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