Prinsip Kerja Alat Penukar Panas (Heat Exchanger)

Alat penukar panas atau (Heat Exchanger) adalah sebuah peralatan elektronika dimana cara kerjanya yaitu memindahkan panas dari suatu fluida yang memiliki suhu temperatur yang tinggi ke fluida lain yang temperaturnya lebih rendah, baik secara langsung ataupun tidak langsung.

Dalam hal ini Heat Exchanger difungsikan sebagai pemanas awal sebelum crude oil masuk kedalam furnace dengan memakai residu sebagai media pemanasnya. Hal ini diperhitungkan untuk menghemat biaya dalam penyediaan bahan bakar furnace.

Heat exchanger yang dipakai adalah tipe shell and tube, yang mana shell dilewati oleh fluida panas (residu) sedangkan tube dilewati oleh fluida dingin (crude oil). Heat exchanger ini juga berfungsi sebagai penurun suhu temperatur dari solar sebelum masuk ke dalam cooler.

Jika heat exchanger tersebut telah dioperasikan beberapa waktu, maka akan terjadi sebuah penurunan unjuk kerja dari alat tersebut. Penurunan unjuk kerja bisa dikarenakan oleh terbentuknya suatu kebocoran, korosi, kerak, maupun aliran fluida yang membuat friksi terhadap dinding alat.

Penurunan kinerja ini dapat dilihat dari parameter-parameter seperti pressure drop yang tinggi, serta dirt factor (Rd) yang melebihi nilai yang diizinkan. Kemudian berdasarkan pada pertimbangan diatas maka unjuk kerja pada alat penukar panas bisa dievaluasi secara periodik.

Tujuan dari penelitian yaitu mengevaluasi unjuk kerja dari heat exchanger yang berfungsi sebagai pemanas crude oil yang memakai solar sebagai media pemanas. Dengan menghitung dirt factor dan pressure drop untuk melihat unjuk kerja pemanas crude oil berdasarkan data design dan aktual dari data sheet .

Manfaat yang didapat dengan mengetahui unjuk kerja dari heat exchanger antara lain yaitu adalah untuk mengetahui apakah heat exchanger tersebut perlu pembersihan atau tidak. Agar lebih efisien dalam transfer panas dan untuk mengetahui heat exchanger tersebut masih aman untuk dioperasikan ataukah sudah minta diganti.

Perpindahan Panas

Perpindahan panas adalah suatu proses pertukaran panas yang terjadi antara benda panas dan benda tidak panas (dingin), yang masing – masing disebut dengan source and receiver (sumber dan penerima).

Ada 3 macam cara dalam perpindahan panas yaitu seperti konduksi, konveksi dan juga radiasi.

1. Perpindahan Panas Konduksi

Yaitu mekanisme suatu perpindahan panas yang terjadi pada suatu rambatan atau aliran. Sebuah proses kerja dari suatu benda yang mempunyai suhu ber-temperatur lebih tinggi ke benda yang ber-temperatur lebih rendah atau dari suatu benda ke benda lain dengan kontak langsung.

Dengan kata lain suatu proses perpindahan panas secara molekuler dengan perantaraan molekul–molekul yang bergerak. Perpindahan panas dalam konduksi bisa berlangsung pada zat padat, cair dan gas. Adapun untuk menghitung suatu perpindahan panas konduksi bisa memakai rumus sebagai berikut:

2. Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas konveksi yaitu sebuah mekanisme perpindahan panas yang terjadi dari satu benda ke benda yang lainnya dengan perantaraan dari benda itu sendiri. Perpindahan panas konveksi dibagi menjadi 2 macam yaitu konveksi bebas (alami) dan konveksi paksa.

a. Konveksi Alami (bebas)

Konveksi alami atau bebas yaitu perpindahan molekul–molekul yang ada didalam zat yang dipanaskan karena terdapat perbedaan densitas. Untuk menghitung perpindahan panas secara konveksi bebas atau alami bisa memakai rumus sebagai berikut:

Q = h A ΔT

Nilai dari h dipengaruhi oleh:

• Kekasaran
• Suhu (Temperatur)
• Densitas (massa jenis)
• Viskositas dan
• Panas

b. Konveksi Paksa

Konveksi paksa yaitu perpindahan panas konveksi yang akan berlangsung dengan bantuan tenaga lain, misalnya seperti udara yang dihembuskan diatas plat oleh sebuah kipas.

3. Perpindahan Panas Radiasi

Yaitu perpindahan panas dari sebuah benda ke benda lain dengan menggunakan bantuan gelombang elektromagnetik, yang mana tenaga ini akan diubah menjadi panas apabila tenaganya diserap oleh benda yang lain. Kemudian untuk menghitung besarnya panas yang dipancarkan bisa memakai rumus sebagai berikut:

Q = e A σ T⁴

Dan khusus untuk benda hitam yang sempurna menurut Hukum Steven Boltzman yaitu:

Q = A T⁴ σ

Yang mana:
σ = 0.174. 10^-8 BTU/ jam ft⁴² °C

Bahan atau Alat - Heat Exchanger

Heat Exchanger yang banyak dipakai adalah yang ber-tipe shell and tube dimana crude oil mengalir lewat tube-tubenya, dan residu mengalir dalam shell dengan arah yang berlawanan (counter flow).

Heat exchanger ini dipasang secara vertikal yaitu residu mengalir pada shell dari bagian atas menuju pada bagian bawah. Sedangkan pada crude oil mengalir dari bagian bawah menuju bagian atas tube, sehingga sepanjang shell dan tube yang tadi akan terjadi pertukaran kalor antara crude oil dengan residu.

Analisa Perhitungan

Metode penelitian didasarkan pada perhitungan :

Heat Duty (kerja panas)

Untuk mengetahui besarnya panas yang bisa ditransfer dari fluida panas ke fluida dingin pada HE dilakukan perhitungan dengan memakai rumus:

Q = m_h. C _p. ΔT

LMTD (Log Mean Temperatur Difference)

Untuk menghitung suhu rata – rata dari suatu fluida yang mengalir dalam HE bisa dihitung dengan menggunakan rumus:

Temperatur kalorik

Yaitu temperatur yang sesuai dengan masing – masing stream. Temperatur kalorik bisa dihitung dengan memakai rumus:

- Untuk fluida panas rumusnya:
T_C = T₂ + F_C (T₁ – T₂)

- Untuk fluida dingin rumusnya:
T_C = t₁ + F_C (t₂ – t₁)

Daerah Aliran

Yaitu luasan yang dilewati oleh masing – masing fluida. Daerah aliran bisa dihitung dengan memakai rumus:

- Pada fluida panas rumusnya:


- Pada fluida dingin rumusnya:

Kecepatan massa

Yaitu kecepatan massa dari masing – masing fluida. Kecepatan massa bisa dihitung dengan memakai rumus:

- Pada fluida panas rumusnya:


- Pada fluida dingin rumusnya:

Reynold Number

Bilangan Reynold bisa dihitung dengan rumus sebagai berikut:
- Pada fluida panas rumusnya:


- Pada fluida dingin rumusnya:

Faktor Dimensi pada Heat Exchanger (JH)

Faktor dimensi bisa dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut:
● Untuk fluida panas rumusnya:
JH didapat dari figure 28 kern dengan terlebih dahulu mengetahui nilai dari Res.
● Untuk fluida dingin rumusnya:
JH didapat dari figure 24 kern dengan terlebih dahulu mengetahui nilai dari Ret an L/ D

Bilangan Prandtl (Pr)

Bilangan Prandtl bisa dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut:


Nilai dari Cp didapat dari figure 4 Kern dengan mengetahui terlebih dahulu nilai dari tc dan ⁰API.
Nilai dari K didapat dari figure 1 Kern dengan mengetahui terlebih dahulu nilia dari tc dan ⁰API.

Koefisien perpindahan panas

Koefisien perpindahan panas disini bisa dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut:

Temperatur pada dinding tabung

Temperatur pada dinding tabung bisa dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut:

Rasio viskositas fluida

Untuk rasio viskositas fluida bisa dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
Pada shell side dan tube side rumusnya:



Dimana μw didapat dari Maxwell dengan terlebih dahulu mengetahui nilai dari tw dan ⁰API fluida panas dan dingin.

Koefisien perpindahan panas terkoreksi

Untuk Koefisien perpindahan panas terkoreksi bisa dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut:

- Pada sisi tabung (tube) rumusnya:


- Pada dinding tube rumusnya:


- Pada dinding sisi shell rumusnya:

Koefisien clean overal

Koefisien clean overall yaitu hantaran perpindahan panas pada HE ketika heat exchanger dalam keadaan bersih. Koefisien clean overal bisa dihitung dengan memakai rumus sebagai berikut:


a¹¹ didapat dari tabel 10 kern.

Fouling factor / Dirty factor

Fouling factor adalah suatu hambatan perpindahan panas karena adanya endapan–endapan yang terdapat didalam HE. Fouling factor ini dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain yaitu: jenis material tube, jenis fluida, temperatur, kecepatan aliran dan juga lamanya operasi.

Pressure drope

Pressure drope adalah suatu penurunan tekanan maksimal yang dibolehkan dalam HE jika suatu fluida melewatinya. Penurunan tekanan ini akan semakin besar dengan bertambahnya fouling factor pada HE karena dipakai terlalu lama. Pressure drope bisa dihitung dengan memakai persamaan sebagai berikut:

Hasil dan Pembahasan

Data diagram heat exchanger

Tabel 1. Data spesifikasi Heat Exchanger

Uraian	Shell			Tube
	Notasi	Satuan	Dimensi	Notasi	Satuan	Dimensi
Diameter luar	Ods	Inch	31,614	Odt	Inch	1
Dimensi dalam	IDs	Inch	30,748	Idt	Inch
Jumlah baffle	N	Unit	4		Unit
Jumlah pass	n	Unit	1		Unit	1
Jenis fluida			Solar			Crude oil
BWG						14
Jarak antar tube				C	Inch	0,25
Panjang tube				L	Ft	10
Jumlah tube				Nt	Unit	382
Pitch trianguler				Pt	Inch	1,25
Jarak antar baffle				B	Inch	23,623

Data kondisi operasi heat exchanger

Tabel 2. Data kondisi operasi Heat Exchanger.

Uraian	Satuan	SHELL		TUBE
		Notasi	Dimensi	Notasi	Dimensi
Flowrate	Liter/hari	Ws	108433	W1	315931
Suhu masuk	0F	T1	482	t­2	95
Suhu Keluar	0F	T2	238,2	t2	183,2
Beda suhu	0F		243,8		88,2
SG 60/600F			0,8561		0,8521
0API			33,78		34,56
Pressure drop ijin	Psi		10		10

Tabel Hasil Perhitungan

Tabel 3. Hasil perhitungan fouling factor.

No.	Uraian	Satuan	Tube	Shell
1	Neraca panas	BTU/jam	1244505.21	1269463.54
2	LMTD	0F	211.7
3	Calorik temperatur	0F	132.04	340.59
4	Flow area	Ft2	1.45	1.009
5	Kecepatan massa	BTU/jam ft20F	16154.063	4422.8275
6	Viskositas	Ib/ft jam	5.19332	8.91186
7	Diameter	Ft	0.0695	0.146
8	Bilangan reynold		144.20	880.36
9	Koefisien heat exchange	BTU/jam ft20F	7.94	24.33
10	Temperatur dinding tube	0F	295.98
11	Viskositas pada dinding tube	Ib/ft jam	2.03	2.03
12	Perbandingan viskositas dalam & luar tube	Ib/ft jam	1.21	0.94
13	Koefisien perpindahan panas terkoreksi	BTU / jam ft20F	9.60	22.87
14	Koefisien clean overall	BTU / jam ft20F	5.93
15	Koefisien design	BTU / jam ft20F	5.87
16	Dirt faktor	BTU / jam ft20F	0.00149
17	Dirt faktor yang diijinkan	BTU / jam ft20F	0.004
18	Pressure drope	Psi	2.84.103	4.93.104
19	Pressure drope diijinkan	Psi	10	10

Pembahasan

● Dari hasil perhitungan panas yang diterima oleh crude oil adalah 1269463,54 Btu/jam sedangkan pada panas yang diberikan pada solar adalah 1244505,21 Btu/jam. Jadi ada sebuah perpindahan panas ke lingkungan yaitu sebesar 24958,33 Btu/jam.
● Temperatur kalorik pada tube lebih rendah dari pada temperatur kalorik pada shell sehingga pada temperatur yang lebih rendah itu, maka viscositasnya akan lebih tinggi.
● Koefisien perpindahan panas pada shell lebih tinggi daripada koefisien perpindahan panas pada tube. Sehingga pada shell lebih cepat saat proses transfer panasnya. Sedangkan pada tube akan lebih lambat sehingga memungkinkan terjadinya perpindahan panas ke lingkungan.
● Koefisien clean overal yaitu sebesar 5,93 Btu/jam.ft² . ⁰F. hal ini menunjukkan bahwa hantaran perpindahan panas dalam keadaan bersih lebih tinggi jika dibandingkan hantaran perpindahan panas. Kemudian bila sudah ada endapan atau sudah beroperasi yaitu sebesar 5,87 Btu/jam.ft² . ⁰F.
● Terlihat disini bahwa hasil dari dirt factor hasil perhitungan lebih rendah dari dirt factor yang diizinkan, Dengan begitu Heat exchanger bisa dibilang masih dalam keadaan baik dan layak untuk dioperasikan.
● Terlihat juga bahwa pressure drope dari hasil perhitungan jauh lebih kecil dari pressure drope izin maka heat exchanger masih layak beroperasi dan waktu pembersihan masih bisa ditunda.

Kesimpulan

Dari analisa dan perhitungan di atas bisa diambil kesimpulan seperti berikut :
1. Heat Exchanger adalah salah satu alat penukar panas yang cukup efektif.
2. Dari hasil perhitungan didapat bahwa panas yang diberikan oleh solar tidak semuanya diterima oleh crude oil. Hal tersebut menunjukkan bahwa adanya panas yang terbuang ke lingkungan sekitar .
3. Perpindahan panas bisa terjadi secara konduksi, konveksi dan radiasi.
4. Heat Exchanger masih dalam kondisi bersih, hal ini bisa dilihat dari nilai fouling faktor hasil analisa lebih kecil dibandingkan dengan fouling faktor yang dijinkan yaitu sebesar 0,00149 dibanding 0,004.
5. Dilihat dari pressure drop yang terjadi dalam heat exchanger pada shell dan tube, jauh lebih kecil dari pressure drop yang diijinkan. Maka heat exchanger masih layak dipakai atau operasi dan tidak perlu diadakan pembersihan.

Saran

1. Pemeriksaan pada temperatur dan tekanan yang keluar masuk dari perangkat heat exchanger harus benar-benar diperhatikan biar sesuai dengan temperatur dan tekanan yang layak kerja/operasi.
2. Agar tidak terlalu banyak panas yang terbuang ke lingkungan sekitar maka pada bagian luar shell harus diberi isolasi panas lagi.
3. Temperatur crude oil yang keluar dari heat exchanger diusahakan semaksimal mungkin agar pada bahan bakar yang dipakai pada furnace (perapian) tidak terlalu banyak.

Daftar Notasi

h = indeks untuk fluida panas
c = indeks untuk fluida dingin
s = indeks untuk bagian shell (kerangka)
t = indeks untuk bagian tube (tabung)
Q = kecepatan perpindahan panas (BTU/ jam)
K = konduktivitas thermal (BTU/ jam)
A = luas penampang perpindahan panas (ft²)
ΔT = beda temperatur (⁰F)
x = jarak lintas aliran panas (ft)
h = koefisien perpindahan panas atau (BTU/ jam ft² . °C)
e = emisivitas (0 s/d 1)
σ = konstanta proporsional (BTU/ jam ft² . °C)
m = flow rate aliran pada fluida panas (lb/ jam)
C p = koefisien panas spesifik atau (BTU/ lb ⁰F)
Fc = kalorik fraktion
ID = diameter dalam (ft), ID didapat dari tabel 10
kern dengan terlebih dulu mengetahui nilai-nilai dari OD dan BWG.
OD = diameter luar (in)
C = jarak antar tube atau (C = Pt – ODt)
B = jarak antar baffle (in)
P = pitch (in)
a = daerah aliran (ft²)
Nt = jumlah tube
N = jumlah passes
G = tekanan aliran fluida (lb/ ft2)
De = diameter equivalent (ft), De dihasilkan dari figure 29 kern
μ = viskositas (lb/ jam ft) , μ dihasilkan dari Maxwell
a11 = luas permukaan tube per ft bagian luar (ft²/ ft)

Berbagi :