LAPORAN PRAKTIKUM PROSES OPERASI TEKNIK
HEAT EXCHANGER
DISUSUN OLEH : GIHON ANDRE A. H.
0906553072
MIRADHA HERDINI W.
0906635646
NIDA ADILAH
0906635665
YUNI ELFANY F.
0906553135
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSTAS INDONESIA DEPOK 2011
Heat Exchanger 2011 BAB I PENDAHULUAN A. Tujuan Percobaan Untuk mengetahui unjuk kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe heat exchanger) dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efisiensi, dan perbandingan untuk aliran searah dan berlawanan arah. B. Prosedur Percobaan No.
Prosedur Percobaan
Keterangan
Percobaan Aliran Searah (co-current) Membuka penuh semua aliran uap air (steam) secara Valve yang dibuka secara
1.
penuh secara berurutan
berurutan adalah valve 1, 8,10, 12 dan 13
Membuka penuh semua aliran air secara penuh dan Valve yang dibuka untuk
2.
membuka kran 14 sebesar 1/5 putaran
aliran air secara berurutan adalah valve 5 dan valve 14 sebesar 1/5 putaran
Menunggu suhu steam (T4) yang masuk hingga konstan Menunggu suhu steam yang
3.
atau sekitar 90-100oC
masuk
dibutuhkan
waktu
sekitar 10 menit. Setelah suhu steam mencapai sekitar 90-100oC, Waktu yang digunakan untuk
4.
mengukur volume air yang keluar dan volume adalah 10 detik. kondensat dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Mengamati dan mencatat suhu pada T1, T2, T3, T5, T6 Waktu yang digunakan untuk
5.
selama mengambil data volume air yang keluar dan mengamati adalah 10 detik. volume kondensat. Mengulangi percobaan dengan 5 variasi bukaan kran Variasi
6.
14 yang berbeda.
bukaan
kran
14
adalah 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, 1
Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current) Membuka penuh semua aliran uap air (steam) secara Valve yang dibuka secara
1.
penuh secara berurutan
1
berurutan adalah valve 1, 8,
Heat Exchanger 2011 11, 9 dan 13 Membuka penuh semua aliran air secara penuh dan Valve yang dibuka untuk
2.
membuka kran 14 sebesar 1/5 putaran
aliran air adalah valve 5 dan valve 14 sebesar 1/5 putaran
Menunggu suhu steam (T5) yang masuk hingga konstan Menunggu suhu steam yang
3.
atau sekitar 90-100oC
masuk
dibutuhkan
waktu
sekitar 10 menit. Setelah suhu steam mencapai sekitar 90-100oC, Waktu yang digunakan untuk
4.
mengukur volume air yang keluar dan volume adalah 10 detik. kondensat dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Mengamati dan mencatat suhu pada T1, T2, T3, T5, T6 Waktu yang digunakan untuk
5.
selama mengambil data volume air yang keluar dan mengamati adalah 10 detik. volume kondensat. Mengulangi percobaan dengan 5 variasi bukaan kran Variasi
6.
14 yang berbeda.
bukaan
kran
adalah 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, 1
C. Data Hasil Percobaan 1. Percobaan aliran searah (co-current) Bukaan 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Vair 600 760 1120 1420 1470
Vkondensat 30 31 30 26 28
T1 84 84 77 66 58
T2 45 46 44 41 39
T3 37 37 36 35 25
T5 48 47 44 41 39
T6 51 50 48 46 43
T3 28 28 27 27 27
T4 68 62 56 50 88
T6 42 38 36 34 32
2. Percobaan aliran berlawanan (counter-current) Bukaan Vair Vkondensat T1 T2 515 28 92,5 34 0,2 880 32 90 33 0,4 1220 28 72 30 0,6 1310 28 60 29 0,8 1540 28 51 29 1 Diameter pipa kecil dalam Heat Exchanger = 0,014 m Diameter pipa besar dalam Heat Exchanger = 0,025 m
2
14
Heat Exchanger 2011 BAB II DASAR TEORI
Heat exchanger merupakan sebuah alat penukar kalor antara dua fluida yang melewati dua bidang batas. Bidang batas disini adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam bergantung dari jenis heat exchanger itu sendiri. Perpindahan panas dapat terjadi di heat exchanger karena dua fluida yang masuk kedalam heat exchanger memiliki temperatur yang berbeda baik secara langsung maupun tidak langsung. Perpindahan panas secara langsung terjadi ketika dua fluida dengan suhu yang berbeda mengalami kontak langsung tanpa adanya dinding pembatas. Perpindahan panas terjadi pada bagian penghubung antara dua fluida. Contoh fluida yang mengalami perpindahan panas secara langsung adalah dua jenis fluida yang tidak saling bercampur, dan campuran gas-liquid. Dua fluida yang mengalami perpindahan panas secara tidak langsung ketika dua fluida tersebut mengalir dengan dibatasi oleh dinding pemisah. 1. Jenis – jenis Heat exchanger a. Berdasarkan konstruksi (bentuk) Double-pipe Heat Exchanger Heat exchanger ini terdiri dari satu buah pipa yang diletakkan di dalam sebuah pipa lainnya yang berdiameter lebih besar secara konsentris. Fluida yang satu mengalir di dalam pipa kecil sedangkan fluida yang lain mengalir di bagian luarnya. Double pipe ini dapat digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida hasil proses yang membutuhkan area perpindahan panas yang kecil (biasanya hanya mencapai 50 m2).
Gambar 1. Double-pipe Heat Exchanger
3
Heat Exchanger 2011 Shell and tube Jenis ini terdiri dari shell yang didalamnya terdapat rangkaian pipa kecil yang disebut tube bundle. Perpindahan panas terjadi antara fluida yang mengalir di dalam tube dan fluida yang mengalir di luar tube (pada shell side). Shell and tube ini merupakan Heat exchanger yang paling banyak digunakan dalam proses-proses industri.
Gambar 2. Shell and Tube Heat Exchanger
Plate Heat Exchanger
Gambar 3. Plate Heat Exchanger
Kedua aliran masuk dari sudut dan melewati bagian atas dan bawah plat-plat parallel dengan fluida panas melewati jalan-jalan (ruang antar plat) genap dan fluida dingin melewati jalan-jalan ganjil. Plat-plat dapat dipasang secara melingkar agar dapat memberikan perpindahan panas yang besar dan mencegah terjadinya fouling
4
Heat Exchanger 2011 (deposit yang tidak diinginkan). Plate Heat exchanger juga mudah untuk dilepas dan dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan. Plate Heat exchanger dibagi atas 3 macam : 1. Plate and frame or gasketed plate exchanger Jenis ini terdiri dari bingkai-bingkai dan plat-plat yang disusun rapat, permukaan plat mempunyai alur-alur yang berpasangan sehingga jika dirangkai mempunyai dua aliran. Heat exchanger ini digunakan untuk temperatur dan tekanan rendah seperti mendinginkan cooling water. 2. Spiral plate heat exchanger
Gambar 4. Spiral Plate Heat Exchanger
Terbuat dari dua pelat logam melengkung paralel (spiral) yang berfungsi untuk membuat aliran turbulen sangat tinggi dalam pola aliran berlawanan arah. Suatu fluida mengalir dari luar, sedangkan aliran lain dari dalam. Dengan memvariasikan perbedaan ketinggian piringan (Δh), desain ini sangat serbaguna an dapat diaplikasikan pada cairan dengan viskositas tinggi dan cairan yang mengandung suspensi padat tanpa terhalang atau pun memerlukan cairan pembersih (make-up water). Konstruksi memiliki keuntungan dari tarif penanganan ekspansi termal yang sangat tinggi yang diciptakan oleh perubahan suhu antara cairan panas dan dingin
5
Heat Exchanger 2011 3. Lamella (ramen) heat exchanger
Gambar 5. Lamella (ramen) Heat Exchanger
Alat penukar kalor ini biasa terdiri dari cangkang silinder yang berada di sekitar strip perpindahan panas. Lamella heat exchanger bekerja dengan media dalam aliran sejajar tanpa pelat baffle yang dikombinasikan dengan turbulensi yang tinggi disekitar lamella, yang bertujuan untuk meningkatkan perpindahan panas yang terjadi. Tidak adanya baffle akan meminimalkan penurunan tekanan dan membuat kinerja lebih baik. Extended Surface
Gambar 6. Extended Surface Plate Fin Heat Exchanger
Permukaan tabung dan plat memiliki efisiensi yang terbatas. Untuk meningkatkan heat fluks maka digunakanlah suatu Heat exchanger dengan extended surface (permukaan yang dilebarkan) seperti fin, spine (duri), dan groove (kelokan), sehingga permukaan fluida yang bersentuhan dengan Heat exchanger menjadi lebih banyak, dan akan menyebabkan perpindahan panas yang lebih cepat. Jenis ini mampu meningkatkan koefisen konveksi cukup besar. Heat exchanger jenis ini
6
Heat Exchanger 2011 dibagi menjadi dua macam yaitu plate-fin or matrix Heat exchanger dan high-finned tube. b. Berdasarkan jenis aliran Co-current (aliran searah)
Gambar 7. Aliran searah (Co-current)
Seperti yang dapat dilihat pada gambar diatas, kedua aliran fluida yang berada didalam heat exchanger mengalir masuk dengan arah yang sama (searah). Kedua fluida memasuki heat exchanger dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x (jarak) pada heat exchanger. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.
Counter-current (aliran berlawanan arah)
Gambar 8. Aliran berlwanan arah (Counter-current)
7
Heat Exchanger 2011 Seperti yang dapat dilihat pada gambar diatas, kedua aliran fluida yang berada didalam heat exchanger mengalir masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran fluida dingin suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih efektif dari paralel flow. Mekanisme perpindahan kalor jenis ini hampir sama dengan paralel flow, dimana aplikasi dari bentuk diferensial dari persamaan steady-state:
dQ U T t a" dL
(2.1)
dQ WCdT wcdt
(2.2)
Cross-current (aliran berseberangan)
Gambar 9. Cross Flow Heat Exchanger
Suatu aliran dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. Aliran tersebut biasa dipakai untuk aplikasi yang melibatkan dua fasa. Misalnya sistem kondensor uap (tube and shell heat exchanger), di mana uap memasuki shell, air pendingin mengalir di dalam tube dan menyerap panas dari uap sehingga uap menjadi cair.
8
Heat Exchanger 2011 2. Perhitungan dasar dalam Heat Exchanger a. Koefisien kalor menyeluruh TA
Q
T1
T2
h1
h2
TB
Gambar 10. Perpindahan kalor menyeluruh melalui dinding bidang datar.
Koefisien perpindahan kalor menyeluruh di mana perpindahan kalor melalui dinding bidang datar seperti pada gambar 10 dinyatakan sebagai: q
TA TB 1 h1 A x kA 1 h2 A
(2.3)
dimana TA dan TB berturut-turut adalah suhu fluida pada kedua bidang sisi dinding itu. Koefisien kalor menyeluruh U didefinisikan oleh hubungan
q UATmenyeluruh
(2.4)
Dari sudut pandang heat exchanger, dinding bidang datar jarang ada penerapannya. Kasus yang lebih penting mendapat perhatian adalah double pipe heat exchanger, seperti pada gambar 11a.
(a)
(b)
Gambar 11. Double pipe heat exchanger (a) bagan, (b) jaringan tahanan termal untuk perpindahan kalor menyeluruh
Dalam penerapan ini salah satu fluida mengalir di dalam tabung yang kecil, sedang fluida yang satu lagi mengalir di dalam ruang anulus di antara kedua tabung. Perpindahan kalor menyeluruh didapatkan dari jaringan termal pada gambar 9b sebagai
9
Heat Exchanger 2011 q
TA TB 1 ln r0 ri 1 hi Ai 2kL h0 A0
(2.5)
dimana subskrip i dan 0 menunjukkan diameter dalam dan diameter luar tabung dalam yang lebih kecil. Koefisien perpindahan kalor menyeluruh dapat didasarkan atas luas dalam atau luas luar tabung menurut selera perancang. Sesuai dengan itu,
1
Ui
1 Ai ln r0 ri hi 2kL
U0
1 A0 1 A0 ln r0 ri 1 Ai hi 2kL h0
Ai 1 A0 h0
(2.6)
(2.7)
Koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U), terdiri dari dua macam yaitu: 1. UC adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor masih baru 2. UD adalah koefisien perpindahan kalor keseluruhan pada saat alat penukar kalor sudah kotor. Secara umum kedua koefisien itu dirumuskan sebagai: (2.8)
(2.9)
b. Faktor pengotor Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kalor heat exchanger mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem aliran atau permukaan itu mungkin mengalami korosi sebagai akibat interaksi antara fluida dengan bahan yang digunakan dalam konstruksi heat exchanger. Dalam kedua hal di atas lapisan itu memberikan tahanan tambahan terhadap aliran kalor, dan hali ini menyebabkan menuurunnya kemampuan kerja alat itu. Pengaruh menyeluruh dari hal di atas, biasa dinyatakan dengan faktor pengotoran (fouling factor), atau tahanan
10
Heat Exchanger 2011 pengotoran, Rf yang harus diperhitungakan bersama tahanan termal lainnya, dalam menghitung koefisien perpindahan kalor menyeluruh. Faktor pengotoran harus didapatkan dari percobaan, yaitu dengan menentukan U untuk kondisi bersih dan kondisi kotor pada heat exchanger itu. Faktor pengotoran didefinisikan oleh Rf
1 U kotor
1
(2.10)
U bersih
c. Logarithmic Mean Temperature Difference (LMTD) Untuk menghitung perpindahan alor dalam Heat Exchanger Pipa Ganda (Double Pipe Heat Exchanger), digunakan persamaan berikut : (2.11)
𝑞 = 𝑈 𝐴 ∆𝑇𝑚 dengan : U : koefisien perpindahan kalor menyeluruh A: luas permukaan perpindahan kalor ∆𝑇𝑚 : beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam HE Untuk menghitung ∆𝑇𝑚 , digunakan persamaan :
Ta Tb Tmean ln( Ta / Tb
(2.12)
Dengan :
Ta Th 2 Tc 2 Tb Th1 Tc1 Kemudian persamaan diatas dikenal juga sebagai persamaan LMTD. LMTD juga dapat didefinisikan sebagai beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda suhu pada ujung yang satu lagi dibagi dengan logaritma alamiah daripada perbandingan kedua beda-suhu tersebut. Persamaan diatas digunakan dengan dua asumsi, yaitu : (1) kalor spesifik fluida tidak berubah menurut suhu, dan (2) koefisien perpindahan kalor konveksi tetap untuk seluruh penukar kalor. Nilai LMTD juga dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: 1. Bila UD konstan Untuk aliran searah (co-current)
11
Heat Exchanger 2011
atau
Untuk aliran berlawanan arah (Counter Current)
(2.13)
12
Heat Exchanger 2011 Nilai LMTD yang diperoleh ini harus dikoreksi dengan faktor FT yang dicari dari grafik yang sesuai. Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S: (2.14)
(2.15) dan harga Δ tm =FT.LMTD 2. Bila UD tidak konstan (berubah) terhadap suhu Untuk aliran searah atau aliran berlawanan arah, maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit: (2.16)
d. Metode NTU-Efektivitas Ada metode lain selain metode LMTD. Metode ini berdasarkan atas efektivotas penukar kalor dalam memindahkan sejumlah kalor tertentu. Metode efektivitas ini juga mempunyai beberapa keuntungan untuk menganalisis soal-soal dimana kita harus membandingkan berbagai jenis penukar kalor guna memilih jenis yang terbaik untuk melaksanakan sesuatu tugas pemindahan kalor tertentu. Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut : 𝜀=
𝑝𝑒𝑟𝑝𝑖𝑛𝑑𝑎𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑛𝑦𝑎𝑡𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑝𝑖𝑛𝑑𝑎𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑚𝑢𝑛𝑔𝑘𝑖𝑛
Secara umum efektivitas dapat dinyatakan sebagai berikut 𝜀=
∆𝑇 (𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑎 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚) 𝐵𝑒𝑑𝑎 𝑠𝑢𝑢 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑑𝑖 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑝𝑒𝑛𝑢𝑘𝑎𝑟 𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟
Persamaan untuk efektivitas dalam aliran sejajar dapat kita turunkan sebagai berikut 𝑙𝑛
𝑇 2 − 𝑇𝑐2 𝑇 1 − 𝑇𝑐1
= −𝑈𝐴
1 𝑚 𝑐
+
1 𝑚 𝑐 𝑐𝑐
𝑎𝑡𝑎𝑢
(2.17)
𝑇2 − 𝑇𝑐2 1 1 = exp −𝑈𝐴 + 𝑇1 − 𝑇𝑐1 𝑚 𝑐 𝑚𝑐 𝑐𝑐 Untuk mencari efektifitas untuk paralel single pass HE adalah sebagai berikut :
13
1 exp (1 C min / C max ) NTU 1 C min / C max
(2.18)
Heat Exchanger 2011 Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :
1 exp (1 C min / C max ) NTU 1 (C min / C max ) exp (1 C min / C max ) NTU
(2.19)
Keterangan : NTU (Number of Transfer Unit) bisa didapatkan dari rumus : NTU
UA C min
Cmin merupakan nilai C tekecil antara Ch dan Cc, sedangkan Cmax merupakan nilai yang terbesar.
14
Heat Exchanger 2011 BAB III PENGOLAHAN DATA Data pengamatan yang diperoleh oleh praktikan adalah sebagai berikut : Panjang HE total , L : 162 cm = 1,62 m Diamater pipa bagian luar (shell), D0 : 0,025 m Diameter pipa bagian dalam (tube), D1: 0,014 m Luas permukaan bidang tukar kalor, A0 = 𝜋𝐷0 𝐿 = 0,127 m2 Luas permukaan bidang tukar kalor, A1 = 𝜋𝐷1 𝐿 = 0,071 m2 Jenis Aliran Countercurrent
Bukaan valve 1/5
2/5
3/5
4/5
5/5
Co -current
1/5
2/5
3/5
4/5
5/5
15
Qair (ml/s) 515
880
1220
1310
1540
600
760
1120
1420
1470
Kondensat (ml/s) 28
32
28
28
28
30
31
30
26
28
Stream Water (l)
T inlet (oC) 28
T outlet (oC) 68
Steam (g)
96
42
Water (l)
28
62
Steam (g)
96
38
Water (l)
27
56
Steam (g)
98
36
Water (l)
27
50
Steam (g)
99
34
Water (l)
27
88
Steam (g)
100
32
Water (l)
37
48
Steam (g)
94
51
Water (l)
37
47
Steam (g)
93
50
Water (l)
36
44
Steam (g)
93
48
Water (l)
35
41
Steam (g)
93
46
Water (l)
35
39
Steam (g)
93
43
Heat Exchanger 2011
A. Perhitungan Metode LMTD aliran Counter-Current 1. Aliran dengan Qair = 51,5 ml/s Qair = 0,515 x 10-4 m3/s Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi = 2,8ml/s x 10-6 m3/ml = 0,28 x 10-5 m3/s Tavg water liquid = Tavg steam =
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡 2
2
=
=
96+42 2
28+68 2
= 48°𝐶
= 69°𝐶
0,025 2
D = Dh = (𝐷02 − 𝐷12 )/𝐷1 = 0,014 2 = 0,03064 𝑚 Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini : 𝐿𝑀𝑇𝐷 =
𝑇1 − 𝑡1 − (𝑇2 − 𝑡2 ) 𝑇 −𝑡 ln(𝑇1 − 𝑡1 ) 2 2
dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
96−28 − (48−62) 96−68 ln ( ) (48−62)
= 20,1980C
Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water: Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 480C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,174
989,0881
5,7064.10-4
0,6429
3,70403
Massa air adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,0509
𝑘𝑔 𝑠
Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah : 𝑅𝑒 = 𝐷𝐺/𝜇 (hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) dimana Dh = Diameter hidrauik; 𝑚
G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (𝐴𝑐 ) 𝜇 = viskositas fluida
16
Heat Exchanger 2011 Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold
𝑅𝑒 =
𝐷𝐺
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”)
𝜇
𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,0509 = 8122,306 (𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛) −4 5,7064.10 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan persamaan : 𝑘
0 = 0,023 𝑅𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,3 𝐷 (persamaan 6-4, J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”)
0 = 0,023 𝑥 8122,3060,8 3,704030,3
0,6429 0,03064
= 1001,2752 𝑊/𝑚℃
Menghitung nilai hi untuk steam Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 690C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,1849
978,4385
4,12.10-4
0,6627
2,6059
Massa steam adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,00274
𝑘𝑔 𝑠
Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, 𝑞 = 𝑊. 𝐶𝑝 . 𝑇1 − 𝑇2 + 𝑊𝜆 Dengan, 𝜆 adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya) 𝑞 = 0,00274.4,1849 . 96 − 42 + 0,00274.80 = 0,8383𝑘𝐽/𝑠
17
Heat Exchanger 2011 Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”)
𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,00274 = 605,05 (𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟) −4 4,12.10 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan : 1 = 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 𝑅𝑒𝑑 𝑃𝑟
𝑘 𝑁𝑢𝑑 , 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝐷1
0,333
𝐷1 𝐿
0,333
𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 > 10 𝐿
Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 𝐿
memenuhi kriteria di atas. 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 605,05 𝑥 2,6059 𝑥 0,014 = = 13,626 (𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡 𝑑𝑖𝑔𝑢𝑛𝑎𝑘𝑎𝑛) 𝐿 1,62
𝑁𝑢𝑑 = 1,86 605,05 𝑥 2,6059
0,333
0,014 1,62
0,333
= 4,4387 1 = =
𝑘𝑁𝑢𝑑 𝐷1
0,6627 𝑥 4,4387 = 210,12 𝑊/𝑚2 ℃ 0,014
Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U) Dari tabel A-2 (J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada T = 20oC, adalah 73 W/moC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni) Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”, didapatkan persamaan untuk menghitung U, yaitu : 𝑈𝑖 =
18
1 𝐴 ln(𝑟𝑜 𝑟𝑖 ) 1 1 + 𝑖 + 𝑖 2𝜋𝑘𝐿 𝑜
Heat Exchanger 2011 =
1 0,000154 ln(0,0125 0,007) 1 1 + 210,12 + 2𝜋𝑥 0,6265 𝑥 1,62 1001,475 = 46,219𝑊/𝑚2 ℃
Menghitung nilai Ud, dengan persamaan : 𝑞 𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷 0,8383 = 0,000154.20,198 𝑈𝑑 =
= 269,75 𝑊/𝑚2 ℃ Menghitung nilai Rd, dengan persamaan : 𝑅𝑑 = =
1 1 − 𝑈𝑑 𝑈𝑐
1 1 − 269,75 46,219
= 0,01793 𝑊/𝑚2 ℃ 2. Aliran dengan Qair = 88 ml/s Qair = 0,88 x 10-4 m3/s Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi = 3,2 ml/s x 10-6 m3/ml = 0,32 x 10-5 m3/s Tavg water liquid = Tavg steam =
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡 2
2
=
=
96+38 2
28+62 2
= 45°𝐶
= 67°𝐶
0,025 2
D = Dh = (𝐷02 − 𝐷12 )/𝐷1 = 0,014 2 = 0,03064 𝑚 Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini : 𝐿𝑀𝑇𝐷 =
𝑇1 − 𝑡1 − (𝑇2 − 𝑡2 ) 𝑇 −𝑡 ln(𝑇1 − 𝑡1 ) 2 2
dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out 𝐿𝑀𝑇𝐷 =
19
96−28 − (38−62) 96 −68 ln ( ) (38 −62 )
= 19,6110C
Heat Exchanger 2011 Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water: Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 450C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,174
990,0594
5,998.10-4
0,6391
3,91986
Massa air adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,0871
𝑘𝑔 𝑠
Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah : 𝑅𝑒 = 𝐷𝐺/𝜇 (hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) dimana Dh = Diameter hidrauik; 𝑚
G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (𝐴𝑐 ) 𝜇 = viskositas fluida
Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) 𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,0871 = 13217,64 (𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛) −4 5,998.10 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan persamaan : 𝑘
0 = 0,023 𝑅𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,3 𝐷 (persamaan 6-4, J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”)
0 = 0,023 𝑥 13217,640,8 3,919860,3
0,6391 0,03064
= 1497,791 𝑊/𝑚℃ Menghitung nilai hi untuk steam Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 670C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
20
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
Heat Exchanger 2011 4,1838
4,224.10-4
979,5176
Massa steam adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,003135
0,6606
2,6778
𝑘𝑔 𝑠
Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, 𝑞 = 𝑊. 𝐶𝑝 . 𝑇1 − 𝑇2 + 𝑊𝜆 Dengan, 𝜆 adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya) 𝑞 = 0,003135.4,1927 . 96 − 38 + 0,003135.80 = 0,6924 𝑘𝐽/𝑠
Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) 𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,003135 = 675,15 (𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟) −4 4,224.10 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan : 1 = 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 𝑅𝑒𝑑 𝑃𝑟
𝑘 𝑁𝑢𝑑 , 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝐷1
0,333
𝐷1 𝐿
0,333
𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 > 10 𝐿
Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 𝐿
memenuhi kriteria di atas. 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 675,15 𝑥 2,6678 𝑥 0,014 = = 15,624 (𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡 𝑑𝑖𝑔𝑢𝑛𝑎𝑘𝑎𝑛) 𝐿 1,62 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 675,15 𝑥 2,6778 = 4,6457 1 =
21
𝑘𝑁𝑢𝑑 𝐷1
0,333
0,014 1,62
0,333
Heat Exchanger 2011 =
0,6606 𝑥 4,6457 = 219,2 𝑊/𝑚2 ℃ 0,014
Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U) Dari tabel A-2 (J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada T = 20oC, adalah 73 W/moC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni) Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”, didapatkan persamaan untuk menghitung U, yaitu : 1 𝐴 ln(𝑟𝑜 𝑟𝑖 ) 1 1 + 𝑖 + 𝑖 2𝜋𝑘𝐿 𝑜
𝑈𝑖 =
𝑈𝑖 =
1 0,000154 ln(0,0125 0,007) 1 1 + + 219,2 2𝜋𝑥 73 𝑥 1,62 1497,791 = 46,871 𝑊/𝑚2 ℃
Menghitung nilai Ud, dengan persamaan : 𝑞 𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷 1,0014 = 0,000154.19,611 𝑈𝑑 =
= 335,17 𝑊/𝑚2 ℃
Menghitung nilai Rd, dengan persamaan : 𝑅𝑑 = =
1 1 − 𝑈𝑑 𝑈𝑐
1 1 − 335,17 46,871
= 0,01835 𝑊/𝑚2 ℃
B. Perhitungan Metode LMTD aliran Co-Current 1. Aliran dengan Qair = 60 ml/s Qair = 0,6 x 10-4 m3/s Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi = 3 ml/s x 10-6 m3/ml = 0,3 x 10-5 m3/s
22
Heat Exchanger 2011 Tavg water liquid = Tavg steam =
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡 2
=
2
=
94+44 2
36+50 2
= 43°𝐶
= 69°𝐶
0,025 2
D = Dh = (𝐷02 − 𝐷12 )/𝐷1 = 0,014 2 = 0,03064 𝑚 Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini : 𝑇1 − 𝑡1 − (𝑇2 − 𝑡2 ) 𝑇 −𝑡 ln(𝑇1 − 𝑡1 ) 2 2
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out 𝐿𝑀𝑇𝐷 =
94−36 − (44−50) 94 −36 ) 44 −50
ln (
= 28,210C
Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water: Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 430C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,174
990,7427
6,199.10-4
0,6366
4,069
Massa air adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,5944
𝑘𝑔 𝑠
Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah : 𝑅𝑒 = 𝐷𝐺/𝜇 (hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) dimana Dh = Diameter hidrauik; 𝑚
G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (𝐴𝑐 ) 𝜇 = viskositas fluida Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”)
𝑅𝑒 =
23
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
Heat Exchanger 2011 𝑅𝑒 =
0,03064 4 𝑥 0,5944 = 87252,07 (𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛) 6,199.10−4 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan persamaan : 𝑘
0 = 0,023 𝑅𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,3 𝐷 (persamaan 6-4, J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”)
0 = 0,023 𝑥 87252,070,8 4,0690,3
0,6366 0,03064
= 6836,581 𝑊/𝑚℃
Menghitung nilai hi untuk steam Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 690C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,1849
978,4385
4,12.10-4
0,6627
2,6059
Massa steam adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,002935
𝑘𝑔 𝑠
Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, 𝑞 = 𝑊. 𝐶𝑝 . 𝑇1 − 𝑇2 + 𝑊𝜆 Dengan, 𝜆 adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya) 𝑞 = 0,002935.4,1849 . 94 − 44 + 0,002935.80 = 0,849 𝑘𝐽/𝑠 Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”)
𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
24
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,002935 = 648,27 (𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟) −4 4,12.10 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Heat Exchanger 2011 Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan : 1 = 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 𝑅𝑒𝑑 𝑃𝑟
𝑘 𝑁𝑢𝑑 , 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝐷1
0,333
𝐷1 𝐿
0,333
𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 > 10 𝐿
Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 𝐿
memenuhi kriteria di atas. 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 648,27 𝑥 2,6059 𝑥 0,014 = = 14,599 (𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡 𝑑𝑖𝑔𝑢𝑛𝑎𝑘𝑎𝑛) 𝐿 1,62
𝑁𝑢𝑑 = 1,86 648,27 𝑥 2,6059
0,333
0,014 1,62
0,333
= 4,5419 1 = =
𝑘𝑁𝑢𝑑 𝐷1 0, 6627 𝑥 4,5419 = 215 𝑊/𝑚2 ℃ 0,014
Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U) Dari tabel A-2 (J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada T = 20oC, adalah 73 W/moC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni) Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”, didapatkan persamaan untuk menghitung U, yaitu : 𝑈𝑖 =
𝑈𝑖 =
1 𝐴 ln(𝑟𝑜 𝑟𝑖 ) 1 1 + 𝑖 + 𝑖 2𝜋𝑘𝐿 𝑜
1 0,000154 ln(0,0125 0,007) 1 1 + + 2𝜋𝑥 73 𝑥 1,62 215,5 6836,581 = 47,035 𝑊/𝑚2 ℃
Menghitung nilai Ud, dengan persamaan : 𝑈𝑑 =
25
𝑞 𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷
Heat Exchanger 2011 0,849 0,000154.28,21
=
= 195,61 𝑊/𝑚2 ℃ Menghitung nilai Rd, dengan persamaan : 𝑅𝑑 = =
1 1 − 𝑈𝑑 𝑈𝑐
1 1 − 195,61 47,035
= 0,01615
𝑊 ℃ 𝑚2
2. Aliran dengan Qair = 76 ml/s Qair = 0,76 x 10-4 m3/s Qsteam = merupakan jumlah kondensat yang terjadi = 3,1ml/s x 10-6 m3/ml = 0,31 x 10-5 m3/s Tavg water liquid = Tavg steam =
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡
𝑇𝑖𝑛 +𝑇𝑜𝑢𝑡 2
2
=
=
94+47 2
37+51 2
= 44°𝐶
= 70,5°𝐶
0,025 2
D = Dh = (𝐷02 − 𝐷12 )/𝐷1 = 0,014 2 = 0,03064 𝑚 Kemudian, kita menghitung nilai LMTD dari aliran ini : 𝐿𝑀𝑇𝐷 =
𝑇1 − 𝑡1 − (𝑇2 − 𝑡2 ) 𝑇 −𝑡 ln(𝑇1 − 𝑡1 ) 2 2
dimana T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out
𝐿𝑀𝑇𝐷 =
94−37 − (47−51) 94−37 ) 47−51
ln (
= 22,96 0C
Kemudian, menghitung nilai h0 untuk saturated water: Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 420C, didapat properti untuk water liquid :
26
Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,174
990,3831
6,095.10-4
0,6378
3,9918
Heat Exchanger 2011 Massa air adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,7527
𝑘𝑔 𝑠
Reynold Number, Re dari aliran air dalam pipa ini adalah : 𝑅𝑒 = 𝐷𝐺/𝜇 (hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) dimana Dh = Diameter hidrauik; 𝑚
G = laju alir massa per luas penampang aliran minimum (𝐴𝑐 ) 𝜇 = viskositas fluida Kemudian, kita mengecek jenis aliran fluida dengan menggunakan pesamaan reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) 𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,7527 = 112370 (𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛) 6,095.10−4 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h0, karena aliran turbulen, dan asumsi bahwa aliran tersebut turbulen fully developed dalam pipa licin (no friction), maka digunakan persamaan : 𝑘
0 = 0,023 𝑅𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,3 𝐷 (persamaan 6-4, J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”)
0 = 0,023 𝑥 1123700,8 3,99180,3
0,6378 0,03064
= 8333,402 𝑊/𝑚℃
Menghitung nilai hi untuk steam Dari tabel A-9 (J.P Holman) pada Tavg = 70,50C, didapat properti untuk water liquid : Cp (kJ/kg.0C)
𝜌 (kg/m3)
(kg/m.s)
k (W/m.0C)
Pr
4,1857
977,6291
4,042.10-4
0,6643
2,5519
Massa steam adalah, 𝑊 = 𝜌 𝑄 = 0,003031
𝑘𝑔 𝑠
Kalor dari steam yang dipindahkan ke air, 𝑞 = 𝑊. 𝐶𝑝 . 𝑇1 − 𝑇2 + 𝑊𝜆
27
Heat Exchanger 2011 Dengan, 𝜆 adalah kalor laten steam, yang besarnya 80 cal/kg (nilai ini digunakan untuk asumsi keadaan steam saat masuk adalah jenuh seluruhnya) 𝑞 = 0,003031.4,1857 . 94 − 47 + 0,003031.80 = 0,8387 𝑘𝐽/𝑠 Kemudian, kita mengecek jenis aliran steam dengan menggunakan pesamaan Reynold 𝑅𝑒 =
𝐷𝐺 𝜇
(hal.514, J.P Holman, “Perpindahan Kalor”) 𝑅𝑒 =
𝑅𝑒 =
𝐷 4𝑊 𝜇 𝜋(𝐷02 − 𝐷12 )
0,03064 4 𝑥 0,003031 = 682,28 (𝑙𝑎𝑚𝑖𝑛𝑒𝑟) −4 4,042.10 𝜋(0,0252 − 0,0142 )
Kemudian, menghitung nilai h1, karena aliran laminer, sebelumnya perlu dihitung nilai Nud untuk menghitung nilai h1, dengan persamaan : 1 = 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 𝑅𝑒𝑑 𝑃𝑟
𝑘 𝑁𝑢𝑑 , 𝑑𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 𝐷1
0,333
𝐷1 𝐿
0,333
𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 > 10 𝐿
Untuk dapat menggunakan persamaan ini, kita harus mengecek apakah nilai 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 𝐿
memenuhi kriteria di atas. 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 682,28 𝑥 2,5519 𝑥 0,014 = = 15,047 (𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑚𝑎𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑝𝑎𝑡 𝑑𝑖𝑔𝑢𝑛𝑎𝑘𝑎𝑛) 𝐿 1,62 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 682,28𝑥 2,5519
0,333
0,014 1,62
0,333
= 4,5878 1 = =
𝑘𝑁𝑢𝑑 𝐷1
0,6643 𝑥 4,5878 = 217,7 𝑊/𝑚2 ℃ 0,014
Menentukan koefisien perpindahan kalor keseluruhan (U) Dari tabel A-2 (J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”), didapatkan bahwa KFe murni , pada T = 20oC, adalah 73 W/moC (diasumsikan bahwa pipa HE terbuat dari besi murni)
28
Heat Exchanger 2011 Dari persamaan (10-4a) buku J.P.Holman, “Perpindahan Kalor”, didapatkan persamaan untuk menghitung U, yaitu : 𝑈𝑖 =
=
1 𝐴 ln(𝑟𝑜 𝑟𝑖 ) 1 1 + 𝑖 + 𝑖 2𝜋𝑘𝐿 𝑜
1 0,000154 ln(0,0125 0,007) 1 1 + 8333,402 217,7 + 2𝜋𝑥 73 𝑥 1,62 = 47,189 𝑊/𝑚2 ℃
Menghitung nilai Ud, dengan persamaan : 𝑞 𝐴. 𝐿𝑀𝑇𝐷 0,8387 = 0,000154.22,96 𝑈𝑑 =
= 237,4 𝑊/𝑚2 ℃ Menghitung nilai Rd, dengan persamaan : 𝑅𝑑 = =
1 1 − 𝑈𝑑 𝑈𝑐
1 1 − 237,4 47,189
= 0,01698 𝑊/𝑚2 ℃ Perhitungan diatas merupakan perhitungan untuk menghitung NTU dan efektivitas dari aliran jenis counter-current dan co-current (data bukaan valve 1/5 dan 2/5). Untuk data bukaan valve lainnya, kami menghitung dengan cara yang sama seperti diatas dan didapatkan hasil sebagai berikut
29
Heat Exchanger 2011
Jenis
Bukaan LMTD
Re Water
h0
Re
Liquid
h1
qsteam
Aliran
Valve
Steam
Counter
1/5
20,198
6437,77122
884,938
710,61
211,64
0,8328
Current
2/5
19,611
10571,7711
1329,593
783,08
220,74
1,0054
3/5
21,422
142098,766
10714,733
669,4
210,82
0,9264
4/5
21,584
149318,251
11211,619
648,12
210,7
0,9619
5/5
7,9957
171860,108
12615,248
807,79
212,61
0,9864
Co-
1/5
22,921
82612,1256
6643,303496 672,6788
215,511
0,774207
Current
2/5
19,949
108486,457
8180,164583 699,4734 217,8961 0,787135
3/5
20,193
151527,957
10844,09785 656,2173
4/5
19,027
181184,874
12708,01138 551,8178 204,6645 0,768281
5/5
18,229
185641,318
12992,73754 587,2963 209,5498 0,873665
215,227
0,824073
Jenis Aliran
Bukaan Valve
Uc
Ud
Counter Current
1/5
46,21919
269,749
2/5
46,87114
335,1747
3/5
46,81751
282,411
4/5
46,81344
290,7313
5/5
46,82195
812,9743
1/5
47,03521
195,6077
2/5
47,18171
237,4012
3/5
47,0629
245,0039
4/5
46,55077
247,4872
5/5
46,80694
311,6283
Co-Current
C. Penentuan Nilai Keefetifan (𝜀) dan NTU aliran Counter – Current 1. Aliran dengan Q = 51,5 ml/s Dari tabel A-9 (J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai berikut :
30
Heat Exchanger 2011 Saturated Water
Steam
Temperatur
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Inlet
4,177802
0,21281
4,2069
0,01144
Outlet
4,184
0,21325
4,174
0,01153
Dengan nilai 𝐶 = 𝐶𝑝 (𝑘𝐽 𝐾𝑔℃) 𝑥 𝑊 (𝐾𝑔 𝑠) Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai Cmin = 0,01144 kJ/0C serta, Cmax = 0,21325 kJ/0C Menghitung nilai C* 𝐶∗ =
𝐶𝑚𝑖𝑛 0,01144 = = 0,05365 𝐶𝑚𝑎𝑥 0,21325
Menghitung efektifitas Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 𝜖𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟 −𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 =
𝑇1 − 𝑇2 96 − 42 = = 0,79412 𝑇1 − 𝑇𝑐1 96 − 28
𝜖𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟 −𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 % = 79,412 % Menghitung NTU Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”, nilai NTU untuk aliran counter-current dapat digunakan persamaan : 𝑁𝑇𝑈 = 𝑁𝑇𝑈 =
1 𝜖−1 ln (𝐶 ∗ − 1) [(𝐶 ∗ 𝜖) − 1]
1 0,79412 − 1 ln (0,05365 − 1) (0,05365 𝑥 0,79412) − 1] = 1,62405
2. Aliran dengan Q = 88 ml/s Dari tabel A-9 (J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai berikut :
31
Heat Exchanger 2011 Saturated Water
Steam
Temperatur
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Inlet
4,177802
0,36399
4,2069
0,013083
Outlet
4,18
0,36418
4,174
0,013186
Dengan nilai 𝐶 = 𝐶𝑝 (𝑘𝐽 𝐾𝑔℃) 𝑥 𝑊 (𝐾𝑔 𝑠) Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai Cmin = 0,013083 kJ/0C serta, Cmax = 0,36418 kJ/0C Menghitung nilai C* 𝐶∗ =
𝐶𝑚𝑖𝑛 0,013083 = = 0,035925 𝐶𝑚𝑎𝑥 0,36418
Menghitung efektifitas Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 𝜖𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟 −𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 =
𝑇1 − 𝑇2 96 − 38 = = 0,85294 𝑇1 − 𝑇𝑐1 96 − 28
𝜖𝑐𝑜𝑢𝑛𝑡𝑒𝑟 −𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 % = 85,294 % Menghitung NTU Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”, nilai NTU untuk aliran counter-current dapat digunakan persamaan : 𝑁𝑇𝑈 = 𝑁𝑇𝑈 =
1 𝜖−1 ln (𝐶 ∗ − 1) [(𝐶 ∗ 𝜖) − 1]
1 0,85294 − 1 ln (0,035925 − 1) (0,035295 𝑥 0,85294) − 1] = 1,95607
D. Penentuan Nilai Keefetifan (𝜀) dan NTU aliran Co – Current 1. Aliran dengan Q = 60 ml/s Dari tabel A-9 (J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai berikut :
32
Heat Exchanger 2011 Saturated Water
Steam
Temperatur
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Inlet
4,174
2,48122
4,175
0,012252
Outlet
4,174
2,48181
4,174
0,012254
Dengan nilai 𝐶 = 𝐶𝑝 (𝑘𝐽 𝐾𝑔℃) 𝑥 𝑊 (𝐾𝑔 𝑠) Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai Cmin = 0,012252 kJ/0C serta, Cmax = 2,48181 kJ/0C Menghitung nilai C* 𝐶∗ =
𝐶𝑚𝑖𝑛 0,012252 = = 0,004937 𝐶𝑚𝑎𝑥 2,48181
Menghitung efektifitas Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 𝜖𝑐𝑜−𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 =
𝑇1 − 𝑇2 94 − 44 = = 0,75862 𝑇1 − 𝑇𝑐1 94 − 36
𝜖𝑐𝑜−𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 % = 75,862% Menghitung NTU Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”, nilai NTU untuk aliran co-current dapat digunakan persamaan : −ln (1 − (1 − 𝐶 ∗ )𝜖 𝑁𝑇𝑈 = 1 + 𝐶∗ −ln (1 − 1 − 0,004937 0,758621 𝑁𝑇𝑈 = 1 + 0,004937 = 1,3991 2. Aliran dengan Q = 76 ml/s Dari tabel A-9 (J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”) didapatkan data Cp sebagai berikut : Saturated Water
33
Steam
Temperatur
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Cp(kJ/kg0C)
C(kJ/0C)
Inlet
4,174
3,14173
4,1759
0,01265
Outlet
4,1759
3,14316
4,174
0,012656
Heat Exchanger 2011 Dengan nilai 𝐶 = 𝐶𝑝 (𝑘𝐽 𝐾𝑔℃) 𝑥 𝑊 (𝐾𝑔 𝑠) Dari tabel diatas, kemudian kita mencari fluida minimum dan fluida maksimum berdasarkan nilai C nya. Fluida minimum nya adalah steam, dengan nilai Cmin = 0,01265 kJ/0C serta, Cmax = 3,14316 kJ/0C Menghitung nilai C* 𝐶∗ =
𝐶𝑚𝑖𝑛 0,01265 = = 0,00402 𝐶𝑚𝑎𝑥 3,14316
Menghitung efektifitas Efektifitas dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 𝜖𝑐𝑜 −𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 =
𝑇1 − 𝑇2 94 − 47 = = 0,75439 𝑇1 − 𝑇𝑐1 94 − 37
𝜖𝑐𝑜−𝑐𝑢𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡 % = 75,439 % Menghitung NTU Dari tabel (cari di Holman), buku J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”, nilai NTU untuk aliran co-current dapat digunakan persamaan : 𝑁𝑇𝑈 =
𝑁𝑇𝑈 =
−ln (1 − (1 − 𝐶 ∗ )𝜖 1 + 𝐶∗
−ln (1 − 1 − 0,00402 0,75439 1 + 0,00402 = 1,3862
Berikut data efektifitas dan NTU yang kami dapatkan secara keseluruhan akan ditampilkan dalam tabel berikut :
34
Jenis
Bukaan
Efektifitas Water
NTU Water
Aliran
Valve
Liquid (%)
Liquid
Counter-
1/5
79,412
1,62363
current
2/5
85,294
1,95567
3/5
87,324
2,06814
4/5
90,278
2,33375
Heat Exchanger 2011
Co-current
35
5/5
93,151
2,68412
1/5
75,862
1,3991
2/5
75,439
1,3862
3/5
82,759
1,7659
4/5
88,333
2,153
5/5
95
5,0254
Heat Exchanger 2011
BAB IV ANALISIS
A. Analisis Percobaan Pada percobaan Heat Exchanger ini digunakan Double pipe Heat Exchanger, tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui cara kerja dari Double pipe Heat Exchanger dengan menghitung parameter-parameternya, dalam hal ini dihitung beberapa parameter seperti koefisien perpindahan panas, efisiensi dan perbandingan antara aliran searah dan berlawanan arah. Mekanisme perpindahan kalor pada alat ini terjadi secara tidak langsung (indirect contact type) karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. Medium pemanas yang dipakai uap air panas (steam) dan air biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak tidak langsung antara steam dan air. Pada heat exchanger ini, ada 2 macam perpindahan panas yaitu secara konveksi pada kedua fluida yang mengalir dan secara konduksi dari fluida panas ke fluida dingin, dimana keduanya dipisahkan oleh dinding. Pada percobaan ini, fluida pendingin (air) mengalir melalui pipa annulus (shell), sedangkan fluida pemanas (steam) mengalir pada pipa kecil. Terdapat beberapa alasan mengapa steam ditempatkan pada pipa kecil (dalam), yakni : -
Steam memiliki tekanan yang lebih tinggi. Sehingga penempatannya diletakkan pada pusat tabung (pipa kecil) bertujuan agar alat tidak cepat rusak akibat tekanan tinggi.
-
Steam pada percobaan ini berlaku sebagai fluida pemanas. Penempatan steam pada bagian dalam adalah upaya agar kalor yang dimiliki sepenuhnya diterima oleh air. Jika steam dialirkan dalam pipa annulus, maka sebagian kalor akan terbuang ke lingkungan dengan percuma karena adanya perpindahan kalor secara konveksi alamiah yang disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur antara steam dengan lingkungan.
-
Alasan ekonomis, karena diameter pipa lebih kecil dibandingkan diameter anulus. Dibandingkan dengan air harga steam tersebut mahal, sehingga penggunaannya harus
36
Heat Exchanger 2011 dihemat dengan mengalirkannya di pipa berarti jumlah steam yang digunakan relatif sedikit dibandingkan jika dialirkan di anulus. Penggunaan dua fluida yaitu steam dan air, tujuannya adalah untuk melihat kinerja alat ini pada kedua fluida tersebut. Alasan penggunaan steam dan air sebagai fluida pada percobaan ini adalah air dan steam tergolong fluida yang mudah ditemukan data-data propertisnya dalam literatur, sehingga mudah untuk menghitung koefisien panas dan efisiensinya. Parameter-parameter inilah yang akan menentukan baik atau tidaknya kinerja dari Double pipe Heat Exchanger tersebut. Secara sederhana, prinsip kerja Double pipe Heat Exchanger adalah sebagai berikut : pertama-tama steam dibuat pada reaktor steam reforming selama kurang lebih 15 menit, lalu kedua fluida yaitu steam reforming dan air yang berbeda temperatur dialirkan bersama, steam dialirkan dalam tube dan air dalam shell hingga bersentuhan secara tidak langsung, sehingga panas dari fluida yang temperaturnya lebih tinggi (steam) berpindah ke fluida yang temperaturnya lebih rendah (air). Hasil dari proses ini adalah fluida panas yang masuk akan menjadi lebih dingin dan fluida dingin yang masuk akan menjadi lebih panas. Aliran steam dan air dapat mempengaruhi kinerja dari heat exchanger, maka dalam percobaan ini dilakukan perbandingan untuk heat exchanger aliran searah dan berlawanan arah dengan cara membuka-tutup valve yang ada. Bila aliran searah, untuk aliran steam, valve yang dibuka penuh secara berurutan adalah valve 1, 8,10, 12 dan 13. Sedangkan bila aliran berlawanan, valve yang dibuka penuh secara berurutan adalah valve 1, 8, 11, 9 dan 13. Pada aliran air baik untuk aliran searah maupun berlawanan, valve yang dibuka adalah valve 5 dan valve 14 sebesar 1/5 putaran. Bisa dilihat yang diatur untuk menentukan kondisi alirnya adalah dengan mengatur aliran steamnya, steam berjalan searah dengan air atau berlawanan dengan air. Jadi kita harus memperhatikan suhu yang steam yang masuk, untuk mencapai hasil percobaan yang benar, suhu steam masuk harus konstan sekitar 90100oC. Untuk mencapai kondisi konstan ini kira-kira harus ditunggu selama 10 menit agar suhu naik. Pada aliran searah, suhu masuk steam (T4) sekitar 94oC dan pada aliran berlawanan suhu masuk steam (T5) sekitar 96oC. Seharusnya ini adalah suhu yang dicapai saat steady state, jadi tidak naik lagi, namun saat percobaan berlangsung suhu ini masih naik sekitar 3 – 4 derajat. Hal ini mungkin yang menyebabkan hasil suhu pada percobaan tidak stabil.
37
Heat Exchanger 2011 Dalam percobaan ini juga dilakukan pengukuran laju alir, namun karena flowmeter pada heat exchanger rusak maka valve ke arah flowmeter
ditutup dan praktikan
menghitungnya melalui volume air dan kondensat yang ditampung. Oleh karena itu dibutuhkan waktu yang seragam dalam menampung air dan kondensat. Praktikan mengambil waktu 10 detik untuk tiap bukaan valve 14. Variasi aliran air dari bukaan valve 14 adalah sebesar 1/5, 2/5, 3/5, 4/5, dan 5/5, lalu akan mendapatkan perbandingan laju alir massanya untuk tiap bukaan valve tersebut. Semakin bukaan nya besar maka laju alirnya akan naik. Jadi, variasi bukaan valve akan mempengaruhi laju alir massa yang melewati bidang batas perpindahan panas. Teorinya, semakin besar bukaan valve akan menyebabkan laju alir massa semakin besar sehingga akan semakin efektif peristiwa perpindahan panas yang bekerja. Keefektifan ini dapat terlihat dari perbedaan suhu fluida keluaran yang tidak jauh. Untuk perpindahan kalor yang terjadi antara heat exchanger yang aliran berlawanan dan searah, dapat diperkirakan bahwa hasil yang lebih baik itu diperoleh dari aliran yang berlawanan arah karena pada aliran yang berlawanan perbedaan suhu awal pada titik-titik tertentu akan lebih besar sehingga menghasilkan driving force yang besar, maka pertukaran kalor pada aliran berlawanan arah akan lebih efektif. Driving force yang besar ini akan mendorong steam dan air untuk saling bertukar panas secara lebih efektif. Akibatnya, suhu keluaran steam akan lebih rendah dibandingkan pada aliran searah. Suhu keluaran air juga akan lebih tinggi dibandingkan aliran searah pada laju alir air yang sama. Selain perbedaan antara aliran searah dan lawan arah, faktor pengotoran juga mempengaruhi perpindahan panas dalam Double Pipe Heat Exchanger. Faktor pengotoran (fouling factor) merupakan angka yang menyatakan tingkat pengotoran suatu Heat Exchanger. Fouling dapat didefinisikan sebagai akumulasi endapan yang tidak diiinginkan pada permukaan perpindahan panas. Dikarenakan terdapat endapan atau deposit pada permukaan perpindahan panas, maka dibutuhkan luas perpindahan panas yang lebih agar perpindahan panas yang diinginkan dapat tercapai ( dengan beban atau duty yang diberikan ). Fouling factor dipengaruhi oleh sifat fluida, kecepatan alir fluida, temperature operasi, lama operasi.
38
Heat Exchanger 2011 B. Analisis Data Dari percobaan didapatkan hasil sebagai berikut Tabel 1. Data Pengolahan
Counter current Percobaan
Q air
Q Steam
(m3/s)
(m3/s)
Steam
Air
T in
T out
T in
T out
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
1
0,0000515
0,0000028
96
42
28
68
2
0,000088
0,0000032
96
38
28
62
3
0,000122
0,0000028
98
36
27
56
4
0,000131
0,0000028
99
34
27
50
5
0,000154
0,0000028
100
32
27
88
Q air
Q Steam
(m3/s)
(m3/s)
Co- Current Percobaan
Steam
Air
T in
T out
T in
T out
(oC)
(oC)
(oC)
(oC)
1
0,00006
0,000003
94
44
36
50
2
0,000076
0,0000031
94
47
37
51
3
0,000112
0,000003
94
42
36
46
4
0,000142
0,0000026
94
38
34
41
5
0,0000147
0,0000028
94
37
34
39
Dari data hasil percobaan diatas dapat dilihat bahwa data yang praktikan dapatkan kurang memuaskan, karena kenaikan laju alir yang didapatkan tidak menyebabkan kenaikan pada laju alir pada steam. Seharusnya, seiring dengan meningkatnya laju alir pada air maka laju alir pada steam juga akan ikut meningkat. Hal ini sesuai dengan pernyataan semakin banyaknya kalor yang diserap oleh air dari steam maka akan semakin banyak pula steam yang terkondensasi menjadi air. Selain itu, suhu keluaran aliran berlawanan arah lebih kecil dari suhu keluaran searah. Hal ini menandakan bahwa perpindahan panas pada aliran berlawanan arah lebih besar dari pada perpindahan panas pada aliran searah. Pada aliran searah, suhu keluaran air semakin menurun hal ini disebabkan oleh laju alir air yang masuk lebih besar dari laju steam yang masuk, sehingga akan menyebabkan suhu keluaran air semakin menurun.
39
Heat Exchanger 2011 C. Analisis Perhitungan 1. Menghitung LMTD aliran Untuk menghitung LMTD aliran digunakan persamaan sbb : 𝐿𝑀𝑇𝐷 =
𝑇1 −𝑡 1 − (𝑇2 −𝑡 2 )
(4.1)
𝑇 −𝑡 ln ( 1 1 ) 𝑇 2 −𝑡 2
dimana, T1 = suhu fluida panas in ; T2 = suhu fluida panas out t1 = suhu fluida dingin in ; t2 = suhu fluida dingin out 2. Menghitung Nilai h0, h1, Uc , Ud. Counter Current a. Analisa perhitungan ho dan hi Nilai ho untuk saturated water dengan menggunakan persamaan : 𝑘
0 = 0,023 𝑅𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,3 𝐷
(4.2)
(persamaan 6-4, J.P. Holman, “Perpindahan Kalor”) Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa untuk menghitung nilai h0 tersebut dibutuhkan data-data Bilangan Prandtl (Pr) , nilai koefisien perpindahan kalor (k) dan Bilangan Reynold (Re). Data-data seperti bilangan Pr dan k dapat dilihat dari tabel A-9 (J.P Holman) sedangkan Re dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : 𝑅𝑒 =
𝐷
4𝑊
𝜇
𝜋(𝐷02 −𝐷12 )
(4.3)
Dengan menghitung Bilangan Reynold ini kita dapat mengetahui jenis aliran. Dimana, Aliran turbulen Re > 10000 Aliran transisi 2100 < Re < 10000 Aliran laminer Re < 2100
Nilai hi steam dihitung dengan menggunakan persamaan : 1 =
𝑘 𝑁𝑢 𝑑 𝐷1
dimana nilai Nud dihitung berdasarkan jenis aliran.
40
(4.4)
Heat Exchanger 2011 Aliran laminer : 𝑁𝑢𝑑 = 1,86 𝑅𝑒𝑑 𝑃𝑟
0,333
𝐷1 0,333 𝐿
𝑢𝑛𝑡𝑢𝑘 𝑅𝑒𝑑 Pr
𝐷1 𝐿
> 10
(4.5)
Aliran turbulen : 𝑁𝑢𝑑 = 0,023 𝑅𝑒𝑑 0,8 𝑃𝑟 𝑛
(4.6)
Tabel 2. Tabulasi data perhitungan h1 dan h0
Jenis
Bukaan
aliran
valve
LMTD
Re
Jenis
Water
aliran
ho
Re
Jenis
h1
Steam
aliran
Liquid Counter
1/5
20,198
6437,771 Turbulen
884,938
710,61
Laminer
211,64
Current
2/5
19,611
10571,77 Turbulen 1329,593
783,08
Laminer
220,74
3/5
21,422
142098,8 Turbulen 10714,73
669,4
Laminer
210,82
4/5
21,584
149318,3 Turbulen 11211,62
648,12
Laminer
210,7
5/5
7,9957
171860,1 Turbulen 12615,25
807,79
Laminer
212,61
Co-
1/5
22,921
82612,13 Turbulen 6643,303 672,6788 Laminer
215,511
Current
2/5
19,949
108486,5 Turbulen 8180,165 699,4734 Laminer 217,8961
3/5
20,193
4/5
19,027
181184,9 Turbulen 12708,01 551,8178 Laminer 204,6645
5/5
18,229
185641,3 Turbulen 12992,74 587,2963 Laminer 209,5498
151528
Turbulen
10844,1
656,2173 Laminer
215,227
Jika dilihat berdasarkan persamaan (4.3) Bilangan Reynold sangat dipengaruhi oleh laju alir. Semakin besar laju alirnya maka semakin besar nilai bilangan Reynoldnya. Begitu juga yang terjadi dalam percobaan. Sehingga secara tidak langsung, nilai sangat dipengaruhi oleh laju alir fluida. Dimana hi dengan laju alir akan berbanding lurus. Pernyataan ini dapat dilihat dari persamaan berikut : Persamaan untuk kalor yang dipindahkan oleh air ke steam dapat dinyatakan dengan persamaan berikut : 𝑞 = 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇 = 𝑚 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 ∆𝑇
(4.7)
Dimana 𝑚 = 𝑄 𝑥 𝜌 sehingga persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi : 𝑥 𝐴 𝑥 ∆𝑇 = 𝑚 𝑥 𝐶𝑝 𝑥 ∆𝑇
41
(4.8)
Heat Exchanger 2011 𝐴 𝐶𝑝
=𝑄𝑥𝜌
(4.9)
dimana, Q = Laju alir (mL/s) A = Luas permukaan (𝑚2 ) Cp = Kapasitas panas (kJ/kg 0C) 𝜌 = Massa jenis (kg/m3) b. Analisa Perhitungan untuk Uc Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : Uc
1 r A1 ln 0 1 r1 A1 1 h1 2 KL A0 h0
Dari tabel pada pengolahan data halaman 28 yang dilanjutkan halaman 29, dapat dilihat bahwa semakin besar nilai hi dan ho maka nilai Uc akan semakin besar pula. Hal ini sesuai dengan persamaan diaatas bahwa nilai Uc berbanding lurus dengan nilai hi dan ho. c. Faktor Pengotor Setelah dipakai beberapa lama, permukaan perpindahan kalor Heat Exchanger mungkin dilapisi oleh berbagai endapan yang biasa terdapat dalam sistem aliran. Lapisan ini memberikan tahanan hambatan terhadap aliran kalor, dan hal ini menyebabkan menurunnya kemampuan kerja alat itu. Pengaruh menyeluruh daripada hal tersebut diatas biasa disebut dengan
faktor pengotoran. Faktor
pengotoran dapat dirumuskan dengan persamaan : 1
1
𝑅𝑑 = 𝑈 − 𝑈
𝑐
𝑑
(4.10)
dimana, Ud : Koefisien perpindahan panas saat heat exchanger dalam keadaan kotor, dengan persamaan: 𝑞
𝑈𝑑 = 𝐴 .𝐿𝑀𝑇𝐷
42
(4. 11)
Heat Exchanger 2011 A : Luas bidang perpindahan panas, yakni luas pipa dalam (Ai). LMTD : Logarithmic Mean Temperature Difference. LMTD dihitung dengan menggunakan persamaan (4.1).
Pada tabel 2. Sudah disajikan data–data LMTD yang didapatkan baik dari data aliran counter- current maupun aliran co current. Dari persamaan (4.11) dapat dilihat bahwa nilai Ud akan berbanding terbalik dengan nilai LMTD. Sehingga semakin besar nilai Ud maka nilai LMTD akan semakin kecil, begitupula sebaliknya. Pada aliran searah, nilai LMTD yang dihasilkan lebih besar dari pada nilai LMTD berlawanan arah. Pada proses-proses di industri yang melibatkan proses HE, lebih banyak menggunakan aliran berlawanan daripada searah. Tabel 3. Data Faktor pengotoran
Jenis
Bukaan
Uc
Ud
Rd
Aliran
Valve
Counter-
1/5
46,21919
269,749
0,017928884
current
2/5
46,87114 335,1747 0,018351572
3/5
46,81751
4/5
46,81344 290,7313 0,017921783
5/5
46,82195 812,9743 0,020127454
Co-
1/5
47,03521 195,6077 0,016148397
current
2/5
47,18171 237,4012 0,016982375
3/5
47,0629
4/5
46,55077 247,4872 0,017441309
5/5
46,80694 311,6283 0,018155401
Dari persamaan
282,411
0,017818592
245,0039 0,017166593
(4.10) diatas dapat dilihat bahwa, faktor utama yang
mempengaruhi faktor kekotoran secara langsung adalah nilai koefisien transfer panasnya, Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud. Sehingga nilai dari Rd tidak bernilai negatif. Namun pada perhitungan kami mendapatkan bahwa nilai Uc < Ud hal ini disebabkan oleh nilai konduktivitas termal bahan yang tidak bisa praktikan
43
Heat Exchanger 2011 tentukan dengan tepat dikarenakan praktikan tidak mengetahui bahan penyusun pipa tersebut. 3. Menghitung nilai ε dan NTU Untuk menentukan nilai efisiensi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan : Untuk aliran berlawanan arah : 𝑁𝑇𝑈 =
1 (𝐶 ∗ −1)
𝜖−1
ln [(𝐶 ∗ 𝜖)−1]
(4.13)
Untuk aliran searah : 𝑁𝑇𝑈 =
−ln (1−(1−𝐶 ∗ )𝜖
(4.14)
1+𝐶 ∗
C*= Cmin/Cmax dan C = Cp.Q.ρ
dengan
Seperti yang kita tau, bahwa semakin besar nilai efisiensi yang didapatkan, maka semakin baik alat tersebut bekerja. Dari perhitungan didapatkan
Tabel 4. Perhitungan efisiensi data praktikum
Jenis
Bukaan
Efektifitas
NTU
Aliran
Valve
Water
Water
Liquid
Liquid
Counter-
1/5
0,79412
1,62363
current
2/5
0,85294
1,95567
3/5
0,87324
2,06814
4/5
0,90278
2,33375
5/5
0,93151
2,68412
Co-
1/5
0,75862
1,3991
current
2/5
0,75439
1,3862
3/5
0,82759
1,7659
4/5
0,88333
2,153
5/5
0,95
5,0254
Dari data diatas dapat dilihat bahwa nilai efisiensi dari aliran counter current lebih besar dari pada aliran co-current. Dari sini dapat disimpilkan bahwa aliran counter current lebih efisien dari pada aliran co-current. Hal ini disebabkan karena fluida
44
Heat Exchanger 2011 panas dan fluida dingin saling bertukar panas pada titik-titik yang memiliki perbedaan suhu yang besar. Akibatnya pertukaran kalor akan lebih menyeluruh serta suhu steam dan air keluar tidak terpaut jauh. Jika ditelaah, berdasarkan perumusan, maka nilai efisiensi akan berbanding lurus dengan NTU. Dan hal ini sesuai dari hasil perhitungan yang ada. Nilai efisiensi ini tergantung dari suhu masukan serta keluaran dari fluida dingin dan steam. Jika kalor yang diterima oleh fluida dingin dengan kalor yang dilepaskan oleh steam sama atau mendekati sama, berarti secara tidak langsung, efisiensi dari HE tersebut juga baik.
D. Analisis Kesalahan Beberapa kesalahan yang mungkin terjadi pada saat praktikum yang menyebabkan kesalahan data dan kecenderungan yang terjadi, diantaranya:
Kesalahan pada saat menghitung debit air dan steam yang disebabkan oleh ketidaktepatan dalam perhitungan waktu dan pengukuran volume air/steam karena pada saat mengambil air dan kondensat di gelas ukur waktunya tidak semuanya tepat 10 detik.
Kesalahan pengukuran suhu air dan steam karena saat 10 detik berlalu suhu tidak langsung dilihat sehingga memungkinkan terjadi transfer panas ke udara yang menyebabkan suhu turun. Karena hal ini praktikan mengulang satu percobaan untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat
Kesalahan pengamatan suhu yang terukur pada pengukur suhu yang terdapat pada heat exchanger. Hal ini disebabkan suhu pada feed steam awal yang diamati belum mencapai kondisi stabil atau masih terus naik saat percobaan sudah berlangsung. Sehingga pada percobaan aliran searah harus diulang karena suhu yang dihasilkan di T1, T2, T3, T5, dan T6 tidak sesuai dengan seharusnya.
Laju alir air dari kran dan laju steam tidak selalu konstan sehingga menyebabkan laju alir kondensat yang keluar tidak konstan. Hal ini akan mempengaruhi data volume kondensat yang didapatkan oleh praktikan.
Kemungkinan adanya faktor pengotor karena alat tersebut sering digunakan sebelum percobaan berlangsung. Adanya faktor pengotor menyebabkan perpindahan panas yang terjadi kurang efektif.
E. Analisis Alat dan Bahan
45
Heat Exchanger 2011 1. Double Pipe Heat Exchanger Double pipe Heat exchanger merupakan suatu alat yang didisain untuk mempelajari dan mengevaluasi pengaruh perbedaan laju alir dan material teknik pada laju transfer panas melalui dinding tipis.
Gambar 12. Double pipe Heat exchanger
Alat ini terdiri atas dua pipa logam berdinding tipis yang tersusun dalam suatu panel vertikal. Pipa dapat beroperasi dengan baik pada aliran searah maupun berlawanan. Setiap pipa terdiri dari sebuah pipa tembaga luar dan dalam. Fluida panas mengalir melalui pipa bagian dalam, sedangkan fluida dingin mengalir melalui anulus antara pipa luar dan dalam. Pengaturan terhadap valve dalam rangkaian ini akan menghasilkan aliran yang sesuai dengan tujuan percobaan yaitu searah dan berlawanan arah.
46
Heat Exchanger 2011 Aliran searah
Aliran Berlawanan Gambar 13. Aliran searah dan berlawanan arah
2. Valve Heat exchanger juga terdiri dari valve yang berguna untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan dan untuk mengatur laju alir dari dari fluida (steam dan air). Pada tiap aliran dalam percobaan terdapat 7 valve yang dibuka. Dua valve pada masukan tangki pencampuran dan dua lainnya pada keluaran. Semua valve yang lain berjenis global type gate valve.
Gambar 14. Valve
3. Air Air berfungsi sebagai fluida dingin yang dialirkan pada bagian anulus. Air digunakan karena murah (ekonomis), mudah didapat, dan data-datanya mudah dicari dalam berbagai literatur. 4. Steam Steam berfungsi sebagai fluida pemanas yang akan memberikan kalor ke fluida dingin. Steam yang dihasilkan oleh steam reformer ini dialirkan pada bagian pipa dalam. Steam digunakan sebagai fluida panas karena tidak terlalu mahal, proses pengadaannya mudah, serta datanya mudah dicari di berbagai literatur. 5. Gelas Ukur Gelas ukur besar dan kecil digunakan untuk mengukur volume air dan kondensat yang tertampung pada bagian outlet. Volume yang terukur digunakan dalam
47
Heat Exchanger 2011 perhitungan laju alir air dan kondensat karena saat percobaan tidak menggunakan flowmeter.
Gambar 15. Gelas Ukur
6. Stopwatch Stopwatch digunakan untuk mengukur jangka waktu penampungan air dan kondensat dalam pengukuran laju alir (dalam percobaan waktu yang digunakan adalah 10 detik).
Gambar 16. Stopwatch
7. Thermocouples pada Heat Exchanger Thermocouples digunakan untuk mengukur suhu pada masuk dan keluarnya air dan steam, serta mengukur suhu saat sistem telah steady state pada suhu masuknya steam. T1 dan T2 berguna untuk mengitung LMTD, T3 adalah suhu air masuk dan T6 adalah suhu air keluar. Sedangkan T4 adalah suhu steam masuk dan T5 adalah suhu steam keluar pada aliran searah (aliran berlawan sebaliknya).
Gambar 17. Thermocouples
48
Heat Exchanger 2011 BAB V PENUTUP
Kesimpulan Berdasarkan percobaan yang dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Double Pipe Heat Exchanger merupakan salah satu penukar kalor dimana fluida panas mengalir pada pipa bagian dalam dan fluida dingin mengalir pada pipa bagian anulus. 1. Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja dari alat Double Pipe Heat Exchanger adalah faktor kekotoran (Rd), luas permukaan perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor, beda temperatur rata-rata, jenis aliran (bilangan reynold) dan arah aliran (co-current atau counter current). 2. Faktor kekotoran menjelaskan mengenai tahanan tambahan terhadap aliran kalor yang menyebabkan menurunnya kinerja heat exchanger. 3. Perpindahan panas dengan aliran counter current (berlawanan arah) lebih efektif dibandingkan dengan aliran co current (searah). Hal ini dilihat dari nilai efektivitas kedua jenis aliran tersebut. Efektivitas dari counter current lebih besar dari pada co current. 4. Data perhitungan koefisien perpindahan panas pada saat maksimal (Uclen), koefisien perpindahan panas pada saat ada pengotor (Udirty), faktor kekotoran (Rd) , dan efisiensi. Jenis
Bukaan
Efektifitas
NTU
Aliran
Valve
Water Liquid Water (%)
Liquid
Uc
Ud
Rd
Counter-
1/5
79,412
1,62363
46,21919
current
2/5
85,294
1,95567
46,87114 335,1747 0,018351572
3/5
87,324
2,06814
46,81751
4/5
90,278
2,33375
46,81344 290,7313 0,017921783
5/5
93,151
2,68412
46,82195 812,9743 0,020127454
1/5
75,862
1,4299
47,03521 195,6077 0,016148397
2/5
75,439
1,4107
47,18171 237,4012 0,016982375
3/5
82,759
1,7659
47,0629 245,0039 0,017166593
4/5
88,333
2,153
46,55077 247,4872 0,017441309
5/5
95
5,0254
46,80694 311,6283 0,018155401
Co-current
49
269,749 0,017928884
282,411 0,017818592
Heat Exchanger 2011 DAFTAR PUSTAKA Buku Panduan Praktikum Proses Operasi Teknik I, Teknik Gas dan Petrokimia UI Holman, J.P. 1995. Perpindahan Kalor Edisi Keenam. Jakarta: Erlangga. Shah R.K , Dusan P, Sekulic. 2003. Fundamentals of Heat Exchanger. John Wiley & Sons, Inc.,Hoboken, New Jersey. Incropera, Frank P, dan DeWitt, David P. Fundamentals of Heat Transfer. 1981. New York: John Wiley and Son Anonim. Double pipe heat exchanger. http://heatexchanger-design.com/2011/04/01/doublepipe-heat-exchanger-5/ (diakses 11 November 2011 pukul 14.00) Misiti,
Teresa,
Carly
Ehrenberger,
etc.
Heat
Exchange
https://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/HeatExchangeModel
Model.
(diakses
11
November 2011 pukul 13.30) Queen’s
University.
Concentric
Tube
Heat
Exchanger.
http://www.chemeng.queensu.ca/courses/CHEE218/projects/HeatExchanger/
(diakses
11 November 2011 pukul 13.00) Anonim. Spiral Plate Heat Exchangers. http://www.heatexchangerguy.com/spiral-heatexchangers.html (diakses 12 November 2011 pukul 13.00)
50