Laporan praktikum Heat Exchanger

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger

Disusun oleh : Ahmad Faisal Dimas Riska Irawan Hana Nabila Anindita Meyda Astria

(1006660491) (1006660541) (1006660573) (1006679743)

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia November, 2012

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB I PENDAHULUAN

1.1. Tujuan Percobaan Percobaan Double pipe Heat exchanger ini bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja alat penukar kalor jenis pipa ganda (double pipe HE) dengan menghitung koefisien perpindahan panas, faktor kekotoran, efektivitas dan perbandingan untuk aliran searah (co-current) dan berlawanan arah (counter current). 1.2. Prosedur Percobaan A. Percobaan Aliran Searah (co-current) 1. Aliran uap air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 10, 12, 13. 2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran. 3. Amati dan catat T3, T4, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan. 4. Amati dan catat kecepatan alir air pada flow meter. 5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan mengukur kondensat yang terjadi. 6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

B. Percobaan Aliran Berlawanan (counter-current) 1. Aliran uap air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 1, 8, 11, 9, 13. 2. Aliran air: buka penuh semua aliran di bawah ini secara berurutan: 4, 6 dan buka kran 14 sebanyak 1/5 putaran. 3. Amati dan catat T3, T5, T2, T1 setelah suhu tersebut konstan. 4. Amati dan catat kecepatan alir air pada flow meter. 5. Dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch ukurlah laju uap air, dengan mengukur kondensat yang terjadi.

2

Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 6. Lakukan percobaan ini untuk 3 macam bukaan kran 14.

1.3. Instumentasi

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. ● Pengaturan Pipa (Pipe Arrangement) 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. ● Sambungan (Fitting) Heat exchanger mempunyai sambungan pipa standar yang terletak sepanjang siku yang paling rendah dari panel. Tiga sambungan masuk dialokasikan di sebelah kanan panel. ● Valves Valve digunakan untuk mengatur kondisi aliran yang diinginkan dan untuk mengatur laju alir dari fluida. Unit ini memiliki empat needle type metering valve. Dua valve pada masukan tangkin pencampuran dan dua lainnya pada keluaran. Semua valve yang lain berjenis global type gate valve. Valve yang menangani fluida panas di cat berwarna merah sedangkan yang menangani fluida dingin di cat bewarna biru.

3


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 ● Flowmeter Aliran dari suatu fluida diregulasikan dengan needle valve. Laju alir untuk fluida panas dan fluida dingin dengan specific gravity yang sama diukur dengan menggunakan single-pass-tube-type flowmeter. Flowmeter dilengkapi dengan sebuah skala logam yang dapat dipindahkan dan sudah dikalibrasi.

4


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengertian Heat Exchanger Sesuai dengan namanya, maka alat penukar kalor (heat exchanger) berfungsi mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut. Pada percobaan ini akan dilakukan pengamatan unjuk kerja alat penukar kalor pipa ganda (double pipe heat exchanger) yang terdiri dari dua pipa konsentris. Pipa yang berada di luar dikenal sebagai annulus (shell), sedangkan bagian dalam dikenal sebagai pipa (tube).

2.2. Prinsip Kerja Heat Exchanger Heat exchanger adalah heat exchanger antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada heat exchanger adalah dinding pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam. Pada heat exchanger ini, terdapat dari dua pipa konsentris, yaitu: annullus/shell (pipa yang berada di luar) dan tube (pipa yang berada di dalam). Berdasarkan jenis alirannya heat exchanger dibagi menjadi tiga, yaitu: 1. Pararel Flow Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas. 2. Counter Flow Berlawanan dengan paralel flow, kedua aliran fluida yang mengalir dalam HE masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih

5


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 efekrif 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

(1)

dQ  WCdT  wcdt

(2)

3. Cross flow Heat exchanger Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. 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.

2.3. Komponen Penyusun Heat Exchanger Komponen-komponen dari penyusun Heat Exchanger, terdiri dari: 1. Shell dan Tube Suatu sillinder yang dilengkapi dengan inlet dan outlet nozzle sebagai tempat keluar masuknya fluida. Ada 2 jenis tube dalam shell, yaitu finned tube (tube yang mempunyai sirip (fin) pada bagian luar tube) dan bare tube (tube dengan permukaan yang rata) 2. Tube Sheet Tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu yang disebut tube bundle. HE dengan tube lurus pada umumnya menggunakan 2 buah tube sheet. Sedangkan pada tube tipe U menggunakan satu buah tube sheet yang berfungsi untuk menyatukan tube-tube menjadi tube bundle dan sebagai pemisah antara tube side dengan shell side. 3. Baffle Berfungsi sebagai penyangga tube, menjaga jarak antar tube, menahan vibrasi yang disebabkan oleh aliran fluida, dan mengatur aliran turbulen sehingga perpindahan panas lebih sempurna. Jenis baffle yaitu battle melintang (segmental, dish and doughnut) dan baffle memanjang. 4. Tie Rods

6


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Batangan besi yang dipasang sejajar dengan tube dan ditempatkan di bagian paling luar dari baffle yang berfungsi sebagai penyangga agar jarak antara baffle yang satu dengan lainnya tetap.

2.4. Jenis-Jenis Heat Exchanger A. Berdasarkan Fungsinya 1. Heat exchanger Heat exchanger mengontrol kalor antara dua proses aliran: aliran fluida panas yang membutuhkan pendinginan ke aliran fluida temperatur rendah yang membutuhkan pemanasan. Kedua fluida biasanya satu fasa atau suatu fluida yang berbentuk gas dan lainnya berbentuk cairan. 2. Condenser Condenser adalah tipe lain dimana hidrokarbon atau gas lainnya yang mencair sebagian atau seluruhnya dengan pemindahan panas. 3. Cooler – Chiller Berfungsi memindahkan panas, baik panas sensibel maupun panas laten fluida yang berbentuk uap kepada media pendingin, sehingga terjadi perubahan fasa uap menjadi cair. Media pendingin biasanya digunakan air atau udara. Condensor biasanya dipasang pada top kolom fraksinasi. Pada beberapa kasus refrijeran biasa digunakan ketika temperatur rendah dibutuhkan. Pendinginan itu sering disebut „chiller‟. 4. Reboiler Digunakan untuk menguapkan kembali sebagian cairan pada dasar kolom (bottom) distilasi, sehingga fraksi ringan yang masih ada masih teruapkan. Media pemanas yang digunakan adalah uap (steam). Reboiler bisa dipanaskan melalui media pemanas atau dipanaskan langsung. Yang terakhir reboilernya adalah furnace atau fire tube 5. Heater – Superheater Heater digunakan untuk memanaskan fluida yang memiliki viskositas tinggi baik bahan baku ataupun fluida proses dan biasanya menggunakan steam sebagai pemanas. Superheater memanaskan gas dibawah temperatur jenuh.

7


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 B.

Berdasarkan Konstruksinya

1. Tubular Exchanger a. Double-pipe Heat exchanger 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. Pada bagian luar pipa kecil

Gambar 1. Double pipe HE

biasanya dipasang fin atau sirip memanjang, hal ini dimaksudkan untuk mendapatkan permukaan perpindahan panas yang lebih luas. Double pipe ini dapat digunakan untuk memanaskan atau mendinginkan fluida hasil proses yang membutuhkan area perpindahan panas yang kecil (biasanya hanya mencapai 50 m2). Double-pipe Heat exchanger ini juga dapat digunakan untuk mendidihkan atau mengkondensasikan fluida proses tapi dalam jumlah yang sedikit. Kerugian yang ditimbulkan jika memakai Heat exchanger ini adalah kesulitan untuk memindahkan panas dan mahalnya biaya per unit permukaan transfer. Tetapi, double pipe Heat exchanger ini juga memiliki keuntungan yaitu Heat exchanger ini dapat dipasang dengan berbagai macam fitting (ukuran). Pada alat ini, mekanisme perpindahan kalor terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. Fluida yang memiliki suhu lebih rendah (fluida pendingin) mengalir melalui pipa kecil, sedangkan fluida dengan suhu yang lebih tinggi mengalir pada pipa yang lebih besar (pipa annulus). Penukar kalor demikian mungkin terdiri dari beberapa lintasan yang disusun dalam susunan vertikal. Perpindahan kalor yang terjadi pada fluida adalah proses konveksi, sedang proses konduksi terjadi pada dinding pipa. Kalor mengalir dari fluida yang bertemperatur tinggi ke fluida yang bertemperatur rendah. Kelebihan Double-pipe Heat exchanger: o Dapat digunakan untuk fluida yang memiliki tekanan tinggi. o Mudah dibersihkan pada bagian fitting

8


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 o Fleksibel dalam berbagai aplikasi dan pengaturan pipa o Dapat dipasang secara seri ataupun paralel o Dapat diatur sedimikian rupa agar diperoleh batas pressure drop dan LMTD sesuai dengan keperluan o Mudah bila kita ingin menambahkan luas permukaannya o Kalkulasi design mudah dibuat dan akurat Kekurangan Double-pipe Heat exchanger: o Relatif mahal o Terbatas untuk fluida yang membutuhkan area perpindahan kalor kecil (<50 m2) o Biasanya hanya digunakan untuk sejumlah kecil fluida yang akan dipanaskan atau dikondensasikan.

b. Shell and tube Jenis ini terdiri dari shell yang didalamnya terdapat rangkaian pipa kecil yang disebut

tube

bundle.

Perpindahan panas terjadi antara

fluida

yang

Gambar 2. Shell and Tube HE type

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. Keuntungan Shell and Tube Heat exchanger merupakan Heat exchanger yang paling banyak digunakan di proses-proses industri karena mampu memberikan ratio area perpindahan panas dengan volume dan massa fluida yang cukup kecil. Selain itu juga dapat mengakomodasi ekspansi termal, mudah untuk dibersihkan, dan konstruksinya juga paling murah di antara yang lain. Untuk menjamin bahwa fluida pada shell-side mengalir melintasi tabung dan dengan demikian menyebabkan perpindahan kalor yang lebih tinggi, maka di dalam shell tersebut dipasangkan sekat/penghalang (baffles).

9


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Shell and tube ini dibagi lagi sesuai dengan penggunaannya yaitu class R (untuk keperluan proses dengan tekanan tinggi), class C (untuk keperluan proses dengan tekanan dan temperatur menengah dan fluida yang tidak korosif, serta class B (untuk keperluan fluida yang korosif). Proses pertukaran panas pada kedua fluida ini terjadi pada dinding tube dimana terdapat dua proses perpindahan yaitu secara konduksi dan konveksi. Dilihat dari konstruksinya, Heat exchanger tipe Shell and Tube dibedakan atas:  Fixed Tube Sheet Fixed Tube Sheet merupakan jenis shell and tube Heat exchanger yang terdiri dari tube-bundle yang dipasang sejajar dengan shell dan kedua tube sheet menyatu dengan shell. Kelemahan pada tipe ini adalah kesulitan pada penggantian tube dan pembersihan shell.  Floating Tube Sheet Floating Tube Sheet merupakan Heat exchanger yang dirancang dengan salah satu tipe tube sheetnya mengambang, sehingga tube-bundle dapat bergerak di dalam shell jika terjadi pemuaian atau penyusutan karena perubahan suhu. Tipe ini banyak digunakan dalam industri migas karena pemeliharaannya lebih mudah dibandingkan fix tube sheet, karena tube-bundlenya dapat dikeluarkan, dan dapat digunakan pada operasi dengan perbedaan temperatur antara shell dan tube side di atas 200oF.  U tube/U bundle U tube/U bundle merupakan jenis HE yang hanya mempunyai 1 buah tube sheet, dimana tube dibuat berbentuk U yang ujung-ujungnya disatukan pada tube sheet sehingga biaya yang dibutuhkan paling murah di antara Shell and Tube Heat exchanger yang lain. Tube bundle dapat dikeluarkan dari shellnya setelah channel headnya dilepas. Tipe ini juga dapat digunakan pada tekanan tinggi dan beda temperatur yang tinggi. Masalah yang sering terjadi pada Heat exchanger ini adalah terjadinya erosi pada bagian dalam bengkokan tube yang disebabkan oleh kecepatan aliran dan tekanan di dalam tube, untuk itu fluida yang mengalir dalam tube side haruslah fluida yang tidak mengandung partikel-partikel padat.

10


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 2. Spiral tube  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

melingkar

agar

dipasang dapat

secara

memberikan

perpindahan panas yang besar dan mencegah terjadinya fouling (deposit yang

Gambar 3. Plate Heat Exchanger

tidak diinginkan). Plate Heat exchanger juga mudah untuk dilepas dan dipasang kembali sehingga mudah untuk dibersihkan. Heat exchanger ini dibagi atas 3 macam :  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.  Spiral plate heat exchanger  Lamella (ramen) heat exchanger

C. Berdasarkan Flow arrangements Terdapat dua jenis Heat Exchanger berdasarkan flow arrangements yakni single pass dan multiple pass. Pada single pass, kedua fluida melewati sistem hanya satu kali, sedangkan pada multiple pass, salah satu atau kedua fluida mengalir bolakbalik secara zigzag. Pada single pass aliran fluida bisa parallel ataupun berlawanan, sedangkan pada multiple pass merupakan kombinasai keduanya. Fluida juga dapat mengalir secara crossflow. Yang pertama, kedua fluida tidak bercampur, mereka melewati jalan masing-masing tanpa bercampur. Yang kedua, kedua fliuda bercampur tanpa terjadi reaksi kimia. Jika luas shell besar, cross flow akan menghasilkan

11


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada aliran aksial yang terjadi di dalam tabung double-pipe. D. Berdasarkan Arah Aliran 1.

Paralel Flow Kedua fluida ,mengalir dalam heat exchanger dengan aliran yang searah. Kedua fluida memasuki HE dengan perbedaan suhu yang besar. Perbedaan temperatur yang besar akan berkurang seiring dengan semakin besarnya x, jarak pada HE. Temperatur keluaran dari fluida dingin tidak akan melebihi temperatur fluida panas.

2.

Counter Flow Berlawanan dengan paralel flow, kedua aliran fluida yang mengalir dalam HE masuk dari arah yang berlawanan. Aliran keluaran yang fluida dingin ini suhunya mendekati suhu dari masukan fluida panas sehingga hasil suhu yang didapat lebih efekrif dari paralel flow.

3.

Cross Flow Heat exchanger Dimana satu fluida mengalir tegak lurus dengan fluida yang lain. 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. Dari ketiga tipe Heat exchanger tersebut tipe counter flow yang paling efisien ketika kita membandingkan laju perpindahan kalor per unit area. Dengan beda temperatur fluida yang paling maksimal di antara kedua tipe Heat exchanger lainnya, maka beda temperatur rata-rata (log mean temperature difference) akan maksimal dan pada akhirnya laju perpindahan kalor akan maksimal pula.

2.5. Parameter Heat Exchanger A. Logaritmic Mean Temperature Difference (LMTD) 

Pada awalnya kita mengandaikan U (bisa juga digantikan oleh h ) sebagai nilai konstan (nilai U dapat dilihat pada tabel pada lampiran). U sendiri merupakan koefisien heat transfer overall. Aturan untuk nilai U adalah sebagai berikut :

12


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 1.

Fluida dengan konduktivitas termal rendah seperti tar, minyak atau gas, biasanya menghasilkan h yang rendah. Ketika fluida tersebut melewati heat exchanger, U akan cenderung untuk turun

2.

Kondensasi dan Pemanasan merupakan proses perpindahan kalor yang efektif. Proses ini dapat meningkatkan nilai U.

3.

Untuk U yang tinggi, tahanan dalam exchanger pasti rendah

4.

Untuk fluida dengan konduktivitas yang tinggi , mempunyai nilai U dan h yang tinggi.

Untuk U pada suhu yang hampir konstan, variasi temperatur dari aliran fluida dapat dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur rata-rata dari aliran dua fluida, yang dapat dibuat persamaan sebagai berikut :

Q  UA Tmean

(3)

Yang menjadi masalah kali ini adalah bagaimana membuat persamaan tersebut menjadi benar. Kita harus dapat menghitung nilai dari ΔT yang diinginkan. Hal ini disebabkan karena terlihat pada grafik mengenai kecenderungan perubahan temperatur fluida akan lebih cepat sejalan dengan posisinya (grafik bisa dilihat dari lampiran). Selain itu pada counterflow dan pararel flow, perhitungan tersebut bisa berbeda. Oleh karena itu perlu dicari suatu persamaan yang dapat menyelesaikan masalah ini. Dengan menurunkan rumus awal sebagai berikut :

dQ  U (dA)T  (mc p ) h dTh  (mc p ) c dTc

(4)

Keterangan : h untuk aliran panas dan c untuk aliran dingin Setelah itu kita menyamakan persamaan antara persamaan untuk counterflow dan persamaan untuk pararel flow dan didapat :  Ta  Tb Q  UA  ln( Ta / Tb

  

(5)

Dimana ΔTa adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin awal dan ΔTb adalah selisih antara suhu keluaran shell dengan suhu fluida pendingin akhir. Δt mean yang dimaksud dalam persamaan tersebut adalah LMTD, yaitu :

13


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012  Ta  Tb Tmean  LMTD    ln( Ta / Tb

  

(6)

Namun demikian penggunaan LMTD juga cukup terbatas. Kita harus menggunakan faktor koreksi F yang dapat dilihat dalam grafik pada lampiran. Sehingga rumusnya menjadi : Q  UAF(LMTD)

(7)

B. Koefisien perpindahan kalor keseluruhan U (overall coefficient of heat transfer), 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:

(8) C. Fouling Resistance Jika sebuah pipa baru saja digunakan, maka keadaannya masih normal dan bersih sehingga tidak mengganggu proses perpindahan kalor. Namun pada suatu saat fluida yang terus menerus mengalir dalam pipa akan membentuk seperti sebuah lapisan yang akan mengganggu aliran kalor. Hal inilah yang disebut dengan fouling resistance. Untuk menghitung fouling resistance dapat digunakan rumus berikut ini :

14


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Rd 

1 1  U D UC

Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : U

1 ri ln( r0 / rp )   hi k insulator

1 r j ln( rp / ri ) k pipe

r  i  Rd r0 h0

(9)

Untuk U<<10000 W/m2 °C fouling mungkin tidak begitu penting, karena hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada water to water heat exchanger dimana nilai U disekitar 2000 maka fouling factor akan menjadi penting. Pada finned tube heat exchanger dimana gas panas mengalir di dalam tube dan gas yang dingin mengalir melewatinya, nilai U mungkin sekitar 200, fouling factor akan menjadi signifikan.

Gambar 4. Kekotoran Pipa

D. Efektivitas Heat exchanger Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut :





 T

Ch Thin  Thout Cmin

hin



 Tcmin







Cc Tcout  Tcin



 

Cmin Thin  Tcin

(10)

actual heat transferre d max imum heat that could possibly be transferre d from one stream to another

Maka untuk mencari efektifitas untuk paralel single pass HE adalah sebagai berikut :

15


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 

1  exp  (1  C m in / C m ax ) NTU  1  C m in / C m ax

(11)

Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut :



1  exp  (1  C m in / C m ax ) NTU  1  (C m in / C m ax ) exp  (1  C m in / C m ax ) NTU 

(12)

Keterangan : NTU (Number of Transfer Unit) bisa didapatkan dari rumus :

NTU 

UA C m in

(13)

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

E. Perpindahan Kalor pada Alat Penukar Kalor (14) Δtm merupakan suhu rata-rata log atau Log Mean Temperature Difference (LMTD). Untuk shell and tube heat exchanger, nilai LMTD harus dikoreksi dengan faktor yang dicari dari grafik yang sesuai (Fig 18 s/d Fig 23 Kern). Caranya adalah dengan menggunakan parameter R dan S.

(15-16) Nilai LMTD dihitung dengan persamaan sbb: Bila UD konstan Untuk aliran searah (co-current)

16


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012

Atau

Untuk aliran berlawanan arah (Counter Current)

17



(17) Nilai LMTD yang diperoleh ini harus dikoreksi dengan faktor FT yang dicari dari grafik yang sesuai. Caranya yaitu dengan menggunakan parameter R dan S:

(18-19) Dan harga Δ tm =FT.LMTD Bila UD tidak konstan (berubah) terhadap suhu Untuk aliran searah atau aliran berlawanan arah, maka persamaan LMTD berupa persamaan implisit:

(20)

18


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 F. Penurunan Tekanan pada Alat Penukar Kalor Pada setiap aliran akan terjadi penurunan tekanan (pressure drop) karena gaya gesek yang terjadi antara fluida dan tempatnya.

19


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB III PERHITUNGAN

3.1.

Aliran Berlawanan Arah 3.1.1.

3.1.2.

Data Percobaan Valve

T3

T4

T5

T6

VAIR

VSTEAM

1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

28 27 27 27 27

35 32 31 30 30

96 97 97 97 97

62 52 45 43 40

62 142 168 228 236

2.4 3 3.3 3.4 3.6

Identifikasi Data (

)

Valve 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

65.5 64.5 64 63.5 63.5

45 39.5 36 35 33.5

2.4E-06 3.0E-06 3.3E-06 3.4E-06 3.6E-06

6.2E-05 1.4E-04 1.7E-04 2.3E-04 2.4E-04

17.08374 18.20478 18.71382 17.64479 18.33966

Dimana :  Suhu rata-rata Steam



Suhu rata-rata air



Dari identifikasi di atas selanjutnya dianalisa karakteristik dari setiap aliran dengan merujuk pada “buku Holman Apendix Tabel A-9” yang diadaptasi dariA.I.Browndan S.M. Marco, “Introduction to Heat Transfer”, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1958.

20


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 VALVE (bukaankran)

SUHU (0C)

Cp (kJ/kg.0C)

ρ (kg/m3)

μ (kg/m.s)

k (W/m0C)

Pr

1/5

Tavg air = 45 Tavg steam = 65.5 Tavg air = 39.5 Tavg steam = 64.5 Tavg air = 36 Tavg steam = 64 Tavg air = 35 Tavg steam = 63.5 Tavg air = 33.5 Tavg steam = 63.5

4,174 4.183 4.174 4.182 4.174 4.182 4.174 4.180 4.174 4.182

989.52 980.6 991.5 982.06 993.5 982.66 994.1 981.6 994.5 981.4

5.94.10-4 4,33.10-4 6.35.10-4 4,4.10-4 7.04.10-4 4,45.10-4 7.25.10-4 4,53.10-4 7.51. 10-4 4,45.10-4

0,646 0.659 0,635 0,657 0,628 0,650 0,625 0.657 0,624 0,658

3,76 2,73 4.24 2,81 4.72 2,87 4,81 2,85 4.95 2,83

2/5 3/5 4/5 5/5

3.1.3.

Perhitungan a.

Menghitung

(aliran air diantara pipa annulus)

i. Aliran dengan valve 1/5 bukaan

[

(

)

]

[

]

Re < 10.000 maka aliran LAMINER [

]

[

]

ii. Aliran dengan valve 2/5 bukaan

[

(

)

]

Re < 10.000 maka aliran LAMINER

21


[

]

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 [

]

iii. Aliran dengan valve 3/5 bukaan

[

(

)

]

[

]

[

]

[

]

Re < 10.000 maka aliran LAMINER [

]

iv. Aliran dengan valve 4/5 bukaan

[

(

)

]

Re > 10.000 maka aliran TURBULEN

v.

Aliran dengan valve 5/5 bukaan

[

(

)

]

Re > 10.000 maka aliran TURBULEN

22



b. Menghitung

(aliran steam pada pipa dalam)

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

[

(

)

]

[

]

Re < 10.000 maka aliran LAMINAR [

]

[

]

ii. Alirandengan valve 2/5 bukaan

[

(

)

]

[

]


]

[

]

iii. Alirandengan valve 3/5 bukaan

[

(

)

]

Re < 10.000 maka aliran LAMINAR

23


[

]

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 [

]

[

]

iv. Alirandengan valve 4/5 bukaan

[

(

)

]

[

]


]

[

]

v. Alirandengan valve 5/5 bukaan

[

(

)

]

[

]


c.

]

[

]

Menghitung nilai Dari tabel A-2 buku Holman, diperoleh bahwa nilai KCumurni (T = 20oC) = 386 W/moC ( ) dimana :

24



Untuk perhitungan aliran valve 1/5 ( )

(

)

Dengan cara yang sama didapatkan : ho (W/m2.oC)

d.

hi (W/m2.oC)

Uc (W/m2.oC)

198.4795

410.76

155.9688

216.5328

454.4926

170.6383

219.5423

570.5956

180.2958

222.3202

1206.318

201.104

227.6192

1235.656

205.896

Menentukan nilai

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan kotor)

dimana : 

A=

m2



dimana λ adalah panas laten (asumsi saturated steam) = 334,994 dan Cp = Cpsteam dari tabel A-9 Holman. Untuk perhitungan q pad aaliran dengan bukaan valve 1/5 adalah sebagai berikut :

25



Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan : Valve 1/5 2/ 5 3/5 4/ 5 5/ 5

T out

T in

Perhitungan q w Steam Lambda (J/kg) (kg/s)

35 32 31 30 30

96 97 97 97 97

0.00235 0.00304 0.00324 0.00334 0.00353

Cp

(kJ/kgoC)

335 335 335 335 335

4.183 4.182 4.182 4.18 4.182

q (J/s) 1.386883 1.844763 1.979679 2.0543 2.171635

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan perhitungan mencari nilai Ud.Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh : Valve 1/5 2/ 5 3/5 4/ 5 5/ 5 e.

Perhitungan q A LMTD 1.386883 0.0712 17.08374 1.844763 0.0712 18.20478 1.979679 0.0712 18.71382 2.0543 0.0712 17.64479 2.171635 0.0712 18.33966

1.140189 1.42323 1.485772 1.635187 1.663089

MenentukanNilai Untuk menghitung factor pengotor digunakanpersamaan :

Berikut ialah tabulasi hasil perhitungan yang menggunakan persamaan diatas :

26


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Perhitungan Ud

Uc

1/Ud

1/Uc

Rd

1.140189 155.9688 0.877047 0.006412 0.870636 1.42323 170.6383 0.702627

0.00586 0.696767

1.485772 180.2958 0.673051 0.005546 0.667504

f.

1.635187

201.104 0.611551 0.004973 0.606578

1.663089

205.896 0.601291 0.004857 0.596434

Menentukan (nilai keefektifan)dan NTU i. Alirandengan valve 1/5 bukaan  Penentuanfluida minimum

Fluida Min = C terkecil FluidaMaks = C terbesar 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : fluida Steam Air

C ket 0.00983 Fluida Min 0.256075 FluidaMaks

C* 0.03838

Tin 96 28

ii. Alirandengan valve 2/5 bukaan  Penentuanfluida minimum

Fluida Min = C terkecil FluidaMaks = C terbesar

27


Tout 35 62

NTU 0.897059 2.581736

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :


C ket 0.012713 Fluida Min 0.578934 FluidaMaks

C* 0.02196

Tin 97 27

Tout 32 52

e NTU 0.928571 2.911267

iii. Alirandengan valve 3/5 bukaan  Penentuanfluida minimum

Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :


C ket C* 0.01355 Fluida Min 0.019208 0.705406 FluidaMaks

Tin 97 27

iv. Alirandengan valve 4/5 bukaan  Penentuan fluida minimum

28


Tout 31 45

e NTU 0.942857 3.182244

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar 

(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :



v.

Alirandengan valve 5/5 bukaan



Penentuanfluida minimum

Tin 97 27

Tout 30 43

e NTU 0.957143 3.494428




(nilai kefektifan)

NTU [

]

Dengan :


29


Tin 97 27


Tout 30 40

e NTU 0.957143 3.500043

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Ringkasan Hasil Perhitungan Tabel. Ringkasan HasilOlah data Aliran

Fluida

Q (m3/s)

h W/m2.oC

1/5

Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air

2.40E-06 6.20E-05 3.00E-06 1.42E-04 3.30E-06 1.68E-04 3.40E-06 2.28E-04 3.60E-06 2.36E-04

198.47946 410.75996 216.5328

2/5 3/5 4/5 5/5

454.49256 219.5423 570.59562 222.3202 1206.3179 227.6192 1235.6563

Uc W/m2.oC

Ud W/m2.oC

Rd m2.oC/W

e

NTU

155.9688

1.1402

0.8706

0.8971

2.5817

170.6383

1.4232

0.6968

0.9286

2.9113

180.2958

1.4858

0.6675

0.9429

3.1822

201.1040

1.6352

0.6066

0.9571

3.4944

205.8960

1.6631

0.5964

0.9571

3.5000

3.2. Aliran Searah 3.2.1.

3.2.2.

Data Percobaan Valve

T1

T2

T3

T4

VSTEAM

VAIR

1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

80 56 44 42.5 39

41 38 35 34 23

36 34 33 33 32

93 94 93 93 93

3.26 4.2 2.8 3.2 3.4

81 140 212 256 274

Identifikasi Data (

)

Valve 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

38.5 36 34 33.5 27.5

86.5 75 68.5 67.75 66

3.3E-06 4.2E-06 2.8E-06 3.2E-06 3.4E-06

Dimana :

30


8.1E-05 1.4E-04 2.1E-04 2.6E-04 2.7E-04

47.89 36.39 28.27 27.104 27.36


Suhu rata-rata Steam



Suhu rata-rata air



Dari identifikasi di atas selanjutnya dianalisa karakteristik dari setiap aliran dengan merujuk pada “buku Holman Apendix Tabel A-9” yang diadaptasi dariA.I.Browndan S.M. Marco, “Introduction to Heat Transfer”, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company,New York, 1958.

VALVE (bukaankran)

SUHU (0C)

Cp (kJ/kg.0C)

ρ (kg/m3)

μ (kg/m.s)

k (W/m0C)

Pr

1/5

Tavgair = 86.5 Tavg steam = 38.5 Tavg air= 75 Tavg steam = 36 Tavg air= 68.5 Tavg steam = 34 Tavg air= 67.75 Tavg steam = 33.5 Tavg air= 66 Tavg steam = 27.5

4.198 4.174 4.189 4.174 4.185 4.174 4.184 4.174 4.183 4.178

967.503 992.690 974.787 993.609 978.707 994.292 979.112 994.463 980.057 995.666

3.32.10-4 6.73.10-4 3.81.10-4 7.08.10-4 4.15.10-4 7.38.10-4 4.19.10-4 7.46.10-4 4.28.10-4 8.46.10-4

0.674 0.631 0.667 0.627 0.662 0.625 0.661 0.625 0.659 0.615

2.059 4.467 2.390 4.719 2.634 4.931 2.651 4.984 2.714 5.741

2/5 3/5 4/5 5/5

3.2.3.

Perhitungan a.

Menghitung

(aliran air diantarapipa annulus)

i.

Aliran valve 1/5 bukaan Oleh karena aliran annulus merupakan aliran fluida inkompressibel, maka untuk menentukan nilai Reh dibutuhka nnilai Rh = S/Z (luas area /keliling terbasahi). Dalam pipa, luas penampangnya adalah lingkaran. Jadi mencari nilai Rh dengan membagi antara luas lingkaran dengan keliling terbasahi (Buku Transport Phenomena Bird Edisi 1)

31


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 D2 = 0.025 m ; D1 = 0.014 m

〈 ̅〉 ⁄ 〈 ̅〉

⁄ ⁄

⁄

〈 ̅〉

⁄

Re < 10.000 makaaliran LAMINER (

)

[

]

[

ii.

]

Aliran dengan valve 2/5 bukaan

〈 ̅〉 ⁄ 〈 ̅〉

32


⁄

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 〈 ̅〉 ⁄

⁄ ⁄

Re > 10.000 makaaliran TURBULEN

Jikaaliranturbulen:

Jikaaliran laminar: [

]

Selanjutnya dengan cara yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut ini:

Valve

Rh

miu

v

1 per 5

0.003

0.000332

0.241

2 per 5

0.003

0.000381

3 per 5

0.003

4 per 5 5 per 5

Water Reh

Jenisaliran

Pr

k

ho

7710.188

Laminer

2.059

0.674

345.190

0.416

11699.802

Turbulen

2.390

0.667

808.813

0.000415

0.630

16330.752

Turbulen

2.634

0.662

1168.496

0.003

0.000419

0.760

19539.977

Turbulen

2.651

0.661

1559.146

0.003

0.000428

0.814

20493.865

Turbulen

2.714

0.659

1800.540

b. Menghitung

(aliran steam pada pipa dalam)

Dalam perhitungan ini, pipa yang terlibat hanyalah pipa steam (bagian dalam). Jadi, praktikan menghitung nilai Re di dalam pipa tersebut

33


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 kemudian mengkategorikant ermasuk jenis aliran manakah, apakah laminar atau turbulen.

Jikaaliranturbulen:

Jikaaliran laminar: [

]

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan

〈̅〉 〈 ̅〉


] [

]

Dengan langkah yang sama, akan diperoleh hasil sebagai berikut: Steam Valve

D

miu

v

Re

Jenisaliran

1 per 5

0.014

0.000673

0.0211881

437.5407334

Laminer

4.467 0.631

271.0023

2 per 5

0.014

0.000708

0.0272975

536.3321818

Laminer

4.719 0.627

293.5131

3 per 5 4 per 5 5 per 5

0.014 0.014 0.014

0.000738 0.000746 0.000846

0.0181984 0.0207981 0.022098

343.25583 388.152232 364.1032359

Laminer Laminer Laminer

4.931 0.625 4.984 0.625 5.741 0.615

255.8565 267.5092 270.1124

34


Pr

k

h1

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 c. Menghitung nilai Dari tabel A-2 buku Holman, diperoleh bahwa nilai KCumurni (T = 20oC) = 386 W/moC ( ) dimana :

Untuk perhitungan aliran valve 1/5 ( )

(

)

Dengan cara yang sama didapatkan :

1/hi 0.004 0.003 0.004 0.004 0.004

1/h0 0.003 0.001 0.001 0.001 0.001

HitungUc Ai Ai/A0 0.036 0.560 0.036 0.560 0.036 0.560 0.036 0.560 0.036 0.560

ro/ri 1.786 1.786 1.786 1.786 1.786

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

d. Menentukan nilai

Menghitung Nilai Ud (koefisien perindahan panas total dalam keadaan kotor)

35



dimana : 

A=

m2



dimana λ adalah panas laten (asumsisaturated steam) = 334,994 dan Cp = Cpsteam dari tabel A-9 Holman Untuk perhitungan q pada aliran dengan bukaan valve 1/5 ialah sebagai berikut :

Selanjutnya dengan cara yang sama didapatkan : Valve 1 per 5 2 per 5 3 per 5 4 per 5 5 per 5

T1 (out) 80 56 44 42.5 39

Hitung q T2 (in) w steam 93 0.003 94 0.004 93 0.003 93 0.003 93 0.003

lambda 335.000 335.000 335.000 335.000 335.000

Cp 4.174 4.174 4.174 4.174 4.178

q 0.909 0.736 0.363 0.395 0.370

Setelah mengetahui nilai LMTD, A dan q, maka dapat dilakukan perhitungan mencari nilai Ud. Berikut ialah perhitungan untuk valve 1/5 :

Dengan cara yang sama untuk aliran lain diperoleh : Valve 1 per 5 2 per 5 3 per 5 4 per 5 5 per 5

36

q 0.909 0.736 0.363 0.395 0.370

Ud A steam 0.036 0.036 0.036 0.036 0.036

LMTD 47.889 36.391 28.270 27.105 27.361


Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 e.

MenentukanNilai

Untuk menghitung faktor pengotor digunakan persamaan :

Berikut ialah tabulasi hasil perhitungan yang menggunakan persamaan diatas : Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380 f.

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

Rd 1/Ud 1.877 1.760 2.771 2.442 2.631

1/Uc 0.005 0.004 0.004 0.004 0.004

Rd 1.872 1.756 2.767 2.438 2.627

Menentukan (nilai keefektifan)dan NTU

i. Alirandengan valve 1/5 bukaan 

Penentuan fluida minimum


(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :

Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 1 per 5

fluida Steam

w 0.00324

Cp 4.174

Air

0.07837

4.198

37

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0135 fluida 0.041059 min 0.3290 fluida max


Tin 93

Tout 80

36

41

e 0.22807

NTU 0.260376

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 ii. Alirandengan valve 2/5 bukaan  Penentuan fluida minimum


(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :


fluida Steam

w 0.00417

Cp 4.174

Air

0.13647

4.189


Tin 94

Tout 56

34

38

iii. Alirandengan valve 3/5 bukaan 

Penentuan fluida minimum




(nilai kefektifan)

NTU [

Dengan :

38


]

e NTU 0.633333 1.026102

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Berikut ialah hasil perhitungan yang ditabulasikan : Valve 3 per 5

fluida Steam

w 0.0028

Cp 4.174

Air

0.2075

4.185


Tin 93

Tout 44

33

35

e NTU 0.816667 1.734699

iv. Alirandengan valve 4/5 bukaan 

Penentuanfluida minimum




(nilai kefektifan)

NTU [

]

Dengan :


fluida Steam

w 0.0032

Cp 4.174

Air

0.2507

4.184


v. Alirandengan valve 5/5 bukaan  Penentuan fluida minimum

Fluida Min = C terkecil Fluida Maks = C terbesar

39


Tin 93

Tout 42.5

33

34

e NTU 0.841667 1.888831


(nilai kefektifan)

 NTU [

]

Dengan :


fluida Steam Air

w 0.0034 0.2685

Cp 4.178 4.183

Perhitungan e dan NTU C ket C* 0.0141 fluida min 0.01259 1.1233 fluida max

Tin 93 32

Tout 39 23

e 0.77143

NTU 1.50044

Ringkasan Hasil Perhitungan Aliran

Fluida

Q (m3/s)

1/5


3.26E-06 8.10E-05 4.20E-06 1.40E-04 2.80E-06 2.12E-04 3.20E-06 2.56E-04 3.40E-06 2.74E-04

2/5 3/5 4/5 5/5

40

h Uc Ud Rd 2o 2o 2o 2o (W/m . C) (W/m . C) (W/m . C) (m . C/W) 345.1900 271.0023 808.8125 293.5131 1168.4956 255.8565 1559.1459 267.5092 1800.5397 270.1124

e

NTU

187.8705

0.5328

1.8716

0.2281

0.2604

243.3155

0.5681

1.7562

0.6333

1.0261

227.3655

0.3609

2.7668

0.8167

1.7347

243.4349

0.4096

2.4375

0.8417

1.8888

248.5278

0.3801

2.6269

0.7714

1.5004


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB IV ANALISIS

5.1. Analisis Percobaan Dalam percobaan ini, praktikan melakukan prosedur terkait dengan heat exchanger (alat penukar kalor) dengan variasi arah aliran (searah dan berlawanan) dan laju alir air sebagai fluida dingin melalui variasi bukaan valve (1/5, 2/5, 3/5, 4/5,1 putaran). Selain itu, praktikan juga menghitung laju alir keluaran berupa kondensat sebagai fluida panas. Dengan variasi laju alir yang masuk (sebagai fluida dingin), maka dapat diketahui efektivitas atau efisiensi suatu alat penukar kalor. Dalam percobaan ini digunakan HE jenis pipa ganda tubular. Jenis pipa ganda tubular digunakan karena lebih efektif mempertukarkan kalor pada skala kecil dibanding jenis HE lain seperti jenis shell and tube. HE tipe ini hanya membutuhkan area perpindahan kalor yang kecil dan mudah diamati suhu masukan dan keluarannya. Untuk aliran searah, praktikan mengatur bukaan valve dan menutup valve tertentu agar aliran fluida menjadi searah. Ketika kedua aliran dimasukkan secara searah, perpindahan kalor mulai terjadi. Data yang diambil berupa suhu yang terbaca pada sensor dan juga laju alir fluida dingin dan kondensat didapatkan saat perubahan suhu fluida dingin dan kondensat yang keluar sudah konstan. Hal yang sama juga dilakukan untuk aliran berlawanan arah sehingga praktikan juga mengambil data suhu serta laju alir air dan kondensat setelah suhu fluida telah konstan. Pengambilan data setelah suhu konstan ini dimaksudkan agar data lebih akurat. Adapun suhu fluida di awal dianggap konstan karena belum dialirkan kalor. Fluida yang dialirkan terlebih dahulu dalam alat penukar kalor adalah air agar kalor dari steam dapat diserap oleh air. Hal ini dikarenakan kalor cenderung bersifat menuju arah lingkungan sehingga pemakaian steam diatur agar aliran kalor tidak menuju langsung ke dinding pipa karena selain akan merusak dinding pipa juga akan meningkatkan pemakaian steam sehingga pemakaian steam menjadi lebih boros dan mahal karena steam harus dibuat terlebih dahulu dengan steam generator.

41


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Saat steam panas baru melewati pipa-pipa HE (sebelum bertemu dengan air), pipa tersebut terasa panas. Hal ini dikarenakan adanya proses perpindahan kalor dari steam menuju lingkungan juga terjadi pressure drop sepanjang aliran pipa yang mengakibatkan proses perubahan fasa steam menjadi embun meskipun suhu belum mencapai 100oC. Adapun steam dialirkan di dalam pipa yang lebih kecil agar tidak merusak alat karena tekanan steam yang sangat tinggi juga untuk menghindari transfer panas ke pipa bagian luar yang dapat membahayakan praktikan apabila tersentuh. Selain itu, steam dialirkan ke dalam pipa yang lebih kecil untuk menghemat penggunaannya karena harga steam lebih mahal.

5.2. Analisis Hasil dan Perhitungan  Aliran Berlawanan Arah Valve 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

65.5 64.5 64 63.5 63.5

45 39.5 36 35 33.5

2.4E-06 3.0E-06 3.3E-06 3.4E-06 3.6E-06

6.2E-05 1.4E-04 1.7E-04 2.3E-04 2.4E-04

17.08374 18.20478 18.71382 17.64479 18.33966

86.5 75 68.5 67.75 66

3.3E-06 4.2E-06 2.8E-06 3.2E-06 3.4E-06

8.1E-05 1.4E-04 2.1E-04 2.6E-04 2.7E-04

47.89 36.39 28.27 27.104 27.36

 Aliran Searah Valve 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5

38.5 36 34 33.5 27.5

Berdasarkan data di atas, ditunjukkan bahwa laju alir steam meningkat seiring dengan laju alir air. Hal ini dikarenakan semakin tingginya kalor yang terpakai untuk mengubah air menjadi steam. Karena besarnya laju alir air yang mengalir, maka bisa dikatakan fluida pendingin (air) yang digunakan banyak sehingga kemampuan mendinginkan fluida panas (steam) lebih besar. Dampaknya, suhu steam yang keluar semakin rendah. Pada aliran berlawanan arah, suhu keluaran steam lebih rendah

42


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 dibandingkan pada aliran searah, hal ini dikarenakan perbedaan suhu awal pada titiktitik tertentu akan lebih besar sehingga menghasilkan driving force yang mendorong steam dan air untuk saling bertukar panas.

Analisis h0 dan hi  Aliran Berlawanan Arah ho

hi

Uc

(W/m2.oC)

(W/m2.oC)

(W/m2.oC)

198.4795

577.9452

166.1864

216.5328

1700.708

201.6989

219.5423

2223.399

207.5893

222.3202

2737.655

212.1791

227.6192

2804.236

217.2292

 Aliran Searah

Valve

Rh

miu

v

1 per 5

0.003

0.000332

0.241

2 per 5

0.003

0.000381

3 per 5

0.003

4 per 5 5 per 5

Water Re

Jenisaliran

Pr

k

ho

7710.188

Laminer

2.059

0.674

345.190

0.416

11699.802

Turbulen

2.390

0.667

808.813

0.000415

0.630

16330.752

Turbulen

2.634

0.662

1168.496

0.003

0.000419

0.760

19539.977

Turbulen

2.651

0.661

1559.146

0.003

0.000428

0.814

20493.865

Turbulen

2.714

0.659

1800.540

Steam Valve

D

miu

v

Re

Jenisaliran

Pr

k

1 per 5

0.014

0.000673

0.0211881

437.5407334

Laminer

4.467 0.631

271.0023

2 per 5

0.014

0.000708

0.0272975

536.3321818

Laminer

4.719 0.627

293.5131

3 per 5 4 per 5 5 per 5

0.014 0.014 0.014

0.000738 0.000746 0.000846

0.0181984 0.0207981 0.022098

343.25583 388.152232 364.1032359

Laminer Laminer Laminer

4.931 0.625 4.984 0.625 5.741 0.615

255.8565 267.5092 270.1124

Untuk persamaan h0 karena alirannya cenderung turbulen, persamaannya adalah :

43


h1


Untuk persamaan hi (koefisien panas dari steam) adalah sebagai berikut:

hi = NuD . k/D

Karena aliran steam dalam alat penukar kalor bersifat laminar ditinjau dari bilangan Reynold, maka persamaan yang dipakai untuk bilangan Nusselt adalah :

[

]

Persamaan Bilangan Reynold adalah :

[

(

)

]

Nilai hi dan h0 banyak dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain Bilangan Reynold, bilangan Prandtl, serta termal konduktivitas. Bilangan Prandtl dan termal konduktivitas didasarkan oleh kondisi steam sedangkan bilangan Reynold adalah didasarkan jenis aliran dari fluida. Jika dilihat berdasarkan persamaan, bilangan Reynold sangat dipengaruhi oleh laju alir. Semakin besar laju alirnya maka semakin besar nilai bilangan Reynoldnya sehingga h0 dan hi dan laju alir berbanding lurus.

Analisis Uc,Ud, dan Rd  Aliran Berlawanan Arah

ho 2o

hi

Uc

(W/m . C) (W/m . C) (W/m2.oC)

44

2o

198.4795

577.9452

166.1864

216.5328

1700.708

201.6989



Valve 1/5 2/ 5 3/5 4/ 5 5/ 5

219.5423

2223.399

207.5893

222.3202

2737.655

212.1791

227.6192

2804.236

217.2292

q 1.386883 1.844763 1.979679 2.0543 2.171635

Perhitungan A 0.0712 0.0712 0.0712 0.0712 0.0712

LMTD 17.08374 18.20478 18.71382 17.64479 18.33966

1.140189 1.42323 1.485772 1.635187 1.663089

 Aliran Searah Uc 1/hi 0.004 0.003 0.004 0.004 0.004

1/h0 0.003 0.001 0.001 0.001 0.001

Valve 1 per 5 2 per 5 3 per 5 4 per 5 5 per 5

Ai 0.036 0.036 0.036 0.036 0.036

q 0.909 0.736 0.363 0.395 0.370

Ud A steam 0.036 0.036 0.036 0.036 0.036

Ai/A0 0.560 0.560 0.560 0.560 0.560

LMTD 47.889 36.391 28.270 27.105 27.361

ro/ri 1.786 1.786 1.786 1.786 1.786

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380

Adapun persamaan Uc (koefisien perpindahan panas dalam keadaan bersih) adalah sebagai berikut :

( )

45


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Sedangkan persamaan Ud (koefisien perpindahan panas dalam keadaan kotor) adalah sebagai berikut :

Dengan q merupakan panas yang dapat dipindahkan oleh alat penukar kalor dan A adalah luas luas bidang perpindahan panas atau dalam hal ini adalah luas pipa dalam (Ai).

Dengan W = ρ.Q , dan λ adalah panas laten. Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai Uc berbanding lurus dengan nilai hi dan h0. Semakin besar hi dan ho, maka semakin besar juga Uc. Hal ini dikarenakan adanya kaitan erat bilangan Re dengan nilai h. Lain hal nya dengan nilai Ud. Nilai Ud berbanding terbalik dengan LMTD (logarithmic mean temperature difference). LMTD ini mempunyai suatu faktor koreksi, yaitu FT. Nilai FT didapat dari fig. 18 buku Kern. Dan nilai FT ini didapatkan dari titik temu antara R dan S

Nilai LMTD sendiri dapat dihitung menggunakan persamaan berikut :

(

46


)

Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Di samping itu, praktikan juga menghitung faktor pengotor (Rd) alat penukar kalor melalui persamaan berikut:

Perhitungan Ud 1.140189 1.42323 1.485772 1.635187 1.663089

Uc 166.1864 201.6989 207.5893 212.1791 217.2292

Ud 0.533 0.568 0.361 0.410 0.380

Uc 187.870 243.315 227.365 243.435 248.528

(berlawanan arah) 1/Ud 0.877047 0.702627 0.673051 0.611551 0.601291

1/Uc 0.006017 0.004958 0.004817 0.004713 0.004603

Rd (searah) 1/Ud 1.877 1.760 2.771 2.442 2.631

1/Uc 0.005 0.004 0.004 0.004 0.004

Rd 0.87103 0.697669 0.668233 0.606838 0.596687

Rd 1.872 1.756 2.767 2.438 2.627

Penyebab yang memengaruhi faktor kekotoran secara langsung adalah Uc dan Ud. Secara teoritis, nilai Uc > Ud sehingga nilai dari Rd selalu positif.

Analisis Efektifitas dan NTU  Aliran Berlawanan Arah Aliran

Fluida

Q (m3/s)

h W/m2.oC

Uc W/m2.oC

Ud W/m2.oC

Rd m2.oC/W

e

NTU

1/5

Steam Air Steam Air Steam Air Steam Air Steam

2.40E-06 6.20E-05 3.00E-06 1.42E-04 3.30E-06 1.68E-04 3.40E-06 2.28E-04 3.60E-06

198.4795 577.9452 216.5328 1700.7079 219.5423 2223.3994 222.3202 2737.6546 227.6192

166.1864

1.1402

0.8710

0.8971

2.5817

201.6989

1.4232

0.6977

0.9286

2.9113

207.5893

1.4858

0.6682

0.9429

3.1822

212.1791

1.6352

0.6068

0.9571

3.4944

217.2292

1.6631

0.5967

0.9571

3.5000

2/5 3/5 4/5 5/5

47


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 Air

2.36E-04

2804.2359

 Aliran Searah Aliran

Fluida

Q 3

(m /s) 1/5 2/5 3/5 4/5 5/5


3.26E-06 8.10E-05 4.20E-06 1.40E-04 2.80E-06 2.12E-04 3.20E-06 2.56E-04 3.40E-06 2.74E-04

h

Uc 2o

Ud

2o

Rd

2o

e

NTU

2o

(W/m . C) (W/m . C) (W/m . C) (m . C/W) 345.1900 271.0023 808.8125 293.5131 1168.4956 255.8565 1559.1459 267.5092 1800.5397 270.1124

187.8705

0.5328

1.8716

0.2281 0.2604

243.3155

0.5681

1.7562

0.6333 1.0261

227.3655

0.3609

2.7668

0.8167 1.7347

243.4349

0.4096

2.4375

0.8417 1.8888

248.5278

0.3801

2.6269

0.7714 1.5004

Persamaan untuk mendapatkan nilai efektifitas adalah :



 T

Ch Thin  Thout Cmin

hin



 Tcmin







Cc Tcout  Tcin



 

Cmin Thin  Tcin

Sedangkan persamaan untuk mendapatkan nilai NTU adalah : [

]

Dengan :

Dengan : Fluida Min = C terkecil FluidaMaks = C terbesar

Dari hasil perhitungan di atas, dapat diketahui bahwa nilai efisiensi dari aliran berlawanan arah lebih besar dikarenakan suhu keluaran air dari aliran berlawanan

48


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 arah lebih besar. Dengan kata lain, nilai efisiensi ini tergantung dari suhu masukan serta keluaran dari fluida dingin dan steam. Sesuai dengan hasil perhitungan yang ada, nilai NTU memiliki hubungan berbanding lurus dengan efektifitas.

5.3. Analisis Kesalahan 

Adanya kesalahan paralaks yang mengakibatkan kesalahan pencatatan volume air dan kondensat.



Terjadinya kemacetan pada keluaran dari pipa dan valve yang memungkinkan terjadinya perubahan nilai pada suhu sehingga suhu yang tercatat tidak sesuai dengan yang seharusnya.



Proses pembukaan valve yang kurang sesuai sehingga volume air dan steam serta suhu tidak optimal.

49


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 BAB V KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan : 1. Double Pipe Heat Exchanger berfungsi mempertukarkan suhu antara dua fluida dengan melewati dua bidang batas. Bidang batas pada alat penukar kalor ini berupa pipa yang terbuat dari berbagai jenis logam sesuai dengan penggunaan dari alat tersebut. 2. Beberapa faktor yang menjadi parameter unjuk kerja dari alat Double Pipe Heat Exchanger adalah faktor kekotoran (dirt factor), luas permukaan perpindahan kalor, koefisien perpindahan kalor, beda temperatur rata-rata, jenis aliran (bilangan reynold) dan arah aliran (co-current atau counter current). 3.

Faktor pengotoran akan memperkecil efisiensi HE. Parameter faktor kekotoran pada alat ini sangat mempengaruhi unjuk kerja alat tersebut. Hal ini terlihat dari koefisien perpindahan panas menyeluruh antara alat saat bersih (UC) dan saat kotor (UD) yang akan berpengaruh pada temperatur akhir yang diperoleh.

4.

Aliran fluida berlawanan akan mempunyai selisih suhu uap dan air awal yang relatif sama dengan selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.

5.

Aliran fluida searah akan memberikan selisih suhu uap dan air awal jauh lebih besar daripada selisih suhu uap dan air pada kondisi akhir.

6.

Aliran counter current lebih efektif daripada aliran co current. Perpindahan panas yang terjadi pada aliran berlawanan lebih menyeluruh, fluida panas dan fluida dingin saling bertukar panas pada titik-titik yang memiliki perbedaan suhu yang besar sehingga jarak suhu steam dan air keluar cukup dekat.

7.

Untuk kedua aliran, laju air meningkat  Re meningkat  h0 dan hi meningkat  Uc meningkat  Rd meningkat  UD menurun  LMTD meningkat  ɛ meningkat  NTU meningkat.

50


Laporan Praktikum UOP : Heat Exchanger 2012 DAFTAR PUSTAKA

Buku Panduan Praktikum Proses Operasi Teknik I, Teknik Gas dan Petrokimia UI. Holman,J.P. 1997. Perpindahan Kalor. Jakarta:Erlangga. Kern,D.Q. 1981. Process Heat Transfer. Mc-Graw Hill International Company Book,

51


Laporan praktikum Heat Exchanger

Recommend Documents