UNIVERSITAS INDONESIA

UNIT OPERASI BIOPROSES 2

MODUL 3 – HEAT EXCHANGERS

KELOMPOK 7

1. GHILANDY RAMADHAN (1206242012)

2. KLANITA SABIRA (1206212350)

3. LUCIA PURWANTI (1206212496)

4. PRIMANTONO RACHMAN (1206262121)

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSES

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK

2015

BAB I

TEORI PERCOBAAN

2.1. Tujuan Percobaan

Untuk mengetahui cara kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe heat

exchanger) dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efisiensi, dan

perbandingan untuk aliran searah dan berlawanan arah.

2.2. Pengertian dan Prinsip Kerja Heat Echanger

Alat penukar kalor atau heat exchanger (HE) adalah suatu alat yang memungkinkan

perpindahan panas dan berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya,

medium pemanas dipakai uap lewat panas (super heated steam) dan air biasa sebagai air

pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas

antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak,

baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupunkeduanya bercampur langsung

begitu saja. Mekanisme perpindahan kalor pada alat penukar kalor yaitu secara konveksi pada

kedua fluida yang mengalir dan secara konduksi pada dinding pemisah kedua fluida.

Prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida yang

memiliki 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.Sedangkan secara kontak tak langsung Perpindahan panas terjadi

antara fluida panas dandingin melalui dinding pemisah. Sistem ini diilustrasikan oleh Gambar 1.

Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger

2.3. Jenis-jenis Heat Exchanger

Heat exchanger dapat digolongkan sesuai dengan fungsinya, kontruksinya, arah aliran,

dan lain-lain. Dibawah ini terdapat jenis jenis heat exchanger berdasarkan tipe konstruksi dan

arah alirannya.

A. Berdasarkan tipe konstruksi

Tabel 1. Jenis HE berdasarkan Tipe Konstruksi

No. Nama HE Keterangan

1. Tubular

exchanger

Double pipe : untuk memanaskan / mendinginkan fluida

dengan A kecil dan mendidihkan / mengkondensasi fluida

proses jumlah kecil

Shell and Tube (paling banyak digunakan di proses industri)

Keuntungan: mampu memberikan ratio area perpindahan panas

dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil; dapat

mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan,

dan konstruksinya juga paling murah di antara yang lain.

Berdasarkan konstruksi tube: fixed tube sheet, floating tube

sheet, U tube/U bundle,dan spiral tube.

2. Plate exchanger

Aliran flluida melewati ruang antar plat bagian genap dan

fluida dingin bagian ganjil. Plat dipasang melingkar agar tidak

memberikan perpindahan panas yang besar dan mencegah

fouling factor

Keuntungan: Plat-plat dipasang secara bertumpuk/ melingkar

agar tidak memberikan perpindahan panas yang besar dan

mencegah terjadinya fouling factor. Selain itu, dengan

rangkaian seperti ini, akan memberikan luas permukaan yang

lebih besar, sehingga akan lebih efektif daripada jenis

shellandtube. Plate heat exchanger mudah untuk dilepas dan

dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan.

Tipe: plate and frame or gaskete plate exchanger (T dan P

rendah); spiral plate exchanger; dan lamella heat exchanger

3. Extended

surface

HE dengan permukaan yang dilebarkan dengan fin, spine, dan

groove sehingga perpindajan kalor lebih cepat dan nilai h

besar.

Tipe: plate fin / matrix HE dan high-finned tube

4. Regenerator Fluida panas dan dingin pada jalur yang sama secara

bergantian

Tipe: fixed-matrix dan rotary

Aplikasi: turbin gas dan furnace pre heater

5. Air cooler

exchanger

Tube bundle (beberapa baris tube) serta fan untuk mengalirkan

udara di antara fins yang ada pada bagian luar tube

6. Regenarative

Heat Exchanger

Pada jenis ini, panas yang dihasilkan oleh suatu sistem

digunakan untuk memanaskan suatu fluida yang digunakan

dalam proses, dan pada bagian lainnya, fluida dengan tipe yang

sama digunakan sebagai inlet pada heat exchanger (dapat

berupa plate atau shellandtube).

Pada heat exchanger jenis ini hanya digunakan untuk fluida

gas, tidak dapat digunakan untuk cairan.

7. Adiabatic Heat

Exchanger

Jenis ini menggunakan fluida atau padatan intermediate untuk

menyimpan/menahan panas, yang kemudian panas tersebut

akan pindah ke bagian lain dari heat exchanger untuk

dibebaskan.

Jenis ini digunakan ketika suatu sistem memungkinkan untuk

hanya sejumlah kecil pencampuran terjadi pada dua aliran.

Contoh : air preheater

8. Fluid Heat

Exchanger

Jenis ini menggunakan gas yang melewati aliran fluida

(seringkali air), lalu fluida tersebut disimpan sebelum

didinginkan.

Jenis ini umum digunakan pada cooling gas yang sekaligus

menghilangkan pengotor di dalamnya.

Contoh: pada mesin espresso dimana digunakan untuk

mendinginkan air panas sebelum digunakan pada proses

ektraksi dari espresso.

9. Dynamic

sraped surface

Heat Exchanger

Tipe ini lazim digunakan untuk memanaskan atau

mendinginkan pada produk dengan viskositas tinggi; proses

kristalisasi; evaporasi dan aplikasi high-fouling.

B. Berdasarkan arah aliran

No. Nama HE Keterangan

1. Parallel Flow Fluida panas dan dingin mengalir masuk dari ujung yang sama

dan arah aliran sama

Luas area maksimum

)/ln(/ln 12

12

2211

2211

tt

ttUA

tTtT

tTtTUAQ

2. Counter Flow Fluida panas dan dingin masuk dari ujung yang berbeda

dengan arah aliran berlawanan

Luas area minimum

)/ln(/ln

).(

12

12

1221

1221

tt

ttUA

tTtT

tTtTLMTDt

LMTDUAQ

3. Cross Flow Salah satu fluida mengalir tegak lurus terhadap fluida lain

Luas area menengah

Aplikasi: kondenser uap (sheel and tubeHE – uap (sheel) dan

air pendingin (tube)

2.4. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Heat Exchanger

Di bawah ini adalah faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja dari suatu heat

exchanger adalah sebagai berikut:

1. Fouling Factor

Fouling dapat didefinisikan sebagai pembentukan lapisan deposit pada permukaan

perpindahan panas dari suatu bahan atau senyawa yang tidak diinginkan. Pembentukan

lapisan deposit ini akan terus berkembang selama alat penukar kalor dioperasikan.

Akumulasi deposit pada alat penukar kalor menimbulkan kenaikan pressure drop dan

menurunkan efisiensi perpindahan panas. Keterlibatan beberapa faktor diantaranya: jenis

alat penukar kalor, jenis material yang dipergunakan, dan fluida kerja (jenis fluida,

temperatur fluida, laju alir massa, jenis, dan konsentrasi kotoran yang ada dalam fluida).

Lapisan fouling dapat berasal dari partikel-partikel atau senyawa lainnya yang

terangkut oleh aliran fluida. Pertumbuhan lapisan tersebut dapat meningkat apabila

permukaan deposit yang terbentuk mempunyai sifat adhesif yang cukup kuat. Gradien

temperatur yang cukup besar antara aliran dengan permukaan dapat juga meningkatkan

kecepatan pertumbuhan deposit. Pada umumnya, proses pembentukan lapisan fouling

merupakan phenomena yang sangat kompleks sehingga sukar sekali dianalisa secara

analitik. Selain itu, mekanisme pembentukannya sangat beragam dan metode

pendekatannya juga berbeda-beda.

Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U

(koefisien perpindahan kalor keseluruhan/ overall coefficient of heat transfer) untuk

kondisi bersih (UC) dan kondisi kotor (UD) pada penukar kalor itu. Oleh karena itu, faktor

pengotoran didefinisikan sebagai:

bersihkotor UU

Rf11

dimana U pipa yang kotor tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai

berikut :

Rfhr

r

k

rrr

k

rrr

h

Ui

pipe

ipj

insulator

pi

i

00

0 )/ln()/ln(1

1

Sementara itu, untuk U << 10000 W/m2.ºC, fouling mungkin tidak begitu penting

karena hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun, pada water heat exchanger

dimana nilai U terletak sekitar 2000 maka fouling faktor 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, dan fouling factor akan menjadi

signifikan.

2. Penurunan tekanan heat exchanger

Pressure drop merupakan banyaknya penurunan tekanan yang terjadi akibat heat

transfer dalam pipa. Penurunan tekanan ini dikarenakan adanya perubahan suhu secara

tiba-tiba karena beban kecepatan dan faktor friksi dalam aliran kedua fluida. Pressure drop

dapat digunakan rumus sebagai berikut :

…(1.1)

…(1.2)

fu

D

Lp av

2.

2

dimana L adalah panjang pipa, D adalah jari-jari pipa, ρ adalah masa jenis fluida, Uav

adalah kecepatan rata-rata dan f adalah faktor friksi.

Penurunan tekanan pada heat exchanger khususnya pada tabung dan rangkunan

tabung dapat menyebabkan perubahan faktor gesek (friction factor). Pada tabung hubungan

antara faktor friksi dan penurunan tekanan dituliskan sebagai berikut :

2

2 c

pf

L V

D g

Perubahan faktor friksi ini mengakibatkan berubahnya angka Reynold dan angka

Nusselt, sehingga nilai koefisien perpindahan kalor konveksinya berubah. Dengan

berubahnya koefisien perpindahan kalor konveksi maka kofisien perpindahan kalor

menyeluruhpun ikut berubah. Pressure drop dapat menurunkan kinerja dari alat penukar

kalor dan membuat nilai U (koefisien heat transfer overall) menjadi berkurang, yang

akibatnya perpindahan kalor antara kedua fluida juga akan makin sedikit. Dengan demikian,

proses tidak akan berjalan secara efisien. Oleh karena itu, semakin besar nilai pressure drop,

semakin rendah kinerja alat penukar kalor.

3. Koefisien Perpindahan Panas

Pada aliran dimana satu fluida mengalir pada bagian dalam tabung yang lebih kecil

dimana fluida yang lain mengalir dalam ruang anular diantara dua tabung, maka

perpindahan kalor dapat dideskripsikan dengan:

oo

rr

BA

AhkLAh

TTq

i

o 1

2

ln1

1

4. Jumlah lintasan

Di dalam alat penukar kalor, jumlah lintasan sangat menentukan kecepatan

perpindahan kalor. Apabila jumlah lintasan yang ada banyak, maka akan berpengaruh pada

…(1.3)

…(1.4)

…(1.5)

luas permukaan yang melepas kalor. Seperti yang diketahui, apabila luas permukaan yang

terkena fluida panas semakin banyak atau luas, maka perpindahan kalor akan terjadi lebih

cepat.

5. Kecepatan

Kecepatan dari fluida mempengaruhi bilangan reynoldnya. Sementara itu, angka

reynold sangat berpengaruh dalam perhitungan matematis.

6. Distribusi temperatur

Apabila distribusi temperatur di dalam fluida tidak merata, maka perpindahan kalor

yang terjadi tidak merata di beberapa permukaan. Ada permukaan yang lebih banyak aliran

konveksinya apabila distribusi suhu di tempat tersebut cukup besar, begitu pula sebaliknya.

7. Luas permukaan perpindahan panas

Semakin tinggi luas permukaan panas, semakin besar panas yang dipindahkan. Luas

perpindahan panas ini tergantung pada jenis tube dan ukuran tube yang digunakan suatu

heat exchanger.

8. Beda suhu rata-rata

Temperatur fluida panas maupun fluida dingin yang masuk heat exchanger biasanya

selalu berubah-ubah. Untuk menentukan perbedaan temperatur tersebut digunakan

perbedaan temperatur rata-rata atau Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD).

LMTD digunakan dalam perhitungan-perhitungan heat exchanger yang menunjukkan

panas yang dipindahkan.

11

22

1122

lnch

ch

chchm

TTTT

TTTTT

2.5 Temperatur Rata-rata Logaritmik (LMTD)

Pada awalnya diandaikan U (bisa juga digantikan oleh

h ) sebagai nilai konstan. U

sendiri merupakan koefisien heat transfer overall. Aturan untuk nilai U adalah:

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.

…(1.6)

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. Fluida dengan konduktivitas yang tinggi mempunyai nilai U dan h yang tinggi.

Untuk U pada temperatur yang nyaris konstan, variasi temperatur dari aliran fluida dapat

dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur rata-rata dari aliran dua

fluida. Persamaannya adalah sebagai berikut :

mTUAq

dimana U adalah koefisien perpindahan kalor menyeluruh, A adalah luas permukaan perpindahan

kalor yang sesuai dengan definisi U, dan ∆Tm adalah beda suhu rata-rata yang tepat untuk

digunakan dalam penukar kalor.

Profil suhu untuk penukar kalor pipa ganda dimana fluidanya dapat mengalir dalam aliran

sejajar maupun aliran lawan arah ditunjukkan pada gambar 3. Pada profil suhu tersebut terlihat

bahwa beda suhu antara fluida panas dan fluida dingin pada waktu masuk dan keluar tidaklah

sama, dan perlu ditentukan nilai rata-rata untuk digunakan dalam persamaan di atas. Untuk

penukar kalor aliran sejajar seperti pada gambar 1.5, kalor yang dipindahkan melalui unsur luas

dA dapat dituliskan sebagai:

dATTUdTcmdTcmdq chccchhh )(

dimana subskrip h dan c masing-masing menandai fluida panas dan fluida dingin, m

menunjukkan laju aliran massa dan c adalah kalor spesifik fluida.

…(1.7)

…(1.8)

Gambar 1.3. Profil suhu untuk aliran sejajar dan aliran lawan arah dalam penukar kalor pipa

ganda

Setelah itu, menyamakan persamaan antara persamaan untuk counter flow dan persamaan untuk

pararel flow dan didapat :

)/ln( ba

ba

TT

TTUAQ

dimana ΔTa adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin awal dan

ΔTbadalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin akhir.

ΔTmean yang dimaksud dalam persamaan 1.7 adalah LMTD, yaitu :

ba

bamean

TT

TTLMTDT

/ln(

Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Jika suatu penukar kalor yang bukan

jenis pipa ganda digunakan, perpindahan kalor dihitung dengan menerapkan faktor koreksi F.

Sehingga rumusnya menjadi :

)( mTUAFQ

…(1.9)

…(1.10)

…(1.11)

Bila terdapat perubahan fase, seperti kondensasi atau didih (penguapan), fluida biasanya

berada pada suhu yang pada hakekatnya tetap, dan persamaan-persamaan itu menjadi lebih

sederhana. Oleh karena itu dapat dinyatakan F= 1,0 untuk pendidihan atau kondensasi.

2.6 Efektivitas Heat Exchanger

Pendekatan LMTD dalam analisis penukar kalor berguna bila suhu masuk dan suhu keluar

diketahui atau dapat ditentukan dengan mudah, sehingga LMTD dapat dengan mudah dihitung,

dan aliran kalor, luas permukaan, dan koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat ditentukan.

Namun, pada kondisi dimana hanya suhu masuk atau suhu keluar yang diketahui, maka dapat

digunakan metode lain yakni metode NTU yang merupakan salah satu metode analisis pada alat

penukar kalor berdasarkan pada efektivitas jumlah kalor yang dapat dipindahkan antar fluida.

Efektivitas penukar kalor dapat dirumuskan sebagai berikut :

mungkinyangmaksimumkalornperpindaha

nyatakalornperpindaha

Perpindahan kalor yang sebenarnya dapat dihitung dari energi yang dilepaskan oleh fluida panas

(subscript h) atau energi yang diterima oleh fluida dingin (subscript c). Untuk penukar kalor

aliran sejajar, kalor tersebut dapat dinyatakan dengan:

1221 cccchhhh TTcmTTcmq

dan untuk penukar kalor aliran lawan arah:

2121 cccchhhh TTcmTTcmq

Besar perpindahan kalor maksimum dapat terjadi ketika fluida mengalami perubahan suhu

yang setara dengan perbedaan suhu maksimum antar fluida yaitu tepat saat kedua fluida masuk

ke dalam alat penukar panas. Perpindahan kalor maksimum akan terjadi apabila fluida

mempunyai nilai massa dikali dengan kalor jenis yang minimum. Kalor maksimum dapat

dinyatakan dengan:

masukcmasukhmaks TTmcq min

…(1.12)

…(1.13)

…(1.14)

…(1.15)

Dengan definisi tersebut, maka besar efektivitas dapat dinyatakan dengan:

Untuk penukar kalor aliran sejajar:

11

21

11

21

ch

hh

chhh

hhhhh

TT

TT

TTcm

TTcm

11

12

11

21

ch

cc

chcc

ccccc

TT

TT

TTcm

TTcm

Untuk penukar kalor aliran lawan arah:

21

21

21

21

ch

hh

chhh

hhhhh

TT

TT

TTcm

TTcm

21

21

21

21

ch

cc

chcc

ccccc

TT

TT

TTcm

TTcm

Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai:

ΔT (fluida minimum)

ε=beda suhu maksimum di dalam penukar kalor

Setelah beberapa penurunan, maka didapat persamaan efisiensi:

maxmin

maxminmin

/1

)/1(/exp1

CC

CCCUA

Sedangkan untuk fluida dengan aliran lawan arah, hubungan efisiensinya:

)/1(/exp)/(1

)/1(/exp1

maxminminmaxmin

maxminmin

CCCUACC

CCCUA

Suku UA/Cmin inilah yang dikenal dengan jumlah satuan perpindahan atau NTU (Number of

Transfer Units) karena memberi petunjuk tentang ukuran alat penukar kalor. Cmin merupakan

nilai C terkecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan nilai yang terbesar.

Dengan menggunakan metode NTU-efektivitas ini akan didapat beberapa manfaat.

Diantaranya adalah memudahkan analisis dalam penyelesaian soal untuk menentukan suhu

…(1.16)

…(1.21)

…(1.22)

…(1.20)

…(1.19)

…(1.18)

…(1.17)

masuk ataupun suhu keluar. Metode ini juga mempermudah dalam menganalisa soal yang

membandingkan berbagai jenis alat penukar kalor untuk memilih yang terbaik dalam

melaksanakan suatu tugas pemindahan kalor tertentu.

2.7 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:

2.8. Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor

dimana Δtm adalah suhu rata-rata log atau Log Mean Temperature Difference (LMTD). Untuk

shellandtubeheat 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.

Nilai LMTD dapat dihitung dengan ketentuan sebagai berikut :

a. Bila konstan pada aliran searah atau aliran berlawanan arah

Aliran Searah (co-current)

…(1.25)

…(1.27)

…(1.26)

…(1.24)

…(1.23)

Atau

Aliran Berlawanan Arah (Counter Current)

Dan harga Δ tm =FT.LMTD

b. Bila dinyatakan dalam UD maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit:

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

Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S.

…(1.29)

…(1.28)

…(1.30)

BAB II

PROSEDUR PERCOBAAN

I. Prosedur Percobaan

3.1. Percobaan Aliran Searah (co-current)

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

13.

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

kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

3. Mengamati dan mencatat T3, T4, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan.

4. Mengamati dan mencatat kecepatan alir air pada flow meter.

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

mengukur kondensat yang terjadi.

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

3.2. Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current)

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

13.

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

kran 14 sebanyak 1/5 putaran.

3. Mengamati dan mencatat T3, T5, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan.

4. Mengamati dan mencatat kecepatan alir air pada flow meter.

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

mengukur kondensat yang terjadi.

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

Pada percobaan ini kami hanya melakukan percobaan yang kedua yaitu untuk Aliran searah (co-

current).

BAB III

PENGOLAHAN DATA

Pada pengolahan data, akan diperoleh nilai koefisien perpindahan kalor (h1 dan h2), faktor

kekotoran (Rd), dan efisiensi. Data – data tersebut dijadikan dasar acuandalam analisis dan

penarikan kesimpulan terhadap kerja alat penukar kalor. Berikut adalah data spesifikasi pipa heat

exchanger:

Nilai Keterangan

D inner 0.014 m Diameter pipa bagian

dalam

D outer 0.025 m Diameter pipa bagian

luar

L 0.81 m Panjang pipa

Ain 𝜋. 𝐷1. 𝐿 = 0.0356 𝑚2 Luas kontak pipa

bagian dalam

Aout 𝜋. 𝐷𝑜 . 𝐿 = 0.0636 𝑚2 Luas kontak pipa

bagian luar

K (Cu, 200C) 386 W/m0C Konduktivitas termal

3.1 Perhitungan Heat Exchanger Double Pipe

Jenis Aliran t (s) Vair

(mL) Vsteam (mL)

Air Steam

To (°C) Tf (°C) To

(°C)

Tf

(°C)

Searah

30 1200.66 86 39 58.66 90.66 60

30 1401.66 89.33 38 50 91.66 51

30 1600 75 37.66 49.66 91.66 50.66

30 1796 75 36.33 48.33 93 49.66

30 2000 80 36 44 92 45

Silang

30 1202.67 76.0 28.0 72.0 96.0 36.0

30 1403.67 86.7 28.0 73.3 95.3 36.0

30 1600 73.3 28.0 74.0 96.0 36.0

30 1800 65.3 28.0 74.0 96.0 36.0

30 1995 92.7 28.0 70.0 96.0 34.0

a. Menghitung Laju Alir Air Pendingin dan Kondensat

Nilai laju alir air pendingin dan kondensat yang diperoleh adalah sebagai berikut

Jenis

Aliran t (s) Vair (mL) Vsteam (mL) Q air (m3/s) Q steam (m3/s)

Searah

30 1200.66 86 4.0022E-05 2.8667E-06

30 1401.66 89.33 4.6722E-05 2.9777E-06

30 1600 75 5.3333E-05 2.5000E-06

30 1796 75 5.9867E-05 2.5000E-06

30 2000 80 6.6667E-05 2.6667E-06

Silang

30 1202.67 76 4.0089E-05 2.5333E-06

30 1403.67 86.67 4.6789E-05 2.8890E-06

30 1600 73.33 5.3333E-05 2.4443E-06

30 1800 65.33 6.0000E-05 2.1777E-06

30 1995 92.67 6.6500E-05 3.0890E-06

b. Menghitung Suhu Rata – Rata Air Pendingin dan Kondensat

Pada langkah selanjutnya, praktikan menghitung nilai suhu rata – rata dari aliran air pendingin

dan aliran steam yang mengalami pendinginan (kondensat) yaitu:

𝑇 𝑟𝑎𝑡𝑎 − 𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑎𝑖𝑟 𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛 = 𝑇𝑐 𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑐 𝑖𝑛

2

𝑇 𝑟𝑎𝑡𝑎 − 𝑟𝑎𝑡𝑎 𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚 = 𝑇ℎ 𝑜𝑢𝑡 − 𝑇ℎ 𝑖𝑛

2

Hasil yang diperoleh adalah:

Jenis Aliran Air Steam

Tavg-air (°C) Tavg-steam

(°C) To (°C) Tf (°C) To (°C) Tf (°C)

Searah

39 58.66 90.66 60 48.83 75.33

38 50 91.66 51 44 71.33

37.66 49.66 91.66 50.66 43.66 71.16

36.33 48.33 93 49.66 42.33 71.33

36 44 92 45 40 68.5

Silang

28 72 96 36 50 66

28 73.33 95.33 36 50.665 65.665

28 74 96 36 51 66

28 74 96 36 51 66

28 70 96 34 49 65

c. Mencari properti untuk air dan steam pada suhu rata - rata

Properti pada suhu rata-rata ditentukan berdasarkan tabel A9-buku Perpindahan panas (Holman).

Data yang diperoleh adalah sebagai berikut.

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

Fluida Tavg

(°C)

Cp

(kJ/kg°C)

ρ µ

(kg/m.s)

k

(W/m.°C) Pr W (kg/s)

(kg/m3)

Searah

1 Air 48.83 4.1740 988.8317 5.63E-04 0.6439 3.6435 0.0396

Steam 75.33 4.189 974.5429 3.78E-04 0.6668 2.3709 0.0028

2 Air 44 4.174 990.3831 6.09E-04 0.6378 3.9918 0.0463

Steam 71.33 4.186 977.1554 4.00E-04 0.6651 2.522 0.0029

3 Air 43.66 4.1740 990.457 6.12E-04 0.6374 4.0109 0.0528

Steam 71.16 4.1864 977.047 3.99E-04 0.6652 2.5160 0.0024

4 Air 42.33 4.1740 995.651 6.36E-04 0.6349 4.1883 0.0596

Steam 71.33 4.1855 977.845 4.06E-04 0.6639 2.5663 0.0024

5 Air 40 4.1740 992.040 6.56E-04 0.6328 4.3340 0.0661

Steam 68.5 4.1846 978.260 4.10E-04 0.6631 2.5940 0.0026

Berlawanan

1 Air 50 4.1750 988.1800 5.52E-04 0.6450 3.5720 0.0396

Steam 66 4.1832 980.0573 4.28E-04 0.6595 2.7138 0.0025

2 Air 50.665 4.1756 987.8080 5.46E-04 0.6442 3.5312 0.0462

Steam 65.665 4.1830 980.2370 4.29E-04 0.6591 2.7257 0.0028

3 Air 51 4.1759 987.6220 5.43E-04 0.6459 3.5108 0.0527

Steam 66 4.1832 980.0573 4.28E-04 0.6595 2.7138 0.0024

4 Air 51 4.1759 987.6220 5.43E-04 0.6459 3.5108 0.0593

Steam 66 4.1832 980.0573 4.28E-04 0.6595 2.7138 0.0021

5 Air 49 4.1740 988.8000 5.62E-04 0.6440 3.6400 0.0658

Steam 65 4.1826 980.5973 4.34E-04 0.6585 2.7577 0.0030

d. Menentukan jenis aliran dan menghitung hi dan ho

Untuk mengetahui jenis aliran, maka harus dicari bilangan Reynold pada masing – masing aliran.

Selain itu, dicari koefisien perpindahan kalor konveksi pada bagian dalam pipa (hi) dan luar pipa

(ho). Ketiga data ini digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh pada

keadaan bersih (Uc). Bilangan Reynold dihitung dengan menggunakan rumus:

Sedangkan koefisien perpindahan panas pada dalam pipa (hi) dan luar pipa (ho) dihitung

menggunakan rumus:

Data yang diperoleh dari perhitungan adalah

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

Fluida Tavg

(°C) Re

Jenis

Aliran Re.Pr.(d/L)

h0

(W/m2.°C)

h1

(W/m2.°C)

Searah

1 Air 48.83 6395.50 Turbulen 316.45 517.27

Steam 75.33 672.43 Laminer 21.65 239.58

2 Air 44 6913.04 Turbulen 374.75 539.03

Steam 71.33 661.82 Laminer 22.67 242.28

3 Air 43.66 7852.20 Turbulen 427.70 560.49

Steam 71.16 557.03 Laminer 19.03 229.94

4 Air 42.33 8527.30 Turbulen 485.02 579.74

Steam 71.33 547.47 Laminer 19.08 229.66

5 Air 40 9178.27 Turbulen 540.20 596.81

Steam 68.5 578.50 Laminer 20.38 233.95

Silang

1 Air 50 6527.20 Turbulen 316.63 518.24

Steam 66 528.22 Laminer 19.47 229.52

2 Air 50.665 7697.17 Turbulen 369.11 541.97

Steam 65.665 600.07 Laminer 22.21 238.65

3 Air 51 8819.57 Turbulen 420.50 565.07

Steam 66 509.25 Laminer 18.77 227.01

4 Air 51 9922.02 Turbulen 473.06 585.39

Steam 66 454.06 Laminer 16.73 219.33

5 Air 49 10645.24 Turbulen 1.35E+03

Steam 65 634.92 Laminer 23.78 243.34

e. Menghitung Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh pada Keadaan Bersih (Uc)

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh pada keadaan bersih (Uc) dihitung dengan

menggunakan rumus sebagai berikut.

Dengan spesifikasi pipa yang telah disebutkan sebelumnya yaitu:

A1 0.0356 m2

A0 0.0636 m2

r0 0.0125 m

r1 0.007 m

K 386 W/m0C (Cu murni pada suhu 20°C)

Dari data spesifikasi heat exchanger, koefisien perpindahan panas di dalam pipa (hi) dan di luar

pipa (ho), dapat dihitung koefisien perpindahan panas total heat exchanger pada keadaan bersih.

Hasil yang diperoleh adalah sebagai berikut.

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

Fluida Uc (W/m2.°C)

Searah

1 Air

189.8547596 Steam

2 Air

193.1644195 Steam

3 Air

186.6155139 Steam

4 Air

187.5925476 Steam

5 Air

191.452716 Steam

Silang

1 Air

183.7270695 Steam

2 Air

191.2466886 Steam

3 Air

185.1377108 Steam

4 Air

181.1201817 Steam

5 Air

220.7800982 Steam

f. Menghitung Log Mean Temperature Difference (LMTD)

LMTD dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut.

Dimana:

Untuk aliran lawan arah

Th1 : suhu masuk steam

Th2 : suhu keluar steam

Tc1 : suhu keluar air

Tc2 : suhu masuk air

Dari perhitungan menggunakan rumus tersebut, diperoleh hasil LMTD sebagai berikut.

Jenis Aliran

Air Steam

Th2-Tc2 Th1-Tc1 LMTD (°C) To (°C)

Tf

(°C) To (°C) Tf (°C)

Searah

39 58.66 90.66 60 1.3400 51.6600 13.7787

38 50 91.66 51 1.0000 53.6600 13.2223

37.66 49.66 91.66 50.66 1.0000 54.0000 13.2866

36.33 48.33 93 49.66 1.3300 56.6700 14.7492

36 44 92 45 1.0000 56.0000 13.6634

Silang

28 72 96 36 8.0000 24.0000 14.5638

28 73.33 95.33 36 8.0000 22.0000 13.8394

28 74 96 36 8.0000 22.0000 13.8394

28 74 96 36 8.0000 22.0000 13.8394

28 70 96 34 6.0000 26.0000 13.6394

LMTD ini akan digunakan untuk menghitung koefisien perpindahan panas menyeluruh pada

keadaan kotor (Ud) dari heat exchanger.

g. Menghitung Koefisien Perpindahan Kalor pada Keadaan Kotor (Ud)

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh pada keadaan kotor (Ud) dapat dicari dengan rumus

sebagai berikut :

Dengan

W : mass flow rate (kg/s)

Cp : kapasitas kalor steam (kJ/kg°C)

∆𝑇𝑖𝑛 : perbedaan temperatur dalam pipa (beda suhu steam masuk dan keluar)

𝜆 : kalor uap (kJ/kg)

Pada percobaan ini, suhu rata – rata steam tidak ada yang lebih dari 1000C sehingga tidak

terdapat kalor laten.

Dari perhitungan diperoleh:

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

ΔTsteam

(°C)

Cp

(kJ/kg°C)

Wsteam

(kg/s) q (J/s)

LMTD

(°C)

Ud

(W/m2.°C)

Searah

1 30.66 4.1890 0.0028 1.2947 13.7787 3.0664

2 40.66 4.1860 0.0029 1.4699 13.2223 3.6280

3 41 4.1864 0.0024 1.2375 13.2866 3.0395

4 43.34 4.1855 0.0024 1.2624 14.7492 2.7931

5 47 4.1846 0.0026 1.3870 13.6634 3.3127

Silang

1 60 4.1832 0.0025 1.4549 14.5638 3.2601

2 59.33 4.1830 0.0028 1.6515 13.8394 3.8943

3 60 4.1832 0.0024 1.4038 13.8394 3.3102

4 60 4.1832 0.0021 1.2506 13.8394 2.9490

5 62 4.1826 0.0030 1.8002 13.6394 4.3073

h. Menghitung Nilai Rd (Faktor Kekotoran)

𝑹𝒅 =𝟏

𝑼𝒄+

𝟏

𝑼𝒅

Diperoleh hasil Faktor kekotoran sebagai berikut.

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

Uc

(W/m2.°C) Ud (W/m2.°C) Rd (m2.°C/W)

Searah

1 189.8548 3.0664 0.3209

2 193.1644 3.6280 0.2705

3 186.6155 3.0395 0.3236

4 187.5925 2.7931 0.3527

5 191.4527 3.3127 0.2966

Silang

1 183.7271 3.2601 0.3013

2 191.2467 3.8943 0.2516

3 185.1377 3.3102 0.2967

4 181.1202 2.9490 0.3336

5 220.7801 4.3073 0.2276

i. Menghitung Efektivitas Heat Exchanger

Dimana fluida minimum adalah fluida yang memiliki kapasitas kalor (C) paling kecil.

Nilai kapasitas kalor (C) dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut :

𝐶 = 𝜌𝑄𝑐𝑝

Dari hasil perhitungan, fluida nilai kapasitas kalor minimum adalah steam dan fluida

dengan kapasitas kalor maksimum adalah air.

Dengan demikian dapat diperoleh hasil efektivitas heat exchanger sebagai berikut:

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

Air Steam ɛ

To (°C) Tf (°C) To (°C) Tf (°C)

Searah

1 39 58.66 90.66 60 0.5935

2 38 50 91.66 51 0.7577

3 37.66 49.66 91.66 50.66 0.7593

4 36.33 48.33 93 49.66 0.7648

5 36 44 92 45 0.8393

Silang

1 28 72 96 36 0.8824

2 28 73.33 95.33 36 0.8812

3 28 74 96 36 0.8824

4 28 74 96 36 0.8824

5 28 70 96 34 0.9118

Jadi dapat disimpulkan parameter kerja heat exchanger dari percobaan ini adalah sebagai

berikut:

Jenis

Aliran

Kode

Bukaan

Valve

Fluida h0 atau h1

(W/m2.°C)

Uc

(W/m2.°C)

Ud

(W/m2.°C)

Rd

(m2.°C/W) ɛ

Searah

1 Air 517.27

189.8547596 3.066363857 0.320852 0.5935 Steam 239.58

2 Air 539.03

193.1644195 3.627974691 0.2704589 0.7577 Steam 242.28

3 Air 560.49

186.6155139 3.039537521 0.3236388 0.7593 Steam 229.94

4 Air 579.74

187.5925476 2.793130712 0.3526905 0.7648 Steam 229.66

5 Air 596.81

191.452716 3.312661844 0.2966488 0.8393 Steam 233.95

Silang

1 Air 518.24

183.7270695 3.260064999 0.3012995 0.8824 Steam 229.52

2 Air 541.97

191.2466886 3.89427631 0.2515583 0.8812 Steam 238.65

3 Air 565.07

185.1377108 3.310175792 0.2966974 0.8824 Steam 227.01

4 Air 585.39

181.1201817 2.949049291 0.3335711 0.8824 Steam 219.33

5 Air 1.35E+03

220.7800982 4.307250834 0.2276373 0.9118 Steam 243.34

BAB IV

ANALISIS

4.1. Analisis Percobaan

Percobaan Heat Exchanger ini bertujuan untuk mengetahui dan mempelajari kerja dari

alat penukar kalor dengan jenis pipa ganda dengan menghitung koefisien perpindahan panas,

faktor kekotoran, efisiensi dan perbandingan untuk aliran searah dan berlawanan arah.

Adapun prinsip kerja dari percobaan kali ini adalah mempelajari cara kerja Heat Exchanger

dengan mempelajari perpindahan kalor yang terjadi antara dua fluida, yaitu air dan steam

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

pipa ganda digunakan dua pipa konsentris dimana pipa yang diluar sebagai annulus dan yang

didalam dikenal sebagai pipa.

Pada percobaan ini fluida dingin yang digunakan adalah air kran yang digunakan untuk

kebutuhan sehari-hari, sedangkan fluida panas yang digunakan adalah steam. Beberapa

alasan menggunakan kedua fluida ini adalah:

1. Kombinasi fluida dingin dan panas yang digunakan adalah air dan steam dikarenakan

suhu air yang digunakan sehari-hari berbeda cukup jauh dengan suhu steam yang

digunakan sehingga perpindahan kalornya cukup besar dan lebih mudah diukur.

2. Fluida panas menggunakan steam karena steam memiliki energi dalam yang tinggi

sehingga mampu mentrasfer kalor yang cukup besar, oleh karena itu steam sering

digunakan dalam industri. Selain itu, fluida panas steam lebih mudah diperoleh yaitu

dengan memanaskan air.

3. Fluida dingin yang digunakan adalah air yang digunakan untuk keperluan sehari-hari.

Dalam percobaan ini, membutuhkan banyak fluida dingin karena akan divariasikan 5

bukaan kran dengan 2 arah aliran yang berbeda sehingga membutuhkan volume

fluida dingin yang cukup banyak. Karena alasan keekonomisan dan kemudahan

dalam mendapatkannya maka digunakan air (pada suhu kamar).

Pipa yang digunakan adalah pipa logam (besi) agar hambatan kalornya tidak terlalu

tinggi, sehingga perpindahan kalornya cukup besar untuk diukur (dengan mngukur

perubahan suhu).

4.1.1. Percobaan Aliran Berlawanan

Percobaan ini dilakukan untuk mencari data-data dan perbandingan untuk

mengukur kinerja heat exchanger jenis alir co-current dan counter-current. Percobaan ini

dilakukan secara hati hati karena melibatkan peralatan yang beroperasi pada suhu tinggi.

Air dan Steam dialirkan dengan cara menyalakan pompa dan membuka valve

yang sudah dibuka oleh asisten. Percobaan dilakukan setidaknya dilakukan 15 menit

setelah steam dialirkan untuk mencapai suhu yang diinginkan.

Untuk mendapatkan variasi aliran air yang diinginkan, kita harus mengukur laju

aliran air secara manual dengan cara mengukur volume air keluar valve 14 dengan gelas

ukur selama 30 detik. Hal ini dilakukan karena bukaan valve pada alat tidak peka pada

jumlah putaran valve. Untuk alasan keamanan, praktikan harus menggunakan sarung

tangan saat memegang gelas ukur karena suhu dari kondensat dan air bisa sangat tinggi.

Bukaan valve untuk tiap jenis aliran (selain valve 14) dibuka secara penuh untuk

mempermudah perhitungan.

Temperatur masuk dan keluar diamati melalui termokopel. Tetapi termokopel

Ketika kita mengambil data untuk variasi bukaan valve 14 yang baru, kita harus

menunggu 5 menit setelah bukaan valve diubah agar sistem menuju steady state. Untuk

mengambil data untuk variasi jenis aliran yang baru (counter/Co-Current), kita harus

menunggu 20 menit setelah alat di-set. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan data yang

akurat.

Untuk mengubah jenis aliran, valve untuk aliran berbeda harus dibuka terlebih

dahulu sebelum menutup valve aliran sebelumnya. Hal ini dilakukan agar fluida tidak

menumpuk di heat exchanger sehingga alat tetap aman. Untuk mematikan alat, kita harus

meminta bantuan dari asisten agar keamanan tetap terjaga.

4.1.2. Percobaan Aliran Serarah

Pada percobaan aliran searah ini, terdapat dua bukaan kran aliran steam yang

berbeda dengan yang sebelumnya yaitu: 1, 8, 11, 9, 3. Hal ini dilakukan untuk membuat

aliran steam searah dengan aliran air, dimana dapat ditunjukkan pada gambar dibawah

ini. Garis jingga merepresentasikan arah aliran steam sedangkan biru merepresentasikan

arah aliran air.

4.2. Analisis Data & Pengolahan Data

Dalam percobaan ini, praktikan diminta membandingkan cara kerja seperti

koefisien perpindahan kalor (hi dan ho), faktor pengotoran dan efektivitas dari kerja heat

exchanger double pipe dengan aliran searah dan berlawanan arah. Oleh karena itu,

praktikan membagi analisis hasil percobaan dan hasil perhitungan kedalam dua bagian

yaitu untuk aliran searah (Co-current) dan aliran berlawanan arah (Counter-current).

Tabel 1. Data Pengamatan Percobaan HE Double-Pipe

Jenis Aliran t (s) Vair

(mL) Vsteam (mL)

Air Steam

To (°C) Tf (°C) To

(°C)

Tf

(°C)

Searah

30 1200.66 86 39 58.66 90.66 60

30 1401.66 89.33 38 50 91.66 51

30 1600 75 37.66 49.66 91.66 50.66

30 1796 75 36.33 48.33 93 49.66

30 2000 80 36 44 92 45

Silang

30 1202.67 76.0 28.0 72.0 96.0 36.0

30 1403.67 86.7 28.0 73.3 95.3 36.0

30 1600 73.3 28.0 74.0 96.0 36.0

30 1800 65.3 28.0 74.0 96.0 36.0

30 1995 92.7 28.0 70.0 96.0 34.0

4.2.1 Analisis Data Aliran Searah

Praktikan menganalisa mengenai data percobaan yang didapatkan dari percobaan

heat exchanger double pipe untuk aliran searah (Co-current). Data Percobaan untuk

aliran searah dapat dilihat melalui Tabel data pengamatan. Dalam tabel data pengamatan,

praktikan mengatur laju alir air pendingin yaitu laju alir meningkat seiring degan

pembukaan katup keluaran air pendingin (katup 14).

Berdasarkan teori bahwa seiring dengan penambahan laju alir air pendingin pada

heat exchanger double pipe maka akan bertambah pula laju alir kondensat yang

terbentuk. Hal ini dikarenakan semakin besar laju alir air pendingin maka semakin

banyak kalor yang dipindahkan dari steam kepada air pendingin sehingga steam yang

berubah menjadi cairan jenuh berbentuk kondensat akan semakin banyak pula

terbentuknya. Namun demikian data pengamatan justru mengindikasikan terjadi fluktuasi

laju alir kondensat yang terbentuk seiring dengan bertambahnya laju alir alir pendingin.

Sehingga tidak bisa dikatakan data pengamtan bersesuaian dengan teori yang dipaparkan

sebelumnya.

Dari segi suhu aliran air pendingin dan steam yang masuk maupun keluar dari

heat exchanger double pipe, praktikan menganalisis bahwa semakin besar laju alir

pendingin maka semakin rendah suhu keluaran kondensat yang keluar. Hal tersebut juga

diakibatkan karena semakin besar laju alir air pendingin maka semakin banyak kalor

yang dipindahkan yang menghasilkan semakin rendah suhu kondensat yang keluar.

Perpindahan kalor heat exchanger double pipe dengan menggunakan aliran searah

(co-current) dapat ditandai dengan suhu keluaran dari kondensat yang tidak lebih rendah

dari suhu keluaran air pendinginnya atau sebaliknya. Hal tersebut dapat dilihat pada table

data pengamatan dimana setiap laju alir air yang konstan suhu keluaran kondensat selalu

lebih tinggi dibandingkan dengan suhu keluaran air pendinginya. Hal tersebut

dikarenakan adanya kesamaan sari segi permukaan yang digunakan untuk keluran aliran

air pendingin dan aliran kondensat pada titik 2 seperti pada gambar 1. Gambar 1 pada

titik 2 tersebut mengindikasikan bahwa tidak mungkin bahwa ada suhu air pendingin

yang lebih besar dari suhu keluaran kondensat (dalam hal ini) yang lebih kecil. Pada titik

2 dalam gambar 1 terlihat bahwa delta suhu keluaran kondensat dan air pendingin sangat

kecil sehingga mengindikasikan bahwa sangat kecil terjadi perpindahan kalor atau

bahkan terjadi perpindahan kalor lagi pada daerah titik 2 tersebut. Praktikan juga

menganalisa bahwa suhu masukan steam dan air pendingin yaitu sekitar 91oC dan 39oC

memiliki delta suhu yang tinggi. Hal tersebut tentu tidak baik karena dengan delta suhu

yang terlalu tinggi dalam proses perpindahan kalor maka akan menyebabkan keretakan

pada logam pada daerah tersebut.

Gambar 1. Gambaran aliran searah dalam heat exchanger double pipe

4.2.2 Analisis Data Aliran Berlawanan

Praktikan menganalisa mengenai data percobaan yang didapatkan dari percobaan

heat exchanger double pipe untuk aliran berlawanan arah (counter-current). Data

Percobaan untuk aliran berlawanan arah dapat dilihat melalui Tabel data pengamatan.

Dalam table data pengamatan, sama seperti percobaan untuk aliran searah yaitu praktikan

mengatur laju alir air pendingin yaitu laju alir meningkat seiring degan pembukaan katup

keluaran air pendingin (katup 14).

Sama halnya dengan aliran searah. Pada aliran berlawanan arah semakin besar

laju alir air pendingin yang masuk, laju alir kondensat menunjukan angka yang fluktuatif

sehingga tidak menunjukan hubungan apapun.hal ini tidak berkesesuaian dengan teori

yang telah dipaparkan terkait hubungan laju alir pendingin dan laju alir kondensat keluar.

Dari segi suhu aliran air pendingin dan steam yang masuk maupun keluar dari

heat exchanger double pipe, praktikan menganalisis bahwa semakin besar laju alir

pendingin maka semakin rendah suhu keluaran kondensat yang keluar. Jika dibandingkan

dengan suhu keluaran pada aliran searah pada laju alir air pendingin konstan maka akan

didapatkan suhu yang keluar kondensat dengan sistem berlawanan arah lebih rendah

dibanding dengan suhu keluaran kondensat dengan sistem searah. Hal tersebut yang

menjadikan sistem aliran berlawanan arah lebih efektif dibanding dengan sistem aliran

searah. Penjelasan lebih lanjut akan dibahas pada point berikutnya.

2 1

A

1 2

Perpindahan kalor heat exchanger double pipe dengan menggunakan aliran

berlawanan arah (counter-current) dapat ditandai dengan suhu keluaran dari air

pendingin yang dapat lebih tinggi dari suhu keluaran kondensatnya. Hal tersebut dapat

dilihat pada tabel data pengamtan dimana setiap laju alir air yang konstan suhu keluaran

air pendingin selalu lebih tinggi dibandingkan dengan suhu keluaran kondensatnya. Hal

tersebut juga dapat dikarenakan adanya perbedaan dari segi permukaan yang digunakan

untuk keluran aliran air pendingin dan aliran kondensat yaitu keluaran air pendingin pada

titik 1 dan keluaran kondensat pada titik 2 seperti pada gambar 2. Suhu keluaran

kondensat dapat lebih rendah dari suhu keluran air pendingin dapat dijelaskan melalui

gambar 2 yaitu pada titik 2, keluaran kondensat bertemu dengan masukan air pendingin

yang suhunya adalah 28oC. Sedangkan pada titik 1, keluran air pendingin bertemu dengan

masukan steam yang suhunya adalah 96oC. Hal tersebut yang menyebabkan keluran

kondensat dapat lebih rendah dibanding suhu keluaran air pendinginnya.

4.3 Analisis Pengolahan Data

Sebelum melakukan pengolahan data percobaan, terlebih dulu ditentukan data

geometri pipa,yaitu panjang (L),diameter (D), dan luas (A) serta diameter ekuivalen

(De), dan data properti dari air dan steam. Properti air dan steam tersebut diperoleh dari

Tabel A.9 ”Heat Transfer” karya J.P Holman. Properti yang diperoleh untuk air dan

steam antara lain: massa jenis (ρ), viskositas (μ), konduktivitas thermal (k), bilangan

Prandtl (Pr), dan kapasitas panas (Cp). Setelah T rata-rata didapatkan maka property

1 2

1

2

dapat dicari dengan menggunakan table A-9. Namun, data yang ada tidak dapat

mewakilkan semua suhu yang ada oleh karena itu perlu dilakukan adanya interpolasi

agar didapatkan nilai property yang sesuai.

Setelah mendapatkan nilai property yang sesuai, praktikan menganalisa pengaruh

laju alir dengan koefisien perpindahan kalor (hi dan ho). Dalambab pemgolahan data

terlihat bahwa nilai dari ℎ𝑖 dan ℎ𝑜 dari kedua percobaan sistem aliran bergantung pada

laju alir alir aliran air pendingin. Nilai dari ℎ𝑖 dan ℎ𝑜 berbanding lurus dengan bilangan

reynold. Bilangan reynold dipengaruhi oleh laju alir. Seperti yang telah dijelaskan

sebelumnya bahwa semakin besar laju alir pendingin maka semakin besar pula laju alir

kondensat yang terbentuk. Dari hal tersebut akan berakibat pada semakin besar laju alir

air pendingin maka semakin besar pula bilangan reynoldnya. yang mengindikasikan

bahwa semakin besar pula koefisien perpindahan kalornya..

Perbedaan nilai hi dan ho terletak pada bilangan reynold yang berpengaruh pada

masing-masing koefisien tersebut. Nilai hi dipengaruhi oleh bilangan reynold yang

merupakan fungsi dari laju alir dan sifat properti dari fluidanya kondensat yang

terbentuk, sedangakan nilai ho dipengaruhi oleh bilangan reynold yang merupakan fungsi

dari laju alir dan sifat properti dari fluidanya air pendingin. Seperti yang kita ketahui

bahwa laju alir dari alir pendingin lebih besar dibandingkan dengan laju alir dari

kondensat. Oleh karena itu , nilai koefisien ho akan lebih besar dibandingkan dengan

nilai koefisien hi pada sistem aliran yang sama.

Setelah mendapatkan nilai koefisien konveksi maka kita dapat menentukan

koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor masih baru (UC).

Nilai μ adalah viskositas dari air, sedangkan μw adalah viskositas steam. Pada steam nilai

μ = μw, maka persamaannya berubah menjadi:

1

3/1

1.Pr.Re86,1D

k

L

Dhi

Berdasarkan persamaan di atas, nilai hi dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara

lain Bilangan Reynold, bilangan Prandtl, serta konduktivitas termal. Bilangan Reynold

adalah bilangan yang didasarkan dari jenis aliran dari fluida, sehingga bisa dijadikan

batasan dalam perhitungan.

)(

4Re

2

1

2

0 DD

WDGD eee

Sedangkan Persaman dasar ho :

14,03/1

w

p

e

Hok

C

D

kJh

Sama seperti hi, salah satu faktor yang mempengaruhi nilai ho adalah bilangan

Reynold. Sedangkan bilangan Reynold sangat dipengaruhi oleh laju alir. Semakin besar

laju alirnya maka semakin besar nilai bilangan Reynoldnya. Begitu juga yang terjadi

dalam percobaan. Sementara itu, nilai JH didapatkan dari figure 28 (buku Kern) yang

menggunakan data bilangan Reynold.

Sehingga berdasarkan hasil [erhitungan didapatkan sebuah ubungan dimana

Qfluida meningkat Re meningkat ho, hi meningkat Uc meningkat Dengan kata

lain, nilai Uc dipengaruhi oleh laju alir baik fluida dingin maupun laju alir steamnya.

Dalam melakukan perhitungan diperlukan suatu acuan suhu. Namun suhu

yang ada bervariasi terhadap permukaan kalor. Oleh karena itu, metode LMTD

digunakan untuk menentukan perbedaan temperature rata-rata untuk menentukan suhu

untuk menghitung nilai UD (Koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat

penukar kalor sudah kotor). Bila kita tinjau lebih jauh penggunaan metode LMTD ini

dikarenakan adanya pengotoran dalam heat exchanger sehingga terjadi perbedaan

temperatur sepanjang pipa. Adapaun persamaan metode LMTD dan UD adalah sebagai

berikut:

)(

)(ln

)()(

22

11

2211

tT

tT

tTtTLMTD

Koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor sudah kotor

(UD)

LMTDA

qUD

Pencarian nilai UD ini nantinya digunakan untuk mencari nilai fouling factor.

Sedangkan untuk mencari nilai q digunakan persamaan berikut :

WTTCpWq ).(. 21

Di mana nilai W dapat ditentukan dengan persamaan : W = .Qsteam

Setelah mendapatkan nilai Uc dan Ud perhitungan factor kekotoran (Rd) dapat

dilakukan. Apabila 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 dimaksud dengan faktor kekotoran.

Dengan kata lain, faktor utama yang mempengaruhi faktor kekotoran secara langsung

adalah nilai koefisien transfer panasnya, Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud.

Sehingga nilai dari Rd tidak bernilai negatif. Disisi lain, praktikan menganalisa bahwa

pada laju alir air pendingin yang konstan, maka nilai faktor pengotor pada sistem aliran

searah dan berlawanaan arah tidak jauh berbeda.

Berdasarkan literatur, faktor pengotoran untuk kondensat maupun air pendingin

didapatkan dalam tabel X yaitu :

Tabel X. Nilai faktor pengotoran untuk berbagai jenis air (secara teoritis)

Dalam Tabel X, nilai faktor pengotoran untuk air pendingin berkisar 0,00053 m2

K/W. Perbandingan nilai faktor pengotoran berdasarkan hasil perhitungan dengan nilai

faktor pengotoran menunjukan perbedaan yang cukup jauh, dimana nilai factor

pengotoran haisl perhitungan mencapai sepuluh kali lipat dari literature. Hal tersebut

menunjukan bahwa alat heat exchanger double pipe yang praktikan gunakan telah

mengalami pengotoran yang cukup banyak yang mengakibatkan tahanan tambahan pada

dinding pipa yang akan memperkecil nilai koefisien perpindahan kalor menyeluruh.

Berdasarkan pengolahan data pada bab sebelumnya praktikan mendapatkan

sebuah hasil perhitungan yang menunjukkan bahwa semakin besar bukaan katup yang

menandakan semakin besar laju alir air pendinginnya, maka semakin besar efektivitas

dari kerja heat exchanger double pipe. Nilai efektivitas ini bergantung pada suhu dari

fluida minimumnya. Dalam hal ini, fluida minimim adalah steam. Berdasarkan hasil

perhitungan yaitu steam memiliki kapasitas kalor yang lebih kecil dibandingkan air

pendingin. Untuk itu, nilai efektivitas akan semakin lebih besar jika selisih suhu steam

masuk dengan suhu kondensat yang terbentuk semakin besar pula. Selain itu praktikan

membandingkan nilai efektivitas untuk sistem aliran searah dan sistem aliran berlawanan

arah pada laju alir yang konstan maka akan didapatkan bahwa nilai efektivitas untuk

sistem aliran berlawanan arah lebih besar dibandingkan dengan sistem aliran searah. Hal

ini ditandai dengan suhu kondensat yang dihasilkan pada sistem aliran berlawanan arah

lebih rendah dibanding dengan suhu kondensat pada sistem searah pada laju alir air

pendingan atau bukaan katup yang konstan. Hal ini juga ditandai dengan suhu keluaran

kondensat pada sistem aliran berlawanan arah dapat lebih rendah dari suhu keluaran air

pendingin. Sedangkan, suhu keluaran kondensat pada sistem aliran searah tidak dapat

melebihi suhu keluaran air pendingin.

Pada literatur, heat exchanger pada industri memiliki nilai efisiensi sekitar 70-

80%. Hasil perhitungan untuk sistem aliran searah memperlihatkan bahwa nilai

efektivitas pada bukaan katup penuh berkisar 0,84, sedangkan hasil perhitungan untuk

sistem aliran berlawanan arah memperlihatkan bahwa nilai efektivitas pada bukaan katup

penuh berkisar 0,91.

4.4 Analisis Kesalahan

Beberapa kesalahan yang mungkin terjadi pada saat praktikum yang

menyebabkan kesalahan data dan kecenderungan yang terjadi, diantaranya:

Terdapat heat loss yang diabaikan

Terdapat fouling factor yang besar yang menyebabkan ketidakkonsistenan hasil

eksperimen.

Terdapat kesalahan pembacaan termokopel dan skala pada gelas ukur dalam

pengukuran kondensat.

Terdapat kesalahan pembukaan keran di mana besar perubahan bukaan tidak stabil

sehingga hasil yang didapatkan tidak akurat terhadap perubahan laju alir fluidanya.

BAB V

KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan heat exchanger yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan sebagai

berikut :

1. Alat penukar kalor pipa ganda merupakan alat penukar kalor dengan prinsip pertukaran kalor

secara kontak tidak langsung, dimana fluida panas mengalir di bagian dalam pipa dan fluida

dingin mengalir di bagian anulus;

2. Faktor arah aliran (searah dan berlawanan arah) mempengaruhi unjuk kerja alat penukar

kalor pipa ganda seperti terjadi perbedaaan nilai koefisien perpindahan kalor, faktor

kekotoran, efisiensi pada sistem aliran searah maupun berlawanan arah.

3. Peningkatan laju alir air pendingin pada heat exchanger double pipe akan berakibat pada

bertambahnya laju alir kondensat yang terbentuk.

4. Peningkatan laju alir air pendingin pada heat exchanger double pipe akan berakibat pada

semakin rendahnya suhu keluaran kondensat yang terbentuk

5. Nilai efektivitas untuk sistem aliran berlawanan arah lebih besar dibandingkan dengan sistem

aliran searah pada laju alir air pendingin yang konstan.

6. Semakin besar faktor kekotoran, maka semakin kecil perpindahan kalor;

7. Semakin besar efisiensi, maka semakin baik unjuk kerja alat penukar kalor dalam

memindahkan kalor

8. Jenis aliran berlawanan arah menghasilkan perpindahan kalor dan efisiensi yang lebih besar

dibandingkan jenis aliran searah.

9. Faktor kekotoran pada heat exchanger double pipe sangat mempengaruhi unjuk kerja heat

exchanger double pipe tersebut. Faktor kekotoran merupakan fungsi dari keoefisien perpin-

dahan kalor menyeluruh dimana semakin besar koefisien perpindahan kalor menyeluruh akan

semakin besar pula perpindahan kalornya (Q).