bab ii

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Dasar Teori

Heat exchanger adalah alat perpindahan panas yang digunakan sebagai media

perpindahan panas yang terjadi karena perbedaan temperature dari dua fluida yang mengalir

dan tidak saling bercampur.

Perpindahan panas terjadi karena perbedaan temperatur dan aliran panas dari daerah

yang tinggi ke daerah yang rendah. Perpindahan panas mungkin dapat terjadi oleh satu atau

lebih dari mekanisme dasar dari perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

Konduksi adalah proses perpindahan panas tanpa disertai perpindahan partikel bahan.

Konveksi adalah proses perpindahan panas akibat adanya gerakan partikel-partikel

fluida yang melewati suatu permukaan.

Radiasi adalah perpindahan panas karena adanya gelombang elektromagnetik.

Pada proses industri perpindahan panas diantara dua fluida secara umum dikerjakan

oleh alat perpindahan panas (heat exchangers). Pemindahan panas terjadi dari fluida panas ke

dinding tabung oleh konveksi, melalui dinding tabung atau plate dengan konduksi lalu dengan

konveksi ke fluida dingin.

(Geankoplis, transport Process & Unit Operation, hal 267)

1. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan energi yang bergerak antar molekul yang berdekatan.

Contohnya adalah perpindahan panas melalui dinding exchangers atau alat pendingin,

pengolahan besi ,dll. Proses perpindahan panas yang mengikuti aliran ini dapat dituliskan

persamaannya sebagai berikut :

……………….(1)

dimana : qx = rate perpindahan panas dalam arah x (watt)

A = luas penampang searah aliran panas (m2)

k = thermal conductivity bahan (W/m.K)

x = jarak perpindahan panas (m)

T = suhu (oK)

II-1

Bab II Tinjauan Pustaka

2. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas karena adanya gerakan/aliran/ pencampuran dari

bagian panas ke bagian yang dingin. Contohnya adalah kehilangan panas dari radiator

mobil, pendinginan dari secangkir kopi dll. Perpindahan panas secara konveksi dapat

digolongkan menjadi dua bagian yaitu :

a. Natural atau free convection, dimana pergerakan medium disebabkan oleh adanya

perbedaan densitas atau temperatur dari medium tersebut.

b. Forced convection, dimana pergerakan medium disebabkan oleh adanya bantuan

tenaga dari luar misalnya pengadukan.

Perpindahan panas secara konveksi dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :

…………………… (2)

dimana : h = koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)

Tw = suhu dinding yang berkontak dengan fluida (oK)

T = suhu fluida / rata-rata (oK)

A = luas area / dinding (m2)

3. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan energi melalui suatu ruangan karena adanya gelombang

elektromagnetik. Contohnya adalah pemindahan panas ke bumi, pemanasan fluida pada

koil dari tabung furnace, dll. Adapun langkah-langkah perpindahan panas secara radiasi

adalah sebagai berikut :

a. Energi panas dari source (misal T1) diubah menjadi gelombang radiasi

elektromagnetik.

b. Gelombang elektromagnetik bergerak melalui ruangan dalam garis lurus dan

mengenai benda dingin atau receiver (misal T2).

c. Gelombang elektromagnetik diserap oleh benda kedua dan diubah kembali menjadi

energi panas.

Perpindahan panas secara radiasi dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

……………..(3)

dimana : = konstanta Boltzman = 5,676 x 10-8 W/m2..oK4

ε = emissivity (=1 untuk benda hitam)

A = luas permukaan benda

LABORATORIUM OPERASI TEKNIK KIMIA II

II-2


(Geankoplis, Transport Process & Unit Operation 2 nd, hal. 205-210 ,228)

Peralatan Perpindahan Panas

Peralatan perpindahan panas sangat dibutuhkan dalam berbagai proses industri.

Exchanger memanfaatkan panas antara dua aliran proses. Heater digunakan terutama untuk

memanaskan fluida proses dan steam buasanya dipergunakan sebagai pemanas karena panas

laten pengembunannya, meski dalam pengilangan minyak dipergunakan minyak panas yang

disirkulasikan. Cooler untuk mendinginkan fluida proses dimana air digunakan sebagai

medium pendingin utama. Condenser adalah cooler yang tujuan utamanya untuk

memanfaatkan panas laten menggantikan panas sensible. Reboiler adalah penyuplai panas

yang diperlukan pada proses distilasi sebagai panas laten. Evaporator berfungsi untuk

memekatkan larutan dengan menguapkan airnya. Dan jika yang diuapkan bukan air, maka

disebut vaporizer.

Dalam menangani alat-alat perpindahan panas tersebut diatas, ada dua hal yang perlu

diperhatikan dan ditetapkan batasannya, yaitu:

1. Hal yang berkaitan dengan kemampuan alat untuk mengalihkan panas dari fluida

dingin lewat diding pipa/tube.

2. Hal yang berkaitan dengan penurunan tekanan yang terjadi pada masing-masing fluida

ketika mengalir melalui alat tersebut.

Suatu alat perpindahan panas dinilai mampu berfungsi dengan baik untuk penggunaan

tertentu, apabila memenuhi dua ketentuan berikut:

a. Mampu memindahkan panas sesuai dengan kebutuhan proses/operasi dalam keadaan

kotor (fouled).

b. Penurunan tekanan yang terjadi pada masing-masing aliran berada dalam batas-batas

yang diizinkan/ditentukan, yaitu:

Untuk aliran uap dan gas : ∆p tidak melebihi 0.5 – 2 psi

Untuk aliran liquida : ∆p tidak melebihi 5 – 10 psi


II-3


Heat exchanger memiliki dua buah aliran yaitu :

a. Arah aliran searah (co current)

Gambar 2.1.1 Arah aliran searah

b. Arah aliran berlawanan (counter current).


II-4

Cold fluid in (t1)

Hot fluid in (T1)

Cold fluid out (t2)

Hot fluid out (T2)


Gambar 2.1.2. Arah aliran berlawanan

(Kern, D.Q, “Process Heat Transfer”, 86)

Sedangkan tipe dari exchanger yang umum digunakan adalah :

Shell and Tube Heat Exchanger

Merupakan jenis exchanger yang paling banyak digunakan pada industri,

karena luas permukaan perpindahan panasnya cukup besar, yakni lebih dari 100 – 130

ft2 dengan jenis aliran kontinyu. Alat ini terdiri dari sebuah shell yang didalamnya

berisi banyak tabung-tabung kecil yang sumbunya sejajar dengan sumbu shell.

Turbulensi pada bagian tube dapat ditingkatkan dengan mengatur banyak lewatan (n),

sedangkan turbulensi pada bagian shell diatur dengan pemasangan sejumlah baffle

tegak.

Dari sejumlah variasi tipe shell and tube, tiga contoh penting adalah

1. Fixed Tube Exchanger

Tipe ini lebih murah karena konstruksinya sederhana tetapi kebersihan

secara mekanis dari tube bagian luar tidak dapat dilakukan dan karenanya

dipergunakan untuk fluida lewat shell yang bersih.

2. U- Tube Exchanger

Tipe ini juga sederhana dan memungkinkan terjadinya perbedaan

dalam pemuaian antara tube dan shell. U- Tube Exchanger ini tidak mahal,

tetapi karena adanya bengkokan tube fluida yang memudahkan terbentuknya

endapan maka fluida yang kotor tidak boleh mengalir di dalam tabung dan

tabungnya jarang bias diganti.

3. Floating Head Exchanger


II-5

Cold fluid in (t1)

Hot fluid in (T1)

Cold fluid out (t2)

Hot fluid out (T2)


Kebanyakan shell and tube exchanger yang fleksibel dirancang dimana

satu ujung dari ikatan tabung adalah tutup terapung yang dapat bergerak bebas

didalam shell, ini dikerjakan dengan menggunakan sliding seal diantara ikatan

tabung dan shell (tipe packed tube shell) atau mengikatkan tutup pemisah bagian

dalam terhadap tutup terapung (digunalkan claimp ring atau tutup baut). Packed

unit digunakan untuk pelayanan dimana bahan yang korosi, beracun pada suhu dan

tekanan tinggi mengalir dibagian tabung dan fluida yang tidak berbahaya (seperti

air) mengalir dibagian sheel. Tutup yang diklem/dibaut digunakan untuk

pelayanan fluida yang korosi/beracun mengalir pada bagian shell dan bagian

tabung. Keunggulannya dapat dibersihkan dan diperbaiki di bagian dalam dan luar

dengan kerusakan kecil. Tipe floating head banyak digunakan dalam industri

proses dan industri minyak (petroleum).

Heat Exchanger jenis ini memiliki dua jenis yaitu single pass exchanger

dan paralel counter flow heat exchanger.

Gambar 2.1.3 Cross flow heat exchanger

(Geankoplis, C.J, “Transport processes and unit operations”, 263-264)

Double Pipe Heat Exchanger

Merupakan jenis exchanger yang sederhana. Double pipe exchanger pada dasarnya

terdiri dari dua buah pipa konsentrik, dimana satu fluida mengalir lewat pipa dalam

sedangkan fluida yang satu lagi mengalir lewat annulus antara pipa dalam dan pipa luar.

Fluida dapat mengalir secara searah (cocurrent) atau berlawanan (countercurrent). Panjang

efektif exchanger tipe ini biasanya 12, 15, dan 20 ft. Exchanger tipe ini mudah dibuat dari

bahan-bahan standart dan harganya relative murah.

(Geankoplis, C.J, “Transport processes and unit operations”, 263-264)

Heat Exchanger Tubes


II-6


Heat exchanger tube mengarah sebagai condenser tube. Outside diameter heat exchanger tube

secara actual outside diameter dalam inchi dengan toleransi yang sangat teliti. Heat exchanger

tube tersedia dalam berbagai logam yang meliputi baja, tembaga, alumunium, 70 – 30 copper

nikel. Ukuran tube umumnya menggunakan ¾ outside diameter dan I inchi OD.

Heat exchanger Shell

Shell dirancang dari steel pipa dengan nominal IPS diameter 12 inc (table 11 kern). Diatas 12

dan meliputi 24 inc. diameter outside actual dan nominal pipa diameter adalah sama. Standar

ketebalan dinding untuk shell dengan inside diameter dari 12 hingga 24 inc. secara sederhana

tipe exchanger shell dan tube adalah fixed atau stationary shell and tube exchanger

(Kern, D.Q, “Process Heat Transfer”, 128-129)

Individual Heat Transfer Koefisien .

Adalah koefisien perpindahan panas untuk menyatakan besarnya perpindahan panas

antara fluida yang mengalir dalam suatu permukaan dengan permukaan tersebut. Untuk

mencari besarnya individual heat transfer biasanya dipergunakan analisa dimensional dari

bilangan-bilangan tak berdimensi, antara lain :

1. Reynold Number (NRe)

NRe= ...................................... (4)

2. Nusselt Number ( NNu )

NNu= ................................................. (5)

3. Prandtl Number (NPr)

NPr= ........................................... (6)

Pada aliran turbulen, menurut penemuan empirik sieder dan Tate, yaitu Nusselt

number merupakan suatu fungsi dari Reynold number dan Prandtl number, sedangkan aliran

laminer dipergunakan faktor koreksi yang sama. Persamaan Sieder dan Tate untuk Nre < 2100

yaitu :

........................................... (7)

Sedangkan untuk Nre > 2100 maka persamaan Sieder dan Tate menjadi


II-7


........................................... (8)

Karena untuk perhitungan OHTC harus dipergunakan satu harga luas perpindahan

panas yang biasanya adalah permukaan luar pipa,maka individual heat transfer coeficient

aliran dalam pipa harus diubah dengan menggunakan persamaan :

hio=hi ........................................... (9)

(Kern, D.Q, “Process Heat Transfer”, 103-104)

Harga OHTC bersih dapat dihitung secara teoritis dari data-data variabel proses yang

diketahui dan dari neraca panas sepanjang heat exchanger.

Apabila dianggap fluida panas dialirkan melalui pipa dan fluida dingin melalui

annulus maka akan terjadi proses perpindahan panas melewati dinding pipa. Jika proses

dianggap steady state dan adiabatis, maka berlaku persamaan berikut :

QH = QC

(mcp)h (TH1 –TH0) = (mcp)c (TC0 –TC1) ........................................... (11)

(Geankoplis, C.J, “Transport processes and unit operations”, 268)

Pada aliran pasnas yang tidak steady, Q dapat diambil dari harga rata-rata panas yang

dilepaskan air panas dan panas yang diterima air dingin.

Sehingga overall heat coefficiemt pada keadaan bersih (Uc) yaitu

........................................... (12)


shell dan tube atau bundle cross flow area as

as =

di mana massa velocity :

GS =

Logarithmic Mean Temperature Difference ( LMTD )

Pada umumnya kedua fluida yang mengalir bervariasi tidak linear dengan temperatur

Pada setiap titik T-t antara kedua aliran berbeda sehingga LMTD diperlukan untuk

mempelajari T-t vs Q. Sehingga persamaan perpindahan panas menjadi

Q=UdxAxLMTD ........................................... (13)


II-8


Di mana

untuk co current :

…………………. (14)

untuk counter current :

………………… (15)


Harga efisiensi

Menurut Dodge, efisiensi dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara panas

yang diberikan dengan panas yang seharusnya dapat diberikan secara maksimum, atau dapat

didefinisikan sebagai berikut :

Berdasarkan gambar II.1.1 dan II.1.2 , diperoleh effisiensi untuk heat exchanger :

a. Aliran Counter flow :

b. Aliran Counter Current :

Qh > Qc Qc > Qh

c. Aliran Co-Current

Qh > Qc Qc > Qh


II-9


Neraca panas :

Qh = Qc

Wh Cph (T1 – T2) = Wc Cpc (t2 – t1)

Di mana :

Qh = panas yang dilepas oleh fluida panas, kJ/s

Qc = panas yang dilepas oleh fluida dingin, kJ/s

Wh = laju alir fluida panas, kg/s

Wc = laju alir fluida dingin, kg/s

Cph = kapasitas panas untuk fluida panas, kJ/kgK

Cpc = kapasitas panas fluida dingin, kJ/kgK

Sedangkan besarnya panas di dalam double pipe exchanger dapat ditulis sebagai berikut :

Q = A UD TLMTD

Di mana :

A = luas perpindahan panas, m2

UD = overall heat transfer coefficient, kJ/sm2K

TLMTD = logarithmic mean temperature difference, K

T LMTD untuk counter current :

T LMTD untuk co current :

(Kern, “Process Heat Transfer”, hal 85-89).

Fouling Factors.


II-10


Koefisien overall dari perpindahan panas diperlukan untuk memperoleh kondisi proses

dapat diperoleh dari persamaan Fourier bila luas permukaan A diketahui dan Q dan t

dihitung dari proses. Lalu U = Q/A t. Abaikan resistennsi dinding pipa :

Timbulnya kerak atau kotoran yang menempel pada pipa sehingga perpindahan panas tidak

lagi efektif adalah sebagai masalah dalam pengoperasian dalam double pipe heat exchanger.

Makin tebal kerak tersebut maka tahanan terhadap proses perpindahan panas makin besar

sehingga koefisien perpindahan panas menjadi kecil. Untuk menyatakan hal tersebut maka

secara matematis dapat ditulis :

Gambar II.3 Lokasi fouling factor dan koefisien perpindahan panas

Rd = Rdi + Rdo

Di mana :

Uc = overall heat transfer coefficient dalam keadaan bersih, kJ/sm2K

Ud = overall heat transfer coefficient dalam keadaan kotor, kJ/sm2K

Rd = factor kekotoran gabungan, sm2K/kJ

Faktor Koreksi

Dalam aliran laminer pada kecepatan rendah di dalam suatu pipa, konveksi alamiah

dapat berlangsung sedemikian rupa sehingga persamaan di atas perlu dimodifikasi. Karena

Eagle dan Fergusson menurunkan persamaan di atas untuk alliran turbulen, maka untuk aliran

laminer perlu diberi suatu faktor koreksi, antara lain :

2.25 x (1+0.01NGR 1/3)

=

log NRE


II-11

Pipa luarhi

Pipa dalam

hioho

RdiRdo


D3 . 2 . . (Tav – tav)

NGR =

(Kern, “Process Heat Transfer”, hal 103-106)

Efek dari deposit dan fouling biasanya diperhatikan dalam design dengan

menambahkan resistance dari fouling pada inside dan outside tube ke dalam persamaan :

………………. (6)

Di mana : hdi = fouling factor untuk inside tube (W/m2.K)

hdo = fouling factor untuk outside tube (W/m2.K)

…………………… (7)

Untuk aliran laminar fluida di dalam tube atau pipa horizontal, persamaan Sieder dan Tate

(S1) bisa digunakan untuk NRe < 2100 :

……………. (8)

Di mana : D = diameter pipa (m)

L = panjang pipa sebelum terjadi mixing dalam pipa (m),

b = viscosity fluida pada bulk average temperatur (pa.s)

w = viscosity pada wall temperatur

cp = heat capacity (W/m2)

k = thermal conductivity (W/m.K)

ha = average heat transfer coefficient (W/m2.K)

NNu = dimensionless Nusselt Number

(Geankoplis, transport Process & Unit Operation 2nd, hal 2270-275)


II-12

bab ii

Documents