Heat Exchanger — Jenis dan Desain

Desain heat exchanger berarti memilih peralatan yang dapat memindahkan sejumlah panas yang dibutuhkan dari fluida yang lebih panas ke fluida yang lebih dingin tanpa area yang berlebihan, pressure drop yang terlalu besar, atau masalah fouling. Pada sebagian besar desain, fluida tetap terpisah dan bertukar panas melalui dinding seperti pipa atau pelat.

Cara cepat memikirkannya adalah: tentukan dulu beban panasnya, lalu periksa apakah jenis heat exchanger dan susunan aliran yang nyata dapat memberikan beban tersebut dalam batas praktis.

Desain Heat Exchanger Dimulai dari Beban Panas

Target desain pertama adalah beban panas $Q$. Jika suatu fluida tidak mengalami perubahan fase dan kalor jenisnya kira-kira konstan pada rentang suhu tersebut, perkiraan yang umum adalah

$$Q = \dot m c_p \Delta T$$

dengan $\dot m$ adalah laju aliran massa, $c_p$ adalah kalor jenis, dan $\Delta T$ adalah perubahan suhu fluida.

Pada heat exchanger yang terisolasi dengan baik, panas yang dilepas oleh aliran panas kira-kira sama dengan panas yang diterima oleh aliran dingin:

$$Q_{hot} \approx Q_{cold}$$

Neraca ini adalah titik awalnya. Memperkirakan luas permukaan sebelum bebannya jelas biasanya menghasilkan desain yang salah.

Jenis Heat Exchanger yang Umum dan Kapan Cocok Digunakan

Shell-and-tube mengalirkan satu fluida melalui pipa-pipa dan fluida lainnya mengalir di sekelilingnya di dalam shell. Tipe ini umum digunakan saat tekanan atau suhu tinggi, saat kekuatan mekanik penting, atau saat fluida cukup kotor sehingga kemudahan pembersihan menjadi penting.

Plate menumpuk pelat-pelat tipis untuk membentuk banyak saluran aliran sempit. Tipe ini sering memindahkan panas dengan efisien dalam ruang yang ringkas, sehingga menarik untuk aplikasi cairan-ke-cairan, tetapi beberapa desain kurang tahan terhadap fouling atau batas gasket.

Compact atau finned berguna ketika salah satu sisi, sering kali udara, memiliki koefisien perpindahan panas yang relatif rendah. Sirip menambah luas area sehingga heat exchanger dapat memindahkan lebih banyak panas tanpa menjadi terlalu besar.

Mengapa Susunan Aliran Mengubah Kinerja

Perangkat keras yang sama dapat disusun sehingga fluida bergerak dengan cara yang berbeda, dan ini mengubah gaya pendorong suhu rata-ratanya.

Parallel flow berarti kedua fluida bergerak ke arah yang sama. Ini mudah dibayangkan, tetapi beda suhu sering turun dengan cepat sepanjang panjang heat exchanger.

Counterflow berarti kedua fluida bergerak ke arah yang berlawanan. Untuk suhu masuk dan keluar yang sebanding, susunan ini sering memberikan gaya pendorong suhu rata-rata yang lebih besar daripada parallel flow, sehingga dapat membutuhkan area yang lebih kecil untuk beban panas yang sama.

Crossflow berarti kedua aliran bergerak kira-kira saling tegak lurus. Ini umum pada radiator dan peralatan pendingin udara.

Hubungan Sizing Utama: LMTD

Untuk model tunak sederhana dengan koefisien perpindahan panas menyeluruh $U$ yang terdefinisi cukup baik, perancang sering menggunakan

$$Q = U A \Delta T_{lm}$$

Di sini $A$ adalah luas perpindahan panas dan $\Delta T_{lm}$ adalah beda suhu rata-rata logaritmik. Untuk model counterflow atau parallel flow,

$$\Delta T_{lm} = \frac{\Delta T_1 - \Delta T_2}{\ln(\Delta T_1 / \Delta T_2)}$$

Ini berguna untuk sizing awal, bukan jalan pintas universal. Jika heat exchanger memiliki banyak lintasan, perubahan sifat yang besar, perubahan fase, atau kehilangan panas yang signifikan, model ini perlu digunakan dengan lebih hati-hati. Model ini juga mengasumsikan bahwa beda suhu di kedua ujung bermakna secara fisik dan tidak turun menjadi nol.

Contoh Perhitungan: Perkirakan Beban Panas dan Luas Area

Misalkan sebuah heat exchanger counterflow air-ke-air mendinginkan aliran air panas dari $80^\circ\mathrm{C}$ menjadi $50^\circ\mathrm{C}$. Laju aliran massa sisi panas adalah $\dot m_h = 0.20\ \mathrm{kg/s}$, dan pada rentang ini kita gunakan $c_p \approx 4180\ \mathrm{J/(kg \cdot K)}$ untuk air.

Beban panas yang dibutuhkan dari sisi panas adalah

$$Q = \dot m_h c_p \Delta T_h$$ $$Q = (0.20)(4180)(80 - 50) = 25{,}080\ \mathrm{W}$$

Jadi heat exchanger harus memindahkan sekitar $25.1\ \mathrm{kW}$.

Sekarang misalkan aliran dingin memanas dari $20^\circ\mathrm{C}$ menjadi $45^\circ\mathrm{C}$, dan perkiraan awal memberikan $U = 500\ \mathrm{W/(m^2 \cdot K)}$.

Untuk counterflow,

$$\Delta T_1 = 80 - 45 = 35\ \mathrm{K}$$ $$\Delta T_2 = 50 - 20 = 30\ \mathrm{K}$$

Maka

$$\Delta T_{lm} = \frac{35 - 30}{\ln(35/30)} \approx 32.4\ \mathrm{K}$$

Gunakan hubungan sizing:

$$A = \frac{Q}{U \Delta T_{lm}}$$ $$A = \frac{25{,}080}{(500)(32.4)} \approx 1.55\ \mathrm{m^2}$$

Jadi perkiraan awal untuk luas area yang dibutuhkan adalah sekitar $1.55\ \mathrm{m^2}$.

Ini hanya perhitungan awal. Jika fouling diperkirakan terjadi, jika geometri yang dipilih mengubah $U$, atau jika batas pressure drop memaksa aliran lebih lambat, luas area yang dibutuhkan bisa bertambah.

Kesalahan Umum dalam Desain Heat Exchanger

Menganggap $U$ sebagai konstanta material yang tetap

$U$ bukan hanya sifat dari material dinding. Nilai ini mencerminkan seluruh jaringan tahanan, termasuk konveksi di kedua sisi, konduksi dinding, dan sering kali fouling. Mengubah kecepatan aliran atau kondisi fluida dapat banyak mengubah $U$.

Menentukan luas area sebelum memeriksa neraca energi

Jika beban panas yang dibutuhkan salah, perkiraan luas area juga akan salah. Alur desain yang baik dimulai dengan memeriksa neraca energi sisi panas dan sisi dingin.

Mengabaikan pressure drop

Sebuah heat exchanger bisa tampak efektif secara termal tetapi tetap gagal sebagai desain jika menyebabkan biaya pemompaan terlalu besar atau kehilangan tekanan terlalu tinggi untuk proses tersebut.

Melupakan perawatan dan fouling

Heat exchanger yang ringkas tidak otomatis menjadi pilihan terbaik. Fluida kotor mungkin memerlukan desain yang lebih mudah dibersihkan, meskipun ukurannya lebih besar.

Meminta suhu keluar yang mustahil

Target suhu keluar tetap harus mengikuti arah aliran panas. Pada heat exchanger sederhana tanpa masukan kerja eksternal, aliran dingin tidak dapat keluar lebih panas daripada suhu masuk aliran panas kecuali konfigurasi dan asumsi benar-benar mendukung hasil tersebut.

Di Mana Heat Exchanger Digunakan

Heat exchanger digunakan di pembangkit listrik, sistem refrigerasi, proses kimia, pendinginan pusat data, mesin, tata udara, dan pengolahan makanan. Logika desain yang sama muncul di semuanya: cocokkan beban termal dengan geometri yang praktis di bawah batas operasi yang nyata.

Coba Kasus Heat Exchanger yang Mirip

Ubah satu asumsi pada contoh dan prediksi hasilnya sebelum menghitung ulang. Turunkan $U$ untuk memodelkan fouling, atau ubah salah satu suhu keluar dan lihat bagaimana luas area yang dibutuhkan berubah. Jika Anda ingin kasus latihan lain, coba versi Anda sendiri di GPAI Solver.