Laporan praktikum Heat Exchanger

(1)

Laporan Praktikum

UOP : Heat Exchanger

Disusun oleh :

Ahmad Faisal

(1006660491)

Dimas Riska Irawan (1006660541)

Hana Nabila Anindita (1006660573)

Meyda Astria

(1006679743)

Departemen Teknik Kimia

Universitas Indonesia

(2)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

2

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Tujuan Percobaan

Percobaan Double pipe Heat exchanger ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe HE) dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efektivitas dan perbandingan untuk aliran searah (co-current) dan berlawanan arah (counter current).

1.2. Prosedur Percobaan

A. Percobaan Aliran Searah (co-current)

1. Aliran uap air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 10, 12, 13.

2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

3. Amati dan catat T3, T4, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan.

4. Amati dan catat kecepatan alir air pada flow meter.

5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan mengukur kondensat yang terjadi.

6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

B. Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current)

1. Aliran uap air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 11, 9, 13.

2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

3. Amati dan catat T3, T5, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan.

4. Amati dan catat kecepatan alir air pada flow meter.

5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan mengukur kondensat yang terjadi.

(3)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

3

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

1.3. Instumentasi

Double pipe Heat exchanger merupakan suatu alat yang didisain untuk

mempelajari dan mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan material teknik pada laju transfer panas melalui dinding tipis.

● Pengaturan Pipa (Pipe Arrangement)

Alat ini terdiri atas dua pipa logam berdinding tipis yang tersusun dalam suatu panel vertikal. Pipa dapat beroperasi dengan baik pada aliran searah maupun berlawanan. Setiap pipa terdiri dari sebuah pipa tembaga luar dan dalam. Fluida panas mengalir melalui pipa bagian dalam, sedangkan fluida dingin mengalir melalui anulus antara pipa luar dan dalam. Pengaturan terhadap valve dalam rangkaian ini akan menghasilkan aliran yang sesuai dengan tujuan percobaan yaitu searah dan berlawanan arah.

● Sambungan (Fitting)

Heat exchanger mempunyai sambungan pipa standar yang terletak sepanjang siku

yang paling rendah dari panel. Tiga sambungan masuk dialokasikan di sebelah kanan panel.

● Valves

Valve digunakan untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan dan untuk mengatur

laju alir dari fluida. Unit ini memiliki empat needle type metering valve. Dua valve pada masukan tangkin pencampuran dan dua lainnya pada keluaran. Semua valve yang lain berjenis global type gate valve. Valve yang menangani fluida panas di cat berwarna merah sedangkan yang menangani fluida dingin di cat bewarna biru.

(4)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

4

● Flowmeter

Aliran dari suatu fluida diregulasikan dengan needle valve. Laju alir untuk fluida panas dan fluida dingin dengan specific gravity yang sama diukur dengan menggunakan single-pass-tube-type flowmeter. Flowmeter dilengkapi dengan sebuah skala logam yang dapat dipindahkan dan sudah dikalibrasi.

(5)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

5

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Heat Exchanger

Sesuai dengan namanya, maka alat penukar kalor (heat exchanger) berfungsi mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut.

Pada percobaan ini akan dilakukan pengamatan unjuk kerja alat penukar kalor pipa ganda (double pipe heat exchanger) yang terdiri dari dua pipa konsentris. Pipa yang berada di luar dikenal sebagai annulus (shell), sedangkan bagian dalam dikenal sebagai pipa (tube).

2.2. Prinsip Kerja Heat Exchanger

Heat exchanger adalah heat exchanger antara dua fluida dengan melewati dua bidang

batas. Bidang batas pada heat exchanger adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam. Pada heat exchanger ini, terdapat dari dua pipa konsentris, yaitu: annullus/shell (pipa yang berada di luar) dan tube (pipa yang berada di dalam).

Berdasarkan jenis alirannya heat exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu:

1. Pararel Flow

Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.

2. Counter Flow

Berlawanan dengan paralel flow, kedua aliran fluida yang mengalir dalam HE masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih

(6)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

6

efekrif dari paralel flow. Mekanisme perpindahan kalor jenis ini hampir sama dengan paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari persamaan steady-state:



T t



a dL U dQ  " (1) wcdt WCdT dQ  (2)

3. Cross flow Heat exchanger

Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap (tube and

shell heat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.

2.3. Komponen Penyusun Heat Exchanger

Komponen-komponen dari penyusun Heat Exchanger, terdiri dari:

1. Shell dan Tube

Suatu sillinder yang dilengkapi dengan inlet dan outlet nozzle sebagai tempat keluar masuknya fluida. Ada 2 jenis tube dalam shell, yaitu finned tube (tube yang mempunyai sirip (fin) pada bagian luar tube) dan bare tube (tube dengan permukaan yang rata)

2. Tube Sheet

Tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu yang disebut tube bundle. HE dengan tube lurus pada umumnya menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkan pada tube tipe U menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube

side dengan shell side.

3. Baffle

Berfungsi sebagai penyangga tube, menjaga jarak antar tube, menahan vibrasi yang disebabkan oleh aliran fluida, dan mengatur aliran turbulen sehingga perpindahan panas lebih sempurna. Jenis baffle yaitu battle melintang (segmental, dish and doughnut) dan baffle memanjang.

(7)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

7

Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan di bagian paling luar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.

2.4. Jenis-Jenis Heat Exchanger A. Berdasarkan Fungsinya

1. Heat exchanger

Heat exchanger mengontrol kalor antara dua proses aliran: aliran fluida panas yang

membutuhkan pendinginan ke aliran fluida temperatur rendah yang membutuhkan pemanasan. Kedua fluida biasanya satu fasa atau suatu fluida yang berbentuk gas dan lainnya berbentuk cairan.

2. Condenser

Condenser adalah tipe lain dimana hidrokarbon atau gas lainnya yang mencair sebagian atau seluruhnya dengan pemindahan panas.

3. Cooler – Chiller

Berfungsi memindahkan panas, baik panas sensibel maupun panas laten fluida yang berbentuk uap kepada media pendingin, sehingga terjadi perubahan fasa uap menjadi cair. Media pendingin biasanya digunakan air atau udara. Condensor biasanya dipasang pada top kolom fraksinasi. Pada beberapa kasus refrijeran biasa digunakan ketika temperatur rendah dibutuhkan. Pendinginan itu sering disebut „chiller‟.

4. Reboiler

Digunakan untuk menguapkan kembali sebagian cairan pada dasar kolom (bottom) distilasi, sehingga fraksi ringan yang masih ada masih teruapkan. Media pemanas yang digunakan adalah uap (steam). Reboiler bisa dipanaskan melalui media pemanas atau dipanaskan langsung. Yang terakhir reboilernya adalah furnace atau

fire tube

5. Heater – Superheater

Heater digunakan untuk memanaskan fluida yang memiliki viskositas tinggi baik

bahan baku ataupun fluida proses dan biasanya menggunakan steam sebagai pemanas. Superheater memanaskan gas dibawah temperatur jenuh.

(8)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

8

Gambar 1. Double pipe HE B. Berdasarkan Konstruksinya

1. Tubular Exchanger

a. Double-pipe Heat exchanger

Terdiri dari satu buah pipa yang diletakkan di dalam sebuah pipa lainnya yang berdiameter lebih besar secara konsentris. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa kecil sedangkan fluida yang lain mengalir di bagian luarnya. Pada bagian luar pipa kecil

biasanya dipasang fin atau sirip memanjang, hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan permukaan perpindahan panas yang lebih luas. Double pipe ini dapat digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida hasil proses yang

membutuhkan area perpindahan panas yang kecil (biasanya hanya mencapai 50 m2).

Double-pipe Heat exchanger ini juga dapat digunakan untuk mendidihkan atau mengkondensasikan fluida proses tapi dalam jumlah yang sedikit. Kerugian yang ditimbulkan jika memakai Heat exchanger ini adalah kesulitan untuk memindahkan panas dan mahalnya biaya per unit permukaan transfer. Tetapi, double pipe Heat

exchanger ini juga memiliki keuntungan yaitu Heat exchanger ini dapat dipasang

dengan berbagai macam fitting (ukuran).

Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak langsung (indirect

contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua

fluida tidak bercampur. Fluida yang memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin) mengalir melalui pipa kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi mengalir pada pipa yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian mungkin terdiri dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal. Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.

Kelebihan Double-pipe Heat exchanger:

o Dapat digunakan untuk fluida yang memiliki tekanan tinggi. o Mudah dibersihkan pada bagian fitting

(9)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

9

o Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa o Dapat dipasang secara seri ataupun paralel

o Dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan

o Mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya o Kalkulasi design mudah dibuat dan akurat

Kekurangan Double-pipe Heat exchanger:

o Relatif mahal

o Terbatas untuk fluida yang membutuhkan area perpindahan kalor kecil (<50 m2

) o Biasanya hanya digunakan untuk sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau

dikondensasikan.

b. Shell and tube

Jenis ini terdiri dari shell yang didalamnya terdapat rangkaian pipa kecil yang

disebut tube bundle.

Perpindahan panas terjadi

antara fluida yang

mengalir di dalam tube dan fluida yang mengalir di luar tube (pada shell side). Shell and tube ini merupakan Heat exchanger yang paling banyak digunakan dalam proses-proses industri.

Keuntungan Shell and Tube Heat exchanger merupakan Heat exchanger yang paling banyak digunakan di proses-proses industri karena mampu memberikan ratio area perpindahan panas dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu juga dapat mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan konstruksinya juga paling murah di antara yang lain. Untuk menjamin bahwa fluida pada shell-side mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka di dalam shell tersebut dipasangkan sekat/penghalang (baffles).

(10)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

10

Shell and tube ini dibagi lagi sesuai dengan penggunaannya yaitu class R (untuk

keperluan proses dengan tekanan tinggi), class C (untuk keperluan proses dengan tekanan dan temperatur menengah dan fluida yang tidak korosif, serta class B (untuk keperluan fluida yang korosif). Proses pertukaran panas pada kedua fluida ini terjadi pada dinding tube dimana terdapat dua proses perpindahan yaitu secara konduksi dan konveksi. Dilihat dari konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube dibedakan atas:

 Fixed Tube Sheet

Fixed Tube Sheet merupakan jenis shell and tube Heat exchanger yang terdiri dari

tube-bundle yang dipasang sejajar dengan shell dan kedua tube sheet menyatu

dengan shell. Kelemahan pada tipe ini adalah kesulitan pada penggantian tube dan pembersihan shell.

 Floating Tube Sheet

Floating Tube Sheet merupakan Heat exchanger yang dirancang dengan salah satu tipe tube sheetnya mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak di dalam shell jika terjadi pemuaian atau penyusutan karena perubahan suhu. Tipe ini banyak digunakan dalam industri migas karena pemeliharaannya lebih mudah dibandingkan fix tube sheet, karena tube-bundlenya dapat dikeluarkan, dan dapat digunakan pada operasi dengan perbedaan temperatur antara shell dan tube side di atas 200oF.

 U tube/U bundle

U tube/U bundle merupakan jenis HE yang hanya mempunyai 1 buah tube sheet, dimana tube dibuat berbentuk U yang ujung-ujungnya disatukan pada tube sheet sehingga biaya yang dibutuhkan paling murah di antara Shell and Tube Heat

exchanger yang lain. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shellnya setelah channel

headnya dilepas. Tipe ini juga dapat digunakan pada tekanan tinggi dan beda temperatur yang tinggi. Masalah yang sering terjadi pada Heat exchanger ini adalah terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan tube yang disebabkan oleh kecepatan aliran dan tekanan di dalam tube, untuk itu fluida yang mengalir dalam tube side haruslah fluida yang tidak mengandung partikel-partikel padat.

(11)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

11

Gambar 3. Plate Heat Exchanger 2. Spiral tube

 Plate Heat exchanger

Kedua aliran masuk dari sudut dan melewati bagian atas dan bawah plat-plat parallel dengan fluida panas melewati jalan-jalan (ruang antar plat) genap dan fluida dingin melewati jalan-jalan ganjil.

Plat-plat dapat dipasang secara

melingkar agar dapat memberikan

perpindahan panas yang besar dan mencegah terjadinya fouling (deposit yang tidak diinginkan). Plate Heat exchanger

juga mudah untuk dilepas dan dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan.

Heat exchanger ini dibagi atas 3 macam :

 Plate and frame or gasketed plate exchanger

Jenis ini terdiri dari bingkai-bingkai dan plat-plat yang disusun rapat, permukaan plat mempunyai alur-alur yang berpasangan sehingga jika dirangkai mempunyai dua aliran. Heat exchanger ini digunakan untuk temperatur dan tekanan rendah seperti mendinginkan cooling water.

 Spiral plate heat exchanger  Lamella (ramen) heat exchanger

C. Berdasarkan Flow arrangements

Terdapat dua jenis Heat Exchanger berdasarkan flow arrangements yakni

single pass dan multiple pass. Pada single pass, kedua fluida melewati sistem hanya

satu kali, sedangkan pada multiple pass, salah satu atau kedua fluida mengalir bolak-balik secara zigzag. Pada single pass aliran fluida bisa parallel ataupun berlawanan, sedangkan pada multiple pass merupakan kombinasai keduanya. Fluida juga dapat mengalir secara crossflow. Yang pertama, kedua fluida tidak bercampur, mereka melewati jalan masing-masing tanpa bercampur. Yang kedua, kedua fliuda bercampur tanpa terjadi reaksi kimia. Jika luas shell besar, cross flow akan menghasilkan

(12)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

12

koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada aliran aksial yang terjadi di dalam tabung double-pipe.

D. Berdasarkan Arah Aliran

1. Paralel Flow

Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.

2. Counter Flow

Berlawanan dengan paralel flow, kedua aliran fluida yang mengalir dalam HE

masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih efekrif dari paralel flow.

3. Cross Flow Heat exchanger

Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap (tube and shell Heat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.

Dari ketiga tipe Heat exchanger tersebut tipe counter flow yang paling efisien ketika kita membandingkan laju perpindahan kalor per unit area. Dengan beda temperatur fluida yang paling maksimal di antara kedua tipe Heat exchanger lainnya, maka beda temperatur rata-rata (log mean temperature difference) akan maksimal dan pada akhirnya laju perpindahan kalor akan maksimal pula.

2.5. Parameter Heat Exchanger

A. Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada awalnya kita mengandaikan U (bisa juga digantikan oleh



h) sebagai nilai konstan (nilai U dapat dilihat pada tabel pada lampiran). U sendiri merupakan koefisien heat

(13)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

13

1. Fluida dengan konduktivitas termal rendah seperti tar, minyak atau gas, biasanya menghasilkan h yang rendah. Ketika fluida tersebut melewati heat exchanger, U akan cenderung untuk turun

2. Kondensasi dan Pemanasan merupakan proses perpindahan kalor yang efektif. Proses ini dapat meningkatkan nilai U.

3. Untuk U yang tinggi, tahanan dalam exchanger pasti rendah

4. Untuk fluida dengan konduktivitas yang tinggi , mempunyai nilai U dan h yang tinggi.

Untuk U pada suhu yang hampir konstan, variasi temperatur dari aliran fluida dapat dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur rata-rata dari aliran dua fluida, yang dapat dibuat persamaan sebagai berikut :

mean

T UA

Q  (3)

Yang menjadi masalah kali ini adalah bagaimana membuat persamaan tersebut menjadi benar. Kita harus dapat menghitung nilai dari ΔT yang diinginkan. Hal ini disebabkan karena terlihat pada grafik mengenai kecenderungan perubahan temperatur fluida akan lebih cepat sejalan dengan posisinya (grafik bisa dilihat dari lampiran). Selain itu pada

counterflow dan pararel flow, perhitungan tersebut bisa berbeda. Oleh karena itu perlu

dicari suatu persamaan yang dapat menyelesaikan masalah ini. Dengan menurunkan rumus awal sebagai berikut :

c c p h h p dT mc dT mc T dA U dQ ( ) ( ) ( ) (4) Keterangan : h untuk aliran panas dan c untuk aliran dingin

Setelah itu kita menyamakan persamaan antara persamaan untuk counterflow dan persamaan untuk pararel flow dan didapat :

            b a b a T T T T UA Q / ln( (5)

Dimana ΔTa adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin awal dan ΔTb adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin akhir. Δt mean yang dimaksud dalam persamaan tersebut adalah LMTD, yaitu :

(14)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

14

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia               b a b a mean T T T T LMTD T / ln( (6)

Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Kita harus menggunakan faktor koreksi F yang dapat dilihat dalam grafik pada lampiran. Sehingga rumusnya menjadi :

) (LMTD

UAF

Q (7)

B. Koefisien perpindahan kalor keseluruhan U (overall coefficient of heat

transfer),

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U), terdiri dari dua macam yaitu:

(1) UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor

masih baru

(2) UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor

sudah kotor.

Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai:

(8)

C. Fouling Resistance

Jika sebuah pipa baru saja digunakan, maka keadaannya masih normal dan bersih sehingga tidak mengganggu proses perpindahan kalor. Namun pada suatu saat fluida yang terus menerus mengalir dalam pipa akan membentuk seperti sebuah lapisan yang akan mengganggu aliran kalor. Hal inilah yang disebut dengan fouling resistance. Untuk menghitung fouling resistance dapat digunakan rumus berikut ini :

(15)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

15

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia C D d U U R  1  1

Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : d i pipe i p j insulator p i i R h r r k r r r k r r r h U      0 0 0/ ) ln( / ) ln( 1 1 (9)

Untuk U<<10000 W/m2 °C fouling mungkin tidak begitu penting, karena hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada water to water heat exchanger dimana nilai U disekitar 2000 maka fouling factor akan menjadi penting. Pada finned tube heat

exchanger dimana gas panas mengalir di dalam tube dan gas yang dingin mengalir

melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200, fouling factor akan menjadi signifikan.

D. Efektivitas Heat exchanger

Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut :











in in



in out in out in c h c c c c h h h h T T C T T C T T C T T C       min min m in  (10)

Maka untuk mencari efektifitas untuk paralel single pass HE adalah sebagai berikut :

Gambar 4. Kekotoran Pipa

another to stream one from d transferre be possibly could that heat imum d transferre heat actual max  

(16)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

16 



m ax m in m ax m in / 1 ) / 1 ( exp 1 C C NTU C C       (11)

Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :







C C NTU



C C NTU C C ) / 1 ( exp ) / ( 1 ) / 1 ( exp 1 m ax m in m ax m in m ax m in         (12)

Keterangan : NTU (Number of Transfer Unit) bisa didapatkan dari rumus :

m in

C UA

NTU  (13)

Cmin merupakan nilai C tekecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan nilai yang

terbesar.

E. Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor

(14) Δtm merupakan suhu rata-rata log atau Log Mean Temperature Difference (LMTD).

Untuk shell and tube heat exchanger, nilai LMTD harus dikoreksi dengan faktor yang dicari dari grafik yang sesuai (Fig 18 s/d Fig 23 Kern). Caranya adalah dengan menggunakan parameter R dan S.

(15-16) Nilai LMTD dihitung dengan persamaan sbb:

Bila UD konstan

(17)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

17

Atau

(18)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

18

(17) Nilai LMTD yang diperoleh ini harus dikoreksi dengan faktor FT yang dicari dari grafik

yang sesuai. Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S:

(18-19) Dan harga Δ tm =FT.LMTD

Bila UD tidak konstan (berubah) terhadap suhu

Untuk aliran searah atau aliran berlawanan arah, maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit:

(19)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

19

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia F. Penurunan Tekanan pada Alat Penukar Kalor

Pada setiap aliran akan terjadi penurunan tekanan (pressure drop) karena gaya gesek yang terjadi antara fluida dan tempatnya.

(20)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

20

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia BAB III

PERHITUNGAN

3.1. Aliran Berlawanan Arah 3.1.1. Data Percobaan

Valve T3 T4 T5 T6 VAIR VSTEAM

1/5 28 35 96 62 62 2.4 2/5 27 32 97 52 142 3 3/5 27 31 97 45 168 3.3 4/5 27 30 97 43 228 3.4 5/5 27 30 97 40 236 3.6 3.1.2. Identifikasi Data ( ) Dimana :

 Suhu rata-rata Steam

 Suhu rata-rata air



Dari identifikasi di atas selanjutnya dianalisa karakteristik dari setiap aliran dengan merujuk pada “buku Holman Apendix Tabel A-9” yang diadaptasi dariA.I.Browndan S.M.

Marco, “Introduction to Heat Transfer”, 3rd

ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1958. Valve 1/5 65.5 45 2.4E-06 6.2E-05 17.08374 2/5 64.5 39.5 3.0E-06 1.4E-04 18.20478 3/5 64 36 3.3E-06 1.7E-04 18.71382 4/5 63.5 35 3.4E-06 2.3E-04 17.64479 5/5 63.5 33.5 3.6E-06 2.4E-04 18.33966

(21)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

21

VALVE (bukaankran) SUHU (0C) Cp (kJ/kg.0C) ρ (kg/m3) μ (kg/m.s) k (W/m0C) Pr 1/5 Tavg air = 45 4,174 989.52 5.94.10-4 0,646 3,76 Tavg steam = 65.5 4.183 980.6 4,33.10-4 0.659 2,73 2/5 Tavg air = 39.5 4.174 991.5 6.35.10-4 0,635 4.24 Tavg steam = 64.5 4.182 982.06 4,4.10-4 0,657 2,81 3/5 Tavg air = 36 4.174 993.5 7.04.10-4 0,628 4.72 Tavg steam = 64 4.182 982.66 4,45.10-4 0,650 2,87 4/5 Tavg air = 35 4.174 994.1 7.25.10-4 0,625 4,81 Tavg steam = 63.5 4.180 981.6 4,53.10-4 0.657 2,85 5/5 Tavg air = 33.5 4.174 994.5 7.51. 10-4 0,624 4.95 Tavg steam = 63.5 4.182 981.4 4,45.10-4 0,658 2,83 3.1.3. Perhitungan

a. Menghitung (aliran air diantara pipa annulus) i. Aliran dengan valve 1/5 bukaan

[ ( )] [ ]

Re < 10.000 maka aliran LAMINER

[ ] [ ]

ii. Aliran dengan valve 2/5 bukaan

[ ( )] [ ]

(22)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

22

[ ]

iii. Aliran dengan valve 3/5 bukaan

[ ( )] [ ]

Re < 10.000 maka aliran LAMINER

[ ]

iv. Aliran dengan valve 4/5 bukaan

[ ( )] [ ]

Re > 10.000 maka aliran TURBULEN

v. Aliran dengan valve 5/5 bukaan

[ ( )] [ ]

(23)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

23

b. Menghitung (aliran steam pada pipa dalam) i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

[ ( )] [ ]

Re < 10.000 maka aliran LAMINAR

[ ] [ ]

ii. Alirandengan valve 2/5 bukaan

[ ( )] [ ]

[ ] [ ]

iii. Alirandengan valve 3/5 bukaan

[ ( )] [ ]

(24)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

24

[ ] [ ]

iv. Alirandengan valve 4/5 bukaan

[ ( )] [ ]

[ ] [ ]

v. Alirandengan valve 5/5 bukaan

[ ( )] [ ]

[ ] [ ] c. Menghitung nilai

Dari tabel A-2 buku Holman, diperoleh bahwa nilai KCumurni (T = 20oC) =

386 W/moC

( )

dimana :

(25)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

25

Untuk perhitungan aliran valve 1/5

( ) ( ₎

Dengan cara yang sama didapatkan :

ho (W/m2.oC) hi (W/m2.oC) Uc (W/m2.oC) 198.4795 410.76 155.9688 216.5328 454.4926 170.6383 219.5423 570.5956 180.2958 222.3202 1206.318 201.104 227.6192 1235.656 205.896 d. Menentukan nilai

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan

kotor) dimana : _{A = m}2 

dimana λ adalah panas laten (asumsi saturated steam) = 334,994 dan Cp = Cpsteam dari tabel A-9 Holman.

Untuk perhitungan q pad aaliran dengan bukaan valve 1/5 adalah sebagai berikut :

(26)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

26

Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan : Perhitungan q Valve T out T in w Steam (kg/s) Lambda (J/kg) Cp (kJ/kgoC) q (J/s) 1/5 35 96 0.00235 335 4.183 1.386883 2/ 5 32 97 0.00304 335 4.182 1.844763 3/5 31 97 0.00324 335 4.182 1.979679 4/ 5 30 97 0.00334 335 4.18 2.0543 5/ 5 30 97 0.00353 335 4.182 2.171635

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan perhitungan mencari nilai Ud.Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh :

Perhitungan Valve q A LMTD 1/5 1.386883 0.0712 17.08374 1.140189 2/ 5 1.844763 0.0712 18.20478 1.42323 3/5 1.979679 0.0712 18.71382 1.485772 4/ 5 2.0543 0.0712 17.64479 1.635187 5/ 5 2.171635 0.0712 18.33966 1.663089 e. MenentukanNilai

Untuk menghitung factor pengotor digunakanpersamaan :

(27)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

27

Perhitungan Ud Uc 1/Ud 1/Uc Rd 1.140189 155.9688 0.877047 0.006412 0.870636 1.42323 170.6383 0.702627 0.00586 0.696767 1.485772 180.2958 0.673051 0.005546 0.667504 1.635187 201.104 0.611551 0.004973 0.606578 1.663089 205.896 0.601291 0.004857 0.596434

f. Menentukan (nilai keefektifan)dan NTU

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

 Penentuanfluida minimum

Fluida Min = C terkecil

FluidaMaks = C terbesar  (nilai kefektifan)  NTU [ ] Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan :

fluida C ket C* Tin Tout NTU

Steam 0.00983 Fluida Min 0.03838 96 35 0.897059 2.581736

Air 0.256075 FluidaMaks 28 62

(28)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

28

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia  (nilai kefektifan)  NTU [ ] Dengan :

fluida C ket C* Tin Tout e NTU

Steam 0.012713 Fluida Min 0.02196 97 32 0.928571 2.911267

Air 0.578934 FluidaMaks 27 52

Fluida Maks = C terbesar

 (nilai kefektifan)  NTU [ ] Dengan :

Steam 0.01355 Fluida Min 0.019208 97 31 0.942857 3.182244

Air 0.705406 FluidaMaks 27 45

(29)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

29

Steam 0.013961 Fluida Min 0.014632 97 30 0.957143 3.494428

Air 0.954176 FluidaMaks 27 43

Steam 0.014762 Fluida Min 0.014823 97 30 0.957143 3.500043

(30)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

30

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia Ringkasan Hasil Perhitungan Tabel. Ringkasan HasilOlah data Aliran Fluida Q (m3/s) h W/m2.oC Uc W/m2.oC Ud W/m2.oC Rd m2.oC/W e NTU 1/5 Steam 2.40E-06 198.47946 155.9688 1.1402 0.8706 0.8971 2.5817 Air 6.20E-05 410.75996 2/5 Steam 3.00E-06 216.5328 170.6383 1.4232 0.6968 0.9286 2.9113 Air 1.42E-04 454.49256 3/5 Steam 3.30E-06 219.5423 180.2958 1.4858 0.6675 0.9429 3.1822 Air 1.68E-04 570.59562 4/5 Steam 3.40E-06 222.3202 201.1040 1.6352 0.6066 0.9571 3.4944 Air 2.28E-04 1206.3179 5/5 Steam 3.60E-06 227.6192 205.8960 1.6631 0.5964 0.9571 3.5000 Air 2.36E-04 1235.6563 3.2. Aliran Searah 3.2.1. Data Percobaan

Valve T1 T2 T3 T4 VSTEAM VAIR

1/5 80 41 36 93 3.26 81 2/5 56 38 34 94 4.2 140 3/5 44 35 33 93 2.8 212 4/5 42.5 34 33 93 3.2 256 5/5 39 23 32 93 3.4 274 3.2.2. Identifikasi Data ( ) Dimana : Valve 1/5 38.5 86.5 3.3E-06 8.1E-05 47.89 2/5 36 75 4.2E-06 1.4E-04 36.39 3/5 34 68.5 2.8E-06 2.1E-04 28.27 4/5 33.5 67.75 3.2E-06 2.6E-04 27.104 5/5 27.5 66 3.4E-06 2.7E-04 27.36

(31)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

31

 Suhu rata-rata Steam

 Suhu rata-rata air



Dari identifikasi di atas selanjutnya dianalisa karakteristik dari setiap aliran dengan merujuk pada “buku Holman Apendix Tabel A-9” yang diadaptasi dariA.I.Browndan S.M. Marco, “Introduction to Heat Transfer”, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company,New York, 1958.

VALVE (bukaankran) SUHU (0C) Cp (kJ/kg.0C) ρ (kg/m3) μ (kg/m.s) k (W/m0C) Pr 1/5 Tavgair = 86.5 4.198 967.503 3.32.10-4 0.674 2.059 Tavg steam = 38.5 4.174 992.690 6.73.10-4 0.631 4.467 2/5 Tavg air= 75 4.189 974.787 3.81.10-4 0.667 2.390 Tavg steam = 36 4.174 993.609 7.08.10-4 0.627 4.719 3/5 Tavg air= 68.5 4.185 978.707 4.15.10-4 0.662 2.634 Tavg steam = 34 4.174 994.292 7.38.10-4 0.625 4.931 4/5 Tavg air= 67.75 4.184 979.112 4.19.10-4 0.661 2.651 Tavg steam = 33.5 4.174 994.463 7.46.10-4 0.625 4.984 5/5 Tavg air= 66 4.183 980.057 4.28.10-4 0.659 2.714 Tavg steam = 27.5 4.178 995.666 8.46.10-4 0.615 5.741 3.2.3. Perhitungan

a. Menghitung (aliran air diantarapipa annulus) i. Aliran valve 1/5 bukaan

Oleh karena aliran annulus merupakan aliran fluida inkompressibel, maka untuk menentukan nilai Reh dibutuhka nnilai Rh = S/Z (luas area /keliling

terbasahi). Dalam pipa, luas penampangnya adalah lingkaran. Jadi mencari nilai Rh dengan membagi antara luas lingkaran dengan keliling

(32)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

32

D2 = 0.025 m ; D1 = 0.014 m 〈 ̅〉 〈 ̅〉 _⁄ ⁄ 〈 ̅〉 ⁄ ⁄ ⁄ Re < 10.000 makaaliran LAMINER ( ) [ ] [ ] ii. Aliran dengan valve 2/5 bukaan

〈 ̅〉 〈 ̅〉 _⁄ ⁄

(33)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

33

〈 ̅〉 ⁄ ⁄ _⁄ Re > 10.000 makaaliran TURBULEN

Selanjutnya dengan cara yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut ini:

Water

Valve Rh miu v Reh Jenisaliran Pr k ho

1 per 5 0.003 0.000332 0.241 7710.188 Laminer 2.059 0.674 345.190 2 per 5 0.003 0.000381 0.416 11699.802 Turbulen 2.390 0.667 808.813 3 per 5 0.003 0.000415 0.630 16330.752 Turbulen 2.634 0.662 1168.496 4 per 5 0.003 0.000419 0.760 19539.977 Turbulen 2.651 0.661 1559.146 5 per 5 0.003 0.000428 0.814 20493.865 Turbulen 2.714 0.659 1800.540

b. Menghitung (aliran steam pada pipa dalam)

Dalam perhitungan ini, pipa yang terlibat hanyalah pipa steam (bagian dalam). Jadi, praktikan menghitung nilai Re di dalam pipa tersebut

[ ]

Jikaaliranturbulen:

(34)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

34

kemudian mengkategorikant ermasuk jenis aliran manakah, apakah laminar atau turbulen.

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

〈 ̅〉

Re < 10.000 maka aliran LAMINAR

[ ] [ ]

Dengan langkah yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut:

Steam

Valve D miu v Re Jenisaliran Pr k h1

1 per 5 0.014 0.000673 0.0211881 437.5407334 Laminer 4.467 0.631 271.0023 2 per 5 0.014 0.000708 0.0272975 536.3321818 Laminer 4.719 0.627 293.5131 3 per 5 0.014 0.000738 0.0181984 343.25583 Laminer 4.931 0.625 255.8565 4 per 5 0.014 0.000746 0.0207981 388.152232 Laminer 4.984 0.625 267.5092 5 per 5 0.014 0.000846 0.022098 364.1032359 Laminer 5.741 0.615 270.1124 [ ] Jikaaliranturbulen: Jikaaliran laminar:

(35)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

35

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia c. Menghitung nilai

Dari tabel A-2 buku Holman, diperoleh bahwa nilai KCumurni (T = 20oC) =

386 W/moC ( ) dimana :

Untuk perhitungan aliran valve 1/5

( ) ( ₎ Dengan cara yang sama didapatkan :

HitungUc

1/hi 1/h0 Ai Ai/A0 ro/ri Uc 0.004 0.003 0.036 0.560 1.786 187.870 0.003 0.001 0.036 0.560 1.786 243.315 0.004 0.001 0.036 0.560 1.786 227.365 0.004 0.001 0.036 0.560 1.786 243.435 0.004 0.001 0.036 0.560 1.786 248.528 d. Menentukan nilai

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan

(36)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

36

dimana :

_{A = m}2



dimana λ adalah panas laten (asumsisaturated steam) = 334,994 dan Cp = Cpsteam dari tabel A-9 Holman

Untuk perhitungan q pada aliran dengan bukaan valve 1/5 ialah sebagai berikut :

Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan :

Hitung q

Valve T1 (out) T2 (in) w steam lambda Cp q 1 per 5 80 93 0.003 335.000 4.174 0.909 2 per 5 56 94 0.004 335.000 4.174 0.736 3 per 5 44 93 0.003 335.000 4.174 0.363 4 per 5 42.5 93 0.003 335.000 4.174 0.395 5 per 5 39 93 0.003 335.000 4.178 0.370

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan perhitungan mencari nilai Ud. Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh :

Ud Valve q A steam LMTD Ud 1 per 5 0.909 0.036 47.889 0.533 2 per 5 0.736 0.036 36.391 0.568 3 per 5 0.363 0.036 28.270 0.361 4 per 5 0.395 0.036 27.105 0.410 5 per 5 0.370 0.036 27.361 0.380

(37)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

37

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia e. MenentukanNilai

Untuk menghitung faktor pengotor digunakan persamaan :

Berikut ialah tabulasi hasil perhitungan yang menggunakan persamaan diatas : Rd Ud Uc 1/Ud 1/Uc Rd 0.533 187.870 1.877 0.005 1.872 0.568 243.315 1.760 0.004 1.756 0.361 227.365 2.771 0.004 2.767 0.410 243.435 2.442 0.004 2.438 0.380 248.528 2.631 0.004 2.627 f. Menentukan (nilai keefektifan)dan NTU

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

 Penentuan fluida minimum

Perhitungan e dan NTU

Valve fluida w Cp C ket C* Tin Tout e NTU

1 per 5 Steam 0.00324 4.174 0.0135 fluida min

0.041059 93 80 0.22807 0.260376 Air 0.07837 4.198 0.3290 fluida

max

(38)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

38

0.03047 94 56 0.633333 1.026102 Air 0.13647 4.189 0.5717 fluida

max

34 38

(39)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

39

0.013383 93 44 0.816667 1.734699 Air 0.2075 4.185 0.8683 fluida

max

33 35

0.012666 93 42.5 0.841667 1.888831 Air 0.2507 4.184 1.0487 fluida

max

33 34

(40)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

40

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia  (nilai kefektifan)  NTU [ ] Dengan :

5 per 5 Steam 0.0034 4.178 0.0141 fluida min 0.01259 93 39 0.77143 1.50044 Air 0.2685 4.183 1.1233 fluida max 32 23

Ringkasan Hasil Perhitungan

Aliran Fluida Q h Uc Ud Rd e NTU

(m3/s) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (m2.oC/W) 1/5 Steam 3.26E-06 345.1900 187.8705 0.5328 1.8716 0.2281 0.2604 Air 8.10E-05 271.0023 2/5 Steam 4.20E-06 808.8125 243.3155 0.5681 1.7562 0.6333 1.0261 Air 1.40E-04 293.5131 3/5 Steam 2.80E-06 1168.4956 227.3655 0.3609 2.7668 0.8167 1.7347 Air 2.12E-04 255.8565 4/5 Steam 3.20E-06 1559.1459 243.4349 0.4096 2.4375 0.8417 1.8888 Air 2.56E-04 267.5092 5/5 Steam 3.40E-06 1800.5397 248.5278 0.3801 2.6269 0.7714 1.5004 Air 2.74E-04 270.1124

(41)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

41

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia BAB IV

ANALISIS

5.1. Analisis Percobaan

Dalam percobaan ini, praktikan melakukan prosedur terkait dengan heat

exchanger (alat penukar kalor) dengan variasi arah aliran (searah dan berlawanan) dan laju alir air sebagai fluida dingin melalui variasi bukaan valve (1/5, 2/5, 3/5, 4/5,1 putaran). Selain itu, praktikan juga menghitung laju alir keluaran berupa kondensat sebagai fluida panas. Dengan variasi laju alir yang masuk (sebagai fluida dingin), maka dapat diketahui efektivitas atau efisiensi suatu alat penukar kalor.

Dalam percobaan ini digunakan HE jenis pipa ganda tubular. Jenis pipa ganda

tubular digunakan karena lebih efektif mempertukarkan kalor pada skala kecil dibanding jenis HE lain seperti jenis shell and tube. HE tipe ini hanya membutuhkan area perpindahan kalor yang kecil dan mudah diamati suhu masukan dan keluarannya. Untuk aliran searah, praktikan mengatur bukaan valve dan menutup valve tertentu agar aliran fluida menjadi searah. Ketika kedua aliran dimasukkan secara searah, perpindahan kalor mulai terjadi. Data yang diambil berupa suhu yang terbaca pada sensor dan juga laju alir fluida dingin dan kondensat didapatkan saat perubahan suhu fluida dingin dan kondensat yang keluar sudah konstan. Hal yang sama juga dilakukan untuk aliran berlawanan arah sehingga praktikan juga mengambil data suhu serta laju alir air dan kondensat setelah suhu fluida telah konstan. Pengambilan data setelah suhu konstan ini dimaksudkan agar data lebih akurat. Adapun suhu fluida di awal dianggap konstan karena belum dialirkan kalor.

Fluida yang dialirkan terlebih dahulu dalam alat penukar kalor adalah air agar

kalor dari steam dapat diserap oleh air. Hal ini dikarenakan kalor cenderung bersifat menuju arah lingkungan sehingga pemakaian steam diatur agar aliran kalor tidak menuju langsung ke dinding pipa karena selain akan merusak dinding pipa juga akan meningkatkan pemakaian steam sehingga pemakaian steam menjadi lebih boros dan mahal karena steam harus dibuat terlebih dahulu dengan steam generator.

(42)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

42

Saat steam panas baru melewati pipa-pipa HE (sebelum bertemu dengan air),

pipa tersebut terasa panas. Hal ini dikarenakan adanya proses perpindahan kalor dari steam menuju lingkungan juga terjadi pressure drop sepanjang aliran pipa yang mengakibatkan proses perubahan fasa steam menjadi embun meskipun suhu belum mencapai 100oC. Adapun steam dialirkan di dalam pipa yang lebih kecil agar tidak merusak alat karena tekanan steam yang sangat tinggi juga untuk menghindari transfer panas ke pipa bagian luar yang dapat membahayakan praktikan apabila tersentuh. Selain itu, steam dialirkan ke dalam pipa yang lebih kecil untuk menghemat penggunaannya karena harga steam lebih mahal.

5.2. Analisis Hasil dan Perhitungan

 Aliran Berlawanan Arah



Aliran Searah

Berdasarkan data di atas, ditunjukkan bahwa laju alir steam meningkat seiring dengan laju alir air. Hal ini dikarenakan semakin tingginya kalor yang terpakai untuk mengubah air menjadi steam. Karena besarnya laju alir air yang mengalir, maka bisa dikatakan fluida pendingin (air) yang digunakan banyak sehingga kemampuan mendinginkan fluida panas (steam) lebih besar. Dampaknya, suhu steam yang keluar semakin rendah. Pada aliran berlawanan arah, suhu keluaran steam lebih rendah

Valve 1/5 65.5 45 2.4E-06 6.2E-05 17.08374 2/5 64.5 39.5 3.0E-06 1.4E-04 18.20478 3/5 64 36 3.3E-06 1.7E-04 18.71382 4/5 63.5 35 3.4E-06 2.3E-04 17.64479 5/5 63.5 33.5 3.6E-06 2.4E-04 18.33966 Valve 1/5 38.5 86.5 3.3E-06 8.1E-05 47.89 2/5 36 75 4.2E-06 1.4E-04 36.39 3/5 34 68.5 2.8E-06 2.1E-04 28.27 4/5 33.5 67.75 3.2E-06 2.6E-04 27.104 5/5 27.5 66 3.4E-06 2.7E-04 27.36

(43)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

43

dibandingkan pada aliran searah, hal ini dikarenakan perbedaan suhu awal pada titik-titik tertentu akan lebih besar sehingga menghasilkan driving force yang mendorong steam dan air untuk saling bertukar panas.

Analisis h0 dan hi

 Aliran Berlawanan Arah

ho (W/m2.oC) hi (W/m2.oC) Uc (W/m2.oC) 198.4795 577.9452 166.1864 216.5328 1700.708 201.6989 219.5423 2223.399 207.5893 222.3202 2737.655 212.1791 227.6192 2804.236 217.2292  Aliran Searah Water

Valve Rh miu v Re Jenisaliran Pr k ho

1 per 5 0.003 0.000332 0.241 7710.188 Laminer 2.059 0.674 345.190 2 per 5 0.003 0.000381 0.416 11699.802 Turbulen 2.390 0.667 808.813 3 per 5 0.003 0.000415 0.630 16330.752 Turbulen 2.634 0.662 1168.496 4 per 5 0.003 0.000419 0.760 19539.977 Turbulen 2.651 0.661 1559.146 5 per 5 0.003 0.000428 0.814 20493.865 Turbulen 2.714 0.659 1800.540 Steam

Valve D miu v Re Jenisaliran Pr k h1

1 per 5 0.014 0.000673 0.0211881 437.5407334 Laminer 4.467 0.631 271.0023 2 per 5 0.014 0.000708 0.0272975 536.3321818 Laminer 4.719 0.627 293.5131 3 per 5 0.014 0.000738 0.0181984 343.25583 Laminer 4.931 0.625 255.8565 4 per 5 0.014 0.000746 0.0207981 388.152232 Laminer 4.984 0.625 267.5092 5 per 5 0.014 0.000846 0.022098 364.1032359 Laminer 5.741 0.615 270.1124

(44)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

44

Untuk persamaan hi (koefisien panas dari steam) adalah sebagai berikut:

h

i

= Nu

D

. k/D

Karena aliran steam dalam alat penukar kalor bersifat laminar ditinjau dari bilangan Reynold, maka persamaan yang dipakai untuk bilangan Nusselt adalah :

[ ]

Persamaan Bilangan Reynold adalah :

[

( )]

Nilai hi dan h0 banyak dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain Bilangan Reynold,

bilangan Prandtl, serta termal konduktivitas. Bilangan Prandtl dan termal konduktivitas didasarkan oleh kondisi steam sedangkan bilangan Reynold adalah didasarkan jenis aliran dari fluida. Jika dilihat berdasarkan persamaan, bilangan Reynold sangat dipengaruhi oleh laju alir. Semakin besar laju alirnya maka semakin besar nilai bilangan Reynoldnya sehingga h0 dan hi dan laju alir berbanding lurus.

Analisis Uc,Ud, dan Rd

ho (W/m2.oC) hi (W/m2.oC) Uc (W/m2.oC) 198.4795 577.9452 166.1864 216.5328 1700.708 201.6989

(45)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

45

219.5423 2223.399 207.5893 222.3202 2737.655 212.1791 227.6192 2804.236 217.2292 Perhitungan Valve q A LMTD 1/5 1.386883 0.0712 17.08374 1.140189 2/ 5 1.844763 0.0712 18.20478 1.42323 3/5 1.979679 0.0712 18.71382 1.485772 4/ 5 2.0543 0.0712 17.64479 1.635187 5/ 5 2.171635 0.0712 18.33966 1.663089  Aliran Searah Uc

1/hi 1/h0 Ai Ai/A0 ro/ri Uc

0.004 0.003 0.036 0.560 1.786 187.870

0.003 0.001 0.036 0.560 1.786 243.315

0.004 0.001 0.036 0.560 1.786 227.365

0.004 0.001 0.036 0.560 1.786 243.435

0.004 0.001 0.036 0.560 1.786 248.528

Adapun persamaan Uc (koefisien perpindahan panas dalam keadaan bersih) adalah sebagai berikut : ( ) Ud Valve q A steam LMTD Ud 1 per 5 0.909 0.036 47.889 0.533 2 per 5 0.736 0.036 36.391 0.568 3 per 5 0.363 0.036 28.270 0.361 4 per 5 0.395 0.036 27.105 0.410 5 per 5 0.370 0.036 27.361 0.380

(46)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

46

Sedangkan persamaan Ud (koefisien perpindahan panas dalam keadaan kotor) adalah sebagai berikut :

Dengan q merupakan panas yang dapat dipindahkan oleh alat penukar kalor dan A adalah luas luas bidang perpindahan panas atau dalam hal ini adalah luas pipa dalam (Ai).

Dengan W = ρ.Q , dan λ adalah panas laten.

Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai Uc berbanding lurus dengan nilai hi dan h0. Semakin besar hi dan ho, maka semakin besar juga Uc. Hal ini

dikarenakan adanya kaitan erat bilangan Re dengan nilai h.

Lain hal nya dengan nilai Ud. Nilai Ud berbanding terbalik dengan LMTD (logarithmic mean temperature difference). LMTD ini mempunyai suatu faktor koreksi, yaitu FT. Nilai FT didapat dari fig. 18 buku Kern. Dan nilai FT ini

didapatkan dari titik temu antara R dan S

Nilai LMTD sendiri dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

(

(47)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

47

Di samping itu, praktikan juga menghitung faktor pengotor (Rd) alat penukar kalor melalui persamaan berikut:

Penyebab yang memengaruhi faktor kekotoran secara langsung adalah Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud sehingga nilai dari Rd selalu positif.

Analisis Efektifitas dan NTU

Aliran Fluida Q (m3/s) h W/m2.oC Uc W/m2.oC Ud W/m2.oC Rd m2.oC/W e NTU 1/5 Steam 2.40E-06 198.4795 166.1864 1.1402 0.8710 0.8971 2.5817 Air 6.20E-05 577.9452 2/5 Steam 3.00E-06 216.5328 201.6989 1.4232 0.6977 0.9286 2.9113 Air 1.42E-04 1700.7079 3/5 Steam 3.30E-06 219.5423 207.5893 1.4858 0.6682 0.9429 3.1822 Air 1.68E-04 2223.3994 4/5 Steam 3.40E-06 222.3202 212.1791 1.6352 0.6068 0.9571 3.4944 Air 2.28E-04 2737.6546 5/5 Steam 3.60E-06 227.6192 217.2292 1.6631 0.5967 0.9571 3.5000 Perhitungan (berlawanan arah)

Ud Uc 1/Ud 1/Uc Rd 1.140189 166.1864 0.877047 0.006017 0.87103 1.42323 201.6989 0.702627 0.004958 0.697669 1.485772 207.5893 0.673051 0.004817 0.668233 1.635187 212.1791 0.611551 0.004713 0.606838 1.663089 217.2292 0.601291 0.004603 0.596687 Rd (searah) Ud Uc 1/Ud 1/Uc Rd 0.533 187.870 1.877 0.005 1.872 0.568 243.315 1.760 0.004 1.756 0.361 227.365 2.771 0.004 2.767 0.410 243.435 2.442 0.004 2.438 0.380 248.528 2.631 0.004 2.627

(48)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

48

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia Air 2.36E-04 2804.2359

 Aliran Searah

Aliran Fluida Q h Uc Ud Rd e NTU

(m3/s) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (m2.oC/W) 1/5 Steam 3.26E-06 345.1900 187.8705 0.5328 1.8716 0.2281 0.2604 Air 8.10E-05 271.0023 2/5 Steam 4.20E-06 808.8125 243.3155 0.5681 1.7562 0.6333 1.0261 Air 1.40E-04 293.5131 3/5 Steam 2.80E-06 1168.4956 227.3655 0.3609 2.7668 0.8167 1.7347 Air 2.12E-04 255.8565 4/5 Steam 3.20E-06 1559.1459 243.4349 0.4096 2.4375 0.8417 1.8888 Air 2.56E-04 267.5092 5/5 Steam 3.40E-06 1800.5397 248.5278 0.3801 2.6269 0.7714 1.5004 Air 2.74E-04 270.1124

Persamaan untuk mendapatkan nilai efektifitas adalah :











out_in in_in



in out in c h c c c c h h h h T T C T T C T T C T T C       min min min 

Sedangkan persamaan untuk mendapatkan nilai NTU adalah :

[ ] Dengan : Dengan :

Fluida Min = C terkecil FluidaMaks = C terbesar

Dari hasil perhitungan di atas, dapat diketahui bahwa nilai efisiensi dari aliran berlawanan arah lebih besar dikarenakan suhu keluaran air dari aliran berlawanan

(49)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

2012

49

arah lebih besar. Dengan kata lain, nilai efisiensi ini tergantung dari suhu masukan serta keluaran dari fluida dingin dan steam. Sesuai dengan hasil perhitungan yang ada, nilai NTU memiliki hubungan berbanding lurus dengan efektifitas.

5.3. Analisis Kesalahan

 Adanya kesalahan paralaks yang mengakibatkan kesalahan pencatatan volume air

dan kondensat.

 Terjadinya kemacetan pada keluaran dari pipa dan valve yang memungkinkan

terjadinya perubahan nilai pada suhu sehingga suhu yang tercatat tidak sesuai dengan yang seharusnya.

 Proses pembukaan valve yang kurang sesuai sehingga volume air dan steam serta