BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Alat Penukar Kalor Seperti yang telah dikemukakan dalam pendahuluan terdapat banyak sekali jenis-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah timbulnya kesalah pahaman maka alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya : 1. Chiller, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature 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. 2. 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 atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang mempergunakan condensing turbin, maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat. 3. 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 coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas).
Universitas Sumatera Utara
4. Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses 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. 5. Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada ambar 2.1, diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 0F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.
Gambar. 2.1. Thermosiphon Reboiler
Universitas Sumatera Utara
6. Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu : -
Memanaskan fluida
-
Mendinginkan fluida yang panas
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.
Gbr. 2. 2. Konstruksi Heat Exchanger
Universitas Sumatera Utara
2.2. Jenis-jenis Heat Exchanger 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. Heat exchanger ini juga banyak mempunyai jenis-jenisnya. 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 denganTublar 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 : 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. Jenis-jenis
Heat
Exchanger
yang
terdapat
pada
industri
perminyakan dapat dibedakan atas :
Universitas Sumatera Utara
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. Hal ini dapat dilihat pada gambar 2.3
Gbr. 2.3. Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube Keterangan : 1. Saluran ujung yang tetap 2. Topi ujung yang tetap 3. Saluran atau tepi ujung yang tetap 4. Tutup saluran – chanel cover 5. Nosel ujung stasioner – Stationary head nozzle 6. Pelat tube stasioner – Stationary tubes sheet 7. Tube 8. Shell 9. Tutup shell – shell cover
Universitas Sumatera Utara
10. Flens shell pada ujung stasioner-shell flange stationary head end 11. Flens shell ujung yang dibelakang, shell flange – Rear Head End 12. Nossel shell – Shell Nozzle 13. Flens penutup shell – shell cover flange 14. Sambungan ekspansi – Expansion Joint 15. Pelat tube yang mengambang – Floating Head Cover 16. Tutup kepala yang mengambang - Floating Head Cover 17. Flens kepala yang mengambang – Floating Head Flange 18. Penahan kepala yang mengambang – Floatinh Head Backing Device 19. Cicncin pemisah – Split Shear Ring 20. Flens penahan dengan slip – on – slip – on backing flange 21. Tutup kepala yang mengambang sebelah luar – Floating Head Cover 22. Pelat tutup yang mengambang yang menyusur – Floating Tube Sheet Skirt 23. Flens packing – Packing box flange 24. Packing 25. Cincin penekan packing – Packing follower ring 26. Cincin latern – Latern Ring 27. Batang pengikat dan spasi – Tie Rod and Spacer 28. Pelat penahan atau sekat transverse – Transverse Baffles or Support Plate 29. Sekat yang disentuh langsung – Impingement Buffles 30. Sekat yang longitudinal – Longitudinal Baffles 31. Pemisah aliran pass – PassPartition 32. Sambungan untuk venting – Vent Connection 33. Sambungan untuk buangan – Drain Connection
Universitas Sumatera Utara
34. Sambungan untuk instrument – Instrument Connection 35. Penahan bejana kepondasi/sadel – Support Saddle 36. Tahanan untuk mengangkat – Lifting Lug 37. Penahan gantungan – Support Bracket 38. Weir 39. Saluran untuk cairan – Liguid Level Connection
2. Jenis Double Pipe (Pipa Ganda) Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendirisendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menjadi U (lihat gambar 2.4). pada keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk siripnya ada yang memanjang, melingkar dan sebagainya. Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil.
Gbr. 2.4. Alat penukar kalor jenis double pipa
Universitas Sumatera Utara
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 2.5. 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.
Universitas Sumatera Utara
Gbr. 2.6. Alat penukar kalor jenis open tube section
Di samping jenis-jenis di atas, masih terdapat jenis-jenis lain yang dijumpai di industri, antara lain : -
jenis spiral, 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.
Gambar 2.7. Spiral Heat Exchanger
Universitas Sumatera Utara
- jenis lamella, biasanya digunakan untuk memindahkan panas dari gas ke gas pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas yang baik/tinggi.
Gbr. 2.8. Jenis Lamela
- 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.
Universitas Sumatera Utara
Gbr. 2.9. Gasket plate exchanger Pada umumnya heat exchanger dibuat dengan pemesanan, karena harus sesuai dengan kebutuhannya. Baik ukuran maupun bentuk dapat bermacammacam, sesuai dengan keperluan masing-masing. 2.3 Komponen-komponen Heat Exchanger. Dalam penguraian komponen-komponen heat exchanger jenis shell and tube akan dibahas beberapa komponen yang sangat berpengaruh pada konstruksi heat exchanger. Untuk lebih jelasnya disini akan dibahas beberapa komponen dari heat exchanger jenis and tube. 2.3.1
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. Bentuk-bentuk shell yang lazim digunakan ditunjukkan pada gambar berikut :
Universitas Sumatera Utara
Gbr. 2. 10. bentuk-bentuk shell dan penutupnya.
Universitas Sumatera Utara
2.3.2. 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 :
Gbr.2.11. tipe susunan tube.
Susunan
dari
tube
ini
dibuat
berdasarkan
pertimbangan
untuk
mendapatkan jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan (pembersihan permukaan pipa).
Universitas Sumatera Utara
2.3.3. Sekat (Baffle) Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini antara lain adalah untuk : 1. Sebagai penahan dari tube bundle 2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran. 3. 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.
Gbr. 2. 12. Sekat plat bentuk segmen
Universitas Sumatera Utara
Gbr. 2. 13. Sekat bintang (rod baffle)
Gbr. 2. 14. Sekat mendatar
Universitas Sumatera Utara
Gbr. 2. 15. Sekat Impingement 2.4. Beda Temperatur Rata-rata Logaritma ( LMTD ) Faktor perhitungan pada alat penukar kalor adalah masalah perpindahan panasnya. Apabila panas yang dilepaskan besarnya sama dengan Q peratuan waktu, maka panas itu diterima fluida yang dingin sebesar Q tersebut dengan persamaaan : Q = U . A . ∆ Tlm………………………………………………...(2.1) Dimana
Q = Kalor yang dilepaskan/diterima U = Koefisien perpindahan panas menyeluruh A = Luas perpindahan panas ∆ Tlm = Selisih temperatur rata-rata
Universitas Sumatera Utara
Sebelum menentukan luas permukaan kalor (A), maka terlebih dahulu ditentukan nilai dari LMTD. Hal ini berdasarkan selisih temperature dari fluida uang masuk dan keluar dari kalor. LMTD =
maks min ……………………………………….(2.2) maks n min
Untuk aliran pararel arah aliran fluida berbeda, dimana ∆Tmaks = ( T1 – t1 ) : ∆Tmin = ( T2 – t2 ) Untuk aliran fluida berlawanan, maka : ∆Tmaks = ( T1 – t2 ) : ∆Tmin = ( T2 – t1 ) Dimana :
LMTD = Selisih temperature rata-rata logaritmik T1
= Temperatur fluida masuk kedalam shell
T2
= Temperatur fluida keluar shell
t1
= Temperatur fluida masuk kedalam tube
t2
= Tempereatur fluida keluar tube
Dalam perencanaan alat penukar kalor harus dicari selisih temperature rata-rata sebenarnya, yaitu dengan menggunakan faktor koreksi (Ft). Besar selisih temperature rata-rata sebenarnya adalah (∆Tm); ∆Tm = Ff × LMTD………………………………………………...(2.3)
2.5. Fouling Factor (Faktor Pengotoran)
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 exchangerakibat pengaruh dari jenis fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh
Universitas Sumatera Utara
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) dapat dicari persamaan : Rd =
Uc Ud ………………………………………………………...(2.4) U c .U d
Uc = Koefisien perpindahan panas menyeluruh bersih =
hio ho …………………………………………………………(2.5) hio ho
hio = Koefisien perpindahan panas pada permukaan luar tube ho = Koefisien perpindahan panas fluida diluar tube Ud = Koefisien perpindahan panas menyeluruh (design) =
Q …………………………………………………………….(2.6) A.
2.6 Penurunan Tekanan pada Shell Side
Apabila dibicarakan besarnya penurunan tekanan pada sisi shell alat penukar kalor, masalahnya proporsional dengan beberapa kali fluida itu menyebrangi tube bundle diantara sekat-sekat.
Universitas Sumatera Utara
Besarnya penurunan tekanan pada isothermal untuk fluida yang dipanaskan atau didinginkan, serta kerugian saat masuk dan keluar adalah : ∆Ps =
f s.G 2 s .Ds. ( 1) ………………………………………………(2.7) 5,22.1010.De.S s . s
2.7 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. ∆Pt =
f t .G 2t .L.n ……………………………………………….(2.8) 5,22.1010.Dt .S .t
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.n V 2 . pr psi …………………………………………………….(2.9) st 2.g
23
Universitas Sumatera Utara
