PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA-“HEAT EXCHANGER”

TUGAS MATA KULIAH

PERPINDAHAN PANAS DAN MASSA

“HEAT EXCHANGER”

Disusun Oleh:

            Imam Rohayat       NIM: 1311078    Kelas:D

JURUSAN TEKNIK MESIN S-1

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL MALANG

2015

A.    Latar Belakang

Dalam fsika, kimia, dan teknik, fenomena perpindahan adalah salah satu dari berbagai mekanisme di mana partikel atau kuantitas fisik berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Tiga contoh umum fenomena perpindahan adalah difusi, konveksi, dan radiasi. Tiga jenis utama fenomena perpindahan adalah perpindahan panas, perpindahan massa, dan perpindahan momentum (dinamika fluida).

Energi panas yang terkandung di dalam sebuah sistem berhubungan dengan fenomena perpindahan panas. Terjadinya perpindahan panas ditandai perubahan nilai energi panas yang terkandung dalam sistem. Perpindahan panas terjadi dari sistem/benda dengan temperatur yang lebih tinggi, menuju sistem/benda dengan temperatur yang lebih rendah. Hal tersebut apabila terjadi dalam sebuah kondisi yang alami.Secara alamiah, perpindahan panas dapat terjadi melalui tiga cara: konduksi, konveksi, dan radiasi.

Perpindahan energi atau panas dengan menggunkan alat penukar kalor (heat exchanger) banyak sekali diaplikasikan dalam dunia industri. Alat penukar panas atau HeatExchanger (HE) digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan 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). 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).

B.     Mekanisme perpindahan 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.

Terdapat tiga cara dalam hal perpindahan panas dari sumber ke penerima, namun sebagian besar aplikasi dari teknik adalah kombinasi dua atau ketiganya. Cara tersebut adalah :

1.      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. Jumlah aliran panas ini dapat ditentukan dengan persamaan :

dQ=k.A(dt/dx)…………………………………………………... (1)

2.      Perpindahan Panas Secara Konveksi

Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik. Dalam hal ini, perpindahan panas terjadi akibat adanya gerakan fluida. Fluida dingin yang dekat dengan permukaan panas akan menerima panas dimana panas tersebut mempengaruhi fluida melalui suatu pencampuran. Seperti halnya pada perpindahan panas secara konduksi, persamaan perpindahan panas secara konveksi jugu berbentuk sebagai berikut :

dq=h.A.dt …………………………………………………………(2)

3.      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. Berdasarkan hukum kedua dari Thermodinamika Boltzman, ditetapkan bahwa laju sumber itu akan memancarkan panas adalah :

dQ = s . dA . T4 ………………………………………………….. (3)

Pada Dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida pada 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 dandingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.

Gambar 1. Perpindahan kalor pada Heat Exchanger

Perpindahan energi atau panas dengan menggunkan alat penukar kalor (heat exchanger) banyak sekali diaplikasikan dalam dunia industri. Proses perpindahan panas pada heat exchanger

menurut Cengel (2006), sebagian besar didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya tidak terjadi kontak secara langsung dalam hal ini dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan bilangan-bilangan tak berdimensi, yaitu Reynold, bilangan Mussell dan bilangan Prandtl. Besar ketiga bilangan tak berdimensi ini, tergantung pula pada kecepatan aliran serta property fluida yang meliputi massa jenis, viskositas absolute, panas jenis dan konduktivitas panas.

C.     Alat Penukar Panas (Heat Exchanger)

Heat Exchanger adalah salah satu alat yang menghasilkan perpindahan panas dari satu fluida ke fluida yang lain.Dalam industri perminyakan, jenis alat penukar panas yang sering dipergunakan adalah jenis cangkang dan pipa (Shell and Tube Heat Exchanger), dimana alat tersebut terdiri dari sebuah cangkang (Shell) dengan sejumlah pipa-pipa kecil (tubes) didalamnya.

Jenis-Jenis Heat Exchanger :

1. Double pipe heat exchanger (Penukar panas pipa rangkap)

Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. 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. 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. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar digunakan penukar panas jenis selongsong dan buluh ( shell and tube heat exchanger ).

Gambar 2. Penukar panas jenis pipa rangkap (Double pipe heat exchanger )

2. Shell and tube heat exchanger ( Penukar panas cangkang dan buluh )

Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan efisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat  Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.

Gambar 3.Penukar panas jenis cangkang dan buluh ( shell and tube heat exchanger )

3. Plate and frame heat exchanger ( Penukar Panas Plate and Frame ).

Alat penukar panas pelat dan bingkai terdiri dari paket pelat – pelat tegak lurus, bergelombang, atau profil lain. Pemisah antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak  (biasanya terbuat dari karet). Pelat – pelat dan sekat disatukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat 10 ( kebanyakan segi empat ) terdapat lubang pengalir fluida. Melalui dua dari lubang ini, fluida dialirkan masuk dan keluar pada sisi yang lain, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya karena ada sekat.

Gambar 4. Penukar panas jenis pelat and Frame

4. Adiabatic wheel heat exchanger

Jenis keempat penukar panas menggunakan intermediate cairan atau toko yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda besar dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan penukar panas cairan.

Gambar 5. Adiabatic wheel heat exchanger

5. Pillow plate heat exchanger

Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu untuk susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal stainless steel. Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke bagian luar tangki. Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam-spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam. Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.

Gambar 6. Pillow plate Heat exchanger

6. Dynamic scraped surface heat exchanger.

Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling aplikasi. Kali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus menggores permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.

Gambar 7. Dynamic Scraped Surface heat Exchanger

7. Phase-change heat exchanger

Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan. Pada pabrik kimia dan kilang,reboilers digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas. Distilasi set-up biasanya menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan.Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.

Heat exchanger atau unit serupa untuk memproduksi uap dari air yang sering disebut boiler atau generator uap.Dalam pembangkit listrik tenaga nuklir yang disebut reaktor air bertekanan, penukar panas khusus besar yang melewati panas dari sistem (pabrik reaktor) primer ke sistem (pabrik uap) sekunder, uap memproduksi dari air dalam proses, disebut generator uap.Semua pembangkit listrik berbahan bakar fosil dan nuklir menggunakan uap yang digerakkan turbin memiliki kondensor permukaan untuk mengubah uap gas buang dari turbin ke kondensat (air) untuk digunakan kembali. Untuk menghemat energi dan kapasitas pendinginan dalam kimia dan tanaman lainnya, penukar panas regeneratif dapat digunakan untuk mentransfer panas dari satu aliran yang perlu didinginkan ke aliran yang perlu dipanaskan, seperti pendingin distilat dan pakan reboiler pra-pemanasan.

Gambar 8. Reboiler

Istilah ini juga dapat merujuk kepada penukar panas yang mengandung bahan dalam struktur mereka yang memiliki perubahan fasa. Hal ini biasanya padat ke fase cair karena perbedaan volume kecil antara negara-negara ini. Perubahan fase efektif bertindak sebagai bufler karena terjadi pada suhu konstan tetapi masih memungkinkan untuk penukar panas untuk menerima panas tambahan. Salah satu contoh di mana ini telah diteliti untuk digunakan dalam elektronik pesawat daya tinggi.