Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
1BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Salah satu cara yang ditempuh untuk meningkatkan efisiensi thermal adalah dengan mengunakan Alat Penukar Kalor. Adapun beberapa jenis alat penukar kalor yang digunakan adalah superheater, ekonomizer, feed water heater, kondensor, heat exchanger dan lain sebagainya. Untuk menguasai teknik tentang heat exchanger baik dalam pengoperasian maupun perakitan, maka harus memahami prinsip-prinsip dasar cara kerja heat exchanger. Pertukaran kalor terjadi melalui bidang-bidang perpindahan panasnya yang umumnya berupa dinding-dinding pipa atau sirip-sirip (fin) yang dipasang pada pipa.
Secara umum perpindahan panas didominasi oleh konveksi dan konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh dinding. Perpindahan panas secara konveksi sangat dipengaruhi oleh bentuk geometri heat exchanger dan tiga bilangan tak berdimensi, yaitu bilangan Reynold, bilangan Nusselt dan bilangan Prandtl fluida. Besar konveksi yang terjadi dalam tiap jenis heat exchanger untuk beda temperatur yang sama harganya berbeda. Sedang besar ketiga bilangan tak berdimensi tersebut tergantung pada kecepatan aliran serta properti fluida yang meliputi massa jenis, viskositas absolut, panas jenis dan konduktivitas panas. Besar kecepatan aliran menentukan jenis aliran, yaitu aliran laminer atau turbulen. Berangkat dari kondisi ini, disusun hipotesa bahwa kenaikan kecepatan aliran akan meningkatkan efektivitas suatu heat exchanger hingga pada suatu harga tertentu, dan kemudian efektivitas tidak naik lagi melainkan turun.
1.2 Tujuan Praktikum
Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui unjuk kerja dari alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe Heat Exchanger) yang diperoleh dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efisiensi, dan perbandingan untuk aliran searah (cocurrent) dan berlawanan arah (counter current).
1.3 Batasan Masalah
Pada praktikum kali ini, membahas tentang alat penukar panas jenis shell and tube heat exchanger, dimana, akan dilihat bagaimana pengaruh kenaikan kecepatan aliran terhadap efektivitas heat exchanger.
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
2Bab II
Teori Dasar
2.1 Pengertian Heat Exchanger
Menurut Incropera dan Dewitt (1981), efektivitas suatu heat exchanger didefinisikan sebagai perbandingan antara perpindahan panas yang diharapkan (nyata) dengan perpindahan panas maksimum yang mungkin terjadi dalam heat exchanger tersebut. Secara umum pengertian alat penukar panas atau heat exchanger (HE), adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja. Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi,pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke udara sekitar.
2. 2 Prinsip Kerja Heat Exchanger
Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger
Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida pada temperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung.
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
3 a. Secara kontak langsung, panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dingin melalui 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 dan dingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
2.3 Jenis – jenis Heat Exchanger
Perlu diketahui bahwa untuk alat-alat ini terdapat suatu terminology yang telah distandarkan untuk menamai alat dan bagian-bagian alat tersebut yang dikeluarkan oleh Asosiasi pembuat Heat Exchanger yang dikenal dengan Tublar Exchanger Manufactures Association (TEMA). Standarisasi tersebut bertujuan untuk melindungi para pemakai dari bahaya kerusakan atau kegagalan alat, karena alat ini beroperasi pada temperature dan tekanan yang tinggi.
Didalam standar mekanik TEMA, terdapat dua macam kelas heat Exchanger, yaitu : 1. Kelas R, yaitu untuk peraalatan yang bekerja dengan kondisi berat, misalnya untuk industri
minyak dan kimia berat.
2. Kelas C, yaitu yang dibuat untuk general purpose, dengan didasarkan pada segi ekonomis dan ukuran kecil, digunakan untuk proses-proses umum industri.
Jenis-jenis Heat Exchanger dapat dibedakan atas :
Jenis Shell and Tube
Jenis ini merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil. Satu jenis fluida mengalir didalam pipa-pipa sedangkan fluida lainnya mengalir dibagian luar pipa tetapi masih didalam shell.
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).
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
4Gambar 2. Konstruksi alat penukar kalor jenis shell and tube
Berdasarkan konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube dibedakan atas: 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
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
Jenis ini 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
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
5 Jenis Double Pipe (Pipa Ganda)Pada jenis ini tiap pipa atau beberapa pipa mempunyai shell sendiri-sendiri. Untuk menghindari tempat yang terlalu panjang, heat exchanger ini dibentuk menjadi U. pada keperluan khusus, untuk meningkatkan kemampuan memindahkan panas, bagian diluar pipa diberi srip. Bentuk siripnya ada yang memanjang, melingkar dan sebagainya.
Gambar 3. Alat penukar kalor jenis double pipa
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.
Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil, mudah dibersihkan pada bagian fitting, Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa, dapat dipasang secara seri ataupun paralel, dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan,mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya dan kalkulasi design mudah dibuat dan akurat Sedangkan kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil, mahal, terbatas untuk fluida yang
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
6 membutuhkan area perpindahan kalor kecil (<50 m2), dan biasanya digunakan untuk sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau dikondensasikan.Koil Pipa
Heat Exchanger ini mempunyai pipa berbentuk koil yang dibenamkan didalam sebuah box berisi air dingin yang mengalir atau yang disemprotkan untuk mendinginkan fluida panas yang mengalir di dalam pipa. Jenis ini disebut juga sebagai box cooler (gambar 2.5) jenis ini biasanya digunakan untuk pemindahan kalor yang relative kecil dan fluida yang didalam shell yang akan diproses lanjut.
Gambar 4. Pipa Coil Heat Exchanger
Jenis Pipa Terbuka (Open Tube Section)
Pada heat exchanger ini pipa-pipa tidak ditempatkan lagi didalam shell, tetapi dibiarkan di udara. Prndinginan dilakukan dengan mengalirkan air atau udara pada bagian pipa. Berkas pipa itu biasanya cukup panjang. Untuk pendinginan dengan udara biasanya bagian luar pipa diberi sirip-sirip untuk memperluas permukaan perpindahan panas. Seperti halnya jenis coil pipa, perpindahan panas yang terjadi cukup lamban dengan kapasitas yang lebih kecil dari jenis shell and tube.
Jenis spiral
Jenis ini menpunyai bidang perpindahan panas yang melingkar. Karena alirannya yang melingkar maka system ini dapat “Self Cleaning” dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik. Akan tetapi konstruksi seperti ini tidak dapat dioperasikan pada tekanan tinggi.
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
7 Jenis lamellabiasanya digunakan untuk memindahkan panas dari gas ke gas pada tekanan rendah. Jenis ini memiliki koefisien perpindahan panas yang baik/tinggi.
Gasketter plate exchanger
Mempunyai bidang perpindahan panas yang terbentuk dari lembaran pelat yang dibuat beralur. Laluan fluida (biasanya untuk cairan) terdapat diantara lembaran pelat yang dipisahkan gasket yang dirancang khusus sehingga dapat memisahkan aliran dari kedua cairan. Perawatannya mudah dan mempunyai efisiensi perpindahan panas yang baik.
2.4 Komponen-komponen Heat Exchanger.
Shell
Kontruksi shell sangat ditentukan oleh keadaan tubes yang akan ditempatkan didalamnya. Shell ini dapat dibuat dari pipa yang berukuran besar atau pelat logam yang dirol. Shell merupakan badan dari heat exchanger, dimana didapat tube bundle. Untuk temperatur yang sangart tinggi kadang-kadang shell dibagi dua disambungkan dengan sambungan ekspansi.
Tube (pipa)
Tube atau pipa merupakan bidang pemisah antara kedua jenis fluida yang mengalir didalamnya dan sekaligus sebagai bidang perpindahan panas. Ketebalan dan bahan pipa harus dipilih pada tekanan operasi fluida kerjanya. Selain itu bahan pipa tidak mudah terkorosi oleh fluida kerja. Adapun beberapa tipe susunan tube dapat dilihat dibawah ini :
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
8 Susunan dari tube ini dibuat berdasarkan pertimbangan untuk mendapatkan jumlah pipa yang banyak atau untuk kemudahan perawatan (pembersihan permukaan pipa).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-tube bundle dan sebagai pemisah antara tube-tube side dengan shell side.
Sekat (Baffle)
Adapun fungsi dari pemasangan sekat (baffle) pada heat exchanger ini antara lain adalah untuk :
1. Sebagai penahan dari tube bundle
2. Untuk mengurangi atau menambah terjadinya getaran.
3. Sebagai alat untuk mengarahkan aliran fluida yang berada di dalam tubes.
Ditinjau dari segi konstruksinya baffle dapat diklasifikasikan dalam empat kelompok, yaitu : 1. sekat plat bentuk segmen.
2. Sekat bintang (rod baffle) 3. Sekat mendatar.
4. Sekat impingement.
Tie Rods
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.
2.5 Pengukuran Kinerja Heat Exchanger
Kinerja dari suatu Heat Exchanger dapat dilihat dari parameter-parameter berikut :
a. Faktor Pengotor (Fouling Factor)
Faktor pengotoran ini sangat mempengaruhi perpindahan panas pada heat exchanger. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchange rakibat pengaruh dari jenis fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti akan terjadi. Terjadinya
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
9 pengotoran tersebut dapat menganggu atau memperngaruhi temperatur fluida mengalir juga dapat menurunkan ataau mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat pengotoran antara lain : Temperatur fluida Temperatur dinding tube Kecepatan aliran fluida
Faktor pengotoran (fouling factor, Rf) dapat dicari persamaan :
dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
Jika fouling factor di atas sudah memiliki nilai sedemikian besar, maka HE tersebut dapat disimpulkan sudah tidah baik kinerjanya.
b. Koefisien perpindahan panas
Semakin baik sistem maka semakin tinggi pula koefisien panas yang dimilikinya. Koefisien perpindahan kalor, U, terdiri dari dua macam yaitu :
UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor masih baru
UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor sudah kotor
Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai
c. Penurunan Tekanan (Pressure Drop)
Pada setiap aliran dalam HE akan terjadi penurunan tekanan karena adanya gaya gesek yang terjadi antara fluida dan dinding pipa. Hal ini dapat terjadi pada sambungan pipa,
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
10fitting,atau pada HE itu sendiri. Hal ini akan mengakibatkan kehilangan energi sehingga
perubahan suhu tidak konstan.
Untuk penurunan Tekanan pada Tube Side Besarnya penurunan tekanan pada tube side alat penukar kalor telah diformulasikan, persamaan terhadap faktor gesekan dari fluida yang dipanaskan atau yang didinginkan didalam tube.
Dimana :
n = Jumlah pass aliran tube L = Panjang tube
L.n = Panjang total.lintasan dalam ft Mengingat bahwa fluida itu mengalami belokan pada saat passnya, maka akan terdapat kerugian tambahan penurunan tekanan.
d. Konduktivitas Termal
Daya hantar kalor yang dimiliki fluida maupun dinding pipa HE sangat berpengaruh pada kemampuan kalor tersebut berpindah.
e. Aliran Fluida yang Bertukar Kalor
Aliran Kalor Sejajar, kurang efisien dan cepat untuk satu fluida. Aliran Kalor Berlawanan Arah, kalor yang ditransfer lebih banyak.
2.6 Metode-metode untuk menentukan efektivitas
Beda Suhu Rata-rata Log (LMTD)
Pada alat penukar-kalor pipa-ganda, fluidanya dapat mengalir dalam aliran-sejajar maupun aliran lawan-arah. Untuk menghitung perpindahan kalor dalam susunan pipa-ganda digunakan persamaan :
dimana : U = koefisien perpindahan-kalor menyeluruh
A = luas permukaan perpindahan-kalor
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
11 Untuk alat penukar-kalor aliran-sejajar , kalor yang dipindahkan melalui unsur luas dA dapat dituliskan sebagai:c c c h h hc dT m c dT m dq
dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida-panas dan fluida-dingin. Perpindahan-kalor dapat pula dinyatakan sebagai
dA T T U dq ( h c) dimana, h h h c m dq dT dan c c c c m dq dT
dimana m menunjukkan laju aliran-massa dan c adalah kalor spesifik fluida.
Jadi, c c h h c h c h c m c m dq T T d dT dT 1 1 ) (
Jika dq diselesaikan dari persamaan (1) dan disubstitusikan ke dalam persamaan (2) maka didapatkan c c h h c h c h c m c m U T T T T d 1 1 ) (
Hasil kali mccc dan mhch dapat dinyatakan dalam perpindahan kalor total q dan beda-suhu menyeluruh antara fluida-panas dan fluida dingin. Jadi,
2 1 h h h h T T q c m dan 1 2 c c h h T T q c m
Jika kedua hubungan di atas disubstitusikan ke persamaan (3) memberikan :
)] /( ) ln[( ) ( ) ( 1 1 2 2 1 1 2 2 c h c h c h c h T T T T T T T T UA q
Jika persamaan diatas dibandingkan dengan persamaan sebelumnya terlihat bahwa beda suhu rata-rata merupakan pengelompokan suku-suku dalam kurung, Jadi,
)] /( ) ln[( ) ( ) ( 1 1 2 2 1 1 2 2 c h c h c h c h m T T T T T T T T T
Beda suhu ini disebut beda suhu rata-rata log (log mean temperature difference = LMTD). Dengan kata lain, LMTD ialah beda-suhu pada satu ujung penukar-kalor dikurangi beda-suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah dari perbandingan kedua beda suhu tersebut.
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
12 Penurunan persamaan LMTD tersebut didasarkan atas dua asumsi :(1) Kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu
(2) Koefisien perpindahan-kalor konveksi tetap, untuk seluruh penukar-kalor.
Jika suatu penukar-kalor yang bukan jenis pipa-ganda digunakan, perpindahan-kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi terhadap LMTD untuk susunan pipa-ganda
aliran lawan-arah dengan suhu fluida-panas dan fluida dingin yang sama. Bentuk persamaan
perpindahan-kalor menjadi:
Metode NTU Efektivitas
Dalam analisis penukar-kalor, pendekatan dengan metode LMTD berguna apabila suhu masuk dan suhu keluar fluida diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah sehingga LMTD, luas permukaan dan koefisien perpindahan kalor dapat dengan mudah ditentukan. Namun, apabila kita harus menentukan terlebih dahulu suhu masuk dan suhu keluar fluida maka analisis lebih mudah dilakukan dengan metode yang berdasarkan efektivitas penukar kalor dalam memindahkan jumlah kalor tertentu atau disebut juga metode NTU (Number of
Transfer Unit). Metode NTU dikhususkan untuk menghitung perpindahan secara counter currentHeat Exchanger sendiri adalah alat/perangkat yang energinya ditransfer dari satu
fluida menuju fluida lainnya melewati permukaan padat.
Metode NTU ini dijalankan/dikerjakan dengan menghitung laju kapasitas panas (contohnya laju alir dikalikan dengan panas spesifik) Ch dan Cc berturut-turut untuk fluida
panas dan dingin. Dalam kasus dimana hanya ada temperatur awal untuk fluida panas dan cair yang diketahui, LMTD tidak dapat dihitung sebelumnya dan aplikasi/penerapan metode LMTD memerlukan pendekatan secara iterasi. Pendekatan yang dianjurkan adalah metode keefektifan atau -NTU. Keefektifan dari Heat Exchanger, , didefinisikan dengan :
m ax
q
q
dimana : q adalah nilai laju sebenarnya dari perpindahan panas dari fluida panas menuju fluida dingin, dan qmax merepresentasikan laju maksimum yang mungkin dari perpindahan panas, yang diberikan dengan hubungan :
T
h iT
c i
C
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
13 dimana Cmin adalah laju kapasitas dari dua panas yang terkecil. Dengan demikian laju perpindahan panas sebenarnya diekspresikan sebagai :
T
hiT
ci
C
q
m in ,
,dan dihitung, memberikan keefektifan heat exchanger, , laju alir massa, dan panas spesifik dua fluida dan temperatur awal.
Untuk geometris aliran, , dapat dihitung menggunakan korelasi dengan istilah “rasio kapasitas panas” : m ax m in
C
C
C
T
dan Bilangan Satuan Perpindahan, NTU :
m in
C
UA
NTU
dimana U merupakan koefisien perpindahan panas keseluruhan dan A adalah area perpindahan panas.
2.7 Beberapa masalah pada jenis heat exchanger.
Naiknya pressure drop didalam HE
1. Penyebab : Ada kotoran dalam HE (HE tersumbat) Tindakan:
Bersihkan pipa-pipa sebelum start up
Bersihkan plate (jika kejadiannya setelah proses berjalan) Media yang masuk HE perlu diberi filter.
2. Penyebab : Viskositas Tindakan:
Check viskositas dan jika perlu setel sesuai desain.
Check apakah temperature turun sampai dibawah temperature desain 3. Penyebab : Kesalahan koneksi pada sistem perpipaan
Tindakan: Check koneksi dan sesuaikan dengan drawing. 4. Penyebab: Kuantitas aliran terlalu besar
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
14 Menurunnya out put HE (menurunnya kapasitas)1. Penyebab: PHE terkotori/tersumbat oleh kotoran dari luar, seperti serpihan plastik dsb. Tindakan: Bersihkan plate dan media yang masuk PHE perlu diberi filter.
2. Penyebab: Aliran terlalu tinggi/cepat. Tindakan:Setel dan sesuaikan.
3. Penyebab : Kesalahan koneksi terhadap sistem perpipaan 4. Tindakan: Check koneksi dan sesuaikan dengan drawing
5. Penyebab: Akumulasi secondary media di dalam HE (seperti oli, dan non-condensable gas)
Tindakan: Buat alat yang sesuai untuk mengalirkannya. Alat ini bisa berupa oil drainage yang dibuka dalam periode tertentu sesuai dengan keadaan.
Kebocoran
1. Penyebab: Tekanan dalam HE melebihi tekanan ijin. Tindakan: Kurangi tekenan sesuai dengan set point. 2. Penyebab: shock pressure/tekanan mendadak.
Tindakan: Hindari terjadinya tekanan mendadak dengan mengatur sistem sebaik mungkin, membuka dan menutup sistem dengan smooth.
3. Penyebab: Rusaknya gasket karena pengaruh serangan medium.
Tindakan: Ganti gasket, jika perlu ganti dengan material lain yang lebih baik. 4. Penyebab: Terbloknya aliran dalam HE.
Tindakan: Bersihkan plate dan beri saringan/filter.
Tercampurnya media.
1. Penyebab: Plate tidak terinstall dengan benar Tindakan: Install plate sesuai panduan. 2. Penyebab: Korosi
Tindakan:
a. Cari penyebab korosi dan ganti plate baru
b. Ganti dengan plate yang dengan material yang tahan korosi. 3. Penyebab: Koneksi tidak sesuai
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
15BAB III
PERCOBAAN DAN DATA PENGAMATAN
3.1 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.
6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.
3.2 Skema Alat dan Deskripsi
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
16 1. FungsiAlat Double pipe Heat exchanger ini didisain untuk mempelajari dan mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan material teknik pada laju transfer panas melalui dinding tipis.
2. 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 dengan pertimbangan tertentu yang akan di bahas nantinya, 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.
3. 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. 4. 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.
5. 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
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
173.3 Data Pengamatan
L = 162 cm
D1 (tube) = 0,014 m A1 = .D1.L = 0,0712 m2 D0 (shell) = 0,025 m A0 = .D0.L = 0,1272 m2
Jenis Aliran Volume
(mL)
Kondensat (ml) Stream T inlet (oC) T outlet (oC)
Co-current 6600 69 Water (l) 31 31 Steam (g) 90 30 9450 69 Water (l) 32 32 Steam (g) 91 32 10126 69 Water (l) 30 32 Steam (g) 91 42 Counter- current 7200 69 Water (l) 28 39 Steam (g) 99 30 9200 69 Water (l) 29 38 Steam (g) 98 31 10200 69 Water (l) 28 39 Steam (g) 99 30
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
18BAB IV
PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS
4.1 PERHITUNGAN DATA
4.1.1 Perhitungan dengan Metode LMTD
CO-CURRENT FLOW
Gambar 7. Co current Flow
A. Aliran dengan Qair = 220 ml/s
λ = 80 cal/kg(asumsi saat steam masuk, berada pada keadaan steam jenuh seluruhnya) Qair = 220 ml/s = 2,20.10-4 m3/s
Qsteam = jumlah kondensat yang terbentuk = 2,3 ml/s
= 2,3 ml/s x 10-6 m3/ml= 2,3 x 10-6 m3/s Tavg water liquid =
2 out in T T =29 31 30 2 0 C Tavg steam = 2 out in T T = 90 32 61 2 0 C D = De = (D22 – D12)/D1 = (0,0252- 0,0142)/0,014 = 0,03064 m ) ( ) ( ln ) ( ) ( 2 2 1 1 2 2 1 1 t T t T t T t T LMTD
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
19
(90 29) (32 31) 14, 65 61 ln 1 o LMTD Ci) Menghitung ho untuk saturated water
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 30 0C , didapat properti untuk water liquid:
Cp (kJ/kg.0C) ρ (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,176 995,26 8,03x10-4 0,619 5,41 W = .Q = 995,26 kg/m3 . 2,20 x 10-4 m3/s = 0,219 kg/s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 0, 03064 4 8, 03.10 2 2 4(0, 219 kg/s) (0, 025 0, 014 ) = 24813,69
Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN. h0 = 0,023.Re0,8.Pr0,3. De k h0 = 0,023.( 24813,69)0,8.(5,41)0,3. 0, 619 0, 03064 h0 = 2528,38 W/m.0C
ii) Menghitung hi untuk steam
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 610C , didapat properti untuk steam:
Cp (kJ/kg. 0 C) ρ (kg/m3 ) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,179 982,76 4,63.10-4 0,659 2,96 W = .Q = 982,76 kg/m3 . 2,3 x 10-6 m3/s = 2,26.10-3 kg/s -3 -3 1 2 . .( ) 2,26.10 kg/s (4,179)(90 32) (2,26.10 kg/s)(334, 994) 1, 305 / qW Cp T T W kJ s Reynold number, Re = De Ge/ = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
20 Re = 0, 03064-4 4,63 x 10 2 -3 2 4(2,26.10 ) (0, 025 0, 014 ) = 444,108Karena Reynold number < 2100 , maka alirannya ialah aliran LAMINAR.
1 0, 014 Re.Pr . 444,108 2,96 11, 36 1, 62 D L . (Re.Pr. 10 1 L D ). Dengan demikian: 1 3 1 1,86 Re.Pr . 1 0,659 1/3 1,86 11, 36 0, 014 D k hi L D hi= 331,533 W/m2.0C
iii) Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Dari tabel A-2 (buku Holman), didapatkan bahwa KCu murni( T = 200C) = 386 W/m0C
0 0 1 1 0 1 1 2 / ln 1 1 h A A L K r r A h U i C
1
0, 0712 ln 0, 0125 / 0, 007 1 0, 0712 1 331,533 2 (3,14 . 386 . 1, 62) 0,1272 2528,38 C U Uc = 307,86 W/m2.0C 2 1, 305 1, 251 / 0, 0712 (14, 65) D q U W m C A LMTD 2 1 1 1 1 0, 796 / 1, 251 307,86 o Rd m C W Ud Uc B. Aliran dengan Qair = 315 ml/s
Qair = 315 ml/s = 3,15.10-4 m3/s
Qsteam = jumlah kondensat yang terbentuk/waktu = 2,3 ml/s x 10-6m3/ml = 2,3.10-6 m3/s Tavg water liquid =
2 ut o in T T =29 31 2 = 30 0C Tavg steam = 2 out in T T = 91 32 2 = 61, 50C D = De = (D22 – D12)/2 = (0,0252- 0,0142)/2 = 0,03064 m
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
21 ) ( ) ( ln ) ( ) ( 2 2 1 1 2 2 1 1 t T t T t T t T LMTD
(91 29) (32 31) 14, 78 62 ln 1 o LMTD Ci) Menghitung ho untuk saturated water:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 31,5 0C , didapat properti untuk water liquid:
Cp (kJ/kg.0C) ρ (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,176 995,26 8,03x10-4 0,619 5,41 W = .Q = 995,26 kg/m3. 3,15.10-4 m3/s = 0,314 kg/s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 0, 030644 8, 03.10 2 2 4.(0,314) (0, 025 0, 014 ) = 35577,54
Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN. maka; h0 = 0,023.Re0,8.Pr0,3. De k h0= 0,023.(35577,52)0,8.(5,41)0,3. 0, 619 0, 03064 h0= 3373,10 W/m2.0C
ii) Menghitung hi untuk steam:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 61,5 0C , didapat properti untuk steam:
Cp (kJ/kg. 0 C) ρ (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,179 982,5 4,6.10-4 0,655 2,93 W = .Q = 982,5 kg/m3 . 2,3.10-6 m3/s = 2,259.10-3 kg/s -3 -3 1 2 . .( ) 2,259.10 . (4,179) . (91 32) (2,259.10 )(334, 994) 1, 314 / qW Cp T T W J s
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
22 Reynold number, Re = De Ge/ = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re =0, 030644 4, 6.10 2 3 2 4(2,259.10 ) (0, 025 0, 014 ) = 446,816Karena Reynold number < 2100 , maka alirannya ialah aliran LAMINAR.
1 0, 014 Re.Pr . 446,816 2, 93 11, 314 1, 62 D L . (Re.Pr. 10 1 L D ).Dengan demikian: 1 3 1 1 1/ 3 1,86 Re.Pr . 0, 655 1,86 11, 314 0, 014 i D k h L D hi= 328,187 W/m2.0C
iii) Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Dari tabel A-2 (buku Holman), didapatkan bahwa KCu murni( T = 200C) = 386 W/m0C
0 0 1 1 0 1 1 2 / ln 1 1 h A A L K r r A h U i C
1
0, 0712 ln 0, 0125 / 0, 007 1 0, 0712 1 328,187 2 (3,14 .386.1, 62) 0,1272 3373,10 C U Uc= 310,25W/m2.0C 2 1, 314 1, 248 / 0, 0712 (14, 78) D q U W m C A LMTD 2 1 1 1 1 0, 798 / 1, 248 310, 25 o Rd m C W Ud Uc C. Aliran dengan Qair = 337.53 ml/s
λ = 80 cal/kg(asumsi saat steam masuk, berada pada keadaan steam jenuh seluruhnya) Qair = 337,53 ml/s = 3,33753x10-4 m3/s
Qsteam = jumlah kondensat yang terbentuk = 2,30 ml/s
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
23 Tavg water liquid =2 out in T T = 2 32 30 = 31 0C Tavg steam = 2 out in T T = 2 42 91 = 62,5 0C D = De = (D22 – D12)/D1 = (0,0252- 0,0142)/0,014 = 0,03064 m ) ( ) ( ln ) ( ) ( 2 2 1 1 2 2 1 1 t T t T t T t T LMTD
(91 30) (42 32) 28, 20 61 ln 10) o LMTD Ci) Menghitung ho untuk saturated water
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 31 0C , didapat properti untuk water liquid:
Cp (kJ/kg.0C) ρ (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4.175 995.09 7.86x10-4 0.621 5.28 W saturated water= .Q = 995,09 kg/m3. 3,33753.10-4 m3/s s = 0,33 kg/s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re= 4 10 . 86 . 7 03064 . 0 2 2 4(0.33 / ) (0.025 0.014 ) kg s = 38179.74
Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN. maka : h0 = 0,023.Re0,8.Pr0,3. De k h0 = 0,023.(38179.74)0,8.(5.28)0,3. 0, 621 0, 03064 h0 = 3554.571 W/m.0C
ii) Menghitung hi untuk steam
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 62,5 0C , didapat 23roperty untuk steam:
Cp (kJ/kg.0C) ρ (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
24 Wsteam = .Q = 983 kg/m3 . 2,30x10-6 m3/s = 2,26.10-3 kg/s -3 -3 1 2 . .( ) 2,26.10 (4,180)(91 42) (2,26.10 )(334, 994) 1, 219 / qW Cp T T W kJ s Reynold number, Re = De Ge/ = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 0, 030644 4, 52.10 3 2 2 4(2, 26.10 ) (0, 025 0, 014 ) = 454,68 Karena Reynold number < 2100 , maka alirannya ialah aliran LAMINAR. maka: 1 0, 014 Re.Pr . 454, 68 2,88 11, 316 1, 62 D L . (Re.Pr. 1 10 L D ). Dengan demikian: 1 3 1 1 1/ 3 1,86 Re.Pr . 0, 656 1,86 11, 316 0, 014 i i D k h L D h hi= 195,667 W/m2°C
iii) Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Dari tabel A-2 (buku Holman), didapatkan bahwa KCu murni( T = 200C) = 386 W/m0C
0 0 1 1 0 1 1 2 / ln 1 1 h A A L K r r A h U i C
1
0, 0712 ln 0, 0125 / 0, 007 1 0, 0712 1 195, 667 2 (3,14 .386.1, 62) 0,1272 3554, 571 C U UC= 189.440 W/m2.0C 2 1, 219 0, 6071 / 0, 0712 (28, 20) D q U W m C A LMTD 2 1 1 1 1 1.642 / 0, 6071 189, 440 o Rd m C W Ud Uc Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
25 COUNTER-CURRENT FLOWGambar 8. Counter current flow
A. Aliran dengan Qair =240 ml/s
Qair = 240 ml/s = 2,4.10-4 m3/s Q steam = jumlah kondensat yang terjadi = 2,3 ml/s x 10-6 m3/ml
= 2,3.10-6 m3/s Tavg water liquid =
2 out in T T =28 39 2 = 33,5 0C Tavg steam = 2 out in T T = 99 30 2 = 64,5 0C D = De = (D22 – D12)/2 = (0,0252- 0,0142)/2 = 0,03064 m ) ( ) ( ln ) ( ) ( 1 2 2 1 1 2 2 1 t T t T t T t T LMTD
(99 39) (30 28) 17, 05 60 ln 2 o LMTD Ci) Menghitung ho untuk saturated water:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 33,5 0C , didapat properti untuk water liquid:
Cp (kJ/kg.
0
C) (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr
4,174 994,46 7,46.10-4 0,625 4,98
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
26 Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 0, 030644 7, 46.10 2 2 4.0, 24 (0, 025 0, 014 ) = 29255,94 Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN. sehingga : h0 = 0,023.Re0,8.Pr0,3. De k h0= 0,023.( 29255,94)0,8 .(4,98)0,3. 0, 625 0, 03064 h0= 2840,920 W/m.0C
ii) Menghitung hi untuk steam:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 64,50C , didapat properti untuk steam:
Cp (kJ/kg. 0 C) (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,182 980,86 4,38.10-4 0,658 2,783 Wsteam = .Qsteam = 980,86 kg/m3. 2,3.10-6 m3/s = 2,256.10-3 kg/s 3 3 1 2 . .( ) 2, 256.10 .(4,182)(99 30) (2, 256.10 )(334, 994) 1, 407 / qW Cp T T W kJ s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 0, 030644 4, 38.10 3 2 2 4.2, 256.10 (0, 025 0, 014 ) = 467,766
Karena Reynold number < 2100 , maka alirannya ialah aliran LAMINAR.
1 0, 014 Re.Pr . 467, 766 2, 783 11, 25 1, 62 D L (Re.Pr. 10 1 L D ). Dengan demikian: 1 3 1 1 1/ 3 1,86 Re.Pr . 0, 658 1,86 11, 25 0, 014 = 195,882 W i i i D k h L D h h
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
27iii) Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Dari tabel A-2 (buku Holman), didapatkan bahwa KCu murni ( T = 200C) = 386 W/m0C
0 0 1 1 0 1 1 2 / ln 1 1 h A A L K r r A h U i c
1
0, 0712 ln 0, 0125 / 0, 007 1 0, 0712 1 195,882 2 (386)( 1, 62) 0,1272 2840, 920 c U UC= 188,229 W/m2.0C 2 1, 407 1.159 / 0, 0712 (17, 05) D q U W m C A LMTD 2 1 1 1 1 0,858 / 1,159 188, 229 o Rd m C W Ud Uc B. Aliran dengan Qair = 306,67 ml/s
Qair = 306,67 ml/s = 3,0667 .10-4 m3/s Q steam = jumlah kondensat yang terjadi = 2,3 ml/s x 10-6 m3/ml
= 2,3.10-6 m3/s Tavg water liquid =
2 out in T T = 2 38 29 = 33,50C Tavg steam = 2 out in T T = 2 31 98 = 64,50C D = De = (D22 – D12)/2 = (0,0252- 0,0142)/2 = 0,03064 m ) ( ) ( ln ) ( ) ( 1 2 2 1 1 2 2 1 t T t T t T t T LMTD C LMTD 17.05o ) 2 60 ln( ) 29 31 ( ) 38 98 (
i) Menghitung ho untuk saturated water:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 33,5 0C, didapat properti untuk water liquid:
Cp (kJ/kg.
0
C) (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
28 W = .Q = 994,5 kg/m3 . 3,0667 .10-4 m3/s = 0,30 kg/s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 4 10 . 46 , 7 03064 , 0 0,014 ) 025 , 0 ( 30 , 0 . 4 2 2 = 37196,24Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN. maka: h0 = 0,023.Re0,8.Pr0,3. De k h0= 0,023.( 37196,24)0,8’(4,984)0,3. 03064 , 0 625 , 0 h0= 3243,72 W/m.0C
ii) Menghitung hi untuk steam:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 64,50C, didapat properti untuk steam:
Cp (kJ/kg 0 C) (kg/m3) (kg/ms) k (W/m0C) Pr 4,181 980,87 4,378.10-4 0,658 2,783 W = .Q = 980,87 kg/m3. 2,3.10-6 m3/s= 2,26 .10 -3 kg/s s J W T T Cp W q . .( 1 2) 2,26.10 3(4,181)(9831)(2,2610 3)(334,994)1,3902 / Reynold number, Re = De Ge/ = De 12 22 ( 4 D D W Re= 4 10 . 38 , 4 03064 , 0 ) 014 , 0 025 , 0 ( 10 . 26 . 2 4 2 3 2 x = 469,457
Karena Reynold number < 2100 , maka alirannya ialah aliran LAMINAR. 291 , 11 62 , 1 014 , 0 783 , 2 457 . 469 . Pr . Re 1 L D . (Re.Pr. 1 10 L D ).Dengan demikian:
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
29 1 3 1 1 1/ 3 1.86 Re.Pr . 0.658 1.86 11, 291 0, 014 = 194.54 W/m2.0C i i i D k h L D h h iii) Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Dari tabel A-2 (buku Holman), didapatkan bahwa KCu murni (T = 200C) = 386 W/m0C
0 0 1 1 0 1 1 2 / ln 1 1 h A A L K r r A h U i c
3243,72 1 1272 , 0 0712 , 0 ) 162 )( 386 ( 2 007 , 0 / 0125 , 0 ln 0712 , 0 54 , 194 1 1 c U Uc= 188,22 W/m2.0C C m W LMTD A q UD 2 / 145 , 1 ) 05 , 17 ( 0712 . 0 3902 . 1 W C m Uc Ud Rd 0,868 o / 22 , 188 1 145 , 1 1 1 1 2 C. Aliran dengan Qair =340 ml/s
Qair = 340 ml/s = 3,40.10-4 m3/s Q steam = jumlah kondensat yang terjadi = 2,3 ml/s x 10-6 m3/ml
= 2,3.10-6 m3/s Tavg water liquid =
2 out in T T =28 39 33,5 2 C Tavg steam = 2 out in T T = 99 30 64,5 2 C D = De = (D22 – D12)/2 = (0,0252- 0,0142)/2 = 0,03064 m ) ( ) ( ln ) ( ) ( 1 2 2 1 1 2 2 1 t T t T t T t T LMTD
(99 39) (30 28) 17, 05 60 ln 2 o LMTD CEkstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
30i) Menghitung ho untuk saturated water:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 33,5 0C , didapat properti untuk water liquid:
Cp (kJ/kg. 0 C) (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,174 994.46 7.46.10-4 0.625 4.98 W = .Q = 994,46 kg/m3 . 3,40.10-4 m3/s = 0,3381 kg/s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re= 4 2 2 0, 03064 4.0,3381 41235, 20 7, 46.10 (0, 025 0, 014 )
Karena Reynold number > 10000 , maka alirannya ialah aliran TURBULEN.
0,8 0,3 0 0,8 0,3 0 0 h = 0,023.Re .Pr 0, 625 h =0,023.(41235,20) .(4,98) 0, 03064 h 3738,54 W/m. C
ii) Menghitung hi untuk steam:
Dari tabel A-9 (buku Holman) pada Tavg = 64,50C , didapat properti untuk steam:
Cp (kJ/kg. 0 C) (kg/m3) (kg/m.s) k (W/m.0C) Pr 4,182 980,868 4,38.10-4 0,658 2,783 W = .Q = 980,868 kg/m3. 2,3.10-6 m3/s = 2,26. 10-3 kg/s 3 3 1 2 . .( ) 2, 26.10 (4,182)(99 30) (2, 26.10 )(334, 994) 1, 41 / qW Cp T T W J s Reynold number, Re = De Ge/ = De ) ( 4 2 1 22 D D W Re = 3 4 2 2 0, 03064 4.2, 26 10 469, 457 4,38.10 (0, 025 0, 014 ) x
Karena Reynold number < 2100 , maka alirannya ialah aliran LAMINAR.
1 0, 014 1 Re.Pr . 469, 457 2,783x 11, 29 (Re.Pr . 10) 1, 62 D D x L L Dengan demikian:
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
31 1 3 1 1 1/ 3 2 1,86 Re.Pr . 0, 014 0, 658 1,86 469, 457.2,783. 1, 62 0, 014 194, 54 / i i i D k h L D h h W m C iii) Menentukan Koefisien Perpindahan Kalor Keseluruhan (U)
Dari tabel A-2 (buku Holman), didapatkan bahwa KCu murni ( T = 200C) = 386 W/m0C
1 0 1 1 0 0 2 1 ln / 1 1 2 1 0, 0712 ln 0, 0125 / 0, 007 1 0, 0712 1 194, 54 2 (386)( 1, 62) 0,1272 3738, 54 188, 659 / . c i c c U A r r A h K L A h U U W m C 2 1, 41 1,161 / 0, 0712 (17, 05) D q U W m C A LMTD 2 1 1 1 1 0.856 W/ 1,161 188, 659 o Rd m C Ud Uc Sehingga dari perhitungan-perhitungan di atas, jika dirangkum didapatkan tabel hasil sebagai berikut :
Aliran Data
ke- (ml/s) Q air kondensat Q (ml/s) LMTD ho (W/m.0C) hi (W/m. 0C) Uc (W/m2. 0C) Ud (W/m2. 0C) Rd co-current 1 220 2,3 14,65 2528,38 331,533 307,86 1, 251 0,796 2 315 2,3 14,78 3373,10 328,187 310,250 1,248 0,798 3 337,53 2,3 28,20 3554,571 195,882 189,440 0,6071 1,642 counter-current 1 240 2,3 17,05 2840,920 195,882 188,229 1,159 0,858 2 306,67 2,3 17,05 3243,72 194,54 188,22 1,145 0,868 3 340 2.3 17,05 3738,54 194,54 188,659 1,161 0,856
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
324. 1.2 Penentuan Nilai Keefektifan (ε) dan NTU Secara Perhitungan
CO-CURRENT FLOW
A. Aliran dengan Qair = 220 ml/s
Dari tabel A-9 (buku Holman) , didapat:
Saturated Water Steam
Temperatur Cp(kJ/kg0C) C(kJ/0C) Cp(kJ/kg0C) C(kJ/0C)
Inlet 4,177 0,9147 4,201 9,49.10-3
Outlet 4,175 0,9143 4,174 9,43.10-3
Dimana :
Terlihat di atas bahwa yang merupakan fluida minimum adalah steam, sehingga: Cmin = 9,43.10-3 dan Cmax = 0.9147
C* = max min C C = 3 9, 43.10 0, 9147 = 0,0103 co-current = 1 1 2 1 c h h h T T T T =90 32 90 29 = 0, 716 x100% = 71,6% NTU = * 1 ] *) 1 ( 1 ln[ C C = ln[1 (1 0, 0103)0, 716] 1 0, 0103 = 1,272
B. Aliran dengan Qair = 315 ml/s
Dari tabel A-9 (buku Holman) , didapat:
Saturated Water Steam
Temperatur Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C) Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C)
Inlet 4,177 1,311 4,202 9,49.10-3
Outlet 4,174 1,310 4,174 9,43.10-3
Dimana :
Terlihat di atas bahwa yang merupakan fluida minimum adalah steam, sehingga: Cmin = 9,43.10-3 dan Cmax = 1,311
C* = max min C C = 3 9, 43.10 1, 311 = 7,19.10-3
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
33 co-current = 1 1 2 1 c h h h T T T T =91 32 91 29 = 0,9516 x100% = 95,16 % NTU = * 1 ] *) 1 ( 1 ln[ C C = 3 3 ln[1 (1 7,19.10 )0, 9516] 1 7,19.10 = 3.16C. Aliran dengan Qair = 337,53 ml/s
Dari tabel A-9 (buku Holman) , didapat:
Saturated Water Steam
Temperatur Cp(kJ/kg0C) C(kJ/0C) Cp(kJ/kg0C) C(kJ/0C) Inlet 4,176 1,378 4,201 9,492.10-3 Outlet 4,174 1,377 4,174 9,433.10-3 Dimana : W saturated water = .Q = 995.09 kg/m3. 3,33753.10-4 m3/s s = 0.33 kg/s Wsteam= .Q = 983 kg/m3 . 2,30x10-6 m3/s = 2,26.10-3 kg/s
Terlihat di atas bahwa yang merupakan fluida minimum adalah steam, sehingga: Cmin = 9,433.10-3 dan Cmax =1,378
C* = max min C C = 3 9, 433.10 1, 378 = 6,845.10-3 co-current = 1 1 2 1 c h h h T T T T x100% =91 42 91 30 x100% = 80,33% NTU = * 1 ] *) 1 ( 1 ln[ C C = 3 3 ln[1 (1 6,845.10 )0,8033] 1 6,845.10 = 1,64 COUNTER-CURRENT FLOW
A. Aliran dengan Qair =240 ml/s
Dari tabel A-9 (buku Holman) , didapat:
Saturated Water Steam
Temperatur Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C) Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C)
Inlet 4,178 1,003 4,210 9,498.10-3
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
34 Dimana :Wsaturated water = .Q = 994,46 kg/m3. 2,4.10-4 m3/s = 0,24 kg/s Wsteam = .Q = 980,86 kg/m3. 2,3.10-6 m3/s = 2,256.10-3 kg/s
Terlihat di atas bahwa yang merupakan fluida minimum adalah steam, sehingga: Cmin =9,421.10-3dan Cmax =1,003
C* = max min C C = -3 9,421.10 1, 003 = 9,393.10 -3 counter = 1 2 1 1 100% h h h c T T T T = 99 30 99 28 x100% = 97,18 % NTU = * 1 ] *) 1 ( 1 ln[ C C = 3 3 ln[1 (1 9, 393.10 )0, 9718] 1 9, 393.10 = 3,923
B. Aliran dengan Qair = 166,67 ml/s
Dari tabel A-9 (buku Holman) , didapat:
Saturated Water Steam
Temperatur Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C) Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C)
Inlet 4,231 1.2693 4,174 0,009433
Outlet 4,212 1.2636 4,227 0,009553
Dimana :
Terlihat di atas bahwa yang merupakan fluida minimum adalah steam, sehingga: Cmin = 0,00943 dan Cmax = 1.2693
C* = max min C C = 2693 . 1 00943 , 0 = 0,00743 counter = 1 1 2 1 c h h h T T T T = 29 98 31 98 = 0,971 x100% = 97,10% NTU = * 1 ] *) 1 ( 1 ln[ C C = 00743 , 0 1 ] 9710 , 0 ) 00743 , 0 1 ( 1 ln[ = 3,79
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
35C. Aliran dengan Qair = 340 ml/s
Dari tabel A-9 (buku Holman) , didapat:
Saturated Water Steam
Temperatur Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C) Cp (kJ/kg0C) C (kJ/0C)
Inlet 4,178 1,413 4,210 9,515.10-3
Outlet 4,174 1,411 4,178 9,442.10-3
Dimana :
Terlihat di atas bahwa yang merupakan fluida minimum adalah steam, sehingga: Cmin = 9,442x10-3dan Cmax = 1,413
C* = min 9,442.10-3 3 6, 68.10 max 1, 413 C C 1 2 1 1 99 30 counter = 0, 972 100% 97, 2% 99 28 h h h c T T x T T 3 3 ln[1 (1 *) ] ln[1 (1 6, 68.10 )0, 972] 3,814 1 * 1 6, 68.10 C NTU C
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
364.2 ANALISIS
4.2.1 Analisis Percobaan
Pada praktikum Heat exchanger kali bertujuan Untuk mengetahui unjuk kerja dari alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe Heat Exchanger) yang diperoleh dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efisiensi, dan perbandingan untuk aliran searah (cocurrent) dan berlawanan arah (counter current). Dalam melakukan praktikum ini ada beberpa analisa yang dilakukan yaitu :
analisis percobaan analisis data analisis alat
analisis perhitungan analisis kesalahan.
Analisis ini dilakukan selama percobaan yang dilakukan berdasarkan pengamatan terhadap analisis percobaan, analisis data, analisis alat, analisis perhitungan, dan analisis kesalahan. Hal-hal yang kami analisa seperti :
Mengetahui prinsip kerja double pipe
Membandingkan aliran searah dan berlawanan arah Adapun dibawah ini akan kami jelaskan mengenai :
1. Prinsip kerja double pipe
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.
Keistimewaan jenis ini adalah mampu beroperasi pada tekanan yang tinggi, dank arena tidak ada sambungan, resiko tercampurnya kedua fluida sangat kecil, mudah dibersihkan pada bagian fitting, Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa, dapat dipasang secara seri ataupun paralel, dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan,mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya dan kalkulasi design mudah dibuat dan akurat Sedangkan kelemahannya terletak pada kapasitas perpindahan panasnya sangat kecil, mahal, terbatas untuk fluida yang
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
37 membutuhkan area perpindahan kalor kecil (<50 m2), dan biasanya digunakan untuk sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau dikondensasikan.Dalam desain pipa penukar panas ganda, merupakan faktor penting adalah jenis pola aliran dalam penukar panas. Sebuah penukar panas pipa ganda biasanya akan baik berlawanan arah / counterflow atau aliran paralel. Crossflow hanya tidak bekerja untuk penukar panas pipa ganda. Pola yang aliran dan tugas panas yang dibutuhkan pertukaran memungkinkan perhitungan log mean perbedaan suhu. Yang bersama-sama dengan perpindahan panas keseluruhan diperkirakan koefisien memungkinkan perhitungan luas permukaan perpindahan panas yang diperlukan. Kemudian ukuran pipa, panjang pipa dan jumlah tikungan dapat ditentukan.
Prinsip kerja dari alat ini adalah memindahkan panas dari cairan dengan temperature yang lebih tinggi ke cairan yang memiliki temperatur lebih rendah. Dalam percobaan kali ini, aliran panas (steam) dialirkan pada bagian dalam pipa konsentris sedangkan air dialirkan pada bagian luar dari pipa konsentris ini (bagian anulus).
Namun, terkadang dalam beberapa alat seperti HE ini, akan ada pengotor didalam pipa yang membuat proses perpindahan kalor nya menjadi terganggu. Pengotoran ini dapat terjadi endapan dari fluida yang mengalir, juga disebabkan oleh korosi pada komponen dari heat exchanger akibat pengaruh dari jenis fluida yang dialirinya. Selama heat exchanger ini dioperasikan pengaruh pengotoran pasti akan terjadi. Terjadinya pengotoran tersebut dapat menganggu atau memperngaruhi temperatur fluida mengalir juga dapat menurunkan ataau mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh dari fluida tersebut. Beberapa faktor yang dipengaruhi akibat pengotoran antara lain : Temperatur fluida Temperatur dinding tube Kecepatan aliran fluida.
2. Aliran Paralel (searah) dan aliran counter flo (berlawanan arah) dalam Penukar Kalor Pipa Ganda
Pada percobban ini dilakukan 2 jenis aliran yaitu :
a. Counter current flow atau Counter flow adalah aliran berlawanan arah, dimana fluida yang satu masuk pada satu ujung penukar kalor, sedangkan fluida yang satu lagi masuk pada ujung penukar panas yang lain, masing-masing fluida mengalir menurut arah yang berlawanan.
b. Parallel flow atau Co-current flow adalah aliran searah ,dimana kedua fluida masuk pada ujung penukar panas yang sama dan kedua fluida mengalir searah menuju ujung penukar panas yang lain.
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
38 Pada aliran searah, selisih temperatur antara temperatur fluida panas dan dingin akan menurun seiring dengan meningkatnya x. Hal ini dapat terjadi karena jika kita anggap ada sebuah molekul yang mengalir didalam pipa, maka molekul-molekul fluida panas dan dingin akan selalu bersama-sama hingga pada akhirnya panas akan berpindah diantaranya. Dibawah ini merupakan skema gambar dari aliran parallel flow dan counter flow.Gambar 9. Aliran parallel flow dan counter flow
Penurunan maupun kenaikan temperatur pada akan sebanding diantara keduanya karena kebersama-samaan molekul-molekul fluida panas dan dinginnya. Keuntungan utama dari penukar panas pipa ganda adalah bahwa hal itu dapat dioperasikan dalam pola berlawanan arah/counterflow sejati, yang merupakan pola aliran yang paling efisien . Artinya, ia akan memberikan koefisien perpindahan panas tertinggi keseluruhan untuk desain penukar panas pipa ganda.
Juga, penukar panas pipa ganda dapat menangani tekanan tinggi dan temperatur. Ketika mereka beroperasi di berlawanan arah / counterflow, mereka bisa beroperasi dengan suhu berlawanan, yaitu, dimana suhu dingin sisi outlet lebih tinggi dari temperatur outlet sisi panas.
Counter flow Heat Exchanger
1 ,1 ,1 , , h c h i c o
T
T
T
T
T
2 ,2 ,2 , , h c h o c iT
T
T
T
T
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
39 • Parallel-Flow Heat Exchanger:1 ,1 ,1 , , h c h i c i
T
T
T
T
T
2 ,2 ,2 , , h c h o c oT
T
T
T
T
Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
404.2.2 Analisis Data
Perubahan Q air dan Kondesat pada kedua aliran
Kurva 10. Hubungan antara variasi putaran dan Laju alir air dan kondensat
Gambar 11. Hubungan antara variasi putaran dan Laju alir air & kondensat (counter current)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 Laj u Vo lu m e tr ik (m l/ s) Variasi putaran
Kurva Variasi Putaran v.s Laju Alir
(co-current flow)
Laju Air Laju kondesat 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 La ju Vol u m et ri k (m l/s) Variasi PutaranKurva Variasi putaran vs Laju Volumetrik air dan
kondesat (Counter current flow)
Laju Volumetrik air
Laju volumetrik Kondesat
Aliran Data ke- Q air (ml/s) Q kondensat (ml/s)
co-current
1 220 2,3 2 315 2,3 3 337,53 2,3counter-current
1 240 2,3 2 306,67 2,3 3 340 2.3Ekstensi Teknik Kimia Universitas Indonesia
Page
41 Dilihat dari kedua kurva diatas, laju volumetrik air yang diperoleh (baik untuk aliran co current atau counter current) cenderung meningkat dengan bertambahnya variasi putaran (bukaan kran air).Akan tetapi beda halnya dengan laju kondensat yang cenderung konstan sebagaimana ditunjukan kedua kurva diatas. Hal ini bisa disebabkan karena kesalahan metode pengukuran atau banyaknya pengotor pada tube.Kesalahan yang diprediksi ini akan dikaji lebih dalam lagi pada analisa kesalahanPengaruh aliran terhadap hi dan ho
Aliran Data ke- ho
(W/m.0C) hi (W/m. 0C) LMTD
co-current
1 2528,38 331,533 14,65 2 3373,10 328,187 14,78 3 3554,571 195,882 28,20counter-current
1 2840,920 195,882 17,05 2 3243,72 194,54 17,05 3 3738,54 194,54 17,05Gambar12. Hubungan antara variasi putaran dengan koefisien perpindahan panas (fluida pendingin) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 4 h o W/m .ce lc iu s variasi putaran
Kurva variasi putaran V.S koefisien perpindahan
kalor fluida pendingin (ho)
ho co current ho counter current
