HEAT EXCHANGER
I. Tujuan Praktikum
1) Untuk dapat memahami prinsip kerja alat penukar panas pipa ganda (double pipe HE)
2) Untuk mengetahui kerakteristik alat penukar panas dengan menghitung:
o LMTD pada aliran searah maupun berlawanan arah o Koefisen perpindahan panas
o Nilai Rd (fouling factor)
II. Perincian Kerja 1) Kalibrasi alat 2) Pengambilan data
III. Alat dan Bahan
Alat :
1) Pipa fluida panas, katup T1 dan menjadi katup T2 (Co-Curent) 2) Pipa fluida dingin
3) Thermo bath panas 4) Blower fluida dingin 5) Control panel
6) Tangki fluida dingin
7) Kabel penyambung listrik pada alat
8) Pipa fluida panas, katup T1 dan menjadi katup T2 (Counter Curent) 9) Aliran pipa dingin (Katup t1)
10) Aliran pipa dingin (Katup t2)
11) Pipa bypass aliran fluida dingin (katup bypass) 12) Baskom
13) Gelas ukur 1000 mL 14) Stopwatch
Bahan : 1) Air 2) Es Batu
IV. Dasar Teori 1) Heat Exchanger
Heat Exchanger adalah alat penukar kalor yang berfungsi untuk mengubah temperatur dan fasa suatu jenis fluida. Proses tersebut terjadi dengan memanfaatkan proses perpindahan kalor dari fluida bersuhu tinggi menuju fluida bersuhu rendah. Di dalam dunia industri peran dari heat exchanger sangat penting. Tujuan dari penulisan adalah mampu merancang shell and tube heat exchanger single phase, mengetahui mekanisme kerja dan mampu menganalisa performa heat exchanger dengan variabel laju alir fluida. Dalam suatu shell and tube heat exchanger terdapat tiga tahap perpindahan panas, yaitu konveksi sisi shell, konduksi pada dinding tube dan konveksi sisi tube.
Alat penukar panas (Heat Exchanger) merupakan salah satu alat penunjang produksi yang berfungsi untuk melaksanakan perpindahan energi panas dari suatu aliran fluida ke aliran fluida yang lain. Jenis dan ukuran dari alat penukar panas ini sangat banyak, tergantung dari kebutuhan yang ditentukan oleh pemakai. Salah satu jenis peralatan ini adalah jenis cangkang dan tabung (shell and tube), dimana aliran fluida mengalir di dalam tabung dan fluida lain dialirkan melalui selongsong melintasi luar tabung. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas dari aliran fluida yang bertemperatur lebih tinggi menuju ke fluida lain yang bertemperatur lebih rendah. Untuk mendapatkan perpindahan panas yang lebih besar maka di dalam selongsong dipasang sekat-sekat (baffles).
Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas 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 (direct contact). 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.
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu : a. Counter current flow (aliran berlawanan arah)
Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida (dingin dan panas) masuk pada sisi penukar panas yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan keluar pada sisi yang sama pula. Karakter penukar panas jenis ini, temperatur fluida dingin yang keluar dari alat penukar panas (Tcb) tidak dapat melebihi temperatur fluida panas yang keluar dari alat penukar panas (Thb), sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang banyak. Neraca panas yang terjadi :
Mcb.(Tcb - Tca) = Ma.(Tha – Thb)
Gambar 1. Counter current flow (aliran berlawanan arah)
Dengan asumsi nilai kapasitas panas spesifik (cp) fluida dingin dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan steady state, maka kalor yang dipindahkan : Q = U. A. LMTD
Dimana :
U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (W/m2.C) A = luas perpindahan panas (m2)
LMTD = ∆𝑇2− ∆𝑇1 ln∆𝑇2
∆𝑇1
∆𝑇2 = Thb – Tcb
∆𝑇1 = Tha – Tca
b. Paralel flow/co current flow (aliran searah)
Penukar panas jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin) masuk penukar panas dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan, dan keluar pada sisi yang berlawanan. Temperatur fluida dingin yang keluar panas (Tcb) lebih tinggi dibandingkan temperatur fluida panas yang keluar penukar panas (Thb), sehingga
dianggap lebih baik dari alat penukar panas aliran searah (Co- Current).
Gambar 2. Paralel flow/co current flow (aliran searah)
Kalor yang dipindahkan pada aliran counter current mempunyai persamaan yang sama dengan persamaan pada aliran co-current, dengan perbedaan nilai LMTD, dengan pengertian beda ∆T1 dan
∆T2, yaitu :
∆𝑇2 = Thb – Tcb
∆𝑇1 = Tha – Tca
c. Cross flow (aliran silang)
d. Cross counter flow (aliran silang berlawanan) Terdapat beberapa jenis alat penukar panas, yaitu : a. Penukar panas pipa rangkap (double pipe heat exchanger )
Salah satu jenis penukar panas adalah susunan pipa ganda. Dalam jenis penukar panas dapat digunakanberlawanan arah aliran atau arah aliran, baik dengan cairan panas atau dingin cairan yang terkandung dalam ruangan nular dan cairan lainnya dalam pipa.
Alat penukar panas pipa rangkap terdiri dari dua pipa logam standart yang di kedua ujungnya dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kotak penyekat. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa, sedangkan fluida kedua mengalir di dalam ruang anulus
antara pipa luar dengan pipa dalam. Alat penukar panas jenis ini dapat digunakan pada laju alir fluida yang kecil dan tekanan operasi yang tinggi. Sedangkan untuk kapasitas yang lebih besar digunakan penukar panas jenis selongsong dan buluh ( shell and tube heat exchanger ).
Gambar 3. Penukar panas jenis pipa rangkap (double pipe heat exchanger )
b. Penukar panas cangkang dan buluh (shell and tube heat exchanger) Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang ). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat ( buffle ). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal ( residence time ), namun pemasangan sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
d. SDAdiabatic wheel heat exchanger
Jenis keempat penukar panas menggunakan intermediate cairan atau toko yang solid untuk menahan panas, yang kemudian pindah ke sisi lain dari penukar panas akan dirilis. Dua contoh ini adalah roda adiabatik, yang terdiri dari roda besar dengan benang halus berputar melalui cairan panas dan dingin, dan penukar panas cairan.
e. Pillow plate heat exchanger
Sebuah pelat penukar bantal umumnya digunakan dalam industri susu untuk susu pendingin dalam jumlah besar langsung ekspansi tank massal stainless steel. Pelat bantal memungkinkan untuk pendinginan di hampir daerah seluruh permukaan tangki, tanpa sela yang akan terjadi antara pipa dilas ke bagian luar tangki.
Pelat bantal dibangun menggunakan lembaran tipis dari logam- spot dilas ke permukaan selembar tebal dari logam. Pelat tipis dilas dalam pola teratur dari titik-titik atau dengan pola serpentin garis las. Setelah pengelasan ruang tertutup bertekanan dengan kekuatan yang cukup untuk menyebabkan logam tipis untuk tonjolan di sekitar lasan, menyediakan ruang untuk cairan penukar panas mengalir, dan menciptakan penampilan yang karakteristik bantal membengkak terbentuk dari logam.
f. Dynamic scraped surface heat exchanger
Tipe lain dari penukar panas disebut "(dinamis) besot permukaan heat exchanger". Ini terutama digunakan untuk pemanasan atau pendinginan dengan tinggi viskositas produk, proses kristalisasi, penguapan tinggi dan fouling aplikasi. Kali berjalan panjang yang dicapai karena terus menerus menggores permukaan, sehingga menghindari pengotoran dan mencapai kecepatan transfer panas yang berkelanjutan selama proses tersebut.
g. Phase-change heat exchanger
Selain memanas atau pendinginan cairan hanya dalam satu fasa, penukar panas dapat digunakan baik untuk memanaskan cairan menguap (atau mendidih) atau digunakan sebagai kondensor untuk mendinginkan uap dan mengembun ke cairan.
Pada pabrik kimia dan kilang, reboilers digunakan untuk memanaskan umpan masuk untuk menara distilasi sering penukar panas .
Distilasi set-up biasanya menggunakan kondensor untuk mengkondensasikan uap distilasi kembali ke dalam cairan.Pembangkit tenaga listrik yang memiliki uap yang digerakkan turbin biasanya menggunakan penukar panas untuk mendidihkan air menjadi uap.
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).
Beradasarkan jenis alirannya heat exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu:
a. 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.
b. 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.
Mekanisme perpindahan kalor jenis ini hampir sama dengan paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari persamaan steady- state:
dQ = U (T - t) a” dL (1)
dQ = Wc dT = Wc dt (2)
c. 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.
3) Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali. Dalam suatu proses, panas dapat mengakibatkan terjadinya kenaikan suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat-sekat pemisah.
a. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik.
Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getarangetaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas.
Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.
Perpindahan Panas Secara Radiasi
Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika terserap oleh benda yang lain.
Gambar 6. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger Pada Dasarnya 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.
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.
Secara kontak tak langsung, perpindahan panas terjadi antara fluida panas dan dingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
4) Parameter Heat Exchanger
a. Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)
Pada awalnya kita mengandaikan U (bisa juga digantikan oleh ) sebagai nilai konstan (nilai U dapat dilihat pada tabel pada lampiran). U sendiri merupakan koefisien heat transfer overall.
Aturan untuk nilai U adalah sebagai berikut :
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 :
Q = UA ∆T mean (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 : dQ = U (dA) ∆T = - (mCp)h dTh = (mCp)c dTc(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 :
Q = UA ∆Ta− ∆Tb
ln(∆Ta) (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 :∆Tb
∆Tmean = LMTD = ∆Ta− ∆Tb
Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Kita harus menggunakan faktor koreksi F yang dapat dilihat dalam grafik∆Tb
pada lampiran. Sehingga rumusnya menjadi :
ln(∆Ta)(6)
Q = U A F = (LMTD) (7)
Koefisien perpindahan kalor keseluruhan U (overall coefficient of heat transfer), Koefisien perpindahan kalor keseluruhan (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:
Uc = ℎ𝑖𝑜 𝑥 ℎ𝑜 ℎ𝑖𝑜+ℎ𝑜
𝑈𝐷𝑈𝐶1 = 1 + Rdi + Rdo = 1 + Rd
𝑈𝐶
Rd = 1 - 1
𝑈𝐷𝑈𝐶𝑈𝐶 𝑥 𝑈𝐷= 𝑈𝐶−𝑈𝐷 (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 :
Rd = 1 - 1 𝑈𝐷𝑈𝐶
Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
U = 1
(9)
ℎ𝑖 𝑘 𝑖𝑛𝑠𝑢𝑙𝑎𝑡𝑜𝑟𝑘 𝑝𝑖𝑝𝑒𝑟𝑜 ℎ𝑜1 + 𝑟𝑖 ln(𝑟𝑜)𝑟𝑝 +𝑟𝑖 ln(𝑟𝑝)𝑟𝑖 + 𝑟𝑖 +𝑅𝑑
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.
Gambar 7. Kekotoran Pipa
d.Penurunan Tekanan pada Alat Penukar Kalor
Pada setiap aliran akan terjadi penurunan tekanan (pressure drop) karena gaya gesek yang terjadi antara fluida dan tempatnya.
Pada double pipe exchanger : penukar kalor pipa ganda Dalam pipa :
∆Pp
= ∆𝐹𝑝𝑥 𝜌
144
∆Fp= 𝐿 2 𝑥 𝑔 𝑥4𝑥𝑓 𝑥 𝐺2𝑥
𝜌2 𝑥 𝐷
Dalam anulus :
∆Fp
= 𝐿 2 𝑥 𝑔 𝑥 𝜌4𝑥𝑓 𝑥 𝐺2𝑥2 𝑥 𝐷𝑒
5) Alat penukar kalor pipa ganda (double tube exchanger)
Alat penukar kalor ini menggunakan dua macam tube yang tidak sama.Pada konstruksi pipa ganda ini terdapat pipa yang didalam (inner tube) dan luar pipa (outher tube) sering disebut annulus Bila ditinjau dari segi kebutuhan operasi, maka alat penukar panas ini dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
a. Penukar kalor susunan seri.
b. Penukar kalor susunan seri pararel
Pada susunan konstruksi seri, maka fluida didalam tube sebelah dalam maupun yang diluar tube(didalam annulus) alirannya satu lintasan tanpa cabang. Sedangkan alat penukar kalor susunan seri-pararel, didalam tube sebelah dalam dan fluida didalam annulus masing-masing mempunyai cabang.
Pada jenis alat penukar kalor ini, fluida panas mengalir di dalam tube sedangkan fluida dingin mengalir di luar tube atau di dalam shell.Karena kedua aliran fluida melintasi penukar kalor hanya sekali, maka susunan ini disebut penukar kalor satu lintas (single-pass). Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang sama, maka penukar kalor ini bertipe aliran searah (parallel flow). Jika kedua fluida itu mengalir dalam arah yang berlawanan, maka penukar kalor ini bertipe aliran lawan (counter flow).
Perhitungan alat penukar kalor pipa ganda susunan seri
Untuk melakukan perhitungan terhadap alat penukar kalor ini,maka digunakan formula gabungan alat perpindahan panas. Urutan perhitungan diawali dengan mengetahui kondisi yang diperlukan:
Fluida panas masing-masing: T1, T2, Cpp, μp, ρp, dan k. Fluida dingin masing-masing: t1, t2, Cpd, Wd, μd, ρd , dan k.
Sedangkan pipa yang digunakan adalah (1” dan ½”), diameter pipa dilihat di Kern.
Dari T1, T2, t1, t2 dihitung Q dengan menggunakan Cp pada suhu rata-rata (Tav dan tav).
Qp = W Cp ( T1 - T2 ) Qd = W Cp ( t2 - t1) Menentukan harga LMTD
LMTD = ∆Ta− ∆Tb ln(∆Ta)
∆Tb
Annulus
Luas penampang, aa = 𝜋(Di2 – do2)
Data HE: panjang total=1,5 m4
pipa besar 1” dan pipa kecil ½” (tabel 11, Kern)
22
Diameter ekivalen, De = Di – do
𝑑𝑜
Kecepatan massa, Ga = 𝑊𝑑 Nilai μd pada tav (fig. 14, Kern)𝑎𝑎
Menghitung bilangan renold, Re = 𝐷𝑒.𝐺𝑎
μ
Menentukan nilai koefisien perpindahan panas bagian luar (ho)
Nilai jH pada (fig. 24, Kern) Nilai k pada tav (table 4, Kern) Nilai Cpd pada tav (fig.2, Kern) Pipe (tube)
Luas penampang, ap = 𝜋di
4
Kecepatan massa, Gp = 𝑊𝑑
𝑎𝑝
Nilai Cp, μ, dan k pada suhu rata-rata Tav Nilai μd pada tav (fig. 14, Kern)
Menghitung bilangan renold, Re = 𝑑𝑖 .𝐺𝑝
μd
Menentukan nilai koefisien perpindahan panas bagian dalam (hi)
Nilai jH pada (fig. 24, Kern)
Nilai k pada Tav (table 4, Kern) Nilai Cpp pada Tav (fig.2, Kern)
Dimana : Ao = Ai =
di=
do = ho = hi=
k=
De = Cp =
Luas permukaan pipa luar Luas permukaan pipa dalam Diameter dalam pipa dalam Diameter luar pipa luar
Koefisien perpindahan panas individual dalam shell Koefisien perpindahan panas individual dalam tube Konduktivitas termal Btu/j ft2 oF Diameter ekuivalen, m
Kalor spesifik, Btu/lb oF
μ=Viskositas pada temperatur kalorik, lb/ft j
jH= Tube and annulus heat transfer curve (Ditentukan berdasarkan bilangan Reynold) Hitung koefisien perpindahan panas (bersih) (Uc)
Hitung koefisien perpindahan panas (kotor) (UD)
Dimana :
LMTD =Beda rata-rata logaritmik, oF
Uc =Koefisien perpindahan panas gabungan ketika permukaan luar dan dalam pipa dalam keadaan bersih, Btu/j ft2 oF UD =Koefisien perpindahan panas gabungan ketika permukaan
luar dan dalam pipa dalam keadaan kotor, Btu/j ft2 oF Rd =Tahanan pengotoran, j.ft2. oF /Btu
V. Langkah Kerja A. Kalibrasi Alat
1. Gelas ukur diisi air dari selang yang dilewati fluida dingin kemudian dicatat waktunya dengan menggunakan stopwatch
2. Setelah itu dibaca volume air yang ada di gelas ukur
3. Dilakukan tiga kali dengan kecepatan alir 100 L/jam, 150 L/jam, 200 L/jam, 250 L/jam, dan 300 L/jam.
B. Percobaan dengan Double Pipe HE
Peralatan dirangkai untuk Counter Current/ Co-Current Flow seperti dibawah ini :
1. Tombol On dihidupkan pada thermo bath dan diset pada temperature 40oC kemudian hidupkan tombol pemanas
2. Alirkan udara pada menara pendingin sebagai pendingin air yang keluar dari HE
3. Kran air pendingin diputar sampai didapatkan kira-kira 100 L/jam.
4. Ditunggu air dalam Thermo Bath mencapai suhu yang telah diset.
5. Bila suhu telah tercapai, dicatat suhu air panas masuk dan keluar serta suhu air dingin masuk dan keluar.
6. Percobaan diatas diulangi dengan mengatur laju air pendingin sampai didapatkan kira-kira 100 L/jam, 150 L/jam, 200 L/jam, 250 L/jam, dan 300 L/jam.
7. Setelah selesai ditekan tombol off Thermo Bath dan matikan semua aliran listrik dan pompa air.
VI. Data Pengamatan A. Kalibrasi
Skala (L/jam) Laju alir (praktik) (L/jam) Rata-rata
100 89
86,6 84,2
86,6 L/jam
150 128,9
139,4 138,8
135,7 L/jam
200 217,4
202 204
207,8 L/jam
250 256,4
263,2 268,4
262,6 L/jam
300 288,2
297,1 314,3
299,9 L/jam
B. Data suhu Aliran berlawanan arah ( Counter Current Flow)
Laju Alir (L/jam) T1 (˚C) T2 (˚C) t1 (˚C) t2 (˚C)
100 48,3 40,3 29,2 42,9
150 45,4 38,5 30,5 39,7
200 44,0 37,5 31,5 38,8
250 43,6 37,3 32,1 38,5
300 43,3 37,2 32,5 38,2
C. Data suhu Aliran searah ( Co-Current Flow)
Laju Alir (L/jam) T1 (˚C) T2 (˚C) t1 (˚C) t2 (˚C)
200 40,0 37,3 31,1 35,9
300 40,0 36,9 31,2 35,9
D. Data Heat Exchanger
Panjang Total (L) : 6 m
Pipa besar (annulus) : 1 inci
Pipa kecil (pipe) : ½ inci
Data Aliran Berlawanan arah
∆ T1 ∆ T2 LMTD Cp (BTU/lb.°F) μ (lb/ft.hr) k (BTU/(hr.ft2)(°F/ft))
Qd (BTU/Jam)
Panas Dingin Panas Dingin Panas Dingin
19.98 9.72 14.2392 0.99 1 1.5125 1.7424 0.37097 0.36355 4764.41064
14.4 10.26 12.2133 1.01 1.01 1.573 1.815 0.36886 0.36269 5268.129134
10.8 9.36 10.0628 1.025 1.015 1.6335 1.81742 0.36778 0.36274 5824.898402
9.36 9.18 9.26971 1.03 1.018 1.694 1.81984 0.36751 0.36287 6549.894743
8.46 9.18 8.8151 1.035 1.02 1.69642 1.82226 0.36733 0.36292 7119.308117
Laju alir (L/jam)
Wd
(lb/jam)
T1 T2 t1 t2
∆Tav
(°F)
∆tav
Skala Hasil (°F)
Kalibrasi °C °F °C °F °C °F °C °F
100 87.82 193.204 48.3 118.94 40.3 104.54 29.2 84.56 42.9 109.22 111.74 96.89
150 143.17 314.974 45.4 113.72 38.5 101.3 30.5 86.9 39.7 103.46 107.51 95.18
200 198.52 436.744 44.0 111.2 37.5 99.5 31.5 88.7 38.8 101.84 105.35 95.27
250 253.87 558.514 43.6 110.48 37.3 99.14 32.1 89.78 38.5 101.3 104.81 95.54
300 309.22 680.284 43.3 109.94 37.2 98.96 32.5 90.5 38.2 100.76 104.45 95.63
Annulus
Di (ft) Do (ft) aa Ga De Re L/D jH
0.08742 0.11 0.00215 89769.89246 0.03917 2017.9 225.129 7.9
0.08742 0.11 0.00215 146348.8443 0.03917 3158.13 225.129 9.7
0.08742 0.11 0.00215 202927.7961 0.03917 4373.25 225.129 17
0.08742 0.11 0.00215 259506.7479 0.03917 5585.13 225.129 21
0.08742 0.11 0.00215 316085.6997 0.03917 6793.79 225.129 29
Pipe
di (ft) do (ft) ap Wp Gp Re L/D jH
0.05183 0.07 0.00211 330.862 156877 5376.16 379.678 13
0.05183 0.07 0.00211 419.965 199125 6561.54 379.678 25
0.05183 0.07 0.00211 490.497 232567 7379.7 379.678 27
0.05183 0.07 0.00211 567.379 269021 8231.54 379.678 32
0.05183 0.07 0.00211 635.675 301403 9209.23 379.678 36
ho hi hio Uc UD RD
123.632 148.139 109.694 58.1232354 250 -0.0132 154.15 289.457 214.336 89.66398999 250 -0.0072 270.748 317.51 235.108 125.8362855 250 -0.0039 335.014 381.329 282.365 153.2222652 250 -0.0025 463.184 429.752 318.221 188.628186 250 -0.0013
Data Aliran searah Laju alir (L/jam) Wd
(lb/jam
°C)
T1 T2 t1 t2
∆Tav
(°F)
∆tav
Skala Hasil Kalibrasi °F °C °F °C °F °C °F °C (°F)
200 198.52 436.744 40.0 104 37.7 99.86 31.1 87.98 35.9 96.62 101.93 92.3
300 309.22 680.284 40.0 104 36.9 98.42 31.2 88.16 35.9 96.62 101.21 92.39
∆ T1 ∆ T2 LMTD Cp (BTU/lb.°F) μ (lb/ft.hr) k (BTU/(hr.ft2)(°F/ft))
Qd (BTU/Jam)
Panas Dingin Panas Dingin Panas Dingin
16.02 3.24 7.996173 1 1.01 1.573 1.936 0.366065 0.36125 3811.202842
15.84 1.8 6.455909 0.99 1.012 1.5246 1.9118 0.365705 0.361295 5824.265072
Annulus
Di (ft) Do (ft) aa Ga De Re L/D jH
0.08742 0.11 0.00215 202928 0.03917 4105.39 225.129 28
0.08742 0.11 0.00215 316086 0.03917 6475.6 225.129 30
di (ft) do (ft) ap Wp Pipe Gp Re L/D jH
0.05183 0.07 0.00211 920.58 436489 14383.2 379.678 71
0.05183 0.07 0.00211 1054.32 499901 16995.6 379.678 73
ho hi hio Uc UD RD
453.441 815.2 603.636 258.934 250 0.00014 484.157 826.161 611.753 270.263 250 0.0003
Grafik Hubungan Antara Skala vs Kalibrasi 350
300 250 200 150 100 50 0
y = 1.107x - 22.88 R² = 0.9901
0100 200
Skala (L/jam)
300 400
VII. Perhitungan A. Kalibrasi
Skala Kalibrasi
100 86.6
150 135.7
200 207.8
250 262.6
300 299.9
Dari persamaan y = 1,107 x – 22,88 diperoleh :
Skala 100 L/jam y = 1,107 x – 22,88 y = 1,107 (100) – 22,88
y = 87,82 L/jam (hasil kalibrasi sebenarnya) Skala (L/jam) Hasil kalibrasi sebenarnya
(L/jam)
100 87.82
150 143.17
200 198.52
250 253.87
300 309.22
Kalibrasi (L/jam)
B. Perhitungan Heat Exchanger Pada laju alir 200 L/jam
1) Mencari LMTD (OF)
LMTD = (T2−t1)−(T1−t2) ln(T2−t1)/(T1−t2)
= (99,5−88,7)−(111,2−101,8 4) ln(99,5−88,7)/(111,2−101, 84)
= 10,06 OF
2) Mencari ∆T (OF)
∆T = T1 – T2
= (111,2 – 99,5) OF
= 11,7 OF 3) Mencari ∆t (OF)
∆T = t1 – t2
= (101,84 – 88,7) OF
= 13,14 OF
4) Mencari nilai Tav (OF) Tav = (𝑇1+𝑇2)2
= 111,2+99,52
= 105,35 OF 5) Mencari nilai tav (oF) tav = (𝑡1+𝑡2)2
= (88,7+101,84) 2
= 95,27 oF
6) Mencari nilai K, satuannya BTU/(hr)(ft2)(oF/ft) Suhu
(°F)
Konduktifitas BTU/(hr)(ft2)(oF/ft)
32 0.33
86 0.356
140 0.381
176 0.398
0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
Grafik Hubungan Antara Suhu vs Konduktifitas
y = 0.0005x + 0.3151 R² = 0.9999
0 50 100 150 200
Suhu (oF)
Persamaan linear (Dari Grafik) y = 0,0005x + 0,3151
Untuk kd : x = ∆tav
kd = (0,0005 x 95,27) + 0,3151
= 0,362735 BTU/(hr)(ft2)(oF/ft)
Untuk kp : x = ∆Tav
kd = (0,0005 x 105,35) + 0,3151
= 0,367775 BTU/(hr)(ft2)(oF/ft) 7) Mencari nilai Cp
Untuk Cp panas pada ∆Tav (fig.2, Kern)
Untuk Cp dingin pada ∆tav (fig.2, Kern) 8) Mencari nilai μ
Untuk μ panas pada ∆Tav (fig. 14, Kern)
Untuk μ dingin pada ∆tav (fig. 14, Kern)
9) Mencari Nilai Wd (konversi satuan dari L/jam menjadi Lb/jam) Wd = 198,52
𝐿 𝑥 𝑏𝑗 𝑎𝑖𝑟 1000 𝑚𝑙 𝑔𝑟𝑥 x 0,0022 𝑙𝑏
𝑗𝑎𝑚 1𝐿 1 𝑚𝑙 1 𝑔𝑟
= 198,52 𝐿
𝑥 1000 𝑚𝑙
1 𝑔𝑟 𝑥 𝑥 0,0022 𝑙𝑏
𝑗𝑎𝑚
= 436,744 𝑙𝑏
𝑗𝑎𝑚
1𝐿 1
𝑚𝑙 1 𝑔𝑟
Konduktiftas BTU/(hr)(ft2)(oF/ft)
10) Mencari nilai Qd Qd = Wd x Cpd x ∆t
= 436,744 𝑙𝑏
𝑗𝑎𝑚 x 1,015 𝐵𝑇𝑈 x 13,14 0F
𝑙𝑏.0F
= 5824,898402 𝐵𝑇𝑈
𝑗𝑎𝑚
11) Mencari nilai Wp Wp = 𝑄𝑑
=
(𝐶𝑝𝑝 𝑥 𝑇) 5824,898402 1,025 𝑥 11,7
= 490,4971
12) Mencari Nilai Qp
13) Mencari diameter luar dan dalam pipa besar (annulus) dan pipa kecil (pipe)𝑗𝑎𝑚
Qp = Qd = 5824,898402 𝐵𝑇𝑈
Annulus = 1 inci Pipe = ½ inci
(table 10, Kern)
Annulus
1) Mencari nilai aa
aa = 𝜋(Di2 – d 2)
4 o
= 0,002154
2) Mencari nilai De
= 3,14(0,087422 – 0,072)
De = Di – do2 2 𝑑𝑜
= (0,08742 – 0,07 )2 2 0,07
= 0,03917
3) Mencari nilai Ga Ga = 𝑊𝑑
𝑎𝑎
= 436,744 0,00215
= 203136,7442 4) Mencari nilai L/D
Di0,08742L = 19,68 𝑓𝑡 = 225,12 5) Mencari nilai Re
Re = 𝐷𝑒.𝐺𝑎 μd
6)
1,81742
= 4373,25
Mencari nilai jH pada (fig. 24, Kern)
= 0,03917 x 203136,7442
Pipe
1) Mencari nilai ap ap = 𝜋di2
4
2)
= 0,0021094
Mencari nilai Gp
= 3,14(0,051832)
Gp = 𝑊𝑝
𝑎𝑝
= 490,4971 0,002109
= 232573,30
3) Mencari nilai L/D
di0,05183L = 19,68 𝑓𝑡 = 379,678 4) Mencari nilai Re
Re = 𝑑𝑖 .𝐺𝑝 μp
= 0,05183 x 232573,30 1,6335
= 7379,41
5) Mencari nilai jH pada (fig. 24, Kern)
14) Mencari nilai ho
ho = ( 𝐽𝐻 𝑥 𝑘𝑑) x (𝐶𝑝𝑑 𝑥 𝑑)^1/3( )^0,14
𝐷𝑒 𝑘𝑑 𝑤
0,03917
= 270,748
15) Mencari Nilai hi
= ( 17 𝑥 0,362735) x (1,015 𝑥 1,81742)^1/3( 1)^0,14
0,362735
hi = ( 𝐽𝐻 𝑥 𝑘𝑝) x (𝐶𝑝𝑝 𝑥 𝑝)^1/3( )^0,14
𝑑𝑖 𝑘𝑝 𝑤
0,05183
= 317,51
16) Mencari Nilai hio
= ( 27 𝑥 0,367775) x (1,025 𝑥 1,6335)^1/3( 1)^0,14
0,367775
hio= hi x 𝑑𝑖
𝑑𝑜
= 317,51 x 0,05183
0,07
= 235,108
17) Mencari Nilai UC UC = ℎ𝑖𝑜 𝑥 ℎ𝑜
ℎ𝑖𝑜+ℎ𝑜 235,108+ 270,748
= 125,84
18) Mencari Nilai Rd
= 235,108 𝑥 270,748
Rd = 1 - 1 𝑈𝐷𝑈𝐶
` = 1
250125,84- 1
= -0,0039
VIII. Pembahasan
Pada praktikum ini dilakukan percobaan Heat Exchanger Double pipe yang bertujuan untuk mengetahui bagaimana prinsip kerja dari alat penukar panas. Prinsip kerja pada Heat Exchanger model ini ditinjau dari LMTD, nilai koefisien perpindahan panas, fouling factor. Untuk memahami pengaruh akibat arah aliran, maka data praktikum diambil berdasarkan dua jenis aliran yaitu searah dan berlawanan arah.
Berdasarkan hasil analisa, dapat dilihat selisih temperatur air dingin dan uap panas. Pada aliran berlawanan, selisih temperatur lebih besar daripada aliran searah. Hal ini menujukkan bahwa jumlah kalor yang berpindah pada proses perpindahan panas lebih banyak pada saat aliran berlawanan arah.
Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh pada aliran berlawanan arah, LMTD yang dihasilkan lebih besar karena kenaikan suhu air lebih signifikan pada aliran berlawanan, sehingga semakin banyak panas yang berhasil ditransfer.
Nilai Uc berbanding lurus dengan hi dan ho, dan berdasarkan data hasil perhitungan, semakin tinggi nilai hi dan ho maka nilai Uc juga akan semakin besar. Nilai Uc tidak hanya dipengaruhi oleh nilai hi dan ho, secara tidak langsung nilai Uc juga dipengaruhi faktor-faktor lain yaitu sifat termal fluida dan jenis aliran.
Dari hasil perhitungan, diperoleh nilai Re untuk aliran berlawanan mengalir pada aliran transisi (2100<Re<10000) sedangkan untuk aliran searah mengalir pada aliran turbulen (Re>10000). Semakin turbulen alirannya, maka perpindahan panasnya pun akan lebih baik, hal ini ditunjukkan dari nilai koefisien perpindahan panas yang semakin besar.
Faktor pengotoran yang seharusnya untuk air adalah sebesar 0,0002, namun hasil yang diperoleh lebih besar dari nilai tersebut.
Adanya faktor pengotoran ini menghambat jalannya perpindahan panas.
Faktor pengotoran (fouling factor) merupakan besaran yang menyatakan tingkat pengotoran suat Heat Exchanger. Dengan kata lain, faktor utama yang
mempengaruhi faktor pengotor secara langsung adalah nilai koefisien perpindahan panasnya, Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud.
Sehingga nilai Rd tidak bernilai negatif.
IX. Kesimpulan
Berdasarkan hasil praktikum dapat disimpulkan bahwa :
1) Prinsip kerja alat penukar panas pipa ganda (double pipe HE) adalah perpindahan panas secara tidak langsung antara fluida panas dan dingin mengalir melalui dinding pemisah.
2) Karakteristik alat penukar panas apabila :
Semakin besar LMTD, maka semakin banyak panas yang berhasil ditransfer.
Semakin turbulen alirannya, maka perpindahan panasnya pun akan lebih baik, hal ini ditunjukkan dari nilai koefisien perpindahan panas yang semakin besar.
Faktor utama yang mempengaruhi faktor pengotor (Rd) secara langsung adalah nilai koefisien perpindahan panasnya, Uc dan Ud.
X. Daftar Pustaka
PNUP. 2024. Jobsheet Praktikum Operasi Teknik Kimia I. Makassar : Politeknik Negeri Ujung Pandang.
Kern, D.Q. 1965. Process Heat Tranfer. New York : Mc Graw-Hill Book. Holman, J.P. 1987. Heat Transfer. New York : McGraw-Hill.
Geankoplis, J.C. 1983. Transport Process and Unit Operation, 3th Edition.
New Jersey : Prentice Hall.
Bizzy, L., Setiadi, R. (2013). “Studi perhitungan Alat Penukar Kalor tipe Shell and Tube dengan program Heat Transfer Research Inc, Jurnal Rekayasa Mesin, 13(1), Universitas Sriwijaya.
Aghni, M.F. 2016. Perancangan Heat Exchanger Tipe Shell and Tube untuk Proses Heat Transfer pada sistem Binary Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi. Universitas Gajah Mada, Yogyakarta.
