THP 3B Kelompok 3 Makalah Heat Exchanger PDF

Preview

Summary

LAPORAN PRAKTIKUM TEKNOLOGI THERMAL 1“Heat Exchanger”Dosen Pengampu : Dr. Asmak Afriliana, S., MP.Disusun Oleh : Ayuri Wahyu Ramadhaniarti / 201710101044 Nur Akbar Fadhillah / 201710101047 Khosyi Larasati R. / 201710101050 Dyah Anisatul Faizah / 201710101053 Alia Dytha Vanessa / 201710101056 Muhamma...

Description

LAPORAN PRAKTIKUM TEKNOLOGI THERMAL 1 “Heat Exchanger”

Dosen Pengampu : Dr. Asmak Afriliana, S.TP., MP.

Disusun Oleh : Ayuri Wahyu Ramadhaniarti Nur Akbar Fadhillah Khosyi Larasati R. Dyah Anisatul Faizah Alia Dytha Vanessa Muhammad Hanif Aziz

/ 201710101044 / 201710101047 / 201710101050 / 201710101053 / 201710101056 / 201710101059

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI HASIL PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN UNIVERSITAS JEMBER 2021

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan karunia-Nya penulis telah menyelesaikan tugas mata kuliah Praktikum Teknologi Thermal 1 dengan topik Heat Exchanger dalam bentuk makalah. Dalam pembuatan makalah ini, tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis. Namun, menyadari bahwa kelancaran dalam pembuatan makalah ini tidak lain berkat bantuan, dorongan, dan bimbingan orang tua, serta teman-teman, sehingga segala kendala

yang dihadapi dapat teratasi. Karenanya, penulis

mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Asmak Afriliana, S.TP., MP. sebagai dosen pengampu mata kuliah Praktikum Teknologi Thermal 1 yang telah memberikan tugas dan petunjuk kepada penulis sehingga penulis termotivasi dalam menyelesaikan tugas ini. 2. Teman-teman satu kelompok yang telah membantu dalam proses pembuatan makalah ini. Semoga makalah ini dapat bermanfaat dan menjadi sumbangan pemikiran bagi pihak yang membutuhkan sehingga tujuan yang diharapkan dapat tercapai, Aamiin.

Jember, September 2021

Penulis

i

DAFTAR ISI

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang………………………………………………………...1 1.2 Tujuan…………………………………………………………………2 1.3 Manfaat………………………………………………………………..2 BAB 2 PEMBAHASAN 2.1 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Proses Transfer……………….3 2.2 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Jumlah Fluida Kerja………….5 2.3 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Desain Konstruksi……………6 2.4 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Bentuk Aliran………………...9 BAB 3 PENUTUP 3.1 Kesimpulan…………………………………………………………..18 3.2 Saran…………………………………………………………………18

ii

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain namun tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, kalor dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia, serta kelistrikan. (Holman, J. P. 1994). Proses terjadinya perpindahan kalor dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu di antara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah. Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan alat yang banyak digunakan dalam industri, khususnya industri proses, manufaktur, dan industri kimia. Alat penukar kalor merupakan suatu alat yang dapat menghasilkan perpindahan kalor dari suatu fluida ke fluida lain. Proses perpindahan kalor itu terjadi antara dua fluida yan g dipisahkan oleh suatu batas dan mempunyai temperatur yang berbeda. Salah satu konstruksi alat penukar kalor yang banyak digunakan adalah jenis shell and tube. Karena pentingnya peran dan penggunaan alat penukar kalor dalam dunia industri, hingga kini dikembangkannya melalui banyak penelitianuntuk mengoptimalkan fungsi dan unjuk kerja termal alat penukar kalor. Sebuah alat penukar kalor yang baik harus dapat menjamin terjadinya transfer energi kalor dari suatu fluida ke fluida lain dengan menghasilkan laju perpindahan kalor yang setinggi mungkin dengan har ga konstruksi yang rendah. Oleh karena itu, dari pemaparan di atas sebagai mahasiswa Teknologi Hasil Pertanian memerlukan untuk melakukan review dari berbagai macam sumber dan praktikum perpindahan panas alat penukar kalor. Dengan harapan agar praktikan dapat melengkapi pengetahuan secara teoritis maupun praktis tentang sistem perpindahan panas khususnya klasifikasi sistem alat penukar kalor.

1

1.2 Tujuan Adapun tujuan dari praktikum perpindahan panas yang dilakukan adalah untuk meningkatkan pemahaman mahasiswa terkait dengan sistem penukar kalor (heat exchanger) yang telah dipelajari dan didapatkan dalam mata kuliah Teknologi Thermal 1 serta dapat mengetahui secara riil tipe dan klasifikasi dari alat penukar kalor.

1.3 Manfaat Adapun manfaat dari praktikum perpindahan panas yang dilakukan adalah mahasiswa dapat mengetahui dan memahami mengenai tipe dan klasifikasi alat penukar kalor.

2

BAB 2 PEMBAHASAN

2.1 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Proses Transfer 2.1.1. Alat Penukar Kalor Kontak Langsung Pada tipe ini, kalor berpindah secara terus menerus dari fluida panas ke fluida dingin melalui sebuah dinding pemisah. Pada penukar panas kontak langsung terjadi proses pertukaran kalor antara dua fluida dengan kontak langsung sehingga dominasi perpindahan/percampuran sejumlah massa terjadi pada pertukaran kalornya. Perpindahan panas yang diikuti pencampuran fluida biasanya diikuti dengan perubahan fase dari salah satu atau lebih kerja fluida tersebut. Perubahan fase yang terjadi menunjukkan terjadinya perpindahan energi panas yang cukup besar. Selain itu, terjadinya perubahan fase juga meningkatkan kecepatan perpindahan panas yang terjadi. Jenisnya yaitu :  Immiscible Fluid Exchanger Heat Exchanger jenis ini mencampurkan dua jenis fluida yang berbeda sehingga akan terjadi proses perpindahan panas. Secara umum, proses yang terjadi tidak akan berpengaruh terhadap fase dari kedua fluida, namun bisa saja akan diikuti dengan proses evaporasi maupun kondensasi. HE jenis ini biasanya digunakan pada sebuah pembangkit listrik tenaga surya.  Gas Liquid Exchanger Heat Exchanger tipe ini menggunakan dua fluida kerja yang berbeda, yaitu fluida cair dan gas. Salah satu aplikasi yang sering digunakan pada tipe ini yaitu cooling tower. Cooling tower umumnya digunakan pada suatu pembakit listrik tenaga uap yang lokasinya nerada jauh dari sumber air. Sehingga aplikasi ini menggunakan udara sebagai media pendingin, sedangkan air berperan sebagai media yang akan didinginkan. Cara kerjanya yaitu dengan menyemprotkan air ke dalam cooling tower sehingga akan terjadi pencampuran antara kedua fluida tersebut

3

(air dan gas) dan disertai dengan proses perpindahan panas. Pada tahap akhir, air akan terkondensasi dan terkumpul pada bagian bawah cooling tower.  Liquid Vapour Exchanger Heat Exchanger tipe ini berfungsi untuk menurunkan maupun meningkatkan temperatur fluida. Perpindahan panas yang terjadi antara dua fluida yang berbeda fase yang diikuti denga pencampuran sejumlah massa antar keduanya. Untuk proses peningkatan temperatur air, maka akan dilakukan pencampuran antara uap air yang bertemperatur tinggi ke dalam aliran air yang memiliki temperatur rendah. Sedangkan bila tujuannya untuk menurunkan temperatur air, maka akan dilakukan penyemprotan air ke dalam uap air tersebut (biasanya dilakukan pada boiler). 2.1.2. Alat Penukar Kalor Kontak Tak Langsung Di dalam penukar panas kontak tidak langsung, aliran fluida tetap terpisah dan panas berpindah terus menerus melalui dinding pemisah yang kedap atau masuk dan keluar dari dinding secara sementara. Jadi, idealnya tidak ada kontak langsung antara termal cairan yang berinteraksi. Jenisnya ialah sebagai berikut :  Storage Type Exchanger Dalam regenerator, fluida panas dan dingin mengalir secara bergantian melalui matriks padat berkapasitas panas tinggi. Ketika fluida panas mengalir melalui matriks dalam selang waktu tertentu, panas dipindahkan dari fluida ke matriks, yang menyimpannya dalam bentuk peningkatan energi internalnya. Energi yang tersimpan ini kemudian ditransfer ke fluida dingin saat mengalir melalui matriks dalam interval waktu berikutnya. Matriks kemudian mengalami pemanasan dan pendinginan berkala. Penukar panas tipe penyimpanan mungkin memiliki matriks, yang stasioner atau berputar. Selama periode pemanasan siklus ketika fluida panas mengalir melalui matriks, katup A dan

4

B tetap terbuka dan C dan D tetap tertutup. Selama periode pendinginan, katup A dan B tetap tertutup dan C dan D tetap terbuka. Regenerator dengan matriks stasioner digunakan di lemari es Stirling, seperti mesin pendingin Philips untuk pencairan udara, dan di pembangkit listrik turbin gas.

Gambar Single Matrix Storage Type Heat Exchanger  Fluidized Bed Exchanger Penukar

panas

fluidized

bed

menyediakan

mekanisme

pembersihan online dan in-line untuk aplikasi di mana permukaan perpindahan panas rentan terhadap pengotoran. Fouling adalah masalah yang terkenal untuk dipaksa evaporator sirkulasi untuk pengolahan

limbah

air. Dalam

penukar

panas unggun

terfluidisasi, gerusan aksi unggun terfluidisasi partikel digunakan untuk menjaga permukaan bersih meskipun pengendapan oleh presipitasi dan pengotoran partikulat.

2.2 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Jumlah Fluida Kerja Berdasarkan jumlah fluida kerjanya, heat exchanger dapat dibagi menjadi dua fluida, tiga fuida dan N-fluida (N>3). Sesuai dengan tinjauannya yang ditinjau merupakan jumlah fluida kerjanya saja, namun harus sesuai dengan konsep dasar heat exchanger, yaitu harus ada yang bertindak sebagi fluida panas dan fluida dingin dan untuk jumlah sesuai dengan desain. Pada umumnya terdapat dua fluida kerja pada heat exchanger baik untuk proses

5

pemanasan, pendinginan, penambahan panas maupun penyerapan panas. Untuk penggunaan fluida kerja yang lebih dari dua fluida biasanya diaplikasikan pada industri yang menggunakan proses kimia seperti proses penghilangan kandungan nitrogen dari bahan baku gas alam.

2.3 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Desain Konstruksi 2.3.1 Tipe Tubular Penukar panas ini menggunakan desain tube dalam aliran fluidanya. Bentuk penampang dari tube aliran ini yaitu bundar, elips, kotak, twisted, dan lain sebagainya. Alat penukar panas tipe ini beroperasi menggunakan tekanan tinggi. Beberapa jenis heat exchanger tipe tubular antara lain :  Shell and Tube Penukar panas tipe ini menggunakan satu fluida mengalir di bagian dalam tube sedangkan aliran fluida lainnya mengalir di bagian luar tube. Pipa penukar panas ini didesain berbentuk silinder sesuai dengan nama tipe nya shell.

6

Komponen utama penyusun heat exchanger shell and tube antara lain :  Shell : merupakan tempat aliran bagi fluida dengan bentuk silindris dan penampang berbentuk lingkaran. Desain dari pipa silindris memiliki diameter kurang dari 0,6 meter.  Tube : penampang pada pipa tube berbentuk lingkaran dengan berbagai macam desain, seperti serpentine, helical tube, dan bayonet tube.  Nozzle : merupakan aliran masuk ke dalam heat exchanger

yang berfungsi

untuk mendistribusikan

komponen ke semua titik dalam heat exchanger sehingga didapatkan efisiensi panas yang tinggi.  Front-End dan Rear-End Heat : merupakan tempat keluar masuknya aliran fluida pada bagian tube dan sebagai tempat yang menerima efek dari pemuaian.  Buffle : merupakan bagian yang berfungsi sebagai pengatur aliran fluida pada sisi shell. Terdapat dua jenis tipe buffle yaitu tipe longitudinal dan tipe transversal.  Tubesheet : bagian heat exchanger yang berfungsi sebagai penyangga pipa tube.

7

 Double Pipe Heat exchanger yang menggunakan dua pipa dengan diameter yang berbeda dimana pipa berdiameter kecil dipasang secara parallel di dalam pipa yang berdiameter lebih besar. Aliran panas terjadi pada fluida yang berdiameter kecil sedangakan aliran dingin mengalir keluar pada fluida lainnya. Untuk mendapatkan temperature yang lebih tinggi, aliran fluida dapat didesain berlawanan arah. Temperature yang merata dapat mengalir apabila aliran fluida didesain searah.  Spiral Tube Penukar panas ini menggunakan pipa tube berbentuk spiral dalam shell. Alat ini dapat memindahkan panas secara efisien. Kekurangan dari spiral tube yaitu sulit untuk dibersihkan bagian dalam tube. 2.3.2 Tipe Plate Plate Heat Exchanger merupakan alat yang terdiri dari pelat (plate) dan rangka (frame) dengan aliran panas efisiensi tinggi. Plat pada aliran ini tersusun atas dua jalur yaitu cold side untuk mengaliri fluida dingin dan hot side untuk mengaliri fluida panas. Fluida panas dan fluida dingin mengalir dengan arah yang berlawanan pada kedua sisi plat (Walikrom, dkk, 2018). Bahan yang digunakan dalam pembuatan Plate Heat Exchanger yaitu bahan tahan karat seperti plat logam berbahan stainless steel tipe 304, 316, 317. Desain tipe ini memiliki karet yang digunakan untuk menyegel plat-plat logam dengan tujuan untuk mencegah terjadinya kebocoran dan pencampuran antara aliran fluida panas dan dingin. 2.3.3 Extended Surface Extended surface adalah metode penambahan luas permukaan pada permukaan perpindahan kalor, biasanya menggunakan fin (sirip). Extended surface memiliki fin yang menempel pada permukaan utama di satu sisi heat exchanger dua fluida atau multifluida. Fin digunakan untuk meningkatkan luas permukaan (ketika koefisien perpindahan kalor pada sisi fluida itu

8

relatif rendah) sehingga laju total perpindahan kalor meningkat. Kategori utama dari extended surface adalah plate-fin, dan tube-fin. 2.3.4 Regenerator Sebuah penukar

panas

regeneratif ,

atau

lebih

umum

sebuah regenerator , adalah jenis penukar panas di mana panas dari fluida panas sebentar-sebentar disimpan dalam media penyimpanan panas sebelum ditransfer ke fluida dingin. Untuk mencapai hal ini, fluida panas dikontakkan dengan media penyimpan panas, kemudian fluida dipindahkan dengan fluida dingin, yang menyerap panas. Dalam penukar panas regeneratif, cairan di kedua sisi penukar panas bisa menjadi cairan yang sama. Cairan dapat melalui langkah pemrosesan eksternal, dan kemudian dialirkan kembali melalui penukar panas dalam arah yang berlawanan untuk diproses lebih lanjut. Biasanya aplikasi akan menggunakan proses ini secara siklis atau berulang.

2.4 Tipe Alat Penukar Kalor Berdasarkan Bentuk Aliran Fluida yang mengalir di dalam sebuah heat exchanger bisa berupa singlepass 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 2.4.1 Tipe Singlepass  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

9

panas. Begitu pula pada sisi outlet fluida yang dipanaskan, ia akan dipanaskan oleh fluida sumber panas yang baru saja masuk ke exchanger tersebut.

Skema Counter Flow Heat Exchanger

Kurva Perubahan Temperatur 2 Fluida Pada Counter Flow Heat Exchanger Keterangan : C = Laju kapasitas panas fluida T = Temperatur Ch dan Cc = masing-masing untuk fluida panas dan dingin Ti dan To = masing-masing untuk sisi inlet dan outlet

Skema Paralel Flow Heat Exchanger

10

Kurva Perubahan Temperatur 2 Fluida Pada Paralel Flow Heat Exchanger 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: 1. Heat

exchanger menggunakan

material

yang

sensitif

terhadap temperatur, penggunaan fluida dengan viskositas tinggi, atau temperatur inlet fluida panas yang mencapai 1100oC. 2. Jika fluida sumber panas akan mencapai titik beku pada saat didinginkan pada heat exchanger. 3. 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. 4. Membantu mencapai fase terbentuknya nucleat boiling pada proses pembentukan uap air. 5. 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 11

termodinamik, tipe ini memiliki efisiensi perpindahan panas yang lebih rendah daripada tipe counterflow tetapi lebih tinggi daripada tipe parallelflow. Perpindahan panas yang paling efisien terjadi pada sudut-sudut aliran.

a) Heat exchanger tipe plat dan 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-

12

ujung shell dan berkumpul untuk keluar melalui sisi outlet. Fluida yang lain mengalir lurus dan hanya satu arah melintasi sisi tube.

(a) Heat Exchanger Tipe Single-pass Split-Flow (b) Distribusi temperatur pada Split-Flow Heat Exchanger 2.4.2 Tipe Multipass Jika pada sebuah desain heat exchanger membutuhkan panjang lintasan fluida yang teramat panjang, kecepatan aliran yang terlalu kecil, ataupun

efektifitas

perpindahan

panas

yang

rendah,

maka

dipergunakan heat exchanger tipe multipass atau bisa juga dengan menggunakan beberapa heat exchanger tipe singlepass yang disusun secara seri. Salah satu keuntungan dari tipe multipass adalah dengan meningkatnya nilai efisiensi perpindahan panas lebih dari tipe singlepass, namun memiliki kerugian yakni meningkatnya pressure drop.

13

 Multipass Crossflow Exchanger Heat exchanger tipe ini menyederhanakan desain seri atau paralel dari beberapa heat exchanger menjadi lebih compact dan tidak memakan banyak ruang. Tersusun atas dua atau lebih fluida kerja yang mengalir dengan arah aliran yang saling tegak lurus.

Skema Heat Exchanger Tipe Multipass (a) Multipass dengan susunan seri (b) Multipass dengan susunan paralel (c) Multipass dengan susunan kombinasi  Multipass Shell & Tube Exchanger Heat exchanger tipe shell & tube yang memiliki lintasan tube lebih dari satu kali maka ia termasuk ke dalam tipe multipass. Secara umum ada tiga bentuk desain shell & tube heat exchanger yang dikenal, yaitu:  Parallel Counter Flow Exchanger. Tipe ini dapat menggunakan dua aliran tube atau bahkan lebih. Desain aliran

fluida

meningkatkan

pada

sisi shell berkelak-kelok

efisiensi

perpidahan

untuk panas.

14

Heat Exchanger Shell & Tube Multipass Beserta Distribusi Perpindahan Panas  Parallel Split-Flow Exchanger. Tipe ini memecah aliran fluida yang mengalir pada sisi shell menjadi dua arah yang berbeda namun tetap keluar melalui sisi outlet yang sama.

Shell & Tube Heat Exchanger Parallel Split-Flow

15

 Devided Flow Exchanger. Fluida sisi shell pada heat exchanger tipe ini mengalir masuk melalui satu inlet, namun keluar melalui dua sisi outlet yang berbeda.

Shell & Tube Heat Exchanger Devided Flow  Mult...