Perhitungan Pra Rancangan Desain Heat Exchanger
HEAT EXCHANGER
(Laporan Akhir Praktikum Operasi Teknik Kimia II)
Oleh :
Fitriani Wulandari
(1115041019)
Fully Reha Rangganita
(1115041020)
Rizka Aidila
(1115041043)
Sherlyana
(1115041044)
Laboratorium Operasi Teknik Kimia
Jurusan Teknik Kimia
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
2014
ABSTRAK
1
PENENTUAN EFISIENSI DAN EFEKTIFITAS PADA
DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGERS
Oleh
Fitriani Wulandari, Fully Resha Rangganita, Rizka Aidila, Sherlyana
Heat exchanger adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu
fluida ke fluida lain yang lebih dingin. Prinsip kerja dari Heat exchanger yaitu
perpindahan panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari fluida
yang digunakan. Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin umumnya
dikontakkan secara tidak langsung atau melalui suatu pemisah, umumnya
dipisahkan oleh dinding pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan panas dari
fluida panas ke dinding melalui konveksi, sedangkan menembus dinding melalui
proses konduksi lalu menuju fluida dingin melalui konveksi. Terdapat 3 jenis HE
yang biasa dipakai di industri yaitu, double pipe heat exchanger, shell and tube,
dan plate and frame. Pada praktikum kali ini yang kami gunakan adalah double
pipe heat exchanger. Aliran yang terjadi pada HE ada 2 tipe yaitu aliran countercurrent dan aliran co-current. Pada praktikum ini aliran yang digunakan adalah
counter-current.
Percobaan dilakukan dengan laju alir fluida panas dan dingin masingmasing sebesar 40 ml/menit dan 55 ml/menit. Pada suhu masuk fluida dingin 310C
dan suhu masuk fluida panas 450C. Hasil percobaan menunjukkan efisiensi dan
efektifitas pada pada HE yang kami gunakan sebesar 0.2351 dan 95%.
Kata Kunci : Heat Exchangers, Efisiensi, Efektifitas, Perpindahan Panas
I.
PENDAHULUAN
2
I.1.
Latar Belakang
Dalam industri kimia, banyak proses yang melibatkan perpindahan energi
dalam bentuk panas. Proses perpindahan terjadi karena adanya perbedaan
temperatur. Pada praktikum ini, kita akan membahas salah satu alat perpindahan
panas yang biasa digunakan di industri yaitu Heat Exchanger. Heat exchanger
adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke fluida lain yang
lebih dingin. Prinsip kerja dari Heat exchanger yaitu perpindahan panas yang
terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari fluida yang digunakan.
Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin umumnya dikontakkan secara
tidak langsung atau melalui suatu pemisah, umumnya dipisahkan oleh dinding
pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan panas dari fluida panas ke dinding
melalui konveksi, sedangkan menembus dinding melalui proses konduksi lalu
menuju fluida dingin melalui konveksi. Proses perpindahan panas dipengaruhi
oleh beberapa hal seperti jenis heat exchanger yang digunakan, bahan konstruksi
pada heat exchanger, temperatur fluida yang akan dipertukarkan panasnya, sifat
fisik fluida tersebut, laju alir fluida masuk, dsb.
Terdapat 3 jenis Heat Exchanger yang sering digunakan dalam industri,
yaitu Double Pipe Heat Exchanger, Shell and Tube Heat exchanger, Plate and
Frame Heat exchanger . Penggunaan heat exchanger pada industri disesuaikan
dengan kebutuhan perpindahan panasnya. Double pipe biasa digunakan apabila
dibutuhkan perpindahan panas yang tidak terlalu besar, sebaliknya jika dibutuhkan
perpindahan panas yang besar dapat menggunkan baik shell and tube maupun
plate and frame. Pada percobaan ini, jenis Heat exchanger yang digunakan yaitu
Double Pipe Heat Exchanger.
Masih layak atau tidaknya sebuah heat exchanger untuk digunakan dapat
dilihat dari kemampuan alat tersebut untuk dapat mempertukarkan sejumlah panas
dari fluida dengan dipengaruhi oleh beberapa faktor diatas. Dari percobaan ini,
kita juga akan menghitung efektivitas Heat exchanger yang digunakan. Semakin
3
lama digunakannya suatu heat exchanger, tidak menutup kemungkinan untuk
terbentuk suatu faktor pengotor (Fouling factor), yang mana fouling factor
merupakan akumulasi endapan yang tidak diinginkan pada permukaan
perpindahan panas. Untuk itu pada Heat Exchanger fouling factor juga harus
untuk mengetahui efektivitas dari Heat Exchanger tersebut.
I.2.
Tujuan Percobaan
Adapun tujuan dari percobaan heat exchanger ini antara lain :
1. Mempelajari laju perpindahan panas
2. Mempelajari koefisien over all transfer panas
3. Mempelajari efektifitas HE
II. TINJAUAN PUSTAKA
4
Panas (kalor) adalah sebentuk energi yanbg dapat mengalir atau berpindah.
Perpindahan atau hantaran kalor dapat terjadi melalui mekanisme konduksi,
konveksi, dan radiasi.
1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai
perpindahan partikel-partikel zat. Biasanya terjadi pada logam.
2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat dengan disertai
perpindahan pertikel-partikel zat. Konveksi biasa terjadi pada zat cair dan
gas.
3. Radiasi
Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui perantara.
(Setiawan, 2008).
Heat Exchanger adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke
fluida lain yang lebih dingin. Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin
umumnya dikontakkan secara tidak langsung atau melalui suatu pemisah,
umumnya dipisahkan oleh dinding pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan
panas dari fluida panas ke dinding melalui konveksi, sedangkan menembus
dinding melalui proses konduksi lalu menuju fluida dingin melalui konveksi (Tim
Instruktur Laboratorium OTK II).
Salah satu jenis penukar kalor ialah susunan pipa ganda. Dalam penukar kalor
jenis ini dapat digunakan aliran searah atau aliran lawan arah, baik dengan zat cair
panas maupun zat cair dingin terdapat dalam ruang annulus dan zat cair yang lain
di dalam pipa dalam.
5
Perpindahan kalor melalui dinding bidang datar dinyatakan dalam persamaan,
di mana TA dan TB masing-masing ialah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu.
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U didefinisikan oleh hubungan.
Dari
sudut
pandangan
bidang datar jarang ada
penukar
kalor,
dinding
penerapannya, kasus yang
lebih penting untuk mendapat perhatian adalah penukar kalor pipa ganda.
Pada penerapan ini salah satu fluida mengalir di dalam tabung yang lebih kecil,
sedang fluida yang satu lagi mengalir di dalam ruang annulus di antara kedua
tabung. Perpindahan kalor menyeluruh didapatkan dari jaringan termal
Di mana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung
dalam yang lebih kecil. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh bisa didasarkan
atas luas dalam atau luas luar tabung, menurut kebutuhan perancang.
6
Walaupun rancangan akhir penukar kalor dibuat atas dasar perhitungan yang teliti
mengenai U, ada juga baiknya mendaftarkan nilai-nilai koefisien perpindahan
kalor menyeluruh untuk berbagai situasi yang mungkin ditemui dalam praktek.
Nilai U dalam banyak hal ditentukan hanya oleh salah satu koeffisien perpindahan
kalor konveksi. Dalam kebanyakan soal-soal praktis tahanan konduksi sangat
kecil bila dibandingkan dengan tahanan konveksi. Jika salah satu nilai h jauh lebih
kecil dari yang lain, ia cenderung mempunyai pengaruh terbesar dalam
persamaan U. Konveksi bebas merupakan faktor yang sangat menentukan
perpindahan kalor menyeluruh karena Ro jauh lebih besar dari Ri atau Rs.
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh yang didasarkan atas permukaan luar
dinyatakan dengan tahanan-tahanan tersebut sebagai berikut:
Koefisien perpindahan menyeluruh hampir seluruhnya ditentukan oleh nilai ho.
(Brown, 1950)
Pertukaran panas secara tidak langsung memungkinkan terjadinya
perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain melalui dinding pemisah.
Berdasarkan arah aliran fluida, pertukaran panas dapat dibedakan :
1. Pertukaran Panas dengan Aliran Searah (Co-Current Flow)
Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida ( dingin dan panas ) masuk pada
7
sisi penukar panas yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan
keluar pada sisi yang sama pula. Karakter penukar panas jenis ini,
temperatur fluida dingin yang keluar dari alat penukar panas ( T cb) tidak
dapat melebihi temperatur fluida panas yang keluar dari alat penukar panas
(Thb), sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang
banyak. Neraca panas yang terjadi :
Gambar 2.3. Profil Temperatur pada Aliran Co-Current
Dengan assumsi nilai kapasitas panas spesifik ( Cp ) fluida dingin dan
panas konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan
steady state, maka kalor yang dipindahkan :
dengan : U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (W / m2.0C)
8
A = luas perpindahan panas (m2)
∆ TLMTD = ∆T2 - ∆T1
(Log Mean Temperature Diffrensial)
ln (∆T2 / ∆T1)
∆T2 = Thb – Tcb
∆T1 = Tha – Tca
2. Pertukaran Panas dengan Aliran Berlawanan (Counter-Current Flow)
Penukar panas jenis ini, kedua fluida ( panas dan dingin ) masuk penukar
panas dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan dan
keluar pada sisi yang berlawanan . Temperatur fluida dingin yang keluar
penukar panas (Tcb ) lebih tinggi dibandingkan temperatur fluida panas
yang keluar penukar panas ( Thb ), sehingga dianggap lebih baik dari alat
penukar panas aliran searah (Co-Current Flow).
Gambar 2.4. Profil Temperatur pada Aliran Counter-Current
Kalor yang dipindahkan pada aliran counter current mempunyai persamaan yang
9
sama dengan persamaan diatas, dengan perbedaan nilai ∆LMTD , dengan pengertian
beda ∆T1 dan ∆T2, yaitu:
∆T1 = Thb – Tca
∆T2 = Tha – Tcb
(Hartono, 2008)
When the area of a heat exchanger is known and the outlet temperatures of both
streams are to
Efektivitas Heat exchanger didefinisikan sebagai rasio dari laju aktual
perpindahan panas yang diberikan alat dengan jumlah perpindahan panas
maksimum jika luas perpindahan panas yang tidak terbatas.
Thi
Tho
Tco
Tci
Gambar 3. Profil Temperatur untuk counter current Heat Exchanger
Untuk counter flow exchanger, efektivitas dapat dihitung dengan persamaan :
∈=
C h(T hi−T h o)
Cc (Tco−Tci)
=
Cmin(T h i−Tci) Cmin(T hi−Tci)
(Geankoplis,1983).
Resistan akan bertambah sering dengan pemakain Heat Exchanger , di mana pada
perhitungan U di atas hanya didasarkan pada koefisien perpindahan panas pada
kondisi awal sebelum pemakaian atau disebut dengan clean overall coefficient,
Uc. Untuk mengantisipasi fouling factor karena kotoran dan scale pada
permukaan perpindahan panas , maka desain harus memperhitungkan pengotoran
ini dan perhitungan Heat exchanger didasarkan pada Uc dan Ud.
10
1
1
= + Rd
Ud Uc
Bila Rd yang terdeposit lebih dari Rd yang diizinkan maka HE tidak mampu lagi
mentransfer paans sesuai dengan perancangan dan harus dibersihkan. Data Rd
dapat dilihat pada Appendix Table 12.
Pressure drop pada pipa dan annulus yang diizinkan dalam sebuah Heat
Exchanger adalah tekanan fluida statik yang mungkin dihasilkan untuk
mengalirkan fluida melalui Heat Exchanger tersebut. Pompa yang dipilih untuk
sirkulasi adalah pompa yang mempunyai head yang cukup untuk memenuhi
kapasitas feed melalui kehilangan friksi yang disebabkan oleh perpipaan, fittings ,
dan regulator.
(Kern,1950).
III. METODOLOGI PERCOBAAN
11
1.1. Peralatan dan Bahan
Peralatan yang digunakan pada percobaan ini yaitu , sebagai berikut:
a.
b.
c.
d.
e.
1 set alat double pipe HE
Gelas ukur 1000 ml
Termometer
Stopwatch
Pemantik
Bahan-bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah:
a. Air
b. Es batu
1.2. Prosedur Percobaan
Periksa arah bukaan valve satu persatu dan pastikan arah aliran yang di inginkan
Kalibrasi orificemeter untuk mendapatkan laju alir yang sesuai dengan penugasan
yang diberikan oleh dosen pembimbing.
Kalibrasi pada bagian fluida panas dan aliran dingin pada fluida panas nyalakan
alat pemanas,setelah cukup panas nyalakan pompa di kedua sisi. Perhatikan alat
penunjuk temperature pada kedua aliran. Lihat temperature yang ditunjukan sudah
sesuai dengan temperature yang diinginkan.
Siapkan stopwatch, kertas pencatat dan gelas ukur, yang dibutuhkan untuk
mengkalibrasi aliran fluida panas dan dingin.
Perhatikan nomor valve dan tanda (S = stop ) atau (O =open ) pada valve untuk
fluida panas , tutup V-3, V-2, V-5, V-8, dan buka V-4, V-6, V-7, mengatur aliran
dengan V-1 dan V-3 dibuka untuk menampung aliran yang keluar.
12
Untuk fluida dingin, buka V-9, V-12, V-13, V-17, tutup V-10, V15, V-16, dan
untuk mengatur aliran pada V-14.
Saat pengatuan aliran perhatikan selisih ketinggian air raksa yang ditunjukkan
oleh manometer.
Catat data jumlah (volume) aliran yang keluar perwaktu, serta perubahan
ketinggian air raksa.Buat gambar hubungan laju alir dan tinggi air raksa pada
kertas grafik.
Data yang diperoleh dari kalibrasi orificemeter adalah laju alir volume.
Untuk aliran counter atau berlawanan aliran panas valve yang dibuka adalah V-1,
V-6, V-7,V-4, danV-2. Sedangkan aliran dingin valve yangdibuka adalah V-14,V13, V-9, V-10, V-16.Sedangkan untuk aliran lain baik dialiran panas atau aliran
dingin ditutup.
Catat aliran dikedua sisi aliran panas dan dingin. Laju alir divariasikan dengan
mengubah-ubah bukaan valve di V-14 untuk aliran dingin dan V-1 untuk aliran
panas.
IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
13
1.1 Hasil Pengamatan
Fluida Dingin
∆h (cm)
1
2
3
V (ml)
t (sekon)
Q (V/t)
150
3
50
150
3
50
140
3
46,67
350
3
116,67
330
3
110
360
3
120
420
3
140
410
3
136,67
420
3
140
V (ml)
t (sekon)
Q (V/t)
210
3
70
240
3
80
250
3
83,3
320
3
106,67
310
3
103,33
310
3
103,33
360
3
120
350
3
116,67
Q ratarata
48,89
115,56
138,89
Fluida Panas
∆h (cm)
1
2
3
Q ratarata
77,76
104,44
117,78
14
350
3
116,67
Aliran: counter-current
Fluida Dingin
t
(menit
)
h
(cm)
Q (ml)
Tci (ºC)
Tco
(C)
0
1
55
31
31
4
1
55
31
33
8
1
55
31
33
12
1
55
31
34
16
1
55
31
35
20
1
55
31
35
t
(menit
)
h
(cm)
Q (ml)
Tci (ºC)
Tco
(C)
0
3
40
45
45
4
3
40
45
42
8
3
40
45
41
12
3
40
45
41
16
3
40
45
40
20
3
40
45
40
Fluida Panas
4.2 Pembahasan
15
Heat exchanger adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke
fluida lain yang lebih dingin. Prinsip kerja dari Heat exchanger yaitu perpindahan
panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari fluida yang
digunakan. Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin umumnya
dikontakkan secara tidak langsung atau melalui suatu pemisah, umumnya
dipisahkan oleh dinding pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan panas dari
fluida panas ke dinding melalui konveksi, sedangkan menembus dinding melalui
proses konduksi lalu menuju fluida dingin melalui konveksi. Terdapat 3 jenis HE
yang biasa dipakai di industri yaitu, double pipe heat exchanger, shell and tube,
dan plate and frame. Pada praktikum kali ini yang kami gunakan adalah double
pipe heat exchanger. Aliran yang terjadi pada HE ada 2 tipe yaitu aliran countercurrent dan aliran co-current. Pada praktikum ini aliran yang digunakan adalah
counter-current. Fluida yang dipertukarkan panasnya ialah air, dengan suhu masuk
sebesar 45 oC sebagai fluida panas dan dengan suhu masuk sebesar 31 oC sebagai
fluida dingin. Pada praktikum ini, digunakan laju alir dingin 55 mL/s dan laju air
panas 40 mL/s.
Pertama-tama perlu dilakukan kalibrasi laju alir untuk mendapatkan laju alir yang
diinginkan. Dari kalibrasi ini yang didapat adalah data Q dan ∆h. Kalibrasi
dilakukan terhadap fluida dingin terlebih dahulu agar tidak terjadi perpindahan
panas sebelumnya. Data Q dan ∆h ini selanjutnya dibuat grafik dan diplotkan
pada sumbu x dan y sehingga akan diperoleh persamaan garis. Perbedaan
ketinggian ini menggambarkan perbedaan tekanan fluida panas dan fluida dingin
yang diberikan oleh pompa pada saat masuk orificemeter dan keluar orificemeter
yang dikarenakan adanya penyempitan luas penampang secara mendadak di
bagian dalam orificemeter sehingga gaya-gaya yang terdapat pada aliran (gaya
gesek, gaya viscous dan lain-lain) akan terdistribusi di sekelilingnya dan daerah di
sekitar orificemeter akan bertekanan tinggi. Hal ini menyebabkan air raksa yang
berada di dalam selang manometer akan bergerak sehingga menimbulkan
perbedaan ketinggian pada selang aliran masuk orificemeter dan selang keluaran
orificemeter.
Berdasarkan kalibrasi laju alir didapatkan persamaan linear sebagai berikut:
untuk fluida panas : y = 45x + 11.11
16
untuk fluida dingin : y = 20.01x + 59.97
Langkah selanjutnya yaitu mengukur suhu keluar pada fluida panas dan dingin.
Pengukuran dilakukan sebanyak 6 kali yaitu setiap 4 menit sekali (pada 0, 4, 8,
12, 16, dan 20 menit). Suhu keluar pada fluida dingin (Tco) yaitu sebesar 31, 33,
33, 34, 35, dan 35 C. Lalu suhu keluar pada fluida panas (Tho) yaitu sebesar 45,
42, 41, 41, 40, 40 C. Setelah itu data-data tersebut diolah untuk mencari ∆T
LMTD. Setelah itu menghitung qh dan qc, yang sebelumnya mencari data ρ, Cp,
μ, dan K baik untuk fluida panas maupun fluida dingin. Data-data tersebut dapat
dilihat pada Appendix di buku Geankoplis. Data-data seperti hi, ho, Ui, Uo, Nre,
dan NPr juga dicari dengan cara seperti yang telah dijelaskan di perhitungan.
Kemudian akhrinya dicarilah nilai Rd, P, efisiensi serta efektifitas dari Heat
Exchanger tersebut yaitu sebesar: Rd = 0,000936498, P = 0,214365097 psia,
efisiensi = 95,18223072, efektifitas = 0,23512059. Sehingga dapat dikatakan
bahwa HE pada laboratorium yang kami gunakan masih baik untuk dipakai.
Efektifitas untuk aliran counter current merupakan perbandingan antara selisih
suhu fluida panas masuk dengan fluida panas keluar terhadap selisih suhu fluida
panas masuk dengan suhu fluida dingin keluar. Dari data yang didapat, semakin
lama waktu pertukaran panas antara fluida panas dengan fluida dingin maka akan
semakin besar nilai efektifitasnya. Hal ini disebabkan karena pertukaran panas
terjadi pada keadaan non-steady sehingga terdapat perubahan laju alir panas per
satuan waktu di sepanjang pipa. Untuk nilai Npro dan Npri, terlihat bahwa semakin
lama transfer panasnya maka nilai Npro akan semakin besar sebaliknya nilai Npri
akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan pada pipa bagian luar, fluida panas akan
melepaskan panasnya ke fluida dingin dan fluida dingin yang ada di pipa bagian
dalam akan menerima panas dari fluida panas. Oleh karena itu, terdapat kebalikan
peningkatan bilangan Prantdl. Berdasarkan nilai koefisien perpindahan panas
konveksi pada terlihat bahwa nila hi pada fluida dingin akan semakin besar seiring
dengan semakin lamanya waktu pertukaran panas sebaliknya nilai ho pada fluida
17
panas akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan fluida panas akan menyerahkan
sejumlah panasnya ke fluida dingin sehingga nilai hi pada fluida dingin akan
semakin besar.
Dari data T dan X, dibuatlah grafik yang menggambarkan hubungan antara
temperatur dan setiap titik sepanjang X, diketahui proses perpindahan panas
mengalami perpindahan panas di mana pada fluida dingin temperaturnya semakin
naik sedangkan pada fluida panas temperaturnya semakin turun.
Pada heat
exchanger, temperatur yang digunakan yaitu Logarithmic Mean Temperatur
Difference (∆TLMTD).
Efisiensi pada heat exchanger merupakan perbandingan antara jumlah panas yang
diserap fluida terhadap jumlah panas yang ditransfernya.
Seperti yang telah
disebutkan di atas tadi, efisiensi HE yang kami gunakan yaitu sbesar 95,18%.
Sehingga dapat dikatakan HE ini masih baik untuk dipakai. Faktor pengotor (Rd)
juga mempengaruhi nilai efisiensi dan efektivitas. Jika nilai Rd yang didapat lebih
dari Rd yang diperbolehkan maka proses perpindahan panasnya tidak maksimal
dan sebaiknya dilakukan pembersihan alat agar Rd nya mengecil. Rd yang terjadi
dapat menyebabkan mengurangnya luas permukaan HE dan meningkatkan
pressure drop sehingga dibutuhkan energi ekstra untuk pemompaan. Karena itulah
pada saat kita merancang HE nilai Rd yang kita design harus lebih besar dari Rd
aktual agar cukup untuk menyiapkan ruang (luas) pada HE ketika HE tersebut
telah lama digunakan. Pada praktikum ini, nilai Rd rata-rata yang didapat sekitar
0,00094. Hal ini menunjukkan bahwa alat masih bisa untuk digunakan.
Data Rd ( fouling factor ) yang diperbolehkan dapat dilihat pada tabel 12, buku
Process Heat Transfer –D.Q. Kern.
Pressure drop (∆P) merupakan bilangan yang memperlihatkan seberapa besar
suatu fluida dapat mempertahankan tekanan yang dimiliki selama fluida tersebut
mengalir. Jika ∆P yang dihasilkan terlalu besar maka aliran fluidanya semakin
cepat sehingga perpindahan panasnya tidak efektif. Sedangkan jika ∆P terlalu
kecil maka aliran fluida semakin lambat dan dapat menyebabkan terjadinya
pengendapan / pengotoran sehingga Rd nya semakin besar .
18
Dari hasil perhitungan, didapatkan nilai ∆P rata-ratanya 0.214 psi. Sehingga dapat
dikatakan bahwa HE ini masih layak pakai karena pressure dropnya kurang dari
10 psi.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan, maka dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut:
19
1. Semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk perpindahan panas maka nilai
efisiensi dan efektivitas akan semakin besar.
2. Nilai Rd mempengaruhi efektivitas Heat Exchanger. Apabila Rd evaluasi lebih
kecil dari Rd yang diizinkan alat tersebut masih baik untuk digunakan.
3. Efektivitas dari suatu Heat Exchanger dipengaruhi oleh laju Q, Rd, ∆P, ∆TLMTD,
serta koefisien perpindahan panas yang terjadi.
4. Jika pressure drop terlalu besar maka transfer panas tidak maksimal,
sedangkan jika pressure drop terlalu kecil maka akan terjadi pengendapan.
5. Rd, P, dan efektivitas yang didapat dari praktikum ini yaitu sebesar 0.00094,
0.214, 95.18% sehingga dapat dikatakan bahwa alat ini masih baik untuk
digunakan.
DAFTAR PUSTAKA
20
Brown, G.G. 1950. Unit Operation, Student Edition. Mc. Graw Hill Inc : New
York
Geankoplis, C.J. 1983. Transport Process and Unit Operation, 2nd Ed. Allyn and
Baron Inc : New York
Hartono, Rudi. 2008. Penukar Panas. Camelia: Banten.
Kern, Donald, Q. 1950. Process Heat Transfer. Mc. Graw Hill Inc : New York
Setiawan, Ruslan Tri. 2008. Ringkasan dan Kumpulan Soal Fisika. Grasindo:
Jakarta
21
LAMPIRAN
PERHITUNGAN
22
Data-data yang diperoleh dari praktikum :
Thi
Tci
Qfluida panas
Qfluida dingin
=
=
=
=
45 oC
31 oC
40 ml/s
55 ml/s
Kemudian mengolah data yang didapat dari data-data saat praktikum:
1. Kalibrasi aliran panas dan dingin; aliran: counter-current
Menghitung ∆H Orificemeter Pada Fluida Panas Dan Fluida Dingin Laju Alir
(Q)
a. Kalibrasi fluida dingin
∆H = 1 cm, t = 3 s , V= 150 mL
Q=
210
= 50 mL/s
3,08
∆H = 1 cm, t = 3 s , V= 150 mL
Q = 150 ml/ 3 s = 50 ml/s
∆H = 1 cm, t = 3 s , V= 140 mL
Q = 140 ml/ 3 s = 46,67 ml/s
Qrata−rata=
Q 1+Q 2+Q3
3
23
Qrata-rata = 48,89 mL/s
Dengan cara yang sama, Q dapat dihitung untuk ∆H sebesar 2 dan 3cm.
Nilai Q dan Qrata-rata dapat dilihat pada tabel 1 dan 2.
Kemudian data ∆H dan Qrata-rata, diplot menjadi grafik. ∆H sebagai sumbu x dan
Q rata-rata sebagai sumbu y. Dari grafik diperoleh suatu persamaan garis yaitu
a. Persamaan garis untuk fluida panas :
y = 45x + 11.11
b. Persamaan garis untuk fluida dingin :
y = 20.01x + 59.97
2. Menghitung ∆TLMTD
Untuk aliran counter current, ∆TLMTD dapat dihitung dengan persamaan:
∆T 1−∆ T 2
∆ T1
ln
∆ T2
dengan ∆T1 = Thi - Tco
∆T2 = Tho - Tci
∆ T LMTD =
Saat t = 4 menit
∆T1 = (318 – 306) K = 12 K
∆T2 = (315 – 304) oC = 11 K
Sehingga ∆TLMTD = 11,49274997
24
Untuk t selanjutnya dapat dihitung dengan cara yang sama, hasilnya
dapat dilihat di tabel 3
3. Menghitung Laju Perpindahan Panas
Untuk menghitung laju perpindahan panas, dapat digunakan persamaan:
q h=mh Cph ( T hi −T ho)
q c =mc Cp c ( T co −T ci )
diperlukan data ρ dan Cp pada Tav (µ < 1Cp)
T av=
T i−T o
2
Data ρ diperoleh dari App. A.2-3 di buku Geankoplis.
Data µ diperoleh dari App. A.2-4 di buku Geankoplis.
Data Cp diperoleh dari App. A.2-5 di buku Geankoplis.
Data k diperoleh dari App. A.2-6 di buku Geankoplis.
Hasilnya dapat dilihat pada Tabel 4 dan Tabel 5
Pada aliran dingin , Saat t = 4 menit
q c =mc Cp c ( T co −T ci )
q c =Qc ρ Cpc ( T co −T ci )
Untuk hasil-hasil perhitungan pada menit selanjutnya dapat dilihat pada
Tabel 6.
4. Menghitung Uo(exp) dan Ui(exp)
Uo ( exp ❑ )=
q
∆ T LMTD
di = 1,049 in = 0,0266 m
25
do = 1,315 in = 0,0334 m
Di = 3,5 in = 0,0889 m
Do = 3,068 in = 0,0779 m
L=2m
dL = diameter rata-rata logaritmik
d L=
d o−d i 0,0334−0,0266
=
=0,02987 m
do
0,0334
ln
ln
0,0266
di
d L=
Sehingga:
d o−d i 0,0334−0,0266
=
=0,02987 m
do
0,0334
ln
ln
0,0266
di
A i=π d i L=( 3,14 ) ( 0,0266 ) ( 2 )=0,167048m
2
A o =π d o L=( 3,14 ) ( 0,0334 ) ( 2 )=0,209752 m 2
Pada t = 4 menit
Uo ( exp ❑ )=
q
∆ T LMTD
0,209× 12,49℃
¿
497 J /s
Uo ( exp ❑ )=
¿
Uo (exp) = 190,39 W/m2°C
Ai ×∆ TLMTD
¿
qc
Ui ( exp❑ )=
¿
26
0,167 ×12,49 ℃
¿
416 J /s
Ui ( exp❑ )=
¿
Ui(exp) = 199,13 W/m2°C
Untuk t selanjutnya, dengan cara yang sama, diperoleh nilai Uo(exp) dan Ui
(exp) pada tabel 8.
5. Menghitung Nilai NRe
Nℜ =
o
dengan:
D eq G h
μh
Nℜ =
i
Gh=mass velocity fluida panas=
ḿh
aa
G c =mass velocity fluida dingin=
2
d i Gc
μc
ḿ c
ai
2
π (D i −d o ) 3,14( 0,08892−0,0334 2)
a a=
=
=0,005328305 m2
4
4
π (d i2 ) 3,14 (0,0266 2)
a a=
=
=0,00055543 m2
4
4
Saat t = 4 menit
G h=
ḿh Qh ρh ( 60 x 10−6 ) ( 991,33 )
kg
=
=
=11,21 2
aa
aa
0,005328305
m .s
G h=
ḿh Qh ρh ( 60 x 10−6 ) ( 991,33 )
kg
=
=
=11,21 2
aa
aa
0,005328305
m .s
27
ḿc Qc ρ c ( 100 x 10−6 ) (995,38)
kg
Gc = =
=
=179,67 2
ai
ai
0,00055543
m .s
ḿc Qc ρ c ( 100 x 10−6 ) (995,38)
kg
=
=
=179,67 2
ai
ai
0,00055543
m .s
Gc =
Nℜ =
D eq Gh ( 0,2032 ) (11,21 )
=
=3612,11
μh
0,00063
Nℜ =
d i G c ( 0,0889 ) (179,67)
=
=20500
μc
0,00078
o
i
Untuk perhitungan pada t selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 9.
6. Menghitung Nilai Npr
N Pr =
i
Cpc μ c
kc
N Pr =
o
Cph μh
kh
Saat t = 4 menit
N Pr =
Cp c μ c ( 4,181 ) (0,00078)
=
=5,243
−3
kc
0,655× 10
N Pr =
Cph μh ( 4,184 ) (0,00062)
=
=3,957
kh
0,622
i
o
Untuk hasil-hasil perhitungan pada menit-menit berikutnya dapat dilihat
pada Tabel 10.
28
7. Menghitung Nilai hi dan ho
0,8
hi=0,023 ( N ℜ )
i
0,33
( N Pr L )
i
(
ho =0,023 ( N ℜ ) 0,8 ( N Pr L )0,33
o
o
kc
)
di
kh
Deq
( )
Saat t = 4 menit
h0=0,023 (3612,11 )0,8 ( 3957,2 )0,33
0,655
( 0,0266
)=786,62 mW. K
2
= 786,62 W/m2.K
hi=0,023 ( 20500 )0,8 ( 5243,2 )0,33
0,622
( 0,0266
)=3287,31 mW. K
2
= 3287,31 W/m2.K
Untuk hasil perhitungan selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 11.
8. Menghitung Nilai Ui(theo), Uo(theo) dan U(theo)
x w =d o −d i=0,0344−0,0266=0,0068 m
29
d L=
d o−d i 0,0334−0,0266
=
=0,02987 m
do
0,0334
ln
ln
0,0266
di
Kemudian U(theo) dapat dihitung dengan rumus:
U(theo) = Ui(theo) + U0(theo)
Saat t = 4 menit
U i (theo )=
1
1
0,068 0,0266 0,0266
1
+
.
+
×
3287,31
45 0,02987 0,0334 786,62
¿ 586,59
U o (theo) =
W
m .℃
2
¿ 262,0736
W
2
m .K
1
W
=467,17 2
1
0,068 0,0266 0,0334
1
m .℃
+
.
+
.
786,62
45 0,02987 0,0266 3287,31
U (theo )=586,59+467,17=1053,76
W
m .℃
2
U (theo )=262,0736+208,7063=470,78
W
2
m .K
Untuk hasil perhitungan pada menit selanjutnya dapat dilihat pada
Tabel 12.
9. Menghitung Efisiensi dan Efektifitas HE
Efisiensi HE
30
η=
panas yang dimanfaatkan U (exp ❑)
=
×100
panas yang ditransfer
U (tHeo)
Efektivitas HE
∈=
mh. Cph.(Thi−Tho)
mc . Cpc .(Thi−Tco)
Untuk hasil perhitungannya dapat dilihat pada tabel 13
10. Menghitung Rd (Fouling Factor)
Rd=
(Uc−Ud)
(Uc ×Ud)
Untuk menghitung Uc
Uc=
hio h o
hio +ho
Hasil perhitungannya dapat dilihat pada tabel 14
11. Menghitung Pressure Drop (∆P)
Fluida panas untuk t= 4 menit
1) De’ untuk pressure drop
De’ = (D2-D1)
Nℜ =
o
Deq Gh ( 0,055 ) ( 11,21 )
=
=987,55
μh
0,00063
31
0,264
0,264
=0,0035+
=0,018
0,42
( Nrei )
987,530,42
f =0,0035+¿
(
∆ Fh=
V=
)
4 f Gh2 L❑
4 ×0,018 × 11,212
=
=1× 10−5
2
2
2 g ρ De' 2 ×9,8 × 995,2 × 0,053
Gh
ρ
2
∆ FT =2
2
V
0,011
=2×
=1,3× 10−5
2g
2 × 9,8
Fluida dingin untuk t=4 menit
1) D untuk pressure drop =
f =0,0035+(
2)
0,264
)
NReo 0,42
4 f G h2 L
∆ F T=
2 g ρ2 D
V=
Gc
ρ
∆ FT =2
V2
0,182
=2×
=0,003
2g
2 × 9,8
Untuk hasil perhitungan dari pressure drop dapat dilihat pada tabel 15
32
33
(Laporan Akhir Praktikum Operasi Teknik Kimia II)
Oleh :
Fitriani Wulandari
(1115041019)
Fully Reha Rangganita
(1115041020)
Rizka Aidila
(1115041043)
Sherlyana
(1115041044)
Laboratorium Operasi Teknik Kimia
Jurusan Teknik Kimia
Fakultas Teknik
Universitas Lampung
2014
ABSTRAK
1
PENENTUAN EFISIENSI DAN EFEKTIFITAS PADA
DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGERS
Oleh
Fitriani Wulandari, Fully Resha Rangganita, Rizka Aidila, Sherlyana
Heat exchanger adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu
fluida ke fluida lain yang lebih dingin. Prinsip kerja dari Heat exchanger yaitu
perpindahan panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari fluida
yang digunakan. Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin umumnya
dikontakkan secara tidak langsung atau melalui suatu pemisah, umumnya
dipisahkan oleh dinding pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan panas dari
fluida panas ke dinding melalui konveksi, sedangkan menembus dinding melalui
proses konduksi lalu menuju fluida dingin melalui konveksi. Terdapat 3 jenis HE
yang biasa dipakai di industri yaitu, double pipe heat exchanger, shell and tube,
dan plate and frame. Pada praktikum kali ini yang kami gunakan adalah double
pipe heat exchanger. Aliran yang terjadi pada HE ada 2 tipe yaitu aliran countercurrent dan aliran co-current. Pada praktikum ini aliran yang digunakan adalah
counter-current.
Percobaan dilakukan dengan laju alir fluida panas dan dingin masingmasing sebesar 40 ml/menit dan 55 ml/menit. Pada suhu masuk fluida dingin 310C
dan suhu masuk fluida panas 450C. Hasil percobaan menunjukkan efisiensi dan
efektifitas pada pada HE yang kami gunakan sebesar 0.2351 dan 95%.
Kata Kunci : Heat Exchangers, Efisiensi, Efektifitas, Perpindahan Panas
I.
PENDAHULUAN
2
I.1.
Latar Belakang
Dalam industri kimia, banyak proses yang melibatkan perpindahan energi
dalam bentuk panas. Proses perpindahan terjadi karena adanya perbedaan
temperatur. Pada praktikum ini, kita akan membahas salah satu alat perpindahan
panas yang biasa digunakan di industri yaitu Heat Exchanger. Heat exchanger
adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke fluida lain yang
lebih dingin. Prinsip kerja dari Heat exchanger yaitu perpindahan panas yang
terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari fluida yang digunakan.
Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin umumnya dikontakkan secara
tidak langsung atau melalui suatu pemisah, umumnya dipisahkan oleh dinding
pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan panas dari fluida panas ke dinding
melalui konveksi, sedangkan menembus dinding melalui proses konduksi lalu
menuju fluida dingin melalui konveksi. Proses perpindahan panas dipengaruhi
oleh beberapa hal seperti jenis heat exchanger yang digunakan, bahan konstruksi
pada heat exchanger, temperatur fluida yang akan dipertukarkan panasnya, sifat
fisik fluida tersebut, laju alir fluida masuk, dsb.
Terdapat 3 jenis Heat Exchanger yang sering digunakan dalam industri,
yaitu Double Pipe Heat Exchanger, Shell and Tube Heat exchanger, Plate and
Frame Heat exchanger . Penggunaan heat exchanger pada industri disesuaikan
dengan kebutuhan perpindahan panasnya. Double pipe biasa digunakan apabila
dibutuhkan perpindahan panas yang tidak terlalu besar, sebaliknya jika dibutuhkan
perpindahan panas yang besar dapat menggunkan baik shell and tube maupun
plate and frame. Pada percobaan ini, jenis Heat exchanger yang digunakan yaitu
Double Pipe Heat Exchanger.
Masih layak atau tidaknya sebuah heat exchanger untuk digunakan dapat
dilihat dari kemampuan alat tersebut untuk dapat mempertukarkan sejumlah panas
dari fluida dengan dipengaruhi oleh beberapa faktor diatas. Dari percobaan ini,
kita juga akan menghitung efektivitas Heat exchanger yang digunakan. Semakin
3
lama digunakannya suatu heat exchanger, tidak menutup kemungkinan untuk
terbentuk suatu faktor pengotor (Fouling factor), yang mana fouling factor
merupakan akumulasi endapan yang tidak diinginkan pada permukaan
perpindahan panas. Untuk itu pada Heat Exchanger fouling factor juga harus
untuk mengetahui efektivitas dari Heat Exchanger tersebut.
I.2.
Tujuan Percobaan
Adapun tujuan dari percobaan heat exchanger ini antara lain :
1. Mempelajari laju perpindahan panas
2. Mempelajari koefisien over all transfer panas
3. Mempelajari efektifitas HE
II. TINJAUAN PUSTAKA
4
Panas (kalor) adalah sebentuk energi yanbg dapat mengalir atau berpindah.
Perpindahan atau hantaran kalor dapat terjadi melalui mekanisme konduksi,
konveksi, dan radiasi.
1. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai
perpindahan partikel-partikel zat. Biasanya terjadi pada logam.
2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat dengan disertai
perpindahan pertikel-partikel zat. Konveksi biasa terjadi pada zat cair dan
gas.
3. Radiasi
Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui perantara.
(Setiawan, 2008).
Heat Exchanger adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke
fluida lain yang lebih dingin. Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin
umumnya dikontakkan secara tidak langsung atau melalui suatu pemisah,
umumnya dipisahkan oleh dinding pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan
panas dari fluida panas ke dinding melalui konveksi, sedangkan menembus
dinding melalui proses konduksi lalu menuju fluida dingin melalui konveksi (Tim
Instruktur Laboratorium OTK II).
Salah satu jenis penukar kalor ialah susunan pipa ganda. Dalam penukar kalor
jenis ini dapat digunakan aliran searah atau aliran lawan arah, baik dengan zat cair
panas maupun zat cair dingin terdapat dalam ruang annulus dan zat cair yang lain
di dalam pipa dalam.
5
Perpindahan kalor melalui dinding bidang datar dinyatakan dalam persamaan,
di mana TA dan TB masing-masing ialah suhu fluida pada kedua sisi dinding itu.
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh U didefinisikan oleh hubungan.
Dari
sudut
pandangan
bidang datar jarang ada
penukar
kalor,
dinding
penerapannya, kasus yang
lebih penting untuk mendapat perhatian adalah penukar kalor pipa ganda.
Pada penerapan ini salah satu fluida mengalir di dalam tabung yang lebih kecil,
sedang fluida yang satu lagi mengalir di dalam ruang annulus di antara kedua
tabung. Perpindahan kalor menyeluruh didapatkan dari jaringan termal
Di mana subskrip i dan o menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung
dalam yang lebih kecil. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh bisa didasarkan
atas luas dalam atau luas luar tabung, menurut kebutuhan perancang.
6
Walaupun rancangan akhir penukar kalor dibuat atas dasar perhitungan yang teliti
mengenai U, ada juga baiknya mendaftarkan nilai-nilai koefisien perpindahan
kalor menyeluruh untuk berbagai situasi yang mungkin ditemui dalam praktek.
Nilai U dalam banyak hal ditentukan hanya oleh salah satu koeffisien perpindahan
kalor konveksi. Dalam kebanyakan soal-soal praktis tahanan konduksi sangat
kecil bila dibandingkan dengan tahanan konveksi. Jika salah satu nilai h jauh lebih
kecil dari yang lain, ia cenderung mempunyai pengaruh terbesar dalam
persamaan U. Konveksi bebas merupakan faktor yang sangat menentukan
perpindahan kalor menyeluruh karena Ro jauh lebih besar dari Ri atau Rs.
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh yang didasarkan atas permukaan luar
dinyatakan dengan tahanan-tahanan tersebut sebagai berikut:
Koefisien perpindahan menyeluruh hampir seluruhnya ditentukan oleh nilai ho.
(Brown, 1950)
Pertukaran panas secara tidak langsung memungkinkan terjadinya
perpindahan panas dari suatu fluida ke fluida lain melalui dinding pemisah.
Berdasarkan arah aliran fluida, pertukaran panas dapat dibedakan :
1. Pertukaran Panas dengan Aliran Searah (Co-Current Flow)
Pertukaran panas jenis ini, kedua fluida ( dingin dan panas ) masuk pada
7
sisi penukar panas yang sama, mengalir dengan arah yang sama, dan
keluar pada sisi yang sama pula. Karakter penukar panas jenis ini,
temperatur fluida dingin yang keluar dari alat penukar panas ( T cb) tidak
dapat melebihi temperatur fluida panas yang keluar dari alat penukar panas
(Thb), sehingga diperlukan media pendingin atau media pemanas yang
banyak. Neraca panas yang terjadi :
Gambar 2.3. Profil Temperatur pada Aliran Co-Current
Dengan assumsi nilai kapasitas panas spesifik ( Cp ) fluida dingin dan
panas konstan, tidak ada kehilangan panas ke lingkungan serta keadaan
steady state, maka kalor yang dipindahkan :
dengan : U = koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (W / m2.0C)
8
A = luas perpindahan panas (m2)
∆ TLMTD = ∆T2 - ∆T1
(Log Mean Temperature Diffrensial)
ln (∆T2 / ∆T1)
∆T2 = Thb – Tcb
∆T1 = Tha – Tca
2. Pertukaran Panas dengan Aliran Berlawanan (Counter-Current Flow)
Penukar panas jenis ini, kedua fluida ( panas dan dingin ) masuk penukar
panas dengan arah berlawanan, mengalir dengan arah berlawanan dan
keluar pada sisi yang berlawanan . Temperatur fluida dingin yang keluar
penukar panas (Tcb ) lebih tinggi dibandingkan temperatur fluida panas
yang keluar penukar panas ( Thb ), sehingga dianggap lebih baik dari alat
penukar panas aliran searah (Co-Current Flow).
Gambar 2.4. Profil Temperatur pada Aliran Counter-Current
Kalor yang dipindahkan pada aliran counter current mempunyai persamaan yang
9
sama dengan persamaan diatas, dengan perbedaan nilai ∆LMTD , dengan pengertian
beda ∆T1 dan ∆T2, yaitu:
∆T1 = Thb – Tca
∆T2 = Tha – Tcb
(Hartono, 2008)
When the area of a heat exchanger is known and the outlet temperatures of both
streams are to
Efektivitas Heat exchanger didefinisikan sebagai rasio dari laju aktual
perpindahan panas yang diberikan alat dengan jumlah perpindahan panas
maksimum jika luas perpindahan panas yang tidak terbatas.
Thi
Tho
Tco
Tci
Gambar 3. Profil Temperatur untuk counter current Heat Exchanger
Untuk counter flow exchanger, efektivitas dapat dihitung dengan persamaan :
∈=
C h(T hi−T h o)
Cc (Tco−Tci)
=
Cmin(T h i−Tci) Cmin(T hi−Tci)
(Geankoplis,1983).
Resistan akan bertambah sering dengan pemakain Heat Exchanger , di mana pada
perhitungan U di atas hanya didasarkan pada koefisien perpindahan panas pada
kondisi awal sebelum pemakaian atau disebut dengan clean overall coefficient,
Uc. Untuk mengantisipasi fouling factor karena kotoran dan scale pada
permukaan perpindahan panas , maka desain harus memperhitungkan pengotoran
ini dan perhitungan Heat exchanger didasarkan pada Uc dan Ud.
10
1
1
= + Rd
Ud Uc
Bila Rd yang terdeposit lebih dari Rd yang diizinkan maka HE tidak mampu lagi
mentransfer paans sesuai dengan perancangan dan harus dibersihkan. Data Rd
dapat dilihat pada Appendix Table 12.
Pressure drop pada pipa dan annulus yang diizinkan dalam sebuah Heat
Exchanger adalah tekanan fluida statik yang mungkin dihasilkan untuk
mengalirkan fluida melalui Heat Exchanger tersebut. Pompa yang dipilih untuk
sirkulasi adalah pompa yang mempunyai head yang cukup untuk memenuhi
kapasitas feed melalui kehilangan friksi yang disebabkan oleh perpipaan, fittings ,
dan regulator.
(Kern,1950).
III. METODOLOGI PERCOBAAN
11
1.1. Peralatan dan Bahan
Peralatan yang digunakan pada percobaan ini yaitu , sebagai berikut:
a.
b.
c.
d.
e.
1 set alat double pipe HE
Gelas ukur 1000 ml
Termometer
Stopwatch
Pemantik
Bahan-bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah:
a. Air
b. Es batu
1.2. Prosedur Percobaan
Periksa arah bukaan valve satu persatu dan pastikan arah aliran yang di inginkan
Kalibrasi orificemeter untuk mendapatkan laju alir yang sesuai dengan penugasan
yang diberikan oleh dosen pembimbing.
Kalibrasi pada bagian fluida panas dan aliran dingin pada fluida panas nyalakan
alat pemanas,setelah cukup panas nyalakan pompa di kedua sisi. Perhatikan alat
penunjuk temperature pada kedua aliran. Lihat temperature yang ditunjukan sudah
sesuai dengan temperature yang diinginkan.
Siapkan stopwatch, kertas pencatat dan gelas ukur, yang dibutuhkan untuk
mengkalibrasi aliran fluida panas dan dingin.
Perhatikan nomor valve dan tanda (S = stop ) atau (O =open ) pada valve untuk
fluida panas , tutup V-3, V-2, V-5, V-8, dan buka V-4, V-6, V-7, mengatur aliran
dengan V-1 dan V-3 dibuka untuk menampung aliran yang keluar.
12
Untuk fluida dingin, buka V-9, V-12, V-13, V-17, tutup V-10, V15, V-16, dan
untuk mengatur aliran pada V-14.
Saat pengatuan aliran perhatikan selisih ketinggian air raksa yang ditunjukkan
oleh manometer.
Catat data jumlah (volume) aliran yang keluar perwaktu, serta perubahan
ketinggian air raksa.Buat gambar hubungan laju alir dan tinggi air raksa pada
kertas grafik.
Data yang diperoleh dari kalibrasi orificemeter adalah laju alir volume.
Untuk aliran counter atau berlawanan aliran panas valve yang dibuka adalah V-1,
V-6, V-7,V-4, danV-2. Sedangkan aliran dingin valve yangdibuka adalah V-14,V13, V-9, V-10, V-16.Sedangkan untuk aliran lain baik dialiran panas atau aliran
dingin ditutup.
Catat aliran dikedua sisi aliran panas dan dingin. Laju alir divariasikan dengan
mengubah-ubah bukaan valve di V-14 untuk aliran dingin dan V-1 untuk aliran
panas.
IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
13
1.1 Hasil Pengamatan
Fluida Dingin
∆h (cm)
1
2
3
V (ml)
t (sekon)
Q (V/t)
150
3
50
150
3
50
140
3
46,67
350
3
116,67
330
3
110
360
3
120
420
3
140
410
3
136,67
420
3
140
V (ml)
t (sekon)
Q (V/t)
210
3
70
240
3
80
250
3
83,3
320
3
106,67
310
3
103,33
310
3
103,33
360
3
120
350
3
116,67
Q ratarata
48,89
115,56
138,89
Fluida Panas
∆h (cm)
1
2
3
Q ratarata
77,76
104,44
117,78
14
350
3
116,67
Aliran: counter-current
Fluida Dingin
t
(menit
)
h
(cm)
Q (ml)
Tci (ºC)
Tco
(C)
0
1
55
31
31
4
1
55
31
33
8
1
55
31
33
12
1
55
31
34
16
1
55
31
35
20
1
55
31
35
t
(menit
)
h
(cm)
Q (ml)
Tci (ºC)
Tco
(C)
0
3
40
45
45
4
3
40
45
42
8
3
40
45
41
12
3
40
45
41
16
3
40
45
40
20
3
40
45
40
Fluida Panas
4.2 Pembahasan
15
Heat exchanger adalah peralatan untuk memindahkan panas dari satu fluida ke
fluida lain yang lebih dingin. Prinsip kerja dari Heat exchanger yaitu perpindahan
panas yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur dari fluida yang
digunakan. Perpindahan panas antar fluida panas dan dingin umumnya
dikontakkan secara tidak langsung atau melalui suatu pemisah, umumnya
dipisahkan oleh dinding pipa dengan ketebalan tertentu. Perpindahan panas dari
fluida panas ke dinding melalui konveksi, sedangkan menembus dinding melalui
proses konduksi lalu menuju fluida dingin melalui konveksi. Terdapat 3 jenis HE
yang biasa dipakai di industri yaitu, double pipe heat exchanger, shell and tube,
dan plate and frame. Pada praktikum kali ini yang kami gunakan adalah double
pipe heat exchanger. Aliran yang terjadi pada HE ada 2 tipe yaitu aliran countercurrent dan aliran co-current. Pada praktikum ini aliran yang digunakan adalah
counter-current. Fluida yang dipertukarkan panasnya ialah air, dengan suhu masuk
sebesar 45 oC sebagai fluida panas dan dengan suhu masuk sebesar 31 oC sebagai
fluida dingin. Pada praktikum ini, digunakan laju alir dingin 55 mL/s dan laju air
panas 40 mL/s.
Pertama-tama perlu dilakukan kalibrasi laju alir untuk mendapatkan laju alir yang
diinginkan. Dari kalibrasi ini yang didapat adalah data Q dan ∆h. Kalibrasi
dilakukan terhadap fluida dingin terlebih dahulu agar tidak terjadi perpindahan
panas sebelumnya. Data Q dan ∆h ini selanjutnya dibuat grafik dan diplotkan
pada sumbu x dan y sehingga akan diperoleh persamaan garis. Perbedaan
ketinggian ini menggambarkan perbedaan tekanan fluida panas dan fluida dingin
yang diberikan oleh pompa pada saat masuk orificemeter dan keluar orificemeter
yang dikarenakan adanya penyempitan luas penampang secara mendadak di
bagian dalam orificemeter sehingga gaya-gaya yang terdapat pada aliran (gaya
gesek, gaya viscous dan lain-lain) akan terdistribusi di sekelilingnya dan daerah di
sekitar orificemeter akan bertekanan tinggi. Hal ini menyebabkan air raksa yang
berada di dalam selang manometer akan bergerak sehingga menimbulkan
perbedaan ketinggian pada selang aliran masuk orificemeter dan selang keluaran
orificemeter.
Berdasarkan kalibrasi laju alir didapatkan persamaan linear sebagai berikut:
untuk fluida panas : y = 45x + 11.11
16
untuk fluida dingin : y = 20.01x + 59.97
Langkah selanjutnya yaitu mengukur suhu keluar pada fluida panas dan dingin.
Pengukuran dilakukan sebanyak 6 kali yaitu setiap 4 menit sekali (pada 0, 4, 8,
12, 16, dan 20 menit). Suhu keluar pada fluida dingin (Tco) yaitu sebesar 31, 33,
33, 34, 35, dan 35 C. Lalu suhu keluar pada fluida panas (Tho) yaitu sebesar 45,
42, 41, 41, 40, 40 C. Setelah itu data-data tersebut diolah untuk mencari ∆T
LMTD. Setelah itu menghitung qh dan qc, yang sebelumnya mencari data ρ, Cp,
μ, dan K baik untuk fluida panas maupun fluida dingin. Data-data tersebut dapat
dilihat pada Appendix di buku Geankoplis. Data-data seperti hi, ho, Ui, Uo, Nre,
dan NPr juga dicari dengan cara seperti yang telah dijelaskan di perhitungan.
Kemudian akhrinya dicarilah nilai Rd, P, efisiensi serta efektifitas dari Heat
Exchanger tersebut yaitu sebesar: Rd = 0,000936498, P = 0,214365097 psia,
efisiensi = 95,18223072, efektifitas = 0,23512059. Sehingga dapat dikatakan
bahwa HE pada laboratorium yang kami gunakan masih baik untuk dipakai.
Efektifitas untuk aliran counter current merupakan perbandingan antara selisih
suhu fluida panas masuk dengan fluida panas keluar terhadap selisih suhu fluida
panas masuk dengan suhu fluida dingin keluar. Dari data yang didapat, semakin
lama waktu pertukaran panas antara fluida panas dengan fluida dingin maka akan
semakin besar nilai efektifitasnya. Hal ini disebabkan karena pertukaran panas
terjadi pada keadaan non-steady sehingga terdapat perubahan laju alir panas per
satuan waktu di sepanjang pipa. Untuk nilai Npro dan Npri, terlihat bahwa semakin
lama transfer panasnya maka nilai Npro akan semakin besar sebaliknya nilai Npri
akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan pada pipa bagian luar, fluida panas akan
melepaskan panasnya ke fluida dingin dan fluida dingin yang ada di pipa bagian
dalam akan menerima panas dari fluida panas. Oleh karena itu, terdapat kebalikan
peningkatan bilangan Prantdl. Berdasarkan nilai koefisien perpindahan panas
konveksi pada terlihat bahwa nila hi pada fluida dingin akan semakin besar seiring
dengan semakin lamanya waktu pertukaran panas sebaliknya nilai ho pada fluida
17
panas akan semakin kecil. Hal ini dikarenakan fluida panas akan menyerahkan
sejumlah panasnya ke fluida dingin sehingga nilai hi pada fluida dingin akan
semakin besar.
Dari data T dan X, dibuatlah grafik yang menggambarkan hubungan antara
temperatur dan setiap titik sepanjang X, diketahui proses perpindahan panas
mengalami perpindahan panas di mana pada fluida dingin temperaturnya semakin
naik sedangkan pada fluida panas temperaturnya semakin turun.
Pada heat
exchanger, temperatur yang digunakan yaitu Logarithmic Mean Temperatur
Difference (∆TLMTD).
Efisiensi pada heat exchanger merupakan perbandingan antara jumlah panas yang
diserap fluida terhadap jumlah panas yang ditransfernya.
Seperti yang telah
disebutkan di atas tadi, efisiensi HE yang kami gunakan yaitu sbesar 95,18%.
Sehingga dapat dikatakan HE ini masih baik untuk dipakai. Faktor pengotor (Rd)
juga mempengaruhi nilai efisiensi dan efektivitas. Jika nilai Rd yang didapat lebih
dari Rd yang diperbolehkan maka proses perpindahan panasnya tidak maksimal
dan sebaiknya dilakukan pembersihan alat agar Rd nya mengecil. Rd yang terjadi
dapat menyebabkan mengurangnya luas permukaan HE dan meningkatkan
pressure drop sehingga dibutuhkan energi ekstra untuk pemompaan. Karena itulah
pada saat kita merancang HE nilai Rd yang kita design harus lebih besar dari Rd
aktual agar cukup untuk menyiapkan ruang (luas) pada HE ketika HE tersebut
telah lama digunakan. Pada praktikum ini, nilai Rd rata-rata yang didapat sekitar
0,00094. Hal ini menunjukkan bahwa alat masih bisa untuk digunakan.
Data Rd ( fouling factor ) yang diperbolehkan dapat dilihat pada tabel 12, buku
Process Heat Transfer –D.Q. Kern.
Pressure drop (∆P) merupakan bilangan yang memperlihatkan seberapa besar
suatu fluida dapat mempertahankan tekanan yang dimiliki selama fluida tersebut
mengalir. Jika ∆P yang dihasilkan terlalu besar maka aliran fluidanya semakin
cepat sehingga perpindahan panasnya tidak efektif. Sedangkan jika ∆P terlalu
kecil maka aliran fluida semakin lambat dan dapat menyebabkan terjadinya
pengendapan / pengotoran sehingga Rd nya semakin besar .
18
Dari hasil perhitungan, didapatkan nilai ∆P rata-ratanya 0.214 psi. Sehingga dapat
dikatakan bahwa HE ini masih layak pakai karena pressure dropnya kurang dari
10 psi.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan, maka dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut:
19
1. Semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk perpindahan panas maka nilai
efisiensi dan efektivitas akan semakin besar.
2. Nilai Rd mempengaruhi efektivitas Heat Exchanger. Apabila Rd evaluasi lebih
kecil dari Rd yang diizinkan alat tersebut masih baik untuk digunakan.
3. Efektivitas dari suatu Heat Exchanger dipengaruhi oleh laju Q, Rd, ∆P, ∆TLMTD,
serta koefisien perpindahan panas yang terjadi.
4. Jika pressure drop terlalu besar maka transfer panas tidak maksimal,
sedangkan jika pressure drop terlalu kecil maka akan terjadi pengendapan.
5. Rd, P, dan efektivitas yang didapat dari praktikum ini yaitu sebesar 0.00094,
0.214, 95.18% sehingga dapat dikatakan bahwa alat ini masih baik untuk
digunakan.
DAFTAR PUSTAKA
20
Brown, G.G. 1950. Unit Operation, Student Edition. Mc. Graw Hill Inc : New
York
Geankoplis, C.J. 1983. Transport Process and Unit Operation, 2nd Ed. Allyn and
Baron Inc : New York
Hartono, Rudi. 2008. Penukar Panas. Camelia: Banten.
Kern, Donald, Q. 1950. Process Heat Transfer. Mc. Graw Hill Inc : New York
Setiawan, Ruslan Tri. 2008. Ringkasan dan Kumpulan Soal Fisika. Grasindo:
Jakarta
21
LAMPIRAN
PERHITUNGAN
22
Data-data yang diperoleh dari praktikum :
Thi
Tci
Qfluida panas
Qfluida dingin
=
=
=
=
45 oC
31 oC
40 ml/s
55 ml/s
Kemudian mengolah data yang didapat dari data-data saat praktikum:
1. Kalibrasi aliran panas dan dingin; aliran: counter-current
Menghitung ∆H Orificemeter Pada Fluida Panas Dan Fluida Dingin Laju Alir
(Q)
a. Kalibrasi fluida dingin
∆H = 1 cm, t = 3 s , V= 150 mL
Q=
210
= 50 mL/s
3,08
∆H = 1 cm, t = 3 s , V= 150 mL
Q = 150 ml/ 3 s = 50 ml/s
∆H = 1 cm, t = 3 s , V= 140 mL
Q = 140 ml/ 3 s = 46,67 ml/s
Qrata−rata=
Q 1+Q 2+Q3
3
23
Qrata-rata = 48,89 mL/s
Dengan cara yang sama, Q dapat dihitung untuk ∆H sebesar 2 dan 3cm.
Nilai Q dan Qrata-rata dapat dilihat pada tabel 1 dan 2.
Kemudian data ∆H dan Qrata-rata, diplot menjadi grafik. ∆H sebagai sumbu x dan
Q rata-rata sebagai sumbu y. Dari grafik diperoleh suatu persamaan garis yaitu
a. Persamaan garis untuk fluida panas :
y = 45x + 11.11
b. Persamaan garis untuk fluida dingin :
y = 20.01x + 59.97
2. Menghitung ∆TLMTD
Untuk aliran counter current, ∆TLMTD dapat dihitung dengan persamaan:
∆T 1−∆ T 2
∆ T1
ln
∆ T2
dengan ∆T1 = Thi - Tco
∆T2 = Tho - Tci
∆ T LMTD =
Saat t = 4 menit
∆T1 = (318 – 306) K = 12 K
∆T2 = (315 – 304) oC = 11 K
Sehingga ∆TLMTD = 11,49274997
24
Untuk t selanjutnya dapat dihitung dengan cara yang sama, hasilnya
dapat dilihat di tabel 3
3. Menghitung Laju Perpindahan Panas
Untuk menghitung laju perpindahan panas, dapat digunakan persamaan:
q h=mh Cph ( T hi −T ho)
q c =mc Cp c ( T co −T ci )
diperlukan data ρ dan Cp pada Tav (µ < 1Cp)
T av=
T i−T o
2
Data ρ diperoleh dari App. A.2-3 di buku Geankoplis.
Data µ diperoleh dari App. A.2-4 di buku Geankoplis.
Data Cp diperoleh dari App. A.2-5 di buku Geankoplis.
Data k diperoleh dari App. A.2-6 di buku Geankoplis.
Hasilnya dapat dilihat pada Tabel 4 dan Tabel 5
Pada aliran dingin , Saat t = 4 menit
q c =mc Cp c ( T co −T ci )
q c =Qc ρ Cpc ( T co −T ci )
Untuk hasil-hasil perhitungan pada menit selanjutnya dapat dilihat pada
Tabel 6.
4. Menghitung Uo(exp) dan Ui(exp)
Uo ( exp ❑ )=
q
∆ T LMTD
di = 1,049 in = 0,0266 m
25
do = 1,315 in = 0,0334 m
Di = 3,5 in = 0,0889 m
Do = 3,068 in = 0,0779 m
L=2m
dL = diameter rata-rata logaritmik
d L=
d o−d i 0,0334−0,0266
=
=0,02987 m
do
0,0334
ln
ln
0,0266
di
d L=
Sehingga:
d o−d i 0,0334−0,0266
=
=0,02987 m
do
0,0334
ln
ln
0,0266
di
A i=π d i L=( 3,14 ) ( 0,0266 ) ( 2 )=0,167048m
2
A o =π d o L=( 3,14 ) ( 0,0334 ) ( 2 )=0,209752 m 2
Pada t = 4 menit
Uo ( exp ❑ )=
q
∆ T LMTD
0,209× 12,49℃
¿
497 J /s
Uo ( exp ❑ )=
¿
Uo (exp) = 190,39 W/m2°C
Ai ×∆ TLMTD
¿
qc
Ui ( exp❑ )=
¿
26
0,167 ×12,49 ℃
¿
416 J /s
Ui ( exp❑ )=
¿
Ui(exp) = 199,13 W/m2°C
Untuk t selanjutnya, dengan cara yang sama, diperoleh nilai Uo(exp) dan Ui
(exp) pada tabel 8.
5. Menghitung Nilai NRe
Nℜ =
o
dengan:
D eq G h
μh
Nℜ =
i
Gh=mass velocity fluida panas=
ḿh
aa
G c =mass velocity fluida dingin=
2
d i Gc
μc
ḿ c
ai
2
π (D i −d o ) 3,14( 0,08892−0,0334 2)
a a=
=
=0,005328305 m2
4
4
π (d i2 ) 3,14 (0,0266 2)
a a=
=
=0,00055543 m2
4
4
Saat t = 4 menit
G h=
ḿh Qh ρh ( 60 x 10−6 ) ( 991,33 )
kg
=
=
=11,21 2
aa
aa
0,005328305
m .s
G h=
ḿh Qh ρh ( 60 x 10−6 ) ( 991,33 )
kg
=
=
=11,21 2
aa
aa
0,005328305
m .s
27
ḿc Qc ρ c ( 100 x 10−6 ) (995,38)
kg
Gc = =
=
=179,67 2
ai
ai
0,00055543
m .s
ḿc Qc ρ c ( 100 x 10−6 ) (995,38)
kg
=
=
=179,67 2
ai
ai
0,00055543
m .s
Gc =
Nℜ =
D eq Gh ( 0,2032 ) (11,21 )
=
=3612,11
μh
0,00063
Nℜ =
d i G c ( 0,0889 ) (179,67)
=
=20500
μc
0,00078
o
i
Untuk perhitungan pada t selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 9.
6. Menghitung Nilai Npr
N Pr =
i
Cpc μ c
kc
N Pr =
o
Cph μh
kh
Saat t = 4 menit
N Pr =
Cp c μ c ( 4,181 ) (0,00078)
=
=5,243
−3
kc
0,655× 10
N Pr =
Cph μh ( 4,184 ) (0,00062)
=
=3,957
kh
0,622
i
o
Untuk hasil-hasil perhitungan pada menit-menit berikutnya dapat dilihat
pada Tabel 10.
28
7. Menghitung Nilai hi dan ho
0,8
hi=0,023 ( N ℜ )
i
0,33
( N Pr L )
i
(
ho =0,023 ( N ℜ ) 0,8 ( N Pr L )0,33
o
o
kc
)
di
kh
Deq
( )
Saat t = 4 menit
h0=0,023 (3612,11 )0,8 ( 3957,2 )0,33
0,655
( 0,0266
)=786,62 mW. K
2
= 786,62 W/m2.K
hi=0,023 ( 20500 )0,8 ( 5243,2 )0,33
0,622
( 0,0266
)=3287,31 mW. K
2
= 3287,31 W/m2.K
Untuk hasil perhitungan selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 11.
8. Menghitung Nilai Ui(theo), Uo(theo) dan U(theo)
x w =d o −d i=0,0344−0,0266=0,0068 m
29
d L=
d o−d i 0,0334−0,0266
=
=0,02987 m
do
0,0334
ln
ln
0,0266
di
Kemudian U(theo) dapat dihitung dengan rumus:
U(theo) = Ui(theo) + U0(theo)
Saat t = 4 menit
U i (theo )=
1
1
0,068 0,0266 0,0266
1
+
.
+
×
3287,31
45 0,02987 0,0334 786,62
¿ 586,59
U o (theo) =
W
m .℃
2
¿ 262,0736
W
2
m .K
1
W
=467,17 2
1
0,068 0,0266 0,0334
1
m .℃
+
.
+
.
786,62
45 0,02987 0,0266 3287,31
U (theo )=586,59+467,17=1053,76
W
m .℃
2
U (theo )=262,0736+208,7063=470,78
W
2
m .K
Untuk hasil perhitungan pada menit selanjutnya dapat dilihat pada
Tabel 12.
9. Menghitung Efisiensi dan Efektifitas HE
Efisiensi HE
30
η=
panas yang dimanfaatkan U (exp ❑)
=
×100
panas yang ditransfer
U (tHeo)
Efektivitas HE
∈=
mh. Cph.(Thi−Tho)
mc . Cpc .(Thi−Tco)
Untuk hasil perhitungannya dapat dilihat pada tabel 13
10. Menghitung Rd (Fouling Factor)
Rd=
(Uc−Ud)
(Uc ×Ud)
Untuk menghitung Uc
Uc=
hio h o
hio +ho
Hasil perhitungannya dapat dilihat pada tabel 14
11. Menghitung Pressure Drop (∆P)
Fluida panas untuk t= 4 menit
1) De’ untuk pressure drop
De’ = (D2-D1)
Nℜ =
o
Deq Gh ( 0,055 ) ( 11,21 )
=
=987,55
μh
0,00063
31
0,264
0,264
=0,0035+
=0,018
0,42
( Nrei )
987,530,42
f =0,0035+¿
(
∆ Fh=
V=
)
4 f Gh2 L❑
4 ×0,018 × 11,212
=
=1× 10−5
2
2
2 g ρ De' 2 ×9,8 × 995,2 × 0,053
Gh
ρ
2
∆ FT =2
2
V
0,011
=2×
=1,3× 10−5
2g
2 × 9,8
Fluida dingin untuk t=4 menit
1) D untuk pressure drop =
f =0,0035+(
2)
0,264
)
NReo 0,42
4 f G h2 L
∆ F T=
2 g ρ2 D
V=
Gc
ρ
∆ FT =2
V2
0,182
=2×
=0,003
2g
2 × 9,8
Untuk hasil perhitungan dari pressure drop dapat dilihat pada tabel 15
32
33