laporan praktikum heat exchanger

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

November, 2012

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Tujuan Percobaan

Percobaan Double pipe Heat exchanger ini bertujuan untuk mengetahui unjuk

kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe HE) dengan menghitung

koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efektivitas dan perbandingan untuk

aliran searah (co-current) dan berlawanan arah (counter current).

1.2. Prosedur Percobaan

A. Percobaan Aliran Searah (co-current)

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

13.

2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka

kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

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

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

5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan

mengukur kondensat yang terjadi.

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

B. Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current)

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

13.

2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka

kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

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

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

5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan

mengukur kondensat yang terjadi.

2 Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia


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

1.3. Instumentasi

Double pipe Heat exchanger merupakan suatu alat yang didisain untuk

mempelajari dan mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan material teknik pada

laju transfer panas melalui dinding tipis.

● Pengaturan Pipa (Pipe Arrangement)

Alat ini terdiri atas dua pipa logam berdinding tipis yang tersusun dalam suatu panel

vertikal. Pipa dapat beroperasi dengan baik pada aliran searah maupun berlawanan.

Setiap pipa terdiri dari sebuah pipa tembaga luar dan dalam. Fluida panas mengalir

melalui pipa bagian dalam, sedangkan fluida dingin mengalir melalui anulus antara

pipa luar dan dalam. Pengaturan terhadap valve dalam rangkaian ini akan

menghasilkan aliran yang sesuai dengan tujuan percobaan yaitu searah dan

berlawanan arah.

● Sambungan (Fitting)

Heat exchanger mempunyai sambungan pipa standar yang terletak sepanjang siku

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

kanan panel.

● Valves

Valve digunakan untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan dan untuk mengatur

laju alir dari fluida. Unit ini memiliki empat needle type metering valve. Dua valve

pada masukan tangkin pencampuran dan dua lainnya pada keluaran. Semua valve

yang lain berjenis global type gate valve. Valve yang menangani fluida panas di cat

berwarna merah sedangkan yang menangani fluida dingin di cat bewarna biru.



● Flowmeter

Aliran dari suatu fluida diregulasikan dengan needle valve. Laju alir untuk fluida

panas dan fluida dingin dengan specific gravity yang sama diukur dengan

menggunakan single-pass-tube-type flowmeter. Flowmeter dilengkapi dengan

sebuah skala logam yang dapat dipindahkan dan sudah dikalibrasi.



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

1.1. Pengertian Heat Exchanger

Sesuai dengan namanya, maka alat penukar kalor (heat exchanger) berfungsi

mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang

batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam

sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut.

Pada percobaan ini akan dilakukan pengamatan unjuk kerja alat penukar kalor

pipa ganda (double pipe heat exchanger) yang terdiri dari dua pipa konsentris. Pipa

yang berada di luar dikenal sebagai annulus (shell), sedangkan bagian dalam dikenal

sebagai pipa (tube).

1.2. Prinsip Kerja Heat Exchanger

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

batas. Bidang batas pada heat exchanger adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai

jenis logam. Pada heat exchanger ini, terdapat dari dua pipa konsentris, yaitu:

annullus/shell (pipa yang berada di luar) dan tube (pipa yang berada di dalam).

Berdasarkan jenis alirannya heat exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu:

1. Pararel Flow

Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua

fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang

besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE.

Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.

2. Counter Flow

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

dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya

mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih



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 ital dL } {¿ (1)

dQ=WCdT=wcdt (2)

3. Cross flow Heat exchanger

Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Biasa dipakai

untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap (tube and

shell heat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam

tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.

1.3. Komponen Penyusun Heat Exchanger

Komponen-komponen dari penyusun Heat Exchanger, terdiri dari:

1. Shell dan Tube

Suatu sillinder yang dilengkapi dengan inlet dan outlet nozzle sebagai tempat keluar

masuknya fluida. Ada 2 jenis tube dalam shell, yaitu finned tube (tube yang

mempunyai sirip (fin) pada bagian luar tube) dan bare tube (tube dengan permukaan

yang rata)

2. Tube Sheet

Tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu yang disebut tube

bundle. HE dengan tube lurus pada umumnya menggunakan 2 buah tube sheet.

Sedangkan pada tube tipe U menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi

untuk menyatukan tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube

side dengan shell side.

3. Baffle

Berfungsi sebagai penyangga tube, menjaga jarak antar tube, menahan vibrasi yang

disebabkan oleh aliran fluida, dan mengatur aliran turbulen sehingga perpindahan

panas lebih sempurna. Jenis baffle yaitu battle melintang (segmental, dish and

doughnut) dan baffle memanjang.

4. 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.

1.4. Jenis-Jenis Heat Exchanger

A. Berdasarkan Fungsinya

1. Heat exchanger

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

membutuhkan pendinginan ke aliran fluida temperatur rendah yang membutuhkan

pemanasan. Kedua fluida biasanya satu fasa atau suatu fluida yang berbentuk gas

dan lainnya berbentuk cairan.

2. Condenser

Condenser adalah tipe lain dimana hidrokarbon atau gas lainnya yang mencair

sebagian atau seluruhnya dengan pemindahan panas.

3. Cooler – Chiller

Berfungsi memindahkan panas, baik panas sensibel maupun panas laten fluida yang

berbentuk uap kepada media pendingin, sehingga terjadi perubahan fasa uap menjadi

cair. Media pendingin biasanya digunakan air atau udara. Condensor biasanya

dipasang pada top kolom fraksinasi. Pada beberapa kasus refrijeran biasa digunakan

ketika temperatur rendah dibutuhkan. Pendinginan itu sering disebut ‘chiller’.

4. Reboiler

Digunakan untuk menguapkan kembali sebagian cairan pada dasar kolom (bottom)

distilasi, sehingga fraksi ringan yang masih ada masih teruapkan. Media pemanas

yang digunakan adalah uap (steam). Reboiler bisa dipanaskan melalui media

pemanas atau dipanaskan langsung. Yang terakhir reboilernya adalah furnace atau

fire tube

5. Heater – Superheater

Heater digunakan untuk memanaskan fluida yang memiliki viskositas tinggi baik

bahan baku ataupun fluida proses dan biasanya menggunakan steam sebagai

pemanas. Superheater memanaskan gas dibawah temperatur jenuh.


Gambar 1. Double pipe


B. Berdasarkan Konstruksinya

1. Tubular Exchanger

a. Double-pipe Heat exchanger

Terdiri dari satu buah pipa yang diletakkan

di dalam sebuah pipa lainnya yang

berdiameter lebih besar secara konsentris.

Fluida yang satu mengalir di dalam pipa

kecil sedangkan fluida yang lain mengalir di

bagian luarnya. Pada bagian luar pipa kecil

biasanya dipasang fin atau sirip memanjang, hal ini dimaksudkan untuk

mendapatkan permukaan perpindahan panas yang lebih luas. Double pipe ini dapat

digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida hasil proses yang

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

Double-pipe Heat exchanger ini juga dapat digunakan untuk mendidihkan atau

mengkondensasikan fluida proses tapi dalam jumlah yang sedikit. Kerugian yang

ditimbulkan jika memakai Heat exchanger ini adalah kesulitan untuk memindahkan

panas dan mahalnya biaya per unit permukaan transfer. Tetapi, double pipe Heat

exchanger ini juga memiliki keuntungan yaitu Heat exchanger ini dapat dipasang

dengan berbagai macam fitting (ukuran).

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

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

fluida tidak bercampur. Fluida yang memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin)

mengalir melalui pipa kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi

mengalir pada pipa yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian

mungkin terdiri dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal.

Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses

konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur

tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah.

Kelebihan Double-pipe Heat exchanger:

o Dapat digunakan untuk fluida yang memiliki tekanan tinggi.

o Mudah dibersihkan pada bagian fitting



o Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa

o Dapat dipasang secara seri ataupun paralel

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

sesuai dengan keperluan

o Mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya

o Kalkulasi design mudah dibuat dan akurat

Kekurangan Double-pipe Heat exchanger:

o Relatif mahal

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

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

dikondensasikan.

b. Shell and tube

Jenis ini terdiri dari shell

yang didalamnya terdapat

rangkaian pipa kecil yang

disebut tube bundle.

Perpindahan panas terjadi

antara fluida yang

mengalir di dalam tube dan fluida yang mengalir di luar tube (pada shell side). Shell

and tube ini merupakan Heat exchanger yang paling banyak digunakan dalam

proses-proses industri.

Keuntungan Shell and Tube Heat exchanger merupakan Heat exchanger yang paling

banyak digunakan di proses-proses industri karena mampu memberikan ratio area

perpindahan panas dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu

juga dapat mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan

konstruksinya juga paling murah di antara yang lain. Untuk menjamin bahwa fluida

pada shell-side mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan

perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka di dalam shell tersebut dipasangkan

sekat/penghalang (baffles).


Gambar 2. Shell and Tube HE


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

keperluan proses dengan tekanan tinggi), class C (untuk keperluan proses dengan

tekanan dan temperatur menengah dan fluida yang tidak korosif, serta class B (untuk

keperluan fluida yang korosif). Proses pertukaran panas pada kedua fluida ini terjadi

pada dinding tube dimana terdapat dua proses perpindahan yaitu secara konduksi

dan konveksi. Dilihat dari konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube

dibedakan atas:

Fixed Tube Sheet

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

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

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

pembersihan shell.

Floating Tube Sheet

Floating Tube Sheet merupakan Heat exchanger yang dirancang dengan salah satu

tipe tube sheetnya mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak di dalam shell

jika terjadi pemuaian atau penyusutan karena perubahan suhu. Tipe ini banyak

digunakan dalam industri migas karena pemeliharaannya lebih mudah dibandingkan

fix tube sheet, karena tube-bundlenya dapat dikeluarkan, dan dapat digunakan pada

operasi dengan perbedaan temperatur antara shell dan tube side di atas 200oF.

U tube/U bundle

U tube/U bundle merupakan jenis HE yang hanya mempunyai 1 buah tube sheet,

dimana tube dibuat berbentuk U yang ujung-ujungnya disatukan pada tube sheet

sehingga biaya yang dibutuhkan paling murah di antara Shell and Tube Heat

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

headnya dilepas. Tipe ini juga dapat digunakan pada tekanan tinggi dan beda

temperatur yang tinggi. Masalah yang sering terjadi pada Heat exchanger ini adalah

terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan tube yang disebabkan oleh kecepatan

aliran dan tekanan di dalam tube, untuk itu fluida yang mengalir dalam tube side

haruslah fluida yang tidak mengandung partikel-partikel padat.


Gambar 3. Plate Heat


2. Spiral tube

Plate Heat exchanger

Kedua aliran masuk dari sudut dan

melewati bagian atas dan bawah plat-plat

parallel dengan fluida panas melewati

jalan-jalan (ruang antar plat) genap dan

fluida dingin melewati jalan-jalan ganjil.

Plat-plat dapat dipasang secara melingkar

agar dapat memberikan perpindahan

panas yang besar dan mencegah

terjadinya fouling (deposit yang tidak

diinginkan). Plate Heat exchanger juga

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

exchanger ini dibagi atas 3 macam :

Plate and frame or gasketed plate exchanger

Jenis ini terdiri dari bingkai-bingkai dan plat-plat yang disusun rapat, permukaan

plat mempunyai alur-alur yang berpasangan sehingga jika dirangkai mempunyai dua

aliran. Heat exchanger ini digunakan untuk temperatur dan tekanan rendah seperti

mendinginkan cooling water.

Spiral plate heat exchanger

Lamella (ramen) heat exchanger

C. Berdasarkan Flow arrangements

Terdapat dua jenis Heat Exchanger berdasarkan flow arrangements yakni

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

satu kali, sedangkan pada multiple pass, salah satu atau kedua fluida mengalir bolak-

balik secara zigzag. Pada single pass aliran fluida bisa parallel ataupun berlawanan,

sedangkan pada multiple pass merupakan kombinasai keduanya. Fluida juga dapat

mengalir secara crossflow. Yang pertama, kedua fluida tidak bercampur, mereka

melewati jalan masing-masing tanpa bercampur. Yang kedua, kedua fliuda bercampur

tanpa terjadi reaksi kimia. Jika luas shell besar, cross flow akan menghasilkan



koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada aliran aksial yang terjadi di

dalam tabung double-pipe.

D. Berdasarkan Arah Aliran

1. Paralel Flow

Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah.

Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan

temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak

pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur

fluida panas.

2. Counter Flow

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

masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya

mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih

efekrif dari paralel flow.

3. Cross Flow Heat exchanger

Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Biasa

dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap

(tube and shell Heat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin

mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.

Dari ketiga tipe Heat exchanger tersebut tipe counter flow yang paling efisien

ketika kita membandingkan laju perpindahan kalor per unit area. Dengan beda

temperatur fluida yang paling maksimal di antara kedua tipe Heat exchanger

lainnya, maka beda temperatur rata-rata (log mean temperature difference) akan

maksimal dan pada akhirnya laju perpindahan kalor akan maksimal pula.

1.5. Parameter Heat Exchanger

A. Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD)

Pada awalnya kita mengandaikan U (bisa juga digantikan oleh h−

) sebagai nilai konstan

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

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 ΔT 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 )ΔT=−(mc p )h dT h=(mc p )c dT c (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 ( ΔT a−ΔT b

ln( ΔT a /ΔT b)

(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 :



ΔT mean=LMTD=( ΔT a−ΔT b

ln(ΔT a /ΔT b)

(6)

Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Kita harus menggunakan

faktor koreksi F yang dapat dilihat dalam grafik pada lampiran. Sehingga rumusnya

menjadi :

Q=UAF (LMTD ) (7)

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

transfer),

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

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

masih baru

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

sudah kotor.

Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai:

(8)

C. Fouling Resistance

Jika sebuah pipa baru saja digunakan, maka keadaannya masih normal dan bersih

sehingga tidak mengganggu proses perpindahan kalor. Namun pada suatu saat fluida

yang terus menerus mengalir dalam pipa akan membentuk seperti sebuah lapisan yang

akan mengganggu aliran kalor. Hal inilah yang disebut dengan fouling resistance.

Untuk menghitung fouling resistance dapat digunakan rumus berikut ini :



Rd≡1

U D

− 1UC

Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus

sebagai berikut :

U= 1

1hi

+ri ln (r0 /r p )

k insulator

+r j ln (r p /ri)

k pipe

+ri

r0h0

+Rd(9)

Untuk U<<10000 W/m2 °C fouling mungkin tidak begitu penting, karena hanya

menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada water to water heat exchanger dimana

nilai U disekitar 2000 maka fouling factor akan menjadi penting. Pada finned tube heat

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

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

D. Efektivitas Heat exchanger

Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut :

ε≡Ch (Th in

−T hout )

Cmin (T hin−T cmin )

=Cc (T cout

−T c in)Cmin (Thin

−T c in) (10)


Gambar 4. Kekotoran

ε= actual heat transferredmax imum heat that could possibly be transferred from one stream to another


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

ε=1−exp [−(1−Cmin /Cmax )NTU ]

1+Cmin /Cmax (11)

Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :

ε=1−exp [−(1−Cmin /Cmax)NTU ]

1−(Cmin /Cmax)exp [−(1−Cmin /Cmax )NTU ] (12)

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

NTU= UACmin (13)

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

terbesar.

E. Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor

(14)

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

Untuk shell and tube heat exchanger, nilai LMTD harus dikoreksi dengan faktor yang

dicari dari grafik yang sesuai (Fig 18 s/d Fig 23 Kern). Caranya adalah dengan

menggunakan parameter R dan S.

(15-16)

Nilai LMTD dihitung dengan persamaan sbb:

Bila UD konstan



Untuk aliran searah (co-current)

Atau

Untuk aliran berlawanan arah (Counter Current)



(17)

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

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

(18-19)

Dan harga Δ tm =FT.LMTD

Bila UD tidak konstan (berubah) terhadap suhu

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

persamaan implisit:

(20)



F. Penurunan Tekanan pada Alat Penukar Kalor

Pada setiap aliran akan terjadi penurunan tekanan (pressure drop) karena gaya gesek

yang terjadi antara fluida dan tempatnya.



BAB III

PERHITUNGAN

1.6. Aliran Berlawanan Arah

1.6.1. Data Percobaan

Valve T3 T4 T5 T6 VAIR VSTEAM

1/5 28 35 96 62 62 2.42/5 27 32 97 52 142 33/5 27 31 97 45 168 3.34/5 27 30 97 43 228 3.45/5 27 30 97 40 236 3.6

1.6.2. Identifikasi Data

D=D e=( D2

2−D12)

D1

=0,0252−0,0142

D 1

=0,03064 m

Dh=D 2−D1=0.025−0.014=0.011

Valve T ave Steam

.0 C

T ave air

.0 C

Qsteam

m3/sQair

m3/s∆ T LMTD

.0 C1/5 65.5 45 2.4E-06 6.2E-05 17.083742/5 64.5 39.5 3.0E-06 1.4E-04 18.204783/5 64 36 3.3E-06 1.7E-04 18.713824/5 63.5 35 3.4E-06 2.3E-04 17.644795/5 63.5 33.5 3.6E-06 2.4E-04 18.33966

Dimana : Suhu rata-rata Steam

T ave Steam=T 5+T 4

2 Suhu rata-rata air

T ave air=T 3+T6

2 ∆ T LMTD

∆ T LMTD=(T ¿¿5−T 6)−(T ¿¿4−T 3)

ln(T ¿¿5−T 6)(T¿¿4−T3)

¿¿¿¿

Dari identifikasi di atas selanjutnya dianalisa karakteristik dari setiap aliran dengan

merujuk pada “buku Holman Apendix Tabel A-9” yang diadaptasi dariA.I.Browndan S.M.



Marco, “Introduction to Heat Transfer”, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, New York,

1958.

VALVE(bukaankran)

SUHU(0C)

Cp(kJ/kg.0C)

ρ(kg/m3)

μ(kg/m.s)

k(W/m0C)

Pr

1/5 Tavg air = 45 4,174 989.52 5.94.10-4 0,646 3,76Tavg steam = 65.5 4.183 980.6 4,33.10-4 0.659 2,73

2/5 Tavg air = 39.5 4.174 991.5 6.35.10-4 0,635 4.24Tavg steam = 64.5 4.182 982.06 4,4.10-4 0,657 2,81

3/5 Tavg air = 36 4.174 993.5 7.04.10-4 0,628 4.72Tavg steam = 64 4.182 982.66 4,45.10-4 0,650 2,87

4/5 Tavg air = 35 4.174 994.1 7.25.10-4 0,625 4,81Tavg steam = 63.5 4.180 981.6 4,53.10-4 0.657 2,85

5/5 Tavg air = 33.5 4.174 994.5 7.51. 10-4 0,624 4.95Tavg steam = 63.5 4.182 981.4 4,45.10-4 0,658 2,83

1.6.3. Perhitungan

a. Menghitungh0(aliran air diantara pipa annulus)

i. Aliran dengan valve 1/5 bukaan

w=ρ .Q=989.52kgm3 .6.2 .10−5 m3

s=0,06135

kgs

ℜ=Dh¿μ=

Dh

μ [ 4 w

π ( D22−D1

2 ) ]= 0.0115.94 . 10−4 [ 4 . 0,06135

π (0.0252−0.0142 ) ]=3373.8

Re < 10.000 maka aliran LAMINER

h0=1,86 .[ℜ .Pr .De

L ]13.

kDe

=1,86 . [9397.434 .3,76 .0,0141,62 ]

13 .

0,6460,014

=410.76W

m2.℃

ii. Aliran dengan valve 2/5 bukaan

w=ρ .Q=991.5kgm3 . 1.4 . 10−4 m3

s=0.1387

kgs

ℜ=Dh¿μ=

Dh

μ [ 4 w

π ( D22−D1

2 ) ]= 0.0116.35 .10−4 [ 4 .0,0726

π (0.0252−0.0142 ) ]=7134.9


h0=1,86 .[ℜ .Pr .De

L ]13.

kDe

=454.5W

m2 .℃



iii. Aliran dengan valve 3/5 bukaan

w=ρ .Q=993.5kgm3 . 1,7.10−4 m3

s=0,169

kgs

ℜ=Dh¿μ=

Dh

μ [ 4 w

π ( D22−D1

2 ) ]= 0.0117.04 . 10−4 [ 4 . 0,1016

π (0.0252−0.0142 ) ]=7841.5


h0=1,86 .[ℜ .Pr .De

L ]13.

kDe

=570.6W

m2.℃

iv. Aliran dengan valve 4/5 bukaan

w=ρ .Q=994.1kgm3 .2.3 .10−4 m3

s=0,2286

kgs

ℜ=Dh¿μ=

Dh

μ [ 4 w

π ( D22−D1

2 ) ]= 0.0117.25 .10−4 [ 4 . 0,1159

π (0.0252−0.0142 ) ]=10159.5

Re > 10.000 maka aliran TURBULEN

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De=0,023 .28298.930,8. 4.810,3.

0.6250.03064

=1206.32W

m2 .℃

v. Aliran dengan valve 5/5 bukaan

w=ρ .Q=994.5kgm3 . 2.4 . 10−4 m3

s=0,2386

kgs

ℜ=Dh¿μ=

Dh

μ [ 4 w

π ( D22−D1

2 ) ]= 0.0117.51 .10−4 [ 4 .0,1341

π (0.0252−0.0142 ) ]=10378.05

Re > 10.000 maka aliran TURBULEN

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De=0,023 .28907.570,8 .4.950,3 .

0,6240.03064

=1235.66W

m2 .℃

b. Menghitunghi(aliran steam pada pipa dalam)

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

w=ρ .Q=980.6kgm3 . 2,4.10−6 m3

s=0,00235

kgs

ℜ=Di¿μ=

Di

μ [ 4 w

π ( Di2) ]= 0.014

4,33. 10−4 [ 4 . 0,00235

π (0.0142) ]=493.8114



Re < 10.000 maka aliran LAMINAR

hi=1,86 .[ℜ . Pr .Di

L ]13.

kDi

=1,86 .[493.8114 .2,73 .0,0141,62 ]

13 .

0,6590,014

=198.5W

m2 .℃

ii. Alirandengan valve 2/5 bukaan

w=ρ .Q=982,06kgm3 . 3.10−6 m3

s=0,00304

kgs

ℜ=Di¿μ=

Di

μ [ 4 w

π ( Di2) ]= 0.014

4,33. 10−4 [ 4 x 0,00304

π (0.0142 ) ]=628.64


hi=1,86 .[ℜ . Pr .Di

L ]13.

kDi

=1,86 .[628.64 . 2,81.0,0141,62 ]

13 .

0,6570,014

=216.53W

m2 .℃

iii. Alirandengan valve 3/5 bukaan

w=ρ .Q=982.66kgm3 . 3.3 .10−6 m3

s=0,00324

kgs

ℜ=Di¿μ=

Di

μ [ 4 w

π ( Di2) ]= 0.014

4,33. 10−4 [ 4 x 0,00324

π (0.0142 ) ]=662.47


hi=1,86 .[ℜ . Pr .Di

L ]13.

kDi

=1,86 .[662.47 .2,87 .0,0141,62 ]

13 .

0,650,014

=219.54W

m2 .℃

iv. Alirandengan valve 4/5 bukaan

w=ρ .Q=981,6kgm3 . 3,4.10−6 m3

s=0,00334

kgs

ℜ=Di¿μ=

Di

μ [ 4 w

π ( Di2) ]= 0.014

4,33. 10−4 [ 4 x 0,00334

π (0.0142 ) ]=670.85


hi=1,86 .[ℜ . Pr .Di

L ]13.

kDi

=1,86 .[608,72. 2,85 .0,0141,62 ]

13 .

0,6570,014

=222,32W

m2 .℃

v. Alirandengan valve 5/5 bukaan



w=ρ .Q=981,4kgm3 . 3.6 . 10−6 m3

s=0,00353

kgs

ℜ=Di¿μ=

Di

μ [ 4 w

π ( Di2) ]= 0.014

4,33. 10−4 [ 4 x 0,00304

π (0.0142 ) ]=721,74


hi=1,86 .[ℜ .Pr .Di

L ]13.

kDi

=1,86 .[721,74 .2,83 .0,0141,62 ]

13 .

0,6580,014

=227.62W

m2.℃

c. Menghitung nilaiU c

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

386 W/moC

U c=1

1hi

+

Ai ln( r o

r i)

2 πKL+

Ai

Ao

1ho

dimana :

r i=0,007 m

r o=0,01465 m

Ai=π D i L=3,14 (0,014 )(1.62)=0,0712 m2

A o=π D o L=3,14(0,0293)(1.62)=0,1272m2

Untuk perhitungan aliran valve 1/5

U c=1

1hi

+

A1 ln( r0

r1)

2 πKL+

A1

A0

.1h0

= 1

1198.48

+0,0712 ln( 0.0125

0.007 )2 π (386 )(1,62)

+ 0,07120,1272

.1

577.945

=166.18W

m2.℃

Dengan cara yang sama didapatkan :

ho (W/m2.oC) hi (W/m2.oC) Uc (W/m2.oC)

198.4795 410.76 155.9688

216.5328 454.4926 170.6383

219.5423 570.5956 180.2958

222.3202 1206.318 201.104



227.6192 1235.656 205.896

d. Menentukan nilaiU d

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan

kotor)

U d=q

A (LMTD)

dimana :

A = 0,0712m2

q=W . Cp . ∆ T ¿+Wλ

dimana λ adalah panas laten (asumsi saturated steam) = 334,994 dan Cp

= Cpsteam dari tabel A-9 Holman.

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

berikut :

q=W . Cp . ∆ T ¿+Wλ

q=0,00235 . 4,183 . (96−35 )+0,00235 (334,994 )

q=1,38 J / s

Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan :

Perhitungan qValve T

outT in

w Steam(kg/s)

Lambda(J/kg)

Cp(kJ/kgoC)

q

(J/s)1/5 35 96 0.00235 335 4.183 1.3868832/ 5 32 97 0.00304 335 4.182 1.8447633/5 31 97 0.00324 335 4.182 1.9796794/ 5 30 97 0.00334 335 4.18 2.05435/ 5 30 97 0.00353 335 4.182 2.171635

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan

perhitungan mencari nilai Ud.Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

U d=q

A . LMTD

U d=1,38

0,0712 .17,83



U d=1,201W

m2 .℃

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh :

PerhitunganU d

Valve q A LMTD U d

1/5 1.386883 0.0712 17.08374 1.1401892/ 5 1.844763 0.0712 18.20478 1.423233/5 1.979679 0.0712 18.71382 1.4857724/ 5 2.0543 0.0712 17.64479 1.6351875/ 5 2.171635 0.0712 18.33966 1.663089

e. MenentukanNilaiRd

Untuk menghitung factor pengotor digunakanpersamaan :

Rd=1

U d

− 1U c

Berikut ialah tabulasi hasil perhitungan yang menggunakan persamaan diatas :

PerhitunganRd

Ud Uc 1/Ud 1/Uc Rd1.14018

9

155.968

8

0.87704

7

0.00641

2

0.87063

6

1.42323

170.638

3

0.70262

7 0.00586

0.69676

7

1.48577

2

180.295

8

0.67305

1

0.00554

6

0.66750

4

1.63518

7 201.104

0.61155

1

0.00497

3

0.60657

8

1.66308

9 205.896

0.60129

1

0.00485

7

0.59643

4

f. Menentukanɛ (nilai keefektifan)dan NTU


Penentuanfluida minimum

C=Cp ×w



Fluida Min = C terkecil

FluidaMaks = C terbesar

ε (nilai kefektifan)

ε= ∆ Fluida minBe da Suhu Terbesar

NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan :

fluida C ket C* Tin Tout ε NTUSteam 0.00983 Fluida Min 0.03838 96 35 0.89705

92.58173

6Air 0.256075

FluidaMaks

28 62



C=Cp ×w




ε= ∆ Fluida minBeda Suhu Terbesar

NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax


fluida C ket C* Tin Tout e NTUSteam 0.01271

3Fluida Min 0.02196 97 32 0.92857

12.91126

7



Air 0.578934

FluidaMaks

27 52

iii.Alirandengan valve 3/5 bukaan


C=Cp ×w


Fluida Maks = C terbesar



NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax


fluida C ket C* Tin Tout e NTUSteam 0.01355 Fluida Min 0.01920

897 31 0.94285

73.18224

4Air 0.705406

FluidaMaks

27 45


Penentuan fluida minimum

C=Cp ×w





NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :



C ¿=Cmin

Cmax



1Fluida Min 0.01463

297 30 0.95714

33.49442

8Air 0.95417

6FluidaMak

s27 43



C=Cp ×w





NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax



2Fluida Min 0.01482

397 30 0.95714

33.50004

3Air 0.99591

6FluidaMak

s27 40

Ringkasan Hasil Perhitungan

Tabel. Ringkasan HasilOlah data

Aliran Fluida Q(m3/s)

hW/m2.oC

Uc

W/m2.oCUd

W/m2.oCRd

m2.oC/We NTU

1/5 Steam 2.40E-06 198.47946155.9688 1.1402 0.8706 0.8971 2.5817

Air 6.20E-05 410.75996



2/5 Steam 3.00E-06 216.5328170.6383 1.4232 0.6968 0.9286 2.9113

Air 1.42E-04 454.492563/5 Steam 3.30E-06 219.5423

180.2958 1.4858 0.6675 0.9429 3.1822Air 1.68E-04 570.59562

4/5 Steam 3.40E-06 222.3202 201.1040 1.6352 0.6066 0.9571 3.4944Air 2.28E-04 1206.3179

5/5 Steam 3.60E-06 227.6192205.8960 1.6631 0.5964 0.9571 3.5000

Air 2.36E-04 1235.6563

1.7. Aliran Searah

1.7.1. Data Percobaan

Valve T1 T2 T3 T4 VSTEAM VAIR

1/5 80 41 36 93 3.26 812/5 56 38 34 94 4.2 1403/5 44 35 33 93 2.8 2124/5 42.5 34 33 93 3.2 2565/5 39 23 32 93 3.4 274

1.7.2. Identifikasi Data

D=D e=( D2

2−D12)

D1

=0,0252−0,0142

D 1

=0,03064 m

Valve T ave Steam

.0 C

T ave air

.0 C

Qsteam

m3/sQair

m3/s∆ T LMTD

.0 C1/5 38.5 86.5 3.3E-06 8.1E-05 47.892/5 36 75 4.2E-06 1.4E-04 36.393/5 34 68.5 2.8E-06 2.1E-04 28.274/5 33.5 67.75 3.2E-06 2.6E-04 27.1045/5 27.5 66 3.4E-06 2.7E-04 27.36

Dimana : Suhu rata-rata Steam

T ave Steam=T 1+T4

2 Suhu rata-rata air

T ave air=T 3+T2

2 ∆ T LMTD



∆ T LMTD=(T ¿¿4−T 2)−(T ¿¿1−T 3)

ln(T¿¿ 4−T2)(T ¿¿1−T 3)

¿¿¿¿

Dari identifikasi di atas selanjutnya dianalisa karakteristik dari setiap aliran

dengan merujuk pada “buku Holman Apendix Tabel A-9” yang diadaptasi

dariA.I.Browndan S.M. Marco, “Introduction to Heat Transfer”, 3rd ed.,

McGraw-Hill Book Company,New York, 1958.

VALVE(bukaankran)

SUHU(0C)

Cp(kJ/kg.0C)

ρ(kg/m3)

μ(kg/m.s)

k(W/m0C)

Pr

1/5 Tavgair = 86.5 4.198 967.503 3.32.10-4 0.674 2.059Tavg steam = 38.5 4.174 992.690 6.73.10-4 0.631 4.467

2/5 Tavg air= 75 4.189 974.787 3.81.10-4 0.667 2.390Tavg steam = 36 4.174 993.609 7.08.10-4 0.627 4.719

3/5 Tavg air= 68.5 4.185 978.707 4.15.10-4 0.662 2.634Tavg steam = 34 4.174 994.292 7.38.10-4 0.625 4.931

4/5 Tavg air= 67.75 4.184 979.112 4.19.10-4 0.661 2.651Tavg steam = 33.5 4.174 994.463 7.46.10-4 0.625 4.984

5/5 Tavg air= 66 4.183 980.057 4.28.10-4 0.659 2.714Tavg steam = 27.5 4.178 995.666 8.46.10-4 0.615 5.741

1.7.3. Perhitungan

a. Menghitungh0(aliran air diantarapipa annulus)

i. Aliran valve 1/5 bukaan

Oleh karena aliran annulus merupakan aliran fluida inkompressibel, maka

untuk menentukan nilai Reh dibutuhka nnilai Rh = S/Z (luas area /keliling

terbasahi). Dalam pipa, luas penampangnya adalah lingkaran. Jadi

mencari nilai Rh dengan membagi antara luas lingkaran dengan keliling

terbasahi (Buku Transport Phenomena Bird Edisi 1)

D2 = 0.025 m ; D1 = 0.014 m

Rh=SZ=1

2(R2−R1 )

Rh=12

(0.0125−0.007 ) m=2.75× 10−3 m



⟨ v ⟩=QA=

Qair

A2−A1

⟨ v ⟩=8.1× 10−5 m3

sπ4(0.0252−0.0142)m2

=0.241ms

ℜh=4 Rh ⟨ v ⟩ ρ

μ=

4× 2.75×10−3 m× 0.241ms

× 989.52kg

m3

3.32× 10−4 kgms

=7710.1884

Re < 10.000 makaaliran LAMINER

D=D e=( D2

2−D12)

D1

=0.0252−0.0142

D 1

=0.03064 m

h0=1,86 .[ℜ .Pr .De

L ]13.

kDe

=1,86×[7710.1884×2.059 .0.03064

0.81 ]13 .

0,6740.03064

=345.19W

m2.℃

ii. Aliran dengan valve 2/5 bukaan

Rh=SZ=1

2(R2−R1 )

Rh=12

(0.0125−0.007 ) m=2.75× 10−3 m

⟨ v ⟩=QA=

Qair

A2−A1

⟨ v ⟩=1.4 × 10−4 m3

sπ4(0.0252−0.0142)m2

=0.241ms

ℜh=4 Rh ⟨ v ⟩ ρ

μ=

4 × 2.75×10−3 m× 0.415ms

×974.787kg

m3

3.81×10−4 kgms

=11699.8024

Re > 10.000 makaaliran TURBULEN

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De=0,023 .11699.80240,8 .2.390,3 .

0,6670.03064

=8 08.8125W

m2 .℃


Jikaaliranturbulen:

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De

Jikaaliran laminar:

h0=1,86 .[ℜ . Pr .De

L ]13.

kDe


Selanjutnya dengan cara yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut

ini:

WaterValve Rh miu v Reh Jenisaliran Pr k ho

1 per 5 0.003 0.000332 0.241 7710.188 Laminer 2.059 0.674 345.1902 per 5 0.003 0.000381 0.416 11699.802 Turbulen 2.390 0.667 808.8133 per 5 0.003 0.000415 0.630 16330.752 Turbulen 2.634 0.662 1168.4964 per 5 0.003 0.000419 0.760 19539.977 Turbulen 2.651 0.661 1559.1465 per 5 0.003 0.000428 0.814 20493.865 Turbulen 2.714 0.659 1800.540

b. Menghitunghi(aliran steam pada pipa dalam)

Dalam perhitungan ini, pipa yang terlibat hanyalah pipa steam (bagian dalam). Jadi, praktikan menghitung nilai Re di dalam pipa tersebut kemudian mengkategorikant ermasuk jenis aliran manakah, apakah laminar atau turbulen.


⟨ v ⟩= Q steamA pipa kecil

=3.26 × 10−6

1.54 ×10−4=0.0212 m /s


Jikaaliranturbulen:

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De

Jikaaliran laminar:

h0=1,86 .[ℜ . Pr .De

L ]13.

kDe

Jikaaliranturbulen:

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De

Jikaaliran laminar:

h0=1,86 .[ℜ . Pr .De

L ]13.

kDe


ℜ=ρ ⟨v ⟩ D

μ=992.69 × 0.0212× 0.014

0.000673=437.54073


hi=1,86 .[ℜ .Pr .Di

L ]13.

kDi

=1,86 .[437.54073 .4.467 .0,0140.81 ]

13 .

0,6310,014

=271.0023W

m2.℃

Dengan langkah yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut:

SteamValve D miu v Re Jenisaliran Pr k h1

1 per 5 0.014 0.000673 0.0211881 437.5407334 Laminer 4.467 0.631 271.00232 per 5 0.014 0.000708 0.0272975 536.3321818 Laminer 4.719 0.627 293.51313 per 5 0.014 0.000738 0.0181984 343.25583 Laminer 4.931 0.625 255.85654 per 5 0.014 0.000746 0.0207981 388.152232 Laminer 4.984 0.625 267.50925 per 5 0.014 0.000846 0.022098 364.1032359 Laminer 5.741 0.615 270.1124

c. Menghitung nilaiU c

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

386 W/moC

U c=1

1hi

+

Ai ln( r o

r i)

2 πKL+

Ai

Ao

1ho

dimana :

r i=0,007 m

r o=0,0125 m

Ai=π D i L=3,14 (0,014 )(0.81)=0.0356 m2

A o=π D o L=3,14(0,025)(0.81)=0.0635 m2

Untuk perhitungan aliran valve 1/5

U c=1

1hi

+

A1 ln( r0

r1)

2 πKL+

A1

A0

.1h0

= 1

1198.48

+0.0356 ln( 0.0125

0.007 )2 π (386 )(0.81)

+ 0.03560.0635

.1

345.19

=187.8705W

m2 .℃

Dengan cara yang sama didapatkan :



HitungUc1/hi 1/h0 Ai Ai/A0 ro/ri Uc

0.004 0.003 0.036 0.560 1.786 187.8700.003 0.001 0.036 0.560 1.786 243.3150.004 0.001 0.036 0.560 1.786 227.3650.004 0.001 0.036 0.560 1.786 243.4350.004 0.001 0.036 0.560 1.786 248.528

d. Menentukan nilaiU d

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan

kotor)

U d=q

A (LMTD)

dimana :

A = 0,0712m2

q=W . Cp . ∆ T i n+Wλ

dimana λ adalah panas laten (asumsisaturated steam) = 334,994 dan Cp =

Cpsteam dari tabel A-9 Holman

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

berikut :

q=W . Cp . ∆ T ¿+Wλ

q=0,003 .4.174 . (93−80 )+0,003 (335.00 )

q=0.909 J / s

Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan :

Hitung qValve T1 (out) T2 (in) w steam lambda Cp q

1 per 5 80 93 0.003 335.000 4.174 0.9092 per 5 56 94 0.004 335.000 4.174 0.7363 per 5 44 93 0.003 335.000 4.174 0.3634 per 5 42.5 93 0.003 335.000 4.174 0.3955 per 5 39 93 0.003 335.000 4.178 0.370

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan

perhitungan mencari nilai Ud. Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

U d=q

A . LMTD



U d=0.909

0.036 . 47.889

U d=0.533W

m2.℃

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh :

UdValve q A steam LMTD Ud

1 per 5 0.909 0.036 47.889 0.5332 per 5 0.736 0.036 36.391 0.5683 per 5 0.363 0.036 28.270 0.3614 per 5 0.395 0.036 27.105 0.4105 per 5 0.370 0.036 27.361 0.380

e. MenentukanNilaiRd

Untuk menghitung faktor pengotor digunakan persamaan :

Rd=1

U d

− 1U c

Berikut ialah tabulasi hasil perhitungan yang menggunakan persamaan

diatas :

RdUd Uc 1/Ud 1/Uc Rd

0.533 187.870 1.877 0.005 1.8720.568 243.315 1.760 0.004 1.7560.361 227.365 2.771 0.004 2.7670.410 243.435 2.442 0.004 2.4380.380 248.528 2.631 0.004 2.627

f. Menentukanɛ (nilai keefektifan)dan NTU



C=Cp ×w





NTU



NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax


Perhitungan e dan NTUValve fluida w Cp C ket C* Tin Tout e NTU

1 per 5 Steam 0.00324 4.174 0.0135 fluida min

0.041059 93 80 0.22807 0.260376

Air 0.07837 4.198 0.3290 fluida max

36 41



C=Cp ×w





NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax




0.03047 94 56 0.633333 1.026102

Air 0.13647 4.189 0.5717 fluida max

34 38

iii.Alirandengan valve 3/5 bukaan


C=Cp ×w







NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax




0.013383 93 44 0.816667 1.734699

Air 0.2075 4.185 0.8683 fluida max

33 35



C=Cp ×w





NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax


Perhitungan e dan NTU



Valve fluida w Cp C ket C* Tin Tout e NTU4 per 5 Steam 0.0032 4.174 0.013

3fluida min

0.012666 93 42.5 0.841667 1.888831

Air 0.2507 4.184 1.0487

fluida max

33 34



C=Cp ×w





NTU

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax



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

Ringkasan Hasil Perhitungan

Aliran FluidaQ h Uc Ud Rd

e NTU(m3/s) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (m2.oC/W)

1/5 Steam 3.26E-06 345.1900 187.8705 0.5328 1.8716 0.2281 0.2604Air 8.10E-05 271.0023

2/5 Steam 4.20E-06 808.8125 243.3155 0.5681 1.7562 0.6333 1.0261Air 1.40E-04 293.5131

3/5 Steam 2.80E-06 1168.4956 227.3655 0.3609 2.7668 0.8167 1.7347Air 2.12E-04 255.8565

4/5 Steam 3.20E-06 1559.1459 243.4349 0.4096 2.4375 0.8417 1.8888



Air 2.56E-04 267.50925/5 Steam 3.40E-06 1800.5397 248.5278 0.3801 2.6269 0.7714 1.5004

Air 2.74E-04 270.1124

BAB IV

ANALISIS

1.8. Analisis Percobaan

Dalam percobaan ini, praktikan melakukan prosedur terkait dengan heat

exchanger (alat penukar kalor) dengan variasi arah aliran (searah dan berlawanan) dan

laju alir air sebagai fluida dingin melalui variasi bukaan valve (1/5, 2/5, 3/5, 4/5,1

putaran). Selain itu, praktikan juga menghitung laju alir keluaran berupa kondensat

sebagai fluida panas. Dengan variasi laju alir yang masuk (sebagai fluida dingin), maka

dapat diketahui efektivitas atau efisiensi suatu alat penukar kalor.

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

tubular digunakan karena lebih efektif mempertukarkan kalor pada skala kecil

dibanding jenis HE lain seperti jenis shell and tube. HE tipe ini hanya membutuhkan

area perpindahan kalor yang kecil dan mudah diamati suhu masukan dan keluarannya.

Untuk aliran searah, praktikan mengatur bukaan valve dan menutup valve tertentu agar

aliran fluida menjadi searah. Ketika kedua aliran dimasukkan secara searah,

perpindahan kalor mulai terjadi. Data yang diambil berupa suhu yang terbaca pada

sensor dan juga laju alir fluida dingin dan kondensat didapatkan saat perubahan suhu

fluida dingin dan kondensat yang keluar sudah konstan. Hal yang sama juga dilakukan

untuk aliran berlawanan arah sehingga praktikan juga mengambil data suhu serta laju

alir air dan kondensat setelah suhu fluida telah konstan. Pengambilan data setelah suhu



konstan ini dimaksudkan agar data lebih akurat. Adapun suhu fluida di awal dianggap

konstan karena belum dialirkan kalor.

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

kalor dari steam dapat diserap oleh air. Hal ini dikarenakan kalor cenderung bersifat

menuju arah lingkungan sehingga pemakaian steam diatur agar aliran kalor tidak

menuju langsung ke dinding pipa karena selain akan merusak dinding pipa juga akan

meningkatkan pemakaian steam sehingga pemakaian steam menjadi lebih boros dan

mahal karena steam harus dibuat terlebih dahulu dengan steam generator.

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

pipa tersebut terasa panas. Hal ini dikarenakan adanya proses perpindahan kalor dari

steam menuju lingkungan juga terjadi pressure drop sepanjang aliran pipa yang

mengakibatkan proses perubahan fasa steam menjadi embun meskipun suhu belum

mencapai 100oC. Adapun steam dialirkan di dalam pipa yang lebih kecil agar tidak

merusak alat karena tekanan steam yang sangat tinggi juga untuk menghindari transfer

panas ke pipa bagian luar yang dapat membahayakan praktikan apabila tersentuh.

Selain itu, steam dialirkan ke dalam pipa yang lebih kecil untuk menghemat

penggunaannya karena harga steam lebih mahal.

1.9. Analisis Hasil dan Perhitungan

Aliran Berlawanan Arah

Valve T ave Steam

.0 C

T ave air

.0 C

Qsteam

m3/sQair

m3/s∆ T LMTD

.0 C1/5 65.5 45 2.4E-06 6.2E-05 17.083742/5 64.5 39.5 3.0E-06 1.4E-04 18.204783/5 64 36 3.3E-06 1.7E-04 18.713824/5 63.5 35 3.4E-06 2.3E-04 17.644795/5 63.5 33.5 3.6E-06 2.4E-04 18.33966

Aliran Searah

Valve T ave Steam

.0 C

T ave air

.0 C

Qsteam

m3/sQair

m3/s∆ T LMTD

.0 C1/5 38.5 86.5 3.3E-06 8.1E-05 47.892/5 36 75 4.2E-06 1.4E-04 36.393/5 34 68.5 2.8E-06 2.1E-04 28.27



4/5 33.5 67.75 3.2E-06 2.6E-04 27.1045/5 27.5 66 3.4E-06 2.7E-04 27.36

Berdasarkan data di atas, ditunjukkan bahwa laju alir steam meningkat seiring dengan

laju alir air. Hal ini dikarenakan semakin tingginya kalor yang terpakai untuk

mengubah air menjadi steam. Karena besarnya laju alir air yang mengalir, maka bisa

dikatakan fluida pendingin (air) yang digunakan banyak sehingga kemampuan

mendinginkan fluida panas (steam) lebih besar. Dampaknya, suhu steam yang keluar

semakin rendah. Pada aliran berlawanan arah, suhu keluaran steam lebih rendah

dibandingkan pada aliran searah, hal ini dikarenakan perbedaan suhu awal pada titik-

titik tertentu akan lebih besar sehingga menghasilkan driving force yang mendorong

steam dan air untuk saling bertukar panas.

Analisis h0 dan hi


ho

(W/

m2.oC

)

hi

(W/

m2.oC

)

Uc

(W/

m2.oC

)

198.4

795

577.9

452

166.1

864

216.5

328

1700.

708

201.6

989

219.5

423

2223.

399

207.5

893

222.3

202

2737.

655

212.1

791

227.6

192

2804.

236

217.2

292

Aliran Searah



WaterValve Rh miu v Re Jenisaliran Pr k ho

1 per 5 0.003 0.000332 0.241 7710.188 Laminer 2.059 0.674 345.1902 per 5 0.003 0.000381 0.416 11699.802 Turbulen 2.390 0.667 808.8133 per 5 0.003 0.000415 0.630 16330.752 Turbulen 2.634 0.662 1168.4964 per 5 0.003 0.000419 0.760 19539.977 Turbulen 2.651 0.661 1559.1465 per 5 0.003 0.000428 0.814 20493.865 Turbulen 2.714 0.659 1800.540

SteamValve D miu v Re Jenisaliran Pr k h1

1 per 5 0.014 0.000673 0.0211881 437.5407334 Laminer 4.467 0.631 271.00232 per 5 0.014 0.000708 0.0272975 536.3321818 Laminer 4.719 0.627 293.51313 per 5 0.014 0.000738 0.0181984 343.25583 Laminer 4.931 0.625 255.85654 per 5 0.014 0.000746 0.0207981 388.152232 Laminer 4.984 0.625 267.50925 per 5 0.014 0.000846 0.022098 364.1032359 Laminer 5.741 0.615 270.1124

Untuk persamaan h0 karena alirannya cenderung turbulen, persamaannya adalah :

h0=0,023 .ℜ0,8 . Pr0,3 .k

De

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

hi = NuD . k/D

Karena aliran steam dalam alat penukar kalor bersifat laminar ditinjau dari bilangan

Reynold, maka persamaan yang dipakai untuk bilangan Nusselt adalah :

hi=1,86 .[ℜ . Pr .Di

L ]13.

kDi

Persamaan Bilangan Reynold adalah :

ℜ=De ¿μ= De

μ [ 4w

π ( D22−D1

2 ) ]43 Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia


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

bilangan Prandtl, serta termal konduktivitas. Bilangan Prandtl dan termal konduktivitas

didasarkan oleh kondisi steam sedangkan bilangan Reynold adalah didasarkan jenis

aliran dari fluida. Jika dilihat berdasarkan persamaan, bilangan Reynold sangat

dipengaruhi oleh laju alir. Semakin besar laju alirnya maka semakin besar nilai

bilangan Reynoldnya sehingga h0 dan hi dan laju alir berbanding lurus.

Analisis Uc,Ud, dan Rd


ho

(W/

m2.oC)

hi

(W/

m2.oC)

Uc

(W/

m2.oC)

198.4795 577.9452 166.1864

216.5328 1700.708 201.6989

219.5423 2223.399 207.5893

222.3202 2737.655 212.1791

227.6192 2804.236 217.2292

PerhitunganU d

V q A L U d

1 1. 0 17 1.

2 1. 0 18 1.

3 1. 0 18 1.

4 2. 0 17 1.

5 2. 0 18 1.

Aliran Searah

Uc1 1 A A r Uc



/hi

/h0

i i/A0

o/ri

0 0 0 0 1 187.870

0 0 0 0 1 243.315

0 0 0 0 1 227.365

0 0 0 0 1 243.435

0 0 0 0 1 248.528

Adapun persamaan Uc (koefisien perpindahan panas dalam keadaan bersih) adalah

sebagai berikut :


UdValve q A steam LMTD Ud

1 per 5 0.909 0.036 47.889 0.5332 per 5 0.736 0.036 36.391 0.5683 per 5 0.363 0.036 28.270 0.3614 per 5 0.395 0.036 27.105 0.4105 per 5 0.370 0.036 27.361 0.380


U c=1

1hi

+

A1 ln( r0

r1)

2 πKL+

A1

A0

.1h0

Sedangkan persamaan Ud (koefisien perpindahan panas dalam keadaan kotor)

adalah sebagai berikut :

U d=q

A (LMTD)

Dengan q merupakan panas yang dapat dipindahkan oleh alat penukar kalor dan A

adalah luas luas bidang perpindahan panas atau dalam hal ini adalah luas pipa dalam

(Ai).

q=W . Cp . ∆Tin+W . λ

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

Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai Uc berbanding lurus dengan

nilai hi dan h0. Semakin besar hi dan ho, maka semakin besar juga Uc. Hal ini

dikarenakan adanya kaitan erat bilangan Re dengan nilai h.

Lain hal nya dengan nilai Ud. Nilai Ud berbanding terbalik dengan LMTD

(logarithmic mean temperature difference). LMTD ini mempunyai suatu faktor

koreksi, yaitu FT. Nilai FT didapat dari fig. 18 buku Kern. Dan nilai FT ini didapatkan

dari titik temu antara R dan S

Nilai LMTD sendiri dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :



LMTD=¿¿¿

Di samping itu, praktikan juga menghitung faktor pengotor (Rd) alat penukar kalor

melalui persamaan berikut:

Rd=1

U d

− 1U c

Penyebab yang

memengaruhi

faktor kekotoran secara

langsung adalah Uc dan

Ud. Secara teoritis,

nilai Uc > Ud sehingga

nilai dari Rd selalu positif.

Analisis Efektifitas dan

NTU


Aliran Fluida Q(m3/s)

hW/m2.oC

Uc

W/m2.oCUd

W/m2.oCRd

m2.oC/We NTU

1/5 Steam 2.40E-06 198.4795 166.1864 1.1402 0.8710 0.8971 2.5817Air 6.20E-05 577.9452

2/5 Steam 3.00E-06 216.5328 201.6989 1.4232 0.6977 0.9286 2.9113Air 1.42E-04 1700.7079

3/5 Steam 3.30E-06 219.5423 207.5893 1.4858 0.6682 0.9429 3.1822Air 1.68E-04 2223.3994


PerhitunganRd (berlawanan arah)Ud Uc 1/ 1/ Rd

1. 16 0. 0. 0.

1. 20 0. 0. 0.

1. 20 0. 0. 0.

1. 21 0. 0. 0.

1. 21 0. 0. 0.

Rd (searah)U Uc 1/ 1/ R

0. 187.870

1. 0. 1.

0. 243.315

1. 0. 1.

0. 227.365

2. 0. 2.

0. 243.435

2. 0. 2.

0. 248.528

2. 0. 2.


4/5 Steam 3.40E-06 222.3202 212.1791 1.6352 0.6068 0.9571 3.4944Air 2.28E-04 2737.6546

5/5 Steam 3.60E-06 227.6192 217.2292 1.6631 0.5967 0.9571 3.5000Air 2.36E-04 2804.2359

Aliran Searah

Aliran Fluida Q h Uc Ud Rd e NTU

(m3/s) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (W/m2.oC) (m2.oC/W)

1/5 Steam 3.26E-06 345.1900 187.8705 0.5328 1.8716 0.2281 0.2604Air 8.10E-05 271.0023

2/5 Steam 4.20E-06 808.8125 243.3155 0.5681 1.7562 0.6333 1.0261Air 1.40E-04 293.5131

3/5 Steam 2.80E-06 1168.4956 227.3655 0.3609 2.7668 0.8167 1.7347Air 2.12E-04 255.8565

4/5 Steam 3.20E-06 1559.1459 243.4349 0.4096 2.4375 0.8417 1.8888Air 2.56E-04 267.5092

5/5 Steam 3.40E-06 1800.5397 248.5278 0.3801 2.6269 0.7714 1.5004Air 2.74E-04 270.1124

Persamaan untuk mendapatkan nilai efektifitas adalah :

ε≡Ch (Th in

−T hout )

Cmin (T hin−T cmin )

=Cc (T cout

−T c in)Cmin (Thin

−T c in)

Sedangkan persamaan untuk mendapatkan nilai NTU adalah :

NTU=−ln [1−(1+C¿)ε ]

1+C ¿

Dengan :

C ¿=Cmin

Cmax

C=Cp ×w

Dengan :





Dari hasil perhitungan di atas, dapat diketahui bahwa nilai efisiensi dari aliran

berlawanan arah lebih besar dikarenakan suhu keluaran air dari aliran berlawanan

arah lebih besar. Dengan kata lain, nilai efisiensi ini tergantung dari suhu masukan

serta keluaran dari fluida dingin dan steam. Sesuai dengan hasil perhitungan yang

ada, nilai NTU memiliki hubungan berbanding lurus dengan efektifitas.

1.10. Analisis Kesalahan

Adanya kesalahan paralaks yang mengakibatkan kesalahan pencatatan volume air

dan kondensat.

Terjadinya kemacetan pada keluaran dari pipa dan valve yang memungkinkan

terjadinya perubahan nilai pada suhu sehingga suhu yang tercatat tidak sesuai

dengan yang seharusnya.

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

suhu tidak optimal.



BAB V

KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan :

1. Double Pipe Heat Exchanger berfungsi mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan

melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang

terbuat dari berbagai jenis logam sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut.

2. Beberapa faktor yang menjadi parameter unjuk kerja dari alat Double Pipe Heat

Exchanger adalah faktor kekotoran (dirt factor), luas permukaan perpindahan kalor,

koefisien perpindahan kalor, beda temperatur rata-rata, jenis aliran (bilangan reynold) dan

arah aliran (co-current atau counter current).

3. Faktor pengotoran akan memperkecil efisiensi HE. Parameter faktor kekotoran pada alat

ini sangat mempengaruhi unjuk kerja alat tersebut. Hal ini terlihat dari koefisien

perpindahan panas menyeluruh antara alat saat bersih (UC) dan saat kotor (UD) yang akan

berpengaruh pada temperatur akhir yang diperoleh.

4. Aliran fluida berlawanan akan mempunyai selisih suhu uap dan air awal yang relatif

sama dengan selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.

5. Aliran fluida searah akan memberikan selisih suhu uap dan air awal jauh lebih besar

daripada selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.

6. Aliran counter current lebih efektif daripada aliran co current. Perpindahan panas yang

terjadi pada aliran berlawanan lebih menyeluruh, fluida panas dan fluida dingin saling

bertukar panas pada titik-titik yang memiliki perbedaan suhu yang besar sehingga jarak

suhu steam dan air keluar cukup dekat.

7. Untuk kedua aliran, laju air meningkat Re meningkat h0 dan hi meningkat Uc

meningkat Rd meningkat UD menurun LMTD meningkat ɛ meningkat

NTU meningkat.



DAFTAR PUSTAKA

Buku Panduan Praktikum Proses Operasi Teknik I, Teknik Gas dan Petrokimia UI.

Holman,J.P. 1997. Perpindahan Kalor. Jakarta:Erlangga.

Kern,D.Q. 1981. Process Heat Transfer. Mc-Graw Hill International Company Book,


laporan praktikum heat exchanger

Documents

heat exchanger2012

dan kran

semuavalv yang

luar dan tube pipa yang

percobaan aliran searah

amati dan catat t3

heat exchanger disusun

lakukan percobaan ini