ALAT PENUKAR PANAS (HEAT EXCHANGER)
Alat Penukar Panas (Heat Exchanger)
Disusun Oleh :
1.Galang Adam Firmansyah
(1531010195)
2.Juan Dymmaess Raffael Simonsz (1531010159)
3.Nella Putri Syarifah
(1531010161)
4.Nina Sari Prabowo
(1531010197)
5.Putri Sinta Dewi Sinaga
(1531010160)
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL
“VETERAN”
JAWA TIMUR
* Pengertian Alat Penukar Panas
*Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti
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.
*Heat exchanger atau penukar panas adalah alat yang
digunakan untuk menukarkan panas secara kontinyu dari
suatu medium ke medium lainnya dengan membawa
energi panas
*Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah
*Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat
exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi
perpindahan panasnya. Hampir disemua heat exchanger,
perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari
fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh
dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi
oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak
berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan
bilangan Prandtl fluida
*Besar konveksi yang terjadi dalam double-pipe heat exchanger
berbeda dengan cros-flow heat exchanger pada temperatur yang
sama. Sedangkan besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut
tergantung pada kecepatan aliran serta properti fluida yang
meliputi massa Jenis, viskositas absolut, panas jenis dan
konduktivitas panas.
Gambar 1 Heat Exchanger
* Prinsip Kerja Heat Exchanger
*Heat exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas
(heat transfer), dimana terjadi perpindahan panas dari fluida
yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya
lebih rendah. Biasanya, ada suatu dinding metal yang menyekat
antara kedua cairan yang berlaku sebagai konduktor .
*Suatu solusi panas yang mengalir pada satu sisi yang mana
memindahkan panasnya melalui fluida lebih dingin yang
mengalir di sisi lainnya. Energi panas hanya mengalir dari yang
lebih panas kepada yang lebih dingin dalam percobaan untuk
menjangkau keseimbangan. Permukaan area heat exchanger
mempengaruhi efisiensi dan kecepatan perpindahan panas yang
lebih besar area permukaan panas exchanger, lebih efisien dan
yang lebih cepat pemindahan panasnya.
*Alat penukar kalor (Heat Exchanger) secara tipikal
diklasifikasikan berdasarkan susunan aliran (flow arrangement)
dan tipe konstruksi.
*Penukar kalor yang paling sederhana adalah satu penukar kalor
yang mana fluida panas dan dingin bergerak atau mengalir pada
arah yang sama atau berlawanan dalam sebuah pipa berbentuk
bundar (atau pipa rangkap dua)
*Pada susunan aliran sejajar (parallel-flow arrangement) yang
ditunjukkan gambar 5 (a) fluida panas dan dingin masuk pada
ujung yang sama, mengalir dalam arah yang sama dan keluar
pada ujung yang sama.
*Pada susunan aliran berlawanan (counter flow arrangement)
yang ditunjukkan gambar 5 (b) kedua fluida tersebut pada ujung
yang berlawanan, mengalir dalam arah yang berlawanan, dan
keluar pada ujung yang berlawanan.
Gambar 2 penukar kalor pipa
konsentris
(a)Parallel flow
(b)counterflow
Gambar 3 Penukar kalor aliran melintang
(a) bersirip dengan kedua fluidanya tidak
campur
(b) tidak bersirip dengan satu fluida
campur dan satu fluida lagi tidak
*Sebagai alternatif, fluida panas dan dingin bergerak dalam arah
melintang (tegak lurus satu dengan yang lain), seperti yang
ditunjukkan oleh alat penukar kalor berbentuk pipa besirip dan
tidak bersirip pada gambar 6.
*Kedua konfigurasi ini secara tipikal dibedakan oleh sebuah
perlakuan terhadap fluida di luar pipa sebagai fluida campur atau
fluida tak campur. Gambar 6 (a), fluida disebut fluida tak campur
karena sirip-sirip menghalangi gerakan fluida dalam satu arah y
gerak tersebut melintang ke arah aliran utama x.
* 1. Shell and tube
*Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam
industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell
(tabung/slinder besar) dimana di dalamnya terdapat suatu
bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu
jenis fluida mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya
mengalir di bagian luar pipa tetapi masih di dalam shell. Alat
penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa
yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam
sebuah pipa mantel (cangkang ).
*Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan
fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama,
berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas
pada penunjang pipa yang menempel pada mantel.
*Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada
alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ).
Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan
menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan
sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah
beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan
panasnya harus diatur.
*Ada beberapa fitur desain termal yang akan diperhitungkan saat
merancang tabung di shell dan penukar panas tabung. Ini
termasuk:
a. Diameter pipa : Untuk mengurangi masalah fouling dan
pembersihan, diameter tabung yang lebih besar dapat
digunakan. Jadi untuk menentukan diameter tabung, ruang
yang tersedia, biaya dan sifat fouling dari cairan harus
dipertimbangkan.
b. Ketebalan tabung: Ketebalan dinding tabung biasanya
ditentukan untuk memastikan:
*Ada ruang yang cukup untuk korosi
*Getaran aliran-diinduksi memiliki ketahanan
*Kekuatan Axial
Kadang-kadang ketebalan dinding ditentukan oleh perbedaan
tekanan maksimum di dinding.
c. Panjang tabung : penukar panas biasanya lebih murah ketika
mereka memiliki diameter shell yang lebih kecil dan panjang
tabung panjang. Dengan demikian, biasanya ada tujuan untuk
membuat penukar panas sekecil mungkin. Namun, ada banyak
keterbatasan untuk ini, termasuk ruang yang tersedia di mana
akan digunakan dan kebutuhan untuk memastikan bahwa ada
tabung tersedia dalam panjang yang dua kali panjang yang
dibutuhkan (sehingga tabung dapat ditarik dan diganti).
d. Tabung pitch : ketika mendesain tabung, lebih baik untuk
memastikan bahwa tabung pitch (yaitu jarak pusat-pusat tabung
sebelah) tidak kurang dari 1,25 kali diameter luar tabung.
Shell and tube Heat Exchanger terdiri dari serangkaian tabung. Satu
set dari tabung berisi cairan yang harus dipanaskan atau didinginkan.
Cairan kedua berjalan lebih dari tabung yang sedang dipanaskan atau
didinginkan sehingga dapat menyediakan panas atau menyerap
panas yang dibutuhkan.
* Heat Exchanger Tipe Shell & Tube
(a) satu jalur shell, satu jalur tube
(b) satu jalur shell, dua jalur tube
Gambar 4
* 2. Komponen-komponen Heat Exchanger
*Dalam penguraian komponen-komponen heat exchanger
jenis shell and tube akan dibahas beberapa komponen yang
sangat berpengaruh pada konstruksi heat exchanger. Untuk
lebih jelasnya disini akan dibahas beberapa komponen dari
heat exchanger jenis shell and tube.
a. Head
*Head yaitu kepala heat exchanger yang berfungsi sebagai
penutup bagian depan dan belakang shell. Bentuk dari kepala
heat exchanger ini adalah lingkaran. Tebal plat dari kepala heat
exchanger ini tergantung dengan hasil perhitungan yang
ditentukan dari karakteristik fluida yang akan diproses di dalam
heat exchanger. Head ini dapat dihubungkan dengan dinding
bejana (shell) heat exchanger dengan baut dan connection
tubesheet dimana ukuran atau diameter dari pada head harus
sama dengan shell, untuk ketebalan bejana akan sedikit lebih
tipis dibandingkan dengan ketebalan dinding, sedangkan untuk
jenis material sama dengan material yang digunakan pada shell.
Berikut ini adalah gambar head heat exchanger :
Gambar 5. (a) Head; (b) Desain Heat Exchanger
* b. Shell
*Shell merupakan komponen heat exchanger tempat terjadinya
proses pertukaran kalor antar fluida. Shell berbentuk silinder yang
dapat menahan tekanan dari luar. Tebalnya shell tergantung dari
hasil perhitungan dan dari karakteristik fluida yang akan diproses
didalamnya, dimana dinding shell terbuat dari plat baja yang di
roll dibentuk menjadi suatu diameter lingkaran yang berbentuk
tabung. Ukuran dan diameter shell dapat disesuaikan dengan
dengan hasil perhitungan panjang tube dan jumlah tube
didalamnya.
*Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan
ditempatkan didalamnyaShell merupakan badan dari heat
exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang
sangat tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan
dengan sambungan ekspansi.
Gambar 6. Shell
* c. Tube (Pipa)
*Tube adalah pipa-pipa berukuran kecil sebagai tempat mengalirnya
fluida yang akan didinginkan atau dipanaskan pada heat
exchanger. Ukuran dari pipa ini diperoleh dari asumsi dan
perhitungan perpindahan panasnya. Biasanya terbuat dari material
yang memiliki konduktivitas thermal yang besar.
*Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis
fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang
perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada
tekanan operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah
terkorosi oleh fluida kerja.
*Pipa tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling
banyak digunakan pada heat exchanger tipe ini. Desain rangkaian
pipa tube dapat bermacam-macam sesuai dengan fluida kerja yang
dihadapi.
Gambar 7. tube
Gambar 8. Macam-macam Rangkaian Pipa Tube Pada Heat
Exchanger Shell & Tube
* d. Buffles
*Buffles adalah sekat sekat yang dipasang pada tube yang
berfungsi untuk mengarahkan aliran sehingga distribusi
perpindahan panas merata dan juga sebagai penopang
komponen tube.
Gambar 9. Buffles
* e. Nozzle
*Nozzle berfungsi sebagai penghubung antara shell dengan
proses pemipaan aliran fluida yang akan dialirkan keluar masuk
(nozzle outlet inlet) dari dan shell itu sendiri, dari dan ke proses
lanjutan kedalam sistem pemipaan atau interface atau alat-alat
instrumen pendukung lainnya.
Gambar 10. Nozzle
*f. Sekat (Baffle)
*Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat
exchanger ini antara lain adalah untuk :
1. Sebagai penahan dari tube bundle.
2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran.
3. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di
dalam tube
•
Desain Shell and Tube Heat Exchanger
*Terdapat banyak variasi pada desain shell and tube. Secara
khusus, ujung dari tiap tabung dihubungkan ke plenums
(terkadang disebut water boxes) melalui lubang dalam tube
sheets. Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis heat
exchanger yang paling umum dipergunakan pada proses Refinary
Oil and Gas dan Petrochemical
*Dalam hal design Shell and Tube Heat Exchanger (STHE), standar
yang dipakai adalah ASME Section VIII dan TEMA Class R, atau
API 660. Ada dua sisi utama dalam design STHE, shell side dan
tube side.Berdasarkan konstruksinya, STHE dapat dibagi atas
beberapa tipe, masing masing tipe diberi kode berdasarkan
kombinasi type front head, shell, dan rear head. Gambar berikut
adalah type-type head dan shell yang dimaksud.
Gambar 11. Tipe-tipe head and shell berdasarkan koonstruksinya
*Tipe-tipe desain dari shell ditunjukkan pada gambar di atas. Tipe E
adalah yang paling banyak digunakan karena desainnya yang
sederhana serta harga yang relatif murah.
*Shell tipe F memiliki nilai efisiensi perpindahan panas yang lbih
tinggi dari tipe E, karena shell tipe didesain untuk memiliki dua
aliran (aliran U).
*Aliran sisi shell yang dipecah seperti pada tipe G, H, dan J,
digunakan pada kondisi-kondisi khusus seperti pada kondenser
dan boiler thermosiphon.
*Shell tipe K digunakan pada pemanas kolam air.
Sedangkan shell tipe X biasa digunakan untuk proses penurunan
tekanan uap.
*Setelah mengetahui karateristik dari masing masing type shell
and tube heat exchanger, selanjutnya desain didasarkan atas
keperluan atau servicenya. Desain yang komplex biasanya
menimbulkan biaya yang lebih mahal dan perawatan yang lebih
sulit sehingga biasanya hanya digunakan untuk keperluan yang
tidak memungkinkan penggunaan yang lebih simpel. Tabung
mungkin berbentuk lurus atau bengkokkan dimana dengan
bentuk U atau sering disebut dengan U-tubes.
Gambar 12. U-tube dan Straight Tube Heat Exchanger
*Didalam pembangkit daya litrik disebut reactor air bertekanan,
heat exchangers besar disebut steam generator merupakan
berfasa ganda. Shell and tubes yang secara khas memiliki
Utubes. Semua hal tersebut digunakan untuk mendidihkan air
dari steam turbin condenser menjadi uap air untuk
mengendalikan turbin tersebut untuk menghasilkan tenaga.
Kebanyakan shell and tube heat exchanger memiliki desain aliran
baik 1,2, atau 4 aliran pada sisi tabung. Hal ini bergantung pada
frekuensi fluida pada tabung yang melalui fluida pada shell.
*Pada heat exchanger berfasa tunggal, fluida masuk pada satu
ujung tabung dan keluar melalui ujung tabung lainnya. Steam
turbin condenser dalam pembangkit tenaga sering merupakan 1pass straight tube heat exchanger. Dua dan empat pass
merupakan desain yang umum karena fluida dapat masuk dan
keluar pada sisi yang sama.
*Hal tersebut membuat konstruksinya menjadi lebih sederhana.
Terdapat baffles yang mengarahkan aliran melalui sisi shell
sehingga fluida tidak mengambil jalan pintas melalui sisi shell
yang dapat menyebabkan volume arus rendah yang tidak efektif.
*Heat exchanger arus berlawanan merupakan yang paling efisien
sebab memberikan perbedaan suhu rata-rata yang paling tinggi
antara arus dingin dengan arus panas. Banyak perusahaan tidak
menggunakannya sebab dapat rusak dengan mudah dan menjadi
lebih mahal untuk dibangun. Sering multiple heat exchanger
dapat digunakan untuk menirukan arus aliran berlawanan dari
exchanger tunggal yang besar.
* 3. Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran
a.Kesetimbangan Energi
*Aliran di dalam celah adalah tertutup sempurna, maka
kesetimbangan energi dapat digunakan untuk menentukan
temperatur fluida yang bervariasi dan nilai total transfer panas
konveksi Qconv tergantung dari laju aliran massa.
*Jika perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan,
maka pengaruh yang signifikan adalah perubahan energi thermal
dan fluida kerja. Sehingga kesetimbangan energi tergantung
pada 3 variable, yang dapat dirumuskan sebagi berikut :
* b. Bilangan Reynold
*Setiap aliran fluida mempunyai nilai bilangan Reynolds yang
merupakan pengelompokan aliran yang mengalir, pada plat datar
dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 13. Daerah Aliran Lapisan Batas Plat Rata
*Pengelompokan aliran yang mengalir tersebut dapat diketahui
dengan bilangan Reynold, sebagai berikut :
*Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi bila Re
>5.105 , untuk aliransepanjang plat rata, lapisan batas selalu
turbulen untuk Re lebih besar sama dengan 4.106 . Untuk aliran
dalam tabung dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 14. Diagram Aliran Dalam Tabung
* Pada aliran dalam tabung, aliran turbulen
biasanya pada:
* c. Bilangan Nusselt dan Bilangan Prandtl
*Parameter yang menghubungkan ketebalan relative antara
lapisan batas hidronamik dan lapisan batas termal adalah
maksud dari bilangan Prandtl, bilangan ini dapat ditentukan
dengan menggunakan tabel, maupun dengan menggunakan
persamaan, seperti berikut ini :
• Viskositas kinematik fluida memberikan informasi tentang laju
difusi momentum dalam fluida karena gerakan molekul.
Difusivitas termal memberi petunjuk tentang hal yang serupa
mengenai difusi panas dalam fluida.
*Jadi perbandingan antara kedua kuantitas tersebut menunjukan
besaran relatif antara difusi momentum dan difusi panas di
dalam fluida. Kedua difusi inilah yang menentukan berapa tebal
lapisan batas pada suatu medan aliran tertentu. Difusivitas yang
besar menunjukan bahwa pengaruh viskos atau pengaruh suhu
terasa pada jarak yang lebih jauh dalam medan aliran. Jadi,
angka Prandtl merupakan penghubung antara medan kecepatan
dan medan suhu. Bilangan Nuselt dirumuskan sebagai berikut :
*Dimana konsanta C dab m adalah :
* d. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh
*Untuk koefisiensi perpindahan panas secara menyeluruh dapat
dikaji dengan cara menentukan perpindahan kalor yang terjadi
pada suatu dinding logam antara fluida panas pada satu sisi dan
fluida dingin pada sisi lain dengan pengaliran konveksi paksa.
Pertukaran panas yang terjadi adalah pertukaran secara tidak
langsung, ini berdasarkan alirannya dapat dibedakan menjadi:
1. Pertukaran panas dengan aliran searah (co-current/parallel
flow), pertukaran jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin)
masuk pada sisi yang sama, mengalir dengan arah yang sama
dan keluar pada sisi yang sama pula
Gambar 15.Aliran temperatur dengan aliran searah
*Dengan asumsi nilai kapasitas panas spesifik (Cp) fluida dingin
dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas pada lingkungan
serta keadaan steady state, maka besarnya kalor yang
dipindahkan:
*Koefisien perpindahan panas digunakan dalam perhitungan
perpindahan panas konveksi atau perubahan fase antara cair dan
padat dengan menggunakan persamaan berikut.
Dari persamaan di atas, koefisien perpindahan panas adalah
koefisien proporsionalitas antara fluks panas, Q/(A . T ), dan
perbedaan temperatur yang menjadi penggerak utama
perpindahan panas, persamaan lain untuk menentukan koefisien
perpindahan konveksi secara menyeluruh menggunakan
persamaan berikut:
Disusun Oleh :
1.Galang Adam Firmansyah
(1531010195)
2.Juan Dymmaess Raffael Simonsz (1531010159)
3.Nella Putri Syarifah
(1531010161)
4.Nina Sari Prabowo
(1531010197)
5.Putri Sinta Dewi Sinaga
(1531010160)
UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL
“VETERAN”
JAWA TIMUR
* Pengertian Alat Penukar Panas
*Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti
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.
*Heat exchanger atau penukar panas adalah alat yang
digunakan untuk menukarkan panas secara kontinyu dari
suatu medium ke medium lainnya dengan membawa
energi panas
*Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah
*Semakin luas bidang kontak total yang dimiliki oleh heat
exchanger tersebut, maka akan semakin tinggi nilai efisiensi
perpindahan panasnya. Hampir disemua heat exchanger,
perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari
fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh
dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi
oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak
berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan
bilangan Prandtl fluida
*Besar konveksi yang terjadi dalam double-pipe heat exchanger
berbeda dengan cros-flow heat exchanger pada temperatur yang
sama. Sedangkan besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut
tergantung pada kecepatan aliran serta properti fluida yang
meliputi massa Jenis, viskositas absolut, panas jenis dan
konduktivitas panas.
Gambar 1 Heat Exchanger
* Prinsip Kerja Heat Exchanger
*Heat exchanger bekerja berdasarkan prinsip perpindahan panas
(heat transfer), dimana terjadi perpindahan panas dari fluida
yang temperaturnya lebih tinggi ke fluida yang temperaturnya
lebih rendah. Biasanya, ada suatu dinding metal yang menyekat
antara kedua cairan yang berlaku sebagai konduktor .
*Suatu solusi panas yang mengalir pada satu sisi yang mana
memindahkan panasnya melalui fluida lebih dingin yang
mengalir di sisi lainnya. Energi panas hanya mengalir dari yang
lebih panas kepada yang lebih dingin dalam percobaan untuk
menjangkau keseimbangan. Permukaan area heat exchanger
mempengaruhi efisiensi dan kecepatan perpindahan panas yang
lebih besar area permukaan panas exchanger, lebih efisien dan
yang lebih cepat pemindahan panasnya.
*Alat penukar kalor (Heat Exchanger) secara tipikal
diklasifikasikan berdasarkan susunan aliran (flow arrangement)
dan tipe konstruksi.
*Penukar kalor yang paling sederhana adalah satu penukar kalor
yang mana fluida panas dan dingin bergerak atau mengalir pada
arah yang sama atau berlawanan dalam sebuah pipa berbentuk
bundar (atau pipa rangkap dua)
*Pada susunan aliran sejajar (parallel-flow arrangement) yang
ditunjukkan gambar 5 (a) fluida panas dan dingin masuk pada
ujung yang sama, mengalir dalam arah yang sama dan keluar
pada ujung yang sama.
*Pada susunan aliran berlawanan (counter flow arrangement)
yang ditunjukkan gambar 5 (b) kedua fluida tersebut pada ujung
yang berlawanan, mengalir dalam arah yang berlawanan, dan
keluar pada ujung yang berlawanan.
Gambar 2 penukar kalor pipa
konsentris
(a)Parallel flow
(b)counterflow
Gambar 3 Penukar kalor aliran melintang
(a) bersirip dengan kedua fluidanya tidak
campur
(b) tidak bersirip dengan satu fluida
campur dan satu fluida lagi tidak
*Sebagai alternatif, fluida panas dan dingin bergerak dalam arah
melintang (tegak lurus satu dengan yang lain), seperti yang
ditunjukkan oleh alat penukar kalor berbentuk pipa besirip dan
tidak bersirip pada gambar 6.
*Kedua konfigurasi ini secara tipikal dibedakan oleh sebuah
perlakuan terhadap fluida di luar pipa sebagai fluida campur atau
fluida tak campur. Gambar 6 (a), fluida disebut fluida tak campur
karena sirip-sirip menghalangi gerakan fluida dalam satu arah y
gerak tersebut melintang ke arah aliran utama x.
* 1. Shell and tube
*Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam
industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell
(tabung/slinder besar) dimana di dalamnya terdapat suatu
bundle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu
jenis fluida mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya
mengalir di bagian luar pipa tetapi masih di dalam shell. Alat
penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa
yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam
sebuah pipa mantel (cangkang ).
*Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan
fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama,
berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas
pada penunjang pipa yang menempel pada mantel.
*Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada
alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ).
Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan
menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan
sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah
beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan
panasnya harus diatur.
*Ada beberapa fitur desain termal yang akan diperhitungkan saat
merancang tabung di shell dan penukar panas tabung. Ini
termasuk:
a. Diameter pipa : Untuk mengurangi masalah fouling dan
pembersihan, diameter tabung yang lebih besar dapat
digunakan. Jadi untuk menentukan diameter tabung, ruang
yang tersedia, biaya dan sifat fouling dari cairan harus
dipertimbangkan.
b. Ketebalan tabung: Ketebalan dinding tabung biasanya
ditentukan untuk memastikan:
*Ada ruang yang cukup untuk korosi
*Getaran aliran-diinduksi memiliki ketahanan
*Kekuatan Axial
Kadang-kadang ketebalan dinding ditentukan oleh perbedaan
tekanan maksimum di dinding.
c. Panjang tabung : penukar panas biasanya lebih murah ketika
mereka memiliki diameter shell yang lebih kecil dan panjang
tabung panjang. Dengan demikian, biasanya ada tujuan untuk
membuat penukar panas sekecil mungkin. Namun, ada banyak
keterbatasan untuk ini, termasuk ruang yang tersedia di mana
akan digunakan dan kebutuhan untuk memastikan bahwa ada
tabung tersedia dalam panjang yang dua kali panjang yang
dibutuhkan (sehingga tabung dapat ditarik dan diganti).
d. Tabung pitch : ketika mendesain tabung, lebih baik untuk
memastikan bahwa tabung pitch (yaitu jarak pusat-pusat tabung
sebelah) tidak kurang dari 1,25 kali diameter luar tabung.
Shell and tube Heat Exchanger terdiri dari serangkaian tabung. Satu
set dari tabung berisi cairan yang harus dipanaskan atau didinginkan.
Cairan kedua berjalan lebih dari tabung yang sedang dipanaskan atau
didinginkan sehingga dapat menyediakan panas atau menyerap
panas yang dibutuhkan.
* Heat Exchanger Tipe Shell & Tube
(a) satu jalur shell, satu jalur tube
(b) satu jalur shell, dua jalur tube
Gambar 4
* 2. Komponen-komponen Heat Exchanger
*Dalam penguraian komponen-komponen heat exchanger
jenis shell and tube akan dibahas beberapa komponen yang
sangat berpengaruh pada konstruksi heat exchanger. Untuk
lebih jelasnya disini akan dibahas beberapa komponen dari
heat exchanger jenis shell and tube.
a. Head
*Head yaitu kepala heat exchanger yang berfungsi sebagai
penutup bagian depan dan belakang shell. Bentuk dari kepala
heat exchanger ini adalah lingkaran. Tebal plat dari kepala heat
exchanger ini tergantung dengan hasil perhitungan yang
ditentukan dari karakteristik fluida yang akan diproses di dalam
heat exchanger. Head ini dapat dihubungkan dengan dinding
bejana (shell) heat exchanger dengan baut dan connection
tubesheet dimana ukuran atau diameter dari pada head harus
sama dengan shell, untuk ketebalan bejana akan sedikit lebih
tipis dibandingkan dengan ketebalan dinding, sedangkan untuk
jenis material sama dengan material yang digunakan pada shell.
Berikut ini adalah gambar head heat exchanger :
Gambar 5. (a) Head; (b) Desain Heat Exchanger
* b. Shell
*Shell merupakan komponen heat exchanger tempat terjadinya
proses pertukaran kalor antar fluida. Shell berbentuk silinder yang
dapat menahan tekanan dari luar. Tebalnya shell tergantung dari
hasil perhitungan dan dari karakteristik fluida yang akan diproses
didalamnya, dimana dinding shell terbuat dari plat baja yang di
roll dibentuk menjadi suatu diameter lingkaran yang berbentuk
tabung. Ukuran dan diameter shell dapat disesuaikan dengan
dengan hasil perhitungan panjang tube dan jumlah tube
didalamnya.
*Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan
ditempatkan didalamnyaShell merupakan badan dari heat
exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang
sangat tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan
dengan sambungan ekspansi.
Gambar 6. Shell
* c. Tube (Pipa)
*Tube adalah pipa-pipa berukuran kecil sebagai tempat mengalirnya
fluida yang akan didinginkan atau dipanaskan pada heat
exchanger. Ukuran dari pipa ini diperoleh dari asumsi dan
perhitungan perpindahan panasnya. Biasanya terbuat dari material
yang memiliki konduktivitas thermal yang besar.
*Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis
fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang
perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada
tekanan operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah
terkorosi oleh fluida kerja.
*Pipa tube berpenampang lingkaran menjadi jenis yang paling
banyak digunakan pada heat exchanger tipe ini. Desain rangkaian
pipa tube dapat bermacam-macam sesuai dengan fluida kerja yang
dihadapi.
Gambar 7. tube
Gambar 8. Macam-macam Rangkaian Pipa Tube Pada Heat
Exchanger Shell & Tube
* d. Buffles
*Buffles adalah sekat sekat yang dipasang pada tube yang
berfungsi untuk mengarahkan aliran sehingga distribusi
perpindahan panas merata dan juga sebagai penopang
komponen tube.
Gambar 9. Buffles
* e. Nozzle
*Nozzle berfungsi sebagai penghubung antara shell dengan
proses pemipaan aliran fluida yang akan dialirkan keluar masuk
(nozzle outlet inlet) dari dan shell itu sendiri, dari dan ke proses
lanjutan kedalam sistem pemipaan atau interface atau alat-alat
instrumen pendukung lainnya.
Gambar 10. Nozzle
*f. Sekat (Baffle)
*Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat
exchanger ini antara lain adalah untuk :
1. Sebagai penahan dari tube bundle.
2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran.
3. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di
dalam tube
•
Desain Shell and Tube Heat Exchanger
*Terdapat banyak variasi pada desain shell and tube. Secara
khusus, ujung dari tiap tabung dihubungkan ke plenums
(terkadang disebut water boxes) melalui lubang dalam tube
sheets. Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis heat
exchanger yang paling umum dipergunakan pada proses Refinary
Oil and Gas dan Petrochemical
*Dalam hal design Shell and Tube Heat Exchanger (STHE), standar
yang dipakai adalah ASME Section VIII dan TEMA Class R, atau
API 660. Ada dua sisi utama dalam design STHE, shell side dan
tube side.Berdasarkan konstruksinya, STHE dapat dibagi atas
beberapa tipe, masing masing tipe diberi kode berdasarkan
kombinasi type front head, shell, dan rear head. Gambar berikut
adalah type-type head dan shell yang dimaksud.
Gambar 11. Tipe-tipe head and shell berdasarkan koonstruksinya
*Tipe-tipe desain dari shell ditunjukkan pada gambar di atas. Tipe E
adalah yang paling banyak digunakan karena desainnya yang
sederhana serta harga yang relatif murah.
*Shell tipe F memiliki nilai efisiensi perpindahan panas yang lbih
tinggi dari tipe E, karena shell tipe didesain untuk memiliki dua
aliran (aliran U).
*Aliran sisi shell yang dipecah seperti pada tipe G, H, dan J,
digunakan pada kondisi-kondisi khusus seperti pada kondenser
dan boiler thermosiphon.
*Shell tipe K digunakan pada pemanas kolam air.
Sedangkan shell tipe X biasa digunakan untuk proses penurunan
tekanan uap.
*Setelah mengetahui karateristik dari masing masing type shell
and tube heat exchanger, selanjutnya desain didasarkan atas
keperluan atau servicenya. Desain yang komplex biasanya
menimbulkan biaya yang lebih mahal dan perawatan yang lebih
sulit sehingga biasanya hanya digunakan untuk keperluan yang
tidak memungkinkan penggunaan yang lebih simpel. Tabung
mungkin berbentuk lurus atau bengkokkan dimana dengan
bentuk U atau sering disebut dengan U-tubes.
Gambar 12. U-tube dan Straight Tube Heat Exchanger
*Didalam pembangkit daya litrik disebut reactor air bertekanan,
heat exchangers besar disebut steam generator merupakan
berfasa ganda. Shell and tubes yang secara khas memiliki
Utubes. Semua hal tersebut digunakan untuk mendidihkan air
dari steam turbin condenser menjadi uap air untuk
mengendalikan turbin tersebut untuk menghasilkan tenaga.
Kebanyakan shell and tube heat exchanger memiliki desain aliran
baik 1,2, atau 4 aliran pada sisi tabung. Hal ini bergantung pada
frekuensi fluida pada tabung yang melalui fluida pada shell.
*Pada heat exchanger berfasa tunggal, fluida masuk pada satu
ujung tabung dan keluar melalui ujung tabung lainnya. Steam
turbin condenser dalam pembangkit tenaga sering merupakan 1pass straight tube heat exchanger. Dua dan empat pass
merupakan desain yang umum karena fluida dapat masuk dan
keluar pada sisi yang sama.
*Hal tersebut membuat konstruksinya menjadi lebih sederhana.
Terdapat baffles yang mengarahkan aliran melalui sisi shell
sehingga fluida tidak mengambil jalan pintas melalui sisi shell
yang dapat menyebabkan volume arus rendah yang tidak efektif.
*Heat exchanger arus berlawanan merupakan yang paling efisien
sebab memberikan perbedaan suhu rata-rata yang paling tinggi
antara arus dingin dengan arus panas. Banyak perusahaan tidak
menggunakannya sebab dapat rusak dengan mudah dan menjadi
lebih mahal untuk dibangun. Sering multiple heat exchanger
dapat digunakan untuk menirukan arus aliran berlawanan dari
exchanger tunggal yang besar.
* 3. Perhitungan Perpindahan Panas dan Laju Aliran
a.Kesetimbangan Energi
*Aliran di dalam celah adalah tertutup sempurna, maka
kesetimbangan energi dapat digunakan untuk menentukan
temperatur fluida yang bervariasi dan nilai total transfer panas
konveksi Qconv tergantung dari laju aliran massa.
*Jika perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan,
maka pengaruh yang signifikan adalah perubahan energi thermal
dan fluida kerja. Sehingga kesetimbangan energi tergantung
pada 3 variable, yang dapat dirumuskan sebagi berikut :
* b. Bilangan Reynold
*Setiap aliran fluida mempunyai nilai bilangan Reynolds yang
merupakan pengelompokan aliran yang mengalir, pada plat datar
dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 13. Daerah Aliran Lapisan Batas Plat Rata
*Pengelompokan aliran yang mengalir tersebut dapat diketahui
dengan bilangan Reynold, sebagai berikut :
*Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen terjadi bila Re
>5.105 , untuk aliransepanjang plat rata, lapisan batas selalu
turbulen untuk Re lebih besar sama dengan 4.106 . Untuk aliran
dalam tabung dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 14. Diagram Aliran Dalam Tabung
* Pada aliran dalam tabung, aliran turbulen
biasanya pada:
* c. Bilangan Nusselt dan Bilangan Prandtl
*Parameter yang menghubungkan ketebalan relative antara
lapisan batas hidronamik dan lapisan batas termal adalah
maksud dari bilangan Prandtl, bilangan ini dapat ditentukan
dengan menggunakan tabel, maupun dengan menggunakan
persamaan, seperti berikut ini :
• Viskositas kinematik fluida memberikan informasi tentang laju
difusi momentum dalam fluida karena gerakan molekul.
Difusivitas termal memberi petunjuk tentang hal yang serupa
mengenai difusi panas dalam fluida.
*Jadi perbandingan antara kedua kuantitas tersebut menunjukan
besaran relatif antara difusi momentum dan difusi panas di
dalam fluida. Kedua difusi inilah yang menentukan berapa tebal
lapisan batas pada suatu medan aliran tertentu. Difusivitas yang
besar menunjukan bahwa pengaruh viskos atau pengaruh suhu
terasa pada jarak yang lebih jauh dalam medan aliran. Jadi,
angka Prandtl merupakan penghubung antara medan kecepatan
dan medan suhu. Bilangan Nuselt dirumuskan sebagai berikut :
*Dimana konsanta C dab m adalah :
* d. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh
*Untuk koefisiensi perpindahan panas secara menyeluruh dapat
dikaji dengan cara menentukan perpindahan kalor yang terjadi
pada suatu dinding logam antara fluida panas pada satu sisi dan
fluida dingin pada sisi lain dengan pengaliran konveksi paksa.
Pertukaran panas yang terjadi adalah pertukaran secara tidak
langsung, ini berdasarkan alirannya dapat dibedakan menjadi:
1. Pertukaran panas dengan aliran searah (co-current/parallel
flow), pertukaran jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin)
masuk pada sisi yang sama, mengalir dengan arah yang sama
dan keluar pada sisi yang sama pula
Gambar 15.Aliran temperatur dengan aliran searah
*Dengan asumsi nilai kapasitas panas spesifik (Cp) fluida dingin
dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas pada lingkungan
serta keadaan steady state, maka besarnya kalor yang
dipindahkan:
*Koefisien perpindahan panas digunakan dalam perhitungan
perpindahan panas konveksi atau perubahan fase antara cair dan
padat dengan menggunakan persamaan berikut.
Dari persamaan di atas, koefisien perpindahan panas adalah
koefisien proporsionalitas antara fluks panas, Q/(A . T ), dan
perbedaan temperatur yang menjadi penggerak utama
perpindahan panas, persamaan lain untuk menentukan koefisien
perpindahan konveksi secara menyeluruh menggunakan
persamaan berikut: