cara mengurangi fouling pada alat penukar kalor
DESCRIPTION
konversi energiTRANSCRIPT
Alat Penukar Kalor [Year]
“Cara Mengurangi Fouling Pada Alat Penukar Kalor”Cahya Tri Anggara,0906488786
Fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di permukaan Heat Exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan heat transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan proses biologi. Heat exchanger akan sulit terlepas dari Fouling ( beberapa heat exchanger dapat tidak terjadi fouling dan beberapa heat exchanger lainnya terus menurus mengalami akumulasi fouling ),Cukup banyak kerugian yang dapat ditimbulkan oleh fouling tersebut. Biasanya perancang heat exchanger akan memasukkan nilai koefisien fouling pada saat penentuan koefisien keseluruhan ( overall coefficient heat transfer ) untuk memastikan bahwa heat exchanger tersebut nantinya ketika dioperasikan tidak mengalami masalah dalam jangka waktu yang cepat.
Fouling juga dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diiinginkan pada permukaan alat perpindahan panas. Dikarenakan terdapat endapan atau deposit pada permukaan perpindahan panas, maka dibutuhkan luas perpindahan panas yang lebih agar perpindahan panas yang diinginkan dapat tercapai. Pada shell & tube heat exchanger, fouling dapat terjadi baik pada bagian dalam ( inner tube ) maupun luar tube ( outside tube ) dan dapat terjadi pula pada bagian dalam shell . Fouling juga dapat menyebabkan pengurangan cross sectional area ( luas penampang melintang ), dan meningkatkan pressure drop, sehingga dibutuhkan energi ekstra untuk pemompaan. Berikut beberapa kerugian yang disebabkan oleh fouling :
1. Peningkatan capital cost, heat exchanger dengan fouling yang tinggi akan menyebabkan pengurangan overall coefficient heat transfer, dengan demikian dibutuhkan luas area perpindahan yang lebih ( bila dibandingkan dengan fouling yang lebih rendah ). Luas HE yang lebih besar mengakibatkan peningkatan cost.
2. Memerlukan energi tambahan, energi tambahan sehubungan dengan peningkatan energi pompa dan effisiensi termodinamika yang rendah pada kondensasi dan siklus refrigerasi.
3. Maintanance cost untuk antifoulant, chemical treatment dan untuk pembersihan permukaan perpindahan panas yang tertutup oleh fouling
4. Pengurangan output atau keluaran ( rate ) dikarenakan pengurangan cross sectional area
5. Downtime cost ( downtime adalah kerugian waktu produksi yang diakibatkan oleh peralatan tidak dapat dioperasikan dengan semestinya dikarenakan oleh maintanance, power failure atau power trip, breakdown dan lain - lain ).
1
Alat Penukar Kalor [Year]
Fouling secara umum dapat dibagi menjadi beberapa jenis, yaitu sebagai berikut :1. Precipitation fouling ( scaling ), adalah pengendapan bahan – bahan terlarut pada
permukaan perpindahan panas. Jika solute memiliki karakteristik inverse ( kebalikan ) solubility, maka pengendapan terjadi pada permukaan panas lanjut ( superheated surface ), pengendapan ini disebut dengan scaling, contohnya calsium sulfat pada air, pengkristalan garam dari larutan encer. Pengendapan juga dapat terjadi melalui sublimasi seperti pada ammonium choride pada aliran uap.
2. Particulate fouling, adalah akumulasi partikel ( dalam fluida ) pada permukaan perpindahan panas. Pada beberapa aplikasi, akumulasi partikel ini terjadi disebabkan oleh gravitasi. Fenomena ini disebut juga sedimentasi fouling. Contoh : dust , karat, pasir halus ( fine sand ) dan lain – lain.
3. Chemical reaction fouling, adalah pembentukan deposit yang disebabkan oleh reaksi kimia, Nesta juga menyatakan chemical reaction fouling adalah pemecahan dan pengikatan senyawa – senyawa yang tidak stabil pada permukaan perpindahan panas. Oil sludge, Polimerisasi, coking dan cracking hidrokarbon adalah contohnya
4. Corrosion fouling, Terjadi ketika permukaan perpindahan panas itu sendiri bereaksi membentuk produk korosi ( karat ) yang kemudian mengotori ( foul ) dan dapat menyebabkan bahan atau materi pengotor ( foulant ) lainnya menempel pada permukaan.
5. Biological fouling, adalah penempelan mikro atau makro organisme biologi pada permukaan perpindahan panas.
6. Solidification fouling, adalah solidifikasi ( pembekuan ) liquid pada permukaan subcooled heat transfer ( perpindahan panas pada sub cooled ) contohnya adalah pembekuan es.
Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi terjadinya fouling adalah sebagai berikut :1. Flow Velocity, dengan kecepatan tinggi dapat meminimalkan pembentukan fouling
( untuk segala jenis fouling ) , namun yang harus di perhatikan juga bahwa menjalankan STHE ( shell & tube heat exchanger ) pada kecepatan alir tinggi dapat menyebabkan tingginya pressure drop, kecepatan tinggi juga dapat mengakibatkan erosi dan juga memerlukan energi pemompaan yang besar. Idealnya kecepatan untuk liquid yang mengalir dalam tube ( inside tube ) adalah dari range 1.5 – 2 m/s dan 1 – 1.5 m/s untuk luar tube.
2. Temperature. Temperature permukaan sangat berpengaruh dalam pembentukan fouling. Pada normal solubility salt solution ( kelarutan normal larutan garam ) peningkatan konsentrasi garam akan naik seiring dengan naiknya temperature contohnya adalah NaCl, NaNO3.
3. Material konstruksi dan permukaan yang halus, pemilihan meterial tube sangat penting, beberapa tipe biofouling dapat terhambat pembentukannya dengan menggunakan cooper-bearing alloy, permukaan bahan atau materi tube yang halus dapat mengurangi laju
2
Alat Penukar Kalor [Year]
pembentukan fouling. Copper dan alloy nya dapat mengurangi pembentukan biofouling dikarenakan materi atau bahan ini bersifat toksit terhadap organisme tersebut.
Berikut ini adalah cara mengurangi terjadinya fouling pada Heat Exchanger , yaitu :
1. Pemilihan heat exchanger ( HE ) yang tepat, Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat mengurangi pembentukan fouling di karenakan area dead space yang lebih sedikit dibandingkan dengan tipe yang lainnya, seperti plate dan spiral heat exchanger, namun begitu jenis HE tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai 20 – 25 bar dan design temperature 250 oC ( plate ) dan 400 oC ( spiral ).
2. Gunakan diameter tube yang lebih besar. STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20 mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m2 C/kal ) gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD )
3. Kecepatan tinggi, seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi, namun demikian mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula serta erosi , kenaikan pressure drop lebih cepat dari pada kenaikan koefisien perpindahan panas, maka perlu dicari kecepatan yang optimum.
4. Margin pressure drop yang cukup. Pada HE yang digunakan untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 40 % antara pressure drop yang diijinkan ( allowable ) dengan pressure drop yang dihitung ( calculated ) hal ini dilakukan untuk antisipasi pressure drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang tinggi.
5. Gunakan tube bundle dan heat exchanger cadangan. Jika penggunaan HE untuk fluida yang berpotensi membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube bundle candangan sebaiknya digunakan. Jika fouling telah terjadi cukup cepat ( setiap 2 – 3 bulan ) maka sebaiknya digunakan HE cadangan. STHE cadangan juga diperlukan untuk tipe STHE Fixed tubesheet ( pembentukan fouling yang tinggi pada tube , seperti pada reboiler thermosiphon vertikal yang menggunakan fluida polimer seperti pada Butadiene plant).
6. Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel. dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi penumpukan ( akumulasi ) fouling ( dimana STHE tersebut diservice ) maka STHE yang satunya lagi dapat digunakan, walaupun tentunya terjadi penurunan output, sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60 – 70 % dari kapasitas total
7. Gunakan Wire Fin tube. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling, pada awalnya penambahan wire fin tube ini digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas tube pada aliran laminar. Wire fin dapat menaikkan pencampuran radial ( radial mixing ) dari dinding tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat meminimalisasikan deposit pada dinding tube.
3
Alat Penukar Kalor [Year]
8. Gunakan Fluidized Bed HE, HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim.Apabila Fluida kotor ditempatkan pada shell.
9. Gunakan U-Tube atau Floating head. Kelemahanan penggunaan U tube adalah kesulitan pembersihan pada bagian U.
10. Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square. susunan square menyediakan akses yang lebih sehingga cleaning HE secara mechanical dengan menggunakan Rodding atau hydrojetting baik pada susunan triangle, namun begitu tube yang disusun secara square memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square dapat digunakan.
11. Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum. STHE lebih mudah mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space, oleh sebab itu , penentuan jarak antar baffle ( baffle spacing ) dan baffle cut sangatlah penting, kedua variable tersebut sangat berpengaruh dalam pentuan besar kecilnya koefisien perpindan panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensible ( seperti heater atau cooler ) disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal, untuk perpindahan panas yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase ( seperti condenser, vaporizer ) disarankan untuk menempatkan posisi baffle secara vertikal.
12. Kecepatan tinggi, sama seperti pada tube, pengunaan kecepatan tinggi pada shell akan dapat mengurangi pembentukan fouling, dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell. Kecepatan pada shell umumnya ( disamping faktor lain seperti tube pitch dan lain –lain ) dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing.
13. Gunakan tube pitch yang lebih besar untuk fouling yang lebih sangat tinggi. Umumnya tube pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari OD untuk square.
Dengan mendesain Heat Exchanger sesuai dengan spesifikasi yang telah dditentukan maka intensitas tejadinya fouling pada Heat Exchanger akan berkurang.
Daftar Pustaka :
1. C.A. Bennet, R.Stanley Kistler, Thomas G. Lestina dan D.C. King, Improving Heat Exchanger Design, 2007, Chemical Engieering Progress
2. J. Nesta dan C.A Bennet, Reduce Fouling in Shell & Tube Heat Exchanger, 2004, Hydrocarbon Processing
3. R.Mukherjee, Conquer Heat Exchanger Fouling, 1996, Hydrocarbon Processing4. T.R. Bott, Fouling of Heat Exchanger, 1995, Elsevier
4
Alat Penukar Kalor [Year]
5
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB I
PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari-hari perpindahan energi mendapat penerapan yang luas sekali,
dalam berbagi bidang dan pada berbagai tingkat kerumitan. Hampir tidak ada alat, baik dalam
pabrik maupun di rumah tangga, yang tidak bersangkutan dengan perpindahan energi.
Energi dikenal dalam berbagai bentuk, beberapa diantaranya yang dijumpai dalam bidang teknik
kimia ialah :
Energi dalam
Energi kinetic
Energi potensial
Energi mekanis
Panas
Dalam bidang teknik kimia didapati banyak masalah perpindahan panas. Pengetahuan
tentang mekanisme perpindahan panas mutlak diperlukan unuk dapat memahami peristiwa-
peristiwa yang berlangsung dalam : pemanasan, pendinginan, pendidihan, pengeringan, distilasi,
evaporasi, kondensasi dan lainlainnya.
Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, yaitu :
Konduksi (secara molekuler)
Konveksi (secara aliran)
Radiasi (secara gelombamng elektromagnetik)
Konduksi
Dalam konduksi, panas dapat dikonduksi melalui solids, liquids, dan gases. Panas
dikonduksi oleh perpindahan panas energi gerak molekul-molekul yang berdekatan. Dalam gas
6
Alat Penukar Kalor [Year]
“hotter” molucelus, yang sama memiliki energi kinetic yang lebih besar memberi energinya ke
molekul terdekat yang berada pada level terendah. Contoh : perpindahan panas melalui dinding
heat exchangers atau sebuah refrigerator dan perlakuan panas pada steel forgings.
Konveksi
Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya
yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya
gesekan. Contoh : perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran(eddy) aliran turbulen dan oleh arus
udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator (pemanas) biasa.
Radiasi
Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui ruang oleh
gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak
ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain enrgi, dan ia tidak akan pula terbelok
dari lintasannya. Contoh : permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan sebagian
radiasi yang jatuh padanya.
Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda.
Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Alat-alat penukar
panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.
Double pipe heat exchanger dapat disusun dengan tiga cara, yaitu :
1. Susunan seri
2. Susunan pararel
3. Susunan seri-pararel
7
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB II
TINAJAUAN PUSTAKA
Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu
pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan
pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila
ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke
temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi,
dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium
perpindahan panas. Panas akaan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel yang
lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena
terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan
aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik. Ada
beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas
tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.Penukar panas
jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950- N. Banyak penelitian yang
telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi yang digunakan
adalah air.
Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang terjadi antara
dua fluida yang berbeda temperaturnya. Alat yang digunakan adalah penukar panas (heat
exchanger). Penukar panas adalah peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas
8
Alat Penukar Kalor [Year]
dari dua fluida yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua
fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng
pemisah/ sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas,
dan gas-gas. Dalam melakukan perancangan penukar panas harus diperhitungkan factor
perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekanis untuk mengatasi gaya gesek
dan menggerakkan fluida. Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar
(fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang
dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk
fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energy mekanik dapat lebih besar
dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat
mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan.
Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/ gaskette plate
(umumnya disebut plate exchanger), spiral plate, dan lamella. Kesamaan dari ketiga konfigurasi
ini adalah permukaan pemindahan panas sama-sama terdiri dari paralel lempeng logam yang
dipisahkan permukaan kontak dan panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran
tipis.
Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas lebih
baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini adalah:
1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida
2. memiliki laju perpindahan panas yang tinggi
3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.
Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit proses
dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju perpindahan
9
Alat Penukar Kalor [Year]
panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien
perpindahan panas keseluruhan (U). Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan
menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju
alir massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang
bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan
Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan
perpindahan panas tidak efektif.
II.1. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas
Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:
1. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya
2. laju alir fluida
3. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)
4. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas
tersebut.
Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa
dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi potensial, dan nergi
kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan neraca energi.
Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor
Q= m (Hb-Ha) ….................(1)
Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut
Q=
qt = laju perpindahan kalor ke dalam arus
10
Alat Penukar Kalor [Year]
Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.
Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi salah satu
dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih
dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekiktar dibuat sekecil mungkin dengan
isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang
melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi
tersebut, perpindahan kalor pada fluida panas adalah:
mh (Hhb – Hha) = qh
sedangakan untuk fluida dingin adalah :
mc (Hcb – Hca) = qc
Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima kalor
sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang terbuang ke
lingkungan, maka
qc = -qh
Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah
mh Cph (Thb – Tha) = mc Cpb.(Tcb – Tca) = qc
Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang
dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya
aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks kalor. Bila fluida dipanaskan
atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika
11
Alat Penukar Kalor [Year]
fluida itu sedang mengalami pemanasan, suhu minimum terdapat pada dinding pemanas, dan
meningkat berangsur sampai ke pusat. Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan
fluida yang mengalir melalui penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik
sehingga didapatkan satu suhu yang seragam.
Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (∆T). Th adalah
suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin. Perbedaan suhu tersebut
disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam suatu alat penukar panas ∆T tersebut
berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA
sebanding dengan nilai ∆T pada tiap titik menurut persamaan
dqda = U.∆T ………….……...(2)
U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall).
Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa pengandaian untuk
penyederhanaan antara lain :
1. Koefisien U bernilai konstan
2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan
3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan
4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah
Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai ∆T harus kecil karena
sebetulnya parameter-parameter tersebut merupakan fungsi suhu. Perhitungan ∆T ini dihitung
secara LMTD.
12
Alat Penukar Kalor [Year]
II.2. Alat pertukaran kalor
Pada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan berbagai ragam
cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksi-
konveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel didih (boiler) dan condenser (condesor)
, radiasi di dalam tungku (furnance) dan pengering kalor radiasi (radiant –heat dryer) dan dengan
berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam
kondisi keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya
siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjana –proses pengaduk.
Pada bagian akan membahas akan membahas berbagai jenis peralatan yang penting-
penting, terutama bagi insiyur yang bergerak di bidang proses : penukar kalor berbentuk tabung
(tubular exchanger) dan berbagai berbentuk plat (plate exchanger) , kondensor, ketel didih dan
kalandria (calandria) peranti-peranti perpindahan kalor mekanik dan reactor kimia berbentuk
tabung. Evaporator (peralatan penguapan) mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung.
Evaporator (peralatan penguapan)
Alat penukar panas pipa dan alat penukar panas shell and tube merupakan alat penukar
panas yang paling luas penggunaanya. Hal ini disebabkan oleh lebarnya rentang suhu dan
tekanan media pemanas yang pada hakekatnya dibatasi oleh ketahanan bahan dasar alat. Selain
itu alat penukar panas ini dapat disesuaikan untuk keperluan pengoperasian yang khusus (seperti
kemungkinan pembersihan yang mudah dilakukan, pembongkaran) yaitu dengan mengubah
konstruksi secara sederhana.
Biaya pembuatannya relative rendah dibandingkan dengan jenis kontruksi lainnya. Suatu
hal yang tidak disukai pada pertukaran panas pada melalui pip[a dalam industi kimia adalah
seringnya terjadinya kebocoran pada saat digunakan media yang sangta panas atau yang sangat
dingin.kebocoran terjadi pada pipa yang tidak atau hanya diberi sedikit bahahn isolasi. Tetapi
dalam hal itui perpindahan panas yang terjadi kecil ,karena udara sekeliling tidak banyak
13
Alat Penukar Kalor [Year]
bergerak dan udara merupakan penghantar panas yang bruk. Meskipu demikian alat penukar
panas yang prinsip kerjanya serupa tetap dibuat.
II.3. Rancangan umum peralatan pertukaran kalor
Perancangan dan pengujian peralatan praktis untuk pertukaran kalor didasarkan atas
prinsip-prinsip yang diberikan materi kulaih perpindahan panas. Pertama, harus dibuat dulu
neraca bahan dan neraca energy. Dari hasil neraca itu, dihitung selanjutnya adalah koefisien
perpindahan kalor secara menyeluruh, beda suhu rata-rata, dan dalam peralatan siklus
(daur) ,waktu siklusnya. Dalam peranti-peranti sederhana ,besaran-besaran ini dapat dievaluasi
dengan mudah dengan ketelitian yang cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi
ini mungkin tidak mudah dan cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini
mungkin tidak mudah dan mengandung berbagai ketakpastian. Rancangan akhir hampir selalu
merupakan kompromi yang didasarkan atas pertimbangan keteknikan guna memberikan unjuk
kerja menyeluruh yang terbaik dari berbagai segi persyaratan tugas kerjanya.
Kadang-kadang rancangan itu ditentukan oleh berbagai pertimbangan yang hampir tidak
ada hubungannya sama sekali demgam perpindahan kalor seperti umpamanya ruang yang
tersedia untuk menempatkan peralatan itu atau penurunan tekanan yang dapat diperbolehkan
dalam arus fluida. Penukar kalor jenis tabung pada umumnya dirancang sesuai dengan berbagai
standard dan kode seperti standards of the turbulen exchanger , manufacturing association
(TEMA) standar asosiasi pembuat penukar kalor jenis tabung dan ASME –API ( unfired
Pressure Vessel Code) kode benjana tanpa api dari ASME-API
14
Alat Penukar Kalor [Year]
PENUKAR KALOR
Penukar kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak digunakan dalam
industry pengolahan sedemikian rupa sehingga rancangannya pun sudah sangat berkembang.
Standar- standar yang telah disusun dan diterima oleh TEMA sudah ada dan meliputi perincian
mengenai bahan kontruksi ,metode kontruksi, teknik perancangan dan dimensi-dimensi dari
penukar kalor. Bagian berikut ini akan menguraikan beberapa jenis penukar kalor yang penting-
penting saja dan membahas prinsip-prinsip yang berkenan dengan segi keteknikan, perancanagn
dan operasinya.
Penukar kalor lintas tunggal
Penukar kalor pipa-rangkap (double pipe exchanger) yang sederhana ternyata tidak
memadai untuk laju aliran yang lebih besar dari yang dapat ditangani dengan beberapa buah
tabung saja. Jika kita menggunakan banyak penukar kalor pipa rangkap secara parallel, bobot
logam yang digunakan sebgaia pipa luar akan menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan
konstruksi selongsong dan tabung (shell-tube) dimana satu selongsong melayani sejumlah tabung
sekaligus akan menjadi lebih ekonomis. Penukar kalor ini , karena hanya melakukan satu lintas
disebelah selongsong dan satu lintas pula di dalam tabung disebut penukar kalor.
Dalam penukar kalor ini koefisien perpindahan kalor sisi selongsong ( sebelah ke
selongsong) dan koefiosien sisi tabung sama-sama penting dan keduanya harus cukup besar agar
koefisien menyeluruh yang memuaskan dapat tercapai. Kecepatan dan kertubelanan zat cair sisi
selongsong juga tidak kalah pentingnya dari kecepatan dan kertubelenan zat cair sisi tabung.
Untuk meningkatakan aliran silang dan menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi selongsong
maka pada selongsong itu dipasang sekat--sekat. Dalam kontruksinya sekat-sekat terbuat dari
lembaran logan berbentuk piring bundar yang satu sisnya dipotong. Dalam praktek biasanya
segmen itu dipotong pada tinggi seperempat diameter selongsong. Sekat-sekat demikian disebut
15
Alat Penukar Kalor [Year]
sekat 25 persen (25 persen baffles) . Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan
tabung-tabung. Agar kebocoran dapat dibuat minimum ruang bebas pemasangan antara sekat dan
selongsong dan tabung harus dibaut sekecil mungkin. Sekat itu ditunjang oleh sebuh atau
beberapa buah batangan pemandu C yang dipasangkan diantara kedua plat tabung (tube sheet)
dan dengan sekrup pengencang. Agar sekat-sekat itu terpasang erat ditempatnya pada batangan
itu dipasang pula potongan-potongan tabung pendek sebagai penjaga jarak anatara sekat-sekat.
Dalam merakit penukar kalor itu plat tabung harus dipasang terlebih dahulu lalu berturut-turut
batangan penunjang, penjarak (tabung penjaga jarak) dan sekat dan barulah tabung-tabungnya.
Peti gasket (stuffing Box) gunanya adalah untuk menampung kemungkinan ekspansi
tabung itu. Tetapi kontruksi ini hanya praktis untuk selongsong kecil. Alat penukar panas pipa
ganda terdiri atas dua pipa konsentris yang ujungnya-ujungnya dilas menjadi satu atau
dihubungkan dengan kontak-kontak penyekat (stuffing box). Tidak seperti pada kontruksi pipa
lurus yang pada panjangnya-panjangnya tertentu harus dipasangi elemen kompensasi pemuaian ,
pada kontruksi yang berbentuk kumparanhal itu sudah ada dengan sedirinya.
Alat penukar panas pipa ganda seringkali digunakan sebagai saluran penghubung antar
alat yaitu bila cairan panas tidak boleh terdinginkan pada waktu transportasi. Alat pertuakaran
panas jenis ini digunakan sebagai alat pemanas atau pendingin yang sesunguhnya bila diinginkan
laju alir yang kecil dan trekanan yang tinggi.
II.4 Counterlow – double pipe heat exchangers
Definisi
Peralatan transfer panas dapat didefinisikan tergantung pada keseluruhan fungsinya dalam suatu
proses.
Peralatan transfer panas :
16
Alat Penukar Kalor [Year]
a) Exchangers
Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling water. Steam
dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan fungsinya dalam aliran
produk yang dapat direcoery.
b) Heaters
Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu digunakan
sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar minyak dapat digunakan
untuk tujuan yang sama.
c) Coolers
Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering digunakan
adalah air
d) Condenser
Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent disamping panas
sensible.
e) Reboiler
Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi sebagai panas
latent.
f) Evaporator
Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air.
g) Vaporizer
Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan vaporizer.
Gambar Double Pipe Exchanger
17
Alat Penukar Kalor [Year]
Bagian-bagian paling penting dari 2 sets pipa konsentris, 2 tees yang dihubungkan,
sebuah return head, sebuah bend. Inner pipa dihubungkan dengan outer pipa dengan packing
glands dan fluida masuk ke inner pipa melalui threaded connection yang letaknya diluar bagian
section exchanger.
Tees (fitting) memiliki nozzles atau penghubung baut yang mengatur masuk dan keluar
dari annulus fluid dimana aliran berlawanan dari sisi satu ke sisi yang lain melalui return head.
Inner pipa yang panjang diubungkan dengan return bend yang selalu di expose dan tidak
menyediakan permukaan perpindahan panas yang efektif.
Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting
piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang mahal.
Ukuran standard dari Tees dan return head dapat dilihat dari tabel dibawah ini.
Outer Pipe, IPS Inner pipa, IPS
2 1,75
2,5 1,75
3 2
4 3
18
Alat Penukar Kalor [Year]
Double pipe exchanger selalu dipasang dalam 12ft, 15ft atau 20ft panjang efektif.
Panjang efektif menjadi jarak setiap lengan dimana heat transfer terjadi dan memasuki inner
pipa yang menjulang dari inner pipe ke bagian exchanger.
Kerugian yang sangat prinsip terjadi didalam penggunaan double pipe exchangers
terdapat sejumlah kecil transfer panas pada permukaan yang dilapisi single hairpin. Ketika
peralatan destilasi digunakan pada proses industri banyak tipe yang dibutuhkan.
Jumlah panas yang dibutuhkan permukaan dan seiap double pipe exchangers mengatakan
bahwa tidak lebih dari 14 ponts kekeurangna yang tidak boleh terjadi.
II.5 Koefisien Film Untuk Fluida Dalam Pipa Dan Tube
Persamaan (3.42) ditemukan untuk beberapa panas minyak didalam pipa berdasarkan
data Morris dan Whitman. Sieder dan Tate membuat sebuhan hubungan antara koefisien
pemanasan dan pendinginan, pada prinsipnya fraksi minyak didalam orizontal dan ertikal tubes
dan termasuk ke dalam persamaaan aliran dimana DG/μ < 2100
hi D
k=1. 86 [( DG
μ )( cμk )( D
L )]13 ( μ
μw)0 . 14
=1 .86 ( 4 wcπ kL )
13 ( μ
μw)0 .14
……….. (3)
Dimana :
L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi
19
Alat Penukar Kalor [Year]
Persamaan (1) meberikan definisi maksimum dengan rata-rata ±12% dari Re = 100 ke Re =
2100 kecuali untuk air. Sekitar range transisi data mungkin terjadi aliran turbulen
hi D
k=0 . 027( DG
μ )0.8
( cμk )
13 ( μ
μw)0 .14
(1’) didapat D’e =
4 π (D22−D1
2 )4 π (D2+D1)
=(D2−D1 ). ....................... .....(.4)
(2’)Hitung frictional Reynolds number, Re’a = D’eGa/μ.
(3’) ∆Fa = 4fG2L/2gρ2D’e, ft.
(4’) pintu masuk dan keluar, one velocity head per hairpin:
∆Fl =
V 2
2 g 'ft /hairpin
(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.
(5’) mass velocity, Ga = w/aa, lb/(hr)ft2)
(6’) Didapat μ pada Tc atau tc, lb/(hr)ft) = centipoises x 2,42. Dari Dc ft, Ga lb/(hr)ft2), μ
lb/(hr)(ft) didapat Reynolds number,
(7’) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c μ/k)-1/3(μ/ μw)-0,14 vs DeGa/ μ, didapat jH
20
Rea=De .Ga
μ
Alat Penukar Kalor [Year]
(8’) Dari c, μ, dan k, semua didapat pada Tc atau tc untuk menghitung (c μ/k)1/3
(9’) Untuk mendapatkan ho, kalikan jH dengan (k/De) (c μ/k)1/3( = 10) atau
hoDek ( cμ
k )−1
3 μϖw
−0,14 kDe ( cμ
k )1
3 x1,0=hoBtu/ (hr ) ( ft2 ) (¿ o F )
Overall coefficient:
(10’) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft2)(oF).
(11’) hitung UD dari 1/UD = 1/Uc + Rd
(12’) hitung A dari Q = UD A ∆t yang bisa diartikan panjang.
Perhitungan ∆P. Harus diketahui total panjang dari alur untuk keperluan perhitungan
heat-transfer
Bagian dalam pipa:
(1) untuk Rep pada nomor (6) diatas didapat f dari persamaan (3.46) atau (3.47b)
(2) ∆Fp = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5)
∆Fpρ/144 = ∆Pp, psi.
Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel
21
Alat Penukar Kalor [Year]
II.6 Faktor Fouling
Overall koefisien perpidahan panas dapat dihitung dari persamaan Fourier dengan
diketahuinya luas permukaan A, Q, dan Δt yang ada pada komdisi prosesnya. Maka U =
QA . Δt .
Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat diperoleh tanpa menggunakan persamaan
Fourier dari dua koefisien film.
Pengabaian tahanan pipe-wall :
1U = Rio + Ro =
1hio +
1ho …………(6)
22
Alat Penukar Kalor [Year]
U =
hio . ho
hio+ho ……………….………….(7)
Ketika perpindahan panas berjalan terhadap fungsi waktu, pengotor dan scale deposit
pada bagian dalam pipa, penambahan resistance dua atau lebih tahanan dimasukkan dalam
perhitungan U pada persamaan (6).
Penambahan resistance akan mengurangi harga orginal U, dan dikehendaki besarnya
panas tidak lebih besar dari yang ditansfer oleh luas permukaan A. T2 mengalami kenaikan dan
t2akan turun pada temperature outlet, meskipun hi dan hokonstan. Untuk mengatasi hal ini,
biasanya peralatan didesain untuk mengantisipasi deposisi dari pengotor dan scale oleh
penempatan resistansi Rdyang disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.
Rdi menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan Rdo menjadi factor
annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.
Harga U diperoleh dari persamaan (7) hanya
1hio dan
1ho dapat dipertimbangkan dengan
"clean overall coefficient" yang ditunjukkan oleh UC yang memperlihatkan bahwa factor
pengotor belum dihitung. Koefisien yang meliputi tahanan factor pengotor disebut desain atau
dirty overall coefficient UD. harga A yang megkorespondensi untuk UD lebih sering digunakan
dari pada UC.
Hubungan antara UC dan UD adalah sebagai berikut :
1UD =
1UC + Rdi + Rdo
23
Alat Penukar Kalor [Year]
Atau dapat disetting :
Rdi + Rdo = Rd …………………(8)
1UD =
1UC + Rd ………………(9)
Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai h i dan ho dapat diperkirakan
sekitar 300 dan 100, maka :
1UC =
1hio +
1ho = 0,0033 + 0,01 = 0,0133
Atau UC =
10 ,0133 = 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Rdi = 0,001 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Rdo = 0,0015
Rd = Rdi + Rdo = 0,0025
Sehingga :
1UD =
1UC + Rd =
175 , 0 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Atau
1UD =
10 ,158 = 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah :
24
Alat Penukar Kalor [Year]
Q = UD . A . Δt …..................(10)
II.7 Tekanan Jatuh Pada Suatu Pipa Dan Pipa Beranulus
Tekanan jatuh pada pipa di dalam exchanger memudahkan kita untuk mengendalikan
suatu fluida melalui exchanger. Pompa dapat kita gunakan di dalam proses fluida untuk
mencukupkan kapasitas yang diinginkan karena adanya kapasitas yang hilang diakibatkan oleh
gaya gesekan yang terjadi disebabkan oleh pemipaan, sambungan pipa, control regulator dan
tekanan jatuh di dalam exchanger itu sendiri
Tekanan jatuh pada suatu pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fanning. Untuk
tekanan jatuh pada fluida yang mengalir pada suatu annulus, dengan menggantikan nilai D pada
bilangan Reynolds dengan Dc untuk mendapatkan nilai f. Persamaan Fanning yang baru adalah :
ΔF= 4 fG2 L
2 gρ2 D'c
II.8. Perhitungan Pada Double Pipe Heat Exchanger
Persamaaan – persamaan yang telah ada sebelumnya dapat kita kombinasikan menjadi
perhitungan double pipe heat exchanger. Perhitungan sederhana dari jenis exchanger ini adalah
menghitung ho dan hio untuk mendapatkan Uc. Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan Fourier Q=U p AΔt
Biasanya permasalahan pertama adalah menentukan dimana fluida harus diletakkan
didalam annulus atau di dalam pipa dalam. Hal ini akan memepercepat dengan menentukan
ukuran yang sesuai dan laju daerah untuk kedua aliran. Untuk tekanan jatuh yang bernilai sama
pada aliran yang panas dan yang dingin untuk menentukannya haruslah bernilai yang paling
dekat dengan kecepatan massa dan tekanan jatuh. Berikut ini adalah table untuk perkiraan
standard dari diameter double pipe dan daerah laju yang dapat dilewatinya.
25
Alat Penukar Kalor [Year]
Exchanger, IPSFlow area, in2 Annulus, in
Annulus Inner Pipe dc d’c
2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.40
2 ½ x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.81
3 x 2 2.93 3.35 1.57 0.69
4 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53
Bagaimanapun perhitungan pressure drop sebesar 15 atau 20 psi dan malebihi kapasitas
head. Bagaimana kemudian beban panas dapat ditransfer dengan tekanan yang tersedia di head ?
Satu kemungkinan yaitu menggunakan by-pass jadi hanya ¾ atau 2/3 dari fluida saja yang
mengalir melalui exchanger dan reminder melalui by-pass. Ini bukanlah solusi yang ideal, sejak
aliran menurun menyebabkan beberapa kerugian dalam desain. (1) Aliran menurun mengalir
melalui exchanger menurunkan mass velocity Ga dan koefisien ho . Sejak kedua koefisien
tersebut hampir sama, 323 Vs 276, penurunan ukuran manapun dalam Ga menurunkan U c
dengan hampir Ga0,8 . (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus didinginkan
terlebih dahulu, melebihi range yang lebih panjang daripada 160 menjadi 100o F sehingga, pada
pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses memiliki temperatur 100o F. sebagai contoh,
bagian yang berputar malalui annulus mungkin harus didinginkan melebihi range dari 160
sampai 85o F tergantung pada persen by-pass. Temperatur outlet 85o F mendekati bagian dalam
pipa masuk, 80o F sebenarnya, dan perbedaan suhu yang baru pada ∆t1, yaitu 5o F menurunkan
LMTD. Dua efek, penurunan Uc dan LMTD, meningkatkan angka hairpins secara signifikan
meskipun beban panas konstan. Membalikkan lokasi dengan menempatkan benzen dalam
annulus tidak memberikan solusi untuk kasus ini, sejak aliran benzen lebih besar dari aliran
toluen. Kemungkinan dari membalikkan lokasi aliran harus selalu diuji terlebih dahulu.
26
Alat Penukar Kalor [Year]
Satu solusi masih mungkin, bagaimanapun, meskipun semua solusi di atas gagal.
Andaikan bahwa alirannya terlalu besar untuk diakumulasi dalam beberapa exchanger dalam
series dibagi dalam setengah bagian dan tiap bagian melewati tepi satu exschanger melalui
bagian dalam pipa. Membagi aliran menjadi dua bagian sementara menjaga area aliran konstan
menghasilkan sekitar 1-8 dari seri pressure drop, sejak G dan L menjadi dua dan produk G2L
menjadi 1-8. Sementara koefisien film akan menurun juga, perbedaan temperatur yang tidak
diinginkan dari by-passing dapat dihindari, dimana disana terdapat subtansi yang tidak seimbang
antara aliran berat dari dua aliran karena satu beroperasi melebihi range panjang dan yang
satunya melebihi range yang sangat pendek. Aliran besar setiap aliran pararel dapat juga
mengalir melalui beberapa exchanger dalam seri di dalam setiap bank pararel. Bentuk “pararel
stream” seharusnya tidak di rancukan dengan “parael flow”. Bentuk tersebut tertuju pada
pembagian aliran dari satu fluida, sementara yang lainnya tertuju pada arah aliran antara 2 fluida.
Perbedaan Temperatur Sesungguhnya Untuk Susunan Sri-Pararel
LMTD telah menghitung dari T1, T2, t1, dan t2 untuk susunan seri tidak akan sama untuk
susunan seri-pararel. Setengah pipa fluida memasuki bagian atas exchanger II, dimana fluida
annulus panas, dan setengah lainnya masuk melalui bagian bawah heat exchanger I dimana
fluida annulus telah didinginkan sebagian. Sementara exchanger di dalam seri tidak mentransfer
sejumlah panas yang sama, hubungan seri-pararel meskipun merugikan, bagian bawah exchanger
menghitung hanya sedikit panas yang di transfer. Jika perbedaan suhu sebenarnya disebut ∆t,
tida akan sama dengan LMTD untuk kondisi proses meskipun kedua exchanger beroperasi secara
counterflow.
27
Alat Penukar Kalor [Year]
Dengan menganggap kedua exchanger di desain secara I dan II. Suhu intermediet I, dan
produk dan aliran pararel didesain secara t2”; dan t1’. Dan temperatur campuran yaitu t2
Untuk exchanger I, memilkiki setengah dari permukaan
Q1 = WC (T – T2) =
UA2 x LMTD1
Dan
LMTD1 =
(T−t ' )−(T 2−t 1)ln (T−t ' 2)/ (T 2−t 1 )
Sehingga menjadi :
UA2WC =
(T−T 2 )(T−t ' 2 )−(T 2−t 1 ) ln
T−t ' 2T 2−t 1
Susun ulang
UA2WC =
(T−T 2 )(T−T 2 )−( t ' 2−t 1 ) ln
(T−t ' 2 )(T 2−t 1)
=
11−( t ' 2−t 1 )/(T−T 2 ) ln
T−t ' 2T 2−t 1
28
Alat Penukar Kalor [Year]
RI =
(T−T 2)(t2
I −t1 ) =
wc2WC
UA2WC =
R I
R I−1 ln
T−t2I
T2−t1 (11)
Begitu juga untuk exchanger II
QII = WC(T1 – T) =
UA2 x LMTDII (12)
LMTDII =
(T 1−t2II )−(T−t1)
ln (T1−t2II ) / (T−t1) (13)
Karena
RII =
T1−T
t2II−t1
= wc2WC
Maka,
UA2WC
= R II
R II−1ln
T 1−t2II
T−t1 (14)
29
Alat Penukar Kalor [Year]
Karena c dan C diasumsikan konstan,
RI = RII = R' =
wc2WC (15)
Karena
SI =
t2I−t1
T−t1 MI =
T−T2
T−t 1
Maka
MI = R'SI
Begitu juga. maka :
SII =
t2II−t1
T1−t1 MII =
T1−T
T1−t 1
R'dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang-ulang dalam
hasil dari perbedaan temperature Δt dari LMTD. S adalah perbandingan dari fluida dingin
sampai meliputi temperature maksimum, belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua
temperature inlet, T1 dan t1
30
Alat Penukar Kalor [Year]
Tetapi
MII = R' SII
1 - SI =
T−t2I
T−t1
=T−t1
T−t1
−t2
I−t1
T−t1
T−t2I
T2−t1
= 1−SI
1−R' SI
Dan dari persamaan (11)
UA2WC
= R '
R'−1ln
1−SI
1−R' S I (16)
Dan dari persamaan (14)
UA2WC
= R '
R'−1ln
1−SII
1−R' S II (17)
Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)
1−SI
1−R' SI= 1−S II
1−R ' SII
31
Alat Penukar Kalor [Year]
Oleh karena itu
SI = SII
MI = MII
Penggabungan persamaan (16) dan (17),
UAWC
= 2 R '
R'−1ln
1−SI
1−R ' SI= 2R '
R'−1ln
T−t2I
T 2−t1 (17.a)
Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena MI = MII,
T1−T
T1−t 1
=T−T 2
T−t 1
T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0 (18)
Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan
T =
2t 1±√4 t I2−4 t1 [ (T 1+T 2)−4 T1 T 2]
2
= t1±√ (T 1−t1) (T2−t1) (19)
32
Alat Penukar Kalor [Year]
Tanda minus digunakan ketika heaing medium berada dalam pipa, dan tanda plus
digunakan ketika cooling medium berada dalam pipa.
Substitusi untuk T pada persamaan (18),
UAWC
= 2 R '
R'−1ln [ ( R'−1 ) (T 1−t1)+√(T1−t1) (T 2−t1 )
R '√ (T 1−t1) (T 2−t1 ) ]
=
2 R'
R '−1ln [(R '−1
R ' )( T 1−t 1
T 2−t 1)
12+ 1
R' ] (20)
Δt adalah nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi
Q = UA Δt = WC(T1 – T2) (21)
Δt =
QUA
=WCUA (T1−T 2 )
(22)
Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian dari definisi untuk perbedaan temperature
yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 – t1 :
Δt=γ (T1−t1) (23)
Bandingkan persamaan (22) dan (23),
33
Alat Penukar Kalor [Year]
WCUA (T 1−T 2)=γ (T 1−t1)
γ=
WC (T1−T 2)UA (T 1−t1)
Karena M = (T1 – T2) / (T1 – t1), definisikan P' = (T2 – t1) / (T1 – t1) dan
UA/WC = M/γ , sehingga
P' + M = 1 atau M = 1 - P
'
Bandingkan dalam persamaan (21)
UAWC
= 2 R '
R'−1ln [( R'−1
R' )( 1P' )
12+ 1
R' ] (24)
Atau
1−P'
γ=2( R'
R '−1 ) ln [( R'−1R' )( 1
P ' )1
2+ 1R' ]
(25)
Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one series hot stream
dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi
34
Alat Penukar Kalor [Year]
1−P'
γ=2. 3
n R'
R '−1log [( R '−1
R' )( 1P ' )
1n+ 1
R' ] (26.a)
Dimana
R'=T 1−T 2
n (t2−t1 )
Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream,
1−P' '
γ=2 .3
n1−R ' ' log [(1−R' ' ) ( 1
P' ' )1
n+R' ' ] (26.b)
Dimana
P' '=T 1−t2
T 1−t1 dan R' '=
n (T1−T 2)t2−t1
35
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB III
KESIMPULAN
1. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda.
2. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
3. Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:
36
Alat Penukar Kalor [Year]
a. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya
b. laju alir fluida
c. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)
d. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas
tersebut.
4. Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang
dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat
berlangsungnya aliran panas.
5. Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting
piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang
mahal.
DAFTAR PUSTAKA
37
Alat Penukar Kalor [Year]
www. google. id. com. Double Pipe Exchanger.
Kern. 1991. Heat Transfer Process.
Bird. 1985. Transport Phenomena.
Welty, James R.. 2000. Fundamental of Momentum, heat, and Mass Transfer fourt Edition.
Jhon wiley and Sons Inc : Toronto.
38
Alat Penukar Kalor [Year]
39
Alat Penukar Kalor [Year]
Fouling
Dalam ilmu perpindahan kalor fouling adalah pembentukan lapisan deposit pada
permukaan perpindahan panas dari bahan atau senyawa yang tidak diinginkan. Bahan atau
senyawa itu berupa kristal, sedimen, senyawa biologi, produk reaksi kimia, ataupun korosi.
Pembentukan lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan.
Akumulasi deposit pada permukaan alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop
dan menurunkan efisiensi perpindahan panas. Untuk menghindari penurunan performance alat
penukar kalor yang terus berlanjut dan terjadinya unpredictable cleaning, maka diperlukan suatu
informasi yang jelas tentang tingkat pengotoran untuk menentukan jadwal pembersihan
(cleaning schedule).
Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang terangkut
oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat apabila permukaan deposit
yang terbentuk mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Gradien temperatur yang cukup besar
antara aliran dengan permukaan dapat juga meningkatkan kecepatan pertumbuhan deposit. Pada
umumnya proses pembentukan lapisan fouling merupakan phenomena yang sangat kompleks
sehingga sukar sekali dianalisa secara analitik. Mekanisme pembentukannya sangat beragam,
dan metode-metode pendekatannya juga berbeda-beda
Proses Pembentukan
Berdasarkan proses terbentuknya endapan atau kotoran, faktor pengotoran dibagi 5 jenis, yaitu :
1. Pengotoran akibat pengendapan zat padat dalam larutan (precipitation fouling).
40
Alat Penukar Kalor [Year]
Pengotoran ini biasanya terjadi pada fluida yang mengandung garam-garam yang terendapkan
pada suhu tinggi, seperti garam kalsium sulfat, dll.
2. Pengotoran akibat pengendapan partikel padat dalam fluida (particulate fouling).
Pengotoran ini terjadi akibat pengumpulan partikel-partikel padat yang terbawa oleh fluida di
atas permukaan perpindahan panas, seperti debu, pasir, dll.
3. Pengotoran akibat reaksi kimia (chemical reaction fouling).
Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia di dalam fluida, di atas permukaan perpindahan panas,
dimana material bahan permukaan perpindahan panas tidak ikut bereaksi, seperti adanya reaksi
polimerisasi, dll.
4. Pengotoran akibat korosi (corrosion fouling).
Pengotoran terjadi akibat reaksi kimia antara fluida kerja dengan material bahan permukaan
perpindahan panas.
5. Pengotoran akibat aktifitas biologi (biological fouling).
Pengotoran ini berhubungan dengan akitifitas organisme biologi yang terdapat atau terbawa
dalam aliran fluida seperti lumut, jamur, dll.
Akibat pembentukan fouling tersebut, maka kemampuan alat penukar kalor akan mengalami
penurunan. Dalam beberapa kasus, pembersihan lapisan fouling dilakukan secara kimia dan
mekanis. Salah satu cara mekanis yang umum dilakukan adalah dengan metode on-line cleaning
dengan menggunakan bola taprogge
Mekanisme Terjadinya Fouling
Pada umumnya mekanisme terjadinya fouling, pembentukan dan pertumbuhan deposit, terdiri
dari :
a. Initiation, pada periode kristis dimana temperatur, konsentrasi dan gradien kecepatan, zona
deplesi oksigen dan kristal terbentuk dalam waktu yang singkat.
b. Transport partikel ke permukaan
secara mekanik = imfaction
secara turbulen = difusion
Thermophoresis dan Electrophoresis
c. Adhesi dan Kohesi pada permukaan.
41
Alat Penukar Kalor [Year]
d. Migration, berupa perpindahan foulant (bahan atau senyawa penyebab fouling) menuju ke
permukaan, dan berbagai mekanisme perpindahan difusi.
e. Attchment, Awal dari terbentuknya lapisan deposit.
f. Transformation or Aging, periode kristis dimana perubahan fisik ataupun struktur kimia/kristal
dapat meningkatkan kekuatan dan ketahanan lapisan deposit.
g. Removal or Re-entrainment, perpindahan lapisan fouling dengan cara pemutusan, erosi atau
spalling.
Kecepatan aliran dan temperatur fluida (atau beda temperatur) dapat menjadi variabel
signifikan terjadinya fouling. Peningkatan kecepatan menyebabkan transfer massa spesies
fouling dapat meningkat, seiring dengan terbentuknya deposit pada permukaan perpindahan
kalor. Secara terus menerus, shear force pada fluida/permukaan perpindahan kalor meningkat,
melalui mekanisme removal deposit. Temperatur yang digunakan pada alat penukar kalor dapat
mempengaruhi besarnya luasan fouling pada permukaan perpindahan kalor.
Kondisi Terjadinya Fouling
Kondisi yang mempengaruhi terjadinya fouling yaitu :
1. Parameter operasi alat penukar kalor, yaitu: velocity, surface tempareture, dan fluids
temperature.
2. Parameter alat penukar kalor, yaitu: Konfigurasi alat penukar kalor, permukaan material, dan
struktur permukaan.
3. Fluids properties, yaitu : Suspended solid, Dissolved solid, Dissolved gases, dan Trace element.
Deposit partikel pada permukaan perpindahan kalor banyak dijumpai pada aliran gas-
partikel dengan temperatur tinggi. Proses terjadinya fouling ini dapat ditemukan di power plant
system seperti di economizer, superheater, peralatan penukar kalor pipa air pendingin, dan
beberapa proses di industri kimia. Salah satu contoh adalah fenomena fouling pada boiler.
Partikel yang dikenal dengan fly ash (abu terbang) berasal dari sisa hasil pembakaran batubara di
boiler. Fly ash ini tersuspensi dalam aliran gas yang kemudian akan masuk ke peralatan penukar
kalor. Aliran gas-fly ash ini akan membentuk lapisan deposit/fouling pada dinding luar tube.
Tiga modus utama ash transport dalam pembentukan lapisan deposit yaitu:
1. Inertial and eddy impaction, modus ash transport ini dapat membentuk tipe fouling deposit
jenis Upstream dan downstream.
42
Alat Penukar Kalor [Year]
2. Vapor-phase and small-particle diffusion, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit
jenis Inner Layer.
3. Thermophoresis/Electrophoresis, modus ash transport ini dapat membentuk tipe deposit jenis
Inner Layer.
mekanisme terbentuknya deposite partikel pada dinding luar tube
Lapisan deposit paling tebal terdapat pada bagian depan tube (upstream) atau pada sudut
0o. Jumlah deposit partikel yang jatuh (removed) semakin besar dengan semakin besarnya sudut
sampai pada sudut 90o. Untuk sudut mendekati nol, kecepatan aliran adalah minimal, sehingga
daya lepas deposit partikel (detaching force) karena aerodynamic force dapat diabaikan (Anatoli
D. Zimon). Untuk sudut mendekati 90o, boleh dibilang hampir semua deposit partikel jatuh, hal
ini disebabkan oleh impact dari pergerakan partikel. Sebaliknya ketika aliran melalui sisi bagian
atas tube, detaching force meningkat sesuai dengan kecepatan aliran, dimana pada sisi ini
kecepatan aliran adalah maksimum.
Setelah deposit mencapai kondisi jenuh pada waktu tertentu, sejumlah deposit pada
bagian depan (upstream) terjatuh, namun tidak semua bagian dari deposit itu terjatuh. Setelah itu
terbentuk lagi deposit, kemudian setelah mencapai kondisi jenuh, terjatuh lagi. Fenomena ini
terus berulang-ulang, dan keadaan akhir distribusi ketebalan deposit.
Cara Mengurangi Fouling pada Heat Exchanger
Berikut ini adalah cara mengurangi terjadinya fouling pada Heat Exchanger , yaitu :
1. Pemilihan heat exchanger ( HE ) yang tepat, Penggunaan beberapa tipe HE tertentu dapat
mengurangi pembentukan fouling di karenakan area dead space yang lebih sedikit dibandingkan
43
Alat Penukar Kalor [Year]
dengan tipe yang lainnya, seperti plate dan spiral heat exchanger, namun begitu jenis HE
tersebut hanya dapat menangani design pressure sampai 20 – 25 bar dan design temperature 250 oC ( plate ) dan 400 oC ( spiral ).
2. Gunakan diameter tube yang lebih besar. STHE umumnya didesain dengan ukuran tube dari 20
mm atau 25 mm, untuk penggunaan fluida yang kotor ( fouling resistance > 0.0004 h-m2 C/kal )
gunakan tube dengan diameter ( minimum ) 25 mm ( outside diameter, OD )
3. Kecepatan tinggi, seperti yang telah di jelaskan di atas bahwa pada kecepatan tinggi, fouling
dapat dikurangi, koefisien heat transfer juga akan semakin tinggi, namun demikian
mengoperasikan HE dengan kecepatan tinggi mengakibatkan pressure drop yang tinggi pula
serta erosi , kenaikan pressure drop lebih cepat dari pada kenaikan koefisien perpindahan panas,
maka perlu dicari kecepatan yang optimum.
4. Margin pressure drop yang cukup. Pada HE yang digunakan untuk fluida yang berpotensi
membentuk fouling yang tinggi, disarankan untuk menggunakan margin 30 – 40 % antara
pressure drop yang diijinkan ( allowable ) dengan pressure drop yang dihitung ( calculated ) hal
ini dilakukan untuk antisipasi pressure drop yang tinggi akibat penggunakan kecepatan yang
tinggi.
5. Gunakan tube bundle dan heat exchanger cadangan. Jika penggunaan HE untuk fluida yang
berpotensi membentuk fouling yang sangat ekstrim, maka tube bundle candangan sebaiknya
digunakan. Jika fouling telah terjadi cukup cepat ( setiap 2 – 3 bulan ) maka sebaiknya digunakan
HE cadangan. STHE cadangan juga diperlukan untuk tipe STHE Fixed tubesheet ( pembentukan
fouling yang tinggi pada tube , seperti pada reboiler thermosiphon vertikal yang menggunakan
fluida polimer seperti pada Butadiene plant).
6. Gunakan 2 shell yang disusun secara paralel. dengan penggunaan STHE dimana Shell disusun
secara seri, maka jika salah satu STHE telah terjadi penumpukan ( akumulasi ) fouling ( dimana
STHE tersebut diservice ) maka STHE yang satunya lagi dapat digunakan, walaupun tentunya
terjadi penurunan output, sebaiknya kapasitas yang digunakan masing- masing antara 60 – 70 %
dari kapasitas total
7. Gunakan Wire Fin tube. Penggunaan Wire fin tube,dapat mengurangi terbentuknya fouling,
pada awalnya penambahan wire fin tube ini digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas
tube pada aliran laminar. Wire fin dapat menaikkan pencampuran radial ( radial mixing ) dari
44
Alat Penukar Kalor [Year]
dinding tube hingga kebagian centre ( tengah ), efek gerakan pengadukan inilah yang dapat
meminimalisasikan deposit pada dinding tube.
8. Gunakan Fluidized Bed HE, HE tipe ini dapat menghandle fouling yang ekstrim.Apabila Fluida
kotor ditempatkan pada shell.
9. Gunakan U-Tube atau Floating head. Kelemahanan penggunaan U tube adalah kesulitan
pembersihan pada bagian U.
10. Gunakan susunan tube secara Square atau Rotate Square. susunan square menyediakan
akses yang lebih sehingga cleaning HE secara mechanical dengan menggunakan Rodding atau
hydrojetting baik pada susunan triangle, namun begitu tube yang disusun secara square
memberikan koefisien heat transfer yang rendah, untuk situasi seperti ini , maka rotate square
dapat digunakan.
11. Meminimalisasikan dead space dengan desain baffle secara optimum. STHE lebih mudah
mengalami Fouling dikarenakan adanya dead space, oleh sebab itu , penentuan jarak antar baffle
( baffle spacing ) dan baffle cut sangatlah penting, kedua variable tersebut sangat berpengaruh
dalam pentuan besar kecilnya koefisien perpindan panas pada shell. Nilai Baffle cut sebaiknya
digunakan antara 20 -30 %, dimana baffle cut sebesar 25 % adalah nilai yang cukup baik sebagai
starter. Untuk perpindahan panas yang hanya melibatkan panas sensible ( seperti heater atau
cooler ) disarankan tidak menempatkan posisi baffle secara vertikal, untuk perpindahan panas
yang melibatkan panas laten atau terjadinya perubahan fase ( seperti condenser, vaporizer )
disarankan untuk menempatkan posisi baffle secara vertikal.
12. Kecepatan tinggi, sama seperti pada tube, pengunaan kecepatan tinggi pada shell akan dapat
mengurangi pembentukan fouling, dan dapat menaikkan koefisien perpindahan panas shell.
Kecepatan pada shell umumnya ( disamping faktor lain seperti tube pitch dan lain –lain )
dipengaruhi oleh diameter shell dan baffle spacing.
13. Gunakan tube pitch yang lebih besar untuk fouling yang lebih sangat tinggi. Umumnya tube
pith yang digunakan adalah sebesar 1.25 kali dari OD untuk triangular pitch dan 6 mm lebih dari
OD untuk square.
45
Alat Penukar Kalor [Year]
46
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB I
PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari-hari perpindahan energi mendapat penerapan yang luas sekali,
dalam berbagi bidang dan pada berbagai tingkat kerumitan. Hampir tidak ada alat, baik dalam
pabrik maupun di rumah tangga, yang tidak bersangkutan dengan perpindahan energi.
Energi dikenal dalam berbagai bentuk, beberapa diantaranya yang dijumpai dalam bidang teknik
kimia ialah :
Energi dalam
Energi kinetic
Energi potensial
Energi mekanis
Panas
Dalam bidang teknik kimia didapati banyak masalah perpindahan panas. Pengetahuan
tentang mekanisme perpindahan panas mutlak diperlukan unuk dapat memahami peristiwa-
peristiwa yang berlangsung dalam : pemanasan, pendinginan, pendidihan, pengeringan, distilasi,
evaporasi, kondensasi dan lainlainnya.
Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, yaitu :
Konduksi (secara molekuler)
Konveksi (secara aliran)
Radiasi (secara gelombamng elektromagnetik)
47
Alat Penukar Kalor [Year]
Konduksi
Dalam konduksi, panas dapat dikonduksi melalui solids, liquids, dan gases. Panas
dikonduksi oleh perpindahan panas energi gerak molekul-molekul yang berdekatan. Dalam gas
“hotter” molucelus, yang sama memiliki energi kinetic yang lebih besar memberi energinya ke
molekul terdekat yang berada pada level terendah. Contoh : perpindahan panas melalui dinding
heat exchangers atau sebuah refrigerator dan perlakuan panas pada steel forgings.
Konveksi
Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya
yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya
gesekan. Contoh : perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran(eddy) aliran turbulen dan oleh arus
udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator (pemanas) biasa.
Radiasi
Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui ruang oleh
gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak
ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain enrgi, dan ia tidak akan pula terbelok
dari lintasannya. Contoh : permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan sebagian
radiasi yang jatuh padanya.
Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda.
Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Alat-alat penukar
panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.
Double pipe heat exchanger dapat disusun dengan tiga cara, yaitu :
48
Alat Penukar Kalor [Year]
4. Susunan seri
5. Susunan pararel
6. Susunan seri-pararel
BAB II
TINAJAUAN PUSTAKA
Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu
pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan
pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila
ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke
temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi,
dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium
perpindahan panas. Panas akaan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel yang
lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena
terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan
aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik. Ada
beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas
tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.Penukar panas
jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950- N. Banyak penelitian yang
telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi yang digunakan
adalah air.
49
Alat Penukar Kalor [Year]
Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang terjadi antara
dua fluida yang berbeda temperaturnya. Alat yang digunakan adalah penukar panas (heat
exchanger). Penukar panas adalah peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas
dari dua fluida yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua
fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng
pemisah/ sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas,
dan gas-gas. Dalam melakukan perancangan penukar panas harus diperhitungkan factor
perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekanis untuk mengatasi gaya gesek
dan menggerakkan fluida. Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar
(fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang
dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk
fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energy mekanik dapat lebih besar
dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat
mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan.
Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/ gaskette plate
(umumnya disebut plate exchanger), spiral plate, dan lamella. Kesamaan dari ketiga konfigurasi
ini adalah permukaan pemindahan panas sama-sama terdiri dari paralel lempeng logam yang
dipisahkan permukaan kontak dan panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran
tipis.
Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas lebih
baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini adalah:
1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida
2. memiliki laju perpindahan panas yang tinggi
3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.
50
Alat Penukar Kalor [Year]
Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit proses
dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju perpindahan
panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien
perpindahan panas keseluruhan (U). Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan
menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju
alir massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang
bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan
Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan
perpindahan panas tidak efektif.
II.1. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas
Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:
1. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya
2. laju alir fluida
3. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)
4. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas
tersebut.
Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa
dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi potensial, dan nergi
kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan neraca energi.
Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor
Q= m (Hb-Ha) ….................(1)
Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut
51
Alat Penukar Kalor [Year]
Q=
qt = laju perpindahan kalor ke dalam arus
Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.
Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi salah satu
dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih
dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekiktar dibuat sekecil mungkin dengan
isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang
melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi
tersebut, perpindahan kalor pada fluida panas adalah:
mh (Hhb – Hha) = qh
sedangakan untuk fluida dingin adalah :
mc (Hcb – Hca) = qc
Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima kalor
sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang terbuang ke
lingkungan, maka
qc = -qh
Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah
mh Cph (Thb – Tha) = mc Cpb.(Tcb – Tca) = qc
Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang
dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya
52
Alat Penukar Kalor [Year]
aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks kalor. Bila fluida dipanaskan
atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika
fluida itu sedang mengalami pemanasan, suhu minimum terdapat pada dinding pemanas, dan
meningkat berangsur sampai ke pusat. Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan
fluida yang mengalir melalui penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik
sehingga didapatkan satu suhu yang seragam.
Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (∆T). Th adalah
suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin. Perbedaan suhu tersebut
disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam suatu alat penukar panas ∆T tersebut
berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA
sebanding dengan nilai ∆T pada tiap titik menurut persamaan
dqda = U.∆T ………….……...(2)
U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall).
Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa pengandaian untuk
penyederhanaan antara lain :
1. Koefisien U bernilai konstan
2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan
3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan
4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah
53
Alat Penukar Kalor [Year]
Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai ∆T harus kecil karena
sebetulnya parameter-parameter tersebut merupakan fungsi suhu. Perhitungan ∆T ini dihitung
secara LMTD.
II.2. Alat pertukaran kalor
Pada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan berbagai ragam
cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksi-
konveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel didih (boiler) dan condenser (condesor)
, radiasi di dalam tungku (furnance) dan pengering kalor radiasi (radiant –heat dryer) dan dengan
berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam
kondisi keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya
siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjana –proses pengaduk.
Pada bagian akan membahas akan membahas berbagai jenis peralatan yang penting-
penting, terutama bagi insiyur yang bergerak di bidang proses : penukar kalor berbentuk tabung
(tubular exchanger) dan berbagai berbentuk plat (plate exchanger) , kondensor, ketel didih dan
kalandria (calandria) peranti-peranti perpindahan kalor mekanik dan reactor kimia berbentuk
tabung. Evaporator (peralatan penguapan) mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung.
Evaporator (peralatan penguapan)
Alat penukar panas pipa dan alat penukar panas shell and tube merupakan alat penukar
panas yang paling luas penggunaanya. Hal ini disebabkan oleh lebarnya rentang suhu dan
tekanan media pemanas yang pada hakekatnya dibatasi oleh ketahanan bahan dasar alat. Selain
itu alat penukar panas ini dapat disesuaikan untuk keperluan pengoperasian yang khusus (seperti
kemungkinan pembersihan yang mudah dilakukan, pembongkaran) yaitu dengan mengubah
konstruksi secara sederhana.
54
Alat Penukar Kalor [Year]
Biaya pembuatannya relative rendah dibandingkan dengan jenis kontruksi lainnya. Suatu
hal yang tidak disukai pada pertukaran panas pada melalui pip[a dalam industi kimia adalah
seringnya terjadinya kebocoran pada saat digunakan media yang sangta panas atau yang sangat
dingin.kebocoran terjadi pada pipa yang tidak atau hanya diberi sedikit bahahn isolasi. Tetapi
dalam hal itui perpindahan panas yang terjadi kecil ,karena udara sekeliling tidak banyak
bergerak dan udara merupakan penghantar panas yang bruk. Meskipu demikian alat penukar
panas yang prinsip kerjanya serupa tetap dibuat.
II.3. Rancangan umum peralatan pertukaran kalor
Perancangan dan pengujian peralatan praktis untuk pertukaran kalor didasarkan atas
prinsip-prinsip yang diberikan materi kulaih perpindahan panas. Pertama, harus dibuat dulu
neraca bahan dan neraca energy. Dari hasil neraca itu, dihitung selanjutnya adalah koefisien
perpindahan kalor secara menyeluruh, beda suhu rata-rata, dan dalam peralatan siklus
(daur) ,waktu siklusnya. Dalam peranti-peranti sederhana ,besaran-besaran ini dapat dievaluasi
dengan mudah dengan ketelitian yang cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi
ini mungkin tidak mudah dan cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini
mungkin tidak mudah dan mengandung berbagai ketakpastian. Rancangan akhir hampir selalu
merupakan kompromi yang didasarkan atas pertimbangan keteknikan guna memberikan unjuk
kerja menyeluruh yang terbaik dari berbagai segi persyaratan tugas kerjanya.
Kadang-kadang rancangan itu ditentukan oleh berbagai pertimbangan yang hampir tidak
ada hubungannya sama sekali demgam perpindahan kalor seperti umpamanya ruang yang
55
Alat Penukar Kalor [Year]
tersedia untuk menempatkan peralatan itu atau penurunan tekanan yang dapat diperbolehkan
dalam arus fluida. Penukar kalor jenis tabung pada umumnya dirancang sesuai dengan berbagai
standard dan kode seperti standards of the turbulen exchanger , manufacturing association
(TEMA) standar asosiasi pembuat penukar kalor jenis tabung dan ASME –API ( unfired
Pressure Vessel Code) kode benjana tanpa api dari ASME-API
PENUKAR KALOR
Penukar kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak digunakan dalam
industry pengolahan sedemikian rupa sehingga rancangannya pun sudah sangat berkembang.
Standar- standar yang telah disusun dan diterima oleh TEMA sudah ada dan meliputi perincian
mengenai bahan kontruksi ,metode kontruksi, teknik perancangan dan dimensi-dimensi dari
penukar kalor. Bagian berikut ini akan menguraikan beberapa jenis penukar kalor yang penting-
penting saja dan membahas prinsip-prinsip yang berkenan dengan segi keteknikan, perancanagn
dan operasinya.
Penukar kalor lintas tunggal
Penukar kalor pipa-rangkap (double pipe exchanger) yang sederhana ternyata tidak
memadai untuk laju aliran yang lebih besar dari yang dapat ditangani dengan beberapa buah
tabung saja. Jika kita menggunakan banyak penukar kalor pipa rangkap secara parallel, bobot
logam yang digunakan sebgaia pipa luar akan menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan
konstruksi selongsong dan tabung (shell-tube) dimana satu selongsong melayani sejumlah tabung
sekaligus akan menjadi lebih ekonomis. Penukar kalor ini , karena hanya melakukan satu lintas
disebelah selongsong dan satu lintas pula di dalam tabung disebut penukar kalor.
Dalam penukar kalor ini koefisien perpindahan kalor sisi selongsong ( sebelah ke
selongsong) dan koefiosien sisi tabung sama-sama penting dan keduanya harus cukup besar agar
koefisien menyeluruh yang memuaskan dapat tercapai. Kecepatan dan kertubelanan zat cair sisi
56
Alat Penukar Kalor [Year]
selongsong juga tidak kalah pentingnya dari kecepatan dan kertubelenan zat cair sisi tabung.
Untuk meningkatakan aliran silang dan menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi selongsong
maka pada selongsong itu dipasang sekat--sekat. Dalam kontruksinya sekat-sekat terbuat dari
lembaran logan berbentuk piring bundar yang satu sisnya dipotong. Dalam praktek biasanya
segmen itu dipotong pada tinggi seperempat diameter selongsong. Sekat-sekat demikian disebut
sekat 25 persen (25 persen baffles) . Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan
tabung-tabung. Agar kebocoran dapat dibuat minimum ruang bebas pemasangan antara sekat dan
selongsong dan tabung harus dibaut sekecil mungkin. Sekat itu ditunjang oleh sebuh atau
beberapa buah batangan pemandu C yang dipasangkan diantara kedua plat tabung (tube sheet)
dan dengan sekrup pengencang. Agar sekat-sekat itu terpasang erat ditempatnya pada batangan
itu dipasang pula potongan-potongan tabung pendek sebagai penjaga jarak anatara sekat-sekat.
Dalam merakit penukar kalor itu plat tabung harus dipasang terlebih dahulu lalu berturut-turut
batangan penunjang, penjarak (tabung penjaga jarak) dan sekat dan barulah tabung-tabungnya.
Peti gasket (stuffing Box) gunanya adalah untuk menampung kemungkinan ekspansi
tabung itu. Tetapi kontruksi ini hanya praktis untuk selongsong kecil. Alat penukar panas pipa
ganda terdiri atas dua pipa konsentris yang ujungnya-ujungnya dilas menjadi satu atau
dihubungkan dengan kontak-kontak penyekat (stuffing box). Tidak seperti pada kontruksi pipa
lurus yang pada panjangnya-panjangnya tertentu harus dipasangi elemen kompensasi pemuaian ,
pada kontruksi yang berbentuk kumparanhal itu sudah ada dengan sedirinya.
Alat penukar panas pipa ganda seringkali digunakan sebagai saluran penghubung antar
alat yaitu bila cairan panas tidak boleh terdinginkan pada waktu transportasi. Alat pertuakaran
panas jenis ini digunakan sebagai alat pemanas atau pendingin yang sesunguhnya bila diinginkan
laju alir yang kecil dan trekanan yang tinggi.
II.4 Counterlow – double pipe heat exchangers
Definisi
57
Alat Penukar Kalor [Year]
Peralatan transfer panas dapat didefinisikan tergantung pada keseluruhan fungsinya dalam suatu
proses.
Peralatan transfer panas :
h) Exchangers
Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling water. Steam
dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan fungsinya dalam aliran
produk yang dapat direcoery.
i) Heaters
Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu digunakan
sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar minyak dapat digunakan
untuk tujuan yang sama.
j) Coolers
Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering digunakan
adalah air
k) Condenser
Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent disamping panas
sensible.
l) Reboiler
Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi sebagai panas
latent.
m) Evaporator
Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air.
n) Vaporizer
Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan vaporizer.
58
Alat Penukar Kalor [Year]
Gambar Double Pipe Exchanger
Bagian-bagian paling penting dari 2 sets pipa konsentris, 2 tees yang dihubungkan,
sebuah return head, sebuah bend. Inner pipa dihubungkan dengan outer pipa dengan packing
glands dan fluida masuk ke inner pipa melalui threaded connection yang letaknya diluar bagian
section exchanger.
Tees (fitting) memiliki nozzles atau penghubung baut yang mengatur masuk dan keluar
dari annulus fluid dimana aliran berlawanan dari sisi satu ke sisi yang lain melalui return head.
Inner pipa yang panjang diubungkan dengan return bend yang selalu di expose dan tidak
menyediakan permukaan perpindahan panas yang efektif.
Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting
piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang mahal.
Ukuran standard dari Tees dan return head dapat dilihat dari tabel dibawah ini.
Outer Pipe, IPS Inner pipa, IPS
2 1,75
59
Alat Penukar Kalor [Year]
2,5 1,75
3 2
4 3
Double pipe exchanger selalu dipasang dalam 12ft, 15ft atau 20ft panjang efektif.
Panjang efektif menjadi jarak setiap lengan dimana heat transfer terjadi dan memasuki inner
pipa yang menjulang dari inner pipe ke bagian exchanger.
Kerugian yang sangat prinsip terjadi didalam penggunaan double pipe exchangers
terdapat sejumlah kecil transfer panas pada permukaan yang dilapisi single hairpin. Ketika
peralatan destilasi digunakan pada proses industri banyak tipe yang dibutuhkan.
Jumlah panas yang dibutuhkan permukaan dan seiap double pipe exchangers mengatakan
bahwa tidak lebih dari 14 ponts kekeurangna yang tidak boleh terjadi.
II.5 Koefisien Film Untuk Fluida Dalam Pipa Dan Tube
Persamaan (3.42) ditemukan untuk beberapa panas minyak didalam pipa berdasarkan
data Morris dan Whitman. Sieder dan Tate membuat sebuhan hubungan antara koefisien
pemanasan dan pendinginan, pada prinsipnya fraksi minyak didalam orizontal dan ertikal tubes
dan termasuk ke dalam persamaaan aliran dimana DG/μ < 2100
hi D
k=1. 86 [( DG
μ )( cμk )( D
L )]13 ( μ
μw)0 . 14
=1 .86 ( 4 wcπ kL )
13 ( μ
μw)0 .14
……….. (3)
60
Alat Penukar Kalor [Year]
Dimana :
L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi
Persamaan (1) meberikan definisi maksimum dengan rata-rata ±12% dari Re = 100 ke Re =
2100 kecuali untuk air. Sekitar range transisi data mungkin terjadi aliran turbulen
hi D
k=0 . 027( DG
μ )0.8
( cμk )
13 ( μ
μw)0 .14
(1’) didapat D’e =
4 π (D22−D1
2 )4 π (D2+D1)
=(D2−D1 ). ....................... .....(.4)
(2’)Hitung frictional Reynolds number, Re’a = D’eGa/μ.
(3’) ∆Fa = 4fG2L/2gρ2D’e, ft.
(4’) pintu masuk dan keluar, one velocity head per hairpin:
∆Fl =
V 2
2 g 'ft /hairpin
(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.
(5’) mass velocity, Ga = w/aa, lb/(hr)ft2)
(6’) Didapat μ pada Tc atau tc, lb/(hr)ft) = centipoises x 2,42. Dari Dc ft, Ga lb/(hr)ft2), μ
lb/(hr)(ft) didapat Reynolds number,
61
Rea=De .Ga
μ
Alat Penukar Kalor [Year]
(7’) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c μ/k)-1/3(μ/ μw)-0,14 vs DeGa/ μ, didapat jH
(8’) Dari c, μ, dan k, semua didapat pada Tc atau tc untuk menghitung (c μ/k)1/3
(9’) Untuk mendapatkan ho, kalikan jH dengan (k/De) (c μ/k)1/3( = 10) atau
hoDek ( cμ
k )−1
3 μϖw
−0,14 kDe ( cμ
k )1
3 x1,0=hoBtu/ (hr ) ( ft2 ) (¿ o F )
Overall coefficient:
(10’) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft2)(oF).
(11’) hitung UD dari 1/UD = 1/Uc + Rd
(12’) hitung A dari Q = UD A ∆t yang bisa diartikan panjang.
Perhitungan ∆P. Harus diketahui total panjang dari alur untuk keperluan perhitungan
heat-transfer
Bagian dalam pipa:
(3) untuk Rep pada nomor (6) diatas didapat f dari persamaan (3.46) atau (3.47b)
(4) ∆Fp = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5)
∆Fpρ/144 = ∆Pp, psi.
Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel
62
Alat Penukar Kalor [Year]
II.6 Faktor Fouling
Overall koefisien perpidahan panas dapat dihitung dari persamaan Fourier dengan
diketahuinya luas permukaan A, Q, dan Δt yang ada pada komdisi prosesnya. Maka U =
QA . Δt .
Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat diperoleh tanpa menggunakan persamaan
Fourier dari dua koefisien film.
Pengabaian tahanan pipe-wall :
63
Alat Penukar Kalor [Year]
1U = Rio + Ro =
1hio +
1ho …………(6)
U =
hio . ho
hio+ho ……………….………….(7)
Ketika perpindahan panas berjalan terhadap fungsi waktu, pengotor dan scale deposit
pada bagian dalam pipa, penambahan resistance dua atau lebih tahanan dimasukkan dalam
perhitungan U pada persamaan (6).
Penambahan resistance akan mengurangi harga orginal U, dan dikehendaki besarnya
panas tidak lebih besar dari yang ditansfer oleh luas permukaan A. T2 mengalami kenaikan dan
t2akan turun pada temperature outlet, meskipun hi dan hokonstan. Untuk mengatasi hal ini,
biasanya peralatan didesain untuk mengantisipasi deposisi dari pengotor dan scale oleh
penempatan resistansi Rdyang disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.
Rdi menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan Rdo menjadi factor
annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.
Harga U diperoleh dari persamaan (7) hanya
1hio dan
1ho dapat dipertimbangkan dengan
"clean overall coefficient" yang ditunjukkan oleh UC yang memperlihatkan bahwa factor
pengotor belum dihitung. Koefisien yang meliputi tahanan factor pengotor disebut desain atau
dirty overall coefficient UD. harga A yang megkorespondensi untuk UD lebih sering digunakan
dari pada UC.
Hubungan antara UC dan UD adalah sebagai berikut :
64
Alat Penukar Kalor [Year]
1UD =
1UC + Rdi + Rdo
Atau dapat disetting :
Rdi + Rdo = Rd …………………(8)
1UD =
1UC + Rd ………………(9)
Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai h i dan ho dapat diperkirakan
sekitar 300 dan 100, maka :
1UC =
1hio +
1ho = 0,0033 + 0,01 = 0,0133
Atau UC =
10 ,0133 = 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Rdi = 0,001 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Rdo = 0,0015
Rd = Rdi + Rdo = 0,0025
Sehingga :
1UD =
1UC + Rd =
175 ,0 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Atau
65
Alat Penukar Kalor [Year]
1UD =
10 ,158 = 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah :
Q = UD . A . Δt …..................(10)
II.7 Tekanan Jatuh Pada Suatu Pipa Dan Pipa Beranulus
Tekanan jatuh pada pipa di dalam exchanger memudahkan kita untuk mengendalikan
suatu fluida melalui exchanger. Pompa dapat kita gunakan di dalam proses fluida untuk
mencukupkan kapasitas yang diinginkan karena adanya kapasitas yang hilang diakibatkan oleh
gaya gesekan yang terjadi disebabkan oleh pemipaan, sambungan pipa, control regulator dan
tekanan jatuh di dalam exchanger itu sendiri
Tekanan jatuh pada suatu pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fanning. Untuk
tekanan jatuh pada fluida yang mengalir pada suatu annulus, dengan menggantikan nilai D pada
bilangan Reynolds dengan Dc untuk mendapatkan nilai f. Persamaan Fanning yang baru adalah :
ΔF= 4 fG2 L
2 gρ2 D'c
II.8. Perhitungan Pada Double Pipe Heat Exchanger
Persamaaan – persamaan yang telah ada sebelumnya dapat kita kombinasikan menjadi
perhitungan double pipe heat exchanger. Perhitungan sederhana dari jenis exchanger ini adalah
menghitung ho dan hio untuk mendapatkan Uc. Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan Fourier Q=U p AΔt
Biasanya permasalahan pertama adalah menentukan dimana fluida harus diletakkan
didalam annulus atau di dalam pipa dalam. Hal ini akan memepercepat dengan menentukan
ukuran yang sesuai dan laju daerah untuk kedua aliran. Untuk tekanan jatuh yang bernilai sama
66
Alat Penukar Kalor [Year]
pada aliran yang panas dan yang dingin untuk menentukannya haruslah bernilai yang paling
dekat dengan kecepatan massa dan tekanan jatuh. Berikut ini adalah table untuk perkiraan
standard dari diameter double pipe dan daerah laju yang dapat dilewatinya.
Exchanger, IPSFlow area, in2 Annulus, in
Annulus Inner Pipe dc d’c
2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.40
2 ½ x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.81
3 x 2 2.93 3.35 1.57 0.69
4 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53
Bagaimanapun perhitungan pressure drop sebesar 15 atau 20 psi dan malebihi kapasitas
head. Bagaimana kemudian beban panas dapat ditransfer dengan tekanan yang tersedia di head ?
Satu kemungkinan yaitu menggunakan by-pass jadi hanya ¾ atau 2/3 dari fluida saja yang
mengalir melalui exchanger dan reminder melalui by-pass. Ini bukanlah solusi yang ideal, sejak
aliran menurun menyebabkan beberapa kerugian dalam desain. (1) Aliran menurun mengalir
melalui exchanger menurunkan mass velocity Ga dan koefisien ho . Sejak kedua koefisien
tersebut hampir sama, 323 Vs 276, penurunan ukuran manapun dalam Ga menurunkan U c
dengan hampir Ga0,8 . (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus didinginkan
terlebih dahulu, melebihi range yang lebih panjang daripada 160 menjadi 100o F sehingga, pada
pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses memiliki temperatur 100o F. sebagai contoh,
bagian yang berputar malalui annulus mungkin harus didinginkan melebihi range dari 160
sampai 85o F tergantung pada persen by-pass. Temperatur outlet 85o F mendekati bagian dalam
pipa masuk, 80o F sebenarnya, dan perbedaan suhu yang baru pada ∆t1, yaitu 5o F menurunkan
LMTD. Dua efek, penurunan Uc dan LMTD, meningkatkan angka hairpins secara signifikan
meskipun beban panas konstan. Membalikkan lokasi dengan menempatkan benzen dalam
annulus tidak memberikan solusi untuk kasus ini, sejak aliran benzen lebih besar dari aliran
toluen. Kemungkinan dari membalikkan lokasi aliran harus selalu diuji terlebih dahulu.
67
Alat Penukar Kalor [Year]
Satu solusi masih mungkin, bagaimanapun, meskipun semua solusi di atas gagal.
Andaikan bahwa alirannya terlalu besar untuk diakumulasi dalam beberapa exchanger dalam
series dibagi dalam setengah bagian dan tiap bagian melewati tepi satu exschanger melalui
bagian dalam pipa. Membagi aliran menjadi dua bagian sementara menjaga area aliran konstan
menghasilkan sekitar 1-8 dari seri pressure drop, sejak G dan L menjadi dua dan produk G2L
menjadi 1-8. Sementara koefisien film akan menurun juga, perbedaan temperatur yang tidak
diinginkan dari by-passing dapat dihindari, dimana disana terdapat subtansi yang tidak seimbang
antara aliran berat dari dua aliran karena satu beroperasi melebihi range panjang dan yang
satunya melebihi range yang sangat pendek. Aliran besar setiap aliran pararel dapat juga
mengalir melalui beberapa exchanger dalam seri di dalam setiap bank pararel. Bentuk “pararel
stream” seharusnya tidak di rancukan dengan “parael flow”. Bentuk tersebut tertuju pada
pembagian aliran dari satu fluida, sementara yang lainnya tertuju pada arah aliran antara 2 fluida.
Perbedaan Temperatur Sesungguhnya Untuk Susunan Sri-Pararel
LMTD telah menghitung dari T1, T2, t1, dan t2 untuk susunan seri tidak akan sama untuk
susunan seri-pararel. Setengah pipa fluida memasuki bagian atas exchanger II, dimana fluida
annulus panas, dan setengah lainnya masuk melalui bagian bawah heat exchanger I dimana
fluida annulus telah didinginkan sebagian. Sementara exchanger di dalam seri tidak mentransfer
sejumlah panas yang sama, hubungan seri-pararel meskipun merugikan, bagian bawah exchanger
68
Alat Penukar Kalor [Year]
menghitung hanya sedikit panas yang di transfer. Jika perbedaan suhu sebenarnya disebut ∆t,
tida akan sama dengan LMTD untuk kondisi proses meskipun kedua exchanger beroperasi secara
counterflow.
Dengan menganggap kedua exchanger di desain secara I dan II. Suhu intermediet I, dan
produk dan aliran pararel didesain secara t2”; dan t1’. Dan temperatur campuran yaitu t2
Untuk exchanger I, memilkiki setengah dari permukaan
Q1 = WC (T – T2) =
UA2 x LMTD1
Dan
LMTD1 =
(T−t ' )−(T 2−t 1)ln (T−t ' 2)/ (T 2−t 1 )
Sehingga menjadi :
UA2WC =
(T−T 2 )(T−t ' 2 )−(T 2−t 1 ) ln
T−t ' 2T 2−t 1
Susun ulang
UA2WC =
(T−T 2 )(T−T 2 )−( t ' 2−t 1 ) ln
(T−t ' 2 )(T 2−t 1)
69
Alat Penukar Kalor [Year]
=
11−( t ' 2−t 1 )/(T−T 2 ) ln
T−t ' 2T 2−t 1
RI =
(T−T 2)(t2
I −t1 ) =
wc2WC
UA2WC =
R I
R I−1 ln
T−t2I
T2−t1 (11)
Begitu juga untuk exchanger II
QII = WC(T1 – T) =
UA2 x LMTDII (12)
LMTDII =
(T 1−t2II )−(T−t1)
ln (T1−t2II ) / (T−t1) (13)
Karena
RII =
T1−T
t2II−t1
= wc2WC
Maka,
70
Alat Penukar Kalor [Year]
UA2WC
= R II
R II−1ln
T 1−t2II
T−t1 (14)
Karena c dan C diasumsikan konstan,
RI = RII = R' =
wc2WC (15)
Karena
SI =
t2I−t1
T−t1 MI =
T−T2
T−t 1
Maka
MI = R'SI
Begitu juga. maka :
SII =
t2II−t1
T1−t1 MII =
T1−T
T1−t 1
71
Alat Penukar Kalor [Year]
R'dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang-ulang dalam
hasil dari perbedaan temperature Δt dari LMTD. S adalah perbandingan dari fluida dingin
sampai meliputi temperature maksimum, belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua
temperature inlet, T1 dan t1
Tetapi
MII = R' SII
1 - SI =
T−t2I
T−t1
=T−t1
T−t1
−t2
I−t1
T−t1
T−t2I
T2−t1
= 1−SI
1−R' SI
Dan dari persamaan (11)
UA2WC
= R '
R'−1ln
1−SI
1−R' S I (16)
Dan dari persamaan (14)
UA2WC
= R '
R'−1ln
1−SII
1−R' S II (17)
Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)
72
Alat Penukar Kalor [Year]
1−SI
1−R' SI= 1−S II
1−R ' SII
Oleh karena itu
SI = SII
MI = MII
Penggabungan persamaan (16) dan (17),
UAWC
= 2 R '
R'−1ln
1−SI
1−R ' SI= 2R '
R'−1ln
T−t2I
T 2−t1 (17.a)
Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena MI = MII,
T1−T
T1−t1
=T−T 2
T−t1
T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0 (18)
Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan
73
Alat Penukar Kalor [Year]
T =
2t 1±√4 t I2−4 t1 [ (T 1+T 2)−4 T1 T 2]
2
= t1±√ (T 1−t1) (T2−t1) (19)
Tanda minus digunakan ketika heaing medium berada dalam pipa, dan tanda plus
digunakan ketika cooling medium berada dalam pipa.
Substitusi untuk T pada persamaan (18),
UAWC
= 2 R '
R'−1ln [ ( R'−1 ) (T 1−t1)+√(T1−t1) (T 2−t1 )
R '√ (T 1−t1) (T 2−t1 ) ]
=
2 R'
R '−1ln [(R '−1
R ' )( T 1−t 1
T 2−t 1)
12+ 1
R' ] (20)
Δt adalah nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi
Q = UA Δt = WC(T1 – T2) (21)
Δt =
QUA
=WCUA (T1−T 2 )
(22)
Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian dari definisi untuk perbedaan temperature
yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 – t1 :
74
Alat Penukar Kalor [Year]
Δt=γ (T1−t1) (23)
Bandingkan persamaan (22) dan (23),
WCUA (T 1−T 2)=γ (T 1−t1)
γ=
WC (T1−T 2)UA (T 1−t1)
Karena M = (T1 – T2) / (T1 – t1), definisikan P' = (T2 – t1) / (T1 – t1) dan
UA/WC = M/γ , sehingga
P' + M = 1 atau M = 1 - P
'
Bandingkan dalam persamaan (21)
UAWC
= 2 R '
R'−1ln [( R'−1
R' )( 1P' )
12+ 1
R' ] (24)
Atau
1−P'
γ=2( R'
R '−1 ) ln [( R'−1R' )( 1
P ' )1
2+ 1R' ]
(25)
75
Alat Penukar Kalor [Year]
Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one series hot stream
dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi
1−P'
γ=2. 3
n R'
R '−1log [( R '−1
R' )( 1P ' )
1n+ 1
R' ] (26.a)
Dimana
R'=T 1−T 2
n (t2−t1 )
Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream,
1−P' '
γ=2 . 3
n1−R ' ' log [(1−R' ' ) ( 1
P' ' )1
n+R' ' ] (26.b)
Dimana
P' '=T 1−t2
T 1−t1 dan R' '=
n(T1−T 2)t2−t1
76
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB III
KESIMPULAN
77
Alat Penukar Kalor [Year]
3. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda.
4. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
3. Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:
a. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya
b. laju alir fluida
c. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)
d. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas
tersebut.
4. Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang
dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat
berlangsungnya aliran panas.
5. Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting
piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang
mahal.
78
Alat Penukar Kalor [Year]
DAFTAR PUSTAKA
www. google. id. com. Double Pipe Exchanger.
Kern. 1991. Heat Transfer Process.
Bird. 1985. Transport Phenomena.
Welty, James R.. 2000. Fundamental of Momentum, heat, and Mass Transfer fourt Edition.
Jhon wiley and Sons Inc : Toronto.
79
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB I
PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari-hari perpindahan energi mendapat penerapan yang luas sekali,
dalam berbagi bidang dan pada berbagai tingkat kerumitan. Hampir tidak ada alat, baik dalam
pabrik maupun di rumah tangga, yang tidak bersangkutan dengan perpindahan energi.
Energi dikenal dalam berbagai bentuk, beberapa diantaranya yang dijumpai dalam bidang teknik
kimia ialah :
Energi dalam
Energi kinetic
Energi potensial
Energi mekanis
Panas
Dalam bidang teknik kimia didapati banyak masalah perpindahan panas. Pengetahuan
tentang mekanisme perpindahan panas mutlak diperlukan unuk dapat memahami peristiwa-
80
Alat Penukar Kalor [Year]
peristiwa yang berlangsung dalam : pemanasan, pendinginan, pendidihan, pengeringan, distilasi,
evaporasi, kondensasi dan lainlainnya.
Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, yaitu :
Konduksi (secara molekuler)
Konveksi (secara aliran)
Radiasi (secara gelombamng elektromagnetik)
Konduksi
Dalam konduksi, panas dapat dikonduksi melalui solids, liquids, dan gases. Panas
dikonduksi oleh perpindahan panas energi gerak molekul-molekul yang berdekatan. Dalam gas
“hotter” molucelus, yang sama memiliki energi kinetic yang lebih besar memberi energinya ke
molekul terdekat yang berada pada level terendah. Contoh : perpindahan panas melalui dinding
heat exchangers atau sebuah refrigerator dan perlakuan panas pada steel forgings.
Konveksi
Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya
yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya
gesekan. Contoh : perpindahan entalpi oleh pusaran-pusaran(eddy) aliran turbulen dan oleh arus
udara panas yang mengalir melintas dan menjauhi radiator (pemanas) biasa.
Radiasi
Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui ruang oleh
gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong, ia tidak
ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain enrgi, dan ia tidak akan pula terbelok
dari lintasannya. Contoh : permukaan buram, mengkilap atau cermin memantulkan sebagian
radiasi yang jatuh padanya.
81
Alat Penukar Kalor [Year]
Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda.
Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Alat-alat penukar
panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.
Double pipe heat exchanger dapat disusun dengan tiga cara, yaitu :
7. Susunan seri
8. Susunan pararel
9. Susunan seri-pararel
BAB II
TINAJAUAN PUSTAKA
Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu
pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan
pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila
ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke
temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi,
dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium
perpindahan panas. Panas akaan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel yang
lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena
terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan
82
Alat Penukar Kalor [Year]
aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik. Ada
beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas
tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.Penukar panas
jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950- N. Banyak penelitian yang
telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi yang digunakan
adalah air.
Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang terjadi antara
dua fluida yang berbeda temperaturnya. Alat yang digunakan adalah penukar panas (heat
exchanger). Penukar panas adalah peralatan proses yang digunakan untuk memindahkan panas
dari dua fluida yang berbeda dimana perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua
fluida mengalami pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng
pemisah/ sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-gas,
dan gas-gas. Dalam melakukan perancangan penukar panas harus diperhitungkan factor
perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa mekanis untuk mengatasi gaya gesek
dan menggerakkan fluida. Penukar panas untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar
(fluida cair), energi yang hilang akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang
dibutuhkan sehingga pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk
fluida yang rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energy mekanik dapat lebih besar
dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi mekanik dapat
mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan.
Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/ gaskette plate
(umumnya disebut plate exchanger), spiral plate, dan lamella. Kesamaan dari ketiga konfigurasi
ini adalah permukaan pemindahan panas sama-sama terdiri dari paralel lempeng logam yang
dipisahkan permukaan kontak dan panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran
tipis.
83
Alat Penukar Kalor [Year]
Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan panas lebih
baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate ini adalah:
1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida
2. memiliki laju perpindahan panas yang tinggi
3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.
Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan unit proses
dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang memiliki laju perpindahan
panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju perpindahan panas ditentukan nilai koefisien
perpindahan panas keseluruhan (U). Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan
menunjukkan bahwa perubahan fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju
alir massa flue gas konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang
bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada bilangan
Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan menyebabkan
perpindahan panas tidak efektif.
II.1. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas
Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:
1. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya
2. laju alir fluida
3. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)
4. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas
tersebut.
84
Alat Penukar Kalor [Year]
Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa
dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi potensial, dan nergi
kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain dalam persamaan neraca energi.
Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor
Q= m (Hb-Ha) ….................(1)
Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut
Q=
qt = laju perpindahan kalor ke dalam arus
Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu keluar.
Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan asumsi salah satu
dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara sekitar jika fluida itu lebih
dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara sekiktar dibuat sekecil mungkin dengan
isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang
melalui dinding tabung yang memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi
tersebut, perpindahan kalor pada fluida panas adalah:
mh (Hhb – Hha) = qh
sedangakan untuk fluida dingin adalah :
mc (Hcb – Hca) = qc
Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima kalor
sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang terbuang ke
lingkungan, maka
85
Alat Penukar Kalor [Year]
qc = -qh
Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah
mh Cph (Thb – Tha) = mc Cpb.(Tcb – Tca) = qc
Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang
dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat berlangsungnya
aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks kalor. Bila fluida dipanaskan
atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika
fluida itu sedang mengalami pemanasan, suhu minimum terdapat pada dinding pemanas, dan
meningkat berangsur sampai ke pusat. Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan
fluida yang mengalir melalui penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik
sehingga didapatkan satu suhu yang seragam.
Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (∆T). Th adalah
suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin. Perbedaan suhu tersebut
disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam suatu alat penukar panas ∆T tersebut
berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA
sebanding dengan nilai ∆T pada tiap titik menurut persamaan
dqda = U.∆T ………….……...(2)
U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall).
Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa pengandaian untuk
penyederhanaan antara lain :
1. Koefisien U bernilai konstan
86
Alat Penukar Kalor [Year]
2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan
3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan
4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah
Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai ∆T harus kecil karena
sebetulnya parameter-parameter tersebut merupakan fungsi suhu. Perhitungan ∆T ini dihitung
secara LMTD.
II.2. Alat pertukaran kalor
Pada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan berbagai ragam
cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas tahanan listrik, konduksi-
konveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel didih (boiler) dan condenser (condesor)
, radiasi di dalam tungku (furnance) dan pengering kalor radiasi (radiant –heat dryer) dan dengan
berbagai metode khusus seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam
kondisi keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya
siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjana –proses pengaduk.
Pada bagian akan membahas akan membahas berbagai jenis peralatan yang penting-
penting, terutama bagi insiyur yang bergerak di bidang proses : penukar kalor berbentuk tabung
(tubular exchanger) dan berbagai berbentuk plat (plate exchanger) , kondensor, ketel didih dan
kalandria (calandria) peranti-peranti perpindahan kalor mekanik dan reactor kimia berbentuk
tabung. Evaporator (peralatan penguapan) mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung.
Evaporator (peralatan penguapan)
Alat penukar panas pipa dan alat penukar panas shell and tube merupakan alat penukar
panas yang paling luas penggunaanya. Hal ini disebabkan oleh lebarnya rentang suhu dan
87
Alat Penukar Kalor [Year]
tekanan media pemanas yang pada hakekatnya dibatasi oleh ketahanan bahan dasar alat. Selain
itu alat penukar panas ini dapat disesuaikan untuk keperluan pengoperasian yang khusus (seperti
kemungkinan pembersihan yang mudah dilakukan, pembongkaran) yaitu dengan mengubah
konstruksi secara sederhana.
Biaya pembuatannya relative rendah dibandingkan dengan jenis kontruksi lainnya. Suatu
hal yang tidak disukai pada pertukaran panas pada melalui pip[a dalam industi kimia adalah
seringnya terjadinya kebocoran pada saat digunakan media yang sangta panas atau yang sangat
dingin.kebocoran terjadi pada pipa yang tidak atau hanya diberi sedikit bahahn isolasi. Tetapi
dalam hal itui perpindahan panas yang terjadi kecil ,karena udara sekeliling tidak banyak
bergerak dan udara merupakan penghantar panas yang bruk. Meskipu demikian alat penukar
panas yang prinsip kerjanya serupa tetap dibuat.
II.3. Rancangan umum peralatan pertukaran kalor
Perancangan dan pengujian peralatan praktis untuk pertukaran kalor didasarkan atas
prinsip-prinsip yang diberikan materi kulaih perpindahan panas. Pertama, harus dibuat dulu
neraca bahan dan neraca energy. Dari hasil neraca itu, dihitung selanjutnya adalah koefisien
perpindahan kalor secara menyeluruh, beda suhu rata-rata, dan dalam peralatan siklus
(daur) ,waktu siklusnya. Dalam peranti-peranti sederhana ,besaran-besaran ini dapat dievaluasi
dengan mudah dengan ketelitian yang cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi
ini mungkin tidak mudah dan cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini
mungkin tidak mudah dan mengandung berbagai ketakpastian. Rancangan akhir hampir selalu
88
Alat Penukar Kalor [Year]
merupakan kompromi yang didasarkan atas pertimbangan keteknikan guna memberikan unjuk
kerja menyeluruh yang terbaik dari berbagai segi persyaratan tugas kerjanya.
Kadang-kadang rancangan itu ditentukan oleh berbagai pertimbangan yang hampir tidak
ada hubungannya sama sekali demgam perpindahan kalor seperti umpamanya ruang yang
tersedia untuk menempatkan peralatan itu atau penurunan tekanan yang dapat diperbolehkan
dalam arus fluida. Penukar kalor jenis tabung pada umumnya dirancang sesuai dengan berbagai
standard dan kode seperti standards of the turbulen exchanger , manufacturing association
(TEMA) standar asosiasi pembuat penukar kalor jenis tabung dan ASME –API ( unfired
Pressure Vessel Code) kode benjana tanpa api dari ASME-API
PENUKAR KALOR
Penukar kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak digunakan dalam
industry pengolahan sedemikian rupa sehingga rancangannya pun sudah sangat berkembang.
Standar- standar yang telah disusun dan diterima oleh TEMA sudah ada dan meliputi perincian
mengenai bahan kontruksi ,metode kontruksi, teknik perancangan dan dimensi-dimensi dari
penukar kalor. Bagian berikut ini akan menguraikan beberapa jenis penukar kalor yang penting-
penting saja dan membahas prinsip-prinsip yang berkenan dengan segi keteknikan, perancanagn
dan operasinya.
Penukar kalor lintas tunggal
Penukar kalor pipa-rangkap (double pipe exchanger) yang sederhana ternyata tidak
memadai untuk laju aliran yang lebih besar dari yang dapat ditangani dengan beberapa buah
tabung saja. Jika kita menggunakan banyak penukar kalor pipa rangkap secara parallel, bobot
logam yang digunakan sebgaia pipa luar akan menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan
konstruksi selongsong dan tabung (shell-tube) dimana satu selongsong melayani sejumlah tabung
89
Alat Penukar Kalor [Year]
sekaligus akan menjadi lebih ekonomis. Penukar kalor ini , karena hanya melakukan satu lintas
disebelah selongsong dan satu lintas pula di dalam tabung disebut penukar kalor.
Dalam penukar kalor ini koefisien perpindahan kalor sisi selongsong ( sebelah ke
selongsong) dan koefiosien sisi tabung sama-sama penting dan keduanya harus cukup besar agar
koefisien menyeluruh yang memuaskan dapat tercapai. Kecepatan dan kertubelanan zat cair sisi
selongsong juga tidak kalah pentingnya dari kecepatan dan kertubelenan zat cair sisi tabung.
Untuk meningkatakan aliran silang dan menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi selongsong
maka pada selongsong itu dipasang sekat--sekat. Dalam kontruksinya sekat-sekat terbuat dari
lembaran logan berbentuk piring bundar yang satu sisnya dipotong. Dalam praktek biasanya
segmen itu dipotong pada tinggi seperempat diameter selongsong. Sekat-sekat demikian disebut
sekat 25 persen (25 persen baffles) . Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan
tabung-tabung. Agar kebocoran dapat dibuat minimum ruang bebas pemasangan antara sekat dan
selongsong dan tabung harus dibaut sekecil mungkin. Sekat itu ditunjang oleh sebuh atau
beberapa buah batangan pemandu C yang dipasangkan diantara kedua plat tabung (tube sheet)
dan dengan sekrup pengencang. Agar sekat-sekat itu terpasang erat ditempatnya pada batangan
itu dipasang pula potongan-potongan tabung pendek sebagai penjaga jarak anatara sekat-sekat.
Dalam merakit penukar kalor itu plat tabung harus dipasang terlebih dahulu lalu berturut-turut
batangan penunjang, penjarak (tabung penjaga jarak) dan sekat dan barulah tabung-tabungnya.
Peti gasket (stuffing Box) gunanya adalah untuk menampung kemungkinan ekspansi
tabung itu. Tetapi kontruksi ini hanya praktis untuk selongsong kecil. Alat penukar panas pipa
ganda terdiri atas dua pipa konsentris yang ujungnya-ujungnya dilas menjadi satu atau
dihubungkan dengan kontak-kontak penyekat (stuffing box). Tidak seperti pada kontruksi pipa
lurus yang pada panjangnya-panjangnya tertentu harus dipasangi elemen kompensasi pemuaian ,
pada kontruksi yang berbentuk kumparanhal itu sudah ada dengan sedirinya.
Alat penukar panas pipa ganda seringkali digunakan sebagai saluran penghubung antar
alat yaitu bila cairan panas tidak boleh terdinginkan pada waktu transportasi. Alat pertuakaran
90
Alat Penukar Kalor [Year]
panas jenis ini digunakan sebagai alat pemanas atau pendingin yang sesunguhnya bila diinginkan
laju alir yang kecil dan trekanan yang tinggi.
II.4 Counterlow – double pipe heat exchangers
Definisi
Peralatan transfer panas dapat didefinisikan tergantung pada keseluruhan fungsinya dalam suatu
proses.
Peralatan transfer panas :
o) Exchangers
Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling water. Steam
dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan fungsinya dalam aliran
produk yang dapat direcoery.
p) Heaters
Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu digunakan
sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar minyak dapat digunakan
untuk tujuan yang sama.
q) Coolers
Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering digunakan
adalah air
r) Condenser
Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent disamping panas
sensible.
s) Reboiler
91
Alat Penukar Kalor [Year]
Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi sebagai panas
latent.
t) Evaporator
Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air.
u) Vaporizer
Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan vaporizer.
Gambar Double Pipe Exchanger
Bagian-bagian paling penting dari 2 sets pipa konsentris, 2 tees yang dihubungkan,
sebuah return head, sebuah bend. Inner pipa dihubungkan dengan outer pipa dengan packing
glands dan fluida masuk ke inner pipa melalui threaded connection yang letaknya diluar bagian
section exchanger.
Tees (fitting) memiliki nozzles atau penghubung baut yang mengatur masuk dan keluar
dari annulus fluid dimana aliran berlawanan dari sisi satu ke sisi yang lain melalui return head.
Inner pipa yang panjang diubungkan dengan return bend yang selalu di expose dan tidak
menyediakan permukaan perpindahan panas yang efektif.
92
Alat Penukar Kalor [Year]
Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting
piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang mahal.
Ukuran standard dari Tees dan return head dapat dilihat dari tabel dibawah ini.
Outer Pipe, IPS Inner pipa, IPS
2 1,75
2,5 1,75
3 2
4 3
Double pipe exchanger selalu dipasang dalam 12ft, 15ft atau 20ft panjang efektif.
Panjang efektif menjadi jarak setiap lengan dimana heat transfer terjadi dan memasuki inner
pipa yang menjulang dari inner pipe ke bagian exchanger.
Kerugian yang sangat prinsip terjadi didalam penggunaan double pipe exchangers
terdapat sejumlah kecil transfer panas pada permukaan yang dilapisi single hairpin. Ketika
peralatan destilasi digunakan pada proses industri banyak tipe yang dibutuhkan.
Jumlah panas yang dibutuhkan permukaan dan seiap double pipe exchangers mengatakan
bahwa tidak lebih dari 14 ponts kekeurangna yang tidak boleh terjadi.
II.5 Koefisien Film Untuk Fluida Dalam Pipa Dan Tube
Persamaan (3.42) ditemukan untuk beberapa panas minyak didalam pipa berdasarkan
data Morris dan Whitman. Sieder dan Tate membuat sebuhan hubungan antara koefisien
93
Alat Penukar Kalor [Year]
pemanasan dan pendinginan, pada prinsipnya fraksi minyak didalam orizontal dan ertikal tubes
dan termasuk ke dalam persamaaan aliran dimana DG/μ < 2100
hi D
k=1. 86 [( DG
μ )( cμk )( D
L )]13 ( μ
μw)0 . 14
=1 .86 ( 4 wcπ kL )
13 ( μ
μw)0 .14
……….. (3)
Dimana :
L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi
Persamaan (1) meberikan definisi maksimum dengan rata-rata ±12% dari Re = 100 ke Re =
2100 kecuali untuk air. Sekitar range transisi data mungkin terjadi aliran turbulen
hi D
k=0 . 027( DG
μ )0.8
( cμk )
13 ( μ
μw)0 .14
(1’) didapat D’e =
4 π (D22−D1
2 )4 π (D2+D1)
=(D2−D1 ). ....................... .....(.4)
(2’)Hitung frictional Reynolds number, Re’a = D’eGa/μ.
(3’) ∆Fa = 4fG2L/2gρ2D’e, ft.
(4’) pintu masuk dan keluar, one velocity head per hairpin:
∆Fl =
V 2
2 g 'ft /hairpin
(∆Fa + ∆Fl)ρ/144 = ∆Pa, psi.
94
Alat Penukar Kalor [Year]
(5’) mass velocity, Ga = w/aa, lb/(hr)ft2)
(6’) Didapat μ pada Tc atau tc, lb/(hr)ft) = centipoises x 2,42. Dari Dc ft, Ga lb/(hr)ft2), μ
lb/(hr)(ft) didapat Reynolds number,
(7’) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c μ/k)-1/3(μ/ μw)-0,14 vs DeGa/ μ, didapat jH
(8’) Dari c, μ, dan k, semua didapat pada Tc atau tc untuk menghitung (c μ/k)1/3
(9’) Untuk mendapatkan ho, kalikan jH dengan (k/De) (c μ/k)1/3( = 10) atau
hoDek ( cμ
k )−1
3 μϖw
−0,14 kDe ( cμ
k )1
3 x1,0=hoBtu/ (hr ) ( ft2 ) (¿ o F )
Overall coefficient:
(10’) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft2)(oF).
(11’) hitung UD dari 1/UD = 1/Uc + Rd
(12’) hitung A dari Q = UD A ∆t yang bisa diartikan panjang.
Perhitungan ∆P. Harus diketahui total panjang dari alur untuk keperluan perhitungan
heat-transfer
Bagian dalam pipa:
(5) untuk Rep pada nomor (6) diatas didapat f dari persamaan (3.46) atau (3.47b)
95
Rea=De .Ga
μ
Alat Penukar Kalor [Year]
(6) ∆Fp = 4FG2L/2gρ2D,ft ......................(5)
∆Fpρ/144 = ∆Pp, psi.
Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel
II.6 Faktor Fouling
96
Alat Penukar Kalor [Year]
Overall koefisien perpidahan panas dapat dihitung dari persamaan Fourier dengan
diketahuinya luas permukaan A, Q, dan Δt yang ada pada komdisi prosesnya. Maka U =
QA . Δt .
Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat diperoleh tanpa menggunakan persamaan
Fourier dari dua koefisien film.
Pengabaian tahanan pipe-wall :
1U = Rio + Ro =
1hio +
1ho …………(6)
U =
hio . ho
hio+ho ……………….………….(7)
Ketika perpindahan panas berjalan terhadap fungsi waktu, pengotor dan scale deposit
pada bagian dalam pipa, penambahan resistance dua atau lebih tahanan dimasukkan dalam
perhitungan U pada persamaan (6).
Penambahan resistance akan mengurangi harga orginal U, dan dikehendaki besarnya
panas tidak lebih besar dari yang ditansfer oleh luas permukaan A. T2 mengalami kenaikan dan
t2akan turun pada temperature outlet, meskipun hi dan hokonstan. Untuk mengatasi hal ini,
biasanya peralatan didesain untuk mengantisipasi deposisi dari pengotor dan scale oleh
penempatan resistansi Rdyang disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.
Rdi menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan Rdo menjadi factor
annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.
97
Alat Penukar Kalor [Year]
Harga U diperoleh dari persamaan (7) hanya
1hio dan
1ho dapat dipertimbangkan dengan
"clean overall coefficient" yang ditunjukkan oleh UC yang memperlihatkan bahwa factor
pengotor belum dihitung. Koefisien yang meliputi tahanan factor pengotor disebut desain atau
dirty overall coefficient UD. harga A yang megkorespondensi untuk UD lebih sering digunakan
dari pada UC.
Hubungan antara UC dan UD adalah sebagai berikut :
1UD =
1UC + Rdi + Rdo
Atau dapat disetting :
Rdi + Rdo = Rd …………………(8)
1UD =
1UC + Rd ………………(9)
Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai h i dan ho dapat diperkirakan
sekitar 300 dan 100, maka :
1UC =
1hio +
1ho = 0,0033 + 0,01 = 0,0133
Atau UC =
10 ,0133 = 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Rdi = 0,001 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Rdo = 0,0015
Rd = Rdi + Rdo = 0,0025
98
Alat Penukar Kalor [Year]
Sehingga :
1UD =
1UC + Rd =
175 ,0 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu
Atau
1UD =
10 ,158 = 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)
Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah :
Q = UD . A . Δt …..................(10)
II.7 Tekanan Jatuh Pada Suatu Pipa Dan Pipa Beranulus
Tekanan jatuh pada pipa di dalam exchanger memudahkan kita untuk mengendalikan
suatu fluida melalui exchanger. Pompa dapat kita gunakan di dalam proses fluida untuk
mencukupkan kapasitas yang diinginkan karena adanya kapasitas yang hilang diakibatkan oleh
gaya gesekan yang terjadi disebabkan oleh pemipaan, sambungan pipa, control regulator dan
tekanan jatuh di dalam exchanger itu sendiri
Tekanan jatuh pada suatu pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fanning. Untuk
tekanan jatuh pada fluida yang mengalir pada suatu annulus, dengan menggantikan nilai D pada
bilangan Reynolds dengan Dc untuk mendapatkan nilai f. Persamaan Fanning yang baru adalah :
ΔF= 4 fG2 L
2 gρ2 D'c
II.8. Perhitungan Pada Double Pipe Heat Exchanger
99
Alat Penukar Kalor [Year]
Persamaaan – persamaan yang telah ada sebelumnya dapat kita kombinasikan menjadi
perhitungan double pipe heat exchanger. Perhitungan sederhana dari jenis exchanger ini adalah
menghitung ho dan hio untuk mendapatkan Uc. Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan Fourier Q=U p AΔt
Biasanya permasalahan pertama adalah menentukan dimana fluida harus diletakkan
didalam annulus atau di dalam pipa dalam. Hal ini akan memepercepat dengan menentukan
ukuran yang sesuai dan laju daerah untuk kedua aliran. Untuk tekanan jatuh yang bernilai sama
pada aliran yang panas dan yang dingin untuk menentukannya haruslah bernilai yang paling
dekat dengan kecepatan massa dan tekanan jatuh. Berikut ini adalah table untuk perkiraan
standard dari diameter double pipe dan daerah laju yang dapat dilewatinya.
Exchanger, IPSFlow area, in2 Annulus, in
Annulus Inner Pipe dc d’c
2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.40
2 ½ x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.81
3 x 2 2.93 3.35 1.57 0.69
4 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53
Bagaimanapun perhitungan pressure drop sebesar 15 atau 20 psi dan malebihi kapasitas
head. Bagaimana kemudian beban panas dapat ditransfer dengan tekanan yang tersedia di head ?
Satu kemungkinan yaitu menggunakan by-pass jadi hanya ¾ atau 2/3 dari fluida saja yang
mengalir melalui exchanger dan reminder melalui by-pass. Ini bukanlah solusi yang ideal, sejak
aliran menurun menyebabkan beberapa kerugian dalam desain. (1) Aliran menurun mengalir
melalui exchanger menurunkan mass velocity Ga dan koefisien ho . Sejak kedua koefisien
tersebut hampir sama, 323 Vs 276, penurunan ukuran manapun dalam Ga menurunkan U c
dengan hampir Ga0,8 . (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus didinginkan
terlebih dahulu, melebihi range yang lebih panjang daripada 160 menjadi 100o F sehingga, pada
pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses memiliki temperatur 100o F. sebagai contoh,
100
Alat Penukar Kalor [Year]
bagian yang berputar malalui annulus mungkin harus didinginkan melebihi range dari 160
sampai 85o F tergantung pada persen by-pass. Temperatur outlet 85o F mendekati bagian dalam
pipa masuk, 80o F sebenarnya, dan perbedaan suhu yang baru pada ∆t1, yaitu 5o F menurunkan
LMTD. Dua efek, penurunan Uc dan LMTD, meningkatkan angka hairpins secara signifikan
meskipun beban panas konstan. Membalikkan lokasi dengan menempatkan benzen dalam
annulus tidak memberikan solusi untuk kasus ini, sejak aliran benzen lebih besar dari aliran
toluen. Kemungkinan dari membalikkan lokasi aliran harus selalu diuji terlebih dahulu.
Satu solusi masih mungkin, bagaimanapun, meskipun semua solusi di atas gagal.
Andaikan bahwa alirannya terlalu besar untuk diakumulasi dalam beberapa exchanger dalam
series dibagi dalam setengah bagian dan tiap bagian melewati tepi satu exschanger melalui
bagian dalam pipa. Membagi aliran menjadi dua bagian sementara menjaga area aliran konstan
menghasilkan sekitar 1-8 dari seri pressure drop, sejak G dan L menjadi dua dan produk G2L
menjadi 1-8. Sementara koefisien film akan menurun juga, perbedaan temperatur yang tidak
diinginkan dari by-passing dapat dihindari, dimana disana terdapat subtansi yang tidak seimbang
antara aliran berat dari dua aliran karena satu beroperasi melebihi range panjang dan yang
satunya melebihi range yang sangat pendek. Aliran besar setiap aliran pararel dapat juga
mengalir melalui beberapa exchanger dalam seri di dalam setiap bank pararel. Bentuk “pararel
101
Alat Penukar Kalor [Year]
stream” seharusnya tidak di rancukan dengan “parael flow”. Bentuk tersebut tertuju pada
pembagian aliran dari satu fluida, sementara yang lainnya tertuju pada arah aliran antara 2 fluida.
Perbedaan Temperatur Sesungguhnya Untuk Susunan Sri-Pararel
LMTD telah menghitung dari T1, T2, t1, dan t2 untuk susunan seri tidak akan sama untuk
susunan seri-pararel. Setengah pipa fluida memasuki bagian atas exchanger II, dimana fluida
annulus panas, dan setengah lainnya masuk melalui bagian bawah heat exchanger I dimana
fluida annulus telah didinginkan sebagian. Sementara exchanger di dalam seri tidak mentransfer
sejumlah panas yang sama, hubungan seri-pararel meskipun merugikan, bagian bawah exchanger
menghitung hanya sedikit panas yang di transfer. Jika perbedaan suhu sebenarnya disebut ∆t,
tida akan sama dengan LMTD untuk kondisi proses meskipun kedua exchanger beroperasi secara
counterflow.
Dengan menganggap kedua exchanger di desain secara I dan II. Suhu intermediet I, dan
produk dan aliran pararel didesain secara t2”; dan t1’. Dan temperatur campuran yaitu t2
Untuk exchanger I, memilkiki setengah dari permukaan
Q1 = WC (T – T2) =
UA2 x LMTD1
Dan
LMTD1 =
(T−t ' )−(T 2−t 1)ln (T−t ' 2)/ (T 2−t 1 )
Sehingga menjadi :
102
Alat Penukar Kalor [Year]
UA2WC =
(T−T 2 )(T−t ' 2 )−(T 2−t 1 ) ln
T−t ' 2T 2−t 1
Susun ulang
UA2WC =
(T−T 2 )(T−T 2 )−( t ' 2−t 1 ) ln
(T−t ' 2 )(T 2−t 1)
=
11−( t ' 2−t 1 )/(T−T 2 ) ln
T−t ' 2T 2−t 1
RI =
(T−T 2)(t2
I −t1 ) =
wc2WC
UA2WC =
R I
R I−1 ln
T−t2I
T2−t1 (11)
Begitu juga untuk exchanger II
QII = WC(T1 – T) =
UA2 x LMTDII (12)
103
Alat Penukar Kalor [Year]
LMTDII =
(T 1−t2II )−(T−t1)
ln (T1−t2II ) / (T−t1) (13)
Karena
RII =
T1−T
t2II−t1
= wc2WC
Maka,
UA2WC
= R II
R II−1ln
T 1−t2II
T−t1 (14)
Karena c dan C diasumsikan konstan,
RI = RII = R' =
wc2WC (15)
Karena
SI =
t2I−t1
T−t1 MI =
T−T2
T−t 1
Maka
MI = R'SI
104
Alat Penukar Kalor [Year]
Begitu juga. maka :
SII =
t2II−t1
T1−t1 MII =
T1−T
T1−t1
R'dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang-ulang dalam
hasil dari perbedaan temperature Δt dari LMTD. S adalah perbandingan dari fluida dingin
sampai meliputi temperature maksimum, belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua
temperature inlet, T1 dan t1
Tetapi
MII = R' SII
1 - SI =
T−t2I
T−t1
=T−t1
T−t1
−t2
I−t1
T−t1
T−t2I
T2−t1
= 1−SI
1−R' SI
Dan dari persamaan (11)
UA2WC
= R '
R'−1ln
1−SI
1−R' S I (16)
105
Alat Penukar Kalor [Year]
Dan dari persamaan (14)
UA2WC
= R '
R'−1ln
1−SII
1−R' S II (17)
Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)
1−SI
1−R' SI= 1−S II
1−R ' SII
Oleh karena itu
SI = SII
MI = MII
Penggabungan persamaan (16) dan (17),
UAWC
= 2 R '
R'−1ln
1−SI
1−R ' SI= 2R '
R'−1ln
T−t2I
T 2−t1 (17.a)
Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena MI = MII,
106
Alat Penukar Kalor [Year]
T1−T
T1−t 1
=T−T 2
T−t 1
T2 – 2t1T + t1(T1 + T2) – T1T2 = 0 (18)
Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan
T =
2t 1±√4 t I2−4 t1 [ (T 1+T 2)−4 T1 T 2]
2
= t1±√ (T 1−t1) (T2−t1) (19)
Tanda minus digunakan ketika heaing medium berada dalam pipa, dan tanda plus
digunakan ketika cooling medium berada dalam pipa.
Substitusi untuk T pada persamaan (18),
UAWC
= 2 R '
R'−1ln [ ( R'−1 ) (T 1−t1)+√(T1−t1) (T 2−t1 )
R '√ (T 1−t1) (T 2−t1 ) ]
=
2 R'
R '−1ln [(R '−1
R ' )( T 1−t 1
T 2−t 1)
12+ 1
R' ] (20)
Δt adalah nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi
Q = UA Δt = WC(T1 – T2) (21)
107
Alat Penukar Kalor [Year]
Δt =
QUA
=WCUA (T1−T 2 )
(22)
Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian dari definisi untuk perbedaan temperature
yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 – t1 :
Δt=γ (T1−t1) (23)
Bandingkan persamaan (22) dan (23),
WCUA (T 1−T 2)=γ (T 1−t1)
γ=
WC (T1−T 2)UA (T 1−t1)
Karena M = (T1 – T2) / (T1 – t1), definisikan P' = (T2 – t1) / (T1 – t1) dan
UA/WC = M/γ , sehingga
P' + M = 1 atau M = 1 - P
'
Bandingkan dalam persamaan (21)
UAWC
= 2 R '
R'−1ln [( R'−1
R' )( 1P' )
12+ 1
R' ] (24)
108
Alat Penukar Kalor [Year]
Atau
1−P'
γ=2( R'
R '−1 ) ln [( R'−1R' )( 1
P ' )1
2+ 1R' ]
(25)
Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one series hot stream
dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi
1−P'
γ=2. 3
n R'
R '−1log [( R '−1
R' )( 1P ' )
1n+ 1
R' ] (26.a)
Dimana
R'=T 1−T 2
n (t2−t1 )
Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream,
1−P' '
γ=2 . 3
n1−R ' ' log [(1−R' ' ) ( 1
P' ' )1
n+R' ' ] (26.b)
Dimana
109
Alat Penukar Kalor [Year]
P' '=T 1−t2
T 1−t1 dan R' '=
n(T1−T 2)t2−t1
110
Alat Penukar Kalor [Year]
BAB III
KESIMPULAN
5. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda.
6. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
3. Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:
a. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya
b. laju alir fluida
c. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)
d. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas
tersebut.
4. Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan yang
dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat
berlangsungnya aliran panas.
5. Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan berbagai fitting
piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan transfer panas yang
mahal.
111
Alat Penukar Kalor [Year]
DAFTAR PUSTAKA
www. google. id. com. Double Pipe Exchanger.
Kern. 1991. Heat Transfer Process.
Bird. 1985. Transport Phenomena.
Welty, James R.. 2000. Fundamental of Momentum, heat, and Mass Transfer fourt Edition.
Jhon wiley and Sons Inc : Toronto.
112
Alat Penukar Kalor [Year]
113