Anda mungkin telah mengenal beberapa peralatan industri seperti water heater, boiler, kondensor, evaporator, cooling tower, radiator, air cooler, dan lain-lain. Peralatan-peralatan tersebut merupakan sistem termal alat penukar kalor yang di dalamnya berlangsung proses pemanasan, atau proses pendinginan, atau proses penguapan, ataupun proses pengembunan untuk keperluan industri tertentu. Peralatan penukar kalor memegang peranan yang sangat strategis pada beragam instalasi industri seperti pada instalasi industri energi, industri kimia, industri minyak dan gas, industri makanan, minuman, serta instalasi industri manufaktur. Bagian terbesar dari energi yang diperlukan bagi berlangsungnya beragam proses industri akan diproses atau dikonversikan di dalam peralatan penukar kalor. Tanpa keberadaan peralatan tersebut, beragam proses yang diperlukan bagi proses industri energi, industri proses ataupun jenis industri lainnya tidak dapat direalisasi.
Konsumsi energi di sektor industri di Indonesia pada saat ini telah demikian tinggi dan akan terus meningkat lagi pada tahun-tahun mendatang seiring dengan pertumbuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk. Bagian terbesar dari energi yang diperlukan oleh instalasi industri setelah dipergunakan untuk keperluan berbagai proses di dalam peralatan penukar kalor, sisa energi panas tersebut akhirnya kemudian dibuang ke lingkungan. Apabila efisiensi energi pada beragam peralatan penukar kalor, serta pada mesin-mesin termal lainnya, dapat dijaga pada tingkat yang optimal maka upaya tersebut akan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap penghematan energi nasional. Kondisi optimal dapat terjadi apabila peralatan penukar kalor dapat bekerja dengan tingkat kinerja yang sebaik-baiknya. Agar peralatan penukar kalor dapat bekerja dengan tingkat kinerja yang tinggi maka peralatan tersebut harus dirancang dengan optimal. Perekayasaan peralatan penukar kalor, baik yang dilakukan pada saat peralatan masih dalam proses perancangan maupun pada saat dioperasikan pada instalasi industri, bertujuan untuk memperoleh kinerja yang optimal. Agar dapat memberikan kontribusi terhadap upaya tersebut maka pemahaman yang baik tentang teknologi peralatan penukar kalor menjadi modal yang berharga.
Tinjauan Singkat Jenis Penukar Kalor
Di dalam sebuah alat penukar kalor sejumlah tertentu energi panas mengalami proses perpindahan dari suatu aliran fluida panas ke aliran fluida lainnya yang temperaturnya lebih rendah. Proses perpindahan kalor tersebut berlangsung melalui perantaraan suatu permukaan dinding atau media pemisah dengan bentuk dan bahan yang beragam. Jenis dan ukuran alat penukar kalor sangatlah beragam dan masing-masing dirancang untuk memenuhi kebutuhan yang tertentu.
Pada sistem termal yang berfungsi untuk menghasilkan aliran uap air, aliran uap air dihasilkan dari proses pemanasan permukaan bagian luar tube oleh gas pembakaran. Pada bagian dalam tube disirkulasikan aliran air yang menyerap sejumlah energi panas yang berasal dari aliran gas panas melalui perantaraan permukaan dinding tube.
Dengan menyerap energi panas tertentu yang cukup besar jumlahnya maka air yang bersirkulasi di dalam tube dapat mendidih kemudian berubah fase dari cair menjadi uap. Aliran uap yang dihasilkan kemudian dapat dipergunakan untuk berbagai keperluan.
Gambar 1. Skema sederhana alat penukar kalor shell & tube satu dimensi
Sebuah contoh skema sederhana alat penukar kalor shell & tube satu dimensi diberikan pada Gambar 1. Pada alat ini aliran fluida di dalam tube dan aliran fluida yang bersirkulasi di bagian shell arahnya saling berlawanan, dan masing-masing hanya memiliki satu laluan. Di dalam bagian shell terdapat baffles atau sekat-sekat yang dipasang untuk maksud agar aliran fluida yang bersirkulasi di dalam shell melakukan kontak secara optimal dengan seluruh permukaan susunan tube agar efektifitas perpindahan panasnya lebih optimal.
Bagi alat penukar kalor yang berfungsi sebagai pendingin bagi suatu aliran fluida tertentu yang akan didinginkan untuk mencapai temperatur tertentu yang lebih rendah, maka harus memiliki aliran fluida kerja pendingin yang bersirkulasi di dalamnya. Aliran fluida pendingin dapat dialirkan ke dalam bagian tube atau ke dalam bagian shell, bergantung kepada kebutuhan. Namun, apabila dipergunakan air dingin sebagai fluida pendingin maka biasanya aliran fluida tersebut lebih disukai dialirkan ke dalam bagian dalam tube agar lebih mudah dalam hal perawatannya.
Alat penukar panas lain yang cukup populer bagi instalasi industri adalah alat penukar kalor jenis pelat, di mana skema sederhananya diperlihatkan pada Gambar 3. Permukaan dinding pemisah kedua aliran fluida, yang menjadi media perantara proses perpindahan panas, adalah permukaan susunan pelat logam yang terpasang di dalam alat tersebut. Aliran fluida panas maupun yang dingin bersirkulasi secara terpisah pada suatu saluran yang penampangnya terbentuk di antara dua pelat yang berdekatan.
Dinding pemisah di antara aliran fluida panas dan aliran fluida pendingin adalah permukaan pelat datar yang memiliki profil tertentu. Alat penukar kalor jenis ini terkenal sangat kompak, yaitu memiliki dimensi yang kecil sehingga lebih ringan namun memiliki kemampuan termal yang cukup besar. Salah satu faktor kelemahannya adalah bentuknya dengan profil permukaan yang kompleks sehingga tidak mudah dalam pembuatannya.
Gambar 2. Skema sederhana alat penukar kalor jenis pelat
Pertukaran Energi Panas Di antara Dua Aliran Fluida
Pada instalasi pembangkit tenaga uap, aliran uap panas bertekanan yang kemudian dipergunakan untuk menghasilkan daya turbin dihasilkan melalui proses pemanasan aliran air di dalam pipa-pipa boiler oleh gas panas pembakaran. Di dalam boiler terjadi proses pertukaran energi panas dari aliran gas panas ke aliran air melalui perantaraan permukaan dinding pipa-pipanya. Aliran air dingin menerima sejumlah tertentu energi panas dari aliran gas panas sehingga temperaturnya meningkat. Pada saat yang bersamaan, aliran gas panas melepaskan sejumlah tertentu energi panas sehingga temperaturnya menurun.
Pada instalasi pembangkit tenaga uap, aliran uap panas bertekanan yang kemudian dipergunakan untuk menghasilkan daya turbin dihasilkan melalui proses pemanasan aliran air di dalam pipa-pipa boiler oleh gas panas pembakaran. Di dalam boiler terjadi proses pertukaran energi panas dari aliran gas panas ke aliran air melalui perantaraan permukaan dinding pipa-pipanya. Aliran air dingin menerima sejumlah tertentu energi panas dari aliran gas panas sehingga temperaturnya meningkat. Pada saat yang bersamaan, aliran gas panas melepaskan sejumlah tertentu energi panas sehingga temperaturnya menurun.
Sekarang kita tinjau apa yang terjadi pada instalasi mesin pendingin. Di dalam alat evaporator instalasi mesin pendingin, aliran refrigeran yang bertemperatur rendah menyerap sejumlah tertentu energi panas dari aliran udara yang bertemperatur lebih hangat yang mengalir menyelimuti permukaan evaporator sehingga temperatur aliran udara tersebut menjadi lebih dingin. Dalam kasus ini, proses pertukaran energi panas berlangsung di antara aliran udara dengan aliran refrigeran, Aliran udara hangat mengalami proses pendinginan, dan pada saat yang bersamaan aliran refrigeran mengalami proses pemanasan sehingga energi total yang dikandungnya menjadi lebih tinggi. Sebaliknya, di dalam alat kondensor mesin pendingin, energi panas ditransmisikan dari aliran refrigeran yang bertemperatur lebih tinggi ke arah aliran udara yang bersirkulasi di sekitar permukaan kondensor.
Pada kebanyakan sistem termal yang terpasang pada instalasi industri, berlangsung pertukaran energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida lainnya yang mengalir di dalamnya, dan untuk memperkirakan laju pertukaran energi panas dapat dilakukan dengan menerapkan prinsip kesetimbangan energi pada kedua aliran fluida yang mengalir di dalamnya. Bagian di bawah ini akan membahas bagaimana menerapkan prinsip kesetimbangan energi pada sistem aliran fluida yang mengalami proses pemanasan dan/atau proses pendinginan, untuk kemudian memperkirakan kinerja termalnya. (bersambung)
Referensi: Teknik Perpindahan Energi Panas, Prof. Chandrasa Soekardi
Taufiqur Rokhman 