Bab I Pendahuluan: Exchanger (tim Penyusun, 2016)

1

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada pabrik kimia, proses pemanasan dan pendinginan bahan, penguapan maupun pengembunan selalu dilakukan. Prinsip proses-proses tersebut adalah menambahkan atau mengambil panas dari suatu bahan. Medium pemberi panas adalah bahan yang suhunya lebih tinggi (pemanas) sedang medium pengambil panas adalah bahan yang suhunya lebih rendah (pendingin). Dalam hal ini panas berpindah dari tempat yang suhunya lebih tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah. Alat yang umum dipakai untuk penambahan atau pengambilan panas disebut alat penukar panas atau heat exchanger (Tim penyusun, 2016). Alat penukar kalor 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 yang bercampur secara langsung begitu saja. Heat exchanger atau penukar panas adalah alat yang digunakan untuk menukarkan panas secara kontinyu dari suatu medium ke medium lainnya dengan membawa energi panas. Heat exchanger memiliki peranan yang sangat penting dalam industri terhadap keberhasilan keseluruhan rangkaian proses pada suatu unit, karena kegagalan pada operasi heat exchanger dapat menyebabkan berhentinya operasi unit. Maka heat exchanger dituntut untuk memiliki kinerja yang baik agar dapat diperoleh

hasil

yang maksimal

serta dapat menunjang penuh

terhadap operasi suatu unit tersebut agar operasinya dapat berjalan dengan baik dan benar sehingga hasilnyapun juga dapat di pelajari.Perhitungan

2

koefisien perpindahan panas merupakan salah satu hal terpenting pada alat tersebut. 1.2 Tujuan Percobaan Mengevaluasi nilai koefisien perpindahan panas permukaan pada shell dan tube heat exchanger. 1.3 Batasan Masalah Menganalisa kinerja alat penukar panas yang dilakukan pada suhu operasi pertemuan fluida (Tw) 450C dan 45 0C dengan jenis aliran co-current dan counter current.

3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Perpindahan Panas Perpindahan panas dapat didefinisikan sebagai perpindahannya energi dari suatu daerah lainya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah-daerah tersebut. Pada dasarnya perpindahan panas terjadi akibat adanya ketidakseimbangan (adanya perbedaan temperatur) termal. Perpindahan kalor tidak akan terjadi pada sistem yang memiliki temperatur sama. Perbedaan

temperatur

menjadi

daya

penggerak

untuk

terjadinya

perpindahan kalor. Proses perpindahan kalor terjadi dari suatu sistem yang memiliki temperatur lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Keseimbangan pada masing–masing sistem terjadi ketika sistem memiliki temperatur yang sama. Dalam proses perpindahan panas tersebut tentu ada kecepatan perpindahan panas yang terjadi, atau yang lebih dikenal dengan laju perpindahan panas. Ada tiga bentuk mekanisme perpindahan panas yang diketahui, yaitu konduksi(conduction, juga dikenal dengan istilah hantaran), konveksi(convection), juga dikenal dengan istilah aliran, radiasi (radiation) (Mufarida, 2016). 1. Konduksi Perpindahan kalor secara konduksi adalah

pengangkutan kalor

melalui suatu jenis zat. Yang biasa terjadi pada fase padat, karena pada fase padat itu dapat menghantarkan panas dengan baik, misalnya pada besi yang yang dipanaskan, yaitu dapat menghantarkan panas dengan cukup baik. Jadi, dapat menghantarkan panas dengan baik. Sehingga perpindahan kalor secara hantaran/konduksi merupakan suatu proses pendalaman karena proses perpindahan kalor ini hanya terjadi di dalam bahan. Misalnya panas yang berpindah di dalam sebuah batang logam akibat pemanasan salah satu ujungnya seperti terlihat pada gambar

4

ujung A menjadi naik temperaturnya walaupun yang dipanasi adalah pada ujung B (Budiman, 2014).

Gambar 2.1 Konduksi pada Batang Logam (Rokhimi, 2015). Pada perpindahan kalor secara konduksi tidak ada bahan dari logam yang berpindah. Yang terjadi adalah molekul-molekul logam yang diletakkan di atas nyala api membentur molekul-molekul yang berada di dekatnya dan memberikan sebagian panasnya. Molekulmolekul terdekat kembali membentur molekul molekul terdekat lainnya dan memberikan sebagian panasnya, dan begitu seterusnya di sepanjang bahan sehingga suhu logam naik. Jika padatan adalah logam, maka perpindahan energi kalor dibantu oleh elektron-elektron bebas, yang bergerak diseluruh logam, sambil menerima dan memberi energi kalor ketika bertumbukan dengan atom-atom logam. Dalam gas, kalor dikonduksikan oleh tumbukan langsung molekul- molekul gas. Molekul di bagian yang lebih panas dari gas mempunyai energi rata-rata yang lebih tinggi bertumbukan dengan molekul berenergi rendah, maka sebagian energi molekul berenergi tinggi ditransfer ke molekul berenergi rendah (Rokhimi, 2015). Joseph Fourier adalah salah seorang yang mempelajari proses perpindahan panas secara konduksi. Pada tahun 1822, Joseph Fourier telah merumuskan hukumnya yang berkenaan dengan konduksi. Banyak faktor yang mempengaruhi peristiwa konduksi. Diantaranya pengaruh luas penampang yang berbeda, pengaruh geomerti, pengaruh permukaan kontak, pengaruh adanya insulasi dan lain-lainnya. Dalam

5

proses perpindahan kalor secara konduksi terdapat laju hantaran kalor. Laju hantaran kalor menyatakan seberapa cepat kalor dihantarkan melalui medium itu. Terdapat besaran yang mempengaruhi dalam laju hantaran kalor yaitu luas permukaan benda, panjang atau tebal benda, perbedaan suhu antar ujung benda dan juga dipengaruhi oleh suatu besaran k yang disebut konduktivitas termal (Rokhimi, 2015). Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi adalah berbanding dengan gradien suhu normal sesuai dengan persamaan berikut ini yang disebut dengan hokum Fourier dan merupakan persamaan dasar konduksi. Persamaan dasar konduksi : ……………………………………..………………….(2.1) dimana q sebagai laju perpindahan panas konduksi, dT/dx sebagai gradien suhu menuju ke arah perpindahan panas, k sebagai konduktivitas atau kehantaran termal benda dengan tanda minus menunjukkan aliran kalor ke tempat yang bertemperatur lebih 1rendah, dan A sebagai luas permukaan yang mengalami perpindahan panas tersebut. Tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum ke-2 termodinamika,yaitu kalormengalir ke temperatur yang lebih rendah (Buchori, 2014). Sudah diketahui bahwa tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya. Dengan demikian, umpamanya seorang tukang hembus kaca dapat memegang suatu barang kaca, yang beberapa cm lebih jauh dari tempat pegangan itu adalah demikian panasnya, sehingga bentuknya dapat berubah. Akan tetapi, seorang pandai tempa harus memegang benda yang akan ditempa dengan sebuah tang. Bahan yang dapat menghantar ka1or dengan baik dinamakan konduktor. Penghantar yang buruk disebut isolator. Sifat bahan yang digunakan untuk menyatakan bahwa bahan tersebut merupakan suatu isolator atau konduktor ialah koefisien konduksi termal. Apabila nilai koefisien ini tinggi, maka bahan mempunyai kemampuan mengalirkan kalor dengan

6

cepat. Untuk bahan isolator, koefisien ini bernilai kecil.

Pada

umumnya, bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan sempurna (logam) merupakan penghantar yang baik juga untuk kalor dan sebaliknya. Selanjutnya bila diandaikan sebatang besi atau sembarang jenis logam dan salah satu ujungnya diulurkan ke dalam nyala api. Dapat diperhatikan bagaimana kalor dipindahkan dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Apabila ujung batang logam tadi menerima energi kalor dari api, energi ini akan memindahkan sebagian energi kepada molekul dan elektron yang membangun bahan tersebut. Molekul dan elektron merupakan alat pengangkut kalor di dalam bahan menurut proses perpindahan kalor konduksi. Dengan demikian, dalam proses pengangkutan kalor di dalam bahan, aliran elektron akan memainkan peranan penting. Persoalan yang patut diajukan pada pengamatan ini ialah mengapa kadar alir energi kalor adalah berbeda. Hal ini disebabkan karena susunan molekul dan juga atom di dalam setiap bahan adalah berbeda. Untuk satu bahan berfasa padat molekulnya tersusun rapat, berbeda dengan satu bahan berfasa gas seperti udara. Molekul udara adalalah renggang sekali. Tetapi dibandingkan dengan bahan padat seperti kayu, dan besi, maka molekul besi lebih rapat susunannya daripada molekul kayu (Budiman , 2014). 2.

Konveksi Yang dimaksud dengan konveksi ialah pengangkutan kalor oleh gerak dari zat yang dipanaskan. Proses perpindahan kalor secara aliran/konveksi merupakan satu fenomena permukaan. Proses konveksi hanya terjadi di permukaan bahan. Jadi dalam proses ini struktur bagian dalam bahan kurang penting. Keadaan permukaan dan keadaan sekelilingnya serta kedudukan permukaan itu adalah yang utama. Lazimnya,keadaan keseimbangan termodinamika di dalam bahan akibat proses konduksi, suhu permukaan bahan akan berbeda dari suhu sekelilingnya Dalam hal ini dikatakan suhu permukaan adalah T1 dan suhu udara sekeliling adalah T2 dengan T1>T2. Kini terdapat keadaan

7

suhu tidak seimbang diantara bahan dengan sekelilingnya. Perpindahan kalor dengan jalan aliran dalam industri kimia merupakan cara pengangkutan kalor yang paling banyak dipakai. Oleh karena konveksi hanya

dapat

terjadi

melalui

zat

yang

mengalir,maka

bentuk

pengangkutan kalor ini hanya terdapat pada zat cair dan gas. Pada pemanasan zat ini terjadi aliran, karena masa yang akan dipanaskan tidak sekaligus dibawa ke suhu yang sama tinggi. Misalnya dinding pipa logam yang menjadi panas atau dengan akibat fluida panas atau dingin yang mengalir di dalamnya.

Gambar 2.2 Konveksi pada Pipa Logam (Buchori, 2014). Jenis Perpindahan Panas Konveksi menurut keadaan alirannya perpindahan panas secara konveksi dikategorikan menjadi dua yaitu : a. Konveksi bebas yang mana aliran fluida disebabkan oleh adanya variasi masa jenis yang selalu diikuti dengan adanya perbedaan b.

temperatur dalam fluida. Konveksi paksa yang mana aliran disebabkan oleh beberapa cara yang berasal dari luar. Misalnya dari fan, pompa, ataupun tiupan angin. Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang mana dialirannya tersebut berasal dari luar, seperti dari blower atau kran dan pompa. Konveksi paksa dalam pipa merupakan persolaan perpindahan konveksi untuk aliran dalam atau yang disebut dengan

8

internal flow. Adapun aliran yang terjadi dalam pipa adalah fluida yang dibatasi oleh suatu permukaan. Sehingga lapisan batas tidak dapat berkembang secara bebas seperti halnya pada aliran luar (Budiman , 2014). Laju perpindahan kalor dihubungkan dengan beda suhu menyeluruh

antara dinding dan fluida, dan kuas permukaan A.

Besar h disebut koefisien perpindahan-kalor konveksi(convection heat-transfer coefficient) Rumus dasar yang digunakan adalah Aq = h A

..................................................................................(2.2)

Adapun koefisien perpindahan panas tergantung pada geometri permukaan, cara dari pergerakan fluida dan sejumlah dari sifat termodinamika dan transport dari fluida (Budiman, 2014). 3.

Radiasi Yang dimaksud dengan pancaran (radiasi) ialah perpindahan kalor melalui gelombang dari suatu zat ke zat yang lain. Semua benda memancarkan kalor. Keadaan ini baru terbukti setelah suhunya meningkat. Pada hakekatnya proses perpindahan kalor radiasi terjadi dengan perantaraan foton dan juga gelombang elektromagnet. Terdapat dua teori yang berbeda untuk menerangkan bagaimana proses radiasi itu terjadi. Semua bahan pada suhu mutlak tertentu akan menyinari sejumlah energi kalor tertentu. Semakin tinggi suhu bahan tadi maka semakin tinggi pula energi kalor yang disinarkan. Proses radiasi adalah fenomena permukaan. Proses radiasi tidak terjadi pada bagian dalam suatu bahan. Tetapi pada suatu bahan apabila telah menerima sinar, maka banyak hal yang boleh terjadi. Apabila sejumlah energi pada kalor menimpa suatu permukaan, maka sebagian akan dipantulkan, sebagian akan diserap ke dalam bahan, dan sebagian akan menembusi bahan dan terus ke luar. Jadi dalam mempelajari perpindahan kalor radiasi akan dilibatkan suatu fisik permukaan (Mufarida, 2016). Perpindahan panas radiasi adalah proses perpindahan panas

9

terjadi di antara dua permukaan yang terjadi tanpa adanya perantara yakni proses perpindahan panas melalui gelombang elektromagnet atau paket-paket energi (photon) yang dapat dibawa sampai jarak yang sangat jauh tanpa memerlukan interaksi dengan medium (ini yang menyebabkan mengapa perpindahan panas radisi sangat penting pada ruang vakum), selain itu jumlah energi yang dipancarkan sebanding dengan

temperatur

benda

tersebut.

Kedua

hal

tesebut

yang

membedakan antara peristiwa perpindahan panas konduksi- konveksi dengan perpindahan panas radiasi. Sedangkan perpindahan panas radiasi ialah distribusi energi berupa panas yang terjadi melalui pancaran gelombang cahaya dari suatu zat ke zat yang lain tanpa zat perantara, besar kecilnya radiasi suatu benda tergantung pada suhu benda dan jaraknya. Semakin tinggi suhunya semakin besarradiasi yang dikeluarkan, dan semakin jauh jaraknya semakin kecil pancaran panasnya. Persamaan dasar perpindahan panas radiasi adalah: Q = e σ AT4 (Joule)…………………......………………..…...……(2.3) Bahan yang dianggap mempunyai ciri yang sempurna ada1ah benda hitam. Disamping itu, sama seperti cahaya lampu, adakalanya tidak semua sinar mengenai permukaan yang dituju. Jadi da1am masalah ini kita mengenal satu faktor pandangan yang lazimnya dinamakan faktor bentuk. Maka jumlah kalor yang diterima dari satu sumber akan berbanding langsung sebagiannya terhadap faktor bentuk ini. Dalam pada itu, sifat termal permukaan bahan juga penting. Berbeda dengan proses konveksi, medan aliran fluida di sekeliling permukaan tidak penting, yang penting ialah sifat termal saja. Dengan demikian, untuk memahami proses radiasi dari satu permukaan kita perlu memahami juga keadaan fisik permukaan bahan yang terlibat dengan proses radiasi yang berlaku. Proses perpindahan kalor sering terjadi secara serentak. Misa1nya sekeping plat yang dicat hitam. Lalu dikenakan dengan sinar matahari. Plat akan menyerap sebagian energi matahari. Suhu plat akan naik ke satu tahap tertentu. Oleh karena suhu

10

permukaan atas naik maka kalor akan berkonduksi dari permukaan atas ke permukaan bawah. Da1am hal itu, permukaan bagian atas kini mempunyai suhu yang lebih tinggi dari suhu udara sekeliling, maka jumlah kalor akan disebarkan secara konveksi. Tetapi energi kalor juga disebarkan secara radiasi. Dalam hal ini dua hal terjadi, ada kalor yang dipantulkan dan ada kalor yang dipindahkan ke sekeliling. Dalam hal itu, permukaan bagian atas kini mempunyai suhu yang lebih tinggi dari suhu udara sekeliling, maka jumlah kalor akan disebarkan secara konveksi. Tetapi energi kalor juga disebarkan secara radiasi. Dalam hal ini dua hal terjadi, ada kalor yang dipantulkan dan ada kalor yang dipindahkan ke sekeliling (Mufarida, 2016).

Gambar 2.3 Perpindahan Panas Radiasi (A) pada Permukaan (B) antara Permukaan dan Lingkungan (Mufarida, 2016). Selanjutnya, hal yang juga penting untuk diketahui bahwa kalor atau panas radiasi merambat lurus dan untuk perambatan itu tidak diperlukan medium (misalnya zat cair atau gas). 2.2. Alat Penukar Panas (Heat Exchanger) Alat penukar panas merupakan suatu peralatan dimana terjadi perpindahan panas dari suatu fluida yang temperaturnya lebih tinggi kepada fluida lain yang temperaturnya lebih rendah yang berfungsi untuk mengakomodasikan perpindahan panas dari fluida panas ke fluida dingin

11

dengan adanya perbedaan temperatur, karena panas yang dipertukarkan terjadi dalam suatu sistem maka kehilangan panas dari suatu benda akan sama dengan panas yang diterima benda lain.Alat penukar kalor memiliki tujuan untuk mengontrol suatu sistem (temperatur) dengan menambahkan atau menghilangkan energi termal dari suatu fluida ke fluida lainnya. Walaupun ada banyak perbedaan ukuran, tingkat kesempurnaan, dan perbedaan jenis alat penukar kalor, semua alat penukar kalor menggunakan elemen–elemen konduksi termal yang pada umumnya berupa tabung “tube” atau plat untuk memisahkan dua fluida. Salah satu dari elemen terebut, memindahkan energi kalor ke elemen yang lainnya. Alat penukar panas banyak digunakan pada berbagai instalasi industri, antara lain pada : boiler, kondensor,cooler, cooling tower. Sedangkan pada kendaraan kita dapat menjumpai radiator yang fungsinya pada dasarnya adalah sebagai alat penukar panas. Tujuan perpindahan panas tersebut di dalam proses industri diantaranya adalah: 1.

Memanaskan atau mendinginkan fluida hingga mencapai temperature tertentu yang dapat memenuhi persyaratan untuk proses selanjutnya,

2.

seperti pemanasan reaktan atau pendinginan produk dan lain-lain. Mengubah keadaan (fase) fluida : destilasi, evaporasi, kondensasi dan lain-lain. Dikarenakan banyaknya jenis dari alat penukar kalor, maka dalam

pembahasan akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yang banyak dijumpai dalam industri perminyakan..Perlu juga diketahui bahwa untuk alat-alat ini, yang terdapat pada suatu terminologi 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 suatu bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperatur dan tekanan yang tinggi.

12

Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu: 1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri minyak dan kimia berat. 2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri. Efektivitas alat penukarpanas adalah pada suatu perbandingan antara laju di perpindahan panas sebenarnya dengan laju perpindahan panas yang maksimum inilah yang disebut dengan efektifitas alat penukar panas. Panas yang sebenarnya merupakan kemampuan alat untuk menghasilkan panas, sedangkan panas maksimum merupakan panas yang dihasilkan dari hasil pembakaran bahan bakar. Panas

yang

sebenarnya

merupakan

kemampuan

alat

untuk

menghasilkan panas, sedangkan panas maksimum merupakan panas yang dihasilkan dari hasil pembakaran bahan bakar. Besarnya laju perpindahan panas dapat dihitung dengan rumus : Q= U.A.ΔTm ............................................................................................(2.4) Sehingga besarnya laju perpindahan panas (Q) dipengaruhi oleh : 1.

Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh (U) Semakin besar koefisien perpindahan panas menyeluruh(U), maka laji perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida juga semakin besar.

2.

Luas Permukaan (A) Semakin luas permukaan Heat Exchanger maka semakin besar pula laju perpindahan panas dan juga tergantung pada diameter dalam pipa.

3.

Beda suhu rata-rata (ΔTm) Semakin besar beda suhu rata-rata antara fluida maka semakin besar pula laju perpindahan panasnya. Dalam perpindahan panas perbedaan suhu mengendalikan laju pemindahan panas. Suhu fluida

13

dalam alat sering tidak tetap. Untuk perhitungan digunakan perbedaan suhu rata-rata. ………………......……………….……………(2.5) Perbedaan

suhu

ini

disebut

perbedaan

suhu

rata-rata

logaritma(log mean temperature diffrence) disingkat LMTD (Tim penyusun, 2016). Q = U * A *(Δ T) LMTD ….......………………………..………… (2.6) Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna jika temperatur masuk dan keluar diketahui sehingga LMTD dapat dihitung, aliran kalor, luas permukaan dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh. Metode efektifitas mempunyai beberapa keuntungan dalam menganalisis serta memilihh jenis yang terbaik. Efektivitas penukar kalor (Heat Exchanger Effectivities) didefinisikan sebagai : ..…...(2.7) LMTD (Log Mean Temperature Difference) Pada aliran sejajar, dua fluida masuk dalam alat penukar kalor, bergerak dalam arah yang sama dan keluar bersama-sama pula. Sedangkan pada aliran berlawanan, dua fluida bergerak dengan arah yang berlawanan, dan pada aliran menyilang, dua fluida saling menyilang/bergerak saling tegak lurus. Seperti ditunjukkan pada gambar menunjukkan bahwa beda temperatur antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama,dan kita perlu menentukan nilai rata - rata untuk menentukan jumlah kalor yang dipindahkan dari fluida pada alat penukar kalor. Sehingga untuk aliran searah ………………………………………........(2.8) Untuk aliran berlawanan

14

……………………………………..……. (2.9)

Untuk heat exchanger tipe 2 pass ataupun multiple pass maka nilai LMTD sebenarnya akan didapatkan dengan mengalikannya dengan correction factor (F). Nilai F dapat dicari dengan menentukan nilai temperature efficiency (P) dan heat capacity rate ratio (R). dan

……………………………..……… (2.10)

Alat penukar panas (Heat Exchanger) dapat dikelompokkan menjadi beberapa bagian yakni berdasarkan: 1. Proses perpindahan panasnya a. Direct heat exchanger, dimana kedua medium penukar panas saling kontak satu sama lain. Tipe kontak langsung adalah tipe alat penukar kalor dimana antara dua zat yang dipertukarkan energinya dicampur atau dikontakkan secara langsung. Dengan demikian ciri khas dari penukar kalorseperti ini (kontaklangsung) adalah bahwa kedua zat yang dipertukarkan energinya saling berkontak secara langsung (bercampur) dan biasanya kapasitas energi yang dipertukarkan relatif kecil. Yang tergolong direct heat exchanger adalah cooling tower dimana operasi perpindahan panasnya terjadi b.

akibat adanya pengontakan langsung antara air dan udara. Indirect heat exchanger, dimana kedua media penukar panas dipisahkan oleh sekat/ dinding dan panas yang berpindah juga melewatinya. Untuk meningkatkan efektivitas pertukaran energi, biasanya bahan permukaan pemisah dipilih dari bahan-bahan yang memiliki konduktivitas termal. Dengan bahan pemisah yang memiliki konduktivitas termal yang tinggi diharapkan tahanan termal bahan tersebut akan rendah sehingga seolah-olah antara

15

kedua zat yang saling dipertukarkan energinya seperti kontak langsung (Egeten, Sappu, & Maluegha, 2014). 2.3

Macam-macam alat penukar panas a. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperaturyang rendah. Temperatur fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon. b. Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas latent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbine,

maka

uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam

kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat. c. Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin cooler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas) (Prasetiani, 2014). d. Heater merupakan salah satu alat penukar kalor yang berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas dengan menggunakan steam. e. Evaporator, adalah alat penukar kalor yang ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadiproses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair. f. Reboiler, adalah alat penukar kalor yang ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan pada sebagian cairan yang

16

diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah suatu uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini juga dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.4, yang diperlihatkan yaitu pada sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 ) sebagai media penguap, minyak tersebut juga akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

Gambar 2.4Thermosiphon Reboiler (Prasetiani, 2014). g. Vaporizer, alat ini secara umum digunakan untuk menguapkan cairan. Uap yang dihasilkan digunakan untuk proses kimia, bukan sebagai sumber panas seperti halnya steam dan menggunakan elemen panas listrik. Ada dua jenis vaporizer yaitu : 1) Vaporizer dengan sirkulasi paksa dimana cairan diumpankan kedalam vaporizer dengan menggunakan pompa. 2) Vaporizer dengan sirkulasi alamiah dimana cairan umpan dapat mengalir sendiri dalam vaporizer dengan bantuan gaya gravitasi. Prinsip kerja cairan yang diumpankan kedalam vaporizer kemudian dipanaskan dengan suatu media pemanas (umpan tidak kontak langsung dengan media pemanas). Biasanya tidak semua umpan teruapkam dengan sempurna. Produk yang dihasilkan (uap dan cairan) dipisahkan dalam suatu tangki pemisah.Prinsip kerja cairan yang diumpankan kedalam vaporizer kemudian dipanaskan dengan suatu media pemanas (umpan tidak kontak langsung dengan media

17

pemanas). Biasanya tidak semua umpan teruapkam dengan sempurna. Produk yang dihasilkan (uap dan cairan) dipisahkan dalam suatu tangki pemisah. Uap yang dihasilka digunakan untuk proses selanjutnya, cairan yang tidak menguap di recycle kembali. h. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu: 1) Memanaskan fluida 2) Mendinginkan fluida yang panas Alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus,Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

Gambar 2.5 Konstruksi Heat Exchanger (Prasetiani, 2014). 3.

Arah Aliran berdasarkan Susunan Aliran Fluida a. Penukar kalor tipe aliran searah (co-current/parallel flow) Penukar kalor tipe aliran sejajar yaitu bila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah sejajar. Kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang

18

lain mengalir dengan arah yang sama. Karakter penukar panas jenis ini temperatur fluida yang memberikan energi akan selalu lebih tinggi dibanding yang menerima energi sejak mulai memasuki penukar kalor hingga keluar. Pada jenis ini temperatur fluida yang memberikan energi akan selalu lebih tinggi dibanding yang menerima energi sejak mulai memasuki penukar kalor hingga keluar. Dengan demikian temperatur fluida yang menerima kalor tidak akan pernah mencapai temperatur fluida yang memberikan kalor saat keluar dari penukar kalor. Jenis ini merupakan penukar kalor yang paling tidak efektif.

Gambar 2.6 Aliran Parallel Flow dan Profil Pengatur (Prasetiani, 2014). b.

Penukar kalor tipe aliran berlawanan (counter current /flow) Penukar kalor tipe aliran berlawanan yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas (temperatur fluida dingin) saat keluar penukar kalor (T4) lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor (temperatur fluida panas) saat meninggalkan penukar panas. Masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima kalor saat keluar penukar kalor lebih tinggi dibanding

19

temperatur fluida yang memberikan kalor saat meninggalkan penukar kalor. Bahkan

idealnya apabila

luas permukaan

perpindahan kalor adalah tak berhingga dan tidak terjadi rugi-rugi kalor ke lingkungan, maka temperatur fluida yang menerima kalor saat keluar dari penukar kalor bisa menyamai temperatur fluida yang memberikan kalor saat memasuki penukar kalor. Dengan teori seperti ini jenis penukar kalor berlawanan arah merupakan penukar kalor yang paling efektif.

Gambar 2.7 Aliran Counter Flow dan Profil Pengatur (Prasetiani, 2014). c.

Penukar kalor dengan aliran silang (cross flow) Penukar kalor dengan aliran silang yaitu bila arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Apabila ditinjau dari efektivitas pertukaran energi, penukar kalor jenis ini berada diantara kedua jenis di atas. Contoh yang sering ditemui dalam kehidupan sehari – hari adalah radiator mobil dimana arah aliran air pendingin mesin 12 yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana arah aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan. Apabila ditinjau dari efektivitas pertukaran

20

energi, penukar panas jenis ini berada diantara kedua jenis di atas. Dalam kasus radiator mobil, udara melewati radiator dengan temperatur rata-rata yang hampir sama dengan temperatur udara lingkungan kemudian memperoleh panas dengan laju yang berbeda di setiap posisi yang berbeda untuk kemudian bercampur lagi setelah

meninggalkan

radiator

sehingga

akan

mempunyai

temperatur yang hampir seragam.

Gambar 2.8Aliran Cross Flow dan Profil Pengatur (Prasetiani, 2014). 4.

Bentuknya a. Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger ) Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan cairan lainnya dalam pipa. Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standar

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. Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri sendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang

21

maka Heat Exchanger ini dibentuk menjadi U. Pada beberapa keperluan khusus untuk meningkatkan kemampuan memindahkan panas bagian luar diberi sirip. Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi dan karena tidak ada sambungan resiko tercampurnya fluida sangat kecil (Bizzy, 2013). Kelemahannya adalah kapasitas perpindahan panasnya relatif kecil. Alat penukar kalor pipa ganda dalah a1at perpindahan kalor yang terdiri dari dua pipa konsentris (pipa kecil sebagai sentra1, yang dibungkus oleh pipa yang lebih besar). Dimana satu fluida menga1ir lewat pipa da1am sedangkan fluida yang lain mengalir lewat anulus, antara dinding pipa da1am dan dinding pipa luar. Alat ini digunakan da1am industri skala kecil. Dan umumnya digunakan dalam skala laboratorium. b.

Penukar Panas Plate and Frame ( plate and frame heat exchanger ) Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelatpelat 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 10 (kebanyakan segiempat) 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. Heat exchanger tipe plat adalah jenis penukar panas yang menggunakan pelat logam untuk mentransfer panas antara dua cairan. Ini memiliki keuntungan besar atas suatu penukar panas konvensional dalam bahwa cairan yang terkena luas permukaan jauh lebih besar karena cairan menyebar di plat. Ini memfasilitasi transfer panas, dan sangat meningkatkan kecepatan perubahan suhu. Plat penukar panas yang sekarang umum dan versi dibrazing sangat kecil yang digunakan dalam air panas bagian dari jutaan

22

kombinasi boiler. Adapun pada yang pada suatu konsep di balik penukar panas adalah yaitu pada penggunaan pipa atau pembuluh penahanan lain untuk panas atau dingin satu cairan dengan mentransfer suatu panas antara itu dan cairan lain .Dalam kebanyakan kasus, penukar terdiri dari pipa melingkar berisi satu fluida yang melewati ruang berisi cairan lain. Konsep di balik penukar panas adalah penggunaan pipa atau pembuluh penahanan lain untuk panas atau dingin satu cairan dengan mentransfer panas antara itu dan cairan lain . Penukar terdiri dari pipa melingkar berisi satu fluida yang melewati ruang berisi cairan lain. Dinding pipa biasanya terbuat dari logam, atau zat lain dengan konduktivitas panas yang tinggi, untuk memfasilitasi pertukaran, sedangkan casing luar ruang yang lebih besar adalah terbuat dari plastik atau dilapisi dengan isolasi termal, untuk mencegah panas dari melarikan diri dari exchanger. Kelebihan-kelebihan dan juga macam-macam kekurangan dari Plate Heat Exchanger

jika dibandingakan dengan heat

exchanger shell and tube yang secara konvensional adalah sebagai berikut : Kelebihan : 1) Pelat lebih banyak diminati karena mudah diperoleh 2) Heat exchangertipe plat mudah dirawat 3) Pendekatan temperature terendah yang masih bisa digunakan hingga 1

dibandingkan dengan tipe heat exchangerShell and

tube yang sebesar 5-10 4) Heat exchanger tipe pelat lebih fleksibel, dapat dengan mudah platnya ditambah 5) Heat exchanger tipe pelat lebih tepat digunakan untuk material 6)

yang memiliki viskositas yang tinggi Temperatur Correction Factor lebih tinggi karena alirannya lebih mendekati aliran couter flow yang sesungguhnya.

23

7) Fouling cenderung lebih kecil kemungkinan terjadi. Kerugian : 1) Pelat merupakan bentuk yang kurang baik untuk menahan tekanan . Heat exchnger tipe pelat tidak sesuai digunakan untuk tekanan lebih dari 30 bar. 2) Pemilihan pada material gasket yang ssangat sesuai sangatlah penting 3) Maksimum temperature operasi terbatas hingga 250 dikarenakan material gasket yang sesuai. c.

Tipe spiral (spiral heat exchanger) Penukar kalor tipe spiral arah aliran fluida menelusuri pipa spiral dari luar menuju pusat spiral atau sebaliknya dari pusat spiral menuju ke luar. Permukaan perpindahan kalor efektif adalah sama dengan dinding spiral sehingga sangat tergantung pada lebar spiral dan diameter serta berapa jumlah spiral yang ada dari pusat hingga

d.

diameter terluar. Tipe tabung dan pipa (shell and tube heat exchanger) Penukar kalor pipa-tabung (shell and tube Heat Exchanger) terdiri dari sebuah shell (tabung/silinder besar) dimana di dalamnya terdapat satu pipa dengan diameter yang cukup kecil. Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir di dalam pipa-pipa tetapi masih didalam shellnya. Jenis ini terdiri dari suatu tabung dengan diameter cukup besar yang di dalamnya berisi seberkas pipa dengan diameter relatif kecil. Alat penukar panas ini terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara paralel 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 effisiansi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat(buffle). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal (residence time), namun pemasangan

24

sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur. Jenis ini dapat dioperasikan untuk perbedaan temperatur sampai 200 , cocok untuk digunakan sebagai kondenser, cairan dengan cairan, gas dengan gas, gas dengan cairan. Penukar kalor pada pipa-tabung memiliki beberapa keuntungan dan juga kekurangan diantaranya : Keuntungan: 1) 2) 3) 4)

Bentuk dan desain mudah disesuaikan Perawatan dan perbaikan mudah Pabrik pembuat gampang ditemukan Konfigurasi alat ini memberikan luas permukaan yang besar

5) 6) 7) 8)

dalam volume yang kecil. Mempunyai bentuk yang baik untuk operasi bertekanan. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah baik. Dapat dikonstruksi dari sejumlah besar material. Mudah dibersihkan.

Kekurangan: 1) Kebutuhan akan ruang besar 2) Kondisi kerja terbatas 3) Penukar kalor pelat (plates heat exchanger) Penukar kalor jenis pelat ini memiliki beberapa keuntungan dan juga kekurangan diantaranya adalah. Keuntungan : a) b) c) d)

Luas transfer panas besar dengan volume yang kecil Tingkat fleksibilitasnya tinggi Tahan korosi dan reaksi kimia Mudah dibersihkan

Kekurangan :

e.

a) Pressure drop tinggi b) Mudah terjadi kerusakan karena perbedaan tekanan c) Mudah tersumbat oleh partikel padat d) Start up agak lama Koil Pipa : pada koil pipa ini berbentuk koil yang dibenamkan di

25

dalam 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 didalam pipa. Jenis ini disebut juga sebagai box cooler, jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut. Penukar kalor pipa koil (coil pipe Heat Exchanger) ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan di dalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau air yang disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir didalam pipa. Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section) Pada heat exchanger ini pipa - pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell, tetapi dibiarkan menguap diudara. Pendinginan 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 f.

kapasitas yang lebih kecil. Penukar Kalor Pendingin Udara (Air Cooled Heat Exchanger) Penukar kalor pendingin udara umumnya digunakan dalam aplikasi industri dimana sumber air yang dapat diandalkan tidak tersedia sebagai media pendinginan. Bahkan jika air tersedia, dalam beberapa kasus, udara Penukar kalor pendingin udara digunakan untuk alasan ekonomi atau pun alasan operasional karena memiliki berbagai macam kelebihan yaitu sirkuit pendingin air, pompa, sistem air pendingin dan sistem air conditioning yang menambah kompleksitas dan kebutuhan modal, serta biaya operasi dan pemeliharaan. Cara kerjanya adalah proses cairan panas harus didinginkan mengalir melalui tabung sedangkan pendingin udara mengalir di permukaan luar untuk membuang panas. Khususnya

26

dirancang sirip yang melekat pada permukaan luar tabung untuk membuat besar luas permukaan untuk pendinginan lebih efektif. Desain mekanik penukar kalor harus mengakomodasi proses kondisi termasuk tekanan dan temperatur yang selain itu tingkat korosif dan kondensasinya. Kunci untuk kualitas dan umur penukar kalor ini adalah dalam pemilihan material yang tepat dan teknologi fabrikasi. g.

Penukar Kalor Kompak (Compact Heat Exchanger) Jenis penukar kalor kompak mempunyai luas permukaan yang sangat besar persatuan volume yaitu sekitar lebih dari 650 m 2 per meter kubik volume. 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. Penukar kalor jenis ini sangat cocok untuk penerapan dalam aliran gas dimana nilai koefisien perpindahan panas menyeluruh (U) adalah rendah dan diperlukan luas yang besar dalamvolume yang kecil agar penukar kalor jenisnya cocok (Budiman, 2014). Keunggulan: 1) Biaya perawatan lebih murah 2) Walaupun terjadi kegagalan heat exchanger masih dapat beroperasi 3) Faktor fouling dapat diabaikan 4) Desain lebih sederhana Kekurangan: 1) Suara lebih keras 2) Range kerja sangat terbatas, biasanya tidak bekerja pada suhu ekstrim (Budiman , 2014).

2.4 Parameter Dalam Perhitungan Nilai Perpindahan Panas Penukar Kalor Dalam alat penukar kalor diterapkan susunan tabung bersirip (finned tube) untuk membuang kalor dari fluida panas. Namun dalam pembahasan

27

nilai-nilai parameter penting untuk perhitungan laju perpindahan panas laporan ini tidak dibahas mengenai efektivitas sirip atau fin melainkan hanya membahas mengenai perpindahan panas pasa tabung atau tube-nya saja, sehingga persamaan yang dibahas adalah tentang tube dengan perhitungan menggunakan persamaan konveksi yang secara umum digunakan pada penukar kalor pipa ganda (double pipe) ataupun tabung-pipa (shell and tube). Seringkali salah satu fluida dalam sebuah penukar-panas mengalir dalam pipa, sedang fluida yang lain mengalir dalam ruang anulus sebuah pipa yang lebih besar atau dalam ruang sebuah shell yang memuat banyak pipa, perpindahan panas berlangsung secara radial terhadap pipa. Antara fluida di dalam pipa dan permukaan dinding pipa sebelah dalam, panas dipertukarkan secara konveksi, kemudian panas menjalar secara konduksi melalui logam dinding pipa sedangkan di luar pipa terjadi lagi konveksi. Nilai laju perpindahan panas dalam alat penukar kalor dapat dihitung berdasarkan teori perpindahan panas secara konveksi. Selain laju perpindahan panas, parameter penting yang mempengaruhi efektivitas suatu alat penukar kalor adalah nilai koefisien perpindahan panasnya. Besarnya koefisien pindah panas secara konveksi diperkirakan dari persamaanpersamaan empiris. Untuk konveksi dalam pipa sudah tentu persamaan empirisnya lain daripada untuk konveksi luar pipa. Banyak buku yang memuat keterangan tentang koefisien pindah panas, baik dalam bentuk persamaan, maupun dalam bentuk nomogram. Dalam mencari persamaanpersamaan empiris itu harus diperhatikan sifat fluida, sifat aliran, jenis perpindahan panas (pemanasan atau pendinginan), letak pipa dan lain sebagainya. Adapun alat perpindahan kalor menurut tipenya : A. Alat Perpindahan kalor tipe shell and tube Jenis shell and tube merupakan tipe yang paling banyak dipakai dalam suatu industri – industri dibanding jenis lainya. Yang dimana dalam jenis shell and tube ini terdiri dari sebuah tabung yang berukuran besar (shell) dengan sejumlah besar pipa – pipa kecil (tubes) yang

28

terdapat didalamnya. Pipa ini terpasang pada tube shet (plate) dengan cara di “roll” (Bizzy , 2013). Tipe - tipe yang dikenal dari jenis heat Exchanger ini adalah : 1.

Fixed Tube Shet

2.

Floting Tube Shet

3.

Tipe pipa U (Harpin)

4.

Tipe fixed tube sheet dengan sambungan (bagian) dengan ekspansi pada shellnya. Dengan heat exchanger jenis ini dapat diperoleh luas bidang

perpindahan penas yang besar dengan volume alat ini yang relatif kecil. Unutk pipa biasa dibuat dari berbagai jenis bahn konstruksi, disesuaikan dengan alat – alat yang memiliki sifat korosif fluida yang ditangani. Pada alat heat exchanger ini dapat digunakan untuk pemanasan atau, penguapan dan pendinginn atau kondensasi segala macamnya fluida yang bisaterjadi yang disebabkan adanya perbedaan suhu. 1.

Tubes Pipa yang digunakan dalam heat exchanger bukanlah pipa biasa, tetapi pipa – pipa yang khusus dibuat untuk heat exchanger, dibuat berbagai material. Umumnya dan biasanya digunakan pipa berukuran diameter luar ¾ inch atau 1 inch. Tetapi tersedia juga pipa – pipa dengan ukuran luar 1/4 , 1.74, 1.50 inch. Tebal pipa dinyatakan dengan kode BWG (Birmingham Wire Gage). Makin besar bilangan BWG, maka semakin tipis pipa.

2.

Shell Biasanya digunakan baja karbon untuk ukuran kecil, dan dapat dipergunakan pipa standar baja karbon untuk ukuran besar yang dibuat dari pelat yang di roll atau di las untuk heat exchanger yang tidak beroperasi pada di tekanan tinggi biasanya digunakan : Tebal 3/8 inch untuk diameter 13 inch Tebal 7/8 inch untuk diameter 31 inch Sering diberi kelebihan 1/8 inch untuk mencegah terjadi korosi.

29

3.

Baffle Dipasang pada “Tie-Rod” dan “Spacer”, dimana dimasukan dan digunakan untuk mengarahkan aliran dalam shell, dan hingga seluruh bagian terkena aliran. Dengan adanya, buffle juga akan memperbesar

dan membuat

aliran

turbulen sehingga akan

didapatkan koefisien perpindahan panas yang besar. Adapun beberapa keuntugan yang dimiliki oleh shell and tube yaitu : a.

Konfigurasi yang dibuat, akan memberikan suatu luas permukaan yang besar dengan bentuk atau volume yang kecil

b.

Mempuyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya baik untuk operasi bertekanan.

c.

Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang dipergunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasinya.

d.

Mudah membersihkanya.

e.

Prosedur perencanaanya sudah mapan.

f.

Prosedur mengoperasikannya tidak berbelit – belit sangat mudah diketahui oleh para operator yang berlatar belakang pendiidikan yang rendah.

g.

Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif

kecil,

Konstruksinya dapat dipisah – pisah satu sama lain tidak merupakan satu kesatuan yang utuh sehinggga pengangkutanya relatif gampang Dalam shell and tube dikenal dengan aliran “Multipass” yang mana Aliran fluida dalam tube sering dibuat beberapa kali melewati shell. Dengan cara ini penampang aliran dalam tube menjadi besar, sehingga diperoleh koefisien perpindahan panas yang besar. B. Alat Perpindahan kalor tipe pelat Tipe jenis ini terdiri dari sejumlah pelat tipis yang dipasang pada suatu rangka yang ditekan satu sama lain. Antara pelat satu dengan yang lain terdapat sela – sela sempit pada cairan yang akan bertukaran panas mengallir secara berselang seling. Pada sudut pelat terdapat lubang yang

30

apabila pelat – pelat tersusun rapat akan memebentuk saluran tempat masuk dan keluar cairan – cairan. Sekeliling lubang dan tepi pelat terdapat alur dimana ditempatkan gasket dan rongga diantara pelat dapat tertutup rapat. Dengan demikian cairan yang menglir dalam sela – sela pelat tidak bocor keluar dan hanya keluar / masuk melalui saluran yang disediakan dengan pelat yang telah di tetapkan. C. Alat Perpindahan kalor tipe double pipe Tipe double pipe terdiri dari dua pipa yang konsentris dimana fluida mengalir lewat pipa dalam dan fulida lain yang dialirkan melalui anulus. Dimana alat double pipe ini mempunyai kekurangan dan juga kelebihan. Kelebihan dari alat ini yaitu mempunyai harga yang relatif murah karena bahanya dibuat dari bahan yang ukuranya standar. Sedangkan kekurangan dari alat ini adalah mempunyai luas perpindahan panas yang kecil serta penyusunanya membutuhkan tempat yang besar. Alat ini baik digunakan bila luas bidang perpindahan panas yang diperlukan tiidak begitu besar yaitu 100 – 200 ft2. 2.5

Analisa Kinerja Heat Exchanger 1. 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. 2.

Fouling factor (Rd) a. Fouling adalah peristiwa terakumulasinya padatan yang tidak dikehendaki di permukaan Heat Exchanger yang berkontak dengan fluida kerja, termasuk permukaan Heat Transfer. Peristiwa tersebut adalah pengendapan, pengerakan, korosi, polimerisasi dan proses b.

biologi. Pada angka yang menunjukkan hambatan akibat adanya kotoran yang terbawa fluida yang mengalir di dalam heat exchanger dapat

c.

dilihat pada angkat yang tertera di fluida. Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas pada Heat Exchanger. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari

31

fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari Heat Exchanger akibat 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 : 1) Temperatur fluida 2) Temperatur dinding pelat 3) Kecepatan aliran fluida 2.6

Shell and Tube Heat Exchanger Tipe Heat Exchanger yang paling umum digunakan dalam industri adalah tipe shell and tube. Heat Exchanger tipe shell and tube terdiri dari kumpulan tube didalam suatu shell. Satu fluida mengalir di dalam tube sedang fluida yang lain mengalir di ruang antara bundle tube dan shell.Pada penukar kalor ini salah satu fluida akan mengalir di dalam pipa-pipa sedangkan fluida yang lainnya dialirkan melalui selongsong melintasi luar pipa . Jadi pada akhirnya untuk pada penukar kalor ini salah satu fluida akan mengalir di dalam yaitu adalah pipa-pipa sedangkan fluida yang lainnya dialirkan melalui selongsong melintasi luar pipa.

32

Biasanya dalam selongsong dipasang sekat-sekat atau baffles untuk menjamin fluida mengalir melalui selongsong dan melintasi tabung, sehingga

perpindahan panas yang terjadi akan lebih tinggi.Alat penukar shell dan tube terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara paralel dan ditempatkan dalam sebuah pipa (cangkang). Fluida yang satu mengalir di dalam suatu bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Untuk meningkatkan efisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas shell dan tube dipasang sekat (baffle) (Budiman , 2014).

Gambar 2.9Shell and Tube Heat Exchanger (Budiman , 2014). Keuntungan shell & tube Heat Exchanger: 1. Memiliki permukaan perpindahan panas persatuan volume yang lebih 2.

besar Mempunyai susunan mekanik yang baik dengan bentuk yang cukup

baik untuk operasi bertekanan 3. Tersedia dalam berbagai bahan konstruksi 4. Prosedur pengopersian lebih mudah 5. Metode perancangan yang lebih baik telah tersedia 6. Pembersihan dapat dilakukan dengan mudah Penentuan fluida dalam shell atau tube : 1. Fluida bertekanan tinggi dialirkan di dalam tube karena tube standar 2.

cukup kuat menahan tekanan yang tinggi. Fluida berpotensi fouling dialirkan di dalam tube agar pembersihan

3.

lebih mudah dilakukan. Fluida korosif dialirkan di dalam tube karena pengaliran di dalam shell membutuhkan bahan konstruksi yang mahal yang lebih banyak.

33

4.

Fluida bertemperatur tinggi dan diinginkan untuk memanfaatkan panasnya dialirkan di dalam tube karena dengan ini kehilangan panas

5.

dapat dihindarkan. Fluida dengan viskositas yang lebih rendah dialirkan di dalam tube karena pengaliran fluida dengan viskositas tinggi di dalam penampang alir yang kecil membutuhkan energi yang lebih Fluida yang mempunyai

6.

volume besar dilewatkan melalui tube, karena adanya cukup ruangan. Fluida dengan viskositas tinggi ditempatkan di shell karena dapat

7.

digunakan baffle untuk menambah laju perpindahan. Fluida dengan laju alir rendah dialirkan di dalam tube. Diameter tube yang kecil menyebabkan kecepatan linier fluida (velocity) masih cukup tinggi, sehingga menghambat fouling dan mempercepat perpindahan

panas. Jenis shell and tube yaitu: 1.

U-Tube Shell dan Tube (u-tube) adalah jenis yang paling umum dari penukar panas yang digunakan dalam proses industri, minyak bumi, kimia dan HVAC, berisi sejumlah tabung U paralel di dalam shell. Penukar panas shell and tube yang digunakan ketika proses membutuhkan sejumlah besar cairan yang akan dipanaskan atau didinginkan. Karena desainnya, penukar panas shell and tube menawarkan area perpindahan panas besar dan memberikan efisiensi perpindahan panas tinggi.

Gambar 2.10 heat exchanger (U-Tube) (Bizzy, 2013).

34

2.

Straight-Tube 1-pass One pass berarti bahwa cairan masuk di satu sisi dan keluar di sisi lain dari penukar panas.Terdapat baffles yang mengarahkan aliran melalui sisi shell sehingga fluida tidak mengambil jalan pintas melalui sisi shell yang dapat menyebabkan volume arus rendah yang tidak efektif. Heat Exchanger arus berlawanan merupakan yang paling efisien sebab memberikan perbedaan suhu rata-rata yang paling tinggi antara arus dingin dengan arus panas (Bizzy et al., 2013).

Gambar 2.11Straight-Tube 1-Pass (Bizzy, 2013). 3.

Straight-Tube 2-pass

Gambar 2.12Straight-Tube 2-Pass (Bizzy, 2013). Two pass berarti bahwa cairan masuk dan keluar pada sisi yang sama dari penukar panas. Komponen penyusun Heat Exchanger jenis Shell and Tube adalah : 1.

Shell Merupakan bagian tempat untuk tube bundle. Antara shell and tube bundle terdapat fluida yang menerima atau melepaskan panas, yang dimaksud dengan lintasan shell adalah lintasan yang dilakukan

35

oleh fluida yang mengalir ke dalam melalui saluran masuk (inlet nozzle) melewati bagian dalam shell dan mengelilingi tube kemudian keluar melalui saluran keluar (outlet nozzle). Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran besar atau pelat logam yang di gulung. Shell merupakan badan dari Heat exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart tinggi kadang - kadang shell dibagi dua di sambungkan dengan sambungan ekspansi. 2.

Tube 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. Diameter dalam tube merupakan diameter dalam aktual dalam ukuran inch dengan toleransi yang sangat cepat. Tube dapat diubah dari berbagai jenis logam, seperti besi, tembaga, perunggu, tembaga-nikel, aluminium perunggu, aluminium dan stainless steel. Ukuran ketebalan pipa berbeda-beda dan dinyatakan dalam bilangan yang disebut Birmingham Wire Gage (BWG). Ukuran pipa yang secara umum digunakan biasanya mengikuti ukuran-ukuran yang telah baku, semakin besar bilangan Birmingham Wire Gage (BWG) , maka semakin tipis tubenya. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh fluida kerja. Susunan

dari

tube dibuat berdasarkan pertimbangan untuk

mendapatkan jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan (pembersihan permukaan pipa).Ukuran pipa yang secara umum digunakan biasanya mengikuti ukuran-ukuran yang telah baku, semakin besar bilangan BWG, maka semakin tipis tubenya. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi fluida kerjanya. Agar ketebalannya dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi fluida

36

kerjanya. Agar kerjanya lebih baik lagi. Jenis-jenis Tube Pitch yang utama adalah :

3.

a. Square pitch b. Triangular pitch c. Square pitch rotated d. Triangular pitch with cleaning lanes Pass divider Komponen ini berupa plat yang dipasang di dalam channels untuk membagi aliran fluida tube bila diinginkan jumlah tubepass lebih dari satu.

4.

Baffle Baffle digunakan untuk mengatur aliran lewat shell sehingga turbulensi yang lebih tinggi akan diperoleh. Adanya baffle dalam shell menyebabkan arah aliran fluida dalam shell akan memotong kumpulan tubes secara tegak lurus, sehingga memungkinkan pengaturan arah aliran dalam shell maka dapat meningkatkan kecepatan liniernya, sehingga akan meningkatkan harga koefisien perpindahan panas lapisan fluida di sisi shell. Baffle juga berfungsi untuk menahan tube bundle dan untuk menahan getaran pada tube serta untuk mengontrol serta mengarahkan aliran fluida yang mengalir di luar tube sehingga turbulensi yang lebih tinggi akan diperoleh, dengan adanya turbulensi aliran maka koefisien perpindahan panas juga akan meningkat. Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini antara lain adalah untuk : a. b. c.

Sebagai penahan dari tube bundle Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di dalam tubes.

2.7

Pompa Berikut merupakan jenis jenis pompa yang biasa digunakan adalah 2.7.1 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal secara prinsip terdiri dari casing pompa dan impeller yang terpasang pada poros putar. Casing pompa berfungsi

37

sebagai pelindung, batas tekan dan juga terdiri dari saluran- saluran yang untuk masukan (suction) dan keluaran (discharge). Casing ini memiliki vent dan drain yang berguna untuk melepas udara atau gas yang terjebak dalam casing selain untuk juga sangat berguna untuk perawatannya. Gambar ilustrasi di bawah ini merupakan diagram sederhana daripada pompa sentrifugal yang menunjukkan lokasi dari suction pompa, impeller, volute dan discharge. Casing pompa sentrifugal menuntun aliran suatu cairan dari saluran suction menuju mata (eye) impeller. Vanes dari impeller yang berputar meneruskan dan memberikan gaya putar sentrifugal kepada cairan ini sehingga cairan bergerak menuju keluar impeller dengan kecepatan tinggi. Cairan tersebut kemudian sampai dan mengumpul pada bagian terluar casing yaitu volute. Sehingga Cairan tersebut kemudian sampai dan mengumpul pada bagian terluar casing yaitu volute. Volute ini merupakan area atau saluran melengkung yang semakin lama semakin membesar ukurannya, dan seperti halnya diffusor, volute berperan besar dalam hal peningkatan tekanan cairan saat keluar dari pompa, merubah energi kecepatan menjadi tekanan. Setelah itu liquid keluar dari pompa melalui saluran discharge (sulis yulianto, 2014).

Gambar 2.13 Pompa Sentrifugal (sulis yulianto, 2014). Pompa Sentrifugal juga bisa dibuat dengan menggunakan dua volute. Pompa semacam ini biasa disebut double volute pumps, dimana

38

discharge-nya juga berbeda posisi 180°. Untuk suatu aplikasinya bisa juga meminimaliskan gaya radial yang dapat mengenai poros dan bantalan pada sehubungan dengan ketidakseimbangan tekanan di sekitar impeller. 2.7.2 Pompa Magnetik Cara kerja pompa ini adalah tergantung dari kerja langsung sebuah medan magnet padiedia ferromagnetic yang dialirkan, oleh karena itu penggunaan dari pompa ini sangat terbatas pada cairan metal. Pada pompa penggerak magnetik, rotor pompa terpasang secara magnetik ke motor. Keunggulan a. b. c. d. e.

Tidak ada kebocoran Tidak ada liquid berharga yang hilang Tingkat kebisingan yang sangat rendah Dapat meng-handle liquid dengan toxity rating 0 s/d 4 Eksternal piping sangat sedikit

Kelemahan

2.8

a.

Tidak dapat meng-handle liquid yang mengandung slurry/dirty

b. c. d.

liquid Servis temperatur relatif lebih rendah Tidak dapat meng-handle liquid yang dapat mengeras Viscous liquid harus lebih kecil daripada 200 Cp

H2O Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O. Satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terkait secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 KPa (1 bar) dan temperatur 273,15 K (0°C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik. Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia.

39

Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen ( H+) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH-) Air dapat berupa air tawar dan air asin (air laut) yang merupakan bagian terbesar di bumi ini. Di dalam lingkungan alam proses, perubahan wujud, gerakan aliran air (di permukaaan tanah, di dalam tanah, dan di udara) dan jenis air mengikuti suatu siklus keseimbangan dan dikenal dengan istilah siklus hidrologi Air tawar adalah air dengan kadar garam dibawah 0,5 ppt. Menurut Peraturan Pemerintah Republik Indonesia Nomor 82 Tahun 2001 Tentang Pengadilan Kualitas Air dan Pengadilan Kualitas Pencemaran. Ketentuan Umum pasal 1, menyatakan bahwa : “Air tawar adalah semua air yang terdapat diatas dan dibawah permukaan tanah, kecuali air laut dan air fosil”, sedangkan menurut Undang-Undang RI No.7 Tahun 2004 tentang Sumber Daya. Karakteristik pada kandungan sifat fisik dari air tawar juga dapat tergantung dari tempat sumber air tersebut berasal dan pada teknik pengolahan air tersebut apakah menghasilkan air yang baik dikonsumsi. Jadi, air tanah adalah air yang terdapat dalam lapisan atau batas di bawah permukaan tanah. Bau pada air yang juga dapat disebabkan karena benda asing yang masuk ke dalam air seperti bangkai binatang, bahan buangan, ataupun yang disebabkan karena proses penguraian senyawa organik oleh bakteri.

Jadi,

air tanah adalah air yang terdapat dalam lapisan atau batas di bawah permukaan tanah. Pada peristiwa penguraian senyawa organik yang dilakukan oleh bakteri tersebut dihasilkan gas – gas berbau menyengat dan bahkan ada yang beracun. Pada peristiwa untuk penguraian zat organik berakibat meningkatkan penggunaan oksigen terlarut di air (BOD = Biological Oxighen Demand) oleh bakteri dan juga mengurangi kuantitas oksigen terlarut (DO = Disvolved Oxigen) di dalam air. Senyawa – senyawa organik tersebut pada umumnya tidak stabil dan itu juga sangat mudah

40

untuk dioksidasi pada secara biologis dan juga secara kimia menjadi senyawa stabil biasa dikenal juga dengan sebuah suatu untuk istilah - istilah BOD dan COD (Oktaria, 2015). DAFTAR PUSTAKA Bizzy, I., Setiadi, R., Mesin, J. T., Teknik, F., Sriwijaya, U., Raya, J., & Km, P. (2013). STUDI PERHITUNGAN ALAT PENUKAR KALOR TIPE SHELL AND TUBE DENGAN PROGRAM HEAT TRANSFER, 13(1), 67–77. Buchori, L. (2014). ( HEAT TRANSFER ). Budiman, A., Syarief, A., Isworo, H., Studi, P., Mesin, T., Teknik, F., … Pada, F. (2014). Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Unlam Vol . 03 No . 2 pp 76-82 , 2014 ISSN 2338-2236 ANALISIS PERPINDAHAN PANAS DAN EFISIENSI EFEKTIF HIGH Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Unlam Vol . 03 No . 2 pp 76-82 , 2014 ISSN 2338-2236, 3(2), 76–82. Egeten, H. S. F., Sappu, F. P., & Maluegha, B. (2014). EFEKTIVITAS PENUKAR KALOR TIPE PLATE P41 73TK. Manado : Universitas Sam Ratulangi, 3. Mufarida, N. A. (2016). Perpindahan panas & massa. Oktaria, W. (2015). Definisi air, 2, 4–19. Prasetiani, E. (2014). perpindahan panas. Rokhimi, I. N. (2015). Alat Peraga Pembelajaran Laju Hantaran Kalor Konduksi, 6, 270–274. Sulis yulianto. (2014). Efektifitas Alat Penukar Kalor Pada Sistem Pendingin Generator PLTA, 12–13. Tim penyusun. (2016). Penuntun Praktikum Operasi Teknik Kimia : II. Makassar : Universis Muslim Indonesia, 1–30.

41