Click here to load reader
Upload
fitryani-mariska
View
32
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Unit penukar kalor adalah suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu
fluida ke fluida yang lain. Sebagian besar dari industri-industri yang berkaitan
dengan pemprosesan selalu penggunakan alat ini, sehingga alat penukar kalor
ini mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau operasi.
Salah satu tipe dari alat penukar kalor yang banyak dipakai adalah Shell
and Tube Heat Exchanger. Alat ini terdiri dari sebuah shell silindris di bagian
luar dan sejumlah tube (tube bundle) di bagian dalam, dimana temperatur
fluida di dalam tube bundle berbeda dengan di luar tube (di dalam shell)
sehingga terjadi perpindahan panas antara aliran fluida di dalam tube dan di
luar tube. Adapun daerah yang berhubungan dengan bagian dalam tube
disebut dengan tube side dan yang di luar dari tube disebut shell side.
Perancangan alat penukar kalor ini berfungsi untuk melengkapi alat
praktikum di labotorium konversi teknik mesin Universitas Riau .
1.2 Rumusan Masalah
Mendesain Heat exchanger untuk mengetahui efisiensi dari pengaruh variasi
Temperatur inlet oli didinginkan oleh air pada suhu 25oC terhadap temperatur
outlet oli.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan merancang heat exchanger ini adalah sebagai alat praktikum di
labotalatorium konversi jurusan Teknik Mesin Universitas Riau .
1.4 Manfaat
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1Pengertian
Pengertian Heat Exchanger Menurut Incropera dan Dewitt (1981),
efektivitas suatu heat exchanger didefinisikan sebagai perbandingan antara
perpindahan panas yang diharapkan (nyata) dengan perpindahan panas
maksimum yang mungkin terjadi dalam heat exchanger tersebut. Secara
umum pengertian alat penukar panas atau heat exchanger (HE), adalah suatu
alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa 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
maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. 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.
2.2Prinsip Kerja Heat Exchanger
Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari
dua fluida pada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan
secara langsung ataupun tidak langsung.
Gambar 2.1 Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger
a. 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.
b. Secara kontak tak langsung, perpindahan panas terjadi antara fluida
panas dan dingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua
fluida akan mengalir.
2.3Jenis-jenis Heat Exchanger
Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology
yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut
yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal
dengan Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). Standarisasi
tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau
kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang
tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger,
yaitu :
a. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat,
misalnya untuk industri minyak dan kimia berat.
b. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan
pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses
umum industri.
Jenis-jenis Heat Exchanger dapat dibedakan atas :
1. Jenis Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam
industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder
besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan
diameter yang relative kecil. Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa
sedangkan fluida lainnya mengalir dibagian luar pipa tetapi masih didalam
shell.
Keuntungan Shell and Tube Heat exchanger merupakan Heat
exchanger yang paling banyak digunakan di proses-proses industri karena
mampu memberikan ratio area perpindahan panas dengan volume dan
massa fluida yang cukup kecil. Selain itu juga dapat mengakomodasi
ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan konstruksinya juga paling
murah di antara yang lain. Untuk menjamin bahwa fluida pada shell-side
mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan
perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka di dalam shell tersebut
dipasangkan sekat/penghalang (baffles).
Gambar 2.2 Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube
Berdasarkan konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube dibedakan
atas:
a. Fixed Tube Sheet
Merupakan jenis shell and tube Heat exchanger yang terdiri
dari tube-bundle yang dipasang sejajar dengan shell dan kedua tube
sheet menyatu dengan shell. Kelemahan pada tipe ini adalah kesulitan
pada penggantian tube dan pembersihan shell.
b. Floating Tube Sheet
Merupakan Heat exchanger yang dirancang dengan salah satu
tipe tube sheetnya mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak
di dalam shell jika terjadi pemuaian atau penyusutan karena
perubahan suhu. Tipe ini banyak digunakan dalam industri migas
karena pemeliharaannya lebih mudah dibandingkan fix tube sheet,
karena tube-bundlenya dapat dikeluarkan, dan dapat digunakan pada
operasi dengan perbedaan temperatur antara shell dan tube side di atas
200oF.
c. U tube/U bundle
Jenis ini hanya mempunyai 1 buah tube sheet, dimana tube
dibuat berbentuk U yang ujung-ujungnya disatukan pada tube sheet
sehingga biaya yang dibutuhkan paling murah di antara Shell and
Tube Heat exchanger yang lain. Tube bundle dapat dikeluarkan dari
shellnya setelah channel headnya dilepas. Tipe ini juga dapat
digunakan pada tekanan tinggi dan beda temperatur yang tinggi.
Masalah yang sering terjadi pada Heat exchanger ini adalah
terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan tube yang disebabkan
oleh kecepatan aliran dan tekanan di dalam tube, untuk itu fluida yang
mengalir dalam tube side haruslah fluida yang tidak mengandung
partikel-partikel padat
2. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)
Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-
sendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger
ini dibentuk menjadi U. pada keperluan khusus, untuk meningkatkan
kemampuan memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk
siripnya ada yang memanjang, melingkar dan sebagainya.
Gambar 2.3 Alat penukar kalor jenis double pipa
Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak
langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara
kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. Fluida yang
memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin) mengalir melalui pipa
kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi mengalir pada pipa
yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian mungkin terdiri
dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal. Perpindahan
kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses
konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang
bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.
Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan
yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua
fluida sangat kecil, mudah dibersihkan pada bagian fitting, Fleksibel
dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa, dapat dipasang secara seri
ataupun paralel, dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas
pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan,mudah bila kita ingin
menambahkan luas permukaannya dan kalkulasi design mudah dibuat dan
akurat Sedangkan kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan
panasnya sangat kecil, mahal, terbatas untuk fluida yang membutuhkan
area perpindahan kalor kecil (<50 m2), dan biasanya digunakan untuk
sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau dikondensasikan.
3. Koil Pipa
Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang
dibenamkan didalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau
yang disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir di
dalam pipa. Jenis ini disebut juga sebagai box cooler (gambar 2.5) jenis
ini biasanya digunakan untuk pemindahan kalor yang relative kecil dan
fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.
Gambar 2.4 Pipa Coil Heat Exchanger
4. Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)
Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam
shell, tetapi dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan
mengalirkan air atau udara pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya
cukup panjang. Untuk pendinginan dengan udara biasanya bagian luar
pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan perpindahan panas.
Seperti halnya jenis coil pipa, perpindahan panas yang terjadi cukup
lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.
5. Jenis spiral
Jenis ini menpunyai bidang perpindahan panas yang melingkar.
Karena alirannya yang melingkar maka system ini dapat “Self Cleaning”
dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik. Akan tetapi
konstruksi seperti ini tidak dapat dioperasikan pada tekanan tinggi.
6. Jenis lamella
Biasanya digunakan untuk memindahkan panas dari gas ke gas
pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas yang
baik/tinggi.
7. Gasketter plate exchanger
Mempunyai bidang perpindahan panas yang terbentuk dari
lembaran pelat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk cairan)
terdapat diantara lembaran pelat yang dipisahkan gasket yang dirancang
khusus sehingga dapat memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya
mudah dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik.
2.4Komponen-komponen Heat Exchanger.
1. Shell
Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan
ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran
besar atau pelat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat
exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart
tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan dengan sambungan
ekspansi.
2. Tube (pipa)
Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis
fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang
perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan
operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh
fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube dapat dilihat dibawah ini:
Gambar 2.5 tipe susunan tube
3. Tube Sheet
Tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu
yang disebut tube bundle. HE dengan tube lurus pada umumnya
menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkan pada tube tipe U
menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan
tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube side
dengan shell side.
4. Sekat (Baffle)
Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini
antara lain adalah untuk :
Sebagai penahan dari tube bundle
Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran.
Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di
dalam tubes.
Ditinjau dari segi konstruksinya baffle dapat diklasifikasikan dalam
empat kelompok, yaitu :
1. sekat plat bentuk segmen.
2. Sekat bintang (rod baffle)
3. Sekat mendatar.
4. Sekat impingement.
5. Tie Rods
Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan
di bagian paling luar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar
jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.
2.5 Pengukuran Kinerja Heat Exchanger
Kinerja dari suatu Heat Exchanger dapat dilihat dari parameter-parameter
berikut :
1. Faktor Pengotor (Fouling Factor)
Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas
pada heat exchanger. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang
mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchange
rakibat pengaruh dari jenis fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger
ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti akan terjadi. Terjadinya
pengotoran tersebut dapat menganggu atau memperngaruhi temperatur
fluida mengalir juga dapat menurunkan ataau mempengaruhi koefisien
perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Beberapa faktor yang
dipengaruhi akibat pengotoran antara lain :
Temperatur fluida
Temperatur dinding tube
Kecepatan aliran fluida
Faktor pengotoran (fouling factor, Rf) dapat dicari persamaan
dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan
menggunakan rumus sebagai berikut :
Jika fouling factor di atas sudah memiliki nilai sedemikian besar, maka HE
tersebut dapat disimpulkan sudah tidah baik kinerjanya.
2. Koefisien perpindahan panas
Semakin baik sistem maka semakin tinggi pula koefisien panas yang
dimilikinya. Koefisien perpindahan kalor, U, terdiri dari dua macam yaitu:
UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat
penukar kalor masih baru
UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat
penukar kalor sudah kotor
Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai
3. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)
Pada setiap aliran dalam HE akan terjadi penurunan tekanan karena
adanya gaya gesek yang terjadi antara fluida dan dinding pipa. Hal ini
dapat terjadi pada sambungan pipa, fitting,atau pada HE itu sendiri. Hal ini
akan mengakibatkan kehilangan energi sehingga perubahan suhu tidak
konstan.
Untuk penurunan Tekanan pada Tube Side Besarnya penurunan
tekanan pada tube side alat penukar kalor telah diformulasikan, persamaan
terhadap faktor gesekan dari fluida yang dipanaskan atau yang didinginkan
didalam tube.
Dimana :
n = Jumlah pass aliran tube
L = Panjang tube
L.n = Panjang total.lintasan dalam ft
Mengingat bahwa fluida itu mengalami belokan pada saat passnya, maka
akan terdapat kerugian tambahan penurunan tekanan.
4. Konduktivitas Termal
Daya hantar kalor yang dimiliki fluida maupun dinding pipa HE sangat
berpengaruh pada kemampuan kalor tersebut berpindah.
5. Aliran Fluida yang Bertukar Kalor
Aliran Kalor Sejajar, kurang efisien dan cepat untuk satu fluida.
Aliran Kalor Berlawanan Arah, kalor yang ditransfer lebih banyak.
2.6 Metode-metode untuk menentukan efektivitas
a. Beda Suhu Rata-rata Log (LMTD)
Pada alat penukar-kalor pipa-ganda, fluidanya dapat mengalir
dalam aliran-sejajar maupun aliran lawan-arah. Untuk menghitung
perpindahan kalor dalam susunan pipa-ganda digunakan persamaan :
dimana :
U = koefisien perpindahan-kalor menyeluruh
A = luas permukaan perpindahan-kalor
Tm = beda-suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar
kalor.
Untuk alat penukar-kalor aliran-sejajar , kalor yang dipindahkan melalui
unsur luas dA dapat dituliskan sebagai:
dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida-panas dan
fluida-dingin.
Perpindahan-kalor dapat pula dinyatakan sebagai:
Dimana m menunjukkan laju aliran-massa dan c adalah kalor spesifik
fluida Jadi,
Jika dq diselesaikan dari persamaan (1) dan disubstitusikan ke dalam
persamaan (2) maka didapatkan
Hasil kali dan dapat dinyatakan dalam perpindahan kalor total q dan beda-
suhu menyeluruh antara fluida-panas dan fluida dingin. Jadi,
Jika kedua hubungan di atas disubstitusikan ke persamaan (3)
memberikan :
Jika persamaan diatas dibandingkan dengan persamaan sebelumnya
terlihat bahwa beda suhu rata-rata merupakan pengelompokan suku-suku
dalam kurung, Jadi,
Beda suhu ini disebut beda suhu rata-rata log (log mean
temperature difference = LMTD). Dengan kata lain, LMTD ialah beda-
suhu pada satu ujung penukar-kalor dikurangi beda-suhu pada ujung yang
satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah dari perbandingan kedua beda
suhu tersebut.
Penurunan persamaan LMTD tersebut didasarkan atas dua asumsi :
Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu
Koefisien perpindahan-kalor konveksi tetap, untuk seluruh
penukar-kalor.
Jika suatu penukar-kalor yang bukan jenis pipa-ganda digunakan,
perpindahan-kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap
LMTD untuk susunan pipa-ganda aliran lawan-arah dengan suhu fluida-
panas dan fluida dingin yang sama. Bentuk persamaan perpindahan-kalor
menjadi:
b. Metode NTU Efektivitas
Dalam analisis penukar-kalor, pendekatan dengan metode LMTD berguna
apabila suhu masuk dan suhu keluar fluida diketahui atau dapat
ditentukan dengan mudah sehingga LMTD, luas permukaan dan koefisien
perpindahan kalor dapat dengan mudah ditentukan.
Namun, apabila kita harus menentukan terlebih dahulu suhu
masuk dan suhu keluar fluida maka analisis lebih mudah dilakukan
dengan metode yang berdasarkan efektivitas penukar kalor dalam
memindahkan jumlah kalor tertentu atau disebut juga metode NTU
(Number of Transfer Unit). Metode NTU dikhususkan untuk menghitung
perpindahan secara counter currentHeat Exchanger sendiri adalah
alat/perangkat yang energinya ditransfer dari satu fluida menuju fluida
lainnya melewati permukaan padat.
Metode NTU ini dijalankan/dikerjakan dengan menghitung laju
kapasitas panas (contohnya laju alir dikalikan dengan panas spesifik) Ch
dan Cc berturut-turut untuk fluida panas dan dingin. Dalam kasus dimana
hanya ada temperatur awal untuk fluida panas dan cair yang diketahui,
LMTD tidak dapat dihitung sebelumnya dan aplikasi/penerapan metode
LMTD memerlukan pendekatan secara iterasi. Pendekatan yang
dianjurkan adalah metode keefektifan atau -NTU. Keefektifan dari Heat
Exchanger, didefinisikan dengan :
dimana : q adalah nilai laju sebenarnya dari perpindahan panas dari fluida
panas menuju fluida dingin, dan qmax merepresentasikan laju maksimum
yang mungkin dari perpindahan panas, yang diberikan dengan hubungan :
dimana Cmin adalah laju kapasitas dari dua panas yang terkecil. Dengan
demikian laju perpindahan panas sebenarnya diekspresikan sebagai :
dan dihitung, memberikan keefektifan heat exchanger, , laju alir massa,
dan panas spesifik dua fluida dan temperatur awal.
Untuk geometris aliran, , dapat dihitung menggunakan korelasi dengan
istilah “rasio kapasitas panas” :
dan Bilangan Satuan Perpindahan, NTU :
dimana U merupakan koefisien perpindahan panas keseluruhan dan A
adalah area perpindahan panas
2.7Sdfsdf
2.8Sdfsdf
2.9Sdf
2.10