Plate and Frame Heat Exchanger (UHT)

Setelah beberapa waktu lalu kita membahas megenai heat exchanger (HE) secara umum, kali ini kita akan bahas salah satu jenis dari HE yang sering dipakai di industri makanan dan industri proses.

Plate Heat Exchanger

Sesuai dengan namanya, plate heat exchanger (PHE) adalah alat penukar kalor dengan bentuk plat. Komponen utama dari PHE adalah plat-plat yang tersusun berjajar sebagai tempat perpindahan panas. Nama lain dari unit plate heat exchanger adalah plate and frame heat exchanger. Adanya nama "frame" disebabkan karena memang selain plat-plat sebagai komponen utama ada komponen "frame" yang berfungsi sebagai penyangga unit yang terletak di bagian pinggir. 

Gambar di bawah ini menunjukkan geometri dari PHE secara umum:

Plate Heat Exchanger

Sumber: Katalog PT. Güntner Indonesia

Gambar di atas saya ambil dari tempat kerja praktek saya di PT. Güntner Indonesia, Pasuruan. 

Keterangan:

1.      Fixed pressure plate 2.      Starter plate 3.      Heat exchanger plate with gasket 4.      End plate 5.      Moveable pressure plate

6.      Upper carrying bar 7.      Lower carrying bar 8.      Support 9.      Tightening bolt 10.  Stud bolt connection

Secara umum, komponen utama dari unit PHE terbagi menjadi tiga, yaitu, plat, frame, dan gasket. Kita akan bahas satu per satu.

1. Plat

Komponen plat pada PHE berfungsi sebagai tempat mengalirnya fluida panas dan fluida dingin. Bentuk dan pola dari plat sangat menentukan proses perpindahan panas yang terjadi. Setiap plat dibentuk dengan menatah/membuat cekungan sehingga terbentuk pola yang bergelombang pada permukaannya. Pola yang bergelombang (corrugated pattern) ini menyebabkan jalur aliran yang berdekatan, berliku-liku, yang dapat meningkatkan perpindahan panas dan mengurangi endapan/fouling yang terjadi dengan meningkatnya tegangan geser dan turbulensi aliran. Nilai koefisien perpindahan panas yang terjadi lebih tinggi jika dibandingakan dengan STHE dengan kapasitas yang sama. Pola yang bergelombang ini juga menghasilkan luas permukaan efektif meningkat karena banyaknya kontak yang terjadi antara fluida dan permukaan plat yang dapat mempertahankan beda tekanan yang terjadi antarplat yang berdekatan. Tebal plat minimum adalah 0,6 mm (0,024 in.), yang dapat digunakan hingga tekanan operasi 230 psig, terutama jika menggunakan pola gelombang silang (cross corrugated), yaitu pola herringbone atau pola chevron [1].

Plat pada PHE

Sumber: http://i00.i.aliimg.com/photo/v1/560732278/Plate_Heat_Exchanger_Plates.jpg

Pola Plat (a) washboard; (b) zigzag; (c) chevron/herringbone; protrusions and depressions; (e) washboard with secondary corrugation; (f) oblique washboard

Sumber: Shah dan Sekulic, 2003

Pola plat yang paling umum digunakan adalah pola "herringbone" atau nama lainnya adalah "chevron". 

Pola plat chevron

Sumber: Thulukkanam, 2013

Salah satu kelebihan dari pola chevron ini adalah terbentuknya turbulensi aliran pada kecepatan rendah (0,1-1 m/s) [3], dan juga dapat menahan tekanan yang tinggi meskipun dengan ketebalan plat yang tipis. 

Material yang sering digunakan seperti stainless steel (AISI 304 atau 316) dan titanium, selain itu ada yang terbuat dari Incoloy 825, Inconel 625, dan Hastelloy. Nickel, cupronickel, dan monel jarang digunakan, sementara material carbon steel tidak digunakan karena sifatnya yang mudah karatan/tidak tahan korosi. Material dari grafit dan polimer sering digunakan untuk fluida yang bersifat korosif.  

2. Gasket

Gasket

Sumber: http://w28.indonetwork.co.id/pdimage/21/2970921_gasket.jpg

Gasket pada PHE berfungsi untuk mengatur aliran fluida, yang membatasi aliran fluida agar tidak bercampur satu sama lain. Dari semua komponen yang ada pada unit PHE, gasket merupakan komponen yang paling sering diganti, karena setiap pembongkaran PHE sebagian besar gasket sudah tidak dapat digunakan lagi karena mengalami deformasi bentuk (gepeng). Material gasket harus memiliki ketahanan terhadap reaksi kimia dan temperatur yang tinggi, dan juga dapat digunakan dalam periode waktu yang lama. Ada dua metode yang digunakan untuk memasang gasket pada plat, pertama adalah dengan metode pengeleman (glue type) dan tanpa pengeleman (glue free) . Di bawah ini adalah beberapa material yang digunakan sebagai gasket pada PHE.

Material gasket	Nama generik	Temperatur operasi maksimal (oC)	Aplikasi	Keterangan
Karet alam	cis 1,4-poliisoprena	70	Pelarut oksigen, asam, alcohol
SBR (styrene butadiene)		80	Alkali, asam, pelarut beroksigen, dan cairan lain	Ketahanan terhadap minyak buruk
Neoprene	trans-1,4-polychloroprene	70	Alkohol, alkali, asam, pelarut hidrokarbon alifatik
Nitrile		100-400	Susu, jus buah, minuman, obat-obatan, dan aplikasi biokimia, minyak, bensin, minyak nabati dan hewani, pelarut organic alifatik	Tahan terhadap bahan berminyak
Butyl		120-150	Alkali, asam, minyak nabati dan hewani, aldehida, keton, fenol, dan beberapa ester	Ketahanan terhadap minyak buruk, cocok untuk proses UHT pada susu, tahan terhadap asam anorganik hingga 150oC
Ethylene propylene (EPDM)		140	Alkali, pelarut beroksigen	Tidak cocok untuk fluida berminyak
Karet silikon	Polydimethyl-siloxane	140	Untuk fluida bertemperatur rendah, alcohol, sodium, hipoklorit
Karet berfluorin		175	Cocok untuk cairan bertemperatur tinggi, minyak mineral, bensin, pelarut organik, minyak nabati dan hewani
Fiber asbestos terkompresi		200-260	Pelarut organik dan cairan bertemperatur tinggi

Sumber: Shah dan Sekulic, 2003

3. Frame

Frame berfungsi sebagai penyangga unit PHE. Frame terletak di tepi unit PHE yang mana akan mengapit susunan plat di dalamnya. Bentuk frame diklasifikasikan menjadi tipe B frame, C frame, dan F frame. Tipe B frame digunakan untuk PHE berukuran besar (memiliki susunan plat yang banyak), tipe C frame untuk PHE berukuran kecil, dan tipe F frame untuk PHE berukuran sedang. Material frame biasanya adalah carbon steel yang dilapisi lapisan antikarat. Untuk aplikasi yang ketat, misalnya pada proses pengolahan obat-obatan, dan pada industri susu atau minuman ringan, maka material stainless steeldigunakan. Stainless steel dengan lapisan clad (tahan karat) sangat cocok digunakan pada lingkungan yang cenderung korosif. Normalnya, unit PHE diletakkan di atas lantai, untuk unit berukuran kecil dapat diletakkan melekat pada tembok.

Aplikasi PHE pada dunia industri relatif lebih sempit dibandingkan dengan HE yang paling populer saat ini, shell and tube heat exchanger (STHE). Akan tetapi, PHE memiliki kelebihan tersendiri yang membuatnya lebih dipertimbangkan dibandingkan dengan alat penukar kalor lain. Berikut beberapa kelebihan:

1.      Hemat ruang

PHE memiliki konstruksi yang kompak sehingga membutuhkan ruang penempatan unit yang lebih kecil dibandingkan dengan jenis heat exchanger yang lain. Sebagai perbandingan, PHE memiliki kurang lebih ruang penempatan dan berat sekitar 80% lebih kecil dibandingakan dengan STHE.

2.      Kapasitas perpindahan panas yang besar

Plat yang tersusun pada PHE dengan jalur aliran fluida sempit yang terbentuk menjadikan aliran fluida turbulen sehingga dapat meningkatkan perpindahan panas yang terjadi antara fluida panas dan fluida dingin.

3.      Memerlukan filling refrigerant yang rendah

Dengan konstruksi yang kompak dan kapasitas perpindahan panas yang besar, maka jumlah filling refrigerant pada sistem PHE rendah. Filling content yang sering dipakai adalah amonia, dan sebagian senyawa obat-obatan.

4.      Cenderung memiliki fouling yang rendah

Aliran turbulen yang terbentuk pada celah-celah plat menyebabkan partikel kotoran sulit untuk mengendap selama beberapa waktu. Berbeda dengan heat exchanger konvensional dimana partikel kotoran cenderung mudah mengendap yang dapat mengganggu proses perpindahan panas yang terjadi. Fouling layer tipis yang terbentuk pada PHE selain dapat meningkatkan perpindahan panas antarfluida juga menguntungkan kita dalam proses pembersihan yang relatif lebih mudah.

5.      Tahan korosi

Material plat dan gasket pada PHE dipilih karena dapat meningkatkan perpindahan panas yang terjadi selain memberikan ketahanan terhadap fluida korosif. Material plat yang baik digunakan seperti stainless-steel dan logam campuran khusus.

6.      Konstruksi yang fleksibel

Komponen plat dan frame pada PHE disambung dengan baut yang memudahkannya untuk mengatur lebar dari celah plat yang terbentuk. Plat yang tersusun pun juga dapat ditambah atau dikurangi sesuai dengan kapasitas yang dibutuhkan.

7.      Pemeliharaan yang mudah

Pemeliharaan yang mudah disebabkan karena fleksibilitas dari tie rod yang mudah dilepas dengan melonggarkan baut yang terkoneksi. Plat PHE dapat dibersihkan secara langsung pada bagian yang terdapat gasket. Jika diperlukan, PHE juga memungkinkan untuk bertukar plat/modul dengan PHE yang lain.

Sekian, posting dari saya, semoga bermanfaat. :D

Referensi:
[1] Minton, P., 1990. Process heat transfer, Proceedings of the 9th International Heat Transfer Conference, Heat Transfer 1990–Jerusalem, Israel, Paper No. KN–2, 1, hlm. 355–362.
[2] Thulukkanam, K., 2013., Heat Exchanger Design Handbook. Edisi ke-2. CRC Press. Boca Raton, Florida.  USA.
[3] Shah, K.J. dan Sekulic, D. P. 2003. Fundamentals of Heat Exchanger Design. Edisi ke-1. Wiley. Hoboken, New Jersey. USA.