PENUKAR PANAS GAS-GAS (HXG)

(1)

MODUL PRAKTIKUM

LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA

PENUKAR PANAS GAS-GAS (HXG)

Disusun oleh:

Ibrahim A Suryawijaya Corelya Erindah A Dr. Dendy Adityawarman Pri Januar Gusnawan, S.T., M.T.

Dr. Ardiyan Harimawan

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2013

(2)

HXG 2

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ... 2

BAB I PENDAHULUAN ... 5

BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN ... 6

I. Tujuan... 6

II. Sasaran ... 6

BAB III RANCANGAN PERCOBAAN ... 7

I. Skema Alat Percobaan ... 7

II. Alat Pendukung Percobaan ... 7

BAB IV PROSEDUR KERJA ... 8

I. Langkah Percobaan ... 8

II. Metode Pengukuran (OPTIONAL) ... 9

DAFTAR PUSTAKA ... 10

LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH ... 11

LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN ... 12

LAMPIRAN C DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR ... 16

I. Data Literatur ... 16

II. Spesifkasi Alat HXG ... 16

(3)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1 Rangkaian Alat Percobaan Penukar Panas Gas-Gas ... 7 Gambar 2 Langkah Percobaan ... 8 Gambar 3 Faktor Koreksi ΔT untuk Penukar Panas tipe Cross flow (McCabe, 1993) ... 13

(4)

HXG 4

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Data Kalibrasi Laju Alir ... 11

Tabel 2 Data Penentuan Nilai τ ... 11

Tabel 3 Data Percobaan Utama ... 11

Tabel 4 Spesifikasi Peralatan HXG ... 16

(5)

BAB I

PENDAHULUAN

Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan operasional suatu pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara kuantitatif biasanya didasarkan pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2 bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium perpindahan panas. Panas akan berpindah secara estafet dari satu partikel ke partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan panas terjadi karena terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi berpindah melalui gelombang elektromagnetik.

Ada beberapa alat penukar panas yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella. Penukar panas jenis plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950.

Banyak penelitian yang telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi yang digunakan adalah air.

Pada praktikum ini, fluida yang digunakan adalah udara. Fluida udara dimanfaatkan sebagai fluida operasi karena kalor yang dihasilkan flue gas dari operasi suatu pabrik belum dimanfaatkan secara maksimal. Praktikum ini juga merupakan salah satu usaha pengkajian lebih dalam mengenai flue gas.

Hasil praktikum diharapkan tampil dalam bentuk korelasi NNU = a.NREb

. Dengan demikian didapat korelasi antara bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt.

(6)

HXG 6

BAB II

TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN

I. Tujuan

Tujuan praktikum perpindahan panas gas ini adalah:

1. Praktikan mempelajari peristiwa/fenomena perpindahan panas melalui percobaan penukar panas jenis plate and frame.

2. Praktikan mampu memilih konfigurasi sistem perpindahan panas yang paling baik

II. Sasaran

Pada akhir praktikum diharapkan :

1. Praktikan dapat menentukan koefisien perpindahan panas keseluruhan untuk variasi tertentu seperti laju alir, temperatur masuk, arah aliran, dan/atau letak fluida

2. Praktikan menentukan nilai koefisien perpindahan panas secara empiris

3. Praktikan dapat memperoleh konfigurasi dengan koefisien perpindahan panas terbaik 4. Praktikan menemukan korelasi antara bilangan Reynolds dengan bilangan Nusselt.

(7)

BAB III

RANCANGAN PERCOBAAN

I. Skema Alat Percobaan

HE Plate and Frame

Valve by-pass Valve aliran panas Valve aliran dingin

Blower

Heater

Udara lingkungan

Udara by-pass Udara dingin keluar

Udara panas masuk Udara panas keluar

Udara dingin masuk

Gambar 1 Rangkaian Alat Percobaan Penukar Panas Gas-Gas

II. Alat Pendukung Percobaan

a. Perangkat dan Alat Ukur 1. Termokopel

2. Wet test meter 3. Manometer

4. Laptop (software: Labview) 5. Stopwatch

b. Bahan Udara

(8)

HXG 8

BAB IV PROSEDUR KERJA

I. Langkah Percobaan

Diagram alir percobaan disajikan pada Gambar 2.

Mulai

Selesai

Kalibrasi laju alir udara panas dan dingin dengan wet-test meter

Penentuan nilai τ

Percobaan I pada jenis pelat counter current dengan variasi laju alir panas dan dingin

Percobaan II pada jenis pelat cross current dengan variasi laju alir panas dan dingin

Penentuan karakteristik perpindahan panas berupa Q, U, h, N_RE, dan N_NU

Pengolahan data dan analisis

Gambar 2 Langkah Percobaan

(9)

II. Metode Pengukuran

Parameter percobaan diperoleh datanya dari termokopel yang dipasang pada aliran inlet dan outlet fluida panas dan dingin. Sedangkan pengukuran variabel percobaan diperoleh dari pengukuran laju alir fluida dengan flowmeter yang sudah dikalibrasi. Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan wet-test meter.

Parameter yang diamati adalah:

1. Temperatur masuk flue gas (Th,i) 2. Temperatur keluar flue gas (Th,o) 3. Temperatur masuk udara dingin (Tc,i) 4. Temperatur keluar udara dingin (T_c,o) 5. Temperatur dinding masuk flue gas (Twh,i) 6. Temperatur dinding keluar flue gas (T_wh,o) 7. Temperatur dinding masuk udara dingin (T_wc,i) 8. Temperatur dinding keluar udara dingin (T_wc,o)

Sedangkan variabel percobaan yang digunakan adalah laju alir flue gas dan laju alir udara dingin.

(10)

HXG 10

DAFTAR PUSTAKA

[1] Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 5rd

Edition, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1993, pp. 309-369.

[2] Brown, G.G., Unit Operatons, Charles E. Tutle Co., Tokyo, 1960, pp. 415-447.

[3] Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, ^th Edition, McGraw-Hill, Japan, 1984, Section 11 pp. 11-1 to 11-31 6

(11)

LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH

Data yang diperoleh pada percobaan ini terbagi tiga sesuai tahapan percobaan:

1. Data kalibrasi laju alir

Tabel 1 Data Kalibrasi Laju Alir

∆h (cm) V (L) t (s)

2. Data penentuan nilai τ

Tabel 2 Data Penentuan Nilai τ

t (s) T (^oC)

3. Data percobaan utama

Tabel 3 Data Percobaan Utama

∆h,dingin ∆h,panas Th,I (ôC) Th,o (ôC) Tc,i (ôC) Tc,o (ôC) Twh,i (ôC) Twh,o (ôC) Twc,i (ôC) Twc,o (ôC)

(12)

HXG 12

LAMPIRAN B

PROSEDUR PERHITUNGAN

B.1 Laju Perpindahan Panas (Q)

Laju perpindahan panas fluida panas dan fluida dingin dihitung berdasarkan persamaan berikut.

𝑞ℎ𝑜𝑡 = 𝑚ℎ𝑜𝑡. 𝑐𝑝ℎ𝑜𝑡. (𝑇ℎ𝑜𝑡,𝑖𝑛 − 𝑇ℎ𝑜𝑡,𝑜𝑢𝑡) 𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑 = 𝑚𝑐𝑜𝑙𝑑. 𝑐𝑝𝑐𝑜𝑙𝑑. (𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑,𝑖𝑛 − 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑,𝑜𝑢𝑡)

B.2 Perhitungan q_loss

Kalor yang terlepas ke lingkungan dinyatakan sebagai qloss yang dinyatakan sebagai berikut :

𝑞

−

𝑞

−

Nilai konduktivitas termal, tebal dan luas perpindahan panas kaowol seluruhnya diperoleh dari literatur.

B.3. Perhitungan Laju Perpindahan Panas Operasi (q,operasi)

q_operasi untuk masing-masing fluida diperoleh melalui persamaan berikut.

𝑞𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖,ℎ𝑜𝑡 = 𝑞ℎ𝑜𝑡 − 𝑞𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑞𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑠𝑖,𝑐𝑜𝑙𝑑 = 𝑞𝑐𝑜𝑙𝑑 − 𝑞𝑙𝑜𝑠𝑠

B.4. Perhitungan ΔTlmtd untuk Penukar Panas Counter-current dan Cross-flow

Beda temperatur yang digunakan adalah log mean temperature difference yang dihitung melalui persamaan berikut.

(13)

Persamaan di atas hanya dapat digunakan untuk penukar panas tipe counter-current.

Persamaan tersebut dapat digunakan untuk penukar panas tipe cross flow dengan dikalikan faktor koreksi terlebih dahulu.

∆𝑇𝑙𝑚𝑡𝑑,𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠𝑓𝑙𝑜𝑤 = ∆𝑇𝑙𝑚𝑡𝑑,𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡. 𝐹_{𝑜𝑟𝑒 𝑠𝑖}

Untuk menentukan faktor koreksi dari grafik di atas, perlu dilakukan perhitungan nilai Z dan ɳ terlebih dahulu berdasarkan persamaan berikut.

Faktor koreksi diperoleh dari grafik pada Gambar 12.

Gambar 3 Faktor Koreksi ΔT untuk Penukar Panas tipe Cross flow (McCabe, 1993)

B.5 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Keseluruhan (U)

Koefisien perpindahan panas keseluruhan dihitung melalui dua cara yaitu secara empiris dan secara teroritis. Koefisien perpindahan panas keseluruhan teoritis dihitung berdasarkan persamaan berikut.

x : tebal dinding pelat,

k : konduktivitas termal bahan,

(14)

HXG 14

hh : koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida panas hc : koefisien perpindahan panas konveksi untuk fluida dingin

Koefisien perpindahan panas keseluruhan empiris ditentukan melalui persamaan berikut.

B.6 Penentuan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (h)

Koefisien perpindahan panas konveksi ditentukan melalui persamaan-persamaan di bawah ini.

Beda temperatur yang digunakan untuk perhitungan adalah log mean temperature difference antara temperatur fluida dengan temperatur dinding penukar panas.

B.7 Perhitungan Bilangan Nusselt dan Bilangan Reynold

Bilangan Nusselt tersebut dapat dihitung dari persamaan berikut.

(15)

h : koefisien perpindahan panas konveksi D : diameter ekivalen pelat

k : konduktivitas termal fluida

Bilangan Reynold ditentukan berdasarkan persamaan di bawah ini.

ρ : densitas fluida

v : laju alir fluida µ : viskositas fluida D : diameter

B.8 Penentuan Korelasi antara Bilangan Nusselt dengan Bilangan Reynold

Secara matematis tujuan percobaan ini adalah mencari nilai a dan b pada persamaan:

𝑁𝑢 = 𝑎 𝑅𝑒^𝑏

Nilai konstanta a dan b dapat ditentukan dari regresi antara ln Nusselt dengan ln Reynold.

Dari hasil percobaan, dibuat dua plot yaitu plot bilangan Nusselt untuk fluida panas terhadap bilangan Reynold dengan plot bilangan Nusselt untuk fluida dingin terhadap bilangan Reynold.

B.9 Perhitungan Efisiensi Perpindahan Panas

Derajat perpindahan panas ini dinyatakan melalui efisiensi proses perpindahan panas yang dinyatakan melalui persamaan berikut.

(16)

HXG 16

LAMPIRAN C

DATA SPESIFIKASI DAN LITERATUR

I. Data Literatur

Data-data literatur berikut diperlukan dalam pengolahan data pada praktikum modul HXG antara lain:

1. Densitas fluida sebagai fungsi temperatur

2. Kapasitas panas (Cp) fluida sebagai fungsi temperatur 3. Viskositas fluida sebagai fungsi temperatur

4. Konduktivitas fluida sebagai fungsi temperatur

5. Spesifikasi alat penukar panas yang ditampilkan pada Tabel 4.

II. Spesifkasi Alat HXG

Tabel 4 Spesifikasi Peralatan HXG

Satuan Counter-current Cross-current Keterangan

Jaket (kaowol) Konduktivitas

k

W/m.K

0,029

0,029 cotton

Luas penampang A m² 0,1443 0,1439

Ketebalan

∆x

m

0,017

Pelat

Konduktivitas k

W/m.K

42

42 iron

43 43 steel, carbon 1%

Luas penampang A m² 0,0585 0,05846

Tebal pelat

∆x

m

0,005

Pipa

Diameter

de

m

0,02804

(17)

Lembar Kendali Keselamatan Kerja

Job Safety Analysis

Judul Modul Percobaan : HXG – Penukar Panas Gas-Gas

Dosen Pembimbing : Dr Dendy Adityawarman dan Pri Januar Gusnawan, S.T., M.T.

Asisten Modul Percobaan : Ibrahim Abdulfattah dan Corelya Erindah Aristia

No Bahan Sifat Bahan Tindakan

Penanggulangan

1 Udara

(79% N2, 21%

O2 )

 Tidak berbau

 Berbentuk gas

 Tidak berwarna

 Tidak beracun

 Tidak berbahaya

 Titik leleh pada (-216,2^o C) pada tekanan 10 psig

 Densitas 1,2 kg/m³ pada tekanan 1 atm

Tidak memerlukan penanggulangan yang khusus. Kebocoran pada udara panas akan membahayakan.

Jika terjadi kebocoran udara panas segera identifikasi sumber kebocoran dan tutup dengan sumbat.

Hindari kontak langsung dengan tubuh

Kecelakaan yang mungkin terjadi Penanggulangan Hubungan arus pendek akibat listrik yang kontak

dengan air

Usahakan untuk memutus hubungan arus listrik pada alat. Apabila hal ini tidak dapat dilakukan, hubungi pihak berwenang

Terpeleset akibat genangan air yang diakibatkan oleh kebocoran sambungan selang atau pipa

Pastikan semua sambungan selang atau pipa terpasang dengan baik dan benar, sehingga tidak ada air yang bocor dan menggenang.

Bersihkan apabila terjadi genangan air

Patahnya valve atau handle pemutar Pastikan arah putaran tertutup dan terbuka pada valve. Usahakan untuk membuka valve tidak berlebihan sehingga tidak menyebabkan patahnya valve. Jika patah, ganti dengan yang baru atau hubungi pihak berwenang Ganti

Perlengkapan keselamatan kerja

Sarung tangan Jaslab Masker Google