BAB IIDASAR TEORI

2.1. Tipe Alat Penukar PanasBerdasarkan arah aliran relatif kedua fluida ada empat macam penukar panas:a. Pada susunan aliran searah (paralel flow), fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang sama, mengalir dengan arah yang sama dan berakhir pada ujung yang sama pula.b. Pada susunan aliran yang berlawanan (counter flow), fluida panas dan dingin masuk pada ujung yang berlawanan, mengalir secara berlawanan arah dan berakhir pada ujung yang berlawanan arah pula.c. Alternatif yang lain adalah aliran melintang atau tegak lurus (cross flow) yang terbagi atas 2 kondisi, kedua fluida tak bercampur (unmixed) dan salah satu dari fluida bercampur tapi yang lainnya tidak bercampur.d. Susunan dengan aliran gabungan dua atau tigapola aliran di atas.Berdasarkan tipe alat penukar panas ada beberapa macam antara lain concentric tube heat exchanger, shell and tube heat exchanger.

2.2. Shell and tube heat exchangerPada peralatan ini proses perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir dalam tube(tabung) dengan fluida shell (selongsong) yang mengalir di luar tabung. Aliran fluida shell yang berolak akan memberikan koefisien perpindahan panas yang tinggi. Untuk memperoleh efek olakan pada aliran fluida tersebut dipasang baffles (sekat-sekat). Di samping itu baffle juga digunakan untuk mengarahkan aliran dalam fluida di shell dan mengikat / mendukungtube bundle.

2.2.1. Kodifikasi Shell and Tube Heat ExchangerBerdasarkan TEMA (Tubular Exchanger Manufacturing Association), shell and tube heat exchanger dikodekan dengan 3 huruf dimana masing-masing huruf menunjukkan tipe front end stationary head, bentuk dan laluan di shell, dan tipe rear end head. (lihat lampiran).

Gambar 2.1 Bagian-bagian Shell and Tube Heat Exchanger tipe AES

a. Fixed Tube Sheet Heat ExchangerFixed Tubesheet Heat Exchanger tersusun atas shell dan tubesheet yang menyatu (tidak dapat dipisah). Hal ini mencegah kebocoran fluida yang mengalir di shell.Fluida yang mengalir di shell adalah fluida yang tidak menyebabkan fouling karena jenis ini tidak didesain untuk dilakukan pembersihan di sisi shell.

Gambar 2.2. Fixed tube sheet heat exchanger

b. U Tube Bundle Heat ExchangerJenis ini hanya mempunyai satu stationary tubesheet dan rear-nya berbentuk U. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shell sehingga dapat dilakukan pembersihan secara mekanis.Jumlah laluan di sisi tube harus genap.

Gambar2.3. U tube bundle heat exchanger

c. Outside Packed Heat ExchangerTerdapat packing untuk mencegah kebocoran fluida sisi shell.Ada kalanya fluida mengalami kebocoran sehingga tipe ini tidak boleh digunakan untuk fluida di sisi shell yang bertekanan tinggi, mudah terbakar, dan beracun.

Gambar 2.4. Outside packed heat exchanger

d. Internal Floating Heat ExchangerCiri-ciri dari tipe ini adalah adanyafloating tubesheet yaitu tubesheet yang terpisah dari shell maupun channel.Konstruksi seperti ini dapat mengakomodasi adanya axial expansion di tube bundle akibat perbedaan temperatur yang besar antara kedua fluida.Memungkinkan tube bundle dapat dikeluarkan dari shell untuk dilakukan pembersihan secara mechanical maupun chemical. Tube bundle juga dapat diganti dengan yang baru apabila terjadi kebocoran.

Pull through floating headTube bundle dapat langsung dikeluarkan dari shell dengan mudah yaitu dengan melepas baut di channel dan menariknya keluar.

Gambar 2.5. Pull through floating head

Floating head with backing deviceSeperti pada gambar 3.1, floating head dijepit antara backing device dan tubesheet cover. Disebut juga non-pull through floating head karena tube bundle tidak dapat langsung dilepas dari shell. Untuk melepas tube bundle, shell cover dan tubesheet cover harus dilepas terlebih dahulu. Externally sealed floating tubesheetMemiliki dua stuffing box yang berhadapan.Juga memiliki lantern ring di antara packing untuk lubrikasi.Kelebihannya adalah murah dan dapat diproduksi secara massal. Kekurangannya adalah kemungkinan terjadi kebocoran kedua fluida ke atmosphere atau dari satu fluida ke fluida yang lain.

Gambar 2.6. Externally sealed floating head

2.2.2. Jenis-Jenis Bafflesa. Segmental baffleSegmental baffle dibentuk dengan cara memotong baffle dari bentuk lingkaran, potongan baffle mempunyai ukuran antara 15% s/d 40% (biasanya 25%) dari ukuran lingkaran penuh. Baffle ini banyak digunakan dan dianggap sebagai baffle standar karena mempunyai efisiensi perpindahan panas yang tinggi.

Gambar 2.7. Segmental Bafle.

b. Strip baffleBentuk ini juga dapat disebut double segmental, karena terdapat dua potongan pada lingkaran penuh bafflebesar potongan antara 20%-30% untuk satu sisi lingkaran.

Gambar 2.8. Strip Baffle.

c. Disc and Doughnut BaffleDesain dari bentuk ini terdiri dari baffle berbentuk disc dan doughnut. Diameter bentuk disc lebih besar dari diameter lubang doughnut, pada baffle jenis ini dipakai tie rod untuk menyangga baffle. Tie rod ini sebagian terletak pada susunan tabung sehingga mempengaruhi jumlah efektif tabung dalam berkas / susunan tabung.

Gambar 2.9. Disc and Doughnut Baffle.

d. Orifice BaffleBaffle jenis ini terdiri dari disc dengan lubang-lubang yang mempunyai ukuran lebih besar dari diameter tabung. Aliran fluida mengalir melalui annular orifice dan menimbulkan pengaruh olakan pada fluida. Desain dari baffle ini jarang dipakai karena efisiensi yang rendah.

Gambar 2.10. Orifice Baffle.

e. Rod BaffleBaffle jenis ini lebih berfungsi sebagai sirip daripada pengarah aliran. Rod Baffle Heat Exchanger dikembangkan oleh Phillip. Heat Exchanger ini getarannya lebih kecil.

Gambar 2.11 Rod Baffle Heat Exchanger and Support. (a) Schematic, (b) Details, (c) Cage Assembly, (d) Tube and Support Rod Layout.

2.3. Analisa Penukar Panas2.3.1. Metode Beda Temperatur Rata Rata Logaritmik ( LMTD ).Metode yang sering digunakan untuk perancangan dan perhitungan unjukkerja peralatan penukar panasq = U.A.TLMHarga TLM dapat ditentukan dengan mengetahui harga suhu masuk dan suhu keluar kedua fluida, sehingga persamaan di atas menjadi:

q = U.A.

dimana:q = heat transfer (W):U = Overall heat transfer, coefisien (kJ/s.m2 K)A = luas bidang perpindahan panas (m2)

Gambar 2.12 Distribusi Temperatur pada aliran penukar panas counter

Gambar 2.13 Distribusi temperatur pada penukar panas aliran parallel

Untuk mendapatkan harga TLMdiperlukan asumsi: Harga U konstan untuk seluruh panjang pipa Konduksi hanya berlangsung satu dimensi ke arah radial pipa Pertukaran panas hanya terjadi antara kedua fluida saja Kondisi tunak Perbedaan energi potensial dan kinetik diabaikan Untukpenukar panas aliranparalelberlaku: T1= Th,1- Tc1= Th,i Tc,iT2= Th,2- Tc2= Th,o Tc,o

2.3.2. Metode Number of Transfer Unit ( NTU ).Metode ini lebih efektif, jika dipakai untuk mengetahui unjuk kerja dari penukar kalor yang sudah jadi. Untuk mendefinisikan unjuk kerja dari penukar kalor terlebih duhulu harus diketahui laju perpindahan panas maksimum yang dimungkinkan oleh penukar kalor tersebut (qmaks)Jika C c < Ch, maka qmaks = Cc ( Th,i - Tc,i )Jika C c> Ch maka qmaks = Ch ( Th,i - Tc,i )Sedangkan effectiveness (e) adalah perbandingan antara laju perpindahan panas heat exchanger dengan laju perpindahan maksimum yang dimungkinkan.

= Effectiveness merupakan bilangan tanpa dimensi dan berada dalam batas 0