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.