LABORATORIUM PILOT PLANT SEMESTER GENAP TAHUN AJARAN 2016/2017
PRAKTIKUM HEAT EXCHANGER MODUL
: Shell and Tube Heat Exchanger dan Double dan Double Pipe Heat Exchanger
PEMBIMBING : Ir. Emma Hermawati, MT
Praktikum
: 29 Oktober 2016
Penyerahan Laporan
: 06 Oktober 2016
Oleh: Kelompok
: V dan VI
Nama
: 1. Ghifaris Vasha Vasha Irhamsyah Irhamsyah
Kelas
141424013
2. Ghina Fauziyyah
141424014
3. Gian Mardhiansyah
141424015
4. Hasna Amatullah Hanifa
141424016
5. Ilham Dwi Shaputra
141424017
: 3A
PROGRAM STUDI DIPLOMA IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIH JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2016
I. PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Alat penukar panas ( Heat Exchanger ) merupakan suatu alat yang sangat penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu sekat pemisah. Alat penukar panas ada berbagai tipe dan model. Secara garis besar terbagi menjadi tiga macam, yaitu plate yaitu plate heat exchanger, shell and tube heat exchanger, dan double pipe heat exchanger . Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitupula dengan ukuran kapasitasnya. Jenis shell and tube tube merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil . Jenis double pipe adalah pipe adalah yang paling sederhana, sehingga efektif digunakan untuk laju alir massa yang tidak terlalu besar. Kelebihan lain adalah mudah dioperasikan dan konstruksinya yang sederhana memudahkan dalam pembuatannya, juga murah harganya. harganya. Model alirannya yang sekali lewat membuat pressure membuat pressure drop yang rendah.
1.2
Tujuan
a. Shell and Tube Heat Exchanger 1) Memahami cara kerja peralatan shell peralatan shell and tube heat exchanger 2) Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan cara neraca energi 3) Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan 4) Menghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fluida. b. Double Pipe Heat Exchanger 1) Dapat mengoperasikan peralatan dan menguasai cara kerja double pipe heat
exchanger 2) Menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang
diterima fluida dingin
I. PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Alat penukar panas ( Heat Exchanger ) merupakan suatu alat yang sangat penting dalam proses pertukaran panas. Alat tersebut berfungsi untuk memindahkan panas antara dua fluida yang berbeda temperatur dan dipisahkan oleh suatu sekat pemisah. Alat penukar panas ada berbagai tipe dan model. Secara garis besar terbagi menjadi tiga macam, yaitu plate yaitu plate heat exchanger, shell and tube heat exchanger, dan double pipe heat exchanger . Masing-masing jenis digunakan berdasarkan keperluan dan pertimbangan teknis dan ekonominya, begitupula dengan ukuran kapasitasnya. Jenis shell and tube tube merupakan jenis yang paling banyak digunakan dalam industri perminyakan. Alat ini terdiri dari sebuah shell (tabung/slinder besar) dimana didalamnya terdapat suatu bandle (berkas) pipa dengan diameter yang relative kecil . Jenis double pipe adalah pipe adalah yang paling sederhana, sehingga efektif digunakan untuk laju alir massa yang tidak terlalu besar. Kelebihan lain adalah mudah dioperasikan dan konstruksinya yang sederhana memudahkan dalam pembuatannya, juga murah harganya. harganya. Model alirannya yang sekali lewat membuat pressure membuat pressure drop yang rendah.
1.2
Tujuan
a. Shell and Tube Heat Exchanger 1) Memahami cara kerja peralatan shell peralatan shell and tube heat exchanger 2) Menghitung koefisien perpindahan panas keseluruhan (U) dengan cara neraca energi 3) Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas keseluruhan 4) Menghitung efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fluida. b. Double Pipe Heat Exchanger 1) Dapat mengoperasikan peralatan dan menguasai cara kerja double pipe heat
exchanger 2) Menghitung efisiensi kalor yang dilepas fluida panas terhadap kalor yang
diterima fluida dingin
3) Mengetahui pengaruh laju alir fluida terhadap koefisien pindah panas
keseluruhan (U)
II. DASAR TEORI
2.1
H eat Exchanger Exchanger
Alat penukar panas atau Heat Exchanger (HE) adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakai adalah air yang dipanaskan sebagai fluida panas dan air biasa sebagai air pendingin (cooling (cooling water ). ). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung (direct ( direct contact ). ). Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik kimia maupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas panas mesin ke udara sekitar.
2.2
Tipe Aliran pada Alat Penukar Panas
Tipe aliran di dalam alat penukar panas ini ada 4 macam aliran yaitu : 1. Counter current flow (aliran flow (aliran berlawanan arah) 2. Paralel flow/co current flow (aliran flow (aliran searah) 3. Cross flow (aliran flow (aliran silang) 4. Cross counter flow (aliran flow (aliran silang berlawanan)
2.3
Jenis-jenis Penukar Panas
Jenis-jenis penukar panas antara lain: 1. Plate 1. Plate and Frame Heat Exchanger 2. Shell 2. Shell and Tube Heat Exchanger 3. Double 3. Double Pipe Heat Exchanger 4. Adiabatic 4. Adiabatic wheel heat exchanger 5. Pillow 5. Pillow plate heat exchanger e xchanger
6. Dynamic scraped surface heat exchanger 7. Phase – change heat exchanger
2.4
Prinsip Kerja Heat Exchanger
2.4.1
Prinsip dan Teori Dasar Perpindahan Panas
Panas adalah salah satu bentuk energi yang dapat dipindahkan dari suatu tempat ke tempat lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan sama sekali.
Dalam
kenaikan
suatu
proses,
panas
dapat
mengakibatkan
terjadinya
suhu suatu zat dan atau perubahan tekanan, reaksi kimia dan
kelistrikan. Proses terjadinya perpindahan panas dapat dilakukan secara langsung, yaitu fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin tanpa adanya pemisah dan secara tidak langsung, yaitu bila diantara fluida panas dan fluida dingin tidak berhubungan langsung tetapi dipisahkan oleh sekat -sekat pemisah.
2.4.2. Perpindahan Panas Secara Konduksi
Merupakan perpindahan panas antara molekul-molekul yang saling berdekatan antar yang satu dengan yang lainnya dan tidak diikuti oleh perpindahan molekul-molekul tersebut secara fisik. Molekul-molekul benda yang panas bergetar lebih cepat dibandingkan molekul-molekul benda yang berada dalam keadaan dingin. Getaran-getaran yang cepat ini, tenaganya dilimpahkan kepada molekul di sekelilingnya sehingga menyebabkan getaran yang lebih cepat maka akan memberikan panas.
2.4.3. Perpindahan Panas Secara Konveksi
Perpindahan panas dari suatu zat ke zat yang lain disertai dengan gerakan partikel atau zat tersebut secara fisik.
2.4.4. Perpindahan Panas Secara Radiasi
Perpindahan panas tanpa melalui media (tanpa melalui molekul). Suatu energi dapat dihantarkan dari suatu tempat ke tempat lainnya (dari benda panas ke benda yang dingin) dengan pancaran gelombang elektromagnetik dimana
tenaga elektromagnetik ini akan berubah menjadi panas jika ters erap oleh benda yang lain.
Gambar 1. Perpindahan Kalor pada Heat Exchanger
Pada dasarnya prinsip kerja dari alat penukar kalor yaitu memindahkan panas dari dua fluida padatemperatur berbeda di mana transfer panas dapat dilakukan secara langsung ataupun tidak langsung. a. Secara kontak langsung Panas yang dipindahkan antara fluida panas dan dinginmelalui permukaan kontak langsung berarti tidak ada dinding antara kedua fluida.Transfer panas yang terjadi yaitu melalui interfase / penghubung antara kedua fluida.Contoh: aliran steam pada kontak langsung yaitu 2 zat cair yang immiscible (tidak dapat bercampur), gasliquid, dan partikel padat-kombinasi fluida. b. Secara kontak tak langsung Perpindahan panas terjadi antara fluida panas dandingin melalui dinding pemisah. Dalam sistem ini, kedua fluida akan mengalir.
2.5
Penukar Panas Cangkang dan Buluh ( Shell and Tube H eat Exchanger )
Alat penukar panas cangkang dan buluh terdiri atas suatu bundel pipa yang dihubungkan secara parallel dan ditempatkan dalam sebuah pipa mantel (cangkang). Fluida yang satu mengalir di dalam bundel pipa, sedangkan fluida yang lain mengalir di luar pipa pada arah yang sama, berlawanan, atau bersilangan. Kedua ujung pipa tersebut dilas pada penunjang pipa yang menempel pada mantel. Untuk meningkatkan effisiensi pertukaran panas, biasanya pada alat penukar panas cangkang dan buluh dipasang sekat (baffle). Ini bertujuan untuk membuat turbulensi aliran fluida dan menambah waktu tinggal (residence time), namun pemasangan
sekat akan memperbesar pressure drop operasi dan menambah beban kerja pompa, sehingga laju alir fluida yang dipertukarkan panasnya harus diatur.
Gambar 2. Shell and Tube H eat Exchanger
Jenis penukar panas shell and tube yang digunakan adalah 1 shell pass dan 2 tube pass (1-2 Exchanger) seperti gambar dibawah ini.
Gambar 3. Skema Shell and Tube Heat Exchanger
Alat yang digunakan dalam praktikum mempunyai ukuran:
Panjang pipa dan shell
: 1200 mm
Diameter shell
: 375 mm
Diameter pipa luar
: 32 mm
Diameter pipa dalam
: 27,8 mm
Jumlah sekat
: 13
Susunan pipa dalam shell dapat berbentuk in-line (a) dan staggered (b)
Gambar 4. Susunan Pipa dalam Shell
Sedangkan susunan pipa yang ada didalam alat yang digunakan adalah in-line (a) dan ratio antara Sn/D = Sp/D = 1.25. Gambar profil temperatur dari penukar panas ini adalah:
Gambar 5. Profil Temperatur dari Shell and Tube Heat Exchanger
2.6
Doubl e Pipe Heat Exchanger
Penukar panas jenis ini adalah penukar panas yang tersusun dari pipa ganda. Penukar panas jenis ini dapat dioperasikan dengan aliran co-current maupun counter-current , baik fluida panas di anulus maupun dalam pipa yang lebih kecil.
Gambar 6. Double Pipe Heat Exchanger
Mekanisme perpindahan kalor double pipe terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur.
Gambar 7. Mekanisme Double Pipe Heat Exchanger
Gambar 8. Profil Temperatur dari Double Pipe Heat Exchanger
2.7 Menghitung Koefisien Pindah Panas Keseluruhan (U)
a. Menggunakan Neraca Energi
Q = ..△ = .△
△T m =
F T. △T lm
Efisiensi kalor yang dipertukarkan:
= 12 = ((M.M.CCp.p.△△TT))21 100 %
Q2
= Kalor yang diberikan fluida panas (watt)
Q1
= Kalor yang diterima fluida dingin (watt)
A
= Luas Permukaan (m2)
U
= Koefisien Pindah panas Keseluruhan (W/m2.K)
△
Tlm = Perbedaan Suhu logaritmik (K)
△ = △ △△△
Untuk Aliran Counter-current
△ △
T1 = Thi – Tco T2 = Tho – Tci
Untuk Aliran Co-current
△ △
T1 = Tho – Tco T2 = Thi – Tci
Harga F T dapat diperoleh dari kurva dibawah :
Gambar 9. Grafik Hubungan Y terhadap FT
b. Menghitung (U) Menggunakan Persamaan Empiris Untuk pipa sepanjang L:
= 1⁄ ℎ. + △⁄ 1. + 1⁄ ℎ 1 =1 l n ( ⁄ ℎ.2.. + ) .2. + 1⁄ ℎ.2..
hi
= Koefisien pindah panas konveksi inside (W/m2.K)
ho = Koefisien pindah panas konveksi outside (W/m2.K) K
= Koefisien Konduksi (W/m.K)
Harga (ri,ro) dan L
dapat diukur dari alat, harga K bahan SS-204 dapat
diperoleh dari buku referensi dan hi dan ho dihitung dari persamaan empiris.
Persamaan untuk menghitung hi
Untuk aliran laminer Nre < 2100
= ℎ. = 1,86 [.. ] / [ ] , Untuk aliran turbulen Nre> 6000 dan L/D > 60
= ℎ. = 0,027[ ] , []⁄ [ ] ,
Koreksi harga hi apabila L/D < 60 ; 2 < (L/D) < 20
20 < (L/D) < 60
Untuk Aliran transisi
ℎℎ′ = 1+[], ℎℎ′ = 1+6[]
Gambar 10. Grafik Aliran Transisi
Persamaan Untuk Menghitung ho
= .().()/ a. Shell and Tube Harga m dan C dapat diperoleh dari tabel dibawah: Tabel 1. Harga m dan C pada Susunan Pipa di Shell and Tube
Harga D untuk menghitung Nre diperoleh dengan pendekatan :
= √ 4.
Ae Adalah luas efektif yang dilewati fluida diantara pipa dalam anulus, yaitu luas permukaan penempang shell dikurangi jumlah luas penampang semua pipa.
b. Double Pipe Tabel 2. Harga m dan C pada Susunan Pipa di Double Pipe
Nre
m
C
1-4
0,330
0,989
4 – 40
0,385
0,911
40 – 4.103
0,466
0,683
4.103 – 4.104
0,618
0,193
4.10 4 – 2,5. 10 5
0,805
0,0266
Untuk menghitung harga Nre diperlukan harga D efektif, yang bisa dihitung dengan rumus :
= √ 4.
Dengan An adalah luas anulus, yaitu luas penampang yang dialiri fluida diantara dua pipa yang digunakan. Alat penukar panas yang digunakan terdiri dari 2 pasangan ukuran pipa, yaitu: a. Pasangan 1 terdiri dari pipa 2,5 in dan 1,5 1n Sch 40 dan panjang 1,5 m b. Pasangan 2 terdiri dari pipa 2 in dan 1 in Sch 40 dan panjang 1,5 m
III. PERCOBAAN 3.1 Alat dan Bahan a. Shell and Tube 1. Seperangkat alat shell and tube
2. Sumber steam 3. Fluida (air) b. Double Pipe 1. Seperangkat alat DPHE
2. Gelas ukur, Ember plastik 3. Steam 4. Aliran air 3.2 Prosedur Kerja a. Shell and Tube
Atur laju air dingin, lalu atur laju air panas dengan menggunakan steam
Pastikan semua kerangka sudah siap
lakukan percobaan untuk variasi aliran panas tetap dan aliran dingin tetap. lakukan pengamatan setiap 5 menit sekali b. Double Pipe
Mengatur kerangan disesuaikan dengan pola alirannya, yaitu co-current atau counter-current
Mengutamakan laju alir dingin dahulu sebelum pengaturan air panas menggunakan steam
lakukan percobaan untuk variasi aliran panas tetap dan aliran dingin tetap. lakukan pengamatan setiap 5 menit sekali
IV.
PENGOLAHAN DATA A. Shell and Tube
A.1 Laju Alir Fluida Panas Tetap
Laju Fluida Panas = 3 liter/jam
Perhitungan
Laju Fluida Dingin (L/h) 2 3 4 5
Thi 66 66 60 60
Laju Fluida Dingin (L/h)
3 4 5
T1 dan
T2 Untuk Aliran Counter-current
Suhu (0C)
Perhitungan
2
△ △ Tho 34 33 33 32
Tci 22 22 24 24
Tco 30 36 38 38
T1 = Thi – Tco
T2 = Tho – Tci
11 12 14 15
10 9 7 6
△ △ △ △ △ = △ △ △ △△ 1 3 7 9
0.10 0.29 0.69 0.92
10.49 10.43 10.10 9.82
Mencari Harga F T dapat diperoleh dari kurva dibawah :
Laju Fluida Dingin
Tco-Tci
Thi-Tci
12 12 9 9
23 24 23 24
− −
Y=
(L/h) 2 3 4 5
Thi-Tho
0.52 0.50 0.39 0.38
Z=
13 15 16 18
− −
FT
0.87 0.70 0.67 0.63
1.08 1.25 1.78 2.00
Perhitungan △T m
Laju Fluida Dingin (L/menit) 2
FT
0.87 0.70 0.67 0.63
3 4 5
Perhitungan
△ = △ △△△ △ 10.49 10.43 10.10 9.82
= F T . △T lm
9.1263 7.301 6.767 6.1866
Luas Permukaan Panjang pipa dan shell (L)
: 1200 mm
Diameter shell (D)
: 375 mm
Luas Permukaan (A)
= =
(0.375)(1.2) DL
= 1.413 m2
Perhitungan Q m=
.
Q = m.Cp. Laju Fluida Dingin (m3/h) 0.002
11
0.003
T
ρ1 (kg/m3)
ρ2 (kg/m3)
m1 (kg/h)
m2 (kg/h)
Cp 1 (kJ/kg oC)
Cp 2 (kJ/kg 0C)
10
999.68
999.68
2.00
2.00
4.191
4.192
12
9
999.58
999.85
3.00
3.00
4.189
4.194
0.004
14
7
999.33
999.96
4.00
4.00
4.187
4.198
0.005
15
6
999.19
999.99
5.00
5.00
4.186
4.2
T1
T2
Laju Fluida Dingin (L/h)
Laju Fluida Dingin (L/h) 2
Qdingin Qpanas (J) (J)
η (%)
2
83813.2
92172.5
90.9308
3
113221
150741
75.1098
4
117539
234315
50.163
5
125999
313696
40.1659
A (m2)
T m
= .△
U
Qrata-rata (J)
(J/m2 0C)
1.413
9.1263
88.021
6.82573
3
1.413
7.301
132.021
12.7973
4
1.413
6.767
176.008
18.4075
5
1.413
6.1866
219.975
25.164
A.2 Laju Alir Fluida Dingin Tetap
△ △
a. Laju Fluida Dingin Tetap = 3 liter/jam T2 Untuk Aliran Counter-current Perhitungan T1 dan Laju Fluida Panas (L/h) 2 3 4 5
Suhu (0C)
Thi 47 48 49 50
Perhitungan
Laju Fluida Panas (L/h) 2 3 4 5
Tho 38 38 38 36
Tci 24 24 26 26
Tco 36 36 35 35
T1 = Thi – Tco
T2 = Tho – Tci
36 30 22 22
8 16 16 18
△ △ △ △ △ = △ △ △ △△ 28 14 6 4
1.50 0.63 0.32 0.20
18.62 22.27 18.84 19.93
Mencari Harga F T dapat diperoleh dari kurva dibawah :
− −
Laju Fluida Panas (L/h)
Tco-Tci
Thi-Tci
8 14 14 14
44 44 36 32
2 3 4 5
0.18 0.32 0.39 0.44
36 28 20 14
4.50 2.00 1.43 1.00
Perhitungan △T m
Laju Fluida Panas (L/menit) 2
FT
0.66 0.82 0.85 0.88
3 4 5
Z=
− −
ThiTho
Y=
Perhitungan
△ = △ △△△ △ 18.62 22.27 18.84 19.93
12.29 18.26 16.01 17.54
Luas Permukaan Panjang pipa dan shell (L)
: 1200 mm
Diameter shell (D)
: 375 mm
Luas Permukaan (A) = =
(0.375)(1.2) DL
= 1.413 m2
= F T . △T lm
Perhitungan Q
FT
0.66 0.82 0.85 0.88
m=
.
Q = m.Cp. Laju Fluida Panas (m3/h) 0.002
T Cp 1 (kJ/kg 0 C)
Cp 2 (kJ/kg o C)
1.98746 1.99982
4.178
4.213
999.03
2.98713
2.99709
4.178
4.185
997.86
999.03
3.99144
3.99612
4.181
4.185
998.49
998.68
4.99245
4.9934
4.182
4.183
ρ1 ρ2 3 (kg/m ) (kg/m3)
T1 0 ( C)
T2 0 ( C)
36
8
993.73
999.91
0.003
30
16
995.71
0.004
22
16
0.005
19
18
m1 (kg/h)
m2 (kg/h)
Laju Fluida Panas (L/h)
Qdingin (J)
Qpanas (J)
η (%)
2
67401.93
298929.9
22.54774
3
200685.1
374406.9
53.60082
4
267580.2
367140.6
72.88221
5
375973.1
396690.1
94.77753
Qrata-rata (J)
U
(J/m2 0C)
Laju Fluida Panas (L/h) 2
2
A (m )
T m
= .△
1.413
12.29
183166
10550.4
3
1.413
18.26
287546
11143
4
1.413
16.01
317360
14024.5
5
1.413
17.54
386332
15586.9
Grafik 4.1.1 Hubungan Koefisien Pindah Panas Keseluruhan terhadap Laju Alir Fluida Panas Tetap 30 25
) K 2
20
m15 / J ( U
10 5 0 0
1
2
3
4
5
6
Laju Alir (L/h)
Grafik 4.1.2 Hubungan Koefisien Pindah Panas Keseluruhan terhadap Laju Alir Fluida Dingin Tetap 18000 16000 14000 12000 ) K 2 10000 m / J ( 8000 U
6000 4000 2000 0 0
1
2
3
Laju Alir (L/h)
4
5
6
Grafik 4.1.3 Hubungan Efisiensi terhadap Laju Alir Fluida Panas Tetap 100 90 80 70 ) % 60 ( i s n 50 e i s i f 40 E
30 20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
Laju Alir (L/h)
Grafik 4.1.4 Hubungan Efisiensi terhadap Laju Alir Fluida Dingin Tetap 100 90 80 70 ) % 60 ( i s n 50 e i s i f 40 E
30 20 10 0 0
1
2
3
Laju Alir (L/h)
4
5
6
B.
Double Pipe
B.1 Data luas permukaan perpindahan panas L (m) d1 (m) d2 (m) Phi A (m2) Deq (m)
1.4 0.044 0.116 3.14 0.193424 0.072
B.2 Laju Fluida Panas Tetap Laju fluida panas : 0.686 L/s laju aliran dingin
no 1 2 3 4 5 6 7 8
1.006
0.811
Nre Thi
Tho
Tci
Tco
71 74 72 76 62 60 61 58
35 34 32 33 36 36 37 36
24 24 23 23 26 25 26 26
32 32 32 32 34 34 34 34
4700.401 2159.631 4634.576
Beda suhu no 1 2 3 4 5 6 7 8
laju aliran dingin 1.005882
0.811429
Δt1 36 40 40 43 26 24 24 22
Δt1 ratarata
39.75
24
Δt2 8 8 9 9 8 9 8 8
Nre panas
Δt2 ratarata
ΔTlm
8.5
46.64749
8.25
33.96173
Energi, effisiensi, & koefisien perpindahan panas No 1 2 3 4 5 6 7 8
Laju Aliran Dingin
Q1
Q2
Q
η
U
1.005882
114.48
35.91
75.2
0.313679
8.33
0.811429
69.12
34.85382
51.99
0.504251
7.91
B.2 Laju fluida dingin tetap Laju fluida dingin : 0.811 No
laju aliran panas
1 2 3 4 5 6 7 8
0.686
0.606
Thi
Tho
Tci
Tco
62 60 61 58 52 52 53 55
36 36 37 36 39 38 38 37
26 25 26 26 26 26 26 27
34 34 34 34 34 34 35 35
Nre dingin
2309.122 3738.636 2403.104
Beda suhu no 1 2 3 4 5 6 7 8
laju aliran panas
0.68571429
0.60606061
Δt1 26 24 24 22 13 14 15 18
Δt1 ratarata
24
15
Δt2 8 9 8 8 8 8 9 8
Nre panas
Δt2 ratarata
ΔTlm
8.25
33.96173
8.25
25.9978
Energi, effisiensi, & koefisien perpindahan panas No 1 2 3 4 5 6 7 8
Laju Aliran Panas
Q1
Q2
Q
η
U
0.68571429
81.792
23.76
52.776
0.290493
8.03
0.60606061
51.12
23.76
37.36
0.464789
7.44
V.
PEMBAHASAN DAN KESIMPULAN 5.1. Pembahasan A. Shell and Tube Alat penukar panas (heat exchanger ) merupakan alat yang bisa
digunakan untuk memindahkan panas dari sistem ke sistem lain tanpa perpindahan massa. Jenis alat yang dipakai adalah penukar panas jenis Sheel and Tube Heat Exchanger dengan bagian 1 shell dan 2 tube pass (1-2 exchanger). Efisiensi penukar panas dapat ditingkatkan dengan dipasangkan sekat (buffle) yang bertujuan untuk membuat aliran menjadi turbulen, sehingga meningkatkan waktu tinggal aliran (residence time). Pada praktikum ini jenis aliran yang digunakan adalah counter current, dimana aliran yang dialirkan memiliki temperatur awal yang berbeda dan pada kondisi masukan dan keluaran yang berlawan. Fluida panas mengalir di shell dan fluida dingin disepanjang tube. Dalam praktikum yang dikerjakan, dilakukan variasi laju alir panas dengan variasi 2, 3, 4, & 5 L/menit serta laju alir fluida dingin tetap pada 3 L/menit serta variasi laju alir air dingin 2,3,4, & 5 L/menit dengan laju alir fluida panas tetap 3L/menit. Data yang diamati yaitu suhu aliran panas masuk (Thi), suhu panas aliran keluar (Tho), suhu aliran dingin masuk (Tci), dan suhu ali ran dingin keluar (Tco). Semua data tersebut diukur pada setiap vari asi aliran, baik variasi aliran dingin maupaun variasi aliran panas. Berikut merupakan data efisiensi dan U (koefisien perpindahan panas) dari variasi laju alir panas.
Laju Fluida Panas (L/h)
Qdingin (J)
Qpanas (J)
η (%)
2
67401.93
298929.9
22.54774
3
200685.1
374406.9
53.60082
4
267580.2
367140.6
72.88221
5
375973.1
396690.1
94.77753
Laju Fluida Panas (L/h) 2
A (m2)
T m
= .△
U
Qrata-rata (J)
(J/m2 0C)
1.413
12.29
183166
10550.4
3
1.413
18.26
287546
11143
4
1.413
16.01
317360
14024.5
5
1.413
17.54
386332
15586.9
Berdasarkan data diatas dilakukan perhitungan effisiensi menggunakan neraca energi. Menurut teori semakin besar laju alir dingin semakin besar efiensi. Teori tersebut terbukti dengan meningkatnya laju alir panas maka efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan kalor yang diterima fuida semakin besar. Terlihat juga dalam grafik efisiensi terhadap laju alir berikut.
100 80
) % ( i 60 s n e i 40 s i f E
20 0 0
1
2
3
4
5
6
Laju Alir (L/h)
Pada variasi yang sama, kurva antara laju alir air panas dan koefisien perpindahan panas keseluruhan menunjukkan bahwa semakin besar laju alir air panas, semakin besar pula koefisien perpindahan panas. Artinya panas yang diberikan semakin banyak. Dengan laju alir air dingin yang tetap 3 L/menit dapat diketahui semakin besar laju alir air panas semakin besar pula efisiensinya. Artinya panas yang diserap fluida dingin akan semakin banyak dengan bertambahnya laju alir air panas. Hal ini sesuai dengan teori (Geankoplis Fourth Edition, 2003). Terlihat dari grafik U terhadap laju alir berikut.
18000 16000 14000 ) 12000 K 2 10000 m / J ( 8000 U 6000 4000 2000 0 0
1
2
3
4
5
6
Laju alir (L/h)
Dalam percobaan dengan variasi laju alir air dingin serta laju alir air panas tetap didapat data seperti berikut : Laju Fluida Dingin (L/h)
Qdingin (J)
Qpanas (J)
η (%)
2
83813.2
92172.5
90.9308
3
113221
150741
75.1098
4
117539
234315
50.163
5
125999
313696
40.1659
T m
Qrata-rata (J)
(J/m2 0C)
Laju Fluida Dingin (L/h) 2
2
A (m )
= .△
U
1.413
9.1263
88.021
6.82573
3
1.413
7.301
132.021
12.7973
4
1.413
6.767
176.008
18.4075
5
1.413
6.1866
219.975
25.164
Nilai efisiensi pada percobaan variasi laju alir air dingin ini terlihat menurun. Hal tersebut berbanding terbalik dengan nilai efisiensi pada variasi laju alir air panas, artinya panas yang diserap oleh fluida dingin semakin berkurang karena meningkatnya laju alir air dingin sementara laju alir air panas tetap. Berikut merupakan grafik dari nilai efisiensi tersebut.
100 80 ) % ( i 60 s n e i 40 s i f E
20 0 0
1
2
3
4
5
6
Laju Alir (L/h)
Sementara itu, nilai U (koefisien perpindahan panas) yang diperoleh semakin meningkat berbanding lurus dengan laju alir yang divariasikan. Dari data yang diperoleh menunjukkan bahwa semakin tinggi laju alir panas, panas yang diberikan/dilepas fluida panas dan panas yang diterima/diserap fluida dingin semakin tinggi juga, namun panas yang dilepas selalu lebih besar dibandingkan dengan panas yang diserap, atau dengan kata lain ada energi yang hilang, sedangkan menurut teorinya atau idealnya energi yang diberikan dalam perpindahan panas harus sama dengan energi yang diterima. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor yaitu diprediksi adanya kerak atau karat dalam alat shell and tube sehingga menghalangi perpindahan panas. Selain itu juga suhu steam yang diberikan tidak stabil dan sulit untuk dijaga pada kondisi s uhu tetap.
B. Double Pipe Pada praktikum perpindahan panas menggunakan double pipe heat
exchanger . Dimana percobaan dilakukan dengan variasi laju alir fluida dingin dan juga laju alir fluida panas. Pada percobaan ini, fluida dingin berupa air bersuhu ruang, sedangkan aliran fluida panas berupa air panas yang berasal dari air biasa yang dipanaskan dengan steam pada sebuah pemanas. Pada rangkaian alat yang tersedia, sebenarnya terdapat dua buah double pipe yang masing – masing ditujukan untuk melakukan percobaan dengan 2 jenis aliran yang berbeda, yaitu co-current serta counter current . Akan tetapi diakibatkan pada rangkaian double pipe heat exchanger untuk aliran counter current memiliki kekurangan, yaitu tidak terdapatnya saluran untuk mengkalibrasi laju aliran fluida dingin, karena untuk kalibrasi aliran fluida
panas untuk kedua double pipe ini satu sumber yang dicabangkan, maka laju alir fluida panas untuk perangkat dengan aliran counter current masih dapat dikalibrasi, dengan mengatur valve yang dialiri oleh fluida panas. Maka dari itu, percobaan ini hanya menggunakan pola aliran co-current . Pada perangkat double pipe heat exchanger yang digunakan, memiliki dimensi panjang 140 cm, diameter pipa bagian dalam 4.4 cm, dan diameter pipa bagian luar 11.6 cm. Dengan dimensi yang ada, diameter efektif dari pipa bagian luar sebesar 7.2 cm yang akan digunakan untuk menghitung nilai bilangan reynold pada aliran fluida dingin. Sedangkan luas area pertukaran panas sebesar 0.193 m 2. Serta nilai L/D untuk pipa luar sebesar 12.1 sedangkan L/D untuk pipa dalam sebesar 31.82. Pada variasi laju alir fluida dingin, dilakukan dengan laju alir fluida panas sebesar 0.686 L/s dengan suhu rata – rata sebesar 73.25OC. Pada variasi pertama, dengan laju alir fluida dingin sebesar 1.006 L/s, besarnya nilai bilangan reynold sebesar 4700.4 dimana rezim alirannya pada posisi transisi; dengan L/D di pipa luar sebesar 12.1, sedangkan pada referensi untuk aliran transisi, grafik yang tersedia mulai pada L/D=60. Maka, perhitungan untuk mendapatkan nilai perpindahan kalor, effisiensi, serta koefisien perpindahan panasnya hanya menggunakan perhitungan neraca energi. Begitu pula pada variasi kedua dengan laju alir fluida dingin 0.811 L/s. Dengan nilai Nre=4634.58. begitu pula pada aliran fluida panas yang lajunya tetap pun, nilai Nre-nya sebesar 2159.63. Alirannya pun pada rezim transisi. Dengan perhitungan dengan menggunakan neraca energi, pada variasi pertama nilai effisiensinya hanya 31.37% sedangkan untuk nilai koefisien perpindahan panas keseluruhannya sebesar 8.33 W/m2.K. Pada variasi kedua, nilai effisiensi-nya 50.42% dengan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhannya sebes ar 7.91 W/m2.K. Pada variasi laju alir fluida panas, dengan laju alir fluida dingin tetap, laju fluida dingin sebesar 0.811 L/s dengan suhu 26 OC, dengan nilai Nre=3738.64. Pada variasi pertama, dengan laju aliran panas 0.686 L/s pada suhu rata – rata 60.25OC dengan nilai Nre= 2309.12; dengan rezim aliran pada posisi transisi, seperti saat variasi laju alir fluida dingin. Maka nilai effisiensi perpindahan panas sebesar 29.05% dengan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan sebesar 8.03 W/m2.K. pada variasi kedua, dengan laju alir 0.606
L/s dengan suhu rata-rata 53oC, dengan nilai Nre=2403.104; laju aliran bersifat transisi, maka tetap hanya digunakan perhitungan dengan neraca energi, dengan hasil perhitungan effisiensi sebesar 46.48% dengan koefisien pertukaran 7.44 W/m2.K. Dengan hasil yang didapat, bahwa saat laju alir fluida panas tetap, semakin besar laju alir fluida dingin makin besar, maka nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan akan semakin tinggi. Sedangkan nilai effiseinsi akan semakin besar bila laju alir fluida dingin makin kecil. Pada variasi laju alir fluida panas pun hasil yang ditujukan sama, nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan makin besar saat laju alir fluida panas semakin besar, dan effisiensi pun makin besar saat laju alir fluida panas makin kecil.
5.2. Kesimpulan
1. Prinsip kerja dari shell and tube ini adalah air panas mengalir melewati tube sedangkan air dingin melewati shell. Aliran dibuat menjadi aliran turbulen dengan adanya buffle serta jenis alirannya yaitu counter-current 2. Prinsip kerja dari double pipe heat exchanger terjadi secara tidak langsung (indirect contact type), karena terdapat dinding pemisah antara kedua fluida sehingga kedua fluida tidak bercampur. 3. Dengan meningkatnya laju alir panas maka efisiensi pindah panas dari kalor yang dilepas dan
kalor yang diterima fuida semakin besar. Sedangkan
dengan meningkatnya laju alir dingin dan laju alir panas tetap nilai efisiensi menurun. 4. Semakin besar laju alir air panas, semakin besar pula koefisien perpindahan panas. 5. Semakin tinggi laju alir panas, panas yang diberikan/dilepas fluida panas dan panas yang diterima/diserap fluida dingin semakin tinggi juga, namun panas yang dilepas selalu lebih besar dibandingkan dengan panas yang diserap, atau dengan kata lain ada energi yang hilang.
