HEAT EXCHANGER

A. Prinsip dan teori dasar 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 diantarafluida panasdan 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.  

a.         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.

b.        Perpindahan Panas Secara Konveksi

                        Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.

c.         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 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger  (Djunaidi, 2009)

Pada Dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung.

a.       Secaara kontak langsung

Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui 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.

B. Alat penukar kalor

Seperti  yang  telah  dikemukakan  dalam  pendahuluan  terdapat  banyak sekali jenis-jenis alat penukar kalor. Maka untuk mencegah timbulnya kesalah pahaman maka alat penukar kalor dikelompokan berdasarkan fungsinya :

a.       Chiller,  alat  penukar  kalor  ini  digunakan  untuk  mendinginkan  fluida sampai pada temperature yang rendah. Temperature fluida hasil pendinginan didalam chiller yang lebih rendah bila dibandingkan  dengan fluida pendinginan yang dilakukan dengan pendingin air. Untuk chiller ini media pendingin biasanya digunakan amoniak atau Freon.

b.      Kondensor, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan uap atau campuran uap, sehingga berubah fasa menjadi cairan. Media pendingin yang dipakai biasanya air atau udara. Uap atau campuran uap akan melepaskan panas atent kepada pendingin, misalnya pada pembangkit listrik  tenaga  uap  yang  mempergunakan  condensing  turbin,  maka  uap bekas dari turbin akan dimasukkan kedalam kondensor, lalu diembunkan menjadi kondensat.

c.       Cooler, alat penukar kalor ini digunakan untuk mendinginkan cairan atau gas dengan mempergunakan air sebagai media pendingin. Disini tidak terjadi perubahan fasa, dengan perkembangan teknologi dewasa ini maka pendingin coler mempergunakan media pendingin berupa udara dengan bantuan fan

(kipas).

d.      Evaporator, alat penukar kalor ini digunakan untuk penguapan cairan menjadi uap. Dimana pada alat ini menjadi proses evaporasi (penguapan) suatu zat dari fasa cair menjadi uap. Yang dimanfaatkan alat ini adalah panas latent dan zat yang digunakan adalah air atau refrigerant cair.

e.       Reboiler, alat penukar kalor ini berfungsi mendidihkan kembali (reboil) serta menguapkan sebagian cairan yang diproses. Adapun media pemanas yang sering digunakan adalah uap atau zat panas yang sedang diproses itu sendiri. Hal ini dapat dilihat pada penyulingan minyak pada gambar 2.2, diperlihatkan sebuah reboiler dengan mempergunakan minyak (665 ⁰F) sebagai media penguap, minyak tersebut akan keluar dari boiler dan mengalir didalam tube.

Gambar 2. Thermosiphon Reboiler(Anonim, 2011)

f.       Heat Exchanger, alat penukar kalor ini bertujuan untuk memanfaatkan panas suatu aliran fluida yang lain. Maka akan terjadi dua fungsi sekaligus, yaitu:

•      Memanaskan fluida

•      Mendinginkan fluida yang panas

Suhu yang masuk dan keluar kedua jenis fluida diatur sesuai dengan kebutuhannya. Pada gambar diperlihatkan sebuah heat exchanger, dimana fluida yang berada didalam tube adalah air, disebelah luar dari tube fluida yang mengalir adalah kerosene yang semuanya berada didalam shell.

Gambar 3. Konstruksi Heat Exchanger  (Anonim, 2011)

C. 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

1)  Immiscible fluids

2)  Gas liquid

3)  Liquid vapor

2.  Klasifikasi berdasarkan jumlah fluida yang mengalir

a.       Dua jenis fluida

b.      Tiga jenis fluida

c.       N – Jenis fluida (N lebih dari tiga) 

3.  Klasifikasi berdasarkan kompaknya permukaan

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

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

4.  Klasifikasi berdasarkan mekanisme perpindahan panas 

a.       Dengan cara konveksi, satu fase pada kedua sisi alirannya

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

c.       Dengan cara konveksi pada kedua sisi alirannya serta terdapat 2 pass aliran masingmasing

d.      Kombinasi cara konveksi dan radiasi 

5.  Klasifikasi berdasarkan konstruksi

a.       Konstruksi tubular (shell and tube) 

1)  Tube ganda (double tube)

2)  Konstruksi shell and tubeoSekat plat (plate baffle) oSekat batang (rod baffle) oKonstruksi tube spiral 

b.      Konstruksi tipe pelat

1)  Tipe pelat   3) Tipe lamella

2)  Tipe spiral  4) Tipe pelat koil 

c.       Konstruksi dengan luas permukaan diperluas (extended surface)

1)  Sirip pelat (plate fin)

2)  Sirip tube (tube fin) 

•      Heat pipe wall

•      Ordinary separating wall

d.      Regenerative

1)  Tipe rotary   3) Tipe disk (piringan)

2)  Tipe drum   4) Tipe matrik tetap 

6.  Klasifikasi berdasarkan pengaturan aliran

a.       Aliran dengan satu pass

1) Aliran berlawanan	4) Aliran parallel
2) Aliran melintang	5) Aliran split

3) Aliran yang dibagi (divided) 

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

PLAT HEAT EXCHANGER

A. Penukaran panas pada plat ( plate heat exchanger )

            Plate Heat Exchanger adalah salah satu jenis alat penukar panas yang terdiri atas paket pelat-pelat tegak lurus bergelombang atau dengan profil lain, yang dipisahkan antara satu dengan lainnya oleh sekat-sekat lunak. Pelat-pelat ini dipersatukan oleh suatu perangkat penekan dan jarak antara pelat-pelat ditentukan oleh sekat-sekat tersebut. Pada setiap sudut dari pelat yang berbentuk empat persegi panjang terdapat lubang. Melalui dua di antara lubang-lubang  ini media yang satu disalurkan masuk dan keluar pada satu sisi, sedangkan media yang lain karena adanya sekat mengalir melalui ruang antara disebelahnya. Dalam hal itu hubungan ruang yang satu dan yang lainnya dimungkinkan. pelat-pelat yang dibentuk sesuai kebutuhan dan umumnya terbuat dari baja (stainless steel type 304, 316, 317) atau logam lainnya. 

            Plate Heat Exchanger merupakan suatu alat yang berfungsi sebagai penukar panas yang menggunakan plat logam untuk mentransfer panas antara dua fuida. Keuntungan besar menggunakan plate heat exchanger ialah sebagai penukar panas konvensional yang baik. Kemampuan transfer panas yang baik akan meningkatkan kecepatan perubahan suhu. Konsep dibalik penukar panas ini adalah penggunaan plat yang dapat digunakan sebagai penahanan untuk fluida panas atau dingin, suatu fluida mentransfer panasnya ke fluida lain dengan cara mengaliri sebuah plat yang sudah terisi dengan fluida yang lain. Dalam kebanyakan kasus, penukar terdiri dari plat berisi satu fluida yang melewati ruang berisi cairan lain. Dinding plat biasanya terbuat dari logam, atau zat lain dengan konduktivitas panas yang tinggi, untuk memfasilitasi pertukaran, sedangkan casing luar terbuat dari plastik atau dilapisi dengan isolasi termal, untuk mencegah panas yang melarikan diri dari exchanger.

            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.

B. Sistem Kerja dari Plate Heat Exchanger

Produk akan dipanaskan dan masuk kedalam suatu larutan yang kemudian akan mengalir pada sebuah pelat. Proses pemanasan ini terjadi dengan adanya medium pemanas yang mengalir pada saluran dan pelat yang lainnya. Dimana pelat yang telah tersusun ini akan secara bergantian mengalirkan produk dan medium pemanas. Pelat yang dialiri produk tidak akan  dialiri oleh komponen lain.

Cairan panas yang melintasi bagian bawah head dialirkan ke atas melintas diantara setiap plae genap sementara cairan dingin pada bagian puncak head dialirkan turun diantara plat-plat ganjil. Arah aliran produk dan medium pemanas di dalam pelat biasanya berbeda atau boleh dikatakan mengalir secara berlawanan. Pada umumnya produk akan masuk melalui saluran  atas dan mengalir kebawah  melewati pelat, sehingga aliran keluaran produk akan berada dibawah, sedangkan medium pemanas akan masuk melalui  saluran yang berkebalikan dari produk, yaitu masuk melalui saluran bawah dan mengalir ke atas melewati pelat, sehingga aliran pengeluaran medium pemanas akan berada diatas. Arah aliran yang berlawanan ini dimaksudkan agar proses pemanasan dapat  lebih cepat berlangsung.

Produk yang mengalir pada suatu pelat akan terhimpit oleh medium pemanas dengan arah aliran yang berbeda, sehingga produk akan cepat memanas karena tertekan oleh pelat yang mengalirkan medium pemanas. Produk yang telah menjadi panas dan medium yang telah mengalir pada suatu pelat akan mengalir keluar.

Saluran pengeluaran medium pemanas dan produk ada dua macam tergantung dari rangkaian pelat yang digunakan, baik itu seri maupun paralel. Pada rangkaian seri produk yang masuk dan keluar akan melewati ports pada bagian front head yang sama. Sedangkan pada rangkaian paralel produk dan medium pemanas akan masuk dan keluar melewati bagian yang berbeda, yaitu masuk melewati ports pada bagian front head dan keluar melalui ports pada bagian belakangnya.

C. Kelebihan Plate Heat Exchanger

1.      Mempunyai permukaan perpindahan yang sangat besar pada volume alat yang kecil,sehingga perpindahan panas yang efisien. 

2.      Mudah dirawat dan dibersihkan 

3.      Mudah dibongkar dan dipasang kembali ketika proses pembersihan 

4.      Waktu tinggal media sangat pendek 

5.      Dapat digunakan untuk cairan yang sangat kental (viskos) 

6.      Plate and Frame lebih fleksibel, dapat dengan mudah pelatnya ditambah 

7.      Ukuran yang lebih kecil dapat mengurangi biaya dalam segi bahan (Stainless Steel,Titanium, dan logam lainnya) 

8.      Aliran turbulensinya mengurangi peluang terjadinya fouling dan sedimentasi

D. Kekurangan Plate Heat Exchanger

1.      Pelat  merupakan bentuk yang kurang baik untuk menahan tekanan. Plate Heat Exchanger tidak sesuai digunakan untuk tekanan lebih dari 30 bar.

2.      Pemilihan material gasket yang sesuai sangatlah penting 

3.      Maksimum temperatur operasi terbatas hingga 250 ^oC dikarenakan performa dari material gasket yang sesuai.

Gambar 4. Penukar panas jenis pelat and Frame   (Stevano Viktor, 2011)

                        Beberapa banyak tipe pada Plate heat excanger, plat heat exchanger yang banyak dijumpai di industri adalah :

1.      Glue type

            Tipe glue ini memerlukan lem untuk memasang gasket pada plate heat exchanger. Lem yang digunakan hendaknya ialah lem yang mempunyai ketahanan terhadap panas yang baik.

Gambar 5. Glue type  (Stevano Viktor, 2011)

2.      Clip type

Luar gasket tipe ini terdapat clip-clip, sehingga dalam pemasangannya cukup menancapkan clip-clip tersebut ke lubang yang terdapat pada plat. Pemasangan gasket tipe ini lebih mudah dan ringkas jika dibandingkan dengan tipe glue. 

Gambar 6. Clip type   (Stevano Viktor, 2011)

E. Bagian-Bagian dari Plate Heat Exchanger

Gambar 7. Plate Heat Exchanger   (Stevano Viktor, 2011)

1.      Gasket

            Gasket terbuat dari karet (non logam) atau bahan yang biasa digunakan adalah nitrile dan ethylene propylene rubber (EPR/EPDM)

a.       Nitrile :  -40⁰F - 250⁰F untuk temperatur rendah

b.      Nitrile :  -40⁰F - 250⁰F untuk temperatur tinggi

c.       EPR/ EPDM  :  -80⁰F – 300⁰ F sangat tahan terhadap air yang sangat panas dan uap serta memiliki ketahanan yang baik untuk kompresi atau volume yang besar.

Fungsi gasket ini adalah sebagai perekat alat atau pengatur aliran fluida, sehingga antara fluida yang satu dengan fluida yang lain tidak mengalami kontak secara langsung yang menyebabkan kebocoran.

2.      Plat penekan

Pelat penekan (Compression Plate) terbuat dari logam yang berfungsi sebagai penekan pelat agar pada saat operasi alat berjalan tidak ada rongga didalam aliran fluida agar tidak terjadi kebocoran. 

3.      Pelat (plates)

Pelat (plates) umumnya berukuran 0,4 - 0,6 mm terbuat dari stainless steel atau titanium dan terdapat pada berbagai macam susunan yang berombak-ombak, berfungsi sebagai tempat mengatur fluida serta tempat terjadinya pertukaran panas antara fluida panas dengan fluida dingin. Fluida pada pelat ini mengalir secara turbulen, hal ini dikarenakan bentuk dari pelat tersebut yang bergerigi sehingga pertukaran panas dapat berlangsung secara cepat. Makin banyak pelat tekanan makin besar.

Tipe pelat pada plate heat exchanger diantaranya :

•      Vertical, termasuk salah satu pola pelat yang sering digunakan karena mempunyai banyak pembatas untuk mengalir, sehingga menyebabkan banyak gerakan putaran (turbulen), perpindahan panas dengan kecepatan tinggi, dan menurunkan tekanan. 

•      Horizontal, juga merupakan  pola yang sering digunakan. Mempunyai pembatas, gerak putaran (turbulen), dan penurunan tekanan yang lebih sedikit dibandingkan pola vertical

•      Combination, penggunaan pola pelat ini biasanya ditujukan untuk hasil pemanasan dan penurunan tekanan yang lebih optimal. 

Gambar 8. Tipe pelat   (Stevano Viktor, 2011)

4.      Plat penyangga

            Pelat penyangga tetap (fixed frame), terbuat dari logam dan berfungsi menjaga pelat agar  tetap stabil.

Gambar 9. Pelat penyangga tetap (fixed frame)  (Stevano Viktor, 2011)

5.      Alat penekan

            Alat penekan (Compression Bolt), berupa baut pelat baja yang digunakan untuk menekan pelat dan frame.

Gambar 10. Compression Bolt  (Anonim, 2010)

6.      Guide Bar

            Guide Bar berupa batang yang terbuat dari carbon steel atau stainless steel yang mendukung dan menjaga agar pelat berjajar secara rapi.

Gambar 11. Guide Bars  (Anonim, 2010)

7.      Front and head

            Front and Rear Heads . (Bagian depan dan kepala bagian belakang), merupakan bagian yang dilapisi oleh frame carbon steel yang melekat pada kumpulan pelat yang ditekan.