Bab 2 heat exchanger

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1   Penjelasan Singkat Tentang Alat Penukar Kalor

Alat penukar kalor adalah alat yang difungsikan untuk melakukan perpindahan sejumlah kalor atau panas dari suatu fluida ke fluida yang lainnya. Tujuan perpindahan panas ini di dalam proses produksi adalah untuk memanaskan ataupun mendinginkan suatu fluida hingga mencapai temperatur tertentu yang diinginkan ataupun juga bertujuan untuk mengubah keadaan (fase) fluida dari satu fase ke fase yang lainnya. Pada alat penukar kalor ini perpindahan panas dapat terjadi secara konduksi, konveksi ataupun radiasi tergantung dari tipe dan konstruksi alat tersebut.

Berdasarkan fungsinya alat penukar kalor yang dipergunakan dalam industri terbagi atas :

a.             Cooler

Alat ini digunakan untuk menurunkan suhu cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak dipermasalahkan terjadinya perubahan fase.

b.            Boiler

Alat ini bertujuan untuk mendidihkan dan menguapkan cairan, dimana uap tersebut berfungsi sebagai pembawa tenaga

c.             Condensor

Alat ini digunakan untuk mengembunkan atau mengkondensasikan uap sehingga menjadi cair

d.         Evaporator

Alat ini digunakan untuk menguapkan suatu fluida atau didalam proses kimia berfungsi untuk memekatkan suatu larutan dari sifat semula

e.          Chiller

Merupakan suatu alat untuk mendinginkan fluida yang berderajat sangat rendah yang tidak dapat dicapai dengan media pendingin air, chiller biasanya dikonstuksikan seperti ketel reboiler tetapai tanpa weir.

Adapun bentuk dari alat penukar kalor yang umum digunakan dalam industri kimia ataupun petrokimia adalah :

a)      Alat penukar kalor Shell and Tube

b)      Alat penukar kalor Coil in Box

c)      Alat penukar kalor Double pipe

d)     Alat penukar kalor Tube flow

e)      Alat penukar kalor Air fin exchanger yang terbagi lagi menjadi :

o   Forced draft

o   Induced draft

Menurut arah aliran fluida yang mengalir, alat penukar kalor dapat dikelompokkan atas :

a)      Penukar kalor aliran berpapasan (counter current)

b)      Penukar kalor aliran searah (co current)

c)      Penukar kalor aliran silang (cross current)

Berdasarkan banyaknya fluida yang digunakan, alat penukar kalor dibagi atas :

a)      Dua macam fluida (umumnya)

b)      Tiga macam fluida (digunakan dalam proses-proses kimiawi, misalnya pada system pemisahan udara)

Sedangkan berdasarkan mekanisme perpindahan panasnya, alat penukar kalor dibagi atas :

a)      Konveksi satu fasa (dapat terjadi dengan konveksi paksa atau alamiah)

b)      Konveksi dua fasa (dapat terjadi dengan konveksi paksa atau alamiah)

c)      Kombinasi perpindahan kalor konveksi dan radiasi

Prinsip kerja dari alat penukar kalor tipe shell & tube ini yaitu dengan menukar kalor yang akan dibuang dari fluida panas tanpa adanya kontak langsung dengan fluida dingin yang akan menerima panas tersebut. Dimana fluida yang mengalir di dalam tube dengan temperature tinggi akan memberikan sebagian kalornya kepada fluida di dalam shell yang temperaturnya lebih rendah, dapat juga terjadi sebaliknya.

Standar Tubular Exchanger Manufacture (TEMA) mengklasifikasikan penukar kalor jenis shell & tube dalam tiga kelas, yaitu :

1.      Kelas “R”

Dirancang untuk dioperasikan pada kondisi yang relatif berat, biasanya digunakan dalam industri minyak

2.      Kelas “B”

Dirancang untuk dioperasikan pada kondisi yang sedang, biasanya digunakan untuk proses-proses kimia

3.      Kelas “C”

Dirancang untu dioperasikan pada kondisi ringan, biasanya digunakan untuk jasa pelayanan umum.

Standar TEMA juga mengklasifikasikan alat penukar kalor menurut tipe stasionary head, shell dan rear bend kedalam tiga kode huruf, yaitu :

1.      Huruf pertama : A, B, C, N dan D

Menunjukkan tipe ujung muka (stasionary head)

2.      Huruf kedua : E, F, G, H, J, K dan X

Menunjukkan tipe cangkang (shell)

3.      Huruf ketiga : L, M, D, U, P, S, T dan W

Menunjukkan tipe ujung kepala belakang (rear head)

Gambar 2.1 Standar TEMA Berdasarkan Tipe Bagian Alat Penukar Kalor

II.2  Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor (Heat Transfer) adalah ilmu yang meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material. Energi yang berpindah ini dinamakan kalor atau panas.

Ilmu perpindahan panas tidak hanya mencoba menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari suatu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan panasnya. Hal inilah yang membedakan ilmu perpindahan panas dengan ilmu termodinamika, termodinamika membahas system dalam keadaan setimbang dan dapat meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah system dari suatu keadaan setimbang ke keadaan setimbang lainnya, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan kalor tersebut. Hal ini disebabkan karena pada saat proses perpindahan panas berlangsung system tidak berada dalam keadaan setimbang.

Sebagai contoh dari berbagai masalah yang dapat dipecahkan dengan termodinamika dan perpindahan kalor, yaitu peristiwa pendinginan yang berlangsung pada suatu baja panas yang dicelupkan ke dalam air. Dengan termodinamika, kita dapat meramalkan suhu kesetimbangan akhir dari system batang baja dan air tersebut. Namun termodinamika tidak akan dapat menunjukkan berapa lama waktu yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan tersebut. Sebaliknya ilmu perpindahan kalor dapat membantu kita untuk meramalkan suhu batang baja ataupun air, dimana air sebagai fungsi waktu.

Dalam mekanisme perpindahan kalor kita mengenal tiga modus perpindahan kalor, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi. Dalam hal ini kita jelaskan secara kualitatif mekanisme masing-masing modus agar dapat dilihat dalam perspektifnya sendiri. Namun ada juga istilah lain yang berkaitan dengan perpindahan kalor seperti konduktivitas atau hantaran termal (thermal conductivity).

II.2.1  Perpindahan Kalor Konduksi

Jika pada suatu benda terdapat gradien temperatur maka akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu rendah, atau dapat dikatakan bahwa energi itu berpindah secara konduksi atau hantaran. Laju perpindahan kalor itu berbanding lurus dengan gradient suhu normal.

         ……………………………………………    (lit.1 hal.2)

jika dimasukkan konstanta proporsionalitas atau ketepatan kesebandingan, maka :

    ……………………………………………    (Lit.1 hal.2)

Dimana q adalah laju perpindahan kalor dan  merupakan gradien suhu kearah perpindahan kalor. Konstanta positif k disebut konduktivitas termal benda tersebut, sedangkan tanda minus diberikan untuk memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu panas akan mengalir dari suatu titik yang bersuhu tinggi ke titik yang bersuhu rendah, maka aliran kalor akan berharga positif bila gradien suhu negatif.

Gambar 2.2 Bagan yang menunjukkan arah aliran kalor

Dengan menggunakan persamaan diatas sebagai titik awal, maka dapatlah ditentukan persamaan dasar yang mengatur perpindahan kalor dalam zat padat.

Gambar 2.3 Volume unsuran untuk analisis konduksi kalor

Gambar diatas adalah merupakan deskripsi volume unsuran untuk analisis konduksi kalor satu dimensi. Jika system ini berada dalam keadaan tunak, yaitu jika suhu tidak berubah menurut waktu maka kita hanya perlu melakukan integrasi atas persamaan tadi dan mensubstitusi nilai-nilai yang sesuai. Setelah diintegrasikan maka akan didapat :

jika dalam suatu system terdapat lebih dari satu macam bahan, maka :

Perlu diingat bahwa aliran kalor pada setiap bagian itu mesti sama, jika ketiga persamaan ini dipecahkan serentak, maka aliran kalor dapat dituliskan sebagai berikut :

          …………………………..      (Lit.1 hal.27)

Jadi laju perpindahan kalor dapat dipandang sebagai aliran, sedangkan gabungan dari kunduktivitas termal, tebal bahan dan luas merupakan tahanan terhadap aliran. Suhu merupakan fungsi potensial atau pendorong, sehingga dapat kita tuliskan :

           

                        …………………………………        (lit.1 hal 27)

Lain halnya jika proses konduksi ini terjadi pada suatu silinder berlubang dengan panjang L, jari-jari luar r_o dan jari-jari dalam r_i, yang mengalami beda suhu T_i – T_o. seperti tampak pada gambar berikut :

Gambar II.4 Aliran kalor satu dimensi melalui silinder bolong

Perpindahan kalor konduksinya adalah :

dimana :

sehingga dapat kita tuliskan :

dengan kondisi batas     T = T_i   pada    r = r_i

                                       T = T_o  pada    r = r_o

Maka :

         ………………………..          (Lit.1 hal 30)

dan tahanan termal dalam hal ini adalah

II.2.2  Perpindahan Kalor Radiasi

Perpindahan kalor radiasi adalah perpindahan kalor dari benda yang bertemperatur tinggi dengan cara pancaran dan kedua benda tersebut terpisah dalam ruang. Energi yang dipancarkan tersebut berupa gelombang elektromagnetik dan dapat berlangsung walaupun diantara dua benda tersebut terdapat ruang hampa.

Jumlah energi yang meninggalkan suatu permukaan sebagai panas radiasi tergantung pada suhu mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiator sempurna atau benda hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari permukaan dengan laju yang diberikan oleh :

           ……………………………….           (Lit.1. hal.13)

dimana :

σ = konstanta proporsionalitas (Stefan-Boltzmann)

   = 5,67 x 10^-8 W/m²K⁴

II.2.3   Perpindahan Kalor Konveksi       

Perpindahan kalor konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi antara permukaan suatu material baik padat maupun cair dengan aliran fluida yang bergerak disekitarnya akibat adanya perbedaan temperatur. Perpindahan kalor konveksi dapat dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan aliran fluidanya :

1.         Konveksi alamiah, konveksi yang terjadi tanpa adanya bantuan dari luar sehingga aliran fluida terjadi secara alami.

2.         Konveksi paksa, konveksi yang terjadi karena aliran fluida yang mengalir ditimbulkan oleh factor dari luar. Misalnya berasal dari kipas atau pompa.

Proses perpindahan kalor konveksi merupakan proses perpindahan kalor yang paling komplek karena banyak sekali variabel-variabel yang mempengaruhi besarnya perpindahan kalor yang terjadi. Variabel tersebut diantaranya adalah geometri, percepatan aliran udara dan sifat-sifat fluida.

Laju perpindahan kalor konveksi antara suatu permukaan dengan fluida dapat dihitung dengan hubungan :

                     

               ………………………..          (Lit.1 hal.11)

dimana,

Tw       = suhu dinding/permukaan

T∞       = suhu fluida

h          = koefisien perpindahan kalor

Gambar 2.5 Perpindahan kalor konveksi dari suatu plat

Untuk aliran dalam saluran yang tertutup, kita ketahui bahwa suhu limbak (bulk- temperature) menunjukkan energi rata-rata. Dalam aliran tabung koefisien perpindahan kalor konveksi biasanya dapat didefinisikan sebagai :

Fluk kalor lokal =  

dimana Tw adalah suhu dinding dan Tb adalah yang dinamakan suhu limbak, atau suhu fluida yang dirata-ratakan energinya di seluruh penampang tabung, yang dapat dihitung dari :

  …………………..      (Lit.1 hal.230)

dalam aliran tabung tidak terdapat kondisi aliran bebas yang jelas seperti pada aliran diatas plat rata.

Gambar 2.6 Perpindahan kalor konveksi paksa pada silinder

Jadi laju perpindahan kalor konveksi untuk aliran dalam tabung dinyatakan dengan suhu limbak.

          ………………………….       (Lit.1. hal.251)

dengan syarat c_p sepanjang aliran itu tetap.

II.2.4  Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh

Pada suatu dinding datar, dimana di kedua sisinya terdapat fluida yang memiliki perbedaan temperatut tertentu seperti pada gambar 2.7. Dimana pada satu sisinya terdapat fluida panas A dan pada sisi yang lain terdapat fluida B yang lebih dingin. Perpindahan kalor yang terjadi pada dinding tersebut dapat dinyatakan dengan :

         ……    (lit.1. hal 32)

Perpindahan kalor menyeluruh dihitung dengan jalan membagi beda suhu menyeluruh dengan jumlah tahanan termal :

     ………...…………………     (lit.1. hal 32)

Gambar 2.7 Perpindahan Kalor Menyeluruh Melalui Dinding Datar

Perhatikan bahwa nilai 1/hA digunakan untuk menunjukkan tahanan konveksi. Aliran kalor menyeluruh sebagai hasil gabungan proses konduksi dan konveksi dapat dinyatakan dengan koefisien perpindahan kalor menyeluruh U, yang dirumuskan dalam hubungan :

q= UA ΔT_menyeluruh          ……………………………    (lit.1 hal 33)

dimana A adalah luas bidang aliran kalor, sehingga koefisien perindahan kalor menyeluruh adalah :

           ……………………………    (lit.1 hal 33)

Gambar 2.8 Perpindahan Kalor Menyeluruh untuk Silinder Bolong

Untuk silinder bolong yang terkena lingkungan konveksi di permukaan bagian dalam dan luarnya, dimana di sini pun T_A dan T_B ialah suhu kedua fluida. Perhatikan bahwa dalam hal ini luas bidang konveksi tidak sama untuk kedua fluida. Luas bidang ini bergantung pada diameter dalam tabung dan tebal dinding. Dalam hal ini perpindahan kalor menyeluruh dinyatakan dengan persamaan :

    ……………………    (Lit.1. hal 34)

sesuai dengan jaringan termal besaran Ai dan Ao merupakan luas permukaan dalam dan luar tabung. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat didaskan atas bidang dalam atau luar labung, jadi :

atau

       …………….   (Lit.1 hal 34)

Besarnya nilai koefisien perpindahan kalor (h) dari suatu aliran fluida di dalam pipa bergantung dari jenis aliran fluida yang terjadi, karena nilai h adalah berbanding lurus terhadap bilangan Nuselt dari suatu aliran. Nilai koefisien perpindahan kalor untuk aliran di dalam pipa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

            …………………………………………..      (Lit.1 hal 483)

dimana :   Nu       = bilangan Nuselt

            k          = konduktivitas termal fluida

Untuk aliran turbulen bilangan Nuselt dapat dihitung dengan :

Nu            = 0,023 Re^0,8 Prⁿ         ……………………    (Lit.1 hal 252)

dimana :

n               = 0,4 untuk pemanasan

     = 0,3 untuk pendinginan

Re            = bilangan Reynold

Angka Prandtl ini dihitung dengan :

Cp, μ, dan k masing-masing adalah spesifik kalor, viskositas, dan konduktivitas termal dari fluida.

II.2.5  Aliran Fluida Viskos

   Perpindahan kalor antara benda padat dan fluida terjadi dengan adanya suatu gabungan dari konduksi dan angkutan massa. Karena perpindahan energi konduktif berkaitan erat dengan gerakan fluida, maka perlu diketahui mekanisme aliran dari fluida yang ada. Hal yang terpenting ialah menetapkan apakah aliran tersebut laminer atau turbulen.

Gambar 2.9 Berbagai Daerah Aliran Lapisan Batas di Atas Plat Rata

Dalam aliran laminer fluida bergerak dalam suatu lapisan dengan masing-masing partikel fluida mengikuti lintasan kontinyu sedangkan aliran turbulen mempunyai gerakan partikel fluida yang tidak menentu, dengan saling tukar menukar momentum. Untuk menentukan apakah aliran yang terjadi tersebut adalah laminer atau turbulen digunakan angka Reynold, angka Reynold merupakan angka tak berdimensi yang dihitung dengan :

     ………………………………………..          (lit.1 hal 195)

dimana                         = kecepatan aliran fluida (m/s)

                         V  = viskositas dinamik (kg/m s)

              d_i = diameter dalam tube (m)

Untuk aliran laminer Re < 2300 sedangkan untuk aliran turbulen Re > 3000.

II.2.6  Metode NTU – Efektivitas

Efektivitas alat penukar kalor didefinisikan sebagai berikut :

Efektivitas =  

Perpindahan kalor sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin. Untuk menentukan perpindahan kalor maksimum bagi penukar kalor, pertama-tama kita harus memahami bahwa nilai maksimum akan didapat bila salah satu fluida mengalami perubahan suhu sebesar beda suhu maksimum yang terdapat dalam penukar kalor itu, yaitu selisih antara suhu masuk fluida panas dan suhu keluar fluida dingin. Fluida yang mungkin mengalami beda suhu maksmum ini adalah yang nilai mc-nya minimum. Karena neraca energi mensyaratkan bahwa energi yang diterima oleh fluida yang satu mesti sama dengan energi yang dilepaskan oleh fluida yang lainnya. Jadi perpindahan kalor maksimum yang mungkin terjadi dinyatakan sebagai :

q _maks = (mc)_min (T_{h masuk} – T_{c masuk})        ……………………    (lit.1 hal 499)

Dimana :

            mc       = laju kapasitas fluida

            T_h,masuk = temperatur masuk fluida panas

            T_c,masuk  = temperatur masuk fluida dingin

   Fluida minimum mungkin terjadi pada fluida yang panas ataupun yang dingin, bergantung dari laju aliran massa dan kalor spesifik, secara umum efektivitas dinyatakan dengan :

 = ΔT_{(fluida maksimum)}/ΔT_{(maks pada penukar kalor)}         …………….   (lit.1 hal 499)

    ………………………………………            (lit.1 hal 498)

   Untuk semua alat penukar kalor yang mengalami kondensasi, suhu fluida dapat dikatakan tetap, atau fluida ini bertingkah seakan-akan kalor spesifiknya tak berhingga. Dalam hal ini Cmin/Cmaks 0 dan semua persamaan efektivitas penukar kalor mendekati persamaan sederhana :

 = 1 – e ^–NTU ………………………………………….        (lit.1 hal 503)

N = NTU = ……………………………………….      (lit.1 hal 507)

Sedangkan untuk tipe selongsong dan tabung dengan satu lintas selongsong dan 2, 4, 6 lintas tabung, persamaan efektivitasnya adalah :

……    (lit.1 hal 507)

II.2.7  Pendekatan Beda Temperatur Logaritma

Pada alat penukar kalor fluida dapat mengalir dalam aliran sejajar maupun aliran lawan arah. Beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan pada waktu keluar tidaklah sama dan kita perlu menentukan nilai rata-rata yang akan digunakan. Beda suhu rata-rata ini dinyatakan sebagai :

        ……………………    (lit.1 hal 491)

untuk penukar kalor pipa ganda perpindahan kalor total dinyatakan dengan persamaan berikut :

q = UA ΔT_m    ……………………………………………    (lit.1 hal 490)

sehingga

sedangkan untuk penukar kalor yang bukan jenis pipa ganda, perpindahan kalor dihitung dengan menerapkan factor koreksi terhadap LMTD. Bentuk persamaan perpindahan kalor menjadi :

……………………    (lit.1 hal 492)

nilai faktor koreksi F bila terdapat perubahan fase seperti kondensasi atau pendidihan, fluida biasanya berada pada suhu yang hakekatnya tetap dan persamaan tersebut menjadi lebih sederhana. Untuk kondisi ini P atau R menjadi nol dan kita dapatkan :

F = 1,0 untuk pendidihan atau kondensasi