OPERASI TEKNIK KIMIA I HEAT EXCHANGER JENIS PLATE AND FRAME

OPERASI TEKNIK KIMIA I

HEAT EXCHANGER JENIS PLATE AND FRAME Ulil Anshori, Naurah Nazifah, Nadya Alfikri

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik,

Universitas Sultan Ageng Tirtaya sa.Jalan Jenderal Sudirman Km.3 Cilegon 42435, Banten, Indonesia

ABSTRAK : Suatu bentuk energy yang mengalir dari benda bersuhu tinggi menuju suhu yang lebih rendah, kalor akan mengalir atau berpindah jika ada perbedaan suhu antara dua medium adalah perpindahan panas. Pepindahan panas dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi dan radiasi. Tujuan percobaan perpindahan panas ialah melihat fenomena perpinahan panas secara konveksi melalui proses pendidihan, serta mengetahui factor-faktor yang mempengaruhi koefisien perpindahan panas menyeluruh pada alat HE jenis Plate and Frame dengan jenis aliran counter current dan co-current. Proses perpindahan panas merupakan kebutuhan sector utama industi, seperti peleburan besi, pemanasan fluida dan lain-lain. Percobaan perpindahan panas dilakukan dengan du acara, pada percobaan pertama ialah proses pendidihan dengan menggunakan tambahan sedikit zat warna untuk mempermudah melihat fenomena dalam proses pendidihan. Percobaan kedua adalah memastikan semua alat dalam kondisi baik serta sistem perpipaan kemudian start pompa dan melakukan kalibrasi, setelah itu dilakukan pengambilan data untuk aliran co-current dan counter current. Diperoleh hasil berupa nilai oefisien perpindahan panas overall pada temperature 350_{C sebesar 89.5 W/m}2_.0_C pada aliran counter current dan 89.52 W/m2.0C pada aliran co-current.

Keyword : co-current, counter current, koefisien perpindahan panas overall (U)

1. Pendahulun

1.1 Latar Belakang

Proses perpindahan panas adalah suatu aliran zat alir tidak berbobot dan tidak dapat dilihat atau disebut kalometrik yang timbul apabila suatu zat dibakar ,atau dipanaskan dan bergerak dari suhu tinggi menujusuhu yang lebih rendah. Perpindahan panas diklasifikasikan konduksi thermal, konveksi thermal, radiasi thermal dan perpindahan panas melalui perubahan fase, semakin tinggi nail konduktivitas thermal maka semakin cepat benda tersebut mengalirkan panas yang akan diterima oleh benda lain. Digunaka alat calorimeter untuk mengukur kalor atau energy panas dari pertukaran atau perpindahan kalor tersebut. Dan calorimeter adalah metode pengukuran kalor yang menggunakan alat calorimeter. Contoh sederhana adalah pemanasan air, transfer panas matahari ke bumi, peleburan besi, dan lain-lain.

Proses perpindahan panas sering digunakan dan merupakan kebutuhan utama dalam sector industry. Hal ini disebabkan sifat thermal dari fluida kerja memegang peran penting dalam upaya

meningkatkan efisiensi energy pada peralatan perpindahan kalor. Ilmu perpindahan panastidak hanya membahas bagaimana energy itu berpindah, namun juga meramalkan laju perpindahan energy pada kondisi tertentu.

Oleh karena itu, perlunya dilakukan percobaan tentang perpindahan panas agar mengetahui fenomena perpindahan panas secara koveksi serta mengetahui harga koefisien dan pengaruh variable pada perpindahan panas.

1.2 Rumusan Maslah

Pada percobaan perpindahan panas dapat diketahui rumusan masalah yaitumelihat fenomena perpindahan panas secara konveksi dan terjadinya pendidihan, menetapkan harga koefisien perpindahan panas overall dalam alat penukar panas, serta mengetahui pengaruh variable dan perbandingan kerja counter current dan co-current. 1.3 Tujuan percobaan

Tujuan percobaan dari perpindahan panas yaitu : melihat fenomena perpindahan panas secara konveksi dan terjadinya pendidihan, menentukan

harga koefisien perindahan panas overall (U) system dua fluida didalam alat penukar panas Plate and Frame, mempelajari pengaruh variable laju alir fluida, temperature fluida, dan arah aliran terhadap koefisien perpindahan panas overall (U), serta membandingkan untuk kerja counter current dan

co-current.

1.4 Ruang Lingkup

Ruang lingkup percobaan perpindahan panas yakni mengggunkan metode konveksi dan cara kerja counter current dan co-current, serta menggunakan bahan sedikit zat warna (kalium permanganate) dan air sebagai fluida panas dan dingin. Percobaan perpindahan panas dilakukan di Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtayasa.

2. Tinjauan Pustaka

2.1 Proses Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor dapat disefinisikan sebagai suatu prose berpindahnya suatu energy (kalor) dari suatu daerah ke daerah lain akibat adanya perbedaan suhu pada daerah tersebut[1]. Macam-macam perpindahan kalor, yaitu :

a. Perpindahan Kalor Secara Konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan kalor dimana kalor mengalir dari daerah yang bersuhu tinggi ke daerah yang bersuhu rendah dalam suatu medium padat atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggung secara langsung. Secara unum laju aliran kalor secara konduksi dapat dihitung dengan rumus berikut[2] :

= −�� �………. Keterangan :

= laju alir kalor (W)

� = konduktivitas termal bahan (W/m2_.0_C) � = luas penampang (m2₎

�

� = laju perubahan (T) terhadap jarak dalam arah

aliran panas (x).

b. Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi adalah proses transport energy dengan kerja gabungan dari konduksi kalor, penyimpangan energy dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagai mekanisme peerpindahan energy antara permukaan benda padat dan cair atau gas. Perpindahan kalor secara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida disekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, kalor akan mengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke pertikel-partikel fluida yang berbatasan. Energy yang berpindah dengan cara demikian akan menaikan suhu dan energy dalam partikel-partikel fluida tersebut. Kedua, partikel-partikel tersubut akan bercampur dengan partikel-partikel fluida lainnya[3]. Persamaan untuk perpindahan panas secara konveksi yaitu :

= ℎ . �. ∆ … … … . . Keterangan :

= laju perpindahan kalor secara konveksi (W) ℎ = koefisien perpindahan kalor koneksi (W/m2.0C)

� = Luas perpindahan kalor (m2) ∆ = Perbedaan temperature (0C)

c. Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Pada proses radiasi, panas diubah menjadi gelombang elektromagnetik yang merambat tanpa melalui ruang media penghantar. Jika elombang tersubut mengena suatu benda, maka gelombang dapat mengalami transisi (diteruskan), refleksi (dipantulkan), dan absorpsi (diserap) dan menjadi kalor. Hal itu tergantung pada jenis benda.

Menurut hukum Stefan Boltzman tentang radiasi panas dan berlaku hanya untuk benda hitam, bahwa kalor yang dipancarkan (dari benda hitam) dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat temperature absolut benda itu dan berbanding lurus dengan permukaan benda. Secra matematis dapat ditulis sebagai berikut[3] :

= �. �. … … … . . 2.2 Alat Penukar Panas

Alat penukar panas adlah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dapat berfungsi sebagai pemanas maupun pendingin. Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar

pepindahan panas antara fluida dapat berlangsung secara efiesien. Penukaran panas terjadi karena adanya kontak balik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct contact).

Terdapat dua aliran penukaran panas yaitu penukaran panas dengan aliran searah (co-current) dan penukaran panas dengan aliran berlawanan arah (counter-current).

a. Aliran Co-Current

Penukaran panas jenis ini, kedua fluida (dingin dan panas) masuk pada sisi penukar yang sama, mengalir dengan arah yang sama dan keluar pada sisi yang sama pula. Karakter penukar panas jenis ini, temperature fluida dingin yang keluar dari alat penukar panas, sehingga diperlukan media pendingin / pemanas yang banyak.

Gambar 1. Profil temperature aliran Co-Current[1] Neraca panas yang terjadi :

� . − = �ℎ. ℎ − ℎ … … …

Dengan asumsi nilai kapasitas panas spesifik ( _�) fluida dingin dan panas konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan

steady state, maka kalor yang dipindahkan. = . �. ∆ �… … … …

b. Aliran Counter Current

Penukar panas jenis ini, kedua fluida (panas dan dingin) masuk dan keluar pada sisi yang berlawanan. Temperatur fluida dingin yang keluar dari penukar panas lebih tinggi dibandingkan temperature fluida panas yang keluar dari penukar kalor, sehingga dianggap lebih baik dari aliran searah.

Gambar 2. Profil termperatur aliran counter-current.

2.3 Plate and Frame Heat Exchanger

Alat penkar panas ini terdiri dari pelat-pelat tegak lurus, bergelombang atau profil lainnya. Pemisahan antara pelat tegak lurus dipasang penyekat lunak. Pelat –pelat dari sekat ditentukan oleh suatu perangkat penekan yang pada setiap sudut pelat terdapat lubang pengalih fluida, fluida mengalir pada sisi yang lain, sedangkan fluida yang lain mengalir melalui lubang dan ruang pada sisi sebelahnya karena ada sekat[4]_.

Gambar 3. Desain Plate and Frame Heat Exchanger

3. Metodelogi Penelitian

3.1 Diagram Alir Proses Pendidihan

Menghidupkan hot plate 600 W

Memasukan air 500 gr dan KMnO4

Gambar 4. Diagram alir proses pendidihan 3.2 Diagram Alir Percobaan pada Plate and Frame

Gambar 5. Diagram alir percobaan pada Plate and Frame

3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat

Alat yang digunakan pada percobaan penukar panas, yaitu :

a. Thermometer

b. Gelas beker berisi air 500 ml c. Rangkaian Plate and Frame Heat

Exchanger tipe TRIMGS 10 dengan nomor serial A-10308 produksi APV HE Asia

Tahun 1998 : Gasket yang digunakan berbahan nitril dengan temperature operasi maksimum 1100C.

d. Stopwatch 3.2.2 Bahan

Bahan yang dibutuhkan pada percobaan penukar panas, yaitu :

a. Sedikit zat warna diatas pemanas listrik 600 W

b. Air, sebagai fluida panas dan dingin. 3.3 Prosedur Percobaan

Pada percobaan penukar panas terdapat dua prosedur yaitu :

3.3.1 Prosedur Percobaan Pendidihan

Menghidupkan hot plate 600 W, kemudian 500 gram air dan thermometer dalam gelas beker menuangkan sedikit zat warna (potassium permanganate). Setelah itu memcatat suhu awal air sebelum dipanaskan, lalu menghidupkan stopwatch ketika air mulai dipanaskan. Kemudian mencatat waktu yang diperlukan hingga air mulai mendidih (1000_{C).Setelah itu mematikan pemanas air} mendidih, menimbang kembali untuk mengetahui banyaknya air yang menguap.

3.3.2 Prosedur Percobaan pada Plate and Frame

Memastikan semua alat-alat percobaan dalam kondisi baik dan memastikan semua system perpipaan serta kerangan (jalur) telah siap untuk dioperasikan, lalu menstart pompa air dingin dan pompa air panas untuk sirkus ke masing-masing tangka penampung. Setelah itu melakukan kalibrasi laju air untuk mesing-masing system aliran (air dingin dan air panas). Lalu melakukan pengambilan data untuk aliran searah (co-current) dan berlawanan arah (counter current) dengan cara mencatat temperature masuk dan keluar HE pada masing-masing system aliran (air dingin dan air panas).

3.4 Variabel Percobaan

Pada percobaan penukar panas, terdapat variable bebas dan variable terikat. Variabel bebas yaitu volume air, sedangkan variable terikat yaitu perubahan temperature dan tekanan.

4. Hasil dan Pembahasan

Mencatat waktu setia 1 menit hingga air mendidih

Mematikan pemanas air dan menimbang kembali

air

Memastikan semua alat dalam kondisi baik

Memastikan semua sistem perpipaan siap

Start pompa air dingin dan pompa air panas

Melakukan kalibrasi laju alir

Melakukan pengambilan data untuk co-current

dan counter current

Mencatat temperatur masuk dan keluar fluida

4.1 Data Hasil Percobaan

A. Percobaan laju alir counter-current

1. Temperatur = 350_C

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.35 0.85 35 28 26.5 30

0.95 35 28 26.5 30.5

1.05 35 28 26.5 31

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.45 0.85 35 26 26.5 29.5

0.95 35 28 26.5 30

1.05 35 27 26.5 31

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.55 0.85 35 26 26.5 29

0.95 35 27 26.5 30.5

1.05 35 28 26.5 30.5

2. Temperatur = 370C

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.35 0.85 37 26 26.5 30

0.95 37 26.5 26.5 30.5

1.05 37 28 26.5 31

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.45 0.85 37 27 26.5 30

0.95 37 27 26.5 30.5

1.05 37 28.5 26.5 31.5

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.55 0.85 37 27 27 30.5

0.95 37 28 27 31

1.05 37 28 27 31

3. Temperatur = 390_C

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.35 0.85 39 28 27 31

0.95 39 28 27 31.5

1.05 39 28.5 27 32

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.45 0.85 39 27 27 31

0.95 39 28 27 31.5

1.05 39 29 27 32

Ph Pc Thi Tho Tci Tco

0.55 0.85 39 27 27 31

0.95 39 28 27 31

1.05 39 28.5 27 32

B. Percabaan laju alir co-current

1. Temperature = 350C

Pc Ph Thi Tho Tci Tco

0.95 0.35 35 29 29 28.5

0.45 35 29 29 29

0.55 35 28 29 28.5

2. Temperature = 370C

Pc Ph Thi Tho Tci Tco

0.95 0.35 37 28 29 29

0.45 37 29 29 29

0.55 37 28 29 29

3. Temperature = 390C

Pc Ph Thi Tho Tci Tco

0.95 0.35 39 30 29 29.5

0.45 39 30 29 29.5

0.55 39 29 28.5 29

4.2 Pembahasan

4.2.1 Fenomena pendidihan

Fenomena Pendidihan dilakukan sebanyak tiga kali dengan membedakan temperature hot plate sebesar 4200_{C, 440}0_{C dan 460}0_{C. Hasil dari fenomena} pendidihan dapat dilihat pada grafik diatas. Dari grafik diatas terdapat beberapa fenomena pendidihan yaitu :

a. Natural Convection Boiling, merupakan pendidihan secara natural. Pendidihan secara natural ini terjadi pada suhu 20C sampei 60C pada air.

b. Nucleat Boiling yaitu pendidihan yang terjadi secara mikroskopis akibat adanya pergerakan molekul air karena terjadinya perubahan temperature dan tekanan. Nucleate Boiling terjadi pada suhu dibawah 300_C.

c. Transition Boiling yaitu pendidihan yag terjadi secara makroskopis, dimana adanya gelembung-gelembung air yang muncul hingga terjadinya pendidihan atau terbentuk gelembung yang lebih besar. Transition Boiling terjadi pada suhu 300C hingga 1200C.

d. Film Boiling yaitu keadaan dimana pendidihan telah, besar-besar konstan dan tidak ada penambahan temperature lagi hal ini terjadi karena tekanan di air sudah sama dengan atmosfer.

Pada temperature hot plate 4200C air mendidih pada suhu konstan 99.50C selama 16 menit. Pada suhu 4400_{C mendidih pada suhu konstan 100}0_{C selama} 14 menit. Pada suhu 4600C hot plate mendidih pada suhu konstan sebesar 990C selama 14 menit. 4.2.2 Kalibrasi Laju Alir

Sebelum melakukan percobaan penukar panas pada Heat Exchanger Plate and Frame.

Terlebih dahulu dilakukan kalibrasi laju alir dengan perbedaan tekanan air dingin dan air panas.

Gambar 6. Kalibrasi laju alir dengan tekanan pada fluida panas.

Gambar 7. Kalibrasi laju alir dengan tekanan pada fluida dingin.

Kalibrasi dilakukan dengan menghitung laju alir selama 10 detik dan membaca jumlah putaran pada flow meter. Pada kalibrasi laju alir pada air panas dilakukan metode mengambil sampel dari aliran keluar selama 5 detik, kemudian menimbang air yang terkumpul. Hasil dari kalibrasi laju alir dapat dilihat pada gambar 6 dan gambar 7.

Grafik ini menunjukkan penurunan kurva akibat perbedaan tekanan. Semakin besar tekanan maka laju alir fluida akan semakin kecil sesuai dengan hokum persamaan Bernauli yang menunjukkan pengaruh tekanan dengan laju alir fluida.

+ �ℎ + = + �ℎ + … …

4.2.3 Pengaruh Laju Alir Massa Terhadap

Koefisien Overall (U).

Percobaan dilakukan pada laju alir massa fluida panas dan fluida dingin dengan arah aliran

conter current dan co-current.

A. Aliran Counter Current

Pada aliran counter current fluida dingin didapat nilai koefisien U sebesar 92.32 W/m2.0C. Pada tekanan fluida 0.85 bar dan temperature 350_C serta nilai laju alir massa sebesar 0.254 kg/s, pada temperature 370C tekanan 0.95 bar didapatkan nilai U sebesar 89.5 W/m2.0C dan laju alir massa 0.201 kg/s, dan pada temperature 390C tekanan 1.05 didapatkan nilai U sebesar 83.24 W/m2.0C dan laju alir massa dan laju alir massa 0.124 kg/s. Dari data tersebut dapat dilihat bahwa semakin tinggi laju alir

0 0.02 0.04 0.06 0.08

0 0.2 0.4 0.6

la

ju

a

li

r

(kg

/s

)

Pressure (bar)

fluida panas

0 0.1 0.2 0.3

0 0.5 1 1.5

la

ju

a

li

r

(k

g

/s

)

Pressure (bar)

fluida dingin

massa maka semakin besar pula harga koefisien U yang didapat.

Gambar 8. Grafik pengaruh laju alir terhadap koefisien U fluida dingin dengan pada aliran counter current.

Gambar 9. Grafik pengaruh laju alir terhadap koefisien U fluida panas pada aliran conter current.

Fenomena ini dapat terjadi karena laju alir massa mempengaruhi harga dari bilangin tak berdimensi, yakni bilangan Reynolds (NRe), dengan persamaan:

� _{= � ………}

� = � … … … . . … … … Sehingga persamaan yang didapat

� = �_{� … … … …} Dimana persamaan ini menunjukkan bahwa bilangan Reynolds (NRe) berbanding lurus terhadap laju alir massa. Harga NRe ini mempunyai hubungan terhadap bilangan Nusselt (NNu),

Pada fluida panas aliran counter current didapatkan nilai koefisien U sebesar 92.32 W/m2.0C dan laju alir massa sebesar 0.587 kg/s pada suhu 350_{C dan} tekanan 0.35 bar. Pada suhu 370C, tekanan 0.45 bar didapat nilai koefisien U sebesar 89.40 W/m2.0C dan

laju alir massa 0.052 kg/s. Pada suhu 390C, tekanan 0.35 bar didapat niali koefisien U sebesar 86.76 W/m2_.0_{C dan laju alir massanya sebesar 0.047 kg/s.} Untuk fluida panas juga sama seperti fluida dingin, semakin tinggi laju alir massa maka semakin besar pula harga koefisien U yang didapat.

B. Alir Co-Current

Pada percobaan dengan arah aliran co-current

dilakukan variasi tekanan fluida sebesar 0.95 bar dan variasi tekanan fluida panas sebesar 0.35 ; 0.45 dan 0.55 bar. Harga koefisien U yang didapat pada tekanan 0.35 bar temperature 350C yaitu sebesar 89.52 W/m2.0C dan laju alir massa sebesar 0.052 kg/s. Pada tekanan 0.45 bar nilai U didapat sebesar 86.98 W/m2.0C dan laju alir massa sebesar 0.052 kg/s.

Gambar 10. Grafik pengaruh laju alir massa fluida panas terhadap nilai koefisien U.

Pada tekanan 0.55 bar nilai U sebesar 84.42 W/m2.0C dan m = 0.047 kg/s. Pada fluida panas co-current juga diperoleh kurva seperti diatas. Semakin besar lajuu alir massa, maka koefisien U yang didapat juga tinggi.

4.2.4 Pengaruh Temperatur Terhadap Koefisien

U pada Alir Conter Current.

Pada gambar 11. Grafik pengaruh temperature terhadap koefisien U pada alir counter current

diperoleh hasil bahwa semakin tinggi temperature aliran panas, maka harga koefisien perpindahan panas overallnya juga semakin tinggi. Dapat dilihat pada grafik dibawah ini. Fenomena ini terjadi karena 84

86 88 90 92 94

0 0.05 0.1

U

(

W

/m

2°C

ṁ HOT (kg/s

35 37 39

82 84 86 88 90

0 0.05 0.1

U

(

W

/m

2°C

ṁ Hot (kg/s

35 37 39 80

85 90 95

0 0.1 0.2 0.3

U

(

W

/m

2°C

ṁ Cold (kg/s

35 37 39

temperature aliran panas akan sebanding dengan koefisien perpindahan panas overall.

Gambar 14. Grafik pengaruh temperature terhadap koefisien U pada alir counter current.

Nilai U berbanding lurus dengan koefisien konveksi, dapat dilihat pada persamaan dibawah ini:

= _ℎ

0+ℎ�… … …

Begitu pula nilai koefisien konveksi berbanding lurus dengan bilangan Nusselts (NNu).

ℎ =�� . �_� … … … . … … … … �� = . ��. � … … … … …

�� berbanding lurus dengan _�. Apabila _� memilik nilai yang besar, maka �� juga memiliki nilai yang besar. _� merupakan suatu variable yang memiliki fungsi temperature. Jika temperature aliran panas yang masuk tinggi, maka nilai _� juga tinggi. Oleh karena itu, temperature berbanding lurus dengan koefisien perpindahan panas overall.

4.2.5 Pengaruh Nilai Koefisien U terhadap Arah Aliran

Pada percobaan ini didapat nilai koefisien U dengan pengaruh variasi arah aliran co-current dan counter current. Pada aliran co-current didapat nilai U sebesar 89.52 W/m2.0C ; 86.98 W/m2.0C dan 84.42 W/m2_.0_{C. Pada aliran conter current didapat nilai U} sebesar 89.46 W/m2.0C ; 86.88 W/m2.0C dan 84.35 W/m2.0C. Menurut literature seharusnya nilai koefisien U pada aliran counter current dianggap lebih baik dari aliran co-current, namun pada

percobaan ini terdapat perbedaan dimana nilai U pada aliran co-current lebih besar dibandingkan dengan aliran counter-current. Penyebabnya yaitu Tcold rata-rata dan Thot rata-rata pada aliran co-current memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan aliran counter current. Nilai temperature akan mempengaruhi variable _�. Nilai

� digunakan untuk menghitung bilang Nusselts

(NNu). Bilangan Nusselts berbanding lurus dengan koefisien perpindahan panas overall.

�� = . ��. � … … … …

ℎ =�� . �_� … … … . .

Gambar 15. Grafik pengaruh jenis alira terhadap koefisien perpindahan panas overall.

≈ ℎ + ℎ� ……… Terlihat dari grafik diatas nilai U untuk co-current jauh lebih besar dibandingkan nilai U counter current,ini membuktikan bahwa temperature mempengaruhi nilai koefisien perpindahan panas overall.

5. Kesimpulan dan Saran

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan penukar panas ini dapat disimpulkan bahwa :

a. Nilai koefisien pepindahan panas overall (U) pada temperature 350C yaitu sebesar 89.5 W/m2.0C pada aliran counter current dan sebesar 89.52 W/m2.0C pada aliran co-current.

80 85 90 95

0 0.1 0.2 0.3

U

(

W

/m

2°C

ṁ Cold (kg/s

35 37 39

83 84 85 86 87 88 89 90

0 0.05 0.1

U

(

W

/m

2°C

ṁ Hot (kg/s

Co Counter

b. Laju alir massa dan temperatur berbanding lurus dengan nilai koefisien panas overall (U).

c. Nilai koefisien perpindahan panas overall (U) pada co-current lebih besar dibanding pada counter current dengan selisih yang sangat kecil bahkan mendekati sama, factor yang mempengaruhinya yaitu Thot dan Tcold rata-rata.

5.2 Saran

Saran yang dapat diberikan pada percobaan penukar panas yaitu : untuk percobaan selanjutnya dapat menggunakan jumlah plate yang lebih banyak agar data yang diperoleh lebih akurat.

Daftar Pustaka

[1] Cengel, Yunus A. 2003. Heat Transfer A Practical Approach. Second edition. Singapura : Mc. Graw – Hill Book.

[2] Holman, J.P. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga.

[3] Mc.Cabe, W.L. 1999. Operasi Teknik Kimia. Jilid I Edisi 4, Jakarta : Erlangga.

[4] Antono, Koestoer, Raldi. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Salemba Teknika.

[5] Naik.V.R. Martawala,V.K. 2013. Experimental Investigation of Single Phase Chevron Type Gasket Plate Heat Exchanger. International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT). Vol. 2 (4) : 362 – 369.

[6] Titahelu, Nicolas. 2010. Analisis Pengaruh Kecepatan Fluida Panas Aliran Sejarah Terhadap Karakteristik Heat Exchanger Shell and Tube.

Maluku : Teknik Mesin Fakultas Teknik Unpatti. [7] Handoyo, Yopi, Ahsan. 2012. Analisis Kinerja Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube Pendinginan Aliran Alir pada PLTA Jatiluhur. Bekasi : Teknik Mesin Universitas Islam 45. [8] Sugiyanto. Analisis Alat Penukar Kalor Shell and Tube dan Aplikasi Perhitungan dengan Microsoft. Depok : Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Gunadarma.

Gambar 4. Diagram alir proses pendidihan 3.2 Diagram Alir Percobaan pada Plate and Frame

Gambar 5. Diagram alir percobaan pada Plate and Frame

3.2 Alat dan Bahan 3.2.1 Alat

Alat yang digunakan pada percobaan penukar panas, yaitu :

a. Thermometer

b. Gelas beker berisi air 500 ml c. Rangkaian Plate and Frame Heat

Exchanger tipe TRIMGS 10 dengan nomor

serial A-10308 produksi APV HE Asia

Tahun 1998 : Gasket yang digunakan berbahan nitril dengan temperature operasi maksimum 1100C.

d. Stopwatch

3.2.2 Bahan

Bahan yang dibutuhkan pada percobaan penukar panas, yaitu :

a. Sedikit zat warna diatas pemanas listrik 600 W

b. Air, sebagai fluida panas dan dingin.

3.3 Prosedur Percobaan

Pada percobaan penukar panas terdapat dua prosedur yaitu :

3.3.1 Prosedur Percobaan Pendidihan

Menghidupkan hot plate 600 W, kemudian 500 gram air dan thermometer dalam gelas beker menuangkan sedikit zat warna (potassium permanganate). Setelah itu memcatat suhu awal air sebelum dipanaskan, lalu menghidupkan stopwatch ketika air mulai dipanaskan. Kemudian mencatat waktu yang diperlukan hingga air mulai mendidih (1000_{C).Setelah itu mematikan pemanas air}

mendidih, menimbang kembali untuk mengetahui banyaknya air yang menguap.

3.3.2 Prosedur Percobaan pada Plate and Frame Memastikan semua alat-alat percobaan dalam kondisi baik dan memastikan semua system perpipaan serta kerangan (jalur) telah siap untuk dioperasikan, lalu menstart pompa air dingin dan pompa air panas untuk sirkus ke masing-masing tangka penampung. Setelah itu melakukan kalibrasi laju air untuk mesing-masing system aliran (air dingin dan air panas). Lalu melakukan pengambilan data untuk aliran searah (co-current) dan berlawanan arah (counter current) dengan cara mencatat temperature masuk dan keluar HE pada masing-masing system aliran (air dingin dan air panas).

3.4 Variabel Percobaan

Pada percobaan penukar panas, terdapat variable bebas dan variable terikat. Variabel bebas yaitu volume air, sedangkan variable terikat yaitu perubahan temperature dan tekanan.

4. Hasil dan Pembahasan Mencatat waktu setia 1

menit hingga air mendidih

Mematikan pemanas air dan menimbang kembali

air

Memastikan semua alat dalam kondisi baik

Memastikan semua sistem perpipaan siap

Start pompa air dingin dan pompa air panas

Melakukan kalibrasi laju alir

Melakukan pengambilan data untuk co-current

dan counter current

Mencatat temperatur masuk dan keluar fluida

4.1 Data Hasil Percobaan

A. Percobaan laju alir counter-current 1. Temperatur = 350_C

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.35 0.85 35 28 26.5 30

0.95 35 28 26.5 30.5 1.05 35 28 26.5 31 Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.45 0.85 35 26 26.5 29.5

0.95 35 28 26.5 30 1.05 35 27 26.5 31 Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.55 0.85 35 26 26.5 29

0.95 35 27 26.5 30.5 1.05 35 28 26.5 30.5 2. Temperatur = 370C

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.35 0.85 37 26 26.5 30

0.95 37 26.5 26.5 30.5 1.05 37 28 26.5 31

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.45 0.85 37 27 26.5 30

0.95 37 27 26.5 30.5 1.05 37 28.5 26.5 31.5

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.55 0.85 37 27 27 30.5

0.95 37 28 27 31 1.05 37 28 27 31

3. Temperatur = 390_C

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.35 0.85 39 28 27 31

0.95 39 28 27 31.5 1.05 39 28.5 27 32

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.45 0.85 39 27 27 31

0.95 39 28 27 31.5

1.05 39 29 27 32

Ph Pc Thi Tho Tci Tco 0.55 0.85 39 27 27 31

0.95 39 28 27 31 1.05 39 28.5 27 32 B. Percabaan laju alir co-current

1. Temperature = 350C

Pc Ph Thi Tho Tci Tco 0.95 0.35 35 29 29 28.5

0.45 35 29 29 29 0.55 35 28 29 28.5

2. Temperature = 370C

Pc Ph Thi Tho Tci Tco 0.95 0.35 37 28 29 29

0.45 37 29 29 29 0.55 37 28 29 29

3. Temperature = 390C

Pc Ph Thi Tho Tci Tco 0.95 0.35 39 30 29 29.5

0.45 39 30 29 29.5 0.55 39 29 28.5 29

4.2 Pembahasan

4.2.1 Fenomena pendidihan

Fenomena Pendidihan dilakukan sebanyak tiga kali dengan membedakan temperature hot plate sebesar 4200_{C, 440}0_{C dan 460}0_{C. Hasil dari fenomena}

pendidihan dapat dilihat pada grafik diatas. Dari grafik diatas terdapat beberapa fenomena pendidihan yaitu :

a. Natural Convection Boiling, merupakan pendidihan secara natural. Pendidihan secara natural ini terjadi pada suhu 20C sampei 60C pada air.

b. Nucleat Boiling yaitu pendidihan yang terjadi secara mikroskopis akibat adanya pergerakan molekul air karena terjadinya perubahan temperature dan tekanan. Nucleate Boiling terjadi pada suhu dibawah 300_C.

c. Transition Boiling yaitu pendidihan yag terjadi secara makroskopis, dimana adanya gelembung-gelembung air yang muncul hingga terjadinya pendidihan atau terbentuk gelembung yang lebih besar. Transition Boiling terjadi pada suhu 300C hingga 1200C.

d. Film Boiling yaitu keadaan dimana pendidihan telah, besar-besar konstan dan tidak ada penambahan temperature lagi hal ini terjadi karena tekanan di air sudah sama dengan atmosfer.

Pada temperature hot plate 4200C air mendidih pada suhu konstan 99.50C selama 16 menit. Pada suhu 4400_{C mendidih pada suhu konstan 100}0_{C selama}

14 menit. Pada suhu 4600C hot plate mendidih pada suhu konstan sebesar 990C selama 14 menit.

4.2.2 Kalibrasi Laju Alir

Sebelum melakukan percobaan penukar panas pada Heat Exchanger Plate and Frame. Terlebih dahulu dilakukan kalibrasi laju alir dengan perbedaan tekanan air dingin dan air panas.

Gambar 6. Kalibrasi laju alir dengan tekanan pada fluida panas.

Gambar 7. Kalibrasi laju alir dengan tekanan pada fluida dingin.

Kalibrasi dilakukan dengan menghitung laju alir selama 10 detik dan membaca jumlah putaran pada flow meter. Pada kalibrasi laju alir pada air panas dilakukan metode mengambil sampel dari aliran keluar selama 5 detik, kemudian menimbang air yang terkumpul. Hasil dari kalibrasi laju alir dapat dilihat pada gambar 6 dan gambar 7.

Grafik ini menunjukkan penurunan kurva akibat perbedaan tekanan. Semakin besar tekanan maka laju alir fluida akan semakin kecil sesuai dengan hokum persamaan Bernauli yang menunjukkan pengaruh tekanan dengan laju alir fluida.

+ �ℎ + = + �ℎ + … …

4.2.3 Pengaruh Laju Alir Massa Terhadap

Koefisien Overall (U).

Percobaan dilakukan pada laju alir massa fluida panas dan fluida dingin dengan arah aliran

conter current dan co-current.

A. Aliran Counter Current

Pada aliran counter current fluida dingin didapat nilai koefisien U sebesar 92.32 W/m2.0C. Pada tekanan fluida 0.85 bar dan temperature 350_C

serta nilai laju alir massa sebesar 0.254 kg/s, pada temperature 370C tekanan 0.95 bar didapatkan nilai U sebesar 89.5 W/m2.0C dan laju alir massa 0.201 kg/s, dan pada temperature 390C tekanan 1.05 didapatkan nilai U sebesar 83.24 W/m2.0C dan laju alir massa dan laju alir massa 0.124 kg/s. Dari data tersebut dapat dilihat bahwa semakin tinggi laju alir 0

0.02 0.04 0.06 0.08

0 0.2 0.4 0.6

la

ju

a

li

r

(kg

/s

)

Pressure (bar)

fluida panas

0 0.1 0.2 0.3

0 0.5 1 1.5

la

ju

a

li

r

(k

g

/s

)

Pressure (bar)

fluida dingin

massa maka semakin besar pula harga koefisien U yang didapat.

Gambar 8. Grafik pengaruh laju alir terhadap koefisien U fluida dingin dengan pada aliran counter

current.

Gambar 9. Grafik pengaruh laju alir terhadap koefisien U fluida panas pada aliran conter current. Fenomena ini dapat terjadi karena laju alir massa mempengaruhi harga dari bilangin tak berdimensi, yakni bilangan Reynolds (NRe), dengan persamaan:

� _{= � ………}

� = � … … … . . … … …

Sehingga persamaan yang didapat

� = �_{� … … … …}

Dimana persamaan ini menunjukkan bahwa bilangan Reynolds (NRe) berbanding lurus terhadap laju alir massa. Harga NRe ini mempunyai hubungan terhadap bilangan Nusselt (NNu),

Pada fluida panas aliran counter current didapatkan nilai koefisien U sebesar 92.32 W/m2.0C dan laju alir massa sebesar 0.587 kg/s pada suhu 350_{C dan}

tekanan 0.35 bar. Pada suhu 370C, tekanan 0.45 bar didapat nilai koefisien U sebesar 89.40 W/m2.0C dan

laju alir massa 0.052 kg/s. Pada suhu 390C, tekanan 0.35 bar didapat niali koefisien U sebesar 86.76 W/m2_.0_{C dan laju alir massanya sebesar 0.047 kg/s.}

Untuk fluida panas juga sama seperti fluida dingin, semakin tinggi laju alir massa maka semakin besar pula harga koefisien U yang didapat.

B. Alir Co-Current

Pada percobaan dengan arah aliran co-current dilakukan variasi tekanan fluida sebesar 0.95 bar dan variasi tekanan fluida panas sebesar 0.35 ; 0.45 dan 0.55 bar. Harga koefisien U yang didapat pada tekanan 0.35 bar temperature 350C yaitu sebesar 89.52 W/m2.0C dan laju alir massa sebesar 0.052 kg/s. Pada tekanan 0.45 bar nilai U didapat sebesar 86.98 W/m2.0C dan laju alir massa sebesar 0.052 kg/s.

Gambar 10. Grafik pengaruh laju alir massa fluida panas terhadap nilai koefisien U.

Pada tekanan 0.55 bar nilai U sebesar 84.42 W/m2.0C dan m = 0.047 kg/s. Pada fluida panas

co-current juga diperoleh kurva seperti diatas. Semakin

besar lajuu alir massa, maka koefisien U yang didapat juga tinggi.

4.2.4 Pengaruh Temperatur Terhadap Koefisien U pada Alir Conter Current.

Pada gambar 11. Grafik pengaruh temperature terhadap koefisien U pada alir counter current diperoleh hasil bahwa semakin tinggi temperature aliran panas, maka harga koefisien perpindahan panas overallnya juga semakin tinggi. Dapat dilihat pada grafik dibawah ini. Fenomena ini terjadi karena 84

86 88 90 92 94

0 0.05 0.1

U

(

W

/m

2°C

ṁ HOT (kg/s

35 37 39

82 84 86 88 90

0 0.05 0.1

U

(

W

/m

2°C

ṁ Hot (kg/s

35 37 39 80

85 90 95

0 0.1 0.2 0.3

U

(

W

/m

2°C

ṁ Cold (kg/s

35 37 39

temperature aliran panas akan sebanding dengan koefisien perpindahan panas overall.

Gambar 14. Grafik pengaruh temperature terhadap koefisien U pada alir counter current.

Nilai U berbanding lurus dengan koefisien konveksi, dapat dilihat pada persamaan dibawah ini:

= _ℎ

0+ℎ�… … …

Begitu pula nilai koefisien konveksi berbanding lurus dengan bilangan Nusselts (NNu).

ℎ =�� . �_� … … … . … … … …

�� = . ��. _� … … … … …

�� berbanding lurus dengan _�. Apabila _� memilik nilai yang besar, maka �� juga memiliki nilai yang besar. _� merupakan suatu variable yang memiliki fungsi temperature. Jika temperature aliran panas yang masuk tinggi, maka nilai _� juga tinggi. Oleh karena itu, temperature berbanding lurus dengan koefisien perpindahan panas overall.

4.2.5 Pengaruh Nilai Koefisien U terhadap Arah Aliran

Pada percobaan ini didapat nilai koefisien U dengan pengaruh variasi arah aliran co-current dan counter current. Pada aliran co-current didapat nilai U sebesar 89.52 W/m2.0C ; 86.98 W/m2.0C dan 84.42 W/m2_.0_{C. Pada aliran conter current didapat nilai U}

sebesar 89.46 W/m2.0C ; 86.88 W/m2.0C dan 84.35 W/m2.0C. Menurut literature seharusnya nilai koefisien U pada aliran counter current dianggap lebih baik dari aliran co-current, namun pada

percobaan ini terdapat perbedaan dimana nilai U pada aliran co-current lebih besar dibandingkan dengan aliran counter-current. Penyebabnya yaitu Tcold rata-rata dan Thot rata-rata pada aliran

co-current memiliki nilai yang lebih besar

dibandingkan dengan aliran counter current. Nilai temperature akan mempengaruhi variable _�. Nilai � digunakan untuk menghitung bilang Nusselts (NNu). Bilangan Nusselts berbanding lurus dengan koefisien perpindahan panas overall.

�� = . ��. � … … … …

ℎ =�� . �_� … … … . .

Gambar 15. Grafik pengaruh jenis alira terhadap koefisien perpindahan panas overall.

≈ ℎ + ℎ� ……… Terlihat dari grafik diatas nilai U untuk co-current jauh lebih besar dibandingkan nilai U counter current,ini membuktikan bahwa temperature mempengaruhi nilai koefisien perpindahan panas overall.

5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan penukar panas ini dapat disimpulkan bahwa :

a. Nilai koefisien pepindahan panas overall (U) pada temperature 350C yaitu sebesar 89.5 W/m2.0C pada aliran counter current dan sebesar 89.52 W/m2.0C pada aliran co-current.

80 85 90 95

0 0.1 0.2 0.3

U

(

W

/m

2°C

ṁ Cold (kg/s

35 37 39

83 84 85 86 87 88 89 90

0 0.05 0.1

U

(

W

/m

2°C

ṁ Hot (kg/s

Co Counter

b. Laju alir massa dan temperatur berbanding lurus dengan nilai koefisien panas overall (U).

c. Nilai koefisien perpindahan panas overall (U) pada co-current lebih besar dibanding pada counter current dengan selisih yang sangat kecil bahkan mendekati sama, factor yang mempengaruhinya yaitu Thot dan Tcold rata-rata.

5.2 Saran

Saran yang dapat diberikan pada percobaan penukar panas yaitu : untuk percobaan selanjutnya dapat menggunakan jumlah plate yang lebih banyak agar data yang diperoleh lebih akurat.

Daftar Pustaka

[1] Cengel, Yunus A. 2003. Heat Transfer A

Practical Approach. Second edition. Singapura :

Mc. Graw – Hill Book.

[2] Holman, J.P. 2002. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga.

[3] Mc.Cabe, W.L. 1999. Operasi Teknik Kimia. Jilid I Edisi 4, Jakarta : Erlangga.

[4] Antono, Koestoer, Raldi. 2002. Perpindahan

Kalor. Jakarta : Salemba Teknika.

[5] Naik.V.R. Martawala,V.K. 2013. Experimental Investigation of Single Phase Chevron Type Gasket

Plate Heat Exchanger. International Journal of

Engineering and Advanced Technology (IJEAT). Vol. 2 (4) : 362 – 369.

[6] Titahelu, Nicolas. 2010. Analisis Pengaruh Kecepatan Fluida Panas Aliran Sejarah Terhadap Karakteristik Heat Exchanger Shell and Tube. Maluku : Teknik Mesin Fakultas Teknik Unpatti. [7] Handoyo, Yopi, Ahsan. 2012. Analisis Kinerja Alat Penukar Kalor Jenis Shell and Tube

Pendinginan Aliran Alir pada PLTA Jatiluhur.

Bekasi : Teknik Mesin Universitas Islam 45. [8] Sugiyanto. Analisis Alat Penukar Kalor Shell and Tube dan Aplikasi Perhitungan dengan

Microsoft. Depok : Jurusan Teknik Mesin Fakultas