Penukar panas dalam praktik: jenis cangkang-tabung, pelat, dan koil, memeriksa ukuran dengan LMTD, pengotoran, pendekatan suhu, pembersihan, uji kebocoran, dan diagnosis

Sebuah laundry memasang penukar panas pelat untuk memanfaatkan panas air buang mesin cuci. Air buang panas dari tangki penampung dipompa melewati satu sisi pelat, dan air sumur dingin yang menuju tangki air panas melewati sisi lainnya. Pada bulan-bulan pertama, air sumur yang keluar dari penukar panas mencapai sekitar 45 °C, dan pemakaian bahan bakar boiler turun. Enam bulan kemudian, suhunya tinggal 32 °C, beda tekanan di sisi air buang naik tiga kali, dan operator boiler bertanya apakah penukar panas itu masih berguna.

Teknisi membuka rangka pelat dan menemukan celah antarpelat di sisi air buang tertutup lapisan serat kain bercampur lemak dan sabun. Tidak ada saringan serat di depan penukar panas. Uji konduktivitas air di sisi air bersih juga menunjukkan kenaikan, tanda sebagian air buang merembes melalui gasket yang rusak ke air yang akan dipakai untuk mencuci. Penukar panas adalah alat sederhana tanpa bagian bergerak, tetapi kinerjanya bergantung pada kebersihan permukaan, aliran yang benar, dan pemisahan dua fluidanya. Bab ini menjelaskan cara memeriksa ketiganya dengan angka.

Batas pembahasan

Bab ini membahas penukar panas cairan dan uap di laundry, dapur, dan utilitas dari sisi teknisi: neraca panas, jenis, arah aliran, pendekatan suhu, pemeriksaan ukuran dengan LMTD, rugi tekan, pengotoran, pemantauan, pembersihan, uji kebocoran, dan diagnosis. Rancangan termal rinci tidak dibahas. Teori konduksi, konveksi, koefisien menyeluruh, dan LMTD ada di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif; hukum pertama termodinamika dan aliran tunak di Bab 16 · Fisika; pompa dan penukar panas dasar di Bab 3; pemulihan panas air buang di Bab 11 · Utilitas tentang efisiensi energi utilitas laundry; uap dan kondensat di Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat; pencegahan aliran balik di Bab 11 · Bangunan & Fasilitas; kerak di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan dan pengendapan; biofilm di Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi; isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan; bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Neraca panas

Penukar panas (heat exchanger) adalah alat yang memindahkan panas dari satu fluida ke fluida lain melalui dinding pemisah, tanpa mencampurkan keduanya. Neraca panas (heat balance) adalah persamaan yang menyatakan bahwa panas yang dilepas fluida panas sama dengan panas yang diterima fluida dingin, dikurangi kehilangan ke sekitar, seperti hukum pertama di Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika:

dengan $Q$ laju panas (kW), $\dot{m}$ debit massa (kg/s), $c_p$ kalor jenis (kJ/(kg·K), sekitar 4,18 untuk air), dan $T$ suhu masuk dan keluar setiap sisi (°C); indeks $h$ untuk sisi panas dan $c$ untuk sisi dingin. Persamaan ini adalah alat pemeriksaan pertama di lapangan: dari debit dan tiga suhu, suhu keempat dapat diperkirakan, dan bila hasil ukur jauh berbeda, ada debit atau termometer yang salah, atau ada kehilangan dan kebocoran.

Laju kapasitas panas (heat capacity rate) adalah hasil kali $\dot{m}\, c_p$ satu sisi. Sisi dengan laju kapasitas lebih kecil mengalami perubahan suhu lebih besar.

Jenis penukar panas

Jenis yang umum di gedung dan laundry:

1. Cangkang dan tabung: berkas tabung di dalam cangkang silinder. Sekat di dalam cangkang mengarahkan aliran dan menyangga tabung, dan fluida pendingin yang korosif ditempatkan di sisi tabung. Fluida yang kotor atau berkerak juga sering ditempatkan di sisi tabung karena lebih mudah dibersihkan. Banyak dipakai untuk uap ke air dan untuk tekanan tinggi.
2. Pelat bergasket: pelat logam tipis bergelombang yang dijepit dalam rangka, dengan gasket yang menyekat dan mengarahkan aliran. Penukar panas pelat lebih luwes karena pelat tambahan mudah ditambahkan. Efisien dan ringkas, tetapi celahnya sempit sehingga peka terhadap serat dan padatan.
3. Pelat dibrasing: pelat yang disambung permanen tanpa gasket; ringkas dan tahan tekanan, tetapi tidak dapat dibuka untuk dibersihkan secara mekanis.
4. Pipa ganda dan jepit rambut: pipa di dalam pipa; salah satu ragam penukar pipa ganda berbentuk jepit rambut. Cocok untuk debit kecil dan fluida kotor.
5. Spiral: dua saluran lebar yang digulung, disebut juga penukar panas pelat spiral. Tahan terhadap padatan dan serat, cocok untuk air buang.
6. Koil di dalam tangki: pipa uap atau air panas yang digulung di dalam tangki air, seperti pada pemanas air bertangki.

Aliran searah dan berlawanan, serta pendekatan suhu

Pada aliran searah (parallel flow), kedua fluida masuk dari ujung yang sama; pada aliran berlawanan (counterflow), masuk dari ujung yang berlawanan. Kondensor pun dapat dimodelkan sebagai penukar aliran berlawanan sederhana. Aliran berlawanan memungkinkan suhu keluar fluida dingin lebih tinggi dari suhu keluar fluida panas, sesuatu yang mustahil pada aliran searah. Pada kasus pembuka, susunan searah akan mempertemukan air buang yang keluar pada 36 °C dengan air sumur 45 °C di ujung yang sama; fluida dingin tidak dapat lebih panas dari fluida panas di sampingnya, sehingga susunan searah tidak dapat mencapai sasaran itu berapa pun luasnya.

Pendekatan suhu (temperature approach) adalah selisih suhu terkecil di antara kedua fluida, biasanya di salah satu ujung. Bila pendekatan suhu terkecil diperbesar, biaya modal turun tetapi energi yang dipulihkan berkurang. Pendekatan yang sangat kecil memerlukan luas yang sangat besar; untuk pemulihan panas air buang, pendekatan beberapa derajat sampai belasan derajat sering menjadi kompromi. Pada kasus pembuka, menaikkan sasaran air sumur dari 45 menjadi 50 °C dengan air buang yang sama memerlukan $2{,}4 \times 4{,}18 \times 25 = 250{,}8$ kW, air buang turun ke $60 - 250{,}8/(2 \times 4{,}18) = 30$ °C, dan beda suhu di kedua ujung tinggal 10 dan 5 K, sehingga dengan $U$ yang sama seperti Contoh 3, luas yang diperlukan naik menjadi 11,6 m², lebih dari dua kali luas untuk 45 °C.

Memeriksa ukuran dengan LMTD

Beda suhu rata-rata logaritmik (log mean temperature difference, LMTD) adalah rata-rata beda suhu kedua fluida sepanjang penukar panas, dihitung dari beda suhu di kedua ujungnya. Laju perpindahan panas dihubungkan dengan luas melalui koefisien menyeluruh dan LMTD, seperti dijelaskan di Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif:

dengan $Q$ laju panas (W), $U$ koefisien menyeluruh (W/m²K), $A$ luas permukaan (m²), $\Delta T_1$ dan $\Delta T_2$ beda suhu kedua fluida di kedua ujung (K), dan $F$ faktor koreksi untuk susunan yang bukan aliran berlawanan murni, bernilai 1 untuk aliran berlawanan. Luas yang diperlukan naik bila beda suhu rata-rata logaritmik mengecil, dan faktor koreksi beda suhu rata-rata logaritmik juga ditetapkan untuk penukar panas pelat.

Rentang $U$ yang umum untuk keadaan bersih: air ke air di penukar pelat sekitar 2.000 sampai 5.000 W/m²K; air ke air di cangkang-tabung sekitar 800 sampai 1.500 W/m²K; uap ke air sekitar 1.000 sampai 3.000 W/m²K. Dengan angka-angka ini, teknisi dapat memeriksa apakah luas penukar panas yang ditawarkan atau terpasang masuk akal untuk tugasnya.

Rugi tekan

Rancangan penukar panas dicapai dengan memenuhi perpindahan panas yang diperlukan tanpa melampaui rugi tekan yang diizinkan. Kecepatan yang lebih tinggi menaikkan koefisien perpindahan panas dan mengurangi pengotoran, sehingga kecepatan tinggi di tabung dipakai untuk mengurangi pengotoran. Namun, rugi tekan naik kira-kira dengan kuadrat kecepatan pada aliran turbulen, sehingga pompa harus mampu.

Beda tekanan di setiap sisi pada debit yang diketahui adalah angka pemantauan yang penting. Beda tekanan yang naik pada debit yang sama menunjuk penyumbatan atau pengotoran; beda tekanan yang turun menunjuk debit yang turun, saluran pintas, atau gasket yang bergeser.

Pengotoran dan pemantauan kinerja

Pengotoran (fouling) adalah lapisan yang menumpuk di permukaan perpindahan panas dan menambah hambatan termal:

1. Kerak: kalsium karbonat dan garam lain yang mengendap di permukaan panas, seperti di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan, pengendapan, dan kecenderungan kerak.
2. Endapan dan lumpur: padatan dari air kotor yang mengendap di bagian beraliran lambat.
3. Serat dan lemak: khas air buang laundry dan dapur, menyumbat celah penukar pelat.
4. Biofilm: lapisan mikroba pada air hangat yang mengandung bahan organik, seperti di Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi tentang biofilm di pipa, tangki, dan mesin.
5. Korosi: produk korosi yang menebal di permukaan.

Faktor pengotoran (fouling factor) $R_f$ (m²K/W) adalah hambatan termal tambahan dari lapisan kotor per satuan luas. Pengaruhnya pada koefisien menyeluruh:

Koefisien pengotoran dapat dipakai untuk setiap sisi bila kedua fluida tidak banyak mengotori, dan pengotoran adalah salah satu pertimbangan rancangan. Karena $U$ penukar pelat bersih sangat tinggi, lapisan tipis saja sudah menurunkannya banyak; penukar pelat lebih peka terhadap pengotoran dari cangkang-tabung.

Pemantauan kinerja

Dari debit dan empat suhu, $U$ sebenarnya dapat dihitung dan dibandingkan dengan nilai saat bersih:

1. Catat debit kedua sisi, keempat suhu, dan beda tekanan kedua sisi pada keadaan kerja yang mirip.
2. Hitung $Q$ dari neraca panas kedua sisi; selisih yang besar menunjuk alat ukur yang salah.
3. Hitung $\Delta T_{\text{lm}}$ dan $U = Q/(A\, F\, \Delta T_{\text{lm}})$.
4. Gambar tren $U$ dan beda tekanan terhadap waktu; tetapkan batas pembersihan, misalnya ketika $U$ turun ke sekitar 60 sampai 70 persen nilai bersih.

Pemantauan sederhana tanpa menghitung $U$ juga berguna: pendekatan suhu yang melebar dan beda tekanan yang naik pada debit yang sama hampir selalu berarti pengotoran.

Pembersihan

Cara pembersihan bergantung pada jenis penukar panas dan kotorannya:

1. Saringan di hulu: cara terbaik untuk penukar pelat yang menerima air buang adalah mencegah serat masuk.
2. Pembersihan di tempat: larutan pembersih disirkulasikan tanpa membongkar; asam untuk kerak, alkali dan deterjen untuk lemak dan bahan organik, menurut petunjuk pembuat dan ketahanan gasket.
3. Pembongkaran penukar pelat: rangka dikendurkan, pelat dilepas satu per satu, dibersihkan dengan sikat lembut, dan dirakit kembali dengan urutan dan arah yang benar serta jarak jepit sesuai pelat nama.
4. Penyikatan tabung: tabung cangkang-tabung dibersihkan dengan sikat atau semprotan air tekanan tinggi dari sisi yang dapat dibuka.
5. Penggantian gasket: gasket yang keras, retak, atau bergeser diganti dengan bahan yang sesuai suhu dan bahan kimianya.

Setelah pembersihan, debit, keempat suhu, dan beda tekanan dicatat lagi sebagai angka acuan baru, dan uji kebocoran dilakukan sebelum penukar panas dipakai untuk air bersih. Selang waktu antara dua pembersihan dicatat; bila selang itu makin pendek, sumber kotoran di hulu, seperti saringan yang rusak atau kesadahan yang naik, dicari dan diperbaiki, tidak hanya pembersihannya yang dipercepat. Pembersihan dengan bahan kimia mengikuti aturan penanganan di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi, dan pembongkaran mengikuti isolasi energi di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik: kedua sisi diisolasi, tekanannya dibuang, dan suhu dibiarkan turun.

Uji kebocoran dan pencampuran

Kebocoran di penukar panas dapat terjadi ke luar, misalnya tetesan di tepi gasket, atau ke dalam, yaitu satu fluida merembes ke fluida lainnya. Kebocoran ke dalam lebih berbahaya karena tidak terlihat. Penukar panas dan bejana dengan ruang di dalamnya juga harus dilindungi dari tekanan lebih bila terjadi kegagalan di dalam.

Cara memeriksa:

1. Uji tekan satu sisi: satu sisi diberi tekanan dengan sisi lain terbuka dan diamati; tetesan atau aliran di sisi terbuka menunjuk kebocoran.
2. Uji penanda: zat warna atau penanda lain yang aman dimasukkan ke satu sisi, lalu sisi lain diperiksa.
3. Konduktivitas atau parameter lain: bila kedua fluida berbeda konduktivitas, kenaikan konduktivitas sisi bersih menunjuk pencampuran.
4. Tekanan relatif: sisi yang harus dilindungi, misalnya air bersih, dijaga bertekanan lebih tinggi dari sisi kotor, sehingga kebocoran mengalir ke arah yang aman.
5. Penukar dinding ganda: untuk memanaskan air minum dari fluida yang tidak aman, dipakai penukar dengan dua dinding dan ruang bocor yang terlihat, menurut ketentuan yang berlaku dan Bab 11 · Bangunan & Fasilitas tentang pencegahan aliran balik.

Diagnosis

Pola yang umum:

1. Suhu keluar sisi dingin turun, beda tekanan naik: pengotoran atau penyumbatan; periksa saringan dan bersihkan.
2. Suhu keluar sisi dingin turun, beda tekanan turun: debit sisi panas turun, pompa bermasalah, atau katup tertutup sebagian.
3. Neraca panas tidak seimbang: termometer atau meter debit salah, kebocoran ke dalam, atau kehilangan panas besar.
4. Konduktivitas atau bau di sisi bersih: kebocoran ke dalam; hentikan pemakaian air dan uji kebocoran.
5. Tetesan di tepi: gasket rusak atau jarak jepit salah.
6. Pada koil uap, pemanasan lambat dan palu air: kondensat tidak terbuang; periksa perangkap uap seperti di Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: neraca panas. Air buang 2 kg/s didinginkan dari 60 menjadi 36 °C, memberi $Q = 2 \times 4{,}18 \times 24 = 200{,}6$ kW. Air sumur 2,4 kg/s dari 25 °C menerima panas yang sama, sehingga naik $200{,}6/(2{,}4 \times 4{,}18) = 20$ K menjadi 45 °C.

Contoh 2: LMTD aliran berlawanan. Di ujung masuk air buang, $\Delta T_1 = 60 - 45 = 15$ K; di ujung lainnya, $\Delta T_2 = 36 - 25 = 11$ K. $\Delta T_{\text{lm}} = (15 - 11)/\ln(15/11) = 4/0{,}310 = 12{,}9$ K.

Contoh 3: luas yang diperlukan. Dengan $U = 3.000$ W/m²K untuk penukar pelat bersih (diambil dari rentang $U$ di atas) dan $F = 1$, $A = 200.600/(3.000 \times 12{,}9) = 5{,}2$ m².

Contoh 4: pengaruh pengotoran. Dengan faktor pengotoran 0,0002 m²K/W, $1/U_{\text{kotor}} = 1/3.000 + 0{,}0002 = 0{,}000533$, jadi $U_{\text{kotor}} = 1.875$ W/m²K, sekitar 37 persen lebih rendah dari keadaan bersih.

Contoh 5: U dari data lapangan. Enam bulan kemudian, air sumur hanya naik dari 25 menjadi 32 °C, sehingga $Q = 2{,}4 \times 4{,}18 \times 7 = 70{,}2$ kW, dan air buang turun $70{,}2/(2 \times 4{,}18) = 8{,}4$ K menjadi 51,6 °C. $\Delta T_1 = 60 - 32 = 28$ K dan $\Delta T_2 = 51{,}6 - 25 = 26{,}6$ K, sehingga $\Delta T_{\text{lm}}$ sekitar 27,3 K. $U = 70.200/(5{,}2 \times 27{,}3) = 495$ W/m²K, kira-kira seperenam nilai bersih: penukar panas sangat kotor.

Contoh 6: pencampuran dari konduktivitas. Air sumur 300 µS/cm, air buang 1.500 µS/cm, dan air di sisi bersih setelah penukar panas terukur 450 µS/cm. Bagian air buang yang tercampur sekitar $(450 - 300)/(1.500 - 300) = 0{,}125$, yaitu 12,5 persen, angka yang jelas menunjuk kebocoran besar.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia atau pemilik bila:

1. Penukar panas akan dibuka tanpa kedua sisi diisolasi, tekanan dibuang, dan suhu turun.
2. Ada tanda pencampuran fluida kotor ke air bersih, sementara air itu masih dipakai.
3. Penukar panas uap tidak mempunyai katup pengaman atau perlindungan tekanan lebih yang disyaratkan.
4. Bahan kimia pembersih akan dipakai tanpa memeriksa ketahanan pelat dan gasket serta tanpa alat pelindung.
5. Pelat atau gasket akan diganti dengan jenis lain tanpa petunjuk pembuat.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 24 · Fisika tentang perpindahan panas kuantitatif memberi teori koefisien menyeluruh dan LMTD, Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika memberi neraca energi, dan Bab 3 tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi memberi dasar pompa dan penukar panas. Bab 11 · Utilitas tentang efisiensi energi utilitas laundry membahas pemulihan panas, dan Bab 5 · Utilitas tentang distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat membahas sisi uap. Bab 11 · Bangunan & Fasilitas tentang pencegahan aliran balik, Bab 16 · Kimia tentang kerak, dan Bab 5 · Biologi & Mikrobiologi tentang biofilm menjelaskan aliran balik dan dua sumber pengotoran. Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik dan Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi mengatur pembongkaran dan pembersihan. Bab 8 tentang pemanasan tangki dan pengadukan melanjutkan rak ini.

Latihan dan pembahasan