AIR COOLED HEAT EXCHANGER

Air cooled heat exchanger merupakan tubular heat exchanger yang memanfaatkan udara atmosferik sebagai media pendingin pada bagian luar tube. Umumnya air cooler terbuat dari tube yang dilengkapi dengan sirip atau fin (finned tube). Untuk meningkatkan efektifitas perpindahan panas, maka air cooler beroperasi dengan prinsip forced convection. Air cooler dapat didisain dengan metoda induced draft atau forced draft seperti pada Gambar 7.1.

Gambar 7.1.  Jenis Air Cooler

Kelebihan penggunaan induced draft adalah :

-       Distribusi udara pendingin yang lebih baik dan merata,

-       Menghindari kemungkinan terjadinya aliran balik udara panas masuk kembali ke intake fan,

-       Mengurangi pengaruh lingkungan seperti cuaca panas atau hujan pada operasi air cooler,

-       Kapasitas pendinginan yang lebih tinggi pada saat ada kegagalan pada fan, karena efek dari natural draft yang lebih besar.

Kelemahan penggunaan induced draft adalah :

-       Kebutuhan daya yang lebih besar karena fan berada pada area udara panas,

-       Temperatur aliran udara panas harus dibatasi pada 95 ^oC untuk menghindari kemungkinan kerusakan pada fan blade, bearing, V-belts dan komponen-komponen mekanikal yang lain,

-       Akses maintenance terhadap komponen fan drive kurang baik,

-       Temperatur fluida proses dibatasi pada 175 ^oC, karena dapat mengakibatkan tingginya temperatur udara panas yang menyebabkan kerusakan pada komponen fan.

Kelebihan penggunaan forced draft adalah :

-       Kebutuhan data yang lebih rendah karena fan berada pada area udara dingin,

-       Akses maintenance yang lebih mudah terhadap komponen-komponen fan drive,

-       Kemudahan sirkulasi udara panas pada iklim dingin.

Kelemahan penggunaan forced draft adalah :

-       Distribusi udara pendingin dapat menjadi kurang optimum,

-       Tingginya kemungkinan terjadi sirkulasi udara panas karena laju udara pendingin yang cukup rendah dan tidak adanya fungsi stack,

-       Kapasitas pendinginan natural draft yang rendah bila terjadi kegagalan fan,

-       Operasi air cooler sangat dipengaruhi lingkungan.

Ditinjau dari aspek konstruksi maka air cooler dapat dibedakan menjadi tipe horizontal, vertikal dan angled. Tipe horizontal merupakan jenis yang paling banyak digunakan dan paling ekonomis. Tipe vertikal biasanya digunakan bila dibutuhkan fungsi drainase dan head yang besar seperti pada sistem condenser.

Air cooler tipe angled hampir sama dengan tipe vertikal, biasanya digunakan untuk condenser yang memberikan fungsi drainase. Contoh penggunaan tipe angled adalah pada surface condenser.

Gambar 7.2.  Air cooler dengan tipe angled

7.2. Konfigurasi dan Disain Mekanikal

Suatu air cooled heat exchanger terdiri dari beberapa bagian yaitu fan, tube yang tersusun dalam suatu bank atau bay dan driver. Fan berfungsi menyuplai udara pendingin pada air cooler, bank atau bay tersusun dari tube-tube sebagai sarana bagi fluida proses sedangkan driver berfungsi sebagai penggerak fan.

Fan dapat berukuran antara 0.9 meter sampai dengan 8.5 meter. Namun demikian umumnya digunakan ukuran 4.3-4.9 meter. Fan digerakkan oleh driver yang dapat berupa motor listrik, steam turbine ataupun engine driver. fan dan driver biasanya dihubungkan oleh reducing gear atau V-belt.

Operasi air cooler sangat dipengaruhi oleh temperatur ambient dan cuaca sekitar. Oleh karena itu kestabilan temperatur outlet fluida dapat dikendalikan dengan menggunakan sistem variable speed motor, 2-speed driver, multiple motor, louver pada bay atau variable pitch fan.

Konstruksi bay umumnya adalah two-fan bay yaitu satu bay yang memiliki dua fan. Konfigurasi ini memiliki keuntungan adanya faktor safety bila salah satu fan atau driver mengalami kegagalan. 

Gambar 7.3.  Typical konfigurasi air cooler

Bay tersusun dari komponen side-frame (rangka), tube support, header dan fin tube. Umumnya alumunium fin digunakan untuk memperluas area perpindahan panas untuk mengkompensasi rendahnya heat transfer coefficient udara.

Diameter tube umumnya berkisar antara 16-38 mm dengan fin berukuran 12.7 –

25.4 mm. Jumlah fin berkisar antara 276-433 buah per meter tube. Konfigurasi tube umumnya tersusun secara triangular-pitch dimana jarak antar ujung fin sebesar 1.6-6.4 mm.

Disain header terdiri dari dua jenis yaitu plug header dan cover plate header. Keuntungan penggunaan plug header adalah kemungkinan untuk akses terhadap masing-masing tube. Cover plate umumnya digunakan pada sistem high fouling dan tekanan rendah.

Gambar 7.4.  Komponen Tube Bundel Air Cooler

7.3. Pertimbangan Disain Thermal

Sesuai dengan persamaan umum heat exchanger, maka laju perpindahan panas pada air cooler dapat dituliskan dengan persamaan :

q = U ⋅ A ⋅CMTD

Nilai q biasanya diketahui dari beban pendinginan fluida proses, sedangkan overall heat transfer coefficient (U) dan CMTD diperoleh dari perhitungan. Maka dalam proses disain air cooler, persamaan di atas biasanya digunakan untuk menentukan luas area perpindahan panas (A). Temperatur udara pendingin dapat diperoleh dari data cuaca harian di area unit proses atau menggunakan dry bulb temperature.

Permasalah timbul dalam perhitungan LMTD karena kuantitas udara pendingin tidak diketahui dengan pasti sehingga temperatur outlet udara pendingin tidak diketahui. Untuk itu sebagai langkah awal, perlu diperkirakan temperatur outlet udara pendingin. Kemudian LMTD dapat dihitung dengan persamaan :

Koreksi terhadap nilai LMTD perlu diperhitungkan bila konfigurasi tube yang digunakan adalah satu atau dua pass. Bila pass pada tube berjumlah empat atau lebih, maka faktor koreksi diasumsikan 1.0. Nilai faktor koreksi ini juga dapat digunakan pada air cooler dengan 3 pass.

Overall heat transfer coefficient dapat dihitung dengan basis bare tube external surface (Ub) maupun extended surface (Ux).

Persamaan U dan q untuk bare tube adalah :

 Persamaan U dan q untuk extended surface adalah :

dimana :

ht            = heat transfer coefficient fluida tube-side

rdt           = fouling factor fluida tube-side

rmb         = metal wall resistance dengan basis bare tube

rmx         = metal wall resistance dengan basis extended surface

ha           = heat transfer coefficient udara

Gambar 7.4.  Kurva Faktor Koreksi LMTD Air Cooler

BAB VIII

CONDENSER DAN REBOILER

8.1. Condenser

Condenser merupakan heat exchanger yang berfungsi untuk mengkondensasikan condensable vapor menjadi fase liquid. Condenser biasanya didisain sebagai bagian dari kolom distilasi sebagai overhead condenser. Proses kondensasi pada heat exchanger dapat dilakukan di dalam atau di luar tube dengan posisi horizontal maupun vertikal.

Beberapa konfigurasi condenser yang umum diaplikasikan antara lain adalah :

-       Kondensasi di dalam tube – vertical downflow

-       Kondensasi di dalam tube – vertical upflow

-       Kondensasi di luar tube vertikal

-       Kondensasi di dalam tube horizontal

-       Kondensasi di luar tube vertikal

Mekanisme terjadinya kondensasi adalah pada saat fluida pada fase vapor mendekati permukaan dingin, maka perpindahan panas terjadi dari vapor ke permukaan dingin. Kemudian temperatur fluida akan turun dan density fluida naik.

Proses kondensasi dapat dibedakan menjadi kondisi dry-wall dan wet-wall. Dry­wall terjadi bila temperatur permukaan lebih tinggi dari temperatur saturasi fluida sehingga panas yang berpindah adalah panas sensible. Wet-wall adalah kondisi bila temperatur permukaan lebih rendah dari temperatur saturasi fluida sehingga terjadi kondensasi film pada permukaan.

8.2. Reboiler

Reboiler merupakan heat exchanger yang berfungsi untuk memproduksi vapor dan umumnya sebagai bagian dari kolom distilasi. Pada reboiler terjadi proses partial vaporization dari suatu fluida yang mengalir secara natural atau forced circulation.

Beberapa tipe reboiler yang umum digunakan adalah :

-       Kettle Reboiler

Jenis ini biasanya diaplikasikan pada operasi yang membutuhkan turn­ down ratio tinggi, area pertukaran panas yang besar dan kualitas vapor yang tinggi.

-       Thermosyphon Reboiler

Reboiler ini beroperasi dengan memanfaatkan static head untuk sirkulasi fluida. Thermosyphon dapat diaplikasikan bila kondisi proses relatif stabil pada kondisi disainnya.

Keuntungan penggunaan reboiler ini adalah biaya operasi yang rendah akibat laju perpindahan panas yang baik dan kemungkinan fouling yang rendah.

-       Once-Through Reboiler

Reboiler ini dapat dioperasikan bila fluida yang tersedia tidak mempunyai kemampuan untuk resirkulasi. Kelemahan reboiler ini adalah residence time fluida rendah dan dibutuhkan tekanan inlet yang tetap. Namun demikian reboiler ini memiliki stabilitas hidrolik yang baik dan temperatur media pemanas yang relative konstan.

-       Pump-Through Reboiler

Reboiler ini diaplikasikan pada fluida dengan viskositas tinggi atau fluida yang memiliki kandungan partikulat dan bila dibutuhkan pemanasan pada tekanan tertentu.

Gambar 8.1.  Konfigurasi Condenser

Gambar 8.2.  Jenis-jenis Reboiler

Proses boiling dapat dijelaskan dengan konsep pool-boiling. Sebagai contoh bila media pemanas dimasukkan ke dalam fluida, maka perpindahan panas dapat terjadi dengan perbedaan temperatur (Tw – Tf) sebagai driving force. Bila beda temperature kecil akan terjadi pemanasan pada fluida secara konduksi dan konveksi. Perubahan temperatur fluida akan berakibat perubahan pada densitas sehingga pada akhirnya akan terjadi pergerakan relatif fluida terhadap permukaan dinding secara natural convection. Bila temperatur fluida sudah mencapai temperatur saturasinya, akan terjadi penguapan liquid pada permukaan dinding.