tugas 2 (makalah he spiral)

8/19/2019 Tugas 2 (Makalah He Spiral)

http://slidepdf.com/reader/full/tugas-2-makalah-he-spiral 1/21



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 :

∆

∆

= ( )

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 :

= ( )

atau dapat juga ditulis

=

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 −0

0− =



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 exchangeradalah 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 temperaturdari 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 mencapaikeseimbangan, 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

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.



SPIRAL PLATE HEAT EXCHANGERS

A spiral plate heat exchanger (SPHE) is fabricated by rolling a pair of relatively long

strips of plate to form a pair of spiral passages (Figure 7.28). Channel spacing is maintaineduniformly along the length of the spiral passages by means of spacer studs welded to the plate

strips prior to rolling. It can be made with channels 5 – 25 mm wide, with or without studs. The

spiral channels are welded shut on their ends.

a. b.

FIGUE 7.28 Spiral plate heat exchanger. (a) Unit and (b) two plates design (with studded or plain

design).

in order to contain respective fluids. An overall gasket is applied to the cover. The coversare attached to the spiral element by means of forged hook bolts and adapters. The hook bolt

engages the bevel at the back of the flange ring and the adapter engages the rim at the edge of the

cover. A header is welded on the outer end of each passage to accommodate the respective

peripheral nozzle. For most services, both fluid flow channels are closed by alternate channels

welded at both sides of the spiral plate. In some applications, one of the channels is left

completely open, and the other closed at both sides of the plate. These two types of construction

prevent the fluids from mixing.

Flow Arragement and Application

The spiral assembly can be fitted with covers to provide three flow pattern types:

1. Both fluids in spiral flows; this arrangement can accommodate the media in full

counterflow. General uses are for liquid to liquid, condensers, and gas coolers.

2. One fluid in spiral flow and the other in axial flow across the spiral; general uses are

as condensers, reboilers, and gas coolers and heaters.



3. One fluid in spiral flow and the other in a combination of axial and spiral flow; general

uses are as condensers (with built-in aftercoolers) and vaporizers.

These flow arrangements are shown schematically in Figure 7.29.

Construction Material

Spiral plate exchangers are fabricated from any material that can be cold worked and

welded. Typical construction materials include carbon steel, stainless steels, Hastelloy B and

C, nickel and nickel alloys, aluminum alloys, titanium, and copper alloys. To protect against

corrosion from cooling water, the surface is given baked phenolic resin coatings, among others.

Anodic elements may also be wound into the assembly to anodically protect surfaces against

corrosion.

Thermal Design of Spiral Plate Exchanger

Thermal design procedures of SPHEs are covered by Minton [19]. The system of

ordinary differential equations for the temperature distribution in SPHEs has been solved

numerically by Chaudhury et al. [20] to obtain the efficiency,

LMTD correction factor F is a function of number of transfer units, number of turns n,

and the heat capacity rate ratio. They found that the LMTD correction factors, when plotted

versus NTU Plate Heat Exchangers and Spiral Plate Heat Exchangers.

FIGURE 7.29 Alfa Laval SPHE flow arrangements (L, condensate; G, gas; W, liquid; V, vapor; and

S, noncondensables).



per turn, fall approximately on a single curve and that curve can be represented by the simple

formula

Mechanical Design of Spiral Plate Heat Exchangers

Spiral exchangers can be furnished in accordance with most pressure vessel codes. Sizes

range from 0.5 to 350 m2 of heat transfer surface in one single spiral body. The maximum

design pressure is normally limited to 150 psi due to the following reasons, although for smaller

diameters the pressure may sometimes be higher [19]:

1.

They are normally designed for the full pressure of each passage.2.

Because the turns of the spiral are of relatively large diameter, each turn must contain

its design pressure.

3. The plate thickness is somewhat restricted.

Limitations of materials of constructions govern design temperature.

Aplication for Spiral Plate Heat Exchanger

The SPHE is particularly suited for such liquid-to-liquid duties as

- Clogging slurries such as PVC slurries

- Clogging particle-laden and fibrous media such as TMP condensate in pulp and paper

production

- Clogging and erosive media such as alumina, hydrate slurries, etc.

- Fouling media such as waste water or sewage sludge

- High-viscosity media such as heavy oil

-

Non-Newtonian fluids such as fermenting froth in pharmaceuticals processing

Adventage of Spiral Plate Exchangers

SPHEs have a number of advantages over conventional shell and tube exchangers:

1. The spiral heat exchanger approaches the ideal in heat exchanger design. Media can be

arranged in full counterflow. Flow characteristics are the same for each medium. The

long passages on each side permit close temperature approaches. Radiation losses arenegligible.



2. The exchanger is well suited for heating or cooling viscous fluids because its L/D ratio

is lower than that of tubular exchangers

3.

At a velocity that would be marginal and approaching streamline flow in straight tubes,

good turbulence is realized because of the continuously curving passages.

4. The scrubbing action of the fluids in each side of the passage tends to flush away

deposits as they form and hence permits the use of low fouling resistance values.

5. Media cannot intermix; they are isolated by the welded closing on one side of each

passage.

6.

The spiral exchanger is compact and requires less installation and servicing space than

conventional exchangers of equivalent surface.

7. They are easily maintainable. By removing the covers of the spiral exchanger, the entire

lengths of the passages are easily accessible for inspection or mechanical cleaning, if

necessary. Similarly, because of the single passage on each side, the spiral heat

exchanger is readily cleaned with cleaning solutions without opening the unit.

8.

Spiral plate exchangers avoid problems associated with differential thermal expansion

in non-cyclic service.

9. In axial flow, a large flow area affords a low pressure drop, which becomes especially

important when condensing under vacuum.

Lamination

Besides the pressure limitation noted earlier, the spiral plate exchanger also has the

following disadvantages :

1. Repairing an SPHE in the field is difficult; however, the possibility of leakage in a

spiral is less because it is generally fabricated from much thicker plate than tube walls.

2. Spiral plate exchangers are not recommended for service in which thermal cycling is

frequent. When used for such services, the unit sometimes must be designed for higher

stresses.

3. The SPHE usually should not be used when a hard deposit forms during operation,

because the spacer studs prevent such deposits from being easily removed by drilling.



Fouling Tendencies

Fouling is defined as the formation on heat exchanger surfaces of undesirable deposits

that impede the heat transfer and increase the resistance to fluid flow, resulting in higher

pressure drop. The growth of these deposits causes the thermohydraulic performance of heatexchanger to decline with time. Fouling affects the energy consumption of industrial processes,

and it also decides the amount of extra material required to provide extra heat transfer surface

to compensate for the effects of fouling. Compact heat exchangers are generally preferred for

nonfouling applications. In a shell and tube unit, the fluid with more fouling tendencies should

be put on the tubeside for ease of cleaning. On the shellside with cross baffles, it is sometimes

difficult to achieve a good flow distribution if the baffle cut is either too high or too low.

Stagnation in any regions of low velocity behind the baffles is difficult to avoid if the baffles

are cut more than about 20% – 25%. PHEs and spiral plate exchangers are better chosen for

fouling services. The flow pattern in PHE induces turbulence even at comparable low

velocities; in the spiral units, the scrubbing action of the fluids on the curved surfaces

minimizes fouling. Also consider Philips RODbaffle heat exchanger, TWISTED TUBE® heat

exchanger, Helixchanger® heat exchanger or EMbaffle® heat exchanger to improve flow

velocity on shellside, enhance heat transfer performance and reduce fouling tendencies on

shellside.

Maintenance, Inspection, Cleaning, Repair, and Extension Aspects

Consider the suitability of various heat exchangers as regards maintenance, inspection,

cleaning, repair, and extension. For example, the pharmaceutical, dairy, and food industries

require quick access to internal components for frequent cleaning. Since some of the heat

exchanger types offer great variations in design, this must be kept in mind when designing for

a certain application. For instance, consider inspection and manual cleaning. Spiral plateexchangers can be made with both sides open at one edge, or with one side open and one closed.

They can be made with channels between 5 and 25 mm wide, with or without studs. STHE can

be made with fixed tubesheets or with a removable tube bundle, with small- or large-diameter

tubes, or small or wide pitch. A lamella heat exchanger bundle is removable and thus fairly

easy to clean on the shellside. Inside, the lamella, however, cannot be drilled to remove the

hard fouling deposits. Gasketed PHEs are easy to open, especially when all nozzles are located

on the stationary end-plate side. The plate arrangement can be changed for other duties within

the frame and nozzle capacity.



Repair of some of the shell and tube exchanger components is possible, but the repair

of expansion joint is very difficult. Tubes can be renewed or plugged. Repair of compact heat

exchangers of tube-fin type is very difficult except by plugging of the tube. Repair of the plate-

fin exchanger is generally very difficult. For these two types of heat exchangers, extension of

units for higher thermal duties is generally not possible. All these drawbacks are easily

overcome in a PHE. It can be easily repaired, and plates and other parts can be easily replaced.

Due to modular construction, PHEs possess the flexibility of enhancing or reducing the heat

transfer surface area, modifying the pass arrangement, and addition of more than one duty

according to the heat transfer requirements at a future date.



Daftar Pustaka

-

Heat Exchanger Design Handbook, 2nd Edition-2013,



DAFTAR PUSTAKA

- http://chemicalengineeringnow.blogspot.co.id/2015/03/heat-exchanger-alat-penukar-

panas.html

- http://server2.docfoc.us/uploads/Z2015/12/23/EwO8YgSRl2/2d9d328c4781d2a24fa8

b2a2dc615904.docx

-

Heat Exchanger Design Handbook, 2nd Edition-2013

http://chemicalengineeringnow.blogspot.co.id/2015/03/heat-exchanger-alat-penukar-panas.html





http://server2.docfoc.us/uploads/Z2015/12/23/EwO8YgSRl2/2d9d328c4781d2a24fa8b2a2dc615904.docx









tugas 2 (makalah he spiral)

Documents