Susunan aliran dasar fluida dalam heat exchanger adalah sebagai berikut:

  • Aliran paralel (Parallel flow)
  • Arus balik (Counter flow)
  • Aliran silang (Cross flow)

Pilihan pengaturan aliran tertentu tergantung pada efektivitas exchanger yang diperlukan, jalur aliran fluida, pengemasan, tegangan termal yang diizinkan, tingkat suhu, dan lainnya kriteria desain.

Parallel flow Exchanger

Pada tipe ini, kedua aliran fluida masuk pada ujung yang sama, mengalir sejajar satu sama lain dalam arah yang sama. Pengaturan ini memiliki efektivitas exchanger terendah di antara exchanger single-pass untuk laju aliran yang sama, rasio laju kapasitas (massa × panas spesifik), dan luas permukaan. Selain itu, adanya perbedaan suhu yang besar di ujung saluran masuk dapat menyebabkan tegangan suhu tinggi pada dinding exchanger pada saluran masuk. Aliran paralel menguntungkan pada: (a) Dalam memanaskan cairan yang sangat kental, aliran paralel menyediakan pemanasan yang cepat. Perubahan viskositas yang cepat menghasilkan pengurangan daya pemompaan persyaratan melalui penukar panas, (b) di mana suhu logam rata-rata lebih moderat dari dinding tabung diperlukan, dan (c) di mana peningkatan laju perpindahan panas mengkompensasi penurunan LMTD. Meskipun pengaturan aliran ini tidak digunakan secara luas, tetapi lebih disukai karena alasan berikut:

  • Ketika ada kemungkinan bahwa suhu cairan yang lebih hangat dapat mencapai titik bekunya.
  • Ini memberikan inisiasi awal perebusan nukleat untuk aplikasi boiling.
  • Untuk exchanger yang seimbang (yaitu, rasio laju kapasitas panas C* = 1), efektivitas exchanger yang diinginkan rendah dan harus dipertahankan kira-kira konstan pada kisaran nilai NTU.
  • Fluida yang peka terhadap suhu seperti produk makanan, obat-obatan, dan produk biologis kecil. kemungkinannya untuk “rusak secara termal” dalam penukar panas aliran paralel.
  • Jenis pengotoran tertentu seperti pengotoran reaksi kimia, kerak, pengotoran korosi, dan, pembekuan pembekuan sensitif terhadap suhu. Di mana kontrol pengotoran peka suhu menjadi perhatian utama, adalah menguntungkan untuk menggunakan parallel flow.

Counterflow Exchanger

Pada tipe ini, dua fluida mengalir sejajar satu sama lain tetapi berlawanan arah, dan distribusi suhunya dapat diidealkan. Idealnya, ini adalah yang paling efisien dari semua pengaturan aliran untuk pengaturan single-pass di bawah parameter yang sama karena perbedaan suhu melintasi dinding penukar pada penampang tertentu adalah yang terendah, ini menghasilkan tekanan termal minimum di dinding untuk kinerja yang setara dibandingkan untuk pengaturan aliran lainnya. Dalam jenis heat exchanger tertentu, pengaturan aliran balik tidak dapat dirancang dengan mudah, karena kesulitan manufaktur yang terkait dengan pemisahan fluida di setiap ujungnya, dan desain header inlet dan outlet yang rumit dan sulit.

Crossflow Exchanger

Pada tipe ini, kedua fluida mengalir normal satu sama lain. Jenis penting dari kombinasi pengaturan aliran untuk exchanger crossflow single-pass meliputi:

  • Kedua fluida tidak tercampur
  • Satu fluida tidak tercampur dan fluida lainnya tercampur
  • Kedua fluida bercampur

Aliran fluida dianggap “tidak tercampur” ketika melewati bagian aliran individu tanpa pencampuran cairan antara bagian aliran yang berdekatan. Pencampuran menyiratkan bahwa proses rata-rata termal membutuhkan tempatkan di setiap penampang melintang di seluruh lebar saluran aliran. Exchanger tube-fin dengan flat fins (kontinu) dan exchanger plate-fin dimana dua cairan mengalir di bagian yang terpisah (misalnya, sirip bergelombang, jalur aliran persegi panjang atau segitiga kontinu polos) mewakili kasus. Crossflow tubular exchanger di luar akan diperlakukan sebagai kasus campuran, yaitu, tidak tercampur di sisi tabung dan dicampur di luar. Kasus campuran kedua cairan praktis merupakan kasus yang kurang penting dan mewakili kasus pembatas dari beberapa shell dan tube multipass (TEMA E dan J shell).

Untuk kasus tidak tercampur, variasi suhu fluida diidealkan sebagai dua dimensi hanya untuk bagian inlet dan outlet. Efektivitas termal untuk jenis crossflow berada di antara pengaturan aliran paralel dan aliran berlawanan. Ini adalah pengaturan aliran yang paling umum digunakan untuk heat exchanger permukaan diperpanjang karena sangat menyederhanakan desain header. Jika efektivitas heat exchanger yang diinginkan umumnya lebih dari 80%, ukuran toleransi untuk crossflow dapat menjadi berlebihan. Dalam kasus seperti itu, unit counterflow lebih disukai. Di shell and tube exchanger, pengaturan crossflow digunakan di shell TEMA X memiliki single tube pass.

Susunan aliran pada heat exchanger sangat erat kaitanya dengan mekanika fluida. Salah satu metode yang paling umum untuk mendesain suatu sistem heat exchanger adalah menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD), yaitu metode menyelesaikan persamaan-persamaan mekanika fluida bahkan reaksi kimia menggunakan komputer, sehingga diperoleh hasil yang komprehensif dan detail.

Kontributor: Daris Arsyada

Sumber:

Thulukkanam, Kuppan. 2013. Heat Exchanger Design Handbook. New York: CRC Press.