Preliminary Study
-
Upload
rima-agustin-m -
Category
Documents
-
view
232 -
download
3
description
Transcript of Preliminary Study
PRELIMINARY STUDY
Plate Heat Exchanger (PHE)
Semester Genap Tahun Ajaran 2015
Dosen Pembimbing : Ir. Umar Khayam
Tanggal Pengumpulan : 1 Juni 2015
Rima Agustin Merdekawati
PROGRAM STUDI D
JURUSAN TEKNIK KIMIA
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
PRELIMINARY STUDY
Plate Heat Exchanger (PHE)
Semester Genap Tahun Ajaran 2015
Dosen Pembimbing : Ir. Umar Khayam
Tanggal Pengumpulan : 1 Juni 2015
Oleh
Rima Agustin Merdekawati
NIM 131411061
Kelompok 1
Kelas 2A
PROGRAM STUDI D-3 TEKNIK KIMIA
JURUSAN TEKNIK KIMIA
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2015
1. Cari tentang perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi
Kalor itu selalu berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih
rendah. Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.
a. Konduksi.
Konduksi merupakan proses perpindahan kalor tanpa disertai dengan perpindahan
partikelnya. Jadi, ketika terjadi perubahan suhu, partikel di dalam benda tersebut tidak
mengalami perubahan bentuk, tapi hanya mengalami pergeseran saja. Yaitu energi panas
yang diterima oleh benda menjadi menyebar rata ke seluruh permukaan yang ada di benda
tersebut. Umumnya, proses perpindahan kalor konduksi terjadi pada permukaan benda padat.
Tapi, perpindahan kalor tercepat terjadi pada benda padat yang terbuat dari logam. Itu
sebabnya logam disebut sebagai penghantar panas yang paling baik. Penghantar panas ini
disebut dengan konduktor. Penghantar panas atau konduktor yang buruk misalnya kayu.
b. Konveksi
Proses perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai dengan perpindahan bagian-bagian
yang dilaluinya disebut konveksi atau aliran. Konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas.
Konveksi pada Zat Cair, Syarat terjadinya konveksi padaz at cair adalah adanya
pemanasan. Hal ini disebabkan partikel-partikel zat cair ikut berpindah tempat.
Konveksi pada Gas, Konveksi terjadi pula pada gas, misalnya udara. Seperti halnya
pada air, rambatan (aliran) kalor dalam gas (udara) terjadi dengan cara konveksi.
Beberapa peristiwa yang terjadi akibat adanya konveksi udara adalah sebagai berikut.
Adanya angin laut. Pada siang hari, daratan lebih cepat menjadi panas daripada lautan
sehingga udara di daratan naik dan digantikan oleh udara dari lautan.
. Adanya angin darat, Pada malam hari, daratan lebih cepat menjadi dingin daripada
lautan. Dengan demikian, udara di atas lautan naik dan digantikan oleh udara dari
daratan.
c. Radiasi
Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Karena kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik, maka radiasi tidak
memerlukan medium. Dengan kata lain, radiasi kalor dapat melalui ruang hampa (vakum).
Sebagai contoh, radiasi kalor dari Matahari melalui ruang hampa hingga sampai ke Bumi.
Makin baik suatu benda menyerap radiasi kalor, makin baik pula benda itu memancarkan
radiasi kalor. Penyerap radiasi sempurna disebut benda hitam. Permukaan yang hitam kusam
adalah penyerap dan pemancar radiasi kalor yang sangat baik, sedangkan permukaan putih
mengkilat adalah penyerap dan pemancar kalor yang sangat buruk.
2. Sebutkan dan jelaskan mengenai
Beberapa jenis heat exchanger :
1. Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)
Double pipe heat exchanger
pada gambar 1 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada gambar 1 mengalir dari
titik A ke titik B, dengan space
mengalir dapat berupa aliran cocurrent
dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U.
Konveksi pada Gas, Konveksi terjadi pula pada gas, misalnya udara. Seperti halnya
pada air, rambatan (aliran) kalor dalam gas (udara) terjadi dengan cara konveksi.
peristiwa yang terjadi akibat adanya konveksi udara adalah sebagai berikut.
Adanya angin laut. Pada siang hari, daratan lebih cepat menjadi panas daripada lautan
sehingga udara di daratan naik dan digantikan oleh udara dari lautan.
ada malam hari, daratan lebih cepat menjadi dingin daripada
lautan. Dengan demikian, udara di atas lautan naik dan digantikan oleh udara dari
Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik, maka radiasi tidak
memerlukan medium. Dengan kata lain, radiasi kalor dapat melalui ruang hampa (vakum).
Sebagai contoh, radiasi kalor dari Matahari melalui ruang hampa hingga sampai ke Bumi.
suatu benda menyerap radiasi kalor, makin baik pula benda itu memancarkan
radiasi kalor. Penyerap radiasi sempurna disebut benda hitam. Permukaan yang hitam kusam
adalah penyerap dan pemancar radiasi kalor yang sangat baik, sedangkan permukaan putih
lat adalah penyerap dan pemancar kalor yang sangat buruk.
mengenai jenis-jenis heat exchanger
Concentric Tube Heat Exchanger (Double Pipe)
Double pipe heat exchanger atau consentric tube heat exchanger yang ditunjukkan
pada gambar 1 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada gambar 1 mengalir dari
space berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang
cocurrent atau countercurrent. Alat pemanas ini dapat dibuat
dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U.
Konveksi pada Gas, Konveksi terjadi pula pada gas, misalnya udara. Seperti halnya
pada air, rambatan (aliran) kalor dalam gas (udara) terjadi dengan cara konveksi.
peristiwa yang terjadi akibat adanya konveksi udara adalah sebagai berikut.
Adanya angin laut. Pada siang hari, daratan lebih cepat menjadi panas daripada lautan
ada malam hari, daratan lebih cepat menjadi dingin daripada
lautan. Dengan demikian, udara di atas lautan naik dan digantikan oleh udara dari
Radiasi atau pancaran adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik, maka radiasi tidak
memerlukan medium. Dengan kata lain, radiasi kalor dapat melalui ruang hampa (vakum).
Sebagai contoh, radiasi kalor dari Matahari melalui ruang hampa hingga sampai ke Bumi.
suatu benda menyerap radiasi kalor, makin baik pula benda itu memancarkan
radiasi kalor. Penyerap radiasi sempurna disebut benda hitam. Permukaan yang hitam kusam
adalah penyerap dan pemancar radiasi kalor yang sangat baik, sedangkan permukaan putih
yang ditunjukkan
pada gambar 1 di mana suatu aliran fluida dalam pipa seperti pada gambar 1 mengalir dari
berbentuk U yang mengalir di dalam pipa. Cairan yang
. Alat pemanas ini dapat dibuat
dari pipa yang panjang dan dihubungkan satu sama lain hingga membentuk U. Double pipe
heat exchanger merupakan alat yang cocok dikondisikan untuk aliran dengan laju aliran yang
kecil (Geankoplis, 1983).
Gambar 1. Aliran double pipe heat exchanger
Gambar 2. Hairpin heat exchanger
(source : Kern, “Process Heat Transfer”, 1983)
Exchanger ini menyediakan true counter current flow dan cocok untuk extreme
temperature crossing, tekanan tinggi dan rendah untuk kebutuhan surface area yang moderat
(range surface area: 1 – 6000 ft2). Hairpin heat exchanger tersedia dalam :
- Single tube (double pipe) atau berbagai tabung dalam suatu hairpin shell (multitube),
- Bare tubes, finned tube, U-Tubes,
- Straight tubes,
- Fixed tube sheets
Double pipe heat exchanger sangatlah berguna karena ini bisa digunakan dan dipasang
pada pipe-fitting dari bagian standar dan menghasilkan luas permukaan panas yang besar.
Ukuran standar dari tees dan return head diberikan pada tabel 1.
Tabel 1. double Pipe Exchanger fittings
Outer Pipe,
IPS
Inner Pipe,
IPS
3
2½
3
1¼
1¼
2
4 3
(source : Kern, “Process Heat Transfer”, 1983)
Double pipe exchangers biasanya dipasang dalam 12-, 15- atau 20-ft Panjang efektif,
panjang efektif dapat membuat jarak dalam each leg over di mana terjadi perpindahan panas
dan mengeluarkan inner pipe yang menonjol melewati the exchanger section. (Kern, 1983).
Susunan dari concentric tube ditunjukan pada gambar di bawah ini. Aliran dalam type
heat exchanger dapat bersifat cocurrent atau counter current dimana aliran fluida panas ada
pada inner pipe dan fluida dingin pada annulus pipe.
Gambar 3 Double pipe heat exchanger aliran cocurrent dan counter current
Pada susunan cocurrent maka fluida di dalam tube sebelah dalam (inner tubes) maupun
yang di luar tube (dalam annulus), artinya satu lintasan tanpa cabang. Sedangkan pada aliran
counter current, di dalam tube sebelah dalam dan fluida di dalam annulus masing-masing
mempunyai cabang seperti terlihat pada gambar 4 dan gambar 5.
Gambar 4. Double-pipe heat exchangers in series
Gambar 5. Double-pipe heat exchangers in series–parallel
Keuntungan dan kerugian penggunaan double pipe heat exchanger:
a) Keuntungan
1. Penggunaan longitudinal tinned tubes akan mengakibatkan suatu heat exchanger untuk
shell sides fluids yang mempunyai suatu low heat transfer coefficient.
2. Counter current flow mengakibatkan penurunan kebutuhan surface area permukaan
untuk service yang mempunyai suatu temperature cross.
3. Potensi kebutuhan untuk ekspansi joint adalah dihapuskan dalam kaitan dengan
konstruksi pipa-U.
4. Konstruksi sederhana dalam penggantian tabung dan pembersihan.
b) Kerugian
1. Bagian hairpin adalah desain khusus yang mana secara normal tidak dibangun untuk
industri standar dimanapun selain ASME code.
2. Bagian multiple hairpin tidaklah selisih secara ekonomis bersaing dengan single shell
dan tube heat exchanger.
3. Desain penutup memerlukan gasket khusus.
(Kern, 1983).
2. Shell And Tube Heat Exchanger
Shell and tube heat exchanger biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi,
yang terdiri dari sebuah selongsong yang di dalamnya disusun suatu annulus dengan
rangkaian tertentu (untuk mendapatkan luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di
selongsong maupun di annulus sehingga terjadi perpindahan panas antara fluida dengan
dinding annulus misalnya triangular pitch dan square pitch (Anonim1, 2009).
(a)
Gambar 6. Shell and Tube, (a) Square pitch
Keuntungan square pitch adalah bagian dalam
drop-nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida)
(Kern, 1983).
Gambar 7. shell and tube heat exchanger
Keuntungan dari shell and tube:
1. Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk
atau volume yang kecil.
2. Mempunyai lay-out mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi
bertekanan.
3. Menggunakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (
4. Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang
digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
5. Mudah membersihkannya.
6. Prosedur perencanaannya sudah
7. Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
8. Pengoperasiannya tidak berbelit
operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
9. Konstruksinya dapat dipisah
utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang
(b)
Square pitch dan (b) Triangular pitch
adalah bagian dalam tube-nya mudah dibersihkan dan
nya rendah ketika mengalir di dalamnya (fluida)
shell and tube heat exchanger
Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk
mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi
unakan teknik fabrikasi yang sudah mapan (well-astablished).
Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang
digunakan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi.
Prosedur perencanaannya sudah mapan (well-astablished).
Konstruksinya sederhana, pemakaian ruangan relatif kecil.
Pengoperasiannya tidak berbelit-belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para
operator yang berlatar belakang pendidikan rendah).
Konstruksinya dapat dipisah-pisah satu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang
utuh, sehingga pengangkutannya relatif gampang
nya mudah dibersihkan dan pressure
Konfigurasi yang dibuat akan memberikan luas permukaan yang besar dengan bentuk
mekanik yang baik, bentuknya cukup baik untuk operasi
Dapat dibuat dengan berbagai jenis material, dimana dapat dipilih jenis material yang
belit, sangat mudah dimengerti (diketahui oleh para
tu sama lain, tidak merupakan satu kesatuan yang
(Sitompul,1993).
Kerugian penggunaan shell and tube heat exchanger adalah semakin besar jumlah
lewatan maka semakin banyak panas yang diserap tetapi semakin sulit perawatannya
(Kern, 1983).
3. Plate Type Heat Exchanger
Plate type heat exchanger terdiri dari bahan konduktif tinggi seperti stainless steel atau
tembaga. Plate dibuat dengan design khusus dimana tekstur permukaan plate saling
berpotongan satu sama lain dan membentuk ruang sempit antara dua plate yang berdekatan.
Jika menggabungkan plate-plate menjadi seperti berlapis-lapis, susunan plate-plate tersebut
tertekan dan bersama-sama membentuk saluran alir untuk fluida. Area total untuk
perpindahan panas tergantung pada jumlah plate yang dipasang bersama-sama seperti gambar
dibawah
Gambar 8. Plate type heat exchanger dengan aliran countercurrent
(Allan, 1981).
4. Jacketed Vessel With Coil and Stirrer
Unit ini terdiri dari bejana berselubung dengan coil dan pengaduk, tangki air panas,
instrumen untuk pengukuran flowrate dan temperatur. Fluida dingin dalam vessel dipanaskan
dengan mengaliri selubung atau koil dengan fluida panas. Pengaduk dan baffle disediakan
untuk proses pencampuran isi vessel. Volume isi tangki dapat divariasikan dengan pengaturan
tinggi pipa overflow. Temperatur diukur pada inlet dan outlet fluida panas, vessel inlet dan isi
vessel
Gambar 9. Skema Dari Jacketed Vessel With Coil And Stirrer
(Tim Dosen Teknik Kimia, 2009).
3.Sebutkan dan jelaskan jenis heat exchanger berdasarkan aliran fluida
Penentuan desain aliran fluida di dalam sebuah heat exchanger tergantung dari kebutuhan
tingkat keefektifan perpindahan panas yang diinginkan, penurunan tekanan yang diijinkan,
kecepatan aliran fluida minimum dan maksimum yang diperbolehkan, bentuk aliran fluida,
desain bentuk heat exchanger, tegangan termal yang diijinkan, perubahan temperatur yang
dibutuhkan, desain sistem perpipaan, serta berbagai pertimbangan yang lain.
Ilustrasi Aliran Fluida Singlepass & Multipass
Fluida yang mengalir di dalam sebuah heat exchanger bisa berupa single-pass atau juga
multi-pass. Dikatakan single-pass yakni apabila fluida mengalir hanya satu kali di dalam heat
exchanger. Sedangkan dikatakan multi-pass apabila fluida mengalir lebih dari satu kali di
dalam sebuah heat exchanger. Dari konsep multi-pass tersebut, berikut adalah beberapa tipe
heat exchanger berdasarkan bentuk aliran fluida:
Heat Exchanger Tipe Single-Pass
Counterflow Heat Exchanger.
Fluida-fluida yang mengalir pada heat exchanger tipe ini berada saling sejajar, akan
tetapi memiliki arah yang saling berlawanan. Desain ini menghasilkan efisiensi
perpindahan panas yang paling baik diantara jenis heat exchanger yang lain. Hal ini
disebabkan karena fluida dingin yang masuk ke dalam exchanger akan bertemu
dangan fluida sumber panas yang akan keluar dari exchanger, dimana fluida ini sudah
mengalami penurunan panas. Begitu pula pada sisi outlet fluida yang dipanaskan, ia
akan dipanaskan oleh fluida sumber panas yang baru saja masuk ke exchanger
tersebut. Untuk lebih jelasnya, mari kita perhatikan gambar berikut.
Paralel flow Heat Exchanger.
Fluida-fluida kerja pada heat exchanger tipe ini mengalir sejajar dan memiliki arah
aliran yang sama antara fluida satu dengan yang lainnya. Fluida-fluida tersebut masuk
dan keluar heat exchanger melalui sisi yang sama. Untuk lebih jelasnya perhatikan
gambar di bawah ini.
Desain aliran fluida yang searah pada heat exchanger tipe ini, menghasilkan
tingkat efisiensi perpindahan panas yang buruk di antara semua heat exchanger tipe
single-pass. Oleh karena itu tipe ini digunakan pada kondisi-kondisi khusus yakni:
a. Heat exchanger menggunakan material yang sensitif terhadap temperatur,
penggunaan fluida dengan viskositas tinggi, atau temperatur inlet fluida panas yang
mencapai 1100oC.
b. Jika fluida sumber panas akan mencapai titik beku pada saat didinginkan pada heat
exchanger.
c. Dibutuhkan kondisi heat exchanger yang lebih bersih, karena temperatur dinding heat
exchanger tipe paralel flow yang lebih dingin dibandingkan dengan tipe yang lain
menyebabkan lebih sulitnya terbentuk kerak di dalam elemennya.
d. Membantu mencapai fase terbentuknya nucleat boiling pada proses pembentukan uap
air.
e. Jika dibutuhkan efisiensi perpindahan panas yang rendah dan laju perpindahan panas
yang stabil di sepanjang permukaan elemen heat exchanger.
Crossflow Heat Exchanger.
Dua fluida yang mengalir di heat exchanger tipe ini memiliki arah yang saling tegak
lurus atau bersilangan. Secara termodinamik, tipe ini memiliki efisiensi perpindahan
panas yang lebih rendah daripada tipe counterflow tetapi lebih tinggi daripada tipe
paralelflow. Perpindahan panas yang paling efisien terjadi pada sudut-sudut aliran.
Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan gambar-gambar berikut.
a. Heat Exchanger tipe plat
b. Heat exchanger tipe serpentine (single tube)
Distribusi Perpindahan Panas Pada Crossflow Heat Exchanger
Split-flow Heat Exchanger.
Heat exchanger ini berdesain shell & tube dengan satu fluida yang masuk ke sisi shell
melalui bagian tengah lalu mengalir secara longitudinal ke dua arah, berbelok 180o
pada ujung-ujung shell dan berkumpul untuk keluar melalui sisi outlet. Fluida yang
lain mengalir lurus dan hanya satu arah melintasi sisi tube. Untuk lebih memahami
tipe ini, mari kita perhatikan gambar di bawah ini.
(a) Heat Exchanger Tipe Single-pass Split-Flow
(b) Distribusi temperatur pada Split-Flow Heat Exchanger
Daftar Pustaka
Sopiana, Angga. 2015. “Perpindahan Kalor”. http://budisma.net/2015/01/perpindahan-kalor-
konduksi-konveksi-dan-radiasi.html. Diunduh pada 1 Juni 2015.
Staff, Technoart. “Macam-macam Heat Exchanger”. http://artikel-teknologi.com/macam-
macam-heat-exchanger-alat-penukar-panas-bagian-5/. Diunduh pada 1 Juni 2015.