Makalah Double Pipe HE [PDF]

Citation preview

BAB 1 PENDAHULUAN



1.1 LATAR BELAKANG



Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda suhu melalui sebuah penghantar media panas dengan mengkondisikan alatnya sebaik mungkin, agar tidak mengalami kesalahan dalam proses pemindahan suhu, karena jika terjadi kesalahan dalam pemindahan akan berakibat pada hasil akhir pemanasan. Dan juga heat bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Heat Exchanger dapat berfungsi sebagai heater, cooler, condensor, reboiler, maupun chiller. 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 (direct contact). 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. Alat penukar kalor sangat dibutuhkan pada proses produksi dalam suatu industri, maka untuk mengetahui unjuk kerja dari alat penukar kalor perlu diadakan analisis. Dengan analisis yang dilakukan dapat diketahui bahwa alat tersebut mampu menghasilkan kalor dengan standar kerja sesuai kebutuhan yang diinginkan. Penukar panas dapat diklasifikasikan menurut pengaturan arus mereka. Dalam paralel-aliran penukar panas, dua cairan masuk ke penukar pada akhir yang sama, dan perjalanan secara paralel satu sama lain ke sisi lain. Dalam counter-flow penukar panas cairan masuk ke penukar dari ujung berlawanan. Desain saat ini counter paling efisien,



karena dapat mentransfer panas yang paling banyak. Dalam suatu heat exchanger lintas-aliran, cairan perjalanan sekitar tegak lurus satu sama lain melalui exchanger. Untuk efisiensi, penukar panas yang dirancang untuk memaksimalkan luas permukaan dinding antara kedua cairan, dan meminimalkan resistensi terhadap aliran fluida melalui exchanger. Kinerja penukar juga dapat dipengaruhi oleh penambahan sirip atau corrugations dalam satu atau dua arah, yang meningkatkan luas permukaan dan dapat menyalurkan aliran fluida atau menyebabkan turbulensi.



1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Apa yang dimaksud dengan Heat Exchanger ? 2. Bagaimana prinsip kerja Heat Exchanger ? 3. Apa saja tipe-tipe dan klasifikasi dari Heat Exchanger ? 4. Apa yang dimaksud dengan Double Pipe Heat Exchanger? 5. Bagaimana system kerja Double Pipe Exchanger? 6. Bagaimana susunan konstruksi Double Pipe Exchanger? 7. Bagaimana perkembangan dan penggunaanya di dunia industry ? 1.3 TUJUAN Penulisan makalah ini memiliki beberapa tujuan, antara lain : 1. Mengetahui pengertian Heat Exchanger. 2. Mengetahui dan memahami prinsip kerja dari Heat Exchanger. 3. Mengetahui tipe-tipe dan klasifikasi dari Heat Exchanger. 4. Mengetahui pengertian dari Double Pipe Exchanger. 5. Mengetahui susunan konstruksi Double Pipe Exchanger. 6. Mengetahui Perkembangan dan penggunaan Double Pipe Exchanger di dunia Industri.



BAB 2 PEMBAHASAN



2.1 ALAT PENUKAR PANAS



Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. Stabilitas fasa fluida pada HE suhu rendah sangat penting mengingat aliran panas/dingin harus dapat mengalir dengan baik (viscositas optimal). Pengaruh suhu, tekanan, dan jenis kriogenik akan sangat menentukan efektivitas pertukaran panas yang terjadi. Beberapa kriteria utama HE yang dibutuhkan untuk penggunaan pada suhu rendah: 1. Perbedaan suhu aliran panas dan dingin yg kecil guna meningkatkan efisiensi 2. Rasio luas permukaan terhadap volume yg besar untuk meminimalkan kebocoran 3. Perpindahan panas yang tinggi untuk mengurangi luas permukaan 4. Massa yg rendah untuk meminimalkan waktu start up 5. Kemampuan multi channel untuk mengurangi jumlah HE 6. Kemampuan menerima tekanan yg tinggi 7. Pressure Drop yg rendah



Minimalisasi beda suhu aliran panas & dingin harus juga memperhatikan pengaruh suhu terhadap panas spesifik (Cp) fluida. Jika



Cp menurun dengan



menurunnya suhu fluida (contoh Hidrogen), maka perbedaan suhu inlet & outlet harus



ditambah dari harga minimal beda suhu aliran. Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, yaitu :  Konduksi (secara molekuler)  Konveksi (secara aliran)  Radiasi (secara gelombamng elektromagnetik)



Perpindahan Panas Secara Konduksi Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas.



Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik. Apabila dalam suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat gerakan melawan gaya gesekan.



Perpindahan Panas Secara Radiasi Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.



Gambar 2.1 Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger (Djunaidi, 2009) Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida padat temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. 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.



Faktor penentu dalam alat perpindahan panas a. Perbedaan suhu Perbedaan suhu antara kedua fluida adalah gaya yang diberikan untuk melakukan perpindahan panas terhadap fluida yang suhunya lebih kecil daripada suhu awal. Oleh sebab itu semakin besar suhu yang diberikan maka jumlah panas yang ditukarkan akan semakin besar. b. Luas permukaan perpindahan panas Semakin besar luas permukaan, maka semakin besar pula panas yang akan dihasilkan.



c. Konduktifitas media hantar panas Media yang digunakan sangat berpengaruh terhadap penghantar panas, namun bahan yang digunakan sebagi media penghantar cenderung harus kuat terhadap panas yang akan dihantarkan, karena jika media yang akan digunakan untuk penghanatar tidak kuat, maka media tersebut akan rentan terhadap korosi, yang menyebabkan penghantar panas mulai berkurang.



Klasifikasi Alat Penukar Kalor Melihat begitu banyaknya jenis alat penukar kalor (heat exchanger), maka dapat diklasifikasikan berdasarkan bermacam-macam pertimbangan yaitu : 1. Klasifikasi berdasarkan proses perpindahan panas a. Tipe kontak tidak langsung 



Tipe dari satu fase







Tipe dari banyak fase







Tipe yang ditimbun (storage type)







Tipe fluidized bed



b. Tipe kontak langsung 



Immiscible fluids







Gas liquid







Liquid vapor



2. Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir 



Dua jenis fluida







Tiga jenis fluida







N – Jenis fluida (N lebih dari tiga)



3. Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan 



Tipe penukar kalor yang kompak, Density luas permukaan > 700 m







Tipe penukar kalor yang tidak kompak, Density luas permukaan < 700 m



4. Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas







Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya







Dengan cara konveksi pada satu sisi aliran dan pada sisi yang lainnya terdapat cara konveksi 2 aliran







Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masing-masing







Kombinasi cara konveksi dan radiasi



5. Klasifikasi berdasarkan konstruksi a. Konstruksi tubular (shell and tube) 



Tube ganda (double tube)







Konstruksi shell and tube



b. Konstruksi tipe pelat 



Tipe pelat







Tipe lamella







Tipe spiral







Tipe pelat koil



c. Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface) 



Sirip pelat (plate fin)







Sirip tube (tube fin)



d. Regenerative 



Tipe rotary







Tipe disk (piringan)







Tipe drum







Tipe matrik tetap



6. Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran a. Aliran dengan satu pass 



Aliran Berlawanan







Aliran Melintang







Aliran yang dibagi (divided)







Aliran Paralel







Aliran Split



b. Aliran multipass 1. Permukaan yang diperbesar (extended surface)  Aliran counter menyilang  Aliran paralel menyilang  Aliran compound Shell and tube  Aliran paralel yang berlawanan (M pass pada shell dan N pass pada tube)  Aliran split  Aliran dibagi (devided) 2. Multipass plat 



N – paralel plat multipass



2.2 DOUBLE PIPE EXCHANGER



Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Tipe ini merupakan alat penukaran panas yang paling sederhana, karena pipa ini memiliki diameter kecil yang di tengahnya telah terpasang pipa yang besar dengan system packing gland sehingga antara pipa terbentuk anulus seperti sebuah tempat ruang kosong yang digunakan sebagai media utama penghantar panas. Disini pipa kecil tersimpan didalan ruang utama atau ruang inti yang dilindungi oleh pipa besar dan isolasi. Dalam jenis penukar panas dapat digunakan berlawanan arah aliran atau arah aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruang annular dan cairan lainnya dalam pipa. Dalam Fluida mengalir dalam dua bagian yaitu fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa dalam.



Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang dikedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedangkan proses konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida bertemperatur rendah. Double pipe heat exchanger merupakan Penukar panas yang digunakan ketika tingkat aliran dari cairan dan tugas panas kecil (kurang dari 500 kW). Alat penukar panas double pipe heat exchanger untuk arus berlawanan arah lebih besar bila dibandingkan dengan arus searah, dan panas yang temperaturnya lebih tinggi akan lebih cepat dan lebih kuat dibandingkan dengan temperaturanya yang kecil. 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 2.2. Alat penukar kalor jenis Double Pipa (Ike Yulia, 2011)



Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dan karena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil. Kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil, 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 (