3. Inlet (or outlet) shell side
4. Outlet (or inlet) shell side
5. Bonnet without partition wall
6. Fixed tube sheet
7. Shell
8. Straight tubes
9. Baffle plate
10. Bonnet with partition wall
11. Tube sheet
12. U tubes
13. Channel with partition wall
14. Channel cover
15. Floating-head tube sheet
16. Floating-head backing
device
17. Floating-head cover
18. Shell cover
19. Shell nozzle
20. Liquid level connection
21. Liquid level connection
22. Weir
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Bagian-bagian utama dari Shell & Tube Heat Exchanger :
1. TUBE, merupakan media mengalirnya salah satu dari dua
fludia yang melakukan perpindahan panas dalam Shell &
Tube HE. Dinding tube merupakan bidang pemisah dari
kedua fluida dan
perpindahan panas.
sekaligus
berfungsi
sebagai
bidang
Bahan dan ketebalan dinding
tube harus dipilih agar diperoleh
penghantaran panas yang baik/
mempunyai daya hantar yang
baik dan juga mampu pada
tekanan operasi fluidanya serta
tidak mudah terkorosi atau
tererosi oleh fluida kerjanya.
Penebalan dinding pipa
karena karat dihindari ri.ri .. !
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
2. SHELL, bagian yang merupakan media mengalirnya fluida
yang akan dipertukarkan panasnya dengan fluida yang
mengalir di dalam tube, konstruksi shell ini sangat ditentukan
oleh keadaan tube yang akan ditempatkan didalamnya.
Shell dapat dibuat dari sebuah
pipa yang berdiameter besar atau
dari plat yang dirol. Untuk shell ini
terdapat
standard
yang
menentukan jenis bahan dan
minimum ketebalan yang harus
dipenuhi untuk berbagai ukuran
diamater shell. Standard tersebut
selain TEMA juga standard ASME
Section VIII Pressure Vessel.
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
3. BAFFLE, berfungsi untuk mengubah arah aliran fluida didalam
shell dan sebagai pendukung dari berkas tube. Bentuknya
berupa piringan yang dilubangi untuk penempatan tube,
dibentuk sedemikian rupa agar aliran fluida dalam shell dapat
menyentuh permukaan tube secara efektif untuk perindahan
panas.
Konstruksi
Heat
Exchanger
KonstruksiShell
Shell&&Tube
Tube
Heat
Exchanger
4.
TUBESHEET, merupakan penyatuan bagian ujung dari berkas tube
yang memisahkan fluida yang satu terhadap fluida lainnya. Tube
sheet harus dibuat kuat terhadap tegangan geser dan momen untuk
menghindari kebocoran, karena bagian ini yang paling rentan
terhadap kebocoran.
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type AEW
Memiliki design yang fleksibel dengan jenis floating
tubesheet dan removable tube bundle.
Aplikasi
Heater atau cooler untuk electrolyte, condensate, brine, boiler blowdown atau
hydraulic, turbine, dan compress oils/fluids.
Keuntungan
•
Floating tubesheet memungkinkan terjadinya differential thermal
expansion antara shell dan tubes.
•
Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.
•
Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti.
Kekurangan
•
Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass.
•
Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan.
Animasi aliran fluida di dalam heat exchanger
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type BEM
Memiliki design dengan jenis external floating
head dengan entrance area yang besar
sehingga memudahkan dari sisi maintenance.
Aplikasi
Untuk sirkulasi regenerasi dari liquid yag
bersifat krosif, gas atau uap (vapor)
Keuntungan
• Floating head memungkinkan terjadinya differential thermal expansion
antara shell dan tubes.
• Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.
• Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti.
Kekurangan
• Fluida sisi shell terbatas pada fluida non-toxic dan non-volatile seperti
lube oil dan hydraulic oil
• Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass atau 2 pass
• Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan.
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type BEP
Memiliki design dengan jenis fixed
tubesheet dengan removable channel atau
bonnet sehingga heat transfer maksimum
terjadi pada sisi shell.
Aplikasi
Untuk heating atau cooling oil, air atau
fluida untuk proses kimia.
Keuntungan
•
Lebih murah dari jenis removable bundle.
• Susunan tube dapat untuk multipass flow
Kekurangan
•
Shell hanya dapat dibersihkan dengan proses
chemical cleaning
•
Diperlukan tambahan seperti expansion joint untuk
mengatasi masalah therml expansion
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type AES
Memiliki design dengan jenis Straight tubes
dan internal clamp-ring floating head cover.
Tube bundle jenis removable sehingga
mudah dalam pemeliharaan.
Aplikasi
Paling banyak dipakai pada process plant termasuk untuk cooling
dan heating atau condensing vapor.
Keuntungan
• Memungkinkan terjadinya thermal expansion antara shell dan
tube
• Sangat baik untuk fluida yang mudah terbakar atau beracun
•Kekurangan
Susunan tube dapat untuk multipass flow
• Shell cover dan clamp-ring floating head cover harus dibuka terlebih
dahulu untuk melepaskan bundle sehingga memiliki biaya
pemeliharaan yang lebih besar.
Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan
Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,
pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.
1.Instalasi / Pemasangan
Pada pemasangan suatu Heat Exchanger yang perlu diperhatikan adalah, daerah
bebas untuk perbaikan, pembersihan atau bahkan untuk penggantian dari heat
exchanger tersebut. Untuk jenis U-Tube, pada daerah Stationary Head (Channel
Head) harus diberi ruangan cukup luas untuk penarikan tube bundle atau
ruangan dibelakang exchanger tersebut mempunyai daerah yang cukup luas
untuk penarikan shell pada saat perbaikan. Untuk jenis removable bundle, pada
daerah stationary head (channel head) harus mempunyai ruangan cukup luas
untuk penarikan tube bundle dalam waktu perbaikan.
Pondasi dari heat exchanger tersebut juga harus cukup kuat untuk menahan berat
exchanger sehingga tak mengakibatkan kedudukan exchanger berubah dan akan
menyebabkan pipa inlet atau outlet mengalami tarikan / tekanan sehingga
menyebabkan kerusakan pada nozle exchanger.
Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan
Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,
pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.
2. Pengoperasian
Suatu heat exchanger tidak boleh dioperasikan pada kondisi yang
melebihi seperti yang telah tertera pada name plate exchanger
tersebut.
Start Up Operation, Untuk exchanger jenis removable bundle dioperasikan
pertama kali dengan membentuk sirkulasi dengan fluida dingin (cold medium), dan
dilanjutkan dengan mengalirkan fluida panas (hot medium). Selama proses start up
semua valve venting harus dalam keadaan terbuka dan tetap terbuka sampai
semua bagian shell dan tube terisi penuh oleh fluida. Untuk jenis fixed tubesheet
fluida harus dialirkan secara simultan untuk memperkecil ekspansi yang terjadi
antara shell dan tube.
Shut Down Operation, untuk jenis removable bundle dapat dilakukan dengan
menghentikan aliran fluida panas secara bertahap kemudian diikuti penghentian
aliran fluida dingin. Untuk jenis fixed tubesheet, dapat dilakukan dengan
mempertahankan ekspansi antara shell dan tube seminimal mungkin. Semua sisa
fluida di kedua bagian shell dan tube harus dibuang (drain) sampai bersih.
Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan
Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi, pengoperasian dan
perawatan Heat Exchanger.
3. Perawatan
Pemeriksaan heat exchanger harus dilakukan dalam setiap jangka waktu tertentu pada bagian luar
dan dalam dari heat exchanger. Pemeriksaan tersebut terdiri dari :
Indikasi Fouling, adalah indikasi penumpukan sisa-sisa fluida di dalam heat exchanger yang dapat
mengurangi efisiensi heat exchanger secara serius. Fouling ini dapat dilihat dari adanya kehilangan
tekanan yang besar atau kinerja heat exchanger yang kurang maksimal.
Indikasi kebocoran tube, Umumnya ada 2 cara pengetesan yang dilakukan untuk mendeteksi adanya
kebocoran pada tube, yaitu Standard Test dan Pneumatic Test. Standard Test dilakukan secara HydroTest
dengan menggunakan air. Tekanan uji untuk cara ini adalah 1.5 kali design pressure. Bila liquid (air) tidak
boleh digunakan, test dengan media gas / udara (pneumatic test) dapat dilakukan dengan batasan tekanan
uji 1.25 kali design pressure.
Heat Exchanger Gallery
Heat Exchanger Gallery
Heat Exchanger Gallery
OF HEAT EXCHANGER
(PENGENALAN ALAT PENUKAR KALOR)
Eswanto.,ST.,M.Eng
INSTITUT TEKNOLOGI MEDAN
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
TEMPERATURE :
Adalah suatu ukuran energi yang dimiliki oleh suatu benda (cair, padat,
dan gas/uap), sebagai ukuran apakah benda tersebut relatif panas atau
dingin. Umumnya diwakili dengan suatu satuan unit seperti, Celcius
atau Fahrenheit.
HEAT :
Adalah suatu bentuk energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat
dari perbedaan temperatur yang terjadi pada benda tersebut. Umumnya
diwakili dengan satuan unit Kalori atau BTU. Bila suatu sistem atau
benda terdapat gradien suhu (dT/dx) disinggungkan, maka akan terjadi
perpindahan energi. Proses perpindahan energi disebut perpindahan
panas (heat, bahang/ kalor istilah ini sama)
PERPINDAHAN PANAS (Heat Transfer) :
Energi dapat berpindah dalam bentuk heat dari suatu zat ke
lingkungannya atau zat lain apabila diantara kedua zat tersebut berbeda
temperatur nya.
PROSES PERPINDAHAN PANAS
(HEAT TRANSFER)
•
•
•
•
De
PP
PP
PP
fi ni si :
konduksi adalah ……...…..
radiasi adalah ….………
konveksi adalah .…..………
PERSAMAAN DASAR
PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI
Hukum Fourier’s pada konduksi pada dinding
• Seorang ilmuan Perancis, J.B.J. Fourier (1882),
menyatakan bahwa qkond, laju aliran panas dengan
cara konduksi dalam suatu bahan (material), sama
dengan hasil kali dari 3 besaran dalam persamaan
berikut.
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
KONDUKSI :
Def: Perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang
bertemperatur tinggi ke daerah/T4 yang bertemperatur
lebih rendah didalam suatu medium (padat, cair atau
gas/uap) atau antara medium yang berlainan tetapi
bersinggungan secara langsung (kontak langsung)
Konduksi
kontak
langsung
Thot
Tcolt
Konduksi melalui plat/ dinding datar
Q = Perpindahan panas persatuan waktu, t
A = Luas penampang medium
X = Tebal medium
k = Konduktivitas termal medium
T = Temperatur
X
Condrect.exe
Condpipe.exe
CondMultiPipe.exe
CondMultiRect.exe
KONDUKSI PADA PLAT DATAR
Dijelaskan proses perpindahan kalor konduksi keadaan stedi melalui
dinding datar D1, kemudian lanjutkan bila dengan bahan komposit
seri dan parallel.
Gambarkan distribusi temperatur sebagai fungsi jarak/ tebal, T=f(x)
KONDUKSI PADA SILINDER
•Pipa diisolasi
dengan tebal x0,
hubungan antara
k dan h dalam
menentukan jarijari kritis isolasi
(rcrit)
•Jelaskan definisi tahanan
termal bahan, dan tuliskan
persamaan tahanam termal
bahan seri dan paralle
disertai gambar.
PERSAMAAN DASAR
PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI
• KONVEKSI : Laju perpindahan panas dengan cara
konveksi antara suatu permukaan dan suatu fluida karena
adanay perbedaan temperatur (∆T). Panas akan perpindah dari
suatu permukaan dan fluida bertemperatur tinggi ke
temperatur lebih rendah. Besarnya panas yang berpindah
adalah :
Atau:
Perpindahan panas yang terjadi antara suatu permukaan benda/ medium
dengan suatu fluida yang bergerak atau diam pada suatu perbedaan
temperatur (∆T)
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
h
q
TS
Area = A
Tw
Q = h A (Tw - Ts)
Q = Perpindahan panas persatuan waktu, t
A = Luas penampang medium
h = Koefisien konveksi
T = Temperatur (benda dan fluida)
Contoh 3APK
Konveksi paksa dan natural
Tahanan termal konveksi
ingat kembali De fi ni si :
1. PP konveksi adalah ……...…..
2. PP konduksi adalah ….………
3. PP radiasi adalah ...…..………
Gabungan PP konveksi
& radiasi
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
RADIASI :
Perpindahan panas yang terjadi akibat emisi gelombang elektromagnet
dari suatu permukaan atau ruang. Radiasi tidak memerlukan media
perpindahan panas dan dapat terjadi dalam ruang hampa udara. Jumlah
energi yang meninggalkan suatu permukaan tergantung dari suhu
mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiator sempurna atau benda
hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari permukaan dengan
laju qr, sebesar ;
Besar radiasi yang dipancarkan
suatu benda :
ε = emissivity material
A = luas permukaan
T = Temperatur benda
σ = Konstanta Boltzman,
5.67× 10-8 W/m2K4
DirectContactFrz.exe
RA DIA SI
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS pada :
EVAPORASI :
Proses pemanasan suatu liquid sampai pada temperatur titik
didihnya untuk menghasilkan phasa lain dari liquid tersebut,
yaitu vapor (uap). Uap yang dihasilkan adalah uap jenuh
(saturated) dan atau uap kering (superheat)
EvapSingle.exe
APK aliran parallel /searah & lawan
arah
• air panas mengalir dalam pipa dan air dingin di luar
pipa/selongsong
- gbr.1. aliran searah
- gbr.2. aliran lawan arah
Apk aliran silang
PRINSIP PERPINDAHAN PANAS
KONDENSASI :
Proses pendinginan terhadap suatu uap liquid untuk kembali ke
phasa semula, yaitu liquid. Ini dapat dijumpai pada proses
kondensasi uap pada kondensor turbin uap.
EvapMulti.exe
apk lintas satu dan duo
• Apk selongsong dengan lintas
gbr.1. 1 selongsong dengan dua lintas
pipa, & gbr.2. dengan dua lintas
selonsong & empat lintas pipa
Harga U untuk berbagai tipe
Heat exchanger
Faktor pengotoran (F)
Distribusi
temperatur
dengan distribusi
temperatur apk
lawan arah dengan
laju aliran massa
sama
distribusi
temperatur
pada
kondensor &
evaporator
Apk selongsong &
tabung dengan
dengan distribusi
temperatur
Tugas
Tabel-2. Efektifitas APK
fungsi NTU
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
DEFINISI :
Peralatan untuk melaksanakan perpindahan panas dari satu fluida ke
fluida yang lain dengan memanfaatkan perbedaan temperatur dari kedua
fluida tersebut.
Berdasarkan prinsip perpindahan panas yang terjadi, Heat Exchanger
dibagi dalam tiga group :
1.
Direct Contact Exchanger, Aliran fluida panas dan dingin
dicampurkan secara langsung sehingga terjadi perpindahan panas
2.
Recuperators, Aliran fluida panas dan dingin dipisahkan dengan
suatu dinding sehingga perpindahan panas terjadi secara konveksi
melalui dinding tersebut.
3.
Regenerator, Perpindahan panas terjadi dalam beberapa tahap,
pertama dari fluida panas ke media penyimpan kemudian dari media
penyimpan ke fluida dingin.
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
Berdasarkan pola aliran fluida yang terjadi, Heat
Exchanger dibagi dalam tiga pola aliran :
1. Parallel Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan
perpindahan panas mengalir dalam satu arah
dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids
U= Overall Heat Transfer Coeficient
A= Area of the tube
∆ T= Logarithmic mean temperature difference
defined by:
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
2. Counter Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang
melakukan perpindahan panas mengalir berlawanan arah
dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids
U = Overall Heat Transfer Coeficient
A = Area of the tube
∆Tm= Logarithmic mean temperature difference defined by:
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
3. Cross Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan
perpindahan panas mengalir secara bersilangan
HEAT EXCHANGER
Konsep Dasar
Untuk meningkatkan performance, Heat Exchanger dapat didisain
sehingga kedua fluida yang melakukan perpindahan panas dapat
bersinggungan beberapa kali dalam satu unit Heat Exchanger.
Jika kedua fluida bersinggungan hanya satu kali maka disebut Single-Pass Heat
Exchanger .
Jika kedua fluida bersinggungan lebih dari satu kali, maka disebut Multi-Pass
Heat Exchanger.
Umumnya Multi-Pass HE menggunakan jenis U-Bend Tube untuk mengalirkan
kembali fluida sehingga dapat bersinggungan lebih dari satu kali. Atau dengan
menggunakan plat pemisah (baffle) pada sisi shell dari Heat Exchanger tersebut.
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
Heat Exchanger kebanyakan ditemukan dalam
aplikasi sistim proses kimia maupun mechanical.
Aplikasi tersebut antara lain :
1. Proses Pemanasan awal (Preheater)
2. Proses Pendinginan (Cooler)
3. Proses Penguapan (Evaporasi)
4. Proses Pengembunan (Kondensasi)
Penjelasan berikut memperlihatkan bagaimana
Heat Exchanger berfungsi dalam sistem
proses tersebut.
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
1. Proses Pemanasan Awal (Preheater) &
Pendinginan (Cooler)
Dalam suatu proses yang
membutuhkan temperatur
tinggi/rendah, fluida yang masuk
sebelumnya harus
dipanaskan/didinginkan awal terlebih
dahulu dalam suatu tahapan daripada
langsung memanaskannya atau
mendinginkannya dari temperatur
awal (lingkungan) ke temperatur
tinggi/rendah yang dibutuhkan. Hal
ini untuk menghindari thermal shock
stress pada material peralatan yang
dipakai. Contoh pada aplikasi ini
adalah, U-Tube FeedWater
Preheater / Cooler
HEAT EXCHANGER
Aplikasi
2. Proses Penguapan (Evaporasi)
dan Pengembunan (Kondensasi)
Setiap sistem pengkondisian udara,
setidaknya ada dua heat exchanger yang
terlibat, yaitu evaporator dan condenser.
Untuk kedua sistem, fluida mengalir ke
dalam HE dan memindahkan panas
(mengambil atau melepas panas) ke
media pendingin / pemanas. Untuk
condenser, fluida (gas) berubah phasa
menjadi liquid dan untuk evaporator fluida
(liquid) berubah phasa menjadi gas
(uap). Proses ini diperlukan jika fluida
tersebut akan digunakan lagi dalam suatu
siklus sesuai dengan bentuk phasa-nya.
Contoh untuk aplikasi ini adalah Steam
Condenser / Evaporator
RefrigSystem.exe
CONSTRUCTION TYPE
OF HEAT EXCHANGER
(JENIS KONSTRUKSI ALAT PENUKAR PANAS)
Jenis-Jenis Heat Exchanger
Sesuai dengan jenis aplikasinya, saat ini terdapat berbagai jenis
konstruksi Heat Exchanger yang telah dipakai di dunia industri :
1. Double Pipe Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari pipa yang ditempatkan didalam pipa lain
yang berdiameter lebih besar. Jenis ini banyak dipakai untuk
pemanasan atau pendinginan dimana area perpindahan panas yang
dibutuhkan relatif kecil (sampai 50 m2). Kelebihan jenis ini adalah
mudah dalam pemasangan dan perawatan, namun relatif mahal untuk
area perpindahan panas yang kecil.
TubularHeatEx.exe
Jenis-Jenis Heat Exchanger
2. Shell and Tube Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari berkas pipa2(tube)yang ditempatkan
di dalam suatu selongsong (shell) , sehingga dua fluida yang
melalui tube dan shell akan melakukan perpindahan panas
secara konduksi dan konveksi melalui dinding tube.
Keuntungan jenis ini adalah dapat digunakan dalam banyak
aplikasi, mudah dalam perawatan dan memiliki perbedaan
temperatur yang tinggi.
Jenis-Jenis Heat Exchanger
3. Plate Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari sekumpulan plat bentukan yang
diikat dalam suatu frame yang menekan gasket untuk
mencegah terjadi kebocoran. Plat tersebut begitu tipis
sehingga memungkinkan lebih banyak kontak yang terjadi
untuk mendapatkan heat transfer rate yang lebih besar.
Keuntungannya dapat diaplikasikan untuk banyak jenis
aliran fluida namun memiliki keterbatasan tekanan dan
temperatur terhadap material gasket.
Jenis-Jenis Heat Exchanger
4. Air Cooled Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari atas sebuah fan dan sebuah atau
lebih Heat Transfer Section yang dipasang dalam satu
frame. Heat Transfer Section tersbut biasanya terdiri dari
Finned Tube. Fluida dialirkan di dalam tube yang didinginkan
dengan udara dari suatu induced atau forced draft fan.
Keuntungannya memiliki struktur yang kuat (rigid) dan banyak
digunakan untuk proses cryogenic. Namun jenis ini memiliki
ukuran terbatas dan sulit dalam pemeliharaan.
cabinettraydrier.exe
Jenis-Jenis Heat Exchanger
5. Main (Cryogenic) Heat Exchanger
Konstruksinya terdiri dari 2 tube bundle, satu untuk fluida
panas dan lainnya untuk fluida dingin.Sedangkan shell
berbentuk vertikal tower. Banyak dipakai untuk aplikasi
cryogenic yaitu pendinginan dibawah 0 derajat celcius.
Jenis-JenisHeat
HeatExchanger
Exchanger
Jenis-Jenis
Distribusi Aplikasi Heat Exchanger di berbagai Industri:
Cooling Towers
9%
Waste Heat Boilers
5%
Other Heat
Recovery
10%
Air Coolers
10%
Other Proprietary
2%
Other Plate
4%
Plate & Frame
13%
Shell & Tube
42%
Other Tubular
5%
Dari grafik/gambar distribusi tersebut di atas, jenis Shell and
Tube adalah yang paling banyak dipakai termasuk di LNG Plant.
Berikutnya kita akan memfokuskan pada pembahasan jenis Shell
and Tube Heat Exchanger ini.
SHELL AND TUBE
HEAT EXCHANGER
PENGENALAN
Untuk mendapatkan luas penampang perpindahan panas atau
area perpindahan panas yang besar dari jenis Double Pipe Heat
Exchanger, pipa yang digunakan mestilah sangat panjang.
Akibatnya, kehilangan tekanan yang terjadi juga besar,
dibutuhkan pompa dengan kapasitas besar, dan sejumlah besar
material yang akhirnya membutuhkan biaya yang relatif sangat
besar.
Hal ini berarti kita membutuhkan bentuk konstruksi yang kompak
untuk keperluan area perpindahan panas yang besar tersebut,
jenis Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis konstruksi yang
sesuai untuk kebutuhan tersebut.
Klasifikasi dan Standarisasi
Untuk melindungi pemakai jenis Heat Exchanger Shell and Tube
dari bahaya akibat tekanan dan temperatur tinggi dan resiko
kegagalan alat, suatu standard telah diaplikasikan dan dianut oleh
banyak industri sebagai pegangan dalam merencanakan,
mengoperasikan dan merawat Heat Exchanger jenis Shell and
Tube.
Standar tersebut adalah Tubular Exchanger Manufacturers
Association (TEMA).
Klasifikasi dan Standarisasi
Tubular Exchanger Manufacturers Association
(TEMA), dari sisi design dan fabrikasi membagi jenis
Shell and Tube Heat Exchanger ini dalam 3 kelas :
1. Kelas R, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
kondisi berat pada industri gas dan petroleum.
2. Kelas C, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
kondisi yang lebih ringan dan untuk keperluan
industri umum.
3. Kelas B, HE yang didesign dan difabrikasi untuk
keperluan proses-proses kimia.
Ketiga jenis kelas tersebut, semua diaplikasikan dalam kilang
LNG
Klasifikasi dan Standarisasi
Karena fokus kita adalah kilang LNG yang banyak menggunakan
jenis HE shell and tube dan menurut standard TEMA mengikuti
kelas fabrikasi kelas RCB, maka selanjutnya dibahas lebih dalam
mengenai kelas RCB tersebut. Yang menjadi patokan utama dari
kelas RCB adalah
Hasil perkalian nominal diameter shell (inch) dan
Design Pressure (PSI) tidak lebih dari 60,000.
Inside diamater Shell tidak lebih dari 60 inch
Design pressure tidak lebih dari 3000 PSI
Standard Test dilakukan dalam kondisi 1.5 kali
Design Pressure jika menggunakan cairan
(Hydrotest), dan 1.25 kali design pressure jika
menggunakan udara (pneumatic test).
Shell & Tube Heat Exchanger, TEMA Class RCB
Dari bentuk konstruksinya terbagi atas 3 bagian yaitu, Front-End
Stationary Head, Shell dan Rear-End Head.
Type AES
Type CFU
Type AKT
Aplikasi Shell & Tube HE
Jenis Shell and Tube Heat Exchanger kebanyakan dipakai pada
aplikasi proses berikut (termasuk proses di kilang LNG) :
1. COOLERS
Aplikasi Shell & Tube HE
2. CONDENSER
Aplikasi Shell & Tube HE
3. WASTE HEAT BOILER
Aplikasi Shell & Tube HE
4.
KETTLE TYPE REBOILER
Aplikasi Shell & Tube HE
5. HERMOSYPHON REBOILER
Aplikasi Shell & Tube HE
6.
MAIN HEAT EXCHANGER
Animasi heat exchanger
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Seperti ditampilkan sebelumnya, berikut jenis-jenis konstruksi Shell &
Tube Heat Exchanger berdasarkan standar TEMA kelas RCB.
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Penamaan (istilah) bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Tube side
Bagian dalam Tube.
Shell side
Bagian luar tube, diantara tube dan dinding shell.
Tube sheet
Suatu plat tebal yang dilengkapi lubang (1 lubang untuk setiap tube), tempat
dimana tube ditanam.
Tube bundle
Berkas kumpulan tube terdiri dari tube, tube sheet dan baffle plate
Shell
Suatu silinder dimana tube bundle ditempatkan.
Channel
Suatu jenis bagian depan HE tempat fluid dimasukkan dan dikeluarkan ke dan dari
tube side. Memiliki dinding pemisah yang memisahkan aliran yang masuk dan
keluar. Serta mempunyai penutup yang dapat dilepaskan.
Bonnet
Seperti Channel tapi dengan penutup yang tidak bisa dilepaskan (menyatu).
Baffle plate
Dapat dibentuk dengan model yang bervariasi, namun bentuk dasarnya adalah
segmental. Memiliki dua fungsi yaitu ; sebagai pendukung tube dan sebagai
pengarah aliran pada shell side sehingga didapatkan perpindahan panas yang lebih
efektif.
Tie rods
Batang yang dipasang diantara tube sheet untuk mendukung baffles. Juga
berfungsi untuk mengurasi vibrasi (getaran).
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Penamaan (istilah) bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
1. Inlet (or outlet) tube side
2. Outlet (or inlet) tube side
3. Inlet (or outlet) shell side
4. Outlet (or inlet) shell side
5. Bonnet without partition wall
6. Fixed tube sheet
7. Shell
8. Straight tubes
9. Baffle plate
10. Bonnet with partition wall
11. Tube sheet
12. U tubes
13. Channel with partition wall
14. Channel cover
15. Floating-head tube sheet
16. Floating-head backing
device
17. Floating-head cover
18. Shell cover
19. Shell nozzle
20. Liquid level connection
21. Liquid level connection
22. Weir
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
Bagian-bagian utama dari Shell & Tube Heat Exchanger :
1. TUBE, merupakan media mengalirnya salah satu dari dua
fludia yang melakukan perpindahan panas dalam Shell &
Tube HE. Dinding tube merupakan bidang pemisah dari
kedua fluida dan
perpindahan panas.
sekaligus
berfungsi
sebagai
bidang
Bahan dan ketebalan dinding
tube harus dipilih agar diperoleh
penghantaran panas yang baik/
mempunyai daya hantar yang
baik dan juga mampu pada
tekanan operasi fluidanya serta
tidak mudah terkorosi atau
tererosi oleh fluida kerjanya.
Penebalan dinding pipa
karena karat dihindari ri.ri .. !
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
2. SHELL, bagian yang merupakan media mengalirnya fluida
yang akan dipertukarkan panasnya dengan fluida yang
mengalir di dalam tube, konstruksi shell ini sangat ditentukan
oleh keadaan tube yang akan ditempatkan didalamnya.
Shell dapat dibuat dari sebuah
pipa yang berdiameter besar atau
dari plat yang dirol. Untuk shell ini
terdapat
standard
yang
menentukan jenis bahan dan
minimum ketebalan yang harus
dipenuhi untuk berbagai ukuran
diamater shell. Standard tersebut
selain TEMA juga standard ASME
Section VIII Pressure Vessel.
Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger
3. BAFFLE, berfungsi untuk mengubah arah aliran fluida didalam
shell dan sebagai pendukung dari berkas tube. Bentuknya
berupa piringan yang dilubangi untuk penempatan tube,
dibentuk sedemikian rupa agar aliran fluida dalam shell dapat
menyentuh permukaan tube secara efektif untuk perindahan
panas.
Konstruksi
Heat
Exchanger
KonstruksiShell
Shell&&Tube
Tube
Heat
Exchanger
4.
TUBESHEET, merupakan penyatuan bagian ujung dari berkas tube
yang memisahkan fluida yang satu terhadap fluida lainnya. Tube
sheet harus dibuat kuat terhadap tegangan geser dan momen untuk
menghindari kebocoran, karena bagian ini yang paling rentan
terhadap kebocoran.
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type AEW
Memiliki design yang fleksibel dengan jenis floating
tubesheet dan removable tube bundle.
Aplikasi
Heater atau cooler untuk electrolyte, condensate, brine, boiler blowdown atau
hydraulic, turbine, dan compress oils/fluids.
Keuntungan
•
Floating tubesheet memungkinkan terjadinya differential thermal
expansion antara shell dan tubes.
•
Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.
•
Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti.
Kekurangan
•
Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass.
•
Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan.
Animasi aliran fluida di dalam heat exchanger
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type BEM
Memiliki design dengan jenis external floating
head dengan entrance area yang besar
sehingga memudahkan dari sisi maintenance.
Aplikasi
Untuk sirkulasi regenerasi dari liquid yag
bersifat krosif, gas atau uap (vapor)
Keuntungan
• Floating head memungkinkan terjadinya differential thermal expansion
antara shell dan tubes.
• Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.
• Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti.
Kekurangan
• Fluida sisi shell terbatas pada fluida non-toxic dan non-volatile seperti
lube oil dan hydraulic oil
• Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass atau 2 pass
• Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan.
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type BEP
Memiliki design dengan jenis fixed
tubesheet dengan removable channel atau
bonnet sehingga heat transfer maksimum
terjadi pada sisi shell.
Aplikasi
Untuk heating atau cooling oil, air atau
fluida untuk proses kimia.
Keuntungan
•
Lebih murah dari jenis removable bundle.
• Susunan tube dapat untuk multipass flow
Kekurangan
•
Shell hanya dapat dibersihkan dengan proses
chemical cleaning
•
Diperlukan tambahan seperti expansion joint untuk
mengatasi masalah therml expansion
Contoh Jenis Shell & Tube HE
TEMA-Type AES
Memiliki design dengan jenis Straight tubes
dan internal clamp-ring floating head cover.
Tube bundle jenis removable sehingga
mudah dalam pemeliharaan.
Aplikasi
Paling banyak dipakai pada process plant termasuk untuk cooling
dan heating atau condensing vapor.
Keuntungan
• Memungkinkan terjadinya thermal expansion antara shell dan
tube
• Sangat baik untuk fluida yang mudah terbakar atau beracun
•Kekurangan
Susunan tube dapat untuk multipass flow
• Shell cover dan clamp-ring floating head cover harus dibuka terlebih
dahulu untuk melepaskan bundle sehingga memiliki biaya
pemeliharaan yang lebih besar.
Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan
Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,
pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.
1.Instalasi / Pemasangan
Pada pemasangan suatu Heat Exchanger yang perlu diperhatikan adalah, daerah
bebas untuk perbaikan, pembersihan atau bahkan untuk penggantian dari heat
exchanger tersebut. Untuk jenis U-Tube, pada daerah Stationary Head (Channel
Head) harus diberi ruangan cukup luas untuk penarikan tube bundle atau
ruangan dibelakang exchanger tersebut mempunyai daerah yang cukup luas
untuk penarikan shell pada saat perbaikan. Untuk jenis removable bundle, pada
daerah stationary head (channel head) harus mempunyai ruangan cukup luas
untuk penarikan tube bundle dalam waktu perbaikan.
Pondasi dari heat exchanger tersebut juga harus cukup kuat untuk menahan berat
exchanger sehingga tak mengakibatkan kedudukan exchanger berubah dan akan
menyebabkan pipa inlet atau outlet mengalami tarikan / tekanan sehingga
menyebabkan kerusakan pada nozle exchanger.
Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan
Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi,
pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger.
2. Pengoperasian
Suatu heat exchanger tidak boleh dioperasikan pada kondisi yang
melebihi seperti yang telah tertera pada name plate exchanger
tersebut.
Start Up Operation, Untuk exchanger jenis removable bundle dioperasikan
pertama kali dengan membentuk sirkulasi dengan fluida dingin (cold medium), dan
dilanjutkan dengan mengalirkan fluida panas (hot medium). Selama proses start up
semua valve venting harus dalam keadaan terbuka dan tetap terbuka sampai
semua bagian shell dan tube terisi penuh oleh fluida. Untuk jenis fixed tubesheet
fluida harus dialirkan secara simultan untuk memperkecil ekspansi yang terjadi
antara shell dan tube.
Shut Down Operation, untuk jenis removable bundle dapat dilakukan dengan
menghentikan aliran fluida panas secara bertahap kemudian diikuti penghentian
aliran fluida dingin. Untuk jenis fixed tubesheet, dapat dilakukan dengan
mempertahankan ekspansi antara shell dan tube seminimal mungkin. Semua sisa
fluida di kedua bagian shell dan tube harus dibuang (drain) sampai bersih.
Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan
Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi, pengoperasian dan
perawatan Heat Exchanger.
3. Perawatan
Pemeriksaan heat exchanger harus dilakukan dalam setiap jangka waktu tertentu pada bagian luar
dan dalam dari heat exchanger. Pemeriksaan tersebut terdiri dari :
Indikasi Fouling, adalah indikasi penumpukan sisa-sisa fluida di dalam heat exchanger yang dapat
mengurangi efisiensi heat exchanger secara serius. Fouling ini dapat dilihat dari adanya kehilangan
tekanan yang besar atau kinerja heat exchanger yang kurang maksimal.
Indikasi kebocoran tube, Umumnya ada 2 cara pengetesan yang dilakukan untuk mendeteksi adanya
kebocoran pada tube, yaitu Standard Test dan Pneumatic Test. Standard Test dilakukan secara HydroTest
dengan menggunakan air. Tekanan uji untuk cara ini adalah 1.5 kali design pressure. Bila liquid (air) tidak
boleh digunakan, test dengan media gas / udara (pneumatic test) dapat dilakukan dengan batasan tekanan
uji 1.25 kali design pressure.
Heat Exchanger Gallery
Heat Exchanger Gallery
Heat Exchanger Gallery