bab ii tinjauan pustaka 2.1. alat penukar...

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Alat Penukar Kalor

Seperti yang telah dikemukakan dalam pendahuluan terdapat banyak

sekali jenis-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah timbulnya kesalah

pahaman maka alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya :

1. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida

sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil

pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan

fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini

media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon.

2. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau

campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin

yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan

melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit

listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap

bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan

menjadi kondensat.

3. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau

gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak

terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka

pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan

bantuan fan (kipas).

Universitas Sumatera Utara

4. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan

menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan)

suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah

panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

5. Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil)

serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas

yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu

sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada ambar 2.1,

diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 0F)

sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan

mengalir didalam tube.

Gambar. 2.1. Thermosiphon Reboiler


6. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan

panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus,

yaitu :

- Memanaskan fluida

- Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan

kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana

fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida

yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

Gbr. 2. 2. Konstruksi Heat Exchanger


2.2. Jenis-jenis Heat Exchanger

Dikarenakan banyaknya jenis dari alat penukar kalor, maka dalam

pembahasan akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger

yang banyak dijumpai dalam industri perminyakan. Heat exchanger ini

juga banyak mempunyai jenis-jenisnya.

Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology yang

telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut

yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal

denganTublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). Standarisasi

tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan

atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan

tekanan yang tinggi.

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat

Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat,

misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.

2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada

segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum

industri.

Jenis-jenis Heat Exchanger yang terdapat pada industri

perminyakan dapat dibedakan atas :


1. Jenis Shell and Tube

Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam

industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell

(tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas)

pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu jenis fluida mengalir

didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir dibagian luar pipa

tetapi masih didalam shell. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.3

Gbr. 2.3. Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube

Keterangan :

1. Saluran ujung yang tetap

2. Topi ujung yang tetap

3. Saluran atau tepi ujung yang tetap

4. Tutup saluran – chanel cover

5. Nosel ujung stasioner – Stationary head nozzle

6. Pelat tube stasioner – Stationary tubes sheet

7. Tube

8. Shell

9. Tutup shell – shell cover


10. Flens shell pada ujung stasioner-shell flange stationary head end

11. Flens shell ujung yang dibelakang, shell flange – Rear Head End

12. Nossel shell – Shell Nozzle

13. Flens penutup shell – shell cover flange

14. Sambungan ekspansi – Expansion Joint

15. Pelat tube yang mengambang – Floating Head Cover

16. Tutup kepala yang mengambang - Floating Head Cover

17. Flens kepala yang mengambang – Floating Head Flange

18. Penahan kepala yang mengambang – Floatinh Head Backing Device

19. Cicncin pemisah – Split Shear Ring

20. Flens penahan dengan slip – on – slip – on backing flange

21. Tutup kepala yang mengambang sebelah luar – Floating Head Cover

22. Pelat tutup yang mengambang yang menyusur – Floating Tube Sheet Skirt

23. Flens packing – Packing box flange

24. Packing

25. Cincin penekan packing – Packing follower ring

26. Cincin latern – Latern Ring

27. Batang pengikat dan spasi – Tie Rod and Spacer

28. Pelat penahan atau sekat transverse – Transverse Baffles or Support Plate

29. Sekat yang disentuh langsung – Impingement Buffles

30. Sekat yang longitudinal – Longitudinal Baffles

31. Pemisah aliran pass – PassPartition

32. Sambungan untuk venting – Vent Connection

33. Sambungan untuk buangan – Drain Connection


34. Sambungan untuk instrument – Instrument Connection

35. Penahan bejana kepondasi/sadel – Support Saddle

36. Tahanan untuk mengangkat – Lifting Lug

37. Penahan gantungan – Support Bracket

38. Weir

39. Saluran untuk cairan – Liguid Level Connection

2. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)

Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-

sendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini

dibentuk menjadi U (lihat gambar 2.4). pada keperluan khusus, untuk

meningkatkan kemampuan memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip.

Bentuk siripnya ada yang memanjang, melingkar dan sebagainya.

Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang

tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat

kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil.

Gbr. 2.4. Alat penukar kalor jenis double pipa


3. Koil Pipa

Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan

didalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk

mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini disebut juga

sebagai box cooler (gambar 2.5) jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan

kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.

Gambar 2.5. Pipa Coil Heat Exchanger

4. Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)

Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell,

tetapi dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau

udara pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk

pendinginan dengan udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk

memperluas permukaan perpindahan panas. Seperti halnya jenis coil pipa,

perpindahan panas yang terjadi cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil

dari jenis shell and tube.


Gbr. 2.6. Alat penukar kalor jenis open tube section

Di samping jenis-jenis di atas, masih terdapat jenis-jenis lain yang

dijumpai di industri, antara lain :

- jenis spiral, menpunyai bidang perpindahan panas yang melingkar.

Karena alirannya yang melingkar maka system ini dapat “Self Cleaning” dan

mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik. Akan tetapi konstruksi seperti

ini tidak dapat dioperasikan pada tekanan tinggi.

Gambar 2.7. Spiral Heat Exchanger


- jenis lamella, biasanya digunakan untuk memindahkan panas dari gas ke

gas pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas yang

baik/tinggi.

Gbr. 2.8. Jenis Lamela

- Gasketter plate exchanger, mempunyai bidang perpindahan panas yang

terbentuk dari lembaran pelat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk

cairan) terdapat diantara lembaran pelat yang dipisahkan gasket yang dirancang

khusus sehingga dapat memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya mudah

dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik.


Gbr. 2.9. Gasket plate exchanger

Pada umumnya heat exchanger dibuat dengan pemesanan, karena harus

sesuai dengan kebutuhannya. Baik ukuran maupun bentuk dapat bermacam-

macam, sesuai dengan keperluan masing-masing.

2.3 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 and tube.

2.3.1 Shell

Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan

ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran besar

atau pelat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat exchanger, dimana

didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart tinggi kadang-kadang shell

dibagi dua disambungkan dengan sambungan ekspansi. Bentuk-bentuk shell yang

lazim digunakan ditunjukkan pada gambar berikut :


Gbr. 2. 10. bentuk-bentuk shell dan penutupnya.


2.3.2. Tube (pipa)

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. Adapun beberapa tipe susunan

tube dapat dilihat dibawah ini :

Gbr.2.11. tipe susunan tube.

Susunan dari tube ini dibuat berdasarkan pertimbangan untuk

mendapatkan jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan

(pembersihan permukaan pipa).


2.3.3. 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 tubes.

Ditinjau dari segi konstruksinya baffle dapat diklasifikasikan dalam empat

kelompok, yaitu :

1. sekat plat bentuk segmen.

2. Sekat bintang (rod baffle).

3. Sekat mendatar.

4. Sekat impingement.

Gbr. 2. 12. Sekat plat bentuk segmen


Gbr. 2. 13. Sekat bintang (rod baffle)

Gbr. 2. 14. Sekat mendatar


Gbr. 2. 15. Sekat Impingement

2.4. Beda Temperatur Rata-rata Logaritma ( LMTD )

Faktor perhitungan pada alat penukar kalor adalah masalah perpindahan

panasnya. Apabila panas yang dilepaskan besarnya sama dengan Q peratuan

waktu, maka panas itu diterima fluida yang dingin sebesar Q tersebut dengan

persamaaan :

Q = U . A . ∆ Tlm………………………………………………...(2.1)

Dimana Q = Kalor yang dilepaskan/diterima

U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh

A = Luas perpindahan panas

∆ Tlm = Selisih temperatur rata-rata


Sebelum menentukan luas permukaan kalor (A), maka terlebih dahulu

ditentukan nilai dari LMTD. Hal ini berdasarkan selisih temperature dari fluida

uang masuk dan keluar dari kalor.

LMTD =

min

min

maks

n

maks……………………………………….(2.2)

Untuk aliran pararel arah aliran fluida berbeda, dimana

∆Tmaks = ( T1 – t1 ) : ∆Tmin = ( T2 – t2 )

Untuk aliran fluida berlawanan, maka :

∆Tmaks = ( T1 – t2 ) : ∆Tmin = ( T2 – t1 )

Dimana : LMTD = Selisih temperature rata-rata logaritmik

T1 = Temperatur fluida masuk kedalam shell

T2 = Temperatur fluida keluar shell

t1 = Temperatur fluida masuk kedalam tube

t2 = Tempereatur fluida keluar tube

Dalam perencanaan alat penukar kalor harus dicari selisih temperature

rata-rata sebenarnya, yaitu dengan menggunakan faktor koreksi (Ft).

Besar selisih temperature rata-rata sebenarnya adalah (∆Tm);

∆Tm = Ff × LMTD………………………………………………...(2.3)

2.5. Fouling Factor (Faktor Pengotoran)

Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas pada heat

exchanger. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga

disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchangerakibat pengaruh dari

jenis fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh


pengotoran pasti akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu

atau memperngaruhi temperatur fluida mengalir juga dapat menurunkan ataau

mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut.

Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat pengotoran antara lain :

Temperatur fluida

Temperatur dinding tube

Kecepatan aliran fluida

Faktor pengotoran (fouling factor) dapat dicari persamaan :

Rd = dc

dc

UU

UU

.

………………………………………………………...(2.4)

Uc = Koefisien perpindahan panas menyeluruh bersih

= hohio

hohio

…………………………………………………………(2.5)

hio = Koefisien perpindahan panas pada permukaan luar tube

ho = Koefisien perpindahan panas fluida diluar tube

Ud = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (design)

= .A

Q…………………………………………………………….(2.6)

2.6 Penurunan Tekanan pada Shell Side

Apabila dibicarakan besarnya penurunan tekanan pada sisi shell alat

penukar kalor, masalahnya proporsional dengan beberapa kali fluida itu

menyebrangi tube bundle diantara sekat-sekat.


Besarnya penurunan tekanan pada isothermal untuk fluida yang dipanaskan atau

didinginkan, serta kerugian saat masuk dan keluar adalah :

∆Ps = sse

sss

SD

DGf

..10.22,5

)1(.

.10

.2

. ………………………………………………(2.7)

2.7 Penurunan Tekanan pada Tube Side

Besarnya penurunan tekanan pada tube side alat penukar kalor telah

diformulasikan, persamaan terhadap faktor gesekan dari fluida yang dipanaskan

atau yang didinginkan didalam tube.

∆Pt = tt

tt

SD

nLGf

...10.22,5

..10

2. ……………………………………………….(2.8)

Dimana :

n = Jumlah pass aliran tube

L = Panjang tube

L.n = Panjang total.lintasan dalam ft

Mengingat bahwa fluida itu mengalami belokan pada saat passnya, maka

akan terdapat kerugian tambahan penurunan tekanan.

psig

V

s

npr

t .2.

.4 2

…………………………………………………….(2.9)

23Universitas Sumatera Utara

bab ii tinjauan pustaka 2.1. alat penukar...

Documents