Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)

Seperti yang telah dibahas sebelumnya ada banyak sekali macam-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah munculnya kesalahpahaman dalam mempelajari alat penukar kalor, saat ini Alat penukar kalor akan dikelompokan berdasarkan fungsinya :

1. Chiller (pendingin)

Alat penukar kalor ini berfungsi untuk mendinginkan fluida hingga pada temperatur yang yang rendah. Temperatur suhu fluida dari hasil pendinginan didalam chiller lebih rendah jika dibandingkan dengan fluida pendinginan yang diproses dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin kebanyakan memakai amoniak atau Freon.

2. Kondensor

Alat penukar kalor ini berfungsi untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga akan merubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang digunakan biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, contohnya pada pembangkit listrik tenaga uap yang memakai condensing turbin, Maka uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, kemudian diembunkan menjadi kondensat.

3. Cooler

Alat penukar kalor ini berfungsi untuk mendinginkan cairan atau gas dengan memakai air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi yang sangat pesat ini maka pada pendingin cooler memakai media pendingin berupa udara dengan bantuan fan (kipas).

4. Evaporator

Alat penukar kalor ini berfungsi untuk penguapan cairan menjadi uap. Seperti namanya pada alat Evaporator ini pada saat proses pengerjaan menggunakan evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan dari alat Evaporator ini adalah panas latent dan zat yang dipakai adalah air atau refrigerant cair.

5. Reboiler

Alat penukar kalor ini digunakan untuk mendidihkan kembali (reboil) dan juga menguapkan sebagian cairan yang diproses. Kemudian pada media pemanas yang sering dipakai adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri.

Hal ini bisa dilihat pada penyulingan minyak dalam gambar 2.1, Ditunjukkan sebuah reboiler dengan memakai minyak (665ºF). Sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

6. Heat Exchanger

Pada alat penukar kalor ini berfungsi untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Kemudian akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu :

• Memanaskan fluida dan
• Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar dari kedua jenis fluida tersebut diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, yang mana fluida yang berada didalam tube adalah air, dan pada bagian luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

a. Jenis-jenis Heat Exchanger

Dikarenakan banyak sekali macam-jenis dari alat penukar kalor, maka dalam pembahasan kali ini akan dibatasi pada alat penukar kalor jenis heat exchanger yang banyak sekali ditemui pada industri perminyakan. Pada alat Heat exchanger ini juga banyak memiliki bermacam jenis.

Kemudian perlu diketahui bahwa pada alat-alat ini terdapat suatu terminology yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian pada alat tersebut. Yang telah dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan nama Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA).

Tujuan dari Standarisasi tersebut yaitu untuk melindungi para pengguna dari bahaya kerusakan atau kegagalan pada alat Karena pada alat ini beroperasi atau bekerja pada temperatur suhu dan tekanan yang sangat tinggi.

Dalam standar mekanik TEMA, ada dua macam kelas heat Exchanger, yaitu :

1. Kelas R, yaitu untuk peralatan yang beroperasi / bekerja dengan kondisi berat, Contohnya: untuk industri minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk kebutuhan umum (general purpose), dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran yang kecil, yang banyak dipakai untuk proses-proses umum dalam industri.

Jenis-jenis Heat Exchanger yang banyak dipakai dalam industri perminyakan dibedakan atas:

1. Jenis Shell and Tube

Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak dipakai dalam industri perminyakan. Pada alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) yang mana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil.

Satu jenis fluida yang mengalir didalam pipa-pipa, sedangkan pada fluida yang lainnya mengalir dibagian luar pipa, namun masih didalam shell. Hal ini bisa dilihat pada gambar 2.3

Keterangan :
1. Saluran ujung yang tetap
2. Topi ujung yang tetap
3. Saluran atau tepi ujung yang tetap
4. Tutup saluran – channel cover
5. Nossel ujung stasioner – Stationary head nozzle
6. Plat tabung stasioner – Stationary tubes sheet
7. Tabung (tube)
8. Kerangka (shell)
9. Tutup kerangka – shell cover
10. Kulit kerangka yang ada pada ujung stasioner - shell flange stationary head end
11. Kulit kerangka yang ada pada ujung yang dibelakang, shell flange – Rear Head End
12. Nosel kerangka– Shell Nozzle
13. Kulit penutup kerangka – shell cover flange
14. Sambungan ekspansi – Expansion Joint
15. Plat tabung yang mengambang – Floating Head Cover
16. Tutup kepala yang mengambang - Floating Head Cover
17. Kulit kepala yang mengambang – Floating Hea d Flange
18. Penahan kepala yang mengambang – Floating Head Backing Device
19. Cincin pemisah – Split Shear Ring
20. Kulit penahan yang dengan slip – on – slip – on backing flange
21. Tutup kepala yang mengambang ada di sebelah luar – Floating Head Cover
22. Plat 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 juga spasi – Tie Rod and Spacer
28. Sekat transverse atau Plat penahan – Transverse Baffles or Support Plate
29. Sekat yang disentuh langsung – Impingement Buffles
30. Sekat yang longitudinal – Longitudinal Baffles
31. Pemisah aliran pass – Pass Partition
32. Sambungan untuk venting – Vent Connection
33. Sambungan untuk buangan – Drain Connection
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 Pipa ganda ini untuk setiap pipa atau beberapa pipa memiliki shell sendiri-sendiri. Tujuanya yaitu untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menyerupai huruf U (perhatikan gambar 2.4).

Pada kebutuhan khusus, untuk meningkatkan kemampuan memindahkan panas, pada bagian diluar pipa diberi sirip, bentuk siripnya ada yang memanjang, melingkar dan lain sebagainya.

Keistimewaan/kelebihan dari jenis Pipa ganda adalah mampu beroperasi (bekerja) pada tekanan yang tinggi, dan karena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kemudian untuk kelemahan dari jenis pipa ganda ini adalah terletak pada kapasitas perpindahan panasnya yang sangat kecil.

3. Jenis Coil Pipa

Heat Exchanger ini memiliki pipa yang berbentuk coil yang dibenamkan didalam sebuah box berisi air dingin yang akan mengalir atau disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa.

Heat exchanger coil pipa disebut juga sebagai box cooler (lihat gambar 2.5) jenis ini biasanya banyak dipakai untuk pemindahan kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.

4. Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)

Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell, namun akan dibiarkan di udara. Proses pendinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau udara pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang.

Untuk pendinginan dengan memakai udara biasanya pada bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan perpindahan panas. Seperti halnya pada jenis coil pipa, perpindahan panas yang terjadi cukup lambat dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.

5. Jenis Spiral

Memiliki bidang perpindahan panas yang melingkar. Karena alirannya yang melingkar tersebut maka pada system ini bisa “membersihkan sendiri” dan memiliki efisiensi perpindahan panas yang sangat baik. Namun untuk konstruksi seperti ini tidak bisa dioperasikan pada tekanan yang tinggi.

6. Jenis Lamella

Biasanya banyak dipakai untuk memindahkan panas dari gas ke gas pada tekanan yang rendah. Jenis lamella ini memiliki koefisien perpindahan panas yang sangat baik/tinggi.

7. Gasketter Plate Exchanger

Memiliki bidang perpindahan panas yang terbentuk dari lembaran plat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk cairan) ada diantara lembaran plat yang dipisahkan gasket yang dirancang khusus sehingga bisa memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya yang mudah dan memiliki efisiensi perpindahan panas yang cukup baik.

Pada umumnya heat exchanger dibuat dengan pemesanan, tidak dijual secara luas karena harus sesuai dengan kebutuhannya. Baik ukuran maupun bentuk bisa bermacam-macam, sesuai dengan kebutuhan masing-masing.

B. Komponen-komponen Heat Exchanger

Dalam pembahasan tentang komponen-komponen yang ada pada Heat Exchanger jenis shell and tube akan dibahas beberapa komponen saja yaitu yang sangat berpengaruh pada konstruksi heat exchanger. Kemudian untuk lebih jelasnya disini akan dibahas beberapa komponen dari heat exchanger yang berjenis shell and tube.

1. Shell (kerangka)

Kontruksi dari shell sangat ditentukan oleh keadaan tube (tabung) yang akan ditempatkan didalamnya. Shell ini bisa dibuat dari pipa yang berukuran besar atau plat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat exchanger, yang mana didapat tube bundle.

Untuk temperatur suhu yang sangat tinggi biasanya shell akan dibagi dua disambungkan dengan sambungan ekspansi. Bentuk-bentuk shell yang umum dipakai ditunjukkan pada gambar berikut :

2. Tube

Tube atau pipa/tabung yaitu merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus juga sebagai bidang perpindahan panas.

Ketebalan dan bahan dari pipa harus dipilih pada tekanan operasi (kerja) fluida. Selain itu bahan pada pipa tidak boleh mudah korosi oleh fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube bisa dilihat dibawah ini :

Susunan dari tube atau tabung diatas dibuat berdasarkan pertimbangan yang matang untuk menghasilkan jumlah pipa yang banyak dan juga untuk kemudahan perawatan (pembersihan permukaan pipa).

3. Sekat (Baffle)

Fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada alat heat exchanger ini antara lain yaitu:

1. Sebagai penahan dari tube bundle
2. Untuk menambah atau mengurangi terjadinya getaran.
3. Sebagai alat untuk mengarahkan arah aliran fluida yang ada di dalam tube.

Dilihat dari segi konstruksinya baffle bisa diklasifikasikan dalam empat kelompok, yaitu:

1. Sekat plat yang berbentuk segmen.
2. Sekat bintang (rod baffle).
3. Sekat mendatar.
4. Sekat impingement.

C. Beda Temperatur Rata-rata Logaritma ( LMTD )

Faktor perhitungan pada alat Heat Excharnge atau penukar kalor adalah masalah perpindahan panasnya. Jika panas yang dilepaskan besarnya sama dengan Q peratuan waktu, maka panas itu akan diterima fluida yang dingin sebesar Q tersebut dengan persamaaan :

Q = U . A . Δ Tlm

Dimana:
Q = Kalor yang diterima/dilepaskan
U = Koefisien perpindahan panas yang menyeluruh
A = Luas perpindahan panas

Δ Tlm = Selisih temperatur rata-rata

Sebelum menentukan luas permukaan kalor (A), terlebih dahulu menentukan nilai dari LMTD. Hal tersebut berdasarkan dari selisih temperatur dari fluida ruang masuk dan keluar dari kalor.



Untuk aliran pararel arah aliran fluida berbeda, dimana:

ΔTmaks = ( T₁ – t₁ ) : ΔTmin = ( T₂ – t₂ )

Untuk aliran fluida berlawanan, maka :

ΔTmaks = ( T₁ – t₂ ) : ΔTmin = ( T₂ – t₁ )

Dimana:
LMTD = Selisih temperatur 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 Heat Excharnge (penukar kalor) harus dicari selisih dari temperature rata-rata sebenarnya, yaitu dengan memakai faktor koreksi (Ft). Besar selisih pada temperature rata-rata sebenarnya adalah (ΔTm);

ΔTm = Ff × LMTD

D. Fouling Factor (Faktor Pengotoran)

Faktor pengotoran ini sangat berpengaruh pada perpindahan panas dalam heat exchanger. Pengotoran ini bisa menyebabkan endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchanger, akibat dari pengaruh jenis fluida yang dialirinya.

Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti akan selalu terjadi.
Terjadinya pengotoran tersebut bisa sangat menganggu atau mempengaruhi temperatur fluida yang mengalir, Dan juga bisa menurunkan atau mempengaruhi koefisien dalam perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut.

Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat dari pengotoran antara lain :

• Temperatur fluida
• Temperatur dinding tube
• Kecepatan aliran fluida 

Faktor pengotoran (fouling factor) bisa dicari persamaan yaitu dengan rumus:



Uc = Koefisien perpindahan panas yang menyeluruh bersih



hio = Koefisien perpindahan panas dari permukaan luar tube
ho = Koefisien perpindahan panas dari fluida diluar tube
Ud = Koefisien perpindahan panas yang menyeluruh (design)

E. Penurunan Tekanan pada Shell Side

Jika mencari besarnya penurunan tekanan pada sisi shell dalam alat penukar kalor, masalahnya proporsional dengan beberapa kali fluida itu melalui tube bundle diantara sekat-sekat. Besarnya penurunan tekanan pada isothermal untuk fluida yang dipanaskan atau didinginkan, juga kerugian ketika masuk dan keluar yaitu:

F. Penurunan Tekanan pada Tube Side

Besarnya penurunan tekanan pada tube side dalam alat penukar kalor telah diformulasikan (dirumuskan). Untuk persamaan terhadap faktor gesekan dari fluida yang didinginkan atau yang dipanaskan didalam tube.



Dimana :
n = Jumlah pass aliran tube
L = Panjang tube
L.n = Panjang total lintasan dalam ft

Mengingat bahwa fluida itu akan mengalami belokan ketika passnya, maka akan ada kerugian tambahan penurunan tekanan.

Berbagi :