Makalah HE

Praktikum POT 1

Double Pipe HE BAB I TEORI PERCOBAAN

I.1 Heat Exchanger; Exchanger; Jenis, Aliran dan Distribusi Temperatur Temperatur

Heat Heat exchan exchanger ger dibeda dibedakan kan berdas berdasark arkan an beberap beberapaa faktor faktor.. Pertim Pertimban bangan gan dalam dalam pemilihan tipe sederhana adalah kemampuannya dan metode disain yang tepat untuk alat itu : A. Be Berda rdasar sarkan kan Fung Fungsin sinya ya 1.

Heat Exchanger

Heat exchanger mengontrol kalor antara dua proses aliran: aliran fluida panas yang yang memb membutu utuhk hkan an pend pendin ingi gina nan n ke alira aliran n flui fluida da temp tempera eratu turr rend rendah ah yang membutuhkan pemanasan. Kedua 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 menjad menjadii cair. cair. Media Media pendin pendingin gin biasany biasanyaa diguna digunakan kan air atau udara. udara. Conden Condensor sor biasanya dipasang pada top kolom fraksinasi. Pada beberapa kasus refrijeran refrijera n biasa digunakan ketika temperatur rendah dibutuhkan. Pendinginan itu sering disebut ‘chiller’. 4.

Reboiler

Digu Diguna naka kan n untu untuk k meng mengua uapk pkan an kemb kembali ali sebag sebagia ian n caira cairan n pada pada dasar dasar kolo kolom m (bottom) destilasi, sehingga fraksi ringan yang masih ada masih teruapkan. Media pemanas yang digunakan adalah uap (steam). Reboiler bisa dipanaskan melalui media media pemana pemanass atau atau dipana dipanaskan skan langsu langsung. ng. Yang Yang terakhi terakhirr reboil reboilern ernya ya adalah adalah furnace atau fire tube 5.

Heater – Superheater

heater digunakan digunakan untuk untuk memanaskan memanaskan fluida yang yang memiliki memiliki viskositas viskositas tinggi baik bahan baku ataupun fluida proses dan biasanya menggunakan steam sebagai pemanas. Superheater memanaskan gas dibawah temperatue jenuh.

Dwi Rahmat, Monica, Polu

1

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

B. Ber Berdas dasark arkan an konstru konstruksi ksinya nya 1.Tubular Exchanger a.

Double-pipe

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 keci kecill biasa biasany nyaa dipa dipasan sang g fin atau atau sirip sirip mema memanj njan ang, g, hal hal ini ini dima dimaksu ksudk dkan an untu untuk k mendapatkan permukaan perpindahan panas yang lebih luas. Double pipe ini dapat digu diguna naka kan n untu untuk k mema memana nask skan an atau atau mend mendin ingi gink nkan an fliu fliuda da hasi hasill pros proses es yang ang membutuhkan area perpindahan panas yang kecil (biasanya hanya mencapai 50 m 2). 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).

Mekanismenya Mekanismenya perpindahan tersebut

Pada Pada HE ini ini terja terjadi di pros proses es trans transfer fer pana panass secara secara tida tidak k lang langsu sung ng diman dimanaa pros proses es pertukaran panasnya terjadi pada dinding pipa bagian dalam. Yang terdapat fluida pemanas yang mengalir ke dalam pipa kecil,alirannya secara konveksi paksa kemudian terjadi aliran konduksi dari permukaan yang dalam tadi ke permukaan luar pipa kecil. Selanjutnya aliran berlangsung berjalan dari permukaan luar pipa kecil ke fluida lainnya secara konveksi paksa lagi. b. Shell hell and tub tubee

Jenis ini terdiri dari shell yang didalamnya terdapat rangkaian pipa kecil yang disebut disebut tube bundle. bundle. Perpindaha Perpindahan n panas terjadi antara fluida yang yang mengalir mengalir di dalam tube dan fluida yang mengalir di luar tube (pada shell side). Shell and tube ini merupa merupakan kan Heat Exchan Exchanger ger yang yang paling paling banyak banyak diguna digunakan kan dalam dalam prosesproses-pro proses ses 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


2

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

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). 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). Bila dilihat mekanisme perpindahan tersebut 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



Adalah 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



Adalah 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



Jenis ini 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.


3

Praktikum POT 1 c.

2.

Double Pipe HE

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 dipasang secara melingkar agar dapat memberikan perpindahan panas yang besar dan mencegah terjadinya fouling (deposit yang 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 exchager

3.

Extended Surface

Permukaan tabung dan plat memiliki efiisiensi 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 dibagi menjadi dua macam yaitu plate-fin or matrix Heat Exchanger dan high-finned tube.

4.

Regenerator

Pada regenerator fluida panas dan dingin menempati jalan yang sama pada exchanger secara bergantian Heat Exchanger ini terbagi menjadi dua yaitu fixedmatrix dan rotary. Banyak digunakan pada aplikasi gas turbin dan furnace preheater.

5.

Air Cooler Exchanger


4

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Heat Exchanger yang terdiri dari tube bundle, dimana bundle tersebut berisi beberapa baris tube dan dilengkapi dengan kipas atau fan yang berfungsi untuk mengalirkan udara diantara sirip-sirip yang terdapat pada bagian luar tube.

C.

Berdasarkan Flow arrangements 1.

Single pass

2.

Multiple pass

Pada single pass, kedua fluida melewati sistem hanya satu kali, sedangkan pada multiple pass, salah satu atau kedua fluida mengalir bolak-balik 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 koefisien perpindahan kalor yang lebih tinggi daripada aliran aksial yang terjadi di dalam tabung double-pipe.

Aliran dan distribusi temperature ideal pada Heat exchanger 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 efekrif dari paralel flow. Skema dari sistem Double Pipe Heat Exchanger Co-current adalah sebagai berikut:


5

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Fluida yang lebih dingin

Aliran steam

aliran kondensat

Fluida hangat 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)

Dimana a” adalah ft2 dari permukaan per ft panjang pipa atau dari diferensial neraca kalor 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. 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. Laju perpindahan kalor :

log mean temperature difference:

dQ dt

∆T =

= U . A.∆T ...............(3)

(∆T1 − ∆T 2 )

 ∆T    ∆T 

ln 

1

......................(4)

2


6

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

I.2 Perancangan Heat Exchanger dan Perhitungannya 1.

Bagian-bagian Heat Exchanger

Heat exchanger merupakan alat penukar kalor yang mempunyai macam-macam bentuk. Untuk mengetahui bagaimana cara untuk merancangnya serta bagaimana perhitungan yang dibutuhkan dalam merancang alat ini, kita akan menelaah terlebih dahulu mengenai bagian-bagian heat exchanger itu sendiri. Pada dasarnya, heat exchanger terbagi atas beberapa bagian utama, yakni : a. Shell

Shell berupa suatu silinder yang dilengkapi oleh tempat masuknya fluida (inlet Nozzle) dan tempat keluarnya fluida (outlet Nozzle). Shell terbuat dari bahan karbon dan alloy dengan ketebalan tertentu untuk menahan beban berat, tekanan dan temperatur fluida. Semakin tebal dindingnya maka tekanan yang didapatkan dalam beroperasi semakin tinggi. b. Tube

Ada 2 jenis tube yang umum digunakan dalam Heat Exchanger yakni : a.

Tube yang mempunyai sirip-sirip pada bagian luar tube ( finned tube) b.

Tube dengan permukaan yang rata (bare tube)

Tube dibuat dengan ukuran standar baik ketebalan maupun panjangnya. Susunan tube pada HE mengikuti tube pattern, yang mana yang paling banyak dijumpai adalah triangular (segitiga) dan square (bujur sangkar). c. Tube sheet

Adalah tempat untuk merangkai ujung-ujung tube sehingga menjadi satu yang disebut tube bundle. Selain itu juga berfungsi untuk memisahkan tube side dengan shell side. d. Baffle

Berfungsi sebagai penyangga terhadap tube, menjaga jarak antar tube, menahan vibrasi yang disebabkan oleh aliran fluida dan mengatur aliran turbulen sehingga perpindahan panas lebih sempurna. Ada 2 jenis baffle, yaitu baffle melintang ( segmental, dish & doughnut dan orifice) dan baffle memanjang. e. peralatan pelengkap

Adalah batangan besi yang sejajar dengan tube dan ditempatkan di bagian paling luar dari baffle, berfungsi sebagai penyangga agar jarak antara baffle yang satu dengan yang lain tetap. Untuk mengetahui letak bagian-bagian tersebut secara lengkap dapat dilihat pada lampiran bagian-bagian heat exchanger.


7

Praktikum POT 1 2.

Double Pipe HE

Perancangan Heat Exchanger

Berikut ini adalah tahapan-tahapan yang digunakan untuk membuat alat penukar kalor sedarhana (misalnya shell and tube exchanger): 1. Menentukan fluida apa yang akan mengalir dalam shell dan fluida apa yang akan mengalir dalam tube. Hal ini diperlukan untuk meminimalisir biaya pompa (pumping cost). Contohnya air digunakan untuk mendinginkan minyak, maka minyak yang viskositasnya lebih besar akan mengalir dalam shell. Sifat korosi bahan, fouling dan pembersihan tube juga menjadi pertimbangan dalam tahapan ini 2. Mengkalkulasi biaya yang dibutuhkan dengan membandingkan dengan akurasi komputasi, investasi, dan kemungkinan biaya akibat kesalahan kalkulasi 3. Membuat perkiraan kasar mengenai ukuran dari heat exchanger yang akan dibuat. Untuk mengerjakan ini dapat digunakan nilai U dalam lampiran atau data dari percobaan. Hal ini mungkin membutuhkan kalkulasi trial and error, namun dapat membantu untuk menentukan ukuran laju alirnya, mengantisipasi variasi temperatur dan menghindari error yang lebih besar. 4. Mengevaluasi heat transfer, pressure drop dan biaya dari beberapa variasi konfigurasi heat exchanger yang mungkin diaplikasikan.

Hal ini biasanya

dilakukan dengan menggunakan program komputer dengan skala besar. Kemudian menentukan HE yang akan dibuat 5. Memulai proses pembuatannya

Jika dibuat dalam diagram alir maka akan menjadi sebagai berikut :

2. Mengkalkulasi biaya investasi yang ada

1. Menentukan fluida yang mengalir dalam tube dan shell beserta kapasitas dan bahannya

4. Mengevaluasi heat transfer, pressure drop dan biaya dari beberapa perkiraan HE yang mungkin


3. dan

Memperkirakan jenis HE berapa besar HE yang akan dibuat

8

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Pembuatan Heat Exchanger

3.

Perhitungan dasar dalam Heat Exchanger

•

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 : 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 temperatur yang nyaris konstan, variasi temperatur dari aliran fluida dapat dihitung secara overall heat transfer dalam bentuk perbedaan temperatur ratarata dari aliran dua fluida, maka dapat kita buat persamaan berikut : Q

= UA∆T mean ...........(5)

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 dT h = (mc p ) c dT c ............(6)

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 :


9

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Q

 ∆T − ∆T b   = UA a  ........(7) ∆ ∆ ln( T / T  a b 

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 :

 ∆T − ∆T b   ∆T mean = LMTD =  a  .......(8) ∆ ∆ ln( T / T  a b  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) ........(9)

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 resistan. Untuk menghitung fouling resistan dapat digunakan rumus berikut ini : Rf ≡

1 U old

−

1 U new

............(10)

Dimana U pipa yang sudah tua tersebut dapat dihitung dengan menggunakan rumus sabagai berikut : U =

1 hi

+

r i ln(r 0 / r p ) k insulator

+

1 r j ln(r p / r i ) k pipe

+

r i r 0 h0

+ Rf ..............(11)

Daftar untuk nilai Rf dapat dilihat pada lampiran. Untuk U<<10000 W/m 2 C fouling mungkin tidak begitu penting, karena hanya menghasilkan resistan yang kecil. Namun pada ater 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 mengelir melewaitinya, nilai U mungkin sekitar 200, fouling factor akan menjadi signifikan.


10

Praktikum POT 1

•

Double Pipe HE

Efektivitas Heat Exchanger

Efektivitas heat exchanger dapat dirumuskan sebagai berikut : ε

ε

≡

=

C h T hin

C min (T hin

− T h C T − T c = c c − T c ) C min (T h − T c ) ........(12) out

out

min

in

in

in

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

Maka untuk mencari efektifitas untuk pararel single pass HE adalah sebagai berikut : ε

=

1 − exp[ − (1 − C min / C max ) NTU ] 1 + C min / C max

..........(13)

Sedangkan untuk counterflow adalah sebagai berikut : ε

=

1 − exp[ − (1 − C min / C max ) NTU ] 1 − (C min / C max ) exp[ − (1 − C min / C max ) NTU ]

.............(14)

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

UA C min

...........(15)

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


11

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

BAB II PENGOLAHAN DATA

A. Penentuan Koefisien Perpindahan Kalor Menyeluruh Langkah – langkah dalam penentuan koefisien perpindahan kalor menyeluruh yaitu :

•

Menentukan diameter equivalen pipa

( D − D = ( 0,025 − 0,014 ) = 0,03064m = 2

D = De

•

2

2

2

2

1

2

2

Menentukan luas penampang tiap pipa, panjang tiap pipa dan koefisien konduksi pipa Data pipa

D luar pipa (m) D dalam pipa (m) D ekuivalen (m) Panjang pipa (m) K pipa (W/m)

Bagian Pipa Pipa luar Pipa Dalam

0.025 0.014 0.0306 0.81 386

Luas 0.000491 0.000154

•

Menentukan jenis aliran : co-current (searah) dan counter-current (berlawanan arah)

•

Menentukan data-data aliran air dan steam berupa laju alir (Q), laju massa (W), viskositas (μ), Bilangan Prandtl ( Pr ) dan k

•

Menentukan jenis aliran dengan mencari bilangan reynold Re =

•

µ

=

De  µ

 4W    π ( D2 2 − D1 2 ) 

Menentukan ho ( koefisien konveksi ) air ho

•

De Ge

= 0,023. Re 0,8 . Pr 0,3 .

k

De

Menentukan hi (koefisien konveksi ) steam 1

hi

•

D  3 k = 1,86  Re . Pr . 1  . L  D1 

Menentukkan koefisien perpindahan panas total / Uc 1  r 0

U = 1 a.

Aliran Searah


hi

+

   r 1  + A1

A1 ln

2π K L

1

Ao ho

12

Praktikum POT 1 

Double Pipe HE

Bukaan Valve Penuh (Bukaan valve 1) Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out) Fluida Air Steam

T in ºC 33 94

T out ºC 36 45

T average 34.5 69.5

Tabel 2. Sifat Fisis atau Data Aliran Air dan Steam Data Air

Q (m3/s) W (kg/s) μ air (kg/m.s) Pr air k

Data Steam

1.80E-04 0.17892 7.31E-04 4.878057554 0.625870504

Q (m3/s) W (kg/s) μ steam(kg/m.s) Pr steam k

3.36E-06 3.34E-03 4.09E-04 2.587913669 0.66326259

22272.3063 Re air pada suhu 34.5ºC ho air (W/m2 C)

5 2.27E+03

742.305711 Re steam pada suhu 69.5ºC hi steam laminer (W/m2 C)

5 2.83E+02

Koefisien perpindahan kalor menyeluruh (Uc) = 273 W/m



Bukaan Valve ½ Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out) Fluida Air Steam

T in ºC 32 95

T out ºC 38 44

T average 35 69.5


Data Steam


1.92E-04 1.90E-01 7.24E-04 4.825 0.6265


23926.8423 Re air pada suhu 35ºC ho air (W/m2 C)

6 2.40E+03

2.98E-06 2.96E-03 4.09E-04 2.587913669 0.66326259 657.912621

Re steam pada suhu 69.5ºC hi steam laminer (W/m2 C)

7 2.72E+02



13

Praktikum POT 1 

Double Pipe HE

Bukaan Valve ¼ Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out) Fluida Air Steam

T in ºC 33 94

T out ºC 36 45

T average 34.5 69.5



Data Steam

1.70E-04 1.69E-01 7.31E-04 4.878057554 0.625870504


2.46E-06 2.44E-03 4.09E-04 2.587913669 0.66326259

21080.7379 Re air pada suhu 34.5ºC ho air (W/m2 C)

6 2.18E+03

542.369202 Re steam pada suhu 69.5ºC hi steam laminer (W/m2 C)

9 2.55E+02


b. 

Aliran Berlawanan Arah

Bukaan Valve Penuh (Bukaan valve 1) Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out) Fluida Air Steam

T in ºC 28 98

T out ºC 46 36

T average 37 67


Data Steam


2.07E-04 0.2054121 6.94E-04 4.6127698 0.629018

Re air pada suhu 37ºC ho air (W/m2 C)

26945.841 2.62E+03

Q (m3/s) W (kg/s) μ steam(kg/m.s) Pr steam k Re steam pada suhu 67ºC hi steam laminer (W/m2 C)

3.50E-06 3.48E-03 4.22E-04 2.6778417 0.6605647 749.7955 2.86E+02



14

Praktikum POT 1 

Double Pipe HE

Bukaan Valve ½ Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out) Fluida Air Steam

T in ºC 28 98

T out ºC 46 36

T average 37 67


Data Steam


1.87E-04 0.1857945 6.94E-04 4.61276978 0.62901799

Re air pada suhu 37ºC ho air (W/m2 C)

24372.4175 2.41E+03


3.23E-06 3.21E-03 4.22E-04 2.67784173 0.66056475

Re steam pada suhu 67ºC hi steam laminer (W/m2 C)

690.702541 2.79E+02




Bukaan Valve ¼ Tabel 1. Temperatur Air dan Steam ( T in dan T out) Fluida Air Steam

T in ºC 28 101

T out ºC 47 36

T average 37.5 68.5



Data Steam

1.83E-04 0.18157398 6.86E-04 4.55971223 0.62964748

Re air pada suhu 34.5ºC ho air (W/m2 C)

24077.864 2.38E+03

Q (m3/s) W (kg/s) μ steam(kg/m.s) Pr steam k Re steam pada suhu 69.5ºC hi steam laminer (W/m2 C)

3.02E-06 2.99E-03 4.15E-04 2.62388489 0.66218345 657.045785 2.73E+02


B. Penentuan Nilai Keefektifan (ε) dan NTU Secara Perhitungan 1.

Co-Current Heat Exchanger dengan Qair = 0.00018 m3/s


15

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Dari tabel A-9 (Holman), didapat: Temperatur

Saturated Water

Steam

Inlet

Cp (kJ/kgoC) 4,174

C (kJ/oC) 0,7468

Cp (kJ/kgoC) 4,2047

C (kJ/oC) 0,0140

Outlet

4,174

0,7468

4,174

0,0139

Dari data diatas terlihat bahwa yang merupakan fluida minimum ialah steam dengan Cmin = 0,0139 dan C max = 0,7468; sehingga diperoleh :

ε co −current

C min

=

C *

C max

=

0,0139 0,7468

= 0,0186

− T h 2 94 − 45 = = 0,803 = 80,3% T h1 − T c1 94 − 33

T h1

=

− ln[1 − (1 + C * )ε ] − ln[1 − (1 + 0,0186 ) 0.803] = = 1,672 NTU = 1 + 0,0186 1 + C * 2.

Co-Current Heat Exchanger dengan Qair = 0.000191667 m3/s

Dari tabel A-9 (Holman), didapat: Saturated Water Temperatur

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Steam Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Inlet

4,175

0,79306

4,206

0,01245

Outlet

4,174

0,79306

4,174

0,01236


C *

ε co −current

=

=

C min C max

=

0,01236 0,79306

= 0,0156

− T h 2 95 − 44 = = 0,81 = 81% T h1 − T c1 95 − 32

T h1

− ln[1 − (1 + C * )ε ] − ln[1 − (1 + 0,0156) 0.81] = = 1,703 NTU = 1 + 0,0156 1 + C * 3.

Co-Current Heat Exchanger dengan Qair = 0.00017035 m 3/s

Dari tabel A-9 (Holman), didapat:


16

Praktikum POT 1

Temperatur

Double Pipe HE Saturated Water

Steam

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Inlet

4,174

0,705

4,2047

0,0103

Outlet

4,174

0,705

4,174

0,0102

Dari data diatas terlihat bahwa yang merupakan fluida minimum ialah steam dengan Cmin = 0,0102 dan Cmax = 0,705; sehingga diperoleh :

=

C *

ε co −current

=

C min C max

=

0,0102 0,705

= 0,0145

− T h 2 94 − 45 = = 0,803 = 80,33% T h1 − T c1 94 − 33

T h1

− ln[1 − (1 + C * )ε ] − ln[1 − (1 + 0.0145 ) 0,803] = = 1,66 NTU = 1 + 0,0145 1 + C *

4.

Counter - Current Heat Exchanger dengan Q air = 0.00020665 m 3/s


Saturated Water

Steam

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Inlet

4,178

0,858

4,209

0,01465

Outlet

4,174

0,857

4,174

0,01453


C *

ε co −current

=

=

C min C max

=

0,00835 0,788

= 0,0169

− T h 2 98 − 36 = = 0,89 = 89% T h1 − T c1 98 − 28

T h1

− ln[1 − (1 + C * )ε ] − ln[1 − (1 + 0,0169 ) 0,89] = = 2,315 NTU = 1 + 0,0169 1 + C * 5.

Counter-Current Heat Exchanger dengan Qair = 0.0001869 m 3/s

Dari tabel A-9 (Holman), didapat:


17

Praktikum POT 1

Temperatur

Double Pipe HE Saturated Water

Steam

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Inlet

4,178

0,7762

4,209

0,0135

Outlet

4,174

0,7755

4,174

0,0134

Dari data diatas terlihat bahwa yang merupakan fluida minimum ialah steam dengan Cmin = 0,0134 dan Cmax = 0,7762; sehingga diperoleh :

=

C *

ε co −current

C min C max

=

0,0134 0,7762

= 0,0173

− T h 2 98 − 36 = = 0,89 = 89% T h1 − T c1 98 − 28

T h1

=

− ln[1 − (1 + C * )ε ] − ln[1 − (1 + 0.0173) 0,89] = = 2,318 NTU = 1 + 0,0173 1 + C *

6.

Counter - Current Heat Exchanger dengan Q air = 0.00018267 m 3/s


Saturated Water

Steam

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Cp (kJ/kgoC)

C (kJ/oC)

Inlet

4,178

0,759

4,214

0,01260

Outlet

4,174

0,758

4,174

0,01248


C *

ε co −current

=

=

C min C max

=

0,01248 0,759

= 0,0164

− T h 2 101 − 36 = = 0,89 = 89% T h1 − T c1 101 − 28

T h1

− ln[1 − (1 + C * )ε ] − ln[1 − (1 + 0,0164 ) 0,89] = = 2,312 NTU = 1 + 0,0164 1 + C *


18

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

BAB III ANALISIS

III.1 Analisis Percobaan Percobaan Double Pipe Heat Exchanger ini mempunyai tujuan yaitu: 1. Mengetahui prinsip kerja double pipe 2. Menghitung koefisien perpindahan kalor 3. Menghitung efektivitas 4. Membandingkan aliran searah dan berlawanan arah

Dalam percobaan ini digunakan Double Pipe Heat Exchanger dibanding HE lainnya seperti Shell and Tube HE, hal ini dikarenakan pada double pipe Heat Exchanger memungkinkan terjadinya proses pemanasan atau pendinginan fluida hasil proses yang membutuhkan area perpindahan panas yang kecil, dapat mendidihkan ataupun mengkondensasikan fluida proses namun dalam jumlah yang kecil, sehingga HE ini sangat cocok untuk percobaan yang bertujuan untuk melihat unjuk kerja alat, serta mengetahui parameter-parameter yang mempengaruhinya. Kelebihan lain dari model HE tipe Double Pipe ini adalah:

•

Perawatan yang lebih mudah dan simpel

•

Dapat dipasang dalam berbagai macam fitting

•

Dapat mendidihkan fluida dengan cepat


19

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Dalam mengambil data percobaan, dilakukan variasi terhadap variabel-variabel percobaan. Dalam hal ini dilakukan variasi terhadap laju alir air yang berada dalam anulus (dengan laju alir steam yang tetap karena kran steam dibuka penuh dalam setiap pengambilan data) dan arah aliran steam terhadap aliran air (co-current/searah dan counter current/berlawanan arah). Dilakukan variasi terhadap laju alir air bertujuan untuk mengetahui pengaruh besar laju air terhadap efisiensi HE. Sedangkan variasi terhadap arah aliran bertujuan untuk mengetahui arah aliran yang seperti apa yang baik dalam proses pentransferan panas Steam sengaja alirkan di dalam pipa dengan tujuan agar kalor yang diberikan steam terserap dengan baik oleh air dibandingkan apabila steam dialirkan di dalam anulus. Selain itu jika steam dialirkan pada luar pipa, maka akan terjadi pembuangan energi steam secara sia-sia ke lingkungan; dengan kata lain pengaliran steam di luar pipa membuat HE tidak ekonomis. Skema sederhana dari sistem Double Pipe Heat Exchanger Co-current adalah sebagai berikut:

Pada posisi masukan, tengah, dan keluaran aliran dipasang sensor temperatur untuk mendeteksi suhu aliran pada posisi tersebut. Berdasarkan neraca panas dan energi, panas yang dilepaskan oleh steam akan mengalami tahanan konveksi termal lapisan steam film di dalam pipa, tahanan konduksi termal dari dinding pipa, dan tahanan konveksi termal oleh air di anulus, dan dengan asumsi tidak ada kehilangan panas karena radiasi. Persamaannya:

∑ R = h1 + xk + h1 i

o

Dan dengan mengasumsikan ketebalan dinding pipa sangat tipis maka tahanan konduksi termal dari dinding pipa dapat diabaikan,sehingga didapatkan persamaan:


20

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

∑ R = h1 + h1 i

o

Perhitungan perpindahan kalor

Q

= U . A. LMTD

dengan koefisien perpindahan kalor (U) secara menyeluruh: 1 U

=

1 hi ( Ai / A)

+

1 ho

Jadi bisa dilihat bahwa nilai koefisien perpindahan kalor ini dipengaruhi oleh : 1.Koefisien konveksi air 2.Koefisien konveksi steam 3.Koefisien konduksi pipa 4.Ukuran pipa Koefisien konveksi air memiliki rumus : k laju perpindahan kalor secara Nilai ho merupakan nilai yang mempengaruhi ho = 0,023. Re 0,8 . Pr 0,3 . De konveksi pada air. Maka dapat dinyatakan bahwa semakin besar nilai ho, semakin cepat kalor yang dialirkan oleh air. Karena kalor yang dialirkan air semakin cepat, hal ini berdampak pada kecepatan penyerapan kalor steam oleh uap yang dampaknya terlihat pada meningkatnya laju kondensasi. Nilai ho sangat dipengaruhi oleh turbulensi dan sifat-sifat thermal air lainnya, jadi nilai ho akan berubah seiring dengan kenaikan temperatur.

Koefisien konveksi steam memiliki rumus : 1

hi

D  3 k = 1,86  Re . Pr . 1  . L  D1 

Nilai h1 merupakan nilai yang mempengaruhi laju perpindahan kalor secara konveksi pada steam. Maka dapat dinyatakan bahwa semakin besar nilai h1, semakin cepat kalor yang dialirkan oleh steam. Karena kalor yang dialirkan steam semakin cepat, hal ini berdampak pada kecepatan penyerapan kalor steam oleh uap yang dampaknya terlihat pada meningkatnya laju kondensasi. Nilai hi sangat dipengaruhi oleh turbulensi dan sifat-sifat thermal steam lainnya, jadi nilai hi akan berubah seiring dengan kenaikan temperatur.

LMTD (Log Mean Temperature Difference)


21

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

LMTD

=

( T 1 − t 1 ) − ( T 2 − t 2 )

 T 1 − t 1    − T t  2 2 

ln

LMTD merupakan salah satu parameter unjuk kerja Double Pipe Heat Exchanger dengan asumsi kondisi tunak (laju alir kalor radial di setiap titik sama), nilai U tetap di sepanjang pipa,. Cp konstan (bukan fungsi T), dan tidak terjadi perubahan fasa fluida, dan tidak terjadi kehilangan panas.

Perhitungan Efektivitas

Efisiensi sistem HE yang mempunyai persamaan : ε co− current

=

Th1 − T h 2 Th1 − T c1

Jelas juga akan terpengaruh oleh Qair seiring dengan perubahan suhunya. Dari hasil perhitungan diketahui bahwa untuk nilai Qair yang lebih besar maka akan diperoleh efisiensi sistem yang lebih besar pula. Hal ini juga senada dengan kenaikan NTU yang seiring dengan kenaikan Qair yang dapat dilihat pada pengolahan data.

Perbandingan Aliran Searah dan Berlawanan Arah

Pada aliran Co-current dan aliran Counter Current Heat Exchanger, pengaruh kenaikan Qair adalah peningkatan bilangan Re

→ peningkatan ho & hi → peningkatan U .

Dan juga peningkatan LMTD, efisiensi dan diikuti oleh NTU.


22

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Dari gambar diatas terlihat bahwa pada aliran co- current memiliki

∆T yang lebih kecil

dari aliran counter yang terlihat pada jarak Th3 dengan Tc2. Karerna

∆T besar untuk

aliran counter maka driving force-nya besar, sehingga efektivitas naik dan berartu meningkatkan efisiensi kerja alat. Sedangkan pada aliran co-current, karena

∆T

kecil

menyebabkan driving force-nya kecil, sehingga efektivitas dan efisiensi kerja alat lebih kecil dari pada aliran counter .

III.2 Analisis Data Perubahan Q air terhadap Q steam

Aliran Searah

No 1 2 3 4 5 6

Q air 1.80E-04 1.92E-04 1.70E-04 2.07E-04 1.87E-04 1.83E-04

Q steam 3.36E-06 2.98E-06 2.46E-06 3.50E-06 3.23E-06 3.02E-06

Aliran Berlawanan


23

You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.

Download With Free Trial

Praktikum POT 1

Double Pipe HE

Selain dipengaruhi oleh besar laju alir air (dengan laju steam tetap), arah aliran (co-current/counter-current), perpindahan panas dalam Double Pipe Heat Exchanger dipengaruhi oleh faktor pengotoran dalam Double Pipe Heat Exchanger. Adanya faktor pengotoran ini menghambat jalannya perpindahan panas. Faktor pengotoran (fouling factor) merupakan besaran yang menyatakan tingkat pengotoran suatu Heat Exchanger .

III.3 Analisis Kesalahan Ada beberapa hal yang berpotensi menyebabkan terjadinya kesalahan-kesalahan pada saat praktikum, diantaranya adalah: 1. Pada saat pengambilan data laju alir air ataupun kondensat, waktu yang dicatat seringkali mengandung banyak kesalahan paralaks praktikan 2. Pada saat pengambilan data suhu, sistem belum mencapai kesetimbangan sehingga hasil pengukurannya belum merupakan hasil sebenarnya. 3. Bukaan valve yang bervariasi menyebabkan praktikan harus mengatur sedemikian rupa sehingga bukaan valve yang satu dengan yang lain menghasilkan data yang berbeda namun sesuai dan valid. Namun, dalam hal ini faktor kesalahan manusia sangat rentan terjadi.


25

Makalah HE

Recommend Documents