1BAGIANIDASAR DASAR PERPINDAHAN PANAS 2I. PENDAHULUANDalamkehidupansehari-hariperpindahanenergimendapatpenerapan yangsangatluassekalidalamberbagaibidangdanpadaberbagaitingkat kemurnian. Hampir tidak ada alat, baik dalam pabrik maupun di rumah tangga, yangtidakbersangkutandenganperpindahanenergi.Energidikenaldalam berbagaibentuk,beberapadiantaranyayangdijumpaidalambidangteknik kimia, adalah :1. Energi Dalam2. Energi Kinetis3. Energi Potensial4. Energi Mekanis5. Energi Panas Biladuabendayangsuhunyaberbedasalingdikontakan,makaakan terjadiperpindahanpanasdaribendayangsuhunyatinggikebendayang bersuhurendah.Pengaliran/perpindahanpanastersebutdapatberlangsung dengancara:konduksi, konveksidanradiasi,danketigacaaperpindahan panas tersebut dapat terjadi didalam alat penukar panas.Dalamteknikkimiabanyakdi jumpaimasalahyangberkaitandengan perpindahanpanas.Pengetahuanmengenaimekanismeperpindahanpanas mutlakdiperlukanuntukmemahamiperistiwa-peristiwayangberlangsung dalam; pemanasan, pendinginan, pendidihan, pengeringan, distilasi, evaporasi, kondensasi dan lain-lain.Adatigacaraperpindahanpanas,yangmekanismenyasamasekali berlainan, ialah :1. Secara Molekular, atau disebut Kondukasi2. Secara Aliran, atau disebit Konveksi3. Secara Gelombang Elektromagnetik, atau disebut Radiasi 3dtdq k dAdx| |= |\ .II. PERPINDAHAN PANAS KONDUKSIJika dalam suatu bahan kontinu terdapat gradient (landaian) suhu, maka kalorakanmengalirtanpadisertaiolehgerakanzat.Alirankalorsepertiini disebutKONDUKSI atauhantaran.Padalogam-logampadatkonduksitermal itu adalah akibat dari gerakan electron yang tak terikat, dan konduktifitas termal ini mempunyai hubungan yang erat sekali dengan konduktifitas listrik.Kondusksiadalahperpindahanpanasmelaluimaterialyangtetap, misalnya seperti dinding (lihat gambar 2.1). arah perpindahan panas tegak lurus padadindingapabilapermukaannyaisotersal,sedangkanbendatersebut homogen dan isotropik. Untukmengetahuibesarnyakonduksiyangmengalirmelaluisuatubahan digunakan hukum FOURIER yang menyatakan :Besarnyaperpindahanpanassecarakonduksiadalahberbandinglangsung denganluasyangdilalui,bedasuhudansifatbahan(konduktivitaspanas)serta berbanding terbalik dengan tebal bahan yang dilaluinya.Besarnya aliran panas adalah :dtdq kAdx| |= |\ .(2.1)Tandanegatifpada(-dt/dx)menunjukanbahwasuhu padamukapanasadalahlebihtinggidaripadasuhu pada muka dinding.Konstanta proporsional k diperoleh dengan percobaan berdasarkan persamaan (2.1); dan harganya besar untuk material perambat panas, tetapi kecil harganya untuk isolator panas.Persamaan(2.1)berlakuuntukluaspermukaanyangkonstan,dankarenanya bersifat khusus. Secara umum persamaan (2.1) dapat ditulis sebagai berikut :(2.2)Persamaan(2.1)dan(2.2)adalahbentukpersamaansteadystateuntuk perpindahanpanasdandapatdipergunakanuntukmemecahkanmasalah-masalah teknik yang lazim ditemukan dalam praktek.4Catatan :Pada umumnya harga k berubah terhadap perubahan suhu :k = ko+ A + Bt + Ct2.(2.3)dimana, A, B, C adalah konstanta dan t adalah suhu pada k ditentukan.Contoh : Berapa panas yang mengalir/panas yang hilang melalui dinding dapur yang tebalnya 9in,apabilasuhupermukaandalam330oFdansuhupermukaanluar130oF.besarnya konduktivitas panas dari dinding dapur 0,4 Btu/jam.ft2.oF serta panjang dan lebar dinding dapur adalah 10 ft dan 6 ft.Jawab :( )( )( )( )2 20, 4/ . . 60300 130. .9/12 6.400/ooBtu fth F ft Fk Atqx in ftBtu hA= =A=Jadi panas yang hilang adalah 6.400 Btu/hALIRAN PANAS LEWAT DINDING DATARUntuk kasus ini adalah konstan, dan integrasi persamaan (2.1) atau persamaan (2.2) akan menghasilkan,kA tq tI RA= A =(2.4)UntukdindingKOMPOSIT, yangterjadikalaubeberapadindingdipasang secara seri (lihat gambar 2.2), berlaku hubungan :a b ca b ct t t tqR R R RA A A A= = = =(2.5)atatau1 2 3 1 2 oa b ct t t t t t tqR R R R = = = =(2.6)dimana, R = Ra+ Rb+ Rc;; a b ca b ca b cl l lR R Rk A k A k A= = =(2.7)5Dengan substitusi dan pengaturan kembali diperoleh :( ) ( ) ( )3/ / /oa a b b b bt t tQR l k A l k A l k A= =+ +(2.8)dimana, Q adalah laju perpindahan panas, (Btu/jam); l adalah tebal dinding, (ft); Radalahtahanandinding,(j.oF/Btu);dana,b,cadalahdindingdipasang sebagai komposit.ALIRAN PANAS MELALUI DINDING PIPADalamaliranpanasmelaluidindingdatar,luasyang dilaluinyaadalahkonstan untukseluruhjarakyangditempuhnya.Halyangdemikiantidakterjadidalam aliranpanasmelaluidindingpipa(lihatgambar2.3),luasuntukaliranpanas berubah-ubah dari dinding dalam sampai dinding luar pipa.Denganmemperhatikangambarini,maka luas perpindahan panas pada jari-jari r adalah 2 r L, dan seandainya panas mengalir dari dalam keluar, maka gradien suhu adalah (-dt/dr). Dengan demikian persamaan (2.2) berubah menjadi : 2dtq rLkdrt| |= |\ .(2.9)2 q drdtLk r t=Dengan integrasi diperoleh :ln2 qt r CLk t= +Apabilapadar=r1,t=t1danpadar=ro,t=todanro/r1=do/di,maka persamaan n diatas menghasilkan :

( )( )( )( )2 2ln / ln /i o i oo i o iLk t t Lk t tqr r D Dt t = =(2.10)UntukpipaKOMPOSITberlakuhubungan-hubunganberikut(panjangkomposit = L) : 621 21ln2D qt tLk a D t =(2.11)31 22ln2D qt tLk b D t =(2.12)3 21 31 21 1ln ln2aD D qt tLk D kt D t| || | | | = + | || |\ . \ .\ . (2.13)atau( )1 33 21 221 1ln lna bL t tqD Dk D k Dt =| | | |+ ||\ . \ .(2.14)ALIRAN PANAS PADA BOLA BERONGGA222444kAdtq A rdrk r dtqdrq drdtk rttt= == = ( )( )2 21 1121 21 214141 14or tr trroq drdtk rqt tk rqt tk r rttt= ( = ( | | = |\ .} }( )( )1 2141/ 1/ok t t Btuqr r ht =(2.15)7PERPINDAHAN PANAS KONDUKSI PADA DINDING BERLAPISPadaalat-alatindustryyangdiutamakanadalahkeselamatandan penghematanpanas.Sebagaicontoh:untukdindingdapuryangdibuatdari batatahanapi(brick) selaludilapisibahanisolatoryangfungsinyauntuk menahan panas agar panas jangan banyak yang hilang ke sekeliling.Disamping itu dengan adanya isolator tadi, maka permukaan dinding luar dapursuhunyamenjadilebihrendah,sehinggatidakmembahayakanpara pekerjayangbekerjadiluardindingdapur.Perpindahanpanasyangterjadi pada diding yang berlapis dapat dijelaskan sebagai berikut :1. Untuk Aliran Mantap Dengan Luas KonstanLapisan I : tebal = x1bahan = k1Lapisan II : tebal = x2bahan= k2Lapisan III : tebal = x3bahan = k3q1= q2= q3= q( )( )( )1 1 211 1 21 12 2 322 2 32 23 3 433 3 43 311 41: : : k A t tqxLapisan Iq t tx Akk A t tqxLapisan IIq t tx Akk A t tqxLapisan IIIq t tx Akx x qt tAk= == == = + = +3 22 3xk k| |+ |\ .( )1 41 1 2 2 3 3// / /A t tq Btu hx k x k x k=+ +(2.16)82. Untuk Aliran Mantap Dengan Luas Berubah Pada silinder berlapis, misalnya pipa-pipa saluran uap atau bahan kimia Pada bola berongga, misalnya tangki-tangki penyimpan : Ammonial LPGSuatubolaberonggadilapisiisolatordengan konduktifitas panas = k2Persamaanuntukbolaberonggagunakan pers.(2.15) yaitu :( )( ) ( )( )1 21 21 21 2 2 1441/ 1/k t tr rq k t tr r r rtt= = ( )( )( )( )( )( )( ) ( )2 11 21 1 2 1 22 1 1 1 23 22 32 2 3 2 33 2 2 2 32 1 3 21 31 1 2 2 2 3 44

44

4Lapisan Iq r rr rq k t t t tr r k r rLapisan IIq r rr rq k t t t tr r k r rr r r rqt tk r r k r rttttt= == = +| | = + |\ .( ) ( )2 1 3 21 32 1 1 2 3

4r r r rqt tr k r k r t| | = + |\ .( )( ) ( )2 1 32 1 3 21 1 2 34/r t tq Btu hr r r rk r k rt = +(2.17)Contoh: GasO2disimpandalamsuatutangkisilinder berdiameter5ft danpanjannya6,5ftyang disiolasi dengan bahan A dan bahan B, masing-masing setebal 1 ft dan 0,5 ft. Harga kA= 0,022dankB=0,4Btu/ft2jamoF.Sedangkantemperaturbagiandalam-290oFdanbagianluar 50oF.hitunglah :a. Besar perpindahan panas dari luar ke tangki O2cair.b. Jika isolaso B diganti dengan A pada keadaan suhu dan fluks panas yang tetap,berapa tebal isolasi A secara keseluruhan.9c. Jika suhu bagian luar 60 F dan tebal bahan A tetap, berapa tebal lapisan bahan B untuk mempertahankan suhu bagian dalam (-290 F ).Jawab :O2dalam tangki bolar1= 2,5 ftr2= 3,5 ftr3= 4,0 ftt1= -290oFt2= 50oFkA= 0,022 Btu/ft2.h.oFkB= 0,400 Btu/ft2.h.oF( )( )( )( )( )( )22 21 1122 1 21 21 21 2 1 21 21 22 141 4 441 1 4 1/ 1/4rr tr trdt dtq kA k rdr drq dr qdt t tk r k rk t tqt t qk r r r rr rq k t tr rtt tttt= = (= = ( | | = = |\ .= } }a. Besarnya q dari luar ke tangki O2cair dapat dihitung sebagai berikut :( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )2 11 21 2 1 22 1 1 23 22 32 3 2 33 2 2 34 44 4AABBq r rr rA q k t t t tr r k r rq r rr rB q k t t t tr r k r rtttt= = Dari penjumlahan A dan B didapatkan :( )( ) ( )2 1 3 21 32 1 34A Br r r rqt tr r k r k t ( + ( ( )( ) ( )( )( )( )( )( )( )( )( )2 1 32 1 3 21 34 4 3, 5 50 290808, 24/3, 5 2,5 4, 0 3, 52,5 0, 022 4, 0 0, 4A Br t tq Btu hr r r rk r k rt t += = = + +b. Bila isolasinya hanya A; makatebal isolasiA secarakeseluruhan dapat menggunakan rumus :10( )( )( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )1 22 12 122222 2 2244 0, 022 2,5 50 290808, 242,5234,872,5808, 242,5 0, 3 0, 7 2, 5 3, 6 Ak r rq t tr rrrrrr r rr fttt= = += = = ==Jadi tebal isolasi A = 3,6 2,5 = 1,1 ftIII. PERPINDAHAN PANAS KONVEKSIKonveksiialahperpindahanpanasdiantara fluidayang lebihpanasdan lebihdinginkarenakeduanyabercampur.Fluidadinginyangdekatkepada permukaan panas menerima panas dan kemudian memberikannya kepada bulk fluida dingin ketika bercampur. Ini terjadi karena ada gerakan fluida.Konveksieratkaitannyadenganmekanikafluida.Bahkansecara termodinamik,konveksiitudianggapbukansebagaialirankalor,tetapifluks entalpi.Pengidentifikasiankonveksidenganalirankalorhanyalahuntuk memudahkansaja,karenadalamprakteknyasulitmembedakanantara konveksidengankonduksiyangsebenarnya,apabilakeduanyadigabungkan dibawahsatunamakonveksisaja. Dalamkonveksidikenal2carayaitu konveksi bebas atau konveksi alami dan Konveksi paksa. Perbedaan kedua konveksi tersebut dapat dijabarkan sebagai berikut :No KONVEKSI ALAMIAH (BEBAS) KONVEKSI PAKSA1Panasdibawahsertaolehfluidayang bergerakkeataskarenaperbedaan temperatur.Panasdipindahkankarenadibawaholeh massa yang dilairkan oleh suatu alat.2Sifataliranditentukanolehgayaapung fluida yang berbeda densitas.Sifat aliran ditentukan alat tersebut.3Penyebarankecepatan&temperatur saling berhubungan.Penyebarankecepatandicarilebihdulu, kemudianbarudicaripenyebaran temperatur. 4BilanganNusseltbergantungpada bilangan Grashof dan bilangan Prandalt.BilanganNusseltbergantungpada Reynolds dan bilangan Prandalt. 11Peristiwaperpindahanmacaminidapatdinyatakandengansebuah persamaan yang meniru bentuk persamaan untuk konduksi, yaitu :dq = h A dt (3.1)dimana,hadalahkoefisienperpindahanpanas(Btu/jam.ft2.oF)yang dipengaruhi oleh sifat-sifat fluida dan pengadukan.Persamaan (3.1) dapat ditulis dalam bentuk hasil integrasi, yaitu : tA tq h A tRA= A =(3.2)TahananRttidakdapatdihitungdarihubunganRa=la/kaA,karenatebal konveksi tidak diketahui (indefinite).Perhatikansebuahdindingpipadengankonveksipaksa,denganbesarnyayangberbedapadakeduabagianpipatersebut(lihatgambar3.1). Misalkan,padabagiandalampipa,panasyangdiberikanolehliquidapanas yangmengalir,sedangkanpadabagianluarpipapanasditerimaolehaliran fluida dingin, laju aliran panas dalam steady state dapat ditulis sebagai berikut ( ) ( ) ( )i i o o w o i oo oA T t At t A T tqR R R = = =(3.3) i i i o o oh At h A t = A = A(3.4)dimana,Ai=luaspermukaanpipabagiandalam,ft2; Tiadalahsuhubulkpipa bagiandalam, oF;toadalahsuhu bulkbagianluar pipa, oF;Roadalah tahanan konveksi pada bagian luar; Aoadalah luas permukaan pipa bagian luar, ft2dantwadalah suhu dinding pipa bagian luar, oFDalam gambar 3.1 R adalah tahanan total terhadap perpindahan panas, sesuai dengan hubungan :R = Ri+ Rw+ Ro(3.5)Untuk bentuk pipa ini dapat ditulis :1 1wo i i o o w wl RA h A h A k A= = +(3.6)12( ) ( )1 1/ /wi i o o w w alRh A A h k A A= + + (3.7)hi(Ai/Ao) dapatditulissebagaihiodanapabiladindingpipaterlalutipis,maka tahanandindinglwAo/(kwAw) dapatdiabaikan;sedangkankebalikanR adalah koefisienperpindahanpanastotalU.dengandemikianpersamaan(3.7)dapat ditulis sebagai berikut :,1 1 1C i o oU h h= + (3.8)dimana, hi,o= koefisien perpindahan panas pada bagian dalam pipa tetapi luas permukaannya dihitung bagian luar = hi(Ai/Ao) = hi(Di/Do)Koefisien Perpindahan Panas Aliran dalam Pipa (Tube)Banyak korelasi dapat ditemukan untuk membuat koefisien perpindahan panasdalampipaatautube,dansemuanyamempunyaidasaryangsama, salah satu diantaranya adalah Sieder and Tate equation :Untuk aliran laminar Re < 2100,1/ 3 0,14..1, 86piwch D DG Dk k L ( | | | | | || |= (||||\ . \ .\ . \ . (3.9)Untuk aliran turbulen0,14 1/ 3 0,8..0, 027piwch D DGk k | | | | | |= |||\ . \ . \ .(3.10)Persamaan (3.9) dan (3.10) berlaku untuk cairan organik, larutan dalam air dan gas,dantidakkonservatifuntukair.Koefisienperpindahanpanasaliranuntuk air dapat ditukar dengan mempergunakan Fig. 25 Kern hal. 835.Kedua persamaan diatas dijadikansatu secara grafis denganjalan memasangsebagai ordinat faktor JH.0,14 1/ 3.piwch DJHk k | | | || |= |||\ .\ . \ .Dan sebagai absis bilangan Reynold (lihat Fig. 24 Kern)Persamaan (3.9) dan (3.10) serta Fig. 24 Kern, dapat juga dipergunakan untuk aliranfluidadiluarpipa(annulus)asalsajadiameterdalamDidigantidengan 13diameterequivalenuntukperpindahanpanasDe,sehinggapersamaan(3.9) dan (3.10) berubah menjadi :1/ 3 0,14..1, 86po e e a ewch D D G Dk k L ( | | | | | | | |= (||||\ . \ .\ . \ . (3.9a)0,14 1/ 3 0,8..0, 027po e e awch D D Gk k | | | | | |= |||\ . \ . \ .(3.10a)dimana, D1adalah diameter luar pipa dalam dan D2diameter dalam pipa luar( )2 22 22 12 11 144 / 4 eD DD D x luas aliranDperimeter panas D Dtt= = =( )2 22 1t an 4 alaju aliran massa lewa nulus wGlaju penampang aliran D D t= =Koefisienfilmhountukaliranpadabagianshellandtubeheatexchanger, khususnya denganbaffle dapat ditaksir dari persamaan berikut, yang berlaku untuk bilangan Reynold antara 2.500 1.000.000 :0,14 1/ 3 0,55..0, 36po e e swch D D Gk k | | | | | |= |||\ . \ . \ .(3.11)Dimana,

( )2 24 / 44 T oeoP Dx luas bebasDperimeter terbasahi Dt tt= = untuk square pitch ( )24 0, 50,86 0,5 / 40, 5T T oeoP x P DDDtt = untuk triangular pitchPersamaan (3.13) dapat juga ditulis dalam bentuk JH, yaitu :0,14 1/ 3.po ewch DJHk k | | | || |= |||\ .\ . \ .Persmaan (3.9) (3.11) yang lazim disebut persamaan Nusselt untuk konveksi paksa, tidak berlaku untuk fluida yang berubah fase seperti mengembun.Koefisien perpindahan (film) untuk uap pengembun diluar pipa (tube) di berikan oleh persamaan Nusselt berikut :14( )0,25330, 94f f gf o fkhD t | | |= |A\ .(3.12)Pengembunan pada permukaan tube horizontal,( )0,25330, 725f f gf o fkhD t | | |= |A\ .(3.13)Persamaan (3.12) dan (3.13) dapat ditulis dalam bentuk lain, yaitu pipa tegak :1/ 3 1/ 323 24 '1, 47ff f g fGhk | | | |= = || ||\ . \ .(3.14)Dimana, G = W / Nt . . Do Nt = banyak tubePipa horizontal :1/ 3 1/ 323 24 "1, 51ff f g fGhk | | | |= = || ||\ . \ .(3.15)Dimana, G = W / L. Nt2/3(3.16)Persamaan (3.16) berlaku untuk tube bundle (banyak tube) yang terdapat pada tipeshellandtubedenganuapyangmengembun beradapadabagianshell.KorelasitersebutberlakuuntukRe=1800 2100.Penaksiranhargah (persamaan 3.28) dapat dilakukan melalui Fig. 12.9 Kern, hal.267.Khususuntukuap(steam)mengembunsebagaimediumdilakukanpemanas dapatdipergunkanhargahi=hio=ho=1500Btu/jam.ft2.oF (Kern.hal.164). 15IV. PERPINDAHAN PANAS RADIASIRadiasiadalahperistiwaperpindahanenergi melaluiruangoleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Jika radiasi berlangsung melalui ruang kosong,iatidakditransformasikanmenjadikalorataubentuk-bentuklaindari energi, dan ia tidak pula akan terbelok dari lintasannya. Tetapi, sebaliknya, bila terdapatzatpadalintasannya,radiasiituakanmengalamitransmisi,refleksi, dan absorpsi. Hanya energi yang diserap saja yang muncul sebagai kalor, dan ditransformasi ini bersifat kuantitatif. Dan secara umum, radiasi menjadi sangat penting pada suhu tinggi.Daerahpanjanggelombangyangdapatdisebutradiasipanasterutama terletak antara 0,1-10 mikron. Daerah ini hanya sebagian kecil dari keseluruhan radiasielektromagnetik.Kalau adalahpanjanggelombang;Ckecepatan cahaya dan v frekwensi, maka berlaku hubungan, = C/v(4.1)c = 2,9979 x 1010cm/s16suatugelembangelektromagnetikdenganfrekwensivyangbiasanya digambarkansebagai gerakan foton,yaitu benda denganmassa nol,muatan nol dan energi sebesar , dengan hubungan, = hv (4.2)h = tetapan Planck = 6,624 x 1027erg.senergi fotonitudapatdipancarkan,dapatdiserapolehsuatu permukaandan dapat juga dipantulkan.Berdasarkanhukumkeduathermodinamika,Boltzman menyusunhubungan hubungan berikut :dg = d A TR4(4.3)dimana,Tadalahsuhuabsolute, oR; adalahkonstantadimensional, (Btu/jam.ft2.oR4); adalah emissivity dan A adalah luas permukaan perpindahan panas, ft2. Sepertihalnyadengankdanhr maka jugaharusditentukansecara percobaan.Kadang-kadanglebihmudahuntukmenyatakanpengaruhnetto dariradiasidalambentukyangsamasepertiyangdipergunakandalam konveksi, yaitu :q = hrA (T1 T2)dimana hradalah koefisien film fiktif.Dalam radiasi panas dikenal beberapa benda pembanding. Suatu benda ataupermukaanyangtertekanradiasipanas,biasanyamenyeraphanya sebagian dari energi yang sampai, dengan hubungan,

; a avm mq qva aq qv= =.(4.3)Dimana, a = koefisien absorpsiqa= enegi yang diserapqm= energy yang masukuntuk benda-benda yang nyata av tidak sama untuk berbagai frekwensi.17BendaKelabu(graybody) adalahbenda hitetis yangmempunyaiavyang sama, tetapi < 1, untuk semua frekwensi dan semua temperatur.BemdaHitam(blackbody) adalahbendahipotetisyangmempunyaiav=1 untuk semua frekwensi dan temperatur.Semuapermukaanpadatselainmenyerapjugamemancarkanpanas. Jikadibandingakandenganpancaranbendahitam,bagianyangdipancarkan oleh suatu permukaan disebut koefisien emisi :

;a ava aq qbe eqb qb= =..(4.4)Jika : qa= energi yang dipancarkan benda biasa qba= energi yang dipancarkan benda hitamperpindahanpanassecararadiasiuntukbendahitamtelahdirumuskandalam hukumStefan-Boltzman :qba= T4..(4.5) = tetapan Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8W/m2K4untuk benda tak-hitam energy yang dipancarkan adalah :qa= e T4.(4.6)Untuktekanikyangpentingadalahenergyyangdipertukarkanantara dua benda atau dua permukaan. Karena sering sekali tidak semua permukaan suatubendamenghadapkebendayanglain,makadaripancarantotalbenda pertamahanyasebagiansampaipadabendakedua.Bendakedua menyerap sebagiandarienergy yang sampaipadanya dan bagian yang lain dipancarkan kebendapertama.Pancaranbendakeduaitusebagiandiserapolehbenda pertama dan sebagian dipancarkan kembali, begitu seterusnya.Pertukaran energy antara dua benda hitam dinyatakan oleh persamaan,q12= A1F12(T14 T24) = A2F21(T14 T24) .(4.7)dimana,q12adalahenergi yangdipertukarkanantarabendahitam1dan2;A1adalah luas permukaan total benda 1; A2adalah luas permukaan total benda 2; 18F12adalah bagian dari radiasi A1yang sampai pada A2; dan F21adalah bagian dari radiasi A2yang sampai pada A1A1F12= A2F21F12& F21disebut factor bentuk (view factor)Untukduabendatak-hitam pertukaranradiasipanasnyadapatdihitung sepertidibawahini.Perhitungansemacaminihanyamungkindilakukanuntuk bendakecilyangcembungpermukaannya(benda1,temperaturT1),yang seluruhnyadikelilingiolehpermukaanlingkunganpadaT2.Lajuenergi yang dipancarkan oleh benda 1 :q12 = e1A1T14laju energi yang diserap oleh permukaan 1 dari lingkunganq12 = a1A1T24disini F12diambil sama dengan 1, karena permukaan 1 itu cembung dan diliputi oleh permukaan 2 sehingga seluruh pancarannya diterima oleh lingkungan dan tidak ada yang diterima kembali oleh 1.Selisih energi yang dipertukarkan menjadi :q12 = A1(e1T14 a1T24) ..(4.8)e1adalahnilaikoefisienemisipermukaan1padaT1,a1diperkirakansam dengan nilai e untuk permukaan 1 pada T2.Untuk menentukan besarnya view factor, F dari beberapa hubungan geometri (kedudukansiku-sikudankedudukansejajar),dapatdigunakangrafik6dan7 dari lampiran. Contoh : Suatubujursangkaryangsisinya4ftsejajardenganbujursangkaryanglainyang ukurannya sama. Jarak keduanya adalah 2 ft dan masing-masing mempunyai suhu 1000oF dan 500oF. hitunglah besarnya qrdari kedua bidang tersebut secara radiasi langsung.Jawab :qr= q12= A1F12o(T14 T24) A2F21o(T14 T24)A1= A2dan F12= F21, maka :qr= AFo(T14 T24)T1= 1000oF = 811 KT2= 500oF= 533 KA= 16 fto= 5,67 x 10-8W/m2K4kedudukan sejajar digunakan lampiran di grafik 7.19o = 5,67 x 10-8W/m2K4= 5,67 x 10-8(3,42 Btu/jam) (3,282ft2) (K4)= 2,09 x 10-6Btu/jam ft2K4qr= AFo(T14 T24)= (16) (0,4) (2,09 x 10-6) (8114 5334) = 4.706.885,3 Btu/jam= 4,7 x 106Btu/jam.V. BOILINGDANKONDENSASIDalampembahasanterdahulutentangperpindahankalorkonveksi kita telahmenyorotsistim-sistim fasetunggal yanghomogen.Proseskonveksilain yangtidakkalahpentingnyaadalahyangberkaitandenganperubahanfase fluida.Duadiantaranyayangsangatpentingadalahfenomenakondensasi (condensation) danfenomenadidih(boiling),disampingmasalahperpindahan kalordenganperubahanfasepadat-gasyangmenjadipentingpulakarena berbagai penerapannya.5.1 Boiling5.1.1Mekanisme BoilingDalampendidihan,titikdidihdaritemperaturcairaniniditekan didalamperalatanitu.Bidangyangdipanaskanadalah tentusajapada suatu temperatur di atas titik didih. Gelembung uap air dihasilkan di bidang 20yangdipanaskandankenaikanmelaluimassacairan.Pendidihanadalah suatu fenomena kompleks. Gambar 5.1 Mekanisme Boiling untuk air pada Tekanan Atomosfer, Flux Panas vs Penurunan Temperatur : (A) Konveksi Alami, (B) Nukleat Boiling, (C) Transisi Boiling, (D) Film Boiling5.1.2 Nucleat BoilingDalamdaerahnukleatboiling,heatfluxdipengaruhiolehT, tekanan,alami dangeometridarisistimdanpermukaan,dansifatphisic dari uap dan liquid. Dalam didih nukleat, terbentuk gelembung-gelembung karenaekspansigasyangterkurungatauuapdalamlubang-lubangkecil pada permukaan. Gelembung itu akan membesar hingga ukuran tertentu, bergantungpadateganganpermukaanpadaantarmuka(interface) zat cair-uapdanpadasuhudantekanan.Perhatikangelembungberbentuk bola pada gambar dibawah ini :persamaan diatas dapt juga ditulis :212v lp pro =(5.1) dimana: pvadalahtekananuapdidalamgelembung;pladalahtekanan zat cair dan o adalah tegangan permukaan muka-batas uap-zat cair.Rohsenow membuatkorelasidatapercobaanuntukdidihkolamnukleat dengan persamaan dibawah ini :( )0,33. . /. .sll x cffg l fg l vrCp T g qACsh P h go (A= ( ( (5.2)dimana :Cpl=spesifik panas zat cair jenuh, Btu/lbmoF atau oC atau J/kgoCTX=lebih suhu = TW Tjenuh, oF atau oChfg=entalpi penguapan, Btu/lbm atau J/kgPrl=angka Prandtl zat cair jenuh q/A =flux panas per satuan luas, Btu/jam ft2atau W/m2 oCl=viskositas zat cair, lbm/jam ft atau kg/m s =tegangan permukaan muka-batas zat cair-uap, lbf/ft atau N/mg =kecepatan grafitasi, ft/s2atau m/s2l=densitas zat cair jenuh, lbm/cuft atau kg/m3v=densitas uap jenuh, lbm/cuft atau kg/m3Csf=konstanta ditentukan dari data experimens =1,0 untuk air dan 1,7 untuk zat cair lain.Tabel 1. Tegangan Permukaan Uap-Zat Cair untuk AirSuhu Jenuh Tegangan PermukaanoFoC x 104, lbf/ft , mN/m3260100140200212320440560680015,5637,786093,33100160226,67293,3336051,850,247,845,241,240,331,621,911,11,075,673,369,866,060,158,846,132,016,21,4622705,4 374,1 0 0Berbagai persamaan telah dikembangkan telah dikemukakan untuk menghitung fluks kalor dalam keadaan didih. McAdams menyarankan pada tekanan rendah untuk air mendidih menggunakan persamaan :( )3,9622, 253 /0, 2 0, 7 XqT Wm p MPaA = A < < (5.3)sedangkan pada tekanan yang lebih tinggi digunakan persamaan :( )34/ 3 2283 /0, 7 14 Xqp T Wm p MPaA = A < < (5.4) dimana, ATxadalah perubahan temperature, oC dan p adalah tekanan, MPa.Analisa mengenaiflukskalorpuncakdalamdidihnukleatdengan memperhatikan persyaratan kestabilan muka-batas antara film uap dan zat cair dapat dilihat seperti persamaan dibawah ini,( )0,25 1/ 22max.. 124l vvfg vv lgqhAo t ( | || |= + |(|\ .\ . (5.5)Suatufenomenaflukskalorpuncakyangmenarikdiamatibilatetesanzatcair menimpapermukaanpanas.Experiment denganair,aseton,alkohol,dan beberapaFreonmenunjukanbahwaperpindahanpanas maksimumterjadi pada suhu >165oC untuk semua jenis fluida. Fluks puncak ini merupakan fungsi sifat-sifatfluidadankomponennormaldarikecepatantimpa.Korelasidengan data eksperimen dapat dilihat seperti dibawah ini :0,3412 23. .0, 00183. . . .max LL vf cQ Vdd g o| |= | |\ . (5.6)Dimana,Qmaksadalahperpindahankalormaksimumpertetes;Ladalah densitastetesanzatcair;V adalahkomponennormalkecepatantimpa;vfadalahdensitasuapditentukanpadasuhufilm(Tw+Tjenuh)/2;o adalah tegangan permukaan; d adalah diameter tetesan dan adalah kalor penguapan dimodifikasi = hfg+ Cpv(Tw Tjenuh/ 2). Untuk Suatu Permukaan Horisontal23Untuksistimpadasuatupermukaanhorisontalbeberapapersamaandapat digunakan diantaranya :h = 151 (AT oF)1/3, Btu/jam.ft2.oF q/A < 5000, Btu/jam.ft2h = 1043 (AT oK)1/3, W/m2.K q/A < 16, kW/m2h = 0,168 (AT oF)3, Btu/jam.ft2.oF 5000 < q/A < 75000, Btu/jam.ft2h = 5,56 (AT oK)3, W/m2.K 16 < q/A < 240, kW/m2Sun & Lienhardmemberikan persamaan untuk fluks kalor didih puncak pada silinder horizontal yaitu :( ) ' 15 , 0 ' 44 , 3 exp 27 , 2 89 , 0 R untuk RqqmaksFn maksn< + =dimana R adalah jari jari ayng tak-berdimensi :( )2 / 1'((

=o v lgR R( ) | |4 / 1. . 131 , 0v l fg vmaksFng h q o =dimana, qnmaks Fadalahflukskalorpuncakpadaplathorisontaltak-berhinggadan adalah tegangan permukaanSedangkanBromley menyarankanuntukmenghitungkoefisienperpindahan panasdidaerahdidih-filmyangstabilpadatabunghorizontalmenggunakan persamaan:( ) ( ). .. 4 , 0 .62 , 04 / 13(((

AA + =x vx pv fg v l v vbT dT c h g kh (5.7)dimana,kvadalahkonduktivitasthermaluap,W/m.K;vadalahdensitasuap, kg/m3; ladalah densitas liquid, kg/m3; hfgadalah panas laten penguapan, J/kg; AT =Tw Tsat;Tsat=suhuuapjenuh, oK;D adalahdiameterluarpipa,m;vadalah viskositas uap, Pa.s; dan g adalah percepatan gravitasi, m/s2sifat-sifat physis uap dihitung pada suhu film :|.|

\|=2T - TTsat wfdan hfg pada suhu jenuhJacob&Hawkins mendapatkansuatupersamaanuntukairmendidihdiluar permukaanyangterbenampadatekananatmosfer(table2). Koefisien perpindahan panas ini dapat diselesaikan untuk pengaruh tekanan yaitu :244 , 0||.|

\|=ll ppph h(5.8)dimana, hpadalahkoefisienperpindahanpanaspadatekanansistim,p;hladalah koefisien perpindahan panas (lihat table 2); p adalah tekanan sistim; dan pladalah tekanan atmoser standar.Tabel.2HubunganKoefisienPerpindahanPanas DidihkeAirpadaTekananAtmosfer, Tx= Tw TjenuhoC.Permukaan q/A, kW/m2h, W/m2. oCHorisontalVertikalq / A < 1616 < q / A < 240q / A < 33 < q / A < 631042 (ATx)1/35,56 (ATx)3537 (ATx)1/77,96 (ATx)3Untukdidihlokalkonveksi-paksadidalamtabungvertikaldenganrangetekanan dari5 170 atm disarankan menggunakan persamaan :h = 2,54 (ATx)3ep/1,551 (5.9)dimana,ATxadalahbedasuhuantarpermukaandanzarcairjenuh, oC;padalah tekanan, MN/m2; dan h adalah koefisien perpindahan panas, W/m2.oCContoh : Air pada tekanan 5 atm mengalir dalam tabung yang diameternya 1 inci pada kondisi didih local, dimana suhu dinding adalah 10oC diatas suhu jenuh. Hitunglahperpindahan panas dalam tabung dengan panjang 1 m.Jawab :ATx= 10oCp = (5)(1,0132 x 105N/m2) = 0,5066 MPaKoefisien Perpindahan Panas :h = (2,54)(10)3e0,5066/1,551

= 3521 W/m2.oC = 620 Btu/jam.ft2.oFLuas Permukaan untuk panjang 1 m tabung :A = t dL = t (0,0254 m)(10) = 0,0798 m2sehingga :Perpindahan Panas adalah :q = hA(Tw Tjenuh) = (3521W/m2.oC) (0,0798 m2)(10oC) = 2810 W/m Untuk Suatu Permukaan VertikalUntuk permukaan vertikal dapat menggunakan persamaan :h = 87 (AT oF)1/7, Btu/jam.ft2.oF q/A < 1000, Btu/jam.ft225h = 537 (AT oK)1/7, W/m2 .K q/A < 3, kW/m2h = 0,24 (AT oF)3, Btu/jam.ft2.oF 1000 < q/A < 20000, Btu/jam.ft2h = 7,45 (AT oK)3, W/m2.oK 3 < q/A < 63, kW/m2dimana :AT = Tw Tsat Untuk Boiling Konveksi Paksa di Dalam PipaUntuk konveksi paksa didalam pipa dapat didekati dengan persamaan :h = 2,55 (AT oK)3ep/1555, W/m2.K (SI)h = 0,077 (AT oF)3ep/225, Btu/jam.ft2.oF (English)5.2 Kondensasi5.2.1Mekanisme KondensasiKondensasi dari suatu uap air ke suatu cairan dan vaporazation dari suatucairankesuatuuapairkedua-duanyamelibatkansuatuperubahan fasedarisuatucairandengankoefisienperpindahanpanasyang besar. Kondensasiterjadi manakalasuatu uap air datang dipenuhiseperti steam dalamhubungandengansuatupadatanyangtemperaturpermukaandi bawahtemperaturkejenuhan,untukmembentuksuatucairansepertiair.Type kondensasi dibagi atas beberapa jenis :Film type kondensasiTetesan jatuh (dropwise condensation)5.2.2Koefisien Film-Kondensasi untuk Permukaan VertikalFilm-tipekondensasipadasuatutabungataudindingvertikaldapat dianalisasecaraanalitisdenganmengasumsikanaliranlaminer menyangkutfilmkondensasisepanjangdindingitu.MenurutNusselt (H1,W1)mengasumsikanbahwaperpindahanpanasdarikondensasiuap airpadaTsatK,melaluifilmcairanini,dankedindingpadaTwK adalah dengan konduksi. Dalam gambar 5-2a, uap air pada Tsatsedang dipadatkan pada suatu dindingyangtemperaturadalahTwK.SedangKondensatmengalir 26mengarahkebawahdalamaliranlaminer.Diasumsikanketebalanunit, massadariunsurdengandensitascairanldalamgambar5-2badalah (o - y)(dx . )l. Gaya yang mengarah ke bawah pada unsur ini adalah gaya gravitasikuranggayaapung,atau(o - y)(dx)x(l - v)g,gayainiadalah seimbangdengangayagesekviscouspadadaerahy tentang l(dv/dy)(dx . 1). Persamaan gaya ini,(o - y)(dx)(l- v)g = l(dv/dy)(dx)(5.10)Integrasikan dan gunakan kondisi apung itu syarat batas v = 0 pada y = 0( )( ) 2 /2ygvylv l= o (5.11)Gambar 5.2 Kondensasi Film pada suatu Plat Vertikal : (a) Peningkatandalam posisi ketebalam film, (b) Keseimbangan pada elemen kondensatLajualirmassatentangfilmkondensatpadatitikmanapunx untukunit kedalaman,( )( )} }= = o oo 0202 / dy ygvdy mylv ll l(5.12)jika di integrasi menjadi,( )lv l lgmo 33= (5.13)Padadinding,untukarea(dx.1)m2,lajuperpindahanpanassebagaiberikut jikasuatudistribusitemperaturlinierdiasumsikandalamcairanantaradinding dan uap air :( )ow satl y l xT Tdx kdTdTdx k q= ==01 . (5.14)27Didalamsuatujarakdx,lajuperpindahanpanasqx.Juga,dalamjarakinidx, peningkatandalammassadarikondensasiadalahdm.Menggunakan persamaan (5.13),( ) ( )13v l ll3v l ld - g3gd dmo o o =((

= (5.15)Pembuatansuatukesetimbanganpanasuntukjarakdx,lajualirmassadmwaktu panas laten hfgharus sama dengan qxdari persamaan (5.14) :( )o o o w satl2v l lfgT - Tdxkd - gh =l(5.16)integrasikan, dengan o = 0 pada x = 0 dan o = o pada x = x,( )( )4 / 14(((

=v l l fgw sat l lghT T x k o (5.17)menggunakankoefisientransferpanaslokal,hxpadax,suatukesetimbangan panas memberikan( )( ) ( )ow satl w sat xT Tdx k T T dx h= 1 . 1 . (5.18)ini memberikan,olxkh = (5.19)kombinasikan pers.(5.17) dan pers.(5.19) menjadi,( )( )4 / 134(((

=w sat ll fg v l lxT T xk ghh (5.20)Dengan mengintegrasikan di atas panjang total L, nilai rata-rata h diperoleh,}== =LL x x xh d hLh03 / 41(5.21)( )( )4 / 13943 , 0(((

=w sat ll fg v l lT T Lk ghh (5.22)Bagaimanapun,untukaliranlaminer,datapercobaanadalahsekitardiatas 20%. Karenanya,ungkapanrekomendasiakhiruntukpermukaanvertikal didalam aliran laminer adalah (M1)28( )4 / 1313 , 1||.|

\|A= =T kL ghkhLNl lfg v l llNu (5.23)SemuasifatfisiscairankecualihfgdievaluasipadafilmtemperaturTf=(Tsat+Tw)/2.Untukpermukaanvertikalyangpanjangadalahaliranpada botom dapat bergolak. Bilangan Reynolds adalah digambarkan sebagai,l lR4Dm 4Ne tI= = (tabung vertikal, diameter D) (5.24)l lR4W m 4Ne I= = (plate vertikal, lebar W) (5.25)dimanam adalahtotalkgmassa/skondensatpadatabungatauplatebottom dan I = m/tD atau m/W. Nre 5 10% Rdketentuan, rancangan dapat diterima- Rdhitung>>> Rdketentuan, rancangan tidak dapat diterima- Rdhitung< Rdketentuan, rancangan tidak dapat diterima (under design)b. PressureDrop(AP)untukmasing-masingalirantidakmelebihibatasyang tersedia. Harga AP biasanya adalah : Untuk aliran liquida : maksimal (AP) = 5 10 Psi Untuk aliran uap-gas: maksimal (AP) = 2 PsiDalampraktekbatasantentangpenurunantekananiniharusdisesuaikandengan head yang tersedia dan sistem yang dipergunakan. Ini tergantung dari sistim atau alat penggerak media yang diperlukan.Karena yang dirancang adalah alat perpindahan panas, maka perlu dicari dimensiatauukuranperalatantersebut.Ukuranalattersebutberkaitanerat denganluaspermukaanpanasatauheatingsurface.Persamaan perpindahanpanasyangberkaitandengandimensiatauluasperpindahan panas dapat dilihat dibawah ini :Q = U A At (1.2)dimana,Qadalahpanasyangdiserapataudipindahkan,Btu/jam;U adalah tahananpanas,Btu/jam.ft2.oF;A adalahluasperpindahanpanas,ft2danAtadalah beda temperatur rata-rata, oF.DengandiketahuinyahargaA(heatingsurface) dapatditentukanmacamatau type alat perpindahan panas dengan spesifikasi sebagai berikut :a. Apabila A < 120 ft2, maka alat perpindahan panasnya adalah :- Double Pipe Heat Exchanger34- Coil- Jacket Vesselb. Apabila A > 120 ft2, maka alat perpindahan panasnya adalah :- Shell and Tube- Plate and FrameDari persamaan diatas dapat juga harga A dapat dirobah menjadi :- Panjang pipa - Jumlah pipaSehinggadarijumlahdanpanjangpipadapatdipilihtypealatperpindahan panas yaitu,a. Double Pipe Heat ExchangerPada tipe peralatan ini dapat dibagi jenisnya menjadi : Counter Current dan Co Current Seri seri Seri paralelb. Shell and TubePada tipe peralatan ini dapat dibagi jenisnya menjadi : Heater dan Cooler Condensor type Horisontal, Vertikal, Desuper Heater, Sub Cooling Reboiler type Kettle Reboiler, Forced Reboiler, Thermo Syphonc. Coild. Jacket VesselContohyangpalingmudahuntuksuatuperalatanprosespadaindustri kimiaadalahKolomDistilasi.Padakolomdistilasibanyakdigunakanalat perpindahan panas antara lain :a. Heater pada pemanasan umpan masuk ke dalam kolomb. Condensor pada pengembunan uap untuk dijadikan distilatc. Reboilerpadapenguapankembaliliquidpadabagianbottomuntuk membuat efesiensi kolom menjadi lebih besar.d. Coil untuk mendinginkan distilat atau bottom produk.FAKTOR PENGOTOR35Ketikafluidamengalirdidalamataudiluarpipa,makakotoranyang terbawaalirantersebutakanmegendapadapermukaanpipatersebutakan akansemakintebaldenganwaktu.Lapisanendapaninimenambahtahanan terhadapperpindahanpanasdankarenanyaharusdiperhitungksndalam analisaspesifikasimaupunperencanaanalatperpindahanpanas.Tahanan karenakotoran ini disebut faktor pengotor, Rdyang harganya harusditentukan dengan exerimen. Laju aliran perpindahan panas melalui dinding pipa harganya akanmenurundenganwaktupenggunaankarenatebal(tahanan)pengotor yangnaikdenganwaktu.Olehkarenaitu,makasudahsepantasnyaapabila perencanaanalatperpindahanpanas didasarkanpadahargaRddengan pembersihan dilakukan setelah dioperasikan selama satu tahun (tiap tahun).Harga-harganumerikdaritahanankotoranuntukberbagaiservice tersediaantaralainpadatabel12Kern, dan datatersebut dimaksudkanuntuk melindungialatperpindahanpanas dariperpindahanpanasyangkurangdari yang diperlukan (qproses) selama 1 1 tahun.KOEFISIEN PERPINDAHAN PANAS GABUNGAN KOTORKoefisienperpindahanpanasgabungandalamkeadaankotorUDdapat ditentukan dengan memperhatikan semua tahanan yang ada termasuk tahanan karenakotor,dengansusunansepertiditunjukandalamgambardibawah. Tahanan-tahan yang digambarkan di sini adalah :Ri,o= tahanan film konveksi aliran fluida dalam pipa diperhitungkandenganluaspermukaanpipa bagian dalam = 1/hi,oRd1= tahanan kotoran pada sebelah dalam pipaRw = tahanan konduksi dinding pipa = lw/kwRdo= tahanan kotoran pada sebelah luar pipaRo = tahanan film konveksi aliran fluida di bagian luar pipa.RD= Ri,o+ Rdi+ Rw+ Rdo+ Ro(1.3)Karenakoefisienperpindahanpanasberbandingterbalikdengantahanan film konveksi, maka persamaan (1.3) dapat juga ditulis sebagai :36, 11 1 1 1o Dio i o o o o o oRd RRdA hA h A A h A= + + + +(1.3a), 11 1o w oD i oi o o w wA l AR Rd Rdh h A k A= + + + +(1.4)Persamaan (1.3) biasanya disederhanakan sebagai berikut, RdiAo/Aidiambil amansebagaiRdi,karenatelahdinyatakansebelumnyabahwaharga sesuatutahanankotorandiambilsamapadabagiandalammaupunbagian luarpipa.Disampingitutelahjugadiutarakansebelumnyabahwatahanan karena dinding pipa biasanya diabaikan.Dengan uraian tersebut, maka persamaan (1.4) berubah menjadi :

,1 1D i oi o oR Rd Rdh h= + + +(1.5),1 1Di o oR Rdh h= + +(1.6)Dimana, Rd = Rdi+ Rdohi,o= hix (Ai/Ao) = hix (Di/Do) (1.7)dengandemikiankitadapatmenentukansuatubentukpersamaanuntuk koefisien perpindahan panas keseluruhan dalam keadaan bersih yaitu :,, i o oCi o oh x hUh h=+(1.8)Atau persamaan (1.8) dpat juga ditulis sebagai :1 1D CRdU U= +(1.9)PENURUNAN TEKANANDalamalatperpindahanpanasterjadipenurunantekananbaikuntuk fluidadinginmaupunfluidapanas.Padadasarnyaterdapatduamacam penyebab yaitu :(i) Friksiyangterjadiantarafluidadengandindingpipa.Inidapatditaksir melalui persamaan dinding.37(ii) Perubahandalamluaspenampangaliranyanglazimdisebutsudden contractiondansuddenexpanionpadadoublepipeataukarena perubahanarahaliranmendadakpadashellandtube. Penyebabini kiranya merupakan kelipatandari head kecepatan atau K v2/2.gc.Penurunan Tekanan Faktor FriksiPersamaan fanning dapat dinyatakan sebagai berikut :224. . . 2. . .ef G LP pada double pipeg D A= (1.10)( )16min/f aliran la erDG = (1.11)( )0,320,1250, 00140/f aliran turbulen pada tube halusDG = + (1.12)( )0,320, 2640, 0035/f aliran turbulen pada tube kasarDG = + (1.12a)Faktorfriksipadapersamaan(1.11)dan(1.12)dapatjugadiperolehmelalui Fig.3.11 Kern, hal. 53.Namun demikian, rumus berikut adalah lebih praktis untuk dipergunakan dalam menaksir penurunan tekanan pada aliran fluida pada bagian tube sebuahshell and tube (Pt).( )210. . .5, 22 10 . . .tti tf G L nP psix D s |A =(1.13)dimana, f adalah factor friksi (Fig. 26 Kern); Gtadalah laju aliran massa dalam tube(lb/jam.ft2);Ladalahpanjangexchanger(ft);nadalahpass(banyaknya lewatanpadabagiantube;Dadalahdiameterdalamtube(ft); spesifikgravity dan tadalah factor koreksi viksositas (/w)0,14untuk aliran tube.Persamaan(1.13)tentusajadapatjugadipergunakanuntukmenaksir penurunantekananpadadoublepipeexchanger asal sajadilakukan penyesuaian seperlunya.38Perubahan arah memperkenalkan suatu pressure drop Pr, disebut return loss dan yang dibukukan dengan membiarkan four velocity heads per pass. Velocity headV2/2g' telahdiplotkandalamFig.27 Kern berlawanan terhadap mass velocityuntuksuatucairandenganspecificgravity1,danreturnlossesuntuk cairan manapun nantinya adalah,242 'rn VP psis gA =(1.14)Total tube-side pressure drop PTnantinya adalah,PT= Pt+ Pr(1.15)Penurunan tekanan karena friksi pada bagian shell sebuah shell and tube (Pt).( )( )210. . 15, 22 10 . . .sse sf G NP psix D s |+A =(1.16)dimana,Gsadalahlajualiranmassapadabagianshell(lb.jam.ft2);(N+1) adalahbanyaknyaacross=12L/B;Deadalahdiameterequivalen,yang harganya dapat diambil dari Fig. 28 Kern.SUHUSuhu masuk dan keluar dari fluida dingin dan fluida panas biasanya telah diketahui,ataudapatdiukurataudihitungdaripersamaanneracapanas.Suhu-suhutersebutdisebutsuhuproses.Dalamcatataninisuhumasukdan suhukeluar fluidadingin diberitandasebagai t1dant2sedangkan untukfluida panasdinyatakandenganT1danT2.Denganmempergunakanalat perpindahan panas tipe concentric (double pipe) penggambaran dari aliran dan suhudiberikandalamgambar1.1untukcounterflowdangambar1.2untuk paralel/cocurrent flow.39BEDA SUHU RATA-RATA LOGARITMA (LMTD)Hubunganantaralajuperpindahanpanasq dengankoefisien perpindahanpanasU,luasperpindahanpanasAodanbedasuhut telah dinyatakanolehpersamaan,q=UAot.Karenahargat berbeda-beda sepanjangL,makahargarata-ratanyaperludirumuskan.Denganberbagai anggapandibawahinidapatdibuktikanbahwahargarata-ratat dalam persamaandiatastersebutadalahlogarithmicmeantemperaturedifferencial (LMTD. Anggapan-anggapan dimaksud adalah :(i) U harganya konstan untuk seluruh panjang lewatan.(ii) L-nyaaliranfluida(Wdanw)adalahkonstan,memenuhiketentuan steady state.(iii) Panas jenis (Cp dan cp) harganya konstan(iv) Tidak terjadi perubahan fase parsialKalauterjadipenguapanataukondensasisuhnyaharusisotermal sepanjang lewatan. (v) Kehilangan panas diabaikanApabila kelima persyaratan diatas dapat dipenuhi, maka persamaan :,1 1 1C i o oU h h= +berubah menjadi :2 12 1ln /t tq UAt t| | A A= |A A\ .(1.17)402 12 1ln /t tt LMTDt t| | A AA = =|A A\ .(1.18)Persamaan (1.17) dan (1.18) berlaku baik untuk counter flow maupun cocurernt flow,yangberbedaadalahdalamartit1dant2sepertiditunjukkanpada gambar 1.1 dan 1.2.Counter flowq = UDAot = UDAoLMTD (1.19)2 12 1ln /t tt LMTDt t| | A AA = =|A A\ .t2= T1 t2t1= T2 t1(1.20)( )( ) ( )( ) ( ) ( )1 2 2 12 12 1 1 2 2 1ln / ln /T t T tt tt LMTDt t T t T t A AA = = =A A (1.21)Kalau t1 > t2, maka :( )( ) ( )( ) ( ) ( )2 1 1 21 21 2 2 1 1 2ln / ln /T t T tt tt LMTDt t T t T t A AA = = =A A (1.22)Cocurrent flowq = UDAot = UDAoLMTD (1.23)2 12 1ln /t tt LMTDt t| | A AA = =|A A\ .t2= T1 t1t1= T2 t2(1.24)( )( ) ( )( ) ( ) ( )1 2 2 12 12 1 1 1 2 2ln / ln /T t T tt tt LMTDt t T t T t A AA = = =A A (1.25)41Contoh:Suatu fluidadidinginkandari245oFmenjadi225oFdenganmempergunakan fluidadingindalamsebuahalatperpindahanpanaskonsentrik Tentukant=LMTD baikuntuk(a)counterflowdan(b)cocurrentflowuntuksetiapkondisisuatufluida pendingin berikut (t1= suhu masuk, t2= suhu kelaur).(i) t1 = 135oF, t2= 220oF(ii) t1 = 125oF, t2= 210oF(iii) t1 = 50oF, t2= 135oF(iv) t1 = 140oF, t2= 225oF(v) t1 = 150oF, t2= 235oFSolusi :Hanya beberapasajayangditunjukkansecaralengkappenyelesaiannya,tetapi seluruhhasilperhitungandiberikan.Disampingituperlukiranyadiperhatikanbahwa harga LMTD adalah lebih kecil daripada harga rata-rata biasa.Set 1 : T1= 245oF, T2= 225o, t1= 135oF, t2= 220oFt2= t1 t2= 245 220 = 25oF t2= T1 t1= 245 135 = 25oFt1= t2 t1= 225 135 = 90oF t2= T2 t2= 225 220 = 5oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /90 25 90 2550, 734ln 90/ 25 ln 110/ 5t t t tLMTD LMTDt t t tF FA A A A= =A A A A = = = =Set 2 : T1= 245oF, T2= 225o, t1= 125oF, t2= 210oFCounter flow Cocrrent flowt2= 245 210 = 35oF t2= 245 125 = 120oFt1= 225 125 = 100oF t1= 225 210 = 15oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /100 35 120 1561, 950, 5ln 100/ 35 ln 120/15t t t tLMTD LMTDt t t tF FA A A A= =A A A A = = = =42Set 3 : T1= 245oF, T2= 225o, t1= 50oF, t2= 135oFCounter flow Cocurrent flowt2= 245 135 = 110oF t2= 245 50 = 195oFt1= 225 50 = 175oF t1= 225 135 = 90oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /175 110 195 9061, 9135, 8ln 175/110 ln 195/ 90t t t tLMTD LMTDt t t tF FA A A A= =A A A A = = = =Set 4 : T1= 245oF, T2= 225o, t1= 140oF, t2= 220oF(suhu keluar fluida panas = suhu keluar fluida dingin)t2= 245 225 = 20oF t2= 245 140 = 105oFt1= 225 140 = 85oF t1= 225 225 = 0oF( ) ( )( ) ( )1 2 2 11 2 1 10 0 ln / ln /85 20 105 046, 90ln 85/ 20 ln 105/ 0t t t tLMTD LMTDt t t tF FA A A A= =A A A A = = = =Set 5 : T1= 245oF, T2= 225o, t1= 150oF, t2= 235oFt2= 245 235 = 10oF t2= 245 150 = 95oFt1= 225 150 = 75oF t1= 225 235 = -10oF( ) ( )( )( )( )1 2 2 11 2 1 10 ln / ln /95 1075 1032, 3?ln 75/10 ln 95/ 10t t t tLMTD LMTDt t t tFA A AA= =A A A A = = = =43SUHU FLUIDA KALOR K RATA-RATAPemakaianU1danU2masihtidakmemuaskan,karenadiperlukanduakali perhitunganbentukkeduakoefisienfilmindividualhiodanhountuk mendapatkanU1danU2,untukmenyederhankannyadisinidipergunakancara Calburn,yaitudipilihkoefisiengabungansingular,Uxpadamanaseluruh permukaandipandangsebagaimemindahkanpanaspadaLMTD.Dengan demikian Uxdidefinisikan sebagai :( ) ( )1 2 2 1 2 11 2 2 1 2 1ln / ln /xU t U t t t qUA U t U t t tA A A A= =A A A A(1.26)Ux= a (1 + b tc) (1.27)dimana, = a, b adalah konstanta luas untuk masing-masing fluida dan tcadalah suhu pada terminal dingin.Dengan memasukkan persamaan (1.27) ke dalam persamaan (1.26), diperoleh,( )( ) ( )( ) ( ) ( )( )1 2 2 11 2 2 12 12 1' 1 ' ' 1 'ln 1 ' / 1 '' 1 'ln /x ca b t t a b t tb t t b t tU a b tt tt t+ A + A+ A + A= +A AA A(1.28)Uxakandapatdiketahuidenganjelasmenemukantc,yaitusuhuyang dipergunakanuntukmenentukansifat-sifatfluidayangakandipakaiuntuk menghitung hidan hodan kemudian Ux.Tetapkan, Fc= (te t1) / (t2 t1) (1.29)( )2 1 2 11 11/ 'h cccU U t t U UKb t U U = = =+(1.30)12cht trt tA A= =A A(1.31)Dengansusbstitusipersamaan(1.29),(1.30)dan(1.31)kedalampersamaan (1.28) diperoleh hubungan berikut :44( )( )1/1ln 11lnccc cKFK Kr+= ++ (1.32)Persamaan(1.32)telahdiplotpadaFig.17Kernhal827,denganKcsebagai parameter, dimana :2 11h cccU U U UKU U = =(1.33)dimana,Ucadalahkoefisien(film)gabunganpadaterminaldingin,danUhadalah koefisien (film) gabungan pada terminal panas.ApabilaFcyangharganyapadaumumnyapalingbesar0,5telahdapat ditentukan,makasuhu-suhu kalorik dapat dihitung daripersamaan-persamaan berikut :Suhu kalorik fluida dingin, tc:tc= t1+ Fc(t2 t1) (1.34)suhu kalorik fluida panas, Tc:Tc= T2+ Fc(T1 T2) (1.35)Cara-cara pemakaian suhu kalorik.(i) PadaumumnyaFcyangdiperlukanuntukpenentuantcdanTcdapat diperolehdariFig.17KerndenganjalanmenentukanKcterlebihdahulu tc/th.a. Untuk petroleum cut Kcdapat di taksir dari Fig 17 Kern bagian atas (insert) berdasarkan API gravity dan (T1 T2) atau (t2 t1).b. UntukfluidayangnonpetroleumcutKcditaksirdari Ke=(Uh Uc)/Uc,sedangkanUhdanUcmasing-masingdiperoleh dari hiodan hoberdasarkan kondisi-kondisi suhu pada terminal panas dan terminal dingin melalui persamaan Uc= (hio.ho)/hio+ ho.45(ii) Apabila fluida panas dan fluida dingin keduanya adalah petroleum cut Kcdapat ditaksir melalui salah satu cara :a. Kcuntukmasing-masingaliranditentukandariFig.17Kerninsert, danKcyanghargnyalebihbesardipergunakanuntukmenentukan harga Fc.b. KcditentukandariFig.17Kerninsert,hanyauntukalirandengan viskositasyanglebihbesar(padaterminaldingin),Kcinikemudian dipergunakan untuk menentukan harga Fc.(iii) Untuksistimdiamanpetroleumcutmerupakansalahsatufluida,KcditentukandariFig.17KerninsertberdasarkanpadaAPIgravitydan selisihsuhu(T1 T2) atau(t2 t1) petroleum cut tersebut, karena fluidasi tersebut dianggap yang mengontrol.(iv) Apabilafluida-fluidayangditanganiitukeduanyatidakviskos,katakan viskositas-viskositasnya tidak ada yang melebihi 1,0 cP, kalau range suhu tidakmelebihi50 100oFdanapabilabeda suhuadalahlebihdari50oF, maka dapat dipergunakan suhu rata-rata aritmatik biasa, untuk Tcmaupun tc, yaitu :Tc= (T1+ T2)/2 dan tc= (t1= t2)/2Disampingituuntukfluidayangtidakviskos,faktorkoreksiviskositasw= (/w)0,14dapat diambil sebagai 1,0. SUHU DINDING PIPAApabila hidan hotelah diketahui, maka suhu pada dinding pipa twdapat dihitungdarisuhukalorik.Untukkasuspanasmengalirkedalampipa (fluida dingindalampipa).Biasanyabedasuhutembusdindingtw tpdiabaikandan seluruh pipa berada pada suhu permukaan luar tw. Apabilasuhu kalorik di luar pipaadalahTcdansuhukalorikdidalampipaadalahtc,dan1/Rio= hio= hi(Di/Do), maka : 46c c w co io ioT t t tqR R R = =+(1.36)DenganmensubstitusikanhodanhiountukRodanRiopadapersamaan(1.36) maka diperoleh :1/ 1/ 1/c c w co io ioT t t tqh h h = =+(1.37)Dandapatditemukandenganpenyederhanakanpersamaantersebut,dengan hasil sebagai berikut :Untuk fluida panas di luar pipa dan fluida dingin di dalam pipa :( )ow c c co ioht t T th h= + +(1.38)( )iow c c co ioht T T th h= +(1.39)Untuk fluida panas dalam pipa dan fluida dingin di luar pipa( )iow c c cio oht t T th h= + +(1.40)( )iow c c cio oht T T th h= +(1.41)Suhudindingtwinidipergunakanuntukmenentukanviskositasfluidapada suhudinding (/w)yangdipergunakanuntukmenetapkanfaktorkoreksi w= (/w)0,14dimana adalah viskositas pada suhu kalorik. 47II. DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER (DPHE)DoublePipeHeatExchanger (DPHE)adalahalatperpindahanpanas yangmerupakangabungan2buahpipayangberdiameterberbedadan dipasangsecarakonsentris.DPHEinibiasanyadigunakanapabilakebutuhan luas pemanasan lebih kecil dari 120 ft2.Doublepipeexchanger padadasarnyaterdiridariduabuahpipa konsentrik,satufluidamengalirlewatpipadalamsedangkanfluidayangsatu lagimengalirlewatannulus.Sketsaalattersebutdisajikandibawahinidengan komponen-komponenutamanya:(1).Gland,(2).Tee,(3).Returnhead,(4). Pipa dalam dan (5). Pipa luar. Sistimsepertisketsadiatas,yaitudengan2kaki,disebut1hairpin panjangefektifexchangertipeinibiasanya12,15dan20ftdankarenaitu panjang1hairpinyangbersangkutanadalahmasing-masing24,30dan40ft. Panjang20ftadalahukuranmaksimumuntukmencegahpembengkakanpipa dalamyangberlebihansehinggamenyentuhpipaluar.Exchangertipeini mudah dibuat dari bahan-bahan standar dan karenanya relatif murah.Kerugiannya: Kecilnyaluaspermukaanperhairpin memerlukanbanyaknyahairpindipasangseri.Inimenyebabkankebutuhanakan tempat/ruangyangbesar,dandisampingitudimungkinkan terjadinya kebocoran pada sambungan-sambungan.

2.1 Bagian dari DPHEDouble Pipe Heat Exchanger (DPHE) terbagi dalam dua buah pipa yaitu,2.1.1 Bagian pipa dalam yang dinamakan bagian pipa2.1.2 Bagian pipa luar yang dinamakan bagian annulusGambar 2.2. Susunan Pipa pada DPHE48PadaDPHEdapatdihitungdiameterequivalentdanluasaliranbahanpada masing- masingfluidayanglewatpadapipatersebut.Untukmenghitung diameter equivalen dapat digunakan :212122DD - Dperimeter Wettedarea flow . 4hr4 De = = = ............(2.1)( )1 2D - Dperimeter wetted fractionalarea flow . 4De = = .............(2.2)dimana : D1= diameter bagian pipa dalamD2= diameter bagian pipa luarBiasanya ukuran pipa DPHE mempunyai standar tersendiri dan spesifikasi sepertiyangterlihatpadatabel1.1sehinggauntukmenghitungflowareadan diameter equivalen sudah ada dalam tabel tersebut.Tabel 2.1 Ukuran, diameter equivalen dan flow area DPHEUkuran DPHE (in)Flow area (in2) Annulus (in)Annulus Pipa De De2 x 1 2 x 1 3 x 24 x 31,192,632,933,141,501,503,357,380,9152,021,571,140,400,810,690,53* Sumber : Kern, Process Heat Transfer, tabel 6.2 hal. 110Sedangkan untuk melihat dimensi atau data pipa dapat dilihat pada tabel 2.2.Tabel 2.2 Dimensi beberapa ukuran pipa, diambil dari Kern, tabel 11 hal 844492.2 Pembagian DPHE menurut AlirannyaDilihatdariarahfluidanyayangmengalir,makapadaDoublePipeHeat Exchanger dapat dibagi mnejadi :2.2.1 Aliran searah (Cocurrent)Padajenisinibaikfluidadinginmaupunfluidapanasmengalirsearah dan jenisnya bisa seri-seri maupun seri-paralel.502.2.1aDPHE aliran searah jenis seri-seriPada DPHE ini baik fluida panas maupun fluida dingin mengalir searah dan secara seri-seri seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini :Gambar 2.2. DPHE dengan aliran searah jenis seri-seri2.2.1bDPHE aliran searah jenis seri-paralelPadaDPHEinibaikfluidapanasmaupunfluidadinginmengalir searahdanseri-seri.Padabagianannulusataupipaluaraliranfluida mengalirtanpadiparalel,sedangkanpadabagianpipaataupipabagian dalamfluidamengalirdenganterlebihdahuludiparalel.DPHEjenisini sepertiyangterlihatpadagambardibawahini,padajenisinifluidadingin masuk ke dalam DPHE diparalel menjadi m1, t1dan m2, t2sedangkan fluida panasmasuksecaraseri.KeluardariDPHEmenjadim1,t2danm2,t2.Ke dua aliran kemudian akan bersatu menjadi m, t2.Gambar 2.3. DPHE dengan aliran seri-paralel51Dalamcarainibagiandenganpenggunaanpressuredropyang melebihibatasdiatursecaraparalel,sedangkanbagiandenganpressure droprendahdiaturdalambatasyangdiizinkan.Apabilaaliranparalle tersebutmembagiduaaliransemuapengaruhnyaterhadappressuredrop adalahbesarsekali,yaitupressudedrop-nyamenjadi 1/8xpresure semula, hal ini disebabkan karena :P G2L, dan jika G menjadi nya dan L nya juga separuhnya, maka P baru = L2x 2 = 1/8 P lama.Dapatdiharapkanbahwaheattransfercoefficient punakanturun harganyadanjugaakanterjadipenurunanLMTD,tetapihasilakhirnya menjadi lebih favoralble.Beda suhu t yang sebenarnya dalam sistim seri-paralel. Penurunan dapat dilihat pada Kern hal. 117 120,dan hasil akhir untukperencanaan adalah sebagai berikut :(i) Satu series dari fluida panas dan n paralel fluida dingin( )( )1/1 2 2 12 1 1 11 11 ' ' ' 1 1 12, 3 log' 1 ' ' '' 'np nR RR R p RT T T tR dan pn t t T tt T t (| | | |= +( ||\ .( \ . = = A = (ii) Satu series fluida dingin dan n paralel fluida panas

( )( )( )( )1/1 21 22 1 1 11 11 " 12, 3 log 1 " "1 " "" "np nR RR pT T nT tR dan pt t T tt T t (| | = +( | ( \ . = = A = 2.2.2 Aliran tidak searah (Countercurrent)Padajenisinibaikfluidadinginmengalirtidaksearahdenganfluida panas dan jenisnya bisa seri-seri maupun seri paralel.2.2.2aDPHE aliran tidak searah jenis seri-seriPada DPHE ini baik fluida dingin mengalir tidak searah dengan fluida panas dan secara seri-seri seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini,52Gambar 2.4. DPHE dengan aliran tidak searah2.2.2bDPHE aliran tidak searah jenis seri-paralelPadaDPHEinibaik fluidapanasmengalirtidaksearahdenganaliran fluidadingindansecaraseri-paralel.Padabagianannulusataupipaluar aliran fluida mengalir tanpa di paralel sedangkan pada bagian pipa atau pipa bagiandalamfluidamengalirdenganterlebihdahuludiparalel.DPHEjenis ini seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini, pada jenis ini fluida dingin masuk ke dalam DPHE diparalel menjadi m1, t1dan m2, t1sedangkan fluida panasmasuksecaraseri.KeluardariDPHEmenjadim1,t2danm2,t2.Ke dua aliran kemudian akan bersatu lagi menjadi m, t2.Gambar 2.5. DPHE dengan aliran seri-paralelDPHE yang dimaksud dapat dilihat pada gambar dibawah ini,53Gambar 2.6. DPHE jenis seri-seri dan seri-paralel2.2.3 Urutan Perancangan DPHE1. Material dan heat balanceQ = M . CP. AT = M . = m . cp . At2. Menghitung AT (LMTD)( )2 12 1LMTDt / t lnt - ttA AA A= A3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)4. Trial ukuran dan panjang potongan pipa DPHEEvaluasi Perpindahan PanasBagian Annulus (..........................) Bagian Pipa (.............................)5. Menghitung NReaandapat dicari pada tabel 6.2 Kernde dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernananaMG = atau ananamG =2,42 .de . GNanRe=6. Mencari faktor panas (JH)JHdicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, ho14 , 03 / 1H ok. cpdekJ h||.|

\||.|

\||.|

\|=w 5. Menghitung NRe pipadi dapat dicari pada tabel 11 Kernap dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernppaMG = atau ppamG =2,42 .di . GNpRe=6. Mencari faktor panas (JH)JHdicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, hi14 , 03 / 1H ik. cpdekJ h||.|

\||.|

\||.|

\|=w hio= hi(di/ do)8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+=549. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR =10. Mencari panjang ekonomis dengan mencari over design yang terkecil dari panjang pipa standar.Lpipa(ft)Hairpin (buah)Pembulatan hairpin Lbaru(ft)Abaru(ft2)UD baru(Btu/jam. ft2.oF)Rd hitung(jam.ft2.oF/Btu)Rd over design (%)121520 Evaluasi PBagian Annulus (...........................) Bagian Pipa (............................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . deNreanan=( )42 , 0pNre0,2640,0035 f + =2. Mencari AP karena panjang pipade . . g . 2L . G . f . 4P22anl= A||.|

\|= Ag' . 2vn P2n3. Mencari AP total pada pipa annulus( )144P P Pl n anA + A = A1. Menghitung Nre pipaatau diambil dari tahap 5.2,42 .G . diNrepp=( )42 , 0pNre0,2640,0035 f + =2. Menghitung AP pipa 144 di . . g . 2L . G . f . 4P22tp= AUntuk mempermudah menghitung harga hi maupun ho dapat dilakukan dengan mengganti(/w)0,14pipa=uidan(/w)0,14anulus=uo,dimanawadalah viskositas fluida pada suhu twatau suhu dinding yang harganya :( )( ) ( )( )C Ci io an oan oc w t - T/ h / h/ h t tu + uu+ =Contoh:9820lb/jambenzeneharusdi panaskan dari80sampai120oFdenganmengambil panas dari toluene yang karenanya adanya turun dari 160 ke 100oF. Spesific gravity pada 68oF adalah0,88dan0,87.Propertifluidayanglaindilihatpadaappendix.Untuktiapaliran disediakanfoulingfacror0,001 jam.ft2.oF/Btu,danpressuredropyangbisadiijinkanpada masing- masingalirantidakmelebihidari 10psi. Tersediacukupbanyakexchangerdengan ukuran 2 x 1 in IPS 20 ft. Berapa banyak hairpin yangdiperlukan?Jawab :1. Heat Balance :tav (Benzen) = (80 + 120) / 2 = 100oFc = 0,425 Btu/(lb)(oF) (fig. 2 Kern)55Q = 9820 x 0,425 (120 80) = 167.000 Btu/jamTav (Toluene) = (160 + 100) / 2 = 130oFc = 0,44 Btu/(lb)(oF)(fig. 2 Kern)W= 167.000/0,44(160 100) = 6330 lb/jam2. Penentuan LMTDFluida Panas Fluida dingin Beda At160 Suhu tinggi 120 40 At2100 Suhu rendah 80 20 At1Beda 20 At2- At1( ) ( )F 28,840/20 ln 20t / t ln t - tLMTDo1 21 2= =A AA A=3. Temperaturkaloric:Dicekkeduaarusnyaakanmenunjukkanbahwaadalahtidak viscospadaterminalyangdingin(yangviskositaskurangdari1cp)danperbedaan temperatur danrangetemperaturadalahmoderat.Makakoefisienbolehdievaluasi daripropertipadanilaiperhitungan,dannilai((/(w)0,14mungkindiasumsikansama dengan 1,0.Tav = (160 + 100) = 130oF tav = (120 + 80) = 100oFBerprosessekarangpadapipabagiandalam.Dicekpadatabel6.2menunjukkan bahwaareaarusdaripipabagiandalamadalahlebihbesardarianulus. Menempatkan arus yang lebih besar, benzen didalam pipa bagian dalam.Evaluasi Perpindahan PanasFluida Panas : Annulus, Toluen Fluida Dingin : Pipa, Benzen4. Menentukan Bilangan ReynoldD2= 2,067/12 = 0,1725 ftD1= 1,66 / 12 = 0,138 ftaan= t (D22 D12) / 4 = t (0,17252 0,1382) / 4 = 0,00826 ft2De = (D22 D12) / D1 = (0,17252 0,1382)/ 0,138= 0,0762 ftMass Velocity, Gan= M / aan = 6330 / 0,00826 = 767.000 lb/jam.ft2Pada 130oF, = 0,41 (Fig. 14 Kern)= 0,99 lb/jam.ft k = 0,085 Btu/jam.ft2.oF (Tabel 4 Kern) Nre = (De . Gan) / = (0,0762 x 767000) / 0,99 = 59.0005. MencariKoefisienFilmPerpindahanPanas, ho.JH= 167(Fig. 24 Kern) 323085 , 00,99 . 44 , 00,07620,085167k. cpDekJ h3 / 114 , 03 / 1H o= |.|

\||.|

\|=||.|

\||.|

\||.|

\|=w 4. Menentukan Nre pada pipaD = 1,38/12 = 0,155ftap=t D2/4=t (0,155)2/4=0,0104 ft2Mass Velocity,Gp= M/ap= 9820/0,0104 = 943000 lb/jam ft2Pada 100oF, = 0,50 (Fig. 14 Kern)= 1,21 lb/jam.ftk = 0,085 Btu/jam.ft2.oF (Tabel 4 Kern)Nre = (D . Gp) / =(0,115x943000)/1,21= 895005. Mencarikoefisienperpindahanpanas, hi.JH= 236(Fig. 24 Kern)F . Btu/jam.ft 333091 , 01,21 . 425 , 00,1150,091236k. cpdekJ h23 / 114 , 03 / 1H iow=|.|

\||.|

\|=||.|

\||.|

\||.|

\|= hio= hi(ID/OD)=333 (1,38/1,66)=276 56Btu/jam.ft2.oF6. Clean Overall Coeficient, UCF . Btu/jam.ft 149323 276323 . 276h hh . hUo 2o ioo ioC=+=+=7. Design Overall Coeficient, UDRdU1U1C D+ =Rd = 0,002Jam.ft2.oF/Btu2DD1 1 0,002 U115Btu/jam.ft . FU 149o= + =8. Luas permukaan yang diperlukanQ = UD. A . At2o o 2Dft 50,5F 28,8 xF . Btu/jam.ft 115Btu/jam 167000t . UQA= =A=daritabel11Kernuntuk1inIPSpipastandaradalah0,435ft2padapermukaan luar per panjang pipa.Panjang yang dibutuhkan = 50,5 / 0,435 = 116 ft9. Permukaanyangdisediakansesungguhnyaadalah120x0,435=52,2ft2,maka faktor pengotor adalah akan lebih besar dibanding diperlukan. Desain koefisien yang nyata adalahF . Btu/jam.ft 11128,8 x52,2167000U2Do= =F/Btu . jam.ft 0,0023111 . 149111 - 149 U . U U - URd2D CD C o= = =Evaluasi Pressure DropFluida Panas : Annulus, Toluen Fluida Dingin : Pipa, Benzen2. Menentukan Nre dan friksiDeuntukpressuredropberbedadariDe untuk perpindahan panas De = (D2 D1)(pers. 6.4 Kern) = (0,1725 0,138) = 0,0345 ft Nre = (De . Gan) / = (0,0345 x 767000)/0,99 = 26.8000,0071268000,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,420,42= + =+ =s = 0,87, = 62,5 x 0,87 = 54,3(tabel 6)3. Menentukan AP karena panjang pipa( )( ) ( )( )( )( )23,50345 , 0 3 , 54 x10 4,18 2120 767000 0,0071 4

de . . g . 2L . G . f . 4P8222anl= == Aft/s 3,9254,3 x36007670003600GV = = =1. Menentukan Nre pada pipaUntuk Nre = 89500 didapat :( )0,0057895000,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,4242 , 0p= + =+ =s = 0,88, = 62,5 x 0,88 = 55,0(tabel 6)2. Menghitung AP pipa( )( ) ( )( )( ) ( )psi 3,214455,08,3115 , 0 0 , 55 10 x4,18 2120 943000 0,0057 4

di . . g . 2L . G . f . 4P2 8222tp= === A57ft 0,732,2 . 23,923g' . 2vn P2 2n=||.|

\|=||.|

\|= A( )( ) psi 9,21443 , 540,7 23,5 144P P Pl n an= + =A + A = A2.3 DPHE Seri Paralel 2.3.1 Fluida dingin di paralelAt = (T1 t1)dimana untuk mencari harga :( )(((

+|.|

\|=R'1P'1R'1 - R'log1 - R'R' . p2,3P' - 1P / 1( )1 22 1 t - t pT - TR' = dan 1 11 2 t - T t - TP' =2.3.2 Fluida panas di paralelAt = (T1 t1)dimana untuk mencari harga :( )(((

+|.|

\|= R"P"1R" - 1 logR" - 1p2,3P" - 1P / 1( )1 22 1 t - t) T - p(TR" = dan 1 12 1 t - T t - TP" =2.4 Urutan Perancangan DPHEDalamperancanganDPHEsecaraseri-paralelyangperludirancang adalah panjang pipa yang nantinya akan dirobah menjadi jumlah hairpin sesuai dengan potongan pipa yang digunakan. Namun banyaknya hairpin harus sesuai denganjumlahparalelyangdirancang.Urutanperancangantersebutterlihat pada bagian berikut.58Urutan Perancangan DPHE1. Material dan heat balanceQ = M . CP. AT = M . = m . cp . At2. Menghitung AT (LMTD)Dicoba fluida panas atau dingin jumlah paralel pipanya (p)At = (T1 t1)dimana sesuai dengan fluida yang diparalel3. Menghitung suhu caloric (Tc dan tc)4. Trial ukuran dan panjang potongan pipa DPHE Evaluasi Perpindahan PanasBagian Annulus (..........................) Bagian Pipa (.............................)5. Menghitung NReaandapat dicari pada tabel 6.2 Kernde dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernananaMG= atau ananamG=2,42 .de . GNanRe=6. Mencari faktor panas (JH)JHdicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, ho14 , 03 / 1H ok. cpdekJ h||.|

\||.|

\||.|

\|=w 5. Menghitung NRe pipadi dapat dicari pada tabel 11 Kernap dapat dicari pada tabel 6.2 Kern dapat dicari pada gambar 14 KernppaM/pG = atau ppam/pG =2,42 .di . GNpRe=6. Mencari faktor panas (JH)JHdicari pada gambar 24 Kern7. Mencari harga koefisien film PP, hi14 , 03 / 1H ik. cpdekJ h||.|

\||.|

\||.|

\|=w hio= hi(di/ do)8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+=9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR =10. Mencaripanjangekonomisdenganmencariover design yang terkecil dari panjang pipa standar.Lpipa(ft)Hairpin (buah)Pembulatan hairpin L baru(ft)A baru(ft2)UD baru(Btu/jam. ft2.oF)Rd hitung(jam.ft2.oF/Btu)Rd over design (%)12591520Evaluasi PBagian Annulus (...........................) Bagian Pipa (............................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . de'Nreanan=( )42 , 0pNre0,2640,0035 f+ =2. Mencari AP karena panjang pipade . . g . 2L . G . f. 4P22anl= A|.|

\|= Ag' . 2vn P2n3. Mencari AP total pada pipa annulus( )144P P Pl n anA + A = A1. Menghitung Nre pipa atau diambil dari tahap 5.2,42 .G . diNrepp=( )42 , 0pNre0,2640,0035 f+ =2. Menghitung AP pipa 144 di . . g . 2(L/p) . G . f. 4P22tp= AUntuk mempermudah menghitung harga hi maupun ho dapat dilakukan dengan mengganti(/w)0,14pipa=uidan(/w)0,14anulus=uo,dimanawadalah viskositas fluida pada suhu twatau suhu dinding yang harganya :( )( ) ( )( )C Ci io an oan oc w t - T/ h / h/ h t tu + uu+ =Contoh: Gasolin (57o API) akan dipanaskan dari 220oF menjadi 230oF menggunakan Gas Oil (26oAPI) dengan rate 13000 lb/jam didalam suatu DPHE dengan ukuran 3 x 2 in sch 40 dengan potonganpipa20ft,sehinggasuhunyaturundari450oCmenjadi350oF.Jika faktorpengotor gabunganminimal0,004jam.ft2.oF/Btudanpressuredropmasing-masingaliranmaksimal sebesar 10 psi. Rancang dan gambarlah DPHE tersebut .Jawab :1. Heat Balance :Q= M . Cp . AT = m . cp . At = 13000 . 0,62 (450 350) = m . 0,584 (230 220) = 806.000 Btu/jam;m = 138.014 lb/jam2. Menghitung ATDari rate dan flow area pipa maka fluida dingin akan diletakan pada bagian pipa dan fluida panas dalam annulus.60Dicoba fluida dingin diparalel sebanyak 2 buah, maka :( ) ( )( )0,565220 - 450220 - 350 t - T t - TP'5220 - 230 2350 - 450) t - (t pT - TR'1 11 21 22 1= = == = =( )0,7428;P'1R'1 - R'log1 - R'nR'2,3P' - 1= |.|

\|= T = (T1 t1) = 0,7428 (450 220) = 170,844oF3. Menghitung Suhu Kaloric (TC dan tC)TC= T2+ Fc (T1 T2)Dari gambar17 Kern halaman827,KCpada fluidapanas= 0,44 dan fluida dingin < 0,1,sehinggadiambilKC=0,44.DarihargatC/th=0,59didapatkanFc=0,425, sehingga :TC= T2+ Fc (T1 T2) = 350 + 0,425 (450 350) = 392,5oFtC= t1+ Fc (t2 t1) = 220 + 0,425 (230 220) = 224,25oFEvaluasi Perpindahan PanasFluida Panas : Annulus, Gas Oil Fluida Dingin : Pipa, Gasoline4. Menentukan Bilangan ReynoldMass Velocity, Gan= M / aan= 13000/(2,93/144) = 631067,9 lb/jam.ft2( )( )10345,3762,42 . 3525 , 39 , 631067 1,57/122,42 .G . deNrean== =5. Mencari Koefisien Film Perpan, ho.JH= 38 F . Btu/jam.ft 80,9230675 , 02,42 . 8,113 . 65 , 01,57/120,067538k. cpDekJh23 / 114 , 03 / 1Hanoow=|.|

\||.|

\|=||.|

\||.|

\||.|

\|=u ( )( ) ( )( )( )( ) ( )(F 237,8 224,25 - 5 , 39280,923 833 , 92080,923224,25 t - T/ h / h/ h t toC Ci io an oan oc w=++ =u + uu+ =68,86525,78,11380,923hh14 , 0 14 , 0anoo=|.|

\|=||.|

\|u=w4. Dicoba paralel sebanyak 2 buahMass Velocity,

( ) ( )( )2ppft lb/jam 9 2961673,81 144 /35 , 32 /138014am/pG== =( )( )780986,22 2,42 . 27 , 0819 , 2961673 2,067/122,42 .G . diNrep== =5. Mencari koefisien perpan, hi.JH= 1300F . Btu/jam.ft 1058,183085 , 02,42 . 0,27 . 584 , 02,067/120,0851300k. cpdekJh23 / 114 , 03 / 1Hpiow=|.|

\||.|

\|=||.|

\||.|

\||.|

\|=u F . Btu/jam.ft 920,833 0,1980,17231058,183dodi h ho 2pipio=|.|

\|= |.|

\|u=uF . Btu/jam.ft 925,437 0,62920,6534920,833hho 214 , 0 14 , 0pio=|.|

\|=||.|

\|u=w6. Mencari tahanan panas pipa bersih, UCF . Btu/jam.ft 64,09568,865 925,43768,865 . 925,437h hh . hUo 2o ioo ioC=+=+=7. Mencari tahanan panas pipa terpakai (Design Overall Coeficient, UD)61F . Btu/jam.ft 51,016U , U 095 , 64 U - 64,0950,004 U . U U - UR2DDDD CD Cdo=+==Q = UD. A . T,A = 92,48 ft2, L = 92.48/0,522 = 148,68 ftJumlah hairpin = 148,68 / (2 x 20) buah = 3,717 4 buah atau panjang pipa menjadi 160 ft. Hasil ini dicek kembali harga Rd yang didapatkan :Rd = (160/148,68) x 0,004= 0,0055 Jam.ft2.oF/Btu (Over design)

Evaluasi Pressure DropFluida Panas : Annulus, Toluen Fluida Dingin : Pipa, Benzen1. Menentukan Nre dan friksiDeuntukpressuredropberbedadariDe untuk perpindahan panas De = (D2 D1)(pers. 6.4 Kern)

Nre = (De . Gan) / = 4511,5170,01124511,5170,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,420,42= + =+ =s = 0,77, = 62,5 x 0,77 = 48,125 (tabel 6)2. Menentukan AP karena panjang pipapsi 11,03de . . g . 2L . G . f . 4P22anl= = Aft 0,36144 g' . 2vn P2n=||.|

\|= A( ) psi 11,39 P P Pl n an= A + A = A1. Menentukan Nre pada pipaUntuk Nre = 780986,22 didapat :( )0,0044780986,220,2640,0035Nre0,2640,0035 f0,4242 , 0p= + =+ =s = 0,675, = 62,5 x 0,675 = 42,192. Menghitung AP pipapsi 14,1144 di . . g . 2L . G . f . 4P22tp= = ADilihatdaripressuredropdibagianpipamaupunannulusmelebihiketetapan,sehinggaperlu dicobadenganjumlahparallelataukalaujumlahparalleltetapmaka ukuranpipaperludicoba yang baru misalnya 4 x 3 in sch 40.62III. SHEEL AND TUBE EXCANGERS3.1 Shell and Tube ExchangersHEtypeShellandTubeadalahalatpemindahpanasyangterdiridari bagian shell yang didalamnya berisi bagian tube yang jumlahnya banyak. Heat Exchangerinidigunakanapabilaluasperpindahanpanasnya>120ft2.Untuk menyatakan type shell and tube dinyatakan dengan penulisan :Contoh : 1 2 exchanger artinya :1 lewatan pada bagian shell2 lewatan maksimum pada bagian tubeGambar sketnya :semakin besar jumlah lewatan sheel semakin banyak panas yang diserap tetapi semakinsulitperawatannya.Biasanyauntukmenghindarihaltersebut dilakukan dengan pemasangan secara seri, misalnya :2 4 exchanger bisa dipasang menjadi 2 buah 1 2 exchanger3 6exchanger bisa dipasang menjadi 3 buah 1 2 exchangerExchangertipebanyakdipergunakandalamindustriproses,karena konstruksikompakdan dapatmeyediakanperpindahanpanasyang besar.Alat ini terdiri dari sebuah shell yang didalamnya berisi banyak tube yang sumbunya sejajardengansumbushell.Turbulensipadabagiantubedapatditingkatkan denganmengaturbanyakpass(n),sedngkanutrbulensi padabagianshell diatur dengan pemasangan sejumlah baffle tegak.Dari sejumlah variasi sheel and tube, tiga contoh utama adalah :(i) Fixed Tube Plate ExchangerJenis ini lebih murah karena konstruksi sederhana, tetapi pembersihan secaramekanisdaritubebagianluartidakdapatdilakukandan karenanya dipergunakan untuk fluida lewat shell yang bersih. 63(ii) U-Tube ExchangerJugakonstruksinyasederhanadanmemungkinkanterjadinya perbedaandalampemuaianantaratubedanshell.Pembersihan permukaan luar dapat dilakukan dengan membuat bagian shell, tetapi pembersihanbagiandalamtubesulitdilakukankarenabentukUdan terbatas penggunaan untuk fluida yang melalui tube yang relatif bersih(iii) Floating Head ExchangerMemberikan kesempatan terjadinya perbedaan pemuaian antara tube dan shell, disamping pembersihan pada bagian dalam maupun bagian tube,tetapikonstruksirelativemahal.Olehkarenaitutipeinibanyak dipergunakan dalam industry proses dan industry minyak (petroleum). Beberapahalyangperludiperhatikan dalamexchangertypeshellandtube adalah :1.T=Ft.TLM,dimanaFtadalahfaktorkoreksisuhu,denganterlebih dahulumencarihargaR danS padaFig.18 23Kern. Padapencarian hargaFtharusberurutansekaligus mendapatkantypeexchanger. Untuk menentukan type HE :a. Type HE 1 2 harga Ft > 0,75b. Type HE 2 4 dan seterusnya harga Ft > 0,9ApabilapenggunaanFig.18 23Kernkurangmeyakingkan,makaFTsebaiknyadihitungmenggunakanpersamaan(7.41)Kern hal.144untuk HE 1-2,sedangkan untukHE 2-4, 3-8dan seterusnya perhitungan untuk FTdilakukan menggunakan persamaan (8.5) hal. 177 Kern.2. Pada Shell and Tube potongan pipa yang digunakan biasanya berukuran 12,16dan20danspesifikasinyadinyatakandenganBWG.Sebagai contoh :pipa OD. 16 BWG.Data-datapipatersebut dapatdilihatpadatabel10Kern. Jumlahpipadi dalamsuatushellandtubemerupakanjumlahyangstandardandapat dilihatpadatabel9Kern.Didalamtabeltersebutdidapatkanjumlahpipa juga didapatkan jumlah passes tube dan inside diameter shell.64Susunan pipa di dalam shell dalam bentuk :SelainC adanPT padasusunantubetersebutdapatdicarihargade (diameter equivalen) seperti yang terlihat pada tabel dan gambar 28 Kern.3.Padabagiansheelalirandapatdiperlamadengancarapenambahan Baffle(sekat).jarak antara baffle ditetapkan :a. (1/5 sampai 1) x IDSuntuk fluida berupa liquidab. mendekati 1 x IDSuntuk fluida berupa gasYang terpentingadalahjumlahcross(N+1)yangharganya:(12xL)/B tidak boleh merupakan bilangan pecahan tetapi bilangan bulat.Koefisienperpindahanpanasbagiantubehiberbandinglangsungdengan banyaknyalewatan(n)denganpangkat0,8atauhixn0,8,tetapipenurunan tekanannya berbanding denganbanyaknyalewatan pangkat 3atau Ptx n3, ini berarti apabila banyak lewatan dirubah dari 2 menjadi 8, maka secara kualitatif :

0,8,8,2832iihh| |= = |\ .Sedangkan perubahan tekanan P adalah (secara kualitatif) :3,8,28642ttPP| |= = |\ .Jarakantarabaffle tegakBmempunyaipengaruhbaikterhadapkoefisien perpindahn homaupun penurunan tekanan Pspada bagian shell. Makin besar harga B, maka makin kecil homaupun Ps. Secara kualitatif perubahan hodan 65PsberbandingterbalikdenganBperpangkat3.ContohnyaBdirubahdai ukuran maksimum (= 1 ID shell) menjadi ukuran minimum (= 0,2 ID shell) maka perubahan dalam hodan Psadalah :0,55, min, max3, min 3, max12, 420, 21 5 1250, 2 i Bi Bs Bs BhhPIDP ID| |= = |\ .| |= = = |\ .3.2 Urutan Perancangan Shell and TubeDalam perancangan SHELL and TUBE yang perlu dirancang adalah luas permukaanperpindahanpanasyangnantinyaakandirobahmenjadijumlah pipasesuaidenganpotonganpipayangdigunakan.Namunbanyaknyapipa harus sesuai dengan jumlah pipa yang satandar. Urutan perancangan tersebut terlihat pada bagan berikut.Urutan Perancangan Shell and Tube1. Material and Heat balanceQ = M . CP. AT = M . = m . cp . At2. Menghitung ATLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - ttA AA A= A ; AT = Ft . ATLM3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)Tc = T2+ Fc (T1 T2)tc = t1+ Fc (t2 t1)4. Mencari IDSdan jumlah pipa dimulai dengan trial UDt . UQA D A= danL . a"ANt =NtdistandarkandanIDSdidapatkandaritabel9Kern.DanUDdikoreksi dengan menggunakan persamaan : trial Dstandar(koreksi) D U .NtNtU =kesimpulan sementara hasil perancangan66Type HEBagian Shell Bagian TubeIdS= do =BWG l =Nt =n =n = susunan PT=de =B = a = a = di = Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)5. Menghitung Nre144 . P . n B . C' . IDaTSS =de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 KernSSaMG = atau SSamG =2,42 .de . GNreSS=6. Mencari Faktor Panas (JH)JHdicari pada gambar 28 Kern7. Menghitung Koefisien Film PP, ho14 , 03 / 1H Ok. cpdekJ h||.|

\||.|

\||.|

\|=w 5. Menghitung Nre pipa144 . n a' . Nt aP = dicari pada gambar 14 KernPPamG = atau PPaMG =2,42 .di . GNrePP=6. Mencari Faktor Panas (JH)JHdicari pada gambar 24 Kern7.Menghitung Koefisien Film PP, hi14 , 03 / 1H ik. cpdekJ h||.|

\||.|

\||.|

\|=w |.|

\|=dodih hi io8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+=9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR =Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuanEvaluasi PBagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . deNreSS=f dicari pada gambar 29 Kern2. MenghitungAPShanyakarena panjang shell.1. Menghitung Nre pipa 2,42 .G . diNrePP=f dicari pada gambar 26 Kern2. Menghitung AP karena panjang pipa67( )S10S2SS. S . de . 10 x22 , 51 N ID . G . fPu+= AP102PP. S . di . 10 x22 , 5n . L . G . fPu= A3. Menghitung AP karena tube passes144 gc . 2vsn 4P2n||.|

\|= A4. Mencari AP total pada bagian tubeAPT = APP+ APnCatatan : AP masing masing aliran < AP ketetapanContoh :data data : 1. tube yang digunakan berukuran : 1OD 14 BWG panjang 16 ft.2. susunan pipa segi tiga dengan Pitch : 1 .3. p masing-masing aliran maksimal 10 psi4. faktor pengotor gabungan minimal 0,004 jam.ft2.oF/BtuJawab :1. Material dan heat balanceQ = M . Cp . T = m . cp . t = 30.000 (0.57) (300 100)= m . 1 . (120 86)Q = 3.420.000 Btu/jam; m = 100.5888 lb/jam 2. Menghitung T(LMTD)1 212180 1465180ln ln14oLMt tt FttA A A = = =AA1 2 2 12 1 1 1300 100 120 565,88; 0,16120 86 300 86T t t tR St t T t = = = = = = dari gambar 18 Kern halaman 828, tidak didapatkan harga Ftyang cocok dan dari gambar 19 halaman 829 didapatkan Ft= 0,94 > 0,9 sehingga type HE 2 4.Jadi, T = Ft. TLM= 0,94 (65) = 61,1oF3. Menghitung suhu caloric (Tcdan tc)Tc= T2+ Fc(T1 T2)tc= t1+ Fc(t2 t1)darigambar17halaman827Kerndidapatkan,Kc=0,11dandengandemikian didapat( tc/ th)=0,078didapatkanhargaFc=0,3sehingga;Tc=100+0,3 (300 100) = 160oF 4. Trial UD = 120 Btu/jam.ft2.oF (table 8 Kern ; Light organic - cair)223.420.000/466 120/ . .(61,1 )o oDQ Btu jamA ftU t Btu jam ft F F= = =A466111 " 0,1963(20)ANt buaha L= = =Nt distandarkan dan IDs didapatkan dari table 9 Kern :68IDs = 17 in; n = 4; Nt = 106UDterkoreksi,2 tan111(120) 126/ . .106oD terkoreksi D trials darNtU xU Btu jam ft FNt= = =Kesimpulam sementara :Type HE : 2 4 Bagian Shell Bagian TubeIDs = 17 in do = 1 in 14 BWG, l =16 ft, Nt = 106, n = 4n = 2 susunan segitiga, PT= 1,25 in; de = 0,72 inB= 4 in a = 0,596 in2; a = 0,1963 ft2/ft; di = 0,834Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (..) Bagian Tube (.)5. Menghitung Nre. '. 17, 25(0, 25)40, 045'. .144 (2)(1)144ssTID C Ban P= = =230.000666, 6660/ .0, 045ssMG lb jam fta= = =( ) 666, 666 0, 72/12 .44672.2, 42 0, 37(2, 42)s eG dNre= = =6. JHdicari pada gambar 28 KernJH= 1307. Menghitung harga koefisien PP, hi0,141/ 31/ 3..o HwoHsk cph Jde kh k cpJde k | || || |= || |\ .\ .\ .| || |= | |\ .\ .dari gambar 16 Kern didapat harga :.0,155cpkk | | = |\ .sehingga,( )0,155130 3360, 71/12osh| |= = | |\ .( )/114/o o sw c c cio o sht t T t Fh h= + =+sehingga s= (/w)0,14= 0,97 atau ho= 336 (0,97) = 326 Btu/jam.ft2.oF5. Menghitung Nre pipa2. ' 106(0, 596)0,105 .144 (4)144pNt aa ftn= = =2100.588958000/ .0,105ttMG lb jam fta= = =( ) 958000 0, 834/12 .36680.2, 42 0, 75(2, 42)t iG dNre= = =6. 7. Karena fluidanya air, maka9580004, 26/3600 3600(62, 5)tGv fts= = =dari gambar 25 Kern, didapat :hi= 1100 (0,94) = 1034 Btu/jam.ft2.oF20,83410341862/ . .iio ioodh hdBtu jam ft F| || |= = ||\ .\ .=5. Mencari tahanan panas pipa bersih (Uc)2326(862) .237/ . .326 862o i ioci ioh hU Btu jam ft Fh h= = =+ +6. Mencari dirt faktor (faktor pengotor) pipa terpakai2237 1260, 0037. . /. 237(126)o c Ddc DU UR jam ft F BtuU U = = =Ternyata : Rdhitung < Rdtetapan, jadi HE rancangannya kurang memenuhiEvaluasi pBagian Shell (................) Bagian Tube (................)691. Menghitung Nre dan friksi.44672.2, 42ande GNre= =f= 0,0016 (gambar 29 Kern)2. Menghitung harga (N+1)(N+1) = (12 x l)/B = (12 x 16)/4 = 48, karena passes, maka :(N+1) = 2 x 48 = 96dari hal. 809 Kern di dapatkan harga s = 0,71Menghitung hanya karena panjang shell,( )( )( ) ( )( )( )( )( ) ( )210210. . . 1(5, 22 10 ). . .0, 0016 714300 17, 25/12 96 5, 22.10 0, 72/12 0, 71 0,9752, 2 s ssssf G ID Npx de Spsi p ketetapan|+A === > A1. Menghitung Nre pipa atau di ambil dari tahap 5.36680.2, 42tdi GNre= =f= 0,00019 ( gambar 26 Kern)2. Menghitung p karena panjang pipa( )( ) ( )( )( )( )( )( )210210. . .(5, 22 10 ). . .0, 00019 958000 16 4 5, 22.10 0,834 /12 1 13,1 ttsf G L npx di Spsi|A ===3. Menghitung p karena tube passes.Dari gambar 27 Kern,20,1252 144cvg | |= |\ .sehingga,24 4 40,125 22 144 1ncn v xp xs g | |A = = = |\ .ptotal= pt+ pn = 3,1 + 2 = 5,1 psi < p ketetapanBAB4C O N D E N S O R4.1 Pengertian CondensorCondensoradalahsemacamalatHeatExchangeryangberfungsiuntuk merobahfasegasmenjadifaseliquid.Biasanyagasyangdiembunkan diletakandibagiansheelsedangkanpendingindiletakandibagianpipaatau tube. Ada beberapa macam condensor :a. Berdasarkan peletakannyaBerdasarkan peletakannya condensor ada 2 macam, yaitu : condensor horisontal condensor vertikalb. Berdasarkan prosesnyaBerdasarkan prosesnya kondensor ada tiga macam, yaitu : De-superheater condensor Saturated condensor Sub-cooled condensorc. Berdasarkan jumlah komponen yang diembunkan70Berdasarkanjumlahkomponenyangdiembunkancondensordapat dibagi mnejadi 2 macam, yaitu : Mono komponen Multi komponen4.2 Condensor HorisontalDalam condensor horisontal berlaku :a. ho = 15 300 Btu/jam.ft2.oFb. beban condensor dinyatakan :- apabila pengembunan di luar pipa 2/3Nt . LMG"=- apabila pengembunan di dalam pipa :Nt. L . 0,5MG" =4.3 Condensor VertikalDalam condensor vertikal berlaku :a. ho = 90 150 Btu/jam.ft2.oFb. beban condensor dinyatakan :- apabila pengembunan di luar pipa :do . . Nt MG't=- apabila pengembunan di dalam pipa :organik) uap (untuk1400f .G' . 4=4.4 Grafik Perpindahan Panas714.5 Urutan Perancangan Condensor1. Material and Heat balanceQ = Q1+ Q2= m . cp . AtUntuk desuperheater : Q1= M . CP. (T1 T1) ; Q2= M .(hg hl)Untuk subcooler : Q1= M .(hg hl) ; Q2= M . CP. (T1 T1)2. Menghitung ATLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - ttA AA A= A ; AT = Ft . ATLMhargaFt=1karenaprosesnyaisothermal,padacondensortype HE 1 2 karena Ft = 1 dimana dimulai n = 2 dan seterusnya.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)Tc = (T1+ T2)tc = (t2+ t1)4. Mencari IDSdan jumlah pipa dimulai dengan trial UDyang terletak antara75 150Btu/jam.ft2.oF(tabel8Kern),termasukCooler dimana fluidanya antara light organic dengan air.72t . UQA D A= danL . a"ANt =NtdistandarkandanIDSdidapatkandaritabel9Kern.DanUDdikoreksi dengan menggunakan persamaan : trial Dstandar(koreksi) D U .NtNtU =kesimpulan sementara hasil perancanganType HE : 1 2 Bagian Shell Bagian TubeIdS=do =BWGl =Nt =n =n = 1 susunan PT=de =B = mendekati 1 x IDS a = a = di = Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)5. Menghitung Nre144 . P . n B . C' . IDaTSS =de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 KernSSaMG = atau SSamG =2,42 .de . GNreSS=6. -7. Menghitung harga Koefisien Film PP, hoTrial ho antara 150-300 Btu/jam.ft2.oFuntuk condensorhorisontaldanhoantara90-150 Btu/jam.ft2.oF untuk condensor vertikal.( )( ) tc - Tchio hoho tc tw++ =tf= (Tc + tw)/22/3Nt . LMG"= condensor horisontaldo . . Nt MG't= condensor vertikalDarigambar12.9didapatkanhodengan catatanhotersebutsamadenganhotrial. Jika berbeda tidak boleh lebih dari 20%. Jika tidak diulangi lagi ho trial.5. Menghitung Nre pipa144 . n a' . Nt aP = dicari pada gambar 14 KernPPamG = atau PPaMG =2,42 .di . GNrePP=6. -7. MenghitunghargaKoefisienFilm PP, hi . 3600Gtv =v yang baik apabila hasilnya antara 4 6 ft/detik.hidicaripadagambar25hal.835 Kern dan dilakukan koreksi,|.|

\|=dodih hi io738. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+=9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR =Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuanEvaluasi PBagian Shell (......................) Bagian Tube (........................)1. Menghitung Nre dan Friksi2,42 .G . deNreSS=f dicari pada gambar 29 Kern2. MenghitungAPShanyakarena panjang shell.( )S10S2SS. S . de . 10 x22 , 51 N ID . G . f.21Pu+= As = ( / 62,5)( ) T 460 . 1545BM . . 144s+=1. Menghitung Nre pipa 2,42 .G . diNrePP=f dicari pada gambar 26 Kern2. Menghitung AP karena panjang pipaP102PP. S . di . 10 x22 , 5n . L . G . fPu= A3. Menghitung AP karena tube passes144 gc . 2vsn 4P2n||.|

\|= A4. Mencari APtotalpada bagian tubeAPT = APP+ APnCatatan : AP masing masing aliran < AP ketetapanContoh :Condensor menggunakan shell and tube dengan pipa in OD, 16 BWG; PT= 1 in.Ketetapan : Rdgabungan minimal = 0,003 jam.ft2.oF/Btu p aliran air maksimal 10 psi p aliran uap maksimal 2 psiRancang dan gambarlah condenser horizontal tersebutJawab :1. Material dan heat balance74Q = m . cp . t = M .(hg hl) = m . 1 . (120 85)oF = 30.000 lb/jam (320 200) Btu/lbQ = 3.600.000 Btu/jam; m = 102.857lb/jam 2. Menghitung T(LMTD)1 21250 856650ln ln85oLMt tt FttA A A = = =AA1 2 2 12 1 1 1300 100 120 565, 88; 0,16120 86 300 86T t t tR St t T t = = = = = = Harga Ft= 1 karena prosesnya isothermal dan type HE 1 2.Jadi, t = Ft. TLM= 1 (66) = 66oF3. Menghitung suhu caloric (Tcdan tc)Tc= (T1+ T2) = (170 + 170) = 170oFtc= (t1+ t2) = (85 + 120) = 102,5oF4. Trial UD = 150 Btu/jam.ft2.oF yang terletak antara 75 150 Btu/jam.ft2.oF table 8 Kern.223.600.000/363, 6 150/ . .(66 )o oDQ Btu jamA ftU t Btu jam ft F F= = =A363, 6154 " 0,1963(12)ANt buaha L= = =Nt distandarkan dan IDs didapatkan dari table 9 Kern :IDs = 17 in; n = 4; Nt = 158UDterkoreksi,2 tan154(150) 146, 2/ . .158oD terkoreksi D trials darNtU xU Btu jam ft FNt= = =Kesimpulam sementara :Type HE : 2 4 Bagian Shell Bagian TubeIDs = 17 in do = in 16 BWG, l =12 ft, Nt = 154, n = 4n = 1 susunan segitiga, PT= 1 in; de = 0,95 inB= 16 in a = 0,302 in2; a = 0,1963 ft2/ft; di = 0,620Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (uap butan) Bagian Tube (air)5. Menghitung Nre shell. '. 17, 25(0, 25)160, 4792'. .144 (1)(1)144ssTID C Ban P= = =230.00062604/ .0, 4792ssMG lb jam fta= = =( ) 62604 0, 95/12 .209208.2, 42 0, 0098(2, 42)s eG dNre= = =6. JHdicari pada gambar 28 KernJH= 1307. Trial ho= 190Btu/jam.ft2.oF5. Menghitung Nre pipa2. ' 158(0, 302)0, 0828 .144 (4)144pNt aa ftn= = =2102.8571242234/ .0, 0828ttMG lb jam fta= = =( ) 1242234 0, 62/12 .36835, 5.2, 42 0, 72(2, 42)t iG dNre= = =6. 7. Menghitung harga koefisien film PP, hi12422345, 52/3600 3600(62, 5)tGv fts= = =dari gambar 25 Kern, didapat :hi= 1330 Btu/jam.ft2.oF75( )( )( )( )190102, 5 170 102,5 112, 4190 1099ow c c co iooht t T th hF= + += + =+tf= (Tc+ tw)/2 = (170 + 112,4)/2 = 141,2oF sehingga :kf= 0,075 (tabel 4 Kern)sf= 0,6 (tabel 6 Kern)f= 0,13 cp (gambar 14 Kern)2/ 3 2/ 330.00085, 5/ .. 12(158)nMG lb jam ftl Nt= = =Dari gambar 12,9 Kern di dapatkanho= 210 Btu/jam.ft2.oF (memenuhi)20, 6201 13300, 7501099/ . .iio ioodh h xdBtu jam ft F| | | |= = ||\ .\ .=8. Mencari tahanan panas pipa bersih (Uc)21099(210) .176, 3/ . .1099 210o i ioci ioh hU Btu jam ft Fh h= = =+ +9. Mencari dirt faktor (faktor pengotor) pipa terpakai 2176, 3 146, 20, 0011. . /. 176, 3(146, 2)oc Ddc DU UR jam ft FBtuU U = = =Ternyata : Rdhitung < Rdtetapan, jadi under desainEvaluasi pBagian Shell (uap butan) Bagian Tube (air)1. Menghitung Nre dan friksi.209208.2, 42ande GNre= =f = 0,00131 (gambar 29 Kern)2. Menghitung pshanya karena panjang shells = (/62,5)144. .1545(460 ).62, 5144(155)(58,1)0, 02131545(630)(62, 5p BMsT=+= =Menghitung harga (N+1)(N+1) = (12 x l)/B = (12 x 12)16 = 9( )( )( ) ( )( )( )( ) ( )( )210210. . . 1 1.2 (5, 22 10 ). . .0, 0013 62604 17, 25/12 91.2 5, 22.10 0,95/12 0, 0213 10, 374 ( )s sssf G ID Npx de Spsiok|+A ===1. Menghitung Nre pipa atau diambil dari tahap 5.36835, 5.2, 42tdi GNre= =f= 0,00019 (gambar 26 Kern)2. Menghitung p karena panjang pipa( )( ) ( )( )( )( )( )( )210210. . .(5, 22 10 ). . .0, 00019 1242234 12 4 5, 22.10 0, 620/12 1 15, 2 ttsf G L npx di Spsi|A ===3. Menghitung p karena tube passes.Dari gambar 27 Kern,20, 22 144cvg | |= |\ .sehingga,24 4 40, 2 3, 2 2 144 1ncn v xp x psis g | |A = = = |\ .ptotal= pt+ pn = 5,2 +3,2 =8,4 psi (ok)76BAB5R E B O I L E R5.1 Pengertian ReboilerReboileradalahalatsemacamHeatExchangeryangberfungsiuntuk merobah fase liquid menjadi fase gas. Biasanya liquid yang diuapkan diletakan dibagiansheelsedangkanpemanasdiletakandibagianpipaatautube.Ada beberapa macam Reboiler yang perlu diketahui :5.1.1 Forced Circulation ReboilerPada Forced Circulation Boiler liquid yang akan diuapkan berasal dari kolomdistilasiyangdipompakankedalamReboiler.Baikgasyangterjadi 77(antara60 80%)dariliquidyangmasukmaupunliquidyangtidak teruapkanakanmasukkedalamkolomdistilasilagi,sepertiyangterlihat pada gambar dibawah ini,Gambar 5.1. Forced Circulation Reboiler5.1.2 Natural Circulation ReboilerPadaNaturalCirculationReboiler hanyauapataugassajayang masukkedalamkolomdistilasi.Liquidyangtidakteruapkanakankeluar dariReboileratauhanyasebagianliquidyangdimasukansepertiyang terlihat pada gambar dibawah ini,Gambar 5.2. One-Through Reboiler Gambar 5.3. Circulating Reboiler5.2 Grafik Perpindahan PanasPenguapan di dalam Reboiler bisa terjadi dalam beberapa macam antara lain:penguapantitikjenuhnya,penguapandibawahtitikjenuhnyadan penyempurnaan penguapan.78Beberapa ketentuan penguapan pada Reboiler antara lain :b. untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2c. untuk mencari overall heat transfer UDberlaku :( ) t . L . a" . Nt Qt . A QUDA=A=5.3 Urutan Perancangan Kettle Reboiler1. Material and Heat balanceQ = QS + QV= M . cp . (T1 T2) = M . Untuk panas sensible : QS= m . CP. (T1 T1) ; QV= m1.(hg hl)2. Menghitung ATLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - ttA AA A= A ; AT = Ft . ATLMharga Ft = 1 karena prosesnya isothermal, pada Reboiler n (tube passes) dimulai dari yang tinggi sampai rendah agar penggunaan panas lebih efektif.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)79Tc = T2+ Fc (T1 T2) tc = t2+ Fc (t2 t1)4. MencariIDSdanjumlahpipadimulaidengantrialQ/Aantara 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :12000 s/d 8000QA = danL . a"ANt =Nt distandarkan danIDSdidapatkan dari tabel 9 halaman 841 842 Kern. Dan UDstandar didapatkan dengan menggunakan persamaan, L . a" . NtQUstandar(standar) D=kesimpulan sementara hasil perancanganType HE : 1 2 Bagian Shell Bagian TubeIdS= do =BWGl = Nt = n =n = 1 susunanPT=de =B = mendekati 1 x IDSa = a =di =C =Evaluasi Perpindahan PanasBagian Shell (........................) Bagian Tube (............................)5. Menghitung Nre144 . P . n B . C' . IDaTSS =de dicari pada gambar 28 Kern dicari pada gambar 14 KernSSaMG = atau SSamG =2,42 .de . GNreSS=6. Mencari Faktor Panas (JH)JHdicari pada gambar 28 Kern7. TrialhargaKoefisienFilmPP,homaksimal 300 Btu/jam.ft2.oF.( )( ) tc - Tchio hoho tc tw++ =At = (tw - tc)Darigambar15.11KerndidapatkanhV

maksimal 300 Btu/jam.ft2.oF dan hS .VVSSohQhQQh+=diharapkanhosamadenganhotrialatau 5. Menghitung Nre pipa144 . n a' . Nt aP = dicari pada fig. 14 KernPPamG = atau PPaMG =2,42 .di . GNrePP=6. 7.MenghitunghargaKoefisien Film PP, hi . 3600Gtv =vyangbaikapabilahasilnya antara 4 6 ft/detik.hi dicari pada gambar 25 hal. 835 Kern dan dilakukan koreksi,|.|

\|=dodih hi io80diatasnya.Jikaberbedatidakbolehlebih dari 20%, jika tidak diulangi lagi ho trial.8. Mencari tahanan panas pipa bersih (UC)io iio iCh hh . hU+=9. Mencari tahanan panas pipa terpakai (UD)D CD Cd U . U U - UR =Diharapkan : Rd hitung > Rd ketentuanEvaluasi PBagian Sheel (......................) Bagian Tube (........................)APdibagiansheeluntuktypenatural atau Kettle Reboiler diabaikan.1. Menghitung Nre pipa 2,42 .G . diNrePP=f dapat dicari pada gambar 26 Kern2. Menghitung AP karena panjang pipaP102PP. S . di . 10 x22 , 5n . L . G . fPu= A3. Menghitung AP karena tube passes144 gc . 2vsn 4P2n||.|

\|= A4. Mencari APtotalpada bagian tubeAPT = APP+ APnCatatan : AP masing masing aliran < AP ketetapanContoh :81BAB6T H E R M O S Y P H O N6.1 Horisontal Thermosyphon6.1.1 Pengertian Horisontal ThermosyphonHorisontal Thermosyphon adalah alat semacam Heat Exchanger yang berfungsiuntukmerobahfaseliquidmenjadifasegasyangpeletakannya horisontaldanpenguapanterjadidibagiansheelsedangkanpemanas diletakkandibagainpipaatautubesepertiyangterlihatpadagambar dibawah ini,82Gambar 5.1. Horisontal Thermosyphon6.1.2 Spesifikasi Horisontal ThermosyphonPada Horisontal Thermosyphon ada beberapa spesifikasi antara lain :a. Dimensi diameter shell dan panjang shella. IDS: 12 17 inci l = 8ftb. IDS: 19 - 29 incil = 12 ftc. IDS> 31 incil = 16 ftb. Shell passes atau n = 2c. Maksimal 80% liquid akan teruapkan d. Flux atau Q/A antara 8000 12000 Btu/jam.ft2e. hVtidak boleh lebih dari 300 Btu/jam.ft2.oFVVSSohQhQQh+=dimana : ho= koefisien film perpindahan panas luar pipa, Btu/jam.ft2.oFhs= koefisien film perpindahan panas sensible, Btu/jam.ft2.oFhv= koefisien film perpindahan panas laten, Btu/jam.ft2.oFQ = jumlah panas yang dipindahkan, Btu/jamQS= jumlah panas sensible, Btu/jamQV= jumlah panas laten, Btu/jam6.1.3 Grafik Perpindahan Panas83Penguapandidalamhorisontalthermosyphonbisaterjadidalam beberapa macam antara lain : penguapan pada titik jenuhnya, penguapan di bawah titik jenuhnya dan penyempurnaan penguapan.Beberapa ketentuan penguapan pada horisontal thermosyphon antara lain :a. Untuk liquid yang dipanasi berupa bahan organik berlaku :Q/A = 8000. s/d. 12000 Btu/jam.ft2b. Untuk mencari overall heat transfer UDberlaku :( ) t . L . a" . Nt Qt . A QUDA=A=c. Penurunan tekananAPpada thermosyphonsama dengan AP padashell and tube, hanya yang perlu diperhatikan adalah :de = diameter equivalen shell yang dipengaruhi oleh friction, dimanaperimeter wetted frictionalarea flow . 4de' =(Kern, pers. 6.4 hal 105)84free area = (t/4 (IDS)2 (t/4 do2)(Nt)) = t/8 (IDS)2 (do2) (Nt)( ) ( ) | | { }( ) ( ))`+ +=+ += =Nt . do . ID . ID . 2Nt do - ID 2Nt . do .2ID .IDNt do - ID /8 4perimeter Wettedarea flow . 4de'S S2 2SSS2 2St tt tt tt6.1.4 Urutan Perancangan Horisontal Thermosyphon1. Material and Heat balanceQ = QS + QV= M . cp . (T1 T2) = M . Untuk panas sensible : QS= m . CP. (T1 T1), dengan range boiling point > 15oF. Untuk panas laten: QV= m1. (hg hl)2. Menghitung ATLMTD( )2 12 1LMTDt / t ln t - ttA AA A= A ; AT = Ft . ATLMharga Ft dicari dari gambar 19 Kern karena n = 2.3. Menghitung Suhu Caloric (Tc dan tc)Tc = T2+ Fc (T1 T2) tc = t2+ Fc (t2 t1)4. Mencari IDSdan jumlah pipa dimulai dengan trial Q/A antara 8000 12000 Btu/jam.ft2.oF, sehingga didapatkan :8512000 s/d 8000QA = danL . a"ANt =Nt distandarkan dan IDSdidapatkan dari tabel 9 Kern dengan ketentuann=2dannminimal=4,dan