Dasar Penukar Panas (Types of Heat Exchangers)

 Penukar panas atau dalam industri kimia populer dengan istilah bahasa Inggrisnya, heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang
memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.

Tipe penukar panas cangkang-dan-pipa yang paling sederhana ditunjukkan dalam Gb.2-1. Alat ini terdiri dari sebuah pipa yang terletak konsentrik (sesumbu) di dalam pipa lainnya yang merupakan cangkang untuk susunan ini. Salah satu fluidanya mengalir melalui pipa-didalamnya, fluida lainnya mengalir melalui cincin (anulus) yang terbentuk di antara pipa-dalam dan pipa-luar. Karena kedua aliran melintasi penukaran panas hanya sekali, maka susunan ini disebut penukar panas satu lintas (single-pass; lintas tunggal). Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang sama, maka penukar panas ini bertipe aliran-searah (parallel-flow; Gleichstrom-Bahasa Jerman; gelijkstroom-Bahasa Belanda; juga dikenal dengan istilah aliran sejajar); jika fluida-fluida tersebut mengalir dalam arah berlawanan, maka penukar panas ini bertipe aliran-lawan (counterflow; Gegenstrom-Jerman; tegenstroom-Belanda). Pada umumnya beda suhu antara fluida yang panas dan yang dingin tidak konstan sepanjang pipa, dan laju aliran panasnya akan berbeda-beda dari penampang ke penampang. Maka dari itu guna menentukan laju aliran panas kita harus mempergunakan suatu beda suhu rata-rata yang sesuai, seperti ditunjukkan dalam gambar 2-1.

Bila kedua fluida yang mengalir sepanjang permukaan perpindahan-panas bergerak dalam arah saling tegak-lurus, maka penukar panasnya bertipe aliran-lintang (cross flow). Ada tiga kemungkinan susunan penukan panas tipe ini. Dalam hal yang pertama masing-masing fluida takbercampur (unmixed) waktu melintasi melalui penukar panas, dan oleh akrena itu suhu fluida-fluida yang meninggalkan penampang pemanas tidak seragam, pada satu sisi lebih panas daripada sisi lainnya. Pemanas dari tipe pelat-datar (Gb. 2-2), suatu rancang-bangun yang dipergunakan untuk regenerator turbin guna memperoleh kembali energi gas buang, atau radiator mobil, mendekati tipe penukar panas ini. Dalam hal yang kedua, salah satu fluidanya takbercampur sedangkan fluida yang lainnya bercampur sempurna waktu mengalir melalu penukar panas. Suhu aliran yang bercampur akan seragam pada setiap penampang dan hanya berbeda-beda dalam arah aliran. Contoh tipe ini adalah pemanas udara aliran-lintang yang ditunjukkan secara skematik dalam Gb. 2-3. Udara yang mengalir diluar berkas pipa bercampur, sedangkan gas panas di dalam pipa-pipa terbatasi dan karenanya takbercampur. Dalam hal yang ketiga, kedua fluida bercampur (mixed) waktu mengalir melalui penukar panas; jadi, suhu kedua fluida akan seragam pada penampang dan hanya berbeda-beda dalam arah aliran. Susunan jenis ini kurang penting dari pada kedua susunan lainnya dan tidak akan dibahas disini.

Guna menaikkan luas permukaan perpindahan-panas efeklif per volume-satuan, kebanyakan penukar panas komersial menggunakan lebih daripada satu kali lintas melaui pipa-pipa, dan fluida yang mengalir di luar pipa-pipa di dalam cangkang diarahkan bolak-balik dengan sarana sekat-sekat (baffles). Gambar 2-4 menunjukkan irisan sebuah penukar panas dengan dua lintas pipa dan satu lintas cangkang bersekat-sekat lintang. Sekat-sekatnya dari tipe segmen. Tipe sekat ini dan tipe-tipe sekat yang khas lainnya ditunjukkan dalam Gb. 2-5. Dalam penukar panas bersekat, pola aliran di sisi cangkang adalah rumit. Seperti ditunjukkan dengan tanda-tanda panah, kadang-kadang aliran tegak-lurus pada pipa, kadang-kadang sejajar dengan pipa.

Penukar panas yang digambarkan dalam Gb. 2-4 mempunyai pelat-pipa (tube plate) yang terpasang mati di tiap ujung dan pipa-pipa dilaskan atau diregangkan (ex­panded) kedalam pelat-pelat itu. Jenis konstraksi ini biaya awalnya terendah, tetapi hanya dapat digunakan untuk beda suhu yang kecil antara fluida yang panas dan yang dingin karena tidak ada sarana untuk mencegah terjadinya tegangan termal yang di sebabkan oleh pemuaian yang berbeda antara pipa-pipa dan cangkang.

Sifat yang kurang menguntungkan lainnya adalah tidak dapatnya berkas pipa dicabut untuk dibersihkan. Kekurangan-kekurangan ini dapat diatasi dengan mengubah rancang-bangun dasarnya seperti ditunjukkan dalam Gb. 2-6. Dalam susunan ini satu pelat-pipa terpasang mati (fixed) tetapi pelat lainnnya dibautkan pada suatu tutup kepala-mengambang (floating head) yang memungkinkan berkas pipa bergerak relatif terhadap cangkang. Pelat-pipa-mengambang diklem di antara kepala-mengambang dan sebuah flens sehingga dimungkinkan untuk mengeluarkan  berkas  pipa untuk dibersihkan. Penukar panas yang ditun­jukkan dalam Gb.2-6 mempunyai satu lintas cangkang dan dua lintas pipa.

Untuk penerapan-penerapan khusus tertentu, seperti regenerator untuk turbin gas pesawat terbang atau mobil, laju perpindahan-panas per berat-satuan dan per volume-satuan menjadi perhatian yang utama. Penukar panas yang ringkas serta ringan untuk penggunaan ini telah diteliti oleh Kays dan London (1). Suatu rancang-bangun yang khas ditunjukkan dalam Gb. 2-7.