LABORATORIUM PILOT PLANT
LABORATORIUM PILOT PLANT
SEMESTER GENAP TAHUN AJARAN 2016/2017
SEMESTER GENAP TAHUN AJARAN 2016/2017
PRAKTIKUM HEAT EXCHANGER
PRAKTIKUM HEAT EXCHANGER
MODUL :
MODUL : Shell and Tube Heat Exchanger Shell and Tube Heat Exchanger dan dan Double Pipe Heat Exchanger Double Pipe Heat Exchanger PEMBIMBING : Ir. Emma Hermawati, MT
PEMBIMBING : Ir. Emma Hermawati, MT
Oleh: Oleh: Kelompok
Kelompok : : V V dan dan VIVI Nama
Nama : 1. Ghifaris Vash: 1. Ghifaris Vasha Irhamsyaa Irhamsyah h 141424013141424013 2.
2. Ghina Ghina Fauziyyah Fauziyyah 141424014141424014 3.
3. Gian Gian Mardhiansyah Mardhiansyah 141424015141424015 4.
4. Hasna Hasna Amatullah Amatullah Hanifa Hanifa 141424016141424016 5.
5. Ilham Ilham Dwi Dwi Shaputra Shaputra 141424017141424017 Kelas
Kelas : : 3A3A
PROGRAM STUDI DIPLOMA IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH PROGRAM STUDI DIPLOMA IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH
JURUSAN TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
2016 2016
Praktikum :
Praktikum : 29 Oktober 201629 Oktober 2016 Penyerahan
I.
I. PENDAHULUANPENDAHULUAN
1.1
1.1 Latar BelakangLatar Belakang
Alat penukar panas (
Alat penukar panas ( Heat Heat Exchanger Exchanger ) merupakan suatu alat yang sangat) merupakan suatu alat yang sangat penting dalam
penting dalam proses proses pertukaran panas. pertukaran panas. Alat Alat tersebut tersebut berfungsi untuk berfungsi untuk memindahkanmemindahkan panas
panas antara antara dua dua fluida fluida yang yang berbeda berbeda temperatur temperatur dan dan dipisahkan dipisahkan oleh oleh suatu suatu sekatsekat pemisah.
pemisah.
Alat penukar panas ada berbagai tipe dan model. Secara garis besar terbagi Alat penukar panas ada berbagai tipe dan model. Secara garis besar terbagi menjadi tiga macam, yaitu
menjadi tiga macam, yaitu plate heat plate heat exchanger, shell exchanger, shell and tube and tube heat exchanger,heat exchanger, dandan double pipe heat exchanger
double pipe heat exchanger . Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan. Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitupula dengan ukuran kapasitasnya. dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitupula dengan ukuran kapasitasnya.
Jenis
Jenis shell shell and and tubetube merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil ..
Jenis
Jenis double pipedouble pipe adalah yang paling sederhana, sehingga efektif digunakan adalah yang paling sederhana, sehingga efektif digunakan untuk laju alir massa yang tidak terlalu besar. Kelebihan lain adalah mudah untuk laju alir massa yang tidak terlalu besar. Kelebihan lain adalah mudah dioperasikan dan konstruksinya yang sederhana memudahkan dalam pembuatannya, dioperasikan dan konstruksinya yang sederhana memudahkan dalam pembuatannya, juga
juga murah harganymurah harganya. Model a. Model alirannya yang alirannya yang sekali lewat sekali lewat membuatmembuat pressure drop pressure dropyangyang rendah.
rendah.
1.2
1.2 TujuanTujuan a.
a. Shell and Tube Heat ExchangerShell and Tube Heat Exchanger 1)
1) Memahami cara kerja peralatanMemahami cara kerja peralatan shell and tube shell and tube heat exchanger heat exchanger 2)
2) Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan caraMenghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan cara neraca energi
neraca energi 3)
3) Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panasMengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan
keseluruhan 4)
4) Menghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yangMenghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fluida.
diterima fluida. b.
b. Double Pipe Heat ExchangerDouble Pipe Heat Exchanger 1)
1) Dapat mengoperasikan peralatan dan menguasai cara kerjaDapat mengoperasikan peralatan dan menguasai cara kerja double pipe heatdouble pipe heat exchanger
exchanger 2)
2) Menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yangMenghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang diterima fluida dingin
I.
I. PENDAHULUANPENDAHULUAN
1.1
1.1 Latar BelakangLatar Belakang
Alat penukar panas (
Alat penukar panas ( Heat Heat Exchanger Exchanger ) merupakan suatu alat yang sangat) merupakan suatu alat yang sangat penting dalam
penting dalam proses proses pertukaran panas. pertukaran panas. Alat Alat tersebut tersebut berfungsi untuk berfungsi untuk memindahkanmemindahkan panas
panas antara antara dua dua fluida fluida yang yang berbeda berbeda temperatur temperatur dan dan dipisahkan dipisahkan oleh oleh suatu suatu sekatsekat pemisah.
pemisah.
Alat penukar panas ada berbagai tipe dan model. Secara garis besar terbagi Alat penukar panas ada berbagai tipe dan model. Secara garis besar terbagi menjadi tiga macam, yaitu
menjadi tiga macam, yaitu plate heat plate heat exchanger, shell exchanger, shell and tube and tube heat exchanger,heat exchanger, dandan double pipe heat exchanger
double pipe heat exchanger . Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan. Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitupula dengan ukuran kapasitasnya. dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitupula dengan ukuran kapasitasnya.
Jenis
Jenis shell shell and and tubetube merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil ..
Jenis
Jenis double pipedouble pipe adalah yang paling sederhana, sehingga efektif digunakan adalah yang paling sederhana, sehingga efektif digunakan untuk laju alir massa yang tidak terlalu besar. Kelebihan lain adalah mudah untuk laju alir massa yang tidak terlalu besar. Kelebihan lain adalah mudah dioperasikan dan konstruksinya yang sederhana memudahkan dalam pembuatannya, dioperasikan dan konstruksinya yang sederhana memudahkan dalam pembuatannya, juga
juga murah harganymurah harganya. Model a. Model alirannya yang alirannya yang sekali lewat sekali lewat membuatmembuat pressure drop pressure dropyangyang rendah.
rendah.
1.2
1.2 TujuanTujuan a.
a. Shell and Tube Heat ExchangerShell and Tube Heat Exchanger 1)
1) Memahami cara kerja peralatanMemahami cara kerja peralatan shell and tube shell and tube heat exchanger heat exchanger 2)
2) Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan caraMenghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan cara neraca energi
neraca energi 3)
3) Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panasMengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan
keseluruhan 4)
4) Menghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yangMenghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fluida.
diterima fluida. b.
b. Double Pipe Heat ExchangerDouble Pipe Heat Exchanger 1)
1) Dapat mengoperasikan peralatan dan menguasai cara kerjaDapat mengoperasikan peralatan dan menguasai cara kerja double pipe heatdouble pipe heat exchanger
exchanger 2)
2) Menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yangMenghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang diterima fluida dingin
3)
3) Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panasMengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan (U)
keseluruhan (U)
II.
II. DASAR TEORIDASAR TEORI
2.1
2.1 HH eeat Exchangeat Exchangerr
Alat penukar panas atau
Alat penukar panas atau Heat Heat Exchanger Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa
bisa berfungsi berfungsi sebagai sebagai pemanas pemanas maupun maupun sebagai sebagai pendingin. pendingin. Biasanya, Biasanya, mediummedium pemanas
pemanas dipakai dipakai adalah adalah air air yang yang dipanaskan dipanaskan sebagai sebagai fluida fluida panas panas dan dan air air biasabiasa sebagai air pendingin (
sebagai air pendingin (cooling water cooling water ). Penukar panas dirancang sebisa mungkin). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas
panas terjadi terjadi karena karena adanya adanya kontak, kontak, baik baik antara antara fluida fluida terdapat terdapat dinding dinding yangyang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (
memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact direct contact ). Penukar). Penukar panas
panas sangat sangat luas luas dipakai dipakai dalam dalam industri industri seperti seperti kilang kilang minyak, minyak, pabrik pabrik kimiakimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan pan
pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.as mesin ke udara sekitar.
2.2
2.2 Tipe Aliran pada Alat Penukar PanasTipe Aliran pada Alat Penukar Panas
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu :macam aliran yaitu :
1.
1. Counter current flow (aliran berlawanan arah)Counter current flow (aliran berlawanan arah) 2.
2. Paralel flow/co current flow Paralel flow/co current flow (aliran searah) (aliran searah) 3.
3. Cross flowCross flow (aliran silang) (aliran silang) 4.
4. Cross counter flowCross counter flow (aliran silang berlawanan) (aliran silang berlawanan)
2.3
2.3 Jenis-jenis Penukar PanasJenis-jenis Penukar Panas
Jenis-jenis penukar panas antara lain: Jenis-jenis penukar panas antara lain:
1.
1. Plate and Frame Heat Exchanger Plate and Frame Heat Exchanger 2.
2. Shell and Tube Heat Exchanger Shell and Tube Heat Exchanger 3.
3. Double Pipe Heat Exchanger Double Pipe Heat Exchanger 4.
4. Adiabatic wheel heat exchanger Adiabatic wheel heat exchanger 5.
6. Dynamic scraped surface heat exchanger 7. Phase
–
change heat exchanger2.4 Prinsip Kerja Heat Exchanger
2.4.1 Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan.
Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat -sekat pemisah.
2.4.2. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas.
2.4.3. Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.
2.4.4. Perpindahan Panas Secara Radiasi
Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana
tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika ters erap oleh benda yang lain.
Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger
Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung.
a. Secara kontak langsung
Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua fluida.Contoh: aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gas-liquid, dan partikel padat-kombinasi fluida.
b. Secara kontak tak langsung
Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
2.5 Penukar Panas Cangkang dan Buluh (Shell and Tube H eat Exchanger ) Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat (baffle). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal (residence time), namun pemasangan
sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
Gambar 2.Shell and Tube H eat Exchanger
Jenis penukar panas shell and tube yang digunakan adalah 1 shell pass dan 2 tube pass (1-2 Exchanger) seperti gambar dibawah ini.
Alat yang digunakan dalam praktikum mempunyai ukuran:
Panjang pipa dan shell : 1200 mm Diameter shell : 375 mm Diameter pipa luar : 32 mm Diameter pipa dalam : 27,8 mm
Jumlah sekat : 13
Susunan pipa dalam shell dapat berbentuk in-line (a) dan staggered (b)
Gambar 4. Susunan Pipa dalam Shell
Sedangkan susunan pipa yang ada didalam alat yang digunakan adalah in-line (a) dan ratio antara Sn/D = Sp/D = 1.25. Gambar profil temperatur dari penukar panas ini adalah:
2.6 Doubl e Pipe Heat Exchanger
Penukar panas jenis ini adalah penukar panas yang tersusun dari pipa ganda. Penukar panas jenis ini dapat dioperasikan dengan aliran co-current maupun counter-current , baik fluida panas di anulus maupun dalam pipa yang lebih kecil.
Gambar 6. Double Pipe Heat Exchanger
Mekanisme perpindahan kalordouble pipe terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur.
Gambar 8. Profil Temperatur dari Double Pipe Heat Exchanger
2.7 Menghitung Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U) a. Menggunakan Neraca Energi
Q = ..△
=
.△
△T m = F T .△T lm Efisiensi kalor yang dipertukarkan:
= 21 = (M.Cp.△T)2
(M.Cp.△T)1 100 %
Q2 = Kalor yang diberikan fluida panas (watt)Q1 = Kalor yang diterima fluida dingin (watt) A = Luas Permukaan (m2)
U = Koefisien Pindah panas Keseluruhan (W/m2.K)
△
Tlm = Perbedaan Suhu logaritmik (K)△
= △
△
△
△
Untuk Aliran Counter-current△
T1 = Thi – Tco△
T2 = Tho – TciUntuk Aliran Co-current
△
T1 = Tho – TcoHarga F Tdapat diperoleh dari kurva dibawah :
Gambar 9. Grafik Hubungan Y terhadap FT
b. Menghitung (U) Menggunakan Persamaan Empiris Untuk pipa sepanjang L:
=
1 ℎ.
⁄ +△ .
⁄ +1 ℎ
1
⁄
=
1
1 ℎ.2..
⁄
+ln() .2.
+1 ℎ.2..
⁄
hi = Koefisien pindah panas konveksi inside (W/m2.K) ho = Koefisien pindah panas konveksi outside (W/m2.K) K = Koefisien Konduksi (W/m.K)
Harga (ri,ro) dan L dapat diukur dari alat, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris.
Persamaan untuk menghitung hi
= ℎ. = 1,86 [
.
.]
/
[]
,
Untuk aliran turbulen Nre> 6000 dan L/D > 60
= ℎ. = 0,027[
]
,
[
]
⁄
[]
,
Koreksi harga hi apabila L/D < 60 ;2 < (L/D) < 20
ℎ′ℎ = 1+[]
,
20 < (L/D) < 60ℎ′ℎ = 1+6[]
Untuk Aliran transisi
Gambar 10. Grafik Aliran Transisi
Persamaan Untuk Menghitung ho
= .(
)
.(
)
/
a. Shell and TubeHarga m dan C dapat diperoleh dari tabel dibawah:
Harga D untuk menghitung Nre diperoleh dengan pendekatan :
= √ 4.
Ae Adalah luas efektif yang dilewati fluida diantara pipa dalam anulus, yaitu luas permukaan penempang shell dikurangi jumlah luas penampang semua pipa.
b. Double Pipe
Tabel 2. Harga m dan C pada Susunan Pipa di Double Pipe
Untuk menghitung harga Nre diperlukan harga D efektif, yang bisa dihitung dengan rumus :
= √ 4.
Dengan An adalah luas anulus, yaitu luas penampang yang dialiri fluida diantara dua pipa yang digunakan.
Alat penukar panas yang digunakan terdiri dari 2 pasangan ukuran pipa, yaitu: a. Pasangan 1 terdiri dari pipa 2,5 in dan 1,5 1n Sch 40 dan panjang 1,5 m b. Pasangan 2 terdiri dari pipa 2 in dan 1 in Sch 40 dan panjang 1,5 m
Nre m C 1 - 4 0,330 0,989 4
–
40 0,385 0,911 40–
4.103 0,466 0,683 4.103–
4.104 0,618 0,193 4.104–
2,5. 105 0,805 0,0266Mengatur kerangan disesuaikan dengan pola alirannya, yaitu co-current atau
counter-current
Mengutamakan laju alir dingin dahulu sebelum pengaturan air panas menggunakan
steam
lakukan percobaan untuk variasi aliran panas tetap dan aliran dingin tetap. lakukan
pengamatan setiap 5 menit sekali III. PERCOBAAN
3.1 Alat dan Bahan a. Shell and Tube
1. Seperangkat alat shell and tube 2. Sumber steam
3. Fluida (air) b. Double Pipe
1. Seperangkat alat DPHE 2. Gelas ukur, Ember plastik 3. Steam
4. Aliran air 3.2 Prosedur Kerja
a. Shell and Tube
b. Double Pipe
Atur laju air dingin, lalu atur laju air panas dengan menggunakan steam
Pastikan semua kerangka sudah siap
lakukan percobaan untuk variasi aliran panas tetap dan aliran dingin tetap. lakukan pengamatan setiap 5
IV. PENGOLAHAN DATA A. Shell and Tube
A.1 Laju Alir Fluida Panas Tetap
Laju Fluida Panas = 3 liter/jam
Perhitungan
△
T1 dan△
T2 Untuk Aliran Counter-currentLaju Fluida Dingin (L/h) Suhu (0C) T1 = Thi – Tco T2 = Tho – Tci
Thi Tho Tci Tco
2 66 34 22 30 11 10 3 66 33 22 36 12 9 4 60 33 24 38 14 7 5 60 32 24 38 15 6 Perhitungan
△
Laju Fluida Dingin (L/h)△
△
△
△
△
= △
△
△
△
2 1 0.10 10.49 3 3 0.29 10.43 4 7 0.69 10.10 5 9 0.92 9.82Laju Fluida Dingin
(L/h)
Tco-Tci Thi-Tci Y =
−
−
Thi-Tho Z =−
−
FT2 12 23 0.52 13 1.08 0.87 3 12 24 0.50 15 1.25 0.70 4 9 23 0.39 16 1.78 0.67 5 9 24 0.38 18 2.00 0.63 Perhitungan △T m Laju Fluida Dingin (L/menit) FT
△
= △
△
△
△
△
= F T . △T lm 2 0.87 10.49 9.1263 3 0.70 10.43 7.301 4 0.67 10.10 6.767 5 0.63 9.82 6.1866 Perhitungan
Luas PermukaanPanjang pipa dan shell (L) : 1200 mm
Diameter shell (D) : 375 mm
Luas Permukaan (A) =
DL=
(0.375)(1.2)
= 1.413 m2 Perhitungan Q m = .
Q = m.Cp. T Laju Fluida Dingin (m3/h) T1 T2 ρ1 (kg/m3) ρ2 (kg/m3) m1 (kg/h) m2 (kg/h) Cp 1 (kJ/kg oC) Cp 2 (kJ/kg0C) 0.002 11 10 999.68 999.68 2.00 2.00 4.191 4.192 0.003 12 9 999.58 999.85 3.00 3.00 4.189 4.194 0.004 14 7 999.33 999.96 4.00 4.00 4.187 4.198 0.005 15 6 999.19 999.99 5.00 5.00 4.186 4.2Laju Fluida Dingin (L/h) Qdingin (J) Qpanas (J) η (%) 2 83813.2 92172.5 90.9308 3 113221 150741 75.1098 4 117539 234315 50.163 5 125999 313696 40.1659 Laju Fluida Dingin (L/h) A (m2) T m Qrata-rata (J) U
=
.△
(J/m2 0C) 2 1.413 9.1263 88.021 6.82573 3 1.413 7.301 132.021 12.7973 4 1.413 6.767 176.008 18.4075 5 1.413 6.1866 219.975 25.164A.2 Laju Alir Fluida Dingin Tetap
a. Laju Fluida Dingin Tetap = 3 liter/jam
Perhitungan
△
T1 dan△
T2 Untuk Aliran Counter-currentLaju Fluida Panas (L/h) Suhu (0C) T1 = Thi – Tco T2 = Tho – Tci
Thi Tho Tci Tco
2 47 38 24 36 36 8 3 48 38 24 36 30 16 4 49 38 26 35 22 16 5 50 36 26 35 22 18 Perhitungan
△
Laju Fluida Panas (L/h)△
△
△
△
△
= △
△
△
△
2 28 1.50 18.62 3 14 0.63 22.27 4 6 0.32 18.84 5 4 0.20 19.93Laju Fluida
Panas (L/h) Tco-Tci Thi-Tci Y =
−
−
Thi-Tho Z =
−
−
FT 2 8 44 0.18 36 4.50 0.66 3 14 44 0.32 28 2.00 0.82 4 14 36 0.39 20 1.43 0.85 5 14 32 0.44 14 1.00 0.88 Perhitungan△T m Laju Fluida Panas (L/menit) FT△
= △
△
△
△
△
= F T . △T lm 2 0.66 18.62 12.29 3 0.82 22.27 18.26 4 0.85 18.84 16.01 5 0.88 19.93 17.54 Perhitungan
Luas PermukaanPanjang pipa dan shell (L) : 1200 mm Diameter shell (D) : 375 mm Luas Permukaan (A) =
DL=
(0.375)(1.2)
= 1.413 m2m =
.
Q = m.Cp. T Laju Fluida Panas (m3/h) T1 (0C) T2 (0C) ρ1 (kg/m3) ρ2 (kg/m3) m1 (kg/h) m2 (kg/h) Cp 1 (kJ/kg 0C) Cp 2 (kJ/kg oC) 0.002 36 8 993.73 999.91 1.98746 1.99982 4.178 4.213 0.003 30 16 995.71 999.03 2.98713 2.99709 4.178 4.185 0.004 22 16 997.86 999.03 3.99144 3.99612 4.181 4.185 0.005 19 18 998.49 998.68 4.99245 4.9934 4.182 4.183 Laju FluidaPanas (L/h) Qdingin (J) Qpanas (J) η (%)
2 67401.93 298929.9 22.54774 3 200685.1 374406.9 53.60082 4 267580.2 367140.6 72.88221 5 375973.1 396690.1 94.77753 Laju Fluida Panas (L/h) A (m2) T m Qrata-rata (J) U
=
.△
(J/m2 0C) 2 1.413 12.29 183166 10550.4 3 1.413 18.26 287546 11143 4 1.413 16.01 317360 14024.5 5 1.413 17.54 386332 15586.9Grafik 4.1.1 Hubungan Koefisien Pindah Panas Keseluruhan terhadap Laju Alir Fluida Panas Tetap
Grafik 4.1.2 Hubungan Koefisien Pindah Panas Keseluruhan terhadap Laju Alir Fluida Dingin Tetap 0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6 U ( J / m 2 K ) Laju Alir (L/h) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0 1 2 3 4 5 6 U ( J / m 2 K ) Laju Alir (L/h)
Grafik 4.1.3 Hubungan Efisiensi terhadap Laju Alir Fluida Panas Tetap
Grafik 4.1.4 Hubungan Efisiensi terhadap Laju Alir Fluida Dingin Tetap
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 E f i s i e n s i ( % ) Laju Alir (L/h) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 E f i s i e n s i ( % ) Laju Alir (L/h)
B. Double Pipe
B.1 Data luas permukaan perpindahan panas
L (m) 1.4 d1 (m) 0.044 d2 (m) 0.116 Phi 3.14 A (m2) 0.193424 Deq (m) 0.072
B.2 Laju Fluida Panas Tetap Laju fluida panas : 0.686 L/s
no
laju aliran dingin
Thi Tho Tci Tco
Nre Nre panas
1 1.006 71 35 24 32 4700.401 2159.631 2 74 34 24 32 3 72 32 23 32 4 76 33 23 32 5 0.811 62 36 26 34 4634.576 6 60 36 25 34 7 61 37 26 34 8 58 36 26 34 Beda suhu no laju aliran dingin Δt1 Δt1 rata -rata Δt2 Δt2 rata -rata ΔTlm 1 1.005882 36 39.75 8 8.5 46.64749 2 40 8 3 40 9 4 43 9 5 0.811429 26 24 8 8.25 33.96173 6 24 9 7 24 8 8 22 8
Energi, effisiensi, & koefisien perpindahan panas No Laju Aliran Dingin Q1 Q2 Q η U 1 1.005882 114.48 35.91 75.2 0.313679 8.33 2 3 4 5 0.811429 69.12 34.85382 51.99 0.504251 7.91 6 7 8
B.2 Laju fluida dingin tetap Laju fluida dingin : 0.811
No laju aliran
panas Thi Tho Tci Tco
Nre dingin Nre panas 1 0.686 62 36 26 34 3738.636 2309.122 2 60 36 25 34 3 61 37 26 34 4 58 36 26 34 5 0.606 52 39 26 34 2403.104 6 52 38 26 34 7 53 38 26 35 8 55 37 27 35 Beda suhu no laju aliran panas Δt1 Δt1 ra ta-rata Δt2 Δt2 rata -rata ΔTlm 1 0.68571429 26 24 8 8.25 33.96173 2 24 9 3 24 8 4 22 8 5 0.60606061 13 15 8 8.25 25.9978 6 14 8 7 15 9 8 18 8
Energi, effisiensi, & koefisien perpindahan panas
No Laju Aliran
Panas Q1 Q2 Q η U 1 0.68571429 81.792 23.76 52.776 0.290493 8.03 2 3 4 5 0.60606061 51.12 23.76 37.36 0.464789 7.44 6 7 8
V. PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN 5.1. Pembahasan
A. Shell and Tube
Alat penukar panas (heat exchanger ) merupakan alat yang bisa digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa. Jenis alat yang dipakai adalah penukar panas jenis Sheel
and Tube Heat Exchanger dengan bagian 1 shell dan 2 tube pass (1-2 exchanger). Efisiensi penukar panas dapat ditingkatkan dengan dipasangkan sekat (buffle) yang bertujuan untuk membuat aliran menjadi turbulen, sehingga meningkatkan waktu tinggal aliran (residence time). Pada praktikum ini jenis aliran yang digunakan adalah counter current, dimana aliran yang dialirkan memiliki temperatur awal yang berbeda dan pada kondisi masukan dan keluaran yang berlawan. Fluida panas mengalir di shell dan fluida dingin disepanjang tube.
Dalam praktikum yang dikerjakan, dilakukan variasi laju alir panas dengan variasi 2, 3, 4, & 5 L/menit serta laju alir fluida dingin tetap pada 3 L/menit serta variasi laju alir air dingin 2,3,4, & 5 L/menit dengan laju alir fluida panas tetap 3L/menit. Data yang diamati yaitu suhu aliran panas masuk (Thi), suhu panas aliran keluar (Tho), suhu aliran dingin masuk (Tci), dan suhu ali ran dingin keluar (Tco). Semua data tersebut diukur pada setiap vari asi aliran, baik variasi aliran dingin maupaun variasi aliran panas.
Berikut merupakan data efisiensi dan U (koefisien perpindahan panas) dari variasi laju alir panas.
Laju Fluida
Panas (L/h) Qdingin (J) Qpanas (J) η (%)
2 67401.93 298929.9 22.54774
3 200685.1 374406.9 53.60082
4 267580.2 367140.6 72.88221
Berdasarkan data diatas dilakukan perhitungan effisiensi menggunakan neraca energi. Menurut teori semakin besar laju alir dingin semakin besar efiensi. Teori tersebut terbukti dengan meningkatnya laju alir panas maka efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fuida semakin besar. Terlihat juga dalam grafik efisiensi terhadap laju alir berikut.
Pada variasi yang sama, kurva antara laju alir air panas dan koefisien perpindahan panas keseluruhan menunjukkan bahwa semakin besar laju alir air panas, semakin besar pula koefisien perpindahan panas. Artinya panas yang diberikan semakin banyak. Dengan laju alir air dingin yang tetap 3 L/menit dapat diketahui semakin besar laju alir air panas semakin besar pula efisiensinya. Artinya panas yang diserap fluida dingin akan semakin banyak dengan bertambahnya laju alir air panas. Hal ini sesuai dengan teori (Geankoplis Fourth Edition, 2003). Terlihat dari grafik U terhadap laju alir berikut.
0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 E f i s i e n s i ( % ) Laju Alir (L/h) Laju Fluida Panas (L/h) A (m2) T m Qrata-rata (J) U
=
.△
(J/m2 0C) 2 1.413 12.29 183166 10550.4 3 1.413 18.26 287546 11143 4 1.413 16.01 317360 14024.5 5 1.413 17.54 386332 15586.9Dalam percobaan dengan variasi laju alir air dingin serta laju alir air panas tetap didapat data seperti berikut :
Laju Fluida Dingin
(L/h) Qdingin (J) Qpanas (J) η (%)
2 83813.2 92172.5 90.9308
3 113221 150741 75.1098
4 117539 234315 50.163
5 125999 313696 40.1659
Nilai efisiensi pada percobaan variasi laju alir air dingin ini terlihat menurun. Hal tersebut berbanding terbalik dengan nilai efisiensi pada variasi laju alir air panas, artinya panas yang diserap oleh fluida dingin semakin berkurang karena meningkatnya laju alir air dingin sementara laju alir air panas
tetap. Berikut merupakan grafik dari nilai efisiensi tersebut.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 0 1 2 3 4 5 6 U ( J / m 2 K ) Laju alir (L/h) Laju Fluida Dingin (L/h) A (m2) T m Qrata-rata (J) U
=
.△
(J/m2 0C) 2 1.413 9.1263 88.021 6.82573 3 1.413 7.301 132.021 12.7973 4 1.413 6.767 176.008 18.4075 5 1.413 6.1866 219.975 25.164Sementara itu, nilai U (koefisien perpindahan panas) yang diperoleh semakin meningkat berbanding lurus dengan laju alir yang divariasikan. Dari data yang diperoleh menunjukkan bahwa semakin tinggi laju alir panas, panas yang diberikan/dilepas fluida panas dan panas yang diterima/diserap fluida dingin semakin tinggi juga, namun panas yang dilepas selalu lebih besar dibandingkan dengan panas yang diserap, atau dengan kata lain ada energi yang hilang, sedangkan menurut teorinya atau idealnya energi yang diberikan dalam perpindahan panas harus sama dengan energi yang diterima. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor yaitu diprediksi adanya kerak atau karat dalam alat shell and tube sehingga menghalangi perpindahan panas. Selain itu juga suhu steam yang diberikan tidak stabil dan sulit untuk dijaga pada kondisi s uhu tetap.
B. Double Pipe
Pada praktikum perpindahan panas menggunakan double pipe heat exchanger . Dimana percobaan dilakukan dengan variasi laju alir fluida dingin dan juga laju alir fluida panas. Pada percobaan ini, fluida dingin berupa air bersuhu ruang, sedangkan aliran fluida panas berupa air panas yang berasal dari
air biasa yang dipanaskan dengan steam pada sebuah pemanas.
Pada rangkaian alat yang tersedia, sebenarnya terdapat dua buah double pipe yang masing – masing ditujukan untuk melakukan percobaan dengan 2 jenis aliran yang berbeda, yaitu co-current serta counter current . Akan tetapi
diakibatkan pada rangkaian double pipe heat exchanger untuk aliran counter current memiliki kekurangan, yaitu tidak terdapatnya saluran untuk mengkalibrasi laju aliran fluida dingin, karena untuk kalibrasi aliran fluida
0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 E f i s i e n s i ( % ) Laju Alir (L/h)
panas untuk kedua double pipe ini satu sumber yang dicabangkan, maka laju alir fluida panas untuk perangkat dengan aliran counter current masih dapat dikalibrasi, dengan mengatur valve yang dialiri oleh fluida panas. Maka dari itu, percobaan ini hanya menggunakan pola aliran co-current .
Pada perangkat double pipe heat exchanger yang digunakan, memiliki dimensi panjang 140 cm, diameter pipa bagian dalam 4.4 cm, dan diameter pipa bagian luar 11.6 cm. Dengan dimensi yang ada, diameter efektif dari pipa bagian luar sebesar 7.2 cm yang akan digunakan untuk menghitung nilai bilangan
reynold pada aliran fluida dingin. Sedangkan luas area pertukaran panas sebesar 0.193 m2. Serta nilai L/D untuk pipa luar sebesar 12.1 sedangkan L/D untuk pipa dalam sebesar 31.82.
Pada variasi laju alir fluida dingin, dilakukan dengan laju alir fluida panas sebesar 0.686 L/s dengan suhu rata – rata sebesar 73.25OC. Pada variasi pertama, dengan laju alir fluida dingin sebesar 1.006 L/s, besarnya nilai bilangan reynold sebesar 4700.4 dimana rezim alirannya pada posisi transisi; dengan L/D di pipa luar sebesar 12.1, sedangkan pada referensi untuk aliran transisi, grafik yang tersedia mulai pada L/D=60. Maka, perhitungan untuk mendapatkan nilai perpindahan kalor, effisiensi, serta koefisien perpindahan panasnya hanya menggunakan perhitungan neraca energi. Begitu pula pada variasi kedua dengan laju alir fluida dingin 0.811 L/s. Dengan nilai Nre=4634.58. begitu pula pada aliran fluida panas yang lajunya tetap pun, nilai Nre-nya sebesar 2159.63. Alirannya pun pada rezim transisi. Dengan perhitungan dengan menggunakan neraca energi, pada variasi pertama nilai effisiensinya hanya 31.37% sedangkan untuk nilai koefisien perpindahan panas keseluruhannya sebesar 8.33 W/m2.K. Pada variasi kedua, nilai effisiensi-nya 50.42% dengan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhannya sebes ar 7.91 W/m2.K.
Pada variasi laju alir fluida panas, dengan laju alir fluida dingin tetap, laju fluida dingin sebesar 0.811 L/s dengan suhu 26OC, dengan nilai Nre=3738.64. Pada variasi pertama, dengan laju aliran panas 0.686 L/s pada suhu rata – rata 60.25OC dengan nilai Nre= 2309.12; dengan rezim aliran pada
posisi transisi, seperti saat variasi laju alir fluida dingin. Maka nilai effisiensi perpindahan panas sebesar 29.05% dengan nilai koefisien perpindahan panas
L/s dengan suhu rata-rata 53oC, dengan nilai Nre=2403.104; laju aliran bersifat transisi, maka tetap hanya digunakan perhitungan dengan neraca energi, dengan hasil perhitungan effisiensi sebesar 46.48% dengan koefisien pertukaran 7.44 W/m2.K.
Dengan hasil yang didapat, bahwa saat laju alir fluida panas tetap, semakin besar laju alir fluida dingin makin besar, maka nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan akan semakin tinggi. Sedangkan nilai effiseinsi akan semakin besar bila laju alir fluida dingin makin kecil. Pada variasi laju alir fluida panas pun hasil yang ditujukan sama, nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan makin besar saat laju alir fluida panas semakin besar, dan effisiensi pun makin besar saat laju alir fluida panas makin kecil.
5.2. Kesimpulan
1. Prinsip kerja dari shell and tube ini adalah air panas mengalir melewati tube sedangkan air dingin melewati shell. Aliran dibuat menjadi aliran turbulen dengan adanya buffleserta jenis alirannya yaitu counter-current
2. Prinsip kerja dari double pipe heat exchanger terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur.
3. Dengan meningkatnya laju alir panas maka efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fuida semakin besar. Sedangkan dengan meningkatnya laju alir dingin dan laju alir panas tetap nilai efisiensi menurun.
4. Semakin besar laju alir air panas, semakin besar pula koefisien perpindahan panas.
5. Semakin tinggi laju alir panas, panas yang diberikan/dilepas fluida panas dan panas yang diterima/diserap fluida dingin semakin tinggi juga, namun panas yang dilepas selalu lebih besar dibandingkan dengan panas yang diserap, atau dengan kata lain ada energi yang hilang.
