3 Heat Exchanger 12 13

HEAT EXCHANGER (ALAT PENUKAR KALOR)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

1

PRINSIP PERPINDAHAN PANAS TEMPERATURE : suatu ukuran energi yang dimiliki oleh suatu benda, sebagai ukuran apakah benda tersebut relatif panas atau dingin. Umumnya diwakili dengan suatu satuan unit seperti, Celcius atau Fahrenheit. HEAT : suatu bentuk energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat dari perbedaan temperatur yang terjadi pada benda tersebut. Umumnya diwakili dengan satuan unit Kalori atau BTU. PERPINDAHAN PANAS (Heat Transfer) : Energi dapat berpindah dalam bentuk heat dari suatu zat ke lingkungannya atau zat lain apabila diantara kedua zat tersebut berbeda temperaturnya. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

2

PRINSIP PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI : Perpindahan panas yang mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi kedaerah yang bertemperatur lebih rendah didalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium yang berlainan tetapi bersinggungan secara langsung (kontak langsung) Q = Perpindahan panas persatuan waktu, t

A = Luas penampang medium d = Tebal medium k = Konduktivitas termal medium T = Temperatur Danar S. Wijayanto - PTM UNS

3

PRINSIP PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI : Perpindahan panas yang terjadi antara suatu permukaan benda/medium dengan suatu fluida yang bergerak pada suatu perbedaan temperatur Q = hA(Tw - Ts) h

q

TS

Q = Perpindahan panas persatuan waktu, t A = Luas penampang medium

Area = A Tw

h = Koefisien konveksi T = Temperatur (benda dan fluida)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

4

PRINSIP PERPINDAHAN PANAS RADIASI : Perpindahan panas yang terjadi akibat emisi gelombang elektromagnet dari suatu permukaan atau ruang. Radiasi tidak memerlukan media perpindahan panas dan dapat terjadi dalam ruang hampa udara. Besar radiasi yang dipancarkan suatu benda :

ε = emissivity material σ = Konstanta Boltzman, 5.67×10-8 W/m2K4 A = luas permukaan T = Temperatur benda Danar S. Wijayanto - PTM UNS

5

PRINSIP PERPINDAHAN PANAS EVAPORASI : Proses pemanasan suatu liquid sampai pada temperatur titik didihnya untuk menghasilkan phasa lain dari liquid tersebut, yaitu vapor (uap).

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

6

PRINSIP PERPINDAHAN PANAS KONDENSASI : Proses pendinginan terhadap suatu uap liquid untuk kembali ke phasa semula, yaitu liquid.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

7

HEAT EXCHANGER Konsep Dasar • Alat penukar kalor (heat exchanger) merupakan suatu alat yang berfungsi untuk memindahkan kalor dari suatu fluida ke fluida yang lain. • Bentuk sederhana dari alat penukar kalor adalah sebuah alat yang mencampurkan langsung antara fluida panas dengan fluida dingin. Dengan sistem demikian, kedua fluida tersebut suatu saat akan mencapai temperatur akhir yang sama. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

8

WHAT IS A HEAT EXCHANGER?

They are devices specifically designed for the efficient transfer of heat from one fluid to another fluid over a solid surface. Danar S. Wijayanto - PTM UNS 9

WHAT ARE HEAT EXCHANGERS USED FOR? They have the function to transfer heat as efficiently as possible. Heat exchangers are widely used in :

I. II. III. IV. V.

refrigeration air conditioning space heating electricity generation chemical processing Danar S. Wijayanto - PTM UNS

10

Heat Exchanger Applications

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

11

Applications of Heat Exchangers Heat Exchangers prevent car engine overheating and increase efficiency Heat exchangers are used in Industry for heat transfer

Heat exchangers are used in AC and furnaces Danar S. Wijayanto - PTM UNS

12

HEAT EXCHANGER Aplikasi Heat exchanger kebanyakan ditemukan dalam aplikasi sistem proses kimia maupun mechanical. Aplikasi tersebut antara lain : 1. Proses Pemanasan awal (Preheater) 2. Proses Pendinginan (Cooler) 3. Proses Penguapan (Evaporasi) 4. Proses Pengembunan (Kondensasi) Danar S. Wijayanto - PTM UNS

13

HEAT EXCHANGER Aplikasi 1. Proses Pemanasan Awal (Preheater) dan Pendinginan (Cooler) Dalam suatu proses yang membutuhkan temperatur tinggi/rendah, fluida yang masuk sebelumnya harus dipanaskan/ didinginkan awal terlebih dahulu dalam suatu tahapan daripada langsung memanaskannya atau mendinginkannya dari temperatur awal (lingkungan) ke temperatur tinggi/rendah yang dibutuhkan. Hal ini untuk menghindari thermal shock stress pada material peralatan yang dipakai. Contoh pada aplikasi ini adalah, U-Tube FeedWater Preheater / Cooler Danar S. Wijayanto - PTM UNS

14

HEAT EXCHANGER Aplikasi 2. Proses Penguapan (Evaporasi) dan Pengembunan (Kondensasi) Setiap sistem pengkondisian udara, setidaknya ada dua heat exchanger yang terlibat, yaitu evaporator dan condenser. Untuk kedua sistem, fluida mengalir ke dalam HE dan memindahkan panas (mengambil atau melepas panas) ke media pendingin / pemanas. Untuk condenser, fluida (gas) berubah phasa menjadi liquid dan untuk evaporator fluida (liquid) berubah phasa menjadi gas (uap). Proses ini diperlukan jika fluida tersebut akan digunakan lagi dalam suatu siklus sesuai dengan bentuk phasa-nya. Contoh untuk aplikasi ini adalah Steam Condenser / Evaporator Danar S. Wijayanto - PTM UNS

15

heat exchangers can take a variety of shapes

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

16

condenser/evaporator for heat pump

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

17

Cooling towers are a type of heat exchanger

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

18

Something a little closer to home..

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

19

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

20

CONSTRUCTION TYPE OF HEAT EXCHANGER (JENIS KONSTRUKSI ALAT PENUKAR KALOR)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

21

HEAT EXCHANGER Berdasarkan prinsip perpindahan panas yang terjadi, heat exchanger dibagi dalam tiga group : 1. Direct Contact Heat Exchanger, Aliran fluida panas dan dingin dicampurkan secara langsung sehingga terjadi perpindahan panas 2. Recuperators, Aliran fluida panas dan dingin dipisahkan dengan suatu dinding sehingga perpindahan panas terjadi secara konveksi melalui dinding tersebut. 3. Regenerator, Perpindahan panas terjadi dalam beberapa tahap, pertama dari fluida panas ke media penyimpan kemudian dari media penyimpan ke fluida dingin. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

22

CLASSIFICATION OF HEAT EXCHANGERS Heat exchangers may be classified according to the following main criteria: • Recuperators and regenerators • Transfer processes: direct contact and indirect contact • Geometry of constructions: tubes,plates and extended surfaces • Phase change mechanisms: condensers and evaporators • Flow arrangements: parallel, counter and cross Danar S. Wijayanto - PTM UNS 23 flow

RECUPERATORS

• The conventional heat exchangers with heat transfer

between two fluids. • Hot steam A recovers some of the heat from stream B. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

24

REGENERATORS

• Storage type heat exchangers. The same flow passage (matrix) is alternately occupied by one of the two fluids. • Thermal energy is not transfered through the wall. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

25

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

26

HX Classifications

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

27

TRANSFER PROCESSES 1. Direct contact type heat exchangers: • Heat transfer between the cold and hot fluids through a direct contact between these fluids. • Examples: Spray and

tray condensers, cooling towers, fluidization Danar S. Wijayanto - PTM UNS

28

2. Indirect contact type heat exchangers: •Heat energy is exchanged between hot and cold fluids through a heat transfer surface. •The fluids are not mixed

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

29

HEAT EXCHANGER Berdasarkan pola aliran fluida yang terjadi, heat exchanger dibagi dalam tiga pola aliran :

1. Parallel Flow,

Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan perpindahan panas mengalir dalam satu arah

T= Logarithmic mean temperature difference defined by: dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids U= Overall Heat Transfer Coeficient A= Area of the tube Danar S. Wijayanto - PTM UNS

30

HEAT EXCHANGER 2. Counter Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan perpindahan panas mengalir berlawanan arah

T= Logarithmic mean temperature difference defined by: dQ/dt= Rate of heat transfer between two fluids U= Overall Heat Transfer Coeficient A= Area of the tube Danar S. Wijayanto - PTM UNS

31

HEAT EXCHANGER Konsep Dasar 3. Cross Flow, Jika aliran dari kedua fluida yang melakukan perpindahan panas mengalir secara bersilangan

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

32

Cross Flow Heat Exchangers

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

33

Cross Flow Heat Exchangers

Cross flow mixed

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

Cross flow unmixed

34

Jenis-jenis Heat Exchanger Sesuai dengan jenis aplikasinya, saat ini terdapat berbagai jenis konstruksi Heat Exchanger yang telah dipakai di dunia industri : 1. Double Pipe Heat Exchanger Konstruksinya terdiri dari pipa yang ditempatkan di dalam pipa lain yang berdiameter lebih besar. Jenis ini banyak dipakai untuk pemanasan atau pendinginan dimana area perpindahan panas yang dibutuhkan relatif kecil (sampai 50 m2). Kelebihan jenis ini adalah mudah dalam pemasangan dan perawatan, namun relatif mahal untuk area perpindahan panas yang kecil. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

35

Double Pipe HE (Alat Penukar Kalor Pipa Ganda)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

36

Tube in Tube Heat Exchangers t1

t2

Temperature

T1

T2

Parallel Flow

t1

T1 T1

T2 t1

t2

Temperature

T1

t2

T2

Counter Flow

T2 t2

t1

Position Position Danar S. Wijayanto - PTM UNS

37

Heat Exchanger Types Concentric tube (double piped) • One pipe is placed concentrically within the diameter of a larger pipe • Parallel flow versus counter flow Fluid B Fluid A

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

38

Heat Exchanger Types Concentric Tube (Double Piped) • used when small heat transfer areas are required (up to 50 m2) • used with high P fluids • easy to clean (fouling) • bulky and expensive per unit heat transfer area • Flexible, low installation cost, simple construction. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

39

Heat Exchangers

Concentric tube Parallel flow

Concentric tube counter flow Danar S. Wijayanto - PTM UNS

40

Double Pipe Heat Exchanger Parallel flow

Counter flow

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

41

FLOW ARRANGEMENTS 1. Paralel Flow Heat Exchangers:

• Two fluid streams enter together at one end, flow through

in the same direction, and leave through at the other end Danar S. Wijayanto - PTM UNS

42

Paralel Flow Heat Exchangers • Another type is parallel flow, where the fluids flow in the same direction:

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

43

2. Counter Flow Heat Exchangers:

• Two fluid streams flow in opposite directions. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

44

Counter Flow Heat Exchangers • One is counterflow where the fluids flow in opposite directions in the heat exchanger:

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

45

DOUBLE-PIPE HEAT EXCHANGERS • They consist of one pipe concentrically located inside a second, larger one. • Cold and hot liquid respectively flows in the gap of inner pipe and sleeve pipe. • Structure is simple and heat transmission is large.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

46

DOUBLE-PIPE HEAT EXCHANGERS • When the process calls for a temperature cross, it is the most efficient design and will result in fewer sections and less surface area.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

47

DOUBLE-PIPE HEAT EXCHANGERS ADVANTAGES: • Operates in true counter current flow permitting extreme temperature cross. • Economically adaptable to service differentials. • Ideal for wide temperature ranges and differentials. • Provides shorter deliveries than shell and tube due to standardization of design and construction. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

48

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

49

Cross Flow Heat Exchanger • Alat penukar kalor aliran silang adalah alat penukar kalor di mana fluida yang satu mengalir di dalam suatu tabung, sedangkan fluida lain yang temperaturnya berbeda mengalir melintas di luar tabung dengan arah melintang. • Penukar kalor aliran silang digunakan untuk pemanasan atau pendinginan udara atau gas, di mana gas dialirkan menyilang pada tabung, sedangkan fluida yang lainnya digunakan di dalam tabung untuk mendinginkan atau memanaskan gas. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

50

Cross Flow Heat Exchangers

• The direction of fluids are perpendicular to each other. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

51

Cross-flow Heat Exchangers • another type is cross-flow, shown below. These are common in air conditioning and refrigeration systems.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

52

Cross flow heat exchanger (con’t) • Pada alat penukar kalor ini dikenal dua macam arus fluida, yaitu arus campur (mixed stream) dan arus tak campur (unmixed stream). • Fluida dikatakan campur bila dapat bergerak bebas di dalam alat tersebut sambil menukar kalor, sedang fluida tak campur terkurung di dalam tabung saluran penukar kalor dan tak dapat bercampur selama proses perpindahan kalor. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

53

Cross flow heat exchanger (con’t) Ada tiga susunan penukar kalor silang : • Kedua fluida campur (both mixed) • Satu fluida campur (mixed) dan fluida lainnya tidak campur (unmixed) • Kedua fluida tidak campur (both unmixed) Danar S. Wijayanto - PTM UNS

54

Cross flow heat exchanger (con’t)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

55

Cross flow heat exchanger (con’t)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

56

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

57

Cross flow heat exchanger (con’t) • finned versus unfinned • mixed versus unmixed

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

58

Cross flow heat exchanger (con’t)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

59

Cross flow heat exchanger (con’t)

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

60

SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

61

Konsep Untuk mendapatkan area perpindahan panas yang besar dari jenis Double Pipe Heat Exchanger, pipa yang digunakan mestilah sangat panjang. Akibatnya, kehilangan tekanan yang terjadi juga besar, dibutuhkan pompa dengan kapasitas besar, dan sejumlah besar material yang akhirnya membutuhkan biaya yang relatif sangat besar. Hal ini berarti kita membutuhkan bentuk konstruksi yang kompak untuk keperluan area perpindahan panas yang besar tersebut, jenis Shell and Tube Heat Exchanger adalah jenis konstruksi yang sesuai untuk kebutuhan tersebut. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

62

Shell and Tube Heat Exchanger Konstruksinya terdiri dari berkas tube yang ditempatkan di dalam suatu shell, sehingga dua fluida yang melalui tube dan shell akan melakukan perpindahan panas secara konduksi dan konveksi melalui dinding tube. Keuntungan jenis ini adalah dapat digunakan dalam banyak aplikasi, mudah dalam perawatan dan memiliki perbedaan temperatur yang tinggi.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

63

Shell and Tube Heat Exchanger • In a closed heat exchanger, the fluids do not mix. This is a shell-and-tube heat exchanger.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

64

Shell and Tube Heat Exchanger

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

65

Shell and Tube Heat Exchanger

200MW Heat exchanger. For a pulp mill in Kalanti, Finland Danar S. Wijayanto - PTM UNS

66

Shell and Tube Heat Exchanger • Can you identify shells, tubes, and baffles?

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

67

Shell and Tube Heat Exchanger

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

68

Shell and Tube Heat Exchanger

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

69

Shell and Tube Heat Exchanger Untuk meningkatkan performance, heat exchanger dapat didesain, sehingga kedua fluida yang melakukan perpindahan panas dapat bersinggungan beberapa kali dalam satu unit heat exchanger.

Jika kedua fluida bersinggungan hanya satu kali maka disebut

Single-Pass Heat Exchanger . Jika kedua fluida bersinggungan lebih dari satu kali, maka disebut

Multi-Pass Heat Exchanger. Umumnya Multi-Pass HE menggunakan jenis U-Bend Tube untuk mengalirkan kembali fluida sehingga dapat bersinggungan lebih dari satu kali. Atau dengan menggunakan plat pemisah (baffle) pada sisi shell dari 70 Heat Exchanger tersebut. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

Shell and Tube Heat Exchanger

One Shell Pass and One Tube Pass

Baffles are used to establish a cross-flow and to induce turbulent mixing of the shell-side fluid, both of which enhance convection.
The number of tube and shell passes may be varied

One Shell Pass, Two Tube Passes

Two Shell Passes, Four Tube Passes Danar S. Wijayanto - PTM UNS

71

TUBULAR HEAT EXCHANGERS • are so widely used because the technology is well established for making precision metal tubes capable of containing high pressures in a variety of materials.
There is no limit to the range of pressures and temperatures that can be accommodated. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

72

TUBULAR HEAT EXCHANGERS

SHELL AND TUBE

DOUBLE-PIPE

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

73

Klasifikasi dan Standarisasi Untuk melindungi pemakai jenis Shell and Tube Heat Exchanger dari bahaya akibat tekanan dan temperatur tinggi dan resiko kegagalan alat, suatu standard telah diaplikasikan dan dianut oleh banyak industri sebagai pegangan dalam merencanakan, mengoperasikan dan merawat Heat Exchanger jenis Shell and Tube. Standar tersebut adalah Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA). Danar S. Wijayanto - PTM UNS

74

Klasifikasi dan Standarisasi Tubular Exchanger Manufacturers Association (TEMA), dari sisi design dan fabrikasi membagi jenis Shell and Tube Heat Exchanger ini dalam 3 kelas : 1. Kelas R, HE yang didesain dan difabrikasi untuk kondisi berat pada industri gas dan petroleum. 2. Kelas C, HE yang didesain dan difabrikasi untuk kondisi yang lebih ringan dan untuk keperluan industri umum. 3. Kelas B, HE yang didesain dan difabrikasi untuk keperluan proses-proses kimia. Ketiga jenis kelas tersebut, semua diaplikasikan dalam kilang LNG Danar S. Wijayanto - PTM UNS

75

Klasifikasi dan Standarisasi Misalnya kilang LNG yang banyak menggunakan jenis HE shell and tube dan menurut standard TEMA mengikuti kelas fabrikasi kelas RCB, maka yang menjadi patokan utama dari kelas RCB adalah:  Hasil perkalian nominal diameter shell (inch) dan Design Pressure (PSI) tidak lebih dari 60.000.  Inside diamater Shell tidak lebih dari 60 inch  Design pressure tidak lebih dari 3000 PSI  Standard Test dilakukan dalam kondisi 1,5 kali Design Pressure jika menggunakan cairan (Hydrotest), dan 1,25 kali design pressure jika menggunakan udara (pneumatic test).  Serta beberapa standard lain yang bersifat sangat detail (lebih banyak digunakan oleh designer) Danar S. Wijayanto - PTM UNS

76

Aplikasi Shell & Tube HE Jenis Shell and Tube Heat Exchanger kebanyakan dipakai pada aplikasi proses berikut (termasuk proses di kilang LNG):

1. COOLERS

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

77

Shell & Tube Heat Exchanger, TEMA Class RCB Dari bentuk konstruksinya terbagi atas 3 bagian yaitu, Front-End Stationary Head, Shell dan Rear-End Head.

Type AES

Type CFU

Type AKT Danar S. Wijayanto - PTM UNS

78

Aplikasi Shell & Tube HE 2. CONDENSER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

79

Aplikasi Shell & Tube HE 3. WASTE HEAT BOILER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

80

Aplikasi Shell & Tube HE 4. KETTLE TYPE REBOILER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

81

Aplikasi Shell & Tube HE 5. THERMOSYPHON REBOILER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

82

Aplikasi Shell & Tube HE

6. MAIN HEAT EXCHANGER

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

83

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger Seperti ditampilkan sebelumnya, berikut jenis-jenis konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger berdasarkan standar TEMA kelas RCB.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

84

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger Penamaan (istilah) dari bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger Tube side

Bagian dalam Tube.

Shell side

Bagian luar tube, diantara tube dan dinding shell.

Tube sheet

Suatu plat tebal yang dilengkapi lubang (1 lubang untuk setiap tube), tempat dimana tube ditanam.

Tube bundle

Berkas kumpulan tube terdiri dari tube, tube sheet dan baffle plate

Shell

Suatu silinder dimana tube bundle ditempatkan.

Channel

Suatu jenis bagian depan HE tempat fluid dimasukkan dan dikeluarkan ke dan dari tube side. Memiliki dinding pemisah yang memisahkan aliran yang masuk dan keluar. Serta mempunyai penutup yang dapat dilepaskan.

Bonnet

Seperti Channel tapi dengan penutup yang tidak bisa dilepaskan (menyatu).

Baffle plate

Dapat dibentuk dengan model yang bervariasi, namun bentuk dasarnya adalah segmental. Memiliki dua fungsi yaitu ; sebagai pendukung tube dan sebagai pengarah aliran pada shell side sehingga didapatkan perpindahan panas yang lebih efektif.

Tie rods

Batang yang dipasang diantara tube sheet untuk mendukung baffles. Juga berfungsi untuk mengurasi vibrasi (getaran).

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

85

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger Penamaan (istilah) dari bagian konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger

1. Inlet (or outlet) tube side 2. Outlet (or inlet) tube side 3. Inlet (or outlet) shell side 4. Outlet (or inlet) shell side 5. Bonnet without partition wall 6. Fixed tube sheet 7. Shell 8. Straight tubes 9. Baffle plate 10. Bonnet with partition wall 11. Tube sheet

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

U tubes Channel with partition wall Channel cover Floating-head tube sheet Floating-head backing device Floating-head cover Shell cover Shell nozzle Liquid level connection Liquid level connection Weir

86

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger Bagian-bagian utama dari Shell & Tube Heat Exchanger : 1. TUBE, merupakan media mengalirnya salah satu dari dua fludia yang melakukan perpindahan panas dalam Shell & Tube HE. Dinding tube merupakan bidang pemisah dari kedua fluida dan sekaligus berfungsi sebagai bidang perpindahan panas. Bahan dan ketebalan dinding tube harus dipilih agar diperoleh penghantaran panas yang baik dan juga mampu pada tekanan operasi fluidanya serta tidak mudah terkorosi atau tererosi oleh fluida kerjanya. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

87

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger 2. SHELL, bagian yang merupakan media mengalirnya fluida yang akan dipertukarkan panasnya dengan fluida yang mengalir di dalam tube, konstruksi shell ini sangat ditentukan oleh keadaan tube yang akan ditempatkan di dalamnya. Shell dapat dibuat dari sebuah pipa yang berdiameter besar atau dari plat yang dirol. Untuk shell ini terdapat standard yang menentukan jenis bahan dan minimum ketebalan yang harus dipenuhi untuk berbagai ukuran diamater shell. Standard tersebut selain TEMA juga standard ASME Section VIII Pressure Vessel. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

88

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger 3. BAFFLE, berfungsi untuk mengubah arah aliran fluida didalam shell dan sebagai pendukung dari berkas tube. Bentuknya berupa piringan yang dilubangi untuk penempatan tube, dibentuk sedemikian rupa agar aliran fluida dalam shell dapat menyentuh permukaan tube secara efektif untuk perindahan panas.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

89

Konstruksi Shell & Tube Heat Exchanger 4. TUBESHEET, merupakan penyatuan bagian ujung dari berkas tube yang memisahkan fluida yang satu terhadap fluida lainnya. Tubesheet harus dibuat kuat terhadap tegangan geser dan momen untuk menghindari kebocoran, karena bagian ini yang paling rentan terhadap kebocoran.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

90

Contoh Jenis Shell & Tube HE TEMA-Type AEW Memiliki design yang fleksibel dengan jenis floating tubesheet dan removable tube bundle. Aplikasi Heater atau cooler untuk electrolyte, condensate, brine, boiler blowdown atau hydraulic, turbine, dan compress oils/fluids. Keuntungan •

Floating tubesheet memungkinkan terjadinya differential thermal expansion antara shell dan tubes.

•

Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.

•

Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti.

Kekurangan •

Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass.

•

Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

91

Contoh Jenis Shell & Tube HE TEMA-Type BEM Memiliki design dengan jenis external floating head dengan entrance area yang besar sehingga memudahkan dari sisi maintenance. Aplikasi Untuk sirkulasi regenerasi dari liquid yag bersifat krosif, gas atau uap (vapor) Keuntungan •

Floating head memungkinkan terjadinya differential thermal expansion antara shell dan tubes.

•

Shell dapat dibersihkan dengan steam atau secara mekanikal.

• Bundle dapat dengan mudah diperbaiki atau diganti. Kekurangan •

Fluida sisi shell terbatas pada fluida non-toxic dan non-volatile seperti lube oil dan hydraulic oil

•

Susunan Tube terbatas hanya untuk satu pass atau 2 pass

•

Terbatas dari sisi design temperature dan tekanan. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

92

Contoh Jenis Shell & Tube HE TEMA-Type BEP Memiliki design dengan jenis fixed tubesheet dengan removable channel atau bonnet sehingga heat transfer maksimum terjadi pada sisi shell. Aplikasi Untuk heating atau cooling oil, air atau fluida untuk proses kimia. Keuntungan •

Lebih murah dari jenis removable bundle.

•

Susunan tube dapat untuk multipass flow

Kekurangan •

Shell hanya dapat dibersihkan dengan proses chemical cleaning

•

Diperlukan tambahan seperti expansion joint untuk mengatasi masalah therml expansion

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

93

Contoh Jenis Shell & Tube HE TEMA-Type AES Memiliki design dengan jenis Straight tubes dan internal clamp-ring floating head cover. Tube bundle jenis removable sehingga mudah dalam pemeliharaan. Aplikasi Paling banyak dipakai pada process plant termasuk untuk cooling dan heating atau condensing vapor. Keuntungan •

Memungkinkan terjadinya thermal expansion antara shell dan tube

•

Sangat baik untuk fluida yang mudah terbakar atau beracun

•

Susunan tube dapat untuk multipass flow

Kekurangan •

Shell cover dan clamp-ring floating head cover harus dibuka terlebih dahulu untuk melepaskan bundle sehingga memiliki biaya pemeliharaan yang lebih besar.

•

Lebih mahal jika dibandingkan dengan jenis desain fixed tube atau U-Tube. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

94

Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan Standard TEMA dan ASME juga mengatur masalah instalasi, pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger. 1. Instalasi / Pemasangan Pada pemasangan suatu Heat Exchanger yang perlu diperhatikan adalah, daerah bebas untuk perbaikan, pembersihan atau bahkan untuk penggantian dari heat exchanger tersebut. Untuk jenis U-Tube, pada daerah Stationary Head (Channel Head) harus diberi ruangan cukup luas untuk penarikan tube bundle atau ruangan dibelakang exchanger tersebut mempunyai daerah yang cukup luas untuk penarikan shell pada saat perbaikan. Untuk jenis removable bundle, pada daerah stationary head (channel head) harus mempunyai ruangan cukup luas untuk penarikan tube bundle dalam waktu perbaikan. Pondasi dari heat exchanger tersebut juga harus cukup kuat untuk menahan berat exchanger sehingga tak mengakibatkan kedudukan exchanger berubah dan akan menyebabkan pipa inlet atau outlet mengalami tarikan / tekanan sehingga menyebabkan kerusakan pada nozzle exchanger. Danar S. Wijayanto - PTM UNS 95

Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan 2.

Standard TEMA dan ASME juga mengatur pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger. Pengoperasian

masalah

instalasi,

Suatu heat exchanger tidak boleh dioperasikan pada kondisi yang melebihi seperti yang telah tertera pada name plate exchanger tersebut. Start Up Operation, Untuk exchanger jenis removable bundle dioperasikan pertama kali dengan membentuk sirkulasi dengan fluida dingin (cold medium), dan dilanjutkan dengan mengalirkan fluida panas (hot medium). Selama proses start up semua valve venting harus dalam keadaan terbuka dan tetap terbuka sampai semua bagian shell dan tube terisi penuh oleh fluida. Untuk jenis fixed tubesheet fluida harus dialirkan secara simultan untuk memperkecil ekspansi yang terjadi antara shell dan tube. Shut Down Operation, untuk jenis removable bundle dapat dilakukan dengan menghentikan aliran fluida panas secara bertahap kemudian diikuti penghentian aliran fluida dingin. Untuk jenis fixed tubesheet, dapat dilakukan dengan mempertahankan ekspansi antara shell dan tube seminimal mungkin. Semua sisa fluida di kedua bagian shell dan tube harus dibuang (drain) sampai bersih. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

96

Pemasangan, Pengoperasian dan Perawatan Standard TEMA dan ASME juga mengatur pengoperasian dan perawatan Heat Exchanger. 3. Perawatan

masalah

instalasi,

Pemeriksaan heat exchanger harus dilakukan dalam setiap jangka waktu tertentu pada bagian luar dan dalam dari heat exchanger. Pemeriksaan tersebut terdiri dari : Indikasi Fouling, adalah indikasi penumpukan sisa-sisa fluida di dalam heat exchanger yang dapat mengurangi efisiensi heat exchanger secara serius. Fouling ini dapat dilihat dari adanya kehilangan tekanan yang besar atau kinerja heat exchanger yang kurang maksimal. Indikasi kebocoran tube, Umumnya ada 2 cara pengetesan yang dilakukan untuk mendeteksi adanya kebocoran pada tube, yaitu Standard Test dan Pneumatic Test. Standard Test dilakukan secara HydroTest dengan menggunakan air. Tekanan uji untuk cara ini adalah 1,5 kali design pressure. Bila liquid (air) tidak boleh digunakan, test dengan media gas / udara (pneumatic test) dapat dilakukan dengan batasan tekanan uji 1,25 kali design pressure. Danar S. Wijayanto - PTM UNS 97

SHELL AND TUBE HE

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

98

SHELL AND TUBE HE •are the most commonly used heat exchangers in oil refineries and other large chemical processes. •are used when a process requires large amounts of fluid to be heated or cooled. • provide transfer of heat efficiently. •use baffles on the shell-side fluid to accomplished mixing or turbulence. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

99

SHELL AND TUBE HE • tube : strong, thermally conductive, corrosion resistant, high quality • outer shell : durable, highly strong • inner tube : having effective combination of durability, corrosion resistant and thermally conductive

APPLICATIONS: • Oil refining, • Vapor recovery systems • Permanent engines, • Industrial paint systems.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

100

SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGERS

U - TUBE HEAT EXCHANGERS

FIXED TUBE HEAT EXCHANGERS

FLOATING HEAD HEAT EXCHANGERS

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

101

U - TUBE HEAT EXCHANGERS Heat exchanger systems consisting of straight length tubes bent into a U-shape surrounded by a shell.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

102

U - TUBE HEAT EXCHANGERS

• Both initial and maintenance costs are reduced by reducing the number of joints.

• They have drawbacks like inability to replace individual tubes except in the outer row and inability to clean around the bend. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

103

U - TUBE HEAT EXCHANGERS • Examples : reboilers, evaporators and Kettle type. • They have enlarged shell sections for vapor-liquid separation.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

104

FIXED TUBE HEAT EXCHANGERS have straight tubes that are secured at both ends to tube sheets welded to the shell.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

105

FIXED TUBE HEAT EXCHANGERS

• They are the most economical type design. • They have very popular version as the heads can be removed to clean the inside of the tubes. • Cleaning the outside surface of the tubes is impossible as these are inside the fixed part. • Chemical cleaning can be used. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

106

FLOATING HEAD HEAT EXCHANGER

one tube is free to float within the shell and the other is fixed relative to the shell.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

107

FLOATING HEAD HEAT EXCHANGERS • A floating head is excellent for applications where the difference in temperature between the hot and cold fluid causes unacceptable stresses in the axial direction of the shell and tubes. • The floating head can move, so it provides the possibility to expand in the axial direction. • Design allows for bundle to be removed for inspection, cleaning or maintenance. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

108

FLOATING HEAD HEAT EXCHANGERS • Examples : kettle boilers which have dirty heating medium. • They have the most highest construction cost of all exchanger types.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

109

PLATE HEAT EXCHANGERS Konstruksinya terdiri dari sekumpulan plat bentukan yang diikat dalam suatu frame yang menekan gasket untuk mencegah terjadi kebocoran. Plat tersebut begitu tipis sehingga memungkinkan lebih banyak kontak yang terjadi untuk mendapatkan heat transfer rate yang lebih besar. Keuntungannya dapat diaplikasikan untuk banyak jenis aliran fluida namun memiliki keterbatasan tekanan dan temperatur terhadap material gasket.

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

110

PLATE HEAT EXCHANGERS

– GASKETED PLATE – SPIRAL PLATE – LAMELLA Danar S. Wijayanto - PTM UNS

111

PLATE HEAT EXCHANGERS • Limited to below 25 bar and 250 ºC • Plate heat exchangers have three main types : gasketed, spiral heat exchangers and lamella • The most common of the plate-type heat exchangers is the gasketed plate heat exchanger Danar S. Wijayanto - PTM UNS

112

GASKETED PLATE HE • The most common of the plate-type heat exchangers is the gasketed plate heat exchanger

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

113

SPIRAL PLATE HE • Ideal flow conditions and the smallest possible heating surface

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

114

LAMELLA • Consisting of cylindrical shell surrounding a number heat transfering lamellas. • Similar to tubular heat exchanger

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

115

ADVANTAGES OF PLATE HE • Plate heat exchangers yield heat transfer rates three to five times greater than other types of heat exchangers. • The design of the plate heat exchanger allows to add or remove plates to optimize performance, or to allow for cleaning, service, or maintenance with a minimum of downtime. • Plate exchangers offer the highest efficiency mechanism for heat transfer available in industry. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

116

EXTENDED SURFACE HEAT EXCHANGERS

- PLATE FIN HEAT EXCHANGER - TUBE FIN HEAT EXCHANGER Danar S. Wijayanto - PTM UNS

117

DISADVANTAGES OF PLATE HE • Plate exchangers are limited when high pressures, high temperatures, or aggressive fluids are present. • Because of this problem these type of heat exchangers have only been used in small, low pressure applications such as on oil coolers for engines. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

118

PLATE FIN HEAT EXCHANGER • For gas to gas applications. • Widely used in cryogenic, energy recovery, process industry, refrigeration and air coditioning systems. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

119

TUBE FIN HEAT EXCHANGER • For gas to liquid heat exchangers. • Used as condersers in electric power plant, as oil coolers in propulsive power plants, as ir cooled exchangers in process and power industires. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

120

PHASE CHANGE HEAT EXCHANGERS

1.Reboilers (Evaporaters)

2.Condensers

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

121

1)REBOILER to generate vapor to drive fractional distillation separation Most Common Reboiler’s Types
Kettle Reboilers
Forced Recirculation Reboilers
Thermosiphon Reboiler

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

122

Kettle Reboilers

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

123

Major factors influence reboiler type selection:
Plot space available
Total duty required
Fraction of tower liquid traffic vaporized
Fouling tendency
Temperature approach available
Temperature approach required Danar S. Wijayanto - PTM UNS

124

Kettle Reboilers Advantages  Insensitive to hydrodynamics  High heat fluxes are possible  Can handle high vaporization  Simple piping  Unlimited area

Disadvantages  All the dirt collects and non volatiles accumulate  Shell side is difficult to clean  Difficult to determine the degree of mixing  Oversize shell is expensive

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

125

Thermosiphon Reboiler

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

126

Thermosiphon Reboiler
operate using natural circulation with process flow on the shell side
process flow on the tube or shell side in vertical units.
not require a pump for recirculation
have sensible heat transfer followed by nucleate boiling. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

127

Forced Recirculation Reboilers

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

128

Forced Recirculation Reboilers • These reboiler types have two mechanisms of heat transfer: sensible heat transfer followed by nucleate boiling. • Process flow is typically on the tube side of a standard exchanger in the vertical position. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

129

2)CONDENSERS a) Water-Cooled Condensensers  Horizontal shell and tube  Vertical shell and tube  Shell and coil  Double pipe

b) Air- Cooled Condensers Phases: 1) de-super-heating 2) Condensing 3) Subcooling

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

130

Single-Pass Condenser Danar S. Wijayanto - PTM UNS

131

SELECT AN WATER-COOLED CONDENSER …IF: 1. Adequate water supplies are available from tower, city or well sources. 2. Water supply is of good quality. 3. Heat recovery is not practical or unimportant. 4. Plant ambient temperatures consistently exceed 95°F. 5. Ambient air is polluted with large dust and dirt particles. ADVANTAGE & DISADVANTAGES 1. Offer lower capital investment. 2. Operates more efficiently on hot summer days. 3. Easier to operate. 4. Does not offer summer ventilation. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

132

SELECT AN AIR-COOLED CONDENSER ...WHEN: 1. Adequate water supply not available from tower or well sources. 2. Water supply is not of good quality. 3. Heat recovery is practical and important. 4. Plant ambient temperature will not consistently exceed 95°F. 5. Ambient air is not polluted with large dust and dirt particles. ADVANTAGE & DISADVANTAGES 1. Somewhat more costly to purchase and operate. 2. Gives less cooling on hot summer days. 3. Consumes more electricity. 4. Offers summer ventilation and winter supplement heating. Danar S. Wijayanto - PTM UNS

133

Heat Exchanger Gallery

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

134

Heat Exchanger Gallery

Danar S. Wijayanto - PTM UNS

135