LABORATORIUM TEKNIK KIMIA II SEMESTER GENAP TAHUN AJARAN 2015/2016 MODUL
: Plate Heat Exchanger (PHE)
PEMBIMBING
: Ir. Herawati Budiastuti, M.Eng.Sc.Ph,D
Tanggal Praktikum
: 2 Mei 2016
Tanggal Penyerahan
: 9 Mei 2016
Oleh : Kelompok
:
VI
Nama
:
Ahmad Sukarya
141411032
Arina Nurul Hayati
141411034
Driyarta Lumintu
141411037
Kelas
: 2B
PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2016 I.
TUJUAN
I.1 memahami konsep perpindahan panas yang terjadi di dalam PHE khususnya konduksi dan konveksi; I.2 mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan (U); I.3 menghitung koefisien pindah panas keseluruhan (U) pada pelat menggunakan persamaan neraca energy dan menggunakan empiris; dan I.4 menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang diterima fluida dingin.
II.
DASAR TEORI Unit penukar kalor adalah suatu alat untuk memindahkan panas dari suatu fluida ke fluida yang lain. Sebagian besar dari industri-industri yang berkaitan dengan pemprosesan selalu menggunakan alat ini, sehingga alat penukar kalor ini mempunyai peran yang penting dalam suatu proses produksi atau operasi. Salah satu tipe dari alat penukar kalor yang banyak dipakai adalah Plate Heat Exchanger. Plate Heat Exchanger adalah salah satu jenis alat penukar panas yang terdiri atas paket pelat-pelat tegak lurus bergelombang atau dengan profil lain, yang dipisahkan antara satu dengan lainnya oleh sekat-sekat lunak. Pelat-pelat ini dipersatukan oleh suatu perangkat penekan dan jarak antara pelat-pelat ditentukan oleh sekat-sekat tersebut. Plate Heat Exchanger (PHE) berfungsi sebagai sistem pemanas atau pendingin dari suatu sistem produksi. Meskipun terdapat beberapa sistem lain, tetapi dari pengalaman di lapangan dapat disimpulkan bahwa PHE memiliki kinerja yang baik dan sulit ditandingi sistem yang lain, salah satu contoh nyata, pada industri permen, sistem PHE digunakan sebagai sebagai pemanas permen (hard candy) yang akan dicetak, dengan digunakannya sistem PHE maka permen yang dihasilkan jauh lebih bening dibandingkan dengan menggunakan sistem pemanas yang lainnya. PHE yang banyak dijumpai di industri dapat dikelompokkan menjadi dua jenis : a. Glue Type : Tipe glue ini memerlukan lem untuk memasang gasket pada plat PHE. Lem yang digunakan hendaknya ialah lem yang mempunyai ketahanan terhadap panas yang baik. b. Clip Type : Di sisi luar gasket tipe ini terdapat clip-clip, sehingga dalam pemasangannya cukup menancapkan clip-clip tersebut ke lubang yang terdapat pada plat. Pemasangan gasket tipe ini lebih mudah dan ringkas jika dibandingkan dengan tipe glue. Dalam peralatan PHE, panas dapat dipindahkan dengan semua cara, namun yang dominan terjadi dengan dua cara secara simultan, yaitu dengan konduksi dan konveksi. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik, biasanya perpindahan terjadi pada benda padat. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas. Perpindahan Panas Secara Konveksi Perpindahan kalor secara konveksi merupakan perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik Perpindahan ini terjadi karena adanya aliran massa yang berpindah. Aliran massa tersebut bisa terjadi secara difusi maupun adanya tenaga dari luar. Tenaga dari luar tersebut bisa berupa pengadukan maupun fluida mengalir. Penukar panas pada PHE terdiri dari susunan lempeng sesuai dengan luas permukaan yang diperlukan.
Gambar 2. PHE
Kelebihan PHE 1 2 3 4 5 6
Mempunyai permukaan perpindahan yang sangat besar pada volume alat yang kecil, sehingga perpindahan panas yang efisien. Mudah dirawat dan dibersihkan Mudah dibongkar dan dipasang kembali ketika proses pembersihan Waktu tinggal media sangat pendek Dapat digunakan untuk cairan yang sangat kental (viskos) Plate and Frame lebih fleksibel, dapat dengan mudah pelatnya ditambah
7 8
Ukuran yang lebih kecil dapat mengurangi biaya dalam segi bahan (Stainless Steel, Titanium, dan logam lainnya) Aliran turbulensinya mengurangi peluang terjadinya fouling dan sedimentasi
Kekurangan PHE 1. Pelat merupakan bentuk yang kurang baik untuk menahan tekanan. Plate and Frame Heat Exchanger tidak sesuai digunakan untuk tekanan lebih dari 30 bar. 2. Pemilihan material gasket yang sesuai sangatlah penting 3. Maksimum temperatur operasi terbatas hingga 250 C dikarenakan performa dari material gasket yang sesuai. Menghitung Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U) a. Menggunakan Neraca Energi Q=U . A . △ T lm
U=
Q A . △ T lm
Q
Harga Q dapat dihitung dari : Q = (M.Cp.△T)1 .. Kalor yang diberikan fluida panas = (M.Cp.△T)2 .. Kalor yang diterima fluida dingin Efisiensi kalor yang dipertukarkan : η=
( M .Cp . △ T ) 2 x 100 ( M .Cp . △ T ) 1
Q A U △Tlm
△ T lm=
△ T 1 −△ T 2 △T1 ln △T2
= Laju Alir Kalor (Watt) = Luas Permukaan (m2) = Koefisien Pindah panas Keseluruhan (W/m2.K) = Perbedaan Suhu logaritmik (K)
△T1 = Thi – Tco △T2 = Tho – Tci b. Menghitung (U) Menggunakan Persamaan Empiris Untuk satu (1) lempeng U . A=
1 1 △X 1 + + hi K ho △X = Tebal Lempeng (m); hi,ho = Koefisien pindah panas konveksi insde dan outside (W/m2.K) dan K = Koefisien Konduksi (W/m.K) Harga △X dapat diukur dari alat, harga K bahan SS-204 dapat diperoleh dari buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris. Dari buku referensi Christie John Geankoplis : Untuk Nre ≤ 3. 105 ( Laminar ) 0,5
1 /3
N Nu =0,664 N ℜ . N Pr
Untuk Nre ≥ 3. 105 ( Turbulen ) 1/ 3 N Nu =0,0366 N 0,8 ℜ . N Pr
N ℜ=
Lνρ μ
N Nu =h L/k
N pr=
Cpμ k
Harga ν, L diperoleh dari percobaan, kemudian memasukkan harga sifat fisik air yang diperoleh dari buku referensi, dapat dihitung hi dan ho.
III.
ALAT DAN BAHAN -
IV.
Seperangkat alat Plate Heat Exchanger (PHE) Gelas bekker plastik 2000 mL Gelas kimia 1000 mL Thermometer Stopwatch Air
LANGKAH KERJA
V.
DATA PENGAMATAN V.1 Data Kalibrasi Laju Alir
No
laju alir (L/h)
laju alir fluida panas vol (L) t (s)
1 2 3 4 5
100 200 300 400 500
laju alir fluida dingin
1 1 1 1 1
46 21 12 9 7
laju alir volumetrik (L/h) 78.26086957 171.4285714 300 400 514.2857143
t (s) laju alir volumetrik (L/h) 21 17 11 9 7
171.4285714 211.7647059 327.2727273 400 514.2857143
Kalibrasi Laju Alir Fluida Panas 600 Kalibrasi Laju Alir Fluida Panas f(x) = 0.91x + 34.46 400 R² = 1 Laju alir (L/h)
200
Linear (Kalibrasi Laju Alir Fluida Panas) 0 0
100 200 300 400 500 600 Laju Alir volumetrik (L/h)
Gambar 5.1 garfik kalibrasi laju alir fluida panas
Kalibrasi Laju Alir Fluida Dingin 600 Kalibrasi Laju Alir Fluida Dingin f(x) = 1.12x - 64.72 400 R² = 0.98 LAju Alir (L/h) 200 Linear (Kalibrasi Laju Alir Fluida Dingin) 0 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Laju Alir Volumetrik (L/h)
Gambar 5.2 grafik kalibrasi laju alir fluida dingin
V.2 Laju Alir Fluida Panas Tetap dan Laju Alir Dingin Berubah Pada suhu awal 500C Fluida Panas (Laju Tetap) Laju Alir (L/h) 400 400 400 400 400
Thi (0C) 53 55 55 54 53
Tho (0C) 46 46 43 42 42
Fluida Dingin (Laju Berubah) Laju Alir (L/h) 171.43 211.76 327.27 400 514.28
Tci (0C) 25 25 25 26 28
Tco (0C) 40 40 39 38 38
Tabel 5.2.1 Laju Alir Fluida Panas Tetap dan Laju Alir Dingin Berubah suhu 500C
Pada suhu awal 600C
Fluida Panas (Laju Tetap) Laju Alir (L/h) 400 400 400 400 400
Thi (0C) 62 62 62 62 61
Tho (0C) 54 52 50 48 48
Fluida Dingin (Laju Berubah) Laju Alir (L/h) 171.43 211.76 327.27 400 514.28
Tci (0C) 31 30 31 32 33
Tco (0C) 48 47 45 44 44
Tabel 5.2.2 Laju Alir Fluida Panas Tetap dan Laju Alir Dingin Berubah suhu 600C
V.3 Laju Alir Fluida Panas berubah dan Laju alir fluida Dingin Tetap Pada suhu awal 500C Fluida Panas (Laju Berubah) Laju Alir (L/s) 78.264 171.43 300 400 514.29
Thi (0C) 52 53 54 55 55
Tho (0C) 37 40 45 46 48
Fluida Dingin (Laju Tetap) Laju Alir (L/s) 400 400 400 400 400
Tci (0C) 30 30 32 33 34
Tco (0C) 35 38 40 42 43
Tabel 5.3.1 Laju Alir Fluida Panas Berubah dan Laju Alir Dingin Tetap suhu 500C
Pada suhu awal 600C Fluida Panas (Laju Berubah) Laju Alir (L/s) 78.264 171.43 300 400 514.29
Thi (0C) 60 60 60 60 60
Tho (0C) 44 47 49 50 50
Fluida Dingin (Laju Tetap) Laju Alir (L/s) 400 400 400 400 400
Tci (0C) 35 35 35 36 38
Tco (0C) 41 43 44 46 48
Tabel 5.3.2 Laju Alir Fluida Panas Berubah dan Laju Alir Dingin Tetap suhu 600C
VI.
PENGOLAHAN DATA VI.1
Menghitung kalor (Q) dan efisiensi (%)
Q = m x Cp x ∆ T ρ=¿
∆ T =Th -Th atau Tc - Tc in out in out
998.07 Kg/m3 m=ρ ×q Cp=4,2kJ /kg ℃
ɳ=
Qdingin ×100 Qpanas
suhu
laju
masu
alir
k
fluida
awal
panas
(0C)
(L/s)
Q dan efisiensi Pada saat Laju Alir Fluida Panas Tetap dan fluida dingin berubah laju aliran fluida dingin(L/s ) 0.05
0.06
50
0.111
0.09
0.11
0.14 60
massa
Cp
del T
del T
dingin
dingi (kJ /kg ℃) n (0C)
panas
(Kg/s)
0.0499035
0.0598842
0.0898263
0.1097877
0.1397298
4.2
4.2
4.2
4.2
4.2
15
15
14
12
10
(0C)
0.06
0.0499035
0.0598842
4.2
4.2
17
17
Q panas
efisiensi
n (Kw)
(Kw)
(%)
7
3.143921
9
3.772705
12
5.281786
12
5.5333
11
5.868652
8
3.56311
10
4.275732
0.111 0.05
*[Q]dingi
0.09
0.0898263
4.2
14
12
5.281786
0.11
0.1097877
4.2
12
14
5.5333
3.25710 2
96.5251
4.18770
90.0900
2
9
5.58360
94.5945
3
9
5.58360 3
99.0991
5.11830
114.660
3
1
3.72240
95.7207
2
2
4.65300
91.8918
2
9
5.58360
94.5945
3
9
6.51420
84.9420
0.14
0.1397298
4.2
11
13
6.455517
Tabel 6.1.1 Q dan efisiensi Pada saat Laju Alir Fluida Panas Tetap dan fluida dingin berubah
efisiensi vs laju alir fluida dingin berubah 500C efisiensi vs laju alir fluida dingin berubah 50 C f(x) = 213.2x + 79.81 R² = 0.7 Efisiensi (%)
Linear (efisiensi vs laju alir fluida dingin berubah 50 C) 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Laju Alir fluida dingin berubah (L/s)
Gambar 6.2.1 grafik efisiensi terhadap laju alir fluida dingin berubah suhu 500C
efisiensi vs laju alir fluida dingin berubah suhu 600C 150 efisiensi vs laju alir fluida dingin berubah suhu 60 C 100 f(x) = 83.22x + 87.28 Efisiensi (%) R² = 0.15 50 Linear (efisiensi 0 vs laju alir fluida dingin berubah suhu 60 C) 0.04 0.06 0.08
0.1
0.12 0.14 0.16
laju alir fluida dingin berubah (L/s)
Gambar 6.2.2 grafik efisiensi terhadap laju alir fluida dingin berubah suhu 600C
3
8
6.04890
106.722
3
1
Q dan efisiensi Pada saat Laju alir fluida dingin tetap dan fluida panas berubah suhu masuk awal (0C)
laju alir fluida dingin (L/s)
laju aliran fluida panas(L/s ) 0.02
0.05
50
0.111
0.08
0.11
0.14 60
0.111 0.02
0.05
0.08
0.11 0.14
massa
Cp
del T
del T
*[Q]
panas
dingin (kJ /kg ℃) (0C)
panas
dingin
(0C)
(Kw)
(Kg/s) 0.019961 4 0.049903 5 0.079845 6 0.109787 7 0.139729 8 0.019961 4 0.049903 5 0.079845 6 0.109787 7 0.139729 8
4.2
4.2
5
8
15
13
4.2
8
9
4.2
9
9
4.2
4.2
9
6
7
16
4.2
8
13
4.2
9
11
Q panas
Efisiensi
(Kw)
(%)
2.32650
1.25756
1
8
3.72240
2.72473
136.615
2
1
4
3.72240
3.01816
123.333
2
4
3
4.18770
4.14997
100.909
2
5
1
4.18770
4.10805
101.938
2
6
8
2.79180
1.34140
1
6
3.72240
2.72473
136.615
2
1
4
4.18770
3.68886
113.522
2
7
7
4.65300
4.61108
100.909
185
208.125
4.2
10
10
2
3
1
4.2
10
10
4.65300
5.86865
79.2857
2 Tabel 6.1.2 Q dan Efisiensi Pada saat Laju alir fluida dingin tetap dan fluida panas berubah suhu awal
efisiensi vs laju alir fluida panas berubah suhu 500C 200 efisiensi fluida panas berubah 150vs laju alirf(x) = - 672.76x + 183.38 R² = 0.86 100
Efisiensi (%)
50 Linear (efisiensi vs laju alir fluida panas berubah) 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Laju Alir fluida panas berubah (L/s)
Gambar 6.2.2 grafik efisiensi terhadap laju alir panas berubah pada suhu 500C
efisiensi vs laju alir fluida berubah suhu 600C 250 efisiensi200 vs laju alir fluida berubah suhu 60 C f(x) = - 977.95x + 205.93 150 R² = 0.88 Efisiensi (%) 100 50 Linear (efisiensi vs laju alir fluida berubah suhu 60 C) 0 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Laju alir fluida panas berubah (L/s)
Gambar 6.2.3 grafik efisiensi terhadap laju alir panas berubah pada suhu 600C
2
1
VI.2
Menghitung U menggunakan Persamaan Neraca Energi Q U= ; dengan besar luar penampang (A) = 5.76x10-5 m2 A ∆ T LMTD U Perhitungan secara Neraca Energi pada saat Laju Alir Fluida Panas Tetap Suhu awal masuk
Q panas
Q dingin
∆ T LMTD U panas (KW/m2K)
fluida
(KW)
(KW)
3.143921
3.257102
16.68
3440
3320
3.772705
4.187702
17.83
4140
3730
5.281786
5.583603
16.98
5800
5490
5.5333
5.583603
16.495
5970
5920
5.868652
5.118303
14.49
6230
7140
3.56311
3.722402
18.13
3620
3470
4.275732
4.653002
18.28
4490
4130
5.281786
5.583603
17.98
5480
5180
5.5333
6.514203
16.98
6770
5750
6.455517
6.048903
15.98
6680
7120
U dingin (KW/m2K)
o
panas ( C)
50
60
Tabel 6.2.1 perhitungan U secara Neraca energy laju alir Fluida panas tetap
Laju Alir Vs U suhu 500C 8000 f(x) = 42722.22x + 1275 f(x) = 31314.81x + 2297.67 R² = 0.98 R² = 0.85
6000 U
4000
laju alir Vs U panas suhu 50 C Linear (laju alir Vs U panas suhu 50 C) laju alir vs U dingin suhu 50 C
2000 0 0.040.060.08 0.1 0.120.140.16
Linear (laju alir vs U dingin suhu 50 C)
Laju Alir (L/s)
Gambar 6.2.3 grafik laju air terhadap U secara neraca energy suhu 500C
laju alir vs U pada suhu 600C laju alir vs U panas suhu 60 C
8000
f(x) f(x) = = 38574.07x 31314.81x + + 1658.33 2297.67 R² = 0.99 Linear (laju alir vs U panas suhu 60 C) R² = 0.85
6000 U
4000 2000
laju alir vs U dingin suhu 60 C
0 0.04
0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Linear (laju alir vs U dingin suhu 60 C) laju alir (L/s)
0.16
Gambar 6.2.3 grafik laju alir terhadap U secara neraca energy pada suhu 600C
Perhitungan U secara Neraca Energy Laju alir Fluida Dingin Tetap Suhu awal masuk
Q panas
Q dingin
∆ T LMTD U panas (KW/m2K)
fluida
(KW)
(KW)
2.326501
1.257568
7.89
2810
5200
3.722402
2.724731
12.33
3900
5320
3.722402
3.018164
13.49
3950
4870
4.187702
4.149975
13.49
5430
5470
U dingin (KW/m2K)
o
panas ( C) 50
60
4.187702
4.108056
12.97
5590
5690
2.791801
1.341406
13.38
1770
3680
3.722402
2.724731
14.35
3350
4570
4.187702
3.688867
14.98
4340
4930
4.653002
4.611083
14.49
5610
5660
4.653002
5.868652
12.97
7980
6330
Tabel 6.2.2 Perhitungan U secara Neraca Energy Laju alir Fluida Dingin Tetap
laju alir vs U pada suhu 500C laju alir vs U panas suhu 50 C
6000
f(x) 2445.33 f(x) = = 23633.33x 3766.67x ++5008.67 R² = 0.92 R² (laju = 0.34 Linear alir vs U panas suhu 50 C)
4000 U
2000 laju alir vs U dingin suhu 50C 0 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Linear (laju alir vs U dingin suhu 50C) laju alir (L/s)
Gambar 6.2.3 grafik laju alir terhadap U pada suhu 500C
Laju Alir pada 60 C laju alirvs vs UUpanas suhusuhu 60 C 10000
U
8000 Linear (laju alir vs U panas suhu 60 C) f(x) = 48933.33x + 695.33 6000 f(x) 21300x + 3330 R² ==0.98 dingin suhu 60 C 4000 laju alirR²vs=U0.99 2000 0 Linear (laju alir vs U dingin suhu 60 C) 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16
Gambar 6.2.3 grafik laju alir terhadap U pada suhu 600C
VI.3
Menghitung U menggunakan Persamaan Empiris
U × A=
1 1 ∆X 1 + + hi K h o
0,5
Nnu=0,664 Nre Npr Nre=
1 3
ρv D hD Nnu× k Cpμ Nnu= h= Npr= μ k D k
k bahan SS-204 = 77,83 viskositas ( μ ¿=¿ 0.059x10-3 pa/s massa jenis ( ρ ¿ = 998.07 kg/m3 a× b De = 2(a+b) =
0.153 × 0.376 2( 0.153+0.376) = 0.0544 m
Nilai hi dan ho Pada Laju Alir Fluida Panas Tetap dan Fluida Dingin Berubah laju alir
Laju Alir
suhu
fluida
Fluida dingin v fluida panas
awal
panas
berubah
tetap
(m3/s)
(m/s)
V fluida
Npr
Nnu
panas
panas
0.0014
7.075256
8 0.0014
4
10493.005 6 15739.508
8 0.0014
0.00190972
3 19237.176
8 0.0014
5 10.49430
2 0.00243055
9 24483.679
8 0.0014
1 11.83916
6 0.00086805
7
8 0.0014
8 7.075256
8 0.0014
4 7.750555
dingin (m/s)
Nre panas
(m3/s) 0.00086805
0.00005
6 0.00104166
0.00006 50
0.0001 1
0.00009
7 0.001909722
0.00011 0.00014 60
0.0001 1
0.00005 0.00006
0.001909722
0.0015625
6 0.00104166
8744.1713
8744.1713 10493.005
7.750555 9.492452
7 0.00009
8 0.0014
9.492452
0.00190972
3 19237.176
8 0.0014
5 10.49430
2 0.00243055
9 24483.679
8 0.0014
1 11.83916
6
7
8
8
0.0015625
0.00011 0.00014
Nre dingin
6 15739.508
Npr dingin
Nnu dingin
Hi
80952.4
0.00148
21.528
6055
80952.4
0.00148
21.528
6055
Ho 1990 2180 2670 2952 3330 1990 2180 2670 2952 3330
Tabel 6.3.1 Nilai hi dan ho Pada Laju Alir Fluida Dingin Berubah dan Fluida Panas Tetap
Nilai hi dan ho Pada Laju Alir Fluida Dingin Tetap dan Fluida Panas Berubah laju alir
suhu
fluida
awal
Dingin tetap
50
(m3/s) 0.0001 1
Laju Alir Fluida Panas berubah
v fluida
V fluida
dingin (m/s)
panas (m/s)
0.001909722
0.00034722
3497.6685
0.0014
2 0.00086805
2
8 0.0014
Nre panas
Npr
Nnu
panas
panas
(m3/s) 0.00002 0.00005 0.00008
6 0.00138888
8744.1713 13990.674
8 0.0014
4.474793 7.075268 9 8.949585
0.00011 0.00014 0.00002 0.00005 0.0001
60
1
0.00008
0.001909722
0.00011 0.00014
Nre dingin
Npr dingin
9 0.00190972
1 19237.176
8 0.0014
2 0.00243055
9 24483.679
8 0.0014
6 0.00034722
7 3497.6685
8 0.0014
2 0.00086805
2
8 0.0014
6 0.00138888
8744.1713
9 10.49432 11.83918 9 4.474793 7.075268
13990.674
8 0.0014
9 8.949585
9 0.00190972
1 19237.176
8 0.0014
9
2 0.00243055
9 24483.679
8 0.0014
6
7
8
Nnu dingin
19237.2
0.00148
10.494
19237.2
0.00148
10.494
Hi panas
10.49432 11.83918 9
Ho dingin
1259 1990 2517 2952 3330 1259 1990 2517 2952 3330
2952
2952
Tabel 6.3.2 Nilai hi dan ho Pada Laju Alir Fluida Dingin Tetap dan Fluida Panas Berubah
Nilai U Secara Empiris Pada Saat Laju Alir Fluida Panas Tetap
Suhu awal masu k fluida panas (oC)
Hi
Ho
Delx
k
UA (Empiris)
U
U
panas
dingin
(N.
(N.
Energy
Energy
)
)
A
50
6055
60
6055
1990
0.001
77.83
1,470
3440
3320
0.0576
2180
0.001
77.83
2,121
4140
3730
0.0576
2670
0.001
77.83
2,583
5800
5490
0.0576
2952
0.001
77.83
2,845
5970
5920
0.0576
3330
0.001
77.83
3,195
6230
7140
0.0576
1990
0.001
77.83
1,470
3620
3470
0.0576
2180
0.001
77.83
2,121
4490
4130
0.0576
2670
0.001
77.83
2,583
5480
5180
0.0576
2952
0.001
77.83
2,845
6770
5750
0.0576
3330
0.001
77.83
3,195
6680
7120
0.0576
Tabel 6.3.3 Nilai U Secara Empiris Pada Saat Laju Alir Fluida Panas Tetap
Nilai U Secara Empiris Pada Saat Laju Alir Fluida Dingin Tetap
Suhu
U
awal
Panas
U
(nerac
Dingin
a
(Neraca
panas
energy
Energi)
(oC)
) 2810 3900 3950 5430 5590
5200 5320 4870 5470 5690
masuk
Hi
Ho
fluida
Panas
Dingin
50
1259 1990 2517 2952 3330
2952
Delx
0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
k
77.83 77.83 77.83 77.83 77.83
UA (Empiris)
873 1,940 2,438 2,844 3,193
A
0.0576 0.0576 0.0576 0.0576 0.0576
60
1259 1990 2517 2952 3330
2952
0.001 0.001 0.001 0.001
77.83 77.83 77.83 77.83
873 1,940 2,438 2,844
0.0576 0.0576 0.0576 0.0576
1770 3350 4340 5610
3680 4570 4930 5660
0.001
77.83
3,193
0.0576
7980
6330
Tabel 6.3.4 Nilai U Secara Empiris Pada Saat Laju Alir Fluida Dingin Tetap
VII. PEMBAHASAN VII.1
Ahmad Sukarya (141411032)
Pada praktikum kali ini praktikan melakukan perpindahan panas menggunakan plate heat exchanger (PHE). Dimana fluida panas di alirkan( dikontakan ) dengan fluida dingin melewati plate dan frame pada susunan peralatan PHE. Perpindahan dalam plate terjadi secara konduksi (pada plate) dan konveksi ( pada fluida yang di aliri ). Untuk mendapatkan laju alir yang maksimal atau efektif dilakukanlah kalibrasi terhadap laju alir dengan parameter volume 1 liter dan waktu untuk mencapainya, yang di dapatkan laju alir terbesar dalam waktu yang singkat. Hal ini dilakukan agar dapat memperoleh laju alir yang tepat untuk proses perpindahan panas yang efesien atau efektif. Didapatlah laju alir 400 L/h untuk laju alir fluida panas dan fluida dingin pada saat kalibrasi laju alir. Dalam praktikum dilakukan beberapa variasi yakni suhu awal fluida panas dan laju alir fluida. Dilakukan pada suhu variasi 50 dan 60. Untuk laju alir praktikan menggunakan 5 laju alir berbeda yang di variasikan dengan laju alir
berubah dan laju alir tetap, laju alir yang di dapat pada saat kalibrasi menjadi harga laju alir tetap (untuk fluida panas dan fluida dingin). Didalam perpindahan panas ada kalor (Q) atau energy panas yang di serap dan di lepaskan oleh fluida, dalam hal ini fluida panas memberikan kalor ( Qpanas ) dan fluida dingin menangkap energy atau mengambil kalor fluida panas ( Qdingin). Hal ini di tandakan dengan harga Qpanas positif (melepaskan energy) dan harga Qdingin* negatif (menangkap energy). Harga Q di pengaruhi dengan nilai laju massa zat dan perubahan suhu (Takhir-Tawal). Pada Qdingin bernilai negative sebab perubahan suhunya Takhir < Tawal (del T negative). Penentuan nilai Q dilakukan pada fluida tetap dan berubah, pada saat laju alir fluida panas tetap (400L/h) dan fluida dingin berubah suhu fluida panas meningkat mengikuti penambahan laju alir fluida dingin. Dan pada suhu fluida dingin berubah harga suhunya menurun diikuti dengan penambahan laju alir fluidanya. Dikarenakan pada saat laju alir fluida dingin bertambah maka perpindahan kalor panan yang terjadi menjadi semakin singkat atau sedikit dan panas yang di terima fluida dingin pun menjadi berkurang, sedangkan kalor panas yang mengalir pada laju alir fluida tetap semakin berkurang kalor panas yang di serap fluida dingin pada saat laju alirnya besar. Dan hal demikian berlaku sebaliknya pada saat laju fluida dingin tetap dan laju alir fluida panas berubah. Perpindahan kalor panas yang terjadi memiliki efisiensi yang berbeda untuk nilai Q yang berubah. Pada praktikum harga efisiensi(%) tergantung pada besar kecilnya nilai Qpanas dan Qdingin. Penentuan koefisien perpindahan panas berdasarkan pada perubahan laju alirnya. Pada suhu 50 dan 60 laju alir fluida panas tetap harga Hi menunjukan konstan dan harga Ho berubah atau meningkat. Dan pada laju alir fluida dingin tetap suhu 50 dan 60 harga Hi berubah dan harga Ho konstan. Hal ini menujukan bahwa Hi merupakan koefisien fluida panas dan Ho adalah koefisien fluida dingin. Koefisien pindah panas keseluruhan (U) yang di peroleh secara neraca energy dimana pada teorinya Upanas masuk = Udingin keluar. Akan tetapi pada kenyataanya pada nilai U hanya dapat mendekati keduanya. Lihat tabel 7.1 Laju alir fluida panas Upanas tetap Suhu 50 5970 Suhu 60 6770 Laju alir fluida dingin tetap Suhu 50 5430 Suhu 60 5610
Udingin 5920 5750 5470 5660
Tabel 6.1 Upanas dan Udingin secara neraca energy
Pada suhu 60 C laju alir fluida panas tetap besar U selisihnya telalu jauh hal ini terjadi kesalahan dalam pengambilan data dan perhitungan. Berdasarkan
perhitungan, jenis aliran yang terjadi di dalam plate pada proses perpindahan panas PHE adalah aliran laminar dengan harga Nre ≤ 3.105. Koefisien perpindahan panas seluruh (U) perhitungan dengan Neraca Energi dan secara empiric tidak sama (lihat tabel 6.3.3 dan 6.3.4 ). Hal ini menunjukan bahwa pada saat praktikum plate heat exchanger (PHE) tidak dapat menggunkan kedua rumus ini secara bersamaan, hanya dapat menggunkan salah satunya saja secara empiric atau neraca energy. Tentu dengan pertimbangan dan saran pembimbing sebab dalam melakukan perhitungan memerlukan waktu yang cukup lama, hal ini di maksudkan untuk mempermudah dan mempersingkat waktu pengerjaan.
VII.2
Arina Nurul Hayati (141411034)
Pada praktikum ini digunakan alat plate heat exchanger (PHE) alat ini digunkan untuk memindahkan panas dari suatu sistem ke sistem lain, alat ini juga bisa menjadi pemanas atau pendingin didalam industri. Bahan yang digunakan adalah air dingin dan air panas. Didalam unit PHE ini terjadi 2 konsep perpindahan panas yaitu konduksi dan konveksi. Konduksi terjadi di dalam platplat yang tersusun berhimpitan dan konveksi terjadi karena terdapat aliran fluida yang bergerak untuk proses pemindahan panas tersebut. Pada praktikum ini laju alir yang dijadikan laju alir tetap adalah 400L/h dan suhu yang digunakaan sebagai acuan adalah T= 50oC dan 60oC. Di lihat dari hasil praktikum pada suhu 50oC dan 60oC laju alir fluida panas tetap maka nilai Hi konstan dan nilai Ho berubah, dan pada suhu 50oC dan 60oC laju alir fluida panas berubah maka nilai Hi berubah dan nilai Ho konstan. Pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas adalah semakin tinggi laju alir semakin besar nilai (Q). Koefisien perpindahan panas secara keseluruhan (U) diperoleh dari perhitungan neraca energi dimana U masuk = Ukeluar.
Pada laju alir fluida panas tetap di suhu 50oC Upanas dan Udingin nilainya tidak begitu jauh hal ini dapat dikatakan perpindahan panas cukup baik, tidak terlalu banyak panas yang hilang ke lingkungan tetapi pada suhu 60 oC Upanas dan Udingin berbeda cukup jauh hal ini dikarenkan terjadi kesalahan pada praktikum di suhu tersebut. Untuk laju alir fluida dingin tetap di suhu 50 oC dan 60oC Upanas dan Udingin nilai nya tidak begitu jauh hal ini dapat dikatakan perpindahan panas cukup baik hal ini dikarenakan tidak ada panas yang hilang dari sistem ke lingkungan. Harga koefisien perpindahan panas dari perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan (U) menggunakan persamaan neraca energi dan menggunakan empiris dapat dibandingkan hasilnya berbeda hal ini menunjukan bahwa perhitungan data plate heat exchanger (PHE) tidak dapat digunakan secara bersamaan. Efisiensi kalor ditentukan bedasarkan harga Qpanas dan Qdingin yang terbentuk. Semakin besar nilai efisiensi yang diperoleh maka semakin baik perpindahan panasnya.
VII.3
Driyarta Lumintu (141411037)
Perpindahan panas dalam Plate Heat Exchanger (PHE) terjadi secara tidak langsung karena perpindahan panas terjadi melalui perantara berupa pelat logam. Panas berpindah pada fluida yang mengalir dalam Plate Heat Exchanger (PHE) karena memiliki suhu yang berbeda. Mekanisme perpindahan panas terjadi dari bagian yang bersuhu lebih tinggi ke bagian yang bersuhu lebih rendah di dalam Plate Heat Exchanger (PHE) dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan panas secara konduksi terjadi dalam suatu medium padat, cair, atau gas. Di dalam Plate Heat Exchanger (PHE) perpindahan panas secara konduksi terjadi pada pelat logam. Panasnya mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah. Sedangkan perpindahan panas secara konveksi terjadi karena adanya gerakan atau aliran dari bagian panas ke bagian yang dingin. Konveksi terjadi pada fluida yang bergerak dalam Plate Heat Exchanger (PHE) sehingga panas dalam fluida dapat berpindah.
Percobaan yang telah dilakukan oleh praktikan yaitu mengkalibrasi alat dan pengambilan data pengamatan berbeda saat air panas bersuhu 50˚C dan 60˚. Kalibrasi alat dilakukan dengan tujuan untuk memperoleh laju yang efektif untuk pengambilan data percobaan. Sedangkan pengambilan data pada suhu air panas berbeda dan laju alir berbeda bertujuan untuk pengolahan data sehingga diketahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan menggunakan persamaan neraca energi dan empiris. Selain itu pengolahan data dilakukan untuk mengetahui efisiensi kalor yang dilepas fluida terhadap kalor yang diterima fluida. Berdasarkan pengolahan data, terdapat grafik hubungan antara koefisien pindah panas keseluruhan terhadap laju alir. Melalui grafik koefisien pindah panas keseluruhan terhadap laju alir dapat dilihat bahwa tren kurva semakin naik maka semakin tinggi laju alirnya, semakin besar koefisien pindah panas keseluruhannya. Hal ini terjadi karena berdasarkan neraca energi laju alir berbanding lurus dengan koefisien pindah panas keseluruhan sehingga seiring meningkatnya laju alir maka semakin tinggi pula koefisien pindah panas keseluruhannya. Pengaruh laju alir terhadap efisiensi kalor yang dilepas terhadap yang diterima dapat dilihat dari kurva efisiensi terhadap laju alir pada pengolahan data. Tren kurva pada grafik efisiensi terhadap laju alir fluida dingin berubah menanjak sedangkan tren kurva pada grafik efisiensi terhadap laju alir fluida panas berubah menurun. Efisiensi perpindahan kalor dipengaruhi oleh konveksi karena laju alir fluida mempengaruhi perpindahan panas. Ketika laju alir fluida dingin berubah semakin cepat maka perpindahan panas dari fluida yang suhunya lebih tinggi ke lebih rendah semakin tinggi sehingga efisiensinya meningkat. Namun terjadi hal yang berkebalikan jika laju alir fluida panasnya berubah semakin cepat dan kecepatan fluida dinginnya konstan maka perpindahan panas dari fluida bersuhu lebih tinggi ke fluida bersuhu lebih rendah semakin kecil sehingga efisiensinya menurun. Hal ini terjadi karena konveksi terjadi pada fluida yangbergerak.
VIII. KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan yang telah dipaparkan dalam laporan ini oleh praktikan, dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : - Perpindahan panas yang terjadi dalam PHE terjadi dengan cara konduksi yang terjadi pada medium padat yaitu plate dan konveksi yang terjadi pada fluida karena adanya aliran - Pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan adalah berbanding lurus, jika laju alir fluida semakin tinggi maka semakin tinggi pula koefisien pindah panas keseluruhannya dan juga sebaliknya. - Perhitungan koefisien pindah panas keseluruhan menggunakan persamaan empiris lebih mudah dibandingkan menggunakan persamaan neraca energi karena data yang diperoleh dari hasil praktikum dapat langsung dihitung dengan persamaan empiris sehingga tidak membutuhkan waktu yang lama.
-
IX.
Suhu fluida panas meningkat pada saat laju alir fluida panas tetap dan laju alir fluida dingin berubah terjadi karena perpindahan panas pada saat laju alir lambat lebih banyak terjadi dari pada pada saat laju alir cepat. Hal ini mempengaruhi efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang diterima fluida dingin.
DAFTAR PUSTAKA Buku Petunjuk Praktikum Laboratorium Teknik Kimia. .... Plate Heat Exchanger (PHE). Jurusan Teknik Kimia – Politeknik Negeri Bandung. Heriyanto, Dedi. 2010. ‘Heat Exchanger’ [online], http://id.scribd.com/doc/127155281/makalah-heat-exchanger-docx, [diakses 06 Mei 2016] Muttaqin,Z. 2012. ‘Proses Perpindahan Kalor’ [online], http://eprints.undip.ac.id/41578/3/BAB_II.pdf [diakses 6 Mei 2016]
