SPIRAL HEAT EXCHANGER

PENDAHULUAN

Saat ini, sudah terlalu banyak industri yang berdiri di setiap Negara didunia. Semua

Negara pasti memiliki industri, tidak terkecuali Negara kecil pun pasti memilikinya. Industri-

industri ini memiliki komponen-komponen dan mesin-mesin yang menunjang didalamnya.

Seperti contoh Pembangkit Listrik Tenaga Uap, didalam sistemnya memiliki alat-alat seperti

turbin, boiler, condenser, superheater, dan lainnya.

Pada suatu sistem perindusrtian terdapat sebuah komponen/alat yang dikenal sebagai

Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger). Alat ini sangat banyak digunakan disetiap industri-

industri, oleh karena itu tulisan ini akan membahas semua yang terkait dengan Penukar

Kalor.

Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk

memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi

sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air

yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water).

Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat

berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida

terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct

contact).

Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia

maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh

sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin

memindahkan panas mesin ke udara sekitar.

Alat penukar kalor atau Heat exchanger juga dapat diartikan sebgai suatu alat yang

dapat menukar panas (kalor) yang bekerja dengan menggunakan prinsip perpindahan panas.

Untuk merancang suatu alat ini, hendaknya kita harus mengetahui hukum-hukum

perpindahan panas dan hukum-hukum termodinamika.

Namun, dalam tulisan ini akan difokuskan kepada Heat Exchanger jenis Spiral Heat

Exchanger. Namun juga jenis-jenis yang lain juga akan dibahas namun tidak akan mendetil

seperti pembahasan spiral heat exchanger.

1. PENGERTIAN HEAT EXCHANGER

Dalam Bahasa Indonesia heat exchanger memiliki arti harfiah alat penukar panas.

Namun di sini saya akan tetap menggunakan bahasa aslinya agar tidak terjadi kerancuan

lebih lanjut. Pengertian ilmiah dari heat exchanger adalah sebuah alat yang berfungsi

untuk mentransfer energi panas (entalpi) antara dua atau lebih fluida, antara permukaan

padat dengan fluida, atau antara partikel padat dengan fluida, pada temperatur yang

berbeda serta terjadi kontak termal. Lebih lanjut, heat exchanger dapat pula berfungsi

sebagai alat pembuang panas, alat sterilisasi, pesteurisasi, pemisahan campuran,

distilisasi (pemurnian, ekstraksi), pembentukan konsentrat, kristalisasi, atau juga untuk

mengontrol sebuah proses fluida.

Satu bagian terpenting dari heat exchanger adalah permukaan kontak panas. Pada

permukaan inilah terjadi perpindahan panas dari satu zat ke zat yang lain. Semakin luas

bidang kontak total yang dimiliki oleh heat exchanger tersebut, maka akan semakin

tinggi nilai efisiensi perpindahan panasnya. Pada kondisi tertentu, ada satu komponen

tambahan yang dapat digunakan untuk meningkatkan luas total bidang kontak

perpindahan panas ini. Komponen tersebut adalah sirip.

Heat exchanger dapat diklasifikasikan menjadi berbagai jenis berdasarkan beberapa

aspek. Secara ringkas macam-macam heat exchanger dapat digambarkan menjadi bagan

di atas. Untuk lebih jelasnya akan kita bahas satu per satu macam-macam heat exchanger

tersebut.

Didalam dunia industri proses kimia perpindahan energi atau panas adalah hal yang banyak dilakukan. Sebagaimana diketahui bahwa panas dapat berlangsung lewat tiga cara, dimana mekanisme perpindahan panas itu sendiri berlainan adanya. Adapun perpindahan panas itu dilaksanakan dengan:

1. Secara molekuler, yang disebut dengan konduksi. Secara molekuler dimana dalam mekanisme ini digerakkan oleh suatu molekul yang berada pada tingkat energi (temperatur) yang lebih tinggi dan memberikan energi ke molekul-molekul didekatnya yang berada pada tingkat energi yang lebih rendah.

2. Secara aliran, yang disebut perpindahan konveksi. Transfer panas yang disebabkan secara konveksi melibatkan pertukaran energi antara suatu permukaaandengan fluida didekatnya.

3. Secara Gelombang Elektromagnet, yang disebut dengan radiasi. Dimana transfer panas antar permukaan berbeda dengan konduksi dan konveksi karena transfer panas radian tidak membutuhkan medium propogasi dan transfer panas dipisahkan oleh suatu vakum sempurna.

Khususnya perpindahan panas yang kita bicarakan dalam kasus Alat Penukar Kalor disini menyangkut butir 1 dan 2 yaitu secara konduksi dan konversi.

APK merupakan suatu peralatan dimana terjadinya perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan panas tersebut dapat dilakukan secara langsung atau tidak. Maksudnya adalah :

APK yang langsung, ialah dimana fluida yang panas akan bercampur langsung dengan fluida yang dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu.

APK yang tidak langasung, ialah dimana fluida panas tidak berhubungan langsung (indirect contact) dengan fluida dingin, jadi perpindahan panasnya itu mempunyai media perantara seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnya.

Klasifikasi heat exchanger berdasarkan fungsinya yaitu:

1. Heat exchanger

Alat ini menjalankan dua fungsi yaitu memanfaatkan fluida dingin menggunakan fluida panas yang didinginkan Hampir tidak ada panas yang hilang di dalam perpindahan panas.

Tipe heat exchanger yang banyak digunakan adalah

1). Tipe shell and tube

Tipe ini mempunyai luas penampang perpindahan panas yang besar jika dibandingkan dengan tipe double pipe. Oleh karena itu tipe ini banyak digunakan dalam industri minyak dan gas bumi.

2). Tipe double pipe

Tipe ini dipergunakan bila aliran fluida tidak terlalu banyak (luas perpindahan panasnya tidak terlalu besar). Tipe ini akan lebih efektif bila digunakan dengan memakai sirip (fin), apabila fluida berbentuk vapor atau viscous.

2. Cooler

Alat ini berfungsi untuk mendinginkan fluida cair, gas dengan menggunakan mediapendingin air atau udara.

Tipe-tipe cooler, antara lain:

tipe pipe coil

1). Spiral COIL

2). PIPE COIL

3). Box cooler (lebih baik/bagus yang tube-3 dan shell)

Tipe air cooler

media pendingin yang digunakan adalah udara

3. Condenser

Alat ini berfungsi untuk mengembunkan uap atau campuran uap. Sebagai media pendingin biasanya digunakan air. Umumnya condenser memiliki tipe shell and tube dan dapat mempunyai dua tipe yaitu tipe vertical dan tibe horizontal yang masing-masing mempunyai keuntungan sendiri-sendiri.

Tipe-tipe condenser berdasarkan fungsi:

Partial condenser

Condenser ini memiliki fungsi hanya mengembunkan sebagian dari total uap yang dihasilkan (kondensat) yang dipakai sebagai reflux. Condenser ini biasanya dipasang dekat puncak dalam fraksinasi.

Overhead condenser

Condenser ini memerankan 3 hal pada saat bersamaan yakni mendinginkan uap, mengembunkan uap menjadi cairan, kemudian mendinginkan menjadi cairan tersebut

Surface condenser

Condenser ini berfungsi untuk mengkondensasikan steam, yang mana kondensasi ini dijalankan dengan tekanan vakum dari 1 sampai 1,5 inHg absolute. Untuk membuat tekanan vakum digunakan ejector.

4. Heater

Alat ini berfungsi untuk memanaskan fluida cair atau uap dengan menggunakan steam atau air panas yang mana dengan memberikan sensible heat

5. Evaporator

Alat ini berfungsi untuk mendinginkan atau menguapkan fluida cair dengan menggunakan steam atau media panas lainnya.

6. Chiller

Alat ini berfungsi untuk mendinginkan fluida pada temperature rendah. Sebagai media pendinginnya dapat digunakan air, propane, Freon, ataupun amoniak

7. Reboiler

Biasanya dihubungkan dengan dasar kolom fraksionasi atau stripper untuk melengkapi panas pendidihan yang diperlukan untuk destilasi. Sebagai media pemanas dapat berupa steam atau fluida panas (misalnya residu). Tipe dari alat ini adalah tipe ketel dengan tipe shell and tube, dimana shell membesar untuk memindahkan penguapan. Selain itu dapat digunakan furnace.

Macam-macam Reboiler:

Natural Circulation/thermosiphon reboiler yang memdidih diperoleh dengan mempertahankan head yang cukup dari liquid untuk melengkapi sirkulasi.

Forced circulation reboiler dengan menggunakan pompa untuk mendorong liquid masuk reboiler

8. Air cooled exchanger (air cooler)

Air cooler exchanger digunakan untuk mendinginkan fluida pada suhu ambient dengan udara. Diklasifikasikan sebagai berikut

Forced draft Bila letak tube pada daerah discharge dan fan Induced draft Bila letak tub pada daerah suction dan fan

Klasifikasi Heat Exchanger berdasarkan kontruksinya:

1. Fixed tube sheet

Kedua tube sheet tepat pada shell. Kelemahan dari tipe ini adalah jika perbedaan suhu telalu besar maka tube akan bengkok

2. Floating Heat/tube sheet (removeable and non removeable bundles)

Satu tube sheet ‘loates’ dalam shell, yang lain tepat pada shell. Tipe ini dapat digunakan pada suhu tinggi (>200oF), dapat dioperasikan pada fluida yang kotor

3. U-tube, U-bundle

Hanya pada satu tube sheet dioperasikan pada tube bentuk U. dapat digunakan pada suhu yang tinggi.

4. Kettle

Tube bundle removable sebagai tipe U dan floating head. Shell membesar untuk memudahkan pendidihan dan penguapan.

5. Double pipe

Masing-masing tube mempunyai shell sendiri-sendiri untuk membentuk ruang annulus. Biasa digunakan finned tube

6. Pipe coil

Tipe pipe coil yaitu:

Spiral coil

Coil yang direndam dal;am box coil yang berisi air, digunakan untuk pemanasan dan pendinginan. Coil berbentuk spiral.

Pipe coil

Biasa dipasang pada dasar suatu tankiuntuk memanaskan isi tanki dengan aliran steam dalam pipa. Dapat berbentuk hair pain, spiral, tipe ring.

Box coil

Pendinginan dilakukan dengan jalan mengalirkan fluida panas dalam suatu coil yang tercelup dalam media pendingin air.

Klasifikasi Heat exchanger berdasarkan Standar TEMA.

TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Assosiation), mengklasifikasikan HE berdasarkan perencanaan dan pembuatannya menjadi tiga kelas yaitu:

1. Hean exchanger kelas ‘R’ umumnya digunakan untuk industri minyak dan peralatan untuk proses tersebut

2. Heat exchanger kelas ‘C’ umumnya digunakan untuk keperluan komersil

3. Heat exchanger kelas ‘B’ umumnya digunakan untuk proses kimia.

Klasifikasi heat exchanger berdasarkan jenis alirannya:

1. Heat exchanger counter current (aliraran berlawanan arah)

Jika aliran kedua fluida yang mengalir dalam HE berlawanan arahnya

2. Heat exchanger co-current (aliran searah)

Jika aliran fluida yang didinginkan dengan media pendinginnya searah.

3. Hear exchanger cross current (aliran silang)

Jika aliran fluida yangmengalir dalam HE saling memotong arah

Alat Penukar Panas Dilihat dari arah Aliran dan Tube Layout

Apabila ditinjau aliran fluida alat penukar panas ini dibagi dalam tiga macam aliran, yaitu:

1. Aliran sejajar

2. Aliran berlawanan arah atau counter flow

3. aliran kombinasi

Susunan tube (tube layout) akan mempengaruhi baik bruknya perpindahan panas. Disamping itu, pemilihan harus mempertimbangkan system pemeliharaan yang akan dilakukan.

Pembersihan tube dengan mekanikan atau secara kimiawi akan mempengaruhi pemilihan dari tube. Selain susunannya yang terjadi, aliran laminar atau turbulen, bersih atau kotor fluida yang mengalir. Susunan tube terdiri dari:

1. Tube dengan susunan bujur sangkar (In-line square pitch)

2. Tube dengan susunan segitiga samam sisi (Triangular pitch)

3. Tube dengan susunan berbentuk belah ketupat (Diamond square pitch)

4. Tube dengan susunan segitiga diputar 60oC (Rotated triangular pitch)

Shell and Tube Heat exchanger

Secara keseluruhan komponen utama penyusun shell and tube heat exchanger adalah:

1. Shell

Biasanya berbentuk silinder yang berisi tube bundle sekaligussebagai wadah mengalirnya zat

2. Head stationer

Head stationer merupakan salah satu bagian ujung dari penukar panas. Pada bagian ini terdapat saluran masuk fluida yang mengalir kedalam tube.

3. Head bagian belakang

Head bagian belakang ini terletak diujung lain dari alat penukar panas

4. Sekat (baffle)

Sekat digunakan untuk membelokkan atau membagi aliran dari fluida dalam alat penukar panas. Untuk menentukan sekat diperlukan pertimbangan teknis dan operasional.

Macam-macam baffle yaitu:

Horisontal cut baffle

1) Baik untuk semua fase gas atau fase liquid dalam shell

2) Baik ada dissolves gas dalam liquid yang dapat dilepaskan dalam heat exchanger maka perlu diberi ‘notches’ dalam baffle

Vertical cut baffle

Baik untuk liquid yang membawa suspended matter atau yang heavy fouling fluida

Disc and doughtnut baffle

1) Fluida harus bersih, bila tidak akan terbentuk sediment dibelokkan doughtnut

2) Kurang baik, sebab bila ada dissolved gas yang terlepas, bias dilepaskan melalui top dari doughtnut, bila ada kondensat liquid tidak dapat di drain tanpa large ports pada doughtnut.

Baffle dengan annular orifice

Baffel ini jarang digunakan kerena terdiri dari full circular plate dengan lubang-lubang untuk semua tube.

Longitudinal baffle

Digunakan pada shell side untuk membagi aliran shell side menjadi dua atau beberapa bagian untuk memberikan kecepatan yang lebih tinggi untuk perpindahan panas yang lebih baik.

5. Tube

Tube merupakan pemisah dan sebagai pengantar panas yang berbeda suhunya diantara dua zat yang berada di dalam suatu alat. Pemilihan tube ini harus sesuai dengan suhu, tekanan, dan sifat korosi fluida yang mengalir.

Tube ada dua macam, yaitu:

Tube polos (bare tube)

Tube bersirip (finned tube)

6. Tube sheet

Berfungsi sebagai tempat duduk tube bundle pada shell

7. Channel and pass partition

Channel merupakan tempat keluar masuknya fluida pada tube, sedangkan pass partition merupakan pembatas antara fluida yang masuk dan keluar tube.

8. Shell cover and channel cover

Shell cover and channel cover adalah tutup yang dapat dibuka pada saat pembersihan.

2. Macam-macam Heat Exchanger Berdasarkan Proses Transfer Panas

1. Heat Exchanger Tipe Kontak Tak Langsung

Heat exchanger tipe ini melibatkan fluida-fluida yang saling bertukar panas

dengan adanya lapisan dinding yang memisahkan fluida-fluida tersebut. Sehingga

pada heat exchanger jenis ini tidak akan terjadi kontak secara langsung antara

fluida-fluida yang terlibat. Heat exchanger jenis ini masih dibagi menjadi beberapa

jenis lagi, yaitu:

o Heat Exchanger Tipe Direct-Transfer

Pada heat exchanger tipe ini, fluida-fluida kerja mengalir secara terus-menerus

dan saling bertukar panas dari fluida panas ke fluida yang lebih dingin dengan

melewati dinding pemisah. Yang membedakan heat exchanger tipe ini dengan tipe

kontak tak langsung lainnya adalah aliran fluida-fluida kerja yang terus-menerus

mengalir tanpa terhenti sama sekali. Heat exchanger tipe ini sering disebut juga

dengan heat exchanger recuperator.

o Storage Type Exchanger

Heat exchanger tipe ini memindahkan panas dari fluida panas ke fluida dingin

secara intermittent (bertahap) melalui dinding pemisah. Sehingga pada jenis ini,

aliran fluida tidak secara terus-menerus terjadi, ada proses penyimpanan sesaat

sehingga energi panas lebih lama tersimpan di dinding-dinding pemisah antara

fluida-fluida tersebut. Tipe ini biasa pula disebut dengan regenerative heat

exchanger.

o Fluidized-Bed Heat Exchanger

Heat exchanger tipe ini menggunakan sebuah komponen solid yang berfungsi

sebagai penyimpan panas yang berasal dari fluida panas yang melewatinya. Fluida

panas yang melewati bagian ini akan sedikit terhalang alirannya sehingga

kecepatan aliran fluida panas ini akan menurun, dan panas yang terkandung di

dalamnya dapat lebih efisien diserap oleh padatan tersebut. Selanjutnya fluida

dingin mengalir melalui saluran pipa-pipa yang dialirkan melewati padatan

penyimpan panas tersebut, dan secara bertahap panas yang terkandung di dalamnya

ditransfer ke fluida dingin.

2. Heat Exchanger Tipe Kontak Langsung

Suatu alat yang di dalamnya terjadi perpindahan panas antara satu atau lebih

fluida dengan diikuti dengan terjadinya pencampuran sejumlah massa dari fluida-

fluida tersebut disebut dengan heat exchanger tipe kontak langsung. Perpindahan

panas yang diikuti percampuran fluida-fluida tersebut, biasanya diikuti dengan

terjadinya perubahan fase dari salah satu atau labih fluida kerja tersebut.

Terjadinya perubahan fase tersebut menunjukkan terjadinya perpindahan

energi panas yang cukup besar. Perubahan fase tersebut juga meningkatkan

kecepatan perpindahan panas yang terjadi. Macam-macam dari heat exchanger tipe

ini antara lain adalah:

o Immiscible Fluid Exchangers

Heat exchanger tipe ini melibatkan dua fluida dari jenis berbeda untuk

dicampurkan sehingga terjadi perpindahan panas yang diinginkan. Proses yang

terjadi kadang tidak akan mempengaruhi fase dari fluida, namun bisa juga diikuti

dengan proses kondensasi maupun evaporasi. Salah satu penggunaan heat

exchanger ini adalah pada sebuah alat pembangkit listrik tenaga surya berikut.

o Gas-Liquid Exchanger

Pada tipe ini, ada dua fluida kerja dengan fase yang berbeda yakni cair dan

gas. Namun umumnya kedua fluida kerja tersebut adalah air dan udara. Salah satu

aplikasi yang paling umum dari heat exchanger tipe ini adalah pada cooling tower

tipe basah. Cooling tower biasa dipergunakan pada pembangkit-pembangkit listrik

tenaga uap yang terletak jauh dari sumber air. Udara bekerja sebagai media

pendingin, sedangkan air bekerja sebagai media yang didinginkan.

Air disemprotkan ke dalam cooling tower sehingga terjadi percampuran antara

keduanya diikuti dengan perpindahan panas. Sebagian air akan terkondensasi lagi

sehingga terkumpul pada sisi bawah cooling tower, sedangkan sebagian yang lain

akan menguap dan ikut terbawa udara ke atmosfer.

o Liquid-Vapour Exchanger

Perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida berbeda fase yakni uap air

dengan air, yang juga diikuti dengan pencampuran sejumlah massa antara

keduanya, termasuk ke dalam heat exchanger tipe kontak langsung. Heat

exchanger tipe ini dapat berfungsi untuk menurunkan temperatur uap air dengan

jalan menyemprotkan sejumlah air ke dalam aliran uap air tersebut (pada boiler

proses ini biasa disebut dengan desuperheater spray; baca artikel berikut), atau

juga berfungsi untuk meningkatkan temperatur air dengan mencampurkan uap air

ke sebuah aliran air (proses ini terjadi pada bagian deaerator pada siklus

pembangkit listrik tenaga uap).

3. Jenis-jenis Heat Exchanger Lainnya

i. Double Pipe Heat Exchanger

Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart

yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak

penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua

mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat

penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan

tekanan operasi yang tinggi.

ii. Plate and Frame Heat Exchanger

Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat-pelat

tegak lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus

dipasang penyekat lunak (biasanya terbuat dari karet). Pelat-pelat dan sekat

disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat

(kebanyakan segi empat) terdapat lubang pengalir fluida. Melalui dua dari

lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain, sedangkan

fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya

karena ada sekat.

iii. Shell and Tube Heat Exchanger

Terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan

ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir

di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada

arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Untuk meningkatkan effisiensi

pertukaran panas, biasanya dipasang sekat (buffle). Ini bertujuan untuk

membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal (residence

time), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan

menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan

panasnya harus diatur.

iv. Adiabatic Whell Heat Exchanger

Jenis keempat penukar panas menggunakan intermediate cairan atau

toko yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari

penukar panas akan dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri

dari roda besar dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin,

dan penukar panas cairan.

v. Pillow Plate Heat Exchanger

Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu

untuk susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal

stainless steel. Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir

daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa

dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis

dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam.

vi. Dynamic Scraped Surface Heat Exchanger

Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat

exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan

dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan

fouling aplikasi. Kali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus

menggores permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai

kecepatan transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.

vii. Phase-change Heat Exchanger

Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa,

penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau

mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan

mengembun ke cairan.

4. Faktor Perpindahan Panas dan Analisa Kerja Heat Exchanger

1) Faktor Perpindahan Panas Pada HE

Tipe HE yang dipakai

Jenis bahan penyusun HE

Fluida yang digunakan

LMTD fluida, dll

2) Analisa Kerja HE

Koefisien overall perpindahan panas (U) : Mudah atau tidaknya panas

berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan

aliran panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan

konveksi.

Fouling factor (Rd) : Angka yang menunjukkan hambatan akibat

adanya kotoran yang terbawa fluida yang mengalir di dalam HE.

Pressure drop : Untuk mengetahui sejauh mana fluida dapat

memepertahankan tekanan yang dimilikinya selama fluida mengalir.

5. Koefisien Overall Perpindahan Panas (U)

Koefisien overall perpindahan panas (U) menyatakan mudah atau tidaknya

panas berpindah dari fluida panas ke fluida dingin dan juga menyatakan aliran

panas menyeluruh sebagai gabungan proses konduksi dan konveksi.

Untuk Dinding

Untuk Silinder

6. Fouling Factor

Fouling merupakan suatu perisrtiwa oenumpukan material padat pada dinding

penukar panas. Dengan adanya penumpukan ini, maka koefisien perpindahan panas

semakin kecil. Oleh karena itu, perpindahan panaasa yang terjadi menjadi

berkurang.

Fouling ini terjadi karena kotoran yang di bawa oleh fluida kerja menempel di

dinding penukar kalor. Sedangkan fouling factor adalah angka yang menyatakan

besarnya hamabatan yang terjadi dan berefek terhadap perpindahan panas pada

heat exchanger.

Akibat yang ditimbulkan karena adanya fouling adalah :

- kenaikan tahanan heat transfer.

- kehilangan energi meningkat.

- waktu shut down menjadi panjang.

- biaya operasional & perawatan meningkat.

- biaya investasi meningkat.

- apabila menginginkan transfer panas yang sama seperti sebelum terjadi

fouling maka harus menambah ukuran heat transfernya.

Oleh karena itu, fouling factor perlu diperhitungkan, karena dapat

menghambat/ menurunkan kinerja Heat Exchanger.

Variabel dalam usaha pengecilan fouling factor :

- Kecepatan linier fluida (velocity)

semakin tinggi kecepatan linier fluida, semakin rendah kemungkinan

terbentuknya fouling pada heat exchanger.

- Temperatur

semakin tinggi temperatur fluida dalam heat exchanger akan semakin

mempercepat terbentuknya fouling.

- Masa kerja alat

semakin lama alat digunakan maka akan semakin mudah terbentuknya

fouling pada alat tersebut sehingga dibutuhkan treatment lebih terhadap

alat- alat yang masa pemakaiannya sudah cukup lama.

Akibat terjadinya fouling, maka perhitungan dalam mendesain Heat

Exchanger akan dipengaruhi oleh fouling factor Rf, akan menjadi :

Tabel Fouling Factor

Mekanisme Terjadinya fouling

- Kristalisasi

kalsium dan magnesium dari bikarbonat dapat membentuk

scale, kristalisasi pada permukaan di awali pembentukan nukleasi.

Kecepatan fluida dapt mengatasi terjadinya fouling. Untuk air

pendingin 1,8- 2 m/s.

- Dekomposisi produk organik

terbentuknya tar sebagai akibat adanya produk dari reaksi kimia

- Polimerisasi atau oksidasi

- Pengendapan lumpur ,atau debu partikel

- Deposit biologi

Disebabkan adanya bakteri yang menempel pada permukaan

sehingga membentuk scale

- Korosi

7. Pressure Drop

Pressure drop merupakan peristiwa dimana erjadinya penurunan tekanan pada

fluida kerja suatu penukar kalor.

Penyebab terjadinya pressure drop:

- Friksi aliran pada dinding

- Pembelokan aliran

Jika penurunan tekanan (∆P) terlalu besar maka kecepatan aliran akan

berkurang dan membutuhkan tenga pompa yang besar. Hal ini disebabkan jarak

antar buffle yang terlalu dekat. Namun juga, Jika ΔP terlalu rendah Perpindahan

panas tidak sempurna.

Besar kecilnya nilai pressure drop alat penukar panas menyatakan sejauh

mana fluida tersebut dapat mempertahankan tekanan yang dimiliki selama fluida

tersebut mengalir.

Desain Presure Drop pada penukar kalor dapat dilakukan dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut :

Adapun metode Log Mean Temperature Methode (LMTD) dapat diselesaikan

dengan cara :

Semua hal di atas merupakan awal agar kita dapat mengerti tentang spiral heat

exchanger. Perhitungan, klasifikasi heat exchanger akan memberitahukan kepada

kita bagaimana ara kerjanya, prinsip ilmu apa yang dapat digunakan sehingga

dalam merancang suatu heat exchanger dapat maksimal sesuai dengan yang kita

harapkan.

Secara umum heat exchanger sebagaimana yang telah tersebut dan dijelaskan

diatas adalah alat yang dapat mentransfer panas (kalor) melalui media tertentu.

Dengan menggunakan hukum perpindahan panas dan juga perancangan kontruksi

dengan tepat akan menghasilkan heat exchanger yang dapat digunakan optimal

unutk kerja tertentu.

SPIRAL HEAT EXCHANGER

(PENUKAR KALOR SPIRAL)

Alat penukar kalor tipe spiral dibuat dari plat tembaga. Plat tembaga tersebut

kemudian dipotong berdasarkan pola. Setelah itu dilakukan proses penyambungan dengan

cara dipatri hingga potongan plat menjadi berbentuk spiral yang didalamnya terdapat dua

saluran yang dipisahkan oleh sebuah sekat yang juga terbuat dari bahan plat tembaga.

Salah satu saluran dialiri fluida panas dan saluran lain dialiri fluida dingin. Arah aliran

kedua fluida dapat diubah dengan melakukan pengaturan katub, sehingga alat penukar

kalor ini dapat bekerja dengan dua arah aliran yaitu searah (parallel flow) dan berlawanan

arah (counter flow).

Gambar Contoh Penukar Kalor jenis Spiral

Aliran fluida yang melalui alat penukar kalor spiral menerima panas atau memberi

panas dari dan atau ke fluida lain dengan cara konduksi melalui dinging sekat ditambah

lagi secara konveksi antara dinding dengan fluida.

Tipe aliran pada penukar kalor jenis ini ada dua, yaitu :

1. Tipe aliran searah

2. Tipe aliran melawan arah.

Pada tipe aliran searah, fluida kerja yang ingin di dinginkan atau di panaskan

dialirkan searah dengan fluida kerja yang akan menidinginkan atau

memanaskannya.

Sedangkan tipe aliran berlawanan arah, fluida kerja yang ingin di dinginkan

atau di panaskan mengalir berlawanan dengan fluida kerja yang mendinginkan

atau memanaskannya.

Contoh tipe aliran searah

Keterangan :

- Merah : Area Panas

- Biru : Area Dingin

- Nomor 1 : Fluida yang didinginkan

- Nomor 2 : Fluida Pendingin

Gambar Contoh Tipe Aliran Berlawanan Arah

Keterangan :

- Merah : Area Panas

- Biru : Area Dingin

- Nomor 1 : Fluida pemanas

- Nomor 2 : Fluida yang dipanaskan

Ada beberapa jenis Penukar Kalor tipe spiral, yaitu :

1. Spiral Plate Heat Exchanger

Heat exchanger tipe ini menggunakan desain spiral pada susunan platnya,

dengan menggunakan sistem sealing las. Aliran dua fluida di dalam heat exchanger

tipe ini dapat berbentuk tiga macam yakni :

(1) dua aliran fluida spiral mengalir berlawanan arah (counterflow).

(2) satu fluida mengalir spiral dan yang lainnya bersilangan dengan fluida

pertama (crossflow).

(3) satu fluida mengalir secara spiral dan yang lainnya mengalir secara

combinasi antara spiral dengan crossflow.

Contoh Spiral Heat Exchanger (plate)

Heat exchanger tipe ini sangat cocok digunakan untuk fluida dengan viskositas

tinggi atau juga fluida yang mengandung material-maerial pengotor yang dapat

menimbulkan tumpukan kotoran di dalam elemen heat exchanger. Hal ini disebabkan

karena desainnya yang satu lintasan, sehingga apabila terjadi penumpukan kotoran di

satu titik, maka secara alami kecapatan aliran fluida pada titik tersebut akan

meningkat, sehingga kotoran tadi akan terkikis sendiri oleh fluida kerja tersebut.

Karena kelebihan inilah sehingga heat exchanger tipe ini sangat cocok untuk

digunakan pada fluida kerja dengan viskositas sangat tinggi, fluida slurries (semacam

lumpur), air limbah inidustri, dan sejenisnya.

Cara kerja penukar kalor jenis ini adalah : Untuk aliran dimana masing-masing

fluida tutup pada kedua sisinya. Dan dalam mengalir mengikuti bentuk spiralnya,

rakitan spiral plate-nya memiliki usunan tersebut fluida biasanya mengalir dengan

arah yang berlawanan, yaitu dengan mengalirkan fluida dingin pada sekelilingnya

sehingga mengalir kearah pusat, sedangkan fluida panas dimasukkan pada pusat

tersebut sehingga mengalir kearah sekelilingnya.

Disini, perhitungan dalam merancang alat penukar panas ini, kita dapat

menggunakan prinsip perpindahan panas antara plat. Perpindahan panas yang terjadi

pada alat penukar kalor jenis ini adalah proses perpindahan panas secara konduksi

yang terjadi pada plat (tergantung pada konduktifitas termal bahan) dan juga

perpindahan panas yang terjadi secara konduksi antara fluida kerja dengan dinding

plat.

Penggunaan Spiral Heat Exchagner sangat banyak, namun umumnya kita akan

sering menjumpainya dalam industri Pasteurisasi, Pra-Penghangat Ruangan, (untuk

digunakan dalam recuperators) dan sistem pendingin.

KELEBIHAN :

1. Ramah lingkungan.

2. Efisien penggunaan ruang.

3. Mengurangi biaya.

4. Efisien dalam keseluruhan operasi.

5. Mudah di bersihkan.

KEKURANGAN :

1. Perbaikan untuk spiral plate heat exchanger cukup sulit.

2. Spiral plate heat exchanger sering tidak digunakan jika terjadi siklus

temperatur yang berulang-ulang.

3. Spiral plate heat exchanger tersebut biasanya tidak digunakan apabila

selama pengoperasian terjadi pengerakan yang Besar.

4. Untuk aliran aksial-spiral, perbedaan temperatur harus dikoreksi.

2. Spiral Tube Heat Exchanger

Heat exchanger tipe ini menggunakan pipa tube yang didesain membentuk

spiral di dalam sisi shell. Perpindahan panas pada tipe ini sangat efisien, namun di sisi

hampir tidak mungkin untuk melakukan pembersihan sisi dalam tube apabila kotor.

Oleh karena itu jenis heat exchanger ini butuh perawatan yang lebih dibandingkan

dengan plate spiral heat exchanger.

Contoh heat exchanger tipe spiral (tube).

Di sini kita mepyelidiki peristiwa berlangsungnya perindahan panas itu. Kalau kita

menganggap perindahan panas berlangsung secara mengalir analogi dengan aliran listrik

atau aliran fluida, maka aliran panas ini kita namakan arus panas. Kita definisikan arus

panas ini sebagai jumlah tenaga panas per satuan waktu atau daya panas melalui

penampang tegak lurus kepada arah arus. Oleh sebab itu arus panas rata-rata adalah :

Dengan ∆T sebagai waktu perpindahan panas yang dipandang. Karena arus panas

dapat berubah-ubah menurut waktu, maka arus panas pada setiap saat adalah :

Perindahan panas dapat kita ketahui melalui perubahan temperatur. Oleh karenanya

perlu ditentukan hubungan antara arus panas dan perubahan atau perbedaan temperatur.

Bagi kalorimeter yang mengalami pertukaran panas dengan luar sistem, akibat

perpindahan panas, Newton memberikan suatu koreksi yang dikenal sebagai hukum pen-

dinginan atau pemanasan Newton.

Hukum Pendinginan Atau Pemanasan Newton

Perubahan temperatur akibat pertukaran panas seperti pada kalorimeter menurut

Newton pada tahun 1701, adalah berbanding lurns dengan waktu. Bila temperatur sistem

lebih tinggi daripada tempeatur sekitarnya, maka akan terjadi pendinginan pada sistem

atau penurunan temperatur dan demikian pun sebaliknya. Perbandingan ini dapat

dijadikan persamaan dengan membubuhi suatu faktor konstanta k, sehingga :

∆t

∆T

=−k (t−t s)

Dengan t dan t. masing-masing merupakan temperatur sistem dan

temperatur sekitarnya. Tanda negatif menunjukkan terjadinya penurnnan

temperatur bila t > ts . Karena perubahan temperatur ini dapat berbeda

menurut waktu, maka perubahan temperatur setiap saat adalah :

dtdT

=−k (t−t s)

atau dapat juga ditulis

dtt−t s

=−kdT

sehingga setelah diintegrasikan diperoleh temperatur sistem

setelah waktu 't, sebesar

In (t - ts) = - k T + C

Jika temperatur pada waktu T =0 adalah t0 maka konstanta

integrasi C dapat ditentukan, sehingga diperoleh

Ln t−t 0

t0−t s

=−kT

Atau

t = t0 + (t0 – ts ) e-kt

Apabila perbedaan temperatur sistem dan sekitarnya keeil maka

dengan sendirinya perubahan temperatur pada sistem adalah keeil

juga karena perubahan temperature maksimum dari sistem adalah

menyamai temperatur sekitarnya. Oleh sebab itu dalam hal ini

nampak dari persamaan diatas bahwa k 't akan keeil juga harganya.

Untuk k 't« 1 dapat diadakan pendekatan dari persamaan diatas

dengan menguraikan dulu ke dalam deret.

Dengan mengabaikan faktor kT dengan pangkat dua dan lebih,

pendekatan ini

menjadi

Perhitungan dalam merancang heat exchanger, dalam hal ini spiral heat exchanger

adalah dengan memperhitungkan perpindahan panas secara konduksi dan secara

konveksi.

1. Perpindahan panas konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui zat perantara. Namun, zat

tersebut tidak ikut berpindah ataupun bergerak. Contoh sederhana dalam

kehidupan sehari-hari misalnya, ketika kita membuat kopi atau minuman panas,

lalu kita mencelupkan sendok untuk mengaduk gulanya. Biarkan beberapa menit,

maka sendok tersebut akan ikut panas. Panas dari air mengalir ke seluruh bagian

sendok. Atau contoh lain misalnya saat kita membakar besi logam dan sejenisnya.

meskipun hanya salah satu ujung dari besi logam tersebut yang dipanaskan,

namun panasnya akan menyebar ke seluruh bagian logam sampai ke ujung logam

yang tidak ikut dipanaskan. Hal ini menunjukkan panas berpindah dengan

perantara besi logam tersebut.

Contoh lainnya adalah ketika kita melihat tukang menempah besi menjadi

sesuatu barang semisal parang. Walau hanya ujung besi yang dipanaskan, namun

rasa panas menjalar ke semua bagian besi, sehingga para tukang biasanya

mengalasi ujung besi yang tidak dipanaskan dengan kain. Selain itu, juga kita bisa

melihat pada kasus melelehnya margarine yang dimasukkan ke dalam wajan yang

panas.

Tenaga panas dari suatu bagian benda bertemperatur lebih tinggi akan

mengalir melalui zat benda itu ke bagian lainnya yang bertemperatur lebih

rendah. Sebagai arus panas, perpindahan panas ini memenuhi definisi (82). Zat

atau partikel zat dari benda yang dilalui panas ini sendiri tidak mengalir sehingga

tenaga panas berpindah dari satu partikel ke lain partikel dan meneapai bagian

yang dituju. Perpindahan panas seeara ini disebut konduksi panas; arus panasnya

adalah arus panas konduksi dan zatnya itu mempunyai sifat konduksi panas.

Konduksi panas ini bergantung kepada zat yang dilaluinyan dan juga kepada

distribusi temperatur dari bagian benda sedangkan, menurut penyelidikan,

selanjutnya juga bergantung sedikit banyak kepada temperatur itu sendiri.

Berlangsungnya konduksi panas melalui zat dapat diketahui oleh perubahan

temperatur yang terjadi. Ditinjau dari sudut teori molukuler, yakni benda atau zat

terdiri dari molekul, pemberian panas pada zat menyebabkan molekul itu

bergetar. Getaran ini makin bertambah jika panas ditambah, sehingga tenaga

panas berubah menjadi tenaga getaran. Molekul yang bergetar ini tetap pada

tempatnya tetapi getaran yang lebih hebat ini akan menyebabkan getaran yang

lebih keeil dari molekul di sampingnya, bertambah getarannya, dan demikian

seterusnya sehingga akhirnya getaran molekul pada bagian lain benda akan lebih

hebat. Sebagai akibatnya, temperatur pada bagian lain benda itu akan naik dan

kita lihat bahwa panas berpindah ke tempat lain.

Jadi pada konduksi panas, tenaga panas dipindahkan dari satu partikel zat ke

partikel di sampingnya, berturut-turut sampai meneapai bagian lain zat yang

bertemperatur lebih rendah.

Konduksi Panas Pada Keadaan Tetap

Apabila temperatur dari suatu benda pada dua tempat adalah tetap dan

berlainan, maka akan terjadi konduksi panas. Konduksi panas demikian yakni

antara bagian dengan temperatur tetap disebut konduksi panas pada keadaan

tetap. Arus konduksi tentunya bergantung juga kepada distribusi temperatur tetap

ini pada benda itu, di samping bentuk benda itu sendiri.

Di sini kita akan melihat hanya hal-hal yang sederhana, yakni keadaan dengan

hanya dua temperatur tetap yang terletak simetris pada benda bersangkutan. Pada

keadaan seimbang, arus panas antara kedua tempeatur tetap ini akan tetap

harganya.

Pada gambar 19 terlihat suatu keping datar plan-paralel, dengan luas kedua

permukaan bidang yang berhadapan adalah A dan masing-masing mempunyai

temperature tetap t1 dan t2 (t1 > t2).

Tebal keping adalab I dan arus panas H mengalir dari t1 ke t2. Setelah

mencapai keseimbangan, maka menurut hasil eksperimen dari Biot dan Fourier,

arus panas tetap H berbanding lurns dengan luas penampang yang tegak lurns

pada arab arus panas, berbanding lurns dengan beda temperatur tetap itu (t1 - t2),

dan berbanding terbalik dengan panjang jalan yang ditempuh arus panas. Dengan

membubuhi suatu faktor pembanding K, kita peroleh hubungan :

Atau umumnya dapat ditulis :

Dengan x sebagai jalan yang ditempuh arus panas. Apabila perubaban

temperatur bergantung kepada jalan arus panas, maka dapat ditulis menjadi :

Dengan tanda negatif menyatakan babwa arab arus menuju ke arab turunnya

temperatur.

Faktor dtdx

disebut juga sebagai gradient temperatur.

Konstanta K disebut koefisien konduktivitas panas atau konduktivitas panas.

Ternyata kemudian bahwa konduktivitas panas ini juga tidak konstan tetapi

bergantung kepada temperatur. Untuk batas temperatur tertentu dapat diambil

harga rata-ratanya yakni konduktivitas panas rata. Kita pandang di sini zat dengan

konduktivitas panas yang isotropis.

Dari persamaan ini kita dapat menyelesaikan perancangan heat exchanger tipe

spiral.

Gambar-gambar contoh spiral heat exchanger yang digunakan di industri.