BAB I

PENDAHULUAN

Dalam kehidupan sehari-hari perpindahan energi mendapat penerapan yang

luas sekali, dalam berbagi bidang dan pada berbagai tingkat kerumitan. Hampir tidak

ada alat, baik dalam pabrik maupun di rumah tangga, yang tidak bersangkutan

dengan perpindahan energi.

Energi dikenal dalam berbagai bentuk, beberapa diantaranya yang dijumpai dalam

bidang teknik kimia ialah :

Energi dalam

Energi kinetic

Energi potensial

Energi mekanis

Panas

Dalam bidang teknik kimia didapati banyak masalah perpindahan panas.

Pengetahuan tentang mekanisme perpindahan panas mutlak diperlukan unuk dapat

memahami peristiwa-peristiwa yang berlangsung dalam : pemanasan, pendinginan,

pendidihan, pengeringan, distilasi, evaporasi, kondensasi dan lainlainnya.

Ada tiga cara perpindahan panas, yang mekanismenya sama sekali berlainan, yaitu :

Konduksi (secara molekuler)

Konveksi (secara aliran)

Radiasi (secara gelombamng elektromagnetik)

Konduksi

Dalam konduksi, panas dapat dikonduksi melalui solids, liquids, dan gases.

Panas dikonduksi oleh perpindahan panas energi gerak molekul-molekul yang

berdekatan. Dalam gas hotter molucelus, yang sama memiliki energi kinetic yang

lebih besar memberi energinya ke molekul terdekat yang berada pada level terendah.

1

Contoh : perpindahan panas melalui dinding heat exchangers atau sebuah

refrigerator dan perlakuan panas pada steel forgings.

Konveksi

Konveksi merupakan suatu fenomena makroskopik, ia hanya berlangsung

bila ada gaya yang bekerja pada partikel atau ada arus fluida yang dapat membuat

gerakan melawan gaya gesekan. Contoh : perpindahan entalpi oleh pusaran-

pusaran(eddy) aliran turbulen dan oleh arus udara panas yang mengalir melintas dan

menjauhi radiator (pemanas) biasa.

Radiasi

Radiasi adalah istilah yang digunakan untuk perpindahan energi melalui

ruang oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui

ruang kosong, ia tidak ditransformasikan menjadi kalor atau bentuk-bentuk lain

enrgi, dan ia tidak akan pula terbelok dari lintasannya. Contoh : permukaan buram,

mengkilap atau cermin memantulkan sebagian radiasi yang jatuh padanya.

Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2

bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih

rendah. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain: double pipe, shell and tube,

plate-frame, spiral, dan lamella.

Double pipe heat exchanger dapat disusun dengan tiga cara, yaitu :

1. Susunan seri

2. Susunan pararel

3. Susunan seri-pararel

2

BAB II

TINAJAUAN PUSTAKA

Perpindahan panas adalah salah satu faktor yang sangat menentukan

operasional suatu pabrik Kimia. Penyelesaian soal-soal perpindahan kalor secara

kuantitatif biasanya didasarkan pada neraca energi dan perkiraan laju perpindahan

kalor. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2

bagian benda. Panas akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih

rendah. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Pada peristiwa konduksi, panas akan berpindah tanpa diiukti aliran medium

perpindahan panas. Panas akaan berpindah secara estafet dari satu partikel ke

partikel yang lainnya dalam medium tersebut. Pada peristiwa konveksi, perpindahan

panas terjadi karena terbawa aliran fluida. Secara termodinamika, konveksi

dinyatakan sebagai aliran entalpi, bukan aliran panas. Pada peristiwa radiasi, energi

berpindah melalui gelombang elektromagnetik. Ada beberapa alat penukar panas

yang umum digunakan pada industri. Alat-alat penukar panas tersebut antara lain:

double pipe, shell and tube, plate-frame, spiral, dan lamella.Penukar panas jenis

plate and frame mulai dikembangkan pada akhir tahun 1950- N. Banyak penelitian

yang telah dilakukan pada penukar panas jenis ini, namun umumnya fluida operasi

yang digunakan adalah air.

Pengoperasian suatu pabrik tidak lepas dari proses perpindahan panas yang

terjadi antara dua fluida yang berbeda temperaturnya. Alat yang digunakan adalah

penukar panas (heat exchanger). Penukar panas adalah peralatan proses yang

digunakan untuk memindahkan panas dari dua fluida yang berbeda dimana

perpindahan panasnya dapat terjadi secara langsusng (kedua fluida mengalami

3

pengontakan) ataupun secara tidak langsung (dibatasi oleh suatu dinidng pemisah/

sekat). Fluida yang mengalami pertukaran panas dapat berupa fasa cair-cair, cair-

gas, dan gas-gas. Dalam melakukan perancangan penukar panas harus

diperhitungkan factor perpindahan panas pada fluida dan kebutuhan daya pompa

mekanis untuk mengatasi gaya gesek dan menggerakkan fluida. Penukar panas

untuk fluida kerja yang memiliki rapat massa besar (fluida cair), energi yang hilang

akibat gesekan reletif lebih kecil daripada energi yang dibutuhkan sehingga

pengaruh yang merugikan ini jarang diperhitungkan. Sedangkan untuk fluida yang

rapat massanya rendah seperti gas, penambahan energy mekanik dapat lebih besar

dari laju panas yang dipertukarkan. Pada sistem pembangkit daya termal, energi

mekanik dapat mencapai 4 sampai 10 kali energi panas yang dibutuhkan.

Ada tiga tipe penukar panas yang sering digunakan, yakni plate and frame/

gaskette plate (umumnya disebut plate exchanger), spiral plate, dan lamella.

Kesamaan dari ketiga konfigurasi ini adalah permukaan pemindahan panas sama-

sama terdiri dari paralel lempeng logam yang dipisahkan permukaan kontak dan

panas yang diterima mengubah aliran fluida pada saluran tipis.

Penukar panas jenis plate adalah penukar panas yang dapat memindahkan

panas lebih baik dari 2 konfigurasi lainnya. Kelebihan lain penukar panas jenis plate

ini adalah:

1. fleksibel dalam penyusunan arah alir fluida

2. memiliki laju perpindahan panas yang tinggi

3. mudah dalam pengecekan/ inspeksi dan perawatan.

Proses pertukaran panas di industri digunakan untuk pemenuhan kebutuhan

unit proses dan untuk konservasi energi. Penukar panas yang baik adalah yang

memiliki laju perpindahan panas seoptimal mungkin. Ketidakoptimalan laju

4

perpindahan panas ditentukan nilai koefisien perpindahan panas keseluruhan (U).

Hasil-hasil penelitian yang telah dipublikasikan menunjukkan bahwa perubahan

fluks massa udara dapat meningkatkan nilai U untuk setiap laju alir massa flue gas

konstan pada alat penukar panas jenis plat. Marriot (1971) membatasi rentang

bilangan Reynolds yang efektif untuk fluida operasi gas-gas adalah 10-400. Pada

bilangan Reynolds yang terlalu tinggi, laju alir fluida juga akan tinggi, yang akan

menyebabkan perpindahan panas tidak efektif.

II.1. Neraca Massa dan Energi pada Sistem Alat Perpindahan Panas

Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara lain:

1. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya

2. laju alir fluida

3. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)

4. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas

tersebut.

Dalam neraca entalpi pendingin dan pemanas didasarkan pada asumsi bahwa

dalam penukar kalor tidak terjadi kerja poros, sedang energi mekanik, energi

potensial, dan nergi kinetik semuanya kecil dibandingkan dengan suku-suku lain

dalam persamaan neraca energi. Maka, untuk satu arus dalam penukar kalor

Q= m (Hb-Ha) .................(1)

Dimana, m = laju aliran massa dalam arus tersebut

Q= tq

= laju perpindahan kalor ke dalam arus

Ha dan Hb = entalpi per satuan massa arus pada waktu masuk dan pada waktu

keluar.

Penggunaan laju perpindahan kalor dapat lebih disederhanakan dengan

asumsi salah satu dari fluida dapat mengambil kalor dan melepaskan kalor ke udara

5

sekitar jika fluida itu lebih dingin dari udara. Perpindahan kalor dari atau ke udara

sekiktar dibuat sekecil mungkin dengan isolasi yang baik sehingga kehilangan kalor

tersebut diabaikan terhadap perpindahan kalor yang melalui dinding tabung yang

memisahkan udara panas dan udara dingin. Dengan asumsi tersebut, perpindahan

kalor pada fluida panas adalah:

mh (Hhb Hha) = qh

sedangakan untuk fluida dingin adalah :

mc (Hcb Hca) = qc

Tanda qc positif sedangkan tanda qh negatif karena fluida panas menerima

kalor sedangkan fluida dingin melepas kalor. Dengan asumsi tidak ada kalor yang

terbuang ke lingkungan, maka

qc = -qh

Maka persamaan neraca entalpi keseluruhan adalah

mh Cph (Thb Tha) = mc Cpb.(Tcb Tca) = qc

Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan

yang dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas bidang tempat

berlangsungnya aliran panas. Laju perpindahan kalor per satuan luas disebut fluks

kalor. Bila fluida dipanaskan atau didinginkan, suhu fluida di dalam pemanas

ataupun pendingin akan berbeda-beda. Jika fluida itu sedang mengalami pemanasan,

suhu minimum terdapat pada dinding pemanas, dan meningkat berangsur sampai ke

pusat. Suhu rata-rata dalah suhu yang dicapai bila keseluruhan fluida yang mengalir

melalui penampang dikeluarkan dan dicampurkan secara adiabatik sehingga

didapatkan satu suhu yang seragam.

6

Fluks panas terjadi dengan driving force perbedaan suhu yaitu Th-Tc (T).

Th adalah suhu rata-rata fluida panas dan Tc adalah suhu rata-rata fluida dingin.

Perbedaan suhu tersebut disebut Overall Local Temperature Difference. Dalam

suatu alat penukar panas T tersebut berubah dari suatu titik ke titik lain sehingga

fluks juga berubah. Fluks lokal adalah dq/dA sebanding dengan nilai T pada tiap

titik menurut persamaan

dadq

= U.T ....(2)

U adalah koefisien perpindahan panas keseluruhan (overall).

Untuk menyelesaikan integrasi tersebut harus diasumsikan beberapa

pengandaian untuk penyederhanaan antara lain :

1. Koefisien U bernilai konstan

2. Kalor spesifik fluida panas dan fluida dingin konstan

3. Pertukaran kalor dengan lingkungan diabaikan

4. Aliran tunak dapat searah maupuin berlawanan arah

Supaya asumsi-asumsi ini dapat berlaku benar maka nilai T harus kecil

karena sebetulnya parameter-parameter tersebut merupakan fungsi suhu.

Perhitungan T ini dihitung secara LMTD.

II.2. Alat pertukaran kalorPada proses-proses industry,perpindahan energy dilaksanakan dengan

berbagai ragam cara, termasuk diantaranya dengan konduksi di dalam pemanas

tahanan listrik, konduksi-konveksi di dalam penukar kalor (heat exchanger) , ketel

didih (boiler) dan condenser (condesor) , radiasi di dalam tungku (furnance) dan

pengering kalor radiasi (radiant heat dryer) dan dengan berbagai metode khusus

seperti pemanasan dielektrik. Sering kali peralatan itu berkerja dalam kondisi

keadaan stedi (steady state) tetapi dalam banyak hal proses pula ada pula operasinya

7

siklus seperti misalnya dalam tungku regenerasi dan dalam benjana proses

pengaduk.

Pada bagian akan membahas akan membahas berbagai jenis peralatan yang

penting-penting, terutama bagi insiyur yang bergerak di bidang proses : penukar

kalor berbentuk tabung (tubular exchanger) dan berbagai berbentuk plat (plate

exchanger) , kondensor, ketel didih dan kalandria (calandria) peranti-peranti

perpindahan kalor mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung. Evaporator

(peralatan penguapan) mekanik dan reactor kimia berbentuk tabung. Evaporator

(peralatan penguapan)

Alat penukar panas pipa dan alat penukar panas shell and tube merupakan

alat penukar panas yang paling luas penggunaanya. Hal ini disebabkan oleh lebarnya

rentang suhu dan tekanan media pemanas yang pada hakekatnya dibatasi oleh

ketahanan bahan dasar alat. Selain itu alat penukar panas ini dapat disesuaikan untuk

keperluan pengoperasian yang khusus (seperti kemungkinan pembersihan yang

mudah dilakukan, pembongkaran) yaitu dengan mengubah konstruksi secara

sederhana.

Biaya pembuatannya relative rendah dibandingkan dengan jenis kontruksi

lainnya. Suatu hal yang tidak disukai pada pertukaran panas pada melalui pip[a

dalam industi kimia adalah seringnya terjadinya kebocoran pada saat digunakan

media yang sangta panas atau yang sangat dingin.kebocoran terjadi pada pipa yang

tidak atau hanya diberi sedikit bahahn isolasi. Tetapi dalam hal itui perpindahan

panas yang terjadi kecil ,karena udara sekeliling tidak banyak bergerak dan udara

merupakan penghantar panas yang bruk. Meskipu demikian alat penukar panas yang

prinsip kerjanya serupa tetap dibuat.

8

II.3. Rancangan umum peralatan pertukaran kalor

Perancangan dan pengujian peralatan praktis untuk pertukaran kalor

didasarkan atas prinsip-prinsip yang diberikan materi kulaih perpindahan panas.

Pertama, harus dibuat dulu neraca bahan dan neraca energy. Dari hasil neraca itu,

dihitung selanjutnya adalah koefisien perpindahan kalor secara menyeluruh, beda

suhu rata-rata, dan dalam peralatan siklus (daur) ,waktu siklusnya. Dalam peranti-

peranti sederhana ,besaran-besaran ini dapat dievaluasi dengan mudah dengan

ketelitian yang cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini mungkin

tidak mudah dan cukup tinggi, tetapi dalam peralatan yang rumit evaluasi ini

mungkin tidak mudah dan mengandung berbagai ketakpastian. Rancangan akhir

hampir selalu merupakan kompromi yang didasarkan atas pertimbangan keteknikan

guna memberikan unjuk kerja menyeluruh yang terbaik dari berbagai segi

persyaratan tugas kerjanya.

Kadang-kadang rancangan itu ditentukan oleh berbagai pertimbangan yang

hampir tidak ada hubungannya sama sekali demgam perpindahan kalor seperti

umpamanya ruang yang tersedia untuk menempatkan peralatan itu atau penurunan

tekanan yang dapat diperbolehkan dalam arus fluida. Penukar kalor jenis tabung

pada umumnya dirancang sesuai dengan berbagai standard dan kode seperti

standards of the turbulen exchanger , manufacturing association (TEMA) standar

asosiasi pembuat penukar kalor jenis tabung dan ASME API ( unfired Pressure

Vessel Code) kode benjana tanpa api dari ASME-API

PENUKAR KALOR

9

Penukar kalor merupakan peralatan yang sangat penting dan banyak

digunakan dalam industry pengolahan sedemikian rupa sehingga rancangannya pun

sudah sangat berkembang. Standar- standar yang telah disusun dan diterima oleh

TEMA sudah ada dan meliputi perincian mengenai bahan kontruksi ,metode

kontruksi, teknik perancangan dan dimensi-dimensi dari penukar kalor. Bagian

berikut ini akan menguraikan beberapa jenis penukar kalor yang penting-penting

saja dan membahas prinsip-prinsip yang berkenan dengan segi keteknikan,

perancanagn dan operasinya.

Penukar kalor lintas tunggal

Penukar kalor pipa-rangkap (double pipe exchanger) yang sederhana ternyata

tidak memadai untuk laju aliran yang lebih besar dari yang dapat ditangani dengan

beberapa buah tabung saja. Jika kita menggunakan banyak penukar kalor pipa

rangkap secara parallel, bobot logam yang digunakan sebgaia pipa luar akan

menjadi sedemikian tinggi sehingga penggunaan konstruksi selongsong dan tabung

(shell-tube) dimana satu selongsong melayani sejumlah tabung sekaligus akan

menjadi lebih ekonomis. Penukar kalor ini , karena hanya melakukan satu lintas

disebelah selongsong dan satu lintas pula di dalam tabung disebut penukar kalor.

Dalam penukar kalor ini koefisien perpindahan kalor sisi selongsong

( sebelah ke selongsong) dan koefiosien sisi tabung sama-sama penting dan

keduanya harus cukup besar agar koefisien menyeluruh yang memuaskan dapat

tercapai. Kecepatan dan kertubelanan zat cair sisi selongsong juga tidak kalah

pentingnya dari kecepatan dan kertubelenan zat cair sisi tabung. Untuk

meningkatakan aliran silang dan menaikkan kecepatan rata-rata fluida sisi

selongsong maka pada selongsong itu dipasang sekat--sekat. Dalam kontruksinya

sekat-sekat terbuat dari lembaran logan berbentuk piring bundar yang satu sisnya

dipotong. Dalam praktek biasanya segmen itu dipotong pada tinggi seperempat

10

diameter selongsong. Sekat-sekat demikian disebut sekat 25 persen (25 persen

baffles) . Sekat itu lalu diberi lubang-lubang untuk melakukan tabung-tabung. Agar

kebocoran dapat dibuat minimum ruang bebas pemasangan antara sekat dan

selongsong dan tabung harus dibaut sekecil mungkin. Sekat itu ditunjang oleh sebuh

atau beberapa buah batangan pemandu C yang dipasangkan diantara kedua plat

tabung (tube sheet) dan dengan sekrup pengencang. Agar sekat-sekat itu terpasang

erat ditempatnya pada batangan itu dipasang pula potongan-potongan tabung

pendek sebagai penjaga jarak anatara sekat-sekat. Dalam merakit penukar kalor itu

plat tabung harus dipasang terlebih dahulu lalu berturut-turut batangan penunjang,

penjarak (tabung penjaga jarak) dan sekat dan barulah tabung-tabungnya.

Peti gasket (stuffing Box) gunanya adalah untuk menampung kemungkinan

ekspansi tabung itu. Tetapi kontruksi ini hanya praktis untuk selongsong kecil. Alat

penukar panas pipa ganda terdiri atas dua pipa konsentris yang ujungnya-ujungnya

dilas menjadi satu atau dihubungkan dengan kontak-kontak penyekat (stuffing box).

Tidak seperti pada kontruksi pipa lurus yang pada panjangnya-panjangnya tertentu

harus dipasangi elemen kompensasi pemuaian , pada kontruksi yang berbentuk

kumparanhal itu sudah ada dengan sedirinya.

Alat penukar panas pipa ganda seringkali digunakan sebagai saluran

penghubung antar alat yaitu bila cairan panas tidak boleh terdinginkan pada waktu

transportasi. Alat pertuakaran panas jenis ini digunakan sebagai alat pemanas atau

pendingin yang sesunguhnya bila diinginkan laju alir yang kecil dan trekanan yang

tinggi.

II.4 Counterlow double pipe heat exchangers

Definisi

Peralatan transfer panas dapat didefinisikan tergantung pada keseluruhan fungsinya

dalam suatu proses.

11

Peralatan transfer panas :

a) Exchangers

Mengubah panas antara 2 aliran proses. Menggunakan steam dan cooling

water. Steam dan cooling water adalah utilitas yang tidak dapat disamakan

fungsinya dalam aliran produk yang dapat direcoery.

b) Heaters

Paling utama digunakan untuk proses memanaskan fluida dan steam, selalu

digunakan sebagai bahan pemanas dalam proses ini, meskipun bahan bakar

minyak dapat digunakan untuk tujuan yang sama.

c) Coolers

Digunakan untuk proses pendinginan fluida. Media pendingin yang sering

digunakan adalah air

d) Condenser

Adalah coolers yang tujuan utamanya adalah memindahkan panas latent

disamping panas sensible.

e) Reboiler

Tujuan dari reboiler adalah untuk mensupply panas dalam proses distilasi

sebagai panas latent.

f) Evaporator

Digunakan untuk konsentarsi larutan dengan eaporasi air.

g) Vaporizer

Jika fluida yang lain divaporasi disamping air, maka kita menggunakan

vaporizer.

Gambar Double Pipe Exchanger

12

Bagian-bagian paling penting dari 2 sets pipa konsentris, 2 tees yang

dihubungkan, sebuah return head, sebuah bend. Inner pipa dihubungkan dengan

outer pipa dengan packing glands dan fluida masuk ke inner pipa melalui threaded

connection yang letaknya diluar bagian section exchanger.

Tees (fitting) memiliki nozzles atau penghubung baut yang mengatur masuk

dan keluar dari annulus fluid dimana aliran berlawanan dari sisi satu ke sisi yang

lain melalui return head. Inner pipa yang panjang diubungkan dengan return bend

yang selalu di expose dan tidak menyediakan permukaan perpindahan panas yang

efektif.

Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan

berbagai fitting piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam permukaan

transfer panas yang mahal. Ukuran standard dari Tees dan return head dapat dilihat

dari tabel dibawah ini.

Outer Pipe, IPS Inner pipa, IPS2 1,75

2,5 1,753 24 3

Double pipe exchanger selalu dipasang dalam 12ft, 15ft atau 20ft panjang

efektif. Panjang efektif menjadi jarak setiap lengan dimana heat transfer terjadi dan

memasuki inner pipa yang menjulang dari inner pipe ke bagian exchanger.

13

Kerugian yang sangat prinsip terjadi didalam penggunaan double pipe

exchangers terdapat sejumlah kecil transfer panas pada permukaan yang dilapisi

single hairpin. Ketika peralatan destilasi digunakan pada proses industri banyak tipe

yang dibutuhkan.

Jumlah panas yang dibutuhkan permukaan dan seiap double pipe exchangers

mengatakan bahwa tidak lebih dari 14 ponts kekeurangna yang tidak boleh terjadi.

II.5 Koefisien Film Untuk Fluida Dalam Pipa Dan Tube

Persamaan (3.42) ditemukan untuk beberapa panas minyak didalam pipa

berdasarkan data Morris dan Whitman. Sieder dan Tate membuat sebuhan hubungan

antara koefisien pemanasan dan pendinginan, pada prinsipnya fraksi minyak

didalam orizontal dan ertikal tubes dan termasuk ke dalam persamaaan aliran

dimana DG/ < 2100

14.03114.0

31

486.186.1

=

=

ww

i

kLwc

LD

kcDG

kDh

pi

.. (3)

Dimana :

L : panjang total perpindahan panas sebelum pencampuran terjadi

Persamaan (1) meberikan definisi maksimum dengan rata-rata 12% dari Re = 100 ke Re = 2100 kecuali untuk air. Sekitar range transisi data mungkin terjadi

aliran turbulen

14.0318.0

027.0

=

w

i

kcDG

kDh

14

(1) didapat De = ( )( ) ( )1212

21

22

44

DDDDDD

=

+

pi

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

(2)Hitung frictional Reynolds number, Rea = DeGa/.

(3) Fa = 4fG2L/2g2De, ft.

(4) pintu masuk dan keluar, one velocity head per hairpin:

Fl = hairpinftgV /

'2

2

(Fa + Fl)/144 = Pa, psi.

(5) mass velocity, Ga = w/aa, lb/(hr)ft2)

(6) Didapat pada Tc atau tc, lb/(hr)ft) = centipoises x 2,42. Dari Dc ft, Ga lb/

(hr)ft2), lb/(hr)(ft) didapat Reynolds number,

(7) Dari gambar dimana jH = (hoDe/k)(c /k)-1/3(/ w)-0,14 vs DeGa/ , didapat jH(8) Dari c, , dan k, semua didapat pada Tc atau tc untuk menghitung (c /k)1/3

(9) Untuk mendapatkan ho, kalikan jH dengan (k/De) (c /k)1/3( = 10) atau

( )( )( )FfthrhoBtuxk

cDek

kc

khoDe o

w

23

114,031

/0,1 =

Overall coefficient:

(10) Hitung Uc = hioho/( hi+ho), Btu/(hr)(ft2)(oF).

(11) hitung UD dari 1/UD = 1/Uc + Rd

(12) hitung A dari Q = UD A t yang bisa diartikan panjang.

Perhitungan P. Harus diketahui total panjang dari alur untuk keperluan

perhitungan heat-transfer

15

GaDe

a.Re =

Bagian dalam pipa:

(1) untuk Rep pada nomor (6) diatas didapat f dari persamaan (3.46) atau (3.47b)

(2) Fp = 4FG2L/2g2D,ft ......................(5)

Fp/144 = Pp, psi.

Double Pipe Exchanger dalam rangkaian Seri-Parallel

II.6 Faktor Fouling

Overall koefisien perpidahan panas dapat dihitung dari persamaan Fourier

dengan diketahuinya luas permukaan A, Q, dan t yang ada pada komdisi

16

prosesnya. Maka U = tA

Q. . Jika luas permukaan A tidak diketahui, maka U dapat

diperoleh tanpa menggunakan persamaan Fourier dari dua koefisien film.

Pengabaian tahanan pipe-wall :

U1

= Rio + Ro = ioh1

+ oh

1 (6)

U = oio

oio

hhhh

+

. ..(7)

Ketika perpindahan panas berjalan terhadap fungsi waktu, pengotor dan scale

deposit pada bagian dalam pipa, penambahan resistance dua atau lebih tahanan

dimasukkan dalam perhitungan U pada persamaan (6).

Penambahan resistance akan mengurangi harga orginal U, dan dikehendaki

besarnya panas tidak lebih besar dari yang ditansfer oleh luas permukaan A. T2 mengalami kenaikan dan t2akan turun pada temperature outlet, meskipun hi dan

hokonstan. Untuk mengatasi hal ini, biasanya peralatan didesain untuk

mengantisipasi deposisi dari pengotor dan scale oleh penempatan resistansi Rdyang

disebut pengotor (dirt), scale, atau factor fouling, atau resistance.

Rdi menjadi factor pengotor untuk annulus pada diameter inside dan Rdo menjadi factor annulus pada diameter outside dari bagian dalam pipa.

Harga U diperoleh dari persamaan (7) hanya ioh1

dan oh

1 dapat

dipertimbangkan dengan "clean overall coefficient" yang ditunjukkan oleh UC yang

memperlihatkan bahwa factor pengotor belum dihitung. Koefisien yang meliputi

tahanan factor pengotor disebut desain atau dirty overall coefficient UD. harga A

yang megkorespondensi untuk UD lebih sering digunakan dari pada UC.

17

Hubungan antara UC dan UD adalah sebagai berikut :

DU1

= CU

1 + Rdi + Rdo

Atau dapat disetting :

Rdi + Rdo = Rd (8)

DU1

= CU

1 + Rd (9)

Dengan demikian, untuk double pipe Heat Exchanger, nilai hi dan ho dapat

diperkirakan sekitar 300 dan 100, maka :

CU1

= ioh1

+ oh

1 = 0,0033 + 0,01 = 0,0133

Atau UC = 0133,01

= 7,50 Btu/(hr)(ft2)(oF)

Rdi = 0,001 (hr)(ft2)(oF)/Btu

Rdo = 0,0015

Rd = Rdi + Rdo = 0,0025

Sehingga :

DU1

= CU

1 + Rd = 0,75

1 + 0,0025 = 0,0158 (hr)(ft2)(oF)/Btu

Atau

DU1

= 158,01

= 63,3 Btu/(hr)(ft2)(oF)

Persamaan Fourier untuk luas permukaan A pada pengotor (dirt) adalah :

Q = UD . A . t ..................(10)

II.7 Tekanan Jatuh Pada Suatu Pipa Dan Pipa Beranulus

18

Tekanan jatuh pada pipa di dalam exchanger memudahkan kita untuk

mengendalikan suatu fluida melalui exchanger. Pompa dapat kita gunakan di dalam

proses fluida untuk mencukupkan kapasitas yang diinginkan karena adanya

kapasitas yang hilang diakibatkan oleh gaya gesekan yang terjadi disebabkan oleh

pemipaan, sambungan pipa, control regulator dan tekanan jatuh di dalam exchanger

itu sendiri

Tekanan jatuh pada suatu pipa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

Fanning. Untuk tekanan jatuh pada fluida yang mengalir pada suatu annulus, dengan

menggantikan nilai D pada bilangan Reynolds dengan Dc untuk mendapatkan nilai f.

Persamaan Fanning yang baru adalah :

cDgLfGF '2

2

24

=

II.8. Perhitungan Pada Double Pipe Heat Exchanger

Persamaaan persamaan yang telah ada sebelumnya dapat kita

kombinasikan menjadi perhitungan double pipe heat exchanger. Perhitungan

sederhana dari jenis exchanger ini adalah menghitung ho dan hio untuk mendapatkan

Uc. Nilai Uc dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Fourier tAU p =Q

Biasanya permasalahan pertama adalah menentukan dimana fluida harus

diletakkan didalam annulus atau di dalam pipa dalam. Hal ini akan memepercepat

dengan menentukan ukuran yang sesuai dan laju daerah untuk kedua aliran. Untuk

tekanan jatuh yang bernilai sama pada aliran yang panas dan yang dingin untuk

menentukannya haruslah bernilai yang paling dekat dengan kecepatan massa dan

tekanan jatuh. Berikut ini adalah table untuk perkiraan standard dari diameter double

pipe dan daerah laju yang dapat dilewatinya.

Exchanger, IPSFlow area, in2 Annulus, in

Annulus Inner Pipe dc dc

19

2 x 11/4 1.19 1.50 0.915 0.402 x 11/4 2.63 1.50 2.02 0.813 x 2 2.93 3.35 1.57 0.694 x 3 3.14 7.38 1.14 0.53

Bagaimanapun perhitungan pressure drop sebesar 15 atau 20 psi dan

malebihi kapasitas head. Bagaimana kemudian beban panas dapat ditransfer dengan

tekanan yang tersedia di head ? Satu kemungkinan yaitu menggunakan by-pass jadi

hanya atau 2/3 dari fluida saja yang mengalir melalui exchanger dan reminder

melalui by-pass. Ini bukanlah solusi yang ideal, sejak aliran menurun menyebabkan

beberapa kerugian dalam desain. (1) Aliran menurun mengalir melalui exchanger

menurunkan mass velocity Ga dan koefisien ho . Sejak kedua koefisien tersebut

hampir sama, 323 Vs 276, penurunan ukuran manapun dalam Ga menurunkan Uc dengan hampir Ga0,8 . (2) Jika sedikit liquid berputar melalui annulus, maka harus

didinginkan terlebih dahulu, melebihi range yang lebih panjang daripada 160

menjadi 100o F sehingga, pada pencampuran dengan liquid by-pass, hasil proses

memiliki temperatur 100o F. sebagai contoh, bagian yang berputar malalui annulus

mungkin harus didinginkan melebihi range dari 160 sampai 85o F tergantung pada

persen by-pass. Temperatur outlet 85o F mendekati bagian dalam pipa masuk, 80o F

sebenarnya, dan perbedaan suhu yang baru pada t1, yaitu 5o F menurunkan LMTD.

Dua efek, penurunan Uc dan LMTD, meningkatkan angka hairpins secara signifikan

meskipun beban panas konstan. Membalikkan lokasi dengan menempatkan benzen

dalam annulus tidak memberikan solusi untuk kasus ini, sejak aliran benzen lebih

besar dari aliran toluen. Kemungkinan dari membalikkan lokasi aliran harus selalu

diuji terlebih dahulu.

20

Satu solusi masih mungkin, bagaimanapun, meskipun semua solusi di atas

gagal. Andaikan bahwa alirannya terlalu besar untuk diakumulasi dalam beberapa

exchanger dalam series dibagi dalam setengah bagian dan tiap bagian melewati tepi

satu exschanger melalui bagian dalam pipa. Membagi aliran menjadi dua bagian

sementara menjaga area aliran konstan menghasilkan sekitar 1-8 dari seri pressure

drop, sejak G dan L menjadi dua dan produk G2L menjadi 1-8. Sementara koefisien

film akan menurun juga, perbedaan temperatur yang tidak diinginkan dari by-

passing dapat dihindari, dimana disana terdapat subtansi yang tidak seimbang antara

aliran berat dari dua aliran karena satu beroperasi melebihi range panjang dan yang

satunya melebihi range yang sangat pendek. Aliran besar setiap aliran pararel dapat

juga mengalir melalui beberapa exchanger dalam seri di dalam setiap bank pararel.

Bentuk pararel stream seharusnya tidak di rancukan dengan parael flow. Bentuk

tersebut tertuju pada pembagian aliran dari satu fluida, sementara yang lainnya

tertuju pada arah aliran antara 2 fluida.

Perbedaan Temperatur Sesungguhnya Untuk Susunan Sri-Pararel

LMTD telah menghitung dari T1, T2, t1, dan t2 untuk susunan seri tidak akan

sama untuk susunan seri-pararel. Setengah pipa fluida memasuki bagian atas

exchanger II, dimana fluida annulus panas, dan setengah lainnya masuk melalui

bagian bawah heat exchanger I dimana fluida annulus telah didinginkan sebagian.

Sementara exchanger di dalam seri tidak mentransfer sejumlah panas yang sama,

hubungan seri-pararel meskipun merugikan, bagian bawah exchanger menghitung

hanya sedikit panas yang di transfer. Jika perbedaan suhu sebenarnya disebut t, tida

akan sama dengan LMTD untuk kondisi proses meskipun kedua exchanger

beroperasi secara counterflow.

21

Dengan menganggap kedua exchanger di desain secara I dan II. Suhu

intermediet I, dan produk dan aliran pararel didesain secara t2; dan t1. Dan

temperatur campuran yaitu t2

Untuk exchanger I, memilkiki setengah dari permukaan

Q1 = WC (T T2) = 2UA

x LMTD1

Dan

LMTD1 = )12/()2'ln()12()'(

tTtTtTtT

Sehingga menjadi :

WCUA

2 = )12()2'(

)2(tTtT

TT

ln 122'tT

tT

Susun ulang

WCUA

2 = )12'()2(

)2(ttTT

TT

ln )12()2'(

tTtT

= )2/()12'(11

TTtt ln 122'tT

tT

RI = ( )( )12

2

ttTT

I

= WCwc

2

22

WCUA

2 =

1II

RR ln

12

2

tTtT I

(11)

Begitu juga untuk exchanger II

QII = WC(T1 T) = 2UA

x LMTDII (12)

LMTDII = ( ) ( )

( ) ( )121121

/ln tTtTtTtT

II

II

(13)

Karena

RII = WCwc

ttTT

II 2121

=

Maka,

1

21ln12 tT

tTR

RWCUA II

II

II

= (14)

Karena c dan C diasumsikan konstan,

RI = RII = R = WCwc

2(15)

Karena

SI = 1

12

tTtt I

MI = 1

2

tTTT

MakaMI = R SI

Begitu juga. maka :

23

SII = 11

12

tTtt II

MII = 11

1

tTTT

R dan S adalah perbandingan dimana terjadi pengulangan secara berulang-ulang dalam hasil dari perbedaan temperature t dari LMTD. S adalah

perbandingan dari fluida dingin sampai meliputi temperature maksimum,

belakangan perbedaan temperature terjadi pada kedua temperature inlet, T1 dan t1Tetapi

MII = IISR

1 - SI = 1

12

1

1

1

2

tTtt

tTtT

tTtT II

=

III

SRS

tTtT

=

11

12

2

Dan dari persamaan (11)

I

I

SRS

RR

WCUA

=

11ln

12 (16)

Dan dari persamaan (14)

II

II

SRS

RR

WCUA

=

11ln

12 (17)

Dengan membandingkan persamaan (16) dan (17)

II

II

I

I

SRS

SRS

=

11

11

Oleh karena ituSI = SII

MI = MII

24

Penggabungan persamaan (16) dan (17),

12

2ln1

211ln

12

tTtT

RR

SRS

RR

WCUA I

I

I

=

= (17.a)

Dimana T adalah variable yang tidak diketahui, dank arena MI = MII,

1

2

11

1

tTTT

tTTT

=

T2 2t1T + t1(T1 + T2) T1T2 = 0 (18)

Persamaan (18) dikuadratkan, sehingga menghasilkan

T = ( )[ ]2

4442 212112

1 TTTTttt I +

= t1 ( )( )1211 tTtT (19)Tanda minus digunakan ketika heaing medium berada dalam pipa, dan tanda

plus digunakan ketika cooling medium berada dalam pipa.

Substitusi untuk T pada persamaan (18),

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )

+

=

1211

1211111ln1

2tTtTR

tTtTtTRR

RWCUA

=

+

RtTtT

RR

RR 11ln

12 2

1

12

11 (20)

t adalah nilai tunggal untuk susunan jumlah seri-paralel; jadi

Q = UA t = WC(T1 T2) (21)

t = ( )21 TTUAWC

UAQ

= (22)

25

Hal ini sesuai dengan asal mula pemakaian dari definisi untuk perbedaan

temperature yang sebenarnya dalam batas temperature maksimum T1 t1 :

( )11 tTt = (23)

Bandingkan persamaan (22) dan (23),

( ) ( )1121 tTTTUAWC

=

( )( )11

21

tTUATTWC

=

Karena M = (T1 T2) / (T1 t1), definisikan P = (T2 t1) / (T1 t1) dan UA/WC = M/ , sehingga

P + M = 1 atau M = 1 - PBandingkan dalam persamaan (21)

+

=

RPRR

RR

WCUA 111ln

12 2

1

(24)

Atau

+

=

RPRR

RRP 111ln

121

21

(25)

Jika dikembangkan dalam cara yang umum hal itu dapat ditunjukkan, unuk one

series hot stream dan n parallel cold stream, persamaan (25) menjadi

+

=

RPRR

RRnP n 111log

13.21

1

(26.a)

26

Dimana

( )1221

ttnTTR

=

Untuk one series cold stream dan n parallel hot stream,

( )

+

=

R

PR

RnP n

111log

13.21

(26.b)

Dimana

11

21

tTtTP

= dan ( )

12

21

ttTTnR

=

27

BAB III

KESIMPULAN

1. Perpindahan panas akan terjadi apabila ada perbedaan temperatur antara 2

bagian benda.

2. Panas dapat berpindah dengan 3 cara, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

3. Karakteristik alat perpindahan panas ditentukan oleh beberapa faktor, antara

lain:

a. jenis fluida yang akan dipertukarkan panasnya

b. laju alir fluida

c. tipe aliran yang dipakai (co-current atau counter-current)

d. letak fluida panas dan dingin, di dalam atau di luar alat penukar panas

tersebut.

4. Perhitungan perpindahan klalor didasarkan atas luas penukaran pemanasan

yang dinyatakan dalam laju panas per luas permukaan atas dasar luas

bidang tempat berlangsungnya aliran panas.

5. Double pipe exchanger sangat berguna karena dapat dipasang dengan

berbagai fitting piapa dari bagian standard dan menyediakan dalam

permukaan transfer panas yang mahal.

28

DAFTAR PUSTAKA

www. google. id. com. Double Pipe Exchanger.

Kern. 1991. Heat Transfer Process.

Bird. 1985. Transport Phenomena.

Welty, James R.. 2000. Fundamental of Momentum, heat, and Mass Transfer

fourt Edition. Jhon wiley and Sons Inc : Toronto.

29

30