I. Tujuan Percobaan

II. Teori

2.1 Pengertian dan Prinsip Kerja Heat Echanger

Alat penukar kalor atau heat exchanger (HE) adalah suatu alat yang memungkinkan

perpindahan panas dan berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya,

medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) 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 maupunkeduanya bercampur

langsung begitu saja. Mekanisme perpindahan kalor pada alat penukar kalor yaitu secara

konveksi pada kedua fluida yang mengalir dan secara konduksi pada dinding pemisah kedua

fluida.

Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida yang

memiliki temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun

tidak langsung. Secara kontak langsung, panas yang dipindahkan antara fluida panas dan

dingin melalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua

fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua

fluida.Contoh : aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible

(tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.Sedangkan secara

kontak tak langsung Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui dinding

pemisah. Sistem ini diilustrasikan oleh Gambar 1.

Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger

2.2. Jenis-jenis Heat Exchanger

Heat exchanger dapat digolongkan sesuai dengan fungsinya, kontruksinya, arah aliran,

dan lain-lain. Dibawah ini terdapat jenis jenis heat exchanger berdasarkan tipe konstruksi dan

arah alirannya.

A. Berdasarkan tipe konstruksi

Tabel 1. Jenis HE berdasarkan Tipe Konstruksi

No

.

Nama HE Keterangan

1. Tubular

exchanger

Double pipe : untuk memanaskan / mendinginkan fluida

dengan A kecil dan mendidihkan / mengkondensasi fluida

proses jumlah kecil

Shell and Tube (paling banyak digunakan di proses industri)

Keuntungan: mampu memberikan ratio area perpindahan panas

dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil; dapat

mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan,

dan konstruksinya juga paling murah di antara yang lain.

Berdasarkan konstruksi tube: fixed tube sheet, floating tube

sheet, U tube/U bundle,dan spiral tube.

2. Plate

exchanger

Aliran flluida melewati ruang antar plat bagian genap dan

fluida dingin bagian ganjil. Plat dipasang melingkar agar tidak

memberikan perpindahan panas yang besar dan mencegah

fouling factor

Keuntungan: Plat-plat dipasang secara bertumpuk/ melingkar

agar tidak memberikan perpindahan panas yang besar dan

mencegah terjadinya fouling factor. Selain itu, dengan

rangkaian seperti ini, akan memberikan luas permukaan yang

lebih besar, sehingga akan lebih efektif daripada jenis

shellandtube. Plate heat exchanger mudah untuk dilepas dan

dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan.

Tipe: plate and frame or gaskete plate exchanger (T dan P

rendah); spiral plate exchanger; dan lamella heat exchanger

3. Extended

surface

HE dengan permukaan yang dilebarkan dengan fin, spine, dan

groove sehingga perpindajan kalor lebih cepat dan nilai h

besar.

Tipe: plate fin / matrix HE dan high-finned tube

4. Regenerator Fluida panas dan dingin pada jalur yang sama secara

bergantian

Tipe: fixed-matrix dan rotary

Aplikasi: turbin gas dan furnace pre heater

5. Air cooler

exchanger

Tube bundle (beberapa baris tube) serta fan untuk mengalirkan

udara di antara fins yang ada pada bagian luar tube

6. Regenarative

Heat

Pada jenis ini, panas yang dihasilkan oleh suatu sistem

digunakan untuk memanaskan suatu fluida yang digunakan

Exchanger dalam proses, dan pada bagian lainnya, fluida dengan tipe yang

sama digunakan sebagai inlet pada heat exchanger (dapat

berupa plate atau shellandtube).

Pada heat exchanger jenis ini hanya digunakan untuk fluida

gas, tidak dapat digunakan untuk cairan.

7. Adiabatic Heat

Exchanger

Jenis ini menggunakan fluida atau padatan intermediate untuk

menyimpan/menahan panas, yang kemudian panas tersebut

akan pindah ke bagian lain dari heat exchanger untuk

dibebaskan.

Jenis ini digunakan ketika suatu sistem memungkinkan untuk

hanya sejumlah kecil pencampuran terjadi pada dua aliran.

Contoh : air preheater

8. Fluid Heat

Exchanger

Jenis ini menggunakan gas yang melewati aliran fluida

(seringkali air), lalu fluida tersebut disimpan sebelum

didinginkan.

Jenis ini umum digunakan pada cooling gas yang sekaligus

menghilangkan pengotor di dalamnya.

Contoh: pada mesin espresso dimana digunakan untuk

mendinginkan air panas sebelum digunakan pada proses

ektraksi dari espresso.

9. Dynamic

sraped surface

Heat

Exchanger

Tipe ini lazim digunakan untuk memanaskan atau

mendinginkan pada produk dengan viskositas tinggi; proses

kristalisasi; evaporasi dan aplikasi high-fouling.

B. Berdasarkan arah aliran

No

.

Nama HE Keterangan

1. Parallel Flow Fluida panas dan dingin mengalir masuk dari ujung yang sama

dan arah aliran sama

Luas area maksimum

Q=UA

(T 1−t1 )−(T2−t2)ln (T1−t1)/ (T 2−t2)

=UAΔt2−Δt1

ln( Δt2 / Δt1 )

2. Counter Flow Fluida panas dan dingin masuk dari ujung yang berbeda

dengan arah aliran berlawanan

Luas area minimum

Q=UA .( LMTD )

Δt=LMTD=(T1−t2)−(T 2−t1)ln (T1−t2) /(T2−t1)

=UAΔt2−Δt1

ln( Δt2 / Δt1 )

3. Cross Flow Salah satu fluida mengalir tegak lurus terhadap fluida lain

Luas area menengah

Aplikasi: kondenser uap (sheel and tubeHE – uap (sheel) dan

air pendingin (tube)

2.3. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Heat Exchanger

Di bawah ini adalah faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja dari suatu heat

exchanger adalah sebagai berikut:

1. Fouling Factor

Fouling atau tahanan pengotoran, Rf, yang harus diperhitungkan bersama tahanan

termal lainnya, dalam menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat

didefinisikan sebagai pembentukan lapisan deposit pada permukaan perpindahan panas

dari suatu bahan atau senyawa yang tidak diinginkan. Pembentukan lapisan deposit ini

akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan. Akumulasi deposit pada

alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan menurunkan efisiensi

perpindahan panas. Keterlibatan beberapa faktor diantaranya: jenis alat penukar kalor,

jenis material yang dipergunakan, dan fluida kerja (jenis fluida, temperatur fluida, laju

alir massa, jenis, dan konsentrasi kotoran yang ada dalam fluida).

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. Selain itu, mekanisme pembentukannya sangat beragam dan metode

pendekatannya juga berbeda-beda.

Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U

(koefisien perpindahan kalor keseluruhan/ overall coefficient of heat transfer) untuk

kondisi bersih (UC) dan kondisi kotor (UD) pada penukar kalor itu. Oleh karena itu,

faktor pengotoran didefinisikan sebagai:

dimana U pipa yang kotor tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai

berikut :

…(1.1)

…(1.2)

Sementara itu, untuk U << 10000 W/m2.ºC, fouling mungkin tidak begitu penting

karena hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun, pada water heat exchanger

dimana nilai U terletak sekitar 2000 maka fouling faktor akan menjadi penting. Pada

finned tube heat exchanger dimana gas panas mengalir di dalam tube dan gas yang

dingin mengalir melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200, dan fouling factor akan

menjadi signifikan.

2. Penurunan tekanan heat exchanger

Pressure drop merupakan banyaknya penurunan tekanan yang terjadi akibat heat

transfer dalam pipa. Penurunan tekanan ini dikarenakan adanya perubahan suhu secara

tiba-tiba karena beban kecepatan dan faktor friksi dalam aliran kedua fluida. Pressure

drop dapat digunakan rumus sebagai berikut :

dimana L adalah panjang pipa, D adalah jari-jari pipa, ρ adalah masa jenis fluida, Uav

adalah kecepatan rata-rata dan f adalah faktor friksi.

Penurunan tekanan pada heat exchanger khususnya pada tabung dan rangkunan

tabung dapat menyebabkan perubahan faktor gesek (friction factor). Pada tabung

hubungan antara faktor friksi dan penurunan tekanan dituliskan sebagai berikut :

Perubahan faktor friksi ini mengakibatkan berubahnya angka Reynold dan angka

Nusselt, sehingga nilai koefisien perpindahan kalor konveksinya berubah. Dengan

berubahnya koefisien perpindahan kalor konveksi maka kofisien perpindahan kalor

menyeluruhpun ikut berubah. Pressure drop dapat menurunkan kinerja dari alat

penukar kalor dan membuat nilai U (koefisien heat transfer overall) menjadi berkurang,

yang akibatnya perpindahan kalor antara kedua fluida juga akan makin sedikit. Dengan

demikian, proses tidak akan berjalan secara efisien. Oleh karena itu, semakin besar nilai

pressure drop, semakin rendah kinerja alat penukar kalor.

3. Koefisien Perpindahan Panas

…(1.3)

…(1.4)

Pada aliran dimana satu fluida mengalir pada bagian dalam tabung yang lebih kecil

dimana fluida yang lain mengalir dalam ruang anular diantara dua tabung, maka

perpindahan kalor dapat dideskripsikan dengan:

q=T A−T B

1h1 A

+ln(ro

r i)

2π kL+ 1

ho Ao

4. Jumlah lintasan

Di dalam alat penukar kalor, jumlah lintasan sangat menentukan kecepatan

perpindahan kalor. Apabila jumlah lintasan yang ada banyak, maka akan berpengaruh

pada luas permukaan yang melepas kalor. Seperti yang diketahui, apabila luas

permukaan yang terkena fluida panas semakin banyak atau luas, maka perpindahan

kalor akan terjadi lebih cepat.

5. Kecepatan

Kecepatan dari fluida mempengaruhi bilangan reynoldnya. Sementara itu, angka

reynold sangat berpengaruh dalam perhitungan matematis.

6. Distribusi temperatur

Apabila distribusi temperatur di dalam fluida tidak merata, maka perpindahan kalor

yang terjadi tidak merata di beberapa permukaan. Ada permukaan yang lebih banyak

aliran konveksinya apabila distribusi suhu di tempat tersebut cukup besar, begitu pula

sebaliknya.

7. Luas permukaan perpindahan panas

Semakin tinggi luas permukaan panas, semakin besar panas yang dipindahkan. Luas

perpindahan panas ini tergantung pada jenis tube dan ukuran tube yang digunakan suatu

heat exchanger.

8. Beda suhu rata-rata

Temperatur fluida panas maupun fluida dingin yang masuk heat exchanger biasanya

selalu berubah-ubah. Untuk menentukan perbedaan temperatur tersebut digunakan

perbedaan temperatur rata-rata atau Logarithmic Mean Temperature Difference

(LMTD). LMTD digunakan dalam perhitungan-perhitungan heat exchanger yang

menunjukkan panas yang dipindahkan.

…(1.5)

2.5 Temperatur Rata-rata Logaritmik (LMTD)

Pada awalnya diandaikan U (bisa juga digantikan oleh ) sebagai nilai konstan. U sendiri

merupakan koefisien heat transfer overall. Aturan untuk nilai U adalah:

1. Fluida dengan konduktivitas termal rendah seperti tar, minyak atau gas, biasanya

menghasilkan h yang rendah. Ketika fluida tersebut melewati heat exchanger, U akan

cenderung untuk turun.

2. Kondensasi dan pemanasan merupakan proses perpindahan kalor yang efektif. Proses

ini dapat meningkatkan nilai U.

3. Untuk U yang tinggi, tahanan dalam exchanger pasti rendah.

4. Fluida dengan konduktivitas yang tinggi mempunyai nilai U dan h yang tinggi.

Untuk U pada temperatur yang nyaris konstan, variasi temperatur dari aliran fluida

dapat dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur rata-rata dari

aliran dua fluida. Persamaannya adalah sebagai berikut :

dimana U adalah koefisien perpindahan kalor menyeluruh, A adalah luas permukaan

perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U, dan ∆Tm adalah beda suhu rata-rata yang

tepat untuk digunakan dalam penukar kalor.

Profil suhu untuk penukar kalor pipa ganda dimana fluidanya dapat mengalir dalam

aliran sejajar maupun aliran lawan arah ditunjukkan pada gambar 3. Pada profil suhu tersebut

terlihat bahwa beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan keluar

tidaklah sama, dan perlu ditentukan nilai rata-rata untuk digunakan dalam persamaan di atas.

Untuk penukar kalor aliran sejajar seperti pada gambar 1.5, kalor yang dipindahkan melalui

unsur luas dA dapat dituliskan sebagai:

dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida panas dan fluida dingin, m

menunjukkan laju aliran massa dan c adalah kalor spesifik fluida.

…(1.6)

…(1.7)

…(1.8)

Gambar 1.3. Profil suhu untuk aliran sejajar dan aliran lawan arah dalam penukar kalor pipa ganda

Setelah itu, menyamakan persamaan antara persamaan untuk counter flow dan persamaan

untuk pararel flow dan didapat :

dimana ΔTa adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin awal dan

ΔTbadalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin akhir.

ΔTmean yang dimaksud dalam persamaan 1.7 adalah LMTD, yaitu :

Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Jika suatu penukar kalor yang

bukan jenis pipa ganda digunakan, perpindahan kalor dihitung dengan menerapkan faktor

koreksi F. Sehingga rumusnya menjadi :

…(1.9)

…(1.10)

…(1.11)

Bila terdapat perubahan fase, seperti kondensasi atau didih (penguapan), fluida biasanya

berada pada suhu yang pada hakekatnya tetap, dan persamaan-persamaan itu menjadi lebih

sederhana. Oleh karena itu dapat dinyatakan F= 1,0 untuk pendidihan atau kondensasi.

2.6 Efektivitas Heat Exchanger

Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu masuk dan suhu

keluar diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD dapat dengan mudah

dihitung, dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh

dapat ditentukan. Namun, pada kondisi dimana hanya suhu masuk atau suhu keluar yang

diketahui, maka dapat digunakan metode lain yakni metode NTU yang merupakan salah satu

metode analisis pada alat penukar kalor berdasarkan pada efektivitas jumlah kalor yang dapat

dipindahkan antar fluida.

Efektivitas penukar kalor dapat dirumuskan sebagai berikut :

Perpindahan kalor yang sebenarnya dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida

panas (subscript h) atau energi yang diterima oleh fluida dingin (subscript c). Untuk penukar

kalor aliran sejajar, kalor tersebut dapat dinyatakan dengan:

dan untuk penukar kalor aliran lawan arah:

Besar perpindahan kalor maksimum dapat terjadi ketika fluida mengalami perubahan

suhu yang setara dengan perbedaan suhu maksimum antar fluida yaitu tepat saat kedua fluida

masuk ke dalam alat penukar panas. Perpindahan kalor maksimum akan terjadi apabila fluida

mempunyai nilai massa dikali dengan kalor jenis yang minimum. Kalor maksimum dapat

dinyatakan dengan:

Dengan definisi tersebut, maka besar efektivitas dapat dinyatakan dengan:

…(1.12)

…(1.13)

…(1.14)

…(1.15)

Untuk penukar kalor aliran sejajar:

Untuk penukar kalor aliran lawan arah:

Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai:

Setelah beberapa penurunan, maka didapat persamaan efisiensi:

Sedangkan untuk fluida dengan aliran lawan arah, hubungan efisiensinya:

Suku UA/Cmin inilah yang dikenal dengan jumlah satuan perpindahan atau NTU (Number

of Transfer Units) karena memberi petunjuk tentang ukuran alat penukar kalor. Cmin

merupakan nilai C terkecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan nilai yang terbesar.

Dengan menggunakan metode NTU-efektivitas ini akan didapat beberapa manfaat.

Diantaranya adalah memudahkan analisis dalam penyelesaian soal untuk menentukan suhu

masuk ataupun suhu keluar. Metode ini juga mempermudah dalam menganalisa soal yang

membandingkan berbagai jenis alat penukar kalor untuk memilih yang terbaik dalam

melaksanakan suatu tugas pemindahan kalor tertentu.

…(1.16)

…(1.21)

…(1.22)

…(1.20)

…(1.19)

…(1.18)

…(1.17)

2.7 Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan

U, terdiri dari dua macam yaitu:

1. UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor masih

baru

2. UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor sudah

kotor.

Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai:

II.8 Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor

dimana Δtm adalah suhu rata-rata log atau Log Mean Temperature Difference (LMTD). Untuk

shellandtubeheat exchanger, nilai LMTD harus dikoreksi dengan faktor yang dicari dari

grafik yang sesuai (Fig 18 s/d Fig 23 Kern). Caranya adalah dengan menggunakan parameter

R dan S.

Nilai LMTD dapat dihitung dengan ketentuan sebagai berikut :

a. Bila konstan pada aliran searah atau aliran berlawanan arah

Aliran Searah (co-current)

…(1.25)

…(1.27)

…(1.26)

…(1.24)

…(1.23)

Atau

Aliran Berlawanan Arah (Counter Current)

Dan harga Δ tm =FT.LMTD

b. Bila dinyatakan dalam UD maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit:

Nilai LMTD yang diperoleh harus dikoreksi dengan faktor FT yang dicari dari grafik yang sesuai. Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S.

…(1.29)

…(1.28)

…(1.30)